JP7024531B2

JP7024531B2 - 電力変換制御装置

Info

Publication number: JP7024531B2
Application number: JP2018050620A
Authority: JP
Inventors: 裕也安藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP2019165529A

Description

本発明は、蓄電装置の電圧を降圧して補機部品に印加するＤＣＤＣコンバータを操作対象とする電力変換制御装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、マスタ側とスレーブ側との２つのＤＣＤＣコンバータの出力電流を制御する制御装置が記載されている。この制御装置では、マスタ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流の制限値を、負荷消費電流の常用範囲の中央に設定し、マスタ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流が制限値に達することにより、スレーブ側のＤＣＤＣコンバータから電流を出力させる。そして、上記制御装置は、スレーブ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流が最大許容電流値となる場合、マスタ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流の制限を解除する。これにより、マスタ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流が急激に上昇し、スレーブ側のＤＣＤＣコンバータの出力電流が急激に減少する（「００２９」）。

特開２０１５－１４４５３４号公報

上記制御装置では、負荷の消費電流が常用範囲の場合、マスタ側のＤＣＤＣコンバータは、最大許容範囲の半分未満の電流を出力する頻度が多くなる。しかし、ＤＣＤＣコンバータの電力変換効率は、高出力、低出力において低くなる傾向があるため、上記制御装置によれば、電力変換効率が低下しやすい。

上記課題を解決すべく、電力変換制御装置は、蓄電装置の電圧を降圧して補機部品に印加するＤＣＤＣコンバータを操作対象とし、前記ＤＣＤＣコンバータは、第１ＤＣＤＣコンバータと、前記第１ＤＣＤＣコンバータよりも定格電流が大きい第２ＤＣＤＣコンバータとを備え、前記第１ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を第１指令値に制御するために前記第１ＤＣＤＣコンバータのスイッチング素子をオン・オフ操作する第１操作処理と、前記第１ＤＣＤＣコンバータの出力電流が前記第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流以下の場合、前記第２ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を前記第１指令値よりも小さい第２指令値に制御するために前記第２ＤＣＤＣコンバータのスイッチング素子をオン・オフ操作する第２操作処理と、を実行する。

上記構成では、第１ＤＣＤＣコンバータの出力電流が第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流未満の場合、第１ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を第１指令値に制御し、第２ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を第１指令値よりも小さい第２指令値に制御するため、第２ＤＣＤＣコンバータが出力する電力はゼロとみなせる。そのため、補機部品の消費電流が大きくならない状態が継続される場合において、その消費電流が第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流の半分程度等、電力変換効率が高くなるように第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流を設定しておくことにより、第１ＤＣＤＣコンバータの電力変換効率を高くすることができる。

しかも、補機部品の消費電流が第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流を超えて大きくなる場合、第１ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が第１指令値に対して低下し、第２ＤＣＤＣコンバータの出力電圧に近づくことにより、第２ＤＣＤＣコンバータが電流を出力する。これにより、消費電流が急激に大きくなる場合であっても、これに対処することができる。

第１の実施形態にかかる制御装置および車両の電源系を示す図。同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。同実施形態にかかる制御を示すタイムチャート。第２の実施形態にかかる制御装置および車両の電源系を示す図。同実施形態にかかる制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図。同実施形態にかかる制御を示すタイムチャート。

＜第１の実施形態＞
以下、電力変換制御装置にかかる第１の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１に示す車両に搭載された高電圧バッテリ１０は、たとえばリチウムイオン２次電池等によって構成され、車載原動機としての回転電機に電力を供給する。第１ＤＣＤＣコンバータ１２および第２ＤＣＤＣコンバータ１４は、いずれも、高電圧バッテリ１０を入力電圧とし、これを降圧して補機部品１６や補機バッテリ１８に印加する。第１ＤＣＤＣコンバータ１２の定格電流は、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の定格電流よりも小さい。特に、第１ＤＣＤＣコンバータ１６の定格電流は、所定の期間における補機部品１６の消費電流の平均値の２倍程度となっている。ここで所定の期間とは、たとえば、車両が定常走行をしている期間であって、車両の空調装置やヒータを用いることがない期間とすればよい。

補機部品１６は、車載空調装置や、ヒータ、操舵装置、ブレーキアクチュエータ等を含む。補機バッテリ１８は、高電圧バッテリ１０よりも端子電圧が小さい蓄電池であり、たとえば、鉛蓄電池等である。

制御装置２０は、補機部品１６への電力供給量を制御量とし、第１ＤＣＤＣコンバータ１２や第２ＤＣＤＣコンバータ１４のスイッチング素子を操作する。制御装置２０は、制御量の制御に際し、電流センサ３０によって検出される補機バッテリ１８の充放電電流Ｉや、電圧センサ３２によって検出される補機バッテリ１８の端子電圧Ｖを参照する。

制御装置２０は、ＣＰＵ２２、ＲＯＭ２４、および制御装置２０内の各箇所に電力を供給する電源回路２６を備えており、ＲＯＭ２４に記憶されたプログラムをＣＰＵ２２が実行することにより上記制御量の制御を実行する。

図２に、制御装置２０が実行する処理の手順を示す。図２に示す処理は、ＲＯＭ２４に記憶されたプログラムをＣＰＵ２２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、以下では、先頭に「Ｓ」が付与された数字によって各処理のステップ番号を表現する。

図２に示す一連の処理において、ＣＰＵ２２は、まず、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧の指令値である第１指令値Ｖｏｕｔ１＊を設定する（Ｓ１０）。ここでＣＰＵ２２は、補機バッテリ１８の充電率ＳＯＣが小さい場合に大きい場合よりも第１指令値Ｖｏｕｔ１＊を大きい値に設定する。なお、充電率ＳＯＣは、ＣＰＵ２２が充放電電流Ｉの積算処理をすることによって算出される。

次にＣＰＵ２２は、補機部品１６による消費電流が規定値Ｉｔｈ以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。ここで規定値Ｉｔｈは、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の定格電流以上に設定されている。ＣＰＵ２２は、規定値Ｉｔｈ以下であると判定する場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、第２ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧の指令値である第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊よりも所定量Δだけ低い値に設定する（Ｓ１４）。

そしてＣＰＵ２２は、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧を、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊に制御すべく、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のスイッチング素子をオン・オフ操作する（Ｓ１６）。ここでは、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊に応じて、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のスイッチング素子をオン・オフ操作する周期に対するオン操作時間の時比率を設定し、これに応じてスイッチング素子を操作する。

また、ＣＰＵ２２は、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の出力電圧を、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊に制御すべく、第２ＤＣＤＣコンバータ１４のスイッチング素子をオン・オフ操作する（Ｓ１８）。ここでは、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊に応じて、第２ＤＣＤＣコンバータ１４のスイッチング素子をオン・オフ操作する周期に対するオン操作時間の時比率を設定し、これに応じてスイッチング素子を操作する。

これに対し、ＣＰＵ２２は、規定値Ｉｔｈを超えていると判定する場合（Ｓ１２：ＮＯ）、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊と等しい値に設定し（Ｓ２０）、Ｓ１６の処理に移行する。

なお、ＣＰＵ２２は、Ｓ１８の処理が完了する場合、図２に示す一連の処理を一旦終了する。
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。

図３に、補機部品１６による消費電流や、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊、補機部品１６や補機バッテリ１８への印加電圧、第１ＤＣＤＣコンバータ１２および第２ＤＣＤＣコンバータ１４の動作率の推移を示す。ここで、動作率とは、実際の出力電流が定格電流に占める割合である。

図３に示す時刻ｔ１～ｔ２の期間は、消費電流が規定値Ｉｔｈ以上となっており、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊と第２指令値Ｖｏｕｔ２＊とが等しい値に設定されている期間である。この場合、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の動作率は「１００％」である。なお、この期間は、たとえば車両内の温度が目標温度と乖離しており、目標温度へと制御しているために空調装置の消費電流が大きくなっている期間等となる。

時刻ｔ２～ｔ３の期間は、消費電流が規定値Ｉｔｈを下回っており、ＣＰＵ２２が第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を第１指令値Ｖｏｕｔ１＊よりも低い値に設定する期間である。この場合、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の動作率はゼロとなる。なお、この期間は、たとえば車両内の温度が目標温度となっており、空調装置の消費電流が小さい期間等となる。

時刻ｔ３～ｔ４の期間は、消費電流が急激に増加して規定値Ｉｔｈを超えた期間である。この場合、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のみによっては消費電流を賄うことができないことから、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の実際の出力電圧が第１指令値Ｖｏｕｔ１＊に対して低下し、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の出力電圧まで低下することにより、第２ＤＣＤＣコンバータ１４が電流を出力する。その後、ＣＰＵ２２は、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を上昇させ、これにより、補機部品１６や補機バッテリ１８への印加電圧が上昇する。なお、消費電流の急激な増加は、たとえば、急なブレーキ操作に伴うブレーキアクチュエータの駆動等によって生じる。

時刻ｔ４以降は、消費電流が規定値Ｉｔｈ未満となった期間であり、時刻ｔ２～ｔ３の期間と同様である。
このように本実施形態では、消費電流が規定値Ｉｔｈ以下である場合、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を第１指令値Ｖｏｕｔ１＊よりも小さい値とすることにより、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のみに選択的に電流を出力させる。第１ＤＣＤＣコンバータ１２の定格電流が、ブレーキアクチュエータや操舵アクチュエータによる過渡的な消費電流や車室内温度と目標温度とが大きく乖離しているときの空調装置の消費電流等を除く、消費電流の２倍程度となるようにしているため、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のみが電力を出力する期間におけるその電力変換効率を高く維持できる。

また、第１ＤＣＤＣコンバータ１２のみが電流を出力している場合であっても、第２ＤＣＤＣコンバータ１４のスイッチング素子を所定の時比率で操作しているため、消費電流が急激に大きくなる場合、遅れなく第２ＤＣＤＣコンバータ１４から電流を出力させることができる。このため、消費電流の急変に迅速に対処することができる。

＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図４に、本実施形態にかかる電源系を示す。なお、図４において、図１に示した部材に対応する部材については、便宜上、同一の符号を付している。
図４に示すように、本実施形態では、補機バッテリ１８よりも端子電圧が高く、高電圧バッテリ１０よりも端子電圧が低い低電圧バッテリ４０を備えている。そして本実施形態では、第１ＤＣＤＣコンバータ１２は、低電圧バッテリ４０の電圧を降圧して補機バッテリ１８に印加する降圧コンバータとしての機能と、補機バッテリ１８の電圧を昇圧して低電圧バッテリ４０に印加する昇圧コンバータとしての機能とを有する。また、第２ＤＣＤＣコンバータ１４は、高電圧バッテリ１０の電圧を降圧して補機バッテリ１８に印加する。

制御装置２０は、電流センサ４２によって検出される低電圧バッテリ４０の充放電電流ＩＬに基づき、低電圧バッテリ４０の充電率ＳＯＣＬを算出する。
図５に、本実施形態において制御装置２０が実行する処理の手順を示す。図５に示す処理は、ＲＯＭ２４に記憶されたプログラムをＣＰＵ２２がたとえば所定周期で繰り返し実行することにより実現される。なお、図５において、図２に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。

図５に示す一連の処理において、ＣＰＵ２２は、まず、充電フラグＦが「１」であるか否かを判定する（Ｓ３０）。充電フラグＦは、「１」である場合に第１ＤＣＤＣコンバータ１２から低電圧バッテリ４０に電流を出力して低電圧バッテリ４０を充電していることを示し、「０」である場合にそうではないことを示す。ＣＰＵ２２は、充電フラグＦが「０」であると判定する場合（Ｓ３０：ＮＯ）、低電圧バッテリ４０の充電率ＳＯＣＬが所定比率ＳｔｈＬ未満であるか否かを判定する（Ｓ３２）。そしてＣＰＵ２２は、所定比率ＳｔｈＬ未満であると判定する場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、充電フラグＦに「１」を代入する（Ｓ３４）。そして、ＣＰＵ２２は、低電圧バッテリ４０を充電すべく、第１ＤＣＤＣコンバータ１２が低電圧バッテリ４０に電流を出力するように、スイッチング素子の時比率を設定する（Ｓ３６）。そしてＣＰＵ２２は、Ｓ２０の処理に移行する。なお、本実施形態において、Ｓ３６の処理の実行時においては、第１ＤＣＤＣコンバータ１２は、補機バッテリ１８の端子電圧を昇圧して低電圧バッテリ４０に印加するように、スイッチング素子の時比率が設定されるものである。この場合、ＣＰＵ２２は、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊を、Ｓ２０の処理に用いるパラメータとし、時比率と低電圧バッテリ４０への印加電圧とから定まる補機バッテリ１８側の端子の電圧に設定する。

これに対し、ＣＰＵ２２は、充電フラグＦが「１」であると判定する場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、充電率ＳＯＣＬが所定比率ＳｔｈＬよりも大きい規定比率ＳｔｈＨ以上であるか否かを判定する（Ｓ３８）。そしてＣＰＵ２２は、規定比率ＳｔｈＨ未満であると判定する場合（Ｓ３８：ＮＯ）には、Ｓ３６の処理に移行する。これに対しＣＰＵ２２は、規定比率ＳｔｈＨ以上であると判定する場合（Ｓ３８：ＹＥＳ）、充電フラグＦに「０」を代入する（Ｓ４０）。

ＣＰＵ２２は、Ｓ４０の処理が完了する場合や、Ｓ３２の処理において否定判定する場合には、Ｓ１０の処理に移行する。
ここで、本実施形態の作用および効果について説明する。

図６に、補機部品１６による消費電流や、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊、低電圧バッテリ４０の充電率ＳＯＣＬ、補機部品１６や補機バッテリ１８への印加電圧、第１ＤＣＤＣコンバータ１２および第２ＤＣＤＣコンバータ１４の動作率の推移を示す。なお、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の動作率がマイナスであることは、第１ＤＣＤＣコンバータ１２から低電圧バッテリ４０に電流を出力することを示す。また動作率がマイナスの期間における第１指令値Ｖｏｕｔ１＊は、Ｓ２０の処理に用いるパラメータであり、時比率と低電圧バッテリ４０への印加電圧とから定まる補機バッテリ１８側の端子の電圧である。

図６に示す時刻ｔ１～ｔ２の期間は、第１ＤＣＤＣコンバータ１２が低電圧バッテリ４０に電流を出力して低電圧バッテリ４０を充電する期間である。この期間においては、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の出力電流によって、補機部品１６の消費電力をまかなっている。そして時刻ｔ２に、ＣＰＵ２２は、Ｓ３６の処理を完了し、第１ＤＣＤＣコンバータ１２から補機部品１６への電力供給を開始する。時刻ｔ２～ｔ３の期間は、消費電流が規定値Ｉｔｈ以下であることから、ＣＰＵ２２は、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を第１指令値Ｖｏｕｔ１＊よりも小さい値に設定する。このため、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の動作率はほぼゼロである。その後、時刻ｔ３以降、消費電流が急激に上昇すると、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が低下し第２ＤＣＤＣコンバータ１４の出力電圧に等しくなることにより、第２ＤＣＤＣコンバータ１４の動作率が上昇する。そして、低電圧バッテリ４０の充電率ＳＯＣＬが所定比率ＳｔｈＬを下回ると、ＣＰＵ２２は、第１ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流によって低電圧バッテリ４０を充電し、補機部品１６の消費電力を第２ＤＣＤＣコンバータ１４の出力によって賄う。そして時刻ｔ４以降は、消費電流が減少し、ＣＰＵ２２は、時刻ｔ２～ｔ３同様、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を第１指令値Ｖｏｕｔ１＊よりも小さい値に設定する。その後、時刻ｔ５～ｔ６の期間、ＣＰＵ２２は、時刻ｔ１～ｔ２の期間と同様の処理を行う。

＜対応関係＞
上記実施形態における事項と、上記「課題を解決するための手段」の欄に記載した事項との対応関係は、次の通りである。蓄電装置は、図１の高電圧バッテリ１０、図４の高電圧バッテリ１０および低電圧バッテリ４０に対応する。第１操作処理は、Ｓ１６の処理に対応し、第２操作処理は、Ｓ１４の処理の設定がなされている場合におけるＳ１８の処理に対応する。

＜その他の実施形態＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態および以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態では、消費電流が規定値Ｉｔｈを超える場合、第２指令値Ｖｏｕｔ２＊を第１指令値Ｖｏｕｔ１＊に上昇させたがこれに限らない。仮にＳ１４の処理が継続されるとしても、消費電流が大きくなると、第１指令値Ｖｏｕｔ１＊に対して第１ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が低下し、第２ＤＣＤＣコンバータ１４が電流を出力するようになる。

・蓄電装置としては、高電圧バッテリ１０や低電圧バッテリ４０に限らない。たとえば、キャパシタであってもよい。

１０…高電圧バッテリ、１２…第１ＤＣＤＣコンバータ、１４…第２ＤＣＤＣコンバータ、１６…補機部品、１８…補機バッテリ、２０…制御装置、２２…ＣＰＵ、２４…ＲＯＭ、２６…電源回路、３０…電流センサ、３２…電圧センサ、４０…低電圧バッテリ、４２…電流センサ。

Claims

蓄電装置の電圧を降圧して補機部品に印加するＤＣＤＣコンバータを操作対象とし、
前記ＤＣＤＣコンバータは、第１ＤＣＤＣコンバータと、前記第１ＤＣＤＣコンバータよりも定格電流が大きい第２ＤＣＤＣコンバータとを備え、
前記第１ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を第１指令値に制御するために前記第１ＤＣＤＣコンバータのスイッチング素子をオン・オフ操作する第１操作処理と、
前記第１ＤＣＤＣコンバータの出力電流が前記第１ＤＣＤＣコンバータの定格電流以下の場合、前記第２ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を前記第１指令値よりも小さい第２指令値に制御するために前記第２ＤＣＤＣコンバータのスイッチング素子をオン・オフ操作する第２操作処理と、を実行する電力変換制御装置。