JP2019088081A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧コンバータによるバッテリからの電力の取り出しと昇圧電流の応答性とが両立する電源装置を提供する。【解決手段】電気自動車２０において、電源装置は、蓄電装置（バッテリ３６）と、蓄電装置側と電気負荷側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする昇圧コンバータ４０と、昇圧コンバータ４０を制御する制御装置５０と、を備える。制御装置５０は、昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに流れる電流（昇圧電流ＩＬ）が大きいときには小さいときに比して昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量が小さくなるように昇圧コンバータ４０を制御する。昇圧電流ＩＬが大きいときには昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量は小さいから、バッテリ３６から電力が取り出すことができなくなるのを抑制し、昇圧電流ＩＬが小さいときには昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量は大きくなるから、昇圧電流ＩＬの応答性を良好なものとすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関し、詳しくは、蓄電装置と電気負荷との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする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、バッテリからの電力を昇圧してモータの駆動回路に供給するＤＣ／ＤＣコンバータを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、モータへの供給電力に基づいてモータ側の目標電圧を定め、モータ側の出力電圧が目標電圧に近づくようにＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子のスイッチングをデューティ制御している。

特開２０１０−２５２５９１号公報

上述の電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータからの電流（昇圧電流）が過大になるとバッテリから電力を取り出すことができなくなる場合が生じたり素子に損傷を与える場合が生じるため、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子のスイッチングのデューティに制限を課すことが行なわれる。このようにデューティに制限を課すと、昇圧電流の応答性が低下してしまう。

本発明の電源装置は、昇圧コンバータによるバッテリからの電力の取り出しと昇圧電流の応答性との両立を図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、
蓄電装置と、
前記蓄電装置側と電気負荷側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータのリアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記昇圧コンバータを制御する制御装置と、
を備える電源装置であって、
前記制御装置は、前記電流センサにより検出される電流が大きいときには小さいときに比して前記リアクトルに流れる電流の単位時間当たりの変化量が小さくなるように前記昇圧コンバータを制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の電源装置では、昇圧コンバータのリアクトルに流れる電流（昇圧電流）が大きいときには小さいときに比してリアクトルに流れる電流の単位時間当たりの変化量が小さくなるように昇圧コンバータを制御する。昇圧電流が大きいときにはリアクトルに流れる電流の単位時間当たりの変化量が小さいから、バッテリから電力が取り出すことができなくなるのを抑制することができる。一方、昇圧電流が小さいときにはリアクトルに流れる電流の単位時間当たりの変化量は大きくなるから、昇圧電流の良好な応答性を得ることができる。これらの結果、昇圧コンバータによるバッテリからの供給電力の取り出しと昇圧電流の応答性との両立を図ることができる。

こうした本発明の電源装置において、前記制御装置は、前記電流センサにより検出される電流が電流閾値以上のときに前記昇圧コンバータのデューティの下限を制限するものとしてもよい。こうすれば、圧コンバータのリアクトルに流れる電流（昇圧電流）が大きいときにだけデューティに下限制限を課すことになり、制御を簡易なものとすることができる。

本発明の一実施例としての駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット５０により実行されるデューティ制限処理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４０のデューティ制御におけるデューティと昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングパターンと昇圧電流ＩＬの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

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搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、バッテリ３６と、昇圧コンバータ４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。

モータ３２は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ３２の回転子は、駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。

インバータ３４は、モータ３２の駆動に用いられる。このインバータ３４は、高電圧側電力ライン４２を介して昇圧コンバータ４０に接続されており、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のそれぞれに並列に接続された６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６と、を有する。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとに対してソース側とシンク側になるように２個ずつペアで配置されている。また、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ３２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ３４に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット５０によって、対となるトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ３２が回転駆動される。高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４６が取り付けられている。

バッテリ３６は、例えば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、低電圧側電力ライン４４を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

昇圧コンバータ４０は、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２のそれぞれに並列に接続された２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬと、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインに接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧側電力ライン４２および低電圧側電力ライン４４の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと、に接続されている。昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０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、低電圧側電力ライン４４の電力を昇圧して高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を降圧して低電圧側電力ライン４４に供給したりする。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２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、ＣＰＵ５２の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４やデータを一時的に記憶するＲＡＭ５６，入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０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。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）３２ａからの回転位置θｍや、モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサ３２ｕ，３２ｖからの相電流Ｉｕ，Ｉｖを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた図示しない電圧センサからの電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた図示しない電流センサからの電流Ｉｂも挙げることができる。さらに、昇圧コンバータ４０のリアクトルＬの入力側に取り付けられた電流センサ４１からの昇圧電流ＩＬや、昇圧コンバータ４０に取り付けられた温度センサからのコンバータ温度Ｔｃ、コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからのコンデンサ４６（高電圧側電力ライン４２）の電圧ＶＨ、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからのコンデンサ４８（低電圧側電力ライン４４）の電圧ＶＬも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号や、シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰも挙げることができる。また、アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃや、ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ６８からの車速Ｖも挙げることができる。

電子制御ユニット５０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。電子制御ユニット５０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６へのスイッチング制御信号や、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号を挙げることができる。電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算している。また、電子制御ユニット５０は、図示しない電流センサからのバッテリ３６の電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の全容量に対するバッテリ３６から放電可能な電力の容量の割合である。また、電子制御ユニット５０は、蓄電割合ＳＯＣやバッテリ３６に取り付けられた図示しない温度センサからのバッテリ温度に基づいてバッテリ３６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算している。入力制限Ｗｉｎはバッテリ３６を充電することができる最大充電電力であり、出力制限Ｗｏｕｔはバッテリ３６から放電することができる最大放電電力である。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、電子制御ユニット５０は、以下の走行制御を行なう。走行制御では、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸２６に要求される要求トルクＴｄ＊を設定すると共に要求トルクＴｄ＊にモータ３２の回転数Ｎｍを乗じて走行要求パワーＰｄ＊を設定する。続いて、バッテリ３６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔに制限係数ｋｉｎ，ｋｏｕｔを乗じて得られる充放電電力上限値Ｗｏｕｔｌｉｍで走行要求パワーＰｄ＊を制限して実行用パワーＰ＊を設定し、これをモータ３２の回転数Ｎｍで除して実行用トルクＴ＊を設定する。ここで、制限係数ｋｉｎは、入力制限Ｗｉｎを制限する係数であり、値０から値１の範囲で設定される。制限係数ｋｏｕｔは出力制限Ｗｏｕｔを制限する係数であり、値０から値１の範囲で設定される。そして、実行用トルクＴ＊をモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に設定し、モータ３２がトルク指令Ｔｍ＊で駆動されるようにインバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチング制御を行なう。また、走行制御では、モータ３２をトルク指令Ｔｍ＊で駆動できるように高電圧側電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧側電力ライン４２の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングに対してデューティ制御を行なう。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに流れる電流（昇圧電流）ＩＬに基づいて昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングに対するデューティ制御に制限を課す際の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット５０により実行されるデューティ制限処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは所定時間毎（例えば数十ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

デューティ制限処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、電流センサ４１からの昇圧電流ＩＬとデューティ指令とを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。デューティ指令は、実施例では、高電圧側電力ライン４２の電圧ＶＨと目標電圧ＶＨ＊との差分が打ち消されるように電子制御ユニット５０が実行する図示しないデューティ制御ルーチンにより設定されるものを入力するものとした。

次に、入力した昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、電流閾値Ｉｒｅｆは、昇圧コンバータ４０で許容することができる昇圧電流の上限に対してある程度の余裕をもった値を用いることができる。昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上ではないと判定したときには、デューティ制御に何ら制限を課す必要はないと判断し、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１１０で昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であると判定したときには、デューティ指令が下限閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ここで、下限閾値は、デューティ制御における下限制限におけるデューティ比である。デューティ指令が下限閾値以上であると判定されたときには、デューティ指令をそのまま用いればよいから、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１２０でデューティ指令が下限閾値未満であると判定したときには、デューティ制御における下限制限が必要と判断し、デューティ制御における下限制限（デューティ制限）を実施して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。デューティ制限は、デューティ指令に下限閾値を置き換えることにより行なわれる。

図３は、昇圧コンバータ４０のデューティ制御におけるデューティと昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングパターンと昇圧電流ＩＬの時間変化の様子の一例を示す説明図である。図示するように、デューティが値Ｄ１のときには、デューティが値Ｄ１より小さい値Ｄ２のときに比して、スイッチングパターンにおけるオフの時間、即ち、昇圧電流ＩＬが降下する時間が長くなるため、昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量は小さくなる。昇圧電流ＩＬが大きいときに、デューティの下限制限を行なわないと、昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量が大きくなり、昇圧電流ＩＬが過大になる場合が生じる。その場合、バッテリ３６にも過大な電流が流れるため、バッテリ３６の内部抵抗による電圧降下によりバッテリ３６から電力を取り出すことができなくなる場合が生じる。また、昇圧電流ＩＬが過大になると、昇圧コンバータ４０の素子やインバータ３４の素子に損傷が生じる場合も生じる。このため、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上のときにデューティ制御における下限制限を実施することにより、これらの不都合を抑制したり、回避することができる。一方、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ未満のときには、ヂューティ制御における下限制限を課さないから、昇圧電流ＩＬの応答性を良好なものとすることができる。

以上説明した実施例の電気自動車２０が搭載する電源装置では、昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに流れる昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であるときには、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングにおけるデューティ制御でデューティに下限制限を課す。これにより、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上のときにバッテリ３６から電力を取り出すことができなくなるのを抑制することができ、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ未満のときに昇圧電流ＩＬの応答性を良好なものとすることができる。この結果、昇圧コンバータ４０によるバッテリ３６からの電力の取り出しと昇圧電流ＩＬの応答性との両立を図ることができる。

実施例の電気自動車２０が搭載する電源装置では、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ未満のときには、昇圧コンバータ４０のデューティ制御におけるデューティに下限制限は課さず、昇圧電流ＩＬが電流閾値Ｉｒｅｆ以上であるときに昇圧コンバータ４０のデューティ制御におけるデューティに下限制限を課すものとした。しかし、昇圧電流ＩＬが大きいほど昇圧コンバータ４０のデューティ制御におけるデューティに下限制限を課すものとしてもよい。即ち、昇圧電流ＩＬが大きいほど昇圧電流ＩＬの単位時間当たりの変化量が小さくなるようにデューティに下限制限を課すものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０では、蓄電装置として、バッテリ３６を用いるものとしたが、キャパシタなどの蓄電可能な装置であれば如何なる装置を用いるものとしてもよい。

実施例では、電気自動車２０に搭載される電源装置の構成とした。しかし、蓄電装置と昇圧コンバータとを備えるものであればよく、ハイブリッド自動車に搭載される電源装置の構成としたり、建設設備などの移動しない設備に搭載される電源装置の構成としたりしてもよい。

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 電気自動車、２２ａ，２２ｂ 駆動輪、２４ デファレンシャルギヤ、２６ 駆動軸、３２ モータ、３２ａ 回転位置検出センサ、３２ｕ，３２ｖ 電流センサ、３４ インバータ、３６ バッテリ、４０ 昇圧コンバータ、４０ａ 温度センサ、４１ 電流センサ、４２ 高電圧側電力ライン、４４ 低電圧側電力ライン、４６，４８ コンデンサ、４６ａ，４８ａ 電圧センサ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、６０ イグニッションスイッチ、６１ シフトレバー、６２ シフトポジションセンサ、６３ アクセルペダル、６４ アクセルペダルポジションセンサ、６５ ブレーキペダル、６６ ブレーキペダルポジションセンサ、６８ 車速センサ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (1)

1. 蓄電装置と、
   前記蓄電装置側と電気負荷側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする昇圧コンバータと、
   前記昇圧コンバータのリアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記昇圧コンバータを制御する制御装置と、
   を備える電源装置であって、
   前記制御装置は、前記電流センサにより検出される電流が大きいときには小さいときに比して前記リアクトルに流れる電流の単位時間当たりの変化量が小さくなるように前記昇圧コンバータを制御する、
   電源装置。

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