JP2009055699A - 車両用昇圧コンバータ回路 - Google Patents

車両用昇圧コンバータ回路 Download PDF

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Abstract

【課題】電気部品に過大な電流が流れることを防ぐと共に、迅速に昇圧電圧を調整することが可能な車両用昇圧コンバータ回路を提供することを目的とする。
【解決手段】電池と、一方の端子が電池の一方の端子に接続されるインダクタと、インダクタの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続される第1スイッチと、インダクタの他方の端子に一方の端子が接続される第2スイッチと、第2スイッチの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続されるキャパシタと、第1スイッチおよび第2スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備え、第1スイッチおよび第2スイッチの制御によってキャパシタを充電し、キャパシタが保持する電圧を出力電圧として出力する車両用昇圧コンバータ回路において、スイッチ制御部は、第1スイッチを所定のデューティ比でオンオフ制御することで出力電圧を調整する
【選択図】図3

Description

本発明は、モータ駆動車両用電池の電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路に関する。
電気自動車、ハイブリッド自動車等のモータ駆動車両が広く用いられている。モータ駆動車両のモータは、電池から供給される電力によって回転し車輪を駆動する。モータ駆動車両の加減速制御は、モータに供給される電力をアクセル、ブレーキ等の操作に応じて調整することによって行われる。そのため、モータ駆動車両には、電池からモータに供給される電力を調整する昇圧コンバータ回路が搭載される。
昇圧コンバータ回路は、電池電圧を昇圧するためのインダクタを備える。昇圧コンバータ回路は、電池からインダクタに流れる電流をスイッチング制御することによりインダクタに誘導起電力を発生させ、電池電圧に誘導起電力を加えた電圧で出力キャパシタを充電する。そして、出力キャパシタの端子間電圧を昇圧電圧として出力する。昇圧電圧は、インダクタに流れる電流のスイッチングタイミングを変化させることによって調整される。
昇圧コンバータ回路の出力端子には、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路を介してモータが接続される。このような構成によれば、昇圧コンバータ回路の昇圧電圧を調整することで、電池からモータに供給される電力を調整することができる。
昇圧コンバータ回路を制御するコントロールユニットは、運転操作に基づいて目標昇圧電圧を決定する。そして、昇圧電圧が目標昇圧電圧に近づくよう、インダクタに流れる電流のスイッチングタイミングを調整する。モータは、このようにして制御される電力に従って回転し車輪を駆動する。これによって、運転操作に従ったモータ駆動車両の加減速制御を行うことができる。
特開2005−51898号公報には、上記のような昇圧コンバータ回路およびその制御方法について記載されている。
特開2005−51898号公報
コントロールユニットは運転操作に基づいて目標昇圧電圧を求める。そして、昇圧電圧が目標昇圧電圧に近づくよう昇圧コンバータ回路を制御する。昇圧電圧を変化させた場合、昇圧コンバータ回路には出力キャパシタの充放電に基づく電流が流れる。
したがって、急な運転操作により目標昇圧電圧が急激に変化し、それに応じて昇圧電圧を急激に変化させた場合には、昇圧コンバータ回路に過大電流が流れ、電気部品の寿命が短くなるおそれがある。そのため、従来の昇圧コンバータ回路では、昇圧電圧を目標昇圧電圧の変動に追従させることができないことがあった。
本発明はこのような課題に対してなされたものであり、電気部品に過大な電流が流れることを防ぐと共に、迅速に昇圧電圧を調整することが可能な車両用昇圧コンバータ回路を提供することを目的とする。
本発明は、車両駆動用モータに電力を供給する電池と、一方の端子が電池の一方の端子に接続されるインダクタと、インダクタの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続される第1スイッチと、インダクタの他方の端子に一方の端子が接続される第2スイッチと、第2スイッチの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続されるキャパシタと、第1スイッチおよび第2スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備え、第1スイッチおよび第2スイッチの制御によって、電池の端子間電圧にインダクタの誘導起電力が加えられた電圧をキャパシタに印加し、キャパシタが保持する電圧を出力電圧として出力し、車両の走行制御に応じた第1スイッチおよび第2スイッチの制御によって出力電圧を調整する車両用昇圧コンバータ回路において、スイッチ制御部は、第1スイッチを所定のデューティ比でオンオフ制御することで出力電圧を調整することを特徴とする。
また、本発明に係る車両用昇圧コンバータ回路においては、電池電圧と出力電圧との差異に対しデューティ比を対応付けたデューティ比テーブルを記憶するテーブル記憶部を備え、スイッチ制御部は、デューティ比テーブルに含まれる複数のデューティ比のうち一つを電池電圧と出力電圧との差異に基づいて選択し、選択したデューティ比に従って第1スイッチを制御することが好適である。
また、本発明に係る車両用昇圧コンバータ回路においては、制御開始からの経過時間に対しデューティ比を対応付けたデューティ比時間変化テーブルを記憶するテーブル記憶部を備え、スイッチ制御部は、デューティ比時間変化テーブルに含まれる複数のデューティ比のうち一つを制御開始からの経過時間に基づいて選択し、選択したデューティ比に従って第1スイッチを制御することが好適である。
電気部品に過大な電流が流れることを防ぐと共に、迅速に昇圧電圧を調整することが可能な車両用昇圧コンバータ回路を提供することを目的とする。
(1)モータ駆動車両の構成および走行制御
図1に本発明の実施形態に係るモータ駆動車両の構成を示す。モータ駆動車両は、電池10から供給される電力に基づいてモータ16を回転させ、モータ16の駆動力によって走行する。モータ駆動車両の加減速制御は、電池10からモータ16に供給される電力を調整することによって行う。そのため、モータ駆動車両には、電池電圧を昇圧し、昇圧電圧を調整する昇圧コンバータ回路12が用いられる。また、交流電圧によって回転するモータ16を用いるため、昇圧コンバータ回路12の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路14が用いられる。
昇圧コンバータ回路12は、コントロールユニット18の制御に基づいて電池電圧を昇圧し、インバータ回路14に出力する。インバータ回路14は、昇圧コンバータ回路12の出力電圧を交流電圧に変換し、モータ16に出力する。インバータ回路14は、昇圧コンバータ回路12の出力電圧が大きい程、大きい交流電圧を出力する。また、昇圧コンバータ回路12の出力電圧が小さい程、小さい交流電圧を出力する。したがって、昇圧コンバータ回路12の出力電圧を調整することで、インバータ回路14の出力交流電圧を調整することができる。
モータ16がインバータ回路14の出力交流電圧に応じた速度で回転しているときは、電池10とモータ16との間で電力の授受は行われず、モータ16は一定の速度で回転する。この状態で昇圧コンバータ回路12の出力電圧を上げると、インバータ回路14の出力交流電圧が大きくなり、電池10から昇圧コンバータ回路12およびインバータ回路14を介してモータ16に電力が供給される。これによって、モータ16は加速トルクを発生しモータ駆動車両が加速する。また、昇圧コンバータ回路12の出力電圧を下げると、インバータ回路14の出力交流電圧が小さくなり、モータ16からインバータ回路14および昇圧コンバータ回路12を介して電池10に電力が回収される。これによって、モータ16は制動トルクを発生し、モータ駆動車両が減速する。モータ駆動車両の減速は、モータ16の制動トルクの他、別途設けられたブレーキ機構によって行うこともできる。
操作部22は、アクセルペダル、ブレーキペダル等を含み、運転操作に応じた制御指令をコントロールユニット18に出力する。コントロールユニット18は、制御指令に基づいて昇圧コンバータ回路12の目標出力電圧を決定する。そして、昇圧コンバータ回路12の出力電圧と目標出力電圧との差異が小さくなるよう昇圧コンバータ回路12を制御する。
このように、モータ駆動車両では、運転操作に応じて昇圧コンバータ回路の目標出力電圧を決定し、目標出力電圧に応じた昇圧コンバータ回路の制御を行う。しかし、従来のモータ駆動車両では、急な運転操作により目標昇圧電圧が急激に変化し、それに応じて昇圧コンバータ回路の出力電圧を急激に変化させた場合、昇圧コンバータ回路内に過大電流が流れることがあり、電気部品の寿命が短くなるおそれがあった。
そこで、本発明の実施形態に係るモータ駆動自動車では、電気部品に過大な電流が流れることを防ぎつつ、出力電圧を迅速に調整することができるよう、昇圧コンバータ回路12の制御を行う。
(2)昇圧コンバータ回路12の構成および出力電圧制御
昇圧コンバータ回路12の構成および昇圧コンバータ回路12の制御について説明する。図2に本発明の実施形態に係る昇圧コンバータ回路12の構成を示す。コントロールユニット18は、運転操作に基づいて決定した目標出力電圧と出力電圧との差異が小さくなるよう昇圧コンバータ回路12を制御する。
昇圧コンバータ回路12の制御は、上アームトランジスタ26および下アームトランジスタ28をスイッチング制御することで行う。上アームトランジスタ26および下アームトランジスタ28は、ベース端子Bとエミッタ端子Eとの間の電圧を変化させることで、オンまたはオフに制御することができる。上アームトランジスタ26および下アームトランジスタ28は、オンのときにコレクタ端子Cからエミッタ端子Eへと電流が流れる。
(i)出力電圧の上昇/維持制御
コントロールユニット18は、出力電圧計34から読み込んだ測定出力電圧が目標出力電圧以下であるときは、出力電圧の上昇/維持制御を行う。この制御は、上アームトランジスタ26をオフに維持しつつ、下アームトランジスタ28をオンオフ制御することによって行う。
電池10の正極端子にはインダクタ24の一端が接続されている。また、インダクタ24の他端は下アームトランジスタ28のコレクタ端子Cに接続され、下アームトランジスタ28のエミッタ端子Eは電池10の負極端子に接続されている。したがって、下アームトランジスタ28をオフからオンにすると、電池10からインダクタ24を介して下アームトランジスタ28のコレクタ端子Cに電流が流入する。
その後、下アームトランジスタ28をオフにすると、インダクタ24に流れる電流が遮断され、インダクタ24には下アームトランジスタ28側を正とする誘導起電力が発生する。
インダクタ24の一端は電池の正極端子に接続され、他端はダイオード30のアノード端子Aに接続されている。また、ダイオード30のカソード端子Kと電池10の負極端子との間にはキャパシタ32が接続されている。したがって、電池電圧にインダクタ誘導起電力を加えた電圧が、キャパシタ32の端子間電圧よりも大きい場合、ダイオード30は順方向電圧が与えられることにより導通する。これによって、電池電圧にインダクタ誘導起電力を加えた電圧でキャパシタ32を充電し、出力電圧を上げることができる。
インダクタ24に発生する誘導起電力は、電流が遮断される直前にインダクタ24に流れていた電流の大きさに依存する。そして、インダクタ24に流れる電流は、下アームトランジスタ28がオンにされた後、時間の経過と共に増加する。したがって、電池電圧にインダクタ誘導起電力を加えた電圧が目標出力電圧となるよう、下アームトランジスタ28のオン時間を決定することで、キャパシタ32を目標出力電圧と同一値の電圧で充電し、出力電圧を目標出力電圧に近づけることができる。
そこで、コントロールユニット18は、上昇/維持制御を行う場合には、電池電圧計36から測定電池電圧を読み込む。そして、インダクタ24の誘導起電力が目標出力電圧から測定電池電圧を減じた値となるよう、下アームトランジスタ28のオン時間を求める。
コントロールユニット18は、求められたオン時間だけ下アームトランジスタ28がオンとなるよう、下アームトランジスタ28のオンオフを繰り返す制御を行う。これによって、下アームトランジスタ28のオフ時には、キャパシタ32に目標出力電圧と同一値の電圧が印加され、キャパシタ32が充電される。
なお、下アームトランジスタ28をオンにしたときは、キャパシタ32の充電電圧はダイオード30に対して逆方向電圧となり、ダイオード30は遮断状態となる。これによって、キャパシタ32がダイオード30を介して放電することが回避される。
このような制御によれば、下アームトランジスタ28のオンオフが繰り返されることによってキャパシタ32の充電が繰り返される。これによって、キャパシタ32を目標出力電圧まで充電し出力電圧を目標電圧まで上げることができる。また、出力電圧が目標出力電圧に達した後はその電圧を維持することができる。
(ii)出力電圧を下げる制御
コントロールユニット18は、出力電圧計34から読み込んだ測定出力電圧が目標出力電圧を超えるときは、出力電圧を下げる制御を行う。この制御は、下アームトランジスタ28をオフに維持し、上アームトランジスタ26をオンオフ制御することによって行う。
キャパシタ32は、上アームトランジスタ26のコレクタ端子Cと電池10の負極端子との間に接続されている。また、上アームトランジスタ26のエミッタ端子Eは、インダクタ24の一端および下アームトランジスタ28のコレクタ端子Cに接続されている。そして、インダクタ24の他端は電池10の正極端子に接続され、下アームトランジスタ28のエミッタ端子Eは電池10の負極端子に接続されている。
したがって、キャパシタ32に電池電圧より高い電圧が充電されている状態において、上アームトランジスタ26をオンとし、下アームトランジスタ28をオフとすると、キャパシタ32から上アームトランジスタ26を介してインダクタ24に放電電流が流れる。これによって、キャパシタ32の端子間電圧を下げ、出力電圧を下げることができる。放電電流は、インダクタ24に含まれる抵抗成分によるジュール熱を発生させると共に、電池10に流入して電池10を充電する。
放電電流は、キャパシタ32の端子間電圧と電池電圧との差異が大きい程大きい。したがって、差異電圧が大きい場合には、上アームトランジスタ26、インダクタ24、および電池10に過大電流が流れるおそれがある。そこで、コントロールユニット18は、出力電圧と電池電圧との差異に応じて定められたデューティ比で上アームトランジスタ26をオンオフ制御する。
上アームトランジスタ26に対しオンオフ制御を行った場合、放電電流は上アームトランジスタ26がオフとなるごとに遮断される。放電電流は一度遮断されると、再び上アームトランジスタ26がオンにされたときに電流値0から増加する。これによって、放電電流が増加し続けることを回避し、上アームトランジスタ26およびインダクタ24に過大な電流が流れることを防ぐことができる。
オンオフ制御による放電電流値の振れ幅は、デューティ比を大きくする程大きくなるが、キャパシタ32の放電が進むにつれて小さくなる。そこで、コントロールユニット18は、放電によってキャパシタ32の端子間電圧が低下すると共にデューティ比を増加させる制御を行う。これによって、過大電流とならないできる限り大きな電流によってキャパシタ32を放電することができ、迅速に出力電圧を下げることができる。
コントロールユニット18は、このような原理に基づいて、図3のフローチャートに示す制御を行う。コントロールユニット18は下アームトランジスタ28をオフとする(S101)。そして、電池電圧計36から測定電池電圧を読み込み、出力電圧計34から測定出力電圧を読み込む(S102)。コントロールユニット18は、測定出力電圧から測定電池電圧を減じた入出力差異電圧を求める(S103)。そして、記憶部20に記憶されているデューティ比テーブルを参照し、入出力差異電圧に対応するデューティ比を取得する(S104)。
ここで、デューティ比テーブルは、入出力差異電圧に対応するデューティ比を定めたものである。図4はデューティ比テーブルの一例を、その内容をグラフを以て示したものである。図4のデューティ比テーブルは、入出力差異電圧がVth未満のときはデューティ比を1とし、入出力差異電圧が閾値電圧Vth以上であるときは入出力差異電圧が大きい程デューティ比を小さくすることを示す。
コントロールユニット18は、ステップS104で取得したデューティ比および所定のオンオフ周期に従って、次のように上アームトランジスタ26のオンオフ制御を行う(S105)。
コントロールユニット18は、上アームトランジスタ26をオンにする。そして、ステップS104で取得したデューティ比にオンオフ周期を乗じた時間だけ下アームトランジスタ28をオンにした後、上アームトランジスタ26をオフとする。
コントロールユニット18は、1オンオフ周期の残りの時間だけ上アームトランジスタ26をオフとした後、再び上アームトランジスタ26をオンとし、以後同様にして、下アームトランジスタ28のオンオフ制御を行う。
コントロールユニット18は、出力電圧計34から測定出力電圧を読み込み(S106)、測定出力電圧と目標出力電圧とを比較する(S107)。そして、測定出力電圧が目標出力電圧を超える場合にはステップS102に戻り、入出力差異電圧に対応するデューティ比に基づくオンオフ制御を続ける。一方、測定出力電圧が目標出力電圧以下となった場合には、出力電圧を下げる制御を終了し、出力電圧の上昇/維持制御を行う。
このような制御によって、コントロールユニット18は、デューティ比テーブルに基づくデューティ比で上アームトランジスタ26のオンオフ制御を行う。デューティ比テーブルは、入出力差異電圧が閾値電圧Vth以上である場合には、入出力差異電圧が小さい程大きいデューティ比を示す。したがって、入出力差異電圧が閾値電圧Vth以上である場合には、放電によってキャパシタ32の端子間電圧が低下し、入出力差異電圧が小さくなると共にデューティ比を増加させる制御を行うことができる。これによって、過大電流を防ぎつつ迅速に出力電圧を下げることができる。
また、デューティ比テーブルは、入出力差異電圧が閾値電圧Vth未満である場合には、デューティ比として1を示す。したがって、入出力差異電圧が閾値電圧Vth未満である場合には、上アームトランジスタ26がオンに維持され、最も迅速にキャパシタ32を放電することができる状態となる。これによって、迅速に出力電圧を下げることができる。
デューティ比テーブルは、電池10、インダクタ24、上アームトランジスタ26等に対して規定された許容電流に基づき、評価実験、シミュレーション等によって作成することができる。
なお、ここでは、入出力差異電圧に応じてデューティ比を決定する制御について説明した。このような制御の他、出力電圧を下げる制御の開始時からの経過時間に応じてデューティ比を決定する制御を行うことができる。
図5は制御開始時からの経過時間とデューティ比とを対応付けたデューティ比時間変化テーブルの例を、その内容をグラフを以て示したものである。図5のデューティ比時間変化テーブルは、制御開始から時間τまでの間にデューティ比を0から1まで増加させ、時間τ以後はデューティ比を一定値1とすることを示す。
コントロールユニット18は、デューティ比時間変化テーブルを参照し、制御開始時からの経過時間に基づいてデューティ比を取得する。そして、下アームトランジスタ28をオフとし、取得したデューティ比に基づいて上アームトランジスタ26をオンオフ制御する。
このような制御によれば、出力電圧を下げる制御の開始時から時間が経過すると共にデューティ比が増加する。また、キャパシタ32の端子間電圧は、放電が進むと共に低下する。したがって、キャパシタ32の端子間電圧が低下すると共にデューティ比を増加させる制御を行うことができる。これによって、過大電流とならないできる限り大きな電流によってキャパシタ32を放電することができ、迅速に出力電圧を下げることができる。
また、この制御では、測定出力電圧および測定電池電圧を読み込む必要がない。そのため、コントロールユニット18の制御プログラムを簡単にすることができ、設計コストを下げることができる。
デューティ比時間変化テーブルは、電池10、インダクタ24、上アームトランジスタ26等に対して規定された許容電流、キャパシタ32の放電特性シミュレーション結果等に基づいて作成することができる。
なお、昇圧コンバータ回路12では、出力電圧を上げる際の制御プログラムの不具合、コントロールユニット18の内部回路の故障等により、出力電圧が規定値を超える過電圧状態となることがある。ここで説明した出力電圧を下げる制御は、このような過電圧状態を解消するために行ってもよい。
過電圧状態となった場合、従来のモータ駆動車両では、昇圧コンバータ回路に過大電流が流れることを回避するため、迅速に出力電圧を下げることが困難であった。また、過電圧状態でモータを回転させると、電気部品に過大電流が流れ、電気部品の寿命が短くなるおそれがある。そのため、従来のモータ駆動車両では、過電圧状態となった場合には強制的に停車制御を行うこととしていた。
本発明の実施形態に係るモータ駆動車両によれば、迅速に過電圧状態を解消することができる。したがって、電気部品の寿命の短縮、車両の強制的な停止を回避することができる。
(iii)シミュレーション結果
図6に制御開始時からの経過時間に応じてデューティ比を決定する制御のシミュレーション結果を示す。図6の下側のグラフは上アームトランジスタ26のデューティ比時間変化テーブルを示し、上側のグラフは出力電圧を示す。シミュレーションでは、昇圧コンバータ回路12の出力端子に負荷を接続しない状態を想定した。また、インダクタ24のインダクタンス値を0.2mH、抵抗成分を0.2Ω、キャパシタ32の静電容量を1000μFとし、電池電圧を200Vとした。シミュレーションの結果、0.9秒でデューティ比を0から1まで直線的に増加させたところ、1400Vから電池電圧の200Vまで、0.4秒で出力電圧を低下させることができることが確かめられた。また、このとき上アームトランジスタ26およびインダクタ24に流れる電流の大きさの最大値は、20Aであることが確かめられた。
本発明の実施形態に係るモータ駆動車両の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る昇圧コンバータ回路の構成を示す図である。 出力電圧を下げる制御のフローチャートである。 デューティ比テーブルの一例を、その内容をグラフを以て示した図である。 デューティ比時間変化テーブルの例を、その内容をグラフを以て示した図である。 制御開始時からの経過時間に応じてデューティ比を決定する制御のシミュレーション結果を示す図である。
符号の説明
10 電池、12 昇圧コンバータ回路、14 インバータ回路、16 モータ、18 コントロールユニット、20 記憶部、22 操作部、24 インダクタ、26 上アームトランジスタ、28 下アームトランジスタ、30 ダイオード、32 キャパシタ、34 出力電圧計、36 電池電圧計。

Claims (3)

  1. 車両駆動用モータに電力を供給する電池と、
    一方の端子が電池の一方の端子に接続されるインダクタと、
    インダクタの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続される第1スイッチと、
    インダクタの他方の端子に一方の端子が接続される第2スイッチと、
    第2スイッチの他方の端子と電池の他方の端子との間に接続されるキャパシタと、
    第1スイッチおよび第2スイッチを制御するスイッチ制御部と、
    を備え、
    第1スイッチおよび第2スイッチの制御によって、電池の端子間電圧にインダクタの誘導起電力が加えられた電圧をキャパシタに印加し、キャパシタが保持する電圧を出力電圧として出力し、
    車両の走行制御に応じた第1スイッチおよび第2スイッチの制御によって出力電圧を調整する車両用昇圧コンバータ回路において、
    スイッチ制御部は、
    第1スイッチを所定のデューティ比でオンオフ制御することで出力電圧を調整することを特徴とする車両用昇圧コンバータ回路。
  2. 請求項1に記載の車両用昇圧コンバータ回路において、
    電池電圧と出力電圧との差異に対しデューティ比を対応付けたデューティ比テーブルを記憶するテーブル記憶部を備え、
    スイッチ制御部は、
    デューティ比テーブルに含まれる複数のデューティ比のうち一つを電池電圧と出力電圧との差異に基づいて選択し、選択したデューティ比に従って第1スイッチを制御することを特徴とする車両用昇圧コンバータ回路。
  3. 請求項1に記載の車両用昇圧コンバータ回路において、
    制御開始からの経過時間に対しデューティ比を対応付けたデューティ比時間変化テーブルを記憶するテーブル記憶部を備え、
    スイッチ制御部は、
    デューティ比時間変化テーブルに含まれる複数のデューティ比のうち一つを制御開始からの経過時間に基づいて選択し、選択したデューティ比に従って第1スイッチを制御することを特徴とする車両用昇圧コンバータ回路。
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