CN114765419A - 电源单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电源单元，能够高精度地判定转换器的动作模式的连续模式与不连续模式的边界。上述电源单元的特征在于，控制部通过对第2开关进行开关而控制占空比，来控制来自电源的输出电流值，上述控制部在上述开关的周期内以至少n(n为2以上的整数)次以上的频度检测电流传感器所取得的电抗器的电流值，当在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中不存在阈值以下的电流值的点的情况下，与在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中存在阈值以下的电流值的点的情况相比，上述控制部减小占空比的变化速度。

Description

电源单元
技术领域
本公开涉及电源单元。
背景技术
关于装备在被车载于燃料电池车辆等车辆而使用的系统的转换器进行了各种研究。
例如在专利文献1中，公开了一种能够抑制升压转换器输出预料之外的大电流的技术。
另外，在专利文献2中，公开了一种防止转换器将从燃料电池输入的实际的电压过度升压并输出的燃料电池系统。
另外，在专利文献3中，公开了一种以电流不连续模式进行PWM控制或者开关频率控制而能够防止输出电压的振荡的DC－DC转换器及其控制方法。
专利文献1：日本特开2020－088971号公报
专利文献2：日本特开2018－116864号公报
专利文献3：日本特开2008－131760号公报
转换器的动作模式中存在电流值相对于占空比(Duty)的灵敏度迟钝的不连续模式和电流值相对于占空比的灵敏度高的连续模式。
在转换器的动作模式中，通常在连续模式下，转换器的输出电流相对于占空比的上升量的变化量比不连续模式时大。因此，在连续模式下，例如在产生了占空比的微小的计算结果的偏差的情况下等，存在从转换器输出过度大于所需的电流的预料之外的大电流的可能性。
在上述专利文献1中，根据基于电抗器电感、载波频率、转换器入口电压以及转换器出口电压而计算的不连续模式用前馈项与基于转换器入口电压以及转换器出口电压而计算的连续模式用前馈项中较小的一方来判定当前时刻的运转模式是连续模式还是不连续模式。然而，在电抗器电感因产品偏差等而偏离目标值的情况下、以及在转换器入口电压以及转换器出口电压的传感器值存在测定偏差的情况下等，存在控制装置无法准确地识别连续模式与不连续模式的边界的担忧。例如存在如下担忧：本来处于连续模式但控制部误认为不连续模式，因将上升速度的限制值设定得高而产生电流的振荡。另外，存在如下担忧：本来处于不连续模式但控制部误认为连续模式，因将占空比的上升速度的限制值设定得低而电流变化的响应性降低。
发明内容
本公开是鉴于上述实际情况而完成的，其主要目的在于，提供能够高精度地判定转换器的动作模式的连续模式与不连续模式的边界的电源单元。
在本公开中，提供一种电源单元，具备：电源；和转换器，进行从由该电源的输出电压的升压以及降压构成的群组中选择的至少一个，该电源单元的特征在于，
上述转换器具备电抗器、第1开关、第2开关、电流传感器以及控制部，
上述电抗器与上述电源的阳极侧连接，
上述第1开关被连接在上述电抗器与输出节点之间，
上述第2开关将上述电抗器与上述第1开关的中间区域和上述电源的阴极侧连接，
上述电流传感器取得在上述电抗器流动的电流值，
上述控制部通过对上述第2开关进行开关而控制占空比，来控制来自上述电源的输出电流值，
上述控制部在上述开关的周期内以至少n(n为2以上的整数)次以上的频度检测上述电流传感器所取得的上述电抗器的电流值，
当在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中不存在阈值以下的电流值的点的情况下，与在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中存在阈值以下的电流值的点的情况相比，上述控制部减小占空比的变化速度。
本公开的电源单元可以构成为：在上述电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是1个以上小于m(m为2以上的整数)个的情况下，与上述电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是m个以上的情况相比，上述控制部减小占空比的变化速度。
本公开的电源单元可以构成为：上述控制部在上述开关的周期内以至少x(x为3以上的整数)次以上的频度检测上述电流传感器所取得的上述电抗器的电流值，
上述开关的周期中的将上述第2开关从断开切换为接通的紧前的时机下的上述控制部检测上述电抗器的电流值的周期比上述开关的周期中的上述紧前的时机以外的时机下的上述控制部检测上述电抗器的电流值的周期短。
根据本公开的电源单元，能够高精度地判定转换器的动作模式的连续模式与不连续模式的边界。
附图说明
图1是表示包括电源单元的系统的电路结构的一个例子的图。
图2是表示决定占空比的变化速度的控制的一个例子的流程图。
图3是表示决定占空比的变化速度的控制的另一个例子的流程图。
图4是表示连续模式下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图5是表示不连续模式(1)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图6是表示不连续模式(2)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图7是表示请求电流的斜率大的情况下的占空比变化速度相对于时间的关系的图。
图8是表示请求电流的斜率小的情况下的占空比变化速度相对于时间的关系的图。
图9是表示不连续模式(3)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
附图标记说明：
10：燃料电池；20：升压转换器；21：电抗器；22：电流传感器；23：第2开关(开关元件)；24：第1开关(二极管)；25：电容器；26：输出节点；30：控制部；50：外部负载。
具体实施方式
在本公开中，提供一种电源单元，具备：电源；和转换器，进行从由该电源的输出电压的升压以及降压构成的群组中选择的至少一个，所述电源单元的特征在于，
上述转换器具备电抗器、第1开关、第2开关、电流传感器以及控制部，
上述电抗器与上述电源的阳极侧连接，
上述第1开关被连接在上述电抗器与输出节点之间，
上述第2开关将上述电抗器与上述第1开关的中间区域和上述电源的阴极侧连接，
上述电流传感器取得在上述电抗器流动的电流值，
上述控制部对上述第2开关进行开关而控制占空比，来控制来自上述电源的输出电流值，
上述控制部在上述开关的周期内以至少n(n为2以上的整数)次以上的频度检测上述电流传感器所取得的上述电抗器的电流值，
当在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中不存在阈值以下的电流值的点的情况下，与在上述开关的周期内测量的n个电流值的点中存在阈值以下的电流值的点的情况相比，上述控制部减小占空比的变化速度。
图1是表示包括电源单元的系统的电路结构的一个例子的图。
图1所记载的系统例如被搭载于车辆，经由逆变器连接有车辆的驱动用马达作为外部负载50。另外，虽未图示，但可以与燃料电池10以及升压转换器20并联地具备蓄电池。蓄电池例如可举出镍氢二次电池以及锂离子二次电池等以往公知的二次电池。另外，蓄电池也可以包括双电层电容器等蓄电元件。
作为电源的燃料电池10的输出电力在被升压转换器20升压之后，进而被逆变器从直流变换为交流、供给至马达。
升压转换器20的内部具备相互并联连接的6个升压电路，在6个升压电路中，可以两两相互磁耦合。
升压电路的电抗器21与燃料电池10的阳极侧连接，第1开关(二极管)24被连接在电抗器21与输出节点26之间，第2开关(开关元件)23将电抗器21与第1开关24的中间区域和燃料电池10的阴极侧连接。电流传感器22取得在电抗器21流动的电流值。
控制部30通过控制使第2开关(开关元件)23通/断(ON/OFF)的占空比来控制转换器20中的升压比、以及来自燃料电池10的输出电流值。
电源单元具备电源和转换器。
电源也可以是燃料电池。燃料电池可以是仅具有1个单电池的结构，也可以是层叠了多个单电池而成的燃料电池组。
转换器进行从由电源的输出电压的升压以及降压构成的群组中选择的至少一个。转换器可以是升压转换器，也可以是降压转换器，还可以是升降压转换器。
转换器具备电抗器、第1开关、第2开关、电流传感器以及控制部，根据需要，也可以具备二极管、电容器等。
电抗器在转换器的电路中与电源的阳极侧连接。
电抗器具有线圈和芯体。
在芯体可以卷绕有1个或者多个线圈。
电抗器所具有的芯体以及线圈可以采用在以往公知的转换器中使用的芯体以及线圈。
第1开关在转换器的电路中被连接在电抗器与输出节点之间。
第2开关在转换器的电路中将电抗器与第1开关的中间区域和电源的阴极侧连接。
第1开关以及第2开关可以是开关元件。作为开关元件，可以是IGBT以及MOSFET等。
第1开关也可以是二极管。
电流传感器只要能够取得在电抗器流动的电流值(电抗器电流)即可，不特别限定，能够使用以往公知的电流计等。
控制部可以是电子控制单元(ECU：Electronic Control Unit)等。ECU构成为包括CPU(Central Processing Unit)、存储器以及输入输出缓冲器。
控制部通过至少对第2开关进行开关而控制占空比，来控制来自电源的输出电流值。控制部可以根据需要对第1开关进行开关来控制占空比。
[第1实施方式]
控制部在开关的周期内以至少n(n为2以上的整数)次以上的频度检测电流传感器所取得的电抗器的电流值。
在本公开中，开关的周期(开关周期)是指以开关从断开切换为接通的时刻为起点直至开关再次从断开切换为接通为止的期间。
当在开关的周期内测量的n个电流值的点中不存在阈值以下的电流值的点的情况下，与在开关的周期内测量的n个电流值的点中存在阈值以下的电流值的点的情况相比，控制部减小占空比的变化速度。
在电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是1个以上时，判断为不连续模式，与连续模式的情况相比，将占空比的变化速度设定为大的值。另一方面，在不存在电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点时，判断为是连续模式，与不连续模式的情况相比，将占空比的变化速度设定为小的值。
在本公开中，不预先根据部件所具备的特性来进行转换器的动作模式是连续模式还是不连续模式的判定，而是一边监视实际测定的电流值与其阈值一边进行上述判定，并按照需要而根据电流的测定时机来改变监视的频度。
由于通过在开关的周期内以至少n次以上的频度检测电抗器的电流值(多点取样)，来根据实际流动的电流值直接判断转换器的动作模式是连续模式还是不连续模式，所以能够高精度地判定连续模式与不连续模式的边界。由此，能够恰当地设定占空比的变化速度，能够抑制电流的振荡的产生，能够抑制响应性的降低。另外，每当切换开关周期便判定是连续模式还是不连续模式，能够根据判定结果来控制占空比的变化速度。
图2是表示决定占空比的变化速度的控制的一个例子的流程图。
在第1实施方式中，在开关周期中在n(n为2以上的整数)个以上的点取得电抗器电流值，根据阈值以下的电流值的点的有无来决定占空比的变化速度。
在阈值以下的电流值小于1个的情况下，控制部判断为连续模式，减小占空比的变化速度。另一方面，在阈值以下的电流值为1个以上的情况下，控制部判断为不连续模式，可以保持占空比的变化速度不变，或者与连续模式的情况相比增大占空比的变化速度。
[第2实施方式]
在电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是1个以上小于m(m为2以上的整数)个的情况下，与电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是m个以上的情况相比，控制部可以减小占空比的变化速度。
在电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是1个以上小于m(m为2以上的整数)个时，能够判断为虽然是不连续模式但接近连续模式，将占空比的变化速度设定为比不连续模式时小的值。
即便在电流取样的周期相对于开关的周期并不充分短的情况下，也不过度减小电流取样的周期且不使计算时间过度增大，能够高精度地判别连续模式与不连续模式的边界部分。因此，能够进一步抑制连续模式与不连续模式的切换的时机下的电流的振荡的产生。
阈值实际也可以为0，可以对电流值为0的点的数量计数来进行判断。在阈值偏离0的情况下，当存在电抗器的电流值为阈值以下的点的情况下，可以判断为是不连续模式，也可以判断为虽是不连续模式但接近连续模式。
阈值例如可以为1A。通过使阈值为接近0的值，能够适当地判定是连续模式还是不连续模式。存在即便实际上不流动电流、也因传感器的测定误差等而检测到微小的电流值的情况。可以考虑这些电流传感器的检测误差等来设定阈值。由此，能够抑制因电流传感器的检测误差而误识别连续模式与不连续模式。例如可以将额定电流的1～3％左右作为阈值。
可以如以下的(A)～(C)那样判别连续模式与不连续模式，但并不限定于此。
(A)在是连续模式的情况下，在开关周期中不存在“电流值≈0”的点。
(B)在是不连续模式的情况下，“电流值≈0”的点在开关周期中为2个点以上。
(C)在是连续模式与不连续模式的边界的情况下，“电流值≈0”的点在开关周期中仅为1个点。
例如，也可以在“电流值为0的点在开关周期中为1个～3个的情况”下，判别为是连续模式与不连续模式的边界。此时，将电流值为0的点是4个以上的情况判定为是不连续模式。
此外，在判定为连续模式与不连续模式的边界的开关周期中，“电流值≈0”的点的数量不特别限定，并不限定于1个或者1～3个，可以为1～2个，也可以为1～5个。这些数量可以根据开关周期中的电流的取样的个数、各电流取样间的周期、电源单元的使用方式等来适当地设定。
例如，在各电流取样间的周期短、开关周期内的电流的取样数量有100个左右的情况下，即便阈值以下的数量例如为2～5个，也可以判断为“是不连续模式但接近连续模式”。
另外，在请求负载的变动大的电源单元中，即便电流为阈值以下的数量在电流测定时刻例如为2～5个，也可能在其紧后移至连续模式，可以判断为“虽是不连续模式但接近连续模式”。
在实际的控制中存在如下情况：在判别出转换器的动作模式之后，在使设备动作之前发生一定的时滞。如上述那样，通过使边界部分的判别具有富裕量，即便产生时滞，也能够抑制电流的振荡的产生。
另外，即便实际上存在“电流＝0”的时机，在各电流取样间的周期不十分短的情况下等，也存在当“电流＝0”时无法检测电流的情况。鉴于此，例如可以根据电流不为0但十分小的值来进行判别。例如，可以对电流值为5A以下的测量点的数量计数。能够根据“电流值≤5A”的点的数量来判断为不连续模式或者“虽是连续模式但接近不连续模式”。
在上述的各实施方式中，判别为“是连续模式与不连续模式的边界”的条件总是恒定的，但例如也可以根据运转条件来对其进行变更。
例如，在占空比的变化速度大的情况下，以快的速度切换电抗器电流的连续模式与不连续模式。
鉴于此，在占空比的变化速度大的情况下，与变化速度小的情况相比，可以增多用于判定为“是连续模式与不连续模式的边界”的“电流值≈0”的测定点的数量。由此，在判别出转换器的动作模式之后，即便是在使设备动作之前发生一定的时滞的情况，也能够抑制电流的振荡的产生。
图3是表示决定占空比的变化速度的控制的另一个例子的流程图。
在开关周期中，在n(n为2以上的整数)个以上的点取得电抗器电流值，根据阈值以下的电流值的点的数量来决定占空比的变化速度。
在不存在阈值以下的电流值的情况下，控制部判断为连续模式，将占空比的变化速度设定为V1。
在阈值以下的电流值为m个以上时，控制部判断为不连续模式，将占空比的变化速度设定为V2。
当阈值以下的电流值为1个以上小于m个时，控制部判断为虽是不连续模式但接近连续模式，将占空比的变化速度设定为V3。其中，V1＜V3＜V2。
图4是表示连续模式下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图5是表示不连续模式(1)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图6是表示不连续模式(2)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
图4是连续模式，在开关周期的期间，电抗器中总是流动有电流。图5以及图6为不连续模式，在开关周期的期间，具有在电抗器不流动电流的期间。
图4～6中的黑圆点表示实施了多点取样时的电流的测定点，在开关周期中具有16个测定点。测定点彼此的时间间隔均匀，计算这些电流值的平均值作为电抗器的平均电流值。
在图4的连续模式下，测定点处的电流值全部超过阈值，不存在阈值以下的点。由于不存在阈值以下的点，所以控制部判断为连续模式，将占空比的变化速度设定为相对低的值：V1。
在图5的不连续模式(1)下，在开关周期中，测定点的电流值为阈值以下的点存在4个。由于电流值为阈值以下的点的个数为2个以上，所以控制部判断为不连续模式，将占空比的变化速度设定为比连续模式时高的值：V2。
在图6的不连续模式(2)下，测定点的电流值为阈值以下的点存在1个。这里，由于电流值为阈值以下的点的个数为1个以上小于2个，所以控制部判断为虽是不连续模式但接近连续模式，将占空比的变化速度设定为V1与V2之间的值：V3。
图7是表示请求电流的斜率大的情况下的占空比变化速度相对于时间的关系的图。
图8是表示请求电流的斜率小的情况下的占空比变化速度相对于时间的关系的图。
一般，控制部使转换器的占空比变化的速度根据来自车辆等系统的请求而不同。图7～8均表示了来自燃料电池的输出电流随着时间推进而变大的样子，但燃料电池的输出电流的增加速度在图7的情况下比在图8的情况下大。此时，使转换器的占空比增加的速度(曲线的斜率)在图7的情况下也比在图8的情况下大。
在图7以及图8中，如图4那样，在电流值为阈值以下的点是0个的情况下，将V1(或者V1’)设定为占空比的变化速度，如图5那样，在电流值为阈值以下的点是2个以上的情况下，将V2(或者V2’)设定为占空比的变化速度，如图6那样，在电流值为阈值以下的点是1个以上小于2个的情况下，将V3(或者V3’)设定为占空比的变化速度。
占空比的变化速度处于V1＜V3＜V2的关系，并处于V1’＜V3’＜V2’的关系。
在上述实施方式中，虽然V1＜V3＜V2，但在其他实施方式中，也可以使V3的值与V2相同，还可以使V3的值与V1相同。
[第3实施方式]
控制部可以在开关的周期内以至少x(x为3以上的整数)次以上的频度检测电流传感器所取得的电抗器的电流值。
而且，开关的周期中的将第2开关从断开切换为接通的紧前的时机下的控制部检测电抗器的电流值的周期可以比开关的周期中的紧前的时机以外的时机下的控制部检测电抗器的电流值的周期短。
图9是表示不连续模式(3)下的开关周期中的在电抗器流动的电流值的推移的图。
白圆点、黑圆点均是电流的取样的时机。
白圆点被等间隔配置，相对于此，由于在开关接通的紧前，还在黑圆点也进行电流取样，所以在开关接通的紧前，取样的周期比其他短。
由此，由于不使计算时间过度增大就能够更高精度地掌握连续模式与不连续模式的边界，所以能够进一步抑制连续模式与不连续模式的切换的时机下的电流的振荡的产生。
在电流取样的周期相对于开关的周期不充分短的情况下，存在无法准确地判别连续模式与不连续模式的边界部分的担忧。另一方面，若过度减小电流取样的周期，则计算时间变长，存在反馈延迟而控制难以收敛的担忧。
因此，将电路的第2开关从断开切换为接通的紧前的电流取样的周期可以比开关的周期中的除此以外的时机下的周期短。
一般，在对电流进行多点取样的情况下，在开关的周期内以等间隔进行电流的取样，通过计算它们的平均值，来计算平均电流值。
这在第1实施方式、第2实施方式中也同样。
例如，相对于开关的频率为10kHz，电流的取样的频率为100kHz。
然而，为了更精准地捕捉在电抗器流动的电流(电抗器电流)在连续模式与不连续模式之间切换的时机，存在即便100kHz也不充分的情况。即，为了更精准地捕捉时机，可以使频率例如为200kHz。
然而，若使电流取样的频率在整体都为200kHz，则计算时间增大，存在反馈延迟而控制难以收敛的担忧。
这里，在连续模式下，电流总是流动大于0的数值，相对于此，在不连续模式下，至少在电路的第2开关从断开变为接通的紧前电流值变为0。因此，为了判别是连续模式还是不连续模式，只要仅在该电路的第2开关从断开变为接通的紧前缩短电流取样的周期(增大频率)即可。
在第3实施方式中，开关的周期：1/10,000秒，相对于此，可以仅在第2开关从断开变为接通的紧前的1/100,000，使频率为200kHz，使其他期间为100kHz。
由此，使测量点的数量增加而不使计算时间过度增大，就能够更精准地捕捉电抗器电流在连续模式与不连续模式之间切换的时机。
此外，在计算平均电流值的情况下，可以将在开关从断开切换为接通的紧前使电流取样增加的量除去来进行计算。由此，能够抑制因电流取样的周期不均等而引起的平均电流值的偏差。

Claims (3)

1.一种电源单元，具备：电源；和转换器，进行从由该电源的输出电压的升压以及降压构成的群组中选择的至少一个，所述电源单元的特征在于，
所述转换器具备电抗器、第1开关、第2开关、电流传感器以及控制部，
所述电抗器与所述电源的阳极侧连接，
所述第1开关被连接在所述电抗器与输出节点之间，
所述第2开关将所述电抗器与所述第1开关的中间区域和所述电源的阴极侧连接，
所述电流传感器取得在所述电抗器流动的电流值，
所述控制部对所述第2开关进行开关而控制占空比，来控制来自所述电源的输出电流值，
所述控制部在所述开关的周期内以至少n次以上的频度检测所述电流传感器所取得的所述电抗器的电流值，
当在所述开关的周期内测量的n个电流值的点中不存在阈值以下的电流值的点的情况下，与在所述开关的周期内测量的n个电流值的点中存在阈值以下的电流值的点的情况相比，所述控制部减小占空比的变化速度，
其中，n为2以上的整数。
2.根据权利要求1所述的电源单元，其特征在于，
在所述电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是1个以上小于m个的情况下，与所述电抗器的电流值为阈值以下的电流值的点是m个以上的情况相比，所述控制部减小占空比的变化速度，
其中，m为2个以上的整数。
3.根据权利要求1或2所述的电源单元，其特征在于，
所述控制部在所述开关的周期内以至少x次以上的频度检测所述电流传感器所取得的所述电抗器的电流值，
所述开关的周期中的将所述第2开关从断开切换为接通的紧前的时机下的所述控制部检测所述电抗器的电流值的周期比所述开关的周期中的所述紧前的时机以外的时机下的所述控制部检测所述电抗器的电流值的周期短，
其中，x为3以上的整数。
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