JP2017147871A

JP2017147871A - 電源装置

Info

Publication number: JP2017147871A
Application number: JP2016028540A
Authority: JP
Inventors: 将平大井; Shohei Oi; 山田　堅滋; Katashige Yamada; 堅滋山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-18
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2017-08-24

Abstract

【課題】２つの昇圧コンバータの制御を電圧制御と電力制御とで切り替える際に、モータを適正に制御する。【解決手段】昇圧コンバータ３４の制御を、電圧制御から電力制御へ切り替えると共に、昇圧コンバータ３５の制御を、電力制御から電圧制御へ切り替えるときには、昇圧コンバータ３５の制御を、電力制御から電圧制御へ切り替え（ステップＳ１００）、所定時間ｔｒｅｆが経過してから、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替える（ステップＳ１１０，Ｓ１２０）。これにより、昇圧コンバータ３４，３５の双方が電力制御される期間が生じないことから、高電圧系電力ラインの電圧の変動を抑制することができ、モータを適正に制御することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関し、詳しくは、第１バッテリ，第１昇圧コンバータ，第２バッテリ，第２昇圧コンバータを備える電源装置に関する。

従来、この種の電源装置としては、モータに電力を供給する電源装置であって、第１，第２蓄電部と、第１，第２昇圧コンバータと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。第１昇圧コンバータは、モータが接続された第１電力線と第１蓄電部が接続された第２電力線とに接続されている。第２昇圧コンバータは、第１電力線と第２蓄電部が接続された第３電力線とに接続されている。第１昇圧コンバータについては、第１電力線の電圧が電圧目標値になるように電圧制御している。第２昇圧コンバータについては、第２蓄電部の電流値が第２蓄電部の電力目標値に基づく電流目標値となるように電力制御（電流制御）している。この電源装置では、第１蓄電部，第２蓄電部の放電許容電力の合計値より大きい電力をモータが消費する場合には、第１昇圧コンバータの制御を、電圧制御から、第１蓄電部の電流値が放電許容電力の範囲内で定められる電力目標値に基づく電流目標値となるように第１昇圧コンバータを制御する電力制御（電流制御）へと切り替える。このとき、第２昇圧コンバータについては、放電許容電力の範囲内で定められる電力目標値に基づく電流目標値となるように電力制御（電流制御）している。

特開２００７−２９５７８２号公報

上述の電源装置では、２つの昇圧コンバータの双方を電力制御しているから、第１電力線の電圧の変動が大きくなり、モータを適正に制御できなくなる場合がある。エネルギ効率の向上の観点から、２つの昇圧コンバータのうち一方の昇圧コンバータの制御を電圧制御から電流制御へと切替え、他方の昇圧コンバータを電流制御から電圧制御へと切り替える処理が行なわれることがある。こうした制御の切り替えの際に、２つの昇圧コンバータの双方が電力制御される期間が発生すると、第１電力線の電圧の変動が大きくなり、モータを適正に制御できなくなる場合がある。

本発明の電源装置は、２つの昇圧コンバータの制御を電圧制御と電力制御とで切り替える際に、モータを適正に制御することを主目的とする。

本発明の電源装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電源装置は、
第１バッテリと、
モータが接続された第１電力ラインと前記第１バッテリが接続された第２電力ラインとに接続され、前記第２電力ラインの電力を電圧の昇圧を伴って前記第１電力ラインに供給する第１昇圧コンバータと、
第２バッテリと、
前記第１電力ラインと前記第２バッテリが接続された第３電力ラインとに接続され、前記第３電力ラインの電力を電圧の昇圧を伴って前記第１電力ラインに供給可能な第２昇圧コンバータと、
前記第１電力ラインの電圧が目標電圧になるように前記第１，第２昇圧コンバータのうちの一方の昇圧コンバータを電圧制御し、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの他方の昇圧コンバータの出力電力が目標電力となるように前記他方の昇圧コンバータを制御する電力制御を実行する制御手段と、
を備える電源装置において、
前記制御手段は、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの一方の昇圧コンバータの制御を前記電圧制御から前記電力制御に切り替えると共に、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの他方の昇圧コンバータの制御を前記電力制御から前記電圧制御に切り替えるときには、前記他方の昇圧コンバータの制御を前記電力制御から前記電圧制御に切り替えた後に、前記一方の昇圧コンバータの制御を前記電圧制御から前記電力制御に切り替える、
ことを要旨とする。

この本発明の電源装置では、第１，第２昇圧コンバータのうちの一方の昇圧コンバータの制御を電圧制御から電力制御に切り替えると共に、第１，第２昇圧コンバータのうちの他方の昇圧コンバータの制御を電力制御から電圧制御に切り替えるときには、他方の昇圧コンバータの制御を電力制御から電圧制御に切り替えた後に、一方の昇圧コンバータの制御を電圧制御から電力制御に切り替える。これにより、第１，第２昇圧コンバータの双方が電力制御となる期間がなくなるから、第１電力ラインの電圧の変動を抑制して、モータを適正に制御することができる。

本発明の一実施例としての電源装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。ＥＣＵ５０により実行される制御切替ルーチンの一例を示すフローチャートである。昇圧コンバータ３４，３５の制御を切り替えているときの様子を説明するための説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電源装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。駆動装置２０は、図１に示すように、モータ２２と、インバータ２４と、バッテリ３０，３１と、昇圧コンバータ３４，３５と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５０と、を備える。なお、実施例では、電源装置としては、バッテリ３０，３１と、昇圧コンバータ３４，３５と、ＥＣＵ５０と、が相当する。

モータ２２は、同期発電電動機として構成されている。インバータ２４は、高電圧系電力ライン４０に接続されている。モータ２２は、ＥＣＵ５０によって、インバータ２４の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。

バッテリ３０は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧系電力ライン４２に接続されている。バッテリ３１は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧系電力ライン４２に接続されている。実施例では、バッテリ３０，３１は、それぞれ、高出力型，高容量型のバッテリとして構成されているものとした。

昇圧コンバータ３４は、インバータ２４が接続された高電圧系電力ライン４０と、バッテリ３０が接続された低電圧系電力ライン４２と、に接続されている。この昇圧コンバータ３４は、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬ１と、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧系電力ライン４０の正極ライン４０ａに接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧系電力ライン４０および低電圧系電力ライン４２の負極ライン４０ｂ，４２ｂと、に接続されている。２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２は、それぞれ、トランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続されている。リアクトルＬ１は、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧系電力ライン４２の正極ライン４２ａと、に接続されている。昇圧コンバータ３４は、ＥＣＵ５０によって、トランジスタＴ３１，Ｔ３２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧系電力ライン４２の電力を昇圧して高電圧系電力ライン４０に供給したり、高電圧系電力ライン４０の電力を降圧して低電圧系電力ライン４２に供給したりする。

昇圧コンバータ３５は、高電圧系電力ライン４０と、バッテリ３１が接続された低電圧系電力ライン４４と、に接続されている。昇圧コンバータ３５は、昇圧コンバータ３４と同様に、２つのトランジスタＴ４１，Ｔ４２と、２つのダイオードＤ４１，Ｄ４２と、リアクトルＬ２と、を有する。そして、昇圧コンバータ３５は、ＥＣＵ５０によって、トランジスタＴ４１，Ｔ４２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧系電力ライン４４の電力を昇圧して高電圧系電力ライン４０に供給したり、高電圧系電力ライン４０の電力を降圧して低電圧系電力ライン４４に供給したりする。

高電圧系電力ライン４０の正極ライン４０ａと負極ライン４０ｂとには、平滑用のコンデンサ４１が取り付けられている。低電圧系電力ライン４２の正極ライン４２ａと負極ライン４２ｂとには、平滑用のコンデンサ４３が取り付けられている。低電圧系電力ライン４４の正極ライン４４ａと負極ライン４４ｂとには、平滑用のコンデンサ４５が取り付けられている。

ＥＣＵ５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ，データを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。

ＥＣＵ５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。ＥＣＵ５０に入力される信号としては、以下のものを挙げることができる。
・モータ２２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからの回転位置θｍ
・モータ２２の各相に流れる電流を検出する電流センサからの相電流
・バッテリ３０の端子間に設置された電圧センサ３０ａからの電圧Ｖｂ１
・バッテリ３０の出力端子に取り付けられた電流センサ３０ｂからの電流Ｉｂ１（バッテリ３０から放電するときが正の値）
・バッテリ３０に取り付けられた温度センサからの温度Ｔｂ１
・バッテリ３１の端子間に設置された電圧センサ３１ａからの電圧Ｖｂ２
・バッテリ３１の出力端子に取り付けられた電流センサ３１ｂからの電流Ｉｂ２（バッテリ３１から放電するときが正の値）
・バッテリ３１に取り付けられた温度センサからの温度Ｔｂ２
・コンデンサ４１の端子間に取り付けられた電圧センサ４１ａからのコンデンサ４１（高電圧系電力ライン４０）の電圧ＶＨ
・コンデンサ４３の端子間に取り付けられた電圧センサ４３ａからのコンデンサ４３（低電圧系電力ライン４２）の電圧ＶＬ１
・低電圧系電力ライン４２の正極ライン４２ａのコンデンサ４３よりも昇圧コンバータ３４側に取り付けられた電流センサ３４ａからのリアクトルＬ１の電流ＩＬ１
・コンデンサ４５の端子間に取り付けられた電圧センサ４５ａからのコンデンサ４５の電圧ＶＬ２
・低電圧系電力ライン４４の正極ライン４４ａのコンデンサ４５よりも昇圧コンバータ３５側に取り付けられた電流センサ３５ａからのリアクトルＬ２の電流ＩＬ２

ＥＣＵ５０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。ＥＣＵ５０から出力される信号としては、以下のものを挙げることができる。
・インバータ２４の図示しない複数のスイッチング素子へのスイッチング制御信号
・昇圧コンバータ３４，３５のトランジスタＴ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２へのスイッチング制御信号

ＥＣＵ５０は、以下の演算などを行なっている。
・回転位置検出センサからのモータ２２の回転子の回転位置θｍに基づくモータ２２の回転数Ｎｍ
・電流センサ３０ｂ，３１ｂからの電流Ｉｂ１，Ｉｂ２の積算値に基づく、バッテリ３０，３１の蓄電割合ＳＯＣ１，ＳＯＣ２

なお、バッテリ３０，３１の蓄電割合ＳＯＣ１，ＳＯＣ２は、バッテリ３０，３１の全容量に対するバッテリ３０，３１から放電可能な電力の容量の割合である。

こうして構成された実施例の駆動装置２０では、ＥＣＵ５０は、モータ２２の目標駆動点（トルク指令Ｔｍ＊，回転数Ｎｍ）に基づいて高電圧系電力ライン４０の目標電圧ＶＨ＊を設定する。ここで、モータ２２の回転数Ｎｍは、回転位置検出センサからのモータ２２の回転子の回転位置に基づいて演算された値を用いることができる。

そして、モータ２２のトルク指令Ｔｍ＊と回転数Ｎｍとの積として得られるモータ２２の電力Ｐｍを要求電力Ｐｐｕ＊に設定し、設定した要求電力Ｐｐｕ＊に基づいて、昇圧コンバータ３４，３５の目標電力分配としての昇圧コンバータ３５の目標電力Ｐｌ２＊を設定する。

そして、モータ２２がトルク指令Ｔｍ＊で駆動されるようにインバータ２４の複数のスイッチング素子をスイッチング制御する。また、高電圧系電力ライン４０の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ３４のトランジスタＴ３１，Ｔ３２をスイッチング制御する電圧制御を行なう。さらに、昇圧コンバータ３５の出力電力が目標電力Ｐｌ２＊となるように昇圧コンバータ３５のトランジスタＴ４１，４２をスイッチング制御する電力制御を行なう。

昇圧コンバータ３４の電圧制御では、具体的には、以下のようにして行なわれる。即ち、目標電圧ＶＨ＊と電圧センサ４１ａにより検出される電圧ＶＨとの偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩ制御）によりリアクトルＬ１の目標電流ＩＬ１＊を設定する。次に、設定した目標電流ＩＬ１＊と電流センサ３４ａにより検出される電流ＩＬ１との偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩ制御）により昇圧デューティのフィードバック項を設定する。そして、昇圧デューティのフィードフォワード項とフィードバック項との和により昇圧デューティを設定し、設定した昇圧デューティによりトランジスタのスイッチング制御を行なう。なお、フィードフォワード項は、目標電圧ＶＨ＊に対するバッテリ３０の電圧Ｖｂ１の割合（Ｖｂ１／ＶＨ＊）として算出することができる。

昇圧コンバータ３５の電力制御では、具体的には、以下のようにして行なわれる。即ち、目標電力Ｐｌ２＊を電圧センサ４５ａにより検出される電圧ＶＬ２で除してリアクトルＬ２の目標電流ＩＬ２＊を設定する。次に、設定した目標電流ＩＬ２＊と電流センサ３５ａにより検出される電流ＩＬ２との偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩ制御）により昇圧デューティのフィードバック項を設定する。そして、昇圧デューティのフィードフォワード項とフィードバック項との和により昇圧デューティを設定し、設定した昇圧デューティによりトランジスタのスイッチング制御を行なう。なお、フィードフォワード項は、目標電力Ｐｌ２＊（目標電流ＩＬ＊）や電圧ＶＨ，電圧ＶＬ２等を用いて算出することができる。

実施例の駆動装置２０では、エネルギ効率を向上させる要請などから、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へと切り替えると共に、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御へ切り替えることがある。昇圧コンバータ３４の電力制御では、上述した要求電力Ｐｐｕ＊に基づいて、昇圧コンバータ３４，３５の目標電力分配としての昇圧コンバータ３４の目標電力Ｐｌ１＊を設定し、昇圧コンバータ３４の出力電圧が設定した目標電力Ｐｌ１＊となるように昇圧コンバータ３４のトランジスタＴ３１，Ｔ３２をスイッチング制御する。昇圧コンバータ３５の電圧制御では、高電圧系電力ライン４０の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ３５のトランジスタＴ４１，Ｔ４２をスイッチング制御する。

次に、こうして構成された実施例の駆動装置２０が備える電源装置の動作、特に、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替えると共に、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御へ切り替える際の動作について説明する。図２は、ＥＣＵ５０により実行される制御切替処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、エネルギ効率などの要請により、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替えると共に、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御へ切り替えるよう切替指示がなされたときに実行される。

本ルーチンが実行されると、ＥＣＵ５０は、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御に切り替える処理を実行し（ステップＳ１００）、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御に切り替える処理の実行を開始してから所定時間ｔｒｅｆが経過している否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、所定時間ｔｒｅｆは、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御に切り替えたあと、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替えるか否かを判定するための閾値である。

昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御に切り替える処理の実行を開始してから所定時間ｔｒｅｆが経過していないときには、所定時間ｔｒｅｆが経過するまで、昇圧コンバータ３４，３５については電圧制御を実行する。そして、所定時間ｔｒｅｆが経過したときには、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へと切り替えて（ステップＳ１１０，Ｓ１２０），本ルーチンを終了する。

図３は、昇圧コンバータ３４，３５の制御を切り替えているときの様子を説明するための説明図である。図示するように、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御に切り替える処理の実行を開始してから所定時間ｔｒｅｆが経過するまで、昇圧コンバータ３４，３５の双方が電圧制御されている。つまり、昇圧コンバータ３４，３５の双方が電力制御される期間がないから、高電圧系電力ライン４０の電圧ＶＨの変動を抑制することができ、モータ２２を適正に制御することができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０が備える電源装置によれば、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替える共に、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御へ切り替えるときには、昇圧コンバータ３５の制御を電力制御から電圧制御へ切り替えた後に、昇圧コンバータ３４の制御を電圧制御から電力制御へ切り替えることにより、モータを適正に制御することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、バッテリ３０が「第１バッテリ」に相当し、昇圧コンバータ３４が「第１昇圧コンバータ」に相当し、バッテリ３１が「第２バッテリ」に相当し、昇圧コンバータ３５が「第２昇圧コンバータ」に相当し、ＥＣＵ５０が「制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電源装置の製造産業などに利用可能である。

２０駆動装置、２２モータ、２４インバータ、３０，３１バッテリ、３０ａ，３１ａ，４１ａ，４３ａ，４５ａ電圧センサ、３０ｂ，３１ｂ，３４ａ，３５ａ電流センサ、３４，３５昇圧コンバータ、４０高電圧系電力ライン、４０ａ，４２ａ，４４ａ正極ライン、４０ｂ，４２ｂ，４４ｂ負極ライン、４１，４３，４５コンデンサ、４２，４４低電圧系電力ライン、５０電子制御ユニット（ＥＣＵ）、Ｄ３１、Ｄ３２，Ｄ４１，Ｄ４２ダイオード、Ｌ１，Ｌ２リアクトル、Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４１，Ｔ４２トランジスタ。

Claims

第１バッテリと、
モータが接続された第１電力ラインと前記第１バッテリが接続された第２電力ラインとに接続され、前記第２電力ラインの電力を電圧の昇圧を伴って前記第１電力ラインに供給する第１昇圧コンバータと、
第２バッテリと、
前記第１電力ラインと前記第２バッテリが接続された第３電力ラインとに接続され、前記第３電力ラインの電力を電圧の昇圧を伴って前記第１電力ラインに供給可能な第２昇圧コンバータと、
前記第１電力ラインの電圧が目標電圧になるように前記第１，第２昇圧コンバータのうちの一方の昇圧コンバータを電圧制御し、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの他方の昇圧コンバータの出力電力が目標電力となるように前記他方の昇圧コンバータを制御する電力制御を実行する制御手段と、
を備える電源装置において、
前記制御手段は、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの一方の昇圧コンバータの制御を前記電圧制御から前記電力制御に切り替えると共に、前記第１，第２昇圧コンバータのうちの他方の昇圧コンバータの制御を前記電力制御から前記電圧制御に切り替えるときには、前記他方の昇圧コンバータの制御を前記電力制御から前記電圧制御に切り替えた後に、前記一方の昇圧コンバータの制御を前記電圧制御から前記電力制御に切り替える、
電源装置。