JP2014158343A - Dc−dcコンバータの制御装置 - Google Patents
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Abstract
負荷電流の大きさに係らず、高圧側バッテリの劣化を抑制する。
【解決手段】
入力側とトランスとの間に電気的に接続された1次側回路と、出力側と前記トランスとの間に電気的に接続された2次側回路とにより構成されるDC−DCコンバータの制御装置であって、
検出入力電圧に基づいて、出力電流制限値を所定の値に設定する指令生成部325と、前記出力電流制限値と検出出力電流に基づいて、スイッチング素子をON/OFFするためのデューティを算出するデューティ生成部330と、前記デューティに基づいて、スイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部335と、を備え、
前記デューティ生成部330は、出力電流が前記出力電流制限値以下に制限されるように、前記デューティを生成する。
【選択図】図2
Description
図1は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400を備えたハイブリッド自動車システムを説明する図である。DC−DCコンバータ400の1次側回路とインバータ500の直流側は、高圧側バッテリ10に接続される。高圧側バッテリ10は、ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン電池などが用いられる。DC−DCコンバータ400の2次側回路は、変圧器50を介して1次側回路と磁気的に結合されており、低圧側バッテリ100と、補機系負荷110(以下、負荷110)に並列に接続される。低圧側バッテリ100は、鉛蓄電池などが採用される。
(DC−DCコンバータの制御装置310)
図2は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の制御装置310を説明する図である。DC−DCコンバータ400の制御装置310は、アナログ値をデジタル値に変換するA/D変換器320と、指令生成部325と、デューティ生成部330と、スイッチング信号生成部335と、ゲートドライブ回路340と、を備える。
(指令生成部325)
図3は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の制御装置310に備えた指令生成部325を説明する図である。ただし、指令生成部325は、DC−DCコンバータ400の入力電圧VD5に対して、(1)式のような4つの領域を予め定めている。
すなわち、入力電圧VD5に対して、0以上の電圧値を4つの領域に分け、値が大きい方から順に、第1領域、第2領域、第3領域、第4領域として定めている。
(入力電圧が第1領域に属している場合)
ステップa3の判定において、入力電圧VD5が第1領域に属している場合には、指令生成部325はステップa4で、入力電圧VD5が入力電圧VD5に対して予め定めた上限値VD5HLim以上であるか否かを判定する。
(入力電圧が第2領域に属している場合)
一方ステップa3の判定において、入力電圧VD5が前記第1領域に属していない場合には、指令生成部325はステップa9で、入力電圧VD5が前記第2領域に属しているか否かを判定する。
(入力電圧が第3領域に属している場合)
一方ステップa9の判定において、入力電圧VD5が前記第2領域に属していない場合には、指令生成部325はステップa12で、入力電圧VD5が前記第3領域に属しているか否かを判定する。
(入力電圧が第4領域に属している場合)
一方ステップa12の判定において、入力電圧VD5が前記第3領域に属していない場合には、指令生成部325はステップa14で、入力電圧VD5が前記第4領域に属していると判断する。すなわち、指令生成部325は、高圧側バッテリ10が、過放電の状態に至る可能性が高いと判定する。
(デューティ生成部330)
図4は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の制御装置310に備えたデューティ生成部330を説明する図である。図2に示されるように、デューティ生成部330は、指令生成部325から出力されたDC−DCコンバータ400の出力電圧指令VD10ref及び出力電流制限値ID10Limと、A/D変換器320から出力されたDC−DCコンバータ400の出力電圧VD10及び出力電流ID10を取得する。図4を用いて説明すると、デューティ生成部330は、ステップb1で出力電圧指令VD10refを取得し、ステップb2で出力電流制限値ID10Limを取得し、ステップb3で出力電圧VD10を取得し、ステップb4で出力電流ID10を取得する。
(比例積分制御部600)
図5は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の制御装置310のデューティ生成部330に備えた比例積分制御部600を説明する図である。比例積分制御部600は、乗算部610と、乗算部615と、積算部620と、加算部630を備える。
(スイッチング信号生成部335)
次に、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の制御装置310に備えたスイッチング信号生成部335について説明する。図2で説明したように、スイッチング信号生成部335は、デューティ生成部330から入力されたデューティDutyに基づき、DC−DCコンバータ400のMOSFET210〜280のON/OFF信号S30〜S100を生成する。ON/OFF信号S30〜S60を生成する方法として、例えば位相シフトPWMがある。
次に、スイッチング信号生成部335は、MOSFET220のON/OFF信号S40を生成する。ON/OFF信号S40は、ON/OFF信号S30がONしている期間にOFFし、ON/OFF信号S30がOFFしている期間にONするように生成する。
(ゲートドライブ回路340)
DC−DCコンバータ400の制御装置310に備えたゲートドライブ回路340は、スイッチング信号生成部335から入力されたON/OFF信号S30〜S100をゲート電圧V30〜V100に変換する。そして、ゲートドライブ回路340は、変換したゲート電圧V30〜V100を、DC−DCコンバータ400のMOSFET210〜280のゲートに入力する。これにより、DC−DCコンバータ400のMOSFET210〜240は、ゲート電圧V30〜V100に従ってON/OFFされる。
(入力電圧と出力電圧と出力電流の関係)
次に、上述した本発明の第1の実施形態を適用することより得られるDC−DCコンバータ400の入力電圧V5と出力電圧V10と出力電流I10の関係について、図7と図8の例で説明する。
(入力電圧が第2領域から第1領域に移行した時)
図7は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の出力電圧V10が、下限値V10LLimより大きく、負荷電流が一定の条件において、入力電圧V5が第2領域から第1領域に移行した時の入力電圧V5と出力電圧V10と出力電流I10の関係を説明する図である。
(入力電圧が第3領域から第4領域に移行した時)
図8は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400の出力電圧V10が下限値V10LLimより大きく、負荷電流が上昇する条件において、入力電圧V5が第3領域から第4領域に移行した時の入力電圧V5と出力電圧V10と出力電流I10の関係を説明する図である。
図9は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405を備えたハイブリッド自動車システムを説明する図である。上述した本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ400は、DC−DCコンバータ400の入力電圧V5と出力電圧V10と出力電流I10を検出し、検出した入力電圧V5の大きさに応じて、DC−DCコンバータ400の出力電圧V10と出力電流I10を所定値に制御する。本実施形態では、DC−DCコンバータ405の入力電圧V5と出力電圧V10と入力電流I15を検出し、検出した入力電圧V5の大きさに応じて、DC−DCコンバータ405の出力電圧V10と入力電流I15を所定値に制御する。DC−DCコンバータ405を除いたハイブリッド自動車システムの構成は、上述した本発明の第1の実施形態と同じ構成であるため説明を省略する。
(DC−DCコンバータの制御装置315)
図10は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の制御装置315を説明する図である。DC−DCコンバータ405の制御装置315は、アナログ値をデジタル値に変換するA/D変換器320と、指令生成部327と、デューティ生成部332と、スイッチング信号生成部335と、ゲートドライブ回路340と、を備える。
(指令生成部327)
図11は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の制御装置315に備えた指令生成部327を説明する図である。ただし、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の制御装置315に備えた指令生成部327の出力電圧指令VD10refの生成方法は、上述した本発明の第1の実施形態と同じ方法であるため、説明を省略する。指令生成部327は、上述した本発明の第1の実施形態と同様に、DC−DCコンバータ405の入力電圧VD5に対して、(1)式のような4つの領域を予め定めている。
(入力電圧が第1領域に属している場合)
ステップc3の判定において、入力電圧VD5が第1領域に属している場合には、指令生成部327はステップc4で、入力電圧VD5が前記上限値VD5HLim以上であるか否かを判定する。
(入力電圧が第2領域に属している場合)
一方ステップc3の判定において、入力電圧VD5が前記第1領域に属していない場合には、指令生成部327はステップc9で、入力電圧VD5が前記第2領域に属しているか否かを判定する。
(入力電圧が第3領域に属している場合)
一方ステップc9の判定において、入力電圧VD5が前記第2領域に属していない場合には、指令生成部327はステップc12で、入力電圧VD5が前記第3領域に属しているか否かを判定する。
(入力電圧が第4領域に属している場合)
一方ステップc12の判定において、入力電圧VD5が前記第3領域に属していない場合には、指令生成部327はステップc14で、入力電圧VD5が前記第4領域に属していると判断する。すなわち、指令生成部327は、高圧側バッテリ10が、過放電の状態に至る可能性が高いと判定する。
(デューティ生成部332)
図12は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の制御装置315に備えたデューティ生成部332を説明する図である。ただし、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の制御装置315の指令生成部327に備えた比例積分制御部600の構成は、上述した本発明の第1の実施形態と同じ構成であるため、説明を省略する。図10に示されるように、デューティ生成部332は、指令生成部327から出力されたDC−DCコンバータ405の出力電圧指令VD10ref及び入力電流制限値ID15Limと、A/D変換器320から出力されたDC−DCコンバータ405の出力電圧VD10及び入力電流ID15を取得する。図12を用いて説明すると、デューティ生成部332は、ステップd1で出力電圧指令VD10refを取得し、ステップd2で入力電流制限値ID15Limを取得し、ステップd3で出力電圧VD10を取得し、ステップd4で入力電流ID15を取得する。
(入力電圧と出力電圧と入力電流の関係)
次に、上述した本発明の第2の実施形態を適用することより得られるDC−DCコンバータ405の入力電圧V5と出力電圧V10と入力電流I15の関係について、図13と図14の例で説明する。
(入力電圧が第2領域から第1領域に移行した時)
図13は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の出力電圧V10が下限値V10LLimより大きく、負荷電流が一定の条件において、入力電圧V5が第2領域から第1領域に移行した時の入力電圧V5と出力電圧V10と入力電流I15の関係を説明する図である。
(入力電圧が第3領域から第4領域に移行した時)
図14は、本発明の第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ405の出力電圧V10が下限値V10LLimより大きく、負荷電流が上昇する条件において、入力電圧V5が第3領域から第4領域に移行した時の入力電圧V5と出力電圧V10と入力電流I15の関係を説明する図である。
(DC−DCコンバータの制御装置319)
図15に、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの制御装置319を説明する図である。制御装置319は、A/D変換器320と、指令生成部329と、デューティ生成部334と、スイッチング信号生成部335と、ゲートドライブ回路340と、を備える。
(デューティ生成部334)
図16は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの制御装置に備えたデューティ生成部334を説明する図である。図15に示されるように、デューティ生成部334は、指令生成部329から出力されたDC−DCコンバータの出力電圧指令VD10ref及び電流制限値IDXLimと、A/D変換器320から出力されたDC−DCコンバータの出力電圧VD10及び電流IDXを取得する。図16を用いて説明すると、デューティ生成部334は、ステップe1で出力電力指令VD10refを取得し、ステップe2で電流制限値IDXLimを取得し、ステップe3で出力電圧VD10を取得し、ステップe4で電流IDXを取得する。
(電圧電流制御部606)
図17は、本発明の第3の実施形態に係るDC−DCコンバータの制御装置のデューティ生成部に備えた電圧電流制御部606を説明する図である。電圧電流制御部606は、出力電圧制御用の比例積分制御部602と、入力電流制御用もしくは出力電流制御用の比例積分制御部604(以下、電流制御用の比例積分制御部604とする)と、積算値処理部685と、加算部680を備える。
20 フィルタキャパシタ
25 スナバ用キャパシタ
30 共振用インダクタ
40 変圧器の1次側巻線
50 変圧器
60 変圧器の2次側巻線
70 変圧器の2次側巻線
80 平滑用インダクタ
90 平滑用キャパシタ
100 低圧側バッテリ
110 負荷
190 電圧センサ
192 電圧センサ
200 電流センサ
205 電流センサ
210 MOSFET
220 MOSFET
230 MOSFET
240 MOSFET
250 MOSFET
260 MOSFET
270 MOSFET
280 MOSFET
310 DC−DCコンバータの制御装置
315 DC−DCコンバータの制御装置
319 DC−DCコンバータの制御装置
320 A/D変換器
325 指令生成部
327 指令生成部
329 指令生成部
330 デューティ生成部
332 デューティ生成部
334 デューティ生成部
335 スイッチング信号生成部
340 ゲートドライブ回路
360 モータジェネレータ軸
365 トランスミッション
370 クランクシャフト
375 エンジン
380 プロペラシャフト
400 DC−DCコンバータ
405 DC−DCコンバータ
500 インバータ
510 モータジェネレータ
520 ディファレンシャルギア
530 ドライブシャフト
540 駆動輪
600 比例積分制御部
602 比例積分制御部
604 比例積分制御部
606 電圧電流制御部
610 乗算部
615 乗算部
640 乗算部
645 乗算部
650 乗算部
655 乗算部
620 積算部
660 積算部
665 積算部
630 加算部
670 加算部
675 加算部
680 加算部
685 積算値処理部
S30 ON/OFF信号
S40 ON/OFF信号
S50 ON/OFF信号
S60 ON/OFF信号
S70 ON/OFF信号
S80 ON/OFF信号
S90 ON/OFF信号
S100 ON/OFF信号
V30 ゲート電圧
V40 ゲート電圧
V50 ゲート電圧
V60 ゲート電圧
V70 ゲート電圧
V80 ゲート電圧
V90 ゲート電圧
V100 ゲート電圧
Duty デューティ
DutyC 入力電流制御用もしくは出力電流制御用のデューティ
DutyV 出力電圧制御用のデューティ
Dev 偏差
DevC 電流偏差
DevV 電圧偏差
Fsw スイッチング周波数
FlagC 電流制御切替えフラグ
FlagV 電圧制御切替えフラグ
I10 出力電流
I10Lim 出力電流制限値
ID10 出力電流のデジタル値
ID10Lim 出力電流制限値のデジタル値
ID10HLim 出力電流の上限値のデジタル値
I15 入力電流
I15Lim 入力電流制限値
ID15 入力電流のデジタル値
ID15Lim 入力電流制限値のデジタル値
ID15HLim 入力電流の上限値のデジタル値
IX 入力電流もしくは出力電流
IDX 入力電流もしくは出力電流のデジタル値
IDXLim 入力電流制限値もしくは出力電流制限値のデジタル値
V5 入力電圧
V5HLim 入力電圧の上限値
VD5 入力電圧のデジタル値
VD5HLim 入力電圧に対する上限値のデジタル値
V10 出力電圧
V10HLim 出力電圧の上限値
V10LLim 出力電圧の下限値
VD10 出力電圧のデジタル値
VD10HLim 出力電圧の上限値のデジタル値
VD10LLim 出力電圧の下限値のデジタル値
VD10ref 出力電圧指令
VD10St 出力電圧に対する基準電圧値
Claims (14)
- 入力側とトランスとの間に電気的に接続された1次側回路と、出力側と前記トランスとの間に電気的に接続された2次側回路とにより構成されるDC−DCコンバータの制御装置であって、
前記1次側回路の検出入力電圧に基づいて、前記2次側回路の出力電流制限値を所定の値に設定する指令生成部と、
前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値と前記2次側回路の検出出力電流に基づいて、前記1次側回路を構成するスイッチング素子をON/OFFするためのデューティを算出するデューティ生成部と、
前記デューティ生成部で算出した前記デューティに基づいて、前記1次側回路のスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、を備え、
前記デューティ生成部は、前記2次側回路の出力電流が前記出力電流制限値以下に制限されるように、前記デューティを生成するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧に基づいて、前記2次側回路の出力電圧指令を予め定めた値に設定し、
前記デューティ生成部は、前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値と前記検出出力電流を比較し、
前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値が前記検出出力電流以下である場合には、前記デューティ生成部は、前記2次側回路の出力電流が前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値に一致するように、出力電流制御用のデューティを算出し、
前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値が前記検出出力電流より大きい場合には、前記デューティ生成部は、前記2次側回路の出力電圧が前記指令生成部で設定した前記出力電圧指令に一致するように、出力電圧制御用のデューティを算出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記デューティ生成部で算出した前記出力電流制御用のデューティと前記出力電圧制御用のデューティのいずれか一方のデューティに基づいて、前記スイッチング信号を生成するDC−DCコンバータ。 - 請求項2に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記デューティ生成部は、当該デューティ生成部で算出した偏差及びゲインに基づき前記デューティを算出する比例積分制御部を備え、
前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値が前記検出出力電流以下である場合には、前記デューティ生成部は、前記偏差として前記出力電流制限値と前記検出出力電流の差を前記比例積分制御部に入力し、かつ前記ゲインとして所定の出力電流制御用ゲインを前記比例積分制御部に入力し、
前記指令生成部で設定した前記出力電流制限値が前記検出出力電流より大きい場合には、前記デューティ生成部は、前記偏差として前記出力電圧指令と前記検出出力電圧の差を前記比例積分制御部に入力し、かつ前記ゲインとして所定の出力電圧制御用ゲインを前記比例積分制御部に入力するDC−DCコンバータ。 - 請求項2又は3のいずれかに記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が第1の所定電圧より大きい場合、前記出力電圧指令が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記出力電圧指令を設定し、前記出力電流制限値が前記検出入力電圧の上昇に対して低下するように前記出力電流制限値を設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項4に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第1の所定電圧以下でありかつ当該第1の所定電圧より小さい第2の所定電圧より大きい場合、前記出力電流制限値を前記検出入力電圧が前記第1の所定電圧より大きい場合の前記出力電流制限値以上の上限値に設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項5に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第2の所定電圧以下でありかつ当該第2の所定電圧より小さい第3の所定電圧より大きい場合、前記出力電圧指令を所定の基準電圧値に設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項6に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第3の所定電圧以下である場合、前記出力電圧指令が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記出力電圧指令を設定し、前記出力電流制限値が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記出力電流制限値を設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 入力側とトランスとの間に電気的に接続された1次側回路と、出力側と前記トランスとの間に電気的に接続された2次側回路とにより構成されるDC−DCコンバータの制御装置であって、
前記1次側回路の検出入力電圧に基づいて、前記1次側回路の入力電流制限値を所定の値に設定する指令生成部と、
前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値と前記1次側回路の検出入力電流に基づいて、前記1次側回路を構成するスイッチング素子をON/OFFするためのデューティを算出するデューティ生成部と、
前記デューティ生成部で算出した前記デューティに基づいて、前記1次側回路のスイッチング信号を生成するスイッチング信号生成部と、を備え、
前記デューティ生成部は、前記1次側回路の入力電流が前記入力電流制限値以下に制限されるように、前記デューティを生成するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項8に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧に基づいて、前記2次側回路の出力電圧指令を予め定めた値に設定し、
前記デューティ生成部は、前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値と前記検出入力電流を比較し、
前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値が前記検出入力電流以下である場合には、前記デューティ生成部は、前記1次側回路の入力電流が前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値に一致するように、入力電流制御用のデューティを算出し、
前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値が前記検出入力電流より大きい場合には、前記デューティ生成部は、前記2次側回路の出力電圧が前記指令生成部で設定した前記出力電圧指令に一致するように、出力電圧制御用のデューティを算出し、
前記スイッチング信号生成部は、前記デューティ生成部で算出した前記入力電流制御用のデューティと前記出力電圧制御用のデューティのいずれか一方のデューティに基づいて、前記スイッチング信号を生成するDC−DCコンバータ。 - 請求項9に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記デューティ生成部は、当該デューティ生成部で算出した偏差及びゲインに基づき前記デューティを算出する比例積分制御部を備え、
前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値が前記検出入力電流以下である場合には、前記デューティ生成部は、前記偏差として前記入力電流制限値と前記検出入力電流の差を前記比例積分制御部に入力し、かつ前記ゲインとして所定の入力電流制御用ゲインを前記比例積分制御部に入力し、
前記指令生成部で設定した前記入力電流制限値が前記検出入力電流より大きい場合には、前記デューティ生成部は、前記偏差として前記出力電圧指令と前記検出出力電圧の差を前記比例積分制御部に入力し、かつ前記ゲインとして所定の出力電圧制御用ゲインを前記比例積分制御部に入力するDC−DCコンバータ。 - 請求項9又は10のいずれかに記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が第1の所定電圧より大きい場合、前記出力電圧指令が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記出力電圧指令を設定し、前記入力電流制限値が前記検出入力電圧の上昇に対して低下するように前記入力電流制限値を設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項11に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第1の所定電圧以下でありかつ当該第1の所定電圧より小さい第2の所定電圧より大きい場合、前記入力電流制限値を前記検出入力電圧が前記第1の所定電圧より大きい場合の前記入力電流制限値以上の上限値に設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項12に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第2の所定電圧以下でありかつ当該第2の所定電圧より小さい第3の所定電圧より大きい場合、前記出力電圧指令を所定の基準電圧値に設定するDC−DCコンバータの制御装置。 - 請求項13に記載のDC−DCコンバータの制御装置において、
前記指令生成部は、前記検出入力電圧が前記第3の所定電圧以下である場合、前記出力電圧指令が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記出力電圧指令を設定し、前記入力電流制限値が前記検出入力電圧の上昇に対して上昇するように前記入力電流制限値を設定するDC−DCコンバータの制御装置。
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