JP2013110932A - 電圧変換装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変換装置に供給される電流の電流値を正確に検出する。
【解決手段】電圧変換装置の制御装置（３０）は、デューティ指令信号（ＤＵＴＹ）を生成するデューティ指令信号生成手段（２１０）と、キャリア信号（ＣＲ）を生成するキャリア信号生成手段（２５０）と、スイッチング制御信号（ＰＷＣ）を生成するスイッチング制御信号生成手段（２３５）と、第１スイッチング素子（Ｑ１）を含む第１アーム及び第２スイッチング素子（Ｑ２）を含む第２アームのいずれか一方のみによる片アーム駆動を実現する片アーム駆動制御手段（２７０）と、片アーム駆動を相互に切替える際に、第１及び第２スイッチング素子がいずれもオフとなるデューティ指令信号を所定期間生成するよう制御するデューティ制御手段（２３０）と、所定期間内に検出された電流値を原点として学習させる原点学習手段（２９０）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば車両等に搭載される電圧変換装置の制御装置の技術分野に関する。

近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置（たとえば二次電池やキャパシタ等）を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する電動車両が注目されている。この電動車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。

これらの電動車両においては、発進時や加速時に蓄電装置から電力を受けて走行のための駆動力を発生するとともに、制動時に回生制動によって発電を行なって蓄電装置に電気エネルギを蓄えるためのモータジェネレータを備える場合がある。このように、走行状態に応じてモータジェネレータを制御するために、電動車両にはインバータが搭載される。

このような車両においては、車両状態によって変動するインバータが利用する電力を安定的に供給するために、蓄電装置とインバータとの間に電圧変換装置（コンバータ）が備えられる場合がある。このコンバータにより、インバータの入力電圧を蓄電装置の出力電圧より高くして、モータの高出力化ができるとともに、同一出力時のモータ電流を低減することで、インバータ及びモータの小型化、低コスト化を図ることができる。

上述したコンバータを備える構成では、例えば装置の動作を制御するために、蓄電装置等から入力される電力の電流値を検出する電流センサが設けられる。このような電流センサでは、例えば基準となるオフセット値（即ち、原点）をもとに値を検出するが、原点にずれが発生すると正確な値を検出することが困難となる。このため、例えば特許文献１では、電流を遮断した状態で電流センサのオフセット補正を行うという技術が提案されている。

特開２００６−２４６５６４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、完全に電流を遮断した状態でしかオフセット補正が行えないため、コンバータの動作中にはオフセット補正は行えない。よって、例えば自動車用途のように運転状態が長時間継続する場合には、オフセット補正を行う機会が起動直後に限られてしまい、定期的にオフセット補正を行うことはできない。このため、例えば運転中の温度特性の変化等に起因して原点のずれが発生してしまうと、運転が終了するまで間違った値が検出され続けてしまうおそれがある。

以上のように、上述した特許文献１に記載の技術は、電流センサのオフセット補正の機会が限定されてしまうため、検出値の正確性が著しく低下してしまうおそれがあるという技術的問題点を有している。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、電圧変換装置に供給される電流の電流値を正確に検出することが可能な電圧変換装置の制御装置を提供することを課題とする。

本発明の電圧変換装置の制御装置は上記課題を解決するために、互いに直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、並びに前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に供給される電流の電流値を検出する電流検出手段を備える電圧変換装置の制御装置であって、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のデューティ比率に対応するデューティ指令信号を生成するデューティ指令信号生成手段と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチング周波数に対応するキャリア信号を生成するキャリア信号生成手段と、前記デューティ指令信号及び前記キャリア信号を互いに比較することで、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の各々のオンオフを切替えるスイッチング制御信号を夫々生成するスイッチング制御信号生成手段と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を択一的にオンとするように前記スイッチング制御信号生成手段を制御することで、前記第１スイッチング素子を含んでなる第１アーム及び前記第２スイッチング素子を含んでなる第２アームのいずれか一方のみによる片アーム駆動を実現する片アーム駆動制御手段と、前記第１アームによる片アーム駆動及び前記第２アームによる片アーム駆動を相互に切替える際に、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子がいずれもオフとなるデューティ指令信号を所定期間生成するようにデューティ指令信号生成手段を制御するデューティ制御手段と、前記所定期間内に前記電流検出手段で検出された電流値をオフセット原点として学習させる原点学習手段とを備える。

本発明に係る電圧変換装置は、例えば車両に搭載されるコンバータであり、互いに直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を備えている。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、或いは電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。

なお、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々には、例えばダイオードが並列に接続されており、それぞれ第１アーム及び第２アームを形成している。即ち、第１スイッチング素子は第１アームを形成しており、そのスイッチング動作によって、第１アームにおける駆動のオンオフを切替えることができる。同様に、第２スイッチング素子は第２アームを形成しており、そのスイッチング動作によって、第２アームにおける駆動のオンオフを切替えることができる。

本発明に係る電圧変換装置は更に、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に供給される電流の電流値を検出する電流検出手段を備えている。電流検出手段は、例えば第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に電流を供給する経路に配置されたリアクトルの前段部分に設けられる。電流検出手段は、予め設定されたオフセット原点と検出された値との差に基づいて電流値を検出する。

本発明に係る電圧変換装置の制御装置は、上述した電圧変換装置の動作を制御する装置であって、例えば、一又は複数のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）、各種プロセッサ又は各種コントローラ、或いは更にＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、バッファメモリ又はフラッシュメモリ等の各種記憶手段等を適宜に含み得る、単体の或いは複数のＥＣＵ（Electronic Controlled Unit）等の各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等の形態を採り得る。

本発明に係る電圧変換装置の制御装置の動作時には、デューティ指令信号生成手段によって、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のデューティ比率に対応するデューティ指令信号が生成される。デューティ指令信号は、例えば出力すべき電圧値や電流値等に基づいて決定される。

また本発明に係る電圧変換装置の制御装置の動作時には、キャリア信号生成手段によって、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のスイッチング周波数に対応するキャリア信号が生成される。キャリア信号は、予め設定された周波数を有する信号として生成される。

デューティ指令信号及びキャリア信号は、スイッチング制御信号生成手段によって互いに比較され、その結果として、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々のオンオフを切替えるスイッチング制御信号が夫々生成される。スイッチング制御信号は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に供給される。これにより、電圧変換装置の第１アーム及び第２アームの駆動が制御されることになる。

上述したスイッチング制御信号生成手段は、片アーム駆動制御手段によって、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を択一的にオンとするように制御される場合がある。このような制御によれば、第１スイッチング素子を含んでなる第１アーム及び第２スイッチング素子を含んでなる第２アームのいずれか一方のみによる片アーム駆動が実現される。

片アーム駆動制御手段は、第１スイッチング素子を含んでなる第１アーム及び第２スイッチング素子を選択する際に、例えば出力すべき電圧値や電流値等に基づいて、第１アーム及び第２アームのいずれのアームで片アーム駆動を行うべきか判定する。より具体的には、片アーム駆動制御手段は、例えば電圧変換装置に接続されるモータジェネレータが回生動作を行う場合に、第１アームによる片アーム駆動を行うようにし、力行動作を行う場合に、第２アームによる片アーム駆動を行うようにする。このように、片アーム駆動制御手段は、第１アームによる片アーム駆動及び第１アームによる片アーム駆動を適宜切替えるように制御する。

ここで本発明では特に、第１アームによる片アーム駆動及び第２アームによる片アーム駆動を相互に切替える際に、デューティ制御手段によって、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子がいずれもオフとなるデューティ指令信号（例えば、デューティ比率が１００％又は０％である信号）を所定期間生成するようにデューティ指令信号生成手段が制御される。なお、ここでの「所定期間」とは、後述する電流検出手段の原点学習において、電流検出手段で検出される電流の電流値が十分なまでに低くなる（好適にはゼロとなる）のに要する期間であり、予め理論的、実験的或いは経験的に求められ設定されている。

本発明では更に、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子がいずれもオフとなるデューティ指令信号が生成される所定期間内に、原点学習手段によって、電流検出手段で検出された電流値がオフセット原点として学習させられる。即ち、原点学習手段は、それまで記憶していたオフセット原点を、所定期間内に得られた値へと置き換えるような補正を行う。

上述したように、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子がいずれもオフとなるように制御されると、その間、電流検出手段で検出される値はゼロに向かって減衰する。よって、所定期間内（好適には所定期間の終了直前）に検出された値をオフセット原点とすれば、電流検出手段において検出される電流値の正確性を高めることができる。より具体的には、例えば温度特性の変化等に起因して変化したオフセット原点の値を、アーム切替えの度に正確な値へと更新することができる。

なお、原点学習はアーム切替えの度に常に行われずともよく、オフセット原点が変化したおそれがある場合（例えば、前回の学習から所定時間が経過した場合や、前回の学習から環境温度が所定値変化した場合）に行われればよい。

また、アーム切替えの際に、上述した第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子がいずれもオフとなる所定期間を設けることで、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の一方をオフとしてから、他方をオンとするまでの期間が短くなる（即ち、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のスイッチングのタイミングが互いに近くなる）ことに起因する、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の短絡を好適に防止することができる。

以上説明したように、本発明に係る電圧変換装置の制御装置によれば、電圧変換装置における２つのスイッチング素子の短絡を防止すると共に、電圧変換装置に供給される電流の電流値を正確に検出することが可能である。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。

実施形態に係る電圧変換装置の制御装置が搭載される車両の全体構成を示す概略図である。 実施形態に係るＥＣＵの構成を示すブロック図である。 実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の全体動作を示すフローチャートである。 実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の原点学習動作を示すフローチャートである。 実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の原点学習時の各種パラメータの変化を示すタイミングチャートである。

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。

先ず、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置が搭載される車両の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置が搭載される車両の全体構成を示す概略図である。

図１において、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置が搭載される車両１００は、エンジン４０及びモータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２を動力源とするハイブリッド車両として構成されている。但し、車両１００の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力によって走行可能な車両（例えば、電気自動車や燃料電池自動車）等にも適用可能である。また、本実施形態では、電圧変換装置の制御装置が車両１００に搭載される構成について説明するが、車両以外でも交流電動機により駆動される機器であれば適用が可能である。

車両１００は、直流電圧発生部２０と、負荷装置４５と、平滑コンデンサＣ２と、ＥＣＵ３０とを備えて構成されている。

直流電圧発生部２０は、蓄電装置２８と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２とを含む。

蓄電装置２８は、例えばニッケル水素又はリチウムイオン等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を含んで構成される。また、蓄電装置２８が出力する直流電圧ＶＢ及び入出力される直流電流ＩＢは、電圧センサ１０及び電流センサ１１によってそれぞれ検出される。そして、電圧センサ１０及び電流センサ１１は、検出した直流電圧ＶＢ及び直流電流ＩＢの検出値をＥＣＵ３０に出力する。

システムリレーＳＲ１は、蓄電装置２８の正極端子及び電力線ＰＬ１の間に接続され、システムリレーＳＲ２は、蓄電装置２８の負極端子及び接地線ＮＬの間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、ＥＣＵ３０からの信号ＳＥにより制御され、蓄電装置２８からコンバータ１２への電力の供給と遮断とを切替える。

コンバータ１２は、本発明の「電圧変換装置」の一例であり、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、本発明の「第１スイッチング素子」及び「第２スイッチング素子」の一例であり、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、ＥＣＵ３０からのスイッチング制御信号ＰＷＣによって制御される。

スイッチング素子Ｑ１及びＱ２には、例えばＩＧＢＴ、電力用ＭＯＳトランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置される。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の接続ノードと電力線ＰＬ１の間に設けられる。また、平滑コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に接続される。

電流センサ１８は、本発明の「電流検出手段」の一例であり、リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流を検出し、その検出値ＩＬをＥＣＵ３０に出力する。

負荷装置４５は、インバータ２３と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、エンジン４０と、動力分割機構４１と、駆動輪４２とを含む。また、インバータ２３は、モータジェネレータＭＧ１を駆動するためのインバータ１４と、モータジェネレータＭＧ２を駆動するためのインバータ２２とを含む。なお、図１のようにインバータ及びモータジェネレータを２組備えることは必須ではなく、たとえばインバータ１４とモータジェネレータＭＧ１、あるいはインバータ２２とモータジェネレータＭＧ２のいずれか１組のみを備える構成としてもよい。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、インバータ２３から供給される交流電力を受けて車両推進のための回転駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、外部から回転力を受け、ＥＣＵ３０からの回生トルク指令によって交流電力を発電するとともに回生制動力を車両１００に発生する。

また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分割機構４１を介してエンジン４０にも連結される。そして、エンジン４０の発生する駆動力とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の発生する駆動力とが最適な比率となるように制御される。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のいずれか一方を専ら電動機として機能させ、他方のモータジェネレータを専ら発電機として機能させてもよい。なお、本実施形態においては、モータジェネレータＭＧ１をエンジン４０により駆動される発電機として機能させ、モータジェネレータＭＧ２を駆動輪４２を駆動する電動機として機能させるものとする。

動力分割機構４１には、エンジン４０の動力を、駆動輪４２とモータジェネレータＭＧ１との両方に振り分けるために、例えば遊星歯車機構（プラネタリギヤ）が使用される。

インバータ１４は、コンバータ１２から昇圧された電圧を受けて、たとえばエンジン４０を始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４０から伝達される機械的動力によってモータジェネレータＭＧ１で発電された回生電力をコンバータ１２に出力する。このときコンバータ１２は、降圧回路として動作するようにＥＣＵ３０によって制御される。

インバータ１４は、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に並列に設けられ、Ｕ相上下アーム１５と、Ｖ相上下アーム１６と、Ｗ相上下アーム１７を含んで構成される。各相上下アームは、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相上下アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相上下アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相上下アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、ＥＣＵ３０からのスイッチング制御信号ＰＷＩによって制御される。

例えばモータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続される。さらに、各相コイルの他端は、各相上下アーム１５〜１７のスイッチング素子の接続ノードと接続される。

インバータ２２は、コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続される。

インバータ２２は駆動輪４２を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対してコンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された回生電力をコンバータ１２に出力する。このときコンバータ１２は降圧回路として動作するようにＥＣＵ３０によって制御される。インバータ２２の内部の構成は、図示しないがインバータ１４と同様であり、詳細な説明については省略する。

コンバータ１２は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１及びＱ２が相補的かつ交互にオンオフするように制御される。コンバータ１２は、昇圧動作時には、蓄電装置２８から供給された直流電圧ＶＢを直流電圧ＶＭ（インバータ１４への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１及び逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線ＰＬ２へ供給することにより行われる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、直流電圧ＶＭを直流電圧ＶＢに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２及び逆並列ダイオードＤ２を介して、接地線ＮＬへ供給することにより行われる。

これらの昇圧動作及び降圧動作における電圧変換比（ＶＭ及びＶＢの比）は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２をオン及びオフにそれぞれ固定すれば、ＶＭ＝ＶＢ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ２は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ２３へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＭを検出し、その検出値をＥＣＵ３０へ出力する。

インバータ１４は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値が正（ＴＲ１＞０）の場合には、平滑コンデンサＣ２から直流電圧が供給されるとＥＣＵ３０からのスイッチング制御信号ＰＷＩ１に応答した、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値が零の場合（ＴＲ１＝０）には、スイッチング制御信号ＰＷＩ１に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるようにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

更に、車両１００の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値ＴＲ１は負に設定される（ＴＲ１＜０）。この場合には、インバータ１４は、スイッチング制御信号ＰＷＩ１に応答したスイッチング動作により、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を、平滑コンデンサＣ２を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

インバータ２２についても同様に、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値に対応したＥＣＵ３０からのスイッチング制御信号ＰＷＩ２を受け、スイッチング制御信号ＰＷＩ２応答したスイッチング動作によって、直流電圧を交流電圧に変換して所定のトルクになるようにモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

電流センサ２４，２５は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流をＥＣＵ３０へ出力する。なお、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の電流の瞬時値の和はゼロであるので、図１に示すように電流センサ２４，２５は２相分のモータ電流を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（レゾルバ）２６，２７は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転角θ１，θ２を検出し、その検出した回転角θ１，θ２をＥＣＵ３０へ送出する。ＥＣＵ３０では、回転角θ１，θ２に基づきモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転速度ＭＲＮ１，ＭＲＮ２及び角速度ω１，ω２（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２６，２７については、回転角θ１，θ２をＥＣＵ３０にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置しないようにしてもよい。

ＥＣＵ３０は、本発明の「電圧変換装置の制御装置」の一例であり、いずれも図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及び入出力バッファを含み、車両１００の各機器を制御する。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。

代表的な機能として、ＥＣＵ３０は、入力されたトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、電圧センサ１０によって検出された直流電圧ＶＢ、電流センサ１１によって検出された直流電流ＩＢ、電圧センサ１３によって検出されたシステム電圧ＶＭ及び電流センサ２４，２５からのモータ電流ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２、回転角センサ２６，２７からの回転角θ１，θ２等に基づいて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２がトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２に従ったトルクを出力するように、コンバータ１２及びインバータ２３の動作を制御する。すなわち、コンバータ１２及びインバータ２３を上記のように制御するためのスイッチング制御信号ＰＷＣ，ＰＷＩ１，ＰＷＩ２を生成して、コンバータ１２及びインバータ２３へそれぞれ出力する。

コンバータ１２の昇圧動作時には、ＥＣＵ３０は、システム電圧ＶＭをフィードバック制御し、システム電圧ＶＭが電圧指令値に一致するようにスイッチング制御信号ＰＷＣを生成する。

また、ＥＣＵ３０は、車両１００が回生制動モードに入ると、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換するようにスイッチング制御信号ＰＷＩ１、ＰＷＩ２を生成してインバータ２３へ出力する。これにより、インバータ２３は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１２へ供給する。

さらに、ＥＣＵ３０は、車両１００が回生制動モードに入ると、インバータ２３から供給された直流電圧を降圧するようにスイッチング制御信号ＰＷＣを生成し、コンバータ１２へ出力する。これにより、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、さらに降圧されて蓄電装置２８に供給される。

次に、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置であるＥＣＵ３０の具体的な構成について、図２を参照して説明する。ここに図２は、本実施形態に係るＥＣＵの構成を示すブロック図である。

図２において、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、電圧指令生成部２００と、電圧制御部２１０と、デューティ指令切替部２３０と、キャリア比較コンパレータ２５０と、サンプリングホールド部２４０と、キャリア信号生成部２５０と、基準値演算部２６０と、片アーム駆動判定部２７０と、デューティ指令切替判定部２８１と、デューティ指令切替保持部２８２と、原点学習要否判定部２８５と、原点値保持部２９０とを備えて構成されている。

電圧指令生成部２００は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２への要求トルクＴＲ１，ＴＲ２と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転速度ＭＲＮ１，ＭＲＮ２の入力を受ける。そして、これらの情報に基づいて、電圧指令生成部２００は、コンバータ１２の出力電圧（すなわち、インバータ１４の入力電圧）の電圧指令ＶＲＥＦを生成する。

電圧制御部２１０は、本発明の「デューティ指令信号生成手段」の一例であり、減算部２１１及び電圧制御演算部２１２を含む電流指令生成部２１３と、減算部２２１及び電流制御演算部２２２を含む電流制御部２２０とを備えて構成されている。

電流指令生成部２１３における減算部２１１は、電圧指令生成部２００から入力を受ける電圧指令ＶＲＥＦと、電圧センサ１３により検出されたコンバータ１２のシステム電圧のフィードバック値ＶＭとの電圧偏差を演算し、演算結果を電圧制御演算部２１２に出力する。

電圧制御演算部２１２は、減算部２１１によって演算された電圧偏差をＰＩ演算することによって、リアクトルＬ１に流れるリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦを演算する。

このように、電流指令生成部２１３においては、コンバータ１２のシステム電圧のフィードバック制御を行うことによって、リアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦを演算する。

そして、電圧制御演算部２１２は、このリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦを、電流制御部２２０、片アーム駆動判定部２７０及びデューティ指令切替判定部２８１へ出力する。

電流制御部２２０における減算部２２１は、電圧制御演算部２１２からのリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦと、サンプリングホールド部２４０によって、スイッチング周期ごとに検出値がホールドされたリアクトル電流ＩＬのフィードバック値との電流偏差を演算し、電流制御演算部２２２に出力する。

電流制御演算部２２２は、減算部２２１により演算された電流偏差をＰＩ演算することによって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティを演算する。なお、電流制御演算部２２２は、後述する片アーム駆動判定部２７０からの選択フラグＳＥＬによって、スイッチング素子Ｑ１またはＱ２の片アーム駆動制御が選択された場合には、選択された側のスイッチング素子のみによって、リアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦが出力されるようにデューティを演算する。

デューティ指令切替部２３０は、本発明の「デューティ制御手段」の一例であり、電流制御演算部２２２からのデューティ、デューティ比率が１００％とされた所定のデューティ及びデューティ比率が０％とされた所定のデューティからいずれか１つを選択して、キャリア比較コンパレータ２３５にデューティ信号ＤＵＴＹを出力する。

キャリア比較コンパレータ２３５は、本発明の「スイッチング制御信号生成手段」の一例であり、デューティ信号ＤＵＴＹと、キャリア信号生成部２５０からの搬送波ＣＲとの比較に基づいて、コンバータ１２の各相の上下アームのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフを制御するスイッチング制御信号ＰＷＣを生成する。このとき、キャリア比較コンパレータ２３５は、片アーム駆動判定部２７０からの選択フラグＳＥＬに従って、駆動するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を選択する。

このスイッチング制御信号ＰＷＣによって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行の場合は、蓄電装置２８からの出力電圧を所望のインバータ２３の入力電圧まで昇圧する。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が回生の場合は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２により発電されインバータ２３によって変換された直流電力を、蓄電装置２８が充電可能な電圧まで降圧する。

キャリア信号生成部２５０は、本発明の「キャリア信号生成手段」の一例であり、キャリア周波数指令に応じた周波数のキャリア信号ＣＲを、キャリア比較コンパレータ２３５に出力する。また、キャリア信号生成部２５０は、サンプリングホールド部２４０に、キャリア信号ＣＲの１周期ごとにサンプリング信号ＳＭＰを出力する。サンプリングホールド部２４０は、各サンプリング信号ＳＭＰ入力時に、電流センサ１８により検出されたリアクトル電流ＩＬを検出して保持し、その検出した電流値を減算部２４５に出力する。

原点値保持部２９０は、オフセットにより正確な電流値を検出するための原点値を保持しており、減算部２４５に原点値を出力する。減算部２４５は、サンプリングホールド部２４５から入力される値に対して、原点値保持部２９０から入力される原点値による減算処理を行い、演算結果として得られる値を減算部２２１へと出力する。なお、原点値保持部２９０に保持されている原点値は、後述する学習動作によって書き換え可能とされている。

基準値演算部２６０は、蓄電装置２８の出力電圧ＶＢと、システム電圧ＶＭの入力を受ける。そして、これらの情報から、搬送波ＣＲの１周期中にリアクトル電流ＩＬの方向が正から負、または負から正に切替わる状態となる電流基準値ＩＬ１を演算して、片アーム駆動判定部２７０へ出力する。

片アーム駆動判定部２７０は、電圧制御演算部２１２からのリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦと、基準値演算部２６０からの電流基準値ＩＬ１との入力を受ける。片アーム駆動判定部２７０は、これらの情報に基づいて、駆動するスイッチング素子の選択を行う。そして、片アーム駆動判定部２７０は、選択結果である選択フラグＳＥＬをキャリア比較コンパレータ２３５へ出力する。

デューティ指令切替判定部２８１は、電圧制御演算部２１２からのリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦを入力として受け、デューティ指令切替部２３０におけるスイッチをいずれに切替えるかを判定する。即ち、デューティ指令切替部２３０から、電流制御演算部２２２からのデューティ、デューティ比率が１００％とされた所定のデューティ及びデューティ比率が０％とされた所定のデューティのいずれをデューティ信号ＤＵＴＹとして出力させるかを判定する。デューティ指令切替部２３０における判定結果は、デューティ指令切替保持部２８２に出力される。

原点学習要否判定部２８５は、原点保持部２９０に保持されている原点値が正確でないと推測される場合に、原点学習を行うべきであると判定する。原点学習要否判定部２８５は、例えば前回の学習時から所定時間が経過した場合や、環境温度が所定値以上変化した場合に原点学習を行うべきであると判定する。原点学習要否判定部２８５における判定結果は、デューティ指令切替保持部２８２に出力される。

デューティ指令切替保持部２８２は、上述したデューティ指令切替部２３０における判定結果及び原点学習要否判定部２８５における判定結果を入力として受け、これら判定結果に基づいて、デューティ指令切替部２３０におけるスイッチ切替制御及び原点値保持部２９０における原点値の学習を実行させる。即ち、ここでのデューティ指令切替保持部２８２は、本発明の「原点学習手段」の一例である。デューティ指令切替保持部２８２の詳細な動作については後に詳述する。

上述した各部位を含んで構成されたＥＣＵ３０は、一体的に構成された電子制御ユニットであり、上記各部位に係る動作は、全てＥＣＵ３０によって実行されるように構成されている。但し、本発明に係る上記部位の物理的、機械的及び電気的な構成はこれに限定されるものではなく、例えばこれら各部位は、複数のＥＣＵ、各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成されていてもよい。

次に、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の動作について、図３を参照して説明する。ここに図３は、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の全体動作を示すフローチャートである。なお、図３に示されるフローチャート中の各ステップは、説明の便宜上、デューティ指令切替時の処理及び原点学習時の処理を除いたものとなっている。これら除外された処理については後に図４を参照して説明するものとし、ここでは装置の全体的な処理の流れについて説明する。

図３において、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の動作時には、ＥＣＵ３０は、電圧指令生成部２００によって電圧指令ＶＲＥＦを演算する（ステップＳ１０１）。

続いて、ＥＣＵ３０は、電圧制御演算部２１２によってリアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦを演算する（ステップＳ１０２）。

次に、ＥＣＵ３０は、リアクトル電流指令ＩＬＲＥＦが正か否か、すなわちモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態で制御されるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

ここで、リアクトル電流指令ＩＬＲＥＦが正の場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０は、下アームであるスイッチング素子Ｑ２の片アーム駆動制御を行うように、片アーム駆動判定部２７０によって設定する（ステップＳ１０４）。

一方、リアクトル電流指令ＩＬＲＥＦがゼロまたは負の場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が回生状態で制御されるので、ＥＣＵ３０は、上アームであるスイッチング素子Ｑ１の片アーム駆動制御を行うように設定する（ステップＳ１０５）。なお、リアクトル電流指令ＩＬＲＥＦがゼロの場合には、コンバータ１２よる電圧変換は行われないので、実際には上下アームとも駆動されない。

次に、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１０４又はステップＳ１０５で設定された駆動アームと、リアクトル電流指令値ＩＬＲＥＦに基づいて、電流制御演算部２２２によって、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティを演算する（ステップＳ１０６）。

そして、ＥＣＵ３０は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティＤＵＴＹとキャリア信号ＣＲとの比較に基づいて、キャリア比較コンパレータ２３５によってコンバータ１２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動するスイッチング制御信号ＰＷＣ１及びＰＷＣ２を生成し、コンバータ１２に出力する。

以上のような処理によって生成されたスイッチング制御信号ＰＷＣに従いコンバータ１２が制御されることによって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行の場合は下アーム（スイッチング素子Ｑ２）のみが駆動され、またモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が回生の場合は上アーム（スイッチング素子Ｑ１）のみが駆動されるように制御が実行される。
次に、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置による原点学習時の動作について、図４を参照して説明する。ここに図４は、実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の原点学習動作を示すフローチャートである。

図４において、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の動作時には、先ず原点学習要否判定部２８５が、原点学習を行うべきか否かを判定する（ステップＳ２０１）。なお、ここでの「原点学習」とは、電流センサ１８によって検出されるＩＬの値をより正確なものとするために、原点値保持部２９０に保持されている原点値を補正する処理のことを指している。

原点学習を行うべきであると判定すると（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、デューティ指令切替判定部２８１が、片アーム駆動判定部２７０において下アームが選択されているか否か（即ち、スイッチング素子Ｑ２がオンとなるよう選択されているか否か）を判定する（ステップＳ２０２）。

デューティ指令切替保持部２８２は、片アーム駆動判定部２７０において下アームが選択されていると判定した場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、デューティ指令切替部２３０におけるスイッチ切替制御の保持時間を“Ｔ１”に設定すると共に、原点学習フラグを“要”に設定する（ステップＳ２０３）。一方で、デューティ指令切替保持部２８２は、片アーム駆動判定部２７０において下アームが選択されていない（言い換えれば、上アームが選択されている）と判定した場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、デューティ指令切替部２３０におけるスイッチ切替制御の保持時間を“Ｔ２”に設定すると共に、原点学習フラグを“要”に設定する（ステップＳ２０４）。なお、ここでの保持時間“Ｔ１”及び“Ｔ２”は、電流センサ１８において検出される電流値がゼロにまで減衰するのに要する時間として予め設定されている。

他方、原点学習要否判定部２８５が、原点学習を行うべきでないと判定した場合には（ステップＳ２０１：ＮＯ）、デューティ指令切替保持部２８２は、デューティ指令切替部２３０におけるスイッチ切替制御の保持時間を“Ｔ０”に設定すると共に、原点学習フラグを“不要”に設定する（ステップＳ２０５）。ここでの保持時間“Ｔ０”は、上述した保持時間“Ｔ１”及び“Ｔ２”とは異なり、上下アームの短絡を防止するための時間として設定されており、典型的にはＴ１、Ｔ２＞＞Ｔ０の関係となる。

ステップＳ２０３からＳ２０５において保持時間及び原点学習フラグが設定されると、デューティ指令切替判定部２８１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態から回生状態へと切替えられるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。またデューティ指令切替判定部２８１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態から回生状態へと切替えられないと判定した場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が回生状態から力行状態へと切替えられるか否かを判定する（ステップＳ２０７）。

デューティ指令切替保持部２８２は、上述したステップＳ２０６及びＳ２０７の判定結果に基づいて、デューティ指令切替部２３０のスイッチを切替える。具体的には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態から回生状態へと切替えられる場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、デューティ指令を０％としてデューティ信号ＤＵＴＹを出力するようにする（ステップＳ２０８）。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が回生状態から力行状態へと切替えられる場合（ステップＳ２０７：ＹＥＳ）、デューティ指令を１００％としてデューティ信号ＤＵＴＹを出力するようにする（ステップＳ２０９）。更に、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が運転状態の切替えを行わない場合（ステップＳ２０７：ＮＯ）、電流制御演算部２２２からのデューティ指令をデューティ信号ＤＵＴＹとして出力するようにする（ステップＳ２１０）。

なお、電流制御演算部２２２からのデューティ指令をデューティ信号ＤＵＴＹとして出力する場合（即ち、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が運転状態の切替えを行わない場合）には後述する学習動作は行われずに一連の処理が終了する。

他方、デューティ指令を０％としてデューティ信号ＤＵＴＹを出力した場合、デューティ指令切替保持部２８２は、出力を開始してから保持時間“Ｔ１”又は“Ｔ２”が経過したか否かを判定する（ステップＳ２１１）。同様に、デューティ指令を１００％としてデューティ信号ＤＵＴＹを出力した場合も、デューティ指令切替保持部２８２は、出力を開始してから保持時間“Ｔ１”又は“Ｔ２”が経過したか否かを判定する（ステップＳ２１２）。

デューティ信号ＤＵＴＹを切替えて保持時間“Ｔ１”又は“Ｔ２”が経過すると（ステップＳ２１１，Ｓ２１２：ＹＥＳ）、デューティ指令切替保持部２８２は、原点学習フラグが“要”と設定されているか否かを判定する（ステップＳ２１３）。ここで、原点学習フラグが“不要”である場合には（ステップＳ２１３：ＮＯ）、原点学習動作は省略され一連の処理が終了する。一方で、原点学習フラグが“要”である場合には（ステップＳ２１３：ＹＥＳ）、デューティ指令切替保持部２８２は、原点値保持部２９０に対して原点学習を行うように指示を出す（ステップＳ２１４）。

原点学習を行うように指示された原点値保持部２９０は、その時点で検出されている値を原点値として新たに保持する（即ち、原点値を書き換える）。ここで特に、新たな原点値となる値は、デューティ指令を０％又は１００％とした状態（即ち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がいずれもオフとされた状態）で保持時間“Ｔ１”又は“Ｔ２”が経過した際に検出された値であるため、極めてゼロに近い値であると考えられる。よって、このように原点値を補正すれば、例えば温度特性の変化等によって運転中に原点値にずれが生じるような場合であっても、正確に電流値を検出することが可能となる。

また、原点学習が行われない場合であっても、アームの切替え時には、一時的にスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がいずれもオフとされた状態となるため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の一方をオフとしてから、他方をオンとするまでの期間が短くなる（即ち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフ切替えタイミングが互いに近くなる）ことに起因する、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の短絡を好適に防止することができる。

次に、上述した原点学習時の動作について、図５を参照してより具体的に説明する。ここに図５は、実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の原点学習時の各種パラメータの変化を示すタイミングチャートである。

図５において、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態から回生状態へと切替える場合を例にとり考える。なお、図に示すように、チャート開始時点での原点学習フラグは“要”とされているものとし、原点学習の制御実行タイミングはキャリア信号ＣＲの山及び谷であるとする。

この場合、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行状態から回生状態へと切替えられるタイミングで、先ずデューティ指令が０％に切替えられる。デューティ指令が０％の状態は、上述したように保持時間“Ｔ１”保持される。

デューティ指令が０％に切替えられると、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がいずれもオフとなり、電流センサ１８の出力値はゼロに向かって減衰する。なお、この際の減速スピードであるｄｉ／ｄｔの値は、蓄電装置２８の出力電圧ＶＢ、システム電圧ＶＭ、及びリアクトルＬ１のリアクトル値Ｌを用いて、以下の数式（１）及び（２）で表すことができる。

下アーム選択時：ｄｉ／ｄｔ＝（ＶＢ−ＶＭ）／Ｌ ・・・（１）
上アーム選択時：ｄｉ／ｄｔ＝ＶＢ／Ｌ ・・・（２）
よって、上述した数式で表されるｄｉ／ｄｔ及びその時点でのＩＬの推測値に基づいて保持時間“Ｔ１”及び“Ｔ２”を設定すれば、電流値がゼロにまで減衰するまでの時間を正確に推定でき、より好適に原点学習を行える。なお、ＩＬの推測値は、確実に電流値をゼロにまで減衰させるためにも大きめに見積もっておくことが好ましい。但し、大きすぎても不都合が発生するおそれがあるため、例えばコンバータ１２の最大定格電流や、補正前の電流センサ１８の出力値に最悪誤差量を加味した値を用いればよい。

保持時間Ｔ１が経過すると、その時点での電流センサ１８の出力値がゼロであるとしてオフセット補正（原点学習）が行われる。これにより、補正前の電流センサ１８の出力値がオフセット誤差を含んでいたとしても、補正後の電流センサ１８の出力値は真のＩＬの値となる。

オフセット補正が行われた後には、デューティ指令が元の電流制御演算部２２２からの値へと戻されることにより、上アームの駆動が開始される。ここで、図を見ても分かるように、下アームがオフとされてから上アームがオンとされるまでには少なくとも保持時間“Ｔ１”空くことになるので、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の短絡を確実に防止することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置によれば、コンバータ１２における２つのスイッチング素子の短絡を防止すると共に、コンバータ１２に供給される電流の電流値を正確に検出することが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電圧変換装置の制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１２…コンバータ、１８…電流センサ、２０…直流電圧発生部、２２，２３…インバータ、２８…蓄電装置、３０…ＥＣＵ、４０…エンジン、４１…動力分割機構、４２…駆動輪、４５…負荷装置、１００…車両、２００…電圧指令生成部、２１０…電圧制御部、２１１…減算部、２１２…電圧制御演算部、２１３…電流指令生成部、２２０…電流制御部、２２１…減算部、２２２…電流制御演算部、２３０…デューティ指令切替部、２３５…キャリア比較コンパレータ、２４０…サンプリングホールド部、２４５…減算部、２５０…キャリア信号生成部、２６０…基準値演算部、２７０…片アーム駆動判定部、２８１…デューティ指令切替判定部、２８２…デューティ指令切替保持部、２８５…原点学習要否判定部、２９０…原点値保持部、Ｃ２…平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、Ｌ１…リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２…モータジェネレータ、Ｑ１，Ｑ２…スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２…システムリレー。

Claims (1)

1. 互いに直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子、並びに前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に供給される電流の電流値を検出する電流検出手段を備える電圧変換装置の制御装置であって、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のデューティ比率に対応するデューティ指令信号を生成するデューティ指令信号生成手段と、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチング周波数に対応するキャリア信号を生成するキャリア信号生成手段と、
   前記デューティ指令信号及び前記キャリア信号を互いに比較することで、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子の各々のオンオフを切替えるスイッチング制御信号を夫々生成するスイッチング制御信号生成手段と、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を択一的にオンとするように前記スイッチング制御信号生成手段を制御することで、前記第１スイッチング素子を含んでなる第１アーム及び前記第２スイッチング素子を含んでなる第２アームのいずれか一方のみによる片アーム駆動を実現する片アーム駆動制御手段と、
   前記第１アームによる片アーム駆動及び前記第２アームによる片アーム駆動を相互に切替える際に、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子がいずれもオフとなるデューティ指令信号を所定期間生成するようにデューティ指令信号生成手段を制御するデューティ制御手段と、
   前記所定期間内に前記電流検出手段で検出された電流値をオフセット原点として学習する原点学習手段と
   を備えることを特徴とする電圧変換装置の制御装置。

Images