JP2010004607A - Dc/dcコンバータ装置、電気車両及びdc/dcコンバータの制御方法 - Google Patents

Dc/dcコンバータ装置、電気車両及びdc/dcコンバータの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リップルを低減する。
【解決手段】DC/DCコンバータ装置23では、コンバータ制御部54の制御目標値算出部92が、統括制御部56から受信した2次電圧指令値V2comに対して、一次遅れ処理を施し、あるいは、レートリミット処理及び一次遅れ処理を施すことにより、2次電圧目標値V2tarを算出する。これにより、2次電圧目標値V2tarの変化率が不連続になる(変化率が急変する)部分の発生を抑制することができる。この結果、2次電流I2のリップルが低減することが可能となる。
【選択図】図3

Description

この発明は、第1電力装置と第2電力装置との間に配置されたDC/DCコンバータを制御するDC/DCコンバータ装置及び該DC/DCコンバータ装置を備える電気車両、並びに、前記DC/DCコンバータの制御方法に関する。
従来から、直流電源(第1電力装置)をDC/DCコンバータ及びインバータを介して車両走行用の電動機(第2電力装置)に接続し、該電動機の回転により車輪を回転させることで電気車両を駆動させることが提案されている(特許文献1参照)。
この場合、前記電気車両に搭載されたDC/DCコンバータ装置の制御部は、前記DC/DCコンバータにおけるインバータ側の出力電圧(2次電圧)のオーバーシュートを抑制するために、(1)前記2次電圧の指令値の大きさに応じて、制御タイミング間における該指令値の変化率を変化させるか、あるいは、(2)前記指令値が閾値に到達するまでは、前記変化率を第1の値に設定し、前記指令値が前記閾値以上になったときには、前記変化率を前記第1の値よりも小さい第2の値に設定し、上記(1)又は(2)の変化量制限処理(レートリミット処理)後の指令値を前記2次電圧の目標値に用いて前記DC/DCコンバータのスイッチング素子を駆動する。
特開2006−353032号公報
しかしながら、指令値の変化率を設定(変化)しても、前記変化率の変化点(前記指令値の傾きの変化点)における前記変化率(前記傾き)の急変に起因して、直流電源からDC/DCコンバータを介してインバータの間に流れる電流にリップルが発生する。
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、リップルを低減することが可能となるDC/DCコンバータ装置及び該DC/DCコンバータ装置を備える電気車両、並びに、DC/DCコンバータの制御方法を提供することを目的とする。
第1の発明に係るDC/DCコンバータ装置は、
第1電力装置と第2電力装置との間に配置され、スイッチング素子を有するDC/DCコンバータと、
該DC/DCコンバータの前記第1電力装置側の電圧(以下、1次電圧という。)又は前記第2電力装置側の電圧(以下、2次電圧という。)の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記1次電圧又は前記2次電圧の目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動する制御部とを備えることを特徴としている。
また、第2の発明に係るDC/DCコンバータの制御方法は、
第1電力装置と第2電力装置との間に配置されたDC/DCコンバータの前記第1電力装置側の電圧(1次電圧)又は前記第2電力装置側の電圧(2次電圧)の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記1次電圧又は前記2次電圧の目標値を算出し、
算出した前記目標値に基づいて前記DC/DCコンバータのスイッチング素子を駆動することを特徴としている。
これらの第1及び第2の発明によれば、前記指令値に前記一次遅れ処理を施して前記目標値を算出することにより、前記目標値の変化率が不連続になる(変化率が急変する)部分の発生を抑制することができるので、該目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動すれば、前記第1電力装置から前記DC/DCコンバータを介して前記第2電力装置の間に流れる電流のリップルを低減することが可能となる。
第3の発明に係るDC/DCコンバータ装置は、前記制御部が、前記第1電力装置及び前記第2電力装置の電力配分に基づいて前記指令値を決定する上位制御部と、前記指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことにより前記目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動するコンバータ制御部とに分けられ、前記コンバータ制御部の処理周期は、前記上位制御部の処理周期よりも短い周期に設定されている。
この場合、前記コンバータ制御部で受信される前記指令値は、時間経過に伴ってステップ状に変化する特性となる。そこで、第3の発明では、前記ステップ状に変化する前記指令値に対して前記一次遅れ処理を施している。これにより、第3の発明によれば、時間経過に対して滑らかな前記目標値の特性が容易に得られるので、前記リップルを低減することができる。
この場合、前記コンバータ制御部は、前記指令値に対して変化率が固定とされた変化量制限処理を行った後に、該変化量制限処理後の指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことが好ましい(第4の発明)。
第4の発明によれば、前記一次遅れ処理を行う前に、前記指令値に対して前記変化率が固定とされた前記変化量制限処理を施すので、シンプルな制御で前記指令値に関わる前記1次電圧又は前記2次電圧でのオーバーシュートの抑制と、前記リップルの低減とを両立することが可能となる。
第5の発明に係る電気車両は、上述したDC/DCコンバータ装置を備え、前記第1電力装置は、前記1次電圧を発生する蓄電装置であり、前記第2電力装置は、車輪を回転させる電動機と、該電動機を駆動するインバータに接続され且つ発電電圧を発生する発電装置とを有し、前記発電電圧又は前記電動機が発電機として動作したときに前記インバータに発生する回生電圧を前記2次電圧とすることを特徴としている。
第5の発明によれば、前記リップルの低減することができるので、前記電気車両に前記DC/DCコンバータ装置を搭載することにより、前記電動機、前記発電装置及び前記インバータや、これらの装置に接続される部品の耐電圧性及び耐久性を向上することが可能となる。また、耐電圧性及び耐久性が向上することにより、コストの低減、軽量化及び小型化を実現することもできる。
また、前記発電装置が燃料電池である場合(第6の発明)には、前記オーバーシュート及び前記リップルの低減によって、前記燃料電池を構成するセルの劣化を確実に防止することが可能となる。
この発明によれば、指令値に一次遅れ処理を施して目標値を算出することにより、前記目標値の変化率が不連続になる(変化率が急変する)部分の発生を抑制することができるので、該目標値に基づいてスイッチング素子を駆動すれば、電流のリップルを低減することが可能となる。
以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態に係るハイブリッド直流電源システム10が適用された一実施形態に係る燃料電池車両(電気車両)20の回路図である。
ハイブリッド直流電源システム10は、基本的には、エネルギストレージでありバッテリ電圧Vbatを発生する蓄電装置(以下、バッテリともいう。)24(第1電力装置)と、このバッテリ電圧Vbatより高い電圧である発電電圧Vfを発生する発電装置としての燃料電池22(第2電力装置)と、バッテリ24と燃料電池22との間に配置され電圧変換するDC/DCコンバータ36と、統括制御部56(上位制御部)から供給される電圧指令値に応じてDC/DCコンバータ36の電圧制御目標値を設定し、バッテリ24と燃料電池22との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部54とから構成される。
ここで、コンバータ制御部54とDC/DCコンバータ36とは、バッテリ24が接続される1次側1Sと、燃料電池22及びモータ26(インバータ34)が接続される2次側2Sとの間で、昇降圧の電圧変換を行うDC/DCコンバータ装置{VCU(Voltage Control Unit)という。}23を構成する。
燃料電池車両20は、前記のハイブリッド直流電源システム10と、このハイブリッド直流電源システム10からモータ電流Im(電力)がインバータ(駆動回路)34を通じて供給される負荷としての走行用のモータ26(電動機)と、から構成される。
モータ26の回転は、減速機12、シャフト14を通じて車輪16に伝達され、車輪16を回転させる。
燃料電池22は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造である。燃料電池22には、水素タンク28とエアコンプレッサ30とが配管により接続されている。燃料電池22内で反応ガスである水素(燃料ガス)と空気(酸化剤ガス)との電気化学反応により生成された発電電流Ifは、電流センサ32及びダイオード(ディスコネクトダイオードともいう。)33を介して、インバータ34及び(又は)DC/DCコンバータ36側に供給される。
インバータ34は、直流/交流変換を行い、モータ電流Imをモータ26に供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後のモータ電流Imを2次側2SからDC/DCコンバータ36を通じて1次側1Sに供給する。
この場合、回生電圧又は発電電圧Vfである2次電圧V2がDC/DCコンバータ36により低電圧に変換された1次電圧V1は、ダウンバータ42により降圧されてさらに低電圧とされ、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機44に補機電流Iauとして供給されると共に、余剰電力があればバッテリ電流Ibat(充電電流Ibc)としてバッテリ24に流し込まれバッテリ24を充電する。
1次側1Sに電力ケーブル18を通じて接続されるバッテリ24は、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池又はキャパシタを利用することができる。
バッテリ24は、ダウンバータ42を通じて補機44に補機電流Iauを供給すると共に、DC/DCコンバータ36を通じてインバータ34にモータ電流Imを供給するためのバッテリ電流Ibat(放電電流Ibd)を流し出す。
なお、インバータ34に供給されるモータ電流Imは、バッテリ電流IbatがVCU23により変換された2次電流I2と発電電流Ifとの合成電流である。
1次側1S及び2次側2Sには、それぞれ平滑用のコンデンサ38、39が設けられている。
燃料電池22を含むシステムはFC制御部50により制御され、インバータ34とモータ26とを含むシステムはインバータ駆動部を含むモータ制御部52により制御され、DC/DCコンバータ36を含むシステムはコンバータ駆動部を含むコンバータ制御部54により、それぞれ基本的に制御される。
そして、これらFC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54は、燃料電池22の総負荷量Lt等を決定する上位制御部としての統括制御部56により制御される。
統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54は、それぞれCPU、ROM、RAM、タイマの他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてDSP(Digital Signal Processor)等を有している。
統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54は、車内LANであるCAN(Controller Area Network)等の通信線70を通じて相互に接続され、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各CPUが各ROMに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。
ここで、車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ifを検出する電流センサ32の他、1次電圧V1(バッテリ電圧Vbatに等しい。)を検出する電圧センサ61、1次電流I1{バッテリ電流Ibat(放電電流Ibd又は充電電流Ibc)}を検出する電流センサ62、2次電圧V2(ディスコネクトダイオード33が導通しているとき、略燃料電池22の発電電圧Vfに等しい。)を検出する電圧センサ63、2次電流I2を検出する電流センサ64、通信線70に接続されるイグニッションスイッチ(IGSW)65、アクセルセンサ66、ブレーキセンサ67、車速センサ68、及び上記したライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機44の操作部55等がある。
統括制御部56は、燃料電池22の状態、バッテリ24の状態、モータ26の状態、及び補機44の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定した燃料電池車両20の総負荷要求量Ltから、燃料電池22が負担すべき燃料電池分担負荷量(要求出力)Lfと、バッテリ24が負担すべきバッテリ分担負荷量(要求出力)Lbと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Lrとの配分(分担)を調停しながら決定し、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54に指令を送出する。
統括制御部56による処理周期は、例えば、燃料電池車両20が、ユーザのアクセル操作等に対して違和感のない程度に円滑に応答すればよいことを考慮し、コンバータ制御部54の処理周期(この実施形態ではスイッチング周期≒50[μS])より遅い周期でよく、例えば、スイッチング周期の200倍の約10[ms]に設定される。また、通信線70の通信周期は、統括制御部56の処理周期と概ね同じ周期に設定される(通信周期≒10[ms])。
DC/DCコンバータ36は、バッテリ24と、燃料電池22又は回生電源(インバータ34とモータ26)との間に接続される、上アーム素子(上アームスイッチング素子81と並列ダイオード83)と下アーム素子(下アームスイッチング素子82と並列ダイオード84)とからなる相アーム(単相アーム)UAと、リアクトル90とから構成される。
上アームスイッチング素子81と下アームスイッチング素子82とは、それぞれ例えば、MOSFET又はIGBT等で構成される。
リアクトル90は、DC/DCコンバータ36により1次電圧V1と2次電圧V2との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積するために、前記上アーム素子及び前記下アーム素子の接続点とバッテリ24との間に挿入されている。
上アームスイッチング素子81は、コンバータ制御部54から出力される駆動信号(駆動電圧)UHによりオン又はオフされ、下アームスイッチング素子82は、駆動信号(駆動電圧)ULによりオン又はオフされる。
1次電圧V1、代表的には、負荷が接続されていないときのバッテリ24の開放電圧OCV(Open Circuit Voltage)は、図2の燃料電池出力特性(電流電圧特性)91上に示すように、この燃料電池22の発電電圧Vfの最低電圧Vfminより高い電圧に設定されている。なお、図2において、バッテリ24の開放電圧OCVをOCV≒V1と描いている。
2次電圧V2は、燃料電池22が発電動作しているときには燃料電池22の発電電圧Vfに等しい電圧にされる。
ここで、VCU23による燃料電池22の出力制御について説明する。
水素タンク28からの燃料ガス及びエアコンプレッサ30からの圧縮空気が供給されている発電時に、燃料電池22の発電電流Ifは、図2に示した特性91{関数F(Vf)という。}上で2次電圧V2、すなわち、発電電圧Vfをコンバータ制御部54によりDC/DCコンバータ36を通じて設定することにより決定される。つまり、発電電流Ifは、発電電圧Vfの関数F(Vf)値として決定される。If=F(Vf)であり、例えば発電電圧VfをVf=Vfa=V2と設定すれば、その発電電圧Vfa(V2)の関数値としての発電電流Ifaが決定される。{Ifa=F(Vfa)=F(V2)}。
具体的に、燃料電池22においては、発電電圧Vfの減少に応じて流し出される電流である発電電流Ifが増加し、発電電圧Vfの増加に応じて流し出される発電電流Ifが減少する。
このように、燃料電池22は、2次電圧V2(発電電圧Vf)を決定することにより発電電流Ifが決定されるので、燃料電池車両20等、燃料電池22を含むシステムでは、通常時には、DC/DCコンバータ36の2次側2Sの2次電圧V2(発電電圧Vf)が、コンバータ制御部54を含むVCU23のフィードバック制御の電圧制御目標値V2tar(図3参照)に設定される。すなわち、VCU23により燃料電池22の出力(発電電流If)が制御される。以上が、VCU23による燃料電池22の出力制御の説明である。
図3〜図5は、2次電圧制御モード時(電圧制御目標値V2tar)におけるコンバータ制御部54の機能ブロック図である。
この2次電圧制御モードでは、統括制御部56で演算された2次電圧指令値V2comが制御目標値算出部92に供給される。制御目標値算出部92は、統括制御部56の処理周期及び通信線70の通信周期(例えば、10[ms])が、コンバータ制御部54の処理周期(例えば、50[μs])よりも長いため、受信される2次電圧指令値V2comが時間的にステップ状に変化する場合(図8Aの特性106、図9Cの特性134、図11Aの特性140、及び、図13Aの特性160参照)に、この2次電圧指令値V2comに対して、一次遅れ処理のみ(図4参照)、あるいは、レートリミット処理(変化量制限処理)及び一次遅れ処理(図5参照)を施すことにより、電圧制御目標値V2tarに変換し(図8Aの特性120、図9Dの特性136、図11Aの特性152、及び、図13Aの特性172参照)、変換した電圧制御目標値V2tarをフィードバック項演算部94及びフィードフォワード項演算部96に供給する。
具体的に、図4では、制御目標値算出部92としての一次遅れフィルタ102に2次電圧指令値V2comを通過させることにより、該2次電圧指令値V2comを電圧制御目標値V2tarに変換する。
また、図5では、変化量制限部104が2次電圧指令値V2comに対して変化率が固定値とされたレートリミット処理を施し、次に、一次遅れフィルタ102に前記レートリミット処理後の2次電圧指令値V2comを通過させることにより、該2次電圧指令値V2comを電圧制御目標値V2tarに変換する。
なお、変化量制限部104での2次電圧指令値V2comに対するレートリミット処理とは、例えば、下記のような処理をいう。
先ず、今回供給された2次電圧指令値V2comと、前回(の処理時)の2次電圧目標値V2tarとの差(今回のV2com−前回のV2tar)を算出する。
この場合、この差が、(1)2次電圧目標値V2tarの許容変化量の下限値以上で且つ上限値以下であれば{下限値≦(今回のV2com−前回のV2tar)≦上限値}、該2次電圧指令値V2comを今回の2次電圧目標値V2tarを示す電圧値として一次遅れフィルタ102に出力する。
また、前記差が、(2)2次電圧目標値V2tarの許容変化量の下限値未満であれば{下限値>(今回のV2com−前回のV2tar)}、(前回のV2tar+下限値)を今回の2次電圧目標値V2tarを示す電圧値として一次遅れフィルタ102に出力する。
さらに、前記差が、(3)2次電圧目標値V2tarの許容変化量の上限値を越えていれば{上限値<(今回のV2com−前回のV2tar)}、(前回のV2tar+上限値)を今回の2次電圧目標値V2tarを示す電圧値として一次遅れフィルタ102に出力する。
図3〜図5において、フィードバック項演算部94は、制御目標値算出部92にて算出された2次電圧目標値V2tarと、電圧センサ63(図1参照)で検出された2次電圧V2との偏差e(e=V2−V2tar)を求め、求めた偏差eを用いてPID処理部{比例(P)、積分(I)、微分(D)動作}を行って、該偏差eをデューティの補正値である補正デューティΔD(ΔD=ΔDp+ΔDi+ΔDd、ΔDp:P項成分による補正デューティ、ΔDi:I項成分による補正デューティΔDi、ΔDd:D項成分による補正デューティ)を算出し、算出した補正デューティΔD(フィードバック項)を加算信号として演算点98に算出する。
一方、フィードフォワード項演算部96は、電圧センサ61で検出された1次電圧V1から電圧制御目標値V2tarを除して得られる基準デューティDs(Ds=V1/V2tar)(フィードフォワード項)を加算信号として演算点98に供給する。
演算点98は、一方の入力である補正デューティΔDと、他方の入力である基準デューティDsとを加算して、加算結果としての駆動デューティD(D=Ds+ΔD=V1/V2tar+ΔD)を駆動信号生成部100に出力し、駆動信号生成部100は、駆動デューティDに基づき、上アームスイッチング素子81に駆動デューティDH(DH=V1/V2tar+ΔD)の駆動信号UHを供給すると共に、下アームスイッチング素子82に駆動デューティDL{DL=1−(V1/V2tar+ΔD)}の駆動信号ULを供給する。
この実施形態に係る燃料電池車両20は、基本的には以上のように構成され且つ動作するものであり、次に、コンバータ制御部54によるDC/DCコンバータ36の制御に関して、上述の2次電圧制御モードで制御する場合について、図6〜図13Cを参照しながら説明する。
図6のステップS11において、統括制御部56により、それぞれが負荷要求であるモータ26の電力要求と補機44の電力要求とエアコンプレッサ30の電力要求とから総負荷要求量Ltが決定(算出)されると、ステップS12において、統括制御部56は、決定した総負荷要求量Ltを出力するための燃料電池分担負荷量Lfと、バッテリ分担負荷量Lbと、回生電源分担負荷量Lrとの配分を決定し、FC制御部50、コンバータ制御部54及びモータ制御部52に指令を与える。この場合、コンバータ制御部54には、2次電圧指令値V2comが送出される。
次いで、ステップS13において、統括制御部56により決定された燃料電池分担負荷量(実質的に、コンバータ制御部54に対する発電電圧Vfの2次電圧指令値V2comが含まれる。)Lfが通信線70を通じてコンバータ制御部54に指令として送信される。
この場合、燃料電池分担負荷量Lfの指令(2次電圧指令値V2com)を受信したコンバータ制御部54は、ステップS14において、基本的に、2次電圧V2、換言すれば、燃料電池22の発電電圧Vfが、統括制御部56から指令された2次電圧指令値V2comとなるように、DC/DCコンバータ36の各アームスイッチング素子81、82の駆動デューティを制御する(2次電圧制御モード)。
次に、コンバータ制御部54における2次電圧指令値V2comから2次電圧目標値V2tarへの変換処理動作(第1〜第3実施例)と、それらの変換処理動作による効果とについて、図7A〜図13Cを参照しながら説明する。
先ず、第1実施例について、図7A〜図8Bを参照しながら説明する。
第1実施例は、制御目標値算出部92を一次遅れフィルタ102のみから構成する場合(図4参照)における、2次電圧指令値V2comから2次電圧目標値V2tarへの変換処理動作に関わる実施例である。
ここで、図7A及び図7Bは、コンバータ制御部54が一次遅れフィルタ102を備えておらず、2次電圧指令値V2comに対してレートリミット処理のみを行うことにより2次電圧目標値V2tarを算出した場合(第1比較例)を示すグラフである。なお、図7A及び図7Bには、2次電圧指令値V2comの特性106、2次電圧目標値V2tarの特性108、2次電圧V2の特性110、及び、2次電流I2の特性112のグラフが図示されている。
一方、図8A及び図8Bは、第1実施例のグラフであり、特性106、2次電圧目標値V2tarの特性120、2次電圧V2の特性122、及び、2次電流I2の特性124のグラフが図示されている。
ここで、図7Aに示すように、第1比較例においては、特性106に対してレートリミット処理のみを施すことにより特性108が得られ、この特性108に基づいてDC/DCコンバータ36が制御される。この場合、2次電圧V2の特性110には、特性108の変化率の変化点109(特性108において傾きが急変する角の部分)に同期(対応)して、オーバーシュート114が発生している。また、2次電流I2の特性112には、変化点109に同期(対応)して、立ち上がり部分及び立ち下り部分にリップル116、118がそれぞれ発生している(図7B参照)。
すなわち、第1比較例では、2次電圧指令値V2comの特性106に対してレートリミット処理のみ施して2次電圧目標値V2tarの特性108を得るようにしているので、該特性108の変化点109に同期して、2次電圧V2の特性110にオーバーシュート114が発生すると共に、2次電流I2の特性112にリップル116、118が発生する。
これに対して、第1実施例では、図4の一次遅れフィルタ102に2次電圧指令値V2comを通過させることにより、図8Aに示すように、2次電圧目標値V2tarの特性120は、変化点109に対応する部分121において、角のない、すなわち、特性108の傾きの急変が緩和された滑らかな波形となるので、リップルの発生が抑制されている。
このように、第1実施例では、2次電流I2の特性124におけるリップルの発生を抑制(低減)することが可能となる。
なお、一次遅れフィルタ102の時定数は、変化点109に示す角部分(図7A参照)を滑らかな部分121(図8A参照)に変化させる程度の比較的小さな時定数に設定されることが好ましい。
次に、第2実施例について、図9A〜図11Cを参照しながら説明する。
第2実施例は、DC/DCコンバータ36の制御部を、上位制御部としての統括制御部56と、コンバータ制御部54とに分け、コンバータ制御部54の処理周期T2を統括制御部56の処理周期T1よりも短く設定し(T1>T2)、さらに、制御目標値算出部92を一次遅れフィルタ102のみから構成する場合(図4参照)における、2次電圧指令値V2comから2次電圧目標値V2tarへの変換処理動作に関わる実施例である。
ここで、図9A〜図9Dは、第2実施例での統括制御部56及びコンバータ制御部54における、2次電圧指令値V2com及び2次電圧目標値V2tarの模式的なグラフを図示している。
第2実施例において、統括制御部56は、前述した電力配分により決定された2次電圧指令値V2comの特性132(図9A参照)を、処理周期T1(10[ms])に基づく送信タイミングで通信線70を介してコンバータ制御部54に送信する。前述したように、コンバータ制御部54の処理周期T2は、統括制御部56の処理周期T1よりも短いので、コンバータ制御部54は、特性132をステップ状の特性134として受信する(図9B参照)。
この場合、ステップ状の特性134を一次遅れフィルタ102(図4参照)に通過させることにより、該特性134は、時間的に滑らかに変化する、2次電圧目標値V2tarの特性136に変換される(図9C参照)。すなわち、一次遅れフィルタ102は、特性134のように、時間経過に対して振幅が急変するようなステップ状の波形を平滑化することにより、2次電圧目標値V2tarの特性136を出力する。
なお、コンバータ制御部54の処理周期T2(50[μs])は、統括制御部56の処理周期T1(10[ms])よりも短いので、フィードバック項演算部94及びフィードフォワード項演算部96は、処理周期T2に基づくタイミングで、2次電圧目標値V2tarの特性136をサンプル値138(図9D参照)として用い、前述したPID処理によるフィードバック項(補正デューティΔD)の算出や、フィードフォワード項(基準デューティDs)の算出をそれぞれ行う。
図10A〜図10Cは、コンバータ制御部54が一次遅れフィルタ102を備えておらず、2次電圧指令値V2comをそのまま2次電圧目標値V2tarとした場合(第2比較例)を示すグラフである。なお、図10A〜図10Cには、2次電圧指令値V2comの特性140、2次電圧目標値V2tarの特性142、2次電圧V2の特性144、及び、2次電流I2の特性146のグラフが図示されている。
一方、図11A〜図11Cは、第2実施例のグラフであり、特性140、2次電圧目標値V2tarの特性152、2次電圧V2の特性154、及び、2次電流I2の特性156のグラフが図示されている。
ここで、図10A及び図10Bに示すように、第2比較例においては、ステップ状の特性140をそのまま2次電圧目標値V2tarの特性142とし、この特性142に基づいてDC/DCコンバータ36が制御される。これにより、2次電圧V2の特性144は、特性142に対応して、ステップ状の特性となり、2次電流I2の特性146には、特性142における時間経過に伴った振幅の急変(ステップ状の上昇又は下降)に同期して、リップル147が発生している(図10C参照)。
すなわち、第2比較例では、2次電圧指令値V2comのステップ状の特性150をそのまま2次電圧目標値V2tarの特性152とすることにより、2次電圧V2の特性144がステップ状になると共に、2次電流I2の特性146にリップル147が発生する。
また、燃料電池22の発電電流Ifと、DC/DCコンバータ36の2次電流I2と、インバータ34に供給されるモータ電流Imとの間には、If=Im−I2の関係があるので、2次電流I2にリップルが発生すると、発電電流Ifにもリップルが発生する。発電電流Ifのリップルによって、燃料電池22に対するガス供給の過不足が発生し、この結果、燃料電池22が劣化するおそれがある。
これに対して、第2実施例では、コンバータ制御部54の処理周期T2を統括制御部56の処理周期T1及び通信線70の通信周期よりも短く設定し、且つ、図4の一次遅れフィルタ102に2次電圧指令値V2comを通過させることにより、図11A及び図11Bに示すように、2次電圧目標値V2tarの特性152は、2次電圧指令値V2comの特性140と比較して、ステップ状ではない、滑らかな波形となるので、2次電圧V2の特性154がステップ状になることを防止することができる。従って、2次電流I2の特性156では、図11Cに示すように、リップル157が低減されている。
このように、第2実施例では、2次電圧V2の特性154がステップ状に変化することを確実に防止すると共に、2次電流I2の特性156におけるリップル157を低減することが可能となる。
次に、第3実施例について、図12A〜図13Cを参照しながら説明する。
第3実施例は、DC/DCコンバータ36の制御部を、上位制御部としての統括制御部56と、コンバータ制御部54とに分け、コンバータ制御部54の処理周期を統括制御部56の処理周期よりも短く設定し、さらに、制御目標値算出部92を、変化率が固定値とされた変化量制限部104及び一次遅れフィルタ102から構成する場合(図5参照)における、2次電圧指令値V2comから2次電圧目標値V2tarへの変換処理動作に関わる実施例である。
ここで、図12A〜図12Cは、コンバータ制御部54が一次遅れフィルタ102を備えておらず、2次電圧指令値V2comに対してレートリミット処理のみを行うことにより2次電圧目標値V2tarを算出した場合(第3比較例)を示すグラフである。なお、図12A〜図12Cには、2次電圧指令値V2comの特性160、2次電圧目標値V2tarの特性162、2次電圧V2の特性164、及び、2次電流I2の特性166のグラフが図示されている。
一方、図13A〜図13Cは、第3実施例のグラフであり、特性160、2次電圧目標値V2tarの特性172、2次電圧V2の特性174、及び、2次電流I2の特性176のグラフが図示されている。
ここで、図12A及び図12Bに示すように、第3比較例においては、2次電圧目標値V2tarの特性162は、2次電圧指令値V2comの特性160と比較して、変化率が制限されているが、その制限が十分ではないので、2次電圧V2の特性164には、オーバーシュート168が発生している。また、電圧制御目標値V2tarの特性162には、その変化率が不連続となる変化点163が存在するので、2次電流I2の特性166には、この変化点163に同期して、リップル170が発生している(図12C参照)。
すなわち、第3比較例では、2次電圧指令値V2comの特性160に対してレートリミット処理のみ施して2次電圧目標値V2tarの特性162を得るようにしているので、オーバーシュート168の低減と、リップル170の低減とを両立できるように前記変化率を設定する必要がある。しかしながら、実際上、両立できるように前記変化率を設定することは難しいので、上述したオーバーシュート168及びリップル170が発生してしまう。また、レートリミット処理のみでは、前記変化率が不連続となる変化点163が発生するので、リップル170を除去することは難しい。そこで、レートリミット処理の変化率を可変できるようにすることも考えられるが、この場合には、変化率の設定が複雑になる。
従って、第3比較例では、上述したように、オーバーシュート168及びリップル170が発生しやすい。
これに対して、第3実施例では、図5の変化量制限部104において2次電圧指令値V2comに対して変化率が固定とされたレートリミット処理を行い、さらに、一次遅れフィルタ102に前記レートリミット処理後の2次電圧指令値V2comを通過させることにより、図13A及び図13Bに示すように、2次電圧目標値V2tarの特性172は、上記の変化点163の存在しない(角のない)、すなわち、傾きの急変が緩和された滑らかな波形となるので、2次電圧V2の特性174でのオーバーシュートの抑制と、2次電流I2の特性176上のリップル178の低減とを両立することができる。また、変化率として固定値を用いるので、変化率を可変にする場合と比較して、制御がシンプルになる。
このように、第3実施例では、2次電圧V2の特性174におけるオーバーシュートの発生を抑制すると共に、2次電流I2の特性176におけるリップル178を低減することが可能となる。
以上説明したように、上述した実施形態によれば、2次電圧指令値V2comに一次遅れ処理を施して2次電圧目標値V2tarを算出することにより、2次電圧目標値V2tarの変化率が不連続になる(変化率が急変する)部分の発生を抑制することができるので、該2次電圧目標値V2tarに基づいて各アームスイッチング素子81、82を駆動すれば、2次電流I2のリップルを低減することが可能となる。
また、DC/DCコンバータ36の制御部を、処理周期T1が長く(処理速度が遅く)且つ2次電圧指令値V2comを決定する統括制御部56と、処理周期T2が短く(処理速度が速く)且つ2次電圧指令値V2comを用いて2次電圧目標値V1tarを算出するコンバータ制御部54とに分けた場合には、2次電圧V2の電圧制御目標値V2tarの変化率が不連続になる部分を効率よく抑制することができるので、前記リップルを効果的に低減することが可能となる。
また、統括制御部56から通信線70を介してコンバータ制御部54に2次電圧指令値V2comを送信する場合には、通信線70の通信周期が長い(通信速度が遅い)と、コンバータ制御部54で受信される2次電圧指令値V2comが、時間経過に伴ってステップ状に変化する特性となる。これに対して、この実施形態では、コンバータ制御部54の処理周期T2を短く(処理速度を速く)設定し、且つ、ステップ状に変化する2次電圧指令値V2comに対して一次遅れ処理を施すことにより、時間経過に対して滑らかな2次電圧目標値V2tarの特性が容易に得られるので、前記リップルを低減することができる。
さらに、コンバータ制御部54は、2次電圧指令値V2comに対して変化率が固定されたレートリミット処理を行った後に、該レートリミット処理後の2次電圧指令値V2comに対して一次遅れ処理を行うことにより、2次電圧V2での抑制と、前記リップルの低減とを両立することが可能となる。
さらにまた、2次電流I2のリップルを低減することで、1次電流のリップルや、2次電流I2と発電電流Ifとの合成電流であるモータ電流Imのリップルや、該発電電流Ifのリップルを低減することも可能となる。従って、この実施形態では、前記オーバーシュートを低減し、且つ、各電流I1、I2、Im、Ifのリップルを低減することができるので、VCU23を有するハイブリッド直流電源システム10を燃料電池車両20に適用した場合には、モータ26、燃料電池22及びインバータ34や、これらの装置に接続される部品の耐電圧性及び耐久性を向上することが可能となると共に、燃料電池22を構成するセル(のスタック構造)の劣化を抑制することが可能となる。また、耐電圧性及び耐久性が向上することにより、コストの低減、軽量化及び小型化を実現することもできる。
この実施形態は、上記の説明に限定されるものではなく、この明細書及び図面の記載内容に基づき、1次電圧制御モードに適用する等、種々の構成に変更することが可能である。
1次電圧制御モードに適用する場合には、図3〜図5中の括弧内の記載内容に示すように、統括制御部56からコンバータ制御部54に1次電圧指令値V1comを送信し、制御目標値算出部92は、受信した1次電圧指令値V1comに対して一次遅れ処理、あるいは、レートリミット処理及び一次遅れ処理を施して1次電圧目標値V1tarを算出し、フィードバック項演算部94は、電圧センサ61が検出した1次電圧V1と、1次電圧目標値V1tarとに基づいて、補正デューティΔDを算出し、フィードフォワード項演算部96は、電圧センサ63が検出した2次電圧V2と、1次電圧目標値V1tarとに基づいて、基準デューティDsを算出する。
この1次電圧制御モードにおいても、制御目標値算出部92は、1次電圧指令値V1comに対して一次遅れ処理、あるいは、レートリミット処理及び一次遅れ処理を施して1次電圧目標値V1tarを算出することにより、前述した2次電圧制御モードと同様に、1次電圧V1のオーバーシュート、並びに、1次電流I1及び2次電流I2のリップルを確実に低減することができる。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書及び図面の記載内容に基づき、単相アームUAのDC/DCコンバータ36に限らず、U相、V相及びW相の3相アームのDC/DCコンバータを有するハイブリッド直流電源を備える燃料電池車両に適用する等、種々の構成を採り得ることは勿論である。
この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 燃料電池の電流電圧特性の説明図である。 2次電圧制御モード時におけるコンバータ制御部の機能ブロック図である。 図3のコンバータ制御部のより詳しい構成を示す機能ブロック図である。 図3のコンバータ制御部のより詳しい構成を示す機能ブロック図である。 コンバータ制御部により駆動制御されるDC/DCコンバータの基本動作についての説明に供されるフローチャートである。 図7A及び図7Bは、第1比較例における電圧及び電流のグラフである。 図8A及び図8Bは、第1実施例における電圧及び電流のグラフである。 図9A〜図9Dは、統括制御部及びコンバータ制御部における2次電圧指令値及び2次電圧目標値のグラフである。 図10A〜図10Cは、第2比較例における電圧及び電流のグラフである。 図11A〜図11Cは、第2実施例における電圧及び電流のグラフである。 図12A〜図12Cは、第3比較例における電圧及び電流のグラフである。 図13A〜図13Cは、第3実施例における電圧及び電流のグラフである。
符号の説明
10…ハイブリッド直流電源システム 20…燃料電池車両
22…燃料電池 23…VCU
24…バッテリ 26…モータ
34…インバータ 36…DC/DCコンバータ
54…コンバータ制御部 56…統括制御部
70…通信線 81…上アームスイッチング素子
82…下アームスイッチング素子 92…制御目標値算出部
102…一次遅れフィルタ 104…変化量制限部

Claims (6)

  1. 第1電力装置と第2電力装置との間に配置され、スイッチング素子を有するDC/DCコンバータと、
    該DC/DCコンバータの前記第1電力装置側の電圧(以下、1次電圧という。)又は前記第2電力装置側の電圧(以下、2次電圧という。)の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記1次電圧又は前記2次電圧の目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動する制御部と、
    を備える
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
  2. 請求項1記載のDC/DCコンバータ装置において、
    前記制御部は、
    前記第1電力装置及び前記第2電力装置の電力配分に基づいて前記指令値を決定する上位制御部と、
    前記指令値に対して前記一次遅れ処理を行うことにより前記目標値を算出し、算出した前記目標値に基づいて前記スイッチング素子を駆動するコンバータ制御部と、
    に分けられ、
    前記コンバータ制御部の処理周期は、前記上位制御部の処理周期よりも短い周期に設定されている
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
  3. 請求項2記載のDC/DCコンバータ装置において、
    前記コンバータ制御部は、前記指令値に対して変化率が固定値とされた変化量制限処理を行った後に、該変化量制限処理後の指令値に対して前記一次遅れ処理を行う
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置を備え、
    前記第1電力装置は、前記1次電圧を発生する蓄電装置であり、
    前記第2電力装置は、車輪を回転させる電動機と、該電動機を駆動するインバータに接続され且つ発電電圧を発生する発電装置とを有し、前記発電電圧又は前記電動機が発電機として動作したときに前記インバータに発生する回生電圧を前記2次電圧とする
    ことを特徴とする電気車両。
  5. 請求項4記載の電気車両において、
    前記発電装置が、燃料電池である
    ことを特徴とする電気車両。
  6. 第1電力装置と第2電力装置との間に配置されたDC/DCコンバータの前記第1電力装置側の電圧(以下、1次電圧という。)又は前記第2電力装置側の電圧(以下、2次電圧という。)の指令値に対して一次遅れ処理を行うことにより前記1次電圧又は前記2次電圧の目標値を算出し、
    算出した前記目標値に基づいて前記DC/DCコンバータのスイッチング素子を駆動する
    ことを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。
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