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発明の名称 電圧変換システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−68290(P2007−68290A)
公開日 平成19年3月15日(2007.3.15)
出願番号 特願2005−249310(P2005−249310)
出願日 平成17年8月30日(2005.8.30)
代理人 【識別番号】100064746
【弁理士】
【氏名又は名称】深見 久郎
発明者 矢口 英明
要約 課題
充電可能な直流電源からの出力電圧を変換して負荷へ供給する電圧変換システムにおいて、直流電源の内部抵抗変化を適切に反映して、出力電圧の制御応答性を確保する。

解決手段
出力電圧制御系200は、フィードバックゲイン決定部210によるフィードバックゲインKp,Kiを用いて、DC/DCコンバータ20の出力電圧VHの目標電圧VH♯に対する偏差ΔVHを零にするためのフィードバック制御を行なうフィードバック演算部240を含む。フィードバックゲイン決定部210は、直流電源(バッテリ)での充電率に応じた内部抵抗変化を反映するように、フィードバックゲインKp,Kiを決定する。
特許請求の範囲
【請求項1】
充電可能な直流電源と、
少なくとも1個の電力用半導体素子を含んで構成され、前記電力用半導体素子のスイッチング動作に従って前記直流電源から供給された直流電圧を電力変換して負荷へ供給する電力変換回路と、
前記電力用半導体素子のオン・オフを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流電源における充電率に応じた内部抵抗の変化を考慮して、前記電力用半導体素子のオン・オフ制御指令を生成する、電圧変換システム。
【請求項2】
前記電力変換回路は、前記制御装置からの前記オン・オフ制御指令に従った前記電力用半導体素子のデューティ比に応じた電圧変換比率により、前記直流電源からの直流電圧レベルを変換して前記負荷へ供給する、請求項1記載の電圧変換システム。
【請求項3】
前記制御装置は、
前記直流電源の状態量から基準充電率における前記内部抵抗を予測して、この予測した内部抵抗に基づいて制御ゲインを設定するためのゲイン設定手段と、
前記直流電源の現時点の充電率と前記基準充電率との比較に基づいて、前記ゲイン設定手段によって設定された前記制御ゲインを修正するためのゲイン修正手段と、
前記ゲイン修正手段による修正を経た前記制御ゲインに従って、前記負荷への供給電圧の目標電圧に対する偏差に応じて前記電力用半導体素子のデューティ比を設定するデューティ比設定手段とを含む、請求項2記載の電圧変換システム。
【請求項4】
前記制御装置は、
前記直流電源の状態量および前記直流電源の現時点の充電率から予測される前記内部抵抗に基づいた制御ゲインを決定するためのゲイン決定手段と、
前記ゲイン決定手段により決定された前記制御ゲインに従って、前記負荷への供給電圧の目標電圧に対する偏差に応じて前記電力用半導体素子のデューティ比を設定するデューティ比設定手段とを含む、請求項2記載の電圧変換システム。
【請求項5】
前記デューティ比設定手段は、前記直流電源の出力電圧と、前記負荷への供給電圧の目標電圧との電圧比を考慮に加えて、前記電力用半導体素子のデューティ比を設定する、請求項3または4記載の電圧変換システム。
【請求項6】
前記直流電源は、リチウムイオン二次電池で構成される、請求項1から5のいずれか1項に記載の電圧変換システム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、電圧変換システムに関し、より特定的には、充電可能な直流電源から供給された直流電圧を変換する電圧変換システムに関する。
【背景技術】
【0002】
バッテリ等の充電可能な直流電源の出力電圧を所望の直流電圧に変換して負荷へ供給する電圧変換システムが一般的に用いられている。たとえば、特開2004−350478号公報(特許文献1)には、スイッチング素子を含むDC/DCコンバータによって、バッテリからの出力電圧を変換して負荷への供給電圧を発生する構成が開示されている。
【0003】
特許文献1に開示された電圧変換システムでは、バッテリ出力電圧と出力目標電圧との電圧比に応じてDC/DCコンバータでのデューティ比を設定するとともに、バッテリからの過大な電流出力を防止するように上記デューティ比に制限を加えてDC/DCコンバータが駆動制御される。
【0004】
たとえば、バッテリからの出力電流(バッテリ電流)がバッテリの内部抵抗および起電圧に基づいて設定される最適電流範囲内であるかどうかを判定し、バッテリ電流が上記最適電流範囲を外れている場合には、電圧比に応じて設定されたデューティ比に修正を加えてDC/DCコンバータが駆動制御される。これにより、バッテリから取り出すことが可能な最大出力電力に対応した電流値以上のバッテリ電流の発生を防止して、バッテリの大幅な電力低下を招くことを回避できる。この結果、電源の状態(代表的にはバッテリの内部抵抗)に応じて適切に電源の電圧を変換する電圧変換システムが提供される。
【特許文献1】特開2004−350478号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献1に開示された電圧変換システムのデューティ比制御では、直流電源(バッテリ)の内部抵抗は、設定されたデューティ比を修正するか否かには反映されるが、デューティ比の設定そのものに内部抵抗の変化は反映されていない。したがって、直流電源(バッテリ)の内部抵抗の変化に伴って、電圧変換システム全体の制御応答性が変化するのを補償することができない。このため、内部抵抗の変化に伴って出力電圧の制御精度が悪化する可能性がある。
【0006】
また、特許文献1では、バッテリの内部抵抗について、バッテリ温度に基づいたマップ参照により求める手法が開示されている。しかしながら、このような手法では、バッテリ温度以外の条件に応じて内部抵抗が変化する場合には、電圧変換システムの出力電圧制御に内部抵抗の変化を適切に反映させることができない。
【0007】
また、特許文献1には、バッテリ電圧Vbおよびバッテリ電流Ibのセンサ検出値に基づき、下記(1)式に従ってバッテリの内部抵抗Rbを求める手法も開示されている。
【0008】
Rb=(Vbo−Vb)/Ib …(1)
(1)式において、Vboはバッテリ起電圧(開放電圧)である。しかしながら、(1)式による内部抵抗の推定精度は、バッテリ起電圧Vboの設定精度に依存するので、電源状態の変化を反映して、内部抵抗を推定することは困難である。
【0009】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、充電可能な直流電源(代表的には、二次電池)からの出力電圧を変換して負荷へ供給する電圧変換システムにおいて、直流電源の内部抵抗変化を適切に反映して、出力電圧の制御応答性を確保することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この発明による電圧変換システムは、充電可能な直流電源と、電力変換回路と、制御装置とを備える。電力変換回路は、少なくとも1個の電力用半導体素子を含んで構成され、この電力用半導体素子のスイッチング動作に従って直流電源から供給された直流電圧を電力変換して負荷へ供給する。制御装置は、電力用半導体素子のオン・オフを制御し、特に、直流電源における充電率に応じた内部抵抗の変化を考慮して、電力用半導体素子のオン・オフ制御指令を生成する。
【0011】
上記電圧変換システムによれば、直流電源における充電率に応じた内部抵抗の変化を考慮して、電力変換回路内の電力用半導体素子のスイッチング動作を制御できるので、充電率に応じて内部抵抗が変化する特性を有する直流電源からの直流電圧を変換する場合に、この内部抵抗変化を適切に反映して、出力電圧の制御応答性を確保することができる。
【0012】
好ましくは、この発明の電圧変換システムにおいて、電力変換回路は、制御装置からのオン・オフ制御指令に従った電力用半導体素子のデューティ比に応じた電圧変換比率により、直流電源からの直流電圧レベルを変換して負荷へ供給する。
【0013】
上記電圧変換システムによれば、電力変換回路が電力用半導体素子のデューティ比(オン期間比率)に従って電圧変換を行なうDC/DCコンバータである構成において、直流電源の内部抵抗変化を適切に反映して、出力電圧の制御応答性を確保できる。
【0014】
さらに好ましくは、この発明の電圧変換システムにおいて、制御装置は、ゲイン設定手段と、ゲイン修正手段と、デューティ比設定手段とを含む。ゲイン設定手段は、直流電源の状態量から基準充電率における内部抵抗を予測して、この予測した内部抵抗に基づいて制御ゲインを設定する。ゲイン修正手段は、直流電源の現時点の充電率と基準充電率との比較に基づいて、ゲイン設定手段によって設定された制御ゲインを修正する。デューティ比設定手段は、ゲイン修正手段による修正を経た制御ゲインに従って、負荷への供給電圧の目標電圧に対する偏差に応じて電力用半導体素子のデューティ比を設定する。
【0015】
上記電圧変換システムによれば、直流電源の充電率に応じて出力電圧のフィードバック制御ゲインを調整することにより、充電率の変化に対する内部抵抗の変化を反映する出力電圧制御を簡易な制御構成で実現できる。特に、直流電源の状態量および充電率に基づいて精密に内部抵抗を予測する制御構成と比較して、内部抵抗の反映に必要な制御演算負荷あるいはマップデータ量を軽減できる。
【0016】
また好ましくは、この発明の電圧変換システムにおいて、制御装置は、ゲイン決定手段と、デューティ比設定手段とを含む。ゲイン決定手段は、前記直流電源の状態量および前記直流電源の現時点の充電率から予測される前記内部抵抗に基づいた制御ゲインを決定する。デューティ比設定手段は、ゲイン決定手段により決定された前記制御ゲインに従って、前記負荷への供給電圧の目標電圧に対する偏差に応じて前記電力用半導体素子のデューティ比を設定する。
【0017】
上記電圧変換システムによれば、直流電源の充電率に応じて出力電圧のフィードバック制御ゲインを調整することにより、充電率の変化に対する内部抵抗の変化を反映した出力電圧制御を行うことができる。
【0018】
さらに好ましくは、この発明の電圧変換システムでは、デューティ比設定手段は、二次電池の出力電圧と、負荷への供給電圧の目標電圧との比を考慮に加えて、電力用半導体素子のデューティ比を設定する。
【0019】
上記電圧変換システムによれば、二次電池の出力電圧(すなわち、電力変換回路への入力電圧)と負荷への供給電圧の目標電圧(すなわち、出力電圧目標値)との電圧比(すなわち、電力変換回路での電圧変換比率)をデューティ比設定に反映するフィードフォワード制御を行なうことにより、目標電圧変化時の出力電圧制御性を高めることができる。
【0020】
あるいは好ましくは、直流電源は、リチウムイオン二次電池で構成される。
上記電圧変換システムによれば、充電率に応じて内部抵抗が変化する特性が顕著なリチウムイオン二次電池からの直流電圧を変換する構成において、内部抵抗変化を適切に反映して、出力電圧の制御応答性を確保することができる。
【発明の効果】
【0021】
この発明によれば、直流電源(代表的には、二次電池)からの出力電圧を変換して負荷へ供給する電圧変換システムにおいて、直流電源の内部抵抗変化を反映して出力電圧の制御応答性を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下において、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰返さないものとする。
【0023】
図1は、この発明の実施の形態による電圧変換システムの構成を説明するブロック図である。
【0024】
図1を参照して、この発明の実施の形態による電圧変換システム100は、直流電源10と、システムリレーSR1,SR2と、平滑コンデンサC1,C2と、DC/DCコンバータ20と、制御装置30とを備える。
【0025】
直流電源10は、内部抵抗Rbが存在する充電可能な電源である。すなわち、直流電源10としては、それ自体が化学変化等により電気を作り出す二次電池や、外部からの供給により電気を蓄えるキャパシタ等の蓄電装置が適用可能である。なお、以下の説明で明らかになるように、本発明の実施の形態に用いられる直流電源10は、内部抵抗Rbがその充電率(SOC:State Of Charge)に応じて変化することを想定している。このため、代表的には、直流電源10としてリチウムイオン二次電池が適用される。以下では、直流電源10をバッテリ10とも称することとする。
【0026】
バッテリ10には、その出力電圧Vb(バッテリ電圧)を検出するための電圧センサ11と、バッテリ温度Tbを検出するための温度センサ12と、バッテリ10からの出力電流Ibを検出するための電流センサ13とが配置されている。
【0027】
システムリレーSR1は、バッテリ10の正極端子および電力線6の間に接続され、システムリレーSR2は、バッテリ10の負極端子およびアース線5の間に接続される。システムリレーSR1,SR2は、制御装置30からの信号SEによりオン/オフされる。
【0028】
平滑コンデンサC1は、電力線6およびアース線5の間に接続される。
「電力変換器」の代表例として示されるDC/DCコンバータ20は、リアクトルLと、電力用半導体スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオードD1,D2とを含む。
【0029】
電力用半導体スイッチング素子Q1およびQ2は、電力線7およびアース線5の間に直列に接続される。この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」と称する)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタなどを用いることができる。スイッチング素子Q1,Q2に対しては、逆並列ダイオードD1,D2が配置されている。
【0030】
電力用半導体スイッチング素子Q1およびQ2のオン・オフ(スイッチング動作)は、制御装置30からのスイッチング制御信号S1およびS2によって制御される。リアクトルLは、スイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードと電力線6の間に接続される。また、平滑コンデンサC2は、電力線7およびアース線5の間に接続される。
【0031】
負荷40は、電力線7およびアース線5に接続されて、DC/DCコンバータ20から直流電圧の供給を受ける。負荷40は、たとえば、図2に示すように、電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ回路41およびモータジェネレータ42からなる構成(図2(a)参照)、2つのインバータ回路41,43を並列に接続して、それぞれに主に発電機として動作するモータジェネレータ42および主に電動機として動作するモータジェネレータ44を接続した構成(図2(b)参照)、あるいは、燃料電池自動車などに搭載されるインバータ回路41とモータジェネレータ42および燃料電池45からなる構成(図2(c)参照)などが該当する他、これら電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車などに搭載される電動機・発電機(モータジェネレータ)に限られず、直流電源(バッテリ)10からの電源を用いて駆動される電気機器などであってもよい。
【0032】
また、負荷40の発電時には、負荷40からの直流電圧がDC/DCコンバータ20によって電圧変換されて、直流電源(バッテリ)10の充電に用いられてもよい。また、負荷40以外の図示しない発電・給電機構により、直流電源(バッテリ)10を充電することも可能である。
【0033】
制御装置30は、電圧変換システム100の起動・停止指令に従ってシステムリレーSR1,SR2のオン・オフを制御する制御信号SEを生成する。リレー制御信号SEは、電圧変換システム100の起動に従ってシステムリレーSR1,SR2がオンされるように生成され、かつ、電圧変換システム100の停止時にシステムリレーSR1,SR2がオフされるように制御される。
【0034】
制御装置30には、電圧センサ11からのバッテリ電圧Vb、温度センサ12からのバッテリ温度Tb、電流センサ13からのバッテリ電流Ib、電圧センサ14からの入力電圧VLおよび電圧センサ15からの出力電圧VHの検出値が入力される。制御装置30は、電圧変換システム100の作動時には、これらの検出値に基づきDC/DCコンバータ20で所望の電圧変換が行なわれるように、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作(オン・オフ動作)を制御するスイッチング制御信号S1,S2を生成する。
【0035】
次に、電圧変換システム100の動作を説明する。
システムリレーSR1,SR2のオン期間において、バッテリ10からの出力電圧であるバッテリ電圧Vbが、アース線5および電力線6の間に印加される。DC/DCコンバータ20へは、アース線5および電力線6に接続された平滑コンデンサC1の電圧VLが入力される。
【0036】
DC/DCコンバータ20は、バッテリ10から入力された直流電圧VLを、制御装置30からのスイッチング制御信号S1,S2に従ったスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作によって昇圧して、アース線5および電力線7の間に直流電圧VHを発生することができる。直流電圧VHは平滑コンデンサC2によって平滑されて負荷40へ供給される。
【0037】
また、DC/DCコンバータ20は、平滑コンデンサC2を介して負荷40から供給された直流電圧VHを、スイッチング制御信号S1,S2に従ったスイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作によって降圧して、アース線5および電力線6の間に直流電圧VLを発生することができる。直流電圧VLは、平滑コンデンサC1によって平滑されて、バッテリ10の充電に用いられる。
【0038】
このように、DC/DCコンバータ20は、双方向に電力変換可能な昇降圧コンバータとして動作可能であるが、本実施の形態では、バッテリ(直流電源)10から供給された直流電圧VLを負荷40へ供給される直流電圧VHへ変換する電圧変換動作(昇圧動作)を主に説明の対象とする。したがって、以下では、直流電圧VLを入力電圧VLと称し、直流電圧VHを出力電圧VHとも称する。
【0039】
図3は、昇圧動作時におけるDC/DCコンバータ20でのスイッチング動作を説明する動作波形図である。
【0040】
図3を参照して、昇圧動作時には、スイッチング素子Q2のオン期間およびオフ期間が、設定されたデューティ比d(d=Ton/T:オン期間比)に従って交互に設けられる。ここで、Tは、所定のスイッチング周期(T=Ton+Toff)である。
【0041】
スイッチング素子Q2のオン期間にはバッテリ10からリアクトルLに電力が蓄積され、オフ期間には、バッテリ10およびリアクトルLから負荷40へ電力が供給される。すなわち、DC/DCコンバータ20は、いわゆる昇圧チョッパとして動作する。
【0042】
昇圧動作時におけるDC/DCコンバータ20の定常状態での昇圧比(VH/VL)は、d=Ton/Tの関数として下記(2)式で示される。
【0043】
VH=1/(1−d)・VL …(2)
スイッチング素子Q1は、基本的には、スイッチング素子Q2と相補的にオン・オフされる。なお、スイッチング素子Q1については、常にオフ状態としても、DC/DCコンバータ20を昇圧チョッパとして動作させることが可能である。ただし、スイッチング素子Q1のオン期間には、電力線7から電力線6へ電流を流すことが可能であるので、スイッチング素子Q2のオフ期間にスイッチング素子Q1をオンさせることにより、出力電圧過大時における出力電圧VHの目標出力電圧VH♯への追従性を向上できる。
【0044】
一方、DC/DCコンバータ20は、降圧動作時には、平滑コンデンサC2を介して負荷40から供給された直流電圧を降圧してバッテリ10へ出力する降圧チョッパとして動作する。具体的には、降圧動作時には、制御装置30からのスイッチング制御信号S1,S2に応答して、スイッチング素子Q1のみがオンする期間と、スイッチング素子Q1,Q2の両方がオフする期間とが交互に設けられる。この場合の定常的な降圧比(VL/VH)は、スイッチング素子Q1のデューティ比(オン期間比)に従う。
【0045】
上記のように、制御装置30は、所望の出力電圧が得られるようなDC/DCコンバータ20でのデューティ比制御を行なうように、スイッチング制御信号S1,S2を生成する。昇圧動作時には、出力電圧VHが目標出力電圧VH♯と一致するように、スイッチング制御信号S1,S2が生成される。
【0046】
図1に示されるように、直流電源(バッテリ)10の充放電は、内部抵抗Rbを経て行なわれる。以下に説明するように、直流電源10の内部抵抗Rbは、その充電率(SOC:State Of Charge)に応じて変化するものとする。
【0047】
図4を参照して、直流電源(バッテリ)10の内部抵抗Rbは、特許文献1にも開示されるように、代表的にはバッテリ温度Tbに依存して変化する。さらに、内部抵抗Rbは、その充電率SOCによっても変化する。具体的には、同一の電池温度Tbに対して、充電率(SOC)が高いほど内部抵抗Rbは低くなり、充電率(SOC)が低くなるほど内部抵抗Rbは高くなる傾向を有する。すなわち、基準となる充電率における、バッテリ温度Tb−内部抵抗Rb特性線300♯に対して、充電率(SOC)の変化に応じて、バッテリ温度Tb−内部抵抗Rb特性線は異なってくる。このような特性は、特にリチウムイオン二次電池で顕著である。
【0048】
このため、図5に示すような、バッテリ温度Tbに基づいて内部抵抗Rbを推定するマップを参照するのみでは、直流電源(バッテリ)10の内部抵抗を正しく把握することができず、出力電圧の制御応答性を十分に確保できない可能性がある。したがって、本発明の実施の形態に従う電圧変換システム100では、図6に示すような出力電圧制御系が構成される。図6に示した出力電圧制御系200は、DC/DCコンバータ20の昇圧動作時に構成されて、出力電圧VHを目標出力電圧VH♯へ制御する。
【0049】
図6を参照して、出力電圧制御系200は、制御対象であるDC/DCコンバータ20と、フィードバックゲインKp,Kiを決定するフィードバックゲイン決定部210と、出力電圧VHの制御偏差ΔVHを算出する加算点230と、フィードバック演算部240と、フィードフォワード演算部250と、加算点260と、スイッチング制御信号発生部270とを含んで構成される。
【0050】
フィードバックゲイン決定部210は、ゲイン設定部215と、ゲイン修正部220とを含む。ゲイン設定部215は、基準となる充電率(たとえば、基準SOC=60(%)時)におけるバッテリ温度Tb−内部抵抗Rb特性(たとえば、図4における特性線300♯)に従った、図5に示すようなマップを作成し、推定される内部抵抗が反映されるように、基準SOCを想定した基準ゲインKp♯,Ki♯を設定する。ゲイン修正部220は、ゲイン設定部215での基準ゲイン算出に想定される基準SOCと、現在のSOCとの比較に応じて基準ゲインKp♯,Ki♯を修正して、フィードバックゲインKp,Kiを決定する。
【0051】
フィードバック演算部240は、加算点230で求められた出力電圧VHの制御偏差ΔVH(ΔVH=VH♯−VH)とフィードバックゲインKp,Kiとのフィードバック演算により、フィードバック制御量dfbを算出する。
【0052】
一方、フィードフォワード演算部250は、DC/DCコンバータ20への入力電圧VLと目標出力電圧VH♯との比に従って、フィードフォワード制御量dffを算出する。加算点260は、フィードバック演算部240により算出されたフィードバック制御量dfbと、フィードフォワード演算部250により算出されたフィードフォワード制御量dffとの加算により、DC/DCコンバータ20でのデューティ比dを算出する。スイッチング制御信号発生部270は、算出されたデューティ比dに従ってスイッチング素子Q1,Q2のオン・オフを制御するスイッチング制御信号S1,S2を生成して、DC/DCコンバータ20へ送出する。
【0053】
次に、図6に示した出力電圧制御系200による制御動作を図7のフローチャートを用いて詳細に説明する。制御装置30は、予め記憶された所定プログラムの実行によって、図7に示すフローチャートに従った制御演算処理を逐次実行することにより、図6に示された出力電圧制御系200による出力電圧制御を実現する。
【0054】
図7を参照して、制御装置30は、ステップS100により、基準SOCでの内部抵抗マップ(図5)に基づき、バッテリ10の状態(代表的には、バッテリ温度Tb)に応じて、基準SOCを想定した基準ゲインKp♯,Ki♯を設定する。この制御処理は、図6におけるゲイン設定部215の動作に相当する。
【0055】
次に、制御装置30は、ステップS120により、ゲイン設定部215で想定された基準SOCと、現在のSOCとの比較に基づいて、修正ゲインKsocを算出する。修正ゲインKsocは、図8に示されるように、現在のSOCが基準SOCrと等しいときにKsoc=1.0と設定され、かつ、SOC>SOCrの領域では、図4に示した特性を考慮して、Ksoc<1.0に設定される。これに対して、SOC<SOCrの領域、すなわちSOCが基準よりも低い領域では、修正ゲインKsoc>1.0に設定される。図8に示した修正ゲインKsocの設定特性線310は、図4に示した内部抵抗RbのSOCに対する変化に応じて設定される。
【0056】
さらに、制御装置30は、ステップS130により、ステップS100で設定された基準ゲインKp♯,Ki♯と修正ゲインKsocとの積により、フィードバックゲインKp,Kiを決定する。すなわち、ステップS120およびS130の制御処理は、図5に示したゲイン修正部220の動作に相当する。これにより、直流電源10での充電率(SOC)に応じた内部抵抗の変化を反映してフィードバックゲインKp,Kiを決定することができる。
【0057】
制御装置30は、さらにステップS140により、ステップS130で求めたフィードバックゲインKp(比例ゲイン)およびKi(積分ゲイン)を用いて、下記(3)式に従う制御演算を実行する。
【0058】
dfb=Kp・ΔVH+Ki・ΣΔVH …(3)
これにより、出力電圧偏差ΔVHが正のときにデューティ比が大きく設定されるように、フィードバック制御量dfbがPI制御演算によって算出される。すなわち、ステップS140における制御処理は、図6に示したフィードバック演算部240の動作に相当する。
【0059】
制御装置30は、ステップS150により、(2)式に示したDC/DCコンバータ20の昇圧比に従って、現在の入力電圧VLと目標出力電圧VH♯との比に応じてフィードフォワード制御量dffを算出する。すなわち、フィードフォワード制御量dffは、下記(4)式によって算出される。なお、ステップS150における制御処理は図6に示したフィードフォワード演算部250の動作に相当する。
【0060】
dff=1−(VL/VH♯) …(4)
さらに、ステップS160では、制御装置30は、ステップS140で求めたフィードバック制御量dfb、およびステップ150で求めたフィードフォワード制御量dffの和により、DC/DCコンバータ20のデューティ比dを決定する。すなわち、ステップS160における制御処理は、図6に示した加算点260の動作に相当する。
【0061】
さらに、制御装置30は、ステップS170により、ステップS160で決定されたデューティ比dに従ってスイッチング制御信号S1,S2を発生する。
【0062】
このような制御構造とすることにより、本発明の実施の形態による電圧変換システムによれば、DC/DCコンバータ20の昇圧特性に従ったフィードフォワード制御および、出力電圧偏差ΔVHを零にするフィードバック制御の両方を用いて、出力電圧VHを目標出力電圧VH♯に精度よく追従させることができる。
【0063】
さらに、直流電源10(バッテリ)の内部抵抗Rbがバッテリ温度Tbのみならず充電率(SOC)に応じて変化することを制御ゲインに反映できる。これにより、内部抵抗が高い領域では制御ゲイン(フィードバックゲイン)を高めて制御応答に遅れが生じることを回避する一方で、内部抵抗が低くなる領域では制御ゲイン(フィードバックゲイン)を相対的に低く設定して、オーバーシュート、アンダーシュートやハンチングの発生を回避することができる。この結果、充電率に応じた直流電源の内部抵抗変化を反映して、出力電圧の制御応答性を確保できる。
【0064】
なお、図9に示す変形例のように、制御ゲイン(フィードバックゲイン)の設定については、SOC比較に基づく修正ゲインKsocを用いることなく、バッテリ10の状態量および現在のSOCから直接決定してもよい。
【0065】
図9を参照して、この発明の実施の形態の変形例による出力電圧制御系200♯は、図6に示した出力電圧制御系200と比較して、フィードバックゲイン決定部210に代えてフィードバックゲイン決定部210♯を含む点で異なる。フィードバックゲイン決定部210♯は、図6に示した基準ゲインKp♯,Ki♯の設定を経ることなく、直流電源の状態量(バッテリ温度Tb)および充電率(SOC)から直接フィードバックゲインKp,Kiを直接決定する。たとえば、フィードバックゲイン決定部210♯は、充電率の変化による内部抵抗変化(図4)を反映した、バッテリ温度Tbおよび現在のSOCからフィードバックゲインKp,Kiを直接求めるように構成されたマップにより実現される。
【0066】
出力電圧制御系200♯のその他の部分の構成は、出力電圧制御系200と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
【0067】
図10には、図9に示した出力電圧制御系200♯による制御動作のフローチャートが示される。
【0068】
図10のフローチャートを図7のフローチャートと比較すると、図7でのステップS100〜S130に代えて、ステップS100♯が実行される。制御装置30は、ステップS100♯により、内部抵抗のマップ(図4)に基づき、現SOCを反映した制御ゲインKp,Kiを設定する。制御ゲイン設定後のステップS140〜S170の処理は、図7と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【0069】
図9および図10に示す制御構造としても、図6および図7に示した制御構造と同様の出力電圧制御が可能となる。ただし、図9に示した出力電圧制御系200♯では、フィードバックゲイン決定部210♯を構成するマップデータが比較的大規模となる可能性がある。言い換えれば、図6に示した出力電圧制御系200では、基準SOCにおけるゲインマップのみを作成した上で、充電率(SOC)の変化をゲイン修正として反映する制御方式とするので、直流電源の状態量および充電率に基づいて精密に内部抵抗を予測する制御構成(出力電圧制御系200♯)と比較して、制御演算負荷あるいはマップデータ量を軽減できる。
【0070】
なお、本実施の形態では、DC/DCコンバータ20として非絶縁型DC/DCコンバータであるチョッパ回路を例示したが、本発明の適用はこのような構成に限定されるものではない。すなわち、DC/DCコンバータとしては、絶縁型DC/DCコンバータを始めとして、スイッチング素子のオン・オフ制御により出力電圧を制御可能な任意の構成のものを適用できる。さらに、充電率に応じて内部抵抗が変化する直流電源から直流電力の供給を受け、かつ、内蔵するスイッチング素子のオン・オフ制御により出力を制御可能な電力変換回路であれば、DC/DCコンバータ以外の電力変換回路を適用することも可能である。
【0071】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【0072】
【図1】この発明の実施の形態による電圧変換システムの構成を説明するブロック図である。
【図2】電圧変換システムの負荷の構成例を示すブロック図である。
【図3】昇圧動作時におけるDC/DCコンバータでのスイッチング動作を説明する動作波形図である。
【図4】直流電源の内部抵抗特性を説明する概念図である。
【図5】バッテリ温度に基づく内部抵抗推定マップ例を示す概念図である。
【図6】本発明の実施の形態による電圧変換システムにおける出力電圧制御系を説明するブロック図である。
【図7】図6に示した出力電圧制御系の動作を示すフローチャートである。
【図8】修正ゲインの設定を説明する概念図である。
【図9】本発明の実施の形態による電圧変換システムにおける出力電圧制御系の変形例を説明するブロック図である。
【図10】図9に示した出力電圧制御系の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0073】
5 アース線、6,7 電力線、10 直流電源(バッテリ)、11,14、15 電圧センサ、12 温度センサ、13 電流センサ、20 DC/DCコンバータ、30 制御装置、40 負荷、41,43 インバータ回路、42,44 モータジェネレータ、45 燃料電池、100 電力変換システム、200 出力電圧制御系、210 フィードバックゲイン決定部、215 ゲイン設定部、220 ゲイン修正部、240 フィードバック演算部、250 フィードフォワード演算部、230,260 加算点、270 スイッチング制御信号発生部、310 修正ゲイン設定特性線、C1,C2 平滑コンデンサ、d デューティ比、D1,D2 逆並列ダイオード、dfb フィードバック制御量、dff フィードフォワード制御量、Ib バッテリ電流、Kp♯,Ki♯ 基準ゲイン、Kp,Ki フィードバックゲイン、Ksoc 修正ゲイン、L リアクトル、Q1,Q2 電力用半導体スイッチング素子(スイッチング素子)、Rb 内部抵抗、S1,S2 スイッチング制御信号、SE リレー制御信号、SOCr 基準SOC、SR1,SR2 システムリレー、Tb バッテリ温度、Vb バッテリ電圧、VH 直流電圧(出力電圧)、VH♯ 目標出力電圧、VL 直流電圧(入力電圧)、ΔVH 出力電圧偏差(制御偏差)。




 

 


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