JP2013153583A - 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し、適切な駆動制御を実行する。
【解決手段】電圧変換装置の制御装置（３０）は、第１及び第２スイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）を択一的にオンとすることで片アーム駆動を実現可能な電圧変換装置（１２）を制御する。電圧変換装置の制御装置は、第１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（ＰＷＩ１，ＰＷＩ２）を夫々生成するスイッチング制御信号生成手段と、第１アーム及び第２アームによる片アーム駆動を相互に切替える際に、スイッチング制御信号の立ち上がりタイミングで、第１又は第２スイッチング素子を流れる駆動電流の電流値（ＩＬ）を検出する電流検出手段と、検出された電流値を用いて駆動電流の平均値を推定する電流推定手段と、推定された平均値に基づいて駆動電流を制御する電流制御手段とを備える。
【選択図】図６

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。

そして、電動車両のさらなる燃費向上のためには、このコンバータの損失を低減して効率を向上させることが重要である。このため、例えば特許文献１から３では、昇圧コンバータを片アームだけでスイッチング駆動させるという技術が提案されている。このような技術によれば、電流リプルを減らせる分、コンバータの損失を低減させることができるとされている。

特開２０１１−１２０３２９号公報 特開２００６−０７４９３２号公報 国際公開２０１０−１３７１２７号公報

片アーム駆動を行う場合には、電流方向が正（即ち、力行）から０を経由して負（即ち、回生）に切り替わるのに合わせて、駆動するアームを切替えることが求められる。また、リアクトル電流が不連続モードとなる電流ゼロ付近は、通常の制御ではなく、リアクトル電流に対して非線形の制御を行うことが求められる。以上の結果、片アーム駆動時には、リアクトル電流がゼロとなるタイミングを正確に把握した上で制御を行うことが重要であると考えられる。

しかしながら、例えば一般的な電流センサは使用中に電磁鋼板（コア）が磁化するため、取得した電流値にオフセットが発生するおそれがある。オフセットは、例えば電流が流れていない場合に修正することもできるが、電流が流れている場合の補正は難しく、それゆえ電流センサによって常に正確な電流値を検出し続けることは難しい。従って、片アーム駆動時に、適切なタイミングで適切な制御を実行することは決して容易とは言えない
以上のように、上述した特許文献１から３に記載されている片アーム駆動を行う場合には、ゼロ電流付近の電流値を正確に検出することが困難であるため、アームの切替え時に適切な制御が実行できない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、電圧変換装置に流れる電流の電流値を正確に検出し、適切な駆動制御を実行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スイッチング素子を択一的にオンとすることで、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可能な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、前記スイッチング制御信号の立ち上がりタイミングで、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子を流れる駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、前記検出された電流値を用いて前記駆動電流の平均値を推定する電流推定手段と、前記推定された平均値に基づいて前記駆動電流を制御する電流制御手段とを備える。

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。

また、本発明に係る電圧変換装置は特に、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することで、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を実現することが可能とされている。

片アーム駆動が行われる際には、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が判定される。より具体的には、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が選択され、力行動作を行う場合に第２アームによる片アーム駆動が選択される。このように、片アーム駆動時には、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が適宜切替えられる。

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、スイッチング制御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。具体的には、例えば第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のデューティ比率に対応するデューティ指令信号、及び第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互いに比較されることでスイッチング制御信号が生成される。生成された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、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。

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、電流検出手段による駆動電流（即ち、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子を流れる電流）の電流値の検出が行われる。なお、ここでの「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」とは、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が切替えられる瞬間を意味するものではなく、駆動しているアームが切替わる可能性があると判断できるような期間（例えば、駆動電流の電流値がアーム切替えの閾値であるゼロに近い状態である期間）を含む広い概念である。

また、上述した電流検出手段による駆動電流の電流値の検出は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のうち、駆動している方のスイッチング素子に対するスイッチング制御信号の立ち上がりタイミングで行われる。このため、検出される駆動電流の電流値は、スイッチング素子のオンオフによって周期的に上下する電流値の極値（電流値が正の場合は極小値、電流値が負の場合は極大値）となる。なお、ここでの「立ち上がりタイミング」とは、スイッチング制御信号のパルスが立ち上がる瞬間だけを意味するものではなく、上述した極値を検出し得るタイミングであれば、パルスの立ち上がりから多少ずれたタイミングであっても構わない。

電流検出手段によって駆動電流の電流値が検出されると、電流推定手段によって、検出された電流値から駆動電流の平均値が推定される。なお、ここでの「平均値」とは、比較的長い期間における平均値を意味するものではなく、スイッチング素子のオンオフによって周期的に上下する電流値の瞬間的な平均値（即ち、周期的に上下する電流値の比較的短い期間における実質的な値）を意味している。このため、片アーム駆動時のアームの切替えは、一時的に駆動電流の電流値がゼロとなる時点ではなく、駆動電流の平均値がゼロとなる時点で行われることが好ましいと言える。

電流推定手段によって駆動電流の平均値が推定されると、電流制御手段によって、推定された駆動電流の平均値に基づく駆動電流の制御が行われる。即ち、電流制御手段は、駆動電流の平均値を把握した上で、実現すべき値へと駆動電流を変化させていく。電流制御手段は、例えばスイッチング制御信号のパルス幅を変更するようにスイッチング制御信号生成手段を制御することで、駆動電流を制御する。

ここで、片アーム駆動時には、駆動電流が第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の一方にしか流れない。このため、電流値が正である場合にはアームが切り替わるまで負の電流は流れない。よって、この場合の電流値の下限はゼロとなる。逆に、電流値が負である場合にはアームが切り替わるまで正の電流は流れない。よって、この場合の電流値の上限はゼロとなる。

上述した制約下で電流値が変化する場合、駆動電流の平均値がゼロに近い状態では、電流値の周期的な上下が一時的に乱れた状態となる。このため、駆動電流の平均値がゼロに近い状態では、駆動電流の制御が非線形的な比較的複雑なものとなってしまう。

しかるに本発明では特に、上述したように、電流検出手段において周期的に上下する電流値の極値が検出される。従って、例えば検出される電流値が変化しない場合に、駆動電流の平均値がゼロに近い状態であることを好適に判断することができ、状況に応じて駆動電流を適切に制御することが可能となる。

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、電圧変換装置に流れる電流の電流値を正確に検出し、適切な駆動制御を実行することが可能である。

本発明の電圧変換装置の制御装置の一態様では、前記電流推定手段は、前記検出された電流値が連続して所定の範囲内となった場合に、前記駆動電流の平均値がゼロに近いゼロ付近値であると推定し、前記電流制御手段は、前記駆動電流の平均値が前記ゼロ付近値であると推定された場合に、前記ゼロ付近値に対応するゼロ付近制御を行うように前記スイッチング制御信号生成手段を制御する。

この態様によれば、電流検出手段で検出された電流値が連続して所定の範囲内となった場合に、電流推定手段によって、駆動電流の平均値がゼロに近いゼロ付近値であると推定される。なお、ここでの「所定の範囲」とは、連続して検出された電流値が同じ或いは同じと言える程度に極めて近い状態であることを判定するための閾値であり、電流値の検出精度等に基づいて予め設定されている。また、ここでの「ゼロ付近値」とは、駆動電流の波形がゼロに達することによって制限されるような状態であることを示す駆動電流の平均値に対応する値であり、検出された電流値が連続して所定の範囲内となる（即ち、検出された電流値が制限値であるゼロに達している）ことで推定できる。

駆動電流の平均値がゼロ付近値であると推定された場合には、電流制御手段によって、ゼロ付近値に対応するゼロ付近制御を行うようにスイッチング制御信号生成手段が制御される。なお、ここでの「ゼロ付近制御」とは、駆動電流がゼロに近づくことによって要求される通常とは異なる駆動制御であり、例えばスイッチング制御信号のパルス幅を徐々に狭くしていくような非線形的な制御が挙げられる。

本態様によれば、電流検出手段で検出された電流値が連続して所定の範囲内であるという条件によって、極めて容易且つ的確に駆動電流の平均値がゼロ付近値であることを推定できる。従って、より好適に電圧変換装置の制御を行うことができる。

上述した駆動電流の平均値がゼロ付近値であることを推定可能な態様では、前記検出された電流値が連続して所定の範囲内となった場合の電流値をゼロと推定するゼロ電流推定手段と、前記ゼロと推定された電流値及び前記駆動電流の平均値の推移に基づいて、前記駆動電流の平均値がゼロとなるタイミングを推定するゼロタイミング推定手段とを備え、前記電流制御手段は、前記駆動電流の平均値が前記ゼロタイミングでゼロとな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。

この態様によれば、ゼロ電流推定手段によって、検出された駆動電流の電流値が連続して所定の範囲内となった場合に、連続して所定の範囲となった電流値が上限値又は下限値であるゼロであると推定される。なお、連続して所定の範囲となった２つの電流値に差がある場合には、いずれか一方をゼロであると推定すればよい。或いは、２つの電流値の平均値をゼロであると推定してもよい。

電流値ゼロが推定されると、ゼロタイミング推定手段によって、駆動電流の平均値がゼロとなるタイミングが推定される。ゼロタイミング推定手段は、ゼロと推定された電流値及び駆動電流の平均値の推移に基づいてゼロタイミングを推定する。より具体的には、ゼロタイミング推定手段は、例えば駆動電流の平均値の推移を示す線を延長した線と、ゼロと推定された電流値とがクロスする点をゼロタイミングと推定する。

ゼロタイミングが推定されると、電流制御手段によって、ゼロタイミングで駆動電流の平均値がゼロとなるようにスイッチング制御信号生成手段が制御される。即ち、推定されたゼロタイミングは、電流制御手段による駆動電流の制御に対してフィードフォワード的に用いられる。これにより、駆動電流を確実にゼロタイミングでゼロとすることができる。従って、駆動電流がゼロ付近値となる場合の制御を好適に実行することが可能となる。

上述したゼロタイミングを推定する態様では、前記電流制御手段は、前記ゼロタイミングで前記第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が相互に切替わ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ようにしてもよい。

この場合、ゼロタイミング推定手段によって、駆動電流の平均値がゼロとなるゼロタイミングが正確に推定されているため、電流制御手段によるアーム切替え制御を好適に実行することができる。従って、アーム切替えのタイミングがゼロタイミングからずれることに起因して発生する不具合を効果的に防止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。 両アーム駆動時における電流値の変動を示すチャート図である。 下アーム駆動時の電流の流れを示す概念図である。 上アーム駆動時の電流の流れを示す概念図である。 片アーム駆動時における電流値の変動を示すチャート図である。 実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の動作を示すフローチャートである。 電圧変換装置の制御方法を、順を追って示すチャート図（その１）である。 電圧変換装置の制御方法を、順を追って示すチャート図（その２）である。 電圧変換装置の制御方法を、順を追って示すチャート図（その３）である。 電圧変換装置の制御方法を、順を追って示すチャート図（その４）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、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。ＥＣＵ３０は、本発明の「電圧変換装置の制御装置」の一例であり、具体的には「スイッチング制御信号生成手段」、「電流推定手段」、「電流制御手段」、「ゼロ電流推定手段」及び「ゼロタイミング推定手段」としての機能を有する。なお、ＥＣＵ２０の行う制御については、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、コンバータ１２動作時の電流変動について、図２から図５を参照して説明する。ここに図２は、両アーム駆動時における電流値の変動を示すチャート図である。また図３は、下アーム駆動時の電流の流れを示す概念図であり、図４は、上アーム駆動時の電流の流れを示す概念図である。図５は、片アーム駆動時における電流値の変動を示すチャート図である。

図２において、コンバータ１２が両アーム駆動（即ち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の両方をオンとする駆動）を行う場合には、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ１及びスイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ２がそれぞれスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に供給されることで、リアクトル電流ＩＬの値が制御される。

なお、両アーム駆動時には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の各々によって、正の電流及び負の電流を流すことができるため、例えば図に示すような０を跨ぐ電流制御においても、通常と同様の制御が可能である。

図３及び図４において、本実施形態に係るコンバータ１２は、上述した両アーム駆動に加えて、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のいずれか一方のみをオンとする片アーム駆動を実現することが可能とされている。具体的には、力行時においては、スイッチング素子Ｑ２のみをオンとする下アーム駆動が行われる。この場合、図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１側に流れる電流はダイオードＤ１を介して流れ、スイッチング素子Ｑ２側に流れる電流はスイッチング素子Ｑ２を介して流れる。一方、回生時においては、スイッチング素子Ｑ２のみをオンとする下アーム駆動が行われる。この場合、図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１側に流れる電流はスイッチング素子Ｑ１を介して流れ、スイッチング素子Ｑ２側に流れる電流はダイオードＤ２を介して流れる。

片アーム駆動によれば、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のいずれか一方のみがオンとされるため、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の短絡を防止するために設定されるデッドタイムが不要となる。よって、例えば装置の小型化に伴って高周波化が求められている場合であっても、コンバータ１２の昇圧性能が低下してしまうことを防止できる。

図５において、下アーム駆動が行われる力行時（即ち、リアクトル電流ＩＬが正の場合）には、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ１は供給されず、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ２のみが供給される。また、上アーム駆動が行われる回生時（即ち、リアクトル電流ＩＬが負の場合）には、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ１のみが供給され、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるスイッチング制御信号であるＰＷＩ２は供給されない。

ここで特に、下アーム駆動時には負の電流を流すことができないため、リアクトル電流ＩＬの下限がゼロにかかるような場合には、スイッチング制御信号であるＰＷＩ２のデューティ比率を変更して、非線形的な制御を行うことが求められる。同様に、上アーム駆動時には正の電流を流すことができないため、リアクトル電流ＩＬの上限がゼロにかかるような場合には、スイッチング制御信号であるＰＷＩ１のデューティ比率を変更して、非線形的な制御を行うことが求められる。即ち、片−アーム駆動時には、リアクトル電流ＩＬがゼロに近づいた場合に、通常とは異なる比較的複雑な制御が求められる。

本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置は、上述した片アーム駆動時に特有の制御を好適に実行するために、リアクトル電流ＩＬがゼロに近づいたことを的確に判定することを目的としている。

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６から図１０を参照して説明する。ここに図６は、本実施形態に係る電圧変換装置の制御装置の動作を示すフローチャートである。また図７から図１０は夫々、電圧変換装置の制御方法を、順を追って示すチャート図である。なお、以下では、下アーム駆動が上アーム駆動へと切替えられる場合の動作について説明する。

図６及び図７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、先ず電流センサ１８によって、スイッチング制御信号ＰＷＩの立ち上がりタイミングで、リアクトル電流ＩＬが検出される（ステップＳ１０１）。よって、車両１００が力行状態にあり下アーム駆動が行われている場合には、スイッチング素子Ｑ２に対応するスイッチング制御信号であるＰＷＩ２の立ち上がりタイミングで、リアクトル電流ＩＬが検出される。このようなタイミングでリアクトル電流ＩＬを検出すれば、図７を見ても分かるように、スイッチング素子Ｑ２のオンオフに応じて上下するリアクトル電流ＩＬの極小値を検出することができる。

リアクトル電流ＩＬが検出されると、ＥＣＵ３０においてリアクトル電流ＩＬの平均値が推定される（ステップＳ１０２）。リアクトル電流ＩＬの平均値は、例えば検出されたリアクトル電流ＩＬの値を用いて推定することができる。或いは、スイッチング制御信号ＰＷＩ２の立ち上がりタイミング以外のタイミング（例えば、スイッチング制御信号ＰＷＩ２の立ち上がりタイミングや、キャリア信号の山及び谷のタイミング）で検出されるリアクトル電流ＩＬを用いて推定することもできる。

図６及び図８において、ＥＣＵ３０では、電流センサ１８によって検出されたリアクトル電流ＩＬが連続して所定の範囲内（言い換えれば、同じ値と言えるまでに近い状態）となっているか否かが判定される（ステップＳ１０３）。ここで、本来であれば下がり続けるべきリアクトル電流ＩＬが連続して所定の範囲内となっている場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、リアクトル電流ＩＬの下限がゼロに達し制限された状態であると考えることができる。

この場合、ＥＣＵ３０では、リアクトル電流の平均値がゼロ付近値になったとの判断が行われ、コンバータ１２の制御が、通常制御からゼロ付近値に対応するゼロ付近制御へと切替えられる（ステップＳ１０４）。具体的には、スイッチング制御信号ＰＷＩ２のデューティ比率が変化しない線形的な制御が、図５に示したような、スイッチング制御信号ＰＷＩ２のデューティ比率が変化する非線形的な制御へと切替えられる。

図６及び図９において、ゼロ付近制御が開始されると、ＥＣＵ３０において、連続して所定の範囲内となった電流値が電流ゼロ点であると推定される（ステップＳ１０５）。また、リアクトル電流ＩＬの平均値の推移を延長した線と上記電流ゼロ点とがクロスするタイミングが、リアクトル電流ＩＬの平均値がゼロとなるゼロタイミングであると推定される（ステップＳ１０６）。

ゼロタイミングが推定されると、ＥＣＵ３０によって、ゼロタイミングでリアクトル電流ＩＬの平均値がゼロとなるようにゼロ付近制御が行われる。具体的には、スイッチング制御信号ＰＷＩ２のデューティ比が、ゼロタイミングに基づいて非線形的に制御される。このように、推定されたゼロタイミングは、リアクトル電流ＩＬの制御に対してフィードフォワード的に用いられる。

図６及び図１０において、ゼロ付近制御によってリアクトル電流ＩＬの平均値が徐々に小さくされ、ゼロタイミングとなると（ステップＳ１０８：ＹＥＳ）、ＥＣＵ３０によって、アームの切替え制御が行われる（ステップＳ１０９）。即ち、下アーム駆動が上アーム駆動へと切替えられる。具体的には、ＥＣＵ３０は、スイッチング素子Ｑ２に対応するスイッチング制御信号ＰＷＩ２に代えて、スイッチング素子Ｑ１に対応するスイッチング制御信号ＰＷＩ１を出力するようにすることでアームを切替える。

ここで本実施形態では特に、上述したゼロタイミングの推定によって、リアクトル電流ＩＬの平均値がゼロとなるタイミングが正確に推定されている。よって、アームの切替えを極めて適切なタイミング（即ち、リアクトル電流ＩＬの平均値が極めてゼロに近いタイミング）で行なうことができる。これにより、アームの切替えタイミングがずれることに起因して発生する不具合を効果的に防止することが可能である。

なお、詳細な説明は省略するが、アームの切替え後には、力行時のゼロ付近制御に代えて、回生時のゼロ付近制御が行われる。これにより、正の電流を使えない上アーム駆動においても、適切に駆動電流を制御することができる。

ちなみに、回生時においては、リアクトル電流ＩＬの検出は、スイッチング制御信号ＰＷＩ１の立ち上がりタイミングで行われる。これにより、上述した力行時と同様に、リアクトル電流がゼロに達して制限されている状態であるか否かを判定できる。リアクトル電流ＩＬの平均値が小さくされ、ゼロにかからない状態となると（例えば、検出されたリアクトル電流ＩＬが連続して所定の範囲内とならない場合）、コンバータ１２の制御は、非線形的なゼロ付近制御から線形的な通常制御へと切替えられる。

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に流れる電流の電流値を正確に検出し、適切な駆動制御を実行することが可能である。なお、上述した実施形態では、下アーム駆動が上アーム駆動に切替えられる場合（即ち、力行から回生へと切替えられる場合）を例に挙げ説明したが、上アーム駆動が下アーム駆動に切替えられる場合（即ち、回生から力行へと切替えられる場合）であっても同様の制御を適用可能である。

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、Ｃ２…平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ＩＬ…リアクトル電流、Ｌ１…リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２…モータジェネレータ、ＰＷＩ１，ＰＷＩ２…スイッチング制御信号、Ｑ１，Ｑ２…スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２…システムリレー。

Claims (4)

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スイッチング素子を択一的にオンとすることで、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可能な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、前記スイッチング制御信号の立ち上がりタイミングで、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子を流れる駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、
   前記検出された電流値を用いて前記駆動電流の平均値を推定する電流推定手段と、
   前記推定された平均値に基づいて前記駆動電流を制御する電流制御手段と
   を備えることを特徴とする電圧変換装置の制御装置。
2. 前記電流推定手段は、前記検出された電流値が連続して所定の範囲内となった場合に、前記駆動電流の平均値がゼロに近いゼロ付近値であると推定し、
   前記電流制御手段は、前記駆動電流の平均値が前記ゼロ付近値であると推定された場合に、前記ゼロ付近値に対応するゼロ付近制御を行うように前記スイッチング制御信号生成手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電圧変換装置の制御装置。
3. 前記検出された電流値が連続して所定の範囲内となった場合の電流値をゼロと推定するゼロ電流推定手段と、
   前記ゼロと推定された電流値及び前記駆動電流の平均値の推移に基づいて、前記駆動電流の平均値がゼロとなるタイミングを推定するゼロタイミング推定手段と
   を備え、
   前記電流制御手段は、前記駆動電流の平均値が前記ゼロタイミングでゼロとな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
   ことを特徴とする請求項２に記載の電圧変換装置の制御装置。
4. 前記電流制御手段は、前記ゼロタイミングで前記第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が相互に切替わ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を特徴とする請求項３に記載の電圧変換装置の制御装置。

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