JP4829915B2 - DC / DC converter device, fuel cell vehicle, and control method of DC / DC converter device - Google Patents
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この発明は、2つの電力装置の間に接続され、複数のスイッチング素子を備える多相のDC/DCコンバータと、駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と、を有するDC/DCコンバータ装置、これを備える燃料電池車両及び前記DC/DCコンバータ装置の制御方法に関する。より詳細には、パルス周波数変調(PFM)を用いたスイッチング制御において、デューティを算出する周期を制御可能なDC/DCコンバータ装置、これを備える燃料電池車両及び前記DC/DCコンバータ装置の制御方法に関する。 The present invention includes a multi-phase DC / DC converter that is connected between two power devices and includes a plurality of switching elements, and a control device that controls a switching operation of the plurality of switching elements using a drive signal. The present invention relates to a DC / DC converter device, a fuel cell vehicle including the same, and a method for controlling the DC / DC converter device. More specifically, the present invention relates to a DC / DC converter device capable of controlling a cycle for calculating a duty in switching control using pulse frequency modulation (PFM), a fuel cell vehicle including the same, and a method for controlling the DC / DC converter device. .
パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)とパルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)の2つの変調方法を切り替えて用いることができるDC/DCコンバータが知られている(特許文献1、2)。また、PFMのみを用いるDC/DCコンバータも存在する(特許文献3)。さらに、DC/DCコンバータの中には、複数の相のスイッチング素子を用いて電圧変換を行う多相DC/DCコンバータと呼ばれるものがある(特許文献4)。
There is known a DC / DC converter that can be used by switching between two modulation methods of pulse width modulation (PWM) and pulse frequency modulation (PFM) (
特許文献1〜3では、単相のスイッチング素子を有するDC/DCコンバータについて説明がなされており、多相DC/DCコンバータにおけるPFMの使用については検討されていない。また、特許文献4では、PWMの使用しか開示されていない。
In
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、複数のスイッチング素子を有する多相のDC/DCコンバータを備え、PFMを好適に用いることができるDC/DCコンバータ装置、これを備える燃料電池車両及び前記DC/DCコンバータ装置の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and includes a DC / DC converter device that includes a multiphase DC / DC converter having a plurality of switching elements and can suitably use a PFM. It is an object of the present invention to provide a control method for a fuel cell vehicle and the DC / DC converter device.
この発明に係るDC/DCコンバータ装置は、第1電力装置と第2電力装置との間に接続され、複数のスイッチング素子を備える多相のDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータの出力電圧値を目標値に制御するための駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と、を有するものであって、前記制御装置は、前記駆動信号の生成に用いるデューティを算出するデューティ算出処理を実施するデューティ算出機能と、前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス周波数変調(PFM)により生成するPFM駆動信号生成処理を実施するPFM駆動信号生成機能と、を有し、前記デューティ算出処理は、あるスイッチング周期のn倍の時間の周期(nは2以上の整数)で繰り返され、さらに、前記デューティ算出処理は、スイッチング周期が長くなると、前記あるスイッチング周期のn−1倍以下の時間の周期で繰り返されることを特徴とする。 A DC / DC converter device according to the present invention is connected between a first power device and a second power device, and includes a multiphase DC / DC converter including a plurality of switching elements, and an output voltage of the DC / DC converter. A control device that controls a switching operation of the plurality of switching elements using a drive signal for controlling the value to a target value , wherein the control device has a duty used for generating the drive signal. It has a duty calculation function to carry out the duty calculation process of calculating a PFM drive signal generating function to implement the PFM drive signal generating process for generating a pulse frequency modulation (PFM) of the drive signal based on the duty, and The duty calculation process is repeated at a period of time n times a certain switching period (n is an integer of 2 or more). To the duty calculation process, when the switching period is long, characterized in that it is repeated in the cycle of the (n-1) times or less of the time of the certain switching period.
この発明によれば、PFMを用いたスイッチング制御において、スイッチング周期が長くなるに連れて、より少ない数のスイッチング周期に対応してデューティ算出処理が実施される。このため、スイッチング周期が長くなった場合でも、スイッチング周期が短い場合と同様の周期(時間)でスイッチング素子の動作を制御することが可能となり、より好適にDC/DCコンバータを制御することができる。 According to the present invention, in the switching control using the PFM, as the switching period becomes longer, the duty calculation process is performed corresponding to a smaller number of switching periods. For this reason, even when the switching cycle becomes long, the operation of the switching element can be controlled in the same cycle (time) as when the switching cycle is short, and the DC / DC converter can be controlled more suitably. .
すなわち、デューティは駆動信号の生成に用いられるものであるから、デューティを算出する周期(デューティ算出周期)は、駆動信号を生成する周期を示すスイッチング周期に対応させることが好ましい。また、複数のスイッチング素子のデューティをまとめて算出する構成では、スイッチング周期が最小値であるとき、制御装置の処理能力の制約上、1回のデューティ算出処理を2以上のスイッチング周期に対応させる場合がある。しかし、PFMではスイッチング周期を変化させるため、デューティ算出処理を常に同じ数のスイッチング周期に対応させてしまうと、デューティの算出から駆動信号の出力までの時間は、スイッチング周期が長くなるに連れて長くなってしまう。例えば、連続する3スイッチング周期分のデューティをまとめて算出する場合、デューティの算出時から3番目のスイッチング周期のデューティに対応する駆動信号の出力までにかかる時間は、1番目及び2番目のスイッチング周期のデューティに対応するスイッチング周期が長くなるに連れて長くなる。この発明では、スイッチング周期が長くなるに連れて、より少ない数のスイッチング周期に対応させてデューティ算出処理が実施される。このため、スイッチング周期が長くなった場合でも、デューティ算出周期(時間)を短く保持することができる。その結果、スイッチング周期が長くなっても、より直近の状態を反映したデューティを算出することが可能となり、より好適にDC/DCコンバータを制御することができる。 That is, since the duty is used for generating the drive signal, it is preferable that the period for calculating the duty (duty calculation period) corresponds to the switching period indicating the period for generating the drive signal. Further, in the configuration in which the duty of a plurality of switching elements is calculated collectively, when the switching cycle is the minimum value, one duty calculation process corresponds to two or more switching cycles due to the limitation of the processing capability of the control device. There is. However, since the switching period is changed in the PFM, if the duty calculation process is always associated with the same number of switching periods, the time from the calculation of the duty to the output of the drive signal becomes longer as the switching period becomes longer. turn into. For example, when calculating the duty for three consecutive switching cycles collectively, the time taken from the time of calculating the duty until the output of the drive signal corresponding to the duty of the third switching cycle is the first and second switching cycles. As the switching period corresponding to the duty becomes longer, it becomes longer. In the present invention, as the switching period becomes longer, the duty calculation process is performed in association with a smaller number of switching periods. For this reason, even when the switching period becomes long, the duty calculation period (time) can be kept short. As a result, even if the switching cycle becomes longer, it is possible to calculate the duty reflecting the latest state, and it is possible to control the DC / DC converter more suitably.
前記制御装置は、前記PFM駆動信号生成機能に加え、前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス幅変調(PWM)により生成するPWM駆動信号生成処理を実施するPWM駆動信号生成機能を有し、前記デューティ算出処理で算出されたデューティが、各スイッチング素子をオンさせるのに必要な最小オン時間を確保できるときは前記PWM駆動信号生成処理を用い、前記最小オン時間を確保できないときは前記PFM駆動信号生成処理を用いることが好ましい。 In addition to the PFM drive signal generation function , the control device has a PWM drive signal generation function for performing PWM drive signal generation processing for generating the drive signal by pulse width modulation (PWM) based on the duty, The PWM drive signal generation process is used when the duty calculated in the duty calculation process can secure the minimum on-time required to turn on each switching element, and when the minimum on-time cannot be secured, the PFM drive signal is used. It is preferable to use a generation process.
前記制御装置は、あるデューティ算出処理の開始から次のデューティ算出処理の開始までの時間であるデューティ算出処理周期の最大値を記憶した記憶部を備え、前記PFM駆動信号生成処理を用いるとき、算出されたデューティに対応するスイッチング周期と、前記デューティ算出処理周期の最大値とを比較し、その比較結果に基づいて各デューティ算出処理に対応させるスイッチング周期の数を決定することが好ましい。 The control device includes a storage unit that stores a maximum value of a duty calculation process cycle that is a time from the start of a certain duty calculation process to the start of the next duty calculation process, and calculates when using the PFM drive signal generation process It is preferable to compare the switching cycle corresponding to the duty and the maximum value of the duty calculation processing cycle, and determine the number of switching cycles corresponding to each duty calculation processing based on the comparison result.
前記第1電力装置を蓄電装置とし、前記第2電力装置を燃料電池とし、前記制御装置は、前記DC/DCコンバータを制御することで、前記燃料電池から引き出される電力を制御することが可能である。 The first power device can be a power storage device, the second power device can be a fuel cell, and the control device can control the power drawn from the fuel cell by controlling the DC / DC converter. is there.
この発明に係る燃料電池車両は、前記DC/DCコンバータ装置を備え、燃料電池及び蓄電装置の電力が駆動モータへと供給されることを特徴とする。これにより、燃料電池が効率よく稼動されるため、燃費効率の良い車両を実現することができる。 The fuel cell vehicle according to the present invention includes the DC / DC converter device, and the power of the fuel cell and the power storage device is supplied to a drive motor. Thereby, since the fuel cell is operated efficiently, a vehicle with good fuel efficiency can be realized.
この発明に係るDC/DCコンバータ装置の制御方法は、第1電力装置と第2電力装置との間に接続され、複数のスイッチング素子を備えた多相のDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータの出力電圧値を目標値に制御するための駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と、を備えたDC/DCコンバータ装置の制御方法であって、前記駆動信号の生成に用いるデューティを算出するデューティ算出工程と、前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス周波数変調(PFM)により生成し、前記駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子をスイッチングさせるPFMスイッチング工程と、を備え、前記デューティ算出工程は、あるスイッチング周期のn倍の時間の周期(nは2以上の整数)で繰り返され、さらに、前記デューティ算出工程は、スイッチング周期を長くすると、前記あるスイッチング周期のn−1倍以下の時間の周期で繰り返されることを特徴とする。 The DC / DC converter device control method according to the present invention includes a multiphase DC / DC converter that is connected between a first power device and a second power device and includes a plurality of switching elements, and the DC / DC A control device for controlling a switching operation of the plurality of switching elements using a drive signal for controlling an output voltage value of the converter to a target value, the method for controlling the DC / DC converter device, A duty calculating step of calculating a duty used for generating a signal; and a PFM switching step of generating the drive signal by pulse frequency modulation (PFM) based on the duty and switching the plurality of switching elements using the drive signal. When, wherein the duty calculation process, time period (n n times of a switching period Repeated at least an integer), further, the duty calculation process, increasing the switching period, characterized in that it is repeated in the cycle of the (n-1) times or less of the time of the certain switching period.
この発明によれば、PFMを用いたスイッチング制御において、スイッチング周期が長くなるに連れて、より少ない数のスイッチング周期に対応してデューティ算出処理が実施される。このため、スイッチング周期が長くなった場合でも、スイッチング周期が短い場合と同様の周期(時間)でスイッチング素子の動作を制御することが可能となり、より好適にDC/DCコンバータを制御することができる。 According to the present invention, in the switching control using the PFM, as the switching period becomes longer, the duty calculation process is performed corresponding to a smaller number of switching periods. For this reason, even when the switching cycle becomes long, the operation of the switching element can be controlled in the same cycle (time) as when the switching cycle is short, and the DC / DC converter can be controlled more suitably. .
A.一実施形態
以下、この発明に係るDC/DCコンバータ装置の一実施形態を搭載した燃料電池車両について図面を参照して説明する。
A. Hereinafter, a fuel cell vehicle equipped with an embodiment of a DC / DC converter device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
1.燃料電池車両20の構成
(1)全体構成
図1は、この実施形態に係るDC/DCコンバータ装置23を搭載した燃料電池車両20の回路図である。燃料電池車両20は、基本的には、燃料電池22とエネルギストレージである蓄電装置(バッテリという。)24とから構成されるハイブリッド型の電力装置と、このハイブリッド型の電力装置から電流(電力)がインバータ34を通じて供給される走行用のモータ26と、バッテリ24が接続される1次側1Sと、燃料電池22とモータ26(インバータ34)とが接続される2次側2Sとの間で電圧変換を行うDC/DCコンバータ装置{以下、「VCU」(Voltage Control Unit)という。}23とから構成される。モータ26の回転は、減速機12、シャフト14を通じて車輪16に伝達される。
1. Configuration of Fuel Cell Vehicle 20 (1) Overall Configuration FIG. 1 is a circuit diagram of a
(2)燃料電池22
燃料電池22は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池22には、水素タンク28とエアコンプレッサ30が配管により接続されている。水素タンク28内の加圧水素は、燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ30により空気が燃料電池22のカソードに供給される。燃料電池22内で反応ガスである水素(燃料ガス)と空気(酸化剤ガス)の電気化学反応により発電電流Ifが生成される。発電電流Ifは、電流センサ32及びダイオード(ディスコネクトダイオードともいう。)33を介して、インバータ34及び(又は)VCU23のDC/DCコンバータ36に供給される。
(2)
The
(3)バッテリ24
1次側1Sに接続されるバッテリ24は、例えばリチウムイオン2次電池やニッケル水素2次電池又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ24は、VCU23のDC/DCコンバータ36を通じてインバータ34にモータ電流Imを供給する。
(3)
As the
(4)インバータ34
インバータ34は、直流/交流変換を行い、モータ電流Imをモータ26に供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後のモータ電流Imを2次側2SからDC/DCコンバータ36を通じて1次側1Sに供給する。この場合、回生電圧又は燃料電池22の発電電圧Vfである2次電圧V2がDC/DCコンバータ36により低電圧に変換された1次電圧V1は、バッテリ電流Ibatとしてバッテリ24を充電する。
(4)
The
(5)VCU23
VCU23は、DC/DCコンバータ36と、これを駆動制御するコンバータ制御部54とから構成される。
(5) VCU23
The VCU 23 includes a DC /
DC/DCコンバータ36は、バッテリ24(第1電力装置)と第2電力装置{燃料電池22又は回生電源(インバータ34とモータ26)}との間に、それぞれIGBT等のスイッチング素子からなる上アーム素子81{81u、81v、81w(81u〜81w)}と、下アーム素子82{82u、82v、82w(82u〜82w)}とからなる3つの相アーム{U相アームUA(81u、82u)、V相アームVA(81v、82v)、W相アームWA(81w、82w)}が並列的に接続された3相アームとして構成されている。
The DC /
各アーム素子81u、81v、81w、82u、82v、82wには、それぞれ、逆方向にダイオード83u、83v、83w、84u、84v、84wが接続されている。
理解の便宜等を考慮し、この発明においては、上アーム素子81及び下アーム素子82には逆並列ダイオード83、84が含まれないものとする。 In consideration of convenience of understanding and the like, in the present invention, it is assumed that the upper arm element 81 and the lower arm element 82 do not include the antiparallel diodes 83 and 84.
DC/DCコンバータ36により1次電圧V1と2次電圧V2との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する1個のリアクトル90が、3相アームの各相のアーム(U相アームUA、V相アームVA、W相アームWA)の中点の共通接続点とバッテリ24との間に挿入されている。
When the voltage is converted between the primary voltage V1 and the secondary voltage V2 by the DC /
上アーム素子81(81u〜81w)は、コンバータ制御部54から出力されるゲートの駆動信号(駆動電圧)UH、VH、WH(のハイレベル)によりそれぞれ駆動され、下アーム素子82(82u〜82w)は、ゲートの駆動信号(駆動電圧)UL、VL、WL(のハイレベル)によりそれぞれ駆動される。
The upper arm elements 81 (81u to 81w) are respectively driven by gate drive signals (drive voltages) UH, VH, and WH (high levels thereof) output from the
コンバータ制御部54は、マイクロコンピュータ72と、メモリ74と、タイマ76とを備え、DC/DCコンバータ36の動作を制御する。制御の方法については後述する。
The
(6)コンデンサ38、39
1次側1S及び2次側2Sには、それぞれ平滑用のコンデンサ38、39が設けられている。
(6)
(7)各種制御部(FC制御部50、モータ制御部52、コンバータ制御部54、統括制御部56)
燃料電池22、水素タンク28及びエアコンプレッサ30を含むシステムはFC制御部50により制御される。インバータ34とモータ26を含むシステムはインバータ駆動部(図示せず)を含むモータ制御部52により制御される。上述の通り、DC/DCコンバータ36を含むシステムはコンバータ制御部54により制御される。
(7) Various control units (
The system including the
そして、これらFC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、上位の制御部であり燃料電池22の総負荷量Lt等の値を決定する統括制御部56により制御される。
The
統括制御部56は、燃料電池22の状態、バッテリ24の状態、及びモータ26の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定した燃料電池車両20の総負荷要求量Ltから、燃料電池22が負担すべき燃料電池分担負荷量(要求出力)Lfと、バッテリ24が負担すべきバッテリ分担負荷量(要求出力)Lbと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Lrの配分(分担)を調停しながら決定し、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54に指令を送出する。
The
統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、それぞれCPU、ROM、RAM、タイマの他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてDSP(Digital Signal Processor)等を有している。
The
統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、車内LANであるCAN(Controller Area Network)等の通信線70を通じて相互に接続され、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各CPUが各ROMに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。
The
(8)各種スイッチ、各種センサ
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ifを検出する電流センサ32の他、1次電圧V1(基本的にバッテリ電圧Vbatに等しい。)を検出する電圧センサ61、1次電流I1を検出する電流センサ62、2次電圧V2(ディスコネクトダイオード33が導通しているとき、略燃料電池22の発電電圧Vfに等しい。)を検出する電圧センサ63、2次電流I2を検出する電流センサ64、通信線70に接続されるイグニッションスイッチ65、アクセルセンサ66、ブレーキセンサ67、及び車速センサ68等がある。
(8) Various switches and various sensors As various switches and various sensors for detecting the vehicle state, the primary voltage V1 (which is basically equal to the battery voltage Vbat) is detected in addition to the
2.各種制御/処理
(1)VCU23における基本的な電圧制御
図2には、コンバータ制御部54により駆動制御されるDC/DCコンバータ36の基本動作のフローチャートが示されている。
2. Various Controls / Processing (1) Basic Voltage Control in
上述したように、統括制御部56は、燃料電池22の状態、バッテリ24の状態、及びモータ26の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定した燃料電池車両20の総負荷要求量Ltから、燃料電池22が負担すべき燃料電池分担負荷量(要求出力)Lfと、バッテリ24が負担すべきバッテリ分担負荷量(要求出力)Lbと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Lrの配分(分担)を調停しながら決定し、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54に指令を送出する。統括制御部56からコンバータ制御部54に送出される指令は、通常、2次電圧V2の指令値(2次電圧指令値V2com)の形を取る。
As described above, the
ステップS1において、統括制御部56により、それぞれが負荷要求であるモータ26の電力要求とエアコンプレッサ30の電力要求と図示しない補機の電力要求から総負荷要求量Ltが決定(算出)されると、ステップS2において、統括制御部56は、決定した総負荷要求量Ltを出力するための燃料電池分担負荷量Lfと、バッテリ分担負荷量Lbと、回生電源分担負荷量Lrの配分を決定する。ここで、燃料電池分担負荷量Lfを決定する場合、燃料電池22の効率η(図3)が考慮される。
In step S1, when the
次いで、ステップS3において、コンバータ制御部54により、2次電圧指令値V2comに応じて燃料電池22の発電電圧Vf、ここでは、2次電圧V2の目標値(2次電圧目標値V2tar)が決定される。
Next, in step S3, the
2次電圧目標値V2tarが決定されると、ステップS4において、コンバータ制御部54は、決定した2次電圧目標値V2tarとなるようにDC/DCコンバータ36を駆動制御する。そして、DC/DCコンバータ36は、昇圧動作、降圧動作等を行う(詳細は後述する。)。
When the secondary voltage target value V2tar is determined, in step S4, the
2次電圧V2及び1次電圧V1は、コンバータ制御部54によりDC/DCコンバータ36をフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせたPID制御により制御される。
The secondary voltage V <b> 2 and the primary voltage V <b> 1 are controlled by the
(2)燃料電池22の出力制御
次に、VCU23による燃料電池22の出力制御について説明する。
(2) Output Control of
水素タンク28からの燃料ガス及びエアコンプレッサ30からの圧縮空気が供給されている発電時に、燃料電池22の発電電流Ifは、図3に示した特性91{関数F(Vf)という。}上で2次電圧V2、すなわち発電電圧Vfをコンバータ制御部54によりDC/DCコンバータ36を通じて設定することにより決定される。つまり、発電電流Ifは、発電電圧Vfの関数F(Vf)値として決定される。If=F(Vf)であり、例えば発電電圧VfをVf=Vfa=V2と設定すれば、その発電電圧Vfa(V2)の関数値としての発電電流Ifaが決定される。{Ifa=F(Vfa)=F(V2)}。
During power generation in which fuel gas from the
このように燃料電池22は2次電圧V2(発電電圧Vf)を決定することにより発電電流Ifが決定されるので、燃料電池車両20を駆動制御する際には、2次電圧V2(発電電圧Vf)が目標電圧(目標値)に設定される。
Thus, since the
燃料電池車両20等燃料電池22を含むシステムでは、基本的に、DC/DCコンバータ36の2次側2Sの2次電圧V2が目標電圧となるようにVCU23が制御され、このVCU23により燃料電池22の出力(発電電流If)が制御される。
In the system including the
(3)DC/DCコンバータ36のスイッチング制御
(a)概要
本実施形態におけるDC/DCコンバータ36のスイッチング制御としては、(i)各スイッチング周期Tsw[μs]の一部において上アーム素子81u、81v、81wのいずれかをオンさせる降圧チョッパ制御と、(ii)各スイッチング周期Tswの一部において下アーム素子82u、82v、82wのいずれかをオンさせる昇圧チョッパ制御と、(iii)降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれも行わずにDC/DCコンバータ36に電流を流す直結制御と、(iv)DC/DCコンバータ36に電流を流さない停止制御とがある。
(3) Switching Control of DC / DC Converter 36 (a) Outline As switching control of the DC /
(b)同期スイッチング処理
図4及び図5に示すように、上述した降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御は、各スイッチング周期Tswにおいて組み合わせて用いられる。すなわち、各スイッチング周期Tswでは、上アーム素子81u〜81wの駆動時間(以下、「上アーム素子駆動時間T1」とも称する。)と、下アーム素子82u〜82wの駆動時間(以下、「下アーム素子駆動時間T2」とも称する。)の両方が現れ、上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを交互に駆動する。このように、スイッチング周期Tsw毎に上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを交互に駆動する処理を「同期スイッチング処理」と称する。
(B) Synchronous switching processing As shown in FIGS. 4 and 5, the step-down chopper control and the step-up chopper control described above are used in combination in each switching cycle Tsw. That is, in each switching cycle Tsw, the driving time of the upper arm elements 81u to 81w (hereinafter also referred to as “upper arm element driving time T1”) and the driving time of the
また、上アーム素子駆動時間T1と下アーム素子駆動時間T2との間には、上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを同時に駆動して2次電圧V2が短絡することを防止するためのデッドタイムdtが配置されている。以下では、デッドタイムdtのうち、前回の下アーム素子駆動時間T2の後、今回の上アーム素子駆動時間T1の前に配置されるものと第1デッドタイムdt1と呼び、今回の上アーム素子駆動時間T1の後、今回の下アーム素子駆動時間T2の前に配置されるものと第2デッドタイムdt2と呼ぶ。
Further, between the upper arm element driving time T1 and the lower arm element driving time T2, the upper arm elements 81u to 81w and the
同期スイッチング処理では、スイッチング周期Tsw毎に上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを交互に駆動するものの、1次側1Sと2次側2Sの間の電位差の関係上、通常は、その一方のみしかオンしない(通流しない)。
In the synchronous switching process, the upper arm elements 81u to 81w and the
(c)降圧チョッパ制御
図4には、降圧チョッパ制御により、上アーム素子81u〜81wがオンし、下アーム素子82u〜82wがオンしない状態が示されている。図4において、駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの波形中、ハッチングを付けた期間は、駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLが供給されているアーム素子(例えば、駆動信号UHに対応するアーム素子は上アーム素子81u)がオンしている期間(実際に電流が流れている期間)を示している。
(C) Step-down Chopper Control FIG. 4 shows a state in which the upper arm elements 81u to 81w are turned on and the
上アーム素子81u〜81wがオンする場合、2次側2Sから1次側1Sへと2次電流が供給され{シンク(sink)するという。}、いわゆる降圧チョッパ制御により降圧動作が実行される。例えば、図4の時点t1〜t2の間で上アーム素子81uがオンすると、リアクトル90にコンデンサ39から出力される2次電流I2によりエネルギを蓄積するとともにコンデンサ38からバッテリ24に1次電流I1が供給される。次いで、ダイオード84u〜84wがフライホイールダイオードとして導通し、リアクトル90からエネルギが放出され、コンデンサ38にエネルギを蓄積するとともにバッテリ24に1次電流I1が供給される。次に、時点t5〜t6の間では、上アーム素子81vがオンし、上記と同様に2次電流I2をバッテリ24側にシンクする。このように、本実施形態では、3つの上アーム素子81u〜81wがローテーションしながらオンされる(このような動作を「ローテーションスイッチング」とも称する。)。
When the upper arm elements 81u to 81w are turned on, a secondary current is supplied from the secondary side 2S to the primary side 1S {sinking. }, The step-down operation is executed by so-called step-down chopper control. For example, when the upper arm element 81u is turned on between time points t1 and t2 in FIG. 4, energy is stored in the
回生電圧が存在する場合、この降圧動作時に回生電源分担負荷量Lrが、シンクされる2次電流I2に加算される。この降圧動作における上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wの駆動時間も、2次電圧V2が保持されるように決定される。
When there is a regenerative voltage, the regenerative power source shared load Lr is added to the sunk secondary current I2 during this step-down operation. The driving time of the upper arm elements 81u to 81w and the
図4の下側には、VCU23の降圧制御時の1次電流I1のタイミングチャートが示されている。
A timing chart of the primary current I1 during the step-down control of the
図4中、リアクトル90に流れる1次電流I1の符号は、1次側1Sから2次側2Sへ流れる昇圧時電流(DC/DCコンバータ23の2次側2Sからインバータ34へ流れ出すソース電流)を正(+)、2次側2Sから1次側1Sへ流れる降圧時電流(燃料電池22又はインバータ34から2次側2Sへ流れ込むシンク電流)を負(−)に取っている。このことは、図5でも同様である。
In FIG. 4, the sign of the primary current I1 flowing through the
(d)昇圧チョッパ制御
図5には、昇圧チョッパ制御により、下アーム素子82u〜82wがオンし、上アーム素子81u〜81wがオンしない状態が示されている。ハッチングを付けた期間の意味は、図4と同様であり、オンしている期間を示している。
(D) Boost Chopper Control FIG. 5 shows a state in which the
下アーム素子82u〜82wがオンする場合、1次側1Sから2次側2Sへと電流が流れ、いわゆる昇圧チョッパ制御により昇圧動作が実行される。例えば、図5の時点t13〜t14の間で下アーム素子82uがオンすると、リアクトル90にバッテリ電流Ibatとしての1次電流I1によりエネルギを蓄積すると同時に、コンデンサ39から2次電流I2をインバータ34側に供給する{ソース(source)するという。}。次いで、整流ダイオードとして機能するダイオード83u〜83wが導通し、リアクトル90からエネルギが放出され、コンデンサ39にエネルギを蓄積するとともに、2次電流I2としてインバータ34へソースする。次に、時点t17〜t18の間では、下アーム素子82vがオンし、上記と同様に2次電流I2をインバータ34側にソースする。3つの上アーム素子81u〜81wと同様、3つの下アーム素子82u〜82wもローテーションスイッチングを行う。
When the
なお、上アーム素子駆動時間T1(上アーム素子81u〜81wを駆動する時間)及び下アーム素子駆動時間T2(下アーム素子82u〜82wを駆動する時間)は、2次電圧V2が保持されるように決定される。
The upper arm element driving time T1 (time for driving the upper arm elements 81u to 81w) and the lower arm element driving time T2 (time for driving the
(e)変調方式
本実施形態では、コンバータ制御部54が生成する各駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの変調方式として、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)とパルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)を選択的に用いることができる。
(E) Modulation method In the present embodiment, pulse width modulation (PWM) and pulse frequency modulation are used as modulation methods for the drive signals UH, UL, VH, VL, WH, and WL generated by the
PWMは、スイッチング周波数Fsw[Hz](1/スイッチング周期Tsw[μs])を固定し、上アーム素子駆動時間T1、下アーム素子駆動時間T2、並びに必要に応じて第1デッドタイムdt1及び第2デッドタイムdt2の長さを変化させて上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wの駆動を制御することにより、DC/DCコンバータ36の昇降圧動作を制御する。
The PWM fixes the switching frequency Fsw [Hz] (1 / switching cycle Tsw [μs]), the upper arm element driving time T1, the lower arm element driving time T2, and the first dead time dt1 and the second second as necessary. By controlling the drive of the upper arm elements 81u to 81w and the
PFMは、上アーム素子駆動時間T1又は下アーム素子駆動時間T2のいずれか一方の長さを固定し、スイッチング周期Tswを変化させて上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wのオン/オフ動作を制御することにより、DC/DCコンバータ36の昇降圧動作を制御する。
The PFM fixes either the length of the upper arm element driving time T1 or the lower arm element driving time T2, and changes the switching cycle Tsw to turn on / off the upper arm elements 81u to 81w and the
(f)駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの生成
図6及び図7には、コンバータ制御部54において駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLを生成する処理が簡略的に示されている。コンバータ制御部54では、各駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの波形を決定する(各駆動信号をハイレベルにするタイマ設定値TMRを算出する)タイマ設定値算出処理と、算出されたタイマ設定値TMRをタイマ76に設定し、タイマ設定値TMRに応じた駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLを出力する駆動信号出力処理とを行う。タイマ設定値算出処理及び駆動信号出力処理は、1つのマイクロコンピュータ72により制御される。
(F) Generation of Drive Signals UH, UL, VH, VL, WH, WL In FIGS. 6 and 7, the process of generating the drive signals UH, UL, VH, VL, WH, WL in the
本実施形態において、1回のタイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalは、例えば、120μsであり、1回の駆動信号出力処理にかかる時間Poutは、例えば、15μsである。PWMを用いているとき、制御周期Tc(マイクロコンピュータ72における演算周期の1つ)は、例えば、60μsであり、PFMを用いているとき、制御周期Tcは、可変である。制御周期Tcは、駆動信号出力処理の周期(ある駆動信号出力処理の開始から次の駆動信号出力処理の開始までの間隔)を示す。また、制御周期Tcは、対応するスイッチング周期Tswと同じ長さであり(Tc=Tsw)、対応するスイッチング周期Tswよりも駆動信号出力処理に係る時間Pout分早く開始する。 In the present embodiment, the time Pcal required for one timer set value calculation process is, for example, 120 μs, and the time Pout required for one drive signal output process is, for example, 15 μs. When using PWM, the control cycle Tc (one of the calculation cycles in the microcomputer 72) is, for example, 60 μs, and when using PFM, the control cycle Tc is variable. The control cycle Tc indicates the cycle of the drive signal output process (the interval from the start of a certain drive signal output process to the start of the next drive signal output process). The control cycle Tc has the same length as the corresponding switching cycle Tsw (Tc = Tsw), and starts earlier by the time Pout related to the drive signal output process than the corresponding switching cycle Tsw.
図6及び図7に示すように、駆動信号出力処理は、制御周期Tc[μs]の開始から時間Poutの間行われる。また、本実施形態では、タイマ設定値算出処理は、制御周期Tcから駆動信号出力処理の時間Poutを差し引いた残り時間Prで行われる(Pr=Tc−Pout)。このため、PWMを用いているとき、残り時間Prは、例えば、45μsであり(45=60−15)、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcal(例えば、120μs)よりも短い(Pr<Pcal)。このため、1回のタイマ設定値算出処理は、複数の制御周期Tc(具体的には、3回の制御周期Tc)の間に行われる。 As shown in FIGS. 6 and 7, the drive signal output process is performed for a time Pout from the start of the control cycle Tc [μs]. In the present embodiment, the timer set value calculation process is performed with the remaining time Pr obtained by subtracting the drive signal output process time Pout from the control cycle Tc (Pr = Tc−Pout). For this reason, when PWM is used, the remaining time Pr is 45 μs (45 = 60−15), for example, and is shorter than the time Pcal (eg, 120 μs) required for the timer set value calculation process (Pr <Pcal). . For this reason, one timer set value calculation process is performed during a plurality of control cycles Tc (specifically, three control cycles Tc).
一方、PFMを用いているとき、残り時間Prは、制御周期Tcの長さに応じて変化する(Pr∝Tc)。その結果、1回のタイマ設定値算出処理を、PWMのときよりも少ない制御周期Tcで行うことが可能となる。例えば、残り時間Prが60μs以上であれば、2回の制御周期Tc毎に1回のタイマ設定値算出処理を行うことができる。また、残り時間Prが120μs以上であれば、1回の制御周期Tc毎に1回のタイマ設定値算出処理を行うことができる。本実施形態では、この点に着目し、図6及び図7に示すように、PFMを用いることでスイッチング周期Tswが長くなり、これに伴って制御周期Tcも長くなるに連れて、より少ない数のスイッチング周期Tsw(制御周期Tc)に対応して1回のタイマ設定値算出処理を実施する。 On the other hand, when the PFM is used, the remaining time Pr changes according to the length of the control cycle Tc (Pr∝Tc). As a result, it is possible to perform a single timer set value calculation process with a control cycle Tc that is smaller than that in PWM. For example, if the remaining time Pr is 60 μs or more, the timer setting value calculation process can be performed once every two control cycles Tc. If the remaining time Pr is 120 μs or more, one timer setting value calculation process can be performed for each control cycle Tc. In this embodiment, paying attention to this point, as shown in FIGS. 6 and 7, the use of PFM increases the switching cycle Tsw, and the control cycle Tc increases accordingly, and the smaller the number. The timer setting value calculation process is performed once corresponding to the switching period Tsw (control period Tc).
PWMとPFMの切替えは、デューティDUTに応じて行われる。デューティDUTは、スイッチング周期Tswにおいて、上アーム素子駆動時間T1及び第1デッドタイムdt1の和が占める割合を示している{DUT=(T1+dt1)/Tsw}。従って、下アーム素子駆動時間T2と第2デッドタイムdt2の和がスイッチング周期Tswに占める割合は、1−DUTで求められる{(T2+dt2)/Tsw=1−DUT}。また、第1デッドタイムdt1と第2デッドタイムdt2には、通常、固定値(例えば、5μs)が用いられる。このため、デューティDUTと、上アーム素子駆動時間T1及び下アーム素子駆動時間T2との対応関係を予めマップ化しておくことにより、デューティDUTに基づいて、上アーム素子駆動時間T1及び下アーム素子駆動時間T2が選択可能である。 Switching between PWM and PFM is performed according to the duty DUT. The duty DUT indicates the ratio of the sum of the upper arm element driving time T1 and the first dead time dt1 in the switching period Tsw {DUT = (T1 + dt1) / Tsw}. Therefore, the ratio of the sum of the lower arm element driving time T2 and the second dead time dt2 to the switching cycle Tsw is obtained by 1−DUT {(T2 + dt2) / Tsw = 1−DUT}. In addition, a fixed value (for example, 5 μs) is normally used for the first dead time dt1 and the second dead time dt2. Therefore, by mapping the correspondence relationship between the duty DUT and the upper arm element driving time T1 and the lower arm element driving time T2 in advance, the upper arm element driving time T1 and the lower arm element driving are based on the duty DUT. Time T2 can be selected.
本実施形態では、通常、変調方式としてPWMを用い、デューティDUTが1(100%)又は0(0%)に近づくと、PFMを用いる。具体的には、デューティDUTが100%に近づき、下アーム素子駆動時間T2が下アーム素子82u〜82wの最小オン時間T2on_minを下回るとき、PFMを用いる。また、デューティが0%に近づき、上アーム素子駆動時間T1が上アーム素子81u〜81wの最小オン時間T1on_minを下回るとき、PFMを用いる。なお、本実施形態では、上アーム素子81u〜81wの最小オン時間T1on_minと、下アーム素子82u〜82wの最小オン時間T2on_minとは同一の長さである。
In the present embodiment, PWM is normally used as the modulation method, and PFM is used when the duty DUT approaches 1 (100%) or 0 (0%). Specifically, PFM is used when the duty DUT approaches 100% and the lower arm element drive time T2 is less than the minimum on-time T2on_min of the
図8及び図9には、図6及び図7の比較例として、PWM及びPFMいずれを用いる場合も、1回のタイマ設定値算出処理に対応させるスイッチング周期Tswの数を同じにした場合が示されている。本実施形態と比較例を比較すると、比較例(図8及び図9)では、PFMを用いている際、スイッチング周期Tsw(制御周期Tc)が長くなるに連れて、タイマ設定値算出処理の周期Tcal(1回のタイマ設定値算出処理の開始から次のタイマ設定値算出処理の開始までの間隔)が長くなる。 8 and 9, as a comparative example of FIGS. 6 and 7, the case where the number of switching periods Tsw corresponding to one timer setting value calculation process is the same is shown regardless of whether PWM or PFM is used. Has been. Comparing the present embodiment with the comparative example, in the comparative example (FIGS. 8 and 9), when the PFM is used, as the switching cycle Tsw (control cycle Tc) becomes longer, the cycle of the timer set value calculation process Tcal (interval from the start of one timer set value calculation process to the start of the next timer set value calculation process) becomes longer.
一方、本実施形態(図6及び図7)では、PFMを用いている際、スイッチング周期Tsw(制御周期Tc)が長くなっても、タイマ設定値算出処理の周期Tcalが長くならない(むしろ短くなる場合もある。)。このため、タイマ設定値算出処理の回数を増やすことが可能となり、その結果、より直近の状況に応じたタイマ設定値TMRを算出することが可能となる。従って、より好適にDC/DCコンバータ36を制御することができる。
On the other hand, in the present embodiment (FIGS. 6 and 7), when the PFM is used, even if the switching cycle Tsw (control cycle Tc) becomes long, the timer setting value calculation processing cycle Tcal does not become long (rather short). In some cases.). For this reason, it is possible to increase the number of times of the timer set value calculation process, and as a result, it is possible to calculate the timer set value TMR corresponding to the most recent situation. Therefore, the DC /
図10は、本実施形態のタイマ設定算出処理と駆動信号出力処理を実行するフローチャートであり、図11は、図10におけるデータや信号の流れを簡略的に示す説明図である。 FIG. 10 is a flowchart for executing the timer setting calculation process and the drive signal output process of the present embodiment, and FIG. 11 is an explanatory diagram simply showing the flow of data and signals in FIG.
図10のステップS11において、コンバータ制御部54のマイクロコンピュータ72は、1回のタイマ設定値算出処理を実施する。続くステップS12において、マイクロコンピュータ72は、1回の駆動信号出力処理を実施する。タイマ設定値算出処理及び駆動信号出力処理の詳細は後述する。
In step S <b> 11 of FIG. 10, the
ステップS13において、マイクロコンピュータ72は、次のタイマ設定値算出処理を開始する。続くステップS14において、駆動信号出力処理を実施するための割込要求Rintがあるかどうかを判定する。割込要求Rintの詳細は後述する。割込要求Rintがある場合(S14:Yes)、ステップS15において、マイクロコンピュータ72は、ステップS12と同様に1回の駆動信号出力処理を実施し、ステップS14に戻る。割込要求がなかった場合(S14:No)、ステップS16において、マイクロコンピュータ72は、タイマ設定値算出処理の続きを行う。続くステップS17において、マイクロコンピュータ72は、タイマ設定値算出処理が完了したかどうかを判定する。タイマ設定値算出処理が完了していない場合(S17:No)、ステップS14に戻る。タイマ設定値算出処理が完了している場合(S17:Yes)、ステップS18において、マイクロコンピュータ72は、所定回数の駆動信号出力処理が終了したかどうかを判定する(詳細は後述する。)。所定回数の駆動信号出力処理が終了していない場合(S18:No)、ステップS18を繰り返す。所定回数の駆動信号出力処理が終了した場合(S18:Yes)、ステップS13に戻り、マイクロコンピュータ72は、次のタイマ設定値算出処理を開始する。
In step S13, the
図12には、タイマ設定値算出処理のフローチャートが示されている。ステップS21において、コンバータ制御部54のマイクロコンピュータ72は、デューティDUTを算出する。デューティDUTの算出は下記のように行われる。すなわち、電圧センサ61が検出した1次電圧V1を、統括制御部56から受信した2次電圧指令値V2comで除算して基準デューティDUTsを算出する(DUTs=V1/V2com)。これと並行して、2次電圧指令値V2comと、電圧センサ63が検出した2次電圧V2との差である補正デューティΔDUTを算出する(ΔDUT=V2com−V2)。そして、基準デューティDUTsと補正デューティΔDUTの和としてデューティDUTを算出する(DUT=DUTs+ΔDUT)。
FIG. 12 shows a flowchart of the timer set value calculation process. In step S21, the
続くステップS22において、マイクロコンピュータ72は、算出したデューティDUTに基づいて、タイマ設定値TMR(上アーム素子駆動時間T1、下アーム素子駆動時間T2、第1デッドタイムdt1及び第2デッドタイムdt2)を算出する。算出されたタイマ設定値TMRは、メモリ74に一時的に記憶される。
In subsequent step S22, the
また、本実施形態では、ステップS22で算出したタイマ設定値TMRが、各相アームUA、VA、WAのいずれにも用いられる。すなわち、3相のタイマ設定値TMRは同じである。代わりに、上記ステップS21、S22を繰り返して3つのタイマ設定値TMRを求める等、その他の方法により各相アームUA、VA、WAのタイマ設定値TMRを取得することもできる。 In the present embodiment, the timer set value TMR calculated in step S22 is used for each of the phase arms UA, VA, WA. That is, the three-phase timer set value TMR is the same. Instead, the timer setting values TMR of the respective phase arms UA, VA, WA can be obtained by other methods, such as obtaining the three timer setting values TMR by repeating the steps S21, S22.
ステップS23において、マイクロコンピュータ72は、3相(U相、V相、W相)分の制御周期Tc(実質的にスイッチング周期Tswと等しい。)の合計Ttotalに基づいて、次回のタイマ設定値算出処理までの制御周期Tcの数を示す次回算出処理呼出制御周期数Ntc[Tc](以下、「制御周期数NTc」とも称する。)を選択する。例えば、制御周期数Ntが「0」のとき、次回のタイマ設定値算出処理は、次の制御周期Tcにおいて行われることを示す。制御周期数Ntcが「1」のとき、次回のタイマ設定値算出処理は、今回のタイマ設定値算出処理を行った制御周期Tcの2つ後の制御周期Tcにおいて行われる、すなわち、2つの制御周期Tc毎に1回のタイマ設定値算出処理が実施される。制御周期数Ntcが「2」のとき、3つの制御周期Tc毎に1回のタイマ設定値算出処理が実施される。算出した制御周期数Ntcは、メモリ74に一時的に記憶される。
In step S23, the
図13には、制御周期数Ntcを算出するフローチャートが示されている。ステップS231において、マイクロコンピュータ72は、各相アームUA、VA、WAに対応する3つの制御周期Tcの合計Ttotalを算出する。続くステップS232において、マイクロコンピュータ72は、合計Ttotalが周期閾値THcyc未満であるかどうかを判定する。周期閾値THcycは、例えば、制御周期Tc(実質的にスイッチング周期Tswと等しい長さである。)から駆動信号出力処理にかかる時間Poutを差し引いた残り時間Prを2倍した値が、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalよりも長くなる値以上に設定される(THcyc≧2×(Tc−Pout)=2×Pr>Pcal)。例えば、駆動信号出力処理にかかる時間Poutを15μs、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalを120μsとすると、周期閾値THcycは、75μs以上とすることができる。
FIG. 13 shows a flowchart for calculating the control cycle number Ntc. In step S231, the
3つの制御周期Tcの合計Ttotalが周期閾値THcyc未満である場合(S232:Yes)、ステップS233において、マイクロコンピュータ72は、スイッチング周期数Ntcを「2」に設定する。3つの制御周期Tcの合計Ttotalが周期閾値THcyc以上である場合(S232:No)、ステップS234に進む。
When the total Ttotal of the three control cycles Tc is less than the cycle threshold THcyc (S232: Yes), in step S233, the
ステップS234において、マイクロコンピュータ72は、2つの制御周期Tcの合計Tsubを算出する。合計Tsubは、例えば、U相アームUA及びW相アームWAに対応する制御周期Tcの和を用いることができる。続くステップS235において、マイクロコンピュータ72は、合計Tsubが周期閾値THcyc未満であるかどうかを判定する。周期閾値THcycは、ステップS232で用いたものと同じである。
In step S234, the
2つの制御周期Tcの合計Tsubが周期閾値THcyc未満である場合(S235:Yes)、ステップS236において、マイクロコンピュータ72は、制御周期数Ntcを「1」に設定する。2つの制御周期Tcの合計Tsubが周期閾値THcyc以上である場合(S235:No)、ステップS237において、マイクロコンピュータ72は、制御周期数Ntcを「0」に設定する。
When the total Tsub of the two control cycles Tc is less than the cycle threshold THcyc (S235: Yes), in step S236, the
図14は、制御周期数Ntcの決定方法の一例を簡略的に示す特性図である。図14では、スイッチング周波数Fsw[kHz](制御周期Tcと実質的に等しいスイッチング周期Tswと反比例する。)が約6kHzを超えるとき、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcal[μs]は、タイマ設定値算出処理を3つの制御周期Tcに対応させても、周期閾値THcycを下回る。換言すると、タイマ設定値算出処理の周期Tcalは、制御周期Tcが3つなければ確保できない。そこで、制御周期数Ntcは「2」に設定される。 FIG. 14 is a characteristic diagram schematically showing an example of a method for determining the control cycle number Ntc. In FIG. 14, when the switching frequency Fsw [kHz] (inversely proportional to the switching period Tsw substantially equal to the control period Tc) exceeds about 6 kHz, the time Pcal [μs] required for the timer set value calculation processing is set to the timer setting. Even if the value calculation processing is made to correspond to the three control cycles Tc, the value falls below the cycle threshold THcyc. In other words, the cycle Tcal of the timer set value calculation process cannot be ensured unless there are three control cycles Tc. Therefore, the control cycle number Ntc is set to “2”.
スイッチング周波数Fswが約4kHzを超え、約6kHz以下になると、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalは、タイマ設定値算出処理を3つの制御周期Tcに対応させると、周期閾値THcycを上回り、タイマ設定値算出処理を2つの制御周期Tcに対応させると、周期閾値THcycを下回る。換言すると、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalは、制御周期Tcが2つあれば確保できる。そこで、制御周期数Ntcは「1」に設定される。 When the switching frequency Fsw exceeds about 4 kHz and becomes about 6 kHz or less, the time Pcal required for the timer set value calculation process exceeds the period threshold THcyc when the timer set value calculation process is associated with three control periods Tc, and the timer setting If the value calculation process is associated with two control periods Tc, the value falls below the period threshold value THcyc. In other words, the time Pcal required for the timer set value calculation process can be secured if there are two control cycles Tc. Therefore, the control cycle number Ntc is set to “1”.
スイッチング周波数Fswが約4kHz以下になると、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalは、タイマ設定値算出処理を2つ又は3つの制御周期Tcに対応させると、周期閾値THcycを上回り、タイマ設定値算出処理を1つの制御周期Tcに対応させると、周期閾値THcycを下回る。換言すると、タイマ設定値算出処理にかかる時間Pcalは、制御周期Tcが1つあれば確保できる。そこで、制御周期数Ntcは「0」に設定される。 When the switching frequency Fsw is about 4 kHz or less, the time Pcal required for the timer set value calculation process exceeds the cycle threshold value THcyc when the timer set value calculation process is associated with two or three control cycles Tc, and the timer set value calculation is performed. If the process is associated with one control cycle Tc, it falls below the cycle threshold THcyc. In other words, the time Pcal required for the timer set value calculation process can be secured if there is one control cycle Tc. Therefore, the control cycle number Ntc is set to “0”.
図12に戻り、ステップS24において、マイクロコンピュータ72は、今回が初めてのタイマ設定値算出処理であるかどうかを判定する。この判定は、例えば、メモリ74に記憶されている算出処理判定フラグFLGcalにより行う。算出処理判定フラグFLGcalは、「0」のとき、それまでにタイマ設定値算出処理が行われていないことを示し、「1」のとき、それまでにタイマ設定値算出処理が行われていることを示す。算出処理判定フラグFLGcalの初期値は「0」であり、タイマ設定値算出処理が1回行われると算出処理判定フラグFLGcalは、「1」に変更される。今回が初めてのタイマ設定値算出処理である場合(S24:Yes)、ステップS21に戻る。今回が初めてのタイマ設定値算出処理でない場合(S24:No)、ステップS25において、マイクロコンピュータ72は、ステップS22で算出した新たなタイマ設定値TMR及びステップS23で決定した新たな制御周期数Ntcを要求する送信要求REQがあるかどうかを判定する。この送信要求REQは、駆動信号出力処理におけるステップS35により行われる(詳細は後述する。)。送信要求REQがない場合(S25:No)、ステップS25を繰り返す。送信要求REQがあった場合(S25:Yes)、ステップS21に戻る。
Returning to FIG. 12, in step S <b> 24, the
図15には、駆動信号出力処理のフローチャートが示されている。ステップS31において、コンバータ制御部54のマイクロコンピュータ72は、タイマ76にタイマ設定値TMRを設定する相アームUA、VA、WAを選択する。この選択は、メモリ74に記憶されている相選択フラグFLGphにより行う。相選択フラグFLGphは、「0」のとき、次の対象が相アームUAであることを示し、「1」のとき、次の対象が相アームVAであることを示し、「2」のとき、次の対象が相アームWAであることを示す。
FIG. 15 shows a flowchart of the drive signal output process. In step S31,
ステップS32において、マイクロコンピュータ72は、タイマ76にタイマ設定値TMRを入力する。例えば、ステップS31で相アームUAが選択された場合、タイマ76は、タイマ設定値TMR(上アーム素子駆動時間T1、下アーム素子駆動時間T2、第1デッドタイムdt1、第2デッドタイムdt2)に応じて駆動信号UH、ULを出力するように設定される。
In
ステップS33において、マイクロコンピュータ72は、現在の相選択フラグFLGphの値に1を加えた値を新たな相選択フラグFLGphとしてメモリ74に記憶する。なお、現在の相選択フラグFLGphが「2」の場合、新たな相選択フラグFLGphは「0」に設定される。
In step S33, the
ステップS34において、マイクロコンピュータ72は、メモリ74に記憶されている次回算出処理呼出制御周期数Ntcが「0」であるかどうかを判定する。呼出制御周期数Ntcが「0」である場合(S34:Yes)、ステップS35において、新たなタイマ設定値TMRと新たな次回算出処理呼出制御周期数Ntcを要求する要求信号REQを送信する。この要求信号REQにより、次のタイマ設定値算出処理の実施が許可される。呼出スイッチング周期数Ntswが「1」又は「2」である場合(S34:No)、ステップS36において、マイクロコンピュータ72は、現在の呼出スイッチング周期数Ntswから「1」を引いた数を新たな呼出スイッチング周期数Ntswとして設定し、メモリ74に記憶する。
In step S <b> 34, the
続くステップS37において、マイクロコンピュータ72は、次の駆動信号出力処理を実施するための割込要求Rintを行うべきかどうかを判定する。この判定は、例えば、タイマ76を用いることにより行うことができる。具体的には、今回の駆動信号出力処理を開始する際に、次の駆動信号出力処理を実施するまでの時間をカウント値としてタイマ76に入力しておき、カウント値がゼロになったとき、割込要求Rintが必要であると判定する。割込要求Rintが必要でない場合(S37:No)、ステップS37を繰り返す。割込要求Rintが必要である場合(S37:Yes)、マイクロコンピュータ72は、割込要求Rintを行い、タイマ設定値算出処理を実施中であっても、駆動信号出力処理を優先して実施する。また、割込要求Rintを行った後は、ステップS31に戻る。
In subsequent step S <b> 37, the
3.本実施形態の効果
以上のように、本実施形態では、PFMを用いたスイッチング制御において、制御周期Tc(実質的にスイッチング周期Tswと同じ長さである。)が長くなるに連れて、より少ない数の制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)に対応して、タイマ設定値算出処理(デューティDUTの算出等)が実施される。このため、制御周期Tcが長くなった場合でも、制御周期Tcが短い場合と同様の周期(時間)で上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wの動作を制御することが可能となり、制御周期Tcが長くなっても2次電圧目標値V2tarと2次電圧V2との偏差が大きくなることを防止することができる。従って、より好適にDC/DCコンバータ36を制御することができる。
3. As described above, in the present embodiment, in the switching control using the PFM, the control cycle Tc (substantially the same length as the switching cycle Tsw) becomes smaller as the control cycle Tc becomes longer. Timer setting value calculation processing (such as calculation of duty DUT) is performed in correspondence with a number of control cycles Tc (switching cycle Tsw). For this reason, even when the control cycle Tc becomes long, it becomes possible to control the operations of the upper arm elements 81u to 81w and the
すなわち、タイマ設定値算出処理は駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの生成に用いられるものであるから、タイマ設定値算出処理の周期Tcalは、各駆動信号を生成する周期(駆動信号出力処理の周期)を示す制御周期Fc(スイッチング周期Tsw)に対応させることが好ましい。また、上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wのデューティDUTをまとめて算出する構成では、制御周期Tcが最小値であるとき、マイクロコンピュータ72の処理能力の制約上、1回のタイマ設定値算出処理を2以上の制御周期Tcに対応させる場合がある。しかし、PFMではスイッチング周期Tsw(制御周期Tc)を変化させるため、タイマ設定値算出処理を常に同じ数のスイッチング周期Tswに対応させてしまうと、デューティDUTの算出から駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの出力までの時間は、スイッチング周期Tswが長くなるに連れて長くなってしまう。例えば、連続する3スイッチング周期Tsw分のデューティDUTをまとめて算出する場合、デューティDUTの算出時から3番目のスイッチング周期TswのデューティDUTに対応する駆動信号の出力までにかかる時間は、1番目及び2番目のスイッチング周期TswのデューティDUTに対応するスイッチング周期Tswが長くなるに連れて長くなる。本実施形態では、制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)が長くなるに連れて、より少ない数の制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)に対応させてタイマ設定値算出処理が実施される。このため、制御周期Tcが長くなった場合でも、タイマ設定値算出処理の周期Tcal(時間)を短く保持することができる。その結果、制御周期Tcが長くなっても、より直近の状態を反映したデューティDUTを算出することが可能となり、より好適にDC/DCコンバータ36を制御することができる。
That is, since the timer set value calculation process is used to generate the drive signals UH, UL, VH, VL, WH, and WL, the period Tcal of the timer set value calculation process is a period (drive) for generating each drive signal. It is preferable to correspond to a control cycle Fc (switching cycle Tsw) indicating a signal output processing cycle. In the configuration in which the duty DUTs of the upper arm elements 81u to 81w and the
本実施形態では、PWMとPFMとを切り替えて用いることが可能であり、さらに、PFMを用いる際、1回のタイマ設定値算出処理に対応させる制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の数を各制御周期Tc(時間)の増減に応じて調整することができる。PWMではスイッチング周期Tsw(制御周期Tc)が固定されているため、タイマ設定値算出処理の周期Tcalが変化しない一方、PFMではスイッチング周期Tsw(制御周期Tc)が可変であるため、タイマ設定値算出処理の周期Tcal(時間)を固定することが困難である。本実施形態によれば、PFMを用いている際に、1回のタイマ設定値算出処理に対応させる制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の数を制御周期Tcの長さに応じて変更するため、PWMからPFMに切り替えることに伴う制御周期Tcの変化にも対応可能となる。従って、PWMで用いるタイマ設定値算出処理をPFMでも利用し易くなる。 In this embodiment, it is possible to switch between PWM and PFM. Further, when using PFM, the number of control cycles Tc (switching cycle Tsw) corresponding to one timer set value calculation process is controlled for each control. It can be adjusted according to the increase / decrease of the period Tc (time). In PWM, since the switching cycle Tsw (control cycle Tc) is fixed, the cycle Tcal of the timer set value calculation processing does not change, while in PFM, the switching cycle Tsw (control cycle Tc) is variable, so that the timer set value calculation is performed. It is difficult to fix the processing cycle Tcal (time). According to the present embodiment, when using the PFM, the number of control cycles Tc (switching cycle Tsw) corresponding to one timer set value calculation process is changed according to the length of the control cycle Tc. It is also possible to cope with a change in the control cycle Tc accompanying switching from PWM to PFM. Therefore, the timer set value calculation process used in PWM can be easily used in PFM.
本実施形態では、実際に用いられる3つの制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の合計Ttotal及び2つの制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の合計Tsubと、メモリ74に予め記憶されている周期閾値THcycとを比較し、その比較結果に基づいて各タイマ設定値算出処理に対応させる制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の数が決定される。このため、各タイマ設定値算出処理に対応させる制御周期Tcの数を、比較的簡易な演算により決定することができる。
In the present embodiment, the total Ttotal of the three control cycles Tc (switching cycle Tsw) actually used, the total Tsub of the two control cycles Tc (switching cycle Tsw), and the cycle threshold THcyc stored in the
本実施形態において、コンバータ制御部54は、DC/DCコンバータ36を制御することで、燃料電池22から引き出される電力を制御することが可能である。本実施形態によれば、各制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の長さに応じて、タイマ設定値算出処理に対応させる制御周期Tc(スイッチング周期Tsw)の数が決定されるため、燃料電池22から引き出される電力をきめ細かに且つ精度よく制御できるため、燃料電池22を効率よく稼動することができる。
In the present embodiment, the
本実施形態では、燃料電池22及びバッテリ24の電力がモータ26へと供給される。これにより、燃料電池が効率よく稼動されるため、燃費効率の良い燃料電池車両20を実現することができる。
In the present embodiment, the electric power of the
B.変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の(1)〜(5)の構成を採用することができる。
B. Modifications It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification. For example, the following configurations (1) to (5) can be employed.
(1)VCU23の搭載対象
上記実施形態では、VCU23を燃料電池車両20に搭載したが、これに限られない。例えば、バッテリ駆動車両(電気自動車)に搭載することもできる。もちろん、エンジンとバッテリとモータを搭載した、いわゆるパラレル方式又はシリーズパラレル方式のハイブリッド自動車にも搭載することもできる。
(1) Target for mounting
(2)相アームUA、VA、WA
上記実施形態では、3相の相アームUA、VA、WAを用いたが、2相又は4相以上であってもよい。
(2) Phase arm UA, VA, WA
In the above embodiment, the three-phase phase arms UA, VA, and WA are used, but two or more phases may be used.
(3)スイッチング制御
上記実施形態では、各スイッチング周期Tswに、上アーム素子81u〜81wのスイッチング(降圧チョッパ制御)と下アーム素子82u〜82wのスイッチング(昇圧チョッパ制御)の両方を含ませる同期スイッチングを用いたが、これに限られず、降圧チョッパ制御又は昇圧チョッパ制御の一方のみに本発明を適用することもできる。
(3) Switching control In the above embodiment, each switching cycle Tsw includes both switching of the upper arm elements 81u to 81w (step-down chopper control) and switching of the
上記実施形態では、U相アームUA→V相アームVA→W相アームWAの順にローテーションスイッチングを行ったが、この順番に限られない。また、1つの制御周期Fcに複数の相アームの上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wを駆動することも可能である。
In the above embodiment, the rotation switching is performed in the order of the U-phase arm UA → the V-phase arm VA → the W-phase arm WA, but is not limited to this order. It is also possible to drive the upper arm elements 81u to 81w and the
(4)変調方式
上記実施形態では、PWMとPFMを切り替えて用いたがPFMのみを用いることも可能である。また、PFMをPWM以外の変調方式と組み合わせて用いることもできる。
(4) Modulation method In the above embodiment, PWM and PFM are used by switching, but it is also possible to use only PFM. Also, PFM can be used in combination with a modulation method other than PWM.
上記実施形態では、デューティDUTが、上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wをオンさせるのに必要な最小オン時間を確保できるときはPWMを用い、最小オン時間を確保できないときはPFMを用いたが、それ以外の基準でPWMとPFMを切り替えることもできる。
In the above embodiment, the PWM is used when the duty DUT can secure the minimum on-time required to turn on the upper arm elements 81u to 81w and the
(5)その他
上記実施形態では、図13のフローチャートを用いて次回算出処理呼出制御周期数Ntcを選択したが、その他の方法を用いることもできる。例えば、1回のタイマ設定値算出処理で算出されるタイマ設定値TMRが各相で同じ場合、制御周期数NtcをデューティDUTから直接選択することもできる。
(5) Others In the above embodiment, the next calculation process call control cycle number Ntc is selected using the flowchart of FIG. 13, but other methods can also be used. For example, when the timer setting value TMR calculated in one timer setting value calculation process is the same in each phase, the control cycle number Ntc can be directly selected from the duty DUT.
20…燃料電池車両 22…燃料電池(第2電力装置)
23…DC/DCコンバータ装置(VCU)
24…バッテリ(第1電力装置) 26…モータ(第2電力装置)
34…インバータ 36…DC/DCコンバータ
54…コンバータ制御部
81(81u〜81w)…上アーム素子
82(82u〜82w)…下アーム素子
83u、83v、83w、84u、84v、84w…ダイオード
90…リアクトル
91…燃料電池出力特性(電流電圧特性)
DUT…デューティ
Ntc…次回算出処理呼出制御周期数
T1…上アーム素子駆動時間 T2…下アーム素子駆動時間
Tc…制御周期
Tcal…タイマ設定値算出処理の周期
Tout…駆動信号算出処理の周期 Tsw…スイッチング周期
UA…U相アーム VA…V相アーム WA…W相アーム
UH、UL、VH、VL、WH、WL…駆動信号
20 ...
23 ... DC / DC converter unit (VCU)
24 ... Battery (first power device) 26 ... Motor (second power device)
34 ...
DUT ... Duty Ntc ... Next calculation process call control cycle number T1 ... Upper arm element drive time T2 ... Lower arm element drive time Tc ... Control cycle Tcal ... Timer set value calculation process period Tout ... Drive signal calculation process period Tsw ... Switching Period UA ... U-phase arm VA ... V-phase arm WA ... W-phase arm UH, UL, VH, VL, WH, WL ... Drive signal
Claims (7)
前記DC/DCコンバータの出力電圧値を目標値に制御するための駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と、
を有するDC/DCコンバータ装置であって、
前記制御装置は、
前記駆動信号の生成に用いるデューティを算出するデューティ算出処理を実施するデューティ算出機能と、
前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス周波数変調(PFM)により生成するPFM駆動信号生成処理を実施するPFM駆動信号生成機能と、
を有し、
前記デューティ算出処理は、あるスイッチング周期のn倍の時間の周期(nは2以上の整数)で繰り返され、
さらに、前記デューティ算出処理は、スイッチング周期が長くなると、前記あるスイッチング周期のn−1倍以下の時間の周期で繰り返される
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 A multiphase DC / DC converter connected between the first power device and the second power device and comprising a plurality of switching elements;
A control device for controlling switching operations of the plurality of switching elements using a drive signal for controlling an output voltage value of the DC / DC converter to a target value ;
A DC / DC converter device comprising:
The controller is
A duty calculation function for performing a duty calculation process for calculating a duty used to generate the drive signal;
A PFM drive signal generation function for performing a PFM drive signal generation process for generating the drive signal by pulse frequency modulation (PFM) based on the duty;
Have
The duty calculation process is repeated in a period of time n times a certain switching period (n is an integer of 2 or more),
Furthermore, the duty calculation process, when the switching period is long, the certain switching cycle DC / DC converter apparatus characterized by repeated with a period of n-1 time or less time.
前記制御装置は、
前記PFM駆動信号生成機能に加え、前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス幅変調(PWM)により生成するPWM駆動信号生成処理を実施するPWM駆動信号生成機能を有し、
前記デューティ算出処理で算出されたデューティが、各スイッチング素子をオンさせるのに必要な最小オン時間を確保できるときは前記PWM駆動信号生成処理を用い、前記最小オン時間を確保できないときは前記PFM駆動信号生成処理を用いる
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 The DC / DC converter device according to claim 1, wherein
The controller is
In addition to the PFM drive signal generation function , a PWM drive signal generation function for performing PWM drive signal generation processing for generating the drive signal by pulse width modulation (PWM) based on the duty,
The PWM drive signal generation process is used when the duty calculated in the duty calculation process can secure the minimum on-time necessary to turn on each switching element, and the PFM drive when the minimum on-time cannot be secured. A DC / DC converter device using signal generation processing.
前記制御装置は、
あるデューティ算出処理の開始から次のデューティ算出処理の開始までの時間であるデューティ算出処理周期の最大値を記憶した記憶部を備え、
前記PFM駆動信号生成処理を用いるとき、算出されたデューティに対応するスイッチング周期と、前記デューティ算出処理周期の最大値とを比較し、その比較結果に基づいて各デューティ算出処理に対応させるスイッチング周期の数を決定する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 The DC / DC converter device according to claim 1 or 2,
The controller is
A storage unit that stores a maximum value of a duty calculation process period that is a time from the start of a certain duty calculation process to the start of the next duty calculation process;
When the PFM drive signal generation process is used, the switching period corresponding to the calculated duty is compared with the maximum value of the duty calculation process period, and the switching period corresponding to each duty calculation process is based on the comparison result. A DC / DC converter device characterized by determining a number.
前記PWM駆動信号生成処理を実施しているときは、複数のスイッチング周期について前記デューティをまとめて算出し、When performing the PWM drive signal generation processing, the duty is collectively calculated for a plurality of switching periods,
前記PFM駆動信号生成処理を実施しているときは、前記PWM駆動信号生成処理を実施しているときよりも少ないスイッチング周期について前記デューティを算出するWhen the PFM drive signal generation process is performed, the duty is calculated for a switching cycle that is smaller than when the PWM drive signal generation process is performed.
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。A DC / DC converter device characterized by that.
前記第1電力装置は蓄電装置であり、前記第2電力装置は燃料電池であり、
前記制御装置は、前記DC/DCコンバータを制御することで、前記燃料電池から引き出される電力を制御する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 In the DC / DC converter device according to any one of claims 1 to 4 ,
The first power device is a power storage device, and the second power device is a fuel cell;
The control device controls the electric power drawn from the fuel cell by controlling the DC / DC converter. The DC / DC converter device, wherein:
前記駆動信号の生成に用いるデューティを算出するデューティ算出工程と、
前記デューティに基づいて前記駆動信号をパルス周波数変調(PFM)により生成し、前記駆動信号を用いて前記複数のスイッチング素子をスイッチングさせるPFMスイッチング工程と、
を備え、
前記デューティ算出工程は、あるスイッチング周期のn倍の時間の周期(nは2以上の整数)で繰り返され、
さらに、前記デューティ算出工程は、スイッチング周期を長くすると、前記あるスイッチング周期のn−1倍以下の時間の周期で繰り返される
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置の制御方法。 A multiphase DC / DC converter having a plurality of switching elements connected between the first power device and the second power device, and a drive for controlling the output voltage value of the DC / DC converter to a target value A control device for controlling switching operations of the plurality of switching elements using a signal, and a control method for a DC / DC converter device comprising:
A duty calculating step for calculating a duty used for generating the drive signal;
A PFM switching step of generating the drive signal by pulse frequency modulation (PFM) based on the duty and switching the plurality of switching elements using the drive signal;
With
The duty calculation step is repeated with a period of time n times a certain switching period (n is an integer of 2 or more),
Furthermore, the duty calculation process, increasing the switching period, the control method of the DC / DC converter apparatus characterized by repeated with a period of n-1 time or less time the certain switching period.
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