JP6751497B2 - 昇圧システム - Google Patents

Description

本発明は、昇圧システムに関し、詳しくは、２個のスイッチング素子と２個のダイオードと１個のリアクトルとを有する昇圧回路を備える昇圧システムに関する。

従来、この種の昇圧システムとしては、２個のスイッチング素子と２個のダイオードと１個のリアクトルとを有する昇圧回路を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、大気圧が小さいほど電動機の相間の絶縁抵抗が小さくなるため、電動機保護の観点から、大気圧が小さいほど高電圧系電圧ラインの電圧が小さくなるように制御している。

特開２００８−１９９７６９号公報

上述の昇圧システムでは、高電圧系電力ラインの上限電圧を設定し、２個のスイッチング素子を同時にオフとするデッドタイムを用いて２個のスイッチング素子を交互にオンオフする割合を操作することにより高電圧系電力ラインの電圧を設定した上限電圧の範囲内で制御することも行なわれている。このシステムで、高電圧系電力ラインの電力を低電圧系電力ラインに供給するときには、低電圧系電圧ラインに取り付けられたコンデンサの電圧が高くなる場合がある。この場合、高電圧系電力ラインの電圧は、デッドタイムを用いた制御を行なっていることからデッドタイム分の不感帯が生じ、低電圧系電力ラインの電圧から不感帯分だけ高い電圧までしか下げることができず、高電圧系電力ラインの上限電圧としてはその電圧を下限値とする範囲で設定しなければならない。

本発明の昇圧システムは、高電圧系電力ラインの電力を低電圧系電力ラインに供給しているときにおける高電圧系電力ラインの上限電圧の下限値を低くすることを主目的とする。

本発明の昇圧システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の昇圧システムは、
低電圧系電力ラインの正極ラインに一端子が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端子に一端子が接続されると共に高電圧系電力ラインの正極ラインに他端子が接続された第１スイッチング素子と、前記低電圧系電力ラインおよび前記高電圧系電力ラインの負極ラインに一端子が接続されると共に前記リアクトルの他端子および前記第１スイッチング素子の一端子に他端子が接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に対して逆方向に並列に接続された第１ダイオードと、前記第２スイッチング素子に対して逆方向に並列に接続された第２ダイオードと、を備える昇圧回路と、
前記低電圧系電力ラインの正極ラインおよび負極ラインに一端子および他端子が接続されたコンデンサと、
前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを同時にオフとするデッドタイムを用いて前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを交互にオンオフする割合を操作することにより前記高電圧系電力ラインの電圧を制御する制御装置と、
を備える昇圧システムであって、
前記制御装置は、前記高電圧系電力ラインの電力を降圧して前記低電圧系電力ラインに供給している最中に、前記コンデンサの電圧が所定電圧以上のときには、前記第２スイッチング素子をオフとした状態で前記第１スイッチング素子をオンオフする割合を操作することにより前記高電圧系電力ラインの電圧を制御する、
ことを特徴とする。

この本発明の昇圧システムでは、昇圧回路の第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを同時にオフとするデッドタイムを用いて第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを交互にオンオフする割合を操作することにより高電圧系電力ラインの電圧を制御する。高電圧系電力ラインの電力を降圧して低電圧系電力ラインに供給している最中に、低電圧系電力ラインに取り付けられたコンデンサの電圧が所定電圧以上のときには、第２スイッチング素子をオフとした状態で第１スイッチング素子をオンオフする割合を操作することにより高電圧系電力ラインの電圧を制御する。このように制御することにより、デッドタイムを値０まで下げることができるから、デッドタイム分の不感帯を値０まで下げることができる。この結果、高電圧系電力ラインの上限電圧の下限値を低くすることができる。

この場合、デッドタイムの設定時間については、リアクトルの電流が負側に大きいほど短くするものとしてもよい。こうすれば、デッドタイムの設定時間が急変することによってデューティ比が急変し、過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。

本発明の一実施例としての昇圧システムを搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット５０により実行される昇圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。 デッドタイム設定用マップの一例を示す説明図である。 昇圧コンバータ４０の通常制御における指令値および実際のトランジスタＴ３１，３２のオンオフ状態の一例を示す説明図である。 実施例と比較例の低電圧系電圧ＶＬの使用範囲と高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍとの関係の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての昇圧システムを搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、バッテリ３６と、昇圧コンバータ４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。

モータ３２は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ３２の回転子は、駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。

インバータ３４は、モータ３２に接続されると共に高電圧系電力ライン４２を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。このインバータ３４は、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６と、を有する。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ高電圧系電力ライン４２の正極母線と負極母線とに対してソース側とシンク側になるように２個ずつペアで配置されている。６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、それぞれトランジスタＴ１１〜Ｔ１６に逆方向に並列接続されている。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ３２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ３４に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット５０によって、対となるトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ３２が回転駆動される。高電圧系電力ライン４２の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ４６が取り付けられている。

バッテリ３６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧系電力ライン４４を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。低電圧系電力ライン４４の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

昇圧コンバータ４０は、インバータ３４が接続された高電圧系電力ライン４２とバッテリ３６が接続された低電圧系電力ライン４４とに接続されている。この昇圧コンバータ４０は、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬと、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧系電力ライン４２の正極母線に接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧系電力ライン４２および低電圧系電力ライン４４の負極母線と、に接続されている。２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２は、それぞれ、トランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続されている。リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧系電力ライン４４の正極母線と、に接続されている。昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０によって、基本的には、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の双方をオフとするデッドタイムを挟んでトランジスタＴ３１をオンとすると共にトランジスタＴ３２をオフとする状態とトランジスタＴ３１をオフとすると共にトランジスタＴ３２をオンとする状態との割合を調節することにより、低電圧系電力ライン４４の電力を昇圧して高電圧系電力ライン４２に供給したり、高電圧系電力ライン４２の電力を降圧して低電圧系電力ライン４４に供給したりする。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４やデータを一時的に記憶するＲＡＭ５６，入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍや、モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサ３２ｕ，３２ｖからのモータ３２に流れる相電流Ｉｕ，Ｉｖを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサ３６ａかの電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサ３６ｂからの電池電流Ｉｂ，リアクトルＬに直列に接続された電流センサ４０ａからのリアクトル電流ＩＬも挙げることができる。さらに、コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからのコンデンサ４６（高電圧系電力ライン４２）の電圧ＶＨや、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからのコンデンサ４８（低電圧系電力ライン４４）の電圧ＶＬも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号や、シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰも挙げることができる。また、アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃや、ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ６８からの車速Ｖも挙げることができる。電子制御ユニット５０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット５０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６へのスイッチング制御信号や、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号を挙げることができる。電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算している。また、電子制御ユニット５０は、電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の全容量に対するバッテリ３６から放電可能な電力の容量の割合である。

実施例の昇圧システムは、昇圧コンバータ４０と、コンデンサ４６と、電圧センサ４６ａと、コンデンサ４８と、電圧センサ４８ａと、電子制御ユニット５０と、が該当する。

こうして構成された実施例の昇圧システムでは、走行状態などに応じて高電圧系電力ライン４２の電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈが設定されると共に上限電圧ＶＨｈｉｇｈの範囲内で目標電圧ＶＨ＊が設定されると、基本的には、通常制御として、高電圧系電力ライン４２の電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊となるように、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の双方をオフとするデッドタイムを挟んでトランジスタＴ３１をオンとすると共にトランジスタＴ３２をオフとする状態とトランジスタＴ３１をオフとすると共にトランジスタＴ３２をオンとする状態との割合を調節するフィードバック制御を行なう。

次に、実施例の昇圧システムの動作、特に、モータ３２が回生制御されていることにより高電圧系電力ライン４２の電力を降圧して低電圧系電力ライン４４に供給する際の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット５０により実行される昇圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは所定時間毎（例えば、数十ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。

昇圧制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、電流センサ４０ａからのリアクトル電流ＩＬや、電圧センサ４８ａからの低電圧系電圧ＶＬなどの昇圧制御に必要なデータを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。続いて、リアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆ未満であるか否か及び低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、閾値ＩＬｒｅｆは、高電圧系電力ライン４２の電力を降圧して低電圧系電力ライン４４に供給しているときの電流値（負の値）であり、昇圧システムで予め定められた負側の使用範囲の下限値より大きくその中央値より小さな値を用いることができる。閾値ＶＬｒｅｆは、低電圧系電力ライン４４の電圧として予め定められた使用範囲の上限値より小さくその中央値より大きな値を用いることができる。

ステップＳ１１０でリアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆ以上であると判定されたり、低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ未満であると判定されたときには、上述した通常制御を実施し（ステップＳ１２０）、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の双方をオフとするデッドタイムｄｔにデフォルト値ｄｔｓｅｔ（例えば数μｓｅｃなど）を設定して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。

一方、ステップＳ１１０でリアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆ未満であり且つ低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ以上であると判定されたときには、通常制御に代えて片素子制御を実施し（ステップＳ１４０）、デッドタイムｄｔをリアクトル電流ＩＬに基づいて設定して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。片素子制御は、昇圧コンバータ４０の下アームであるトランジスタＴ３２をオフとした状態で、高電圧系電力ライン４２の電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊となるように、上アームであるトランジスタＴ３１のオンオフの割合を調節する制御である。片素子制御では、下アームのトランジスタＴ３２が常時オフであるため、デッドタイムｄｔは不要となる。デッドタイムｄｔの設定は、実施例では、リアクトル電流ＩＬとデッドタイムｄｔとの関係を予め定めてデッドタイム設定用マップとして記憶しておき、リアクトル電流ＩＬが与えられるとマップから対応するデッドタイムｄｔを導出することにより行なうものとした。図３にデッドタイム設定用マップの一例を示す。図示するように、実施例では、リアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆより小さくなるほど（負の値として大きくなるほど）デッドタイムｄｔが小さくなるように定められている。このようにデッドタイムｄｔを設定するのは、システムに過電流や過電圧などが生じるのを抑止するためである。片素子制御では、デッドタイムｄｔは不要であるから値０としてもよいが、こうすると通常制御と片素子制御との切り替え時にデッドタイムｄｔが急変する。このため、実デューティが急変し、システムに過電流や過電圧などが生じてしまう。これを抑止するために、デフォルト値ｄｔｓｅｔと値０との間を滑らかに変化させるようにデッドタイムｄｔを設定するのである。

リアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆ未満であり且つ低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ以上であると判定されたときに片素子制御を実施する理由について説明する。図４は、昇圧コンバータ４０の通常制御における指令デューティと実デューティの際のトランジスタＴ３１，３２のオンオフ状態の一例を示す説明図である。図中、「上アーム」はトランジスタＴ３１であり、「下アーム」はトランジスタＴ３２である。指令デューティは、上アームのデューティ９９％のときのオンオフ状態を示し、実デューティは、下アームのデューティ１％のときのオンオフ状態を示す。指令デューティでは、デッドタイムｄｔを考慮していないため、上アームのデューティ９９％は下アームのデューティ１％と同意となる。一方、実デューティの下アーム１％は、上アームのデューティは、スイッチング周期の１／１００をＳＷｔとすると「９９−２ｄｔ／ＳＷｔ」％となる。いま、制御可能なデューティとして上アームも下アームの１％以上と仮定すると、デッドタイムｄｔを考慮すれば、制御可能な上アームの最大デューティは「９９−２ｄｔ／ＳＷｔ」％となる。このため、高電圧系電圧ＶＨは、低電圧系電圧ＶＬより若干高い電圧までしか制御できない。上述したように、通常制御では、走行状態などに応じて高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈが設定されるから、上限電圧ＶＨｈｉｇｈとして設定可能な下限値ＶＨｌｉｍとしては、低電圧系電圧ＶＬの使用範囲の最大電圧より若干高い電圧となる。実施例と比較例の低電圧系電圧ＶＬの使用範囲と高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍとの関係を図５に示す。図５中、実線は実施例の高電圧系電圧ＶＨの制御可能な電圧の最小値を示し、破線は比較例の高電圧系電圧ＶＨの制御可能な電圧の最小値を示し、ハッチング領域はデッドタイムｄｔを考慮することにより高電圧系電圧ＶＨを制御することができない領域（不感帯）を示す。比較例は、リアクトル電流ＩＬや低電圧系電圧ＶＬに拘わらず、通常制御を行なうものとした。高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍは、低電圧系電圧ＶＬが変化することを考慮すると、低電圧系電圧ＶＬの使用範囲において高電圧系電圧ＶＨの制御可能な電圧の最小値のうちの最大値となる。比較例では、ハッチング領域の最大値である電圧ＶＨ１が下限値ＶＨｌｉｍとなる。実施例では、低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ以上では、片素子制御を実行するから、デッドタイムｄｔは不要となり、高電圧系電圧ＶＨの制御可能な電圧の最小値は低電圧系電圧ＶＬに一致する。このため、低電圧系電圧ＶＬの使用範囲において高電圧系電圧ＶＨの制御可能な電圧の最小値のうちの最大値は低電圧系電圧ＶＬの使用範囲の最大値としての電圧ＶＨ２となる。したがって、実施例では、高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍは電圧ＶＨ２となり、比較例に比して低くすることができる。

以上説明した実施例の昇圧システムでは、高電圧系電力ライン４２の電力を降圧して低電圧系電力ライン４４に供給している最中に、昇圧コンバータ４０のリアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆ未満であり且つ低電圧系電圧ＶＬが閾値ＶＬｒｅｆ以上であるときには、通常制御に代えて片素子制御を実施する。片素子制御では、デッドタイムｄｔは不要であるから、高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍとして低電圧系電圧ＶＬの使用範囲における最大値を設定することができる。このため、デッドタイムｄｔが必要な通常制御に比して、高電圧系電圧ＶＨの上限電圧ＶＨｈｉｇｈの下限値ＶＨｌｉｍを低くすることができ、気圧が低いときの部品保護をより適正に行なうことができる。

また、実施例の昇圧システムでは、通常制御に代えて片素子制御を実施するときには、リアクトル電流ＩＬが閾値ＩＬｒｅｆより小さくなるほど（負の値として大きくなるほど）デッドタイムｄｔが小さくなるように設定する。これにより、通常制御と片素子制御との切り替え時にデッドタイムｄｔが急変することによって実デューティが急変し、システムに過電流や過電圧などが生じるのを抑制することができる。

実施例では、昇圧システムを電気自動車２０に搭載するものとしたが、こうした昇圧システムをハイブリッド自動車に搭載するものとしてもよいし、昇圧システムを自動車以外の駆動装置などに組み込むものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、昇圧システムの製造産業などに利用可能である。

２０ 電気自動車、２２ａ，２２ｂ 駆動輪、２４ デファレンシャルギヤ、２６ 駆動軸、３２ モータ、３２ａ 回転位置検出センサ、３２ｕ，３２ｖ，３６ｂ 電流センサ、３４ インバータ、３６ バッテリ、３６ａ，４６ａ，４８ａ 電圧センサ、４０ 昇圧コンバータ、４０ａ 電流センサ、４２ 高電圧系電力ライン、４４ 低電圧系電力ライン、４６，４８ コンデンサ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、６０ イグニッションスイッチ、６１ シフトレバー、６２ シフトポジションセンサ、６３ アクセルペダル、６４ アクセルペダルポジションセンサ、６５ ブレーキペダル、６６ ブレーキペダルポジションセンサ、６８ 車速センサ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (1)

1. 低電圧系電力ラインの正極ラインに一端子が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端子に一端子が接続されると共に高電圧系電力ラインの正極ラインに他端子が接続された第１スイッチング素子と、前記低電圧系電力ラインおよび前記高電圧系電力ラインの負極ラインに一端子が接続されると共に前記リアクトルの他端子および前記第１スイッチング素子の一端子に他端子が接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に対して逆方向に並列に接続された第１ダイオードと、前記第２スイッチング素子に対して逆方向に並列に接続された第２ダイオードと、を備える昇圧回路と、
   前記低電圧系電力ラインの正極ラインおよび負極ラインに一端子および他端子が接続されたコンデンサと、
   前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを同時にオフとするデッドタイムを用いて前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とを交互にオンオフする割合を操作することにより前記高電圧系電力ラインの電圧を制御する制御装置と、
   を備える昇圧システムであって、
   前記制御装置は、前記高電圧系電力ラインの電力を降圧して前記低電圧系電力ラインに供給している最中に、前記コンデンサの電圧が所定電圧以上のときには、前記第２スイッチング素子をオフとした状態で前記第１スイッチング素子をオンオフする割合を操作することにより前記高電圧系電力ラインの電圧を制御する、
   ことを特徴とする昇圧システム。

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