JP6245161B2

JP6245161B2 - 電源システム

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Publication number: JP6245161B2
Application number: JP2014259737A
Authority: JP
Inventors: 大悟野辺; 林　和仁; 和仁林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-12-24
Also published as: JP2016119823A

Description

本発明は、バッテリと回転電機等の負荷との間で双方向に電圧変換を行う電源システムに関する。

回転電機を駆動源とするハイブリッド車両や電気自動車には、回転電機に電力を供給する電源システムが設けられる。電源システムは、直流電源であるバッテリと、バッテリ（一次側）から回転電機（二次側）への電圧変換及びその逆方向への電圧変換が可能な電圧変換器を備える。

このような電圧変換器として、例えば、昇降圧コンバータが用いられる。昇降圧コンバータは、リアクトル、上アームスイッチング素子、及び下アームスイッチング素子を備える。上アームスイッチング素子は、リアクトルとともに二次側から一次側への電圧変換回路（降圧回路）を形成する。下アームスイッチング素子は、リアクトルとともに一次側から二次側への電圧変換回路（昇圧回路）を形成する。

上記回路構成から理解されるように、一次側から二次側への電圧変換には上アームスイッチング素子が使用されず、二次側から一次側への電圧変換には下アームスイッチング素子が使用されない。このことから、特許文献１，２では、電圧変換器の動作モードとして、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の一方のみをオン・オフ動作させる一方向電圧変換モード（片アームモード）を備えている。片アームモードを実行することで、上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子の両者をオン・オフ動作させる双方向電圧変換モード（両アームモード）と比較して、スイッチング素子の作動に伴う電力消費を軽減させることができる。

電圧変換器の動作モードを片アームモードのみとすると、図１２のように、昇圧／降圧の移行時に、リアクトル電流ＩＬの波形が乱れる。つまり、図１２の破線で示すように、下アーム単独モードでは降圧が行われないからリアクトル電流ＩＬの極小値（谷側ピーク）が潰れるようになり、上アーム単独モードでは昇圧が行われないからリアクトル電流ＩＬの極大値（山側ピーク）が潰れるようになる。

山側ピークが潰れると力行が行われないこととなり、谷側ピークが潰れると回生が行われないこととなる。前者は出力不足に繋がり、また後者は回生電力を得る機会を逃すことになり、車両の駆動制御性及び電力管理の観点から改善の余地がある。

リアクトル電流ＩＬの波形の潰れを防ぐために、昇圧／降圧の移行時には、片アームモードから両アームモードに切り換えられる。特許文献２では、図１３のように、リプル周期ごとにリアクトル電流の平均値を求めるとともに、この平均値の推移（傾き）から、リアクトル電流ＩＬが０[Ａ]を跨ぐ時点を予測して、アームモードの切換えを行っている。

国際公開第２０１０／１３７１２７号特開２０１３−１５３５８３号公報特開平９−１２１５９５号公報

ところで、特許文献３のように、スイッチング素子の保護等のために、キャリア波の周波数を低下させる場合がある。例えばスイッチング素子が高温になったときに、キャリア周波数を低周波に切換えて、スイッチング周期を引き延ばす。スイッチング周期が長くなることでスイッチング間隔も長くなり、単位時間当たりのスイッチング損失による熱負荷が軽減される。

キャリア周波数の切り下げに伴い、リアクトル電流ＩＬのリプル周期が長くなり、それに伴ってリプル振幅も増加する。つまり、リアクトル電流ＩＬの極大値（山の高さ）及び極小値（谷の深さ）が増加する。そうなると、図１４に示すように、キャリア周波数の切り下げによって、リアクトル電流の平均値に基づいて予測されたタイミングよりも前に、リアクトル電流ＩＬが０[Ａ]を跨ぐことになり、アームモードの切換えが間に合わないことになる。

このようなアームモードの切換え遅れを防ぐために、両アームモードの切換にマージンを設ける、つまり、リアクトル電流ＩＬが０[Ａ]を跨ぐ数周期前から両アームモードに切換えておいて、キャリア周波数の変更に備えておくことも考えられる。しかし、そうなると相対的に消費電力の嵩む両アームモードの稼動期間が長くなり、効率面での課題が生じる。そこで、本発明は、制御性の向上と効率の向上を両立可能な、電源システムを提供することを目的とする。

本発明は、電源システムに関する。電源システムは、バッテリ、電圧変換器、電流センサ、及び制御部を備える。バッテリは、負荷に電力を供給する。電圧変換器は、一次側が前記バッテリに接続されるとともに二次側が前記負荷に接続され、リアクトルと、前記リアクトルとともに前記一次側から前記二次側への昇圧回路を形成する下アームスイッチング素子と、前記リアクトルとともに前記二次側から前記一次側への降圧回路を形成する上アームスイッチング素子と、を備える。電流センサは、前記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する。制御部は、前記各スイッチング素子をパルス幅変調制御に従ってオン・オフする。前記制御部は、前記電流センサで検出したリアクトル電流に応じて、前記各スイッチング素子の内のいずれか一方のみをパルス幅変調制御に従ってオン・オフ動作させて前記昇圧及び降圧のいずれか一方の電圧変換を行う一方向電圧変換モードと、前記各スイッチング素子の両方をパルス幅変調制御に従って相補的にオン・オフ動作させて前記昇圧及び降圧の両方を行う双方向電圧変換モードと、を切換えるモード変換手段を備える。また制御部は、前記各スイッチング素子の動作状態に応じて、パルス幅変調制御のキャリア周波数を低下させるキャリア周波数低下手段を備える。前記モード変換手段は、前記電流センサで検出したリアクトル電流及び低下後のキャリア周波数に基づいて、前記一方向電圧変換モードのうち昇圧時には、前記リアクトル電流の極小値を予測し、前記一方向電圧変換モードのうち降圧時には、前記リアクトル電流の極大値を予測し、予測された極大値または極小値と前記検出したリアクトル電流値との正負符号が異なる場合には、前記一方向電圧変換モードから前記双方向電圧変換モードに切換える。

また、上記発明において、前記制御部は、前記キャリア周波数の低下処理と前記極大値または極小値の予測を同期して行うことが好適である。

また、上記発明において、前記制御部は、前記極大値または極小値の予測をキャリア波の山側ピーク時または谷側ピーク時に行うとともに、昇圧時はキャリア波の谷側ピーク時に前記キャリア周波数の低下処理を行い、降圧時はキャリア波の山側ピーク時に前記キャリア周波数の低下処理を行うことが好適である。

また、上記発明において、前記制御部は、前記キャリア周波数の低下処理を、キャリア波の山側ピーク時または谷側ピーク時に行うとともに、昇圧時はキャリア波の山側ピーク時に極小値の予測を行い、降圧時はキャリア波の谷側ピーク時に前記極大値の予測を行うことが好適である。

本発明によれば、制御性の向上と効率の向上を両立可能な、電源システムを提供することが可能となる。

本実施形態に係る電源システムを搭載した車両の構成を説明する図である。極値予測について説明する図である。アームモード切換（昇圧モード→双方向電圧変換モード）の判定フローを説明する図である。アームモード切換（降圧モード→双方向電圧変換モード）の判定フローを説明する図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（昇圧モード、山側ピーク＆山側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（昇圧モード、谷側ピーク＆谷側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（昇圧モード、山側ピーク＆谷側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（昇圧モード、谷側ピーク＆山側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（降圧モード、谷側ピーク＆山側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例（降圧モード、山側ピーク＆谷側ピーク）を示す図である。極値予測タイミングとキャリア周波数低下処理タイミングの設定例をまとめた図である。従来の一方向電圧変換モードを説明する図である。従来のアームモード切換制御を説明する図である。従来のアームモード切換制御を説明する図である。

＜全体構成＞
図１に、本実施形態に係る電源システム１０を備えた車両１２の構成を例示する。なお、図１の一点鎖線は信号線を表している。

車両１２は、電源システム１０の他に、駆動源として内燃機関１４及び回転電機ＭＧ１，ＭＧ２を備える、いわゆるハイブリッド車両であってよい。なお、図１では、車両１２の構成のうち、負荷となる回転電機ＭＧ１，ＭＧ２を含む電気機器系統を特に抜き出して図示しており、その他の構成については図示を省略している。

電源システム１０は、バッテリ２０、電圧変換器２２、制御部２４、インバータ２６Ａ，２６Ｂ、及び電流センサ２８を備える。バッテリ２０は、電圧変換器２２の一次側（入力側）に接続される。電圧変換器２２の二次側（出力側）にはインバータ２６Ａ，２６Ｂが接続される。さらにインバータ２６Ａに回転電機ＭＧ２が接続され、インバータ２６Ｂに回転電機ＭＧ１が接続される。

バッテリ２０の直流電圧は電圧変換器２２により昇圧されてインバータ２６Ａ（二次側）に出力される。インバータ２６Ａは、昇圧された直流電力を交流電力に変換して回転電機ＭＧ２に供給し、回転電機ＭＧ２を駆動させる。

また、内燃機関１４の始動時には、回転電機ＭＧ１を駆動させて内燃機関１４をクランキングさせる。バッテリ２０の直流電圧は電圧変換器２２により昇圧されてインバータ２６Ｂ（二次側）に出力される。インバータ２６Ｂは、昇圧された直流電力を交流電力に変換して回転電機ＭＧ１に供給し、回転電機ＭＧ１を駆動させる。

車両１２の制動時には、回転電機ＭＧ２により回生制動を行う。この際得られた回生電力は、インバータ２６Ａにより交直変換されて直流電力となり、また電圧変換器２２により降圧され、バッテリ２０に供給される。

また、車両１２の停止時であって、バッテリ２０の容量（ＳＯＣ）が低下しているときには、内燃機関１４によって回転電機ＭＧ１を駆動させて発電させる。これらにより得られた電力（便宜上、これも回生電力に含める）はインバータ２６Ｂにより交直変換されて直流電力となり、また電圧変換器２２により降圧され、バッテリ２０に供給される。

制御部２４は、電圧変換器２２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のオン・オフを制御するパルス幅変調制御（以下ＰＷＭ制御と呼ぶ）信号を生成することで、電圧変換（昇降圧）を制御する。さらに制御部２４は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一方のみを使用する一方向電圧変換モードと、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の両方を使用する双方向電圧変換モードを切換える。

また、制御部２４は、インバータ２６Ａ，２６Ｂのスイッチング素子（図示せず）のオン・オフを制御することで、直交変換／交直変換を制御する。電圧変換器２２及びインバータ２６Ａ，２６Ｂの制御を介して、制御部２４は、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動を制御する。

＜各構成の詳細＞
バッテリ２０は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。

電圧変換器２２は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオン・オフ動作させることで、バッテリ２０（一次側）と回転電機ＭＧ１，ＭＧ２（二次側）との間で双方向に電圧変換を行う。また、電圧変換器２２は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の一方のみを使用する一方向電圧変換モードと、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の両方を使用する双方向電圧変換モードとを実行可能となっている。

電圧変換器２２は、いわゆる電流可逆型チョッパ回路を備えた昇降圧コンバータから構成される。電圧変換器は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、リアクトル３１、一次側コンデンサＣＬ、及び二次側コンデンサＣＨを備える。

二次側の高圧電路３０から基準電路３２に向かう方向を順方向とするように、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２が直列に接続される。さらにそれぞれのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に逆並列となるように、ダイオードＤ１，Ｄ２が接続される。スイッチング素子とこれと逆並列のダイオードとの組は「アーム」と呼ばれる。このことから、スイッチング素子Ｓ１は「上アームスイッチング素子」とも呼ばれ、スイッチング素子Ｓ２は「下アームスイッチング素子」とも呼ばれる。

上アームスイッチング素子Ｓ１と下アームスイッチング素子Ｓ２の接続点３４と基準電路３２とに、バッテリ２０が接続される。接続点３４とバッテリ２０との間には、バッテリ２０に対して直列にリアクトル３１が接続され、並列に一次側コンデンサＣＬが接続される。また、二次側の高圧電路３０と基準電路３２との間に二次側コンデンサＣＨが接続される。

一次側から二次側への昇圧回路には、リアクトル３１、下アームスイッチング素子Ｓ２、上アームダイオードＤ１及び二次側コンデンサＣＨが含まれる。また、二次側から一次側への降圧回路には、リアクトル３１、上アームスイッチング素子Ｓ１、下アームダイオードＤ２及び一次側コンデンサＣＬが含まれる。

制御部２４は、後述するように、電圧変換器２２に対する電圧変換モード（アームモード）の切換えや、ＰＷＭ信号のキャリア周波数の切り下げをはじめ、車両１２の様々な運転制御を行う。制御部２４はコンピュータから構成されてよく、ＣＰＵ３６、記憶部３８、及び図示しない機器・センサインターフェースが内部バス４０を介して互いに接続されている。

制御部２４は、機器・センサインターフェースを介して、種々のセンサからの信号を受信する。具体的には、一次側電圧ＶＬを検出する一次側電圧センサ４２Ａ、二次側電圧ＶＨを検出する二次側電圧センサ４２Ｂ、リアクトル３１を流れるリアクトル電流ＩＬを検出する電流センサ２８、上アームスイッチング素子Ｓ１の温度Ｔ_S1を検出する上アーム温度センサ４６Ａ、及び、下アームスイッチング素子Ｓ２の温度Ｔ_S2を検出する下アーム温度センサ４６Ｂから各検出信号を受信する。

また、制御部２４は、機器・センサインターフェースを介して、図示しない回転数センサや回転電機用の電流センサから、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の回転数や交流電流の検出信号を受信する。また、制御部２４は、図示しない車輪速センサ、アクセルペダル踏込量センサ、ブレーキペダル踏込量センサ、加速度センサ等から各種検出信号を受信する。

制御部２４のＣＰＵ３６は、記憶部３８に記憶された各種制御プログラムを実行して、各種センサから受信した検出信号を演算処理することで、電圧変換器２２やインバータ２６Ａ，２６Ｂのスイッチング素子のオン・オフ動作を制御するＰＷＭ信号を生成する。電圧変換器２２やインバータ２６Ａ，２６Ｂのスイッチング素子へのオン・オフ制御を介して、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の駆動が制御される。

ＰＷＭ信号は、指令波とキャリア波との比較に基づいて生成される。例えば指令波＞キャリア波である期間をオン期間とし、指令波＜キャリア波である期間をオフ期間とする。

制御部２４は、電圧変換器２２の上アームスイッチング素子Ｓ１及び下アームスイッチング素子Ｓ２のＰＷＭ信号を、相補的となるように生成する。すなわち、双方向電圧変換モード（両アームモード）において、上アームスイッチング素子Ｓ１と下アームスイッチング素子Ｓ２とが同時にオンとなって短絡回路が形成されないように、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のＰＷＭ信号を生成する。

具体的には、下アームスイッチング素子Ｓ２に対するＰＷＭ信号として、上述したような、指令波＞キャリア波である期間をオン期間とし、指令波＜キャリア波である期間をオフ期間とするＰＷＭ信号ＰＷＭが生成される。また、上アームスイッチング素子Ｓ１に対するＰＷＭ信号として、ＰＷＭ信号ＰＷＭを反転した信号／ＰＷＭが生成される。さらに一方のスイッチング素子の立下りタイミングと他方のスイッチング素子の立ち上がりタイミングとが重ならないように、両スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をともにオフにするデッドタイムを設ける。

また、制御部２４のＣＰＵ３６は、記憶部３８に記憶されたモード変換プログラムを実行することで、モード変換手段として機能する。さらに、ＣＰＵ３６は、記憶部３８に記憶されたキャリア周波数切り下げ制御プログラムを実行することで、キャリア周波数低下手段として機能する。

さらに、制御部２４は、機器・センサインターフェースを介して内燃機関１４に接続され、当該内燃機関１４の駆動制御を行う。

＜電圧変換モードの説明＞
電圧変換器２２は、上アームスイッチング素子Ｓ１と下アームスイッチング素子Ｓ２のいずれか一方のみをオン・オフ動作させる一方向電圧変換モード（片アームモード）と、上アームスイッチング素子Ｓ１と下アームスイッチング素子Ｓ２の両方をオン・オフ動作させる両方向電圧変換モード（両アームモード）とを実行可能となっている。以下これらの電圧変換モードについて説明する。

一方向電圧変換モードは、上アームスイッチング素子Ｓ１と下アームスイッチング素子Ｓ２のうち、上アームスイッチング素子Ｓ１のみをオン・オフ動作させる降圧モードと、下アームスイッチング素子Ｓ２のみをオン・オフ動作させる昇圧モードの２者から構成される。

昇圧モードは、一次側（バッテリ）から二次側（負荷、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２）への電圧変換を行う場合に選択される。昇圧動作については他の先行技術文献等から既知であるため、ここでは概略のみ説明する。

昇圧動作は、リアクトル３１への電荷の蓄積と放出のサイクルから構成される。下アームスイッチング素子Ｓ２がオンのとき、バッテリ２０→リアクトル３１→下アームスイッチング素子Ｓ２→バッテリ２０との電流ループが形成される。このときにリアクトル３１に電荷が蓄積される。その後スイッチング素子Ｓ２がオフになると、リアクトル３１に蓄積された電磁エネルギが一次側電圧（バッテリ電圧）ＶＬに加算されて（昇圧されて）、上アームダイオードＤ１を介して二次側に電力が出力される。

昇圧モードは、リアクトル電流ＩＬが一次側から二次側に流れる際に実行される。電圧変換器２２の一次側にはバッテリ２０が接続され、二次側には回転電機ＭＧ１，ＭＧ２が接続されているから、回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の力行時に、昇圧モードが選択される。

降圧モードは、二次側から一次側への電圧変換を行う場合に選択される。降圧動作も、リアクトル３１への電荷の蓄積と放出のサイクルから構成される。上アームスイッチング素子Ｓ１がオンのとき、二次側（回転電機ＭＧ１，ＭＧ２）から上アームスイッチング素子Ｓ１及びリアクトル３１を経由してバッテリ２０に電流が供給される。このときチョークコイルの機能から、リアクトル３１には電荷が蓄積される。その後、上アームスイッチング素子Ｓ１がオフになると、リアクトル３１は電流を保とうとして起電力を発生させて、リアクトル３１→バッテリ２０→下アームダイオードＤ２→リアクトル３１との電流ループを形成する。

この降圧モードは、リアクトル電流ＩＬが二次側から一次側に流れる際に、つまり回転電機ＭＧ１，ＭＧ２の回生時に選択される。

以下では、リアクトル電流の符号について、車両の駆動源（電動機）として回転電機ＭＧ２が搭載されていることから、力行方向（一次側→二次側、昇圧）のリアクトル電流の流れを正とし、回生方向（二次側→一次側、降圧）への電流の流れを負とする。

＜キャリア周波数切り下げ制御＞
制御部２４は、上アームスイッチング素子Ｓ１及び下アームスイッチング素子Ｓ２の動作状態に応じて、ＰＷＭ制御のキャリア周波数を低下させるキャリア切り下げ制御を実行する。

キャリア周波数切り下げ制御は、主にスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の過熱防止（素子保護）の観点から行う。制御部２４は、上アーム温度センサ４６Ａから上アームスイッチング素子Ｓ１の温度Ｔ_S1を取得し、また下アーム温度センサ４６Ｂから下アームスイッチング素子Ｓ２の温度Ｔ_S2を取得する。

温度Ｔ_S1及び温度Ｔ_S2の少なくとも一方が予め定めた上限値を超過した場合、制御部２４は、キャリア周波数を切り下げる。これにより、キャリア周期が引き延ばされて、単位時間当たりのスイッチング回数が減少する。単位時間当たりのスイッチング回数が減少することで、単位時間当たりのスイッチング損失に伴う発熱の頻度が減少する。その結果スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の単位時間当たりの熱負荷が軽減される。

キャリア周波数の低下幅（切り下げ幅）は、予め定められていてよい。例えば超高域から可聴域までキャリア周波数を引き下げて、車両の運転者にスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が高温状態であることを知らせるようにしてもよい。

＜アームモード切換判定＞
一方向電圧変換モードから両方向電圧変換モードへの切換判定について説明する。制御部２４は、電流センサ２８で検出したリアクトル電流ＩＬ及び低下処理後のキャリア周波数に基づいて、一方向電圧変換モードから両方向電圧変換モードへの切換判定を行う。

図２には、アームモード切換判定のうち、昇圧モード（下アーム単独モード）から両方向電圧変換モードへの切換判定の原理を説明する図が示されている。また、図３には、当該判定を行う際のフローチャートが示されている。

制御部２４は、電流センサ２８からリアクトル電流の測定値ＩＬｓを取得する（Ｓ１０）。次に制御部２４は、キャリア周波数低下後のリアクトル電流ＩＬの極小値の予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅを算出する（Ｓ１２）。

予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅの算出に当たり、制御部２４は、低下後のキャリア周波数と、これと比較される指令波から、下アームスイッチング素子Ｓ２のオン期間、つまりリアクトル３１に電荷が蓄積される蓄積期間Ｔｃと、下アームスイッチング素子Ｓ２のオフ期間、つまりリアクトル３１に蓄積された電荷が放出される放出期間Ｔｄを算出する。さらに、記憶部３８からリアクトル３１における電荷蓄積時の電流値増加率ｄＩＬｃ／ｄｔと、電荷放出時の電流値減少率ｄＩＬｄ／ｄｔを求める。

電流値増加率ｄＩＬｃ／ｄｔは、下アームスイッチング素子Ｓ２がオンのときの電流ループを考慮すると、一次側電圧ＶＬとリアクトル３１のインダクタンスＬを用いて、以下の数式（１）から求めることができる。

電流値減少率ｄＩＬｄ／ｄｔは、一次側電圧ＶＬ、二次側電圧ＶＨ及びリアクトル３１のインダクタンスＬを用いて、以下の数式（２）から求めることができる。

制御部２４は、電流センサ２８からリアクトル電流ＩＬｓを取得する際の一次側電圧ＶＬ、二次側電圧ＶＨ、及び予め記憶部３８に記憶されたリアクトル３１のインダクタンスＬと数式（１）、数式（２）に基づいて、電流値増加率ｄＩＬｃ／ｄｔと電流値減少率ｄＩＬｄ／ｄｔを求める。

さらに制御部２４は、下記数式（３）に基づいて、キャリア周波数低下後のリアクトル電流ＩＬの極小値の予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅを算出する。

極小予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅが算出されると、制御部２４は、当該値が負であるか否かを判定する（Ｓ１４）。つまり、電流センサ２８によって検出されたリアクトル電流値ＩＬｓと、極小予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅの正負符号が異なっているか否かを判定する。

極小予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅが負である場合には、制御部２４は、下アームスイッチング素子Ｓ２のみを動作させる昇圧モードから、双方向電圧変換モード（両アームモード）に切換える（Ｓ１６）。

極小予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅが０以上、つまり、電流センサ２８によって検出されたリアクトル電流値ＩＬｓと、極小予測値ＩＬｍｉｎ＿ｅの正負符号が異なっていない場合は、制御部２４はリアクトル電流ＩＬの監視を継続する。すなわち、電流センサ２８からリアクトル電流値ＩＬｓを検出するサンプリングタイミングからの経過時間をカウントし（Ｓ１８）、経過時間がサンプリング周期Ｔｓに到達したか否かを判定する（Ｓ２０）。サンプリング周期Ｔｓに到達している場合はリアクトル電流値ＩＬｓの検出を再度行う（Ｓ１０）。サンプリング周期Ｔｓに到達していない場合は経過時間のカウントを継続する（Ｓ１８）。

図４には、アームモード切換判定のうち、降圧モード（上アーム単独モード）から両方向電圧変換モードへの切換判定を行う際のフローチャートが示されている。なお、図３と同一のステップについては説明を省略する。

降圧モードでは、リアクトル電流ＩＬは負の値を取る。このことから、極小値、極大値のうち、電流センサ２８により検出されたリアクトル電流値ＩＬｓと正負の符号が異なる、つまり正の値を取る可能性があるのは極大値となる。

降圧モードにおける極大値は、回生電流の放出時（０Ａに近づくとき）のピークとなる。このことから、制御部２４は、リアクトル電流値ＩＬｓの検出（Ｓ１０）後、低下処理後のキャリア周波数と指令波から、上アームスイッチング素子Ｓ１のオフ期間（放出期間）Ｔｄを算出する。さらに、制御部２４は、電荷放出時の電流値減少率ｄＩＬｄ／ｄｔを求める。さらに制御部２４は、下記数式（４）に基づいてリアクトル電流ＩＬの極大推定値ＩＬｍａｘ＿ｅを算出する（Ｓ２２）。

極大予測値ＩＬｍａｘ＿ｅが算出されると、制御部２４は、当該値が正であるか否かを判定する（Ｓ２４）。つまり、電流センサ２８によって検出されたリアクトル電流値ＩＬｓと、極大予測値ＩＬｍａｘ＿ｅの正負符号が異なっているか否かを判定する。

極大予測値ＩＬｍａｘ＿ｅが正である場合には、制御部２４は、上アームスイッチング素子Ｓ１のみを動作させる降圧モードから、双方向電圧変換モード（両アームモード）に切換える（Ｓ１６）。極大予測値ＩＬｍａｘ＿ｅが正でない場合には、上述したステップＳ１８，Ｓ２０が実行される。

＜キャリア周波数の切り下げタイミング及び極値の予測タイミング＞
上述したように、アームモード切換判定では、極値の予測タイミング、つまりリアクトル電流値ＩＬｓの検出時（サンプリング時）に、低下処理後（切り下げ後）のキャリア周波数を取得する必要がある。これを可能とするための、キャリア周波数低下処理のタイミングと極値の予測タイミングについて、以下に説明する。

上アーム及び下アームスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はＰＷＭ信号に基づいてオン・オフ制御されることから、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に関する制御であるキャリア周波数の低下処理や極値予測のタイミングは、ＰＷＭ信号に応じて定められる。つまり、ＰＷＭ制御のクロックとして用いられるキャリア波に基づいて、キャリア周波数の低下処理のタイミングや極値予測のタイミングが定められる。具体的には、制御を容易にするために、制御部２４は、キャリア波の山側ピーク時または谷側ピーク時にキャリア周波数の低下処理や極値予測のタイミングを設定する。

キャリア周波数の低下処理のタイミングと、極値予測のタイミングのそれぞれについて、キャリア波の山側ピークと谷側ピークを設定可能なことから、キャリア周波数の低下処理のタイミングと極値予測のタイミングの組み合わせとしては、４パターン（２種類のタイミング×２種類のピーク）が考えられる。一方向電圧変換モード（片アームモード）が昇圧モードと降圧モードとから構成されることから、各モードそれぞれに４パターンの組み合わせを考慮した、全部で８パターンの組み合わせが考えられる。以下これらのパターンについて説明する。

＜キャリア周波数の低下処理タイミング及び極小値予測タイミング：昇圧（力行）時＞
図５〜図８には、昇圧モード（力行時、下アーム単独モード）におけるキャリア周波数の低下処理タイミング及び極小値予測タイミングについてのタイムチャートが示されている。

図５は、キャリア周波数の低下処理タイミング及び極小値予測タイミングを、ともにキャリア波の山側ピークに設定した例が示されている。この場合、キャリア周波数の低下処理タイミングと極小値予測タイミングとが同期しているから、制御部２４は、極小値予測タイミングにおいて低下後のキャリア周波数を取得できる。この結果、キャリア周波数低下処理後の極小値を正確に予測することができる。

図６は、キャリア周波数の低下処理タイミング及び極小値予測タイミングをともにキャリア波の谷側ピークに設定した例が示されている。この場合も、図５と同様に、キャリア周波数の低下処理タイミングと極小値予測タイミングとが同期しているから、制御部２４は、極小値予測タイミングにおいて低下後のキャリア周波数を取得できる。

図７、図８は、低下処理タイミングと極小値予測タイミングが非同期となる場合を例示している。図７は、極小値予測タイミングをキャリア波の山側ピークに設定し、キャリア周波数の低下処理タイミングをキャリア波の谷側ピークに設定した例が示されている。

上述したように、下アームスイッチング素子Ｓ２に出力されるＰＷＭ信号は、指令波＞キャリア波の期間をオン期間とし、指令波＜キャリア波の期間をオフ期間としている。オン期間はリアクトル３１に電荷が蓄積されてリアクトル電流が増加する上り勾配の期間であり、オフ期間はリアクトル３１に蓄積された電荷が放出されてリアクトル電流が減少する下り勾配の期間である。

ここで、図７から、キャリア波とリアクトル電流ＩＬの波形を比較すると、キャリア波の山側ピーク（ｔ１）はリアクトル電流ＩＬの下り勾配の中間地点に相当し、キャリア波の谷側ピーク（ｔ３）は、ＰＷＭ信号のオン期間（上り勾配）の中間地点に相当する。つまりリアクトル電流の極小値は、キャリア波の山側ピークから谷側ピークに向かう間（ｔ２）に表れる。言い換えると、極小値予測タイミングを行うキャリア波の山側ピークから下るスロープ中にリアクトル電流ＩＬの極小値が表れる。

このことから、キャリア波の谷側ピークにキャリア周波数の低下処理タイミングを設定した場合、キャリア波の山側ピークにおけるキャリア周波数と、その直後にリアクトル電流の極小値が表れるときのキャリア周波数は同一となる。このことから、予測された極小値は実際の極小値と一致して、正確なアームモードの切換え判定ができる。

図８には、極小値予測タイミングをキャリア波の谷側ピークに設定し、キャリア周波数の低下処理タイミングをキャリア波の山側ピークに設定した例が示されている。図８に示されているように、極小値予測タイミング（ｔ４）はリアクトル電流が谷側ピークから山側ピークに向かう上り勾配の中間位置となり、リアクトル電流の極小値が表れる（ｔ６）のは、キャリア波の山側ピーク（ｔ５）からキャリア波の谷側ピークに向かう中間位置となる。

つまり、図８の例では、リアクトル電流の極小値予測（ｔ４）→キャリア波の山側ピーク（ｔ５）→実際のリアクトル電流の極小値（ｔ６）との流れになる。このように、極小値予測タイミングと実際のリアクトル電流の極小値が表れるまでの間にキャリア波の山側ピークを挟み、かつ、この山側ピークをキャリア周波数の低下処理タイミングに設定すると、極小値予測の基準となるキャリア周波数と実際のリアクトル電流の極小値が生じるときのキャリア周波数とが異なるおそれがある。その結果、予測極小値は実際の極小値とは異なる値となり、正確なアームモードの切換え判定が困難となる。

＜キャリア周波数の低下処理タイミング及び極大値予測タイミング：降圧（回生）時＞
次に、降圧モード（上アーム単独モード）について説明する。

まず、図５及び図６から明らかに、キャリア周波数の低下処理タイミングと極値予測タイミングが同期する（山側ピーク＆山側ピーク、または谷側ピーク＆谷側ピーク）とき、予測極大値と実際の極大値は一致して、正確なアームモードの切換え判定が可能となる。

図９、図１０は、キャリア周波数の低下処理タイミングと極値予測タイミングが非同期であるときの例が示されている。このうち、図９には、極値予測タイミングをキャリア波の谷側ピークに設定し、キャリア周波数の低下処理タイミングをキャリア波の山側ピークに設定したときの例が示されている。

この例で示すように、リアクトル電流ＩＬの極大値（ｔ８）は、キャリア波の谷側ピーク（ｔ７）から山側ピーク（ｔ９）に向かう間に表れる。したがって、キャリア波の谷側ピーク（ｔ７）で極大値予測を行えば、キャリア波の山側ピークにキャリア周波数の低下処理タイミングを設定しても、リアクトル電流ＩＬの予測極大値と実際極大値とが一致する。この結果、正確なアームモードの切換え判定が可能となる。

図１０には、極値予測タイミングをキャリア波の山側ピークに設定し、キャリア周波数の低下処理タイミングをキャリア波の谷側ピークに設定したときの例が示されている。リアクトル電流ＩＬの実際の極大値は、キャリア波の谷側ピークから山側ピークに向かう間に表れる。したがって、キャリア波の山側ピークで極大値を予測した（ｔ１０）場合、キャリア波の谷側ピーク（ｔ１１）を挟んでリアクトル電流の実際の極大値（ｔ１２）が表れるようになる。

このとき、キャリア波の谷側ピークにキャリア周波数の低下処理タイミングを設定していることから、キャリア波の山側ピークで極大値予測（ｔ１０）→キャリア周波数の低下処理実行（ｔ１１）→実際の極大値発生（ｔ１２）との流れになる可能性がある。このような場合、極大値予測の基準となるキャリア周波数と実際のリアクトル電流の極大値が生じるときのキャリア周波数とが異なることとなる。その結果、予測極大値は実際の極大値とは異なる値となり、正確なアームモードの切換え判定が困難となる。

＜キャリア周波数の切り下げタイミング及び極値の予測タイミングのまとめ＞
図１１には、図５〜図１０までの例をまとめた表が示されている。○は正確なアームモードの切換え判定を行うことのできる、言い換えると、極値予測の際に低下処理後のキャリア周波数が取得可能なケースであり、×は正確なアームモードの切換え判定ができない、言い換えると、極値予測の際に低下処理後のキャリア周波数の取得ができない場合があるケースを示している。キャリア低下処理のタイミングと極値予測のタイミングの設定にあたり、×のケースを避けるような組み合わせを選択すればよい。

例えば、昇圧モードと降圧モードとを問わず、キャリア低下処理と極値予測のタイミングを同期させる（昇圧時（１）＆降圧時（５）、または、昇圧時（２）＆降圧時（６））ようにすればよい。

また、昇圧時（力行時、下アーム単独モード）は、キャリア低下処理のタイミングをキャリア波の谷側ピークで行い（（２）または（３））、降圧時（回生時、上アーム単独モード）はキャリア低下処理のタイミングをキャリア波の山側ピークで行う（（５）または（８））ようにすればよい。このとき、極値予測のタイミングは、キャリア波の山側ピークでも、谷側ピークでもどちらでもよい。

キャリア低下処理と極値予測のタイミングを同期させる場合、一方の制御時に他方の制御状態を確認する必要があるが、上記のケースでは、極値予測のタイミングをキャリア低下処理のタイミングに合わせる必要がない。したがって、キャリア低下処理と極値予測のタイミングを同期させるケースと比較して、極値予測及びこれに伴うアームモードの切換え判定のフローが簡素化する。

また、昇圧時（力行時、下アーム単独モード）は、極小値予測タイミングをキャリア波の山側ピークで行い（（１）または（３））、降圧時（回生時、上アーム単独モード）は極大値予測タイミングをキャリア波の谷側ピークで行う（（６）または（８））ようにすればよい。このとき、キャリア周波数の低下処理タイミングは、キャリア波の山側ピークでも、谷側ピークでもどちらでもよい。

このケースでは、キャリア低下処理のタイミングを極値予測のタイミングに合わせる必要がない。したがって、キャリア低下処理と極値予測のタイミングを同期させるケースと比較して、キャリア低下処理のフローを簡素化できる。

１０電源システム、１２車両、２０バッテリ、２２電圧変換器、２４制御部、２６Ａ，２６Ｂインバータ、２８電流センサ、３１リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２回転電機、Ｓ１上アームスイッチング素子、Ｓ２下アームスイッチング素子。

Claims

負荷に電力を供給するバッテリと、
一次側が前記バッテリに接続されるとともに二次側が前記負荷に接続され、リアクトルと、前記リアクトルとともに前記一次側から前記二次側への昇圧回路を形成する下アームスイッチング素子と、前記リアクトルとともに前記二次側から前記一次側への降圧回路を形成する上アームスイッチング素子と、を備えた電圧変換器と、
前記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する電流センサと、
前記各スイッチング素子をパルス幅変調制御に従ってオン・オフする制御部と、を含む電源システムであって、
前記制御部は、
前記電流センサで検出したリアクトル電流に応じて、前記各スイッチング素子の内のいずれか一方のみをパルス幅変調制御に従ってオン・オフ動作させて前記昇圧及び降圧のいずれか一方の電圧変換を行う一方向電圧変換モードと、前記各スイッチング素子の両方をパルス幅変調制御に従って相補的にオン・オフ動作させて前記昇圧及び降圧の両方を行う双方向電圧変換モードと、を切換えるモード変換手段と、
前記各スイッチング素子の動作状態に応じて、パルス幅変調制御のキャリア周波数を低下させるキャリア周波数低下手段と、を備え、
前記モード変換手段は、前記電流センサで検出したリアクトル電流及び低下後のキャリア周波数に基づいて、前記一方向電圧変換モードのうち昇圧時には、前記リアクトル電流の極小値を予測し、前記一方向電圧変換モードのうち降圧時には、前記リアクトル電流の極大値を予測し、予測された極大値または極小値と前記検出したリアクトル電流値との正負符号が異なる場合には、前記一方向電圧変換モードから前記双方向電圧変換モードに切換えること、
を特徴とする、電源システム。
請求項１に記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記キャリア周波数の低下処理と前記極大値または極小値の予測を同期して行うことを特徴とする、電源システム。
請求項１に記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記極大値または極小値の予測をキャリア波の山側ピーク時または谷側ピーク時に行うとともに、昇圧時はキャリア波の谷側ピーク時に前記キャリア周波数の低下処理を行い、降圧時はキャリア波の山側ピーク時に前記キャリア周波数の低下処理を行うことを特徴とする、電源システム。
請求項１に記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記キャリア周波数の低下処理を、キャリア波の山側ピーク時または谷側ピーク時に行うとともに、昇圧時はキャリア波の山側ピーク時に極小値の予測を行い、降圧時はキャリア波の谷側ピーク時に前記極大値の予測を行うことを特徴とする、電源システム。