(57)【要約】【課題】電力変換装置のオフセット誤差を抑制し、電力変換装置の出力電流を精度よく制御することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４とコイルＬとにより構成されるブリッジ回路を備える電力変換回路７と、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をＰＷＭ制御する制御回路９と、を備える電力変換装置１であって、制御回路９は、電力変換装置１が休止状態になると、電圧指令値と、電力変換回路７の出力電圧値との電圧差分を算出し、電圧差分を用いて電圧制御処理により電流指令値を算出し、算出した電流指令値と、コイルＬに流れる電流を推定した電流推定値との電流差分を算出し、電流差分を電流推定誤差値として記憶部に記憶し、電力変換装置１が運用状態になると、電流推定誤差値とを用いて運用状態における電流推定値を算出する、電力変換装置１である。【選択図】図２
2017143652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ素子とコイルとにより構成されるブリッジ回路を備える電力変換回路と、
前記スイッチ素子をＰＷＭ制御する制御回路と、を備える電力変換装置であって、
前記制御回路は、
前記電力変換装置が休止状態になると、電圧指令値と、前記電力変換回路の出力電圧値との電圧差分を算出し、前記電圧差分を用いて電圧制御処理により電流指令値を算出し、
算出した前記電流指令値と、前記コイルに流れる電流を推定した電流推定値との電流差分を算出し、前記電流差分を電流推定誤差値として記憶部に記憶し、
前記電力変換装置が運用状態になると、前記電流推定誤差値を用いて前記運用状態における電流推定値を算出する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換回路は、第一のスイッチ素子の一方の端子と第一の端子とが接続され、前記第一のスイッチ素子の他方の端子と第二のスイッチ素子の一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、第三のスイッチ素子の一方の端子と第二の端子とが接続され、前記第三のスイッチ素子の他方の端子と第四のスイッチ素子の一方の端子とコイルの他方の端子とが接続され、
抵抗素子は、一方の端子が前記第二のスイッチ素子の他方の端子と接続され、他方の端子がグランドに接続され、
増幅回路は、前記抵抗素子の両端の電圧を増幅する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換回路の前記第一の端子とバッテリとが接続され、前記電力変換回路の前記第二の端子と充放電可能なストレージとが接続される、
ことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチ素子及びコイルを有する電力変換回路（ブリッジ回路）を備え、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を用いて電力変換をする電力変換装置（例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなど）では、電力変換回路のコイルに流れる電流を推定し、推定した電流推定値を用いて電力変換装置の出力電流を制御している。
【０００３】
関連する技術として、半導体スイッチ素子、コイルを有する電力変換回路（ブリッジ回路）及び制御回路を備えるＤＣ−ＤＣコンバータが知られている。例えば、特許文献１を参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−００９７９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、電力変換装置それぞれには個体差によるオフセット誤差があるため、このオフセット誤差が電流推定値に影響し、電力変換装置の出力電流を制御する精度を低下させている。
【０００６】
本発明の一側面に係る目的は、電力変換装置のオフセット誤差を抑制し、電力変換装置の出力電流を精度よく制御することができる電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一つの形態である電力変換装置は、スイッチ素子とコイルとにより構成されるブリッジ回路を備える電力変換回路と、スイッチ素子をＰＷＭ制御する制御回路と、を備える。
【０００８】
制御回路は、電力変換装置が休止状態になると、電圧指令値と、電力変換回路の出力電圧値との電圧差分を算出し、電圧差分を用いて電圧制御処理により電流指令値を算出する。そして、制御回路は、算出した電流指令値と、コイルに流れる電流を推定した電流推定値との電流差分を算出し、電流差分を電流推定誤差値として記憶部に記憶する。
【０００９】
また、制御回路は、電力変換装置が運用状態になると、電流推定誤差値を用いて運用状態における電流推定値を算出する。
電力変換回路は、第一のスイッチ素子の一方の端子と第一の端子とが接続され、第一のスイッチ素子の他方の端子と第二のスイッチ素子の一方の端子とコイルの一方の端子とが接続され、第三のスイッチ素子の一方の端子と第二の端子とが接続され、第三のスイッチ素子の他方の端子と第四のスイッチ素子の一方の端子とコイルの他方の端子とが接続される。抵抗素子は、一方の端子が第二のスイッチ素子の他方の端子と接続され、他方の端子がグランドに接続される。増幅回路は、抵抗素子の両端の電圧を増幅する。
【００１０】
電力変換回路の第一の端子とバッテリとが接続され、電力変換回路の第二の端子と充放電可能なストレージとが接続される。
【発明の効果】
【００１１】
電力変換装置のオフセット誤差を抑制し、電力変換装置の出力電流を精度よく制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電力変換装置（双方向昇降圧型）を備える電力供給システムの一実施例を示す図である。
【図２】休止状態において電流推定誤差値を算出するシステムの一実施例を示すブロック図である。
【図３】運用状態における電流推定値を算出するシステムの一実施例を示すブロック図である。
【図４】休止状態における制御回路の動作の一実施例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、電力変換装置１（双方向昇降圧型）を備える電力供給システムの一実施例を示す図である。電力供給システムは、電力変換装置１、補機２、オルタネータ３、バッテリ４、充放電可能なストレージ５、ＥＣＵ６（Electronic Control Unit）を備えている。図１に示す電力供給システムは、例えば、車両などに搭載され、減速時、オルタネータ３から電力変換装置１を介してストレージ５へ電力供給をする。すなわちストレージ５への充電をする。走行時、オルタネータ３からの電力供給を停止又は減少させ、ストレージ５から電力変換装置１を介して補機２へ電力供給をする。すなわちストレージ５から放電をする。
【００１４】
電力変換装置１は、電力変換回路７（フルブリッジ回路）、シャント抵抗Ｒ（抵抗素子）、増幅回路８、制御回路９を有する。電力変換装置１は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータなどである。
【００１５】
補機２は、例えば、車両に搭載されている補機などの負荷である。
オルタネータ３は、不図示のエンジンにより駆動されて行われる発電と、車両が減速する際に行われる発電（回生エネルギーを出力する発電）とを行う。
【００１６】
バッテリ４は、例えば、鉛バッテリなどである。エンジンの始動時又はエンジンの再始動時にはバッテリ４から不図示のスタータモータに電力が供給される。
ストレージ５は、例えば、リチウムイオン電池や、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタなどのキャパシタである。エンジンの始動時又はエンジンの再始動時にはストレージ５から補機２に電力が供給される。
【００１７】
ＥＣＵ６は、例えば、車両に搭載され、制御回路９と通信をする。ＥＣＵ６は、運用状態のとき、充電の指示又は放電の指示を制御回路９へ送信する。なお、休止状態のとき、ＥＣＵ６は充電の指示又は放電の指示を制御回路９へ送信しない。
【００１８】
電力変換装置１の構成について説明する。
電力変換回路７は、スイッチ素子Ｓ１（第一のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）と入出力端子１０（第一の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｓ１のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ２（第二のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）とコイルＬの一方の端子とが接続され、スイッチ素子Ｓ３（第三のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）と入出力端子１１（第二の端子）とが接続され、スイッチ素子Ｓ３のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ４（第四のスイッチ素子）のドレイン（一方の端子）とコイルＬの他方の端子とが接続される。なお、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどである。
【００１９】
シャント抵抗Ｒ（抵抗素子）は、一方の端子がスイッチ素子Ｓ２のソース（他方の端子）とスイッチ素子Ｓ４のソースとに接続され、他方の端子がグランドに接続される。
増幅回路８は、シャント抵抗Ｒの両端の電圧を増幅する。例えば、オペアンプなどを備えた回路である。
【００２０】
制御回路９は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、プログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）などを用いて構成される回路である。制御回路９の端子は、制御線により、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のそれぞれのゲート（制御端子）と接続され、制御回路９の他の端子は増幅回路８の出力端子と信号線により接続されている。
【００２１】
制御回路９の動作について説明する。
制御回路９は、スイッチ素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４をＰＷＭ制御して電力変換装置１の出力電流を制御する。
【００２２】
制御回路９は、スイッチ素子Ｓ２又はスイッチ素子Ｓ４を駆動（オン）させてから、シャント抵抗ＲとコイルＬに電流が流れている状態において、増幅回路８で増幅した電圧を、予め設定されているタイミングで取得する。また、制御回路９は、不図示の電圧計により計測した電力変換装置１の出力電圧値を取得する。
【００２３】
制御回路９は、例えば、（Ａ）ＥＣＵ６からの指示により電力変換装置１が休止状態になると、電圧指令値と、電力変換回路７の出力電圧値との電圧差分を算出し、算出した電圧差分を用いて電圧制御処理により電流指令値を算出する。続いて、制御回路９は、算出した電流指令値と、コイルに流れる電流を推定した電流推定値との電流差分を算出し、算出した電流差分を電流推定誤差値（電力変換装置１のオフセット誤差）として記憶部に記憶する。そして（Ｂ）制御回路９は、電力変換装置１が運用状態になると、電流推定誤差値とを用いて運用状態における電流推定値を算出し、この電流推定値を用いてＰＷＭ制御をする。
【００２４】
（Ａ）電流推定誤差値の算出方法について説明する。
図２は、休止状態において電流推定誤差値を算出するシステムの一実施例を示すブロック図である。図２に示すシステムは、演算器２０１、電圧制御部２０２、電圧取得部２０３、電流推定部２０４、演算器２０５、電流制御部２０６、タイミング算出部２０７を有する。また、図２のシステムは制御回路９に構築される。
【００２５】
演算器２０１は、休止状態において、電圧指令値Ｖｃｒｅｆ（電流推定誤差値を算出する制御を行う直前の電力変換回路７の出力電圧）と、出力電圧値Ｖｃ（電力変換回路７の出力電圧）との電圧差分ΔＶを算出する。電圧差分ΔＶは、例えば、電圧指令値Ｖｃｒｅｆから出力電圧値Ｖｃを減算して求める（ΔＶ＝Ｖｃｒｅｆ−Ｖｃ）。なお、電圧指令値Ｖｃｒｅｆは、休止状態における電流推定誤差値Ｉｅｒを算出する直前の出力電圧値Ｖｃとするので、電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃは等しいため、電圧差分ΔVは０［Ｖ］となる。
【００２６】
電圧制御部２０２は、電圧差分ΔＶを用いて電流指令値Ｉｃｒｅｆを算出する。例えば、ＰＩ制御などの電圧制御処理を用いることが考えられる。
電圧取得部２０３は、増幅回路８から出力されるシャント抵抗Ｒ両端の電圧を増幅した電圧を取得して電圧検出値Ｖｍとする。また、電圧取得部２０３は、増幅した電圧を取得するタイミングを、タイミング算出部２０７により指示される。取得するタイミングは、例えば、シャント抵抗Ｒ両端の電圧に対応した増幅回路８の追従時間以上の時間である。追従時間は、シャント抵抗Ｒ両端の電圧を精度よく増幅できるまでに必要とする時間で、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が大きい（シャント抵抗Ｒに流れる電流が大きい）とき長くなり、シャント抵抗Ｒ両端の電圧が小さい（シャント抵抗Ｒに流れる電流が小さい）とき短くなる。
【００２７】
電流推定部２０４は、電圧検出値Ｖｍを用いてコイルＬに流れる電流である電流推定値Ｉｅｓｔを算出する。
演算器２０５は、電流指令値Ｉｃｒｅｆと、電流推定値Ｉｅｓｔとの電流差分ΔＩを算出する。電流差分ΔＩは、例えば、電流指令値Ｉｃｒｅｆから電流推定値Ｉｅｓｔを減算して求める（ΔＩ＝Ｉｃｒｅｆ−Ｉｅｓｔ）。
【００２８】
電流制御部２０６は、電流差分ΔＩを用いてＰＩ制御によりデューティの変化量Δｄを算出し、前回のデューティ指令値ｄと変化量Δｄとを用いて今回のデューティ指令値ｄｕｔｙを算出する。
【００２９】
タイミング算出部２０７は、電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに応じて、増幅回路８から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する。図２の例では、タイミング算出部２０７は、電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに基づいて生成されたデューティ指令値ｄｕｔｙを取得し、デューティ指令値ｄｕｔｙの示すパルス幅に応じて、増幅回路８から増幅した電圧を取得するタイミングを変更する。
【００３０】
図２のシステムの動作について説明する。
ＥＣＵ６からの指示により電力変換装置１が休止状態になると、演算器２０１は電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃとを用いて電圧差分ΔVを算出する。このとき電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃは等しいため、電圧差分ΔVは０［Ｖ］となる。
【００３１】
次に、電圧制御部２０２は、電圧差分ΔV（＝０［Ｖ］）を用いて電流指令値Ｉｃｒｅｆを算出する。しかし、電力変換装置１にはオフセット誤差があるため、演算器２０５は、オフセット誤差に対応した電流差分ΔＩを算出する。
【００３２】
次に、電流制御部２０６は、算出した電流差分ΔＩを用いて、電流推定値Ｉｅｓｔを０［Ａ］にするようにデューティ制御をする。その結果、電圧差分ΔＶは０［Ｖ］でなくなり、出力電圧値Ｖｃを電圧指令値Ｖｃｒｅｆにするように電流指令値Ｉｃｒｅｆが変化し、最終的には出力電圧値Ｖｃと電圧指令値Ｖｃｒｅｆとが一致し、電力変換装置１の出力電流が０［Ａ］となるような電流指令値Ｉｃｒｅｆに落ちつく。従って、このときの電流指令値Ｉｃｒｅｆが電力変換装置１のオフセット誤差（電流推定誤差値Ｉｅｒ）になる。ただし、ここで算出した電流指令値Ｉｃｒｅｆは電力変換装置１のオフセット誤差（電流オフセット量）の逆符号である。
【００３３】
（Ｂ）運用状態における電流推定値の算出方法について説明する。
図３は、運用状態における電流推定値を算出するシステムの一実施例を示すブロック図である。図３に示すシステムは、演算器２０１、電圧制御部２０２、電圧取得部２０３、電流推定部２０４、演算器２０５、電流制御部２０６、タイミング算出部２０７、演算器３０１を有する。また、図３のシステムは制御回路９に構築される。
【００３４】
電力変換装置１は運用状態になると、演算器３０１が、休止状態において算出した電流推定誤差値Ｉｅｒを用いて、電流推定値Ｉｅｓｔに含まれるオフセット誤差（電流推定誤差値Ｉｅｒ）を抑制した電流推定値Ｉｅｓｔ２を算出する。電流推定値Ｉｅｓｔ２は、例えば、電流推定値Ｉｅｓｔから電流推定誤差値Ｉｅｒを加算して求める（Ｉｅｓｔ２＝Ｉｅｓｔ＋Ｉｅｒ。
【００３５】
図４を用いて休止状態における制御回路９の動作について説明する。
図４は、休止状態における制御回路９の動作の一実施例を示すフロー図である。ステップＳ４０１では、休止状態において、電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃとを制御回路９が取得する。休止状態において電流推定誤差値Ｉｅｒを算出する初期の電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃとは等しい。
【００３６】
ステップＳ４０２では、制御回路９が電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃとの差分である電圧差分ΔＶを算出する。電圧指令値Ｖｃｒｅｆと出力電圧値Ｖｃとが等しい場合には電圧差分ΔＶは０［Ｖ］になる。
【００３７】
ステップＳ４０３では、制御回路９が、電圧差分ΔＶに基づいて電圧制御処理をして電流指令値Ｉｃｒｅｆを算出する。電圧差分ΔＶが０［Ｖ］である場合には電流指令値Ｉｃｒｅｆは０［Ａ］となる。
【００３８】
ステップＳ４０４では、制御回路９が電流指令値Ｉｃｒｅｆと電流推定値Ｉｅｓｔとの差分である電流差分ΔＩを求める。しかし、電力変換装置１のオフセット誤差があるため、電流差分ΔＩは０［Ａ］にならない。
【００３９】
ステップＳ４０５では、制御回路９が、出力電圧値Ｖｃと電圧指令値Ｖｃｒｅｆとが一致し、且つ電力変換装置１の出力電流が０［Ａ］であるか否かを判定し、この条件に一致する場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ４０６に移行し、一致しない場合（Ｎｏ）にはステップＳ４０７に移行する。
【００４０】
ステップＳ４０６では、制御回路９が、ステップＳ４０５の条件に一致したときの電流指令値Ｉｃｒｅｆを電流推定誤差値Ｉｅｒに設定する。すなわち、ステップＳ４０５の条件に一致したときの電流指令値Ｉｃｒｅｆが電力変換装置１のオフセット誤差（電流推定誤差値Ｉｅｒ）である。ステップＳ４０５の条件に一致したときの電流指令値Ｉｃｒｅｆは電流オフセット量の逆符号である。
【００４１】
ステップＳ４０７では、制御回路９が電流差分ΔＩに基づいて電流制御処理をしてデューティ指令値Ｄｕｔｙを算出する。
ステップＳ４０８では、制御回路９が算出したデューティ指令値Ｄｕｔｙを設定する。
【００４２】
ステップＳ４０９では、制御回路９が電圧検出値Ｖｍあるいは電流推定値Ｉｅｓｔに応じて、増幅回路８から増幅した電圧を取得するタイミングを算出して、タイミングを変更する。又は、デューティ指令値ｄｕｔｙの示すパルス幅に応じて、増幅回路８から増幅した電圧を取得するタイミングを算出して、タイミングを変更する。
【００４３】
ステップＳ４１０では、制御回路９が増幅回路８から増幅した電圧を取得し、電圧検出値Ｖｍとして記憶する。
ステップＳ４１１では、制御回路９が電圧検出値Ｖｍを用いて電流推定値Ｉｅｓｔを算出する。続いて、ステップＳ４０１に移行し、ステップＳ４０５の条件に一致するまで処理を繰り返す。
【００４４】
本実施形態によれば、休止状態において、電力変換装置１のオフセット誤差である電流推定誤差値Ｉｅｒを算出し、運用状態において、算出した電流推定誤差値Ｉｅｒを用いて、運用状態における電流推定値Ｉｅｓｔ２を算出することで、電力変換装置１のオフセット誤差を抑制し、電力変換装置１の出力電流を精度よく制御することができる。
【００４５】
また、バッテリ４の電圧とストレージ５の電圧との差分が小さい場合にデューティ指令値が小さくなった場合でも、電力変換装置１のオフセット誤差を抑制できるため、電力変換装置１の出力電流を制御する精度を向上させることができる。すなわち、電流推定値Ｉｅｓｔ２を算出することで、電流推定精度を向上させ、電力変換装置１の出力電流を精度よく制御できる。
【００４６】
また、高価格であるが高精度で電流計測ができる電流センサなどを用いず、低価格なシャント抵抗Ｒ及び増幅回路８を用いた回路では、増幅回路８から出力される増幅した電圧を制御回路９が取得するタイミングによっては、オフセット誤差が生じる。例えば、増幅回路８に入力されるシャント抵抗Ｒ両端の電圧の変化に対し、その電圧を増幅回路８が精度よく増幅できるまでに必要とする追従時間より前に、増幅した電圧を制御回路９が取得した場合にはオフセット誤差が生じる。しかし、本実施形態によれば、休止状態ごとに算出した電流推定誤差値Ｉｅｒを用いてオフセット誤差を抑制ができるため、電流推定値Ｉｅｓｔを精度よく算出することができる。従って、電力変換装置１の出力電流を精度よく制御することができる。
【００４７】
なお、上記では図１を用いて双方向昇降圧型電力変換装置について説明したが、昇圧型電力変換装置及び降圧型電力変換装置にも適用することができる。
また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  電力変換装置
２  補機
３  オルタネータ
４  バッテリ
５  ストレージ
６  ＥＣＵ
７  電力変換回路
８  増幅回路
９  制御回路
１０、１１  入出力端子
Ｌ  コイル
Ｒ  シャント抵抗
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４  スイッチ素子
２０１、２０５、３０１  演算器
２０２  電圧制御部
２０３  電圧取得部
２０４  電流推定部
２０６  電流制御部
２０７  タイミング算出部
【図１】
2017143652.tif 000003
【図２】
2017143652.tif 000004
【図３】
2017143652.tif 000005
【図４】
2017143652.tif 000006