JP7294071B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電源に２個の電力変換回路が並列に接続されている電源システムに関する。

特許文献１に、電源に対して複数の電力変換回路が並列に接続されている電源システムが開示されている。それぞれの電力変換回路に電流センサが備えられており、各電力変換回路に流れる電流が正確に把握できるようになっている。

特開２０１９－５８０３４号公報

複数の電力変換回路が並列に接続されている電源システムにおいて、全ての電力変換回路に電流を備えるとコストが嵩む。本明細書は、２個の電力変換回路が電源に対して並列に接続されている電源システムにおいて、一方の電力変換回路に流れる電流を推測する技術を提供する。一方の電力変換回路に流れる電流を推測することで、その電力変換回路には電流センサが不要となり、コストを抑えることができる。

本明細書が開示する電源システムは、電源、第１／第２電力変換回路、フィルタコンデンサ、電源電圧センサ、コンデンサ電圧センサ、第１／第２電流センサ、コントローラを備えている。第１／第２電力変換回路は、電源に並列に接続されている。フィルタコンデンサは、電源と、第１／第２電力変換回路の間に接続されている。電源電圧センサは、電源の電圧を計測する。コンデンサ電圧センサは、フィルタコンデンサの両端電圧を計測する。第１電流センサは、第１電力変換回路に流れる電流を計測する。第２電流センサは、電源から補助デバイスに供給される電流を計測する。補助デバイスとは、例えば、車載のエアコンや、カーオーディオなどである。

コントローラは、第２電力変換回路に流れる電流を推定する。コントローラは、電源電圧センサの計測値と電源の内部抵抗から電源の出力電流を算出する。コントローラは、電源電圧センサの計測値とコンデンサ電圧センサの計測値の差と、フィルタコンデンサの内部抵抗からフィルタコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出する。コントローラは、出力電流から、コンデンサ電流と第１電流センサの計測値と第２電流センサの計測値を減じて第２電力変換回路に流れる電流の推定値を得る。

本明細書が開示する電源システムは、上記の構成とコントローラが実行する上記の処理により、第２電力変換回路を流れる電流を推定できるので、第２電力変換回路には電流センサが不要となる。一方の電力変換回路の電流センサを不要とすることで、電源システムのコストが抑えられる。また、電流センサを不要とすることで、その分の空間も省くことができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電源システムを含む電気自動車の電力系のブロック図である。 コントローラが実行する電流推定処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電源システム２を説明する。電源システム２は、電気自動車１００に採用されている。図１に、電源システム２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、走行用に２個の三相交流式のモータ１６、２６を備えている。

電源システム２は、メインバッテリ３を備えており、メインバッテリ３の電力をモータ１６、２６のそれぞれの駆動電力に変換して各モータに供給するデバイスである。電源システム２は、また、メインバッテリ３の電力をエアコン４１と電圧コンバータ４２に供給する。電圧コンバータ４２は、メインバッテリ３の電力の電圧を降圧してサブバッテリ（不図示）に供給する。メインバッテリ３の出力電圧は１００ボルト以上であり、サブバッテリの出力電圧は５０ボルト以下（例えば１２ボルト）である。サブバッテリは、１２ボルトで動作する車載の様々な電気デバイスへ電力を供給する。

電源システム２は、２個の電圧コンバータ１０、２０と、２個のインバータ１５、２５を備えている。電圧コンバータ１０、２０は、メインバッテリ３に並列に接続されている。

電圧コンバータ１０について説明する。電圧コンバータ１０は、２個のトランジスタ１３ａ、１３ｂ、２個のダイオード１４、リアクトル１２を備えている。２個のトランジスタ１３ａ、１３ｂは、電圧コンバータ１０の高電圧端の正極１９ａと負極１９ｂの間に直列に接続されている。トランジスタ１３ａ、１３ｂのそれぞれにダイオード１４が逆並列に接続されている。

リアクトル１２の一端は、電圧コンバータ１０の低電圧端の正極１１ａに接続されており、他端は、２個のトランジスタ１３ａ、１３ｂの直列接続の中点に接続されている。

トランジスタ１３ａ、１３ｂは、コントローラ３０によって制御される。図１の点線矢印線は信号線を表している。

電圧コンバータ１０は、低電圧端１１ａ、１１ｂに入力された電力の電圧を昇圧して高電圧端１９ａ、１９ｂから出力する昇圧機能と、高電圧端１９ａ、１９ｂに入力された電力の電圧を降圧して低電圧端１１ａ、１１ｂから出力する降圧機能を有している。電圧コンバータ１０は、いわゆる双方向ＤＣ－ＤＣ電圧コンバータである。

電圧コンバータ１０の高電圧端１９ａ、１９ｂにインバータ１５の直流端が接続されており、インバータ１５の交流端にモータ１６が接続されている。電圧コンバータ１０は、メインバッテリ３の出力電力の電圧を昇圧してインバータ１５へ供給する。

インバータ１５もコントローラ３０によって制御される。インバータ１５は、直流端に入力された直流電力を、モータ１６を駆動する三相交流電力に変換してモータ１６に供給する。モータ１６は、運転者がブレーキを踏んだ時には逆駆動されて発電する。モータ１６の逆駆動により得られる電力は回生電力と称される。インバータ１５は、モータ１６が発生した交流の回生電力を直流に変換して電圧コンバータ１０に供給する場合がある。その場合、電圧コンバータ１０は、直流に変換された回生電力の電圧を降圧してメインバッテリ３へ供給する。

電圧コンバータ２０は、電圧コンバータ１０と同じ回路構成を有しており、２個のトランジスタ２３ａ、２３ｂ、２個のダイオード２４、リアクトル２２を備えている。電圧コンバータ１０の低電圧端１１ａ、１１ｂが、電圧コンバータ２０の低電圧端を兼ねている。電圧コンバータ２０の高電圧端２９ａ、２９ｂにインバータ２５が接続されている。電圧コンバータ２０は、メインバッテリ３の電力の電圧を昇圧してインバータ２５に供給する。インバータ２５は、昇圧された直流電力をモータ２６の駆動に適した三相交流に変換してモータ２６に供給する。モータ２６が逆駆動されて発電したときには、インバータ２５が三相交流の回生電力を直流に変換し、電圧コンバータ２０が直流の回生電力の電圧を降圧してメインバッテリ３へ供給する。

メインバッテリ３と２個の電圧コンバータ１０、２０の間には、フィルタコンデンサ４が接続されている。フィルタコンデンサ４は、電圧コンバータ１０、２０のトランジスタ１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂが発するノイズ（脈動電流）を吸収するために備えられている。なお、インバータ１５、２５のそれぞれの直流端には不図示の平滑コンデンサが接続されている。平滑コンデンサも、脈動電流を吸収するために備えられている。

先に述べたように、コントローラ３０が、電圧コンバータ１０、２０、インバータ１５、２５を制御する。コントローラ３０は、上位コントローラ４０からモータ１６、２６のそれぞれの目標出力を受信し、目標出力が実現されるように、電圧コンバータ１０、２０、インバータ１５、２５を制御する。上位コントローラ４０は、アクセル開度と車速から、モータ１６、２６のそれぞれの目標出力を決定し、コントローラ３０へ送る。

先に述べたように、メインバッテリ３には、エアコン４１と電圧コンバータ４２が接続されている。

電源システム２は、電圧センサ５、６、１８、２８、電流センサ７、８、９も備えている。電圧センサ５は、メインバッテリ３の電圧を計測する。電圧センサ６は、フィルタコンデンサ４の両端電圧を計測する。電圧センサ６の計測値は、電圧コンバータ１０、２０の低電圧端１１ａ、１１ｂの電圧にも相当する。電圧センサ１８は、電圧コンバータ１０の高電圧端１９ａ、１９ｂの電圧を計測する。電圧センサ２８は、電圧コンバータ２０の高電圧端２９ａ、２９ｂの電圧を計測する。

電流センサ７は、メインバッテリ３からエアコン４１へ供給される電流を計測する。電流センサ８は、メインバッテリ３から電圧コンバータ４２へ供給される電流を計測する。電流センサ９は、電圧コンバータ１０に流れる電流を計測する。

先に述べたように、コントローラ３０は、上位コントローラ４０からモータ１６、２６の目標出力を受け取る。モータ１６に供給される電力は、電圧コンバータ１０の高電圧端１９ａ、１９ｂの電圧と、電圧コンバータ１０を流れる電流で定まる。すなわち、電圧コンバータ１０からモータ１６（インバータ１５）に供給される電力は電圧センサ１８と電流センサ９の計測値で定まる。コントローラ３０は、電圧センサ１８と電流センサ９の計測値からモータ１６（インバータ１５）に供給される電力を特定し、その電力が目標電力に追従するように、電圧コンバータ１０のトランジスタ１３ａ、１３ｂ、および、インバータ１５を制御する。

図１に示されているように、電源システム２は、電圧コンバータ１０に流れる電流を計測する電流センサ９を備えているが、電圧コンバータ２０に流れる電流を計測する電流センサは備えていない。モータ２６に供給される電力が目標電力に追従するようにコントローラ３０がトランジスタ２３ａ、２３ｂを制御するには、電圧コンバータ２０に流れる電流を知る必要がある。コントローラ３０は、電圧センサ５、６、電流センサ７、８、９の計測値から、電圧コンバータ２０に流れる電流を推定する。コントローラ３０は、推定した電流値を用いて、電圧コンバータ２０からモータ２６（インバータ２５）に供給される電力が目標電力に追従するようにトランジスタ２３ａ、２３ｂ、およびインバータ２５を制御する。

コントローラ３０が電圧コンバータ２０に流れる電流を推定する処理のフローチャートを図２に示す。図２の処理は、定期的に実行される。

コントローラ３０は、電圧センサ５の計測値を取得する（ステップＳ２）。電圧センサ５の計測値は、メインバッテリ３の出力電圧に相当する。コントローラ３０には、予め、メインバッテリ３の内部抵抗のデータが記憶されている。コントローラ３０は、電圧センサ５の計測値とメインバッテリ３の内部抵抗のデータからメインバッテリ３の出力電流を算出する（ステップＳ３）。具体的には、コントローラ３０は、電圧センサ５の計測値（メインバッテリ３の出力電圧）を内部抵抗の値で除することで、メインバッテリ３の出力電流を得ることができる。

続いて、コントローラ３０は、電圧センサ６の計測値を得る（ステップＳ４）。電圧センサ６の計測値は、フィルタコンデンサ４の両端電圧に相当する。コントローラ３０には、予め、フィルタコンデンサ４の内部抵抗のデータも記憶されている。コントローラ３０は、電圧センサ５、６とフィルタコンデンサ４の内部抵抗のデータから、フィルタコンデンサ４に流れている電流（コンデンサ電流）を算出する（ステップＳ５）。具体的には、コントローラ３０は、電圧センサ５の計測値（メインバッテリ３の出力電圧）と電圧センサ６の計測値（フィルタコンデンサ４の両端電圧）の差（電圧差）をフィルタコンデンサの内部抵抗の値で除する。その結果がフィルタコンデンサ４に流れている電流（コンデンサ電流）に相当する。

なお、電圧センサ５の計測値（メインバッテリ３の出力電圧）と電圧センサ６の計測値（フィルタコンデンサ４の両端電圧）が同じ場合（電圧差がゼロの場合）、当然であるが、フィルタコンデンサ４には電流が流れていないことになる。すなわち、その場合は、コンデンサ電流がゼロであると判明する。

続いてコントローラ３０は、電流センサ７、８、９の計測値を得る（ステップＳ６）。電流センサ７の計測値は、メインバッテリ３からエアコン４１に供給される電流に相当し、電流センサ８の計測値は、メインバッテリ３から電圧コンバータ４２に供給される電流に相当する。先に述べたように、電流センサ９の計測値は、電圧コンバータ１０に流れる電流に相当する。

電流センサ７、８、９の計測値とコンデンサ電流を合算すると、メインバッテリ３から電圧コンバータ２０以外へ流れる電流が得られる。コントローラ３０は、ステップＳ３で得た出力電流（メインバッテリ３の出力電流）から、コンデンサ電流と電流センサ７、８、９の計測値を減じることで、電圧コンバータ２０に流れる電流の推定値を得る（ステップＳ７）。

図２の処理を実行することで、電圧コンバータ２０に流れる電流の推定値が得られる。コントローラ３０は、その推定値と、電圧センサ２８の計測値（電圧コンバータ２０の高電圧端２９ａ、２９ｂの電圧）から、電圧コンバータ２０からモータ２６（インバータ２５）へ供給される電力を得る。コントローラ３０は、モータ２６へ供給される電力が目標電力（モータ２６の目標電力）に追従するように、電圧コンバータ２０のトランジスタ２３ａ、２３ｂ、および、インバータ２５を制御する。

上記の処理により、電流センサを備えない電圧コンバータ２０に対しても、電流センサ９を備える電圧コンバータ１０と同様に、出力が目標出力に追従するように制御することが可能となる。

実施例の電源システム２は、メインバッテリ３に並列に接続されている２個の電圧コンバータ１０、２０を備えており、電圧コンバータ１０に流れる電流を計測する電流センサ９は備えているが、電圧コンバータ２０に流れる電流を計測する電流センサは備えていない。電源システム２は、電圧コンバータ２０を流れる電流を推定できるので、電圧コンバータ２０には電流センサを備えずとも、その制御が可能となる。実施例の電源システム２は、電圧コンバータ２０の電流センサを不要とすることで、電源システム２のコストが抑えられる。また、電流センサを不要とすることで、その分の空間も省くことができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。メインバッテリ３が、電源の一例に相当する。電源は、燃料電池であってもよい。電圧コンバータ１０が第１電力変換回路の一例に相当し、電圧コンバータ２０が第２電力変換回路の一例に相当する。本明細書が開示する技術は電圧コンバータ以外の電力変換回路（例えばインバータ）を備えた電源システムに適用することも可能である。

メインバッテリ３の両端電圧を計測する電圧センサ５が電源電圧センサの一例に相当し、フィルタコンデンサ４の両端電圧を計測する電圧センサ６がコンデンサ電圧センサの一例に相当する。メインバッテリ３に接続されているエアコン４１、電圧センサ４２が補助デバイスの一例に相当する。電流センサ７、８が、第２電流センサの一例に相当する。実施例のように、メインバッテリ（電源）に複数の補助デバイスが接続されていてもよい。電圧コンバータ１０に流れる電流を計測する電流センサ９が第１電流センサの一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電源システム ３：メインバッテリ ４：フィルタコンデンサ ５、６、１８、２８：電圧センサ ７、８、９：電流センサ １０、２０、４２：電圧コンバータ １２、２２：リアクトル １３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ：トランジスタ １４、２４：ダイオード １５、２５：インバータ １６、２６：モータ ３０：コントローラ ４０：上位コントローラ ４１：エアコン １００：電気自動車

Claims (1)

1. 電源と、
   前記電源に並列に接続されている第１電力変換回路および第２電力変換回路と、
   前記電源と、前記第１電力変換回路および前記第２電力変換回路の間に接続されているフィルタコンデンサと、
   前記電源の電圧を計測する電源電圧センサと、
   前記フィルタコンデンサの両端電圧を計測するコンデンサ電圧センサと、
   前記第１電力変換回路に流れる電流を計測する第１電流センサと、
   前記電源から補助デバイスに供給される電流を計測する第２電流センサと、
   前記第２電力変換回路に流れる電流を推定するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記電源電圧センサの計測値と前記電源の内部抵抗から前記電源の出力電流を算出し、
   前記電源電圧センサの計測値と前記コンデンサ電圧センサの計測値の差と、前記フィルタコンデンサの内部抵抗から前記フィルタコンデンサに流れるコンデンサ電流を算出し、
   前記出力電流から、前記コンデンサ電流と前記第１電流センサの計測値と前記第２電流センサの計測値を減じて前記第２電力変換回路に流れる電流の推定値を得る、
   電源システム。

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