JP3588036B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一次側が電圧変動が大きい電源に接続され、二次側に電力が任意に変化する負荷を接続し、一次側の電源より二次側が必要とする電力に相当する電流を引出すための電力制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池のような電圧変動が大きい電源で、多数の負荷のうちの任意の１個または複数個に給電する場合に、負荷が必要とする電力が電源から引出されるように、例えば図４に示すような電力制御装置が用いられている。
【０００３】
図４において、電源１の出力は、電力制御装置２を経て負荷群３に送られている。負荷群３は、蓄電池４と、スイッチ５１、５２、５３・・・・によってそれぞれ通電が制御される負荷６１、６２、６３・・・・を有し、或るスイッチが閉路されると、負荷検出回路７は負荷群３が必要とする電力を電力指令値Ｓ_１ として送出する。
【０００４】
電力制御装置２は電圧制御回路２０を有し、電圧制御回路２０では入力端から順に降圧用スイッチング素子１１、インダクタ１２、整流器１３を順に経て負荷群３へ向かっており、入力端及び出力端と接地との間にそれぞれコンデンサ１４及び１５が接続され、スイッチング素子１１とインダクタ１２の結合点１６及びインダクタ１２と整流器１３の結合点１７との間には、それぞれ整流器１８及び昇圧用スイッチング素子１９が接続されている。
【０００５】
電源１には電圧検出器２１及び電流検出器２２が設けられていて、それぞれ実電圧信号Ｓ_２ 及び実電流信号Ｓ_３ を発信する。負荷検出回路７からの電力指令値Ｓ_１ と電圧検出器２１からの実電圧信号Ｓ_２ とは割算回路２３に供給され、電流指令値Ｓ_４ を生ずる。電流検出器２２からの実電流信号Ｓ_３ は比較回路２４において電流指令値Ｓ_４ と比較され、差成分Ｓ_５ がゲートパルス演算回路２５に供給され、スイッチング素子１１及び１９を制御するゲートパルスＧｄ及びＧｕが作られる。
【０００６】
上述の回路において、電源１の発生する電圧Ｓ_２ が負荷群３の駆動に最適である場合には、降圧用スイッチング素子１１に供給されるゲート信号Ｇｄはデューティサイクルが１００％で、換言すれば素子１１は常閉状態にあり、昇圧用スイッチング素子１９に供給されるゲートパルスＧｕはデューティサイクルが０％で素子１９は常開状態にある。図５に示すように、電源１の電圧Ｓ_２ が高過ぎるときは装置は降圧モードを取り、昇圧用ゲートパルスＧｕはデューティサイクルが０％で素子１９は常開状態を維持し、降圧用ゲートパルスＧｄのデューティサイクルは差成分Ｓ_５ が大きいほど減少する。また、電源１の電圧が低過ぎるときは装置は昇圧モードを取り、降圧用ゲートパルスＧｄはデューティサイクルが１００％を維持し、昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルは差成分Ｓ_５ が大きいほど増加する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の装置では、降圧用スイッチング素子１１用のゲートパルスＧｄの演算と、昇圧用スイッチング素子１９用のゲートパルスＧｕの演算とを別個に行なっていたため、降圧モードと昇圧モードとの境界点で、電源１から取出す電流または電力が不安定になる。また、降圧モードのときに降圧用ゲートパルスＧｄのデューティサイクルが１００％に近づき、パルス幅が最大限界値Ｗｄｕｌを越えると、スイッチング素子特有の現象によって開閉制御が困難になり、昇圧モードのときに昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルが０％に近づき、パルス幅が最小限界値Ｗｕｌｌを割ったときも、スイッチング素子特有の現象によって開閉制御が困難になる。その結果、電源１から引出される電流または電力の制御が不安定になる。
【０００８】
また、差成分Ｓ_５ の算出に際しては、その回路のゲインを高くとると微少な差成分によって二次側からの電流または電力の指令値に追従した制御を行なわせることが可能になる反面に、過剰制御に陥って動作が不安定になる惧れがある。また、差成分Ｓ_５ を算出する回路のゲインを低くすると、制御動作は安定するが、制御の精度が低下する。
【０００９】
従って本発明は、差成分Ｓ_５ が０に近づいて、降圧用ゲートパルスのデューティサイクルが１００％に近づき、そのパルス幅が最大限界値Ｗｄｕｌを越えた時、または昇圧用ゲートパルスのデューティサイクルが０％に近づき、そのパルス幅が最小限界値Ｗｕｌｌを割ったときにも、各スイッチング素子を正確に制御しようとするものである。また、装置全体が過剰制御に陥ったり制御精度が低下したりしないように、差成分を正しく検出しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明も従来装置と同様に、一次側に電圧変動が大きい電源が接続され、二次側に電流または電力の消費の変動が大きい負荷群が接続され、降圧用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子の開閉の制御により二次側が必要とする電流または電力を上記電源より引出すよう構成された電圧制御回路を使用する。そして、二次側が必要とする電流指令信号と一次側の実電流とを比較して差成分を得る手段と、この差成分に基づいて上記降圧用及び昇圧用スイッチング素子をそれぞれ閉じるためのゲートパルスの幅及び周期を演算する回路を有する。
【００１１】
上記演算回路は、図２に示すように上記差成分０を境にその極性に基づいて、上記昇圧用スイッチング素子が開放状態で上記降圧用スイッチング素子の開閉が制御される降圧モードと上記降圧用スイッチング素子が閉路状態で上記昇圧用スイッチング素子の開閉が制御される昇圧モードとを弁別する手段を有する。更に、基準周期のもとで、上記差成分に基づいて上記各ゲートパルスの幅をそれぞれ算出する手段を有する。
【００１２】
そして、降圧モードと弁別された場合に、上記算出手段において得られた降圧用ゲートパルスの幅をパルス幅上限設定値と比較する手段と、この比較により上記降圧用ゲートパルスの幅が上記上限設定値に充たないときは、上記基準周期のもとで上記差成分から算出された幅のゲートパルスをそのまま上記降圧用スイッチング素子に供給する手段と、上記比較により上記降圧用ゲートパルスの幅が上記上限設定値を越えているときは、パルス幅が更に拡大されると共に周期が上記差成分と略逆比例的に変化するゲートパルスを上記降圧用スイッチング素子に供給する手段とを有することを特徴とする。なお、上記パルス幅上限設定値は、図５に示したパルス幅最大限界値Ｗｄｕｌ以下に選ばれる。
【００１３】
また、昇圧モードと判定された場合に、上記算出手段において得られた昇圧用ゲートパルスの幅をパルス幅下限設定値と比較する手段と、この比較により上記昇圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅下限設定値を越えているときは、上記基準周期のもとで上記差成分から算出された幅のゲートパルスをそのまま上記昇圧用スイッチング素子に供給する手段と、上記比較により上記昇圧用ゲートパルスの幅が上記下限設定値に充たないときは、周期が上記差成分と略逆比例的に変化するゲートパルスを上記昇圧用スイッチング素子に供給する手段とを有することを特徴とする。なお、上記パルス幅下限設定値は、図５に示したパルス幅最小限界値Ｗｕｌｌ以上に選ばれる。
【００１４】
上記演算回路では、先ず差成分の極性に基づく降圧モードか昇圧モードかの弁別が行なわれ、かつ基準周期のもとで降圧用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子を閉じさせるための降圧用及び昇圧用ゲートパルスの幅が算出される。そして、降圧用ゲートパルスは、降圧用スイッチング素子を上記基準周期のもとで確実に正しく作動させ得るパルス幅の上限である上限設定値と比較され、昇圧用ゲートパルスは昇圧用スイッチング素子を基準周期のもとで確実に正しく作動させ得るパルス幅の下限である下限設定値と比較される。
【００１５】
上記比較の結果、降圧用ゲートパルスはその幅が上限設定値を越えていなければ、そのまま降圧用スイッチング素子へ送られ、昇圧用ゲートパルスはその幅が下限設定値より大きければ、そのまま昇圧用スイッチング素子へ送られる。そして、上記比較の結果、降圧用ゲートパルスの幅が上限設定値を越え、或いは昇圧用ゲートパルスの幅が下限設定値を割っていた場合は、それぞれ周期が上記誤差分の大きさと略逆比例的に変化するゲートパルスをそれぞれ各ゲートに送って各ゲートを制御させる。
【００１６】
従って、降圧モードのもとで差成分が次第に減少してゆくと、基準周期が一定のまま降圧用ゲートパルスの幅が次第に増大し、パルス幅が上限設定値に達するとパルス周期が増大を始める。このようにパルス周期を増大させると、パルス間隔を狭めることなくパルス幅を更に拡げ得るので、上記上限設定値に達した後も、降圧用スイッチング素子を連続的に制御することができる。
【００１７】
逆に、昇圧モードのもとで差成分が次第に減少してゆくと、基準周期が一定のまま昇圧用ゲートパルスの幅が減少し、パルス幅が下限設定値に達するとパルス周期が増大を始める。その結果、パルス幅がそのまま下限設定値にとどまっていても、パルスのデューティサイクルが低下するためにパルス幅を更に減少させたのと同じ効果をもたらし、昇圧用スイッチング素子を連続的に制御することができ、更に差成分の負領域から正領域にわたって降圧用及び昇圧用スイッチング素子を連続的に制御することをも可能にする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１において、電源１の出力は電力制御装置２を経て負荷群３に送られている。負荷群３は蓄電池４と負荷６１、６２、６３・・・・を有し、各負荷はそれぞれスイッチ５１、５２、５３・・・・の投入によって通電される。また、負荷群３は負荷検出回路７を有し、通電されている負荷全体が必要とする電力を電力指令値Ｓ_１ として検出し、これを電力制御装置２へ送っている。
【００１９】
電力制御装置２は電圧制御回路２０を有し、電圧制御回路２０は入力端から順に降圧用スイッチング素子１１、インダクタ１２、整流器１３を有し、これらは電源１と負荷群３との間に直列に介在している。そして、その入力端と接地の間及び出力端と接地の間にはそれぞれコンデンサ１４及び１５が接続され、降圧用スイッチング素子１１とインダクタ１２の接続点１６及びインダクタ１２と整流器１３の接続点１７と接地の間には、それぞれ整流器１８及び昇圧用スイッチング素子１９が接続されている。
【００２０】
電源１には電圧検出器２１及び電流検出器２２が附設され、それぞれ実電圧信号Ｓ_２ 及び実電流信号Ｓ_３ を電力制御装置２へ送っている。電力制御装置２内では、割算回路２３で電力指令信号Ｓ_１ が実電圧信号Ｓ_２ で割算され、その商は加算回路２６を経て電流指令信号Ｓ_４ として比較回路２４へ送られ、ここで実電流信号Ｓ_３ と比較され、その差である差成分Ｓ_５ は加算回路２６へフィードバックされると共に、ゲートパルス演算回路２５へ送られている。
【００２１】
この差成分Ｓ_５ の検出方法が図４に示した検出方法と違う点は、一旦検出させた差成分Ｓ_５ を電流指令値Ｓ_４ にフィードバックし、加算している点にある。一般に自動制御系では、ある差成分で制御系が安定に動作するが、その差成分だけ制御の精度が悪くなる。電流指令信号Ｓ_４ に差成分Ｓ_５ を上乗せすることにより精度を補正した上で安定に動作し、この差成分が適切な値として検出されるようになる。
【００２２】
ゲートパルス演算回路２５には、上記差成分Ｓ_５ と、差成分Ｓ_５ が非常に小さくなって、降圧用ゲートパルスＧｄのデューティサイクルが１００％に近づいたときのパルス幅上限設定値信号Ｗｄｍａｘと、昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルが０％に近づいたときのパルス幅下限設定値信号Ｗｕｍｉｎとが与えられ、降圧用ゲートパルスＧｄ及び昇圧用ゲートパルスＧｕを作成し、降圧用スイッチング素子１１及び昇圧用スイッチング素子１９へそれぞれ供給する。各スイッチング素子１１及び１９は、それぞれゲートパルスＧｄ及びＧｕが供給されることによって閉じられる。
【００２３】
図２は差成分Ｓ_５ と生成されるゲートパルスＧｄ及びＧｕの周期、パルス幅及びデューティサイクルとの関係を示し、図３はその演算経過を示す。図３において、ステップ３１で差成分Ｓ_５ が算出されると、ステップ３２で差成分が０より大きいか否かが検討され、Ｓ_５ がマイナスの場合は降圧モードと判定され、プラスの場合は昇圧モードと判定される。
【００２４】
ステップ３２で降圧モードと判定された場合は、ステップ３３に移り、図２（ｃ）に示すように昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルＤｕは０％に、降圧用ゲートパルスＧｄのデューティサイクルＤｄは差成分Ｓ_５ の大きさに応じて１００％〜０％の範囲で決定される。次にステップ３４に移り、降圧用ゲートパルスＧｄの幅Ｗｄがその周期ＴｓとデューティサイクルＤｄとから算出される。ステップ３５に移ってそのパルス幅Ｗｄが図２（ｂ）に示すように上限設定値Ｗｄｍａｘと比較され、パルス幅Ｗｄが上限設定値Ｗｄｍａｘより小さければＰＷＭ領域３６と判定され、上限設定値Ｗｄｍａｘ以上であればＰＦＭ領域３７と判定される。
【００２５】
ステップ３５でＰＷＭ領域３６と判定された場合は、周期Ｔｓのゲートパルスの幅が差成分Ｓ₅に従ってＰＷＭ変調され、このゲートパルスＧｄによって降圧用スイッチング素子１１の開閉が制御される。またステップ３５でＰＦＭ領域３７と判定された場合は、図２（ａ）のようにゲートパルスＧｄのパルス周期が差成分Ｓ₅に従ってＰＦＭ変調されると共に、図２（ｂ）のようにパルス幅Ｗｄも増大するが、そのデューティサイクルＤｄは図２（ｃ）に示すように直線的に変化する。そして差成分Ｓ₅が降圧モードにある間は、昇圧用ゲートパルスＧｕはデューティサイクルが０％になって、昇圧用スイッチング素子１９は常開状態に保たれる。
【００２６】
ステップ３２で昇圧モードと判定された場合は、ステップ３８に移り、昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルＤｕが図２（ｃ）に示すように差成分Ｓ_５ の大きさに応じて０〜１００％の範囲で決定され、降圧用ゲートパルスＧｄのデューティサイクルは１００％に決定されて降圧用スイッチング素子１１は常閉状態になる。次にステップ３９に移り、昇圧用ゲートパルスＧｕの幅Ｗｕがその周期ＴｓとデューティサイクルＤｕとから演算される。ステップ４０に移ってそのパルス幅Ｗｕが図２（ｂ）に示すように下限設定値Ｗｕｍｉｎと比較され、パルス幅Ｗｕが下限設定値Ｗｕｍｉｎより大きいときはＰＷＭ領域４１と判定され、パルス幅Ｗｕが下限設定値Ｗｕｍｉｎ以下であるときはＰＦＭ領域４２と判定される。
【００２７】
ステップ４０でＰＷＭ領域４１と判定された場合は、周期ＴｓのゲートパルスＧｕの幅が差成分Ｓ₅に従ってＰＷＭ変調される。またＰＦＭ領域４２と判定された場合は、図２（ａ）のように示す特性でゲートパルスＧｕの周期が差成分Ｓ₅に従ってＰＦＭ変調され、その間パルス幅は図２（ｂ）に示すように下限設定値Ｗｕｍｉｎに維持される。そして、そして差成分Ｓ₅が昇圧モードにある間は、降圧用ゲートパルスのデューティサイクルが１００％に保たれ、降圧用スイッチング素子１１は常閉状態を維持する。
【００２８】
以上のように差成分Ｓ_５ に対する降圧用ゲートパルスＧｄ及び昇圧用ゲートパルスＧｕのデューティサイクルは、それぞれ差成分Ｓ_５ が負値の場合のＰＷＭ領域３６及びＰＦＭ領域３７と、差成分が正値の場合のＰＷＭ領域４１及びＰＦＭ領域４２の４範囲に分けて決定されるが、図２（ａ）に示すＰＦＭ領域における降圧用ゲートパルスＧｄ及び昇圧用ゲートパルスＧｕのゲートパルス周期特性、及び図２（ｂ）に示すＰＦＭ領域における降圧用ゲートパルスＧｄ及び昇圧用ゲートパルスＧｕのゲートパルス幅特性を適切に選ぶことにより、両ゲートパルスのデューティサイクルを図２（ｃ）に示すように連続的に、かつ直線的に変化させることができる。そして、このようにデューティサイクルの応答特性を連続させることにより、上記４範囲間における制御動作の移行を円滑に行なわせることが可能になる。
【００２９】
上述の実施例では、比較回路２４において電源側の実電流信号Ｓ_３ と比較される電流指令値Ｓ_４ を、負荷側からの電力指令値Ｓ_１ を電源側の実電流信号Ｓ_２ で割算することによって得ているが、負荷側の電圧変動が少ない場合には、負荷群３を流れる電流値を比較回路２４において電源側の実電流Ｓ_３ と比較される電流指令値Ｓ_４ として使用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように本発明では、降圧用及び昇圧用スイッチング素子の開閉により一次側から二次側へ送られる電流または電力を制御するに際し、差成分が僅少になって上記スイッチング素子を閉路させるゲートパルスのデューティサイクルが０％または１００％に接近した場合でも、パルス周期を差成分に対応して変えることにより、スイッチング素子が応答不能に陥るのを防いでいるから、安定して精度よく電流または電力を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の回路図である。
【図２】図１に示した実施例における差成分に対するゲートパルス周期、ゲートパルス波及びゲートパルスのデューティサイクルの関係を示す線図である。
【図３】図１に示した実施例におけるゲートパルス演算回路の動作を示すフローチャートである。
【図４】従来の電力制御装置の回路図である。
【図５】図４に示した装置における差成分とゲートパルスのデューティサイクルの関係を示す線図である。
【符号の説明】
１ 電源
２ 電力制御装置
３ 負荷群
７ 負荷検出回路
１１ 降圧用スイッチング素子
１２ インダクタ
１３ 整流器
１４ コンデンサ
１５ コンデンサ
１８ 整流器
１９ 昇圧用スイッチング素子
２０ 電圧制御回路
２３ 割算回路
２４ 比較器
２５ ゲートパルス演算回路
２６ 加算回路
Ｓ_１ 電力指令信号
Ｓ_２ 実電圧信号
Ｓ_３ 実電流信号
Ｓ_４ 電流指令信号
Ｓ_５ 差成分
Ｇｄ 降圧用ゲートパルス
Ｇｕ 昇圧用ゲートパルス
Ｗｄ 降圧用ゲートパルス幅
Ｗｕ 昇圧用ゲートパルス幅
Ｗｄｍａｘ パルス幅上限設定値
Ｗｕｍｉｎ パルス幅下限設定値

Claims (2)

1. 一次側に電圧変動が大きい電源が接続され、二次側に電流または電力の消費の変動が大きい負荷群が接続され、降圧用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子の開閉の制御により二次側が必要とする電流または電力を上記電源より引出すよう構成された電圧制御回路と、二次側が必要とする電流の指令信号と一次側の実電流信号とを比較して差成分を得る電流比較回路と、この差成分に基づいて上記降圧用及び昇圧用スイッチング素子をそれぞれ導通させるためのゲートパルスの幅及び周期を演算する演算回路とからなり、この演算回路は、上記差成分０を境にその極性の基づいて、上記昇圧用スイッチング素子が開路状態で上記降圧用スイッチング素子の開閉が制御される降圧モードと、上記降圧用スイッチング素子が閉路状態で上記昇圧用スイッチング素子の開閉が制御される昇圧モードとを弁別する制御モード弁別手段と、基準パルス周期のもとで上記差成分に基づいて上記各ゲートパルスの幅をそれぞれ算出するパルス幅演算手段と、上記降圧モードにおいてはこのパルス幅演算手段によって得られた降圧用ゲートパルスの幅をパルス幅上限設定値と比較し、上記降圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅上限設定値に充たない場合は上記パルス幅演算手段において算出された幅のゲートパルスをそのまま上記降圧用スイッチング素子に供給し、上記降圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅上限設定値を越えている場合はパルス幅が更に拡大されると共にパルス周期が上記基準周期から上記差成分と大略逆比例的に変化されたゲートパルスを上記降圧用スイッチング素子に供給する降圧用ゲートパルス供給手段と、上記昇圧モードにおいては上記パルス幅演算手段によって得られた昇圧用ゲートパルスの幅をパルス幅下限設定値と比較し、上記昇圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅下限設定値より大きいときは上記パルス幅演算手段において算出された幅のゲートパルスをそのまま上記昇圧用スイッチング素子に供給し、上記昇圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅下限設定値に充たない場にはパルス周期が上記標準周期から上記差成分と大略逆比例的に変化されたゲートパルスを上記昇圧用スイッチング素子に供給する手段とを有することを特徴とする電力制御装置。
2. 請求項１において、上記昇圧モードで上記昇圧用ゲートパルスの幅が上記パルス幅下限設定値に充たない場合に上記昇圧用スイッチング素子に供給するゲートパルスは、パルス周期が上記基準周期から上記差成分と大略逆比例的に変化されると共に、パルス幅が上記パルス幅下限設定値に維持されることを特徴とする電力制御装置。

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