JP6292801B2 - 電源システム - Google Patents

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Description

この発明は、電源システムに関し、より特定的には、複数の直流電源と電力線との間に接続された電力変換器を含んで構成された電源システムの制御に関する。
複数の電源を組合せて負荷へ電源を供給する電力供給装置が、たとえば、特開2010−57288号公報(特許文献1)、特開2008−54477号公報(特許文献2)および、特開2000−295715号公報(特許文献3)に記載されている。これらの特許文献に記載された電力供給装置では、複数の電源の接続態様が変化する複数の動作モードが、切替えられて電力変換器の制御に適用される。
また、特開2012−70514号公報(特許文献4)には、複数のスイッチング素子の制御によって、2つの直流電源を直列した状態でDC/DC変換を行なう動作モード(直列接続モード)と、2つの直流電源を並列にして使用する状態でDC/DC変換を行なう動作モード(並列接続モード)とを切替えることが可能な電力変換器の構成が記載されている。
特開2010−57288号公報 特開2008−54477号公報 特開2000−295715号公報 特開2012−70514号公報
特許文献1〜4では、負荷の動作状態などに応じて電力変換器の動作モードが切替えられるが、この切替時に、どのような制限ないし制御を行なうべきかについては、明確に記載されていない。一方で、動作モードの変化時には、複数の直流電源と電力線の間における電力変換の態様が変化するため、動作モードの切替に応じて直流電源の出力が大きく変動すると、直流電源の保護や負荷への出力変動に影響が生じる虞がある。
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、複数の直流電源と電力線との間に接続された電力変換器が複数の動作モードを有するように構成された電源システムにおいて、複数の動作モード間の切替を円滑に行なうように電力変換器の動作を制御することである。
この発明のある局面では、電源システムは、負荷に接続された電力線と、複数の直流電源と、複数の直流電源および電力線の間に接続された電力変換器と、電力変換器の動作を制御するための制御装置とを含む。電力変換器は、複数のスイッチング素子を含み、かつ、複数の直流電源と電力線との間での電力変換の態様が異なる複数の動作モードのうちの1つの動作モードを適用されて動作することによって電力線上の出力電圧を制御するように構成される。複数の動作モードは、複数の直流電源の間での電力配分が電力変換器を通じて制御可能である第1の動作モードと、複数の直流電源の間での電力配分が電力変換器を通じて固定的に決まる第2の動作モードとを含む。制御装置は、モード選択手段と、動作モード切替制御手段とを含む。モード選択手段は、複数の動作モードから、負荷ならび
に複数の直流電源の状態に応じて1つの動作モードを選択する。動作モード切替制御手段は、電力変換器に現在適用されている現在の動作モードと、モード選択手段によって選択された移行先の動作モードとが異なる場合に、現在の動作モードから移行先の動作モードへの切替を制御する。さらに、動作モード切替制御手段は、現在の動作モードが第1の動作モードであり、移行先の動作モードが第2の動作モードである場合には、第1の動作モードにおいて複数の直流電源の間での電力配分を、移行先の動作モードが適用された場合の電力配分比に制御した後に、移行先の動作モードへの切替を実行する。
好ましくは、動作モード切替制御手段は、複数のモードのうちの第2の動作モードに属する1つのモードが現在の動作モードであり、かつ、移行先の動作モードが複数のモードのうちの第2の動作モードに属する他の1つのモードである場合には、現在の動作モードから第1の動作モードに切替えて、第1の動作モードにおいて複数の直流電源の間での電力配分を制御した後に、移行先の動作モードへの切替を実行する。
あるいは好ましくは、動作モード切替制御手段は、移行先の動作モードが適用されたときの電力配分比に従った各直流電源の電力が各直流電源の制約値に達している場合には、当該移行先の動作モードへの切替を禁止する。
また好ましくは、動作モード切替制御手段は、現在の出力電圧が、移行先の動作モードによる出力電圧の制御可能範囲から外れている場合には、出力電圧が制御可能範囲内となるように現在の動作モードによる電力変換器を動作させた後に、移行先の動作モードへの切替を実行する。
好ましくは、複数の直流電源は、第1および第2の直流電源によって構成され、複数のスイッチング素子は、第1から第4のスイッチング素子を含む。第1のスイッチング素子は、第1のノードおよび電力線の間に電気的に接続される。第2のスイッチング素子は、第2のノードおよび第1のノードの間に電気的に接続される。第3のスイッチング素子は、第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび第2のノードの間に電気的に接続される。第4のスイッチング素子は、第1の直流電源の負極端子および第3のノードの間に電気的に接続される。電力変換器は、第1および第2のリアクトルをさらに含む。第1のリアクトルは、第2のノードおよび第1の直流電源の正極端子の間に電気的に接続される。第2のリアクトルは、第1のノードおよび第2の直流電源の正極端子の間に電気的に接続される。第1の動作モードは、第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御によって、第1および第2の直流電源が電力線との間で並列に直流電圧変換を実行する第1のモードを含む。第2の動作モードは、第3のスイッチング素子をオン固定するとともに第1、第2および第4のスイッチング素子をオンオフ制御することによって、第1および第2の直流電源が直列接続された状態で電力線との間で直流電圧変換を実行する第2のモードを含む。
さらに好ましくは、動作モード切替制御手段は、複数のモードのうちの第2の動作モードに属する1つのモードが現在の動作モードであり、かつ、移行先の動作モードが複数のモードのうちの第2の動作モードに属する他の1つのモードである場合には、現在の動作モードから第1の動作モードに切替えて、第1の動作モードにおいて第1および第2の直流電源の間での電力配分を制御した後に、移行先の動作モードへの切替を実行する。
さらに好ましくは、動作モード切替制御手段は、移行先の動作モードが適用されたときの電力配分比に従った各直流電源の電力が各直流電源の制約値に達している場合には、当該移行先の動作モードへの切替を禁止する。
また好ましくは、動作モード切替制御手段は、現在の出力電圧が、移行先の動作モード
による出力電圧の制御可能範囲から外れている場合には、出力電圧が制御可能範囲内となるように現在の動作モードによる電力変換器を動作させた後に、移行先の動作モードへの切替を実行する。
あるいは好ましくは、制御装置は、デューティ比演算手段と、パルス幅変調制御手段と、キャリア位相制御手段とを含む。デューティ比演算手段は、第1の直流電源からの出力を制御するための第1のデューティ比および第2の直流電源からの出力を制御するための第2のデューティ比を演算する。パルス幅変調制御手段は、第1のキャリア波および第1のデューティ比の比較、ならびに、第2のキャリア波および第2のデューティ比の比較によるパルス幅変調に従ってそれぞれ得られた第1および第2の制御パルス信号に基づいて、第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御信号を生成する。キャリア位相制御手段は、第1および第2のモードの適用時において第1のキャリア波と第2のキャリア波との位相差を可変に制御する。動作モード切替制御手段は、移行先の動作モードが第2のモードである場合には、第1のモードにより電力変換器を動作させて、第1の直流電源の電流の下降タイミングと第2の直流電源の電流の上昇タイミングとが重なような電流位相となるように、あるいは、第1の直流電源の電流の上昇タイミングと第2の直流電源の電流の下降タイミングとが重なような電流位相となるように位相差を制御した後に、第2のモードへの切替を実行する。
好ましくは、第2の動作モードは、第3のモードと、第4のモードと、第5のモードと、第6のモードとをさらに含む。第3のモードでは、電力変換器は、第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御によって、第1および第2の直流電源の一方の直流電源と電力線との間で直流電圧変換を実行するように動作する。第4のモードでは、電力変換器は、第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、電力線に対して第1および第2の直流電源が並列に接続された状態を維持するように動作する。第5のモードでは、電力変換器は、第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、電力線に対して第1および第2の直流電源が直列に接続された状態を維持するように動作する。第6のモードでは、電力変換器は、第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、第1および第2の直流電源の一方が電力線に電気的に接続される状態を維持するように動作する。
この発明によれば、複数の直流電源と電力線との間に接続された電力変換器が複数の動作モードを有するように構成された電源システムにおいて、複数の動作モード間の切替を円滑に行なうように電力変換器の動作を制御することができる。
本発明の実施の形態1に従う電力変換器を含む電源システムの構成を示す回路図である。 図1に示した負荷の構成例を示す概略図である。 図1に示した電力変換器が有する複数の動作モードを説明するための図表である。 図1に示した2個の直流電源を異なる種類の電源で構成した場合における両直流電源の特性の一例を示す概念図である。 PBモードにおける第1の回路動作を説明する回路図である。 PBモードにおける第2の回路動作を説明する回路図である。 PBモードにおける第1の直流電源に対するDC/DC変換(昇圧動作)を説明する回路図である。 PBモードにおける第2の直流電源に対するDC/DC変換(昇圧動作)を説明する回路図である。 PBモードにおける電力変換器のスイッチング素子の制御動作例を示す波形図である。 PBモードにおける各スイッチング素子の制御信号を設定するための論理演算式を説明するための図表である。 SBモードにおける回路動作を説明する回路図である。 SBモードにおけるDC/DC変換(昇圧動作)を説明する回路図である。 SBモードにおける電力変換器のスイッチング素子の制御動作例を示す波形図である。 SBモードにおける各スイッチング素子の制御信号を設定するための論理演算式を説明するための図表である。 本発明の実施の形態1に従う電力変換器制御によるモード選択に関連した制御構成を説明するための機能ブロック図である。 コンバータ指令生成部からの動作指令値に従う電力変換器の制御構成を説明するための機能ブロック図である。 電力変換器の動作モードの切替に係る本実施の形態1に従う制御処理を説明するためのフローチャートである。 PBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 SBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 aBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 bBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 PDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 SDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 aDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 bDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。 本実施の形態2に従う電力変換器制御によるキャリア位相制御適用時におけるPBモードの制御動作例を示す波形図である。 本実施の形態2に従うキャリア位相制御を適用するための電力変換器の制御構成を説明するための機能ブロック図である。 PBモードにおけるキャリア位相制御による電流位相を説明する波形図である。 図28の所定期間における電流経路を説明する回路図である。 図28に示した電流位相でのスイッチング素子の電流波形図である。 キャリア波間の位相差=0のときの電流位相を示す波形図である。 図31に示した電流位相でのスイッチング素子の電流波形図である。 直流電源の各動作状態におけるPBモードでのキャリア位相制御を説明するための図表である。 SBモードにおける2個の直流電源の状態を説明する図である。 キャリア位相制御を適用したときのSBモードにおける制御パルス信号を示す波形図である。 SBモードでの制御信号の設定を説明するための図表である。 電力変換器の動作モードの切替に係る本実施の形態2に従う制御処理を説明するためのフローチャートである。 キャリア位相要件の判定のための制御処理を詳細に説明するためのフローチャートである。
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さないものとする。
[実施の形態1]
(電力変換器の回路構成)
図1は、本発明の実施の形態1に従う電力変換器を含む電源システムの構成を示す回路図である。
図1を参照して、電源システム5は、複数の直流電源10aおよび10bと、負荷30と、電力変換器50とを備える。
本実施の形態において、直流電源10aおよび10bの各々は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池、あるいは、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の出力特性に優れた直流電圧源要素により構成される。直流電源10aおよび直流電源10bは、「第1の直流電源」および「第2の直流電源」にそれぞれ対応する。
電力変換器50は、直流電源10aおよび10bと、電力線20との間に接続される。電力変換器50は、負荷30と接続された電力線20上の直流電圧(以下、出力電圧VHとも称する)を電圧指令値VH*に従って制御する。すなわち、電力線20は、直流電源10aおよび10bに対して共通に設けられる。
負荷30は、電力変換器50の出力電圧VHを受けて動作する。電圧指令値VH*は、負荷30の動作に適した電圧に設定される。電圧指令値VH*は、負荷30の動作状態に応じて可変に設定されてもよい。さらに、負荷30は、回生発電等によって、直流電源10a,10bの充電電力を発生可能に構成されてもよい。
電力変換器50は、スイッチング素子S1〜S4と、リアクトルL1,L2とを含む。本実施の形態において、スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるい
は電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子S1〜S4に対しては、逆並列ダイオードD1〜D4が配置されている。また、スイッチング素子S1〜S4は、制御信号SG1〜SG4にそれぞれ応答して、オンオフを制御することが可能である。すなわち、スイッチング素子S1〜S4は、制御信号SG1〜SG4がハイレベル(以下、Hレベル)のときにオンする一方で、ローレベル(以下、Lレベル)のときにオフする。
スイッチング素子S1は、電力線20およびノードN1の間に電気的に接続される。リアクトルL2は、ノードN1と直流電源10bの正極端子との間に接続される。スイッチング素子S2はノードN1およびN2の間に電気的に接続される。リアクトルL1はノードN2と直流電源10aの正極端子との間に接続される。
スイッチング素子S3は、ノードN2およびN3の間に電気的に接続される。ノードN3は、直流電源10bの負極端子と電気的に接続される。スイッチング素子S4は、ノードN3および接地配線21の間に電気的に接続される。接地配線21は、負荷30および
、直流電源10aの負極端子と電気的に接続される。
図1から理解されるように、電力変換器50は、直流電源10aおよび直流電源10bの各々に対応して昇圧チョッパ回路を備えた構成となっている。すなわち、直流電源10aに対しては、スイッチング素子S1,S2を上アーム素子とする一方で、スイッチング素子S3,S4を下アーム素子とする電流双方向の第1の昇圧チョッパ回路が構成される。同様に、直流電源10bに対しては、スイッチング素子S1,S4を上アーム素子とする一方で、スイッチング素子S2,S3を下アーム素子とする電流双方向の第2の昇圧チョッパ回路が構成される。
そして、第1の昇圧チョッパ回路によって、直流電源10aおよび電力線20の間に形成される電力変換経路と、第2の昇圧チョッパ回路によって、直流電源10bおよび電力線20の間に形成される電力変換経路との両方に、スイッチング素子S1〜S4が含まれる。
制御装置40は、負荷30への出力電圧VHを制御するために、スイッチング素子S1〜S4のオンオフを制御する制御信号SG1〜SG4を生成する。なお、図1では図示を省略しているが、直流電源10aの電圧(以下、Vaと表記する)および電流(以下、Iaと表記する)、直流電源10bの電圧(以下、Vbと表記する)および電流(以下、Ibと表記する)、ならびに、出力電圧VHの検出器(電圧センサ,電流センサ)が設けられている。さらに、直流電源10aおよび10bの温度(以下、TaおよびTbと表記する)の検出器(温度センサ)についても配置することが好ましい。これらの検出器の出力は、制御装置40へ与えられる。制御装置40は、ECU(Electronic Control Unit)
によって構成することができる。
図1の構成において、スイッチング素子S1〜S4は、「第1のスイッチング素子」〜「第4のスイッチング素子」にそれぞれ対応し、リアクトルL1およびL2は、「第1のリアクトル」および「第2のリアクトル」にそれぞれ対応する。
図2は、負荷30の構成例を示す概略図である。
図2を参照して、負荷30は、たとえば電動車両の走行用電動機を含むように構成される。負荷30は、平滑コンデンサCHと、インバータ32と、モータジェネレータ35と、動力伝達ギヤ36と、駆動輪37とを含む。
モータジェネレータ35は、車両駆動力を発生するための走行用電動機であり、たとえば、複数相の永久磁石型同期電動機で構成される。モータジェネレータ35の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ36を経由して、駆動輪37へ伝達される。駆動輪37に伝達されたトルクにより電動車両が走行する。また、モータジェネレータ35は、電動車両の回生制動時には、駆動輪37の回転力によって発電する。この発電電力は、インバータ32によってAC/DC変換される。この直流電力は、電源システム5に含まれる直流電源10a,10bの充電電力として用いることができる。
モータジェネレータの他にエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ35を協調的に動作させることによって、電動車両に必要な車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いて直流電源10a,10bを充電することも可能である。
このように、電動車両は、走行用電動機を搭載する車両を包括的に示すものであり、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車と、エンジンを搭載しない電気自動車および燃料電池車との両方を含むものである。
(電力変換器の動作モード)
電力変換器50は、直流電源10a,10bと電力線20との間での直流電力変換の態様が異なる複数の動作モードを有する。
図3には、電力変換器50が有する複数の動作モードが示される。
図3を参照して、動作モードは、スイッチング素子S1〜S4の周期的なオンオフ制御に伴って直流電源10aおよび/または10bの出力電圧を昇圧する「昇圧モード(B)」と、スイッチング素子S1〜S4のオンオフを固定して直流電源10aおよび/または10bを電力線20と電気的に接続する「直結モード(D)」とに大別される。
昇圧モードには、直流電源10aおよび10bと電力線20との間で並列なDC/DC変換を行なう「パラレル昇圧モード(以下、PBモード)」と、直列接続された直流電源10aおよび10bと電力線20との間でDC/DC変換を行なう「シリーズ昇圧モード(以下、SBモード)」とが含まれる。PBモードは、特許文献4での「パラレル接続モード」に対応し、SBモードは、特許文献4での「シリーズ接続モード」に対応する。
さらに、昇圧モードには、直流電源10aのみを用いて電力線20との間でDC/DC変換を行なう「直流電源10aによる単独モード(以下、aBモード)」と、直流電源10bのみを用いて電力線20との間でDC/DC変換を行なう「直流電源10bによる単独モード(以下、bBモード)」とが含まれる。aBモードでは、直流電源10bは、出力電圧VHが直流電源10bの電圧Vbよりも高く制御されている限りにおいて、電力線20と電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。同様に、bBモードでは、直流電源10aは、出力電圧VHが直流電源10aの電圧Vaよりも高く制御されている限りにおいて、電力線20と電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。
昇圧モードに含まれる、PBモード、SBモード、aBモードおよびbBモードの各々では、電力線20の出力電圧VHは、電圧指令値VH*に従って制御される。これらの各モードにおけるスイッチング素子S1〜S4の制御については後述する。
直結モードには、直流電源10aおよび10bを電力線20に対して並列に接続した状態を維持する「並列直結モード(以下、PDモード)」と、直流電源10aおよび10bを電力線20に対して直列に接続した状態を維持する「シリーズ直結モード(以下、SDモード)」とが含まれる。
PDモードでは、スイッチング素子S1,S2,S4をオンに固定する一方で、スイッチング素子S3がオフに固定される。これにより、出力電圧VHは、直流電源10a,10bの電圧Va,Vb(厳密にはVa,Vbのうちの高い方の電圧)と同等となる。Va,Vb間の電圧差は直流電源10a,10bに短絡電流を生じさせるので、当該電圧差が小さいときに限定して、PDモードを適用することができる。
SDモードでは、スイッチング素子S2,S4がオフに固定される一方で、スイッチング素子S1,S3がオンに固定される。これにより、出力電圧VHは、直流電源10a,10の電圧Va,Vbの和と同等となる(VH=Va+Vb)。
さらに、直結モードには、直流電源10aのみを電力線20と電気的に接続する「直流電源10aの直結モード(以下、aDモード)」と、直流電源10bのみを電力線20と電気的に接続する「直流電源10bの直結モード(以下、bDモード)」とが含まれる。
aDモードでは、スイッチング素子S1,S2がオンに固定される一方で、スイッチング素子S3,S4がオフに固定される。これにより、直流電源10bは電力線20から切
り離された状態となり、出力電圧VHは、直流電源10aの電圧Vaと同等となる(VH=Va)。aDモードでは、直流電源10bは、電力線20と電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、Vb>Vaの状態でaDモードを適用すると、スイッチング素子S2を介して直流電源10bから10aに短絡電流が生じる。このため、aDモードの適用には、Va>Vbが必要条件となる。
同様に、bDモードでは、スイッチング素子S1,S4がオンに固定される一方で、スイッチング素子S2,S3がオフに固定される。これにより、直流電源10aは電力線20から切り離された状態となり、出力電圧VHは、直流電源10bの電圧Vbと同等となる(VH=Vb)。bDモードでは、直流電源10aは、電力線20と電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、Va>Vbの状態でbDモードを適用すると、ダイオードD2を介して直流電源10aから10bに短絡電流が生じる。このため、bDモードの適用には、Vb>Vaが必要条件となる。
直結モードに含まれる、PDモード、SDモード、aDモードおよびbDモードの各々では、電力線20の出力電圧VHは、直流電源10a,10bの電圧Va,Vbに依存して決まるため、直接制御することができなくなる。このため、直結モードに含まれる各モードでは、出力電圧VHが負荷30の動作に適した電圧に設定できなくなることにより、負荷30での電力損失が増加する可能性がある。
一方で、直結モードでは、スイッチング素子S1〜S4がオンオフされないため、電力変換器50の電力損失が大幅に抑制される。したがって、負荷30の動作状態によっては、直結モードの適用によって、負荷30の電力損失増加量よりも電力変換器50での電力損失減少量が多くなることにより、電源システム5全体での電力損失が抑制できる可能性がある。
図3において、PBモードは「第1のモード」に対応し、SBモードは「第2のモード」に対応し、aBモードおよびbBモードは「第3のモード」に対応する。また、PDモードは「第4のモード」に対応し、SDモードは「第5のモード」に対応し、aDモードおよびbDモードは「第6のモード」に対応する。
図4は、直流電源10a,10bを異なる種類の電源で構成した場合における両直流電源の特性の一例を示す概念図である。図4には、横軸にエネルギ、縦軸に電力をプロットした、いわゆるラゴンプロットが示される。一般的に、直流電源の出力パワーおよび蓄積エネルギはトレードオフの関係にあるため、高容量型のバッテリでは高出力を得ることが難しく、高出力型のバッテリでは蓄積エネルギを高めることが難しい。
したがって、直流電源10a,10bは、一方が、蓄積エネルギが高い、いわゆる高容量型の電源で構成されるのに対して、他方が、出力パワーが高い、いわゆる高出力型の電源で構成されることが好ましい。このようにすると、高容量型の電源に蓄積されたエネルギを平準的に長期間使用する一方で、高出力型の電源をバッファとして使用して、高容量型の電源による不足分を出力することができる。
図4の例では、直流電源10aが高容量型の電源で構成される一方で、直流電源10bは高出力型の電源で構成される。したがって、直流電源10aの動作領域110は、直流電源10bの動作領域120と比較して、出力可能な電力範囲が狭い。一方で、動作領域120は、動作領域110と比較して、蓄積可能なエネルギ範囲が狭い。
負荷30の動作点101では、高パワーが短時間要求される。たとえば、電動車両では、動作点101は、ユーザのアクセル操作による急加速時に対応する。これに対して、負
荷30の動作点102では、比較的低パワーが長時間要求される。たとえば、電動車両では、動作点102は、継続的な高速定常走行に対応する。
動作点101に対しては、主に、高出力型の直流電源10bからの出力によって対応することができる。一方で、動作点102に対しては、主に、高容量型の直流電源10aからの出力によって対応することができる。これにより、電動車両では、高容量型のバッテリに蓄積されたエネルギを長時間に亘って使用することによって、電気エネルギによる走行距離を延ばすことができるとともに、ユーザのアクセル操作に対応した加速性能を速やかに確保することができる。
このように、種類および容量の異なる直流電源を組み合わせることにより、各直流電源の特性を活かして、システム全体で有効に蓄積エネルギを使用することができる。ただし、直流電源10a,10bの組み合わせはこの例に限定されるものではなく、同種および/または同容量の直流電源(蓄電装置)によって構成することも可能である。
また、直流電源がバッテリによって構成される場合には、低温時に出力特性が低下する可能性や、高温時に劣化進行を抑制するために充放電が制限される可能性がある。特に、電動車両では、搭載位置の差異によって、直流電源10a,10bの間に温度差が発生するケースも生じる。したがって、電源システム5では、直流電源10a,10bの動作状態(特に温度)に応じて、あるいは、上述したような負荷30の要求に応じて、いずれか一方の直流電源のみを使用した方が、効率的であるケースが存在する。上述したような、直流電源10a,10bの一方のみを使用するモード(aBモード,bBモード,aDモード,bDモード)を設けることによって、これらのケースに対応することができる。
すなわち、本実施の形態に従う電力変換器50では、直流電源10a,10bおよび負荷30の動作状態に応じて、図3に示した、複数の動作モードのうちのいずれかの動作モードが選択される。
(各動作モードでの回路動作)
次に、各動作モードにおける電力変換器50の回路動作を説明する。まず、直流電源10aおよび10bと電力線20との間で並列なDC/DC変換を行なうPBモードでの回路動作について、図5〜図8を用いて説明する。
(PBモードにおける回路動作)
図5および図6に示されるように、スイッチング素子S4またはS2をオンすることによって、直流電源10aおよび10bを電力線20に対して並列に接続することができる。ここで、並列接続モードでは、直流電源10aの電圧Vaと直流電源10bの電圧Vbとの高低に応じて等価回路が異なってくる。
図5(a)に示されるように、Vb>Vaのときは、スイッチング素子S4をオンすることにより、スイッチング素子S2,S3を介して、直流電源10aおよび10bが並列に接続される。このときの等価回路が図5(b)に示される。
図5(b)を参照して、直流電源10aおよび電力線20の間では、スイッチング素子S3のオンオフ制御によって、下アーム素子のオン期間およびオフ期間を交互に形成できる。同様に、直流電源10bおよび電力線20の間では、スイッチング素子S2,S3を共通にオンオフ制御することによって、昇圧チョッパ回路の下アーム素子のオン期間およびオフ期間を交互に形成できる。なお、スイッチング素子S1は、負荷30からの回生を制御するスイッチとして動作する。
一方、図6(a)に示されるように、Va>Vbのときには、スイッチング素子S2をオンすることにより、スイッチング素子S3,S4を介して、直流電源10aおよび10bが並列に接続される。このときの等価回路が図6(b)に示される。
図6(b)を参照して、直流電源10bおよび電力線20の間では、スイッチング素子S3のオンオフ制御によって、下アーム素子のオン期間およびオフ期間を交互に形成できる。同様に、直流電源10aおよび電力線20の間では、スイッチング素子S3,S4を共通にオンオフ制御することによって、昇圧チョッパ回路の下アーム素子のオン期間およびオフ期間を交互に形成できる。なお、スイッチング素子S1は、負荷30からの回生を制御するスイッチとして動作する。
次に、図7および図8を用いて、電力変換器50のPBモードにおける昇圧動作について詳細に説明する。
図7には、PBモードにおける直流電源10aに対するDC/DC変換(昇圧動作)が示される。
図7(a)を参照して、スイッチング素子S3,S4のペアをオンし、スイッチング素子S1,S2のペアをオフすることによって、リアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路150が形成される。これにより、昇圧チョッパ回路の下アーム素子をオンした状態が形成される。
これに対して、図7(b)を参照して、スイッチング素子S3,S4のペアをオフするとともに、スイッチング素子S1,S2のペアをオンすることによって、リアクトルL1の蓄積エネルギを直流電源10aのエネルギとともに出力するための電流経路151が形成される。これにより、昇圧チョッパ回路の上アーム素子をオンした状態が形成される。
スイッチング素子S3,S4のペアがオンされる一方で、スイッチング素子S1,S2の少なくとも一方がオフされている第1の期間と、スイッチング素子S1,S2のペアがオンされる一方で、スイッチング素子S3,S4の少なくとも一方がオフされている第2の期間とを交互に繰返すことにより、図7(a)の電流経路150および図7(b)の電流経路151が交互に形成される。
この結果、スイッチング素子S1,S2のペアを等価的に上アーム素子とし、スイッチング素子S3,S4のペアを等価的に下アーム素子とする昇圧チョッパ回路が、直流電源10aに対して構成される。図7に示されるDC/DC変換動作では、直流電源10bへの電流流通経路がないため、直流電源10aおよび10bは互いに非干渉である。すなわち、直流電源10aおよび10bに対する電力の入出力を独立に制御することが可能である。
このようなDC/DC変換において、直流電源10aの電圧Vaと、電力線20の出力電圧VHとの間には、下記(1)式に示す関係が成立する。(1)式では、スイッチング素子S3,S4のペアがオンされる期間のデューティ比をDaとする。
VH=1/(1−Da)・Va …(1)
図8には、PBモードにおける直流電源10bに対するDC/DC変換(昇圧動作)が示される。
図8(a)を参照して、スイッチング素子S2,S3のペアをオンし、スイッチング素子S1,S4のペアをオフすることによって、リアクトルL2にエネルギを蓄積するため
の電流経路160が形成される。これにより、昇圧チョッパ回路の下アーム素子をオンした状態が形成される。
これに対して、図8(b)を参照して、スイッチング素子S2,S3のペアをオフするとともに、スイッチング素子S1,S4のペアをオンすることによって、リアクトルL2の蓄積エネルギを直流電源10bのエネルギとともに出力するための電流経路161が形成される。これにより、昇圧チョッパ回路の上アーム素子をオンした状態が形成される。
スイッチング素子S2,S3のペアがオンされる一方で、スイッチング素子S1,S4の少なくとも一方がオフされている第1の期間と、スイッチング素子S1,S4のペアがオンされる一方で、スイッチング素子S2,S3の少なくとも一方がオフされている第2の期間とを交互に繰返すことにより、図8(a)の電流経路160および図8(b)の電流経路161が交互に形成される。
この結果、スイッチング素子S1,S4のペアを等価的に上アーム素子とし、スイッチング素子S2,S3のペアを等価的に下アーム素子とする昇圧チョッパ回路が、直流電源10bに対して構成される。図8に示されるDC/DC変換動作では、直流電源10aを含む電流経路がないため、直流電源10aおよび10bは互いに非干渉である。すなわち、直流電源10aおよび10bに対する電力の入出力を独立に制御することが可能である。
このようなDC/DC変換において、直流電源10bの電圧Vbと、電力線20の出力電圧VHとの間には、下記(2)式に示す関係が成立する。(2)式では、スイッチング素子S2,S3のペアがオンされる期間のデューティ比をDbとする。
VH=1/(1−Db)・Vb …(2)
図9には、PBモードにおけるスイッチング素子の制御動作例を説明するための波形図が示される。図9には、直流電源10aのPWM制御に用いられるキャリア波CWaと、直流電源10bのPWM制御に用いられるキャリア波CWbとは、同一周波数かつ同一位相であるときの例が示される。
図9を参照して、たとえば、PBモードでは、特許文献4に記載されるように、直流電源10aおよび10bの一方の出力を、出力電圧VHの電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)を補償するようにフィードバック制御(電圧制御)するとともに、直流電源10aおよび10bの他方の出力を、電流IaまたはIbの電流指令値に対する電流偏差を補償するようにフィードバック制御(電流制御)することができる。この際に、電流制御の指令値(Ia*またはIb*)は、当該直流電源の電力を制御するように設定することができる。
一例として、直流電源10bの出力を電圧制御する一方で、直流電源10aの出力を電流制御するようにすると、デューティ比Daは電流偏差ΔIa(ΔIa=Ia*−Ia)に基づいて演算される一方で、デューティ比Dbは、電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)に基づいて演算される。
直流電源10aの出力を制御するためのデューティ比Daと、キャリア波CWaとの電圧比較に基づいて、制御パルス信号SDaが生成される。同様に、直流電源10bの出力を制御するためのデューティ比Dbと、キャリア波CWbとの比較に基づいて制御パルス信号SDbが生成される。制御パルス信号/SDa,/SDbは、制御パルス信号SDa,SDbの反転信号である。
図10に示されるように、制御信号SG1〜SG4は、制御パルス信号SDa(/SDa)およびSDb(/SDb)の論理演算に基づいて設定される。
スイッチング素子S1は、図7および図8の昇圧チョッパ回路の各々で上アーム素子を形成する。したがって、スイッチング素子S1のオンオフを制御する制御信号SG1は、制御パルス信号/SDaおよび/SDbの論理和によって生成される。この結果、スイッチング素子S1は、図7の昇圧チョッパ回路(直流電源10a)の上アーム素子および、図8の昇圧チョッパ回路(直流電源10b)の上アーム素子の両方の機能を実現するように、オンオフ制御される。
スイッチング素子S2は、図7の昇圧チョッパ回路では上アーム素子を形成し、図8の昇圧チョッパ回路では下アーム素子を形成する。したがって、スイッチング素子S2のオンオフを制御する制御信号SG2は、制御パルス信号/SDaおよびSDbの論理和によって生成される。これにより、スイッチング素子S2は、図7の昇圧チョッパ回路(直流電源10a)の上アーム素子および、図8の昇圧チョッパ回路(直流電源10b)の下アーム素子の両方の機能を実現するように、オンオフ制御される。
同様にして、スイッチング素子S3の制御信号SG3は、制御パルス信号SDaおよびSDbの論理和によって生成される。これにより、スイッチング素子S3は、図7の昇圧チョッパ回路(直流電源10a)の下アーム素子および、図8の昇圧チョッパ回路(直流電源10b)の下アーム素子の両方の機能を実現するように、オンオフ制御される。
また、スイッチング素子S4の制御信号SG4は、制御パルス信号SDaおよび/SDbの論理和によって生成される。これにより、スイッチング素子S4は、図7の昇圧チョッパ回路(直流電源10a)の下アーム素子および、図8の昇圧チョッパ回路(直流電源10b)の上アーム素子の両方の機能を実現するように、オンオフ制御される。
PBモードでは、制御信号SG2およびSG4が相補のレベルに設定されているので、スイッチング素子S2およびS4は相補的にオンオフされる。これにより、図5に示したVb>Vaのときの動作と、図6に示したVa>Vbの動作とが、自然に切替えられる。さらに、スイッチング素子S1,S3が相補にオンオフされることにより、直流電源10a,10bについて、デューティ比Da,Dbに従った直流電力変換が実行できる。
再び図9を参照して、制御信号SG1〜SG4は、図10に示された論理演算式に従って、制御パルス信号SDa(/SDa)およびSDb(/SDb)に基づいて生成される。制御信号SG1〜SG4に従ってスイッチング素子S1〜S4をオンオフすることにより、リアクトルL1を流れる電流I(L1)およびリアクトルL2を流れる電流I(L2)が制御される。電流I(L1)は直流電源10aの電流Iaに相当し、電流I(L2)は直流電源10bの電流Ibに相当する。
このように、PBモードでは、直流電源10a,10bと電力線20との間で並列に直流電力を入出力するDC/DC変換を実行した上で、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。さらに、電流制御の対象となる直流電源の電流指令値に応じて、当該直流電源の入出力電力を制御することができる。
PBモードでは、負荷30の入出力電力(以下、負荷電力PLとも称する)に対する、電流制御される直流電源からの入出力電力による不足分が、電圧制御される直流電源から入出力されることになる。このため、電流制御での電流指令値の設定によって、直流電源間での電力配分比を間接的に制御することが可能となる。また、電流指令値の設定によって、一方の直流電源からの出力電力によって、他方の直流電源を充電する動作も可能で
ある。なお、以下では、電力Pa,Pb、直流電源10a,10b全体が電力線20に対して入出力する総電力PH(PH=Pa+Pb)、および負荷電力PLは、各直流電源10a,10bの放電時および負荷30の力行動作時の電力値を正値で表し、各直流電源10a,10bの充電時および負荷30の回生動作時の電力値を負値で表すこととする。
(直結モードにおける回路動作)
直結モードでは、図3に従ってスイッチング素子S1〜S4のオンオフを固定することによって、PDモード、SDモード、aDモードおよびbDモードのいずれかが実現されることが理解される。
PDモードでは、スイッチング素子S1,S2,S4をオンに固定する一方で、スイッチング素子S3がオフに固定されることにより、VH=max(Va,Vb)となる。また、SDモードでは、スイッチング素子S2,S4がオフに固定される一方で、スイッチング素子S1,S3がオンに固定されるので、VH=Va+Vbとなる。
aDモードでは、スイッチング素子S1,S2がオンに固定される一方で、スイッチング素子S3,S4がオフに固定されることにより、VH=Va(ただし、Va>Vb)となる。一方で、bDモードでは、スイッチング素子S1,S4がオンに固定される一方で、スイッチング素子S2,S3がオフに固定されることにより、VH=Vb(ただし、Vb>Va)となる。
(SBモードにおける回路動作)
次に、SBモードでの回路動作を、図11および図12を用いて説明する。
図11(a)に示されるように、スイッチング素子S3をオン固定することによって、直流電源10aおよび10bを電力線20に対して直列に接続することができる。このときの等価回路が図11(b)に示される。
図11(b)を参照して、SBモードでは、直列接続された直流電源10aおよび10bと電力線20との間では、スイッチング素子S2,S4を共通にオンオフ制御することによって、昇圧チョッパ回路の下アーム素子のオン期間およびオフ期間を交互に形成できる。なお、スイッチング素子S1は、スイッチング素子S2,S4のオフ期間にオンされることによって、負荷30からの回生を制御するスイッチとして動作する。また、オン固定されたスイッチング素子S3により、リアクトルL1をスイッチング素子S4と接続する配線15が等価的に形成される。
次に、図12を用いて、SBモードにおけるDC/DC変換(昇圧動作)を説明する。
図12(a)を参照して、直流電源10aおよび10bを直列接続するためにスイッチング素子S3がオン固定される一方で、スイッチング素子S2,S4のペアがオンし、スイッチング素子S1がオフされる。これにより、リアクトルL1,L2にエネルギを蓄積するための電流経路170,171が形成される。この結果、直列接続された直流電源10a,10bに対して、昇圧チョッパ回路の下アーム素子をオンした状態が形成される。
これに対して、図12(b)を参照して、スイッチング素子S3をオン固定したままで、図12(a)とは反対に、スイッチング素子S2,S4のペアがオフし、スイッチング素子S1がオンされる。これにより、電流経路172が形成される。電流経路172により、直列接続された直流電源10a,10bからのエネルギと、リアクトルL1,L2に蓄積されたエネルギとの和が電力線20へ出力される。この結果、直列接続された直流電源10a,10bに対して、昇圧チョッパ回路の上アーム素子をオンした状態が形成される。
スイッチング素子S3がオン固定された下で、スイッチング素子S2,S4のペアがオンされる一方でスイッチング素子S1がオフされている第1の期間と、スイッチング素子S1がオンされる一方でスイッチング素子S2,S4がオフされている第2の期間とを交互に繰返すことにより、図12(a)の電流経路170,171および図12(b)の電流経路172が交互に形成される。
SBモードのDC/DC変換では、直流電源10aの電圧Va、直流電源10bの電圧Vb、および、電力線20の出力電圧VHの間には、下記(3)式に示す関係が成立する。(3)式では、スイッチング素子S2,S4のペアがオンされる第1の期間のデューティ比をDcとする。
VH=1/(1−Dc)・(Va+Vb) …(3)
ただし、VaおよびVbが異なるときや、リアクトルL1,L2のインダクタンスが異なるときには、図12(a)の動作終了時におけるリアクトルL1,L2の電流値がそれぞれ異なる。したがって、図12(b)の動作への移行直後には、リアクトルL1の電流の方が大きいときには電流経路173を介して差分の電流が流れる。一方、リアクトルL2の電流の方が大きいときには電流経路174を介して、差分の電流が流れる。
図13には、SBモードにおけるスイッチング素子の制御動作例を説明するための波形図が示される。
SBモードでは、特許文献4に記載されるように、出力電圧VHの電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)を補償するように、(3)式のデューティ比Dcが演算される。そして、キャリア波CWとデューティ比Dcとの電圧比較に基づいて、制御パルス信号SDcが生成される。制御パルス信号/SDcは、制御パルス信号SDcの反転信号である。SBモードでは、直流電圧(Va+Vb)と、出力電圧VHとの間のDC/DC変換が、図12に示された昇圧チョッパ回路によって実行される。
図14に示されるように、制御信号SG1〜SG4は、制御パルス信号SDc(/SDc)の論理演算に基づいて設定することができる。
制御パルス信号SDcは、昇圧チョッパ回路の下アーム素子を構成するスイッチング素子S2,S4のペアの制御信号SG2,SG4とされる。同様に、昇圧チョッパ回路の上アーム素子を構成するスイッチング素子S1の制御信号SG1は、制御パルス信号/SDcによって得られる。この結果、下アーム素子を構成するスイッチング素子S2,S4のペアがオンされる期間と、上アーム素子を構成するスイッチング素子S1がオンされる期間とが相補的に設けられる。
SBモードでは、直流電源10aおよび10bが直列接続された状態で、電力線20(負荷30)との間で双方向のDC/DC変換が実行される。したがって、直流電源10aの電力Paおよび直流電源10bの電力Pbを直接制御することができない。すなわち、直流電源10a,10bの電力Pa,Pbの比は、電圧Va,Vbの比によって、下記(4)式に従って自動的に決まる。なお、直流電源10a,10bの入出力電力の和(Pa+Pb)によって、負荷30へ電力供給されることは、PBモードと同様である。
Pa:Pb=Va:Vb …(4)
このように、動作モード間で、直流電源10a,10b全体が電力線20に対して入出力する総電力PH(PH=Pa+Pb)に対する直流電源10aおよび10bの電力分配は異なってくる。
(各動作モードでの電力分配比および出力電圧範囲)
再び図3を参照して、各動作モードにおける直流電源10a,10b間での電力分配比kおよび出力電圧VHの範囲を比較説明する。
PBモードでは、電流制御対象となる直流電源での電流指令値の設定により、直流電源10a,10b間の電力分配比kを制御することができる。なお、電力分配比kは、総電力PHに対する直流電源10aの出力電力Paの比で定義される(k=Pa/PH)。
また、PBモードでは、出力電圧VHは、電圧VaおよびVbの最大値であるmax(Va,Vb)から、出力電圧VHの制御上限値である上限電圧VHmaxまでの範囲内で制御することができる(max(Va,Vb)≦VH≦VHmax)。なお、max(Va,Vb)について、Va>Vbのときはmax(Va,Vb)=Vaであり、Vb>Vaのときはmax(Va,Vb)=Vbである。また、上限電圧VHmaxは、部品の耐圧等を考慮して定められる上限値である。
SBモードでは、(4)式から理解されるように、電力分配比kは、電圧Va,Vbによって固定的に決まる(k=Va/(Va+Vb))。したがって、直流電源10aおよび10bの電力PaおよびPbならびに電力分配比kを、DC/DC変換を通じて独立に制御することはできない。
また、SBモードでは、出力電圧VHは(Va+Vb)よりも低く設定することができない。SBモードでは、出力電圧VHは、(Va+Vb)から上限電圧VHmaxまでの範囲内で制御することができる(Va+Vb<VH≦VHmax)。
aBモードでは、直流電源10aのみが使用されるので、電力分配比k=1.0に固定される。そして、式(1)のデューティ比Daに基づいて図7に示した昇圧チョッパ回路を制御することにより、出力電圧VHは、max(Va,Vb)から上限電圧VHmaxまでの範囲内で制御することができる(max(Va,Vb)<VH≦VHmax)。
bBモードでは、直流電源10bのみが使用されるため、電力分配比k=0に固定される。そして、式(2)のデューティ比Dbに基づいて図8に示した昇圧チョッパ回路を制御することにより、出力電圧VHは、max(Va,Vb)からVHmaxの範囲内で制御することができる(max(Va,Vb)<VH≦VHmax)。
PDモードでは、直流電源10aおよび10bが並列に電力線20に対して接続される。このため、電力分配比kは、直流電源10aおよび10bの内部抵抗に依存して一意に決まるので、各直流電源10a,10bの出力電力Pa,Pbを独立に制御することはできない。具体的には、直流電源10aの内部抵抗Raおよび直流電源10bの内部抵抗Rbを用いると、k=Rb/(Ra+Rb)となる。また、VH=Va(VH=Vb)に固定されるため、電圧指令値VH*に応じて出力電圧VHを制御することはできない。なお、上述のように、PDモードは、電圧VaおよびVbの電圧差が小さいときに限定して適用することができる。
SDモードでは、直流電源10aおよび10bが直列に電力線20に対して電気的に接続される。このため、出力電圧VH=Va+Vbに固定される。すなわち、電圧指令値VH*に応じて出力電圧VHを制御することはできない。また、電力分配比kは、SBモードと同様に、電圧VaおよびVbに従って固定的に決まる。したがって、電力分配比kをDC/DC変換を通じて独立に制御することはできない。
aDモードの適用時には、上述のようにVa>Vbが条件であるため、直流電源10bが電力線20から切り離される一方で、直流電源10aが電力線20に対して接続される。このため、出力電圧VH=Vaに固定される。また、電力供給は直流電源10aからのみ実行されるので、電力分配比k=1.0に固定される。
同様に、bDモードの適用時には、上述のようにVb>Vaが条件であるため、直流電源10aが電力線20から切り離される一方で、直流電源10bが電力線20に対して接続される。このため、出力電圧VH=Vbに固定される。また、電力供給は直流電源10bからのみ実行されるので、電力分配比k=0に固定される。
このように、電力変換器50に適用される動作モードは、VH制御のためのDC/DC変換を通じて直流電源10a,10b間での電力配分(電力分配比k)が制御可能である電力配分制御モードと、直流電源10a,10b間での電力配分が固定的に決まる電力配分固定モードとに分類される。PBモードは、電力配分制御モードに含まれる。一方で、その他のSBモード、SDモード、aBモード、bBモード、aDモード、bDモードおよびPDモードは、電力配分固定モードに含まれる。電力配分制御モード(PBモード)は、「第1の動作モード」に対応し、電力配分固定モードは「第2の動作モード」に対応する。
図3に示されるように、電力変換器50では、各動作モードにおいて、電力変換器50が出力可能な出力電圧VHの範囲が異なる。したがって、要求される出力電圧VHに応じて、動作モードの選択も制約を受ける。
昇圧モードに属するaBモード、bBモードおよびPBモードでは、出力電圧VHは、max(Va,Vb)〜VHmaxの範囲内において、電圧指令値VH*に従って制御することができる。一方で、SBモードでは、出力電圧VHを(Va+Vb)より低く制御することができない。すなわち、SBモードでは、出力電圧VHは、(Va+Vb)〜VHmaxの範囲内であれば、電圧指令値VH*に従って制御することができる。
直結モードでは、出力電圧VHは、直流電源10a,10bの電圧Va,Vbに従って固定される。すなわち、直結モードの適用時には、出力電圧VHは任意の電圧に制御することができない。
図15は、本発明の実施の形態に従う電力変換器制御によるモード選択に関連した制御構成を説明するための機能ブロック図である。なお、図15を始めとする各機能ブロック図に記載された各機能ブロックは、制御装置40によるハードウェアおよび/またはソフトウェア処理によって実現されるものとする。
図15を参照して、動作モード選択部600は、負荷の30の動作状態(負荷状態)および直流電源10a,10bの動作状態(電源状態)に基づいて動作モードを選択する。動作モード選択部600は、動作モードの選択結果を示すモード選択信号MD♯を生成する。
図2の構成例のように、負荷30がモータジェネレータ35を含む場合には、動作モード選択部600は、モータジェネレータ35の回転数およびトルクに基づいて、動作モードを選択することができる。あるいは、負荷30の動作状態として、モータジェネレータ35が搭載された電動車両の動作状態(車速、アクセル開度等)を用いて、動作モードを選択することができる。
たとえば、動作モード選択部600による動作モードの選択は、下記のように、負荷3
0の動作指令に従った動作を確保した上で、電源システム5の全体損失が最小となるように実行される。
負荷30の動作指令に従った動作を確保するために、負荷30へ供給される出力電圧VHは、負荷30の動作状態に応じた一定の電圧以上に設定することが必要となる。負荷30が、モータジェネレータ35を含んで構成される場合には、インバータ32の直流リンク側電圧に相当する出力電圧VHが、モータジェネレータ35のコイル巻線(図示せず)に生じる誘起電圧以上であることが必要である。
また、モータジェネレータ35が出力可能なトルク範囲は、出力電圧VHに応じて変化する。具体的には、出力電圧VHを高くすると出力可能なトルクも大きくなる。したがって、たとえば、出力電圧VHは、電動車両の走行制御によって定められたトルク指令値に相当するトルクをモータジェネレータ35が出力可能な電圧範囲とすることが必要である。
これらの観点から、負荷30の動作状態(図2の構成例では、モータジェネレータ35のトルクおよび回転数)に応じて、動作指令に従って負荷30を動作させるために必要な出力電圧VHの最小値(最低電圧)が設定される。
さらに、モータジェネレータ35のトルク制御において、同一トルクを出力する際の電流位相は、インバータ32の直流リンク電圧(出力電圧VH)によって変化する。また、モータジェネレータ35での電流振幅に対する出力トルクの比、すなわち、モータ効率は、電流位相に応じて変化する。したがって、モータジェネレータ35のトルク指令値が設定されると、当該トルク指令値に対応させて、インバータ32およびモータジェネレータ35での効率が最大、すなわち、電力損失が最小となる最適な電流位相、および、この最適な電流位相を実現するための出力電圧VHを定めることができる。
一方で、電力変換器50での電力損失は、直結モードの適用により大幅に減少する。したがって、VH=VaあるいはVb(aD、bDあるいはPDモード)、または、VH=Va+Vb(SDモード)とすることによる電力変換器50での電力損失低減量が、最適電流位相から外れることによるモータジェネレータ35での電力損失増加量よりも大きければ、電源システム5全体の効率を低減することができる。
このように、負荷30の動作状態(たとえば、トルクおよび回転数)に応じて、最適な出力電圧VHおよび動作モードが変わってくる。動作モード選択部600では、上記最低電圧以上の電圧範囲で電源システム5の全体損失が最小となるように、最適な出力電圧(以下では、最適動作電圧VH♯とも表記する)の設定および動作モードの選択が実行される。最適動作電圧VH♯は、上記最低電圧以上かつVHmax以下の電圧範囲に設定される。
たとえば、上記最低電圧は、負荷30の動作状態(たとえば、トルクおよび回転数)に対応させた設定マップを予め作成することができる。さらに、出力電圧VHに対する、インバータ32およびモータジェネレータ35の電力損失、ならびに、電力変換器50の電力損失を推定することによって、現在の負荷状態および電源状態に応じた最適動作電圧VH♯および最適な動作モードを選択することができる。
電力上限値設定部720は、直流電源10a,10bの電源状態に基づいて、電力上限値Pamax,Pbmaxを設定する。各電力上限値は、放電電力の上限値を示しており、0または正に設定される。電力上限値=0に設定されたときは、直流電源からの放電が禁止されることを意味する。たとえば、電力上限値Pamaxは、直流電源10aのSO
Caおよび温度Taに基づいて設定することができる。電力上限値Pbmaxについても、Pamaxと同様に、直流電源10bの状態(SOCb、Tb,Ib,Vb)に基づいて設定することができる。
電力下限値設定部730は、直流電源10a,10bの電源状態に基づいて、電力下限値Pamin,Pbminを設定する。各電力下限値は、充電電力の上限値を示しており、0または負に設定される。電力下限値=0に設定されたときは、直流電源の充電が禁止されることを意味する。たとえば、電力下限値Paminは、直流電源10aのSOCaおよび温度Taに基づいて設定される。電力下限値Pbminについても、Paminと同様に、直流電源10bの状態(SOCb、Tb,Ib,Vb)に基づいて設定することができる。
なお、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbminに従って、直流電源10a,10b全体の総電力PHの電力上限値PHmax(PHmax=Pamax+Pbmax)および電力下限値PHmin(PHmin=Pamin+Pbmin)を設定することができる。負荷30の動作指令は、負荷電力指令値PL*がPHmin≦PL*≦PHmaxの範囲内となるように制限される。これにより、直流電源10a,10bの過充電および過放電をさせることなく、負荷30を動作させることができる。たとえば、モータジェネレータ35が搭載された電動車両の動作状態(車速、アクセル開度等)に応じて、PHmin≦PL*≦PHmaxの範囲内となるように制限して、モータジェネレータ35のトルク指令値が設定される。
動作モード切替制御部710は、電力変換器50の動作モードを指定するためのモード制御信号MDを生成する。電力変換器50の動作モードは、モード制御信号MDによって決められる。
動作モード切替制御部710は、動作モード選択部600によって選択された動作モード(すなわち、モード選択信号MD♯に従う動作モード)が、現在の動作モード(すなわち、モード制御信号MDに従う動作モード)と異なるときに、動作モードの移行を制御する。以下では、モード選択信号MD♯に従う動作モードを「移行先の動作モード」とも称する。
後述するように、動作モード切替制御部710は、現在の出力電圧VH、電圧Va,Vb、直流電源10a,10bの内部抵抗Ra,Rb、負荷電力指令値PL*、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbminに基づいて、現在の動作モードから移行先の動作モードへの切替可否を判定する。
コンバータ指令生成部700は、負荷電力指令値PL*と、モード選択信号MDと、電力上限値Pamax,Pbmaxと、電力下限値Pamin,Pbminとに基づいて、電流制御される直流電源10aの電力指令値Pa*を設定する。
コンバータ指令生成部700は、モード制御信号MDによって指定された動作モードに応じて電圧指令値VH*を設定する。基本的には、スイッチング制御による出力電圧制御が実行されるPBモード、SBモード、aBモードおよびbBモードでは、電圧指令値VH*は、最適動作電圧VH♯に従って設定される。一方、SDモード、PDモード、aDモードおよびbDモードでは、図3に示されるように、出力電圧VHは、電圧Vaおよび/またはVbによって一意的に決まる。したがって、これらの直結モードでは、電圧指令値VH*は、各モードでの電圧Vaおよび/またはVbに従った電圧値に設定される。
さらに、コンバータ指令生成部700は、PBモードでは、電力指令値Pa*を適切に
設定することによって、直流電源10a,10b間での電力分配比kを制御することができる。
図16は、コンバータ指令生成部700からの動作指令値に従う電力変換器50の制御構成を説明するための機能ブロック図である。
図16を参照して、デューティ比演算部300は、コンバータ指令生成部700によって設定された電力指令値Pa*、電圧指令値VH*に従って、直流電源10aの電力Pa(電圧Va,電流Ia)および出力電圧VHのフィードバック制御により、式(1),(2)のデューティ比Da,Dbを演算する。
上述のように、PBモードでは、電流制御される直流電源(ここでは直流電源10a)の電流指令値Ia*を、Ia*=Pa*/Vaと設定することにより、電流Iaのフィードバック制御によるデューティ比Daの演算によって、電力Paを電力指令値Pa*に制御することができる。
一方で、電圧制御される直流電源(ここでは直流電源10b)については、出力電圧VHのフィードバック制御によるデューティ比Dbの演算によって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。
PWM制御部400は、デューティ比演算部300によって設定されたデューティ比Da,Db、ならびに、キャリア波発生部410からのキャリア波CWa,CWbに基づくパルス幅変調制御によって、スイッチング素子S1〜S4の制御信号SG1〜SG4を生成する。PWM制御部400によるパルス幅変調制御および制御信号SG1〜SG4の生成は、図9および図10で説明したのと同様に実行されるので、詳細な説明は繰り返さない。
これにより、出力電圧VHを電圧指令値VH*にフィードバック制御するとともに、直流電源10aの電力Paを電力指令値Pa*にフィードバック制御することができる。また、直流電源10bの電力Pbについても、電圧指令値Pa*に従った直流電源10aの出力制御と、電圧指令値VHに従った直流電源10bの出力制御との結果、Pb=PL*−Pa*に制御することができる。したがって、直流電源10a,10bの電力Pa,Pbは、電力指令値Pa*および(PL*−Pa*)に従って、すなわち、電力分配比kに従って制御される。
なお、SBモードでは、デューティ比演算部300は、コンバータ指令生成部700によって設定された電圧指令値VH*に従って、出力電圧VHのフィードバック制御により、式(3)のデューティ比Dcを演算する。さらに、PWM制御部400は、デューティ比演算部300によって設定されたデューティ比Dcならびに、キャリア波発生部410からのキャリア波CWaに基づくパルス幅変調制御(図13)によって、スイッチング素子S1〜S4の制御信号SG1〜SG4を生成する。PWM制御部400によるパルス幅変調制御および制御信号SG1〜SG4の生成は、図14で説明したのと同様に実行されるので、詳細な説明は繰り返さない。
また、aBモードでは、デューティ比演算部300は、コンバータ指令生成部700によって設定された電圧指令値VH*に従って、出力電圧VHのフィードバック制御により、式(1)のデューティ比Daを演算する。そして、PWM制御部400は、デューティ比演算部300によって設定されたデューティ比Daおよびキャリア波発生部410からのキャリア波CWaに基づくパルス幅変調制御によって、図7に示した昇圧チョッパ回路を制御するように、スイッチング素子S1〜S4の制御信号SG1〜SG4を生成する。
PWM制御部400によるパルス幅変調制御および制御信号SG1〜SG4の生成は、図10での制御パルス信号SDa,/SDaに従って実行される。
同様に、bBモードでは、デューティ比演算部300は、コンバータ指令生成部700によって設定された電圧指令値VH*に従って、出力電圧VHのフィードバック制御により、式(2)のデューティ比Dbを演算する。そして、PWM制御部400は、デューティ比演算部300によって設定されたデューティ比Dbおよびキャリア波発生部410からのキャリア波CWbに基づくパルス幅変調制御によって、図8に示した昇圧チョッパ回路を制御するように、スイッチング素子S1〜S4の制御信号SG1〜SG4を生成する。PWM制御部400によるパルス幅変調制御および制御信号SG1〜SG4の生成は、図10での制御パルス信号SDb,/SDbに従って実行される。
図17は、電力変換器の動作モードの切替に係る本実施の形態1に従う制御処理を説明するためのフローチャートである。図17に示すフローチャートに従う制御処理は、制御装置40によって周期的に実行される。
図17を参照して、制御装置40は、ステップS100により、現在の負荷30の動作状態および直流電源10a,10bの電源状態を読込む。これにより、直流電源10a,10bの制約値として、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbminも読み込まれる。さらに、負荷電力指令値PL*についても取得される。
制御装置40は、さらに、ステップS200により、負荷の30の動作状態および直流電源10a,10bの動作状態(電源状態)に基づいて、負荷30の動作指令に従った動作を確保した上で電源システム5の全体損失が最小となるように、動作モードを選択する。すなわち、ステップS200による処理は、図15に示された動作モード選択部600の機能に相当する。ステップS200により、現在の動作状態に適した動作モードを選択するためのモード選択信号MD#が設定される。
制御装置40は、ステップS300により、モード制御信号MDに従う動作モード(すなわち、現在の動作モード)と、ステップS200で設定されたモード選択信号MD#に従う動作モード(すなわち、移行先の動作モード)とが一致しているかどうかを判定する。
制御装置40は、両者が一致している場合(MD=MD#)、すなわちS300がYES判定時のときには、ステップS500に処理を進めて、モード制御信号MDを維持する。すなわち、現在適用されている動作モードを維持して、電力変換器50は動作する。
一方、制御装置40は、現在の動作モードと、移行先の動作モードとが異なる場合(S300のNO判定時)には、ステップS400により、移行先の動作モードへの切替可否を判定する。
ステップS400は、出力電圧VHに関する要件(VH要件)を判定するステップS410と、直流電源10a,10b間の電力分配比kに関する要件(電力配分要件)を判定するステップS420と、直流電源10a,10bの電力保護に関する要件(電力保護要件)を判定するステップS430とを含む。後程説明するように、VH要件(S410)、電力配分要件(S420)および電力保護要件(S430)は、現在の動作モードおよび移行先の動作モードの組み合わせ毎に予め設定される。
制御装置40は、VH要件(S410)、電力配分要件(S420)および電力保護要件(S430)のすべてがクリアされている場合には、移行先の動作モードへの切替を許
可して、ステップS600に処理を進める。制御装置40は、ステップS600では、モード選択信号MD♯に従う動作モードを指定するように、モード制御信号MDを変更する。これにより、電力変換器50において、現在の動作モードから移行先の動作モードへ切替が実行される。
これに対して、制御装置40は、VH要件、電力配分要件および電力保護要件の少なくともいずれかがクリアされていない場合(S410〜S430のいずれかのNO判定時)には、ステップS700に処理を進める。
制御装置40は、ステップS700では、現在のモードから移行先の動作モードへの切替を禁止して、モード切替処理を実行する。したがって、モード選択信号MD♯に従ったモード切替は待機されて、現在のモード制御信号MDが維持される。後述するように、モード切替処理では、移行先の動作モードへ切替えるためのVH要件、電力配分要件および電力保護要件をクリアするために、電力変換器50の動作が制御される。
次に、各動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理の詳細について順に説明する。
図18は、PBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図18を参照して、PBモードからSBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および、電力保護要件がチェックされる。SBモードのVH範囲((Va+Vb)〜VHmax)は、PBモードのVH範囲(max(Va,Vb)〜VHmax)よりも狭いため、VH>Va+VbであることがVH要件とされる。
VH<Va+Vbのときには、ステップS410(図17)がNO判定とされるので、VH要件の不成立により、SBモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、(Va+Vb)へ向けて電圧指令値VH*が上昇される。通常、出力電圧VHの急変を回避するために、1回の制御周期でのVH*の上昇量は制限される。以降の制御周期において、電圧指令値VH*の上昇に伴って出力電圧VHが、Va+Vbよりも高くなると、VH要件はクリアされる。これにより。ステップS410がYES判定に転ずる。
上述のように、SBモードでは、直流電源10a,10b間の電力配分比kが、電圧VaおよびVbに従って固定的に決まる。このときの電力配分比をk1とすると、k1は、下記(5)式で示される。
k1=Va/(Va+Vb) …(5)
したがって、現在の電力分配比kがk1から離れている状態でSBモードへ移行すると、直流電源10a,10bの出力電力が急激に変化する。これにより、負荷30への出力(電圧および/または電流)が変動して不安定になる虞がある。
したがって、PBモードからSBモードへ移行する際には、PBモードにおいて電力配分比kがk1と同等となってから、SBモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kと、SBモード移行後の電力分配比推定値(k1)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。電力分配比kは、直流電源10a,10bの電圧Va,Vbおよび電流Ia,Ibから逐次求めることができる。また、k1は、直流電源10a,10bの電圧Va,Vbから上記(5)式に従って求めることができる。
電力分配比kおよびk1の差が判定値より大きいときには、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立により、SBモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kがk1へ近付く方向に、電力フィードバック(直流電源10a)の電力指令値Pa*が調整される。通常、出力電力Pa,Pbの急変を回避するために、1回の制御周期でのPa*の変化量は制限される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kがk1とほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
SBモードでは、電力配分比が固定されるので、直流電源10a,10bの電力も、下記(6),(7)式に従って、Pa(SB),Pb(SB)に固定的に決まる。
Pa(SB)=PL*・k1 …(6)
Pb(SB)=PL*・(1−k1) …(7)
したがって、PBモードからSBモードへ移行する際には、電力保護要件として、式(6),(7)で決まる電力Pa(SB),Pb(SB)が、直流電源10a,10bの制約値(すなわち、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbmin)に達しているかどうかを判定する必要がある。
ステップS430(図17)では、電力Pa(SB)がPamin〜Pamaxの範囲内であるか否か、および、電力Pb(SB)がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるかが、電力保護要件として判定される。
電力Pa(SB),Pb(SB)の少なくともいずれかが制約値に達している場合、すなわち、Pa(SB)がPamin〜Pamaxの範囲外であるか、または、Pb(SB)がPbmin〜Pbmaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、SBモードへの切替は禁止される。
一方で、電力Pa(SB),Pb(SB)の両方が制約値に達していない場合、すなわち、Pa(SB)がPamin〜Pamaxの範囲内であり、かつ、Pb(SB)がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。
次に、PBモードからaBモードへ移行する際には、VH要件はチェックされず、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
上述のように、PBモードおよびaBモードともVH範囲はmax(Va,Vb)〜VHmaxであるので、モード切替における出力電圧VHの制限は不要である。したがって、VH要件は設定されないため、PBモードからaBモードへの移行時には、ステップS410(図17)は、無条件にYES判定とされる。
aBモードでは、直流電源10aのみが用いられるので、電力配分比k=1.0となる。さらに。直流電源10aの電力Pa=PL*となる(Pb=0)。したがって、現在の電力分配比kが1.0から離れている状態でaBモードへ移行すると、直流電源10a,10bの出力電力が急激に変化することにより、負荷30への出力(電圧および/または電流)が変動して不安定になる虞がある。
したがって、PBモードからaBモードへ移行する際には、PBモードにおいて電力配分比k=1.0となってから、aBモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要
件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kとaBモード移行後の電力分配比(1.0)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。
電力分配比kがほぼ1.0となるまで、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立により、aBモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kが1.0へ近付く方向に、電力フィードバック(直流電源10a)の電力指令値Pa*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kが1.0にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
直流電源10aのみが使用されるaBモードでは、Pa=PL*,Pb=0となるので、PBモードからaBモードへ移行する際には、電力保護要件として、直流電源10aの電力、すなわち、負荷電力指令値PL*が、直流電源10aの制約値(すなわち、電力上限値Pamaxおよび電力下限値Pamin)に達しているかどうかを判定する必要がある。
ステップS430(図17)では、負荷電力指令値PL*がPamin〜Pamaxの範囲内であるか否かが、電力保護要件として判定される。負荷電力指令値PL*がPamin〜Pamaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、aBモードへの切替は禁止される。一方で、負荷電力指令値PL*がPamin〜Pamaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。
PBモードからbBモードへ移行する際にも、aBモードへの移行の際と同様に、VH要件はチェックされず、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
上述のように、PBモードおよびbBモードともVH範囲はmax(Va,Vb)〜VHmaxである。したがって、PBモードからbBモードへの移行時にも、VH要件は設定されず、ステップS410(図17)は、無条件にYES判定とされる。
bBモードでは、直流電源10bのみが用いられるので、電力配分比k=0となる。さらに。直流電源10bの電力Pb=PL*となる(Pa=0)。したがって、PBモードからbBモードへ移行する際には、直流電源10a,10bの電力の急激な変化を回避するために、PBモードにおいて電力配分比k=0となってから、bBモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kとbBモード移行後の電力分配比(0)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。
電力分配比kがほぼ0となるまで、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立により、bBモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kが0へ近付く方向に、電力フィードバック(直流電源10a)の電力指令値Pa*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kが0にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
直流電源10bのみが使用されるbBモードでは、Pb=PL*,Pa=0となるので、bBモードが移行先の動作モードである場合には、電力保護要件として、直流電源10bの電力、すなわち、負荷電力指令値PL*が、直流電源10bの制約値(すなわち、電力上限値Pbmaxおよび電力下限値Pbmin)に達しているかどうかを判定する必要
がある。
ステップS430(図17)では、負荷電力指令値PL*がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるか否かが、電力保護要件として判定される。負荷電力指令値PL*がPbmin〜Pbmaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、bBモードへの切替は禁止される。一方で、負荷電力指令値PL*がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。
次に、PBモードからPDモードへの移行の際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
PDモードでは、出力電圧VH=max(Va,Vb)に固定される。したがって、出力電圧VHがmax(Va,Vb)とほぼ一致することが、VH要件とされる。
ステップS410(図17)では、出力電圧VHとmax(Va,Vb)との電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがmax(Va,Vb)から離れているときには、VH要件の不成立により、PDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、max(Va,Vb)へ向けて電圧指令値VH*が調整される。以降の制御周期において、電圧指令値VH*の変化に伴って出力電圧VHがmax(Va,Vb)とほぼ等しくなると、VH要件はクリアされる。これにより。ステップS410がYES判定に転ずる。
上述のように、PDモードでは、直流電源10a,10b間の電力配分比kが、内部抵抗Ra,Rbに従って固定的に決まる。このときの電力配分比k2は、下記(8)式で
k2=Rb/(Ra+Rb) …(8)
したがって、PBモードからPDモードへ移行する際には、PBモードにおいて電力配分比kがk2と同等となってから、PDモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kと、PDモード移行後の電力分配比推定値(k2)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。なお、直流電源10a,10bの内部抵抗Ra,Rbは、予め求められた温度依存特に従って温度Ta,Tbの検出値に基づいて推定することができる。あるいは、直流電源10a,10bの使用中における電圧Va,Vbおよび電流Ia,Ibに基づいて、(Va/Ia)および(Vb/Ib)の傾きを求めることによって推定することも可能である。
電力分配比kおよびk2の差が判定値より大きいときには、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立により、PDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kがk2へ近付く方向に、電力指令値Pa*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kがk2にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
SDモードでは、電力配分比がk2に固定されるので、直流電源10a,10bの電力は、上記(9),(10)式に従って、Pa(PD),Pb(PD)に固定的に決まる。
Pa(PD)=PL*・k2 …(9)
Pb(PD)=PL*・(1−k2) …(10)
したがって、PBモードからPDモードへ移行する際には、SBモードへの移行の際と同様の電力保護要件が設定される。すなわち、電力分配比k2に従う電力Pa(PD),
Pb(PD)が、直流電源10a,10bの制約値(すなわち、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbmin)に達しているかどうかが、ステップS430(図17)により判定される。
したがって、電力Pa(PD),Pb(PD)の両方が制約値に達していない場合、すなわち、Pa(PD)がPamin〜Pamaxの範囲内であり、かつ、Pb(PD)がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。これに対して、電力Pa(PD),Pb(PD)の少なくともいずれかが制約値に達している場合、すなわち、Pa(PD)がPamin〜Pamaxの範囲外であるか、または、Pb(PD)がPbmin〜Pbmaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、PDモードへの切替は禁止される。
次に、PBモードからSDモードへの移行の際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
SDモードでは、出力電圧VH=Va+Vbに固定される。したがって、出力電圧VHがVa+Vbとほぼ一致していることが、VH要件とされる。ステップS410(図17)では、出力電圧VHとVa+Vbとの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVa+Vbから離れているときには、VH要件の不成立により、SDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Va+Vbへ向けて電圧指令値VH*が調整される。以降の制御周期において、電圧指令値VH*の変化に伴って出力電圧VHがVa+Vbとほぼ等しくなると、VH要件はクリアされる。これにより。ステップS410がYES判定に転ずる。
SDモードでは、直流電源10a,10b間の電圧分配比は、SBモードと同様に、電圧VaおよびVbに従って固定的にk1に決まる。したがって、PBモードからSDモードへ移行する際には、PBモードにおいて電力配分比kがk1と同等となってから、SBモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kと、SDモード移行後の電力分配比推定値(k1)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。
電力分配比kおよびk1の差が判定値より大きいときには、電力配分要件の不成立により(S420がNO判定)、SBモードへの切替は許可されない。そして、モード切替処理(S700)として、電力分配比kがk1へ近付く方向に、電力指令値Pa*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kがk1にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
SDモードへの移行時における電力Pa(SD),Pb(SD)は、下記(11),(12)式によって示される。すなわち、Pa(SD),Pb(SD)は、SBモードへの移行後における電力Pa(SB)およびPb(SB)と同じである。
Pa(SD)=PL*・k1 …(11)
Pb(SD)=PL*・(1−k1) …(12)
したがって、SDモードへの移行時における電力保護要件は、SBモードへの移行時における電力保護要件と同様に設定される。すなわち、電力Pa(SD),Pb(SD)が、直流電源10a,10bの制約値(すなわち、電力上限値Pamax,Pbmaxおよび電力下限値Pamin,Pbmin)に達しているかどうかが、ステップS430(図17)により判定される。
電力Pa(SD),Pb(SD)の両方が制約値に達していない場合、すなわち、Pa(SD)がPamin〜Pamaxの範囲内であり、かつ、Pb(SD)がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。これに対して、電力Pa(SD),Pb(SD)の少なくともいずれかが制約値に達している場合、すなわち、Pa(SD)がPamin〜Pamaxの範囲外であるか、または、Pb(SD)がPbmin〜Pbmaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、SDモードへの切替は禁止される。
PBモードからaDモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
aDモードでは、出力電圧VH=Vaに固定される。したがって、出力電圧VHがVaとほぼ一致することが、VH要件とされる。ステップS410(図17)では、出力電圧VHとVaとの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVaから離れているときには、VH要件の不成立により、aDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Vaへ向けて電圧指令値VH*が調整される。以降の制御周期において、電圧指令値VH*の変化に伴って出力電圧VHがVaとほぼ等しくなると、VH要件はクリアされる。これにより。ステップS410がYES判定に転ずる。
aDモードでは、直流電源10aのみが用いられるので、電力配分比k=1.0となる。したがって、PBモードにおいて電力配分比k=1.0となってから、aDモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kとaDモード移行後の電力分配比(1.0)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。
電力分配比kがほぼ1.0となるまで、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立によりaDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kが1.0へ近付く方向に、電力(電流)フィードバックの電力指令値Pa*が上昇される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kが1.0にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
aDモードでは、Pa=PL*,Pb=0となるので、PBモードからaDモードへ移行する際には、電力保護要件として、負荷電力指令値PL*が、直流電源10aの制約値(すなわち、電力上限値Pamaxおよび電力下限値Pamin)に達しているかどうかが判定される。
負荷電力指令値PL*がPamin〜Pamaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、aDモードへの切替は禁止される。一方で、負荷電力指令値PL*がPamin〜Pamaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。
PBモードからbDモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がチェックされる。
bDモードでは、出力電圧VH=Vbに固定される。したがって、出力電圧VHがVb
とほぼ一致することが、VH要件とされる。ステップS410(図17)では、出力電圧VHとVbとの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVbから離れているときには、VH要件の不成立により、bDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Vbへ向けて電力指令値VH*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値VH*の変化に伴って出力電圧VHがVbとほぼ等しくなると、VH要件はクリアされる。これにより。ステップS410がYES判定に転ずる。
bDモードでは、直流電源10bのみが用いられるので、電力配分比k=0となる。したがって、PBモードにおいて電力配分比k=0となってから、bDモードへの切替が許可される。すなわち、電力配分要件として、ステップS420(図17)により、現在の電力分配比kとbDモード移行後の電力分配比(0)との差が、所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。
電力分配比kがほぼ0となるまで、ステップS420(図17)がNO判定とされるので、電力配分要件の不成立によりbDモードへの切替は許可されない。そして、ステップS700(図17)によるモード切替処理として、電力分配比kが0へ近付く方向に、電力指令値Pa*が調整される。以降の制御周期において、電力指令値Pa*の変化に伴って電力分配比kが0にほぼ一致すると、電力配分要件はクリアされる。これにより、ステップS420がYES判定に転ずる。
bDモードでは、Pb=PL*,Pa=0となるので、PBモードからbDモードへ移行する際には、電力保護要件として、負荷電力指令値PL*が、直流電源10bの制約値(すなわち、電力上限値Pbmaxおよび電力下限値Pbmin)に達しているかどうかが判定される。
負荷電力指令値PL*がPbmin〜Pbmaxの範囲外であるときには、ステップS430(図17)がNO判定とされるので、電力保護要件の不成立により、bDモードへの切替は禁止される。一方で、負荷電力指令値PL*がPbmin〜Pbmaxの範囲内であるときには、電力保護要件はクリアされるので、ステップS430(図17)がYES判定とされる。
図19は、SBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
SBモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、SBモードにおけるVH範囲((Va+Vb)〜VHmax)は、PBモードでのVH範囲(max(Va,Vb)〜VHmax)に含まれる。したがって、出力電圧VHについては、特に制限を設けることなく、PBモードへの切替えることができる。また、SBモードでは、電力分配比がk1(式(5))に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、SBモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、SBモードにおけるk1に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。ただし、電力分配比kは、電力Pa(PL*・k)およびPb(PL*・(1−k))が、それぞれPamin〜PamaxおよびPbmin〜Pbmaxの範囲内となるように設定する必要がある。
したがって、SBモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とさ
れて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
SBモードからaBモードへ移行する際には、現在の動作モードおよび移行先の動作モードの両方が「電力配分固定モード」である。そして、SBモードでの電力配分比k1と、aBモードでの電力配分比1.0とは異なるため、電力配分比kの調整が必要である。
したがって、電力固定モード同士の間での動作モード切替では、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。
すなわち、SBモードからaBモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。上述のように、SBモードからPBモードへの移行時には、モード切替要件は設定されない。
そして、PBモードに移行した後、PBモードからaBモードへの移行は、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、電力配分要件および電力保護要件がクリアされたときに許可されることになる。
同様に、SBモードからbBモードへの移行時にも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替であるため、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。
したがって、PBモードに移行した後、図18に示したモード切替要件およびモード切替処理に従って、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、bBモードへの移行が許可されることになる。
さらに、SBモードからPDモードへの移行についても、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替であるため、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。そして、PBモードへの移行後、図18に示したモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件のすべてがクリアされると、SDモードへの移行が許可される。
SBモードからSDモードへの移行では、電力配分比が両モード間で同一(k1)であるため、電力配分要件および電力保護要件については設定が不要である。したがって、ステップS420,S430(図17)は、無条件にYES判定とされる。
一方で、SBモードでのVH範囲がVa+Vb〜VHmaxであるのに対して、SDモードでは、VH=Va+Vbに固定される。したがって、出力電圧VHがVa+Vbとほぼ一致していることが、VH要件として設定される。このため、ステップS410(図17)では、出力電圧VHとVa+Vbとの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVa+Vbから離れているときには、VH要件の不成立により、SDモードへの切替は許可されない。
ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Va+Vbへ向けて電力指令値VH*が調整される。これにより、以降の制御周期において、電力指令値VH*の変化に伴って出力電圧VHがVa+Vbとほぼ等しくなると、SDモードへの切替が許可される。
SBモードからaDモードへの移行、および、SBモードからbDモードへの移行につ
いても、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。したがって、一旦、PBモードへ移行して、出力電圧VHおよび電力配分比kを調整した後に、移行先のaDモードまたはbDモードへの切替が行なわれる。図18に示したモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件のすべてがクリアされると、aDモードまたはbDモードへの移行が許可される。
図20は、aBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図20を参照して、aBモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、aBモードおよびPBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)は同じであるので、VH要件の設定は不要である。また、aBモードでは、電力分配比が1.0に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、aBモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、aBモードにおける1.0に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、aBモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
aBモードからSBモードへの移行、aBモードからPDモードへの移行、および、aBモードからSDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。
したがって、これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。すなわち、aBモードからSBモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。そして、PBモードに移行した後、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SBモードへの移行が許可されることになる。
同様に、aBモードからPDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kがk2に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、PDモードへの移行が許可されることになる。
また、aBモードからSDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kがk1に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SDモードへの移行が許可されることになる。
aBモードからaDモードへの移行では、電力配分比が両モード間で同一(1.0)であるため、電力配分要件および電力保護要件については設定が不要である。したがって、ステップS420,S430(図17)は、無条件にYES判定とされる。
一方で、aBモードでのVH範囲がmax(Va+Vb)〜VHmaxであるのに対し
て、aDモードでは、VH=Vaに固定される。したがって、出力電圧VHがVaとほぼ一致していることが、VH要件として設定される。このため、ステップS410(図17)では、出力電圧VHおよびVaの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVaから離れているときには、VH要件の不成立により、aDモードへの切替は許可されない。ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Vaへ向けて電力指令値VH*が調整されることにより、以降の制御周期において、出力電圧VHがVaとほぼ等しくなると、aDモードへの切替が許可される。
aBモードからbDモードへの移行、および、aBモードからbBモードへの移行についても、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。したがって、一旦、PBモードへ移行して、出力電圧VHおよび電力配分比kを調整した後に、移行先のbDモードまたはbBモードへの切替が行なわれる。図18に示したモード切替要件およびモード切替処理に従って、bDモードまたはbBモードへの移行が許可される。
図21は、bBモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図21を参照して、bBモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、aBモードおよびPBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)は同じであるので、VH要件の設定は不要である。また、bBモードでは、電力分配比が0に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、bBモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、bBモードにおける0に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、bBモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
bBモードからSBモードへの移行、bBモードからPDモードへの移行、および、bBモードからSDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。
したがって、これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。すなわち、bBモードからSBモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。そして、PBモードに移行した後、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SBモードへの移行が許可されることになる。
同様に、bBモードからPDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kがk2に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、PDモードへの移行が許可されることになる。
また、bBモードからSDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分
比kがk1に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SDモードへの移行が許可されることになる。
bBモードからbDモードへの移行では、電力配分比が両モード間で同一(0)であるため、電力配分要件および電力保護要件については設定が不要である。したがって、ステップS420,S430(図17)は、無条件にYES判定とされる。
一方で、bBモードでのVH範囲がmax(Va+Vb)〜VHmaxであるのに対して、bDモードでは、VH=Vbに固定される。したがって、出力電圧VHがVbとほぼ一致していることが、VH要件として設定される。このため、ステップS410(図17)では、出力電圧VHおよびVbの電圧差が所定の判定値よりも小さいか否かが判定される。出力電圧VHがVbから離れているときには、VH要件の不成立により、bDモードへの切替は許可されない。ステップS700(図17)によるモード切替処理として、Vbへ向けて電力指令値VH*が調整されることにより、以降の制御周期において、出力電圧VHがVbとほぼ等しくなると、bDモードへの切替が許可される。
bBモードからaDモードへの移行、および、bBモードからaBモードへの移行についても、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。したがって、一旦、PBモードへ移行して、出力電圧VHおよび電力配分比kを調整した後に、移行先のaDモードまたはaBモードへの切替が行なわれる。図18に示したモード切替要件およびモード切替処理に従って、aDモードまたはaBモードへの移行が許可される。
図22は、PDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図22を参照して、PDモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、PDモードのVH範囲(VH=max(Va,Vb))は、PBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)に含まれるので、VH要件の設定は不要である。また、PDモードでは、電力分配比が内部抵抗Ra,Rbに応じたk2に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、PDモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、PDモードにおけるk2に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、PDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
PDモードからSBモードへの移行、PDモードからaBモードへの移行、PDモードからbBモードへの移行、および、PDモードからSDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。
したがって、これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。すなわち、PDモードからSBモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として
実行される。そして、PBモードに移行した後、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SBモードへの移行が許可されることになる。
同様に、PDモードからaBモードまたはbBモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kが1.0または0に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、bBモードへの移行が許可されることになる。
また、PDモードからSDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kがk1に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SDモードへの移行が許可されることになる。
PDモードからaDモードへの移行は、電圧Va,Vbの関係に応じて発生する。すなわち、PDモード時にVa>Vbになると、直流電源10bから電力線20へ電流が流れなくなる。したがって、スイッチング素子S4をオフすることにより、自然にaDモードへ移行することができる。
同様に、すなわち、PDモード時にVb>Vaになると、直流電源10aから電力線20へ電流が流れなくなる。したがって、スイッチング素子S2をオフすることにより、自然にbDモードへ移行することができる。
図23は、SDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図23を参照して、SDモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、SDモードのVH範囲(VH=Va+Vb)は、PBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)に含まれるので、VH要件の設定は不要である。また、SDモードでは、電力分配比が電圧Va,Vbに応じたk1に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、SDモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、SDモードにおけるk1に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、SDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
SDモードからSBモードへの移行では、現在の動作モードと移行先の動作モードとの間で電力分配比が共通(k1)である。また、SDモードのVH範囲(VH=Va+Vb)は、SBモードのVH範囲(max(Va,Vb)〜VHmax)に含まれる。したがって、SDモードからSBモードへの移行では、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定不要である。すなわち、SDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりSBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
SDモードからaBモードへの移行、および、SDモードからbBモードへの移行、SDモードからPDモードへの移行、SDモードからaDモードへの移行、および、SDモードからbDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。
これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。すなわち、SDモードから、aBモードまたはbBモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。
SDモードから、PDモード、aDモード、または、bDモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kをk2、1.0または0に調整する。そして、図18で示された、モード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、PDモード、aDモード、または、bDモードへの移行が許可されることになる。
図24は、aDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
図24を参照して、aDモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、aDモードのVH範囲(VH=Va)は、PBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)に含まれるので、VH要件の設定は不要である。また、aDモードでは、電力分配比が1.0に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、aDモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、aDモードにおける1.0に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、aDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
aDモードからSBモードへの移行、aDモードからbBモードへの移行、aDモードからPDモードへの移行、および、aDモードからSDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力固定モード同士の間での動作モード切替である。したがって、これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。
すなわち、aDモードから、SBモード、PDモードまたはSDモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。そして、PBモードに移行した後、電力配分比kがk1またはk2に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SBモード、PDモードまたはSDモードへの移行が許可されることになる。
同様に、aDモードからbBモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kが0に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、bBモードへの移行が許可されることになる。
aDモードからaBモードへの移行では、現在の動作モードと移行先の動作モードとの間で電力分配比が共通(1.0)である。また、aDモードのVH範囲(VH=Va)は、aBモードのVH範囲(max(Va,Vb)〜VHmax)に含まれる。したがって、aDモードからaBモードへの移行では、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定不要である。すなわち、aDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりaBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
aDモードからbDモードへの移行は、電圧Va,Vbの関係に応じて発生する。すなわち、aDモード時に、Vb>Vaになると、直流電源10aから電力線20へ電流が流れなくなるとともに、ダイオードD4が導通することによって直流電源10bから電力線20へ電流が流れるようになる。これにより、aDモードからbDモードへ自然に移行することができる。
同様に、aDモード時に電圧VbおよびVaが同等になると、ダイオードD4の導通により、直流電源10aからも電力線20へ電流が流れるようになる。したがって、aDモードからPDモードへ自然に移行することができる。
図25は、bDモードからの動作モード切替におけるモード切替要件およびモード切替処理を説明するための図表である。
25を参照して、bDモードからPBモードへ移行する際には、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定されない。図3に示されるように、bDモードのVH範囲(VH=Vb)は、PBモードのVH範囲(max(Va+Vb)〜VHmax)に含まれるので、VH要件の設定は不要である。また、bDモードでは、電力分配比が0に固定される一方で、PBモードでは、電力指令値Pa*によって電力分配比kを任意に制御することができる。したがって、電力分配要件および電力保護要件についても特に設定することなく、bDモードからPBモードへ切替えることができる。なお、PBモードへの切替時における電力分配比kの初期値は、bDモードにおける0に設定することが、円滑なモード移行の点から好ましい。
したがって、bDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりPBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
bDモードからSBモードへの移行、bDモードからaBモードへの移行、bDモードからPDモードへの移行、および、bDモードからSDモードへの移行は、いずれも、電力分配比kの変化を伴う電力配分固定モード同士の間での動作モード切替である。したがって、これらの動作モード切替は、一旦PBモードへ移行して電力配分比kを調整した後に、移行先の動作モードへの切替が行なわれる。
すなわち、bDモードからSBモード、PDモード、またはSDモードへの移行が指示されると、少なくとも電力配分要件(S420)によって切替が許可されないとともに、ステップS700によって、PBモードへの移行が切替処理として実行される。そして、PBモードに移行した後、電力配分比kがk1またはk2に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、VH要件、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、SBモード、PDモード、またはSDモードへの移行が許可されることになる。
同様に、bDモードからaBモードへの移行時には、一旦PBモードへ移行して電力配分比kが1.0に調整される。そして、図18で示されたモード切替要件およびモード切替処理に従って、電力配分要件および電力保護要件がクリアされると、aBモードへの移行が許可されることになる。
bDモードからbBモードへの移行では、現在の動作モードと移行先の動作モードとの間で電力分配比が共通(0)である。また、bDモードのVH範囲(VH=Vb)は、bBモードのVH範囲(max(Va,Vb)〜VHmax)に含まれる。したがって、bDモードからbBモードへの移行では、VH要件、電力配分要件および電力保護要件はいずれも設定不要である。すなわち、bDモードの適用時に、ステップS200(動作モード選択部600)によりbBモードが選択されると、ステップS410〜S430はいずれもYES判定とされて、即座に動作モードが切替えられる(S600)。
bDモードからaDモードへの移行は、電圧Va,Vbの関係に応じて発生する。すなわち、bDモード時に、Va>Vbになると、直流電源10bから電力線20へ電流が流れなくなるとともに、ダイオードD2が導通することによって直流電源10aから電力線20へ電流が流れるようになる。これにより、bDモードからaDモードへ自然に移行することができる。
同様に、bDモード時に電圧VbおよびVaが同等になると、ダイオードD2の導通により、直流電源10aからも電力線20へ電流が流れるようになる。したがって、bDモードからPDモードへ自然に移行することができる。
このように、本実施の形態による電源システムによれば、負荷状態および電源状態に応じて、たとえば、電源システム全体での損失が最低となるように動作モードを適切に選択することができる。さらに、所定のモード切替条件が成立していることを確認してから動作モードを切替えるので、動作モード選択に伴う動作モードの切替を、電力変換器50の動作ないし出力に不都合が生じないように、円滑に実行することができる。
特に、直流電源10a,10b間での電力配分比が固定的に決まる動作モード(電力配分固定モード)への移行時に、各直流電源10a,10bの入出力電力が急激に変化することを防止できる。これにより、動作モード切替によって、電源システム5から負荷30への出力(電圧および/または電流)が変動して不安定になることを回避できる。
また、各動作モード間での出力電圧VHの設定可能範囲の違いを反映して、動作モード切替を制限するので(VH要件)、動作モード切替によって出力電圧VHが急激に変化することを防止できる。
さらに、電力配分固定モードへの動作モード切替時には、移行後における電力分配比に従ったときに、各直流電源10a,10bの電力が電力制約値Pamax,Pbmax,Pamin,Pbminに達するときには、当該動作モード切替を禁止することができる。これにより、動作モード切替に起因して過充電ないし過放電が生じないように、各直流電源10a,10bを保護することができる。
[実施の形態2]
実施の形態2の変形例では、直流電源10a,10bの両方を使用するPBモードおよびSBモードでのパルス幅変調制御におけるキャリア波の位相制御(以下、キャリア位相制御)について説明する。まず、PBモードにおけるキャリア位相制御を説明する。
図26には、キャリア波CWa,CWb間に意図的に位相差を設けた場合におけるPB
モードの制御動作例が示される。
図26を参照して、キャリア波CWaおよびキャリア波CWbは、同一周波数であるが、両者の間には位相差φが設けられている。図26の例では、位相差φ=180度である。
図9に示されたφ=0度のときと同様に、キャリア波CWaおよびデューティ比Daの比較に基づいて制御パルス信号SDaが生成されるとともに、キャリア波CWbおよびデューティ比Dbの比較に基づいて、制御パルス信号SDbが生成される。
図26において、デューティ比Da,Dbは図9と同一値である。したがって、図26の制御パルス信号SDaは、図9の制御パルス信号SDaと比較して、位相は異なるもののHレベル期間の長さは同じである。同様に、図26での制御パルス信号SDbは、図
9の制御パルス信号SDbと比較して、位相は異なるもののHレベル期間の長さは同じである。
したがって、キャリア波CWa,CWb間に位相差φを設けることにより、図26の制御信号SG1〜SG4は、図9の制御信号SG1〜SG4とは異なった波形となる。図9および図26の比較から、キャリア波CWa,CWbの間の位相差φを変化させることにより、電流I(L1)および電流I(L2)の位相関係(電流位相)が変化することが理解される。
一方で、同一のデューティ比Da,Dbに対して、電流I(L1),I(L2)の平均値は、図9および図26の間で同等となることが理解される。すなわち、直流電源10a,10bの出力は、デューティ比Da,Dbによって制御されるものであり、キャリア波CWa,CWbの位相差φを変化させても影響が生じない。
このため、実施の形態2では、PBモードにおいて、キャリア波CWaおよびCWbの間の位相差φを適切に調整するキャリア位相制御によって、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング損失の低減を図る。
図27には、実施の形態2に従うキャリア位相制御を適用するための電力変換器の制御構成が示される。
図27を図15と比較して、実施の形態2に従う電力変換器の制御構成では、図17に示された、デューティ比演算部300、PWM制御部400、および、キャリア波発生部410に加えて、キャリア位相制御部420がさらに求められる。
キャリア位相制御部420は、SBモードおよびPBモードにおいて、キャリア波CWa,CWb間の位相差φを設定する。キャリア波発生部410は、キャリア位相制御部420によって設定された位相差φを有するように、キャリア波CWaおよびCWbを発生する。
なお、実施の形態1と同様に、aBモードおよびbBモードでは、PWM制御におけるキャリア波は単一でよい。したがって、aBモードおよびbBモードでは、位相差φは設定されない。
まず、PBモードにおける、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング損失の低減を図るための位相差φの設定について説明する。ここでは、直流電源10aおよび10bの両方が力行状態、すなわち電流I(L1)>0かつ電流I(L2)>0である状態での制
御について説明する。
図28は、電力変換器50においてPBモードにおけるキャリア位相制御による電流位相を説明する波形図である。
図28を参照して、時刻Taまでは、スイッチング素子S2〜S4がオンされるので、直流電源10a,10bの両方に対して、昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされた状態となる、このため、電流I(L1)およびI(L2)の両方は上昇する。
時刻Taにおいて、スイッチング素子S2がターンオフされることにより、直流電源10bに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオフされた状態となるので、電流I(L2)が下降を開始する。スイッチング素子S2のターンオフと入替わりに、スイッチング素子S1がターンオンされる。
時刻Ta以降では、直流電源10aに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされ、直流電源10bに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオフされた状態となる。すなわち、電流I(L1)が上昇する一方で、電流I(L2)が下降する。このとき、電力変換器50での電流経路は、図29(a)のようになる。
図29(a)から理解されるように、時刻Ta以降では、スイッチング素子S4には、電流I(L1)およびI(L2)の差電流が通過することになる。すなわち、スイッチング素子S4の通過電流が小さくなる。
再び図28を参照して、時刻Ta以降の状態から、スイッチング素子S4がターンオフすると、直流電源10aに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオフされた状態となるので、電流I(L1)が下降を開始する。また、スイッチング素子S2がターンオンすると、直流電源10bに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされた状態となるので、電流I(L2)が再び上昇を開始する。すなわち、電力変換器50での電流経路が、図29(a)の状態から、図29(b)の状態に変化する。図29(b)の状態では、スイッチング素子S2には、電流I(L1)およびI(L2)の差電流が通過することになるため、スイッチング素子S2の通過電流が小さくなる。
図29(a)の状態でスイッチング素子S4をターンオフさせることにより、スイッチング素子S4のターンオフ時の電流、すなわち、スイッチング損失を低減できる。また、図29(b)の状態でスイッチング素子S2をターンオンさせることにより、スイッチング素子S2のターンオン時の電流、すなわち、スイッチング損失を低減できる。
したがって、電流I(L1)の下降開始タイミング(極大点)と、電流I(L2)の上昇タイミング(極小点)とが重なるように、電流位相、すなわち、キャリア波CWa,CWbの位相差φを調整する。これにより、図28の時刻Tbにおいて、スイッチング素子S2がターンオンされるとともに、スイッチング素子S4がターンオフされる。
再び図28を参照して、時刻Tcでは、スイッチング素子S1がターンオフされるとともに、スイッチング素子S4がターンオンされる。これにより、直流電源10a,10bの各々に対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンされた状態となる。これにより、上述した時刻Ta以前の状態が再現されて、電流I(L1)およびI(L2)の両方が上昇する。
図30には、図28に示した電流位相におけるスイッチング素子S2,S4の電流波形が示される。図30(a)には、スイッチング素子S2の電流I(S2)の波形が示され
、図30(b)には、スイッチング素子S4の電流I(S4)の波形が示される。
図30(a)を参照して、電流I(S2)は、時刻Taまでの期間および時刻Tc以降の期間では、I(S2)=I(L2)となる。時刻Ta〜Tbの期間では、スイッチング素子S2がオフされるので、I(S2)=0である。そして、時刻Tb〜Tcの期間では、図30(b)に示すように、I(S2)=−(I(L1)−I(L2))となる。
図30(b)を参照して、電流I(S4)は、時刻Taまでの期間および時刻Tc以降の期間では、I(S4)=I(L1)となる。時刻Ta〜Tbの期間では、図30(a)に示したように、I(S4)=−(I(L2)−I(L1))となる。そして、時刻Tb〜Tcの期間では、スイッチング素子S4がオフされるので、I(S4)=0である。
図31には、図28と比較するための、図28と同等のデューティ比の下でキャリア波間の位相差φ=0としたときの電流位相が示される。
図31を参照して、キャリア波CWa,CWbの位相差φ=0のときには、電流I(L1),I(L2)が上昇/下降するタイミング(Tx,Ty,Tz,Tw)はそれぞれ別個のものとなる。
具体的には、時刻Tx以前での、スイッチング素子S1がオフしスイッチング素子S2〜S4がオンしている状態では、電流I(L1)およびI(L2)の両方が上昇する。そして、時刻Txでスイッチング素子S4がターンオフすることによって、電流I(L1)が下降を開始する。スイッチング素子S1は、スイッチング素子S4のターンオフと入替わりにターンオンする。
そして、時刻Tyでは、スイッチング素子S3がターンオフすることによって、電流I(L2)が下降を開始する。スイッチング素子S4は、スイッチング素子S3のターンオフと入替わりにターンオンする。これにより、電流I(L1)およびI(L2)の両方が下降する。
時刻Tzでは、スイッチング素子S2がターンオフするとともに、スイッチング素子S3がターンオンする。これにより、直流電源10aに対して昇圧チョッパ回路の下アーム素子がオンした状態となるので、電流I(L1)が再び上昇する。さらに、時刻Twでは、スイッチング素子S1がターンオフするとともに、スイッチング素子S2がターンオンする。これにより、時刻Tx以前の状態が再現されるので、電流I(L1)およびI(L2)の両方が上昇する。
図32には、図31に示した電流位相におけるスイッチング素子S2,S4の電流波形が示される。図32(a)には、スイッチング素子S2の電流I(S2)の波形が示され、図32(b)には、スイッチング素子S4の電流I(S4)の波形が示される。
図32(a)を参照して、電流I(S2)は、時刻Txまでの期間および時刻Tw以降の期間では、I(S2)=I(L2)となる。時刻Tx〜Tyの期間では、図29(b)と同様の電流経路が形成されるので、I(S2)=−(I(L1)−I(L2))となる。そして、時刻Ty〜Tzの期間では、直流電源10aに対する上アーム素子として動作するので、I(S2)=−I(L1)となる。電流I(L1),I(L2)の両方が下降する時刻Ty〜Tzの期間では、スイッチング素子S2は直流電源10aに対して上アーム素子として動作するので、I(S2)=−I(L1)となる。時刻Tz〜Twの期間では、スイッチング素子S2がオフされるので、I(S2)=0である。
図32(b)を参照して、電流I(S4)は、時刻Txまでの期間および時刻Tw以降の期間では、I(S4)=I(L1)となる。時刻Tx〜Tyの期間では、スイッチング素子S4がオフされるので、I(S4)=0である。電流I(L1),I(L2)の両方が下降する時刻Ty〜Tzの期間では、スイッチング素子S4は直流電源10bに対する上アーム素子として動作するので、I(S4)=−I(L2)となる。時刻Tz〜Twの間では、図29(a)と同様の電流経路が形成されるので、I(S2)=−(I(L2)−I(L1))となる。
図30(a)の時刻Tbで生じる電流I(S2)と、図32(a)の時刻Twで生じる電流I(S2)との比較から、図28の電流位相となるように位相差φを調整することによって、スイッチング素子S2のターンオン電流、すなわち、ターンオン時のスイッチング損失が低減されることが理解される。さらに、図30(a)の時刻Tb〜Tcでの電流I(S2)と、図32(a)の時刻Ty〜Tzでの電流I(S2)との比較から、スイッチング素子S2の導通損失についても低減されることが理解される。
同様に、図30(b)の時刻Tbでの電流I(S4)と、図32(b)の時刻Txでの電流I(S4)との比較から、図28の電流位相となるように位相差φを調整することによって、スイッチング素子S4のターンオフ電流、すなわち、ターンオフ時のスイッチング損失が低減されることが理解される。さらに、図30(b)の時刻Ta〜Tbでの電流I(S4)と、図32(a)の時刻Ty〜Tzでの電流I(S4)との比較から、スイッチング素子S4の導通損失についても低減されることが理解される。
このように、キャリア波CWa,CWbの間に位相差φを設けることにより、スイッチング素子S1〜S4での損失を低減できる。たとえば、図28に示したように、直流電源10aおよび10bの両方が力行となる状態では、電流I(L1)の下降開始タイミング(極大点)と、電流I(L2)の上昇タイミング(極小点)が重なるように、すなわち、スイッチング素子S2のターンオンタイミングと、スイッチング素子S4のターンオフタイミングとが一致するように、位相差φを設定することによって、スイッチング素子S1〜S4での損失が抑制される。
このような位相差φでは、制御パルス信号SDaの立下りタイミング(または立上りタイミング)と、制御パルス信号SDbの立上りタイミング(または立下りタイミング)とが重なることになる。言い換えると、制御パルス信号SDaおよびSDbの間でパルスの遷移タイミング(すなわち、パルスのHレベル/Lレベルが切り換わるタイミング)を合わせるように、位相差φを調整することが必要となる。
図9および図25からも理解されるように、制御パルス信号SDa,SDbは、デューティ比Da,Dbによって変化する。したがって、図26のような電流位相が実現できる位相差φ、すなわち、キャリア位相制御による位相差φについても、デューティ比Da,Dbに応じて決定されることが理解できる。このため、デューティ比Da,Dbと、キャリア位相制御による位相差φとの関係を予め求めるとともに、その対応関係を予めマップ(以下、「位相差マップ」とも称する)あるいは関数式(以下、「位相差算出式」とも称する)として制御装置40に記憶することが可能である。
そして、キャリア位相制御部420は、PBモードでのPWM制御では、算出されたデューティ比Da,Dbに基づいて、上記位相差マップないし位相差算出式に従って、キャリア位相制御のための位相差φを算出することができる。そして、算出された位相差φを有するようにキャリア波CWa,CWbを発生させることにより、スイッチング素子S1〜S4での損失を抑制した高効率のDC/DC変換を実現することができる。
図28〜図32では、直流電源10aおよび10bの両方が力行の状態を説明したが、その他の状態においても、同様のキャリア位相制御が実行できる。
図33は、直流電源の各動作状態における本発明の実施の形態に従うキャリア位相制御を説明するための図表である。
図33を参照して、状態Aでは、上述した、直流電源10aおよび10bの両方が力行状態である。図26に示したように、電流I(L1)の下降タイミング(極大点)と、電流I(L2)の上昇タイミング(極小点)とが図中のTbで重なるような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを調整する。これにより、Tbにおけるスイッチング素子S2のターンオン損失およびスイッチング素子S4のターンオフ損失を低減できる。さらに、上述のように、Ta〜Tbの期間におけるスイッチング素子S4の導通損失および、Tb〜Tcの期間におけるスイッチング素子S2の導通損失を低減することができる。
状態Bでは、直流電源10aおよび10bの両方が回生状態である。この状態では、電流I(L1)の上昇タイミング(極小点)と、電流I(L2)の下降タイミング(極大点)とが図中のTbで重なるような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを調整する。これにより、Tbにおけるスイッチング素子S4のターンオン損失およびスイッチング素子S2のターンオフ損失を低減できる。さらに、上述のように、Ta〜Tbの期間におけるスイッチング素子S2の導通損失および、Tb〜Tcの期間におけるスイッチング素子S4の導通損失を低減することができる。
状態Cでは、直流電源10aが回生状態である一方で、直流電源10bは力行状態である。この状態では、電流I(L1)の下降タイミング(極大点)と、電流I(L2)の下降タイミング(極点)とが図中のTaで重なるような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを調整する。これにより、Taにおけるスイッチング素子S3のターンオン損失およびスイッチング素子S1のターンオフ損失を低減できる。さらに、上述のように、Ta〜Tbの期間におけるスイッチング素子S1の導通損失および、Tc〜Taの期間におけるスイッチング素子S3の導通損失を低減することができる。
さらに、状態Dでは、直流電源10aが力行状態である一方で、直流電源10bは回生状態である。この状態では、電流I(L1)の上昇タイミングと、電流I(L2)の上昇タイミングとが図中のTcで重なるような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを調整する。これにより、Tcにおけるスイッチング素子S1のターンオン損失およびスイッチング素子S3のターンオフ損失を低減できる。さらに、上述のように、Tb〜Tcの期間におけるスイッチング素子S1の導通損失および、Tc〜Taの期間におけるスイッチング素子S3の導通損失を低減することができる。
このように、直流電源10aおよび10bの力行/回生状態の組合せによって、スイッチング素子S1〜S4での損失を低減するための位相差φが異なる。したがって、力行/回生状態の組合せ(図31での状態A〜D)ごとに、上述した、位相差マップまたは位相差算出式を設定することが好ましい。
実施の形態2に従う電力変換器制御によれば、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するためのPBモードでのDC/DC変換において、上述のキャリア位相制御を組み合わせることができる。これにより、スイッチング素子S1〜S4の損失が低減された高効率のDC/DC変換を実行することができる。
なお、図33の例によらず、SBモードにおいて、電力変換器50の動作が最適となる位相差φは、0〜180度の範囲内で任意に設定できる。すなわち、上記位相差マップな
いし位相差算出式によって設定される位相差φは、必ずしも、電流I(L1)の極大点すなわち下降タイミングと、電流I(L2)の極小点すなわち上昇タイミングとが一致するような電流位相、ないし、電流I(L1)の極小点すなわち上昇タイミングと、電流I(L2)の極大点すなわち下降タイミングとが一致するような電流位相に限定されるものではない。
次にSBモードにおけるキャリア位相制御を説明する。以下に説明するように、実施の形態2に従うキャリア位相制御が適用された電力変換器制御では、SBモードにおいても、デューティ比Da,Dbに基づくパルス幅変調制御によってスイッチング素子S1〜S4のオンオフが制御される。
図34に示されるように、SBモードでは直流電源10aおよび10bが直列に接続されるので、直流電源10aおよび10bの両方が力行となる状態(図33での状態A)および直流電源10aおよび10bの両方が回生となる状態(図33の状態B)のいずれかの状態しか存在しない。
したがって、SBモードにおける制御動作では、キャリア波間の位相差φは、図33の状態A,Bに示されるように、電流I(L1)の極大点すなわち下降タイミングと、電流I(L2)の極小点すなわち上昇タイミングとが一致するような電流位相、ないし、電流I(L1)の極小点すなわち上昇タイミングと、電流I(L2)の極大点すなわち下降タイミングとが一致する電流位相となるように設定される。
すなわち、制御パルス信号SDaの立下りタイミングと制御パルス信号SDbの立上りタイミング、または、制御パルス信号SDaの立上りタイミングと制御パルス信号SDbの立下りタイミングとが重なるように、キャリア波CWa,CWbの位相差φを設定することによって、図33の状態A,Bに示した電流位相が実現されることになる。これにより、スイッチング素子S2のターンオンとスイッチング素子S4のターンオフとが重なるように、あるいは、スイッチング素子S4のターンオンとスイッチング素子S2のターンオフとが重なるように、位相差φが設定される。
このときのデューティ比Da,Dbを考える。式(1)を変形することにより、Daについて下記(13)式が得られる。
Da=(VH−Va)/VH …(13)
同様に、式(2)を変形することにより、Dbについて下記(14)式が得られる。
Db=(VH−Vb)/VH …(14)
図10に示されるように、PBモードにおける制御信号SG3は、制御パルス信号SDaおよびSDbの論理和に基づいて生成される。したがって、制御パルス信号SDaの立下り(または立上り)タイミングと、制御パルス信号SDbの立上り(または立下り)タイミングとが重なるように位相差φを設定すると、VH>(Va+Vb)が成立するとき、PBモードにおける制御信号SG3のHレベル期間の比率が1.0を超えることが理解される。すなわち、VH>(Va+Vb)のときには、デューティ比Da,DbによるPBモードと共通のPWM制御によっても、制御信号SG3がHレベルに固定される。
図35には、キャリア位相制御を適用したときのSBモードにおける制御パルス信号を示す波形図が示される。
図35に示されるように、PBモードにおける制御信号SG1は、制御パルス信号/SDaおよび/SDbの論理和に基づいて生成される。上述のように位相差φを設定すると
、制御パルス信号/SDaの立上りタイミングと、制御パルス信号/SDbの立上りタイミングとが重なる。このため、制御信号SG1のデューティ比DSG1=(1−Da)+(1−Db)で示される。すなわち、DSG1は、下記(15)式で示される。
DSG1=(Va+Vb)/VH …(15)
一方で、デューティ比Dcは、式(3)を変形することにより、下記(16)式で示される。
Dc=1−(Va+Vb)/VH …(16)
したがって、図14のSBモードでの論理演算に従って、SG1=/SGcとすると、制御信号SG1のデューティ比DSG1は、下記(17)式で示される。
DSG1=1−Dc=(Va+Vb)/VH …(17)
このように、上述のキャリア位相制御に従って位相差φを設定した場合には、デューティ比Da,Dbによる制御パルス信号SDa,SDbに基づく論理演算、具体的には、/SDaおよび/SDbの論理和によって、デューティ比Dcに基づく制御パルス信号/SDcとデューティ比が等しい信号を生成することができる。すなわち、制御パルス信号SDa,SDbに基づいて、SBモードにおける制御信号SG1を生成することができる。
また、図36に示されるように、SBモードにおける制御信号SG2,SG4は、制御信号SG1の反転信号である。not(/SDb or /SDa)の論理演算結果は、SDaおよびSDbの論理積(SDb and SDa)となる。したがって、制御パルス信号SDcに従って設定されるべき制御信号SG2,SG4についても、制御パルス信号SDaおよびSDbの論理演算に基づいて生成することができる。
このように、SBモードでは、キャリア位相制御を適用して、制御パルス信号SDa(/SDa)および制御パルス信号SDb(/SDb)の間でパルスの遷移タイミングを合わせるように、位相差φが設定される。このような位相差φを有するようにキャリア波CWa,CWbを生成することにより、図36に示されるように、SBモードにおける、デューティ比Dcに基づいて設定されるべき制御信号SG1〜SG4を、デューティ比Da,Dbに基づく制御パルス信号SDa,SDbから生成することが可能である。
具体的には、上述のように、制御信号SG3は、制御パルス信号SDaおよびSDbの論理和によって、Hレベルに固定された信号となる。また、制御信号SG1は、制御パルス信号/SDaおよび/SDbの論理和によって、デューティ比Dcに基づくPWM制御と同等のデューティを有するように生成できる。また、SBモードにおいて、制御信号SG1と相補に設定される制御信号SG2,SG4についても、制御パルス信号SDaおよびSDbの論理積によって生成できる。
したがって、SBモードにおいても、図27の制御構成に従って、電力変換器50の動作が制御される。PWM制御部400は、PBモードおよびSBモードで共通に、位相差φが設定されたキャリア波CWa,CWbと、デューティ比Da,Dbとの比較に従って、制御パルス信号SDa(/SDa),SDb(/SDb)を生成する。さらに、図35に示した論理演算式に従って、PBモードおよびSBモードのそれぞれにおいて、制御パルス信号SDa(/SDa),SDb(/SDb)から制御信号SG1〜SG4が生成される。
なお、SBモードにおける位相差φについても、PBモードにおけるキャリア位相制御と同様に、予め設定された、デューティ比Da,Dbと位相差φとの関係を記憶する位相差マップないし位相差算出式に従って、SBモードにおいて算出されたデューティ比Da
,Dbに基づいて算出することができる。上述のように、SBモードにおける位相差φは、電流I(L1)の極大点すなわち下降タイミングと、電流I(L2)の極小点すなわち上昇タイミングとが一致するような電流位相、ないし、電流I(L1)の極小点すなわち上昇タイミングと、電流I(L2)の極大点すなわち下降タイミングとが一致する電流位相となるように設定される。
したがって、電力変換器50にキャリア位相制御を適用した場合には、実施の形態1で説明した動作モードの切替制御において、キャリア位相制御に関する条件をさらに追加する必要がでてくる。すなわち、SBモードへの切替時には、PBモードを適用してキャリア波の位相差φをSBモード用の位相差としておくことが必要となる。
図37は、電力変換器50の動作モードの切替に係る本実施の形態2に従う制御処理を説明するためのフローチャートである。図37に示すフローチャートに従う制御処理についても、制御装置40によって周期的に実行される。
図37を図17と比較して、実施の形態2に従う、キャリア位相制御が適用された電力変換器制御では、動作モードの切替制御において、ステップS400が、キャリア位相要件を判定するステップS440をさらに含む。ステップS440では、移行先の動作モードがSBモードであるときに、キャリア波CWa,CWb間の位相差φがSBモードでの動作に対応したものとなっているか否かが判定される。
したがって、実施の形態2に従う制御処理では、制御装置40は、VH要件(S410)、電力配分要件(S420)、電力保護要件(S430)およびキャリア位相要件(S440)のすべてがクリアされている場合には、ステップS600に処理を進めて、モード選択信号MD♯に従う動作モードへの切替を実行する。一方で、制御装置40は、VH要件、電力配分要件、電力保護要件および、キャリア位相要件の少なくともいずれかがクリアされていない場合(S410〜S440のいずれかのNO判定時)には、ステップS700に処理を進めて、移行先の動作モードへの切替を許可しない。
図38は、キャリア位相要件の判定のための制御処理(S440)を詳細に説明するためのフローチャートである。すなわち、図38には、図37のステップS440による制御処理の詳細が示される。
図38を参照して、図37のS440は、以下のステップS441〜S446を含む。
制御装置40は、ステップS441において、移行先の動作モード(MD#)が、SBモードであるかどうかを判定する。制御装置40は、移行先の動作モードがSBモードでない場合(S441のNO判定時)には、ステップS446に処理を進めて、キャリア位相要件がクリアされたと判定する。すなわち、キャリア位相要件は、SBモードへの切替時のみに設定される。したがって、移行先の動作モードがSBモード以外であるときには、ステップS440は無条件にYES判定とされる。
制御装置40は、移行先のモードがSBモードであるとき(S441のYES判定時)には、ステップS442に処理を進めて、現在の動作モードがPBモードであるか否かを判定する。PBモード以外では、位相差φの調整ができないからである。
制御装置40は、現在PBモードでないとき(S442のNO判定時)には、ステップS445に処理を進めて、ステップS440をNO判定とする。すなわち、キャリア位相要件(S440)がクリアされていないと判定して、ステップS700へ処理が進められる。ステップS700では、現在の動作モードがPBモードでないときには、動作モードがPBモードへ切替えられる。
ステップS442での判定により、SDモードからSBモードへの切替においても、動作モードが一旦PBモードへ切替えられてから、SBモードへの切替が実行されることになる。したがって、キャリア位相制御が適用される実施の形態2に従う電力変換器制御では、各動作モードからSBモードへの切替時において、動作モードが一旦PBモードに切り替えられる。
制御装置40は、現在PBモードであるとき(S442のYES判定時)には、ステップS443により、現在の位相差φとSBモードを適用できる位相φ(SB)とを比較する。上述のように、φ(SB)は、力行モード(Pa>0,Pb>0)においては、電流I(L1)の極大点すなわち下降タイミングと、電流I(L2)の極小点すなわち上昇タイミングとが一致するような電流位相となるときの位相差に相当する。また、回生モード(Pa<0,Pb<0)においては、φ(SB)は、電流I(L1)の極小点すなわち上昇タイミングと、電流I(L2)の極大点すなわち下降タイミングとが一致する電流位相となるときの位相差である。上述のように、φ(SB)は、デューティ比Da,Dbと、電力Pa,Pbの正負とによって予め一意に求めることができる。
図27に示したキャリア位相制御部420は、SBモードでは、デューティ比Da,Dbと電力Pa,Pbとに基づいて、φ=φ(SB)とするための位相差マップに従って、位相差φを設定する。一方で、キャリア位相制御部420は、PBモードでは、電力変換器50の損失が最小となる位相差となるように、位相差φを設定する。このため、PBモードでの位相差φが、SBモードで必要な位相差φ(SB)と一致している保証はない。
制御装置40は、現在の位相差φとφ(SB)との差が所定の判定値よりも小さい場合には(S443のYES判定時)、ステップS446に処理を進めて、ステップS440をYES判定とする。さらに、図18に示された、PBモードからSBモードへ移行するためのVH要件(S410)、電力配分要件(S420)および電力保護要件(S430)のすべてがクリアされると、SBモードへの切替が許可される。
一方で、制御装置40は、現在の位相差φとφ(SB)との差が所定の判定値よりも大きい場合には(S443のNO判定時)、ステップS444により、位相差φをφ(SB)に近付けるように変更する。このとき、一回の制御周期での位相差φの変更量には上限が設けられることが好ましい。したがって、φ(SB)に向かう位相差φの変更は、一定の変化レートに従ったレート処理となる。さらに、制御装置40は、ステップS445により、ステップS440をNO判定とする。これにより、位相差φがφ(SB)とほぼ一致してSBモードに対応できる位相差が実現されるまで、キャリア位相要件がクリアされないため、SBモードへの切替は許可されない。
このようにすると、実施の形態2に従う電力変換器の動作モード切替によれば、PBモードでの動作時にキャリア位相制御を適用して電力損失を低減させるとともに、SBモードへの切替時には、キャリア波間の位相差が急激に変動することを防止できる。したがって、キャリア位相制御適用時においても、SBモードへの動作モードの切替を、電力変換器50の動作ないし出力に不都合が生じないように、円滑に実行することができる。
なお、本実施の形態では、2個の直流電源10a,10bと、共通の電力線20との間でDC/DC変換を実行する電力変換器50を例示したが、本発明が適用される電力変換器の構成はこの例示に限定されるものではない。すなわち、複数の直流電源を含むとともに複数の動作モードが選択的に適用されるように構成された電力変換器であって、複数の動作モードが、直流電源間での電力配分が制御可能である電力配分制御モードと、直流電源間での電力配分が固定的に決まる電力配分固定モードとの両方を含むものであれば、本
発明を適用した動作モード切替を実行することができる。
さらに、負荷30は、直流電圧VHによって動作する機器であれば、任意の機器によって構成できる点について確認的に記載する。すなわち、本実施の形態では、電動車両の走行用電動機を含むように負荷30が構成される例を説明したが、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
5 電源システム、10a,10b 直流電源、15 配線、20 電力線、21 接地配線、30 負荷、32 インバータ、35 モータジェネレータ、36 動力伝達ギヤ、37 駆動輪、40 制御装置、50 電力変換器、101,102 動作点、110,120 動作領域、150,151,160,161,170〜174 電流経路、300 デューティ比演算部、400 制御部、410 キャリア波発生部、420 キャリア位相制御部、600 動作モード選択部、700 コンバータ指令生成部、710
動作モード切替制御部、720 電力上限値設定部、730 電力下限値設定部、CH
平滑コンデンサ、CW,CWa,CWb キャリア波、D1〜D4 逆並列ダイオード、Da,Db,Dc デューティ比、Ia,Ib 電流(直流電源)、I(L1),I(L2) リアクトル電流、Ia* 電流指令値、L1,L2 リアクトル、MD モード制御信号、MD♯ モード選択信号、N1〜N3 ノード、PHmax,Pamax,Pbmax 電力上限値、PL* 負荷電力指令値、Pa,Pb 電力(直流電源)、Ra,Rb 内部抵抗(直流電源)、S1〜S4 電力用半導体スイッチング素子、SDa,SDb,SDc 制御パルス信号、SG1〜SG4 制御信号、Ta,Tb 温度(直流電源)、VH 直流電圧(出力電圧)、VH* 電圧指令値(出力電圧)、VH♯ 最適動作電圧、VHmax 上限電圧(出力電圧)、Va,Va 電圧(直流電源)、k 電力分配比、k1 電力分配比(SBモード、SDモード)、k2 電力分配比(PDモード)。

Claims (9)

  1. 負荷に接続された電力線と、
    複数の直流電源と、
    前記複数の直流電源および前記電力線の間に接続された電力変換器と、
    前記電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備え、
    前記電力変換器は、複数のスイッチング素子を含み、かつ、前記複数の直流電源と前記電力線との間での電力変換の態様が異なる複数の動作モードのうちの1つの動作モードを適用されて動作することによって前記電力線上の出力電圧を制御するように構成され、
    前記複数の動作モードは、
    前記複数の直流電源の間での電力配分が前記電力変換器を通じて制御可能である第1の動作モードと、
    前記複数の直流電源の間での電力配分が前記電力変換器を通じて固定的に決まる第2の動作モードとを含み、
    前記制御装置は、
    前記複数の動作モードから、前記負荷ならびに前記複数の直流電源の状態に応じて1つの動作モードを選択するためのモード選択手段と、
    前記電力変換器に現在適用されている現在の動作モードと、前記モード選択手段によって選択された移行先の動作モードとが異なる場合に、前記現在の動作モードから前記移行先の動作モードへの切替を制御するための動作モード切替制御手段とを含み、
    前記動作モード切替制御手段は、前記現在の動作モードが前記第1の動作モードであり、前記移行先の動作モードが前記第2の動作モードである場合には、前記第1の動作モードにおいて前記複数の直流電源の間での電力配分を、前記移行先の動作モードが適用された場合の電力配分比に制御した後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行し、
    前記動作モード切替制御手段は、前記移行先の動作モードが適用されたときの電力配分比に従った前記直流電源の電力が各前記直流電源の制約値に達している場合には、当該移行先の動作モードへの切替を禁止する、電源システム。
  2. 前記動作モード切替制御手段は、前記複数の動作モードのうちの前記第2の動作モードに属する1つのモードが前記現在の動作モードであり、かつ、前記移行先の動作モードが前記複数の動作モードのうちの前記第2の動作モードに属する他の1つのモードである場合には、前記現在の動作モードから前記第1の動作モードに切替えて、前記第1の動作モードにおいて前記複数の直流電源の間での電力配分を制御した後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行する、請求項1記載の電源システム。
  3. 前記動作モード切替制御手段は、現在の前記出力電圧が、前記移行先の動作モードによる前記出力電圧の制御可能範囲から外れている場合には、前記出力電圧が前記制御可能範囲内となるように前記現在の動作モードによる前記電力変換器を動作させた後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行する、請求項1または2に記載の電源システム。
  4. 負荷に接続された電力線と、
    複数の直流電源と、
    前記複数の直流電源および前記電力線の間に接続された電力変換器と、
    前記電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備え、
    前記電力変換器は、複数のスイッチング素子を含み、かつ、前記複数の直流電源と前記電力線との間での電力変換の態様が異なる複数の動作モードのうちの1つの動作モードを適用されて動作することによって前記電力線上の出力電圧を制御するように構成され、
    前記複数の動作モードは、
    前記複数の直流電源の間での電力配分が前記電力変換器を通じて制御可能である第1の動作モードと、
    前記複数の直流電源の間での電力配分が前記電力変換器を通じて固定的に決まる第2の動作モードとを含み、
    前記制御装置は、
    前記複数の動作モードから、前記負荷ならびに前記複数の直流電源の状態に応じて1つの動作モードを選択するためのモード選択手段と、
    前記電力変換器に現在適用されている現在の動作モードと、前記モード選択手段によって選択された移行先の動作モードとが異なる場合に、前記現在の動作モードから前記移行先の動作モードへの切替を制御するための動作モード切替制御手段とを含み、
    前記動作モード切替制御手段は、前記現在の動作モードが前記第1の動作モードであり、前記移行先の動作モードが前記第2の動作モードである場合には、前記第1の動作モードにおいて前記複数の直流電源の間での電力配分を、前記移行先の動作モードが適用された場合の電力配分比に制御した後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行し、
    前記複数の直流電源は、第1および第2の直流電源によって構成され、
    前記複数のスイッチング素子は、
    第1のノードおよび前記電力線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
    第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
    前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
    前記第1の直流電源の負極端子および前記第3のノードの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを含み、
    前記電力変換器は、
    前記第2のノードおよび前記第1の直流電源の正極端子の間に電気的に接続された第1のリアクトルと、
    前記第1のノードおよび前記第2の直流電源の正極端子の間に電気的に接続された第2のリアクトルとをさらに含み、
    前記第1の動作モードは、前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電力線との間で並列に直流電圧変換を実行する第1のモードを含み、
    前記第2の動作モードは、前記第3のスイッチング素子をオン固定するとともに前記第1、第2および第4のスイッチング素子をオンオフ制御することによって、前記第1および前記第2の直流電源が直列接続された状態で前記電力線との間で直流電圧変換を実行する第2のモードを含む、電源システム。
  5. 前記動作モード切替制御手段は、前記複数の動作モードのうちの前記第2の動作モードに属する1つのモードが前記現在の動作モードであり、かつ、前記移行先の動作モードが前記複数の動作モードのうちの前記第2の動作モードに属する他の1つのモードである場合には、前記現在の動作モードから前記第1の動作モードに切替えて、前記第1の動作モードにおいて前記第1および第2の直流電源の間での電力配分を制御した後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行する、請求項記載の電源システム。
  6. 前記動作モード切替制御手段は、前記移行先の動作モードが適用されたときの電力配分比に従った各前記直流電源の電力が各前記直流電源の制約値に達している場合には、当該移行先の動作モードへの切替を禁止する、請求項4または5記載の電源システム。
  7. 前記動作モード切替制御手段は、現在の前記出力電圧が、前記移行先の動作モードによる前記出力電圧の制御可能範囲から外れている場合には、前記出力電圧が前記制御可能範囲内となるように前記現在の動作モードによる前記電力変換器を動作させた後に、前記移行先の動作モードへの切替を実行する、請求項4〜6のいずれか1項に記載の電源システム。
  8. 前記制御装置は、
    前記第1の直流電源からの出力を制御するための第1のデューティ比および前記第2の直流電源からの出力を制御するための第2のデューティ比を演算するためのデューティ比演算手段と、
    第1のキャリア波および前記第1のデューティ比の比較、ならびに、第2のキャリア波および前記第2のデューティ比の比較によるパルス幅変調に従ってそれぞれ得られた第1および第2の制御パルス信号に基づいて、前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御信号を生成するためのパルス幅変調制御手段と、
    前記第1および第2のモードの適用時において前記第1のキャリア波と前記第2のキャリア波との位相差を可変に制御するためのキャリア位相制御手段とを含み、
    前記動作モード切替制御手段は、前記移行先の動作モードが前記第2のモードである場合には、前記第1のモードにより前記電力変換器を動作させて、前記第1の直流電源の電流の下降タイミングと前記第2の直流電源の電流の上昇タイミングとが重なような電流位相となるように、あるいは、前記第1の直流電源の電流の上昇タイミングと前記第2の直流電源の電流の下降タイミングとが重なような電流位相となるように前記位相差を制御した後に、前記第2のモードへの切替を実行する、請求項4〜7のいずれか1項に記載の電源システム。
  9. 前記第2の動作モードは、
    前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフ制御によって、前記第1および第2の直流電源の一方の直流電源と前記電力線との間で直流電圧変換を実行する第3のモードと、
    前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、前記電力線に対して前記第1および第2の直流電源が並列に接続された状態を維持する第4のモードと、
    前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、前記電力線に対して前記第1および第2の直流電源が直列に接続された状態を維持する第5のモードと、
    前記第1から第4のスイッチング素子のオンオフを固定して、前記第1および第2の直流電源の一方が前記電力線に電気的に接続される状態を維持する第6のモードとをさらに含む、請求項4〜8のいずれか1項に記載の電源システム。
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