JP2022113486A - Power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device.
特許文献1に開示された電動車両向けの電力変換装置は、モータジェネレータ駆動用のインバータに、充電器としての機能の一部を兼ねるようにすることによって、外部充電器であるAC充電器を用いてバッテリを充電するための車載部品を最小限に抑えることができ、電動車両の重量及び価格を低減させることができるとされている。
A power conversion device for an electric vehicle disclosed in
しかしながら、特許文献1に開示された技術は、AC充電を想定しており、DC充電を想定した場合、電動車両に搭載されたモータジェネレータ駆動用のバッテリを充電する際に用いられるDC充電器としては、例えば、最大電圧が400[V]級(150[kW])と800[V]級(350[kW])との2種類のものがあり、電動車両側で複数の電圧規格に対応してバッテリを充電できることが望ましい。一方、3レベルインバータにおいて、UVW相の各相におけるスイッチング素子を制御することによって充電器電圧を昇圧して対応した場合、スイッチング素子のオンとオフとを切り替える際にタイミングのずれによって、各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じてしまい、電流が脈動してしまうおそれがある。
However, the technique disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スイッチング素子の切り替えタイミングのずれによる電流の脈動を抑制することができる電源装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a power supply device capable of suppressing current pulsation caused by a shift in switching timing of a switching element.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、蓄電池と、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第1コンデンサ及び第2コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、直列に接続された第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第1ダイオードと、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第2ダイオードと、を有し、前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をそれぞれオンまたはオフさせることによって、3つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な3レベルインバータが、U相、V相、及びW相の3相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、を備えた電源装置であって、前記制御装置は、充電器からの電力による前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサの電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正することを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a power supply device according to the present invention includes a storage battery, and a first capacitor and a second capacitor connected in series between a positive terminal and a negative terminal of the storage battery. a capacitor unit connected in series; a first switching element, a second switching element, a third switching element, and a fourth switching element connected in series; a first diode having a cathode side connected and an anode side connected to a wiring connecting the first capacitor and the second capacitor; and an anode side connected to a wiring connecting the third switching element and the fourth switching element. a second diode whose cathode side is connected to a wiring connecting the first capacitor and the second capacitor, wherein the first switching element, the second switching element, the third switching element and the A three-level inverter capable of selectively outputting a voltage of any one of three different voltage values to a motor generator by turning on or off the fourth switching element has a U-phase, a V-phase, and a A power supply device comprising: a power converter connected in parallel with the storage battery for three phases of W, and a control device controlling switching between on and off of each switching element of the power converter, , the control device controls switching between on and off of each switching element of the power converter so that the first capacitor and the second capacitor are alternately charged with power from a charger. At this time, the switching timing of each switching element is corrected based on the voltage change of the first capacitor and the second capacitor.
本発明に係る電源装置は、スイッチング素子の切り替えタイミングのずれによる電流の脈動を抑制することができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION The power supply device which concerns on this invention is effective in the ability to suppress the pulsation of the electric current by the shift|offset|difference of the switching timing of a switching element.
以下に、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, embodiment of the power supply device which concerns on this invention is described. It should be noted that the present invention is not limited by this embodiment.
図1は、実施形態に係る電力システムの構成図である。実施形態に係る電力システムは、電気自動車や、ハイブリッド車両、PHV(Plug-in Hybrid Vehicle)やREEV(Range Extended Electric Vehicle)等の電力を利用した走行が可能な電動車両に適用される。 FIG. 1 is a configuration diagram of a power system according to an embodiment. The electric power system according to the embodiment is applied to electric vehicles that can run using electric power, such as electric vehicles, hybrid vehicles, PHVs (Plug-in Hybrid Vehicles), and REEVs (Range Extended Electric Vehicles).
実施形態に係る電力システムは、電源装置10とモータジェネレータ20とDC充電器30などによって構成されている。なお、実施形態に係る電力システムのうち、電源装置10及びモータジェネレータ20は前記電動車両に搭載されており、DC充電器30は前記電動車両の外部に設置された外部充電設備などに設けられている。
A power system according to the embodiment is configured by a
電源装置10は、バッテリ12、コンデンサ部16、電力変換器18、充電リレー装置40、及び、ECU(Electronic Control Unit)60などを備えている。電源装置10は、モータジェネレータ20と電気的に接続されている。
The
バッテリ12は、高電圧バッテリとして充放電可能な蓄電池である。バッテリ12としては、例えば、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池の他、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等を用いることができる。
The
コンデンサ部16は、バッテリ12の正極側端子(正母線22)とバッテリ12の負極側端子(負母線24)との間に、互いに直列に接続された、第1コンデンサであるコンデンサC1と第2コンデンサであるコンデンサC2とによって構成されている。コンデンサC1とコンデンサC2とは、中性点NP1で互いに接続されている。つまり、コンデンサC1は、一方側の端子が正母線22に接続され、他方側の端子が中性点NP1に接続されている。また、コンデンサC2は、一方側の端子が中性点NP1に接続され、他方側の端子が負母線24に接続されている。したがって、コンデンサC1,C2が同じように充放電を行って常に同じ電荷を蓄積しているとすれば、中性点NP1と負母線24との間の電圧である中性点電圧は、バッテリ12の電圧の半分の電圧にクランプされることになる。なお、中性点電圧は、コンデンサC2の端子間電圧である電圧VC2に相当する。また、図1中のVC1は、コンデンサC1の端子間電圧である。
The
電力変換器18は、正母線22と中性点NP1との間の電圧である正側電圧が供給される上アーム、及び、中性点NP1と負母線24との間の電圧である負側電圧が供給される下アームで構成されている。電力変換器18では、上アームと下アームとが、正母線22と負母線24との間に直列に多重化されて配置されており、3レベルの3相AC電圧をモータジェネレータ20に出力することが可能となっている。
The
また、電力変換器18は、U相電圧をモータジェネレータ20に出力するU相アームと、V相電圧をモータジェネレータ20に出力するV相アームと、W相電圧をモータジェネレータ20に出力するW相アームとを備えている。
Further,
U相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SU1、第2スイッチング素子SU2、第3スイッチング素子SU3、第4スイッチング素子SU4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SU1,SU2,SU3,SU4は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。なお、逆接続とは、例えば、半導体素子のコレクタ端子にダイオードのカソード端子が接続され、半導体素子のエミッタ端子にダイオードのアノード端子が接続されるものである。第1スイッチング素子SU1と第2スイッチング素子SU2とを接続する配線にある接続部としての中間点PU1(第1中間点)、及び第3スイッチング素子SU3と第4スイッチング素子SU4とを接続する配線にある接続部としての中間点PU2(第2中間点)は、直列に接続された2つのダイオードDU1,DU2のアノード側が中間点PU2と接続し、カソード側が中間点PU1と接続するように、ダイオードDU1,DU2によって接続されている。この2つのダイオードDU1,DU2を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。言い換えると、ダイオードDU1は、中間点PU1にカソード側が接続され、中性点NP1にアノード側が接続されている。また、ダイオードDU2は、中間点PU2にアノード側が接続され、中性点NP1にカソード側が接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SU2と第3スイッチング素子SU3との間にある接続点からモータジェネレータ20にU相電圧が出力される。
In the U-phase arm, the first switching element SU1, the second switching element SU2, the third switching element SU3, and the fourth switching element SU4 are connected in series from the
V相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SV1、第2スイッチング素子SV2、第3スイッチング素子SV3、第4スイッチング素子SV4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SV1,SV2,SV3,SV4は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。第1スイッチング素子SV1と第2スイッチング素子SV2とを接続する配線にある接続部としての中間点PV1(第1中間点)、及び第3スイッチング素子SV3と第4スイッチング素子SV4とを接続する配線にある接続部としての中間点PV2(第2中間点)は、直列に接続された2つのダイオードDV1,DV2のアノード側が中間点PV2と接続し、カソード側が中間点PV1と接続するように、ダイオードDV1,DV2によって接続されている。この2つのダイオードDV1,DV2を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。言い換えると、ダイオードDV1は、中間点PV1にカソード側が接続され、中性点NP1にアノード側が接続されている。また、ダイオードDV2は、中間点PV2にアノード側が接続され、中性点NP1にカソード側が接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SV2と第3スイッチング素子SV3との間にある接続点からモータジェネレータ20にV相電圧が出力される。
In the V-phase arm, a first switching element SV1, a second switching element SV2, a third switching element SV3, and a fourth switching element SV4 are connected in series from
W相アームでは、正母線22から負母線24に向かって、第1スイッチング素子SW1、第2スイッチング素子SW2、第3スイッチング素子SW3、第4スイッチング素子SW4が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子SW1,SW2,SW3,SW4は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列されて構成されている。第1スイッチング素子SW1と第2スイッチング素子SW2とを接続する配線にある接続部としての中間点PW1(第1中間点)、及び第3スイッチング素子SW3と第4スイッチング素子SW4とを接続する配線にある接続部としての中間点PW2(第2中間点)は、直列に接続された2つのダイオードDW1,DW2のアノード側が中間点PW2と接続し、カソード側が中間点PW1と接続するように、ダイオードDW1,DW2によって接続されている。この2つのダイオードDW1,DW2を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部16の中性点NP1に接続されている。言い換えると、ダイオードDW1は、中間点PW1にカソード側が接続され、中性点NP1にアノード側が接続されている。また、ダイオードDW2は、中間点PW2にアノード側が接続され、中性点NP1にカソード側が接続されている。かかる構成において、第2スイッチング素子SW2と第3スイッチング素子SW3との間にある接続点からモータジェネレータ20にW相電圧が出力される。
In the W-phase arm, a first switching element SW1, a second switching element SW2, a third switching element SW3, and a fourth switching element SW4 are connected in series from the
本実施形態において、電力変換器18の各スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などを用いることができる。
In this embodiment, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or the like can be used as the switching elements of the
モータジェネレータ20は、前記電動車両に搭載される回転電機であり、バッテリ12から出力されたDC電圧が、電力変換器18によって三相AC電圧に変換されて供給されるときにモータとして作用し、車両を走行させるための駆動力を発生する。一方、モータジェネレータ20は、車両が制動されるときに発電機として作用し、制動エネルギーを回収して三相AC電圧として出力する。そして、この三相AC電圧が電力変換器18によってDC電圧に変換されてバッテリ12に供給されることにより、バッテリ12が充電される。
The
DC充電器30は、バッテリ12を充電するために車両外部に設けられた外部充電器である。DC充電器30は、DC充電器30の不図示のプラグと車両側の不図示のコネクタとを接続するための充電器接続部50にて、電源装置10側と電気的に接続される2つの端子であるP端子(正極端子)32P及びN端子(負極端子)32Nを有している。充電器接続部50と電力変換器18との間には、充電リレー42Pと充電リレー42Nとを有する充電リレー装置40、及び、リアクトル44Pが設けられている。
図1に示すように、DC充電器30のP端子32Pは、充電リレー42P及びリアクトル44Pを介して、V相アームにおける第1スイッチング素子SV1と第2スイッチング素子SV2との中間点PV1と電気的に接続されている。また、DC充電器30のN端子32Nは、充電リレー42Nを介して、U相アームにおける第3スイッチング素子SU3と第4スイッチング素子SU4との中間点PU2と電気的に接続されている。
As shown in FIG. 1, the
なお、実施形態に係る電源装置10では、U相アームとV相アームとW相アームとのうち、いずれか1相の3レベルインバータにおける第1中間点である中間点PU1,PV1,PW1と、DC充電器30のP端子32Pとを接続し、他の1相の3レベルインバータにおける第2中間点である中間点PU2,PV2,PW2と、DC充電器30のN端子32Nとを接続すればよい。
In the
このように、実施形態に係る電源装置10では、U相アームとV相アームとW相アームとのうち、いずれか1相の3レベルインバータにおける第1中間点が、DC充電器30のP端子32Pと電気的に接続される第1接続端子として用いられている。また、U相アームとV相アームとW相アームとのうち、他の1相の3レベルインバータにおける第2中間点が、DC充電器30のN端子32Nと電気的に接続される第2接続端子として用いられている。
Thus, in the
そして、実施形態に係る電源装置10は、電力変換器18におけるU相、V相、及びW相のうち、いずれか1相の3レベルインバータにおける第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との間(第1中間点)にてDC充電器30のP端子32Pを電気的に接続し、他の1相の3レベルインバータにおける第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との間(第2中間点)にてDC充電器30のN端子32Nを電気的に接続することにより、複数の電圧規格に対応して、DC充電器30によりバッテリ12を充電することができる構成となっている。
In the
図2は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。ECU60は、電源装置10などの動作を制御する電子制御装置である。ECU60は、充電制御部62及びゲート信号生成部64などを備えている。なお、図2中、「VB」はバッテリ電圧であり、「VH]は充電電圧である。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the power system according to the embodiment. The
充電制御部62には、図示されていないシステム制御部から出力された充電電力指令信号、電力変換器18に設けられた不図示の電圧計から出力された電圧位相信号、コンデンサ部16に設けられた不図示の電圧計から出力されたコンデンサC1,C2の電圧VC1,VC2の信号、及び、DC充電器30から出力された充電器情報信号などの各種信号が入力される。また、充電制御部62は、例えば、充電電力指令信号、電圧位相信号、及び、電圧VC1,VC2の信号などに基づいて求めたdutyなどを、ゲート信号生成部64に出力する。ゲート信号生成部64は、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。
The
実施形態に係る電源装置10においては、ECU60の制御モードとして、DC充電器30によってバッテリ12を充電する際に、DC充電器30の最大電圧がバッテリ電圧VB以上の場合に適用する第1の充電モードである直結モードと、DC充電器30の最大電圧がバッテリ電圧VBよりも低い場合に適用する第2の充電モードである昇圧モードとを有している。直結モードでは、DC充電器30からの電力を昇圧せずにバッテリ12を充電する。昇圧モードでは、DC充電器30からの電力を昇圧してバッテリ12を充電する。なお、実施形態に係る電源装置10では、直結モードと昇圧モードともに、DC充電器30からモータジェネレータ20に電流を流すことなくバッテリ12の充電を行う。
In the
充電制御部62は、DC充電器30からの充電器情報信号に基づいて、DC充電器30の最大電圧とバッテリ電圧VBとを比較する。そして、DC充電器30の最大電圧がバッテリ電圧VB以上の場合には、直結モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する。一方、DC充電器30の最大電圧がバッテリ電圧VBよりも低い場合には、昇圧モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する。
なお、直結モードと昇圧モードとの選択は、例えば、電源装置10が搭載された前記電動車両に設けられたスイッチなどを、運転手などの作業者が、DC充電器30の仕様(最大電圧)に基づいて操作することにより行うようにしてもよい。
Selection between the direct connection mode and the boost mode is performed by a worker such as a driver, for example, by setting a switch provided in the electric vehicle equipped with the
図3は、直結モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する際の回路状態を示した図である。なお、図3では、DC充電器30の最大電圧が800[V]であり、バッテリ電圧VBが800[V]である。また、図3において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。
FIG. 3 is a diagram showing the circuit state when the
図3に示すように、直結モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する際には、まず、ECU60が、U相アームの第4スイッチング素子SU4とW相アームの第1スイッチング素子SW1とをオフからオンに切り替え、その他のスイッチング素子をオフにした状態する。次に、ECU60は、充電リレー装置40の充電リレー42P,42Nをオフからオンに切り替えて、DC充電器30から電力変換器18を介してバッテリ12にDC電圧を供給し、バッテリ12の充電を行う。
As shown in FIG. 3, when the
なお、第4スイッチング素子SU4と第1スイッチング素子SV1とは、それぞれの還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。これにより、電力変換器18の全てのスイッチング素子がオフの状態となるため、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング動作を行わずに済み、充電効率を高くできるとともに、充電のためのインバータ素子や冷却機構の追加を抑制することができる。一方、第4スイッチング素子SU4と第1スイッチング素子SV1とをオンにすることによって、第4スイッチング素子SU4と第1スイッチング素子SV1とに電流が流れた際の耐久性を確保することが可能となる。
It should be noted that the fourth switching element SU4 and the first switching element SV1 may be turned off because a current flows through the respective free wheel diodes. As a result, since all the switching elements of the
また、直結モードでの充電中には、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとが固定されるため、スイッチング損失を低減させることができる。
In addition, during charging in the direct connection mode, each switching element of the
図4は、昇圧モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する際に、コンデンサC1の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。図5は、昇圧モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する際に、コンデンサC2の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。なお、図4及び図5において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。図6は、コンデンサC1の充電がオンの状態とコンデンサC2の充電がオンの状態との切り替えのタイミングの一例を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a circuit state in which charging of the capacitor C1 is ON when the
本実施形態では、図4に示すように、昇圧モードにおいて、DC充電器30からコンデンサC1に電流が流れてコンデンサC1の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサC1の充電がオンの状態」という。また、本実施形態では、図5に示すように、昇圧モードにおいて、DC充電器30からコンデンサC2に電流が流れてコンデンサC2の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサC2の充電がオンの状態」という。
In this embodiment, as shown in FIG. 4, in the boost mode, the state in which the current flows from the
また、昇圧モードでは、コンデンサC1,C2の電圧VC1,VC2が均等になるように、充電制御部62がフィードバック制御(PI制御)を行う。このフィードバック制御(PI制御)では、図6の矩形パルスで示されるような、コンデンサC1の充電がオンの状態とコンデンサC2の充電がオンの状態とのdutyを、下記数式(1)を用いて算出する。なお、図6中の「T」は、キャリア周期である。また、図6において、矩形パルスのハイレベルは、コンデンサC1の充電がオンの状態を意味し、矩形パルスのローレベルは、コンデンサC2の充電がオンの状態を意味する。また、図6中の「duty」は、コンデンサC1側dutyであって、0より大きく1より小さい値である。
Further, in the boost mode, the charging
コンデンサC1側duty=Kp(VC2-VC1)+Ki∫(VC2-VC1)dt・・・(1) Capacitor C1 side duty = Kp (VC2 - VC1) + Ki ∫ (VC2 - VC1) dt (1)
なお、上記数式(1)中、「Kp」は比例ゲインであり、「Ki」は積分ゲインである。 In the above formula (1), "Kp" is a proportional gain and "Ki" is an integral gain.
このようにして算出された前記dutyの情報は、充電制御部62からゲート信号生成部64に出力される。
Information on the duty calculated in this manner is output from the
ゲート信号生成部64は、昇圧モード時に、前記duty及びキャリア周期Tなどに基づいて、コンデンサC1の充電がオンの状態またはコンデンサC2の充電がオンの状態となるように、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。
In the boost mode, the gate
昇圧モードによってDC充電器30によりバッテリ12を充電する際には、まず、コンデンサC1,C2の電圧VC1,VC2を、それぞれバッテリ12からの電力によって充電し、バッテリ電圧VB(800[V])の1/2である400[V]にする。また、DC充電器30の電圧もバッテリ電圧VB(800[V])の1/2である400[V]にする。なお、DC充電器30の電圧としては、バッテリ電圧VBの1/2よりも多少高くても良い。
When charging the
そして、例えば、図4に示すように、コンデンサC1の充電をオンの状態にする。すなわち、ECU60は、U相アームにおける第2スイッチング素子SU2及び第3スイッチング素子SU3と、V相アームにおける第1スイッチング素子SV1とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、DC充電器30のP端子32PからV相アームの中間点PV1に出力された電流は、V相アームの第1スイッチング素子SV1と、コンデンサC1と、U相アームの第2スイッチング素子SU2及び第3スイッチング素子SU3とを通って、U相アームの中間点PU2からDC充電器30のN端子32Nに入力される。これにより、コンデンサC1の充電がオンの状態では、DC充電器30からの電力によってコンデンサC1が充電されて電圧VC1が高くなる。そして、DC充電器30によるコンデンサC1の充電は、充電電圧VH(電圧VC1+電圧VC2)がバッテリ電圧VBよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、800[V]よりも高い電圧である。そして、充電制御部62は、コンデンサ部16に設けられた電圧計から出力された電圧VC1,VC2の値に基づいて、電圧VC1,VC2の合計が800[V]を超えたと判断したら、DC充電器30によるコンデンサC1の充電を終了する。
Then, for example, as shown in FIG. 4, the charging of the capacitor C1 is turned on. That is, the
なお、第1スイッチング素子SV1は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第1スイッチング素子SV1をオンにすることによって、電流が流れた際の第1スイッチング素子SV1の耐久性を確保することが可能となる。 Note that the first switching element SV1 may be turned off because current flows through the free wheel diode. On the other hand, by turning on the first switching element SV1, it is possible to ensure the durability of the first switching element SV1 when current flows.
次に、図5に示すように、コンデンサC1の充電をオンの状態からコンデンサC2の充電をオンの状態に切り替える。すなわち、ECU60は、U相アームにおける第4スイッチング素子SU4と、V相アームにおける第2スイッチング素子SV2及び第3スイッチング素子SV3とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、充電電圧VHがバッテリ電圧VBよりも高い状態にて、DC充電器30によるコンデンサC1の充電が停止され、コンデンサC1に蓄えられた電力が放電されてバッテリ12に入力されることにより、バッテリ12が充電される。
Next, as shown in FIG. 5, the ON state of charging the capacitor C1 is switched to the ON state of charging the capacitor C2. That is, the
また、コンデンサC2の充電がオンの状態では、DC充電器30のP端子32PからV相アームの中間点PV1に出力された電流が、V相アームにおける第2スイッチング素子SV2及び第3スイッチング素子SV3と、コンデンサC2と、U相アームにおける第4スイッチング素子SU4とを通って、U相アームの中間点PU2からDC充電器30のN端子32Nに入力される。これにより、コンデンサC2の充電がオンの状態では、DC充電器30からの電力によってコンデンサC2が充電されて電圧VC2が高くなる。そして、DC充電器30によるコンデンサC2の充電は、充電電圧VHがバッテリ電圧VBよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、800[V]よりも高い電圧である。そして、充電制御部62は、コンデンサ部16に設けられた電圧計から出力された電圧VC1,VC2の値に基づいて、電圧VC1,VC2の合計が800[V]を超えたと判断したら、DC充電器30によるコンデンサC2の充電を終了する。
In addition, when the charging of the capacitor C2 is on, the current output from the
なお、第4スイッチング素子SU4は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第4スイッチング素子SU4をオンにすることによって、電流が流れた際の第4スイッチング素子SU4の耐久性を確保することが可能となる。 Note that the fourth switching element SU4 may be turned off because current flows through the free wheel diode. On the other hand, by turning on the fourth switching element SU4, it is possible to ensure the durability of the fourth switching element SU4 when current flows.
次に、コンデンサC2の充電をオンの状態からコンデンサC1の充電をオンの状態に切り替える。これにより、充電電圧VHがバッテリ電圧VBよりも高い状態にて、DC充電器30によるコンデンサC2の充電が停止され、コンデンサC2に蓄えられた電力が放電されてバッテリ12に入力されることにより、バッテリ12が充電される。
Next, the charging of the capacitor C2 is switched from the ON state to the charging of the capacitor C1. As a result, charging of the capacitor C2 by the
ここで、実施形態に係る電源装置10においては、ECU60が、昇圧モード時にDC充電器30からの電力によるコンデンサC1とコンデンサC2との充電が交互に行われるように、電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、コンデンサC1及びコンデンサC2の電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正する。これにより、実施形態に係る電源装置10は、昇圧モード時に電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えタイミングのずれによって、電力変換器18の各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じて電流が脈動することを抑制することができる。
Here, in the
図7は、昇圧モード時に充電制御部62によるフィードバック制御がある場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。図8は、昇圧モード時に充電制御部62によるフィードバック制御がない場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the battery voltage and the capacitor voltage when feedback control is performed by the
本実施形態において充電制御部62は、昇圧モード時に電圧VC1と電圧VC2とが均等になるようにフィードバック制御を行う。図7に示すように、昇圧モード時に充電制御部62によるフィードバック制御を行うことによって、コンデンサC1とコンデンサC2とがそれぞれ充電された際の電圧VC1と電圧VC2とを均等化することができる。一方、図8に示すように、昇圧モード時に充電制御部62によるフィードバック制御を行わないことによって、コンデンサC1とコンデンサC2とがそれぞれ充電された際の電圧VC1と電圧VC2との間に電圧差が発生し、電圧VC1と電圧VC2とを均等化することができない。
In this embodiment, the charging
本実施形態においてduty補正部63は、インバータスイッチ状態の切替時に電源短絡防止の目的で設定するデッドタイムが、充電動作に与える影響を緩和させるために、フォードバック制御にてdutyを補正する。状態としては、(1)dutyの補正量が小さい状態、(2)dutyの補正量が適切な状態、(3)dutyの補正量が大きい状態、の3つの状態に分けられ、(2)の状態に収束するように制御を行う。
In the present embodiment, the
図9は、dutyの補正量が小さい状態を示した図である。図9に示したdutyの補正量が小さい状態は、充電器P端子接続相(V相)において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムと、充電器N端子接続相(U相)において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムとが、重なる期間がある状態である。そして、このように2相(U相とV相)のデッドタイムが重なる期間では、充電器電流が大きく減少する。 FIG. 9 is a diagram showing a state in which the correction amount of duty is small. The state in which the duty correction amount shown in FIG. This is a state in which there is a period that overlaps with the dead time in which the switching element is turned off. In the period in which the dead times of the two phases (the U phase and the V phase) overlap, the charger current greatly decreases.
ここで、dutyの補正量が小さい場合には、2相(U相とV相)のデッドタイムが重なることにより、充電器電流が急激に減少する。そのため、2相(U相とV相)のデッドタイムが重なった直後は、電圧VC1または電圧VC2の増加が小さくなるため、電圧VC1または電圧VC2の波形は必ず下に弧を描いて増加する波形となる。そして、dutyの補正量が小さい場合における、例えば、電圧VC2Tのサンプリング時から電圧VC2peakのサンプリング時までの電圧VC2の増加量ΔVC2は、ΔVC2=VC2peak-VC2Tとなる。なお、dutyの補正量が小さい場合における電圧VC1の増加量ΔVC1についても同様であり、「VC2」を「VC1」に読み替えればよい。 Here, when the correction amount of the duty is small, the dead time of the two phases (the U phase and the V phase) overlap and the charger current rapidly decreases. Therefore, immediately after the dead time of the two phases (U phase and V phase) overlap, the increase in voltage VC1 or voltage VC2 is small, so the waveform of voltage VC1 or voltage VC2 always increases in a downward arc. becomes. Then, when the correction amount of the duty is small, for example, the increase amount ΔVC2 of the voltage VC2 from the time of sampling the voltage VC2 T to the time of sampling the voltage VC2 peak is ΔVC2=VC2 peak −VC2 T. The same applies to the increase amount ΔVC1 of the voltage VC1 when the correction amount of the duty is small, and "VC2" should be read as "VC1".
duty補正部63は、dutyの補正量が小さい場合、2相(U相とV相)のデッドタイムが重なる期間を小さくするために、充電器P端子接続相(V相)のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングが早くなるように、且つ、充電器N端子接続相(U相)のスイッチング素子SU2,SU3のオフタイミングが遅くなるように、dutyを補正する。
When the duty correction amount is small, the
図10は、dutyの補正量が適切な状態を示した図である。図10に示したdutyの補正量が適切な状態は、duty補正によって、充電器P端子接続相(V相)において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムと、充電器N端子接続相(U相)において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムとが、重なる期間がない状態である。 FIG. 10 is a diagram showing a state in which the duty correction amount is appropriate. The state in which the duty correction amount shown in FIG. Phase) is a state in which there is no period that overlaps with the dead time in which all switching elements are turned off.
ここで、dutyの補正量が適切な場合には、充電器電流がほぼ一定となるため、電圧VC1または電圧VC2の増加の波形は直線的になる。そして、dutyの補正量が適切な場合における、例えば、電圧VC2Tのサンプリング時から電圧VC2peakのサンプリング時までの電圧VC2の増加量ΔVC2は、ΔVC2=(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期となる。なお、dutyの補正量が小さい場合における電圧VC1の増加量についても同様であり、「VC2」を「VC1」に読み替えればよい。 Here, when the duty correction amount is appropriate, the charger current becomes substantially constant, so the waveform of the increase in the voltage VC1 or the voltage VC2 becomes linear. Then, when the duty correction amount is appropriate, for example, the increase amount ΔVC2 of the voltage VC2 from the time of sampling the voltage VC2 T to the time of sampling the voltage VC2 peak is ΔVC2=(1/C 2 )×(Ichg/2 )×duty×carrier half period. The same applies to the amount of increase in the voltage VC1 when the correction amount of the duty is small, and "VC2" should be read as "VC1".
duty補正部63は、duty補正によってdutyの補正量が適切な状態でduty補正を行う場合には、duty補正値として前回値を引き継いで用いる。
The
図11は、dutyの補正量が大きい状態を示した図である。図11に示したduty補正量が大きい状態は、duty補正量が適切な値よりも大きく、充電器P端子接続相(V相)においてスイッチング素子SV2,SV3のオン期間と、充電器N端子接続相(U相)においてスイッチング素子SU2,SU3のオン期間とが、重なる期間が存在する状態である。2相(U相とV相)のスイッチング素子S2,S3(スイッチング素子SU2,SU3とスイッチング素子SV2,SV3)の同時オン期間が存在すると、DC充電器30のPN端子間で短絡が発生するため電流が大きく増加する。
FIG. 11 is a diagram showing a state in which the duty correction amount is large. The state in which the duty correction amount shown in FIG. In the phase (U phase), there is a period that overlaps with the ON periods of the switching elements SU2 and SU3. If the two-phase (U-phase and V-phase) switching elements S2 and S3 (switching elements SU2 and SU3 and switching elements SV2 and SV3) are simultaneously ON, a short circuit occurs between the PN terminals of the
そのため、duty補正部63は、dutyの補正量が大きい場合、図10に示したdutyの補正量が適切な状態に近づけるため、充電器P端子接続相のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングを遅くするように、且つ、充電器N端子接続相のSU2,SU3のオフタイミングを早めるように、dutyの補正量を修正する。
Therefore, when the duty correction amount is large, the
図12は、実施形態においてECU60が実施するduty補正の制御の一例を示したフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart showing an example of duty correction control performed by the
まず、ECU60は、ステップS1において、制御周期タイミングで電圧VC1,VC2のサンプリングを行う。なお、制御周期タイミングとは、本制御を行うECU60の制御周期のことであり、設計した時間毎に再計算を行う。また、制御周期タイミングでサンプリングした電圧VC1,VC2の値を電圧VC1T,VC2Tとする。次に、ECU60は、ステップS2において、充電器電流Ichgのピークタイミングで電圧VC1,VC2のサンプリングを行う。なお、この際、サンプリングした電圧VC1,VC2の値を電圧VC1peak,VC2peakとする。
First, in step S1, the
次に、ECU60は、ステップS3において、VC1peak-VC1T>0の関係を満たすか否かを判断する。ここで、電圧VC1は増加と減少とを交互に繰り返しており、電圧VC1peakは充電器電流Ichgが最大値となる時の電圧VC1になる。そして、充電器電流Ichgが最大値の時に電圧VC1は最大値または最小値となる。そのため、本制御では、電圧VC1peakと、制御周期タイミングでサンプリングした電圧VC1Tとを比較することで、電圧VC1が増加中であるか減少中であるかを把握し、それぞれに応じた処理を実施できるようにしている。なお、このことは、電圧VC2Tと電圧VC2peakについても同様である。
Next, in step S3, the
ECU60は、VC1peak-VC1T>0の関係を満たすと判断した場合(ステップS3にてYes)、ステップS4において、VC1peak-VC1T>(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。なお、C1は、コンデンサC1の静電容量である。
When the
ここで、「VC1peak-VC1T」はdutyの補正量が小さい状態での電圧VC1の増加量を表しており、「(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期」はdutyの補正量が適切な状態での電圧VC1の増加量を表している。そして、VC1peak-VC1T>(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすことによって、dutyの補正量が小さい状態が確定され、dutyの補正量を増やすように処理を行なえばよいことが判断できる。 Here, “VC1 peak −VC1 T ” represents the amount of increase in voltage VC1 when the amount of correction of duty is small, and “(1/C 1 )×(I chg /2)×duty×carrier half cycle ” represents the increase amount of the voltage VC1 when the duty correction amount is appropriate. Then, by satisfying the relationship VC1 peak - VC1 T > (1/C 1 )×(I chg /2)×duty×carrier half cycle, the state where the duty correction amount is small is determined, and the duty correction amount is It can be determined that the processing should be performed so as to increase the number.
ECU60は、VC1peak-VC1T>(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合(ステップS4にてYes)、ステップS5において、充電器P端子接続相(V相)のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングを遅らせ、充電器N端子接続相(U相)のスイッチング素子SU2,SU3のオンタイミングを早めるように、dutyを補正する。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。
When the
また、ステップS4において、ECU60は、VC1peak-VC1T>(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合(ステップS4にてNo)、ステップS6において、VC1peak-VC1T<(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。ECU60は、VC1peak-VC1T<(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合(ステップS6にてYes)、ステップS7において、充電器P端子接続相(V相)のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングを早め、充電器N端子接続相(U相)のスイッチング素子SU2,SU3のオンタイミングを遅らせるように、dutyを補正する。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。一方、ECU60は、VC1peak-VC1T<(1/C1)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合(ステップS6にてNo)、ステップS8において、duty補正値を前回値保持とする。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。
Further, in step S4, when the
また、ステップS3において、ECU60は、VC1peak-VC1T>0の関係を満たさないと判断した場合(ステップS3にてNo)、ステップS9において、VC2peak-VC2T>(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。なお、C2は、コンデンサC2の静電容量である。
Further, when the
ここで、「VC2peak-VC2T」はdutyの補正量が小さい状態での電圧VC2の増加量を表しており、「(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期」はdutyの補正量が適切な状態での電圧VC2の増加量を表している。そして、VC2peak-VC2T>(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすことによって、dutyの補正量が小さい状態が確定され、dutyの補正量を増やすように処理を行なえばよいことが判断できる。 Here, “VC2 peak −VC2 T ” represents the amount of increase in voltage VC2 when the amount of correction of duty is small, and “(1/C 2 )×(I chg /2)×duty×carrier half cycle ” represents the amount of increase in the voltage VC2 when the duty correction amount is appropriate. Then, by satisfying the relationship of VC2 peak - VC2 T > (1/C 2 )×(I chg /2)×duty×carrier half cycle, a state where the amount of duty correction is small is determined, and the amount of duty correction is It can be determined that the processing should be performed so as to increase the number.
ECU60は、VC2peak-VC2T>(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合(ステップS9にてYes)、ステップS10において、充電器P端子接続相(V相)のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングを遅らせ、充電器N端子接続相(U相)のスイッチング素子SU2,SU3のオンタイミングを早めるように、dutyを補正する。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。
When the
また、ステップS9において、ECU60は、VC2peak-VC2T>(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合(ステップS9にてNo)、ステップS11において、VC2peak-VC2T<(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。ECU60は、VC2peak-VC2T<(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合(ステップS11にてYes)、ステップS12において、充電器P端子接続相(V相)のスイッチング素子SV2,SV3のオンタイミングを早め、充電器N端子接続相(U相)のスイッチング素子SU2,SU3のオンタイミングを遅らせるように、dutyを補正する。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。一方、ECU60は、VC2peak-VC2T<(1/C2)×(Ichg/2)×duty×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合(ステップS11にてNo)、ステップS13において、duty補正値を前回値保持とする。その後、ECU60は、ステップS14の処理に移行する。
Further, in step S9, when the
ECU60は、ステップS14において、充電終了であるか否かを判断する。ECU60は、充電終了ではないと判断した場合(ステップS14にてNo)、ステップS1に移行して、一連の制御を繰り返し行う。一方、ECU60は、充電終了であると判断した場合(ステップS14にてYes)、一連の制御を終了する。
In step S14, the
以上のように、実施形態に係る電源装置10においては、ECU60(duty補正部63)が、図12に示したようなduty補正を行うことによって、昇圧モード時に電力変換器18の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えタイミングのずれによって、電力変換器18の各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じて電流が脈動することを抑制することができる。
As described above, in the
10 電源装置
12 バッテリ
16 コンデンサ部
18 電力変換器
20 モータジェネレータ
22 正母線
24 負母線
30 DC充電器
32N N端子
32P P端子
40 充電リレー装置
42N,42P 充電リレー
44P リアクトル
50 充電器接続部
60 ECU
62 充電制御部
63 duty補正部
64 ゲート信号生成部
C1,C2 コンデンサ
DU1,DU2,DV1,DV2,DW1,DW2 ダイオード
SU1,SV1,SW1 スイッチング素子
SU2,SV2,SW2 スイッチング素子
SU3,SV3,SW3 スイッチング素子
SU4,SV4,SW4 スイッチング素子
10
62
Claims (1)
前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第1コンデンサ及び第2コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、
直列に接続された第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とを接続する配線にカソード側が接続され、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第1ダイオードと、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第2ダイオードと、を有し、前記第1スイッチング素子、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をそれぞれオンまたはオフさせることによって、3つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な3レベルインバータが、U相、V相、及びW相の3相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、
前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、
を備えた電源装置であって、
前記制御装置は、充電器からの電力による前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、前記第1コンデンサ及び前記第2コンデンサの電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正することを特徴とする電源装置。 a storage battery;
a capacitor unit in which a first capacitor and a second capacitor are connected in series between a positive terminal and a negative terminal of the storage battery;
A cathode side is connected to wiring that connects a first switching element, a second switching element, a third switching element, and a fourth switching element connected in series, and the first switching element and the second switching element, a first diode having an anode side connected to a wiring connecting the first capacitor and the second capacitor; an anode side connected to a wiring connecting the third switching element and the fourth switching element; a second diode whose cathode side is connected to the wiring connecting the second capacitor, and turns on the first switching element, the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element, respectively. or by turning off, a three-level inverter capable of selectively outputting a voltage of one of three different voltage values to the motor generator for three phases of U-phase, V-phase, and W-phase; a power converter connected in parallel with the storage battery;
a control device that controls switching between on and off of each switching element of the power converter;
A power supply device comprising:
When the control device controls switching between on and off of each switching element of the power converter so that the first capacitor and the second capacitor are alternately charged with power from a charger. 1. A power supply apparatus according to claim 1, wherein switching timing of each switching element is corrected based on voltage changes of said first capacitor and said second capacitor.
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