JP2015104204A

JP2015104204A - 電圧検出装置

Info

Publication number: JP2015104204A
Application number: JP2013242591A
Authority: JP
Inventors: 正敏田口; Masatoshi Taguchi; 一範渡邉; Kazunori Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2015-06-04

Abstract

【課題】構成の簡素化を図りつつ昇圧コンバータの出力電圧を適正に取得する。
【解決手段】蓄電池４０から入力される電力を昇圧する昇降圧コンバータ２０に適用される電圧検出装置である。昇降圧コンバータ２０は、出力電圧を平滑化する高電圧側平滑コンデンサ２５を備えている。蓄電池４０の負極と高電圧側平滑コンデンサ２５の両端子の一方とは、それぞれ所定の基準電圧に接続されている。電池電圧センサ２８は、蓄電池４０の正極及び負極に接続され、昇降圧コンバータ２０に入力される入力電圧を検出する。差分電圧センサ２７は、昇降圧コンバータ２０における出力電圧と入力電圧との差圧である差分電圧を検出する。コントローラ２６は、入力電圧の検出値及び差分電圧の検出値を取得し、取得した両検出値の和を、昇降圧コンバータ２０が出力する出力電圧として算出する。
【選択図】図１

Description

昇圧コンバータの出力電圧を検出する電圧検出装置に関する。

例えば、ハイブリッド自動車では、リチウムイオン蓄電池の組電池から供給される直流電力を昇圧コンバータを用いて昇圧する。そして、その昇圧された直流電力をインバータを用いて交流電力に変換し、その交流電力を主機としてのモータへ供給する。昇圧コンバータによる昇圧制御は、昇圧コンバータ自身の出力電圧を検出しフィートバック制御することで行われる。ここで、昇圧コンバータの出力電圧は高電圧である。高電圧を測定する場合、分圧器を用い低い電圧を取り出して検出する方法が用いられている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−２５６２２２号公報

しかしながら、昇圧コンバータの出力電圧を検出するために上記技術のように分圧器としての分圧用抵抗及び分圧用コンデンサを設けると、部品点数が増加するという問題がある。特に高電圧を検出する場合、分圧用コンデンサとして電解コンデンサのような大容量のものを用いる必要がある。また、分圧器を用いない場合、電圧の変化範囲が大きく、電圧検出の分解能が低下すると考えられる。

本発明は、上記課題を鑑み、構成の簡素化を図りつつ昇圧コンバータの出力電圧を適正に取得することを目的とする。

電源（４０）から入力される電力を昇圧する昇圧コンバータ（２０）に適用される電圧検出装置（Ｓ）であって、前記昇圧コンバータは、前記昇圧コンバータの出力電圧を平滑化する昇圧用平滑コンデンサ（２５）を備え、前記電源の負極と前記昇圧用平滑コンデンサの両端子の一方とは、それぞれ所定の基準電圧に接続され、前記電源の正極及び負極に接続され、前記昇圧コンバータに入力される入力電圧を検出する入力電圧センサ（２８）と、前記電源の正極、及び、前記昇圧用平滑コンデンサの両端子のうち前記基準電圧に接続されている端子と異なる端子に接続され、前記昇圧コンバータにおける出力電圧と入力電圧との差圧である差分電圧を検出する差分電圧センサ（２７）と、前記入力電圧の検出値及び前記差分電圧の検出値を取得し、取得した両検出値の和を、前記昇圧コンバータが出力する出力電圧として算出する出力電圧算出手段（２６，２９）と、を備えることを特徴とする。

昇圧コンバータの出力電圧を入力電圧の検出値及び差分電圧の検出値の和として算出する。差分電圧を検出する差分電圧センサには、昇圧コンバータの出力電圧と電源の出力電圧（昇圧コンバータの入力電圧）との差圧が入力されることになり、昇圧コンバータの出力電圧と基準電圧との差圧を電圧センサに入力する場合に比べて電圧センサに入力される電圧が低くなり、分圧器を用いる必要がなくなる。また、昇圧コンバータの出力電圧の電圧変化範囲に比べて、差分電圧の電圧変化範囲は、昇圧コンバータの入力電圧分狭くなるため、電圧検出の分解能を向上させることができる。

電源システムの電気的構成を示す図電圧センサの接続を示す図

本実施形態の電圧検出装置は、ハイブリッド自動車の電源システムに適用される。ハイブリッド自動車の電源システムの電気的構成図を図１に示す。

蓄電池４０は、インバータ装置１０を介してモータジェネレータ５０に接続されている。モータジェネレータ５０が主機としてのモータとして動作する場合、蓄電池４０からインバータ装置１０を介して電力を供給される。蓄電池４０からモータジェネレータ５０に電力が供給される際、インバータ装置１０は、蓄電池４０から供給される直流電力（約３００Ｖ）をモータ駆動電圧まで昇圧し、その昇圧された直流電力を三相交流電力（約６００Ｖ）に変換する。

また、モータジェネレータ５０が運動エネルギを供給され発電機として動作する場合、モータジェネレータ５０からインバータ装置１０を介して蓄電池４０に対して電力が供給される。モータジェネレータ５０から蓄電池４０に電力が供給される際、インバータ装置１０は、モータジェネレータ５０から供給される交流電力を直流電力に変換し、その変換された直流電力を降圧する。つまり、インバータ装置１０は、直流交流の双方向変換を行う機能を有する双方向インバータ装置である。

インバータ装置１０は、直流電力の昇降圧を行う昇降圧コンバータ２０と、直流交流双方向の電力変換を行うインバータ回路３０とを備える。インバータ回路３０は、周知の構成であり、６個のＩＧＢＴ３１（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）をＯＮ／ＯＦＦ制御することで直流電力を三相交流電力に変換し、また、三相交流電力を直流電力に変換するものである。

昇降圧コンバータ２０は、非絶縁型昇降圧コンバータであり、低電圧側平滑コンデンサ２３、インダクタンス２４、降圧用ＩＧＢＴ２２、昇圧用ＩＧＢＴ２１、高電圧側平滑コンデンサ２５、及び、コントローラ２６を備えている。

低電圧側平滑コンデンサ２３の両端子は蓄電池４０の正極と、負極（基準電圧）とにそれぞれ接続されている。インダクタンス２４の一方の端子は蓄電池４０の正極に接続されており、他方の端子は昇圧用ＩＧＢＴ２１のコレクタ及び降圧用ＩＧＢＴ２２のエミッタに接続されている。昇圧用ＩＧＢＴ２１のエミッタは基準電圧に接続されている。また、高電圧側平滑コンデンサ２５の一方の端子は降圧用ＩＧＢＴ２２のコレクタ及びインバータ回路３０の入力端子Ｖ＋に接続され、他方の端子は基準電圧及びインバータ回路３０の入力端子Ｖ−に接続されている。また、昇圧用ＩＧＢＴ２１及び降圧用ＩＧＢＴ２２にはそれぞれ還流ダイオードＤ１，Ｄ２が並列接続されている。

昇圧用ＩＧＢＴ２１及び降圧用ＩＧＢＴ２２のゲートにはコントローラ２６の出力信号入力される。コントローラ２６は、昇圧制御を行う際、高電圧側平滑コンデンサ２５の電圧が所定の電圧となるように昇圧用ＩＧＢＴ２１をＯＮ／ＯＦＦ制御するＰＷＭ制御を行う。なお、昇圧制御の実施時において、降圧用ＩＧＢＴ２２は常時ＯＦＦ状態とされる。

また、コントローラ２６は、降圧制御を行う際、低電圧側平滑コンデンサ２３の電圧が所定の電圧となるように降圧用ＩＧＢＴ２２をＯＮ／ＯＦＦ制御するＰＷＭ制御を行う。なお、降圧制御の実施時において、昇圧用ＩＧＢＴ２１は常時ＯＦＦ状態とされる。

本実施形態では、昇降圧コンバータ２０による昇圧前の電圧と昇圧後の電圧との差圧である差分電圧を差分電圧センサ２７によって検出する。差分電圧センサ２７は、低電圧側平滑コンデンサ２３及び高電圧側平滑コンデンサ２５に接続されている。具体的には、差分電圧センサ２７は、蓄電池４０の正極、低電圧側平滑コンデンサ２３及びインダクタンス２４が接続されている接続点Ｂと、降圧用ＩＧＢＴ２２のコレクタ、還流ダイオードＤ２のカソード、及び高電圧側平滑コンデンサ２５が接続されている接続点Ｃと、に接続されている。つまり、差分電圧センサ２７は、インダクタンス２４によって生じる電圧変化を検出する。

また、昇降圧コンバータ２０から見て低電圧側の電圧を電池電圧センサ２８によって検出する。電池電圧センサ２８は、蓄電池４０の負極、及び低電圧側平滑コンデンサ２３が接続されている接続点Ａと、接続点Ｂとに接続されている。

図２に接続点Ａ，Ｂ，Ｃ、電圧センサ２７，２８、及びコントローラ２６の接続を示す。電圧センサ２７，２８は、差動増幅回路であり、ＡＤ変換器２９を介してコントローラ２６へ接続されている。電圧センサ２７，２８、ＡＤ変換器２９、コントローラ２６は、電圧検出装置Ｓを構成している。

差動増幅回路としての差分電圧センサ２７には、接続点Ｂ（電池電圧）及び接続点Ｃ（インバータ電圧）が接続されており、電池電圧とインバータ電圧との差（Ｂ−Ｃ間電圧）を利得（Ｒ２／Ｒ１）で増幅してＡＤ変換器２９に出力する。また、差動増幅回路としての電池電圧センサ２８には、接続点Ａ（基準電圧）及び接続点Ｂ（電池電圧）が接続されており、基準電圧と電池電圧との差（Ａ−Ｂ間電圧）を利得（Ｒ４／Ｒ３）で増幅してＡＤ変換器２９に出力する。

接続点Ｂと差分電圧センサ２７とを接続する配線、及び、接続点Ｂと電池電圧センサ２８とを接続する配線は共通のものである。具体的には、接続点Ｂと接続される差分電圧センサ２７の端子と電池電圧センサ２８の端子とを接続することで、接続点Ｂと電池電圧センサ２８とは接続されている。

ＡＤ変換器２９は、内部に複数のＡＤ変換回路を備え、入力された電圧をデジタル値に変換して、そのデジタル値をコントローラ２６に出力する。差動増幅回路としての電圧センサ２７，２８の出力は、ＡＤ変換器２９に対して入力される。ＡＤ変換器２９は、クロックパルスＣＬＫが入力される毎に、入力電圧のアナログ信号を取得して、その取得したアナログ信号を内部のＡＤ変換回路でデジタル信号に変換するものである。このため、差動増幅回路としての電圧センサ２７，２８の出力は同期してＡＤ変換器２９に取得され、ＡＤ変換器２９においてデジタル信号に変換される。

コントローラ２６は、ＡＤ変換器２９からデジタル信号として入力される電圧センサ２７，２８の検出値を取得する。コントローラ２６は、取得した電池電圧（Ａ−Ｂ間電圧）の検出値に基づいて、降圧制御を実施する。

また、出力電圧算出手段としてのコントローラ２６は、電池電圧センサ２８の検出値（Ａ−Ｂ間電圧）及び差分電圧センサ２７の検出値（Ｂ−Ｃ間電圧）を取得する。そして、その取得した電池電圧の検出値及び差分電圧の検出値を加算することで、昇降圧コンバータ２０から見て高電圧側であるインバータ電圧（Ａ−Ｃ間電圧）を算出し、その算出値に基づいて昇圧制御を実施する。

更に、コントローラ２６は、電池電圧及びインバータ電圧とそれぞれの上限電圧とを比較し、そのいずれか一方が上限電圧を超えている場合には、過電圧が生じていると判定し、昇降圧を停止する。電池電圧の上限電圧は、蓄電池４０が過充電にならないように定められており、インバータ電圧の上限電圧は、インバータ回路３０の耐圧に基づいて定められている。

以下、本実施形態の奏する効果を述べる。

コントローラ２６は、電池電圧の検出値及び差分電圧の検出値の和をインバータ電圧として算出する。差分電圧を検出する差分電圧センサ２７には、昇降圧コンバータ２０から見て高電圧側であるインバータ電圧（Ａ−Ｃ間電圧）から、昇降圧コンバータ２０から見て低電圧側である電池電圧（Ａ−Ｂ間電圧）を引いた差分電圧（Ｂ−Ｃ間電圧）が入力されることになる。このため、インバータ電圧と基準電圧との差圧（Ａ−Ｃ間電圧）を電圧センサに入力して検出値を取得する場合に比べて、電圧センサに入力される電圧が低くなり、電圧センサに対して分圧器を用いる必要がなくなる。

また、インバータ電圧の電圧変化範囲に比べて、差分電圧の電圧変化範囲は、電池電圧分狭くなるため、電圧検出の分解能を向上させることができる。なお、本実施形態における差分電圧の下限値は還流ダイオードＤ２の順方向降下電圧Ｖｆとなり、上限値は電池電圧と昇降圧コンバータ２０の利得Ｆから１を引いた値との積となる。

電池電圧と差分電圧は時間変化するものである。このため、電池電圧の検出値及び差分電圧の検出値を異なるタイミングで取得すると、それぞれの検出値が正しい値であったとしても、電池電圧と差分電圧との和として算出されるインバータ電圧の精度が低下する。本実施形態では、両電圧センサ２７，２８としての差動増幅回路の出力は、同期してＡＤ変換器２９に取得され、デジタル値に変換されてコントローラ２６に出力される。これにより、電池電圧と差分電圧とが異なったタイミングで検出されることを抑制することができ、インバータ電圧の算出精度が向上する。

車両に搭載されて主機に電力供給を行う蓄電池４０の出力電圧（電池電圧）は３００Ｖ程度と高電圧であり、主機として動作するモータジェネレータ５０に供給される電圧（インバータ電圧）は６００Ｖ程度と高電圧である。このため、インバータ電圧を直接検出する代わりに、差分電圧を検出する構成とすることで、電圧センサに入力される電圧を大幅に下げることが可能になる。

特に、昇降圧コンバータ２０では、電池電圧の検出値を用いて降圧制御を行うため、電池電圧センサ２８は必須の構成である。インバータ電圧を算出するために、この電池電圧センサ２８を兼用する構成としたため、新たに電圧センサを増加させることなく、電池電圧の検出値及び差分電圧の検出値に基づくインバータ電圧の算出を実施できる。

両電圧センサ２７，２８としての差動増幅回路に入力される電圧が、インバータ電圧と基準電圧との差圧（Ａ−Ｃ間電圧）より低い電圧である電池電圧（A−B間電圧）及び差分電圧（Ｂ−Ｃ間電圧）となるため、インバータ電圧と基準電圧との差圧を差動増幅回路に入力する場合に比べて、配線間の絶縁距離を短くすることができる。ここで、絶縁距離とは、配線間で絶縁破壊が生じないように確保すべき距離のことである。

（他の実施形態）
・上記実施形態では、昇圧機能に加えて降圧機能を有する昇降圧コンバータ２０を用いたが、これを変更してもよい。例えば、降圧機能を有しない昇圧コンバータを用いてもよい。

・上記実施形態では、非絶縁型昇降圧コンバータを用いたが、これを変更してもよい。この場合、降圧側の基準電圧と昇圧側の基準電圧とを等電位にするとよい。

・内部に複数のＡＤ変換回路を備えるＡＤ変換器２９に２つの差動増幅回路の出力が入力される構成としたが、これを変更してもよい。例えば、ＡＤ変換器を２つ設け、異なるＡＤ変換器に差動増幅回路の出力がそれぞれ入力される構成としてもよい。この場合、２つのＡＤ変換器にクロックパルスが同時に入力される構成とするとよい。

・昇降圧コンバータは、車両以外に搭載されるものであってもよい。例えば、携帯電話やノートパソコンなどの移動端末に対して搭載されるものであってもよい。

２０…昇降圧コンバータ（昇圧コンバータ）、２５…高電圧側平滑コンデンサ（昇圧用平滑コンデンサ）、２６…コントローラ、２７…差分電圧センサ、２８…電池電圧センサ（入力電圧センサ）、２９…ＡＤ変換器、Ｓ…電圧検出装置、４０…蓄電池（電源）。

Claims

電源（４０）から入力される電力を昇圧する昇圧コンバータ（２０）に適用される電圧検出装置（Ｓ）であって、
前記昇圧コンバータは、前記昇圧コンバータの出力電圧を平滑化する昇圧用平滑コンデンサ（２５）を備え、
前記電源の負極と前記昇圧用平滑コンデンサの両端子の一方とは、それぞれ所定の基準電圧に接続され、
前記電源の正極及び負極に接続され、前記昇圧コンバータに入力される入力電圧を検出する入力電圧センサ（２８）と、
前記電源の正極、及び、前記昇圧用平滑コンデンサの両端子のうち前記基準電圧に接続されている端子と異なる端子に接続され、前記昇圧コンバータにおける出力電圧と入力電圧との差圧である差分電圧を検出する差分電圧センサ（２７）と、
前記入力電圧の検出値及び前記差分電圧の検出値を取得し、取得した両検出値の和を、前記昇圧コンバータが出力する出力電圧として算出する出力電圧算出手段（２６，２９）と、
を備えることを特徴とする電圧検出装置。
前記出力電圧算出手段は、前記入力電圧の検出値及び前記差分電圧の検出値を同期して取得することを特徴とする請求項１に記載の電圧検出装置。
前記電源から車両の主機としてのモータ（５０）へ電力を供給する車載インバータ装置（１０）を備える電源システムに適用され、前記昇圧コンバータは前記電源から入力される電力をモータ駆動電圧へ昇圧するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧検出装置。
前記車載インバータ装置は、車載発電機から供給される電力を前記電源としての蓄電池へ供給する双方向インバータ装置であり、
前記昇圧コンバータは、昇圧機能に加えて前記車載発電機から供給される電力を降圧して前記蓄電池へ供給する機能を備える昇降圧コンバータであり、前記蓄電池の正極及び負極に接続され、前記蓄電池側の電圧を平滑化する蓄電池側平滑コンデンサ（２３）を備える前記電源システムに適用され、
前記蓄電池側平滑コンデンサの両端子に接続され、前記蓄電池側平滑コンデンサの電圧を検出する蓄電池側電圧センサを備え、前記蓄電池側電圧センサを前記入力電圧センサとして用いることを特徴とする請求項３に記載の電圧検出装置。