-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spannungsumwandlungsvorrichtung und Fahrzeuge und insbesondere Spannungsumwandlungsvorrichtungen, die zwischen zwei Spannungssystemen angeordnet sind und in der Lage sind, einen Strom bidirektional zuzuführen, und damit ausgestattete Fahrzeuge.
-
Technischer Hintergrund
-
Die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2004120844 A offenbart eine Steuerungsvorrichtung für einen Aufwärtswandler bzw. Boost-Converter, der in Kombination mit einem Inverter bzw. Wechselrichter verwendet wird. Diese Steuerungsvorrichtung arbeitet als Reaktion auf einen Unterschied zwischen einem erfassten Ausgangsspannungswert und einem Ausgangsspannungs-Steuerungswert, um eine relative Einschaltdauer einer Umwandlerschaltvorrichtung durch Rückkopplung durch eine Proportional-Integral-Regelung (proportional-plus-integral control, PI-Regelung) zu steuern.
-
Die Steuerungsvorrichtung erhält den Ausgangsleistungswert des Inverters durch einen Betriebsschaltkreis und vergleicht den Wert mit einem vorbestimmten Wert durch einen Komparator, um den Weg des Stroms des Umwandlers zu bestimmen, und gibt gemäß einem Ergebnis der Bestimmung einen Betrag zum Korrigieren der relativen Einschaltdauer von einem Korrekturschaltkreis aus, um eine Variation der Spannung des Umwandlers zu minimieren oder zu verhindern.
-
In den vergangenen Jahren sind Elektroautos, Hybridautos, Brennstoffzellen-Autos und andere Automobile ähnlicher Art auf dem Markt erschienen, in denen ein Wechselstrom-Motor als Antriebsquelle zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet wird und in denen eine Wechselrichtervorrichtung eingebaut ist, die den Wechselstrommotor antreibt.
-
In einigen dieser Fahrzeuge sind Batterien mit zwei oder mehr verschiedenen Spannungen eingebaut, wie eine Hochspannungsbatterie, zum Ansteuern eines Elektromotors zum Antreiben des Fahrzeugs und eine Niederspannungsbatterie für Zusatzgeräte.
-
Wenn ein Automobil mit einer darin eingebauten Brennstoffzelle den Betrieb startet, gibt die Brennstoffzelle ferner eine Spannung aus, die variiert, bis eine beständige Leistungsabgabe erreicht ist. Dementsprechend ist die Kombination der Brennstoffzelle mit einer Sekundärbatterie und die Verbindung der beiden durch einen dafür verwendeten Spannungsumwandler untersucht worden, um eine beständige Antriebsleistung sicherzustellen.
-
Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie variieren beide mit dem Zustand des Fahrzeugs. Dementsprechend arbeitet der dazwischen verbundene Spannungsumwandler, um der Brennstoffzelle gemäß der für das Fahrzeug angeforderten Leistung einen Strom von der Sekundärbatterie und umgekehrt zuzuführen.
-
Dementsprechend besteht Bedarf an einem Spannungsumwandler, der die erforderliche Spannung gemäß der Beschleunigung des Fahrzeugs, der Fahrbahnneigung und dergleichen rasch abgeben kann.
-
Ferner offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift
JP 2004120844 A ein Bestimmen eines Betrags zum Korrigieren einer relativen Einschaltdauer gemäß der vom Wechselrichter abgegebenen Leistung. Für ein System mit einer benachbart zu einem Inverter verbundenen Brennstoffzelle kann jedoch die nur Ausgangsspannung des Wechselrichters zum Erreichen eines korrekten, optimalen Korrekturbetrags unzureichend sein.
-
Die
WO 2004/055929 A1 zeigt ein Spannungsversorgungssystem zum Anlegen einer Spannung an eine Last mit ersten und zweiten Spannungsversorgungsanschlüssen, die mit der Last verbunden sind, einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, angeschlossen an die ersten und zweiten Spannungsversorgungsanschlüsse, ein zweites Spannungsversorgungssystem, angeschlossen zwischen den ersten und zweiten Spannungsversorgungsanschlüssen parallel zur Brennstoffzelle, einem Schalter zum Herstellen/Lösen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem ersten Spannungsversorgungsanschluß, und einer Steuereinheit zum Steuern der zweiten Spannungsversorgung und des Schalters. Die Steuereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass sie die zweite Spannungsversorgung so steuert, dass die Spannung zwischen den beiden Enden der zweiten Spannungsquelle steigt, wenn die Brennstoffzelle an den ersten Spannungsversorgungsanschluß angeschlossen ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt einen Spannungsumwandler, der eine Steuerung einer Ausgangsspannung vereinfachen kann, und ein damit ausgestattetes Fahrzeug gemäß der Ansprüche 1 bis 8.
-
Offenbart wird eine Spannungsumwandlungsvorrichtung, die eine Steuerungseinheit beinhaltet, die einen Spannungsumwandler steuert, der in Kombination mit einem Wechselrichter verwendet wird. Die Steuerungseinheit beinhaltet folgende Merkmale: eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Stroms, der durch den Spannungsumwandler gelangt; und eine Korrektureinrichtung, die als Reaktion auf ein Ausgangssignal in Betrieb geht, das von der Erfassungseinrichtung empfangen wird, um eine relative Einschaltdauer zu korrigieren, die ermöglicht, dass der Spannungsumwandler bewirken kann, dass eine Schaltvorrichtung aus- und eingeschaltet wird.
-
Vorzugsweise ermöglicht der Spannungsumwandler eine Spannungsumwandlung zwischen einem ersten Leistungsversorgungsknoten, der mit dem Wechselrichter verbunden ist, und einem zweiten Leistungsversorgungsknoten, der mit einer elektrischen Speichervorrichtung verbunden ist.
-
Noch mehr bevorzugt wird, dass auch eine Brennstoffzelle mit dem ersten Leistungsversorgungsknoten über ein Gleichrichtelement verbunden ist.
-
Noch mehr bevorzugt wird ein Spannungsumwandler, der die Spannung des ersten Leistungsversorgungsknotens so einstellt, dass sie höher ist als die des zweiten Leistungsversorgungsknotens, wenn die relative Einschaltdauer größer ist.
-
Offenbart wird auch eine Spannungsumwandlungsvorrichtung, die eine Steuerungseinheit beinhaltet, die einen Spannungsumwandler steuert, der in Kombination mit einem Wechselrichter verwendet wird. Die Steuerungseinheit beinhaltet: eine Erfassungseinheit, die einen Strom erfasst, der durch den Spannungsumwandler hindurchgelangt; und eine Korrektureinheit, die als Reaktion auf ein Ausgangssignal in Betrieb geht, das von der Erfassungseinrichtung empfangen wird, um eine relative Einschaltdauer zu korrigieren, die ermöglicht, dass der Spannungsumwandler bewirkt, dass eine Schaltvorrichtung aus- und eingeschaltet wird.
-
Der Spannungsumwandler sieht vorzugsweise eine Spannungsumwandlung zwischen einem ersten Leistungsversorgungsknoten, der mit dem Wechselrichter verbunden ist, und einem zweiten Leistungsversorgungsknoten vor, der mit einer elektrischen Speichervorrichtung verbunden ist.
-
Noch mehr bevorzugt wird, dass auch eine Brennstoffzelle mit dem ersten Leistungsversorgungsknoten über ein Gleichrichtelement verbunden ist.
-
Noch mehr bevorzugt wird, dass der Spannungsumwandler die Spannung des ersten Leistungsversorgungsknoten so einstellt, dass sie höher ist als die des zweiten Leistungsversorgungsknotens, wenn die relative Einschaltdauer größer ist.
-
Die vorliegende Erfindung sieht einen Spannungsumwandler vor, der folgende Merkmale aufweist: einen Reaktor; eine erste Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf ein erstes Aktivierungssignal, in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors mit einem ersten Leistungsversorgungsknoten zu koppeln.; eine zweite Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf ein zweites Aktivierungssignal, in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors mit einem Masseknoten zu koppeln; eine erste Totzeit-Erzeugungseinheit, die als Reaktion auf ein Referenzsignal für eine relative Einschaltdauer in Betrieb geht, um das erste und das zweite Aktivierungssignal auszugeben, die mit einer inaktiven Periode bereitgestellt werden, die einer Totzeit entspricht, um zu verhindern, dass sowohl die erste als auch die zweite Schaltvorrichtung einen Strom leiten; und eine Steuereinheit, die eine vorläufige relative Einschaltdauer, die basierend auf einem Spannungssteuerwert berechnet wird, gemäß einem Wert eine Stroms korrigiert, der durch den Reaktor strömt, um das Referenzsignal auszugeben. Die Steuerungseinheit weist den Wert des Stroms des Reaktors drei Zuständen zu, und wenn der Wert des Stroms des Reaktors sich einem Wert nähert, bei dem ein Zustand einem Übergang unterzogen wird, nimmt die Steuereinheit eine graduelle Schaltung eines Korrekturwerts vor.
-
Die Steuerungseinheit führt eine Proportional-Integral-Differential-Regelung (proportional-plus-integral-plus-derivative control, PID-Regelung) basierend auf einer Abweichung zwischen dem Spannungssteuerungswert und einem Ausgangsspannungswert aus und korrigiert einen Integralterm gemäß dem Wert des Stroms des Reaktors, um die vorläufige relative Einschaltdauer zu korrigieren.
-
Der Spannungsumwandler beinhaltet ferner vorzugsweise: eine zweite Totzeit-Erzeugungseinheit, die als Reaktion auf das Referenzsignal in Betrieb geht, um ein drittes Aktivierungssignal und ein viertes Aktivierungssignal auszugeben, die synchron mit dem zweiten Aktivierungssignal bzw. dem ersten Aktivierungssignal aktiviert werden, und eine dritte Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf das dritte Aktivierungssignal in Betrieb geht, um ein anderes Ende des Reaktors mit einem zweiten Leistungsversorgungsknoten zu koppeln; eine vierte Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf das vierte Aktivierungssignal in Betrieb geht, um das andere Ende des Reaktors mit einem Masseknoten zu koppeln.
-
Noch mehr bevorzugt wird, dass der erste Leistungsversorgungsknoten mit einem Wechselrichter verbunden ist, um einen Motor anzusteuern, und der zweite Leistungsversorgungsknoten mit einer elektrischen Speichervorrichtung verbunden ist.
-
Noch mehr bevorzugt wird, dass auch eine Brennstoffzelle mit dem ersten Leistungsversorgungsknoten über ein Gleichrichtelement verbunden ist.
-
Die vorliegende Erfindung sieht in einem weiteren Aspekt ein Fahrzeug vor, das eine Spannungsumwandlungsvorrichtung beinhaltet, die folgende Merkmale aufweist: einen Reaktor; eine erste Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf ein erstes Aktivierungssignal in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors mit einem ersten Leistungsversorgungsknoten zu koppeln, eine zweite Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf ein zweites Aktivierungssignal in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors mit einem Masseknoten zu koppeln; eine erste Totzeit-Erzeugungseinheit, die als Reaktion auf ein Referenzsignal für eine relative Einschaltdauer in Betrieb geht, um das erste und das zweite Aktivierungssignal, die mit einer inaktiven Periode bereitgestellt werden, die einer Totzeit entspricht, auszugeben, die verhindert, dass sowohl die erste als auch die zweite Schaltvorrichtung Strom führen; und eine Steuerungseinheit, die eine vorläufige relative Einschaltdauer, die basierend auf einem Spannungssteuerungswert berecht wird, gemäß einem Wert eines Stroms korrigiert, der durch den Reaktor strömt, um das Referenzsignal auszugeben.
-
Die Steuerungseinheit weist den Wert des Stroms des Reaktors drei Zuständen zu, und wenn der Wert des Stroms des Reaktors sich einem Wert nähert, bei dem ein Zustand einem Übergang unterzogen wird, nimmt die Steuerungseinheit eine graduelle Schaltung eines Korrekturwerts vor.
-
Die Steuerungseinheit führt eine Proportional-Integral-Differential-Regelung basierend auf einer Abweichung zwischen dem Spannungssteuerungswert und einem Ausgangsspannungswert aus und korrigiert einen Integralterm gemäß dem Wert des Stroms des Reaktors, um die vorläufige relative Einschaltdauer zu korrigieren.
-
Der Spannungsumwandler beinhaltet vorzugsweise ferner: eine zweite Totzeit-Erzeugungseinheit, die als Reaktion auf das Referenzsignal in Betrieb geht, um ein drittes Aktivierungssignal und ein viertes Aktivierungssignal auszugeben, die synchron mit dem zweiten Aktivierungssignal bzw. dem ersten Aktivierungssignal aktiviert werden; und eine dritte Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf das dritte Aktivierungssignal in Betrieb geht, um ein anderes Ende des Reaktors mit einem zweiten Leistungsversorgungsknoten zu koppeln; eine vierte Schaltvorrichtung, die als Reaktion auf das vierte Aktivierungssignal in Betrieb geht, um das andere Ende des Reaktors mit einem Masseknoten zu koppeln.
-
Das Fahrzeug beinhaltet vorzugsweise: einen Motor, der ein Rad antreibt; einen Wechselrichter, der mit dem ersten Leistungsversorgungsknoten verbunden ist und den Motor antreibt; und eine elektrische Speichervorrichtung, die mit dem zweiten Leistungsversorgungsknoten verbunden ist.
-
Weiter noch wird bevorzugt, dass das Fahrzeug folgende Merkmale aufweist: eine Brennstoffzelle; und ein Gleichrichtelement, das zwischen dem ersten Leistungsversorgungsknoten und der Brennstoffzelle verbunden ist:
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausgangsspannung, die in Bezug auf ihre Präzision verbessert worden ist, bereitgestellt werden, und wenn der Strom eines Reaktors einen Zustand variiert hat, kann die Ausgangsspannung frühzeitig in einen Sollwert umgewandelt werden.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnung
-
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Fahrzeugs mit einem darin eingebauten Spannungsumwandler gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
-
2 ist ein Schaltdiagramm, das eine ausführliche Konfiguration eines DC/DC-Wandlers bzw. Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 30 von 1 darstellt.
-
3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung, wie ein Strom, der durch einen Reaktor gelangt, variiert, wenn eine relative Einschaltdauer einer Schaltvorrichtung geringer ist als 50%.
-
4 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung, wie der Strom, der durch den Reaktor gelangt, variiert, wenn die relative Einschaltdauer der Schaltvorrichtung größer ist als 50%.
-
5 ist ein Wellenformdiagramm zur Veranschaulichung, dass der Strom des Reaktors in drei Zustände unterteilt ist.
-
6 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors in einem Zustand A darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
7 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors in einem Zustand C darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
8 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors in einem Zustand B darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer DC-CPU 21 darstellt, die in 2 gezeigt ist.
-
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Struktur eines Vorgangs darstellt, der durch die DC-CPU 31 ausgeführt wird.
-
11 zeigt eine Beziehung zwischen einem Totzeit-Korrekturwert und dem Strom des Reaktors, wenn der Strom des Reaktors negativ ist.
-
12 zeigt eine Beziehung zwischen einem Totzeit-Korrekturwert und dem Strom des Reaktors, wenn der Strom des Reaktors positiv ist.
-
13 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration einer DC-CPU 21A, die die DC-CPU 31 von 2 ersetzt, in einer zweiten Ausführungsform darstellt.
-
14 ist ein Flussdiagramm, dass eine Struktur eines Vorgangs darstellt, der durch die DC-CPU 31A ausgeführt wird.
-
15 zeigt ein Beispiel eines Schaltvorgangs einer Integraltermverstärkung bzw. -anstieg.
-
Beste Möglichkeiten zum Ausführen der Erfindung
-
Nachstehend erfolgt eine ausführlichere Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In den Figuren sind identische oder einander entsprechende Bezugszeichen identisch benannt, und es erfolgt keine wiederholte Beschreibung derselben.
-
Allgemeine Konfiguration des Fahrzeugs
-
1 ist ein Diagramm zum Darstellen einer Konfiguration eines Fahrzeugs mit einem darin eingebauten Spannungsumwandler einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Als ein Beispiel ist das Fahrzeug als ein Brennstoffzellenauto dargestellt. Das Fahrzeug ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die vorliegende Erfindung ist auch auf Elektroautos und Hybridautos anwendbar.
-
Unter Bezugnahme auf 1 wird das Fahrzeug so betrieben, dass ein Synchronmotor 61L, der mit Rädern 63L und 63R verbunden ist, als eine Antriebskraftquelle dient. Der Synchronmotor 61 wird durch ein Leistungsversorgungssystem 1 angetrieben. Das Leistungsversorgungssystem 1 gibt einen Gleichstrom aus, der wiederum durch einen Wechselrichter 60 in einen Dreiphasen-Wechselstrom umgewandelt wird und somit dem Synchronmotor 61 zugeführt wird. Der Synchronmotor 61 kann beim Bremsen auch als Leistungsgenerator funktionieren.
-
Das Leistungsversorgungssystem 1 ist aus einer Brennstoffzelle 40, einer Batterie 20, einem DC/DC-Wandler 30 und dergleichen konfiguriert. Bei der Brennstoffzelle 40 handelt es sich um eine Vorrichtung, die Leistung durch eine elektrochemische Reaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Es kann beispielsweise eine Fest-Makromolekular-Brennstoffzelle verwendet werden. Doch die Brennstoffzelle 40 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Sie kann durch eine Phosphor-Brennstoffzelle, eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle oder viele verschiedene Arten von Brennstoffzellen implementiert sein. Wenn sie Leistung erzeugt, nutzt sie dazu Wasserstoffgas, das erzeugt wird, indem Alkohol oder ein ähnliches Quellenmaterial reformiert wird. In der vorliegenden Ausführungsform sind ein Stapel, der zur Leistungserzeugung dient, ein Reformer, der zur Brenngaserzeugung dient, und dergleichen in einer sogenannten Brennstoffzelle 40 beinhaltet. Es ist zu beachten, dass der Reformer durch eine Konfiguration ersetzt werden kann, die eine Wasserstoffokklusions-Legierung, einen Wasserstoffzylinder oder dergleichen verwendet, um das Wasserstoffgas an sich zu speichern.
-
Die Batterie 20 ist ein auf- und entladbare Sekundärbatterie, und es kann beispielsweise eine Nickelmetallhydrid-Batterie verwendet werden. Ferner sind viele verschiedene Arten von Sekundärbatterien anwendbar. Weiterhin kann die Batterie 20 beispielsweise durch einen anderen auf- und entladbaren Elektrizitätsspeicher als Sekundärbatterie, wie z. B. einen Kondensator, ersetzt werden.
-
Die Brennstoffzelle 40 und die Batterie 20 sind mit dem Wechselrichter 60 parallel geschaltet. Ein Schaltkreis von einer Brennstoffzelle 40 zum Wechselrichter 60 ist mit einer Diode 42 versehen, um zu verhindern, dass ein Strom von der Batterie 20 fließt oder dass der vom Synchronmotor 61 erzeugte Strom zurückfließt. Die entsprechende Verwendung der Leistung einer jeweiligen der parallel geschalteten Leistungsversorgungen bringt eine Steuerung einer relativen Spannungsdifferenz zwischen denselben mit. Zu diesem Zweck sieht die vorliegende Ausführungsform einen DC/DC-Wandler 30 zwischen der Batterie 20 und dem Wechselrichter 60 vor. Bei dem DC/DC-Wandler 30 handelt es sich um einen Gleichstromwandler. Der DC/DC-Wandler 30 funktioniert, um eine Gleichstromspannung von der Batterie 20 zu empfangen, die empfangene Gleichstromspannung anzupassen und die angepasste Spannung an den Wechselrichter 60 auszugeben, und funktioniert, um eine Gleichstromspannung von der Brennstoffzelle 40 oder dem Elektromotor 61 zu empfangen, die empfangene Gleichstromspannung anzupassen und die angepasste Spannung an die Batterie 20 auszugeben. Der so funktionierende DC/DC-Wandler 30 ermöglicht der Batterie 20, dass sie auf- und entladen werden kann.
-
Zwischen der Batterie 20 und dem DC/DC-Wandler 30 sind ein Fahrzeug-Zusatzgerät 50 und ein Brennstoffzellen-Zusatzgerät 51 geschaltet. In anderen Worten dient die Batterie 20 als Leistungsversorgung für diese Zusatzgeräte. Das Fahrzeug-Zusatzgerät 50 stellt viele verschieden strombetriebene Geräte, die beim Betreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Sie beinhalten Beleuchtungsgeräte, eine Klimaanlage, eine Hydraulikpumpe und dergleichen. Das Brennstoffzellen-Zusatzgerät 51 stellt viele verschiedene strombetriebene Geräte, die beim Betreiben der Brennstoffzelle 40 verwendet werden. Sie beinhalten eine Pumpe, die zum Zuführen des Brenngases verwendet wird, ein Quellenmaterial, das reformiert werden soll, und dergleichen, eine Heizeinrichtung, die den Reformer bezüglich seiner Temperatur anpasst, und dergleichen.
-
Jede der vorstehend beschriebenen Komponenten wird durch die Steuerung der Steuerungseinheit 10 betrieben, die als ein Mikrocomputer konfiguriert ist, der im Inneren eine CPU, einen RAM und einem ROM beinhaltet. Die Steuerungseinheit 10 steuert den Wechselrichter 60, um eine Schaltung vorzunehmen, um einen Dreiphasen-Wechselstrom, der der angeforderten Antriebsenergie entspricht, an einen Synchronmotor 61 abzugeben. Um eine der angeforderten Antriebsenergie entsprechende Leistung zuzuführen, steuert sie den Betrieb der Brennstoffzelle 40 und den des DC/DC-Wandlers 30.
-
Um eine derartige Steuerung zu implementieren, empfängt die Steuerungseinheit 10 Signale von vielen verschiedenen Sensoren, die beispielsweise einen Fahrpedalsensor 11, einen Ladezustandssensor (SOC-Sensor) 21, der den Ladezustand der Batterie 20 erfasst, einen Strömungsratensensor 41, der eine Gasströmungsrate einer Brennstoffzelle 40 erfasst, und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 62, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst, beinhalten. Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist die Steuerungseinheit 10 auch mit anderen verschiedenen Arten von Sensoren verbunden.
-
2 ist ein Schaltkreisdiagramm, das eine ausführliche Konfiguration des DC/DC-Wandlers 30 von 1 darstellt. Es ist zu beachten, dass um ein Verständnis des Betriebs zu erleichtern, 2 auch eine Konfiguration eines Bereichs in Nähe des DC/DC-Wandlers 30 zeigt.
-
Unter Bezugnahme auf 2 ist das Fahrzeug mit der Batterie 20, einem Glättungskondensator 6, der zwischen den Anschlüssen der Batterie 20 verbunden ist, dem Wechselrichter 60, einem Motor 61, der durch den Wechselrichter 60 angesteuert wird, der Diode 42 und der Brennstoffzelle 40, der mit dem Wechselrichter in Reihe geschaltet ist und dem Wechselrichter eine Gleichstromspannung zuführt, einem Glättungskondensator 14, der zwischen Leistungsversorgungsanschlüssen des Wechselrichters verbunden ist, versehen. Bei der Diode 42 handelt es sich um eine Schutzvorrichtung zum Verhindern, dass Strom in die Brennstoffzelle 40 fließt.
-
Das Fahrzeug weist ferner einen darin eingebauten Spannungssensor 22 auf, der eine Spannung VB der Batterie 20 erfasst, einen Stromsensor 23, der einen Strom IB, der zur Batterie 20 fließt, erfasst, einen Spannungssensor 44, der die Spannung VINV des Wechselrichters erfasst, einen Stromsensor 43, der einen Strom IINV erfasst, der in die Nähe des Wechselrichters fließt, und einen DC/DC-Wandler 30, der eine Spannungsumwandlung zwischen der Spannung VB der Batterie und der Spannung VINV des Wechselrichters ausführt.
-
Der DC/DC-Wandler 30 beinhaltet einen ersten Schenkel, der zwischen den Anschlüssen der Batterie 20 verbunden ist, und einen zweiten Schenkel, der zwischen den Leistungsversorgungsanschlüssen des Wechselrichters 60 verbunden ist, und einen Reaktor L, der zwischen dem ersten und dem zweiten Schenkel verbunden ist.
-
Der erste Schenkel beinhaltet IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR2, die zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie 20 in Reihe geschaltete sind, und eine Diode D1, die mit der IGBT-Vorrichtung TR1 parallel geschaltet ist, eine Diode D2, die mit der IGBT-Vorrichtung TR2 parallel geschaltet ist.
-
Die IGBT-Vorrichtung TR1 weist einen Kollektor auf, der mit der positiven Elektrode der Batterie 20 verbunden ist, und einen Emitter, der mit einem Knoten N1 verbunden ist. Die Diode D1 ist so verbunden, dass eine Richtung vom Knoten N1 in Richtung der positiven Elektrode der Batterie 20 eine Vorwärtsrichtung ist.
-
Die IGBT-Vorrichtung TR2 weist einen Kollektor auf, der mit dem Knoten N1 verbunden ist, und einen Emitter, der mit der negativen Elektrode der Batterie 20 verbunden ist. Die Diode D2 ist derart verbunden, dass eine Richtung von der negativen Elektrode der Batterie 20 in Richtung des Knotens N1 eine Vorwärtsrichtung ist.
-
Der zweite Schenkel beinhaltet IGBT-Vorrichtungen TR3 und TR4, die zwischen positiven und negativen Leistungsversorgungsanschlüssen des Wechselrichters in Reihe geschaltet sind, und eine Diode D3, die mit der IGBT-Vorrichtung TR3 parallel geschaltet ist, eine Diode D4, die mit der IGBT-Vorrichtung TR4 parallel geschaltet ist.
-
Die IGBT-Vorrichtung TR3 weist einen Kollektor auf, der mit dem positiven Leistungsversorgungsanschluss des Wechselrichters 60 verbunden ist, und einen Emitter, der mit einem Knoten N2 verbunden ist. Die Diode D3 ist so verbunden, dass eine Richtung vom Knoten N2 in Richtung des positiven Leistungsversorgungsanschlusses des Wechselrichters 60 eine Vorwärtsrichtung ist.
-
Die IGBT-Vorrichtung TR4 weist einen Kollektor auf, der mit einem Knoten N2 verbunden ist, und einen Emitter, der mit dem negativen Leistungsversorgungsanschluss des Wechselrichters 60 verbunden ist. Die Diode D4 ist so verbunden, das eine Richtung vom negativen Leistungsversorgungsanschluss des Wechselrichters 60 in Richtung des Knotens N2 eine Vorwärtsrichtung ist.
-
Der Reaktor L ist zwischen den Knoten N1 und N2 verbunden.
-
Die Spannung VB der Batterie 20 und die Spannung, die die Brennstoffzelle 40 ausgibt, kann jeweils Bereiche annehmen, die einander teilweise überlappen. Die Batterie ist beispielsweise durch eine Nickelmetallhydrid-Batterie implementiert, und deren Leistungsversorgungsspannung variiert zur Vereinfachung der Darstellung innerhalb eines Bereichs von beispielsweise 200 V bis 300 V. Die Brennstoffzelle 40 gibt hingegen eine Spannung aus, die zur Vereinfachung der Darstellung innerhalb eines Bereichs von beispielsweise 240 V bis 400 V variiert. Dementsprechend kann die Spannung der Batterie 20 höher oder niedriger sein als das Ausgangssignal von der Brennstoffzelle 40. Dementsprechend ist der DC/DC-Wandler 30 so konfiguriert, dass er einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweist, wie zuvor beschrieben wurde. Diese Konfiguration ermöglicht eine Aufwärts-/Abwärts-Spannungsumwandlung von der Batterie 20 zum Wechselrichter 60 und eine Aufwärts-/Abwärts-Spannungsumwandlung vom Wechselrichter 60 zur Batterie 20.
-
Der DC/DC-Wandler 30 beinhaltet weiterhin eine DC-CPU 212, einen Puffer 32, Inversionspuffer 34, 35, 36, 38 und 39, Totzeiterzeugungseinheiten 33 und 37, und einen Stromsensor SE, der einen Wert eines Stroms IL des Reaktors L erfasst.
-
Die DC-CPU 31 geht als Reaktion auf eine Spannungssteuerungswert Vfcr und einen Stromwert IL in Betrieb, um ein Signal GATEBA auszugeben, das als eine Referenz für eine relative Einschaltdauer zum Schalten des Umwandlers dient. Das Signal GATEBA wird durch den Puffer 32 zur Totzeit-Erzeugungseinheit 33 übertragen. Die Totzeit-Erzeugungseinheit 33 verzögert einen Anstieg eines Ausgangssignals, um zwei komplementäre Ausgangsignale bereitzustellen, deren jeweilige aktive Perioden eine Totzeit dazwischen aufweisen. Während der Totzeit sind die zwei Ausgangssignale beide inaktiviert.
-
Die Totzeit-Erzeugungseinheit 33 gibt die komplementären Signale aus, die wiederum jeweils in die Inversionspuffer 34 und 35 eingegeben werden. Der Inversionspuffer 34 gibt ein Gate-Signal MUP an die IGBT-Vorrichtung TR1 aus. Der Inversionspuffer 35 gibt ein Gate-Signal MUN an die IGBT-Vorrichtung TR2 aus.
-
Ferner wird ein Signal GATEBA auch durch den Inversionspuffer 36 an die Totzeit-Erzeugungseinheit 37 ausgegeben. Die Totzeit-Erzeugungseinheit 37 verzögert einen Anstieg oder einen Abfall eines Eingangssignals, um zwei komplementäre Ausgangssignale bereitzustellen, deren jeweilige aktive Perioden eine Totzeit dazwischen aufweisen. Während der Totzeit sind die zwei Ausgangssignale beide inaktiviert.
-
Die Totzeit-Erzeugungseinheit 37 gibt die komplementären Signale aus, die wiederum in die Inversionspuffer 39 eingegeben werden. Der Inversionspuffer 38 gibt ein Gate-Signal GUP an die IGBT-Vorrichtung TR3 aus. Der Inversionspuffer 39 gibt ein Gate-Signal GUN an die IGBT-Vorrichtung TR4 aus.
-
3 ist ein Diagramm zur Darstellung, wie ein Strom, der durch den Reaktor gelangt, variiert, wenn die relative Einschaltdauer einer Schaltvorrichtung geringer ist als 50%.
-
4 ist ein Diagramm zur Darstellung, wie der Strom, der durch den Reaktor gelangt, variiert, wen die relative Einschaltdauer der Schaltvorrichtung länger ist als 50%.
-
Hierin wird die „relative Einschaltdauer” durch Ton/(Ton + Toff) dargestellt, wobei Ton die Einschaltzeit der Schaltvorrichtung und Toff die Ausschaltzeit der Schaltvorrichtung darstellt.
-
Während der Strom des Reaktors eine durch ΔI/ΔT = V/L bestimmte Flanke aufweist, stellen 3 und 4 den Strom IL des Reaktors für einen Fall dar, in dem zur Erleichterung des Verständnisses der Einlass und der Auslass des Wandlers die gleiche Spannung aufweisen.
-
Wie in 3 gezeigt ist, nimmt der Strom IL des Reaktors graduell ab, wenn eine relative Einschaltdauer D eines IL-Referenzpulses geringer ist als 50%. Im Gegensatz dazu, wie in 4 gezeigt ist, nimmt der Strom IL des Reaktors graduell zu, wenn die relative Einschaltdauer D des IL-Referenzpulses größer ist als 50%.
-
Wenn sich die Batterie 20 von 2 entlädt, werden die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4 so gesteuert, dass sie sich einschalten, um im Reaktor L Leistung zu speichern. Wenn die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4 beide gesteuert werden, dass sie sich ausschalten, wird die im Reaktor L gespeicherte Leistung anschließend durch einen Stromweg von der Diode D2 → Reaktor L → Diode D3 abgeführt.
-
Dadurch wird ermöglicht, dass die von der Batterie 20 zugeführte Leistung den Wechselrichter 60 ansteuern und den Motor 61 drehen kann. Synchron dazu werden die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 gesteuert, so dass Strom führen, um einen Widerstand zu reduzieren, um den Verlust an den Dioden D2 und D3 reduzieren. Es ist jedoch zu beachten, dass, wenn eine IGBT-Vorrichtung auf AUS geschaltet wird, sie verzögert ausgeschaltet wird, und dementsprechend ein Gate-Steuerungssignal mit einer Totzeit bereitgestellt wird.
-
Wenn ein Referenzsignal GATEBA, das erzeugt wird, während die DC-CPU 31 von 2 eine Pulsweitenmodulationsteuerung ausführt, verwendet wird, um ein Signal zu erzeugen, das das Gate einer IGBT-Vorrichtung ansteuert, wird eine Konfiguration hinzugefügt, die beispielsweise eine Anweisung verzögert, um die Vorrichtung einzuschalten, um die Gefahr eines Kurzschlusses der oberen und unteren Schenkel zu verhindern, und um einen solchen Kurzschluss zu verhindern, lassen die oberen und unteren Schenkel ihre IGBT-Vorrichtungen eine Zeit lang ausgeschaltet, wobei diese Zeit als Totzeit bezeichnet wird.
-
Obwohl dies nicht gezeigt ist, ist der Motor 61 mit den Rädern über ein Reduktionsgetriebe verbunden. Die Batterie 20 entlädt sich somit, wenn: der Motor 61 in einem dermaßen hohen Leistungsbereich betrieben wird, für den die Brennstoffzelle 40 alleine keine Leistung bereitstellen kann, die die Leistungsanforderung erfüllt; das Fahrzeug stillsteht, mit geringer Last betrieben wird oder in einem Bereich angetrieben wird, für den die Brennstoffzelle 40 eine geringe Effizienz aufweist; und dergleichen.
-
Wenn die Batterie 20 von 2 aufgeladen wird, werden die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 gesteuert, um sich einzuschalten, um im Reaktor L Leistung speichern. Wenn die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 beide gesteuert werden, so dass sie sich abschalten, wird die im Reaktor L gespeicherte Leistung anschließend durch eine Stromweg von Diode D4 → Reaktor L → Diode D1 abgeführt.
-
Die Batterie 20 lädt sich somit auf, wenn: die Batterie 20 einen reduzierten Ladezustand aufweist und die Brennstoffzelle 40 ebenfalls eine Leistungsabgabe auf Reserve aufweist; oder wenn das sich in Fahrt befindende Fahrzeug gebremst wird und der Motor 61 einen regenerativen Betrieb ermöglicht, um eine elektrische Energie wiederzugewinnen und in der Batterie 20 zu speichern.
-
Durch diesen Betrieb wird die Gleichstromleistung, die an der Brennstoffzelle 40 erzeugt wird, zugeführt, oder die Wechselstromleistung, die am Motor 61 durch einen regenerativen Betrieb erzeugt wird, wird im Wechselrichter 60 in eine Gleichstromleistung umgewandelt und somit zugeführt, um die Batterie 20 aufzuladen.
-
Das Aufladen der Batterie 20 wird auch durchgeführt, wenn eine Totzeit eingeführt wird, um zu verhindern, dass die oberen und untern Schenkel einen Kurzschluss bewirken.
-
5 ist ein Wellenformdiagramm zur Darstellung, dass der Strom des Reaktors in drei Zustände unterteilt ist.
-
Unter Bezugnahme auf 5 ist ein Zustand A ein Zustand, in dem der Strom IL des Reaktors für einen Schaltzyklus konstant negativ ist. Es ist zu beachten, dass, wenn der Reaktor einen Strom in einer Richtung aufweist, die durch den Pfeil des Stroms IL des Reaktors angezeigt wird, wie in 2 gezeigt ist, der Reaktor den Strom in einer positiven Richtung aufweist. In anderen Worten ist der Zustand A ein Zustand, in dem die Batterie 20 von der Brennstoffzelle 40 oder dem Wechselrichter 60 aufgeladen wird.
-
Ein Zustand C ist ein Zustand, in dem der Strom IL des Reaktors für einen Schaltzyklus konstant positiv ist. In anderen Worten ist der Zustand C ein Zustand, in dem die Batterie 20 an den Wechselrichter 60 ablädt.
-
Ein Zustand B ist ein Zustand, in dem der Strom IL des Reaktors für einen Schaltzyklus einen maximalen Wert Imax aufweist, der einen positiven Wert aufweist, und einen minimalen Wert Imin, der einen negativen Wert aufweist. In anderen Worten handelt es sich bei Zustand B um einen Zustand, in dem ein Strom, der die Batterie 20 auflädt, und ein Strom, der die Batterie 20 entlädt, einander bekämpfen.
-
6 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors in einem Zustand A darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
Unter Bezugnahme auf 2 und 6 schaltet folglich gibt ein Referenzsignal GATEBA, das von der DC-CPU 31 ausgegeben wird, dem eine Totzeit durch die Totzeit-Erzeugungseinheiten 33 und 37 hinzugefügt worden ist, die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 aus und ein, wie in dem Wellenformdiagramm von 6 gezeigt ist.
-
Insbesondere fällt zu einer Zeit t1 das Referenzsignal GATEBA ab, und als Reaktion darauf werden die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4, die eingeschaltet worden sind, ausgeschaltet oder inaktiviert, und wenn eine Totzeit Tdt1 verstrichen ist oder eine Zeit t3 gekommen ist, werden die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3, die ausgeschaltet worden sind, eingeschaltet oder aktiviert.
-
Anschließend steigt zu einer Zeit t4 ein Referenzsignal GATEBA an, und als Reaktion darauf werden die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3, die eingeschaltet worden sind, ausgeschaltet oder inaktiviert, und wenn eine Totzeit Tdt2 verstrichen ist oder eine Zeit T6 gekommen ist, werden die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4, die ausgeschaltet worden sind, eingeschaltet oder aktiviert.
-
Es ist zu beachten, dass die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 jeweils Dioden D1–D4 aufweisen, die mit denselben parallel geschaltet sind. Dadurch wird ermöglicht, dass ein Strom auch während einer Totzeit in der Vorwärtsrichtung eine Diode fließen kann.
-
Im Zustand A ist der Strom IL des Reaktors negativ, d. h. er fließt vom Knoten N2 der 2 zum Knoten N1. Wenn dementsprechend die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 alle ausgeschaltet sind, d. h. zu einer Totzeit, leiten die Dioden D1 und D4 Strom.
-
In anderen Worten nimmt für die Zeiten t6 bis t7, während der die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4 Strom leiten, plus die Totzeiten Tdt1 und Tdt2, d. h. für die Zeiten t4 bis t9, der Strom IL des Reaktors für einen Zyklus zu, und der Strom IL des Reaktors nimmt nur für einen Zyklus für die Zeiten t3 bis t4 ab, d. h. wenn die IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 Strom leiten.
-
Wenn das Referenzsignal GATEBA daher eine relative Einschaltdauer von 50% aufweist, dann weist der Strom IL des Reaktors im Zustand A die Tendenz auf, graduell zuzunehmen.
-
7 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors im Zustand C darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
Das Referenzsignal GATEBA und wie sich die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 in 7 ein- und ausschalten, ist ähnlich zu 6. Dementsprechend wird auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet.
-
Unter Bezugnahme auf 2 und 7 ist der Strom IL des Reaktors im Zustand C positiv, d. h. er fließt vom Knoten N1 in 2 zum Knoten N2. Wenn dementsprechend die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 alle ausgeschaltet sind, d. h. zu einer Totzeit, leiten die Dioden D1 und D3 Strom.
-
In anderen Worten nimmt für die Gesamtzeit der Stromleitzeit der IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 von t3 zu t4 und die Totzeiten Tdt1 und Tdt2, d. h. für die Zeiten t1 bis t6, der Strom IL des Reaktors für einen Zyklus ab, und der Strom IL des Reaktors nimmt für die Zeiten t6 bis t7, d. h. wenn die IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4 Strom leiten, nur für einen Zyklus zu.
-
Wenn dementsprechend das Referenzsignal GATEBA eine relative Einschaltdauer von 50% aufweist, dann weist der Strom IL des Reaktors im Zustand C die Tendenz auf, graduell abzunehmen.
-
8 ist ein Betriebswellenformdiagramm, das eine Beziehung zwischen einem Referenzsignal GATEBA und einer Variation eines Stroms des Reaktors im Zustand B darstellt, der in 5 gezeigt ist.
-
Das Referenzsignal GATEBA und wie sich die IGBT-Vorrichtungen TR1–TR4 in 8 ein- und ausschalten, ist ähnlich zu 6. Dementsprechend wird auf eine wiederholte Beschreibung derselben verzichtet.
-
Unter Bezugnahme auf 2 und 8 werden im Zustand B eine Zeitdauer, während der der Strom IL des Reaktors positiv ist, d. h. vom Knoten N1 in 2 zum Knoten N2 fließt, und eine Zeitdauer, während der der Strom IL des Reaktors negativ ist, d. h. vom Knoten N2 in 2 zum Knoten N1 fließt, wiederholt.
-
In diesem Fall nimmt der Strom IL des Reaktors für die Gesamtzeit der Stromleitzeit der IGBT-Vorrichtungen TR2 und TR3 von t3 bis t4 und die Totzeit Tdt1, d. h. für die Zeiten t1 bis t4, für einen Zyklus ab, und der Strom IL des Reaktors nimmt für die Gesamtzeit der Stromleitzeit der IGBT-Vorrichtungen TR1 und TR4 und die Totzeit Tdt2, d. h. für die Zeiten t4 bis t7, für einen Zyklus zu.
-
Wenn das Referenzsignal GATEBA eine relative Einschaltdauer von 50% aufweist, und die Totzeiten Tdt1 und Tdt1 gleich sind, dann weist dementsprechend im Zustand B der Strom IL des Reaktors die Tendenz auf, einen Zustand, den er momentan innehat, beizubehalten.
-
Wie unter Bezugnahme auf 6–8 beschrieben worden ist, unterscheiden sich somit eine relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA und eine Einschaltdauer, um die ein Strom am Reaktor tatsächlich erhöht/verringert wird, abhängig vom Zustand des Stroms des Reaktors voneinander.
-
Dementsprechend ist es für eine präzise Steuerung notwendig, die relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA gemäß dem Zustand des Stroms des Reaktors zu korrigieren.
-
Insbesondere ist es in einem Zustand A notwendig, die relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA zu korrigieren, so dass sie geringer als ein Sollwert ist, und in Zustand C ist es erforderlich, die relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA zu korrigieren, so dass sie größer als ein Sollwert ist.
-
Erste Ausführungsform
-
9 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der DC-CPU 31 darstellt, die in 2 gezeigt ist.
-
Unter Bezugnahme auf 9 beinhaltet die DC-CPU 31 eine Betriebseinheit 72, die eine Abweichung ΔVfc zwischen einem Spannungssteuerungswert Vfcr und dem Spannungswert VINV des Wechselrichters berechnet, eine Verarbeitungseinheit 74, die eine Abweichung ΔVfc differenziert, eine Betriebseinheit 76, die ein Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 74 mit einer Differentialtermverstärkung KdV multipliziert, eine Verarbeitungseinheit 80, die eine Abweichung ΔVfc integriert, eine Betriebseinheit 82, die ein Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 80 mit einer Intergraltermverstärkung KiV multipliziert, eine Betriebseinheit 78, die eine Abweichung ΔVfc mittels einer Proportionale KpV multipliziert, und eine Betriebseinheit 84, die ein Summe von Ausgangssignalen der Betriebseinheiten 76, 82A, 84 berechnet. Die Betriebseinheit 84 gibt ein Summensignal Vfc aus.
-
Die DC-CPU 31 beinhaltet ferner eine Vorwärtskopplungs-Verarbeitungseinheit 86, die ein Spannungssteuerungssignal Vfcr und den Spannungswert VB der Batterie empfängt und Vfcr/(VB + Vfcr) als einen Spannungswert Vfcreq berechnet und ausgibt, eine Totzeit-Korrektureinheit 90, die den Strom IL des Reaktors vom Stromsensor SE von 2 empfängt, wobei bestimmt wird, welchen der Zustände A–C von 5 dieser aufweist, und ein Wert ausgewählt wird, der die relative Einschaltdauer um einen Betrag korrigiert, der einer Totzeit entspricht, die dem bestimmten Zustand entspricht, eine Additionsverarbeitungseinheit 88, die ein Ausgangssignal der Totzeit-Korrektureinheit 90, einen Spannungswert Vfc und einen Spannungswert Vfcreq zusammenaddiert, um einen Spannungswerts V1 auszugeben, und eine PWM-Verarbeitungseinheit 92, die einen Spannungswert V1 empfängt und ein Referenzsignal GATEBA ausgibt.
-
Eine Totzeit-Korrektureinheit 90 führt einen Vorgang zum Ausgeben von beispielsweise Spannungswerten von –36 V, 5,4 V und 42,8 V für die Zustände A, B bzw. C als Korrekturwerte aus.
-
Eine PWM-Verarbeitungseinheit 92 gibt an einen Puffer 32 und einen Inversionspuffer 36 von 2 ein Signal GATEBA aus, das einen Steuerzeitpunkt anzeigt, der als eine Referenz zum Schalten dient, das einem Spannungswert V1A entspricht, der als Ergebnis der Addition bereitgestellt wird, die durch eine Additionsverarbeitungseinheit 88A ermöglicht wird.
-
10 ist ein Flussdiagramm, das eine Struktur eine Vorgangs darstellt, der durch die DC-CPU 31 ausgeführt wird. Der Vorgang wird zur Ausführung von einer Hauptroutine der Steuerung für eine jeweils vorbestimmte Zeit oder immer, wenn eine vorbestimmte Bedingung festgestellt wird, angefordert.
-
Unter Bezugnahme auf 10, erhält die DC-CPU 31, wenn der Vorgang startet, bei Schritt S1 den Stromwert IL des Reaktors, der vom Stromsensor SE von 2 ausgegeben wird, und erfasst, welchen der Zustände A–C von 5 der Strom des Reaktors derzeit aufweist.
-
Während der Stromwert IL für einen Zyklus zunimmt/abnimmt, wird insbesondere dessen Spitzenwert beobachtet. Wenn Imax < 0, wird eine Bestimmung vorgenommen, dass der Strom des Reaktors einen Zustand A aufweist. Wenn Imin > 0, wird entschieden, dass der Strom des Reaktors den Zustand C aufweist. Wenn Imin < 0 < Imax, wird entschieden, dass der Strom des Reaktors den Zustand B aufweist.
-
Dann wird bei Schritt S2 ein Totzeit-Korrekturwert berechnet. Für die Zustände A, B und C sind beispielsweise Spannungswerte von –36 V, 5,4 V und 42,8 V als jeweilige Korrekturwerte vorgesehen, da vor der Eingabe in die PWM-Verarbeitungseinheit 92 von 9 die relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA mit einem Spannungswert berechnet wird, der ihm entspricht. Wenn eine Zeit als Referenzwert zur Darstellung verwendet wird, und Tdt1 = Tdt2 = Tdt, dann sind anhand von 6, 8 und 7 für die Zustände A, B und C +Tdt, 0 und –Tdt jeweils Werte, die die relative Einschaltdauer des Referenzsignals GATEBA korrigieren (d. h. Totzeit-Korrekturwerte). Der Vorgang wird dann bei Schritt S3 fortgesetzt.
-
Bei Schritt S3 werden anfänglich ein Vorwärtskopplungsterm (ein FF-Term) und ein Rückführterm (ein FB-Term) berechnet. Der FF-Term wird durch Berechnen von Vfcr/(VB + Vfcr) erhalten. Der FB-Term wird durch Ausführen eines PID-Vorgangs an der Abweichung ΔVfc zwischen dem Spannungssteuerungswert Vfcr und dem Spannungswert VINV des Wechselrichters erhalten. Dann wird der FF-Term + der FB-Term + ein Totzeit-Korrekturwert berechnet, um einen Spannungswert V1 von 9 zu erhalten, und ein Referenzsignal GATEBA einer relative Einschaltdauer, das einem Spannungswert V1 entspricht, wird erhalten.
-
Wenn Schritt S3 beendet ist, kehrt die Steuerung zur Hauptroutine zurück. Durch einen solchen Vorgang kann eine in Bezug auf ihre Präzision verbesserte Ausgangsspannung bereitgestellt werden, und wenn der Strom des Reaktors einen variierten Zustand aufweist, kann die Ausgangsspannung frühzeitig einem Sollwert angenähert werden.
-
Erste Ausführungsform in einer exemplarischen Variation
-
In der ersten Ausführungsform wird ein Totzeit-Korrekturwert, der einem der drei Zustände eines Stroms eines Reaktors entspricht, ausgewählt und somit bestimmt. Wenn der Strom des Reaktors einem Übergang unterzogen wird, um von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu variieren, ist jedoch immer noch Raum zum Verbessern der Spannungssteuerbarkeit vorhanden.
-
Wenn der Strom des Reaktors von Zustand A dann zu Zustand B und dann zu Zustand C variiert, wie in 5 gezeigt ist, kann insbesondere ein abruptes Schalten eines Totzeit-Korrekturwerts in einem Moment, wenn Zustand A auf Zustand B schaltet, eine Anfragezeit mit sich bringen, bevor eine stabilisierte Ausgangsspannung erhalten wird.
-
11 zeigt eine Beziehung zwischen einem Totzeit-Korrekturwert und dem Strom des Reaktors, wenn der Strom des Reaktors negativ ist.
-
12 zeigt eine Beziehung zwischen einem Totzeit-Korrekturwert und dem Strom des Reaktors, wen der Strom des Reaktors positiv ist.
-
Wenn der Strom des Reaktors für einen Zyklus einen maximalen Wert Imax < 0 aufweist, dann wird, wie in 11 gezeigt ist, für einen Bereich von Imax < –I1 ein Totzeit-Korrekturwert ΔT bei –Tdt festgelegt, und für einen Bereich von –I1 < Imax < 0 wird ein Totzeit-Korrekturwert ΔT von –Tdt graduell auf 0 variiert.
-
Im Gegensatz dazu, wenn der Strom des Reaktors für einen Zyklus einen minimalen Wert Imin > 0 aufweist, dann wird, wie in 2 gezeigt ist, für einen Bereich von Imin > I2, ein Totzeit-Korrekturwert ΔT bei +Tdt festgelegt, und für einen Bereich von 0 < Imin < I2 wird ein Totzeit-Korrekturwert ΔT von 0 graduell auf +Tdt variiert.
-
In anderen Worten beinhaltet der DC/DC-Wandler 20 in 2 den Reaktor L, die IGBT-Vorrichtung TR3, die als Reaktion auf eine erstes Aktivierungssignal GUP in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors L mit einem ersten Leistungsversorgungsknoten des Wechselrichters zu koppeln, die IGBT-Vorrichtung TR4, die als Reaktion auf ein zweites Aktivierungssignal GUN in Betrieb geht, um ein Ende des Reaktors L mit einem Masseknoten zu koppeln, die Totzeiterzeugungseinheit 37 und die DC-CPU 31.
-
Die Totzeit-Erzeugungseinheit 37 geht als Reaktion auf das Referenzsignal GATEBA für die relative Einschaltdauer in Betrieb, um das erste und das zweite Aktivierungssignal GUP und GUN mit einer inaktiven Periode auszugeben, die einer Totzeit entspricht, die verhindert, dass die beiden IGBT-Vorrichtungen TR3 und TR4 Strom leiten. Die DC-CPU 31 korrigiert gemäß dem Stromwert IL des Reaktors, der durch den Reaktor L fließt, eine vorläufige relative Einschaltdauer, die basierend auf einem Spannungssteuerungswert Vfcr berechnet wird, und gibt das Referenzsignal GATEBA aus. Die DC-CPU 31 weist dem Stromwert IL des Reaktors drei Zustände zu, und wenn der Stromwert des Reaktors sich einem Wert nähert, bei dem ein Zustand in einen anderen Zustand übergeht, schaltet die DC-CPU 31 graduell einen Korrekturwert gemäß den Kennfeldern, die in 11 und 12 gezeigt sind.
-
Das Referenzsignal GATEBA, das eine relative Einschaltdauer aufweist, die durch einen Totzeit-Korrekturwert auf diese Weise korrigiert wurde, ermöglicht ebenfalls eine reibungslose und beständige Spannungssteuerung, wenn der Strom des Reaktors einem Übergang unterzogen wird, um von einem Zustand zu einem anderen Zustand zu variieren.
-
Zweite Ausführungsform
-
In der zweiten Ausführungsform wird die DC-CPU 31 durch eine DC-CPU 31A ersetzt.
-
13 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration der DC-CPU 31A, die die DC-CPU 31 von 2 ersetzt, in der zweiten Ausführungsform darstellt.
-
Unter Bezugnahme auf 13 beinhaltet die DC-CPU 31A eine Betriebseinheit 72, die die Abweichung ΔVfc zwischen dem Spannungssteuerungswert Vfcr und dem Spannungswert VINV des Wechselrichters berechnet, eine Verarbeitungseinheit 74, die die Abweichung ΔVfc differenziert, eine Betriebseinheit 76, die ein Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 74 mit einer Differentialtermverstärkung KdV multipliziert, eine Verarbeitungseinheit 80, die die Abweichung ΔVfc integriert, eine Betriebseinheit 82A, die ein Ausgangssignal der Verarbeitungseinheit 80 mit einer Integraltermverstärkung KiV multipliziert, eine Betriebseinheit 78, die die Abweichung ΔVfc mittels der Proportionale KpV multipliziert, und eine Betriebseinheit 84, die eine Summe der Ausgangssignale der Betriebseinheiten 76, 82 und 84 berechnet. Eine Betriebseinheit 84 gibt ein Summensignal Vfc aus. Die Betriebseinheit 82A empfängt den Stromwert IL des Reaktors vom Stromsensor SE von 2, bestimmt, welchen der Zustände A–C von 5 dieser aufweist, und erhöht/verringert die Integraltermverstärkung, um dem bestimmten Zustand zu entsprechen.
-
Die DC-CPU 31A beinhaltet ferner eine Vorwärtskopplungs-Verarbeitungseinheit 86, die ein Spannungssteuerungssignal Vfcr und den Spannungswert VB der Batterie empfängt und Vfcr/(VB + Vfcr) als Spannungswert Vfcreq berechnet und ausgibt, eine Additionsverarbeitungseinheit 88A, die einen Spannungswert Vfc und einen Spannungswert Vfcreq zusammenaddiert, um einen Spannungswert V1A auszugeben, und eine PWM-Verarbeitungseinheit 92, die einen Spannungswert V1A empfängt und ein Referenzsignal GATEBA ausgibt.
-
Die PWM-Verarbeitungseinheit 92 gibt an den Puffer 32 und den Inversionspuffer 36 von 2 ein Signal GATEBA aus, das einen Steuerzeitpunkt anzeigt, der als eine Referenz zum Schalten dient, das einem Spannungswert V1 entspricht, der infolge der Addition bereitgestellt wird, die durch die Additionsverarbeitungseinheit 88 ermöglicht wird.
-
14 ist ein Flussdiagramm, das eine Struktur eines Vorgangs darstellt, der durch die DC-CPU 31A ausgeführt wird. Dieser Vorgang wird zur Ausführung von einer Hauptroutine der Steuerung für eine jeweilige vorbestimmte Zeitdauer oder immer, wenn ein vorbestimmter Zustand festgestellt worden ist, angefordert.
-
Unter Bezugnahme auf 14, erhält die DC-CPU 31A, wenn der Vorgang startet, anfänglich bei Schritt S11 den Stromwert IL des Reaktors, der vom Stromwert SE von 2 ausgegeben wird, und erfasst, welchen der Zustände A–C von 5 der Strom des Reaktors derzeit innehat.
-
Insbesondere während der Stromwert IL für einen Zyklus zunimmt/abnimmt, wird dessen Spitzenwert beobachtet. Wenn Imax < 0, wird entschieden, dass der Strom des Reaktors einen Zustand A aufweist. Wenn Imin > 0, wird entschieden, dass der Strom des Reaktors den Zustand C aufweist. Wenn Imin < 0 < Imax, wird entschieden, dass der Strom des Reaktors den Zustand B aufweist.
-
Dann wird bei Schritt S12 entschieden, ob der Strom IL des Reaktors einen Zustand aufweist, der sich von dem unterscheidet, der erhalten wurde, als er unmittelbar zuvor abgetastet worden war. Insbesondere wird erfasst, ob, von den Zuständen A–C von 5, ein Zustandsübergang A → B, B → C oder C → B, B → A eingetreten ist.
-
Wenn bei Schritt S12 der Strom des Reaktors einen variierten Zustand aufweist, dann wird der Vorgang bei Schritt S13 fortgesetzt, und die Integraltermverstärkung wird für eine vorbestimmte Zeitdauer erhöht/verringert, da, wenn die PID-Regelung ausgeführt wird, das, was einer Korrektur der relative Einschaltdauer um einen Betrag unterzogen wird, der einer Totzeit entspricht, die Integraltermverstärkung ist, und dementsprechend wird, wenn zuvor ein variierter Wert des Stroms des Reaktors erfasst wird, die Integraltermverstärkung unmittelbar dem variierten Zustand des Stroms des Reaktors angepasst.
-
15 zeigt eine Beispiel zum Schalten der Integraltermverstärkung.
-
Unter Bezugnahme auf 15 stellt die horizontale Achse den Strom der Batterie dar, der dem Zustand des Stroms des Reaktors entspricht. Die vertikale Achse stellt die korrigierte Integraltermverstärkung dar. Wenn der Strom der Batterie negativ ist, d. h., wenn die Batterie aufgeladen wird, beträgt die Integraltermverstärkung –60 V. Wenn der Strom der Batterie positiv ist, d. h. wenn die Batterie entladen wird, beträgt die Integraltermverstärkung +30 V. Wenn der Strom der Batterie 0 beträgt, beträgt die Integraltermverstärkung –10 V.
-
Es ist zu beachten, dass, wie in 5 zu sehen ist, wenn der Strom der Batterie positiv ist, der Strom des Reaktors einen Zustand aufweist, der Zustand C entspricht, und dass, wie 5 zu sehen ist, wenn der Strom der Batterie negativ ist, der Strom des Reaktors einen Zustand aufweist, der Zustand A entspricht, und wenn der Strom der Batterie um 0 beträgt, weist der Strom des Reaktors einen Zustand auf, der Zustand B entspricht. Dementsprechend ermöglicht die Beobachtung des Stroms IB der Batterie eine allgemeine Steuerung der Korrektur der relative Einschaltdauer, selbst wenn der Reaktor L nicht mit dem Stromsensor SE versehen ist.
-
Unter erneuter Bezugnahme auf 14, wenn Schritt S13 beendet ist, wird der Vorgang bei Schritt S14 fortgesetzt. Der Vorgang wird auch bei Schritt S14 fortgesetzt, wenn bei Schritt S12 kein variierter Zustand des Stroms des Reaktors erfasst wird.
-
Bei Schritt S14 wird anfänglich ein Vorwärtskopplungsterm (ein FF-Term) und ein Rückkopplungsterm (ein FB-Term) berechnet. Der FF-Term wird durch Berechnen von Vfcr/(VB + Vfcr) erhalten. Der FB-Term wird durch Ausführen eines PID-Vorgangs auf die Abweichung ΔVfc zwischen einem Spannungssteuerungswert Vfcr und dem Spannungswert VINV des Wechselrichters erhalten. Der PID-Vorgang lässt eine Integraltermverstärkung nach Bedarf zunehmen/abnehmen. Dann wird der FF-Term + der FB-Term berechnet, um einen Spannungswert V1A von 13 zu erhalten, und ein Referenzsignal GATEBA einer relative Einschaltdauer, die einem Spannungswert V1A entspricht, wird erhalten.
-
Wenn Schritt S14 beendet ist, wird der Vorgang bei Schritt S15 fortgesetzt, und die Steuerung kehrt zur Hauptroutine zurück. Ein solcher Vorgang ermöglicht, dass eine Ausgangsspannung sich einem Sollwert frühzeitig nähern kann, wenn der Strom des Reaktors einen variierten Zustand aufweist.
-
Es ist zu beachten, dass die hierin offenbarten Ausführungsformen veranschaulichend und keinesfalls einschränkend sein sollen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche definiert, und nicht durch die vorstehende Beschreibung, und soll Modifizierungen im Schutzbereich und Bedeutungsumfang der Ansprüche umfassen.
