JP2006149127A - Dc-dc converter device for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、車両用2電源系に用いる車両用DC−DCコンバータ装置に関する。 The present invention relates to a vehicular DC-DC converter device used in a vehicular dual power supply system.
電圧が異なる2つのバッテリをもつ車両用2電源系がハイブリッド車などの技術分野において実用乃至提案されている。この車両用2電源系では、高電圧電源系を高電圧バッテリと大電力を消費する電気負荷により構成し、低電圧電源系を従来同様の低電圧バッテリと低電圧負荷により構成する。発電装置が発電電力は高電圧電源系へ優先的に給電し、低電圧電源系へは降圧型のDC−DCコンバータを通じて高電圧電源系から給電するのが通常である。 2. Description of the Related Art A vehicle dual power supply system having two batteries with different voltages has been put to practical use or proposed in a technical field such as a hybrid vehicle. In this two power supply system for a vehicle, the high voltage power supply system is configured by a high voltage battery and an electric load that consumes a large amount of power, and the low voltage power supply system is configured by a low voltage battery and a low voltage load that are the same as the conventional one. Usually, the power generation device preferentially feeds the generated power to the high voltage power supply system, and the low voltage power supply system is usually fed from the high voltage power supply system through a step-down DC-DC converter.
この種の車両用2電源系において、DC−DCコンバータを双方向DC−DCコンバータとすることにより、高電圧電源系の電力不足時に低電圧電源系から高電圧電源系に逆方向昇圧送電を行うことが提案されている。また、DC−DCコンバータの順方向降圧送電の開始に先だってDC−DCコンバータを逆方向昇圧送電させてDC−DCコンバータの入力平滑コンデンサを予め充電し、高電圧電源系からこの入力平滑コンデンサへの突入電流を低減する技術も提案されている。 In this type of vehicle dual power supply system, the DC-DC converter is a bidirectional DC-DC converter, so that reverse boost transmission is performed from the low voltage power supply system to the high voltage power supply system when the power of the high voltage power supply system is insufficient. It has been proposed. Further, prior to the start of forward step-down power transmission of the DC-DC converter, the DC-DC converter is reversely stepped up to transmit the input smoothing capacitor of the DC-DC converter in advance, and the input smoothing capacitor from the high voltage power supply system to this input smoothing capacitor Techniques for reducing inrush current have also been proposed.
双方向DC−DCコンバータとしては種々の形式のものが知られているが、送電電力(送電電流)を制御する出力制御のためにPWM制御方式を採用するのが普通である。具体的に説明すると、DC−DCコンバータの出力電圧を目標値に収束させるべくDC−DCコンバータのスイッチング素子のPWMデューティ比がフィードバック制御される。ただ、この種のDC−DCコンバータでは、スイッチング素子のPWMデューティ比が一定であっても入力電圧が変動すると出力電流が変動してしまう。このため、下記の特許文献1は、スイッチング素子のデューティ比の関数値を示す補正電圧をスイッチング素子の電流に加算することにより、言い換えれば、スイッチング素子の電流を上記補正電圧により補正することにより、DC−DCコンバータの出力電流とみなすことを提案している。
しかしながら、上記したPWMフィードバック方式の双方向DC−DCコンバータを用いる車両用2電源系において逆方向昇圧送電を行う場合、DC−DCコンバータの出力電流が過大となって低電圧バッテリの電圧低下が生じ、低電圧バッテリに接続された制御装置や電子装置などの電源電圧が低下するという不具合が生じる可能性があることがわかった。これは、低電圧バッテリの容量が元々それほど大きくないために、逆方向昇圧送電時にDC−DCコンバータの出力電流が増大すると、低電圧バッテリの放電電流増大により低電圧バッテリの電圧降下が増大して低電圧バッテリの端子電圧が低下してしまうためである。このような低電圧バッテリの端子電圧低下は、この制御装置や電子装置などの誤動作や動作信頼性の低下を招く。 However, when performing reverse step-up power transmission in a vehicle two power supply system using the above-described PWM feedback type bidirectional DC-DC converter, the output current of the DC-DC converter becomes excessive and the voltage of the low-voltage battery decreases. It has been found that there is a possibility that the power supply voltage of the control device or electronic device connected to the low voltage battery is lowered. This is because the capacity of the low voltage battery is not so large from the beginning, and if the output current of the DC-DC converter increases during reverse boost transmission, the voltage drop of the low voltage battery increases due to the increase in the discharge current of the low voltage battery. This is because the terminal voltage of the low voltage battery decreases. Such a decrease in the terminal voltage of the low-voltage battery causes a malfunction or a decrease in operational reliability of the control device or the electronic device.
この問題を解決するには種々の解決案が考えられる。たとえば低電圧バッテリの容量増大はその一つであるが、車載重量の体格、重量、製造費用の増大を招くと言う問題がある。 Various solutions can be considered to solve this problem. For example, an increase in capacity of a low-voltage battery is one of them, but there is a problem in that it increases the physique, weight, and manufacturing cost of on-vehicle weight.
逆方向昇圧送電時にDC−DCコンバータの出力電流を監視し、それが所定値を超えないようにDC−DCコンバータのスイッチング素子のデューティ比を規制することも考えられるが、電流検出が面倒であるうえ、通常は基準電圧レベルが異なる高電圧電源系の電圧と制御回路の電圧との整合を取る必要があり、回路構成が更に面倒となる。 Although it is possible to monitor the output current of the DC-DC converter during reverse step-up power transmission and regulate the duty ratio of the switching element of the DC-DC converter so that it does not exceed a predetermined value, current detection is troublesome. In addition, it is usually necessary to match the voltage of the high voltage power supply system having a different reference voltage level with the voltage of the control circuit, which further complicates the circuit configuration.
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、車両用2電源系の双方向DC−DCコンバータの逆方向昇圧送電による低電圧バッテリの電圧低下を簡素な回路構成により実現可能な車両用DC−DCコンバータ装置を提供することをその目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a vehicle DC that can realize a voltage drop of a low-voltage battery due to reverse step-up power transmission of a bidirectional DC-DC converter for a two-power supply system for a vehicle with a simple circuit configuration. The object is to provide a DC converter device.
本発明の車両用DC−DCコンバータ装置は、高電圧バッテリ及び高電圧電気負荷を含む高電圧電源系と、低電圧バッテリ及び低電圧電気負荷を含む低電圧電源系との間に配置されるとともに内蔵するスイッチング素子のスイッチングにより前記両系間の送電を行う車両用の双方向DC−DCコンバータと、前記高電圧電源系から前記低電圧電源系への送電動作である順方向降圧送電モードと、前記低電圧電源系と前記高電圧電源系への送電モードである逆方向昇圧送電モードとから選択した運転モードにより前記DC−DCコンバータの送電方向を選択するとともに、順方向降圧送電時に前記低電圧バッテリの電圧を所定目標レベルに収束させるべく前記スイッチング素子のPWMデューティ比を調節するフィードバック制御を実施する車両用DC−DCコンバータ装置において、前記制御回路が、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記逆方向昇圧送電時の送電電力を前記低電圧電源系の電圧に基づいて規制することにより、前記低電圧電源系の電圧低下を所定許容範囲に維持することを特徴としている。なお、ここで言うPWMデューティ比とは、PWM制御されるスイッチング素子に印加する制御パルス信号のデューティ比を言うものとする。 The vehicle DC-DC converter device of the present invention is disposed between a high-voltage power supply system including a high-voltage battery and a high-voltage electric load and a low-voltage power supply system including a low-voltage battery and a low-voltage electric load. A bidirectional DC-DC converter for a vehicle that performs power transmission between the two systems by switching of a built-in switching element; a forward step-down power transmission mode that is a power transmission operation from the high-voltage power supply system to the low-voltage power supply system; The power transmission direction of the DC-DC converter is selected according to an operation mode selected from the low voltage power supply system and the reverse step-up power transmission mode which is a power transmission mode to the high voltage power supply system, and the low voltage during forward step-down power transmission. A vehicle that performs feedback control for adjusting the PWM duty ratio of the switching element so as to converge the battery voltage to a predetermined target level. In the DC-DC converter device, the control circuit regulates the transmission power during the reverse boost transmission based on the voltage of the low voltage power supply system when the reverse boost transmission mode is executed, so that the low voltage The voltage drop of the power supply system is maintained within a predetermined allowable range. The PWM duty ratio here refers to the duty ratio of a control pulse signal applied to a switching element that is PWM controlled.
すなわち、この双方向DC−DCコンバータは、低電圧バッテリの電圧低下が許容範囲となる範囲でその逆方向昇圧送電を実施するように制御される。このようにすれば、低電圧バッテリの電圧に基づいて送電制御を行うため、DC−DCコンバータの逆方向昇圧送電時の出力電流を所定範囲に制限するのに比べて格段に簡素な回路構成により低電圧バッテリの電圧低下を防止することができる。また、低電圧バッテリの電圧を直接モニターするため、低電圧バッテリの電圧低下の制限も高精度に行うことができる。更に、この双方向DC−DCコンバータは、順方向降圧送電時には、その出力制御のために低電圧バッテリの電圧を所定目標レベルに収束させるべくスイッチング素子のPWMデューティ比を調節するフィードバック制御を実施しているため、つまり、本発明によると、順方向降圧送電時も逆方向昇圧送電時も、低電圧バッテリの電圧をモニタしてスイッチング素子のPWMデューティ比の制御を行うため、制御回路系を大幅に共通化することができ、回路構成の更なる簡素化が可能となる。 In other words, the bidirectional DC-DC converter is controlled to perform the reverse step-up power transmission in a range where the voltage drop of the low-voltage battery falls within an allowable range. In this way, since power transmission control is performed based on the voltage of the low voltage battery, the output current at the time of reverse step-up power transmission of the DC-DC converter is limited to a predetermined range with a much simpler circuit configuration. The voltage drop of the low voltage battery can be prevented. In addition, since the voltage of the low voltage battery is directly monitored, the voltage drop of the low voltage battery can be limited with high accuracy. Furthermore, this bidirectional DC-DC converter performs feedback control that adjusts the PWM duty ratio of the switching element so as to converge the voltage of the low-voltage battery to a predetermined target level for output control during forward step-down power transmission. In other words, according to the present invention, the control circuit system is greatly increased because the voltage of the low voltage battery is monitored and the PWM duty ratio of the switching element is controlled during forward step-down power transmission and reverse step-up power transmission. The circuit configuration can be further simplified.
なお、本発明に用いる双方向DC−DCコンバータとしては、フォワード方式の他、フライバック方式など各種DC−DCコンバータを採用することができる。 In addition, as a bidirectional | two-way DC-DC converter used for this invention, various DC-DC converters, such as a flyback system other than a forward system, are employable.
好適な態様において、前記制御回路は、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記低電圧電源系の電圧が所定しきい値を下回ったかどうかを判定し、下回った場合に前記スイッチング素子のPWMデューティ比を制限することにより送電電力を所定値以下に規制する。このようにすれば、低電圧バッテリの電圧が、低電圧電源系の電気負荷の許容電源電圧より十分高い場合には、送電電力の規制しないため逆方向昇圧送電を強力に実施することができる。更に、低電圧バッテリの電圧が、低電圧電源系の電気負荷の許容電源電圧の最低レベルに接近すれば、送電電力を規制して低電圧電源系の電圧低下を抑止することができる。 In a preferred aspect, the control circuit determines whether or not the voltage of the low-voltage power supply system has fallen below a predetermined threshold when the reverse step-up power transmission mode is executed, and if it falls, the PWM duty ratio of the switching element The transmission power is regulated to a predetermined value or less by restricting. In this way, when the voltage of the low-voltage battery is sufficiently higher than the allowable power supply voltage of the electric load of the low-voltage power supply system, the reverse boost transmission can be performed strongly because the transmission power is not regulated. Furthermore, if the voltage of the low-voltage battery approaches the lowest level of the allowable power supply voltage of the electric load of the low-voltage power supply system, the transmission power can be regulated to suppress the voltage drop of the low-voltage power supply system.
好適な態様に置いて、前記制御回路は、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記低電圧電源系の電圧と所定しきい値との偏差に応じて前記スイッチング素子のPWMデューティ比又はその最大値を決定することにより送電電力を規制する。このようにすれば、上記偏差が大きく低電圧電源系の電圧が十分高い状況ではスイッチング素子のPWMデューティ比の制限を緩和して大電力送電を実現できるとともに、低電圧電源系の電圧の低下につれて送電電力を低減していくことができるので、ソフトな送電規制を実現することができる。 In a preferred embodiment, the control circuit is configured such that the PWM duty ratio of the switching element or the maximum value thereof depends on a deviation between the voltage of the low voltage power supply system and a predetermined threshold value when the reverse boost power transmission mode is executed. The transmission power is regulated by determining In this way, in a situation where the deviation is large and the voltage of the low-voltage power supply system is sufficiently high, the limitation of the PWM duty ratio of the switching element can be relaxed to realize high power transmission, and as the voltage of the low-voltage power supply system decreases. Since transmission power can be reduced, soft transmission regulation can be realized.
好適な態様において、前記制御回路は、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記低電圧電源系の電圧と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第1デューティ比として決定する第1手段と、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記高電圧電源系の電圧と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第2デューティ比として決定する第2手段と、前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記DC−DCコンバータの電流と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第3デューティ比として決定する第3手段とを有し、前記第2デューティ比と第3デューティ比との少なくともいずれかと前記第1デューティ比とのうちで最小のデューティ比を選択し、前記スイッチング素子のデューティ比又はその最大値を前記最小のデューティ比又はそれより小さい値に設定する。 In a preferred aspect, the control circuit performs the switching based on a comparison result between a voltage of the low-voltage power supply system and a predetermined threshold value so as to restrict transmission power to a predetermined value or less when the reverse boost transmission mode is executed. A first means for determining a PWM duty ratio of the element as a first duty ratio; a voltage of the high-voltage power supply system and a predetermined threshold value for restricting transmission power to a predetermined value or less when executing the reverse boost transmission mode; And a second means for determining the PWM duty ratio of the switching element as a second duty ratio based on the comparison result, and the DC-DC converter to restrict the transmission power to a predetermined value or less when executing the reverse boost transmission mode. The PWM duty ratio of the switching element is set as a third duty ratio based on a comparison result between the current of the current and a predetermined threshold value. And selecting a minimum duty ratio out of at least one of the second duty ratio and the third duty ratio and the first duty ratio, or a duty ratio of the switching element or the third duty ratio thereof. The maximum value is set to the minimum duty ratio or a smaller value.
すなわち、この態様では、逆方向昇圧送電時の出力電流又は出力電圧を所定レベルに調整する場合におけるスイッチング素子のPWMデューティ比より、上記低電圧電源系の電圧に基づくスイッチング素子のPWMデューティ比が小さくなる場合にのみ低電圧電源系の電圧に基づくスイッチング素子のPWMデューティ比の規制を行うため、低電圧電源系の電圧低下が小さい段階での送電制限を極力減らして円滑な逆方向昇圧送電を実行できるとともに、低電圧電源系の電圧低下が深刻となった場合には優先的に送電電力の規制を行うことができるために低電圧電源系の電気負荷へ給電する電源電圧の望ましくない低下を確実に防止することができる。 That is, in this aspect, the PWM duty ratio of the switching element based on the voltage of the low-voltage power supply system is smaller than the PWM duty ratio of the switching element when the output current or output voltage during reverse boost transmission is adjusted to a predetermined level. In order to regulate the PWM duty ratio of the switching element based on the voltage of the low-voltage power supply system only in such a case, the smooth reverse boost transmission is executed by reducing the transmission restriction at the stage where the voltage drop of the low-voltage power supply is small as much as possible. In addition, if the voltage drop of the low-voltage power supply system becomes serious, the transmission power can be regulated preferentially, so that an undesired drop in the power supply voltage supplied to the electric load of the low-voltage power supply system can be ensured. Can be prevented.
好適な態様において、前記逆方向昇圧送電モードの開始直後にのみ、前記低電圧電源系の電圧に基づく前記送電電力の規制を行う。通常では、逆方向昇圧送電に際してDC−DCコンバータに大電流が流れて低電圧バッテリの端子電圧が大きく低下する問題が発生するのは、逆方向昇圧送電の開始直後であるため、この期間以外には低電圧電源系の電圧低下に基づく送電電力制限を停止することにより、逆方向昇圧送電の円滑な推考を実現することができる。 In a preferred aspect, the transmission power is regulated based on the voltage of the low-voltage power supply system only immediately after the reverse boost transmission mode is started. Normally, the problem that a large current flows through the DC-DC converter during reverse boost transmission and the terminal voltage of the low voltage battery greatly decreases occurs immediately after the start of reverse boost transmission. By stopping the transmission power limitation based on the voltage drop of the low voltage power supply system, it is possible to realize a smooth inference of reverse boost transmission.
本発明の車両用DC−DCコンバータ装置を用いた車両用電源系の好適な実施態様を図面を参照して以下説明する。ただし、本発明の車両用DC−DCコンバータ装置に用いる双方向DC−DCコンバータとしては、下記の実施例に用いた双方向DC−DCコンバータに限定されるものでなく、公知の種々のものを採用できることはもちろんである。 A preferred embodiment of a vehicle power supply system using the vehicle DC-DC converter device of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the bidirectional DC-DC converter used in the DC-DC converter device for vehicles according to the present invention is not limited to the bidirectional DC-DC converter used in the following embodiment, and various known ones can be used. Of course, it can be adopted.
(回路構成)
図1に示す車両用電源系において、1は高電圧のメインバッテリ、2は一次側直交変換部、3はトランス、4は二次側直交変換部、5は低電圧の補機バッテリ(定格電圧約12V)である。メインバッテリ1は本発明で言う高電圧バッテリをなす。一次側直交変換部2、トランス3、二次側直交変換部4は、本発明で言う双方向DC−DCコンバータを構成している。
(Circuit configuration)
1, 1 is a high voltage main battery, 2 is a primary side orthogonal transform unit, 3 is a transformer, 4 is a secondary side orthogonal transform unit, and 5 is a low voltage auxiliary battery (rated voltage). About 12V). The
一次側直交変換部2は、フルブリッジ接続された単相インバータ回路21と、その入力側に配置された一次側平滑回路22とを有している。
The primary side
単相インバータ回路21は、4つのトランジスタ211〜214を有し、各トランジスタ211〜214は、フライホイルダイオードとして機能する周知の寄生ダイオードをそれぞれ有している。各トランジスタ211〜214にそれぞれ別体のフライホイルダイオードを並列接続してもよい。単相インバータ回路21は、一次側平滑回路22の出力端に接続される一対の直流端子と、トランス3の一次コイルの両端に接続される一対の交流端子とを有している。単相インバータ回路21の構成及び動作は周知であり、本発明の要旨でもないので、これ以上の説明は省略する。一次側平滑回路22は、コンデンサ221〜223とチョークコイル224とを有し、第1直流端子6、7を通じてメインバッテリ1の両端に接続されている。一次側平滑回路22の構成及び動作は周知であり、本発明の要旨でもないので、これ以上の説明は省略する。
The single-
トランス3は、同方向に巻回され、各一端が第2直流端子8を通じて接地された一対の二次コイルを有する降圧トランスである。
The
二次側直交変換部4は、スイッチング・整流部41と、その出力側に配置された二次側平滑回路42とを有している。スイッチング・整流部41は、一端がトランス3の一対の二次コイルの出力端に個別に接続される一対のトランジスタ411、412を有している。Dはトランジスタ411,412の寄生ダイオードであるが、ダイオードを積極的に追加してもよい。二次側平滑回路42は、一対のトランジスタ411,412の他端と第2直流端子9とを接続するチョークコイル421と、一対の第2直流端子8,9間に接続される平滑コンデンサ422とを有している。
The secondary side orthogonal transform unit 4 includes a switching / rectifying
補機バッテリ5は、第2直流端子8,9間に接続されている。本発明で言う低電圧バッテリをなす補機バッテリ5は図示しない種々の車載電気負荷に給電している。
The
10は、上記双方向DC−DCコンバータを制御するコントローラであり、本発明で言う制御回路を構成している。コントローラ10が果たす機能はハードウエア回路により構成されるのが好ましいが、マイコンによるソフトウエア処理を行うこともできる。この実施例の特徴をなす制御部分は、理解を簡単とするためにソフトウエア処理により説明するものとする。
A
(直流降圧動作)
メインバッテリ1から補機バッテリ5への降圧給電は以下のように実施される。単相インバータ回路21のトランジスタ211、214のペアとトランジスタ412、413のペアとを所定周期で交互にオンすることにより、単相矩形波交流電圧を発生し、それをトランス3で降圧し、スイッチング・整流部41で単相全波整流し、二次側平滑回路42で平滑して、補機バッテリ5に印加する。また、コントローラ10は、一対の二次コイルの一方の出力電圧が補機バッテリ5の端子電圧より高い期間だけ、この一対の二次コイルの一方に接続されるトランジスタ411、412の一方をオンし、一対の二次コイルの他方の出力電圧が補機バッテリ5の端子電圧より高い期間だけ、この一対の二次コイルの他方に接続されるトランジスタ411、412の他方をオンし、同期整流を行う。なお、この同期整流を行わず、トランジスタ411、412を降圧給電中オフして、寄生ダイオードDによるダイオード整流を行ってもよい。
(DC step-down operation)
The step-down power supply from the
(直流昇圧動作)
補機バッテリ5からメインバッテリ1への昇圧給電を図2のタイミングチャートを参照して以下に説明する。まず、スイッチング・整流部41のトランジスタ411、412を両方ともオンする。この時、トランジスタ411、412は、巻回方向及び巻数が等しい一対の二次コイルへ逆方向に通電するため、実質的にトランスコアの磁束は0であり、二次コイルには電圧は誘導されない。この通電により、チョークコイル421に磁気エネルギーが蓄積される。次に、トランジスタ411をオフする。これにより、トランジスタ411側の二次コイルの電流が0となる。その結果、チョークコイル421に蓄積された磁気エネルギーはトランジスタ411のオフ前の電流状態を維持しようとするため、トランジスタ412を通じてトランジスタ412側の二次コイルにいままでの2倍の電流が一時的に流れる。結局、これは、トランジスタ411側の二次コイルの電流が一時的に反転したと同じ磁束変化をトランス3のコアに与え、トランス3の一次コイルにこの磁束変化に比例する交流電圧成分(半波)を発生させる。この交流電圧成分は、単相インバータ回路21のフライホイルダイオードDにより全波整流され、一次側平滑回路22で平滑されてメインバッテリ1を充電する。次に、トランジスタ411をオンする。これにより、トランス3のコアを流れる磁束は最初と同じく実質的に0となり、トランス3の一次コイルに電圧は誘導されない。次に、トランジスタ412をオフする。これにより、トランジスタ412側の二次コイルの電流が0となる。その結果、チョークコイル421に蓄積された磁気エネルギーはトランジスタ412のオフ前の電流状態を維持しようとするため、トランジスタ411を通じてトランジスタ411側の二次コイルにいままでの2倍の電流が一時的に流れる。結局、これは、トランジスタ412側の二次コイルの電流が一時的に反転したと同じ磁束変化をトランス3のコアに与え、トランス3の一次コイルにこの磁束変化に比例する交流電圧成分(半波)を発生させる。この交流電圧成分は、単相インバータ回路21のフライホイルダイオードDにより全波整流され、一次側平滑回路22で平滑されてメインバッテリ1を充電する。以下、上記順次にトランジスタ411、412をオンオフすれば、継続的に補機バッテリ5からメインバッテリ1へ、チョークコイル421の磁気エネルギーにより増勢された高電圧の送電(直流昇圧送電)を行うことができる。
(DC boost operation)
The step-up power supply from the
つまり、トランジスタ411、をオフすると、一対の二次コイルに電流が流れないに等しい状況から、一対の二次コイルの他方に通常の2倍の電流を流したに等しい状況が一時的に生じ、この二次コイルの電流変化に等しい磁束変化がトランス3のコアに生じ、この磁束変化に比例した電圧が一次コイルに誘導される。これは、一時的に補機バッテリ5の電圧をブーストアップしたに等しいので、第1直流端子6,7間に大きな直流電圧を発生させることができる。
That is, when the
(変形態様)
図1のスイッチング・整流部41を単相インバータ回路21と同一構成の単相インバータ回路としてもよいことは明白である。双方向DC−DCコンバータでは、その内部電圧ロスやバッテリの放電時と充電時の電圧の差により降圧比より昇圧比を著しく大きく設定することが必須であるが、この態様では、この昇圧比のブーストアップに順送電時に電流平滑を行うチョークコイルの磁気エネルギーを利用することができるため、回路構成を簡素化することができる。
(Modification)
It is obvious that the switching / rectifying
(変形態様)
図1のスイッチング・整流部41のトランジスタ411、412の向きを逆とし、トランス3の二次コイルの中点(接続点)をチョークコイル421に接続してもよい。このようにすれば、トランジスタ411、412のソース電極を接地することができるので、トランジスタ411、412のオン抵抗を低い制御電圧においても低減でき、実用上有利となる。
(Modification)
The direction of the
(制御の説明)
コントローラ10によりなされるDC−DCコンバータの制御動作を以下に説明する。
(Explanation of control)
The control operation of the DC-DC converter performed by the
(基本制御ルーチン)
図3は基本制御ルーチンを示す。まず車両制御用の電子制御装置(図示せず)からDC−DCコンバータ動作に関する指令を読み込み(S100)、順方向降圧送電が指令されているかどうかを判定し(S102)、指令されていれば順方向降圧送電モードに相当する後述のサブルーチンを実行し(S104)、指令されていなければ逆方向昇圧送電が指令されているかどうかを判定し(S106)、指令されていれば逆方向昇圧送電モードに相当する後述のサブルーチンを実行し(S108)、ステップS100にリターンする。
(Basic control routine)
FIG. 3 shows a basic control routine. First, a command relating to DC-DC converter operation is read from an electronic control device (not shown) for vehicle control (S100), and it is determined whether forward step-down power transmission is commanded (S102). A subroutine described later corresponding to the directional step-down power transmission mode is executed (S104). If not instructed, it is determined whether or not reverse step-up power transmission is instructed (S106). A corresponding subroutine described later is executed (S108), and the process returns to step S100.
(順方向降圧送電制御)
図4はこの実施例で採用した順方向降圧送電制御サブルーチンを示す。この順方向降圧送電制御サブルーチンは、エンジン運転中になされる。まず補機バッテリ5の電圧VLを読み込み(S200)、補機バッテリ5の電圧VLが収束すべきしきい値電圧VLthと補機バッテリ5の電圧VLとの差ΔVを算出し、更にこの差ΔVに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drをマップなどから求める(S202)。次に、この決定されたPWMデューティ比DrによりDC−DCコンバータのスイッチング素子をPWM制御する。なお、このPWMデューティ比Drは、差ΔVが大きいほど順方向降圧送電電力が大きくなるように設定されている。
(Forward step-down power transmission control)
FIG. 4 shows a forward step-down power transmission control subroutine employed in this embodiment. This forward step-down power transmission control subroutine is performed during engine operation. First, the voltage VL of the
これにより、補機バッテリ5の電圧VLはその好適電圧であるしきい値電圧VLthとなる。図示しない発電機から充電されるメインバッテリ1に比べて補機バッテリ5の蓄電容量は格段に小さいので、この順方向降圧送電による補機バッテリ5の充電電流は、ほぼ補機バッテリ5と並列接続されて補機バッテリ5とともに低電圧電源系を構成する低電圧電気負荷の消費電流に等しくなる。
As a result, the voltage VL of the
(逆方向昇圧送電制御)
図5はこの実施例で採用した逆方向昇圧送電制御サブルーチンを示す。この逆方向昇圧送電制御サブルーチンは、たとえばメインバッテリ1からの給電によるエンジン始動時においてメインバッテリ1の蓄電容量が少ない場合や、DC−DCコンバータの順方向降圧送電開始前にその高電圧側の平滑コンデンサ221やその他の高電圧電源系に接続された機器のDC-LINKコンデンサなどに対する予備充電のためになされる。
(Reverse direction boost transmission control)
FIG. 5 shows a reverse boost power transmission control subroutine employed in this embodiment. The reverse step-up power transmission control subroutine is executed when the
まず補機バッテリ5の電圧VLを読み込み(S300)、それがしきい値電圧VLthより低いかどうかを判定する(S302)。このしきい値電圧VLthは、補機バッテリ5が接続される低電圧電気負荷の許容最低電源電圧又はそれより多少高い値に設定されている。補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより低ければ、これ以上の逆方向昇圧送電は無理と判断してDC−DCコンバータの運転を停止する(S304)。これにより、低電圧電気負荷の電源電圧の低下により、電子装置など電源電圧低下に敏感な低電圧電気負荷の動作エラーなどが発生するのを防止することができる。
First, the voltage VL of the
次に、補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより高ければ、補機バッテリ5の電圧VLとしきい値電圧VLthとの差ΔVを算出し、更にこの差ΔVに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drをマップなどから求める(S306)。次に、この決定されたPWMデューティ比DrによりDC−DCコンバータのスイッチング素子をPWM制御する(S308)。なお、このPWMデューティ比Drは、差ΔVが大きいほど逆方向昇圧送電電力が大きくなるように設定されている。
Next, if the voltage VL of the
これにより、補機バッテリ5の電圧VLがその最低電圧であるしきい値電圧VLthに接近するにつれて逆方向昇圧送電電力を低減することができるので、補機バッテリ5の蓄電容量が大きい状態では逆方向昇圧送電電力を十分に確保できるとともに、補機バッテリ5の蓄電容量が小さい状態では逆方向昇圧送電電力を削減して低電圧電気負荷の電源電圧低下を抑止することができる。
As a result, the reverse boosted transmission power can be reduced as the voltage VL of the
なお、この実施例では、補機バッテリ5の電圧VLの低下につれて連続的に逆方向昇圧送電電力を低減したが、段階的に低減してもよいことはもちろんである。
In this embodiment, the reverse boosted transmission power is continuously reduced as the voltage VL of the
他の実施例の逆方向昇圧送電制御を図6を参照して以下に説明する。 The reverse step-up power transmission control of another embodiment will be described below with reference to FIG.
まず補機バッテリ5の電圧VLとメインバッテリ1の電圧VHとを読み込み(S400)、補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより低いかどうかを判定する(S402)。このしきい値電圧VLthは、補機バッテリ5が接続される低電圧電気負荷の許容最低電源電圧又はそれより多少高い値に設定されている。補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLth以下であれば、これ以上の逆方向昇圧送電は無理と判断してDC−DCコンバータの運転を停止する(S404)。これにより、低電圧電気負荷の電源電圧の低下により、電子装置など電源電圧低下に敏感な低電圧電気負荷の動作エラーなどが発生するのを防止することができる。
First, the voltage VL of the
補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより高ければ、メインバッテリ1の電圧VHの目標電圧であるしきい値電圧VHthとメインバッテリ1の電圧VHとの差ΔVを算出し、更にこの差ΔVに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drをマップなどから求める(S406)。次に、この決定されたPWMデューティ比DrによりDC−DCコンバータのスイッチング素子をPWM制御する(S408)。なお、このPWMデューティ比Drは、差ΔVが大きいほど逆方向昇圧送電電力が大きくなるように設定されている。
If the voltage VL of the
これにより、メインバッテリ1の電圧VHはその好適電圧であるしきい値電圧VHthに収束する。もし逆方向昇圧送電の途中で補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより低下したら送電をただちに中止するため、補機バッテリ5と並列接続されて補機バッテリ5とともに低電圧電源系を構成する低電圧電気負荷の電源電圧が望ましくないレベルまで低下するのを防止することができる。
Thereby, the voltage VH of the
この実施例によれば、低電圧電気負荷の電源電圧の低下が可能な範囲にてメインバッテリ1の電圧VHが小さいほど言い換えればメインバッテリ1の電力要求が大きいほど大電力を逆方向昇圧送電することができる。
According to this embodiment, the lower the voltage VH of the
他の実施例の逆方向昇圧送電制御を図7を参照して以下に説明する。 The reverse step-up power transmission control according to another embodiment will be described below with reference to FIG.
まず補機バッテリ5の電圧VLとメインバッテリ1の電圧VHとDC−DCコンバータの電流Iとを読み込み(S500)、これらの検出値に基づいて3つのPWMデューティ比Dr1、Dr2、Dr3を算出する(S502)。PWMデューティ比Dr1は、補機バッテリ5の電圧VLとしきい値電圧VLthとの差ΔV=VLーVLthに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drであり、マップなどから求められる。このPWMデューティ比Dr1は、差ΔVが大きいほど逆方向昇圧送電電力が大きくなるように設定されている。
First, the voltage VL of the
PWMデューティ比Dr2は、メインバッテリ1の電圧VHの目標電圧であるしきい値電圧VHthとメインバッテリ1の電圧VHとの差ΔVに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drであり、マップなどから求められる。このPWMデューティ比Dr2は、差ΔV=VHthーVHが大きいほど逆方向昇圧送電電力が大きくなるように設定されている。
The PWM duty ratio Dr2 is the PWM duty ratio Dr of the DC-DC converter corresponding to the difference ΔV between the threshold voltage VHth, which is the target voltage of the voltage VH of the
PWMデューティ比Dr3は、DC−DCコンバータの目標値Ithと検出したDC−DCコンバータの電流Iとの差ΔV=IthーIに対応するDC−DCコンバータのPWMデューティ比Drであり、マップなどから求められる。このPWMデューティ比Dr3は、差ΔV=IthーIが大きいほど逆方向昇圧送電電力が大きくなるように設定されている。次に、PWMデューティ比Dr1〜Dr3のうちで最小の値を選択し(S504)、この選択したPWMデューティ比によりDC−DCコンバータのスイッチング素子をPWM制御する(S506)。 The PWM duty ratio Dr3 is the PWM duty ratio Dr of the DC-DC converter corresponding to the difference ΔV = Ith-I between the target value Ith of the DC-DC converter and the detected current I of the DC-DC converter. Desired. The PWM duty ratio Dr3 is set such that the reverse boosted transmission power increases as the difference ΔV = Ith−I increases. Next, the minimum value among the PWM duty ratios Dr1 to Dr3 is selected (S504), and the switching element of the DC-DC converter is subjected to PWM control based on the selected PWM duty ratio (S506).
これにより、もし、補機バッテリ5の電圧VLがその許容最小値であるしきい値電圧VLthより低下すればPWMデューティ比Drが0となるためDC−DCコンバータの運転が停止されて、低電圧電気負荷のそれ以上の電源電圧低下を阻止できるとともに、補機バッテリ5の電圧VLがしきい値電圧VLthより大きい範囲でかつ補機バッテリ5の電圧VLが十分に大きい場合にはメインバッテリ1の電圧VH又はDC−DCコンバータの電流Iに基づくフィードバック制御を行うことができ、メインバッテリ1の電圧VH又はDC−DCコンバータの電流Iを好適に制御することができる。
As a result, if the voltage VL of the
なお、DC−DCコンバータの電流Iとしては、DC−DCコンバータの出力電流を採用することが好適であるが、DC−DCコンバータの入力電流又はその内部電流を採用しても良い。 As the current I of the DC-DC converter, it is preferable to employ the output current of the DC-DC converter, but the input current of the DC-DC converter or its internal current may be employed.
(変形態様)
上記各実施例で採用した補機バッテリ5の電圧VLの代わりにDC−DCコンバータの低圧側端子電圧や低電圧電気負荷の電源電圧を採用しても良い。後者の場合には、最も電源電圧低下が好ましくない電気負荷の電源電圧を採用することが好適である。
(Modification)
Instead of the voltage VL of the
(変形態様)
なお、上記説明した逆方向昇圧送電制御における送電規制又は送電停止を逆方向昇圧送電の開始直後にのみ実施しても良い。これは、補機バッテリ5の電圧VLの大きな電圧低下に相当する大電流での逆方向昇圧送電が、逆方向昇圧送電の開始直後にのみ生じるのが通常であるためである。その他、順方向降圧送電の開始直前にのみ実施して高電圧側の平滑コンデンサの充電だけを行っても良く、エンジン始動時のみこの逆方向昇圧送電を行うようにしても良い。
(Modification)
Note that power transmission restriction or power transmission stop in the above-described reverse boost transmission control may be performed only immediately after the start of reverse boost transmission. This is because reverse boost transmission with a large current corresponding to a large voltage drop in the voltage VL of the
1 メインバッテリ
2 一次側直交変換部
3 トランス
4 二次側直交変換部
5 補機バッテリ
10 コントローラ(制御回路)
21 単相インバータ回路
22 一次側平滑回路
41 整流部
42 二次側平滑回路
211〜214 トランジスタ
221〜223 平滑コンデンサ
224 チョークコイル
411、412 トランジスタ
421 チョークコイル
422 平滑コンデンサ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記高電圧電源系から前記低電圧電源系への送電動作である順方向降圧送電モードと、前記低電圧電源系と前記高電圧電源系への送電モードである逆方向昇圧送電モードとから選択した運転モードにより前記DC−DCコンバータの送電方向を選択するとともに、順方向降圧送電時に前記低電圧バッテリの電圧を所定目標レベルに収束させるべく前記スイッチング素子のPWMデューティ比を調節するフィードバック制御を実施する車両用DC−DCコンバータ装置において、
前記制御回路は、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記逆方向昇圧送電時の送電電力を前記低電圧電源系の電圧に基づいて規制することにより、前記低電圧電源系の電圧低下を所定許容範囲に維持することを特徴とする車両用DC−DCコンバータ装置。 A high voltage power supply system including a high voltage battery and a high voltage electric load and a low voltage power supply system including a low voltage battery and a low voltage electric load are interposed between the two systems by switching of a built-in switching element. A bidirectional DC-DC converter for a vehicle that performs power transmission of
Selected from a forward step-down power transmission mode that is a power transmission operation from the high-voltage power system to the low-voltage power system, and a reverse step-up power transmission mode that is a power transmission mode to the low-voltage power system and the high-voltage power system The power transmission direction of the DC-DC converter is selected according to the operation mode, and feedback control is performed to adjust the PWM duty ratio of the switching element to converge the voltage of the low voltage battery to a predetermined target level during forward step-down power transmission. In a vehicle DC-DC converter device,
The control circuit includes:
Maintaining the voltage drop of the low-voltage power supply system within a predetermined allowable range by regulating the transmission power during the reverse-boosted power transmission based on the voltage of the low-voltage power supply system when executing the reverse boost transmission mode. The DC-DC converter device for vehicles characterized by these.
前記制御回路は、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記低電圧電源系の電圧が所定しきい値を下回ったかどうかを判定し、下回った場合に前記スイッチング素子のPWMデューティ比を制限することにより送電電力を所定値以下に規制することを特徴とする車両用DC−DCコンバータ装置。 The vehicle DC-DC converter device according to claim 1,
The control circuit includes:
When executing the reverse step-up power transmission mode, it is determined whether or not the voltage of the low-voltage power supply system has fallen below a predetermined threshold, and if lower, the transmission power is set to a predetermined value by limiting the PWM duty ratio of the switching element. A DC-DC converter device for a vehicle, characterized in that it is regulated as follows.
前記制御回路は、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して前記低電圧電源系の電圧と所定しきい値との偏差に応じて前記スイッチング素子のPWMデューティ比又はその最大値を決定することにより送電電力を規制することを特徴とする車両用DC−DCコンバータ装置。 The vehicle DC-DC converter device according to claim 1,
The control circuit includes:
The transmission power is regulated by determining the PWM duty ratio of the switching element or the maximum value thereof according to the deviation between the voltage of the low-voltage power supply system and a predetermined threshold when executing the reverse boost transmission mode. A DC-DC converter device for a vehicle that is characterized.
前記制御回路は、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記低電圧電源系の電圧と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第1デューティ比として決定する第1手段と、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記高電圧電源系の電圧と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第2デューティ比として決定する第2手段と、
前記逆方向昇圧送電モードの実行に際して送電電力を所定値以下に規制するべく前記DC−DCコンバータの電流と所定しきい値との比較結果に基づいて前記スイッチング素子のPWMデューティ比を第3デューティ比として決定する第3手段と、
を有し、
前記第2デューティ比と第3デューティ比との少なくともいずれかと前記第1デューティ比とのうちで最小のデューティ比を選択し、前記スイッチング素子のデューティ比又はその最大値を前記最小のデューティ比又はそれより小さい値に設定することを特徴とする車両用DC−DCコンバータ装置。 The DC-DC converter device for a vehicle according to any one of claims 1 to 3,
The control circuit includes:
The PWM duty ratio of the switching element is set to a first duty ratio based on a comparison result between the voltage of the low-voltage power supply system and a predetermined threshold value so as to restrict the transmission power to a predetermined value or less when executing the reverse boost transmission mode. A first means to determine:
The PWM duty ratio of the switching element is set to a second duty ratio based on a comparison result between the voltage of the high-voltage power supply system and a predetermined threshold value so as to restrict the transmission power to a predetermined value or less when the reverse boost transmission mode is executed. A second means to determine:
The PWM duty ratio of the switching element is set to a third duty ratio based on the comparison result between the current of the DC-DC converter and a predetermined threshold value so as to restrict the transmission power to a predetermined value or less when the reverse boost transmission mode is executed. A third means to determine:
Have
A minimum duty ratio is selected from at least one of the second duty ratio and the third duty ratio and the first duty ratio, and the duty ratio of the switching element or its maximum value is set to the minimum duty ratio or the same. A vehicular DC-DC converter device characterized by being set to a smaller value.
前記制御回路は、
前記逆方向昇圧送電モードの開始直後にのみ、前記低電圧電源系の電圧に基づく前記送電電力の規制を行うことを特徴とする車両用DC−DCコンバータ装置。 The DC-DC converter device for a vehicle according to any one of claims 1 to 4,
The control circuit includes:
The DC-DC converter device for a vehicle is characterized in that the transmission power is regulated based on the voltage of the low-voltage power supply system only immediately after the reverse boost transmission mode is started.
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