JP6024467B2

JP6024467B2 - コンバータ制御装置

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Publication number: JP6024467B2
Application number: JP2013005891A
Authority: JP
Inventors: 隼史山川; 賢樹岡村; 高松　直義; 直義高松
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-01-17
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2033-01-17
Also published as: JP2014138486A

Description

本発明は、コンバータ制御装置に係り、特に、上アームと下アームとリアクトルを含むコンバータについて、上アームデューティ比を予め定めた制御周期ごとに制御するコンバータ制御装置に関する。

電池の出力を適当な電圧に調整して出力するためにコンバータ装置が用いられる。例えば、特許文献１には、電池と出力コンデンサとの間に設けられ、上アームと下アームとリアクトルを含む昇圧コンバータの制御において、コンバータ電流を低減するために上アーム素子のデューティ比を小さくして行くと出力コンデンサから電池への降圧が不足するので、上アームのデューティ比を電池の直流電圧に応じて決定し、出力コンデンサから電池に電流を返すための必要最小限の上アームディーティ比を確保することが開示されている。

特許文献２には、特許文献１と同様の車両用昇圧コンバータにおいて、車輪のスリップ時のように急激な負荷変動の際にコンバータ電流が流れ過ぎないように、予め設定した電流閾値を超えるときに、あらたに上アームデューティ比を算出し直すことが述べられている。

特開２０１１−２５９５５５号公報特開２００９−１４２０５４号公報

特許文献１には、コンバータの出力コンデンサから電池へ電流を返すために必要最小限の上アームデューティ比があることが述べられている。逆に、電池から出力コンデンサに電流を取り出すときも、上アームデューティ比の制限がある。すなわち、上アームのデューティ比を下げるほど電池から取り出せる電力は増加するが、電池抵抗のために上アームデューティ比を下げ過ぎると逆に電池から取り出せる電流が減少することから、上アームデューティ比の下限が制限される。

このように、上アームデューティ比の下限に制限があるので、コンバータの駆動制御の制御周期が高速になってくると、制御周期の中でこの下限制限を受けて電池電力を最大限利用できないことが生じ得る。

本発明の目的は、電池電力を最大限利用することを可能とするコンバータ制御装置を提供することである。

本発明に係るコンバータ制御装置は、電池と出力コンデンサとの間に設けられ、上アームと下アームとリアクトルを含むコンバータについて、上アームデューティ比を予め定めた制御周期ごとに制御するコンバータ制御装置であって、上アームデューティ比の制御は、三角波信号を上アームデューティ比設定信号が超えることになる時間を上アームオン時間として、予め定めた制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号と三角波信号とを用いて行い、電池の許容出力電力に基づいて上アームデューティ比の下限制限値を設定し、三角波信号の１周期を上アームデューティ比に関する１制御周期とし、各１制御周期を前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期に分けたときに、前半サブ制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号と、後半サブ制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号とを異ならせて、前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期の一方のサブ制御周期の上アームデューティ比については上アームデューティ比の下限制限値の制限を設けず、他方のサブ制御周期の上アームデューティ比については一方のサブ制御周期における上アームデューティ比と合わせたときに１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値以上となるように制限を設けて、各サブ制御周期における上アームデューティ比を設定することを特徴とする。

また、本発明に係るコンバータ制御装置において、上アームと下アームが同時にオンとならないようにデッドタイムを設ける場合に、一方のサブ制御周期の上アームデューティ比についてはデッドタイムに対応する上アームデューティ比の変更を行わず、他方のサブ制御周期の上アームデューティ比についてはデッドタイムに対応する上アームデューティ比の変更を行い、一方のサブ制御周期における上アームデューティ比と合わせたときに１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値以上となるように、各サブ制御周期における上アームデューティ比を設定することが好ましい。

コンバータの制御周期を２つのサブ制御周期に分けて制御を行うことで、制御が高速化し、コンバータの負荷の変動に対する応答性が向上する。一方で、各サブ制御周期において上アームデューティ比の下限制限値の制限を行うと、１制御周期全体では上アームデューティ比の下限制限を守れるにも関わらず、サブ制御周期において電池電力を最大限利用できないことが生じ得る。

上記構成では、一方のサブ制御周期で上アームデューティ比の下限制限値の制限を設けずに、他方のサブ制御周期において、１制御周期における上アームデューティ比の下限制御下限値を守るように上アームデューティ比を設定する。これによって、コンバータとして、電池電力を最大限利用することができる。

また、コンバータにおける貫通電流を防ぐためにデッドタイムを設ける場合でも、同様に、一方のサブ制御周期で上アームデューティ比の下限制限値の制限を設けずに、他方のサブ制御周期において、デッドタイムに対応する変更を入れながら１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値を守るように上アームデューティ比を設定する。これによって、コンバータとしてデッドタイムを設定しても、電池電力を最大限利用することができる。

本発明の実施の形態のコンバータ制御装置を含む回転電機駆動制御システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態のコンバータ制御装置によって制御されるコンバータにおいてリアクトルに電磁エネルギを蓄積する動作を示す図である。図２の後に、出力コンデンサに放電する動作を示す図である。図３とは逆に、出力コンデンサから電池に充電を行う動作を示す図である。本発明の実施の形態のコンバータ制御装置において、１制御周期において１つの上アームデューティ比を用いて、デューティ比の下限制限の制限値を守る例を示す参考図である。本発明の実施の形態のコンバータ制御装置において、２つのサブ制御周期においてそれぞれ異なる上アームデューティ比を用いながら、１制御周期のデューティ比を図５と同じとする例を示す図である。図６について、上アームデューティ比の下限制限の制限値を守る場合を示す図である。本発明の実施の形態のコンバータ制御装置において、２つのサブ制御周期においてそれぞれ異なる上アームデューティ比を用いながら、１制御周期のデューティ比を図５と同じとし、かつ１制御周期の全体として上アームデューティ比の下限制限の制限値を守る場合を示す図である。図８について、一般的な例を示す図である。本発明の実施の形態のコンバータ制御手順を示すフローチャートである。図１０において、デッドタイムに対応する変更を行う手順を示すフローチャートである。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、コンバータ制御装置を備えるものとして、回転電機駆動制御システムを述べるが、これは、コンバータの負荷の説明の一例として、インバータ回路とこれに接続される回転電機を取り上げたもので、これ以外の負荷であってもよい。

以下で述べるデューティ比、その下限制限の制限値等は、説明のための例示であって、コンバータ制御の内容に応じて適宜変更が可能である。

以下では、全ての図面において一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るコンバータ制御装置４０を含み、車両に搭載される回転電機の駆動制御を行う回転電機駆動制御システム１０の構成図である。回転電機駆動制御システム１０は、電池１２と、負荷１４と、コンバータ２０と、出力コンデンサ３６と、コンバータ制御装置４０を含んで構成される。

電池１２は、充放電可能な蓄電装置である。かかる電池１２としては、リチウムイオン組電池、水素ニッケル組電池等を用いることができる。

負荷１４は、コンバータ２０から電力供給を受けて駆動される電気機器で、ここでは、インバータ回路１６とインバータ回路１６に接続される回転電機１８が用いられる。

出力コンデンサ３６は、負荷１４とコンバータ２０との間に設けられ、コンバータ２０を介して電池１２の電力が充電され、逆に、その蓄電された電力についてコンバータ２０を介して電池１２に戻す機能を有するキャパシタである。出力コンデンサ３６をコンバータ２０の一構成要素としてもよい。

コンバータ２０は、電池１２と出力コンデンサ３６との間に設けられ、リアクトル２２と上アーム２４と下アーム３０を含み、電池１２の電圧を昇圧して出力コンデンサ３６に供給し、逆に出力コンデンサ３６に蓄電された電力を降圧して電池１２に戻す回路である。かかるコンバータ２０は、電池１２の電圧を負荷１４に適した電圧に昇圧する機能に着目して、昇圧コンバータと呼ばれることがある。

リアクトル２２は、電池１２の直流電力を電磁エネルギとして一時的に蓄えるコイルである。リアクトル２２の一方側端子は電池１２の正極側電極に接続され、他方側端子は、上アーム２４と下アーム３０の接続点Ｓに接続される。

上アーム２４と下アーム３０は、接続点Ｓで互いに直列に接続されて、出力コンデンサ３６の正極側端子と負極側端子の間に配置される回路素子である。上アーム２４は、上アームトランジスタ２６と上アームダイオード２８が並列接続されて構成され、下アーム３０は、下アームトランジスタ３２と下アームダイオード３４が並列接続されて構成される。

上アームトランジスタ２６と下アームトランジスタ３２は、電力スイッチング素子で、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が用いられる。上アームダイオード２８は、カソードが上アームトランジスタ２６のコレクタに接続され、アノードが上アームトランジスタ２６のエミッタに接続される逆接続ダイオードとして用いられる。同様に、下アームダイオード３４も下アームトランジスタ３２に対する逆接続ダイオードとして用いられる。

コンバータ制御装置４０は、コンバータ２０の動作を制御する制御装置で、ここでは特に、上アーム２４のデューティ比を予め定めた制御周期ごとに制御し、電池１２の電力を最大限利用できるようにする機能を有する。かかるコンバータ制御装置４０は、車両搭載に適したコンピュータで構成することができる。

ここで、上アーム２４のデューティ比とは、１周期における上アームトランジスタ２６のオン時間とオフ時間について、[オン時間／（オン時間＋オフ時間）]×１００％である。なお、下アーム３０のデューティ比は、１周期における下アームトランジスタ３２のオン時間とオフ時間について、[オン時間／（オン時間＋オフ時間）]×１００％である。なお、以下では、図面等において適宜、デューティをｄｕｔｙとして示す。

コンバータ制御装置４０は、電池１２の許容出力電力に基づいて設定される上アームデューティ比の下限制限値を取得するデューティ下限取得部４２と、各制御周期を前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期に分けたときに、各制御周期の２つのサブ制御周期のそれぞれについてデューティ比を適切に設定するサブ制御周期デューティ設定部４４と、上アーム２４と下アーム３０が同時にオンとならないようにデッドタイムを設ける場合にデッドタイムに応じてサブ制御周期デューティを変更して適切に設定するデッドタイム分デューティ変更部４６を含んで構成される。

かかる機能は、コンバータ制御装置４０がソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、コンバータ制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。

上記構成において、上アーム２４のデューティ比に下限の制限が設けられることについて、図２から図４を用いて説明する。図２から図４は、コンバータ２０の動作を説明する図である。図２は、電池１２の電力をリアクトル２２に蓄積するときの動作を示し、図３は、リアクトル２２に蓄積されたエネルギを出力コンデンサ３６に供給する昇圧動作を示し、図４は、出力コンデンサ３６から電池１２に電流を戻す降圧動作を示す。

図２は、電池１２の電力をリアクトル２２に蓄積するときの各要素の状態を示す図で、上アームトランジスタ２６のゲート電圧Ｖ_UAがオフ電圧、下アームトランジスタ３２のゲート電圧Ｖ_LAがオン電圧に設定される。これによって、電池１２の正極側から、リアクトル２２と下アームトランジスタ３２を通り、電池１２の負極側に電流Ｉ₁が流れ、その電流Ｉ₁とリアクトル２２のインダクタンスＬによって（ＬＩ₁ ²／２）の電磁エネルギがリアクトル２２に蓄積される。

図３は、図２の上アームトランジスタ２６はオフのままの状態から下アームトランジスタ３２のゲート電圧Ｖ_LAがオフ電圧になったときの各要素の状態を示す図である。図２ではリアクトル２２に電流Ｉ₁が流れていた状態から下アームトランジスタ３２がオフされることで、リアクトル２２には逆起電力が生じる。そこで、上アームトランジスタ２６と下アームトランジスタ３２とリアクトル２２が相互に接続される接続点Ｓの電圧Ｖ_Sは、Ｖ_S＝（電池電圧Ｖ_B＋逆起電圧Ｖ_R）となる。

ここで、出力コンデンサ３６の両端子間電圧をＶ_Cとすると、Ｖ_S＞Ｖ_Cのとき、上アームダイオード２８を通して、リアクトル２２に蓄積されたエネルギが電流Ｉ₂となって、出力コンデンサ３６に流れ込む。電流Ｉ₂は、Ｖ_LAがオフ電圧のままだと、出力コンデンサ３６の電圧Ｖ_Cが上昇してＶ_Sと同じになるまで流れる。Ｖ_LAがオン電圧になるとそこで電流Ｉ₂の流れ込みは止まる。このようにして、上アームトランジスタ２６がオフのときに、出力コンデンサ３６へ電池１２から電力が供給される昇圧動作が行われ、上アームトランジスタ２６のオフ時間を制御することで出力コンデンサ３６が昇圧する程度を制御できる。

出力コンデンサ３６の電圧Ｖ_Cが接続点Ｓの電圧Ｖ_Sよりも高いときは、上アームトランジスタ２６がオフであると、逆接続されている上アームダイオード２８に阻止されて、出力コンデンサ３６と電池１２の間に電流が流れない。

図４は、出力コンデンサ３６の電圧Ｖ_Cが接続点Ｓの電圧Ｖ_Sよりも高いときに、図３における下アームトランジスタ３２がオフのままとして、その状態から上アームトランジスタ２６のゲート電圧Ｖ_UAがオン電圧になったときの各要素の状態を示す図である。このときは、上アームトランジスタ２６を介して、出力コンデンサ３６から接続点Ｓを通り、電池１２に向かって電流Ｉ₃が流れる。電流Ｉ₃は、Ｖ_UAがオン電圧のままだと、出力コンデンサ３６の電圧Ｖ_Cが下降してＶ_Sと同じになるまで流れる。Ｖ_UAがオフ電圧になると、電流Ｉ₃が止まる。このようにして、上アームトランジスタ２６がオンのときに、出力コンデンサ３６から電池１２へ電流が戻される降圧動作が行われ、下アームトランジスタ３２のオン時間を制御することで出力コンデンサ３６が降圧する程度を制御できる。

このように、上アームトランジスタ２６がオンするときは出力コンデンサ３６から電池１２の側に電流Ｉ₃が流れ、上アームトランジスタ２６がオフのときに電池１２から出力コンデンサ３６へ電流が引き出される。したがって、上アーム２４のデューティ比を小さくして、上アームトランジスタ２６がオフの期間を多くすることが、電池１２からより多くの電流を引き出せ、電池電力を最大限利用できることになる。

このように、上アーム２４のデューティ比である上アームデューティ比を下げるほど電池１２から取り出せる電力は増加するが、上アームデューティ比を下げ過ぎると電池抵抗のために電池１２における消費電力が大きくなるため、逆に電池１２から取り出せる電流が減少する。このことから、上アームデューティ比の下限が制限される。

次に、コンバータ２０のデューティ制御を高速化することで、上アームデューティ比の下限制限の制限値が課題となることについて、図５から図９を用いて説明する。図５から図９は、いずれも（ａ）と（ｂ）の２つの波形図から構成されている。

各図の（ａ）は、横軸が時間で、縦軸が電圧で、上アームデューティ比を決定するための搬送波波形としての三角波信号５０と、上アームデューティ比の下限制限値を示す制限ライン５２と、上アームデューティ比設定信号が示される。三角波信号５０の１周期が１制御周期である。上アームデューティ比設定信号は、図５から図９においてそれぞれ異なっている。これらにおいて、制限ライン５２は、上アームデューティ比の下限制限の制限値＝４０％である。この値は、説明のための例示であって、これ以外の値であってもよい。

各図の（ｂ）は、横軸は時間で、（ａ）と時間原点を一致させてある。縦軸は電圧で、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号が示される。上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号は、図５から図８の各図の間で同じ場合も異なっている場合もある。上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号がオン状態の時間と１制御周期の時間の比が上アームデューティ比で、各図に％の値でそれぞれ示されている。

図５は、１制御周期に渡って上アームデューティ比設定信号５４が一定の場合である。ここでは、上アームデューティ比が４５％に設定されている。これも説明のための例示であって、これ以外の値であっても構わない。上アームデューティ比が４５％に設定されることに対応し、図５（ａ）において、上アームデューティ比設定信号５４の信号レベルが、三角波信号５０の下限を基準としてその振幅の４５％に当たる高さに設定される。上アームデューティ比設定信号５４＞三角波信号５０となる時間は、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号がオン状態となる時間である。したがって、図５（ｂ）において、上アームデューティ比設定信号５４＞三角波信号５０となる時間に対応して、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７０がハイレベルとなり、その期間がオン状態となることが示される。オン状態の時間と１制御周期の時間の比である上アームデューティ比は４５％となる。

図６から図９は、コンバータ２０の制御を高速化するために、１制御周期を２つのサブ制御周期に分け、それぞれについて上アームデューティ比設定信号を異ならせた場合を示す図である。このように、１制御周期を複数のサブ制御周期に細分化して、それぞれのサブ制御周期毎に異なる制御を行うことで、負荷１４の変動等に対するコンバータ２０の応答性を改善することができる。図６から図９においては、三角波信号５０の山から谷の期間を前半サブ制御周期、谷から山の期間を後半サブ制御周期とした。

図６は、前半サブ制御周期における上アームデューティ比を３０％、後半サブ制御周期における上アームデューティ比を６０％とする場合を示す図である。このときでも、１制御周期に渡っての上アームデューティ比は[（３０％＋６０％）／２]＝４５％で、図５と同じである。

図６（ａ）では、３０％である前半サブ制御周期における上アームデューティ比に対応して、前半デューティ比設定信号５６が示され、６０％である後半サブ制御周期における上アームデューティ比に対応して、後半デューティ比設定信号５８が示されている。ここで、前半デューティ比設定信号５６は制限ライン５２を下回っているが、後半デューティ比設定信号５８は制限ライン５２を上回っている。なお、１制御周期に渡っての上アームデューティ比＝４５％を示す１制御周期デューティ比ライン６０も示されている。１制御周期デューティ比ライン６０は、４０％の制限ライン５２よりも上に位置し、前半デューティ比設定信号５６は制限ライン５２を下回っているが、１制御周期の全体に渡っては制限ライン５２を上回っていることが示される。

前半デューティ比設定信号５６＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間が、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号がオン状態となる時間である。したがって、図６（ｂ）において、前半デューティ比設定信号５６＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間に対応して、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７２がハイレベルとなり、その期間がオン状態となることが示される。オン状態の時間と１制御周期の時間の比である上アームデューティ比は４５％となる。

ここでは、制限ライン５２が設定されていることを全く考慮していない。したがって、上アームデューティ比は、図５の場合と同じ４５％となるが、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７２がハイレベルとなる期間が図５の場合よりも後半制御周期側にずれる。これは、図５においては上アームデューティ比設定信号５４が１制御周期について設定されているのに対し、図６では上アームデューティ比設定信号を前半制御周期と後半制御周期とで異なるものとしたためである。このように、１制御周期を２つに分けてそれぞれについて上アームデューティ比設定信号を異なる設定にすることで上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７２がハイレベルとなる期間を時間上で任意にずらすことができる。これによって、例えば、出力コンデンサ３６から電池１２に戻す電流量を変えずに電流が流れるタイミングを変えること等ができる。

図７は、図６と同じ前半デューティ比設定信号５６と後半デューティ比設定信号５８を用いるが、そのそれぞれに対し、制限ライン５２を考慮した制御を行う場合を示す図である。ここでは、前半デューティ比設定信号５６が制限ライン５２を超えているので、これを強制的に制限ライン５２まで引き上げられる。図７（ａ）には、このように強制的に引き上げられた補正設定信号６２が示されている。後半デューティ比設定信号５８は制限ライン５２を超えているのでそのままである。

補正設定信号６２＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間が、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号がオン状態となる時間である。したがって、図７（ｂ）において、補正設定信号６２＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間に対応して、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７６がハイレベルとなり、その期間がオン状態となることが示される。オン状態の時間と１制御周期の時間の比である上アームデューティ比は５０％となる。

このように、１制御周期を前半サブ制御周期と後半サブ制御周期に分けて制御を実行することで、コンバータ２０における応答性が向上するが、それぞれに上アームデューティ比の下限制限の制限値を適用すると、1制御周期に渡る上アームデューティ比が大きくなる。これによって、電池１２から引き出せる電流が少なくなり、電池電力を最大限に利用できないことになる。

図８は、図７で示された課題である応答性の向上と電池電力の最大限利用の両立を図るために、前半サブ制御周期においては制限ライン５２による制限を設けず、後半サブ制御周期において、新しい制限ラインを設定する方法を示す図である。ここでは、後半サブ制御周期において設定される新しい制限ライン６４が示されている。

新しい制限ライン６４は、後半サブ制御周期の上アームデューティ比について、前半サブ制御周期における上アームデューティ比と後半サブ制御周期の上アームデューティ比と合わせたときに、１制御周期における上アームデューティ比の下限制限の制限値以上となるように設定される。

新しい制限ライン６４の上アームデューティ比の下限制限の制限値は、一般式で以下のように示すことができる。１制御周期における上アームデューティ比の下限制限の制限値をＡ（％）とし、前半サブ制御周期において任意に設定された上アームデューティ比をＢ（％）とすると、新しい制限ライン６４の上アームデューティ比の下限制限の制限値Ｘ（％）は、Ｘ＝（２Ａ−Ｂ）である。後半サブ制御周期における上アームデューティ比Ｃ（％）は、Ｃ≧Ｘ＝（２Ａ＋Ｂ）として設定される。

図８の例では、１制御周期における上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａは４０％である。前半サブ制御周期における上アームデューティ比Ｂは３０％であるので、Ｘ＝（２Ａ−Ｂ）＝｛（２×４０％）−３０％｝＝８０％−３０％＝５０％が新しい制限ライン６４の上アームデューティ比Ｘである。後半サブ制御周期における上アームデューティ比Ｃは６０％であるので、元々の制限ライン５２の４０％よりは余裕が少なくなっているが、新しい制限ライン６４の５０％にはまだ１０％の余裕があり、Ｃ≧Ｘを守っている。

前半デューティ比設定信号５６＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間が、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号がオン状態となる時間である。したがって、図８（ｂ）において、前半デューティ比設定信号５６＞三角波信号５０となる時間と、後半デューティ比設定信号５８＞三角波信号５０となる時間を合わせた期間に対応して、上アームトランジスタ２６のゲート電圧信号７２がハイレベルとなり、その期間がオン状態となることが示される。オン状態の時間と１制御周期の時間の比である上アームデューティ比は４５％となる。

この結果は、図６と同じであるが、図６では、制限ライン５２を全く考慮していないが、図８では、後半サブ制御周期において、新しい制限ライン６４を守っている点が相違する。また、制限ライン５２を守った図７に比較すると、１制御周期における上アームデューティ比が４５％で、図７の５０％に対し、電池電力をより有効に利用していることになる。

図９は、この一般式Ｘ＝（２Ａ−Ｂ）（％）と、Ｃ≧Ｘ＝（２Ａ−Ｂ）の意義を説明する図である。図９（ａ）は、図５から図８の（ａ）を一般化し、１制御周期における上アームデューティ比の下限制限の制限値をＡ（％）、１制御周期の山から谷のサブ制御周期における上アームデューティ比をＢ（％）、１制御周期の谷から山のサブ制御周期における上アームデューティ比をＣ（％）として示す図である。図９（ａ）では、前半サブ制御周期が山から谷、後半サブ制御周期が谷から山としたが、これを逆にして、前半サブ制御周期が谷から山、後半サブ制御周期が山から谷としてもよい。その場合には、後半サブ制御周期における上アームデューティ比がＢ（％）、前半サブ制御周期における上アームデューティ比がＣ（％）となる。

図９（ｂ）は、１制御周期で守るべき条件が（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａであるときに、サブ制御周期で設定される上アームデューティ比の選択できる可能性を並べた図である。

Ｃａｓｅ１は、２つのサブ制御周期における上アームデューティ比が共に下限制限の制限値以下とする場合である。すなわち、Ｂ≦Ａで、かつＣ≦Ａである。このときは、（Ｂ＋Ｃ）≦２Ａとなって、守るべき条件（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａを満たせない。このことから、２つのサブ制御周期における上アームデューティ比が共に下限制限の制限値以下とはできないことが分かる。

Ｃａｓｅ２は、山から谷のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｂのみを下限制限の制限値以下とする場合である。すなわち、Ｂ≦Ａである。このとき、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ）とすれば、（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａとすることができる。例えば、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ）をＣ＝（２Ａ−Ｂ）＋Δとして示すものとすると、このとき、（Ｂ＋Ｃ）＝２Ａ＋Δとなって、（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａを満たすことになる。

Ａ＝４０％、Ｂ＝３０％、Ｃ＝（２Ａ−Ｂ）＋Δ＝６０％＝（２×４０％−３０％）＋Δ＝５０％＋Δとして、Δ＝１０％となる例が、図８である。このように、山から谷のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｂのみを下限制限の制限値以下とし、谷から山のサブ制御周期における上アームデューティ比ＣをＣ≧（２Ａ−Ｂ）の条件の下で設定すれば、守るべき条件（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａを必ず満たす。

Ｃａｓｅ３は、谷から山のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃのみを下限制限の制限値以下とする場合である。すなわち、Ｃ≦Ａである。このとき、Ｂ≧（２Ａ−Ｃ）とすれば、（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａとすることができる。例えば、Ｂ≧（２Ａ−Ｃ）をＢ＝（２Ａ−Ｃ）＋Δとして示すものとすると、このとき、（Ｂ＋Ｃ）＝２Ａ＋Δとなって、（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａを満たすことになる。このように、谷から山のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃのみを下限制限の制限値以下とし、山から谷のサブ制御周期における上アームデューティ比ＢをＢ≧（２Ａ−Ｃ）の条件の下で設定すれば、守るべき条件（Ｂ＋Ｃ）≧２Ａを必ず満たす。

Ｃａｓｅ２とＣａｓｅ３に示されるように、電池１２の許容出力電力に基づいて上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａを設定し、各制御周期を前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期に分けたときに、各制御周期の２つのサブ制御周期の一方のサブ制御周期の上アームデューティ比については上アームデューティ比の下限制限値の制限を設けず、他方のサブ制御周期の上アームデューティ比については一方のサブ制御周期における上アームデューティ比と合わせたときに１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値Ａ以上となるように制限を設けて、各サブ制御周期における上アームデューティ比を設定すればよいことが分かる。

図１０は、上記構成に基づいて、上アームデューティ比を設定する手順を示すフローチャートである。最初に、上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａを取得する（Ｓ１０）。この処理は、コンバータ制御装置４０のデューティ下限取得部４２の機能によって実行される。上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａは、電池１２の電池容量、電池抵抗等から求められる許容出力電力に基づいて設定することができる。

次に、１制御周期を２つのサブ制御周期に分けたときに、一方側のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｂの設定であるか否かが判断される（Ｓ１２）。ここで、一方側のサブ制御周期は山から谷へのサブ制御周期であり、上アームデューティ比Ｂは、山から谷へのサブ制御周期についての上アームデューティ比である。

Ｓ１２の判断が肯定されると、上アームデューティ比Ｂは、上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａの制限を受けず、任意のデューティ比がそのまま設定される（Ｓ１４）。Ｓ１２の判断が否定されるときは、他方側のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃの設定であるので、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ）の制限の下で、上アームデューティ比Ｃの設定が行われる（Ｓ１６）。Ｓ１４とＳ１６の処理は、コンバータ制御装置４０のサブ制御周期デューティ設定部４４の機能によって実行される。これにより、１制御周期に渡っての上アームデューティ比が、上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａ以上という条件を守ることができる。

上記では、上アームデューティ比の設定の際に、上アーム２４と下アーム３０が同時にオンとならないようにするために設定するデッドタイムを考慮していない。図１１は、図１０の手順で設定されるデューティ比Ｃについて、デッドタイムに対応する変更を行う手順を示すフローチャートである。

図１１において、Ｓ１０，Ｓ１２，Ｓ１４は、図１０で説明した内容と同じである。すなわち、上アームデューティ比Ｂは、上アームデューティ比の下限制限の制限値Ａの制限を受けず、任意のデューティ比がそのまま設定される。

Ｓ１２の判断が否定されるときは、他方側のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃの設定であるが、ここでは、負荷１４がコンバータ２０側から電力供給を受ける状態か、負荷１４がコンバータ２０側へ電力を供給する状態かが判断される。例えば、負荷１４に回転電機１８が含まれる場合には、回転電機１８がコンバータ２０の側から電力供給を受ける状態のことを回転電機１８の力行状態、回転電機１８がコンバータ２０側へ電力を供給する状態のことを回転電機１８の回生状態と呼ぶ。そこで、負荷１４がコンバータ２０側から電力供給を受ける状態を力行状態、負荷１４がコンバータ２０側へ電力を供給する状態を回生状態と呼ぶことにすると、Ｓ１２の判断が否定されると、力行状態か回生状態かが判断される（Ｓ２０）。

Ｓ２０で、コンバータ２０が力行状態であると判断されると、力行において設定されるデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Mが取得される（Ｓ２２）。力行状態は負荷１４がコンバータ２０側から電力供給を受ける状態であるので、図３の上アームトランジスタ２６がオフのときに相当する。そこで、力行状態においてデッドタイムを設ける場合は、上アームデューティ比の指令において、オン状態からオフ状態への遷移タイミングを遅らせることになる。その遅らせるタイミングに相当するデューティ比がＤ_Mである。力行状態において設定されるデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Mは、コンバータ２０の仕様等に基づいて予め求めておくことができる。

Ｓ２２でデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Mが取得されると、他方側のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃについて、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ−Ｄ_M）の制限の下で、デューティ比Ｃの設定が行われる（Ｓ２４）。この処理は、コンバータ制御装置４０のデッドタイム分デューティ変更部４６の機能によって実行される。すなわち、図１１におけるＣ≧（２Ａ−Ｂ）がＤ_Mの分だけ減算されて変更される。Ｄ_Mが減算されるのは、上アームデューティ比の指令において、オン状態からオフ状態への遷移タイミングが遅れ、実質的に（Ｂ＋Ｃ）が長くなるためである。すなわち、長くなった（Ｂ＋Ｃ＋Ｄ_M）を（Ｂ＋Ｃ）の代わりに用いると、（Ｂ＋Ｃ＋Ｄ_M）≧２Ａが守るべき条件となり、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ−Ｄ_M）となるためである。

Ｓ２０で、コンバータ２０が回生状態であると判断されると、回生において設定されるデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Rが取得される（Ｓ２６）。回生状態は、負荷１４からコンバータ２０側に電力を供給する状態であるので、図４の上アームトランジスタ２６がオンのときに相当する。そこで、回生状態においてデッドタイムを設ける場合は、上アームデューティ比の指令において、オフ状態からオン状態への遷移タイミングを遅らせることになる。その遅らせるタイミングに相当するデューティ比がＤ_Rである。回生状態において設定されるデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Rは、コンバータ２０の仕様等に基づいて予め求めておくことができる。

Ｓ２６でデッドタイムに相当するデューティ比Ｄ_Rが取得されると、他方側のサブ制御周期における上アームデューティ比Ｃについて、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ＋Ｄ_R）の制限の下で、デューティ比Ｃの設定が行われる（Ｓ２８）。この処理は、コンバータ制御装置４０のデッドタイム分デューティ変更部４６の機能によって実行される。すなわち、図１１におけるＣ≧（２Ａ−Ｂ）がＤ_Rの分だけ加算されて変更される。Ｄ_Rが加算されるのは、上アームデューティ比の指令において、オフ状態からオン状態への遷移タイミングが遅れ、実質的に（Ｂ＋Ｃ）が短くなるためである。すなわち、短くなった（Ｂ＋Ｃ−Ｄ_R）を（Ｂ＋Ｃ）の代わりに用いると、（Ｂ＋Ｃ−Ｄ_R）≧２Ａが守るべき条件となり、Ｃ≧（２Ａ−Ｂ＋Ｄ_R）となるためである。

このようにして、デットタイムを考慮して、コンバータ２０の応答性を確保しながら、電池電力を最大限利用することができる。

１０回転電機駆動制御システム、１２電池、１４負荷、１６インバータ回路、１８回転電機、２０コンバータ、２２リアクトル、２４上アーム、２６上アームトランジスタ、２８上アームダイオード、３０下アーム、３２下アームトランジスタ、３４下アームダイオード、３６出力コンデンサ、４０コンバータ制御装置、４２デューティ下限取得部、４４サブ制御周期デューティ設定部、４６デッドタイム分デューティ変更部、５０三角波信号、５２，６４制限ライン、５４上アームデューティ比設定信号、５６前半デューティ比設定信号、５８後半デューティ比設定信号、６０１制御周期デューティ比ライン、６２補正設定信号、７０，７２，７６ゲート電圧信号。

Claims

電池と出力コンデンサとの間に設けられ、上アームと下アームとリアクトルを含むコンバータについて、上アームデューティ比を予め定めた制御周期ごとに制御するコンバータ制御装置であって、
上アームデューティ比の制御は、三角波信号を上アームデューティ比設定信号が超えることになる時間を上アームオン時間として、予め定めた制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号と三角波信号とを用いて行い、
電池の許容出力電力に基づいて上アームデューティ比の下限制限値を設定し、三角波信号の１周期を上アームデューティ比に関する１制御周期とし、各１制御周期を前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期に分けたときに、前半サブ制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号と、後半サブ制御周期に渡って一定の上アームデューティ比設定信号とを異ならせて、前半サブ制御周期と後半サブ制御周期の２つのサブ制御周期の一方のサブ制御周期の上アームデューティ比については上アームデューティ比の下限制限値の制限を設けず、他方のサブ制御周期の上アームデューティ比については一方のサブ制御周期における上アームデューティ比と合わせたときに１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値以上となるように制限を設けて、各サブ制御周期における上アームデューティ比を設定することを特徴とするコンバータ制御装置。
請求項１に記載のコンバータ制御装置において、
上アームと下アームが同時にオンとならないようにデッドタイムを設ける場合に、
一方のサブ制御周期の上アームデューティ比についてはデッドタイムに対応する上アームデューティ比の変更を行わず、他方のサブ制御周期の上アームデューティ比についてはデッドタイムに対応する上アームデューティ比の変更を行い、一方のサブ制御周期における上アームデューティ比と合わせたときに１制御周期における上アームデューティ比の下限制限値以上となるように、各サブ制御周期における上アームデューティ比を設定することを特徴とするコンバータ制御装置。