JP2016131429A - 電源装置、産業車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】DCリンク電圧VDCの変動を抑制可能な電源装置を提供する。
【解決手段】双方向DC/DCコンバータ110は、1次側と2次側で双方向にエネルギーを授受可能に構成される。コンバータコントローラ130は、双方向DC/DCコンバータ110を制御する。フィードバックコントローラ140は、DCバスに生ずるDCリンク電圧VDCが所定の目標電圧Vrに近づくように値が調節されるフィードバック値DFBを生成する。フィードフォワード部142は、フィードバック値DFBに、負荷に流れる負荷電流IMが反映されたフィードフォワード値DFFを重畳し、双方向DC/DCコンバータ110のデューティ比を指示するデューティ指令値S4を生成する。
【選択図】図3
【解決手段】双方向DC/DCコンバータ110は、1次側と2次側で双方向にエネルギーを授受可能に構成される。コンバータコントローラ130は、双方向DC/DCコンバータ110を制御する。フィードバックコントローラ140は、DCバスに生ずるDCリンク電圧VDCが所定の目標電圧Vrに近づくように値が調節されるフィードバック値DFBを生成する。フィードフォワード部142は、フィードバック値DFBに、負荷に流れる負荷電流IMが反映されたフィードフォワード値DFFを重畳し、双方向DC/DCコンバータ110のデューティ比を指示するデューティ指令値S4を生成する。
【選択図】図3
Description
本発明は、双方向DC/DCコンバータに関する。
近年のパワーショベルやクレーンをはじめとする建設機械において、上部旋回体の動力源として、油圧モータと交流電動機のハイブリッド型が利用される。ハイブリッド型の旋回動力源は、上部旋回体の加速時において、交流電動機によって油圧モータをアシストし、減速時においては交流電動機によって回生運転を行い、発電エネルギーによってバッテリなどの蓄電器を充電する。
交流電動機とバッテリ間でエネルギーを相互に授受するために、双方向DC/DCコンバータ(昇降圧コンバータともいう)を用いた電源装置が設けられる。図1は、電源装置100rの基本構成を示す回路図である。電源装置100rは、蓄電器102、DCバス104、双方向DC/DCコンバータ110、コントローラ120を備える。
双方向DC/DCコンバータ42の1次側には蓄電器102が接続され、その2次側にはDCバス104が接続される。DCバス104は、負荷200と接続される。負荷200は、電動機およびインバータを含む。電源装置100rからみて、負荷200は、可変の負荷電流IMを生成する可変電流源として作用する。たとえば交流電動機が力行運転するとき、負荷電流IMは正であり、回生運転するとき負荷電流IMは負となる。
双方向DC/DCコンバータ110は、リアクトル(インダクタ)L1、平滑キャパシタC1、トランジスタM1、M2を含む。双方向DC/DCコンバータ110のトポロジーは公知であるため説明を省略する。
コントローラ120は、上流のコントローラから、DCバス104の電圧(DCリンク電圧)VDCの目標値を指示する電圧指令Vrを受け、DCリンク電圧VDCが電圧指令Vrと一致するように、トランジスタM1、M2のスイッチングのデューティ比を制御する。
図1の電源装置100rにおいて、平滑キャパシタC1の充放電電流ICHGは、双方向DC/DCコンバータ110が生成する電流(キャパシタ電流という)Icと負荷電流IMの和であたえられる。ある時刻に、負荷200の回生電流IM(<0)が急峻に増大すると、平滑キャパシタC1に流れ込む充電電流ICHGが急激に上昇することとなる。DCリンク電圧VDCを一定に保つには、双方向DC/DCコンバータ110が、回生電流IMの増大に追従して、キャパシタ電流Icを増大させる必要がある。ところがコントローラ120の応答速度は有限であるため、キャパシタ電流Icが回生電流IMの上昇に追従できない場合があり、結果としてDCリンク電圧VDCが跳ね上がることとなる。DCリンク電圧VDCが双方向DC/DCコンバータ110や負荷200を構成する回路部品の耐圧を超える程度に跳ね上がると、装置の信頼性に影響を及ぼすおそれがある。
同様に、ある時刻に負荷200の力行電流IMが急峻に増大すると、平滑キャパシタC1から流れ出る放電電流ICHGが急激に上昇し、DCリンク電圧VDCが急激に低下する可能性もある。これらの問題を解決するためには、平滑キャパシタC1を大容量化すればよいが、これは回路面積およびコストの増加を招くため好ましくない。
本発明は、かかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、DCリンク電圧VDCの変動を抑制可能な電源装置の提供にある。
本発明のある態様の電源装置は、1次側に蓄電器が接続され、2次側にDCバスを介して負荷が接続され、1次側と2次側で双方向にエネルギーを授受可能に構成された双方向DC/DCコンバータと、双方向DC/DCコンバータを制御するコンバータコントローラと、を備える。コンバータコントローラは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるフィードバック値を生成するフィードバックコントローラと、フィードバック値に、負荷に流れる負荷電流が反映されたフィードフォワード値を重畳し、双方向DC/DCコンバータのデューティ比を指示するデューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、デューティ指令値にもとづいて双方向DC/DCコンバータをスイッチングするドライバと、を備える。
この態様によると、フィードフォワード値を、負荷電流に応じて変化させることにより、フィードバックループのみにより負荷電流の変動に追従させる場合に比べてDCリンク電圧VDCの変動を抑制でき、即応性を高めることができる。
フィードフォワード値は、負荷電流IMと、その経路上の抵抗rの積rIMの項を含んでもよい。
蓄電器の電圧をVB、DCバスに生ずるDCリンク電圧VDCの目標値をVrとするとき、フィードフォワード値DFFは、
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
であってもよい。これにより、DFF=VB/VDC(=VB/Vr)とした場合に比べて、高速な制御が可能となる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
であってもよい。これにより、DFF=VB/VDC(=VB/Vr)とした場合に比べて、高速な制御が可能となる。
フィードフォワード部は、抵抗rの値を双方向DC/DCコンバータのリアクトルの温度に応じて変化させてもよい。
リアクトルの温度Tが上昇すると、その等価直流抵抗が増加し、rIMの影響が大きくなる。特に負荷電流IMが増加すると、それにともないリアクトルに流れる電流が増加し、リアクトルの温度Tが上昇することから、rIMの影響は一層大きくなる。そこで温度依存性を考慮することで、温度上昇時の電圧変動を抑制できる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(T)IM))/2VDC
r(T)は、抵抗rの温度依存性を表す関数である。
リアクトルの温度Tが上昇すると、その等価直流抵抗が増加し、rIMの影響が大きくなる。特に負荷電流IMが増加すると、それにともないリアクトルに流れる電流が増加し、リアクトルの温度Tが上昇することから、rIMの影響は一層大きくなる。そこで温度依存性を考慮することで、温度上昇時の電圧変動を抑制できる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(T)IM))/2VDC
r(T)は、抵抗rの温度依存性を表す関数である。
フィードフォワード部は、抵抗rの値を、双方向DC/DCコンバータのリアクトルに流れる電流に応じて変化させてもよい。
リアクトルの電流ILが増大すると、リアクトルの温度が上昇し、その等価直流抵抗が増加する。つまり抵抗rの値は、リアクトルの電流ILに応じて変化する。そこで電流依存性を考慮することで、大電流時の電圧変動を抑制できる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL)IM))/2VDC
r(IL)は、抵抗rのリアクトル電流の依存性を表す関数である。
リアクトルの電流ILが増大すると、リアクトルの温度が上昇し、その等価直流抵抗が増加する。つまり抵抗rの値は、リアクトルの電流ILに応じて変化する。そこで電流依存性を考慮することで、大電流時の電圧変動を抑制できる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL)IM))/2VDC
r(IL)は、抵抗rのリアクトル電流の依存性を表す関数である。
フィードバックコントローラは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節される電流指令を生成する電圧コントローラと、双方向DC/DCコンバータに流れる電流の検出値が電流指令と一致するようにフィードバック値を生成する電流コントローラと、を含んでもよい。
電源装置は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、インバータが接続されるDCバスと、を備える産業車両に使用され、蓄電器とDCバスの間で相互にエネルギーを授受してもよい。
本発明の別の態様は、産業車両に関する。産業車両は、電動機と、電動機を駆動するインバータと、蓄電器と、インバータが接続されるDCバスと、蓄電器とDCバスの間で相互にエネルギーを授受する上述のいずれかに記載の電源装置と、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、DCリンク電圧の変動を抑制できる。
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
図2は、実施の形態に係る電源装置100の回路図である。
電源装置100は、蓄電器102、DCバス104、双方向DC/DCコンバータ110、コントローラ120を備える。蓄電器102は、電池や大容量キャパシタである。DCバス104には、後述するようにインバータ18A〜18Cが接続されうるが、理解の容易化と説明の簡潔化のため、図2には、電動発電機12を駆動する1個のインバータ18Aのみを示している。
電源装置100は、蓄電器102、DCバス104、双方向DC/DCコンバータ110、コントローラ120を備える。蓄電器102は、電池や大容量キャパシタである。DCバス104には、後述するようにインバータ18A〜18Cが接続されうるが、理解の容易化と説明の簡潔化のため、図2には、電動発電機12を駆動する1個のインバータ18Aのみを示している。
双方向DC/DCコンバータ110の1次側には蓄電器102が接続され、2次側にはDCバス104が接続される。双方向DC/DCコンバータ110は、1次側と2次側で双方向にエネルギーを授受可能に構成される。電動発電機12が力行運転するときには、双方向DC/DCコンバータ110は昇圧動作(Ic>0)となり、蓄電器102から、リアクトルL1およびトランジスタM1を介して平滑キャパシタC1を充電する。電動発電機12が回生運転するときには、双方向DC/DCコンバータ110は降圧動作(Ic<0)となり、電動発電機12が生成する回生電流を、トランジスタM1およびリアクトルL1を介して、蓄電器102に回収する。
コントローラ120は、双方向DC/DCコンバータ110を制御する。コントローラ120は、DCバス104に生ずるDCリンク電圧VDCが所定の目標電圧Vrに近づくように、双方向DC/DCコンバータ110を制御する。たとえばコントローラ120は、A/Dコンバータ122、124、ゲートドライバ126、128、デューティサイクルコントローラ130、パルス変調器131を備える。
A/Dコンバータ122は、DCリンク電圧VDCの検出値をデジタル値S1に変換する。A/Dコンバータ124は、双方向DC/DCコンバータ110に流れる電流(コンバータ電流)の検出値をデジタル値S2に変換する。A/Dコンバータ124は、コンバータ電流として、双方向DC/DCコンバータ110の1次側に流れるバッテリ電流IB(リアクトル電流)を、デジタル値S2に変換してもよいし、 双方向DC/DCコンバータ110の2次側に流れるキャパシタ電流ICをデジタル値S2に変換してもよい。
デューティサイクルコントローラ130には、2つのデジタル値S1,S2に加えて、負荷電流IMを示すデジタル値S3が入力される。デジタル値S3は、負荷電流IMの測定値であってもよいし、その目標値であってもよい。デジタル値S3は、インバータ18Aに入力され、あるいはその内部で生成される信号を使用することができる。
デューティサイクルコントローラ130は、ソフトウェア制御によって、トランジスタM1、M2のスイッチングのデューティ比を指示するデューティ指令値S4を生成する。パルス変調器131は、デューティ指令値S4を受け、それが指示するデューティ比を有する駆動パルスS5を生成する。ゲートドライバ126、128は、駆動パルスS5に応じてトランジスタM1、M2をスイッチングする。
図3は、図2の電源装置100の制御ブロック図である。デューティサイクルコントローラ130は、フィードバックコントローラ140およびフィードフォワード部142を備える。フィードバックコントローラ140は、DCバス104に生ずるDCリンク電圧VDCが所定の目標電圧Vrに近づくように値が調節されるフィードバック値DFBを生成する。このフィードバック値DFBによって双方向DC/DCコンバータ110のスイッチングのデューティ比が微調節される。したがってフィードバック値DFBは、デューティ比と同じ無次元である。
フィードバックコントローラ140は、たとえば電圧コントローラ132、電流コントローラ138、AVR139を含む。電圧コントローラ132は、DCリンク電圧VDCの検出値S1が、電圧指令Vrと一致するように値が調節される電流指令Irを生成する。たとえば電圧コントローラ132は、PI補償器で構成される。PI制御に代えて、P制御あるいはPID制御を用いてもよい。
電流コントローラ138は、双方向DC/DCコンバータ110に流れるコンバータ電流(つまりキャパシタ電流ICもしくはバッテリ電流IB)の検出値S2が電流指令Irと一致するように、フィードバック値DFBを調節する。電流コントローラ138は、電圧コントローラ132と同様にPI補償器が好適であるが、P補償器あるいはPID補償器を用いてもよい。
電流コントローラ138の後段には、AVR(Automatic Voltage Regulator)139が挿入される。AVR139は、利得gが可変に構成されており、ループゲインが一定となるように、その利得gが調節される。AVR139は、フィードバック値DFBに利得gを乗じた値DFB’を出力する。なおフィードバックコントローラ140の構成は、図3のそれには限定されない。電圧コントローラ132、電流コントローラ138を備えるコントローラは電流モードとも称される、電流コントローラ138を省略して電圧モードのコントローラであってもよい。
フィードフォワード部142は、フィードバック値DFB’に、負荷である電動発電機12に流れる負荷電流IMが反映されたフィードフォワード値DFFを重畳し、双方向DC/DCコンバータ110のデューティ比を指示するデューティ指令値S4を生成する。フィードフォワード部142は、加算器もしくは減算器で表される。負荷電流IMは、上述のデジタル値S3に応じており、負荷電流IMの目標値であってもよいし、その測定値であってもよい。
デューティ指令値S4は、駆動パルスS5に変換される。図3のブロック110は、双方向DC/DCコンバータ110をモデル化したものであり、リアクトルL1の等価直列抵抗等を含む内部抵抗rを考慮したもモデルである。ブロック150は、リアクトルL1をモデル化したものであり、リアクトルL1のインダクタンスL、等価直列抵抗rを含む。
ブロック154は、上側アームM1と下側アームM2のスイッチングをモデル化したものであり、駆動パルスS5のデューティ比Dに、DCリンク電圧VDCを乗算する。ブロック154の出力は、上側アームM1と下側アームM2の接続ノードの電圧Vaの時間平均を表す。ブロック156は、リアクトル電圧VLを表しており、減算器を用いて、VL=Va−VBの式をモデル化している。ブロック158は、平滑キャパシタC1を表しており、具体的には負荷電流IMとキャパシタ電流ICの合計あるいは差分により、平滑キャパシタC1が充放電される現象をモデル化している。なおキャパシタ電流ICは、電池電流IBにデューティ比Dを乗じた値(=D・IB)となる。
続いて、フィードフォワード制御について説明する。
本実施の形態において、フィードフォワード値DFFは、負荷電流IMとその経路上の抵抗rの積rIMの項を含む。蓄電器102の電圧をVB、DCバス104の目標値をVDCとするとき、フィードフォワード値DFFは、式(1)となる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
rIMの項に、定数kを挿入し、式(2)のように一般化してもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrkIM))/2VDC …(2)
本実施の形態において、フィードフォワード値DFFは、負荷電流IMとその経路上の抵抗rの積rIMの項を含む。蓄電器102の電圧をVB、DCバス104の目標値をVDCとするとき、フィードフォワード値DFFは、式(1)となる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
rIMの項に、定数kを挿入し、式(2)のように一般化してもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrkIM))/2VDC …(2)
双方向DC/DCコンバータ110において、デューティ指令値S4(駆動パルスS5)に応じてトランジスタM1,M2がデューティ比Dでスイッチングされると、リアクトルL1とトランジスタM1,M2の接続点の電圧Vaの時間平均値は、D×VDCとなる。リアクトルL1の両端間には、Va−VBが印加され、バッテリ電流(リアクトル電流)IBは、以下の式で与えられる。
IB=(Va−VB)/(r+Ls)
IB=(Va−VB)/(r+Ls)
双方向DC/DCコンバータ110のスイッチングのデューティ比がDであるとき、キャパシタ電流ICは、IC=D・IBである。平滑キャパシタC1の充放電電流ICHGは、IM+ICであり、キャパシタC1のインピーダンス1/Csにより電圧VDCに変換される。
以上が電源装置100の構成である。実施の形態の電源装置100の原理を説明する前に、比較技術について検討する。リアクトルL1と、トランジスタM1,M2の接続ノードを電圧Vaとする。このとき、リアクトルL1に関して、以下の式が成り立つ。
Va−VB=L・dIB/dt
ΔIB=(Va−VB)/L×ΔT …(3)
Va−VB=L・dIB/dt
ΔIB=(Va−VB)/L×ΔT …(3)
トランジスタM1がオン、トランジスタM2がオフの期間ΔTONに関して、Va=VDCである。この期間ΔTONの電流IBの変化量ΔIB(ON)は、式(4)となる。
ΔIB(ON)=(VDC−VB)/L×ΔTON …(4)
デューティ比をD、スイッチング周期をTSとすれば、式(5)を得る。
ΔIB(M1)=(VDC−VB)/L×D・TS …(5)
ΔIB(ON)=(VDC−VB)/L×ΔTON …(4)
デューティ比をD、スイッチング周期をTSとすれば、式(5)を得る。
ΔIB(M1)=(VDC−VB)/L×D・TS …(5)
トランジスタM2がオン、トランジスタM1がオフの期間ΔTOFFに関して、Va=0である。この期間ΔTOFFの電流IBの変化量ΔIB(OFF)は、式(6)となる。
ΔIB(OFF)=(−VB)/L×ΔTOFF …(6)
ΔTOFF=(1−D)×TSであるから、式(7)を得る。
ΔIB(OFF)=(−VB)/L×(1−D)・TS …(7)
ΔIB(OFF)=(−VB)/L×ΔTOFF …(6)
ΔTOFF=(1−D)×TSであるから、式(7)を得る。
ΔIB(OFF)=(−VB)/L×(1−D)・TS …(7)
定常状態では、オン期間ΔTONとオフ期間ΔTOFFそれぞれの電流変化量ΔIB(ON)、ΔIB(OFF)の絶対値は等しく、式(8)を得る。
(VDC−VB)/L×D・TS=VB/L×(1−D)・TS …(8)
(VDC−VB)/L×D・TS=VB/L×(1−D)・TS …(8)
式(8)をDについて解くと、式(9)を得る。
VB=D・VDC …(9)
これは一般的な降圧DC/DCコンバータの定常状態における、デューティ比と入出力電圧の関係を示す式である。したがって、比較技術としてフィードフォワード値DFFを式(10)とすることが考えられる。
DFF=VB/VDC …(10)
VB=D・VDC …(9)
これは一般的な降圧DC/DCコンバータの定常状態における、デューティ比と入出力電圧の関係を示す式である。したがって、比較技術としてフィードフォワード値DFFを式(10)とすることが考えられる。
DFF=VB/VDC …(10)
このような比較技術におけるフィードフォワード制御では、リアクトルL1の等価直流抵抗をはじめとする寄生抵抗rならびに負荷電流IMが考慮されておらず、実際の現象との乖離が大きく、即応性に改善の余地があった。
続いて実施の形態に係る電源装置100におけるフィードフォワード制御を説明する。図4は、双方向DC/DCコンバータ110の一部のブロック図である。このブロック図における回路ブロック150は、図3の回路ブロック150と等価である。
このブロック図から、式(11)を得る。
Va−VB−rIB=L・dIB/dt
ΔIB=(Va−VB−rIB)/L×ΔT …(11)
このブロック図から、式(11)を得る。
Va−VB−rIB=L・dIB/dt
ΔIB=(Va−VB−rIB)/L×ΔT …(11)
トランジスタM1がオン、トランジスタM2がオフの期間ΔTONに関して、Va=VDCである。この期間ΔTONの電流IBの変化量ΔIB(ON)は、式(12)となる。
ΔIB(ON)=(VDC−VB−rIB)/L×ΔTON …(12)
デューティ比をD、スイッチング周期をTSとすれば、式(13)を得る。
ΔIB(M1)=(VDC−VB−rIB)/L×D・TS …(13)
ΔIB(ON)=(VDC−VB−rIB)/L×ΔTON …(12)
デューティ比をD、スイッチング周期をTSとすれば、式(13)を得る。
ΔIB(M1)=(VDC−VB−rIB)/L×D・TS …(13)
トランジスタM2がオン、トランジスタM1がオフの期間ΔTOFFに関して、Va=0である。この期間ΔTOFFの電流IBの変化量ΔIB(OFF)は、式(14)となる。
ΔIB(OFF)=(−VB−rIB)/L×ΔTOFF …(14)
ΔTOFF=(1−D)×TSであるから、式(15)を得る。
ΔIB(OFF)=(−VB−rIB)/L×(1−D)・TS …(15)
ΔIB(OFF)=(−VB−rIB)/L×ΔTOFF …(14)
ΔTOFF=(1−D)×TSであるから、式(15)を得る。
ΔIB(OFF)=(−VB−rIB)/L×(1−D)・TS …(15)
定常状態では、オン期間ΔTONとオフ期間ΔTOFFそれぞれの電流変化量ΔIB(ON)、ΔIB(OFF)の絶対値は等しく、式(13)と式(15)それぞれの絶対値が等しいとして関係式(16)を得る。
(VDC−VB−rIB)/L×D・TS=(VB+rIB)/L×(1−D)・TS …(16)
(VDC−VB−rIB)/L×D・TS=(VB+rIB)/L×(1−D)・TS …(16)
式(16)をDについて解くと、式(17)を得る。
D=(VB+rIB)/VDC …(17)
D=(VB+rIB)/VDC …(17)
キャパシタ電流ICとバッテリ電流IBの間には式(18)が成り立つ。
IC=D・IB …(18)
ここで定常状態では、負荷電流IMとキャパシタ電流ICは等しいから、式(19)を得る。
IB=IC/D=IM/D …(19)
IC=D・IB …(18)
ここで定常状態では、負荷電流IMとキャパシタ電流ICは等しいから、式(19)を得る。
IB=IC/D=IM/D …(19)
式(19)を式(17)に代入すると、式(20)を得る。
D=(VB+rIB)/VDC=(VB+rIM/D)/VDC
Dについて整理すると式(21)を得る。
D2VDC−DVB−rIM=0 …(21)
式(21)の2次方程式を解くと、式(22)を得る。
DFF=(VB±√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(22)
D=(VB+rIB)/VDC=(VB+rIM/D)/VDC
Dについて整理すると式(21)を得る。
D2VDC−DVB−rIM=0 …(21)
式(21)の2次方程式を解くと、式(22)を得る。
DFF=(VB±√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(22)
コンバータにおいて一方の解DFF=(VB−√(VB 2+4VDCrIM))/2VDCは不適切であるから、抵抗rを考慮した場合の好ましいフィードフォワード値DFFとして、式(1)が導かれる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
抵抗rの値は、シミュレーションあるいは実測データから最適化した定数を用いればよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
抵抗rの値は、シミュレーションあるいは実測データから最適化した定数を用いればよい。
以上が実施の形態に係る電源装置100の構成および原理である。
この電源装置100によれば、フィードフォワード値DFFを、負荷電流IMに応じて変化させることにより、フィードバックループのみによって負荷電流の変動に追従させる場合に比べて、DCリンク電圧VDCの変動を抑制でき、即応性を高めることができる。
この電源装置100によれば、フィードフォワード値DFFを、負荷電流IMに応じて変化させることにより、フィードバックループのみによって負荷電流の変動に追従させる場合に比べて、DCリンク電圧VDCの変動を抑制でき、即応性を高めることができる。
またDCリンク電圧VDCの変動を抑制できることから、平滑キャパシタC1の容量値を小さくできるという効果を得ることができる。これは装置の小型化、低コスト化、あるいはメンテナンスの容易性に資する。
最後に電源装置100の好ましい用途を説明する。
図5は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル1の外観を示す斜視図である。ショベル1は、主として走行機構2と、走行機構2の上部に旋回機構3を介して回動自在に搭載された上部旋回体(以下、単に旋回体ともいう)4とを備えている。
図5は、実施の形態に係る建設機械の一例であるショベル1の外観を示す斜視図である。ショベル1は、主として走行機構2と、走行機構2の上部に旋回機構3を介して回動自在に搭載された上部旋回体(以下、単に旋回体ともいう)4とを備えている。
旋回体4には、ブーム5と、ブーム5の先端にリンク接続されたアーム6と、アーム6の先端にリンク接続されたバケット10とが取り付けられている。バケット10は、土砂、鋼材などの吊荷を捕獲するための設備である。ブーム5、アーム6、及びバケット10は、それぞれブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9によって油圧駆動される。また、旋回体4には、バケット10の位置や励磁動作および釈放動作を操作する操作者を収容するための運転室4aや、油圧を発生するためのエンジン11といった動力源が設けられている。エンジン11は、例えばディーゼルエンジンで構成される。
図6は、実施の形態に係るショベル1の電気系統や油圧系統などのブロック図である。なお、図6では、機械的に動力を伝達する系統を二重線で、油圧系統を太い実線で、操縦系統を破線で、電気系統を細い実線でそれぞれ示している。
ショベル1は電動発電機12および減速機13を備えており、エンジン11及び電動発電機12の回転軸は、共に減速機13の入力軸に接続されることにより互いに連結されている。エンジン11の負荷が大きいときには、電動発電機12が自身の駆動力によりエンジン11の駆動力を補助(アシスト)し、電動発電機12の駆動力が減速機13の出力軸を経てメインポンプ14に伝達される。一方、エンジン11の負荷が小さいときには、エンジン11の駆動力が減速機13を経て電動発電機12に伝達されることにより、電動発電機12が発電を行う。電動発電機12は、例えば、磁石がロータ内部に埋め込まれたIPM(Interior Permanent Magnetic)モータによって構成される。電動発電機12の駆動と発電との切りかえは、ショベル1における電気系統の駆動制御を行うコントローラ30により、エンジン11の負荷等に応じて行われる。
減速機13の出力軸にはメインポンプ14及びパイロットポンプ15が接続されており、メインポンプ14には高圧油圧ライン16を介してコントロールバルブ17が接続されている。コントロールバルブ17は、ショベル1における油圧系の制御を行う装置である。コントロールバルブ17には、図5に示した走行機構2を駆動するための油圧モータ2A及び2Bの他、ブームシリンダ7、アームシリンダ8、及びバケットシリンダ9が高圧油圧ラインを介して接続されており、コントロールバルブ17は、これらに供給する油圧を運転者の操作入力に応じて制御する。
パイロットポンプ15には、パイロットライン25を介して操作装置26(操作手段)が接続されている。操作装置26は、旋回用電動機21、走行機構2、ブーム5、アーム6、及びバケット10を操作するための操作装置であり、操作者によって操作される。操作装置26には、油圧ライン27を介してコントロールバルブ17が接続され、また、油圧ライン28を介して圧力センサ29が接続される。操作装置26は、パイロットライン25を通じて供給される油圧(1次側の油圧)を操作者の操作量に応じた油圧(2次側の油圧)に変換して出力する。操作装置26から出力される2次側の油圧は、油圧ライン27を通じてコントロールバルブ17に供給されるとともに、圧力センサ29によって検出される。
圧力センサ29は、操作装置26に対して旋回機構3を旋回させるための操作が入力されると、この操作量を油圧ライン28内の油圧の変化として検出する。圧力センサ29は、油圧ライン28内の油圧を表す電気信号を出力する。この電気信号は、コントローラ30に入力され、旋回用電動機21の駆動制御に用いられる。
コントローラ30は、CPU(Central Processing Unit)及び内部メモリを含む演算処理装置によって構成され、内部メモリに格納された駆動制御用のプログラムをCPUが実行することにより実現される。コントローラ30は、各種センサ及び操作装置26等からの操作入力を受けて、インバータ18A、18B、18C及び蓄電手段101等の駆動制御を行う。
油圧モータ310は、ブーム5が下げられるときにブームシリンダ7から吐出される油によって回転されるように構成されており、ブーム5が重力に従って下げられるときのエネルギーを回転力に変換するために設けられている。油圧モータ310は、コントロールバルブ17とブームシリンダ7の間の油圧管7Aに設けられている。ブーム回生用発電機300で発電された電力は、回生エネルギーとしてインバータ18Bを経て蓄電手段101に供給される。
旋回用電動機21は、図5の旋回機構3に設けられ、上部旋回体4を回動させる。旋回用電動機21は交流電動機であり、旋回体4を旋回させる旋回機構3の動力源である。旋回用電動機21の回転軸21Aには、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、及び旋回減速機24が接続される。旋回用インバータ18Cは、蓄電手段101からの電力を受け、旋回用電動機21を駆動する。また旋回用電動機21の回生運転時には、旋回用電動機21からの電力を蓄電手段101に回収する。
旋回用電動機21が力行運転を行う際には、旋回用電動機21の回転駆動力の回転力が旋回減速機24にて増幅され、旋回体4が加減速制御され回転運動を行う。また、旋回体4の慣性回転により、旋回減速機24にて回転数が増加されて旋回用電動機21に伝達され、回生電力を発生させる。
レゾルバ22は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転位置及び回転角度を検出するセンサであり、旋回用電動機21と機械的に連結することで回転軸21Aの回転角度及び回転方向を検出する。レゾルバ22が回転軸21Aの回転角度を検出することにより、旋回機構3の回転角度及び回転方向が導出される。メカニカルブレーキ23は、機械的な制動力を発生させる制動装置であり、コントローラ30からの指令によって、旋回用電動機21の回転軸21Aを機械的に停止させる。旋回減速機24は、旋回用電動機21の回転軸21Aの回転速度を減速して旋回機構3に機械的に伝達する減速機である。
続いて電気系統について詳細に説明する。電気系統は主として、コントローラ30、電源装置100、インバータ18A〜18Cを備える。
(アシスト)
アシスト用のインバータ18Aの2次側(出力)端には、電動発電機12が接続される。インバータ18Aは、コントローラ30の一部であるアシスト用インバータコントローラ30Aからの指令にもとづき、電動発電機12の運転制御を行う。
アシスト用のインバータ18Aの2次側(出力)端には、電動発電機12が接続される。インバータ18Aは、コントローラ30の一部であるアシスト用インバータコントローラ30Aからの指令にもとづき、電動発電機12の運転制御を行う。
(ブーム回生)
インバータ18Bの2次側(出力)端には、ブーム回生用発電機300が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機300は、ブーム5が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギーを電気エネルギーに変換する電動作業要素である。インバータ18Bは、コントローラ30のブーム回生用のインバータコントローラ30Bによって制御され、ブーム回生用発電機300が発生する電気エネルギーを直流電力に変換し、電源装置100に回収する。
インバータ18Bの2次側(出力)端には、ブーム回生用発電機300が接続されている。上述のようにブーム回生用発電機300は、ブーム5が重力の作用により下げられるときに、位置エネルギーを電気エネルギーに変換する電動作業要素である。インバータ18Bは、コントローラ30のブーム回生用のインバータコントローラ30Bによって制御され、ブーム回生用発電機300が発生する電気エネルギーを直流電力に変換し、電源装置100に回収する。
(旋回)
旋回用電動機21、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、旋回減速機24、旋回用インバータ18Cおよびコントローラ30の一部である旋回用のインバータコントローラ30Cは、電動旋回装置500を構成する。
旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御指令により旋回用インバータ18Cによって交流駆動される。旋回用電動機21としては、例えば、磁石埋込型のIPMモータが好適である。
旋回用電動機21、レゾルバ22、メカニカルブレーキ23、旋回減速機24、旋回用インバータ18Cおよびコントローラ30の一部である旋回用のインバータコントローラ30Cは、電動旋回装置500を構成する。
旋回用電動機21は、PWM(Pulse Width Modulation)制御指令により旋回用インバータ18Cによって交流駆動される。旋回用電動機21としては、例えば、磁石埋込型のIPMモータが好適である。
旋回用インバータコントローラ30Cは、操作入力に応じた回転速度指令を受け、レゾルバ22により検出される旋回用電動機21の旋回速度が、回転速度指令と一致するように、旋回用インバータ18Cを制御する。
(電源)
蓄電手段101とコントローラ30の一部であるコンバータコントローラ30Dは、電源装置100を構成する。蓄電手段101は、例えば蓄電器であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ(双方向DC/DCコンバータ)と、正極及び負極の直流配線からなるDCバスとを備えている(図示せず)。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な2次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。DCバスには、インバータ18A〜インバータ18Cそれぞれの1次側(直流入力)が接続されている。コントローラ30Dは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向DC/DCコンバータを制御する。電源装置100は、電動発電機12等が力行運転する際には、双方向DC/DCコンバータを昇圧動作させ、電動発電機12等が回生運転する際には、双方向DC/DCコンバータを降圧動作させ、電動発電機12が発生した電力を蓄電器に回収する。
蓄電手段101とコントローラ30の一部であるコンバータコントローラ30Dは、電源装置100を構成する。蓄電手段101は、例えば蓄電器であるバッテリと、バッテリの充放電を制御する昇降圧コンバータ(双方向DC/DCコンバータ)と、正極及び負極の直流配線からなるDCバスとを備えている(図示せず)。蓄電器としては、リチウムイオン電池等の充電可能な2次電池、キャパシタ、そのほか電力の授受が可能なその他の形態の電源を用いてもよい。DCバスには、インバータ18A〜インバータ18Cそれぞれの1次側(直流入力)が接続されている。コントローラ30Dは、DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の電圧レベルとなるように、双方向DC/DCコンバータを制御する。電源装置100は、電動発電機12等が力行運転する際には、双方向DC/DCコンバータを昇圧動作させ、電動発電機12等が回生運転する際には、双方向DC/DCコンバータを降圧動作させ、電動発電機12が発生した電力を蓄電器に回収する。
すなわち、インバータ18Aが電動発電機12を力行運転させる際には、必要な電力をバッテリ及び昇降圧コンバータからDCバスを介して電動発電機に供給する。また、電動発電機12を回生運転させる際には、電動発電機12により発電された電力をDCバス及び昇降圧コンバータを介してバッテリに充電する。なお、昇降圧コンバータの昇圧動作と降圧動作の切替制御は、DCバス電圧値、バッテリ電圧値、及びバッテリ電流値にもとづき、コンバータコントローラ30Dによって行われる。これにより、DCバスを、予め定められた一定電圧値に蓄電された状態に維持することができる。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例を説明する。
(第1変形例)
フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗値rを、温度Tに応じて変化させてもよい。
リアクトルL1の温度Tが上昇すると、その等価直流抵抗が増加し、r・IMの影響が大きくなる。特に負荷電流IMが増加すると、それにともないリアクトルに流れる電流が増加し、リアクトルの温度Tが上昇することから、r・IMの影響は一層大きくなる。そこでリアクトルの温度依存性を考慮することで、温度上昇時の電圧変動を抑制できる。このときのフィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(T)IM))/2VDC
r(T)は、抵抗rの温度依存性を表す関数である。
フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗値rを、温度Tに応じて変化させてもよい。
リアクトルL1の温度Tが上昇すると、その等価直流抵抗が増加し、r・IMの影響が大きくなる。特に負荷電流IMが増加すると、それにともないリアクトルに流れる電流が増加し、リアクトルの温度Tが上昇することから、r・IMの影響は一層大きくなる。そこでリアクトルの温度依存性を考慮することで、温度上昇時の電圧変動を抑制できる。このときのフィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(T)IM))/2VDC
r(T)は、抵抗rの温度依存性を表す関数である。
(第2変形例)
フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、リアクトルに流れる電流(バッテリ電流IB)に応じて変化させてもよい。
リアクトルの電流が増大すると、リアクトルの温度が上昇し、その等価直流抵抗が増加する。つまり抵抗rの値は、リアクトルの電流に応じて変化する。この場合、フィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL)IM))/2VDC
r(IL)は、抵抗rのリアクトル電流ILの依存性を表す関数である。
フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、リアクトルに流れる電流(バッテリ電流IB)に応じて変化させてもよい。
リアクトルの電流が増大すると、リアクトルの温度が上昇し、その等価直流抵抗が増加する。つまり抵抗rの値は、リアクトルの電流に応じて変化する。この場合、フィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL)IM))/2VDC
r(IL)は、抵抗rのリアクトル電流ILの依存性を表す関数である。
(第3変形例)
リアクトル電流ILの平均値は、負荷電流IMに対応するから、フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、負荷電流IMに応じて変化させてもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IM)IM))/2VDC
r(IM)は、抵抗rの負荷電流IMの依存性を表す関数である。
リアクトル電流ILの平均値は、負荷電流IMに対応するから、フィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、負荷電流IMに応じて変化させてもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IM)IM))/2VDC
r(IM)は、抵抗rの負荷電流IMの依存性を表す関数である。
(第4変形例)
あるいはフィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、リアクトルに流れる電流(バッテリ電流IB)および温度Tに応じて変化させてもよい。この場合、フィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL,T)IM))/2VDC
r(IL,T)は、抵抗rの、リアクトル電流IMおよび温度Tの依存性を示す関数である。あるいは負荷電流を用いて、フィードフォワード値DFFを以下の式で計算してもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IM,T)IM))/2VDC
r(IM,T)は、抵抗rの、負荷電流IMおよび温度Tの依存性を示す関数である。
あるいはフィードフォワード部142は、フィードフォワード値DFFの算出に使用される抵抗rを、リアクトルに流れる電流(バッテリ電流IB)および温度Tに応じて変化させてもよい。この場合、フィードフォワード値DFFは、以下の式で与えられる。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IL,T)IM))/2VDC
r(IL,T)は、抵抗rの、リアクトル電流IMおよび温度Tの依存性を示す関数である。あるいは負荷電流を用いて、フィードフォワード値DFFを以下の式で計算してもよい。
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCr(IM,T)IM))/2VDC
r(IM,T)は、抵抗rの、負荷電流IMおよび温度Tの依存性を示す関数である。
(第5変形例)
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル1を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
実施の形態では、本発明に係るハイブリッド型建設機械の一例として、ショベル1を示したが、本発明のハイブリッド型建設機械の他の例としては、旋回機構を備えるリフティングマグネット車両やクレーン等が挙げられる。
1…ショベル、C1…平滑キャパシタ、L1…リアクトル、2…走行機構、2A…油圧モータ、3…旋回機構、4…旋回体、4a…運転室、S4…デューティ指令値、5…ブーム、S5…駆動パルス、6…アーム、7…ブームシリンダ、7A…油圧管、8…アームシリンダ、9…バケットシリンダ、10…バケット、11…エンジン、12…電動発電機、13…減速機、14…メインポンプ、15…パイロットポンプ、16…高圧油圧ライン、17…コントロールバルブ、18,18A,18B…インバータ、18C…旋回用インバータ、21…旋回用電動機、21A…回転軸、22…レゾルバ、23…メカニカルブレーキ、24…旋回減速機、25…パイロットライン、26…操作装置、27,28…油圧ライン、29…圧力センサ、30…コントローラ、30A,30B,30C…インバータコントローラ、30D…コンバータコントローラ、100…電源装置、101…蓄電手段、102…蓄電器、104…DCバス、110…双方向DC/DCコンバータ、120…コントローラ、122,123,124…A/Dコンバータ、126,128…ゲートドライバ、130…デューティサイクルコントローラ、131…パルス変調器、132…電圧コントローラ、138…電流コントローラ、139…AVR、140…フィードバックコントローラ、142…フィードフォワード部、200…負荷、300…ブーム回生用発電機、310…油圧モータ。
Claims (7)
- 1次側に蓄電器が接続され、2次側にDCバスを介して負荷が接続され、1次側と2次側で双方向にエネルギーを授受可能に構成された双方向DC/DCコンバータと、
前記双方向DC/DCコンバータを制御するコンバータコントローラと、
を備え、
前記コンバータコントローラは、
前記DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節されるフィードバック値を生成するフィードバックコントローラと、
前記フィードバック値に、前記負荷に流れる負荷電流が反映されたフィードフォワード値を重畳し、前記双方向DC/DCコンバータのデューティ比を指示するデューティ指令値を生成するフィードフォワード部と、
前記デューティ指令値にもとづいて前記双方向DC/DCコンバータをスイッチングするドライバと、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記フィードフォワード値は、前記負荷電流IMとその経路上の抵抗rの積r・IMの項を含むことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 前記蓄電器の電圧をVB、前記DCバスに生ずるDCリンク電圧の目標値をVrとするとき、前記フィードフォワード値DFFは、
DFF=(VB+√(VB 2+4VDCrIM))/2VDC …(1)
であることを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。 - 前記フィードフォワード部は、前記抵抗rを、前記双方向DC/DCコンバータのリアクトルの温度に応じて変化させることを特徴とする請求項2または3に記載の電源装置。
- 前記フィードフォワード部は、前記抵抗rを、前記双方向DC/DCコンバータのリアクトルの電流に応じて変化させることを特徴とする請求項2から4のいずれかに記載の電源装置。
- 前記フィードバックコントローラは、
前記DCバスに生ずるDCリンク電圧が所定の目標電圧に近づくように値が調節される電流指令を生成する電圧コントローラと、
前記負荷電流の検出値が前記電流指令と一致するように前記フィードバック値を生成する電流コントローラと、
を含むことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の電源装置。 - 電動機と、
前記電動機を駆動するインバータと、
蓄電器と、
前記インバータが接続されるDCバスと、
前記蓄電器と前記DCバスの間で相互にエネルギーを授受する請求項1から6のいずれかに記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする産業車両。
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---|---|---|---|
JP2015004316A JP2016131429A (ja) | 2015-01-13 | 2015-01-13 | 電源装置、産業車両 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019054716A (ja) * | 2017-09-12 | 2019-04-04 | 矢崎総業株式会社 | Dcdcコンバータの制御装置 |
-
2015
- 2015-01-13 JP JP2015004316A patent/JP2016131429A/ja active Pending
Cited By (2)
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JP2019054716A (ja) * | 2017-09-12 | 2019-04-04 | 矢崎総業株式会社 | Dcdcコンバータの制御装置 |
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