JP2013121312A - 親環境車両用パルス幅変調コンバータの電流補償方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、DC−DCコンバータをスイッチングさせるPWM信号がオンであるか否かを判定する過程と、インダクタから出力される実際電流と測定電流の間の上昇半周期又は下降半周期の大きさと遅延時間とを比較する過程と、上昇半周期又は下降半周期の大きさと遅延時間との比較結果に基づいて電流変化量を算出し、電流変化量を補正するためのオフセット補正値を決定する過程と、オフセット補正値を適用してインダクタの測定電流を補償する過程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図7
Description
親環境車両は、燃料電池自動車、電気自動車、プラグイン電気自動車などを含み、高電圧/大電流のパワーネット(Powernet)を使用して駆動力を生成する。
親環境車両は、要求される駆動力を生成するためにモータ、モータの駆動を制御するためのインバータ、及びバッテリに貯蔵された350V〜450Vの高電圧を昇圧させ、インバータに安定した電圧で電流を供給するDC−DCコンバータを含む。
親環境車両は、パルス幅変調コンバータ(Pulse Width Modulation Converter、以後「PWMコンバータ」と記す)を利用して電圧を昇圧させる過程において、インダクタ(Inductor)から出力される電流を検出して、電流制御とパワー制限などの保護機能を実行する。そして、インバータはモータの各相に流れる電流を検出して電流制御を行い、電流制御を通じてモータの駆動力を発生すさせる。
図8に示すように、制御機から印加される第1PWMデューティ信号(PWM P)と第2PWMデューティ信号(PWM N)とにより、第1、2スイッチング素子がスイッチングされるときに、第1、2スイッチング素子のオン/オフ遅延、電流センサの位相遅延、及びフィルタ回路位相遅延などにより、インダクタの実際出力電流(ideal)と測定電流(Real)は出力に対比してTd1、Td2だけの遅延が発生し、中間値ではないオフセット値が発生する。
インダクタ電流のセンシング遅延はシステム的に不可避なものであるが、これを最小化するために、オン/オフ特性が速いパワーモジュールと位相遅延応答性能に優れたセンサとフィルタ回路を使用しなければならない。しかし、このような素子は極めて高価であり、親環境車両の環境条件を満たす素子は極めて制約される。
従来の親環境車両では、DC−DCコンバータおよびモータのインダクタ電流を測定するために、A/Dセンシング遅延方式、位相遅延方式、平均電流演算方式などを適用している(例えば特許文献1を参照)。
しかし、このような方式は、デジタル制御を適用する場合には、電流制御のためのプロセッサの演算に制限を有するという問題点がある。
また、平均電流演算方式は、一周期の2度の電流サンプリングによって平均電流を求める方式であって、一周期内に多重のサンプリングを要求することにより、一周期内に1度の制御を要求する方式には可能であるが、一周期内に多重の制御をする方式には適さない。
また、測定時間の遅延が印加されたPWMデューティ信号よりも大きい場合、オフセット値の補償に誤差が発生するという問題点がある。
図1は、本発明の1実施形態に係る親環境車両用DC−DCコンバータのインバータを概略的に示す図である。
図1に示すように、本発明は、バッテリ101、DC−DCコンバータ102、インバータ103、モータ104、および制御機200を含む。
バッテリ101は、例えば、ニッケル−水素、リチウム−イオン2次電池、大容量キャパシタのうちのいずれか1つで構成されてもよく、貯蔵された直流高電圧をDC−DCコンバータ102に供給する。
DC−DCコンバータ102は、平滑キャパシタ(Cbc)とインダクタ(L)、第1スイッチング素子(S1)と第2スイッチング素子(S2)、およびDCリンクキャパシタ(Cdc)を有する。
インダクタ(L)は、平滑キャパシタ(Cbc)を経て印加される電圧を電流の変化量に応じて誘導し、電流が急激に変化することを防ぐ。
DCリンクキャパシタ(Cdc)は、第1スイッチング素子(S1)と第2スイッチング素子(S2)とによって昇圧された電圧を一時貯蔵した後、インバータ103に供給する。
インバータ103は、U、V、W相を出力する電力スイッチング素子が上側と下側に区分され、直列に連結される。
モータ104は三相交流電動機であって、インバータ103から供給される三相交流電圧によって駆動トルクを発生させ、車両の回生制動時に発電機として作動する。
本発明は、親環境車両の運行中に、DC−DCコンバータ102のスイッチングによってバッテリ101の電圧を昇圧させる過程において、DC−DCコンバータに含まれるインダクタ(L)から脈動波形態に出力される電流を検出する実際電流と測定電流との時間差に対するオフセットを補正する技術であるため、これについては具体的に説明する。しかし、他の制御の動作は通常の親環境車両の運用と同一あるいは類似しているため、具体的な説明は省略する。
図2に示すように、DC−DCコンバータ102に設置されている第1スイッチング素子(S1)と第2スイッチング素子(S2)とをスイッチングさせてバッテリ101の電圧を昇圧させるとき、インダクタ(L)からは脈動波形態の電流が出力される。
このとき、電圧方程式を利用すれば、インダクタ(L)から出力される電流の上昇傾斜は数1のように算出することができ、下降傾斜は数2のように算出することができる。
図3に示すように、PWM信号のオン/オフモードを次のとおりに定義する。
例えば、DC−DCコンバータ102の第1スイッチング素子(S1)のスイッチングオン/オフ信号であるP相を基準とし、K=0となる時点からPWMオフシーケンスとして定義し、K=1となる時点からPWMオンシーケンスとして定義する。
図4は、DC−DCコンバータのスイッチングにより、インダクタ(L)から出力される実際電流と測定電流の上昇傾斜と下降傾斜とが重複する時点を有する例を示している。
したがって、PWMオンモードによるインダクタ(L)出力電流の上昇において電流変化量は数5を適用して算出でき、PWMオフモードによるインダクタ(L)出力電流の下降において電流変化量は数6を適用して算出できる。
図5は、PWMオン/オフによってDC−DCコンバータのインダクタ(L)から出力される実際電流と測定電流との傾斜が互いに異なる例を示している。図5に示すように、インダクタ(L)から出力される実際電流と測定電流との遅延時間が0.5×D’×Tsよりも大きい場合、実際電流と測定電流の間の電流変化量補償を一般的な状況で行う場合は、図面から分かるように、電流変化量がIL_errorだけ発生する。
まず、図5において、上昇傾斜の遅延時間「a’」と下降傾斜の遅延時間「a」は、下記数7を適用して算出できる。
図6に示すように、インダクタ(L)から出力される実際電流と測定電流とをダブルサンプリングによって電流測定する例を示す図である。
ダブルサンプリングの場合は、図6から分かるように、以前DN−1とDNの差の半分だけが移動する。
まず、図6において、上昇傾斜の遅延時間「a’」、「b’」は数13が適用されて検出され、下降傾斜の遅延時間「a」、「b」は数14が適用されて算出される。
図7に示すように、制御機200は、DC−DCコンバータ102のPWM制御を分析し、第1スイッチング素子(S1)を基準としてPWMオンモードであるか否かを判断する(S100)。
S200において、制御機200は、上昇半周期(D’Ts)の大きさが遅延時間(tdelay)よりも小さい値を有すれば、インダクタ(L)から出力される実際電流と測定電流の傾斜が他の特殊な状況であると判定し、上昇傾斜の電流変化量は数式(9)を適用して算出し、電流変化量を補償するための第1オフセット補正値を決定する(S210)。
S300において、制御機200は、下降半周期(DTs)の大きさが遅延時間(tdelay)よりも小さい値を有すれば、インダクタ(L)から出力される実際電流の測定電流の傾斜が他の特殊な状況であると判定し、下降傾斜の電流変化量は数10を適用して算出し、電流変化量を補償するための第3オフセット補正値を決定する(S310)。
102 DC−DCコンバータ
103 インバータ
104 モータ
200 制御機
Claims (6)
- パルス幅変調コンバータ(Pulse Width Modulation Converter、以後「PWMコンバータ」と記す)をスイッチングさせるパルス幅変調信号(Pulse Width Modulation信号、以後「PWM信号」と記す)を分析する過程と、
前記PWM信号がオンであれば、インダクタから出力される実際電流および測定電流の間の上昇半周期の大きさと遅延時間と、を比較する過程と、
前記上昇半周期の大きさと遅延時間と、の比較結果によって電流変化量を算出し、前記電流変化量を補正するためのオフセット補正値を決定する過程と、
前記オフセット補正値を適用してインダクタの測定電流を補償する過程と、
を有することを特徴とする親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。 - 前記PWM信号がオフであれば、前記インダクタから出力される実際電流および測定電流の間の下降半周期の大きさと遅延時間と、を比較する過程と、
前記下降半周期の大きさと遅延時間と、の比較結果によって電流変化量を算出し、前記電流変化量を補正するためのオフセット補正値を決定する過程と、
前記オフセット補正値を適用して前記インダクタの測定電流を補償する過程と、
をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。 - 前記PWM信号のオンの状態で、前記上昇半周期の大きさと遅延時間との比較において、上昇半周期の大きさが遅延時間よりも小さければ、インダクタから出力される実際電流および測定電流の傾斜が異なる状況であると判定し、上昇傾斜の電流変化量を算出して電流変化量を補正するのためのオフセット補正値を決定することを特徴とする請求項1に記載の親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。
- 前記PWM信号のオンの状態で、前記上昇半周期の大きさと遅延時間の比較において、前記上昇半周期の大きさが前記遅延時間よりも大きければ、前記インダクタから出力される実際電流と測定電流の傾斜が同じであると判定し、上昇傾斜の電流変化量を算出して電流変化量を補正するのためのオフセット補正値を決定することを特徴とする請求項1に記載の親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。
- 前記PWM信号のオフの状態で、前記下降半周期の大きさ及び遅延時間の比較において、前記下降半周期の大きさが前記遅延時間よりも小さければ、前記インダクタから出力される実際電流と測定電流の傾斜が異なる状況であると判定し、下降傾斜の電流変化量を算出して電流変化量を補正するのためのオフセット補正値を決定することを特徴とする請求項2に記載の親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。
- 前記PWM信号のオフの状態で、前記下降半周期の大きさと遅延時間の比較において、前記下降半周期の大きさが前記遅延時間よりも大きければ、前記インダクタから出力される実際電流と測定電流の傾斜が同じであると判定し、下降傾斜の電流変化量を算出して電流変化量を補正するのためのオフセット補正値を決定することを特徴とする請求項2に記載の親環境車両用PWMコンバータの電流補償方法。
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