JP6323323B2 - 昇圧制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両等に搭載される昇圧制御装置の技術分野に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等の電動車両では、走行に用いる駆動力及び蓄電に用いる回生電力を発生させるモータジェネレータを制御するために、インバータが搭載される。インバータが利用する電力は走行状態等に応じて変動するため、蓄電装置とインバータとの間に電圧変換装置（コンバータ）が備えられる場合がある。

そして、電動車両の燃費向上のためには、コンバータの損失を低減させることが有効である。このため、例えば特許文献１では、昇圧コンバータを片方の素子だけでスイッチング駆動させるという技術（以下、適宜「片素子制御」と称する）が提案されている。片素子制御によれば、電流リプルを減らせる分、コンバータの損失を低減させることができるとされている。

その他、特許文献２では、コンバータの制御に関連する技術として、リアクトルを流れる電流がゼロ近傍となる瞬間（ゼロクロス）を検出する技術が提案されている。

特開２０１１−１２０３２９号公報 特開２００５−１５１６０６号公報

片素子制御においては、ゼロクロス前後で出力電流とデューティ比の関係が大きく変化するため、ゼロクロスであるか否かによって制御内容を変更することが好ましい。即ち、ゼロクロス領域用の制御と、ゼロクロスでない領域用の制御とを適宜切り替えて実行できることが好ましい。

ここでゼロクロスは、例えば出力電流を監視することで判定可能であるが、センサの故障等に起因して誤った判定がされてしまうこともある。ゼロクロスの判定が誤っていた場合、例えばゼロクロスではない領域でゼロクロス領域用の制御が実施されてしまい、昇圧過電流によってＰＣＵが破損してしまう可能性がある。このように、ゼロクロスを正確に判定できなければ、適切にコンバータを制御することができず、結果として予期せぬ不都合が生じてしまうおそれがある。

本発明は、例えば上述した問題点に鑑みなされたものであり、片素子制御中において、ゼロクロスの誤判定に起因する不適切な制御を防止することが可能な昇圧制御装置を提供することを課題とする。

本発明の昇圧制御装置は上記課題を解決するために、リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のいずれか一方のみを駆動する片素子制御を実現可能な昇圧制御装置であって、前記片素子制御中において、前記リアクトルを流れる出力電流がゼロ近傍であるか否かを判定する判定手段と、（ｉ）前記出力電流がゼロ近傍であると判定されなかった場合に、第１の制御パラメータによる第１デューティ制御を行い、（ｉｉ）前記出力電流がゼロ近傍であると判定された場合に、第２の制御パラメータによる第２デューティ制御を行う制御手段と、前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子がオンである期間において、前記出力電流の変化量が所定値未満である状態が所定期間以上継続した場合に、前記判定手段の故障を検出する故障検出手段とを備える。

本発明に係る昇圧制御装置は、例えば車両に搭載されるコンバータであり、リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を備えている。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、或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。なお、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々には、例えばダイオードが並列に接続されている。

本発明に係る昇圧制御装置は特に、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のいずれか一方のみを駆動する片素子制御を実現可能である。片素子制御が行われる際には、例えば出力すべき電圧値や電流値等に基づいて、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のいずれのスイッチング素子を駆動させて片素子制御を行うべきかが判定される。より具体的には、例えば昇圧制御装置に接続されるモータジェネレータが回生動作を行う場合には第１スイッチング素子による片素子制御が選択され、力行動作を行う場合には第２スイッチング素子による片素子制御が選択される。このように、片素子制御を行う場合には、第１スイッチング素子による片素子制御及び第２スイッチング素子による片素子制御が適宜切替えられる。

片素子制御中には、判定手段により、リアクトルを流れる出力電流がゼロ近傍であるか否かが判定される。判定手段は、例えばリアクトル周辺に設けられる電流センサ等によって出力電流を検出し、検出した値がゼロ近傍であるか否かを判定する。なお、ここでの「ゼロ近傍」とは、後述する出力電流とデューティ比との関係の変化が生ずる程に、出力電流がゼロに近い状態を指している。よって、出力電流がゼロ近傍であるか否かを判定するためには、例えば予め適切な閾値を設定しておき、出力電流が閾値以下の場合にゼロ近傍であると判定すればよい。

また、判定手段は、出力電流の瞬間的な値ではなく、例えば一定期間における出力電流の変化量（言い換えれば、出力電流の時間に対する傾き）を用いてゼロ近傍であるか否かを判定してもよい。より具体的には、出力電流がゼロ近傍になった場合、出力電流の変化量が著しく減少するという特性を利用して、ゼロ近傍であるか否かを判定することができる。この場合、例えば出力電流の変化量に対する閾値を予め設定しておけば、出力電流の変化量と閾値との比較により、ゼロ近傍であるか否かを判定できる。

判定手段における判定結果は、制御手段による各スイッチング素子の制御に用いられる。具体的には、出力電流がゼロ近傍であると判定されなかった場合には、第１の制御パラメータによる第１デューティ制御が行われる。一方、出力電流がゼロ近傍であると判定された場合には、第２の制御パラメータによる第２デューティ制御が行われる。ここでの「デューティ制御」とは、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子のデューティ比（即ち、オン期間とオフ期間との比率）を変化させる制御であり、制御手段は出力すべき出力電流の値に応じてデューティ比を制御する。なお「制御パラメータ」とは、デューティ比そのものであってもよいし、デューティ比に間接的に影響を与える他のパラメータであってもよい。

上述したように、本発明に係る昇圧制御装置では、出力電流がゼロ近傍であるか否かによって異なる制御が実行される。このようにすれば、出力電流がゼロ近傍となった場合に生ずる出力電流とデューティ比との関係の変化に対応することが可能となる。例えば、出力電流とデューティ比との関係が変化すると、出力電流がゼロ近傍である場合（以下、適宜「ゼロクロス」と称する）と、出力電流がゼロ近傍でない場合（以下、適宜「非ゼロクロス」と称する）とでは、デューティ比が同じであっても異なる出力電流が出力されることになる。このため、ゼロクロス時において非ゼロクロス時と同様のデューティ制御を行ってしまうと、出力電流が所望の値にならないおそれがある。これに対し、出力電流がゼロ近傍であるか否かによって異なるデューティ制御を行えば、ゼロクロス時及び非ゼロクロス時の各々において、適切な出力電流を得ることが可能となる。

ここで、出力電流がゼロ近傍であるか否かによって異なる制御を行うためには、ゼロ近傍を正確に判定することが求められる。しかしながら、例えば電流センサに張り付き故障が生じてしまうと、出力電流が誤った値として検出され、ゼロ近傍でないのにゼロクロスであると判定されてしまうおそれがある。この場合、第１デューティ制御が行われるべきであるのに、第２デューティ制御が行われることで、例えば昇圧過電流が発生しＰＣＵが破壊されてしまう可能性がある。

本発明は、上述した故障（即ち、判定手段が適切な判定を行えない状態）を検出するために、故障検出手段を備えている。故障検出手段は、先ず、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子がオンである期間において、出力電流の変化量を算出する。そして、故障検出手段は、出力電流の変化量が所定値未満である状態が所定期間以上継続した場合に、判定手段の故障を検出する。言い換えれば、故障検出手段は、出力電流の変化量が所定値以上である場合、或いは出力電流の変化量が所定値未満であっても継続したのが所定期間未満であれば、判定手段の故障を検出しない。なお、ここでの「所定値」とは、電流センサ等で故障が発生していると判断できる程度に出力電流の変化量が小さいことを判別するための閾値である。所定値は、例えば出力電流がゼロ近傍であるか否かを判定するための閾値と同じ値として設定してもよい。また、「所定期間」とは、電流センサ等で故障が発生していることを正確に判断するために設定される期間であり、例えばノイズ等に起因する一時的な影響を排除するためのマージン期間として設定される。或いは、所定期間は、原理的に出力電流の変化量が所定値未満であり続けることがない期間（より具体的には、デューティ制御の周期を規定するキャリア信号の１周期に対応する期間等）として設定することもできる。

本発明に係る昇圧制御装置では、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子がオンである期間において出力電流が増加し、オフである期間において出力電流が減少する。ここで、ゼロクロス時には、一時的に出力電流の変化量がゼロに近い値となり得るが、第１スイッチング素子又は第２スイッチング素子がオンである期間には、原理的にゼロクロスとはならない。即ち、スイッチング素子がオンである期間には、実際の出力電流の変化量がゼロとなることはない。これを利用すれば、出力電流の変化量が所定値未満であるかに基づいて、判定手段の判定結果が誤っているか否か（即ち、判定手段が故障しているか否か）を好適に判定することができる。また、出力電流の変化量が所定値未満となった場合に、即座に判定手段の故障を検出するのではなく、出力電流の変化量が所定値未満である状態が所定期間以上継続するか否かを更に判定することで、より正確に判定手段の故障を検出できる。

以上説明したように、本発明に係る昇圧制御装置によれば、出力電流がゼロ近傍であるか否かを判定する判定手段の故障を好適に検出することができる。従って、誤った判定結果に基づいて、不適切なデューティ制御が実行されてしまうことを防止できる。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。

実施形態に係る昇圧制御装置が搭載される車両の全体構成を示す概略構成図である。 下側素子制御時の電流の流れを示す概念図である。 上側素子制御時の電流の流れを示す概念図である。 片素子制御時における出力電流の変動を示すタイムチャートである。 実施形態に係るＥＣＵの具体的な構成を示すブロック図である。 デューティ制御の切り替え動作を示すフローチャートである。 ゼロクロス制御及び非ゼロクロス制御におけるデューティと出力電流との関係を示すマップである。 電流センサの張り付き故障を示す概念図である。 故障時における昇圧過電流の発生原理を示すグラフである。 ゼロクロス判定の故障検出動作を示すフローチャートである。 故障検出動作の具体例を示すタイムチャートである。

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。

＜全体構成＞
先ず、本実施形態に係る昇圧制御装置が搭載される車両の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る昇圧制御装置が搭載される車両の全体構成を示す概略構成図である。

図１において、本実施形態に係る昇圧制御装置が搭載される車両１００は、エンジン４０及びモータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２を動力源とするハイブリッド車両として構成されている。但し、車両１００の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力によって走行可能な車両（例えば、電気自動車や燃料電池自動車）等にも適用可能である。また、本実施形態では、昇圧制御装置が車両１００に搭載される構成について説明するが、車両以外でも交流電動機により駆動される機器であれば適用が可能である。

車両１００は、主に直流電圧発生部２０と、負荷装置４５と、平滑コンデンサＣ２と、ＥＣＵ３０とを備えて構成されている。

直流電圧発生部２０は、蓄電装置２８と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１２とを含む。

蓄電装置２８は、例えばニッケル水素又はリチウムイオン等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を含んで構成される。また、蓄電装置２８が出力する直流電圧ＶＬは、電圧センサ１０によって検出される。そして、電圧センサ１０は、検出した直流電圧ＶＬの検出値をＥＣＵ３０に出力する。

システムリレーＳＲ１は、蓄電装置２８の正極端子及び電力線ＰＬ１の間に接続され、システムリレーＳＲ２は、蓄電装置２８の負極端子及び接地線ＮＬの間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、ＥＣＵ３０からの信号ＳＥにより制御され、蓄電装置２８からコンバータ１２への電力の供給と遮断とを切替える。

コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、本発明の「第１スイッチング素子」及び「第２スイッチング素子」の一例であり、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、ＥＣＵ３０からのゲート信号ＰＷＣによって制御される。

スイッチング素子Ｑ１及びＱ２には、例えばＩＧＢＴ、電力用ＭＯＳトランジスタ或いは、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Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置される。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の接続ノードと電力線ＰＬ１の間に設けられる。また、平滑コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に接続される。

電流センサ１８は、リアクトルＬ１を流れるリアクトル電流を検出し、その検出値ＩＬをＥＣＵ３０に出力する。なお、リアクトル電流ＩＬは、本発明の「出力電流」の一例である。

負荷装置４５は、インバータ２３と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、エンジン４０と、動力分割機構４１と、駆動輪４２とを含む。また、インバータ２３は、モータジェネレータＭＧ１を駆動するためのインバータ１４と、モータジェネレータＭＧ２を駆動するためのインバータ２２とを含む。なお、図１のようにインバータ及びモータジェネレータを２組備えることは必須ではなく、例えばインバータ１４とモータジェネレータＭＧ１、或いはインバータ２２とモータジェネレータＭＧ２のいずれか１組のみを備える構成としてもよい。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、インバータ２３から供給される交流電力を受けて車両推進のための回転駆動力を発生する。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、外部から回転力を受け、ＥＣＵ３０からの回生トルク指令によって交流電力を発電するとともに回生制動力を車両１００に発生させる。

また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分割機構４１を介してエンジン４０にも連結される。そして、エンジン４０の発生する駆動力とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の発生する駆動力とが最適な比率となるように制御される。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のいずれか一方を専ら電動機として機能させ、他方のモータジェネレータを専ら発電機として機能させてもよい。なお、本実施形態においては、モータジェネレータＭＧ１をエンジン４０により駆動される発電機として機能させ、モータジェネレータＭＧ２を駆動輪４２を駆動する電動機として機能させるものとする。

動力分割機構４１には、エンジン４０の動力を、駆動輪４２とモータジェネレータＭＧ１との両方に振り分けるために、例えば遊星歯車機構（プラネタリギヤ）が使用される。

インバータ１４は、コンバータ１２から昇圧された電圧を受けて、例えばエンジン４０を始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４０から伝達される機械的動力によってモータジェネレータＭＧ１で発電された回生電力をコンバータ１２に出力する。このときコンバータ１２は、降圧回路として動作するようにＥＣＵ３０によって制御される。

インバータ１４は、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に並列に設けられ、Ｕ相上下アーム１５と、Ｖ相上下アーム１６と、Ｗ相上下アーム１７を含んで構成される。各相上下アームは、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。例えば、Ｕ相上下アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相上下アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相上下アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。また、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８に対して、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続される。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、ＥＣＵ３０からのゲート信号ＰＷＩによって制御される。

例えばモータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続される。さらに、各相コイルの他端は、各相上下アーム１５〜１７のスイッチング素子の接続ノードと接続される。

インバータ２２は、コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続される。

インバータ２２は駆動輪４２を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対してコンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された回生電力をコンバータ１２に出力する。このときコンバータ１２は降圧回路として動作するようにＥＣＵ３０によって制御される。インバータ２２の内部の構成は、図示しないがインバータ１４と同様であり、詳細な説明については省略する。

コンバータ１２は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１及びＱ２が相補的かつ交互にオンオフするように制御される。コンバータ１２は、昇圧動作時には、蓄電装置２８から供給された直流電圧ＶＬを直流電圧ＶＨ（インバータ１４への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１及び逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線ＰＬ２へ供給することにより行われる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２及び逆並列ダイオードＤ２を介して、接地線ＮＬへ供給することにより行われる。

これらの昇圧動作及び降圧動作における電圧変換比（ＶＨ及びＶＬの比）は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２をオン及びオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ２は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ２３へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ３０へ出力する。

インバータ１４は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値が正（ＴＲ１＞０）の場合には、平滑コンデンサＣ２から直流電圧が供給されるとＥＣＵ３０からのゲート信号ＰＷＩ１に応答した、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値が零の場合（ＴＲ１＝０）には、ゲート信号ＰＷＩ１に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるようにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

更に、車両１００の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値ＴＲ１は負に設定される（ＴＲ１＜０）。この場合には、インバータ１４は、ゲート信号ＰＷＩ１に応答したスイッチング動作により、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を、平滑コンデンサＣ２を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

インバータ２２についても同様に、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値に対応したＥＣＵ３０からのゲート信号ＰＷＩ２を受け、ゲート信号ＰＷＩ２応答したスイッチング動作によって、直流電圧を交流電圧に変換して所定のトルクになるようにモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

電流センサ２４，２５は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流をＥＣＵ３０へ出力する。なお、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の電流の瞬時値の和はゼロであるので、図１に示すように電流センサ２４，２５は２相分のモータ電流を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（レゾルバ）２６，２７は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転角θ１，θ２を検出し、その検出した回転角θ１，θ２をＥＣＵ３０へ送出する。ＥＣＵ３０では、回転角θ１，θ２に基づきモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転速度ＭＲＮ１，ＭＲＮ２及び角速度ω１，ω２（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２６，２７については、回転角θ１，θ２をＥＣＵ３０にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置しないようにしてもよい。

ＥＣＵ３０は、本発明の「昇圧制御装置」の一例であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及び入出力バッファを含み、車両１００の各機器を制御する。なお、ＥＣＵ３０の行う制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。ＥＣＵの具体的な構成及び動作については後に詳述する。

＜片素子制御＞
次に、コンバータ１２の片素子制御について、図２から図４を参照して説明する。ここに図２は、下側素子制御時の電流の流れを示す概念図であり、図３は、上側素子制御時の電流の流れを示す概念図である。また図４は、片素子制御時における出力電流の変動を示すタイムチャートである。

図２及び図３において、本実施形態に係るコンバータ１２は、通常の制御（即ち、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の両方を交互にオンとする制御）に加えて、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のいずれか一方のみをオンとする片素子制御を実現することが可能とされている。具体的には、力行時においては、スイッチング素子Ｑ２のみをオンとする下側素子制御が行われる。この場合、図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１側に流れる電流はダイオードＤ１を介して流れ、スイッチング素子Ｑ２側に流れる電流はスイッチング素子Ｑ２を介して流れる。一方、回生時においては、スイッチング素子Ｑ２のみをオンとする下側素子制御が行われる。この場合、図３に示すように、スイッチング素子Ｑ１側に流れる電流はスイッチング素子Ｑ１を介して流れ、スイッチング素子Ｑ２側に流れる電流はダイオードＤ２を介して流れる。

片素子制御によれば、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のいずれか一方のみがオンとされるため、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の短絡を防止するために設定されるデッドタイムが不要となる。よって、例えば装置の小型化に伴って高周波化が求められている場合であっても、コンバータ１２の昇圧性能が低下してしまうことを防止できる。また、片素子制御では、スイッチング素子のゲート干渉回避、昇圧損失の低減も図ることができる。

図５に示すように、片素子制御においては、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ１、及びスイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ２のいずれか一方が選択的に供給されることで、リアクトル電流ＩＬの値が制御される。

具体的には、下側素子制御が行われる力行時（即ち、リアクトル電流ＩＬが正の場合）には、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ１は供給されず、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ２のみが供給される。また、上側素子制御が行われる回生時（即ち、リアクトル電流ＩＬが負の場合）には、スイッチング素子Ｑ１のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ１のみが供給され、スイッチング素子Ｑ２のオンオフを切替えるゲート信号であるＰＷＣ２は供給されない。

＜ＥＣＵの構成＞
次に、本実施形態に係る昇圧制御装置の一例であるＥＣＵ３０の具体的な構成について、図５を参照して説明する。ここに図５は、実施形態に係るＥＣＵの具体的な構成を示すブロック図である。なお、図５では、説明の便宜上、ＥＣＵ３０に備えられる各部位のうち本実施形態に関連の深いもののみを示し、その他の詳細な部位については適宜図示を省略している。

図５において、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、電流変化量検出部３１０と、ゼロクロス判定部３２０と、デューティ制御部３３０と、故障検出部３４０とを備えて構成されている。

電流変化量検出部３１０は、電流センサ１８で検出されたリアクトル電流ＩＬの変化量（言い換えれば、リアクトル電流ＩＬの傾き）を検出する。電流変化量検出部３１０は、例えば連続する２点におけるリアクトル電流ＩＬの差分を変化量として検出する。また、電流変化量検出部３１０は、微分器として構成されてもよい。電流変化量検出部３１０で検出されたリアクトル電流ＩＬの変化量は、ゼロクロス判定部３２０及び故障検出部３４０に夫々出力される構成となっている。

ゼロクロス判定部３２０は、本発明の「判定手段」の一例であり、電流変化量検出部３１０で検出されたリアクトル電流ＩＬの変化量に基づいて、ゼロクロスであるか否か（即ち、リアクトル電流ＩＬがゼロ近傍であるか否か）を判定する。ゼロクロス判定部３２０は、例えばリアクトル電流ＩＬの変化量に対する閾値を記憶しており、リアクトル電流ＩＬの変化量と、閾値とを互いに比較することでゼロクロスを判定する。ゼロクロス判定部３２０の判定結果は、デューティ制御部３３０及び故障検出部３４０に夫々出力される構成となっている。

デューティ制御部３３０は、本発明の「制御手段」の一例であり、ゲート信号ＰＷＣを出力することで、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオンオフを夫々制御する。デューティ制御部３３０は、例えばデューティ指令信号ＤＵＴＹを生成するデューティ信号生成回路、及びキャリア信号ＣＲを生成するキャリア信号生成回路を含んで構成されており、所望のデューティ比に応じて生成されたデューティ指令信号ＤＵＴＹと、キャリア信号ＣＲとを比較し、その比較結果として得られるゲート信号ＰＷＣをスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に夫々出力する。

故障検出部３３０は、本発明の「故障検出手段」の一例であり、ゼロクロス判定部３２０の故障を検出する。なお、ここでの「故障」は、ゼロクロス判定部３２０の直接的な故障を意味するだけではなく、ゼロクロス判定部３２０の動作に影響を与える各部（例えば、リアクトル電流ＩＬを検出する電流センサ１８等）の故障により、ゼロクロス判定部３２０が正確な判定を行えない状態も意味する。故障検出部３３０は、例えば電流変化量検出部３１０で検出されたリアクトル電流ＩＬの変化量や、ゼロクロス判定部３２０の判定結果等を利用して故障を検出する。故障検出部３３０は、故障を検出した場合、故障が生じていることを示す信号をデューティ制御部３３０に対して出力する構成となっている。

＜デューティ制御切り替え動作＞
次に、ＥＣＵ３０が実行するデューティ制御の切り替え動作について、図６及び図７を参照して詳細に説明する。ここに図６は、デューティ制御の切り替え動作を示すフローチャートである。また、図７は、ゼロクロス制御及び非ゼロクロス制御におけるデューティと出力電流との関係を示すマップである。

図６において、コンバータ１２を制御する際には、先ず電流センサ１８によって、リアクトル電流ＩＬがサンプリングされる（ステップＳ１０１）。電流センサ１８は、所定の間隔（例えば、１μｓ）でリアクトル電流ＩＬをサンプリングする。サンプリングされたリアクトル電流ＩＬは、ＥＣＵ３０の電流変化量検出部３１０に入力され、リアクトル電流ＩＬの変化量が検出される（ステップＳ１０２）。

続いて、ゼロクロス判定部３２０において、リアクトル電流ＩＬの変化量が所定の閾値Ａ未満であるか否かが判定される（ステップＳ１０３）。ここで、閾値Ａは、ゼロクロスを判定するための閾値であり、予め判定部３２０が有するメモリ等に記憶されている。ゼロクロス判定部３２０は、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ａ未満である場合にはゼロクロスであると判定し、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ａ未満でない場合にはゼロクロスでない（即ち、非ゼロクロスである）と判定する。

ゼロクロスであると判定された場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、デューティ制御部３３０では、ゼロクロス用制御が実施される（ステップＳ１０４）。一方、ゼロクロスでないと判定された場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、デューティ制御部３３０では、非ゼロクロス用制御が実施される（ステップＳ１０５）。ゼロクロス制御と非ゼロクロス制御とでは、以下に説明するように、異なるデューティの値が用いられる。

図７に示すように、デューティとリアクトル電流ＩＬとの関係は、ゼロクロス時（図中の実線参照）と、非ゼロクロス時（図中の破線参照）とで異なる。具体的には、非ゼロクロス時においては、デューティとリアクトル電流ＩＬとは線形的な関係を有している。一方、ゼロクロス時においては、デューティとリアクトル電流ＩＬとは非線形的な関係を有している。このため、ゼロクロス時と非ゼロクロス時とでは、制御に用いるデューティが同じであっても、出力されるリアクトル電流ＩＬは異なる値となる。よって、仮にゼロクロス時において非ゼロクロス時と同様のデューティ制御を行ってしまうと、出力電流が所望の値にならないおそれがある。

これに対し、ゼロクロスであるか否かを判定した上で異なるデューティ制御を行えば、ゼロクロス時及び非ゼロクロス時の各々において、適切なリアクトル電流ＩＬを得ることが可能となる。即ち、ゼロクロスであるか否かに応じて、選択的に異なるデューティを用いて制御を実行すれば、デューティとリアクトル電流ＩＬとの関係が変化するような場合であっても、確実に所望するリアクトル電流ＩＬを得ることができる。

＜故障による不具合＞
次に、故障によって生じ得るデューティ制御の不具合について、図８及び図９を参照して具体的に説明する。ここに図８は、電流センサの張り付き故障を示す概念図である。図９は、故障時における昇圧過電流の発生原理を示すグラフである。

図８に示すように、リアクトル電流ＩＬを検出する電流センサ１８は、張り付き故障を起こすことがある。この場合、実際のリアクトル電流ＩＬは変動していたとしても、電流センサ１８からの出力値は固定されてしまう。よって、電流センサ１８の張り付き故障時には、電流変化量検出部３１０において、リアクトル電流ＩＬの変化量が極めてゼロに近い値として検出されてしまう。この結果、ゼロクロス判定部３２０では、ゼロクロスでない場合であっても、誤ってゼロクロスであると判定されてしまう。

図９において、仮にａ点での制御が望まれる状況において、上述した電流センサ１８の張り付き故障が発生したとする。すると、本来は非ゼロクロスであるが、ゼロクロス判定部３２０ではゼロクロスであると誤って判定されてしまう。この結果、デューティ制御部３３０では、誤った判定結果に基づき、ｂ点でのゼロクロス用制御が実行されてしまう。しかしながら、実際には非ゼロクロスであるので、点ｃで非ゼロクロス領域が行われたことになり、出力されるリアクトル電流ＩＬは極めて高い値となってしまう。このように、リアクトル電流ＩＬが不必要に大きな値として出力されてしまうと、例えばＰＣＵ等の破壊が生じ得る。即ち、ゼロクロスであるか否かに応じて異なる制御を行う場合には、ゼロクロスであるか否かの判定結果が正確でなければ、予期せぬ不都合を生じてしまうおそれがある。

本実施形態に係る昇圧制御装置は、上述した不都合を回避するために、以下に説明する故障検出動作を実行することが可能とされている。

＜故障検出動作＞
以下では、ＥＣＵ３０が実行する故障を検出する動作について、図１０及び図１１を参照して詳細に説明する。ここに図１０は、ゼロクロス判定の故障検出動作を示すフローチャートである。また図１１は、故障検出動作の具体例を示すタイムチャートである。

図１０において、ＥＣＵ３０は、図６で説明したデューティ制御を切り替える動作と並行して、故障検出部３４０による故障検出動作を実行する。故障検出部３４０では、先ずスイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンとされているか否かが判定される（ステップＳ２０１）。ここで、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンとされていなければ（ステップＳ２０１：ＮＯ）、故障を検出せずに一連の処理は終了される。一方で、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンとされていれば（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満であるか否かが判定される（ステップＳ２０２）。

なお、閾値Ｂは、本発明の「所定値」の一例であり、リアクトル電流ＩＬの変化量が何らかの故障を生じていると判断できるまでに小さいか否かを判定するための閾値である。閾値Ｂは、例えばゼロクロスであるか否かを判定する閾値（即ち、閾値Ａ）と同一の値として設定されてもよい。

リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満でないと判定された場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、故障を検出せずに一連の処理は終了される。一方で、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満であると判定された場合（ステップＳ２０２：ＹＥＳ）、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満であると最初に判定されてから、所定期間が経過しているか否かが判定される（ステップＳ２０３）。

ここで、まだ所定期間が経過していない状態だと（ステップＳ２０３：ＮＯ）、再びＳ２０２の処理が実行され、所定期間が経過するまでにリアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満でないと判定された場合（ステップＳ２０２：ＮＯ）、故障を検出せずに一連の処理は終了される。一方で、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満のままで所定期間が経過した場合には（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、ゼロクロス判定部３２０が故障している（言い換えれば、ゼロクロス判定部３２０の判定結果は誤っている）と判定される（ステップＳ２０４）。

図１１において、電流センサ１８の張り付き故障が発生した場合には、既に説明したように出力値が固定されてしまうため、実際には非ゼロクロスであってもゼロクロスであると判定されてしまうおそれがある。他方で、本実施形態に係るデューティ制御では、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンである期間においてリアクトル電流ＩＬが増加し、オフである期間においてリアクトル電流ＩＬが減少する。また、ゼロクロス時には、一時的にリアクトル電流ＩＬの変化量がゼロに近い値となり得るが、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンである期間には、原理的にゼロクロスとはならない。即ち、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンである期間には、実際のリアクトル電流ＩＬの変化量がゼロとなることはない。

これを利用すれば、リアクトル電流ＩＬの変化量が閾値Ｂ未満であるかに基づいて、ゼロクロス判定部３２０の判定結果が誤っているか否かを好適に判定することができる。具体的には、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンであるにもかかわらず、ゼロクロスであると判定されている場合には、判定結果が誤っていると判定できる。

なお、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２がオンとされた状態でゼロクロスと判定された場合には、すぐに故障を検出してもよいが、所定期間を適切に設定することで、故障検出精度を高めることができる。例えば、通常の制御では、キャリア信号ＣＲの１周期の期間を超えてゼロクロスと判定されることはあり得ない。このため、所定期間をキャリア信号ＣＲの１周期の期間として設定すれば、より正確に故障を検出できる。一方で、所定期間をゼロ又はゼロに極めて近い値として設定しておけば、故障の検出スピードを高めることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る昇圧制御装置によれば、ゼロクロスを判定するゼロクロス判定部３２０の故障を好適に検出することができる。従って、誤った判定結果に基づいて、不適切なデューティ制御が実行されてしまうことを防止できる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う昇圧制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ 電圧センサ
１２ コンバータ
１３ 電圧センサ
１８ 電流センサ
２０ 直流電圧発生部
２２，２３ インバータ
２８ 蓄電装置
３０ ＥＣＵ
４０ エンジン
４１ 動力分割機構
４２ 駆動輪
４５ 負荷装置
１００ 車両
３１０ 電流変化量検出部
３２０ ゼロクロス判定部
３３０ デューティ制御部
３４０ 故障検出部
Ｃ２ 平滑コンデンサ
ＣＲ キャリア信号
Ｄ１，Ｄ２ ダイオード
ＩＬ リアクトル電流
Ｌ１ リアクトル
ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ
ＰＷＣ１，ＰＷＣ２ ゲート信号
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー

Claims (1)

1. リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のいずれか一方のみを駆動する片素子制御を実現可能な昇圧制御装置であって、
   前記片素子制御中において、
   前記リアクトルを流れる出力電流がゼロ近傍であるか否かを判定する判定手段と、
   （ｉ）前記出力電流がゼロ近傍であると判定されなかった場合に、第１の制御パラメータによる第１デューティ制御を行い、（ｉｉ）前記出力電流がゼロ近傍であると判定された場合に、第２の制御パラメータによる第２デューティ制御を行う制御手段と、
   前記第１スイッチング素子又は前記第２スイッチング素子がオンである期間において、前記出力電流の変化量が所定値未満である状態が所定期間以上継続した場合に、前記判定手段の故障を検出する故障検出手段と
   を備えることを特徴とする昇圧制御装置。

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