JP6103557B1 - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流−直流変換回路と直流−直流変換回路を含む電力変換装置において、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路の制御周期の短縮を図った電力変換装置等を提供する。【解決手段】交流−直流変換回路の制御周期と直流−直流変換回路の制御周期とを異ならせて制御回路の処理周期内に各演算，制御を割り当てることにより、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましい回路に対して制御周期の短縮を十分に図ることができる。【選択図】図１

Description

この発明は、交流入力電圧を直流出力電圧へ変換する変換回路の制御速度向上を図る電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関するものである。

交流電力を入力として高電圧バッテリを充電する電力変換装置は、一般的に交流入力電圧を直流出力電圧に変換する交流−直流変換回路と、この交流−直流変換回路の直流出力電圧を入力とし直流出力電圧に変換する直流−直流変換回路と、の２つの変換回路からなる。２つの変換回路を制御する構成として、マイクロプロセッサ等による１つの制御回路で行なうものがある(例えば特許文献１参照)。

特開２０１５−５０８２７号公報

しかしながら、センサからの電圧、電流等の情報に基づいて演算，制御を実行する周期である「制御周期」は制御回路の処理能力に依存しており、特に２つ以上の変換回路がある場合等で複数の制御を１つの制御回路で制御する構成においては、制御周期の制御回路処理能力に対する依存性が高くなる。したがって制御周期を短くするために処理能力の高いより高価な制御回路を使用しなければならなかったり、制御回路の処理能力の制約により制御周期を短くできなかったり、といった課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであって、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましい変換回路に対して制御周期の短縮を図れる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することを目的とする。

この発明は、第１の制御周期で制御され、交流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第１の変換回路と、前記第１の制御周期より長い第２の制御周期で制御され、直流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第２の変換回路と、前記第１および第２の変換回路の各制御周期の制御処理を処理周期単位で組み合わせて制御する制御部と、を備え、前記制御部において、前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が複数に分割されて前記制御部の処理周期に分配して割り当てられ、前記制御部での前記処理周期が、前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が分割されない場合と比較して短い、電力変換装置等にある。

この発明では、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましい変換回路に対して制御周期の短縮を図れる電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供できる。

この発明の実施の形態１に係わる電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態１に係わる電力変換装置における２つの変換回路の制御周期が同じ場合と異なる場合での各変換回路の制御周期を比較した図である。 この発明の実施の形態２に係わる電力変換装置の構成図である。 この発明の実施の形態２に係わる電力変換装置における１つの制御回路と２つの制御回路とで制御する場合での各制御回路の処理周期内に対する変換回路の処理割合を比較した図である。

この発明では、複数の制御に対して制御周期を異ならせて制御回路の処理内に各演算，制御を割り当てることにより、処理能力の高いより高価な制御部を使用することなく、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましい回路に対して制御周期の短縮を図ることができる。

また、異なる制御周期での制御のうち、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましい回路に対して、例えばＦＰＧＡ(Field-Programmable Gate Array)等のような処理速度の速いハードウェア制御回路で処理し、直流−直流変換回路のように制御対象が直流で時間的にあまり変化がなく、制御周期が交流を制御する回路より早くしなくてよいものに対してはソフトウェアに従って処理を行うマイクロプロセッサで処理することにより、全ての制御を処理能力の高い高価なマイクロプロセッサで構成するより安価な構成で電力変換装置を実現することが可能である。

以下、この発明による電力変換装置および電力変換装置の制御方法を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる電力変換装置の構成図である。図１において、電力変換装置１００は、交流−直流変換回路１０、直流−直流変換回路２０、制御回路１を有しており、交流電源３０、例えばリチウムイオンバッテリ等からなる高電圧バッテリ４０に接続される。
交流電源３０は交流−直流変換回路１０に交流入力電圧を供給する、交流−直流変換回路１０は交流入力電圧を直流出力電圧に変換する。直流−直流変換回路２０は交流−直流変換回路１０からの直流出力電圧を入力して直流出力電圧に変換する。高電圧バッテリ４０は直流−直流変換回路２０からの出力電流により充電される。制御回路１は交流−直流変換回路１０、直流−直流変換回路２０における変換処理の制御を行う。

交流−直流変換回路１０、直流−直流変換回路２０は、所望の入力電流、出力電圧、出力電流となるように各変換回路１０，２０の入出力の電圧値、電流値が制御回路１により演算，制御される。ここで制御回路１にはソフトウェアのプログラムに従って処理を行うマイクロプロセッサを用いられることが考えられる。

なお以下では、制御回路１の処理の単位を「処理周期」、各変換回路１０，２０のそれぞれの制御の単位を「制御周期」とする。

変換回路１０，２０の演算，制御処理は、何も処理しない待機期間も含むその他処理と合わせて制御回路１の処理周期内に割り当てられる。ここで制御回路１の処理周期としてマイクロプロセッサにおいてはタイマ割り込み周期が考えられる。

ここで制御対象が時間的に変化する交流である交流−直流変換回路１０の１回の演算，制御処理を制御回路１の処理周期内に、制御回路１の処理周期＝交流−直流変換回路１０の制御周期となるように、割り当てる。また、直流−直流変換回路２０の制御周期を交流−直流変換回路１０の制御周期とは異ならせて、直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理を複数に分割して制御回路１の複数回の処理周期に分配して割り当てる。この場合、制御回路１の処理周期＝交流−直流変換回路１０の制御周期＝直流−直流変換回路２０の制御周期／１回の演算，制御処理の分割数、となる。

図２に直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割数が２の時の、
(Ａ)交流−直流変換回路１０と直流−直流変換回路２０の制御周期が同じ場合すなわち直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割がない場合と、
(Ｂ)異なる場合すなわち直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理を分割した場合と、
を示して比較した図を示す。

図２に示すとおり、交流−直流変換回路１０と直流−直流変換回路２０の制御周期が、直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割した、(Ｂ)に示す異なる場合の方が、交流−直流変換回路１０の制御周期が早いことがわかる。

ここでは直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割数が２の時の例を説明したが、分割数を増やすほど、交流−直流変換回路１０と直流−直流変換回路２０の制御周期が同じ場合に比べて交流−直流変換回路１０の制御周期が早くなることは明らかである。
すなわち、直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割数は２以上の整数であればよく、これにより直流−直流変換回路２０の制御周期は交流−直流変換回路１０の制御周期の２以上の整数倍になる。

以上、この発明の実施の形態１によれば、交流−直流変換回路１０の制御周期と直流−直流変換回路２０の制御周期とを異ならせて制御回路１の各処理周期内に各演算，制御を割り当てることにより、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路１０のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましいものに対して制御周期の短縮を図ることができる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わる電力変換装置の構成図である。図３において、電力変換装置１０１は、交流−直流変換回路１０、直流−直流変換回路２０、制御回路１、制御回路２を有しており、交流電源３０、例えばリチウムイオンバッテリからなる高電圧バッテリ４０に接続される。

交流−直流変換回路１０、直流−直流変換回路２０は、所望の入力電流、出力電圧、出力電流となるように各変換回路１０，２０の入出力の電圧値、電流値に基づいて制御回路１、制御回路２によりそれぞれ演算，制御される。なおここでは、図１と同一な部分についての説明は省略する。

ここで制御対象が時間的に変化する交流である交流−直流変換回路１０の制御回路１にはハードウェアのみで演算，制御処理を実行するＦＰＧＡまたはＡＳＩＣ(Application Specific Integrated Circuit)が用いられ、直流−直流変換回路２０の制御回路２にはソフトウェアで決められた順序に基づいて処理を行うマイクロプロセッサまたはＤＳＰ(Digital Signal Processor)が用いられている。

図４に直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割数が２の時の、
(Ａ)図３に破線で示す１つの制御回路１で制御する場合と、
(Ｂ)２つの制御回路、制御回路１と制御回路２で制御する場合、
での各制御回路１，２の処理周期内に対する各変換回路１０，２０の処理割合を比較した図を示す。
(Ａ)の１つの制御回路１で制御する場合は、図２の(Ｂ)の、直流−直流変換回路２０の１回の演算，制御処理の分割数が２で、交流−直流変換回路１０と直流−直流変換回路２０の制御周期が異なる場合と同じである。

図４に示す通り、２つの制御回路１，２で制御する場合の方が各制御回路１，２の処理周期内に対する変換回路１０，２０の処理割合が少なく、特に直流−直流変換回路２０の制御回路２においては差が顕著であることがわかる。

これは制御回路２にはより処理能力の遅い安価なマイクロプロセッサまたはＤＳＰを適用できることを意味する。一方、制御回路１にはハードウェアのみで演算，制御処理を実行するＦＰＧＡまたはＡＳＩＣを用いるので交流−直流変換回路１０の１回の演算，制御処理をより高速に実行することができ、交流−直流変換回路１０の制御周期をより高速にできることを意味する。

以上、この発明の実施の形態２によれば、異なる制御周期での制御のうち、交流−直流変換回路１０のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましいものに対して処理速度の速いハードウェア制御回路(ＦＰＧＡまたはＡＳＩＣ)で処理し、直流−直流変換回路２０のように制御対象が直流で時間的にあまり変化がなく、制御周期が交流を制御するものより早くしなくてよいものに対してはソフトウェアを使用したマイクロプロセッサで処理することにより、全ての制御を処理能力の高い高価なマイクロプロセッサでするより安価な構成で電力変換装置１０１を実現することが可能である。

なお各実施の形態において、制御回路１、制御回路２が制御部を構成し、制御回路１が第１の制御回路、制御回路２が第２の制御回路を構成する。また、交流−直流変換回路１０が第１の変換回路、直流−直流変換回路２０が第２の変換回路を構成する。

また、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることが可能である。また、各実施の形態の任意の構成要素を適宜、変更または省略することが可能である。

この発明は、交流−直流変換回路の制御周期と直流−直流変換回路の制御周期とを異ならせて制御回路の処理内に各演算，制御を割り当てることにより、処理能力の高いより高価な制御回路を使用することなく、交流−直流変換回路のように制御対象が時間的に変化する交流で制御周期の早いことが好ましいものに対して制御周期の短縮を図る電力変換装置に適用することができる。

この発明は多くの分野の電力変換装置に適用可能であり、同様な効果を奏する。

１，２ 制御回路、１０ 交流−直流変換回路、２０ 直流−直流変換回路、
３０ 交流電源、４０ 高電圧バッテリ、１００，１０１ 電力変換装置。

Claims (6)

1. 第１の制御周期で制御され、交流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第１の変換回路と、
   前記第１の制御周期より長い第２の制御周期で制御され、直流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第２の変換回路と、
   前記第１および第２の変換回路の各制御周期の制御処理を処理周期単位で組み合わせて制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部において、前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が複数に分割されて前記制御部の処理周期に分配して割り当てられ、
   前記制御部での前記処理周期が、前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が分割されない場合と比較して短い、電力変換装置。
2. 前記第２の制御周期は前記第１の制御周期の２以上の整数倍である、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の変換回路の直流出力電圧は、前記第２の変換回路の直流入力電圧である、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部が、前記第１の変換回路と前記第２の変換回路を共に制御する制御回路を備えた請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部が、
   前記第１の変換回路を制御するハードウェアで処理を行う第１の制御回路と、
   前記第２の変換回路を制御するソフトウェアで決められた順序に基づいて処理を行う第２の制御回路と、
   を備えた、請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 交流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第１の変換回路を第１の制御周期で制御し、
   直流入力電圧を直流出力電圧へ変換する第２の変換回路を前記第１の制御周期より長い第２の制御周期で制御し、
   前記第１および第２の変換回路の各制御周期の制御処理を処理周期単位で組み合わせて制御し、
   前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が複数に分割されて前記制御部の処理周期に分配して割り当てられ、
   前記処理周期が、前記第２の変換回路の各制御周期の制御処理が分割されない場合と比較して短い、電力変換装置の制御方法。

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