JP6495413B1 - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変換器における起動後の突入電流を効果的に抑制することができ、実現が容易な電源装置を提供すること。【解決手段】電源システムＳは、第１電源と、第２電源と、入力端から出力端へ電圧を昇圧して出力するＶＣＵと、ＶＣＵを制御するＥＣＵと、を備える。ＶＣＵは、上アームと、下アームと、一端が入力端に接続され他端が上アームと下アームとの接続中点に接続されたリアクトルと、リアクトルに流れる電流の値を取得する電流センサと、を備える。ＥＣＵは、ＶＣＵの起動時には、上アームのトランジスタをオフにした状態で下アームのトランジスタのデューティ比γ１を漸増させる起動時制御を行った後、上アームのトランジスタ及び下アームのトランジスタを相補的に駆動する通常制御を行う。ＥＣＵは、起動時制御の実行中には、電流センサによって取得されたリアクトル電流の値を用いて起動時制御を終了するか継続するかを判定する。【選択図】図２

Description

本発明は、２つの電源とこれら電源の間に設けられた電圧変換器とを備える電源システムに関する。

近年、特性の異なる２つの電源を電圧変換器で接続し、これら電源の間で電力の融通を可能にする車両の電源システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５は、このような２つの電源を備える従来の電源システム１００の構成を模式的に示す図である。

電源システム１００は、第１電源１０１と、この第１電源１０１と特性の異なる第２電源１０２と、これら電源１０１，１０２の間に設けられた電圧変換器１０３と、を備える。電圧変換器１０３は、所謂双方向ＤＣＤＣコンバータであり、昇圧チョッパとして動作することにより第１電源１０１の出力を昇圧して第２電源１０２側に供給したり、降圧チョッパとして動作することにより第２電源１０２の出力を降圧して第１電源１０１側に供給したりする。電圧変換器１０３を昇圧チョッパとして動作させる場合、その上アーム１０５のスイッチング素子と下アーム１０４のスイッチング素子とは、互いに相補的になるようにオン／オフ駆動する。

図６は、電圧変換器１０３の起動時における上アーム１０５及び下アーム１０４のスイッチング素子の制御の一例を示すタイムチャートである。より具体的には、第１電源１０１の出力電圧が第２電源１０２の出力電圧よりも低い状態で、図６において最上段に示すように上アーム１０５及び下アーム１０４のスイッチング素子を相補的にオン／オフ駆動した場合における各種電流の変化を示す図である。図６には、下段から順に下アーム１０４のダイオードを流れる電流ＩＤ１と、上アーム１０５のスイッチング素子を流れる電流ＩＱ２と、リアクトルを流れる電流ＩＬと、を示す。図６に示すように、第２電源１０２の出力電圧が第１電源１０１の出力電圧よりも高い場合、電圧変換器１０３の起動時には、電圧変換器１０３の各種素子に第２電源１０２側から第１電源１０１側へ向かって大きな突入電流が発生する場合がある。そこで特許文献２や特許文献３には、上記のような電源システム１００で突入電流の発生を抑制する技術が示されている。

特許文献２には、電力の融通が行われる２つの電源に各対応して電圧変換器を設け、一方の電圧変換器に対して他方の電圧変換器の起動を遅延させる技術が開示されている。他方の電圧変換器では、出力端子間に接続された上アームと下アームとの直列接続体における上アームのスイッチング動作が起動後の所定期間停止するように制御される。これにより他方の電圧変換器に突入電流が流れることを抑止できるとされている。

特許文献３には、電圧の異なる電源間に設けられた電圧変換器における上アームのスイッチング動作を、起動後この電圧変換器の出力電流値が所定値を超えるまで停止させる技術が開示されている。上アームのスイッチング動作を起動後の或る期間に亘って停止させておくことによって突入電流を抑止できるとされている。

特開２０１７−４１９７３号公報 特開２００９−２９６８４７号公報 特開２００３−７０２３８号公報

特許文献２及び特許文献３には、電圧変換器の起動後の或る期間に亘って上アームのスイッチング動作を停止させておくことによって突入電流が流れることが抑止することが開示されている。しかしながら、特許文献２には、実際に上アームのスイッチング動作を停止させておく期間をどのように設定するかについては、十分に検討されていない。

一方、特許文献３には、突入電流を抑止するために上アームのスイッチング動作を停止させておく期間を、電圧変換器の出力電流値に基づいて設定することが開示されている。より詳細には、電圧変換器の出力導線に流れる電流値を検出し、この検出値に基づいて、上アームのスイッチング動作を停止させておく期間を決めることが開示されている。ところが、電圧変換器の出力導線に流れる電流は、電圧変換器の入出力間の電位差に応じて変化率が変わるという現象を呈する。この現象は、突入電流の発生を回避するための判定基準とする電流の閾値は入出力間の電位差に依存することを意味している。即ち、電圧変換器の出力導線に流れる電流値に基づいて上アームのスイッチング動作を停止させておく期間を決めようとする限り、電圧変換器の入出力間の電位差に応じて判定の閾値を設定し直す必要がある。従って、特許文献３に開示された技術は、実施する場合に煩雑である。

本発明は、電圧変換器における起動後の突入電流を効果的に抑制することができ、実現が容易な電源装置を提供することを目的とする。

（１）本発明の電源システム（例えば、後述の電源システムＳ）は、第１電源（例えば、後述の第１電源１）と、第２電源（例えば、後述の第２電源２）と、入力端（例えば、後述の１次側端子１１，１２）が前記第１電源に接続され出力端（例えば、後述の２次側端子２１，２２）が前記第２電源に接続され、前記入力端から前記出力端へ電圧を昇圧して出力する電圧変換器（例えば、後述のＶＣＵ３）と、前記電圧変換器を制御する制御装置（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備え、前記電圧変換器は、一端が前記出力端の正極に接続されたスイッチング素子（例えば、後述のトランジスタＱ２）を備える上アーム（例えば、後述の上アーム３２）と、一端が前記上アームに接続され他端が前記出力端の負極に接続されたスイッチング素子（例えば、後述のトランジスタＱ１）を備える下アーム（例えば、後述の下アーム３１）と、一端が前記入力端の正極に接続され他端が前記上アームと前記下アームとの接続中点（例えば、後述の接続中点３３）に接続されたリアクトル（例えば、後述のリアクトルＬ）と、前記リアクトルに流れる電流の値を取得するリアクトル電流取得手段（例えば、後述の電流センサ３５）と、を備え、前記制御装置は、前記電圧変換器の起動時には、前記上アームのスイッチング素子をオフにした状態で前記下アームのスイッチング素子のデューティ比（例えば、後述のデューティ比γ１）を漸増させる起動時制御（例えば、後述の図２のＳ３〜Ｓ８の処理）を行った後、前記上アームのスイッチング素子及び前記下アームのスイッチング素子を相補的に駆動する通常制御（例えば、後述の図２のＳ９の処理）を行い、前記起動時制御の実行中には前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値を用いて前記起動時制御を終了するか継続するかを判定することを特徴とする。

（２）この場合、前記制御装置は、前記下アームのスイッチング素子のデューティ周期において、前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が０又は０より僅かに大きな値に設定された電流閾値（例えば、後述の電流閾値ＩＬ＿ｔｈ）以下である期間の長さが、０より僅かに大きな値に設定された時間閾値（例えば、後述の時間閾値Ｔ＿ｔｈ）以下である場合には、前記起動時制御を終了すると判定することが好ましい。

（３）この場合、前記制御装置は、前記下アームのスイッチング素子のデューティ周期の終期に前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が、０より僅かに大きな値に設定された電流閾値（例えば、後述の電流閾値ＩＬ＿ｔｈ）より大きい場合には、前記起動時制御を終了すると判定することが好ましい。

（４）この場合、前記電圧変換器は、前記入力端の正極と負極に接続された平滑コンデンサ（例えば、後述の１次側平滑コンデンサＣ１）を備え、前記リアクトル電流取得手段は、前記入力端の正極と前記リアクトルとの間又は前記リアクトルと前記接続中点との間を流れる電流に応じた信号を発生する電流センサ（例えば、後述の電流センサ３５）であることが好ましい。

（５）この場合、前記制御装置は、前記起動時制御を終了すると判定したデューティ周期における前記下アームのスイッチング素子のデューティ比（例えば、後述のデューティ比γ１）に基づいて、前記通常制御における前記上アームのスイッチング素子のデューティ比（例えば、後述のデューティ比γ２）を設定することが好ましい。

（１）本発明の電源システムでは、電圧変換器の起動時には、上アームのスイッチング素子をオフにした状態で下アームのスイッチング素子のデューティ比を漸増させる起動時制御を行った後、上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子を相補的に駆動する通常制御を行う。ここで起動時制御を行っている間は、上アームのスイッチング素子はオフに維持されるため、仮に電圧変換器の出力端側の電圧が入力端側の電圧より高い場合であっても、第２電源側から第１電源側へ向かう突入電流の発生を抑制できる。ここで起動時制御において、下アームのスイッチング素子のデューティ比を大きくするほど、すなわち下アームのスイッチング素子をオンにする時間を長くするほど、リアクトルには第１電源側から第２電源側へ大きな電流が流れるようになり、ひいては通常制御に移行した際における突入電流を抑制できる。そこで本発明の電源システムでは、起動時制御によって下アームのデューティ比を漸増させる過程において、リアクトル電流取得手段によって取得される電流の値を用いて、実行中の起動時制御を終了し通常制御に移行するか或いは実行中の起動時制御を継続するかを判定する。これにより本発明の電源システムでは、その時の入力端側と出力端側の電圧の差に応じた適切なタイミングで、すなわち起動時制御の下で下アームのデューティ比を上記電圧の差に応じた適切な大きさまで増加させた状態で起動時制御を終了し通常制御に移行することができるので、通常制御への移行時における突入電流の発生を抑制できる。なお、起動時制御の実行中における電圧変換器の出力電流は、その時の第１電源と第２電源と出力電圧の差に応じて変化することから、特許文献３の電源システムのように、電圧変換器の出力電流値と閾値との比較に基づいて起動時制御の終了時期を決定した場合、この閾値は出力電圧の差に応じて適宜調整する必要がある。これに対し本発明の電源システムでは、上記のようにリアクトル電流取得手段によって取得される電流の値を用いることにより、電圧の差を用いて閾値を調整したりすることなくその都度適切なタイミングで起動時制御の終了時期を決定できる。

（２）第１電源側から第２電源側へ向かう向きの電流を正として、起動時制御では、下アームのスイッチング素子をオンにすると、リアクトルを流れる電流は正方向へ増加し、その後下アームのスイッチング素子をオフにすると０へ向けて減少する。なお起動時制御では、上アームのスイッチング素子はオフに維持されるため、リアクトルを流れる電流が０よりも小さくなることはない。ここで起動時制御において、下アームのスイッチング素子のデューティ比を漸増させると、各デューティ周期において下アームのスイッチング素子をオフにした後リアクトルを流れる電流が０まで低下する時期は遅くなる。したがって各デューティ周期において、リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が電流閾値以下である期間の長さは、起動時制御を終了するか継続するかを判定するためのパラメータとして適している。本発明の電源システムでは、このような期間の長さが０より僅かに大きな値に設定された時間閾値以下である場合に、起動時制御を終了すると判定することにより、通常制御に移行した際には突入電流が発生しないような適切なタイミングで起動時制御を終了できる。

（３）本発明の電源システムでは、下アームのスイッチング素子のデューティ周期の終期にリアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が０よりも僅かに大きな値に設定された電流閾値より大きい場合には、起動時制御を終了すると判定する。これにより、リアクトル電流取得手段による電流の値の精度を勘案しても、通常制御への移行直後にはリアクトルを流れる電流が負方向へ大きくなることは無いので、突入電流をより確実に抑制できる。なお本発明の電源システムでは、デューティ周期の終期に取得した電流の値を用いて起動時制御の終了時期を判定することから、電流の値の履歴を監視する必要がある上記（２）の発明よりも演算負荷が軽くなる、という利点がある。

（４）本発明の電源システムでは、リアクトル電流取得手段は、平滑コンデンサが接続される入力端子の正極とリアクトルとの間又はリアクトルと接続中点との間を流れる電流に応じた信号を発生する電流センサとする。これにより、リアクトルを流れる電流の値を精度良く取得できるため、通常制御に移行した際には突入電流が発生しないような適切なタイミングで起動時制御を終了できる。

（５）本発明の電源システムでは、起動時制御を終了すると判定したデューティ周期における下アームのスイッチング素子のデューティ比に基づいて、通常制御における上アームのスイッチング素子のデューティ比を設定する。これにより、通常制御への移行直後における突入電流の発生をより確実に抑制できる。

本発明の一実施形態に係る電源システムを搭載する車両の構成を示す図である。 ＶＣＵを起動し、ＶＣＵの昇圧機能を利用して２次側電圧を制御する具体的な手順を示すフローチャートである。 起動時制御の実行中におけるリアクトル電流の変化の具体例を示す図である。 図２のフローチャートに従ってＶＣＵを起動した場合に実現される各種電流の変化を示すタイムチャートである。 ２つの電源を備える従来の電源システムの構成を模式的に示す図である。 電圧変換器の起動時における上アーム及び下アームのスイッチング素子の制御の一例を示すタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る電源システムＳを搭載する車両Ｖの構成を示す図である。なお本実施形態では、車両Ｖとして、２つの電源とこれら電源の間に設けられた電圧変換器を備える所謂電気自動車を例に説明するが、本発明はこれに限るものではない。本発明に係る電源システムは、電気自動車に限らず、ハイブリッド車両や燃料電池自動車等、２つ以上の電源とこれら電源の間に設けられた電圧変換器とを備えるものであれば、どのような車両にも適用可能である。

車両Ｖは、電源システムＳと、モータＭと、駆動輪Ｗと、を備える。モータＭは、主として車両Ｖが走行するための動力を発生する。モータＭは、駆動輪Ｗに接続されている。電源システムＳからモータＭに電力を供給することによりモータＭで発生させたトルクは、図示しない動力伝達機構を介して駆動輪Ｗに伝達され、駆動輪Ｗを回転させ、車両Ｖを走行させる。またモータＭは、車両Ｖの減速回生時には発電機として作用する。モータＭによって発電された電力は、電源システムＳが備える後述の第１電源１や第２電源２に充電される。

電源システムＳは、第１電源１と、第２電源２と、電圧変換器３（以下、「ＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３」との略称を用いる）と、インバータ４と、ＶＣＵ３及びインバータ４を制御する電子制御ユニット５（以下、「ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５」との略称を用いる）と、を備える。

第１電源１は、直流を出力する直流電源であり、その正極及び負極はそれぞれ第１正極電力線１ｐ及び第１負極電力線１ｎ（以下、これらをまとめて「第１電力線１ｐ，１ｎ」ともいう）を介してＶＣＵ３の１次側正極端子１１及び１次側負極端子１２（以下、これらをまとめて「１次側端子１１，１２」ともいう）に接続されている。第１電源１は、二次電池やキャパシタ等の放電及び充電が可能な蓄電装置や、蓄電装置と第１電力線１ｐ，１ｎとを電気的に接続又は遮断するコンタクタ等を含んで構成される。

第２電源２は、直流を出力する直流電源であり、その正極及び負極はそれぞれ第２正極電力線２ｐ及び第２負極電力線２ｎ（以下、これらをまとめて「第２電力線２ｐ，２ｎ」ともいう）を介してＶＣＵ３の２次側正極端子２１及び２次側負極端子２２（以下、これらをまとめて「２次側端子２１，２２」ともいう）に接続されている。第２電源２は、二次電池やキャパシタ等の放電及び充電が可能な蓄電装置や、この蓄電装置と第２電力線２ｐ，２ｎとを電気的に接続又は遮断するコンタクタ等を含んで構成される。なお車両Ｖが燃料電池車両である場合、第２電源２には、蓄電装置の代わりに燃料電池スタックが用いられる。

インバータ４は、例えば、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）をブリッジ接続して構成されるブリッジ回路を備えたパルス幅変調によるＰＷＭインバータであり、直流電力と交流電力とを変換する機能を備える。インバータ４は、その直流入出力側において第２電力線２ｐ，２ｎに接続され、交流入出力側においてモータＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続されている。

インバータ４は、モータＭのＵ相に接続されたハイ側Ｕ相スイッチング素子及びロー側Ｕ相スイッチング素子と、モータＭのＶ相に接続されたハイ側Ｖ相スイッチング素子及びロー側Ｖ相スイッチング素子と、モータＭのＷ相に接続されたハイ側Ｗ相スイッチング素子及びロー側Ｗ相スイッチング素子と、を相毎にブリッジ接続して構成される。インバータ４は、ＥＣＵ５のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号に従って上記各相のスイッチング素子をオン／オフ駆動することにより、第２電力線２ｐ，２ｎから供給される直流電力を交流電力に変換してモータＭに供給したり、モータＭから供給される交流電力を直流電力に変換して第２電力線２ｐ，２ｎに供給したりする。

第１電力線１ｐ，１ｎには、ＶＣＵ３の１次側端子１１，１２の間の電圧を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ５へ送信する１次側電圧センサ１０が設けられている。以下では、１次側電圧センサ１０によって検出される電圧、すなわちＶＣＵ３の１次側端子１１，１２の間の電圧を１次側電圧Ｖ１ともいう。なおこの１次側電圧Ｖ１は、基本的には第１電源１の出力電圧と等しい。

第２電力線２ｐ，２ｎには、ＶＣＵ３の２次側端子２１，２２の間の電圧を検出し、検出値に応じた信号をＥＣＵ５へ送信する２次側電圧センサ２０が設けられている。以下では、２次側電圧センサ２０によって検出される電圧、すなわちＶＣＵ３の２次側端子２１，２２の間の電圧を２次側電圧Ｖ２ともいう。なおこの２次側電圧Ｖ２は、基本的には第２電源２の出力電圧と等しい。

ＶＣＵ３は、スイッチング素子としてのトランジスタＱ１を有する下アーム３１と、スイッチング素子としてのトランジスタＱ２を有する上アーム３２と、リアクトルＬと、１次側平滑コンデンサＣ１と、２次側平滑コンデンサＣ２と、電流センサ３５と、１次側端子１１，１２と、２次側端子２１，２２と、を組み合わせて構成される所謂双方向ＤＣＤＣコンバータである。

下アーム３１のトランジスタＱ１のエミッタは２次側負極端子２２に接続され、上アーム３２のトランジスタＱ２のコレクタは２次側正極端子２１に接続されている。またトランジスタＱ１のコレクタとトランジスタＱ２のエミッタとは、接続中点３３において接続されている。またこれらトランジスタＱ１，Ｑ２には、それぞれ逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が接続されている。逆並列ダイオードＤ１の順方向は、接続中点３３から２次側正極端子２１へ向かう向きであり、逆並列ダイオードＤ２の順方向は、２次側負極端子２２から接続中点３３へ向かう向きである。

これらトランジスタＱ１，Ｑ２には、電力用バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、電力用ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタ、等が用いられる。トランジスタＱ１のスイッチング動作は、ＥＣＵ５のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号Ｐ１に従って制御される。またトランジスタＱ２のスイッチング動作は、ＥＣＵ５のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号Ｐ２に従って制御される。

リアクトルＬは、１次側正極端子１１と接続中点３３との間に接続されている。１次側平滑コンデンサＣ１は、１次側正極端子１１と１次側負極端子１２との間に接続されている。２次側平滑コンデンサＣ２は、２次側正極端子２１と２次側負極端子２２との間に接続されている。

電流センサ３５は、１次側正極端子１１とリアクトルＬの一端とを接続する第１導体部１１ａに設けられ、この第１導体部１１ａを流れる電流に応じた検出信号をＥＣＵ５へ送信する。なお、この電流センサ３５は、リアクトルＬの他端と接続中点３３とを接続する第２導体部１１ｂに設け、この第２導体部１１ｂを流れる電流に応じた検出信号をＥＣＵ５へ送信するものを用いてもよい。以下では、この電流センサ３５によって検出される電流、すなわちリアクトルＬを流れる電流をリアクトル電流ＩＬともいう。またこのリアクトル電流ＩＬは、第１電源１から第２電源２へ向かう向きを正とする。また電流センサ３５は、通常の電流計のように計測対象の電流が流れる導体部の途中に介挿されるものであってもよいが、ホール素子を用いたクランプ式電流計のように計測対象の電流が流れる導体部を囲むように設けられるものであってもよい。

以上のように構成されたＶＣＵ３は、ＥＣＵ５からのゲート駆動信号Ｐ１，Ｐ２によって昇圧チョッパとして動作させることにより１次側端子１１，１２から２次側端子２１，２２へ電圧を昇圧して出力させる昇圧機能と、ＥＣＵ５からのゲート駆動信号Ｐ１，Ｐ２によって降圧チョッパとして動作させることにより２次側端子２１，２２から１次側端子１１，１２へ電圧を降圧して出力させる降圧機能と、を備える。

ＥＣＵ５は、車両Ｖの走行制御、より具体的には、ＶＣＵ３及びインバータ４の制御を担うマイクロコンピュータである。

図２は、ＥＣＵ５においてＶＣＵ３を起動し、ＶＣＵ３の昇圧機能を利用して２次側電圧Ｖ２を所定の目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄに制御する具体的な手順を示すフローチャートである。図２のフローチャートは、ＶＣＵ３が停止した状態、すなわちトランジスタＱ１，Ｑ２がオフとなった状態で、ＶＣＵ３の起動要求が生じたことに応じてＥＣＵ５において実行される。

始めにＳ１では、ＥＣＵ５は、２次電圧Ｖ２に対する目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄを設定する。この目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄは、例えば第１電源１と第２電源２の電力負担割合等に応じてＥＣＵ５における演算によって設定される。

次にＳ２では、ＥＣＵ５は、１次側電圧センサ１０によって検出される１次側電圧Ｖ１と２次側電圧センサ２０によって検出される２次側電圧Ｖ２とを比較し、１次側電圧Ｖ１が２次側電圧Ｖ２よりも低いか否か（Ｖ１＜Ｖ２）を判定する。

Ｓ２の判定結果がＹＥＳである場合、すなわちＶＣＵ３を起動する直前における１次側電圧Ｖ１が２次側電圧Ｖ２よりも低い場合には、ＥＣＵ５は、図５及び図６を参照して説明した突入電流の発生を抑制するため、Ｓ３〜Ｓ８からなる起動時制御を実行した後、Ｓ９の通常制御に移行する。またＳ２の判定結果がＮＯである場合、すなわちＶＣＵ３を起動する直前における１次側電圧Ｖ１が２次側電圧Ｖ２以上である場合には、ＥＣＵ５は、上記起動時制御を実行せずとも突入電流が発生するおそれはないと判断し、Ｓ９に移り、直ちに通常制御を開始する。

Ｓ９では、ＥＣＵ５は、ＶＣＵ３の通常制御を実行する。この通常制御では、ＥＣＵ５は、下アーム３１のトランジスタＱ１及び上アーム３２のトランジスタＱ２を相補的に駆動する。ここでトランジスタＱ１，Ｑ２を相補的に駆動するとは、具体的にはトランジスタＱ１を所定のデューティ比γ１［％］の下でオン／オフ駆動するとともに、トランジスタＱ１をオンにする間はトランジスタＱ２をオフにし、かつトランジスタＱ１をオフにする間はトランジスタＱ２をオンにすることをいう。ここでトランジスタＱ１のデューティ比γ１は、デューティ周期をＴ［ｓｅｃ］とし、このデューティ周期Ｔの間でトランジスタＱ１をオンにする期間をｔ１［ｓｅｃ］とした場合、γ１＝ｔ１／Ｔ×１００で表される。またこの通常制御では、トランジスタＱ２のデューティ比γ２［％］は、デューティ比γ１を用いて、１００−γ１によって表される。

またＥＣＵ５は、通常制御を開始した当初は、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を０よりも僅かに大きな値に設定された初期値とし、その後デューティ比γ１を目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄと１次側電圧Ｖ１とに基づいて設定される目標比（例えば、Ｖ１−Ｖ１／Ｖ２＿ｃｍｄ）へ向けて、所定のレートで漸増させる。またＥＣＵ５は、デューティ比γ１を漸増させるに併せて、トランジスタＱ２のデューティ比γ２を、１００よりも僅かに小さな値に設定された初期値とし、この初期値から目標比（例えば、１−Ｖ１＋Ｖ１／Ｖ２＿ｃｍｄ）へ向けて、所定のレートで漸減させる。ＥＣＵ５は、通常制御では、以上のようなデューティ比γ１，γ２が実現されるようにゲート駆動信号Ｐ１，Ｐ２を生成し、この駆動信号Ｐ１，Ｐ２の下でトランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフ駆動することによって、２次側電圧Ｖ２を目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄへ制御する。

一方Ｓ２の判定結果がＹＥＳであり、上記通常制御を開始する前に起動時制御を実行すると判定した場合、ＥＣＵ５は、上アーム３２のトランジスタＱ２のデューティ比γ２を０［％］に設定する（Ｓ３参照）。

次にＳ４では、ＥＣＵ５は、下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１を０よりも僅かに大きな値に設定された初期値ｄ［％］に設定する。

次にＳ５では、ＥＣＵ５は、デューティ比γ１の現在の設定値が実現されるようにゲート駆動信号Ｐ１を生成し、この駆動信号Ｐ１の下で、予め定められたデューティ周期ＴにわたりトランジスタＱ１をオン／オフ駆動する。なお上述のようにトランジスタＱ２のデューティ比γ２は０に設定されていることから、ＥＣＵ５は、起動時制御を実行している間は、トランジスタＱ２をオフの状態で維持する。このため起動時制御を実行している間は、２次側電圧Ｖ２が１次側電圧Ｖ１より高くても、第２電源２側から第１電源１側へ向かう向きの突入電流の発生を抑制できる。

次にＳ６では、ＥＣＵ５は、現在のデューティ周期において電流センサ３５によって検出されたリアクトル電流ＩＬを用いることによって、起動時制御を終了する時期に達したか否か、換言すれば起動時制御を終了し通常制御に移行しても突入電流が発生しない時期に達したか否かを判別する。Ｓ６の判別がＮＯであり、起動時制御を終了する時期に達していないと判断した場合、ＥＣＵ５は、起動時制御を継続すべく、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を０よりも僅かに大きな値に定められた所定幅Δ［％］だけ増加させ（Ｓ７参照）、このデューティ比γ１の下でトランジスタＱ１をオン／オフ駆動し（Ｓ５参照）、再び起動時制御を終了する時期に達したか否かを判別する（Ｓ６参照）。以上のように起動時制御では、ＥＣＵ５は、上アーム３２のトランジスタＱ２をオフにした状態で下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１を漸増させながら、デューティ周期Ｔごとに起動時制御を終了する時期に達したか否かを判別する。

ここでリアクトル電流ＩＬを用いて、起動時制御を終了する時期に達したか否かを判別する具体的な手順について、図３を参照しながら説明する。

図３は、起動時制御の実行中におけるリアクトル電流ＩＬの変化の具体例を示す図である。なお図３には、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を所定値ａとした場合を実線で示し、デューティ比γ１を所定値ａより大きな所定値ｂとした場合を破線で示す。また仮にトランジスタＱ２を通常制御と同様にトランジスタＱ１に対し相補的に駆動した場合を一点鎖線で示す。また図３において、時刻ｔ１から時刻ｔ５が、１つのデューティ周期となっている。

図３において実線で示すように、時刻ｔ１においてトランジスタＱ１をオフからオンにすると、リアクトル電流ＩＬは正の向きへ増加し始める。その後、時刻ｔ２においてトランジスタＱ１をオンからオフにすると、リアクトル電流ＩＬは減少し始め、時刻ｔ４において０まで減少する。また起動時制御では、上アーム３２のトランジスタＱ２をオフの状態で維持することから、時刻ｔ４から次のデューティ周期の始期である時刻ｔ５まで、リアクトル電流ＩＬは０となる。

ここで図３において一点鎖線で示すように、時刻ｔ４においてトランジスタＱ１をオフにするとともにトランジスタＱ２をオンにすると、より高電位である第２電源２側から第１電源１側へ向けて電流が流れるため、リアクトル電流ＩＬは負方向へ増加し始める。これは、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を所定値ａとした状態で起動時制御から通常制御に移行し、トランジスタＱ１，Ｑ２を相補的に駆動し始めると、負方向へ突入電流が発生するおそれがあることを意味する。すなわちこれは、起動時制御を終了する時期に達していないことを意味する。

一方図３において破線で示すように、デューティ比γ１を所定値ｂとし、デューティ比γ１を所定値ａとした場合よりも長い時間（時刻ｔ１〜ｔ３）にわたりトランジスタＱ１をオンにすると、リアクトル電流ＩＬはデューティ比γ１を所定値ａとした場合よりも大きな値まで増加する。また時刻ｔ３においてトランジスタＱ１をオフにすると、リアクトル電流ＩＬは減少し始め、次のデューティ周期の始期である時刻ｔ５において０近傍まで減少する。したがってデューティ比γ１を所定値ｂとした場合、１つのデューティ周期にわたりリアクトル電流ＩＬは常に０以上の値に維持される。この場合、デューティ比γ１を所定値ａとした場合と異なり、通常制御に移行しても突入電流が発生するおそれはないと判断できる。すなわちこれは、起動時制御を終了する時期に達したことを意味する。

ＥＣＵ５は、以上のようなリアクトル電流ＩＬの特性を考慮し、起動時制御の実行中において電流センサ３５によって検出されるリアクトル電流ＩＬの値を用いることによって起動時制御を終了する時期に達したか否かを判定する。より具体的には、電流センサ３５の検出値には誤差があることを考慮して、ＥＣＵ５は、対象とするデューティ周期において、電流センサ３５によって検出されたリアクトル電流ＩＬの値が、０又は０より僅かに大きな値に設定された電流閾値ＩＬ＿ｔｈ以下である期間の長さが、０より僅かに大きな値に設定された時間閾値Ｔ＿ｔｈ以下である場合には、起動時制御を終了すると判定する。

また図３に示すように、起動時制御において、リアクトル電流ＩＬは、トランジスタＱ１をオフにした直後をピークとして、その後は０へ向けて減少する傾向がある。そこでＥＣＵ５は、対象とするデューティ周期の終期（図３の例では、時刻ｔ５）において、電流センサ３５によって検出されたリアクトル電流ＩＬの値が、上記電流閾値ＩＬ＿ｔｈより大きい場合に、起動時制御を終了すると判定してもよい。なおこの方法で判定する場合、電流センサ３５の検出値には誤差があることを考慮して、電流閾値ＩＬ＿ｔｈは、０より僅かに大きな値に設定することが好ましい。

図２に戻り、ＥＣＵ５は、Ｓ６において起動時制御を終了する時期に達したと判断した場合には、通常制御に移行すべくＳ８に移る。Ｓ８では、ＥＣＵ５は、次ステップにおいて開始する通常制御におけるトランジスタＱ，Ｑ２のデューティ比γ１，γ２の初期値を設定する。ＥＣＵ５は、現時点、すなわち起動時制御を終了すると判定した時点におけるデューティ比γ１の値をそのまま通常制御におけるデューティ比γ１の初期値として採用する。またＥＣＵ５は、現時点におけるデューティ比γ１の値に基づいて、通常制御におけるデューティ比γ２の初期値を設定する。より具体的には、ＥＣＵ５は、１から現時点におけるデューティ比γ１を減じて得られる値を、通常制御におけるデューティ比γ２の初期値として設定する（γ２＝１−γ１）。その後ＥＣＵ５は、以上のように設定されたデューティ比γ１，γ２の初期値の下で、上述のようにＶＣＵ３の通常制御を開始する。

図４は、図２のフローチャートに従ってＶＣＵ３を起動した場合に実現される各種電流の変化を示すタイムチャートである。図４には、ＶＣＵ３を起動する直前における１次側電圧Ｖ１が２次側電圧Ｖ２よりも低かった場合の制御例を示す。より具体的には、時刻ｔ１０から時刻ｔ１６にかけて起動時制御（図２のＳ３〜Ｓ８）を行った後、時刻ｔ１６から通常制御（図２のＳ９）に移行した場合を示す。

また図４には、上段から順に、下アーム３１のトランジスタＱ１、上アーム３２のトランジスタＱ２、リアクトル電流ＩＬ（１次側正極端子１１から接続中点３３へ向かう向きを正とする）、下アーム３１のトランジスタＱ１を流れる電流ＩＱ１（トランジスタＱ１のコレクタからエミッタへ向かう向きを正とする）、上アーム３２の逆並列ダイオードＤ２を流れる電流ＩＤ２（ダイオードＤ２の順方向を正とする）、上アーム３２のトランジスタＱ２を流れる電流ＩＱ２（トランジスタＱ２のコレクタからエミッタへ向かう向きを正とする）、及び下アーム３１の逆並列ダイオードＤ１を流れる電流ＩＤ１（ダイオードＤ１の順方向を正とする）を示す。

時刻ｔ１０〜ｔ１６における起動時制御では、ＥＣＵ５は、上アーム３２のトランジスタＱ２をオフ状態で維持しながら、下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１を０近傍から、１つのデューティ周期につき所定幅Δずつ増加させながら、このデューティ比γ１の下でトランジスタＱ１をオン／オフ駆動する。すなわち図４に示すように、トランジスタＱ１のオンデューティ期間は徐々に長くなる。

また時刻ｔ１０〜ｔ１６における起動時制御では、上アーム３２のトランジスタＱ２はオフの状態で維持されることから、トランジスタＱ２を流れる電流ＩＱ２は０である。また下アーム３１のダイオードＤ１も逆バイアス状態であるため、ダイオードＤ１を流れる電流ＩＤ１も０である。

ここで時刻ｔ１０〜ｔ１２における１番目のデューティ周期に着目して、起動時制御において実現される各種電流の変化について説明する。先ず、時刻ｔ１０からその時のデューティ比γ１に従って設定されるオンデューティ期間にわたってトランジスタＱ１をオンにすると、リアクトル電流ＩＬは、正方向へ増加するようにトランジスタＱ１の電流ＩＱ１として流れる。電流ＩＱ１は、オンデューティ期間の終端でピークに達する。そしてトランジスタＱのオンデューティ期間の終端において、トランジスタＱ１をオフにすると、正方向のリアクトル電流ＩＬは、０へ向けて減少させつつダイオードＤ２の電流ＩＤ２として流れる。

その後時刻ｔ１１において、リアクトル電流ＩＬの正方向の流れが減少して０に到達する。ここでトランジスタＱ２はオフの状態に維持されているため、１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２に差があっても、リアクトル電流ＩＬは負方向に流れることなく、０に維持されたまま１番目のデューティ周期の終端（時刻ｔ１２）に至る。

ここで図４には、トランジスタＱ２をトランジスタＱ１に対し相補的に駆動した場合に実現されるリアクトル電流ＩＬを一点鎖線で示す。この一点鎖線に示すように、仮に時刻ｔ１１においてトランジスタＱ２をオンにした場合、リアクトル電流ＩＬの負方向の流路が確保されるため、リアクトル電流ＩＬは負方向へ増加し始める。このため、仮に時刻ｔ１２において起動時制御を終了し、通常制御に移行すると突入電流が発生すると考えられる。

なお、２番目のデューティ周期（時刻ｔ１２以降）、３番目のデューティ周期（時刻ｔ１３〜ｔ１４）、４番目のデューティ周期（時刻ｔ１４以降）、及び５番目のデューティ周期（時刻ｔ１５〜ｔ１６）においては、トランジスタＱ１は、そのデューティ比γ１を徐々に増加させながらオン／オフ駆動される（図２のＳ７参照）。このため、リアクトル電流ＩＬ、トランジスタＱ１の電流ＩＱ１、及びダイオードＤ２の電流ＩＤ２は、そのピーク値を増加させつつ、定性的には１番目のデューティ周期（時刻ｔ１０〜ｔ１２）と同じ振る舞いを示す。

また５番目のデューティ周期（時刻ｔ１５〜ｔ１６）では、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を適度な大きさまで引き上げられたことに応じて、リアクトル電流ＩＬの値が電流閾値ＩＬ＿ｔｈ以下である期間の長さが時間閾値Ｔ＿ｔｈ以下となる。これに応じてＥＣＵ５は、次のデューティ周期から通常制御に移行しても突入電流が発生することはないと判断し、起動時制御を終了し、６番目のデューティ周期以降（時刻ｔ１６以降）では通常制御を開始する（図２のＳ６参照）。

通常制御では、ＥＣＵ５は、トランジスタＱ１，Ｑ２を互いに相補的にオン／オフ駆動する。また通常制御に移行して初めてのデューティ周期である６番目のデューティ周期（時刻ｔ１６以降）では、ＥＣＵ５は、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を、起動時制御を終了すると判定したデューティ周期（すなわち、５番目のデューティ周期）におけるデューティ比γ１を初期値としてオン／オフ駆動を開始する（図２のＳ８参照）。またトランジスタＱ２のデューティ比γ２は、起動時制御を終了すると判定したデューティ周期におけるデューティ比γ１に基づいて設定される値を初期値としてオン／オフ駆動を開始する（図２のＳ８参照）。このように起動時制御から通常制御に移行する際、トランジスタＱ１のデューティ比γ１は、適切な大きさまで引き上げられているので、突入電流が発生することもない。

またその後の７番目のデューティ周期（時刻ｔ１７〜ｔ１８）、８番目のデューティ周期（時刻ｔ１８〜ｔ１９）、９番目のデューティ周期（時刻ｔ２０〜ｔ２１）では、ＥＣＵ５は、トランジスタＱ１のデューティ比γ１を、最終的には目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄを実現するような目標比まで、徐々に増加させる。また同時にトランジスタＱ２のデューティ比γ２は、最終的には目標２次電圧Ｖ２＿ｃｍｄを実現するような目標比まで、徐々に減少させる。

本実施形態の電源システムＳによれば、以下の効果を奏する。
（１）電源システムＳでは、ＶＣＵ３の起動時には、上アーム３２のトランジスタＱ２をオフにした状態で下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１を漸増させる起動時制御を行った後、上アーム３２のトランジスタＱ２及び下アーム３１のトランジスタＱ１を相補的に駆動する通常制御を行う。ここで起動時制御を行っている間は、上アーム３２のトランジスタＱ２はオフに維持されるため、２次側電圧Ｖ２が１次側電圧Ｖ１より高い場合であっても、第２電源２側から第１電源１側へ向かう突入電流の発生を抑制できる。電源システムＳでは、起動時制御によって下アーム３１のデューティ比γ１を漸増させる過程において、電流センサ３５によって検出されるリアクトル電流ＩＬの値を用いて、実行中の起動時制御を終了し通常制御に移行するか或いは実行中の起動時制御を継続するかを判定する。これにより電源システムＳでは、その時の１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２の差に応じた適切なタイミングで、すなわち起動時制御の下で下アーム３１のデューティ比γ１を上記電圧の差に応じた適切な大きさまで増加させた状態で起動時制御を終了し通常制御に移行することができるので、通常制御への移行時における突入電流の発生を抑制できる。また電源システムＳでは、電流センサ３５によって検出されるリアクトル電流ＩＬの値を用いることにより、電圧Ｖ１，Ｖ２の差を用いて閾値を調整したりすることなくその都度適切なタイミングで起動時制御の終了時期を決定できる。

（２）ここで起動時制御において、下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１を漸増させると、各デューティ周期において下アーム３１のトランジスタＱ１をオフにした後リアクトルＬを流れる電流が０まで低下する時期は遅くなる。したがって各デューティ周期において、電流センサ３５によって取得されたリアクトル電流ＩＬの値が電流閾値ＩＬ＿ｔｈ以下である期間の長さは、起動時制御を終了するか継続するかを判定するためのパラメータとして適している。電源システムＳでは、このような期間の長さが０より僅かに大きな値に設定された時間閾値Ｔ＿ｔｈ以下である場合に、起動時制御を終了すると判定する。これにより、通常制御に移行した際には突入電流が発生しないような適切なタイミングで起動時制御を終了できる。

（３）電源システムＳでは、下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ周期の終期に電流センサ３５によって検出されたリアクトル電流ＩＬの値が、０よりも僅かに大きな値に設定された電流閾値ＩＬ＿ｔｈより大きい場合には、起動時制御を終了すると判定する。これにより、電流センサ３５の検出精度を勘案しても、通常制御への移行直後にはリアクトルＬを流れるリアクトル電流ＩＬが負方向へ大きくなることは無いので、突入電流をより確実に抑制できる。なおこの場合、デューティ周期の終期に取得したリアクトル電流ＩＬの値を用いて起動時制御の終了時期を判定することから、上記のようにリアクトル電流ＩＬの値の履歴を監視して起動時制御の終了時期を判定する場合よりも演算負荷が軽くなる、という利点がある。

（４）電源システムＳでは、電流センサ３５として、第１平滑コンデンサＣ１が接続される１次側正極端子１１とリアクトルＬとの間又はリアクトルＬと接続中点３３との間を流れる電流に応じた信号を発生するものを用いる。これにより、リアクトルＬを流れるリアクトル電流ＩＬの値を精度良く取得できるため、通常制御に移行した際には突入電流が発生しないような適切なタイミングで起動時制御を終了できる。

（５）電源システムＳでは、起動時制御を終了すると判定したデューティ周期における下アーム３１のトランジスタＱ１のデューティ比γ１に基づいて、通常制御における上アーム３２のトランジスタＱ２のデューティ比γ２を設定する。これにより、通常制御への移行直後における突入電流の発生をより確実に抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。

Ｖ…車両
Ｓ…電源システム
１…第１電源１
２…第２電源２
３…ＶＣＵ（電圧変換器）
１１，１２…１次側端子（入力端）
２１，２２…２次側端子（出力端）
３１…下アーム
３２…上アーム
３３…接続中点
３５…電流センサ（リアクトル電流取得手段）
Ｑ１…トランジスタ（スイッチング素子）
Ｑ２…トランジスタ（スイッチング素子）
Ｃ１…１次側平滑コンデンサ（平滑コンデンサ）
Ｌ…リアクトル
５…ＥＣＵ（制御装置）

Claims (5)

1. 第１電源と、
   第２電源と、
   入力端が前記第１電源に接続され出力端が前記第２電源に接続され、前記入力端から前記出力端へ電圧を昇圧して出力する電圧変換器と、
   前記電圧変換器を制御する制御装置と、を備える電源システムであって、
   前記電圧変換器は、
   一端が前記出力端の正極に接続されたスイッチング素子を備える上アームと、
   一端が前記上アームに接続され他端が前記出力端の負極に接続されたスイッチング素子を備える下アームと、
   一端が前記入力端の正極に接続され他端が前記上アームと前記下アームとの接続中点に接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルに流れる電流の値を取得するリアクトル電流取得手段と、を備え、
   前記制御装置は、前記電圧変換器の起動時には、前記上アームのスイッチング素子をオフにした状態で前記下アームのスイッチング素子のデューティ比を漸増させる起動時制御を行った後、前記上アームのスイッチング素子及び前記下アームのスイッチング素子を相補的に駆動する通常制御を行い、前記起動時制御の実行中には前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値を用いて前記起動時制御を終了するか継続するかを判定することを特徴とする電源システム。
2. 前記制御装置は、前記下アームのスイッチング素子のデューティ周期において、前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が０又は０より僅かに大きな値に設定された電流閾値以下である期間の長さが、０より僅かに大きな値に設定された時間閾値以下である場合には、前記起動時制御を終了すると判定することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記制御装置は、前記下アームのスイッチング素子のデューティ周期の終期に前記リアクトル電流取得手段によって取得された電流の値が０より僅かに大きな値に設定された電流閾値より大きい場合には、前記起動時制御を終了すると判定することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記電圧変換器は、前記入力端の正極と負極に接続された平滑コンデンサを備え、
   前記リアクトル電流取得手段は、前記入力端の正極と前記リアクトルとの間又は前記リアクトルと前記接続中点との間を流れる電流に応じた信号を発生する電流センサであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の電源システム。
5. 前記制御装置は、前記起動時制御を終了すると判定したデューティ周期における前記下アームのスイッチング素子のデューティ比に基づいて、前記通常制御における前記上アームのスイッチング素子のデューティ比を設定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の電源システム。

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