JP6225942B2 - 電力変換システム - Google Patents
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Description
電力変換システム10は、第1バッテリB1、第2バッテリB2、電圧変換器11、インバータ18及び制御部22を含んで構成される。電力変換システム10は、ハイブリッド車両または電気自動車等の車両に搭載される。またこの車両には、駆動源となる回転電機20が搭載されている。
第1バッテリB1及び第2バッテリB2は、ともに2次電池から構成される直流電源であり、例えばリチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池から構成される。また、第1バッテリB1及び第2バッテリB2の少なくとも一方を、2次電池に代えて、電気二重層キャパシタ等の蓄電素子としてもよい。
電圧変換器11の詳細な動作については上述した特許文献1等により既知であるため、ここでは、後述する共通スイッチング素子の過熱保護制御に関連する、パラレル昇圧モードを簡単に説明する。
CNV制御部13は、パラレル昇圧時に、図2、3のような動作をスイッチング素子に行わせるために、PWM信号を生成、出力する。具体的には、CNV制御部13は、スイッチング素子S3及びS4に対して、第1昇圧回路BCNV1のチャージ(S3オン、S4オン)及びディスチャージ(S3オフ、S4オフ)を実行させるためのPWM信号PWM1を生成する。また、CNV制御部13は、スイッチング素子S2及びS3に対して、第2昇圧回路BCNV2のチャージ(S2オン、S3オン)及びディスチャージ(S2オフ、S3オフ)を実行させるためのPWM信号PWM2を生成する。
図2、3で示した第1及び第2昇圧回路BCNV1及びBCNV2をもとに、共通スイッチング素子S3の過熱保護制御について説明する。上述したように、共通スイッチング素子S3には、第1昇圧回路BCNV1及び第2昇圧回路BCNV2から電流が供給される。このとき、図17上段に示すように、共通スイッチング素子S3に第1昇圧回路BCNV1及び第2昇圧回路BCNV2の電流が重畳されて供給されることで重複損失が発生する場合がある。また図4上段に示すように、第1昇圧回路BCNV1に対するPWM信号PWM1のオンオフタイミングと、第2昇圧回路BCNV2に対するPWM信号PWM2のオンオフタイミングとがずれることでスイッチング損失が発生する場合がある。
この実施形態では、PWM1とPWM2の、PWM制御1周期当たりのオン時間の和がPWM制御1周期とは異なる場合に、PWM1とPWM2の少なくとも一方のオン時間を変更することで、PWM1とPWM2の、PWM制御1周期当たりのオン時間の和を、PWM制御1周期と一致させる。加えて、PWM1及びPWM2の一方の立下りと他方の立ち上がりを連結させる。
上述にて説明したオン時間変更では、PWM1及びPWM2の立下りをそれぞれ他方の立上りに揃えるようにしていたが、この形態に限らない。例えば図6のように、PWM1及びPWM2の立上りを、それぞれ他方の立下りに揃えるように、PWM1及びPWM2のオン時間変更を行っている。この例によっても、図6下段に示されるように、PWM1とPWM2の一方の立下りが他方の立上りに連結されるとともに、PWM1とPWM2のPWM制御1周期におけるオン時間の和がPWM制御1周期と一致する。なお、この図ではPWM1及びPWM2の両者のオン時間を変更させているが、波形によってはPWM1及びPWM2の一方のオン時間を変更させるだけでもよい。
図4〜図6では、オン時間の短縮または延長プロセスと、立下り及び立上りの連結プロセスをまとめて行っていたが、この形態に限らない。例えばそれぞれのプロセスを段階的に行ってもよい。
図4〜7の例では、PWM1及びPWM2のオン時間の和がPWM制御1周期と一致するようにオン時間変更を行っていたが、この形態に限らない。要するにオン時間変更後の共通スイッチング素子S3の電力損失が、オン時間変更前の電力損失よりも小さくなっていればよいので、例えばオン時間の和がPWM制御1周期よりも若干超過するようにしてもよい。言い換えると、PWM1及びPWM2のオン時間の和が、PWM制御1周期からPWM制御1周期に所定時間を加えた許容期間までの範囲に収まるように、PWM1及びPWM2の少なくとも一方のオン時間を変更させる。
上述したように、PWM1及びPWM2の波形によってはオン時間変更によってスイッチング損失が0になる代わりにオン損失の期間が増加される。また場合によっては重複損失が新たに発生する。したがって、オン損失や重複損失の増加分がスイッチング損失の削減分を上回る場合、オン時間変更は共通スイッチング素子S3の損失を却って増加させるおそれがある。
図12には、上記の算定結果を踏まえた、CNV制御部13による共通スイッチング素子S3の過熱保護制御フローが例示されている。なお、この制御フローでは、図7の実施形態をベースにしている。すなわち、オン時間の短縮または延長プロセスと位相シフトプロセスを段階的に行い、またPWM1及びPWM2のオン時間の和をPWM制御1周期に一致させるようなオン時間変更を行う場合の制御フローが、図12に示されている。
図12のステップS32、S46に示したように、オン時間(デューティ比)の変更に伴って、昇圧電圧指令値が変更される(VH*→VH*’)。図13には、これらの変更を説明する図が示されている。縦軸は第1昇圧回路BCNV1のPWM信号PWM1のデューティ比を表し、横軸は第2昇圧回路BCNV2のPWM信号PWM2のデューティ比を表す。
上述したVH*マップは、回転電機20の効率を最大にするためのいわゆる最大トルク制御に基づいて作成される場合がある。つまり、VH*マップにプロットされた昇圧電圧指令値VH*(VH*1、VH*2、VH*3等)として、回転電機20の最適動作点に対応する電圧値(最大効率電圧値)が記憶されている場合がある。
上述した実施形態では、電圧変換器11として、スイッチング素子が4つ設けられ、直列接続と並列接続の切換えが可能な、いわゆるシリーズ−パラレルコンバータが挙げられていたが、この形態に限らない。要するにパラレル昇圧が可能であって、2つの昇圧回路から共通して電流が供給される共通スイッチング素子を備える電圧変換器であれば、本実施形態に係る過熱保護制御を適用することができる。
図16には、電圧変換器11の更なる別例が示されている。この電圧変換器11は、図15と同様に、高圧電路26から基準電路28に向かう方向を順方向にして3つのスイッチング素子S1,S2,S3が直列に接続されている。更にそれぞれのスイッチング素子S1〜S3に逆並列となるように、各ダイオードDd1〜Dd3が接続される。
Claims (7)
- 第1バッテリと、
第2バッテリと、
複数のスイッチング素子を含み、当該複数のスイッチング素子をPWM信号に従ってオンオフさせて前記第1、第2バッテリと出力電路との間で双方向に昇降圧を行う電圧変換器と、
を含み、
前記第1、第2バッテリの電圧を並列に昇圧させるパラレル昇圧時に、前記第1バッテリの電圧を前記電圧変換器にて昇圧させて前記出力電路に出力する第1昇圧回路と、前記第2バッテリの電圧を前記電圧変換器にて昇圧させて前記出力電路に出力する第2昇圧回路が形成され、
前記第1昇圧回路の昇圧制御を行う第1PWM信号と、前記第2昇圧回路の昇圧制御を行う第2PWM信号とを生成して、前記第1及び第2昇圧回路を制御する制御部を備える、電力変換システムであって、
前記複数のスイッチング素子は、前記パラレル昇圧時に前記第1及び第2昇圧回路の両者から電流が供給される共通スイッチング素子を含み、
前記制御部は、前記パラレル昇圧時であって前記共通スイッチング素子の温度が閾値温度を超過したときに、前記第1PWM信号と前記第2PWM信号の一方の立下りと他方の立上りが連結するとともに前記第1PWM信号と前記第2PWM信号のPWM制御1周期におけるオン時間の和が前記PWM制御1周期から当該PWM制御1周期に所定時間を加えた許容期間までの範囲に収まるように、前記第1PWM信号と前記第2PWM信号の少なくとも一方のオン時間を変更することを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項1に記載の電力変換システムであって、
前記制御部は、前記オン時間変更に当たり、前記第1PWM信号と前記第2PWM信号のPWM制御1周期におけるオン時間の和が前記PWM制御1周期と一致するように、前記第1PWM信号と前記第2PWM信号の少なくとも一方のオン時間を変更することを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項1に記載の電力変換システムであって、
前記制御部は、前記オン時間変更前の前記第1PWM信号と前記第2PWM信号の前記PWM制御1周期におけるオン時間の和が前記PWM制御1周期を超過するときに、当該オン時間の和よりも少なくなるように前記許容期間を設定することを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の電力変換システムであって、
前記制御部は、前記オン時間変更前の前記第1PWM信号と前記第2PWM信号の前記PWM制御1周期におけるオン時間の和が前記PWM制御1周期未満であって、前記オン時間変更後の前記第1PWM信号及び第2PWM信号に基づいて前記共通スイッチング素子に発生する電力損失が、前記オン時間変更前の前記第1PWM信号及び第2PWM信号に基づいて前記共通スイッチング素子に発生する電力損失よりも小さい場合に、前記オン時間変更を実行することを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項1から3のいずれか一つに記載の電力変換システムであって、
前記制御部は、前記第1PWM信号及び第2PWM信号の一方の立下りに他方の立上りが連結されかつ前記オン時間変更後の前記第1PWM信号及び第2PWM信号に基づいて前記共通スイッチング素子に発生する電力損失が、前記オン時間変更前の前記第1PWM信号と第2PWM信号に対してオン時間の延長または短縮を伴わずに少なくとも一方の立下りに他方の立上りを連結させる位相シフトを行ったときに前記共通スイッチング素子に発生する電力損失よりも小さい場合に、前記オン時間変更を実行することを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項1から5のいずれか一つに記載の電力変換システムであって、
前記第1及び第2昇圧回路から出力された直流電力を交流電力に変換するインバータを備え、
前記制御部は、前記オン時間変更前後の前記第1及び第2昇圧回路の出力電圧の変化に応じて前記インバータにおける通流率を変更させることを特徴とする、電力変換システム。 - 請求項6に記載の電力変換システムであって、
前記インバータにより変換された交流電力が供給される回転電機を備え、
前記制御部は、前記オン時間変更前後の前記第1及び第2昇圧回路の出力電圧の変化に応じた前記回転電機の効率変化に応じて前記インバータにおける通流率を変更させることを特徴とする、電力変換システム。
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