JP2009081959A

JP2009081959A - 昇降圧コンバータの制御装置

Info

Publication number: JP2009081959A
Application number: JP2007249965A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Hayashi; 祐一林
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP5067098B2

Abstract

【課題】電気車両用の昇降圧コンバータにおいて、降圧スイッチング素子を常時通電状態にする際の過電流を抑制する。
【解決手段】大気圧と昇降圧コンバータ２０の冷却水温とに応じて昇圧上限電圧を算出する昇圧上限電圧算出手段６１と、降圧スイッチングトランジスタ２３の通電状態を検出する通電状態検出手段６３と、昇圧電圧を検出する昇圧電圧センサ３１に異常が発生した場合に、降圧スイッチングトランジスタ２３を通電状態とする指令を出力する通電要求指令手段６２と、降圧スイッチングトランジスタ２３が遮断状態であって、通電要求指令手段６２によって降圧スイッチングトランジスタ２３を通電状態とする指令が出力された場合に、昇降圧コンバータ２０の昇圧目標電圧を昇圧上限電圧算出手段６１によって算出された昇圧上限電圧に設定する昇圧目標電圧設定手段６４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気車両用の昇降圧コンバータの制御装置の降圧制御に関する。

エンジンとモータジェネレータによって車両を駆動するハイブリッド車両や、モータジェネレータによって車両を駆動する電気車両は、車両に搭載した二次電池の電力をモータジェネレータ駆動用電力に変換すると共にモータジェネレータによって発電された電力を二次電池への充電電力に変換する電力変換器を備えている。電力変換器は、昇圧スイッチング素子のスイッチング動作によって二次電池からの電力をモータジェネレータ駆動用電圧に昇圧すると共に降圧スイッチング素子のスイッチング動作によってモータジェネレータからの発電電力を降圧する昇降圧コンバータと、昇降圧コンバータで昇圧された直流電力を複数のスイッチング素子のスイッチング動作によってモータジェネレータ駆動用の三相交流電流に変換すると共にモータジェネレータによって発電された交流電力を直流に変換するインバータとを備えている（例えば、特許文献１参照）。

インバータの各スイッチング素子はスイッチング動作において発熱するので、冷却水を循環させてインバータを所定の動作温度に保つための冷却装置が設けられている。ところが、インバータは温度が低下すると、その耐電圧が低下する特性を持っているので、低温環境化の運転では接続されているモータジェネレータからの逆起電力がインバータの耐電圧を越えてしまい、インバータの動作特性が低下するという問題があった。このため、インバータの冷却水温が基準温度よりも低い時は昇圧コンバータの昇圧比あるいは昇圧電圧を高くしてインバータの温度を上昇させ、インバータの動作特性の低下を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−３１１７７５号公報特開２００４−１６６３４１号公報

ところで、上記のインバータと同様、昇降圧コンバータも発熱するスイッチング素子を冷却するための冷却装置が設けられており、冷却水温度が低下して各素子の温度が基準温度以下となると耐電圧が低下してくる特性を持っている。また、インバータに接続され、昇圧されたシステム電圧の三相交流電力が供給されるモータジェネレータの絶縁性は気圧によって変化し、気圧が低下すると絶縁性が低下し、耐電圧が低下する。このため、特許文献２に記載された従来技術のように、冷却水温低下の際に昇圧電圧を高くすると、運転状況によってはモータジェネレータの耐電圧以上の電圧がモータジェネレータにかかり、モータジェネレータの損傷を招く場合がある。

また、特許文献２に記載されているように、昇降圧コンバータは出力電圧を昇圧電圧センサによって検出し、その電圧をフィードバックして昇圧比あるいは昇圧電圧の制御を行っているので、昇圧電圧センサに異常が発生すると昇圧制御ができなくなる。このため、昇圧電圧センサに異常が発生した場合には、昇圧電圧を二次電池とシステム電圧との中間の一定電圧に設定した後、昇降圧コンバータの降圧スイッチング素子を常時通電状態として、インバータ、モータなどの接続されているシステム電圧を二次電池の電圧まで降圧し、車両を退避走行させることが行われている。

ところが、図４に示すように、昇圧電圧をシステム電圧Ｖ₀に設定した状態で、昇降圧コンバータの降圧スイッチング素子が遮断状態にある場合には、降圧スイッチング素子で電流が遮断されているインバータ側はシステム電圧Ｖ₀に保持され、降圧スイッチング素子の昇圧コンバータ側は昇圧電圧の一定電圧Ｖ₁への設定によって一定電圧Ｖ₁となっている。この状態で、降圧スイッチング素子を常時通電状態にすると、インバータ側のシステム電圧Ｖ₀と昇圧コンバータ側の一定電圧Ｖ₁との間の電圧差によって、インバータ側から昇圧コンバータ、あるいは二次電池に瞬間的に大きな電流が流れ、降圧スイッチング素子を損傷させたり、二次電池の寿命に影響を与えてしまったりするという問題があった。

そこで、本発明は、電気車両用の昇降圧コンバータにおいて、降圧スイッチング素子を常時通電状態にする際の過電流の抑制を目的とする。

本発明の昇降圧コンバータの制御装置は、スイッチング動作によって二次電池からの電力を昇圧する昇圧スイッチング素子と、スイッチング動作によってインバータからの電力を降圧する降圧スイッチング素子とを備え、二次電池からの電力を昇圧してインバータに出力すると共にインバータからの電力を降圧して二次電池に出力する昇降圧コンバータの制御装置であって、大気圧と昇降圧コンバータの冷却水温とに応じて昇圧上限電圧を算出する昇圧上限電圧算出手段と、降圧スイッチング素子の通電状態を検出する通電状態検出手段と、昇圧電圧を検出する昇圧電圧センサに異常が発生した場合に、降圧スイッチング素子を通電状態とする指令を出力する通電要求指令手段と、通電状態検出手段によって検出される降圧スイッチング素子が遮断状態であって、通電要求指令手段によって降圧スイッチング素子を通電状態とする指令が出力された場合に、昇降圧コンバータの昇圧目標電圧を昇圧上限電圧算出手段によって算出された昇圧上限電圧に設定する昇圧目標電圧設定手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明の昇降圧コンバータの制御装置において、昇圧上限電圧算出手段は、大気圧に対する第１昇圧上限電圧と昇降圧コンバータの冷却水温に対する第２昇圧上限電圧とのいずれか小さい方の電圧を昇圧上限電圧とすること、としても好適である。

本発明は、電気車両用の昇降圧コンバータにおいて、降圧スイッチング素子を常時通電状態にする際の過電流の抑制することができるという効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、モータジェネレータ駆動装置１００は、電力供給用の二次電池１１と二次電池１１に接続された昇降圧コンバータ２０と、二次電池１１と昇降圧コンバータ２０とを接続する低圧電源ライン３６とアースライン３５との各ライン３５，３６に並列に設けられた低圧コンデンサ１５と、各ライン３５，３６にそれぞれ直列に設けられ、二次電池１１と昇降圧コンバータ２０との接続を入り切りするシステムメインリレー１３，１４と、昇降圧コンバータ２０に接続されたインバータ４０と、昇降圧コンバータ２０とインバータ４０とを接続する昇圧電源ライン３７とアースライン３５との各ライン３５，３７の間に並列に設けられた昇圧コンデンサ３２と、を備えている。

昇降圧コンバータ２０は、リアクトル１９と、降圧スイッチング素子である降圧スイッチングトランジスタ２３と、昇圧スイッチング素子である昇圧スイッチングトランジスタ２４と、ダイオード２５，２６によって構成されている。降圧スイッチングトランジスタ２３と昇圧スイッチングトランジスタ２４は昇圧電源ライン３７とアースライン３５との間に降圧スイッチングトランジスタ２３のエミッタと昇圧スイッチングトランジスタ２４のコレクタとが接続されるように直列に接続され、ダイオード２５，２６は各トランジスタ２３，２４に並列に接続されている。リアクトル１９の一端は低圧電源ライン３６に接続されており、他端は降圧スイッチングトランジスタ２３と昇圧スイッチングトランジスタ２４との間、すなわち、降圧スイッチングトランジスタ２３のエミッタと昇圧スイッチングトランジスタ２４のコレクタとの間に接続されている。

昇降圧コンバータ２０は制御装置６０に接続され、制御装置６０からの信号によって二次電池１１から供給される直流電力をリアクトル１９によって昇圧し、その昇圧した電力を昇圧電源ライン３７に供給する。具体的には、昇降圧コンバータ２０は、制御装置６０からの信号に基づいて昇圧スイッチングトランジスタ２４のスイッチング動作によって電流をリアクトル１９に磁場エネルギーとして蓄積し、二次電池１１からの直流電圧を昇圧する。そして昇圧した電力は昇圧スイッチングトランジスタ２４が遮断されたタイミングに同期してダイオート２５を介して昇圧電源ライン３７に出力される。

また、昇降圧コンバータ２０は、制御装置６０からの信号によってインバータ４０から受ける直流電力を降圧スイッチングトランジスタ２３のスイッチング動作によって降圧し、二次電池１１に出力する。

インバータ４０は三相交流のＵ，Ｖ，Ｗの各相に対応するアームを備えている。Ｕ相アームは、エミッタとコレクタとが直列に接続されたスイッチングトランジスタ４１ｕ，４２ｕによって構成され、Ｖ相アーム、Ｗ相アームはそれぞれ直列に接続されたスイッチングトランジスタ４１ｖ，４２ｖ、スイッチングトランジスタ４１ｗ，４２ｗによって構成されている。また、各相アームを構成する各トランジスタ４１ｕ，４１ｖ，４１ｗ，４２ｕ，４２ｖ，４２ｗに並列に各ダイオード４３ｕ，４３ｖ，４３ｗ，４４ｕ，４４ｖ，４４ｗが接続されている。各相アームの中間点はモータジェネレータ５０の各相のコイルに接続されている。

昇降圧コンバータ２０には図示しない冷却装置が設けられ、冷却装置に冷却水を供給する冷却水供給管２７と昇降圧コンバータの各スイッチングトランジスタ２３，２４を冷却した後、冷却水を昇降圧コンバータ２０の冷却装置から排出する冷却水排出管２８とが設けられている。冷却水供給管２７には供給される冷却水の温度を検出する温度センサ２９が取付けられている。

低圧コンデンサ１５には低圧コンデンサ１５の両端の電圧、すなわち二次電池１１の出力電圧を検出する低圧電圧センサ１７が取付けられている。また、昇圧コンデンサ３２には昇圧コンデンサ３２の両端の電圧を検出する昇圧電圧センサ３１が設けられている。昇圧電圧センサ３１は昇降圧コンバータ２０の出力電圧、すなわちインバータ４０への入力電圧を検出する。また、図示しない車両には大気圧を検出する大気圧センサ３３が取付けられている。昇降圧コンバータ２０と、低圧電圧センサ１７と、昇圧電圧センサ３１と、温度センサ２９と、大気圧センサ３３とは制御装置６０に接続されている。

制御装置６０は、内部にＣＰＵを持つコンピュータであって、昇圧上限電圧算出手段６１と、通電要求指令手段６２と、通電状態検出手段６３と、昇圧目標電圧設定手段６４とを備えている。

昇圧上限電圧算出手段６１は、温度センサ２９と、大気圧センサ３３からの入力に基づいて昇圧上限電圧を算出し、通電要求指令手段６２は昇圧電圧センサ３１に異常が発生した場合に降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートを通電状態とする指令を出力し、通電状態検出手段６３は昇降圧コンバータ２０から出力された降圧スイッチングトランジスタ２３の通電状態信号によって降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートの通電状態を検出し、昇圧目標電圧設定手段６４は昇圧目標電圧を設定する。制御装置６０は昇降圧コンバータ２０に制御信号を出力し、昇降圧コンバータ２０の各スイッチングトランジスタ２３，２４のスイッチング動作を制御する。

以上説明した本実施形態の動作について図１から図３を参照しながら説明する。図２は降圧スイッチングトランジスタの動作状態と昇圧コンデンサ３２の両端の電圧Ｖの変化を示すグラフであり、図３は昇降圧コンバータ２０の動作を示すフローチャートでる。

図２（ａ）に示すように、時間ｔがゼロの時には、昇降圧コンバータ２０は降圧スイッチングトランジスタ２３を遮断して、昇圧スイッチングトランジスタ２４のスイッチング動作によって二次電池１１の電力を昇圧してダイオード２５を通して昇圧電源ライン３７に昇圧した電力を出力している。

一方、制御装置６０の昇圧上限電圧算出手段６１は、図２に示すように、大気圧センサ３３によって取得した大気圧信号と制御装置６０内のメモリに格納された大気圧に対するモータジェネレータの耐圧電圧によって定まる昇圧上限電圧を示すマップから第１昇圧上限電圧を取得する。また、制御装置６０は図２に示すように、昇降圧コンバータ２０の冷却水の温度センサ２９によって取得した冷却水温度信号と制御装置６０内のメモリに格納された冷却水温に対する昇降圧コンバータ２０の昇圧上限電圧の関係を示すマップから第２昇圧上限電圧を取得する。そして、昇圧上限電圧算出手段６１は、この第１、第２昇圧上限電圧の内の小さい方の電圧を昇降圧コンバータ２０の昇圧上限電圧Ｖ₀’として算出する。この昇圧上限電圧Ｖ₀’の設定は所定の間隔で更新されていく。そして、制御装置６０の昇圧目標電圧設定手段６４は、昇降圧コンバータ２０の降圧スイッチングトランジスタ２３を遮断して昇圧スイッチングトランジスタ２４によって昇圧動作を行う際の電圧が上記の昇圧上限電圧Ｖ₀’となるように昇圧目標電圧を設定し、これに基づいて制御装置６０は昇圧制御を行っている。

このため、図２（ｂ）に示すように、時間ｔがゼロの時には降圧スイッチングトランジスタ２３を遮断して昇圧している状態で、昇圧電圧センサ３１によって検出される昇圧コンデンサ３２の両端の電圧Ｖは昇圧上限電圧Ｖ₀’となっている。

図２（ｂ）に示す時間ｔ₁に、昇圧電圧センサ３１において異常が発生し、昇圧電圧センサ３１によって昇圧電圧が検出できず、通電要求指令手段６２によって検出信号が入力されない状態であるかあるいは異常信号が入力されたと判断された場合、通電要求指令手段６２は昇圧電圧センサ３１に異常が発生したと判断し、図３のステップＳ１０１に示すように、降圧スイッチングトランジスタ通電指令を出力する。この指令が出力されると、制御装置６０の通電状態検出手段６３は、昇降圧コンバータ２０から降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートの通電状態の信号を取得し、降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートが通電状態となっているか、遮断状態となっているかを判断する。そして、通電状態検出手段６３によって取得した降圧スイッチングトランジスタ２３の状態が遮断状態の場合、図３のステップＳ１０３に示すように、昇降圧コンバータ２０の昇圧目標電圧を昇圧上限電圧Ｖ₀’に再度設定し、昇圧電圧センサ３１の異常発生以前と昇圧目標電圧の設定電圧に差異が生じないようにする。

上記の昇圧目標電圧の設定が終了したら、制御装置６０は通電要求指令手段６２から出力された指令に基づいて、降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートを常時通電とする指令を出力する。この指令によって昇降圧コンバータ２０の降圧スイッチングトランジスタ２３のゲートは常時通電状態となる。この際、昇圧コンデンサ３２の両端の電圧は、降圧スイッチングトランジスタ２３への常時通電移行直前の遮断状態の電圧である、昇圧上限電圧Ｖ₀’であり、昇降圧コンバータ２０の降圧スイッチングトランジスタ２３のコレクタ側の電圧は、常時通電移行の前に昇圧コンデンサ３２の両端の電圧と同一の昇圧上限電圧Ｖ₀’に設定されている。このため、降圧スイッチングトランジスタ２３を常時通電状態に移行した際に、降圧スイッチングトランジスタ２３のコレクタ側の電圧と昇圧コンデンサ３２の両端の電圧には差異が無いことから、大きな電流が昇圧コンデンサ３２から降圧スイッチングトランジスタ２３を通って流れることを抑制でき、降圧スイッチングトランジスタ２３に過電流が流れることや二次電池にダメージを与えることを抑制することができる。

そして、降圧スイッチングトランジスタ２３が常時通電状態となると、昇圧コンデンサ３２、インバータ４０は二次電池１１の電圧Ｖ_L’に向かって次第に電圧が低下していく。この場合、電圧の降下速度は比較的遅いので、急激な電流変化によって降圧スイッチングトランジスタ２３に過電流が流れることはない。

一方、図２のステップＳ１０２に示すように、通電要求指令手段６２によって降圧スイッチングトランジスタ２３の常時通電指令が出力されており、降圧スイッチングトランジスタ２３が通電状態となっている場合には、既に昇圧コンデンサ３２とインバータ４０は降圧スイッチングトランジスタ２３を介して二次電池１１に接続されていることから、その昇圧目標電圧は二次電池１１の電圧Ｖ_L’に設定される。この場合は、通電状態にある降圧スイッチングトランジスタ２３のコレクタ側と昇圧コンデンサ３２とが既に接続されていることから、双方の電圧に差異は無く、昇圧コンデンサ３２から降圧スイッチングトランジスタ２３に急激に電流が流れることは無い。

以上述べたように、本実施形態では、降圧スイッチングトランジスタ２３のコレクタ側の電圧を昇圧コンデンサ３２の電圧と等しい昇圧上限電圧Ｖ₀’とした後に昇降圧コンバータ２０の降圧スイッチングトランジスタ２３を遮断状態から常時通電状態にするため、移行の際に降圧スイッチングトランジスタ２３に過電流が流れることを抑制することができ、過電流による降圧スイッチングトランジスタ２３の損傷や二次電池１１のダメージを抑制することができるという効果を奏する。

また、本実施形態では、大気圧によって決まるモータジェネレータ５０の耐電圧に基づく第１昇圧上限電圧と、昇降圧コンバータ２０の冷却水温度によって決まってくる各スイッチングトランジスタ２３，２４の耐電圧に基づく第２昇圧上限電圧とのいずれか小さいほうの電圧を昇降圧コンバータ２０の昇圧上限電圧としていることから、昇圧の際の電圧が昇降圧コンバータ２０、モータジェネレータ５０の何れの耐電圧を超えることも無く、昇降圧コンバータ２０及びモータジェネレータ５０の双方の損傷を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における昇降圧コンバータの制御装置の構成を示す図である。本発明の実施形態における昇降圧コンバータの動作と昇圧コンデンサの電圧の変化を示す図である。本発明の実施形態における昇降圧コンバータの動作を示すフローチャートである。従来技術における昇降圧コンデンサの電圧の変化を示す図である。

符号の説明

１１二次電池、１３，１４システムメインリレー、１５低圧コンデンサ、１７低圧電圧センサ、１９リアクトル、２０昇降圧コンバータ、２３降圧スイッチングトランジスタ、２４昇圧スイッチングトランジスタ、２５，２６ダイオード、２７冷却水供給管、２８冷却水排出管、２９温度センサ、３１昇圧電圧センサ、３２昇圧コンデンサ、３３大気圧センサ、３５アースライン、３６低圧電源ライン、３７昇圧電源ライン、４０インバータ、４１ｕ，４１ｖ，４１ｗ，４２ｕ，４２ｖ，４２ｗスイッチングトランジスタ、４３ｕ，４３ｖ，４３ｗ，４４ｕ，４４ｖ，４４ｗダイオード、５０モータジェネレータ、６０制御装置、６１昇圧上限電圧算出手段、６２通電要求指令手段、６３通電状態検出手段、６４昇圧目標電圧設定手段、１００モータジェネレータ駆動装置、ｔ，ｔ₁ 時間、Ｖ電圧、Ｖ₀ システム電圧、Ｖ₀’ 昇圧上限電圧、Ｖ₁ 一定電圧、Ｖ_L’ 二次電池電圧。

Claims

スイッチング動作によって二次電池からの電力を昇圧する昇圧スイッチング素子と、スイッチング動作によってインバータからの電力を降圧する降圧スイッチング素子とを備え、二次電池からの電力を昇圧してインバータに出力すると共にインバータからの電力を降圧して二次電池に出力する昇降圧コンバータの制御装置であって、
大気圧と昇降圧コンバータの冷却水温とに応じて昇圧上限電圧を算出する昇圧上限電圧算出手段と、
降圧スイッチング素子の通電状態を検出する通電状態検出手段と、
昇圧電圧を検出する昇圧電圧センサに異常が発生した場合に、降圧スイッチング素子を通電状態とする指令を出力する通電要求指令手段と、
通電状態検出手段によって検出される降圧スイッチング素子が遮断状態であって、通電要求指令手段によって降圧スイッチング素子を通電状態とする指令が出力された場合に、昇降圧コンバータの昇圧目標電圧を昇圧上限電圧算出手段によって算出された昇圧上限電圧に設定する昇圧目標電圧設定手段と、
を有することを特徴とする昇降圧コンバータの制御装置。
請求項１に記載の昇降圧コンバータの制御装置であって、
昇圧上限電圧算出手段は、大気圧に対する第１昇圧上限電圧と昇降圧コンバータの冷却水温に対する第２昇圧上限電圧とのいずれか小さい方の電圧を昇圧上限電圧とすること、
を特徴とする昇降圧コンバータの制御装置。