JP7559573B2

JP7559573B2 - 電源装置

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Publication number: JP7559573B2
Application number: JP2021009767A
Authority: JP
Inventors: 拓弥坂本; 直義高松; 弘嗣大畠
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2024-10-02
Anticipated expiration: 2041-01-25
Also published as: JP2022113486A

Description

本発明は、電源装置に関する。

特許文献１に開示された電動車両向けの電力変換装置は、モータジェネレータ駆動用のインバータに、充電器としての機能の一部を兼ねるようにすることによって、外部充電器であるＡＣ充電器を用いてバッテリを充電するための車載部品を最小限に抑えることができ、電動車両の重量及び価格を低減させることができるとされている。

特開２００７－２５２０７４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、ＡＣ充電を想定しており、ＤＣ充電を想定した場合、電動車両に搭載されたモータジェネレータ駆動用のバッテリを充電する際に用いられるＤＣ充電器としては、例えば、最大電圧が４００［Ｖ］級（１５０［ｋＷ］）と８００［Ｖ］級（３５０［ｋＷ］）との２種類のものがあり、電動車両側で複数の電圧規格に対応してバッテリを充電できることが望ましい。一方、３レベルインバータにおいて、ＵＶＷ相の各相におけるスイッチング素子を制御することによって充電器電圧を昇圧して対応した場合、スイッチング素子のオンとオフとを切り替える際にタイミングのずれによって、各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じてしまい、電流が脈動してしまうおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スイッチング素子の切り替えタイミングのずれによる電流の脈動を抑制することができる電源装置を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、蓄電池と、前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、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接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオンまたはオフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、を備えた電源装置であって、前記制御装置は、充電器からの電力による前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正することを特徴とするものである。

本発明に係る電源装置は、スイッチング素子の切り替えタイミングのずれによる電流の脈動を抑制することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。図３は、直結モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際の回路状態を示した図である。図４は、昇圧モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際に、コンデンサＣ１の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。図５は、昇圧モードによってＤＣ充電器によりバッテリを充電する際に、コンデンサＣ２の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。図６は、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態との切り替えのタイミングの一例を示した図である。図７は、充電制御部によるフィードバック制御がある場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。図８は、充電制御部によるフィードバック制御がない場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。図９は、ｄｕｔｙの補正量が小さい状態を示した図である。図１０は、ｄｕｔｙの補正量が適切な状態を示した図である。図１１は、ｄｕｔｙの補正量が大きい状態を示した図である。図１２は、実施形態においてＥＣＵが実施するｄｕｔｙ補正の制御の一例を示したフローチャートである。

以下に、本発明に係る電源装置の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る電力システムの構成図である。実施形態に係る電力システムは、電気自動車や、ハイブリッド車両、ＰＨＶ（Ｐｌｕｇ－ｉｎＨｙｂｒｉｄＶｅｈｉｃｌｅ）やＲＥＥＶ（ＲａｎｇｅＥｘｔｅｎｄｅｄＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）等の電力を利用した走行が可能な電動車両に適用される。

実施形態に係る電力システムは、電源装置１０とモータジェネレータ２０とＤＣ充電器３０などによって構成されている。なお、実施形態に係る電力システムのうち、電源装置１０及びモータジェネレータ２０は前記電動車両に搭載されており、ＤＣ充電器３０は前記電動車両の外部に設置された外部充電設備などに設けられている。

電源装置１０は、バッテリ１２、コンデンサ部１６、電力変換器１８、充電リレー装置４０、及び、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）６０などを備えている。電源装置１０は、モータジェネレータ２０と電気的に接続されている。

バッテリ１２は、高電圧バッテリとして充放電可能な蓄電池である。バッテリ１２としては、例えば、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池の他、ニッケルカドミウム電池、鉛蓄電池等を用いることができる。

コンデンサ部１６は、バッテリ１２の正極側端子（正母線２２）とバッテリ１２の負極側端子（負母線２４）との間に、互いに直列に接続された、第１コンデンサであるコンデンサＣ１と第２コンデンサであるコンデンサＣ２とによって構成されている。コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とは、中性点ＮＰ１で互いに接続されている。つまり、コンデンサＣ１は、一方側の端子が正母線２２に接続され、他方側の端子が中性点ＮＰ１に接続されている。また、コンデンサＣ２は、一方側の端子が中性点ＮＰ１に接続され、他方側の端子が負母線２４に接続されている。したがって、コンデンサＣ１，Ｃ２が同じように充放電を行って常に同じ電荷を蓄積しているとすれば、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である中性点電圧は、バッテリ１２の電圧の半分の電圧にクランプされることになる。なお、中性点電圧は、コンデンサＣ２の端子間電圧である電圧ＶＣ２に相当する。また、図１中のＶＣ１は、コンデンサＣ１の端子間電圧である。

電力変換器１８は、正母線２２と中性点ＮＰ１との間の電圧である正側電圧が供給される上アーム、及び、中性点ＮＰ１と負母線２４との間の電圧である負側電圧が供給される下アームで構成されている。電力変換器１８では、上アームと下アームとが、正母線２２と負母線２４との間に直列に多重化されて配置されており、３レベルの３相ＡＣ電圧をモータジェネレータ２０に出力することが可能となっている。

また、電力変換器１８は、Ｕ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＵ相アームと、Ｖ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＶ相アームと、Ｗ相電圧をモータジェネレータ２０に出力するＷ相アームとを備えている。

Ｕ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＵ１、第２スイッチング素子ＳＵ２、第３スイッチング素子ＳＵ３、第４スイッチング素子ＳＵ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３，ＳＵ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。なお、逆接続とは、例えば、半導体素子のコレクタ端子にダイオードのカソード端子が接続され、半導体素子のエミッタ端子にダイオードのアノード端子が接続されるものである。第１スイッチング素子ＳＵ１と第２スイッチング素子ＳＵ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＵ３と第４スイッチング素子ＳＵ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＵ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２のアノード側が中間点ＰＵ２と接続し、カソード側が中間点ＰＵ１と接続するように、ダイオードＤＵ１，ＤＵ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＵ１，ＤＵ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＵ１は、中間点ＰＵ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＵ２は、中間点ＰＵ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＵ２と第３スイッチング素子ＳＵ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＵ相電圧が出力される。

Ｖ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＶ１、第２スイッチング素子ＳＶ２、第３スイッチング素子ＳＶ３、第４スイッチング素子ＳＶ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列された構成となっている。第１スイッチング素子ＳＶ１と第２スイッチング素子ＳＶ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＶ３と第４スイッチング素子ＳＶ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＶ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２のアノード側が中間点ＰＶ２と接続し、カソード側が中間点ＰＶ１と接続するように、ダイオードＤＶ１，ＤＶ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＶ１，ＤＶ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＶ１は、中間点ＰＶ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＶ２は、中間点ＰＶ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＶ２と第３スイッチング素子ＳＶ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＶ相電圧が出力される。

Ｗ相アームでは、正母線２２から負母線２４に向かって、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、第４スイッチング素子ＳＷ４が、この順に直列に接続されている。各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、半導体素子に対して還流ダイオードが逆並列されて構成されている。第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ１（第１中間点）、及び第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４とを接続する配線にある接続部としての中間点ＰＷ２（第２中間点）は、直列に接続された２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２のアノード側が中間点ＰＷ２と接続し、カソード側が中間点ＰＷ１と接続するように、ダイオードＤＷ１，ＤＷ２によって接続されている。この２つのダイオードＤＷ１，ＤＷ２を接続する配線にある接続点は、コンデンサ部１６の中性点ＮＰ１に接続されている。言い換えると、ダイオードＤＷ１は、中間点ＰＷ１にカソード側が接続され、中性点ＮＰ１にアノード側が接続されている。また、ダイオードＤＷ２は、中間点ＰＷ２にアノード側が接続され、中性点ＮＰ１にカソード側が接続されている。かかる構成において、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３との間にある接続点からモータジェネレータ２０にＷ相電圧が出力される。

本実施形態において、電力変換器１８の各スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。

モータジェネレータ２０は、前記電動車両に搭載される回転電機であり、バッテリ１２から出力されたＤＣ電圧が、電力変換器１８によって三相ＡＣ電圧に変換されて供給されるときにモータとして作用し、車両を走行させるための駆動力を発生する。一方、モータジェネレータ２０は、車両が制動されるときに発電機として作用し、制動エネルギーを回収して三相ＡＣ電圧として出力する。そして、この三相ＡＣ電圧が電力変換器１８によってＤＣ電圧に変換されてバッテリ１２に供給されることにより、バッテリ１２が充電される。

ＤＣ充電器３０は、バッテリ１２を充電するために車両外部に設けられた外部充電器である。ＤＣ充電器３０は、ＤＣ充電器３０の不図示のプラグと車両側の不図示のコネクタとを接続するための充電器接続部５０にて、電源装置１０側と電気的に接続される２つの端子であるＰ端子（正極端子）３２Ｐ及びＮ端子（負極端子）３２Ｎを有している。充電器接続部５０と電力変換器１８との間には、充電リレー４２Ｐと充電リレー４２Ｎとを有する充電リレー装置４０、及び、リアクトル４４Ｐが設けられている。

図１に示すように、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐは、充電リレー４２Ｐ及びリアクトル４４Ｐを介して、Ｖ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＶ１と第２スイッチング素子ＳＶ２との中間点ＰＶ１と電気的に接続されている。また、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎは、充電リレー４２Ｎを介して、Ｕ相アームにおける第３スイッチング素子ＳＵ３と第４スイッチング素子ＳＵ４との中間点ＰＵ２と電気的に接続されている。

なお、実施形態に係る電源装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点である中間点ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１と、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐとを接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点である中間点ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２と、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎとを接続すればよい。

このように、実施形態に係る電源装置１０では、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１中間点が、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐと電気的に接続される第１接続端子として用いられている。また、Ｕ相アームとＶ相アームとＷ相アームとのうち、他の１相の３レベルインバータにおける第２中間点が、ＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎと電気的に接続される第２接続端子として用いられている。

そして、実施形態に係る電源装置１０は、電力変換器１８におけるＵ相、Ｖ相、及びＷ相のうち、いずれか１相の３レベルインバータにおける第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との間（第１中間点）にてＤＣ充電器３０のＰ端子３２Ｐを電気的に接続し、他の１相の３レベルインバータにおける第３スイッチング素子と第４スイッチング素子との間（第２中間点）にてＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎを電気的に接続することにより、複数の電圧規格に対応して、ＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電することができる構成となっている。

図２は、実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。ＥＣＵ６０は、電源装置１０などの動作を制御する電子制御装置である。ＥＣＵ６０は、充電制御部６２及びゲート信号生成部６４などを備えている。なお、図２中、「ＶＢ」はバッテリ電圧であり、「ＶＨ］は充電電圧である。

充電制御部６２には、図示されていないシステム制御部から出力された充電電力指令信号、電力変換器１８に設けられた不図示の電圧計から出力された電圧位相信号、コンデンサ部１６に設けられた不図示の電圧計から出力されたコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号、及び、ＤＣ充電器３０から出力された充電器情報信号などの各種信号が入力される。また、充電制御部６２は、例えば、充電電力指令信号、電圧位相信号、及び、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の信号などに基づいて求めたｄｕｔｙなどを、ゲート信号生成部６４に出力する。ゲート信号生成部６４は、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。

実施形態に係る電源装置１０においては、ＥＣＵ６０の制御モードとして、ＤＣ充電器３０によってバッテリ１２を充電する際に、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢ以上の場合に適用する第１の充電モードである直結モードと、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも低い場合に適用する第２の充電モードである昇圧モードとを有している。直結モードでは、ＤＣ充電器３０からの電力を昇圧せずにバッテリ１２を充電する。昇圧モードでは、ＤＣ充電器３０からの電力を昇圧してバッテリ１２を充電する。なお、実施形態に係る電源装置１０では、直結モードと昇圧モードともに、ＤＣ充電器３０からモータジェネレータ２０に電流を流すことなくバッテリ１２の充電を行う。

充電制御部６２は、ＤＣ充電器３０からの充電器情報信号に基づいて、ＤＣ充電器３０の最大電圧とバッテリ電圧ＶＢとを比較する。そして、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢ以上の場合には、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する。一方、ＤＣ充電器３０の最大電圧がバッテリ電圧ＶＢよりも低い場合には、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する。

なお、直結モードと昇圧モードとの選択は、例えば、電源装置１０が搭載された前記電動車両に設けられたスイッチなどを、運転手などの作業者が、ＤＣ充電器３０の仕様（最大電圧）に基づいて操作することにより行うようにしてもよい。

図３は、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際の回路状態を示した図である。なお、図３では、ＤＣ充電器３０の最大電圧が８００［Ｖ］であり、バッテリ電圧ＶＢが８００［Ｖ］である。また、図３において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。

図３に示すように、直結モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際には、まず、ＥＣＵ６０が、Ｕ相アームの第４スイッチング素子ＳＵ４とＷ相アームの第１スイッチング素子ＳＷ１とをオフからオンに切り替え、その他のスイッチング素子をオフにした状態する。次に、ＥＣＵ６０は、充電リレー装置４０の充電リレー４２Ｐ，４２Ｎをオフからオンに切り替えて、ＤＣ充電器３０から電力変換器１８を介してバッテリ１２にＤＣ電圧を供給し、バッテリ１２の充電を行う。

なお、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とは、それぞれの還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。これにより、電力変換器１８の全てのスイッチング素子がオフの状態となるため、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング動作を行わずに済み、充電効率を高くできるとともに、充電のためのインバータ素子や冷却機構の追加を抑制することができる。一方、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とをオンにすることによって、第４スイッチング素子ＳＵ４と第１スイッチング素子ＳＶ１とに電流が流れた際の耐久性を確保することが可能となる。

また、直結モードでの充電中には、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとが固定されるため、スイッチング損失を低減させることができる。

図４は、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際に、コンデンサＣ１の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。図５は、昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際に、コンデンサＣ２の充電がオンの状態での回路状態を示した図である。なお、図４及び図５において、オンの状態にしているスイッチング素子は、丸で囲んである。図６は、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態との切り替えのタイミングの一例を示した図である。

本実施形態では、図４に示すように、昇圧モードにおいて、ＤＣ充電器３０からコンデンサＣ１に電流が流れてコンデンサＣ１の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサＣ１の充電がオンの状態」という。また、本実施形態では、図５に示すように、昇圧モードにおいて、ＤＣ充電器３０からコンデンサＣ２に電流が流れてコンデンサＣ２の充電がなされるようにした状態を、「コンデンサＣ２の充電がオンの状態」という。

また、昇圧モードでは、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２が均等になるように、充電制御部６２がフィードバック制御（ＰＩ制御）を行う。このフィードバック制御（ＰＩ制御）では、図６の矩形パルスで示されるような、コンデンサＣ１の充電がオンの状態とコンデンサＣ２の充電がオンの状態とのｄｕｔｙを、下記数式（１）を用いて算出する。なお、図６中の「Ｔ」は、キャリア周期である。また、図６において、矩形パルスのハイレベルは、コンデンサＣ１の充電がオンの状態を意味し、矩形パルスのローレベルは、コンデンサＣ２の充電がオンの状態を意味する。また、図６中の「ｄｕｔｙ」は、コンデンサＣ１側ｄｕｔｙであって、０より大きく１より小さい値である。

コンデンサＣ１側ｄｕｔｙ＝Ｋｐ（ＶＣ２－ＶＣ１）＋Ｋｉ∫（ＶＣ２－ＶＣ１）ｄｔ・・・（１）

なお、上記数式（１）中、「Ｋｐ」は比例ゲインであり、「Ｋｉ」は積分ゲインである。

このようにして算出された前記ｄｕｔｙの情報は、充電制御部６２からゲート信号生成部６４に出力される。

ゲート信号生成部６４は、昇圧モード時に、前記ｄｕｔｙ及びキャリア周期Ｔなどに基づいて、コンデンサＣ１の充電がオンの状態またはコンデンサＣ２の充電がオンの状態となるように、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるためのゲート信号を生成し、その生成したゲート信号を各スイッチング素子に出力する。

昇圧モードによってＤＣ充電器３０によりバッテリ１２を充電する際には、まず、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２を、それぞれバッテリ１２からの電力によって充電し、バッテリ電圧ＶＢ（８００［Ｖ］）の１／２である４００［Ｖ］にする。また、ＤＣ充電器３０の電圧もバッテリ電圧ＶＢ（８００［Ｖ］）の１／２である４００［Ｖ］にする。なお、ＤＣ充電器３０の電圧としては、バッテリ電圧ＶＢの１／２よりも多少高くても良い。

そして、例えば、図４に示すように、コンデンサＣ１の充電をオンの状態にする。すなわち、ＥＣＵ６０は、Ｕ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＵ２及び第３スイッチング素子ＳＵ３と、Ｖ相アームにおける第１スイッチング素子ＳＶ１とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰからＶ相アームの中間点ＰＶ１に出力された電流は、Ｖ相アームの第１スイッチング素子ＳＶ１と、コンデンサＣ１と、Ｕ相アームの第２スイッチング素子ＳＵ２及び第３スイッチング素子ＳＵ３とを通って、Ｕ相アームの中間点ＰＵ２からＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎに入力される。これにより、コンデンサＣ１の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０からの電力によってコンデンサＣ１が充電されて電圧ＶＣ１が高くなる。そして、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電は、充電電圧ＶＨ（電圧ＶＣ１＋電圧ＶＣ２）がバッテリ電圧ＶＢよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、８００［Ｖ］よりも高い電圧である。そして、充電制御部６２は、コンデンサ部１６に設けられた電圧計から出力された電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値に基づいて、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の合計が８００［Ｖ］を超えたと判断したら、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電を終了する。

なお、第１スイッチング素子ＳＶ１は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第１スイッチング素子ＳＶ１をオンにすることによって、電流が流れた際の第１スイッチング素子ＳＶ１の耐久性を確保することが可能となる。

次に、図５に示すように、コンデンサＣ１の充電をオンの状態からコンデンサＣ２の充電をオンの状態に切り替える。すなわち、ＥＣＵ６０は、Ｕ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＵ４と、Ｖ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＶ２及び第３スイッチング素子ＳＶ３とをオフからオンに切り替えて、その他のスイッチング素子をオフの状態にする。これにより、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い状態にて、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ１の充電が停止され、コンデンサＣ１に蓄えられた電力が放電されてバッテリ１２に入力されることにより、バッテリ１２が充電される。

また、コンデンサＣ２の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０のＰ端子３２ＰからＶ相アームの中間点ＰＶ１に出力された電流が、Ｖ相アームにおける第２スイッチング素子ＳＶ２及び第３スイッチング素子ＳＶ３と、コンデンサＣ２と、Ｕ相アームにおける第４スイッチング素子ＳＵ４とを通って、Ｕ相アームの中間点ＰＵ２からＤＣ充電器３０のＮ端子３２Ｎに入力される。これにより、コンデンサＣ２の充電がオンの状態では、ＤＣ充電器３０からの電力によってコンデンサＣ２が充電されて電圧ＶＣ２が高くなる。そして、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電は、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い所定電圧まで行う。なお、前記所定電圧としては、例えば、８００［Ｖ］よりも高い電圧である。そして、充電制御部６２は、コンデンサ部１６に設けられた電圧計から出力された電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値に基づいて、電圧ＶＣ１，ＶＣ２の合計が８００［Ｖ］を超えたと判断したら、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電を終了する。

なお、第４スイッチング素子ＳＵ４は、還流ダイオードに電流が流れるためオフにしてもよい。一方、第４スイッチング素子ＳＵ４をオンにすることによって、電流が流れた際の第４スイッチング素子ＳＵ４の耐久性を確保することが可能となる。

次に、コンデンサＣ２の充電をオンの状態からコンデンサＣ１の充電をオンの状態に切り替える。これにより、充電電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢよりも高い状態にて、ＤＣ充電器３０によるコンデンサＣ２の充電が停止され、コンデンサＣ２に蓄えられた電力が放電されてバッテリ１２に入力されることにより、バッテリ１２が充電される。

ここで、実施形態に係る電源装置１０においては、ＥＣＵ６０が、昇圧モード時にＤＣ充電器３０からの電力によるコンデンサＣ１とコンデンサＣ２との充電が交互に行われるように、電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、コンデンサＣ１及びコンデンサＣ２の電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正する。これにより、実施形態に係る電源装置１０は、昇圧モード時に電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えタイミングのずれによって、電力変換器１８の各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じて電流が脈動することを抑制することができる。

図７は、昇圧モード時に充電制御部６２によるフィードバック制御がある場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。図８は、昇圧モード時に充電制御部６２によるフィードバック制御がない場合でのバッテリ電圧及びコンデンサ電圧を示したグラフである。

本実施形態において充電制御部６２は、昇圧モード時に電圧ＶＣ１と電圧ＶＣ２とが均等になるようにフィードバック制御を行う。図７に示すように、昇圧モード時に充電制御部６２によるフィードバック制御を行うことによって、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とがそれぞれ充電された際の電圧ＶＣ１と電圧ＶＣ２とを均等化することができる。一方、図８に示すように、昇圧モード時に充電制御部６２によるフィードバック制御を行わないことによって、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とがそれぞれ充電された際の電圧ＶＣ１と電圧ＶＣ２との間に電圧差が発生し、電圧ＶＣ１と電圧ＶＣ２とを均等化することができない。

本実施形態においてｄｕｔｙ補正部６３は、インバータスイッチ状態の切替時に電源短絡防止の目的で設定するデッドタイムが、充電動作に与える影響を緩和させるために、フォードバック制御にてｄｕｔｙを補正する。状態としては、（１）ｄｕｔｙの補正量が小さい状態、（２）ｄｕｔｙの補正量が適切な状態、（３）ｄｕｔｙの補正量が大きい状態、の３つの状態に分けられ、（２）の状態に収束するように制御を行う。

図９は、ｄｕｔｙの補正量が小さい状態を示した図である。図９に示したｄｕｔｙの補正量が小さい状態は、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムと、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムとが、重なる期間がある状態である。そして、このように２相（Ｕ相とＶ相）のデッドタイムが重なる期間では、充電器電流が大きく減少する。

ここで、ｄｕｔｙの補正量が小さい場合には、２相（Ｕ相とＶ相）のデッドタイムが重なることにより、充電器電流が急激に減少する。そのため、２相（Ｕ相とＶ相）のデッドタイムが重なった直後は、電圧ＶＣ１または電圧ＶＣ２の増加が小さくなるため、電圧ＶＣ１または電圧ＶＣ２の波形は必ず下に弧を描いて増加する波形となる。そして、ｄｕｔｙの補正量が小さい場合における、例えば、電圧ＶＣ２_Ｔのサンプリング時から電圧ＶＣ２_ｐｅａｋのサンプリング時までの電圧ＶＣ２の増加量ΔＶＣ２は、ΔＶＣ２＝ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔとなる。なお、ｄｕｔｙの補正量が小さい場合における電圧ＶＣ１の増加量ΔＶＣ１についても同様であり、「ＶＣ２」を「ＶＣ１」に読み替えればよい。

ｄｕｔｙ補正部６３は、ｄｕｔｙの補正量が小さい場合、２相（Ｕ相とＶ相）のデッドタイムが重なる期間を小さくするために、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングが早くなるように、且つ、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）のスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオフタイミングが遅くなるように、ｄｕｔｙを補正する。

図１０は、ｄｕｔｙの補正量が適切な状態を示した図である。図１０に示したｄｕｔｙの補正量が適切な状態は、ｄｕｔｙ補正によって、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムと、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）において全てのスイッチング素子がオフとなるデッドタイムとが、重なる期間がない状態である。

ここで、ｄｕｔｙの補正量が適切な場合には、充電器電流がほぼ一定となるため、電圧ＶＣ１または電圧ＶＣ２の増加の波形は直線的になる。そして、ｄｕｔｙの補正量が適切な場合における、例えば、電圧ＶＣ２_Ｔのサンプリング時から電圧ＶＣ２_ｐｅａｋのサンプリング時までの電圧ＶＣ２の増加量ΔＶＣ２は、ΔＶＣ２＝（１／Ｃ_２）×（Ｉｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期となる。なお、ｄｕｔｙの補正量が小さい場合における電圧ＶＣ１の増加量についても同様であり、「ＶＣ２」を「ＶＣ１」に読み替えればよい。

ｄｕｔｙ補正部６３は、ｄｕｔｙ補正によってｄｕｔｙの補正量が適切な状態でｄｕｔｙ補正を行う場合には、ｄｕｔｙ補正値として前回値を引き継いで用いる。

図１１は、ｄｕｔｙの補正量が大きい状態を示した図である。図１１に示したｄｕｔｙ補正量が大きい状態は、ｄｕｔｙ補正量が適切な値よりも大きく、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）においてスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオン期間と、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）においてスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオン期間とが、重なる期間が存在する状態である。２相（Ｕ相とＶ相）のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３（スイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３とスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３）の同時オン期間が存在すると、ＤＣ充電器３０のＰＮ端子間で短絡が発生するため電流が大きく増加する。

そのため、ｄｕｔｙ補正部６３は、ｄｕｔｙの補正量が大きい場合、図１０に示したｄｕｔｙの補正量が適切な状態に近づけるため、充電器Ｐ端子接続相のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングを遅くするように、且つ、充電器Ｎ端子接続相のＳＵ２，ＳＵ３のオフタイミングを早めるように、ｄｕｔｙの補正量を修正する。

図１２は、実施形態においてＥＣＵ６０が実施するｄｕｔｙ補正の制御の一例を示したフローチャートである。

まず、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１において、制御周期タイミングで電圧ＶＣ１，ＶＣ２のサンプリングを行う。なお、制御周期タイミングとは、本制御を行うＥＣＵ６０の制御周期のことであり、設計した時間毎に再計算を行う。また、制御周期タイミングでサンプリングした電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値を電圧ＶＣ１_Ｔ，ＶＣ２_Ｔとする。次に、ＥＣＵ６０は、ステップＳ２において、充電器電流Ｉｃｈｇのピークタイミングで電圧ＶＣ１，ＶＣ２のサンプリングを行う。なお、この際、サンプリングした電圧ＶＣ１，ＶＣ２の値を電圧ＶＣ１_ｐｅａｋ，ＶＣ２_ｐｅａｋとする。

次に、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３において、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞０の関係を満たすか否かを判断する。ここで、電圧ＶＣ１は増加と減少とを交互に繰り返しており、電圧ＶＣ１_ｐｅａｋは充電器電流Ｉｃｈｇが最大値となる時の電圧ＶＣ１になる。そして、充電器電流Ｉ_ｃｈｇが最大値の時に電圧ＶＣ１は最大値または最小値となる。そのため、本制御では、電圧ＶＣ１_ｐｅａｋと、制御周期タイミングでサンプリングした電圧ＶＣ１_Ｔとを比較することで、電圧ＶＣ１が増加中であるか減少中であるかを把握し、それぞれに応じた処理を実施できるようにしている。なお、このことは、電圧ＶＣ２_Ｔと電圧ＶＣ２_ｐｅａｋについても同様である。

ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞０の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ３にてＹｅｓ）、ステップＳ４において、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。なお、Ｃ_１は、コンデンサＣ１の静電容量である。

ここで、「ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ」はｄｕｔｙの補正量が小さい状態での電圧ＶＣ１の増加量を表しており、「（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期」はｄｕｔｙの補正量が適切な状態での電圧ＶＣ１の増加量を表している。そして、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすことによって、ｄｕｔｙの補正量が小さい状態が確定され、ｄｕｔｙの補正量を増やすように処理を行なえばよいことが判断できる。

ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ４にてＹｅｓ）、ステップＳ５において、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングを遅らせ、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）のスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオンタイミングを早めるように、ｄｕｔｙを補正する。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

また、ステップＳ４において、ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合（ステップＳ４にてＮｏ）、ステップＳ６において、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＜（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＜（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ６にてＹｅｓ）、ステップＳ７において、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングを早め、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）のスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオンタイミングを遅らせるように、ｄｕｔｙを補正する。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。一方、ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＜（１／Ｃ_１）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合（ステップＳ６にてＮｏ）、ステップＳ８において、ｄｕｔｙ補正値を前回値保持とする。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

また、ステップＳ３において、ＥＣＵ６０は、ＶＣ１_ｐｅａｋ－ＶＣ１_Ｔ＞０の関係を満たさないと判断した場合（ステップＳ３にてＮｏ）、ステップＳ９において、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＞（１／Ｃ_２）×（Ｉｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。なお、Ｃ_２は、コンデンサＣ２の静電容量である。

ここで、「ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ」はｄｕｔｙの補正量が小さい状態での電圧ＶＣ２の増加量を表しており、「（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期」はｄｕｔｙの補正量が適切な状態での電圧ＶＣ２の増加量を表している。そして、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＞（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすことによって、ｄｕｔｙの補正量が小さい状態が確定され、ｄｕｔｙの補正量を増やすように処理を行なえばよいことが判断できる。

ＥＣＵ６０は、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＞（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ９にてＹｅｓ）、ステップＳ１０において、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングを遅らせ、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）のスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオンタイミングを早めるように、ｄｕｔｙを補正する。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

また、ステップＳ９において、ＥＣＵ６０は、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＞（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合（ステップＳ９にてＮｏ）、ステップＳ１１において、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＜（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすか否かを判断する。ＥＣＵ６０は、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＜（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たすと判断した場合（ステップＳ１１にてＹｅｓ）、ステップＳ１２において、充電器Ｐ端子接続相（Ｖ相）のスイッチング素子ＳＶ２，ＳＶ３のオンタイミングを早め、充電器Ｎ端子接続相（Ｕ相）のスイッチング素子ＳＵ２，ＳＵ３のオンタイミングを遅らせるように、ｄｕｔｙを補正する。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。一方、ＥＣＵ６０は、ＶＣ２_ｐｅａｋ－ＶＣ２_Ｔ＜（１／Ｃ_２）×（Ｉ_ｃｈｇ／２）×ｄｕｔｙ×キャリア半周期の関係を満たさないと判断した場合（ステップＳ１１にてＮｏ）、ステップＳ１３において、ｄｕｔｙ補正値を前回値保持とする。その後、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４の処理に移行する。

ＥＣＵ６０は、ステップＳ１４において、充電終了であるか否かを判断する。ＥＣＵ６０は、充電終了ではないと判断した場合（ステップＳ１４にてＮｏ）、ステップＳ１に移行して、一連の制御を繰り返し行う。一方、ＥＣＵ６０は、充電終了であると判断した場合（ステップＳ１４にてＹｅｓ）、一連の制御を終了する。

以上のように、実施形態に係る電源装置１０においては、ＥＣＵ６０（ｄｕｔｙ補正部６３）が、図１２に示したようなｄｕｔｙ補正を行うことによって、昇圧モード時に電力変換器１８の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えタイミングのずれによって、電力変換器１８の各スイッチング素子の全オフ状態または全オン状態が生じて電流が脈動することを抑制することができる。

１０電源装置
１２バッテリ
１６コンデンサ部
１８電力変換器
２０モータジェネレータ
２２正母線
２４負母線
３０ＤＣ充電器
３２ＮＮ端子
３２ＰＰ端子
４０充電リレー装置
４２Ｎ，４２Ｐ充電リレー
４４Ｐリアクトル
５０充電器接続部
６０ＥＣＵ
６２充電制御部
６３ｄｕｔｙ補正部
６４ゲート信号生成部
Ｃ１，Ｃ２コンデンサ
ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＷ１，ＤＷ２ダイオード
ＳＵ１，ＳＶ１，ＳＷ１スイッチング素子
ＳＵ２，ＳＶ２，ＳＷ２スイッチング素子
ＳＵ３，ＳＶ３，ＳＷ３スイッチング素子
ＳＵ４，ＳＶ４，ＳＷ４スイッチング素子

Claims

蓄電池と、
前記蓄電池の正極側端子と負極側端子との間に、第１コンデンサ及び第２コンデンサが直列に接続されたコンデンサ部と、
直列に接続された第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子と、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接続する配線にカソード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にアノード側が接続された第１ダイオードと、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子とを接続する配線にアノード側が接続され、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとを接続する配線にカソード側が接続された第２ダイオードと、を有し、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子、前記第３スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をそれぞれオンまたはオフさせることによって、３つの異なる電圧値のうちのいずれかの電圧値の電圧を選択的にモータジェネレータに出力可能な３レベルインバータが、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相分、前記蓄電池と並列に接続された電力変換器と、
前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御装置と、
を備えた電源装置であって、
前記制御装置は、充電器からの電力による前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの充電が交互に行われるように、前記電力変換器の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する際、前記第１コンデンサ及び前記第２コンデンサの電圧変化に基づいて、各スイッチング素子の切り替えタイミングを補正することを特徴とする電源装置。