JP7428172B2 - 電源ユニット - Google Patents

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Description

本開示は、電源ユニットに関する。
燃料電池車両(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)等の車両に車載されて用いられるシステムに備えられる電源ユニットに含まれるコンバータに関して種々の研究がなされている。様々な電子機器等に用いられるDC/DCコンバータには、リアクトル、スイッチ、ダイオードおよびコンデンサ等から構成される回路がよく用いられる。DC/DCコンバータは、スイッチのON/OFF信号によって、リアクトルに流れる電流の増加や減少を制御する。
例えば特許文献1では、昇圧コンバータが予期せぬ大電流を出力することを抑制できる技術が開示されている。
また、特許文献2では、電源回路が負荷に電源を供給する際に、負荷側の異常を原因とする異常の発生を検知することができる半導体装置が開示されている。
また、特許文献3では、リアクトルL1に電流が流れ続ける連続モードと、リアクトルに電流が断続的に流れる不連続モードとを分けてデューティ比により制御するコンバータ装置が開示されている。
また、特許文献4では、リアクトル電流制御において、リアクトルの目標出力と実際の出力との差の履歴が反映された補正値と、リアクトルのインダクタンスと、を用いてデューティ比を設定する、コンバータ装置が開示されている。
特開2020-088971号公報 特開2017-143708号公報 特開2014-212587号公報 特開2015-019448号公報
コンバータには、デューティに対してリアクトル電流の増加が鈍感な不連続モードと、リアクトル電流の増加が敏感な連続モードがある。コンバータは、それぞれのモードで適したデューティ比で制御しないと電力誤差を生じる。
従来技術では、コンバータの連続モードと不連続モードの境界領域で、過電流や電流不足が発生する。これによりバッテリの過充放電、車両のトルク変動等が発生する場合がある。
一方、コンバータの小型化をねらいとして、同一コア上で複数のコイルを磁気結合させた磁気結合リアクトルを備えた磁気結合コンバータの導入が選択肢として考えられる。磁気結合コンバータでは、リアクトルのコアの磁気飽和を緩和し出力電流リプルを低減するため、磁気結合されたコイルどうしを、同じデューティ比で位相差が等間隔(逆位相)になるよう交互にスイッチングすることが一般的である。
しかし、磁気結合リアクトルは、低負荷である、コイルを流れる電流がゼロになる時間を含む不連続モードでの動作では、逆位相で制御すると電流波形が非常に複雑になり、しかも逆電流が発生する場合もあり、電流制御が困難である。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、過電流及び電流不足の発生を抑制することができる電源ユニットを提供することを主目的とする。
本開示の電源ユニットは、電源ユニットであって、
前記電源ユニットは、電源と、コンバータと、を備え、
前記コンバータは、前記電源の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行い、
前記コンバータは、n(nは2以上の整数)相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるn相のスイッチと、制御部と、を備え、
前記制御部は、n相の前記スイッチのデューティ比を制御し、
前記制御部は、n相の前記コイルを流れる電流値をモニタリングし、
前記制御部は、下記運転条件(1)を満たすと判定したときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合は、同位相から異なる位相に切替え、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合は、異なる位相から同位相に切替える、位相切替制御を行うことを特徴とする電源ユニット。
運転条件(1):前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係において、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧がそれぞれ所定の電圧値のときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有する不連続モードとなり、且つ、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有さない連続モードとなる運転条件。
本開示の電源ユニットにおいては、前記制御部は、前記運転条件(1)を満たす前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係を示すデータ群を予め記憶し、
前記制御部は、前記データ群を参照して、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と、n相の前記コイルを流れる電流値から、前記運転条件(1)を満たすか否か判定してもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記制御部は、前記運転条件(1)を満たすと判定したときに、前記コイルを流れる電流値が前記コイルの平均電流値と一致するタイミングで、前記位相切替制御を行ってもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前に前記コイルを流れる電流値が上昇中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に前記コイルを流れる電流値が上昇するように、位相を切り替えてもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前に前記コイルを流れる電流値が下降中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に前記コイルを流れる電流値が下降するように、位相を切り替えてもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記異なる位相は、(360/n)°の位相差であってもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記n相は、2相であり、
前記異なる位相は、180°の位相差であってもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記電源は、燃料電池であってもよい。
本開示の電源ユニットにおいては、前記制御部は、前記位相切替制御において、異なる位相から同位相への位相切替を、前記コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値以下であると判定したときに行い、
前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替を、前記コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値よりも大きい所定の第2切替閾値以上であると判定したときに行ってもよい。
本開示の電源ユニットによれば、過電流及び電流不足の発生を抑制することができる。
図1は、昇圧コンバータ及び周辺部品を有する電源ユニットの回路構成の一例を示す図である。 図2は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルを流れる電流が連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。 図3は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルを流れる電流が不連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。 図4は、昇圧コンバータのU相とV相の2相のコイルを有する磁気結合リアクトルの当該2相のスイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合(同位相デューティ制御)の電流波形の一例を示す図である。 図5は、昇圧コンバータのU相とV相の2相のコイルを有する磁気結合リアクトルの当該2相のスイッチをそれぞれ逆位相で駆動している場合(逆位相デューティ制御)の電流波形の一例を示す図である。 図6は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータの出口電圧を一定としたときのコンバータの入口電圧とコイルを流れる電流値との関係を示す図である。 図7は、図6に示す図であって切替閾値を説明するための図である。 図8は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)がリアクトル平均電流値と一致しないタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。 図9は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)がリアクトル平均電流値と一致しないタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の別の一例を示す図である。 図10は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行い、その後、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、逆位相駆動から同位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。 図11は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が上昇中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が下降するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。 図12は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が下降中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が上昇するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の別の一例を示す図である。 図13は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が上昇中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が上昇するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。 図14は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が下降中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が下降するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。 図15は、本開示の典型例の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。 図16は、本開示の具体例の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。 図17は、本開示の変形例1の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。 図18は、本開示の変形例2の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。
本開示の電源ユニットは、電源ユニットであって、
前記電源ユニットは、電源と、コンバータと、を備え、
前記コンバータは、前記電源の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行い、
前記コンバータは、n(nは2以上の整数)相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるn相のスイッチと、制御部と、を備え、
前記制御部は、n相の前記スイッチのデューティ比を制御し、
前記制御部は、n相の前記コイルを流れる電流値をモニタリングし、
前記制御部は、下記運転条件(1)を満たすと判定したときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合は、同位相から異なる位相に切替え、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合は、異なる位相から同位相に切替える、位相切替制御を行うことを特徴とする電源ユニット。
運転条件(1):前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係において、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧がそれぞれ所定の電圧値のときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有する不連続モードとなり、且つ、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有さない連続モードとなる運転条件。
上記特許文献1においては、リアクトルのインダクタンス、キャリア周波数、コンバータの入口電圧、コンバータの出口電圧に基づいて算出される不連続モード用フィードフォワード項と、コンバータの入口電圧、コンバータの出口電圧に基づいて算出される連続モード用フィードフォワード項の小さい方で、現時点の運転モードが連続モードか不連続モードかを判定している。ところが、製品バラツキ等によりリアクトルのインダクタンスが狙い値とずれていた場合、並びに、コンバータの入口電圧及びコンバータの出口電圧等のセンサ値の測定バラツキがある場合等に、制御部が連続モードと不連続モードとの境界を正しく認識できない虞がある。
すなわち上記特許文献1の技術は、「回路動作が不連続モードから連続モード、または連続モードから不連続モードに切り替わる瞬間を何とか見つけて、それに合わせた制御をする」というものであり回路動作に対して制御が「受動的」である。
回路動作は物理現象のため連続的である(時間的に切れ目がない)。一方、制御はマイコン等の制御部が特定の時間刻みで動作するため断続的である(時間的に切れ目がある)。
そのため、どのような高速な制御部、及び、制御手法等を用いたとしても、ある瞬間は不連続モードだったのに次の瞬間に制御部が認識したときにはもう連続モードになっていてモード認識の追従ができないということが原理的に必ず発生する。この場合、経過期間のどこかの時点で、回路が不連続モードから連続モードに切り替わっていたが、制御部がそのことを認識できず、制御部は不連続モード用のデューティ比で制御しようとする、という状況に陥る。
回路が連続モードであるのに制御部が不連続モードと誤認しデューティ比を大きく設定することで過電流が発生する。一方、回路が不連続モードであるのに制御部が連続モードと誤認しデューティ比を小さく設定することで電流不足が発生する。これらにより、バッテリの過充放電、及び、意図しない車両のトルク変動等が発生する場合がある。
磁気結合コンバータの回路は、低負荷ではデューティに対して電流が比例して増加しない不感帯がある。不感帯を避けるため、低負荷では同位相でデューティを制御し、高負荷では異なる位相でデューティを制御する。
本開示においては、制御でコンバータの回路動作を決定し、能動的かつ正確に連続モードと不連続モードとの切り替えを実施できるため、成り行きで連続モードと不連続モードとの間が切り替わることがなくなり、回路の動作と整合しないデューティを出力することがなくなり、過電流及び電流不足の発生を抑制することができる。
図1は、昇圧コンバータ及び周辺部品を有する電源ユニットの回路構成の一例を示す図である。
図1に示す電源ユニットは、例えば車両に搭載され、外部負荷50として車両の駆動用モータがインバータを介して接続されている。また、図示していないが、燃料電池10及び昇圧コンバータ20と並列して、バッテリを備えていても良い。燃料電池10の出力電力は、昇圧コンバータ20により昇圧された後、さらにインバータにより直流から交流に変換され、モータに供給される。
昇圧コンバータ20は、互いに並列に接続された6相の昇圧回路を備える。図1では、昇圧回路を6相備える構成を示しているが、相数は特に限定されない。
昇圧回路は、リアクトル21、電流センサ22、スイッチ23、ダイオード24、コンデンサ25を備える。昇圧回路は、入力電圧センサ、出力電圧センサを備えていてもよい。
6相の昇圧回路のうち、2相ずつが1つのリアクトル21のコアを共用し互いに磁気結合することができる。各昇圧回路において、スイッチ23がONされるとリアクトル21を流れる電流は増加し、スイッチ23がOFFされるとリアクトル21を流れる電流は減少し、電流がゼロに到達した場合にはゼロが維持される。電流センサ22は、リアクトル21を流れる電流値を取得する。
図示していない制御部が、スイッチ23をON/OFF制御することにより、コンバータ20での昇圧比、及び燃料電池10からの出力電流値を制御する。
燃料電池10の出力電力は、車両の要求(速度、加速度、積載量、及び、道路の勾配等)によって大きく変化し、それに応じて出力電流も大きく変化する。燃料電池10の出力電流が大きい場合、その電流を1つの昇圧回路に流すと、発熱が増大して昇圧コンバータ20の電力変換効率が低下する。また、大電流に耐えうる昇圧回路に小さい電流しか流さない場合にも、エネルギ損失が増大し、昇圧コンバータ20の電力変換効率が低下する。そこで、昇圧コンバータ20は複数相の昇圧回路(図1に示す例では6相)を備え、昇圧コンバータ20は、燃料電池10の出力電流値に応じて駆動する相数を切り替える。例えば、燃料電池10の出力電流値が0~150Aの時は2相で駆動し、150~300Aの時は4相で駆動し、300~600Aの時は6相で駆動する。昇圧回路は、流れる電流によって効率が異なり、駆動相数を変えることで、各電流域でそれぞれ最適な効率で運転することができる。
電源ユニットは、電源と、コンバータと、を備える。
本開示の電源ユニットは、燃料電池車両等の車両に車載されて用いられるシステムであってもよい。
電源は、燃料電池、及び、バッテリ等であってもよい。
電源が燃料電池の場合、本開示の電源ユニットは、燃料電池システムであってもよい。
燃料電池は単セルを1つのみ有するものであってもよく、単セルを複数個積層した燃料電池スタックであってもよい。
コンバータは、電源の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一つを行う。コンバータは、昇圧コンバータであってもよく、降圧コンバータであってもよく、昇降圧コンバータであってもよい。
コンバータは、DC/DCコンバータであってもよい。
コンバータは、n(nは2以上の整数)相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、コイルそれぞれに接続されるn相のスイッチと、制御部と、を備える。コンバータは、ダイオード、電流センサ、電圧センサ、フォトカプラ、及び、コンデンサ等を備えていてもよい。
リアクトルは、コイル及びコアを有する。
コアには、n(nは2以上の整数)相のコイルが巻回されていてもよい。nは2以上であればよく、上限は特に限定されず、10以下であってもよく、5以下であってもよく、4以下であってもよく、3以下であってもよい。
リアクトルが有するコア及びコイルは、従来公知のコンバータに用いられているコア及びコイルを採用してもよい。
本開示においては、1相の独立したコイルが巻回されたコアを有するリアクトルを非磁気結合リアクトルと称する。本開示においては、非磁気結合リアクトルを備えるコンバータを非磁気結合コンバータと称する。本開示においては、2相以上の独立したコイルが巻回されたコアを有するリアクトルを磁気結合リアクトルと称する。本開示においては、磁気結合リアクトルを備えるコンバータを磁気結合コンバータと称する。
本開示において独立したコイルとは、1つ以上の渦巻部と、2つの端子部を備えるコイルを意味する。
スイッチ(スイッチング素子)は、トランジスタと、保護用ダイオードと、によって構成されている。トランジスタは、npnタイプのトランジスタであり、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、電力用バイポーラトランジスタ等によって構成される。
ダイオードは、従来公知のコンバータに用いられているダイオードを採用してもよい。
電流センサは、リアクトルのコイルを流れる電流値I(リアクトル電流値という場合がある)を取得することができるものであれば、特に限定されず、従来公知の電流計等を用いることができる。また、本開示においては、リアクトル平均電流とは、デューティ比の制御の一サイクル中におけるコイルを流れる平均電流を意味する。
電圧センサは、電源から出力されコンバータに入力される入力電圧を取得することができるものであれば、特に限定されず、従来公知の電圧計等を用いることができる。
制御部は、電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)、及び、マイコン等であってもよい。ECUは、CPU(Central Processing Unit)と、メモリと、入出力バッファとを含んで構成される。
制御部は、リアクトルのn相のコイルに流れる電流値を電流センサからの信号により検出し、n相のコイルを流れる電流値をモニタリングする。
制御部は、n相のスイッチのON・OFF制御を行い、n相のスイッチのデューティ比を制御する。
制御部は、磁気結合されたn相のスイッチを一定の周波数で動作させてもよい。制御部は、スイッチへのON指令とOFF指令とを周期的に切り替えることにより、n相のスイッチのデューティ比を制御してもよい。制御部は、n相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比で動作させてもよい。制御部は、n相のスイッチをそれぞれデューティ比がわずかに異なるように動作させてもよい。
同位相駆動時のデューティ比と異なる位相駆動時のデューティ比とでは、通常、互いのデューティ比が異なるように、各デューティ比を設定する。
同位相駆動時のデューティ比と異なる位相駆動時のデューティ比は、互いのデューティ比が異なっていれば、各デューティ比は特に限定されず、負荷からの出力要求等に応じて適宜設定することができる。
昇圧コンバータでは、リアクトルに対する電気的なエネルギの蓄積と放出とをおこなうデューティ比の制御の一サイクルの動作を繰り返して昇圧する。デューティ比は、その昇圧動作のデューティ比の制御の一サイクル中において、スイッチング素子が開いてリアクトルに電気的なエネルギが蓄積される蓄積期間が占める割合を定める。昇圧コンバータにおける昇圧動作のデューティ比の制御の一サイクルをTとし、スイッチング素子がターンオンする期間をTON、ターンオフする期間をTOFFとするとき、デューティ比Dは、D=TON/Tとして表される。
本開示において、デューティ比の制御の一サイクルとは、スイッチのスイッチング周期を意味する。スイッチのスイッチング周期とは、スイッチがオフからオンに切り替わった時点から、再度スイッチがオフからオンに切り替わる時点までの期間を意味する。
[典型例]
制御部は、下記運転条件(1)を満たすと判定したときに、n相のスイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合は、同位相から異なる位相に切替え、n相のスイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合は、異なる位相から同位相に切替える、位相切替制御を行う。
運転条件(1):前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係において、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧がそれぞれ所定の電圧値のときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有する不連続モードとなり、且つ、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有さない連続モードとなる運転条件。
上記運転条件(1)を満たすか否かは、設定された出力電圧に対する入力電圧とコイルを流れる電流値(リアクトル電流値)から判定してもよい。
入力電圧の所定の電圧値は、電源からの出力に応じて決定される。
出力電圧の所定の電圧値は、車両のモータ等の負荷からの要求に応じて適宜設定される。
制御部は、上記運転条件(1)を満たすか否かの判定を常時繰り返し行ってもよく、所定のタイミングで行ってもよく、デューティの制御の所定のサイクル経過毎(例えば4~10サイクル毎)に行ってもよい。
制御部は、n相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる場合、n相のスイッチを、それぞれ(360/n)°の位相差で動作させてもよい。
制御部は、スイッチが2相の場合、且つ、2相のスイッチをそれぞれ異なる位相で動作させる場合、2相のスイッチを、それぞれ30~180°の位相差で動作させてもよく、電力変換効率向上の観点から、180°の位相差すなわち逆位相で動作させてもよい。逆位相での動作の場合は、-5°~+5°の範囲で位相誤差が生じてもよい。
[連続モード、不連続モードの説明]
図2は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルを流れる電流が連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。
図3は、昇圧コンバータのリアクトルのコイルを流れる電流が不連続モードの場合の電流波形の一例を示す図である。
図2に示すように、昇圧コンバータのリアクトルのコイルに流れる電流(リアクトル電流)はスイッチング動作に伴って三角波となり、三角波の中央値がリアクトル平均電流(以下、平均電流と記載する)である。ここで、デューティ(Duty)を減らして平均電流を下げていくと、三角波の最下点が0Aに達する。ここからさらに平均電流を下げると、昇圧コンバータは片方向の回路であるため、図3に示すように、リアクトル電流がゼロとなる期間が発生し始める。このようにコンバータのデューティ比の制御の一サイクル中にリアクトルのコイルを流れる電流がゼロとなる期間を有する動作を、不連続モードと呼び、デューティ比の制御の一サイクル中にリアクトルのコイルを流れる電流がゼロとなる期間を有さない動作を、連続モードと呼ぶ。
[同位相駆動、逆位相駆動の説明]
図4は、昇圧コンバータのU相とV相の2相のコイルを有する磁気結合リアクトルの当該2相のスイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合(同位相デューティ制御)の電流波形の一例を示す図である。
U相とV相の2相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比で同時にON/OFF制御すれば、同位相駆動となる。
図5は、昇圧コンバータのU相とV相の2相のコイルを有する磁気結合リアクトルの当該2相のスイッチをそれぞれ逆位相で駆動している場合(逆位相デューティ制御)の電流波形の一例を示す図である。
U相とV相の2相のスイッチをそれぞれ同じデューティ比でスイッチング周期(駆動周期)を半周期ずらしてON/OFF制御すれば、逆位相駆動となる。逆位相駆動時は、同位相駆動時よりも小さい振幅のリアクトル電流が得られる。
制御部は、前記運転条件(1)を満たすコンバータの入口電圧及び出口電圧とコイルを流れる電流値との関係を示すデータ群を予め記憶し、当該データ群を参照して、コンバータの入口電圧及び出口電圧と、n相のコイルを流れる電流値から、前記運転条件(1)を満たすか否か判定してもよい。
同位相駆動では不連続モードであり、かつ異なる位相駆動では連続モードである運転条件とは、例えば昇圧コンバータでは下記のような数式(1)~(2)で与えられる運転条件であり、図6のように示される。これらの数式(1)~(2)、及び図6等で示されるデータをデータ群として予め記憶しておいてもよい。降圧コンバータ、昇降圧コンバータの場合も昇圧コンバータの場合と同様のデータ群を予め記憶しておいてもよい。
図6は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータの出口電圧を一定としたときのコンバータの入口電圧とコイルを流れる電流値との関係を示す図である。図6において、Vは入力電圧(昇圧前電圧)、Iはリアクトル平均電流を示す。
図6において示すA~Cの各領域の意味は以下の通りである。
A:同位相駆動と逆位相駆動のいずれの駆動の場合も不連続モードになる領域
B:切替可能領域(逆位相駆動の場合連続モード、同位相駆動の場合不連続モードになる領域
C:同位相駆動と逆位相駆動のいずれの駆動の場合も連続モードになる領域
図6において示すBの切替可能領域が運転条件(1)を満たす領域である。
したがって、本開示の典型例においては、Bの切替可能領域に突入するたびに位相切替制御を行ってもよい。
Figure 0007428172000001
Figure 0007428172000002
数式(1)は、昇圧比が2以上の時の昇圧コンバータの入口電圧及び出口電圧とコイルを流れる電流値との関係を示す不等式である。数式(1)の不等式において、左辺が図6中の昇圧比が2以上の時の破線で示した領域下限値の電流曲線であり、右辺が図6中の昇圧比が2以上の時の実線で示した領域上限値の電流曲線である。
数式(2)は、昇圧比が2未満の時の昇圧コンバータの入口電圧及び出口電圧とコイルを流れる電流値との関係を示す不等式である。数式(2)の不等式において、左辺が図6中の昇圧比が2未満の時の破線で示した領域下限値の電流曲線であり、右辺が図6中の昇圧比が2未満の時の実線で示した領域上限値の電流曲線である。
数式(1)~(2)において、Vは入力電圧(昇圧前電圧)、Iはリアクトル平均電流、Vは出力電圧(昇圧後電圧)、Mはリアクトル相互インダクタンス、Lはリアクトル自己インダクタンス、Tはスイッチング周期を示す。
[具体例]
制御部は、位相切替制御において、異なる位相から同位相への位相切替を、コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値以下であると判定したときに行ってもよく、同位相から異なる位相への位相切替を、コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値よりも大きい所定の第2切替閾値以上であると判定したときに行ってもよい。
図7は、図6に示す図であって切替閾値を説明するための図である。
例えば、図7に示すように切替上限値と切替下限値で囲われる切替可能領域を、どの入力電圧VLに対しても3等分する値を算出し、このうち切替下限に近い方を第1切替閾値、切替上限に近い方を第2切替閾値に設定してもよい。
そして、リアクトル平均電流Iが第1切替閾値以下であると判定したときに異なる位相から同位相への位相切替を行ってもよい。
一方、リアクトル平均電流Iが第2切替閾値以上であると判定したときに同位相から異なる位相への位相切替を行ってもよい。
これらの設定により、位相切替が頻繁に発生しなくなり、かつ、製品バラつきに対してもロバストである。
上記のような第1切替閾値及び第2切替閾値を、任意の出力電圧Vと任意のスイッチング周期Tについて予め算出し、データ群として予め記憶しておいてもよい。
上記図7に示す例においては、第1切替閾値と第2切替閾値との差は、切替上限値と切替下限値との差の3分の1であるが、これよりも大きくてもよく、例えば切替上限値と切替下限値との差の2分の1でも良く、切替上限値と切替下限値との差の3分の2でも良い。また、第1切替閾値を切替下限値としてもよく、第2切替閾値を切替上限値としてもよい。切替上限値と切替下限値との差の値が大きい場合に、より位相切替が頻繁に発生しにくくなる。
上記図7に示す例においては、切替上限値と第2切替閾値との差と、第1切替閾値と切替下限値の差は、切替上限値と切替下限値との差の3分の1であるが、第1切替閾値と第2切替閾値に差がつけられる範囲、つまり切替上限値と切替下限値との差の2分の1未満であれば3分の1よりも大きくても良く、例えば5分の2でも、7分の3でも良い。切替上限値と第2切替閾値との差と、第1切替閾値と切替下限値の差は、切替上限値と切替下限値との差の2分の1未満の範囲でできるだけ大きくしておくと、出力電圧センサの誤差、入力電圧センサの誤差、リアクトル自己インダクタンスLのバラツキ、リアクトル相互インダクタンスMのバラツキ等によって切替上限値が小さくなったり切替下限値が大きくなったりしても、位相切替制御が実施できる。
さらに、上記図7に示す例においては、切替上限値と第2切替閾値との差が、第1切替閾値と切替下限値との差と等しいが、切替上限値と第2切替閾値との差の方が大きくても良い。この場合に、電力変換効率が良い逆位相での駆動時間を長くすることができるため、トータルの電力変換効率を向上させることができる。
[変形例1]
制御部は、前記運転条件(1)を満たすと判定したときに、コイルを流れる電流値が当該コイルの平均電流値(リアクトル平均電流値)と一致するタイミングで、前記位相切替制御を行ってもよい。
本開示の変形例1においては、異なる位相と同位相との切り替え前後でリアクトルのコイルを流れる平均電流値が変化しない(=出力変化がない)ため、車両等の挙動への影響を低減することができる。
図8は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)がリアクトル平均電流値と一致しないタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。
図9は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)がリアクトル平均電流値と一致しないタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の別の一例を示す図である。
図8~9に示すように、上記典型例、具体例の場合、切替タイミングが悪いと、図8~9に示す課題A、Bのギャップのように各相のコイルを流れる電流値が変化する。
これは、電源からの出力が乱れることを意味し、出力の許容値を超えるとバッテリの過充放電を引き起こしたり、駆動モータのトルク変動を通じて車両挙動に変化が生じたりする場合がある。
図10は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行い、その後、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、逆位相駆動から同位相駆動に位相切替制御を行った場合の時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。
図10の矢印1に示すように、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、同位相駆動から逆位相駆動に位相切替制御を行い、矢印2に示すように、コイルを流れる電流値がリアクトル平均電流値と一致するタイミングで、逆位相駆動から同位相駆動に位相切替制御を行う。これにより、逆位相での運転期間と当該逆位相での運転期間の前後の同位相での運転期間を含む範囲でのリアクトルの平均電流値の変化を抑制することができる。位相切替前後でリアクトル平均電流値が変化しない(=電源の出力変化がない)ため、車両等の挙動に影響を与え難くすることができる。
[変形例2]
制御部は、位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が上昇中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が上昇するように、位相を切り替えてもよい。
一方、制御部は、位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が下降中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が下降するように、位相を切り替えてもよい。
本開示の変形例2においては、異なる位相での運転期間と、当該運転期間の前後の同位相での運転期間を含む範囲でのリアクトルのコイルを流れる平均電流値の変化を抑制することができる。位相切替前後でリアクトルのコイルを流れる平均電流値が変化しない(=出力変化がない)ため、車両等の挙動への影響を低減することができる。
図11は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が上昇中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が下降するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。
図11の課題Cに示すように、逆位相駆動の直前及び直後の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流は、逆位相駆動の直前の同位相駆動よりも前の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流、及び、逆位相駆動の直後の同位相駆動よりも後の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流よりも小さく、位相切替によりリアクトル電流の乱れが生じる。
図12は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が下降中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が上昇するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の別の一例を示す図である。
図12の課題Dに示すように、逆位相駆動の直前及び直後の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流は、逆位相駆動の直前の同位相駆動よりも前の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流、及び、逆位相駆動の直後の同位相駆動よりも後の同位相駆動1周期間のリアクトル平均電流よりも大きく、位相切替によりリアクトル電流の乱れが生じる。
図11~12に示すように、上記典型例、具体例、変形例1の場合、位相切替のタイミングが悪いと、図11~12に示す課題C、Dのように各相のコイルを流れる電流値が変化する。
課題C、Dも課題A、Bと同様に、電源からの出力が乱れることを意味し、出力の許容値を超えるとバッテリの過充放電を引き起こしたり、駆動モータのトルク変動を通じて車両挙動に変化が生じたりする場合がある。
図13は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が上昇中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が上昇するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。
図14は、2相のコイルを有する磁気結合リアクトルを備えるコンバータにおいて、同位相から逆位相への位相切替前にコイルを流れる電流値が下降中の時に、同位相から逆位相へ位相を切替え、その後、逆位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値が下降するように位相を切り替えた場合の、時間とリアクトル電流との関係の一例を示す図である。
本開示においては、同位相から異なる位相への位相切替前に電流が上昇中であれば、その直後の異なる位相から同位相への位相切替後に電流が上昇するように切り替える制御を「上昇中位相切替制御」と呼ぶこととする。
本開示においては、同位相から異なる位相への位相切替前に電流が下降中であれば、その直後の異なる位相から同位相への位相切替後に電流が下降するように切り替える制御を「下降中位相切替制御」と呼ぶこととする。
上昇中位相切替制御と下降中位相切替制御は、少なくともいずれか一方を選択して行ってもよい。
また、上昇中位相切替制御と下降中位相切替制御を、交互に実施してもよい。この場合、例えば、車両停止時に直前でどちらの位相切替制御を実施したかを不揮発性メモリ等に記録しておき、次回の車両起動時に、前回実施していない方の位相切替制御を実施してもよい。
図15は、本開示の典型例の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)I、電源からの入力電圧V、及び、設定された出力電圧Vを取得する(S101)。
そして、制御部は、設定された出力電圧Vに対する取得した電流値I及び入力電圧Vから、上記運転条件(1)を満たすか否か判定する(S102)。
制御部は、上記運転条件(1)を満たすと判定したとき、同位相駆動している場合は、異なる位相に位相を切替え、異なる位相で駆動している場合は、同位相に位相を切替え、制御を終了する(S103)。一方、制御部は、S102において上記運転条件(1)を満たしていないと判定したときは位相切替制御を行わず制御を終了する。
図16は、本開示の具体例の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)I、電源からの入力電圧V、及び、設定された出力電圧Vを取得する(S201)。
そして、制御部は、設定された出力電圧Vに対する取得した電流値I及び入力電圧Vから、上記運転条件(1)を満たすか否か判定する(S202)。
制御部は、上記運転条件(1)を満たすと判定したとき、コイルを流れる電流値Iが所定の第1切替閾値以下であるか否か判定する(S203)。
制御部は、コイルを流れる電流値Iが所定の第1切替閾値以下であると判定したときは、異なる位相で駆動している場合は、同位相に位相を切替える(S204)。なお、S204において同位相で駆動している場合は、同位相駆動を継続する。
一方、制御部は、コイルを流れる電流値Iが所定の第1切替閾値を超えると判定したときは、コイルを流れる電流値Iが所定の第1切替閾値よりも大きい所定の第2切替閾値以上であるか否か判定する(S205)。
制御部は、コイルを流れる電流値Iが所定の第2切替閾値以上であると判定したときは、同位相で駆動している場合は、異なる位相に位相を切替える(S206)。なお、S206において異なる位相で駆動している場合は、異なる位相での駆動を継続する。
制御部は、S205においてコイルを流れる電流値Iが所定の第2切替閾値未満であると判定したときは位相切替制御を行わず制御を終了する。
図17は、本開示の変形例1の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)I、電源からの入力電圧V、及び、設定された出力電圧Vを取得する(S301)。
そして、制御部は、設定された出力電圧Vに対する取得した電流値I及び入力電圧Vから、上記運転条件(1)を満たすか否か判定する(S302)。
制御部は、上記運転条件(1)を満たすと判定したとき、コイルを流れる電流値Iがリアクトル平均電流値Iと一致するか否か判定する(S303)。
制御部は、コイルを流れる電流値Iがリアクトル平均電流値Iと一致すると判定したときは、同位相で駆動している場合は、異なる位相に位相を切替え、異なる位相で駆動している場合は、同位相に位相を切替え、制御を終了する(S304)。
一方、S303において、制御部は、コイルを流れる電流値Iがリアクトル平均電流値Iと一致しないと判定したときは、S303に戻り、再度コイルを流れる電流値Iがリアクトル平均電流値Iと一致するか否か判定する。
図18は、本開示の変形例2の位相切替制御の一例を示すフローチャートである。
制御部は、コイルを流れる電流値(リアクトル電流値)I、電源からの入力電圧V、及び、設定された出力電圧Vを取得する(S401)。
そして、制御部は、設定された出力電圧Vに対する取得した電流値I及び入力電圧Vから、上記運転条件(1)を満たすか否か判定する(S402)。制御部は、S402において上記運転条件(1)を満たしていないと判定したときは位相切替制御を行わず制御を終了する。
制御部は、上記運転条件(1)を満たすと判定したとき、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが上昇中であるか否か判定する(S403)。
制御部は、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが上昇中であると判定したときは、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値Iが上昇するように、位相を切り替える上昇中位相切替制御を行い、制御を終了する(S404)。
一方、制御部は、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが上昇中ではないと判定したときは、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが下降中であるか否か判定する(S405)。
制御部は、同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが下降中であると判定したときは、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に当該コイルを流れる電流値Iが下降するように、位相を切り替える下降中位相切替制御を行い、制御を終了する(S406)。制御部は、S405において同位相から異なる位相への位相切替前にコイルを流れる電流値Iが下降中ではないと判定したとき、すなわち、コイルを流れる電流値Iが上昇中ではなく、且つ、下降中ではないときは、位相切替制御を行わず制御を終了する。
10:燃料電池
20:昇圧コンバータ
21:リアクトル
22:電流センサ
23:スイッチ
24:ダイオード
25:コンデンサ
50:外部負荷

Claims (9)

  1. 電源ユニットであって、
    前記電源ユニットは、電源と、コンバータと、を備え、
    前記コンバータは、前記電源の出力電圧の昇圧及び降圧からなる群より選ばれる少なくとも一種を行い、
    前記コンバータは、n(nは2以上の整数)相のコイルが互いに磁気結合されているリアクトルと、前記コイルそれぞれに接続されるn相のスイッチと、制御部と、を備え、
    前記制御部は、n相の前記スイッチのデューティ比を制御し、
    前記制御部は、n相の前記コイルを流れる電流値をモニタリングし、
    前記制御部は、下記運転条件(1)を満たすと判定したときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合は、同位相から異なる位相に切替え、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合は、異なる位相から同位相に切替える、位相切替制御を行うことを特徴とする電源ユニット。
    運転条件(1):前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係において、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧がそれぞれ所定の電圧値のときに、n相の前記スイッチをそれぞれ同位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有する不連続モードとなり、且つ、n相の前記スイッチをそれぞれ異なる位相で駆動している場合に前記デューティ比の制御の一サイクル中に前記コイルを流れる電流値がゼロとなる期間を有さない連続モードとなる運転条件。
  2. 前記制御部は、前記運転条件(1)を満たす前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と前記コイルを流れる電流値との関係を示すデータ群を予め記憶し、
    前記制御部は、前記データ群を参照して、前記コンバータの入口電圧及び出口電圧と、n相の前記コイルを流れる電流値から、前記運転条件(1)を満たすか否か判定する、請求項1に記載の電源ユニット。
  3. 前記制御部は、前記運転条件(1)を満たすと判定したときに、前記コイルを流れる電流値が前記コイルの平均電流値と一致するタイミングで、前記位相切替制御を行う、請求項1又は2に記載の電源ユニット。
  4. 前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前に前記コイルを流れる電流値が上昇中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に前記コイルを流れる電流値が上昇するように、位相を切り替える、請求項1~3のいずれか一項に記載の電源ユニット。
  5. 前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替前に前記コイルを流れる電流値が下降中であれば、同位相から異なる位相へ位相を切替えた後、異なる位相から同位相への位相切替後に前記コイルを流れる電流値が下降するように、位相を切り替える、請求項1~4のいずれか一項に記載の電源ユニット。
  6. 前記異なる位相は、(360/n)°の位相差である、請求項1~5のいずれか一項に記載の電源ユニット。
  7. 前記n相は、2相であり、
    前記異なる位相は、180°の位相差である、請求項1~6のいずれか一項に記載の電源ユニット。
  8. 前記電源は、燃料電池である、請求項1~7のいずれか一項に記載の電源ユニット。
  9. 前記制御部は、前記位相切替制御において、異なる位相から同位相への位相切替を、前記コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値以下であると判定したときに行い、
    前記制御部は、前記位相切替制御において、同位相から異なる位相への位相切替を、前記コイルを流れる電流値が所定の第1切替閾値よりも大きい所定の第2切替閾値以上であると判定したときに行う、請求項1~8のいずれか一項に記載の電源ユニット。
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