JP2010178443A - モータ制御システム - Google Patents
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Abstract
【課題】モータ制御システムにおいて、二次電池の状態が変動した際の昇圧コンバータ出力電圧の制御精度の低下を抑制する。
【解決手段】昇圧コンバータを制御する制御装置は、二次電池の電流と二次電池の電圧とに基づいて二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、入力されるモータ駆動用の要求電圧を内部抵抗推定値に応じて指令電圧に変更して出力する指令電圧演算手段と、指令電圧演算手段から指令電圧が入力され、昇圧コンバータの出力電圧の指令電圧に対する偏差を補正するフィードバック手段と、フィードバック手段の出力と二次電池の電圧の指令電圧に対する比とからスイッチング素子のデューティ比を設定するフィードフォワード手段と、内部抵抗推定値に応じフィードバック手段の制御ゲインの値を変化させる制御ゲイン変更手段と、を備える。
【選択図】図2
【解決手段】昇圧コンバータを制御する制御装置は、二次電池の電流と二次電池の電圧とに基づいて二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、入力されるモータ駆動用の要求電圧を内部抵抗推定値に応じて指令電圧に変更して出力する指令電圧演算手段と、指令電圧演算手段から指令電圧が入力され、昇圧コンバータの出力電圧の指令電圧に対する偏差を補正するフィードバック手段と、フィードバック手段の出力と二次電池の電圧の指令電圧に対する比とからスイッチング素子のデューティ比を設定するフィードフォワード手段と、内部抵抗推定値に応じフィードバック手段の制御ゲインの値を変化させる制御ゲイン変更手段と、を備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、モータ制御システムに関し、より詳しくは電動車両駆動用モータを制御するモータ制御システムに関する。
ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両では、充放電可能な二次電池から供給される直流電力を昇圧コンバータによって走行用モータの駆動に必要な電圧まで昇圧した後、交流電力に変換して走行用モータを駆動する方法が用いられている。昇圧コンバータは、複数のスイッチング素子をオンオフ動作させることによって昇圧を行うもので、スイッチング素子のオンとオフとの時間比であるデューティ比は高圧側の出力目標電圧と低圧側の二次電池の電圧との電圧比に応じて設定される。
二次電池の電圧を昇圧して交流に変換してモータの駆動を制御するシステムでは、昇圧コンバータの出力電圧が目標電圧となるようにスイッチング素子のオンオフ動作を制御することが必要となる。ところが、このようなシステムでは二次電池の内部抵抗が変化すると目標電圧に対する昇圧コンバータの出力電圧のフィードバック応答量が変化してしまい、出力電圧の制御応答精度が低下してしまう場合があった。二次電池の内部抵抗は二次電池の温度の変化や残存容量(SOC)の変化によって変化するので、その温度から二次電池の内部抵抗を予測し、予測した内部抵抗に基づいてフィードバックの制御ゲインを設定すると共に、基準となる残存容量と実際の残存容量との比較に基づいてフィードバックの制御ゲインを修正して昇圧コンバータの出力電圧の制御応答精度を確保する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、二次電池はモータ駆動に必要な動力を供給することができるように設計されているが、温度の変化などにより二次電池の内部抵抗が増加すると、二次電池の中で消費される電力が増加するため、デューティ比の設定によっては必要な電力を二次電池から取り出すことができない場合がある。このためデューティ比を最適範囲内になるように制限して必要な電力を供給することができるようにしている。しかし、二次電池の電圧は残存容量(SOC)によって変化するので、デューティ比最適範囲が固定されていると二次電池の残存容量(SOC)の変化によって出力電圧が最適範囲とならず、必要な電力の供給が行えない場合がある。このため、二次電池の残存容量(SOC)の変化に応じてデューティ比の最適範囲を変更する方法が提案されている(例えば、特許文献2)参照。
二次電池の電圧を昇圧して交流に変換してモータの駆動を制御するシステムでは、車両を駆動するために必要な駆動力に応じてモータに供給する電圧を変化させる制御が行われる。ところが、このようなシステムでは二次電池の内部抵抗が変化すると変化する指令電圧に対する昇圧コンバータの出力電圧の応答量がより大きく変化してしまい、特許文献1、2に記載された従来技術では電気部品の耐圧を超えてしまう場合があった。また、残存容量(SOC)が変化した場合も同様に指令電圧が変化した際の昇圧コンバータの出力電圧の応答量がより大きく変動して部品の耐圧を超えてしまう場合があった。
本発明は、二次電池の状態が変動した際の昇圧コンバータ出力電圧の制御精度の低下を抑制することを目的とする。
本発明のモータ制御システムは、二次電池の電圧をスイッチング素子のスイッチング動作によって昇圧してモータに供給する昇圧コンバータと、入力されるモータ駆動用の要求電圧に応じてスイッチング素子をオンオフ動作させる制御装置と、を備えるモータ制御システムであって、制御装置は、二次電池の電流と二次電池の電圧とに基づいて二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、入力されるモータ駆動用の要求電圧を内部抵抗推定値に応じて指令電圧に変更して出力する指令電圧演算手段と、指令電圧演算手段から指令電圧が入力され、昇圧コンバータの出力電圧の指令電圧に対する偏差を補正するフィードバック手段と、フィードバック手段の出力と二次電池の電圧の指令電圧に対する比とからスイッチング素子のデューティ比を設定するフィードフォワード手段と、を有することを特徴とする。
本発明のモータ制御システムにおいて、制御装置は、内部抵抗推定値に応じフィードバック手段の制御ゲインの値を変化させる制御ゲイン変更手段を備えることとしても好適であるし、二次電池の残存容量を取得する二次電池残存容量取得手段を備え、制御ゲイン変更手段は、二次電池の残存容量に応じて制御ゲイン値を変化させ、指令電圧演算手段は、入力される要求電圧を二次電池の残存容量に応じて指令電圧に変更してフィードバック手段とフィードフォワード手段とに出力すること、としても好適である。
本発明は、二次電池の状態が変動した際の昇圧コンバータ出力電圧の制御精度の低下を抑制することができるという効果を奏する。
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態のモータ制御システム10は、充放電可能な二次電池であるバッテリ11と、バッテリ11から供給される低圧電力をモータ15を駆動するために必要な高圧のシステム電圧に昇圧する昇圧コンバータ20と、昇圧コンバータ20から供給されたシステム電圧の直流電力を交流電力に変換してモータ15に供給するインバータ14とを備えている。
昇圧コンバータ20は、基準電路27がバッテリ11のマイナス側とインバータ14のマイナス側とに共通に接続され、高圧電路28がインバータ14のプラス側に接続され、低圧電路29がバッテリ11のプラス側に接続されたた非絶縁型の双方向DC−DCコンバータである。
図1に示すように、昇圧コンバータ20は、スイッチング素子である第1のトランジスタ23と第2のトランジスタ24とを備えている。第1のトランジスタ23と第2トランジスタ24とは、第1のトランジスタ23のエミッタ端子と第2のトランジスタ24のコレクタ端子とが直列に接続され、第1のトランジスタ23のコレクタ端子は高圧電路28に接続され、第2のトランジスタ24のエミッタ端子は基準電路27に接続されている。第1のトランジスタ23及び第2のトランジスタ24の各ベース端子は制御装置30に接続され、各トランジスタ23,24は制御装置30の指令によってオンオフ動作する。
第1のトランジスタ23と第2のトランジスタ24との接続点51は、低圧電路29に接続され、接続点51とバッテリ11のプラス側との間の低圧電路29には電磁エネルギーを蓄積するリアクトル22が設けられている。また、低圧電路29と基準電路27との間の電圧を平滑化する低圧コンデンサ12がバッテリ11と並列に設けられ、低圧コンデンサ12にはその両端の電圧を検出する電圧センサ18が取り付けられている。そして、高圧電路28と基準電路27との間の電圧を平滑化する高圧コンデンサ13がインバータ14と並列に接続されている。高圧コンデンサ13にはその両端の電圧を検出する電圧センサ19が設けられている。
第1のダイオード25と第2のダイオード26が、各トランジスタ23,24と逆並列になる様に各トランジスタ23,24の各エミッタ端子とコレクタ端子との間に接続されている。
バッテリ11のプラス側の低圧電路29のバッテリ11と昇圧コンバータ20の間にはバッテリ11から流出するバッテリ電流ABを検出する電流センサ17が取り付けられ、バッテリ11のプラス側の低圧電路29とバッテリ11のマイナス側の基準電路27との間にはバッテリ11のバッテリ電圧VBを検出する電圧センサ16が取り付けられている。
制御装置30は、内部に信号処理を行うCPUとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。各電圧センサ16,18,19と電流センサ17とは制御装置30に接続され、各センサ16から19によって検出した電圧、電流は制御装置30に入力されるよう構成されている。また、バッテリ11も制御装置30に接続され、制御装置30はバッテリ11の状態量を取得し、その状態量からバッテリ11の残存容量(SOC)を算出することができるよう構成されている。
図2に示すように、制御装置30は、電圧指令演算部31と、差分器32,39と、フィードバック回路33と、制御ゲイン演算部41と、フィードフォワード回路38と、上下限ガード37と、下限ガード40とを備えている。
電圧指令演算部31は、モータ駆動に必要な要求電圧VHRと、バッテリ11の状態から計算された残存容量(SOC)と、バッテリの内部抵抗推定値RBと、が入力され、要求電圧VHRを指令電圧VH*に変更して出力する。差分器32は、指令電圧VH*と図1に示した電圧センサ19によって検出した実際の高圧コンデンサ13の両端の高圧電圧VHとの差分を計算する。フィードバック回路33は、差分器32によって計算した指令電圧VH*と高圧電圧VHとの差分が入力され、比例制御ゲインKpの比例制御回路34の出力と、積分器35と積分制御ゲインKiとを有する積分制御回路36の出力とを合わせて、指令電圧VH*と高圧電圧VHとの差分をゼロとするような制御信号を出力する。制御ゲイン演算部41は、バッテリ11の残存容量(SOC)とバッテリ11の内部抵抗推定値RBとが入力され、フィードバック回路33の比例制御ゲインKpと積分制御ゲインKiを算出してフィードバック回路に出力する。上下限ガード37は、フィードバック回路33から出力された制御信号が所定の上限と下限を超えないよう制御信号の上限と下限とを定める。フィードフォワード回路38は、指令電圧VH*に対する図1に示した電圧センサ18によって検出した低圧コンデンサ12の両端の低圧電圧VLの比率を計算してフィードフォワード制御信号を出力する。差分器39は、フィードフォワード回路から出力されたフィードフォワード制御信号から上下限ガード37から出力された制御信号を差し引き、下限ガード40は、差分器39から出力された制御信号を所定の下限以上に制限して出力する。下限ガード40から出力された制御信号は、図1に示したトランジスタ23,24のオンとオフとの時間の割合を既定するデューティ信号Dとなる。昇圧動作においては、制御装置30はデューティ信号Dによってトランジスタ23のオンオフ制御を行い、低圧のバッテリ11の電圧を高圧のシステム電圧に昇圧する。
制御装置30は、図3に示すように電圧センサ16によって検出したバッテリ電圧VBと、電流センサ17によって検出したバッテリ11から流出するバッテリ電流ABとが入力され、内部に備えたバッテリ電圧VBとバッテリ電流ABとバッテリ11の内部抵抗の関係を示すマップ43を参照して、バッテリ11の内部抵抗推定値RBを出力する内部抵抗値推定手段42を備えている。内部抵抗値推定手段42から出力された内部抵抗推定値RBは、図2に示した電圧指令演算部31と制御ゲイン演算部41に入力される。バッテリ11の内部抵抗推定値RBは、常温で残存容量が70%程度の基準状態では基準の0.3Ωとなり、例えば、バッテリ11の温度が上昇すると内部抵抗推定値RBは基準の0.3Ωよりも小さくなり、バッテリ11の温度が低下すると内部抵抗推定値RBは基準の0.3Ωよりも大きくなる。
図2に示す電圧指令演算部31は、図4に示すようなバッテリ11の内部抵抗推定値RBに対する指令電圧VH*を変化させる関数を内蔵している。本実施形態では、バッテリ11の内部抵抗推定値が基準の0.3Ωの場合に、指令電圧VH*は要求電圧VHRに等しい600Vに設定され、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが基準の0.3Ωよりも小さくなると指令電圧VH*は要求電圧VHRの600Vよりも低い電圧に設定され、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが基準の0.3Ωよりも大きくなると指令電圧VH*は要求電圧VHRの600Vよりも高い電圧に設定される。
また、電圧指令演算部31は、図5に示すようなバッテリ11の残存容量(SOC)に対する指令電圧VH*を変化させる関数を内蔵している。本実施形態では、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%の場合に、指令電圧VH*は要求電圧VHRに等しい600Vに設定され、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%よりも小さくなると指令電圧VH*は要求電圧VHRの600Vよりも高い電圧に設定され、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%よりも大きくなると指令電圧VH*は要求電圧VHRの600Vよりも低い電圧に設定される。
図2に示す制御ゲイン演算部41は、図6に示すようなバッテリ11の内部抵抗推定値RBに対する比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiを変化させる関数を内蔵している。本実施形態では、バッテリ11の内部抵抗推定値が基準の0.3Ωの場合に、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0に等しい1.0に設定され、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが基準の0.3Ωよりも小さくなると比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0よりも低い数値に設定され、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが基準の0.3Ωよりも大きくなると比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0よりも大きな数値に設定される。
また、制御ゲイン演算部41は、図7に示すようなバッテリ11の残存容量(SOC)に対する比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiを変化させる関数を内蔵している。本実施形態では、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%の場合に、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0に等しい1.0に設定され、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%よりも小さくなると比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0よりも高い数値に設定され、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の70%よりも大きくなると比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiは基準比例制御ゲインKp0、基準積分制御ゲインKi0よりも低い数値に設定される。
以上のように構成されたモータ制御システム10の動作について説明する。制御装置30は、バッテリ11の状態量からその残存容量(SOC)を計算する。また、制御装置30は電圧センサ16と電流センサ17からバッテリ電圧VBとバッテリ電流ABとを取得する。次に、制御装置30は、内部抵抗値推定手段42によって取得したバッテリ電圧VBとバッテリ電流ABとからバッテリ11の内部抵抗推定値RBを計算する。制御装置30は計算した残存容量(SOC)と内部抵抗推定値RBとを電圧指令演算部31に入力し、図4、図5に示したグラフに基づいて要求電圧VHRに対する指令電圧VH*を計算して出力する。また、制御装置30は、計算した残存容量(SOC)と内部抵抗推定値RBとを制御ゲイン演算部41に入力し、図6、図7に示したグラフに基づいて比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiを計算してフィードバック回路33に出力して、フィードバック回路33の比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiを変更する。
バッテリ11の状態が基準状態の場合には、指令電圧VH*は要求電圧VHRに等しく、要求電圧VHRはいずれも基準の1.0となっている。そして、バッテリ11の温度が上昇してバッテリ11の内部抵抗推定値RBが基準の内部抵抗推定値RBの0.3Ωよりも小さくなってきた場合には、制御装置30は図4、図6のグラフに基づいて指令電圧VH*を要求電圧VHRによりも低く変化させ、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiをいずれも基準の1.0よりも小さな数値に変化させる。
バッテリ11の内部抵抗推定値RBが小さくなると、モータ制御システム10全体の応答が速くなってしまう。このため、指令電圧VH*、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiがいずれも基準の数値のままであった場合には、昇圧コンバータ20の出力電圧は要求電圧VHRを大きくオーバーシュートしたりアンダーシュートしたりしてしまうが、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが小さくなった場合に、指令電圧VH*を要求電圧VHRよりも低く変化させ、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiをいずれも基準の1.0よりも小さな数値に変化させているので、昇圧コンバータ20の出力電圧の変化を緩やかな変化としてオーバーシュート、アンダーシュートを抑制することができる。特に、オーバーシュートを低減することによって昇圧コンバータ20の出力電圧が電気部品の耐圧を超えてしまうことを抑制でき、部品をよりよく保護することができる。
また、バッテリ11の残存容量(SOC)が大きくなるとバッテリ11の内部抵抗推定値RBが小さくなることから、制御装置30は、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の残存容量よりも大きくなった場合には、指令電圧VH*を要求電圧VHRによりも低く変化させ、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiをいずれも基準の1.0よりも小さな数値に変化させて昇圧コンバータ20の出力電圧の変化を緩やかな変化としてオーバーシュート、アンダーシュートを抑制する。
一方、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが大きくなると、モータ制御システム10全体の応答が遅くなってしまう。このため、指令電圧VH*、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiがいずれも基準の数値のままであった場合には、昇圧コンバータ20の出力電圧の変化が遅くなり、必要な電力をモータ15に供給することができなくなってしまうが、バッテリ11の内部抵抗推定値RBが大きくなった場合に、指令電圧VH*を要求電圧VHRによりも高く変化させ、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiをいずれも基準の1.0よりも大きな数値に変化させているので、昇圧コンバータ20の出力電圧の応答速度を早くすることができ、モータ15に適切なタイミングで電力を供給することができる。
また、バッテリ11の残存容量(SOC)が小さくなるとバッテリ11の内部抵抗推定値RBが大きくなることから、制御装置30は、バッテリ11の残存容量(SOC)が基準の残存容量よりも小さくなった場合には、指令電圧VH*を要求電圧VHRによりも高く変化させ、比例制御ゲインKp、積分制御ゲインKiをいずれも基準の1.0よりも大きな数値に変化させて昇圧コンバータ20の出力電圧の応答速度を早くして、モータ15に適切なタイミングで電力を供給する。
以上説明したように、本実施形態は、バッテリ11の状態が変動した際の昇圧コンバータ20の出力電圧の制御精度の低下を抑制することができるという効果を奏する。そして、昇圧コンバータ20の出力電圧のオーバーシュートを抑制してシステム電圧が耐圧以上に上昇することを抑制し、電気部品をより効果的に保護することができる。また、モータに適切なタイミングで電力を供給することができ、車両のドライバビリティを向上させることができる。
本実施形態では、モータ制御システム10は、電圧指令演算部31と制御ゲイン演算部41との両方を含むこととして説明したが、いずれか一方のみを含むこととしてもよい。また、各演算部31,41はバッテリ11の内部抵抗推定値RBとバッテリの残存容量(SOC)のいずれか一方のみが入力されるように構成してもよい。
10 モータ制御システム、11 バッテリ、12 低圧コンデンサ、13 高圧コンデンサ、14 インバータ、15 モータ、16,18,19 電圧センサ、17 電流センサ、20 昇圧コンバータ、22 リアクトル、23,24 トランジスタ、25,26 ダイオード、27 基準電路、28 高圧電路、29 低圧電路、30 制御装置、31 電圧指令演算部、32,39 差分器、33 フィードバック回路、34 比例制御回路、35 積分器、36 積分制御回路、37 上下限ガード、38 フィードフォワード回路、40 下限ガード、41 制御ゲイン演算部、42 内部抵抗値推定手段、43 マップ、51 接続点、AB バッテリ電流、D デューティ信号、Ki 積分制御ゲイン、Ki0 基準積分制御ゲイン、Kp 比例制御ゲイン、Kp0 基準比例制御ゲイン、RB 内部抵抗推定値、VB バッテリ電圧、VH 高圧電圧、VH 指令電圧、VHR 要求電圧、VL 低圧電圧。
Claims (3)
- 二次電池の電圧をスイッチング素子のスイッチング動作によって昇圧してモータに供給する昇圧コンバータと、
入力されるモータ駆動用の要求電圧に応じてスイッチング素子をオンオフ動作させる制御装置と、を備えるモータ制御システムであって、
制御装置は、
二次電池の電流と二次電池の電圧とに基づいて二次電池の内部抵抗値を推定する内部抵抗値推定手段と、
入力されるモータ駆動用の要求電圧を内部抵抗推定値に応じて指令電圧に変更して出力する指令電圧演算手段と、
指令電圧演算手段から指令電圧が入力され、昇圧コンバータの出力電圧の指令電圧に対する偏差を補正するフィードバック手段と、
フィードバック手段の出力と二次電池の電圧の指令電圧に対する比とからスイッチング素子のデューティ比を設定するフィードフォワード手段と、
を有することを特徴とするモータ制御システム。 - 請求項1に記載のモータ制御システムであって、
制御装置は、
内部抵抗推定値に応じフィードバック手段の制御ゲインの値を変化させる制御ゲイン変更手段を有すること、
を特徴とするモータ制御システム。 - 請求項2に記載のモータ制御システムであって、
制御装置は、
二次電池の残存容量を取得する二次電池残存容量取得手段を備え、
制御ゲイン変更手段は、二次電池の残存容量に応じて制御ゲイン値を変化させ、
指令電圧演算手段は、入力される要求電圧を二次電池の残存容量に応じて指令電圧に変更してフィードバック手段とフィードフォワード手段とに出力すること、
を特徴とするモータ制御システム。
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