JP5488097B2 - 電流推定装置およびｄｃｄｃコンバータ制御システム - Google Patents

Description

本発明は、ＤＣＤＣコンバータに流れる電流を推定する電流推定装置、および電流推定装置を備えるＤＣＤＣコンバータ制御システムに関する。

モータを制御する電力変換制御システムが広く用いられている。このシステムは、電池、ＤＣＤＣコンバータ、インバータ等を備え、モータの制御を次のようにして行う。モータを加速する場合には、ＤＣＤＣコンバータは、電池の出力電圧を昇圧しインバータに出力する。インバータは、ＤＣＤＣコンバータから出力された直流電力を交流電力に変換し、その交流電力をモータに供給する。そして、モータを回生制動する場合には、インバータは、モータから出力された回生交流電力を直流電力に変換し、その直流電力をＤＣＤＣコンバータに出力する。ＤＣＤＣコンバータは、インバータから出力された直流電圧を降圧して電池に印加し電池を充電する。

また、電力変換制御システムは、ＤＣＤＣコンバータを制御するコントロールユニットを備える。コントロールユニットは、モータに対する操作指令情報、モータの回転状態等に基づいて、ＤＣＤＣコンバータの昇圧電圧に対する指令値を求める。そして、昇圧電圧の値が指令値に近付くよう、ＤＣＤＣコンバータを制御する。

以下の特許文献１には、モータの回生電力によって電池を充電するエレベータシステムについて記載されている。このシステムは、モータ、インバータ、降圧チョッパおよび電池を備える。降圧チョッパは、上述のＤＣＤＣコンバータに相当するものであるため、以下ではＤＣＤＣコンバータと称する。

このシステムでは、モータを加速する場合には、商用電源から供給され整流された直流電力を、インバータが交流電力に変換しモータに供給する。そして、モータを回生制動する場合には、インバータは、モータが発電した交流電力を直流電力に変換し、この直流電力に応じた直流電圧をＤＣＤＣコンバータに出力する。ＤＣＤＣコンバータは、その直流電圧を降圧して電池に印加し電池を充電する。

特開２００１−２５３６５３号公報

一般に、ＤＣＤＣコンバータの制御は、入力側または出力側の電圧に基づいて行われる。そして、電圧に基づく制御にＤＣＤＣコンバータに流れる電流に基づくマイナーループ制御を加えることで、出力電圧の安定性が向上することが多い。

例えば、特許文献１に記載のシステムでは、モータの回生制動時に次のようなマイナーループ制御が行われる。すなわち、ＤＣＤＣコンバータによる降圧前（入力側）の直流電圧の検出値およびその直流電圧の指令値に基づいて、ＤＣＤＣコンバータが備えるＤＣリアクトルに流れる電流の指令値が求められる。そして、ＤＣリアクトルに流れる電流の検出値がその指令値に近付くよう、ＤＣＤＣコンバータの制御が行われる。

ＤＣＤＣコンバータに流れる電流に基づくマイナーループ制御を行う場合、所定箇所の電圧を検出する電圧センサの他、所定電流経路の電流を検出する電流センサが必要となる。しかし、ＤＣＤＣコンバータに電流センサを直接設けたのでは、ハードウエアのコストが上昇するという問題が生じる。

本発明は、ＤＣＤＣコンバータに用いられる電流推定装置において、ＤＣＤＣコンバータに電流センサを直接設けることなく、電流値を推定することを目的とする。

本発明は、ＤＣＤＣコンバータに流れる電流を推定する電流推定装置において、電池から前記ＤＣＤＣコンバータに至る電流経路を流れるコンバータ入力電流の推定値を、前記電池の開放電圧値、前記電池の出力電圧検出値、および前記電池の内部抵抗値に基づいて求める電流推定部と、前記電池に流れる電流の検出値を、前記電池の充電状態を制御する電池コントローラから取得し、前記電流推定部によって求められた電流推定値と、前記電池に流れる電流の検出値との差異に基づいて、当該電流推定値に含まれる電流誤差を求める電流誤差設定部と、前記ＤＣＤＣコンバータの負荷状態と前記電池の出力電圧検出値との関係に基づいて前記電池の開放電圧の初期値を求める初期開放電圧設定部と、前記電池の内部抵抗値および前記電流誤差に基づいて、前記初期開放電圧設定部によって求められた初期開放電圧値に対する補正値を求める電圧補正値設定部と、前記初期開放電圧値および前記補正値に基づいて前記電池の開放電圧値を求め、求められた開放電圧値を前記電流推定部に与える開放電圧設定部と、を備え、前記電流推定部によって求められた電流推定値を出力することを特徴とする。

また、本発明に係る電流推定装置においては、前記電流誤差設定部は、前記電流推定部によって求められた電流推定値の時間平均値と、前記電池に流れる電流の検出値の時間平均値との差異を、前記電流誤差として求める手段を備え、前記電圧補正値設定部は、前記電流誤差と前記内部抵抗値との積を前記補正値として求める手段を備えることが好適である。

また、本発明は、前記電流推定装置と、前記電流推定値に基づいて前記ＤＣＤＣコンバータの制御を行う制御装置と、を備えるＤＣＤＣコンバータ制御システムにおいて、前記制御装置は、前記電流推定値と前記コンバータ入力電流に対する指令値との差異を求める差異設定部と、前記差異設定部によって求められた差異に基づいて、前記ＤＣＤＣコンバータが備えるスイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、を備える。

本発明によれば、ＤＣＤＣコンバータに用いられる電流推定装置において、ＤＣＤＣコンバータに電流センサを直接設けることなく、電流値を推定することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換制御システムの構成を示す図である。 駆動信号生成部および電流推定部の構成を示す図である。 初期開放電圧設定器が実行する処理を示すフローチャートである。 電池の内部抵抗値の温度特性の一例を示す図である。 入力電流推定器の構成を示す図である。 電圧補正値設定器の構成を示す図である。 電流推定部についての実験結果を示す図である。

図１に本発明の実施形態に係る電力変換制御システム１０の構成を示す。電力変換制御システム１０は、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車、エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車等に搭載される。ここでは、電力変換制御システム１０を自動車に搭載した実施形態を示すが、本発明は、電池、電池ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、およびＤＣＤＣコンバータを用いるその他のシステムに用いることができる。ここで、電池ＥＣＵは、電池の充電状態を制御するコントロールユニットであり、その構成および動作については後述する。

電力変換制御システム１０は、電池１２、電池１２の出力電圧を昇圧し、昇圧電圧を第１インバータ３８および第２インバータ４２に出力すると共に、インバータ側の電圧を降圧し、降圧電圧を電池１２に出力するＤＣＤＣコンバータ１４、ＤＣＤＣコンバータ１４と第１モータジェネレータ４０との間で直流交流変換を行う第１インバータ３８、ＤＣＤＣコンバータ１４と第２モータジェネレータ４４との間で直流交流変換を行う第２インバータ４２、第１インバータ３８に接続される第１モータジェネレータ４０、第２インバータ４２に接続される第２モータジェネレータ４４、およびコントロールユニット４６を備える。電池１２としては、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池を用いてもよい。

電池１２の正極には、ＤＣＤＣコンバータ１４の電池側正極端子１６が接続される。電池１２の負極には、ＤＣＤＣコンバータ１４の電池側負極端子１８が接続される。ＤＣＤＣコンバータ１４は、電池側正極端子１６と電池側負極端子１８との間の電圧を昇圧し、昇圧後の電圧をインバータ側正極端子３４とインバータ側負極端子３６との間に出力する。また、インバータ側正極端子３４とインバータ側負極端子３６との間の電圧を降圧し、降圧後の電圧を電池側正極端子１６と電池側負極端子１８との間に出力する。

電池側正極端子１６と電池側負極端子１８との間には、入力コンデンサ２０が接続される。また、電池側正極端子１６にはインダクタ２２の一端が接続される。インダクタ２２の他端は、上側ＩＧＢＴ２４と下側ＩＧＢＴ２６との接続節点に接続される。

ここでは、ＤＣＤＣコンバータ１４のスイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた例を示しているが、スイッチング素子としては、サイリスタ、トライアック、バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等のその他の半導体素子を用いてもよい。

上側ＩＧＢＴ２４のエミッタ端子は、下側ＩＧＢＴ２６のコレクタ端子に接続される。下側ＩＧＢＴ２６のエミッタ端子は、電池側負極端子１８に接続される。上側ＩＧＢＴ２４のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようフリーホイールダイオード２８が接続される。下側ＩＧＢＴ２６のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるようフリーホイールダイオード３０が接続される。

上側ＩＧＢＴ２４のコレクタ端子と下側ＩＧＢＴ２６のエミッタ端子との間には出力コンデンサ３２が接続される。上側ＩＧＢＴ２４のコレクタ端子は、インバータ側正極端子３４に接続され、下側ＩＧＢＴ２６のエミッタ端子はインバータ側負極端子３６に接続される。

コントロールユニット４６は、次のような原理に基づき、上側ＩＧＢＴ２４および下側ＩＧＢＴ２６のスイッチング制御を行い、電圧の昇降圧制御を行う。

上側ＩＧＢＴ２４をオフにし、下側ＩＧＢＴ２６をオンにすると、インダクタ２２を介して電池１２の正極から下側ＩＧＢＴ２６のコレクタ端子に電流が流入する。この状態において下側ＩＧＢＴ２６をオフとするとインダクタ２２に流れる電流が遮断され、インダクタ２２に誘導起電力が発生する。

電池１２の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ３２の端子間電圧より大きい場合には、フリーホイールダイオード２８が導通する。これによって、出力コンデンサ３２が充電される。したがって、電池１２の出力電圧よりも大きい電圧によって出力コンデンサ３２を充電することができ、出力コンデンサ３２の端子間電圧をインバータ側正極端子３４およびインバータ側負極端子３６から昇圧電圧として出力することができる。

電池１２の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ３２の端子間電圧より小さい場合には、フリーホイールダイオード２８が遮断状態となる。このとき、上側ＩＧＢＴ２４をオンにすることにより、出力コンデンサ３２から上側ＩＧＢＴ２４、インダクタ２２を介して電池１２の正極へと至る電流が流れる。これによって、出力コンデンサ３２に蓄積されている電荷を放電し、インバータ側正極端子３４とインバータ側負極端子３６との間の電圧を下げると共に、電池１２を充電することができる。

電池１２の出力電圧に誘導起電力を加えた電圧が、出力コンデンサ３２の端子間電圧と等しいときは、上側ＩＧＢＴ２４およびフリーホイールダイオード２８のいずれにも電流は流れず、出力コンデンサ３２の端子間電圧は維持され、インバータ側正極端子３４とインバータ側負極端子３６との間の昇圧電圧も維持される。

このような回路動作によれば、電池１２の出力電圧にインダクタ２２の誘導起電力を加えた電圧に近づくようインバータ側の電圧を調整することができる。インダクタ２２の誘導起電力は、下側ＩＧＢＴ２６をオフにする直前においてインダクタ２２に流れる電流の大きさに基づいて定まる。この電流は、下側ＩＧＢＴ２６をオンにする時間を長くすることで大きくすることができ、下側ＩＧＢＴ２６をオンにする時間を短くすることで小さくすることができる。また、上記のように、昇圧電圧を下げるためには、下側ＩＧＢＴ２６のオフ時に上側ＩＧＢＴ２４をオンにする。そこで、コントロールユニット４６は、次に説明するように、上側ＩＧＢＴ２４と下側ＩＧＢＴ２６を交互にオンオフ制御することで、昇圧電圧を調整する。

コントロールユニット４６は、上側ＩＧＢＴ２４を制御する駆動信号ＰＵ、および下側ＩＧＢＴ２６を制御する駆動信号ＰＬを生成する駆動信号生成部４８を備える。駆動信号ＰＵは、上側ＩＧＢＴ２４をオンにするオンレベルと、上側ＩＧＢＴ２４をオフにするオフレベルとが交互に繰り返されるパルス信号である。駆動信号ＰＬは、下側ＩＧＢＴ２６をオフにするオフレベルと、下側ＩＧＢＴ２６をオンにするオンレベルとが交互に繰り返されるパルス信号である。駆動信号ＰＵおよびＰＬのレベルは相補的な関係にあり、一方がオンレベルのときに他方はオフレベルとなる。

駆動信号ＰＵおよびＰＬについてはデューティ比が定義される。デューティ比は、制御周期に対する駆動信号ＰＵのオンレベル時間の比である。制御周期は、駆動信号ＰＵのオンレベル時間と、駆動信号ＰＬのオンレベル時間と、駆動信号ＰＵおよびＰＬの両者がオフレベルになる２回のデッドタイムとを加算した時間である。例えば、駆動信号ＰＵがオンレベル、駆動信号ＰＬがオフレベルとなる時間がｔ１だけ続いた後にデッドタイムが時間ｔ２だけ続き、その後、駆動信号ＰＵがオフレベル、駆動信号ＰＬがオンレベルとなる時間がｔ３だけ続いた後に、デッドタイムが時間ｔ４だけ続く場合には、制御周期ＴはＴ＝ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４となる。また、デューティ比はｔ１／（ｔ１＋ｔ２＋ｔ３＋ｔ４）となる。

駆動信号生成部４８は、後述する処理によってデューティ比を求め、求められたデューティ比に従う駆動信号ＰＵおよびＰＬを出力する。制御周期一定の条件の下、デューティ比を小さくすることは下側ＩＧＢＴ２６のオン時間を長くすることに相当し、昇圧電圧を大きくすることに相当する。一方、デューティ比を大きくすることは、下側ＩＧＢＴ２６のオン時間を短くすることに相当し、昇圧電圧を小さくすることに相当する。昇圧電圧の時間平均値に対する電池出力電圧の時間平均値の比はデューティ比となる。

駆動信号生成部４８の構成および処理について説明する。駆動信号生成部４８が実行する処理には昇圧電圧に対する指令値である昇圧電圧指令値ＶＨ^*が用いられる。コントロールユニット４６には、昇圧電圧指令値ＶＨ^*、およびその他の指令値を決定する指令値決定部５２が備えられ、コントロールユニット４６は、昇圧電圧指令値ＶＨ^*を駆動信号生成部４８に出力する。

また、駆動信号生成部４８が実行する処理には、電池１２からＤＣＤＣコンバータ１４のインダクタ２２に至る経路を流れるコンバータ入力電流の推定値ＩＢが用いられる。ここで、推定値とは、コンバータ入力電流を電流センサによって検出するものではなく、電池１２の電圧降下値と内部抵抗値とに基づいて求められる値を意味する。コンバータ入力電流推定値ＩＢを求めるため、コントロールユニット４６には電流推定部５０が備えられる。電流推定部５０の構成および処理については後述する。

さらに、駆動信号生成部４８および電流推定部５０が実行する処理には、電池１２の出力電圧の検出値および昇圧電圧の検出値が用いられる。そのため、ＤＣＤＣコンバータ１４には、電池１２の出力電圧を検出する電池電圧センサ５４、および昇圧電圧を検出する昇圧電圧センサ５６が備えられる。

電池電圧センサ５４は電池１２の出力電圧を検出し、検出結果を電池電圧検出値ＶＬとして駆動信号生成部４８に出力する。また、昇圧電圧センサ５６は昇圧電圧を検出し、検出結果を昇圧電圧検出値ＶＨとして駆動信号生成部４８に出力する。さらに、指令値決定部５２は、昇圧電圧指令値ＶＨ^*を求め駆動信号生成部４８に出力する。昇圧電圧指令値ＶＨ^*は、例えば、各モータジェネレータの回転速度、各モータジェネレータに流れる電流の検出値等に基づいて決定してもよい。

図２に駆動信号生成部４８および電流推定部５０の構成を示す。駆動信号生成部４８は、昇圧電圧指令値ＶＨ^*および電池電圧検出値ＶＬに基づいて、初期デュティ比Ｄ０を求める。そして、昇圧電圧指令値ＶＨ^*と昇圧電圧検出値ＶＨとの偏差である電圧偏差ΔＶＨを求め、この電圧偏差ΔＶＨからコンバータ入力電流指令値ＩＢ^*を求める。駆動信号生成部４８は、さらに、このコンバータ入力電流指令値ＩＢ^*と、電流推定部５０から出力されたコンバータ入力電流推定値ＩＢとの偏差である電流偏差ΔＩＢに基づいて、初期デューティ比Ｄ０に対するデューティ比補正値ΔＤを求める。そして、初期デューティ比Ｄ０からデューティ比補正値ΔＤを減算した値をデューティ比Ｄとし、そのデューティ比Ｄに従う駆動信号ＰＵおよびＰＬを生成する。

駆動信号生成部４８が実行する具体的な処理について説明する。初期デューティ比Ｄ０はデューティ比設定器６２によって求められる。デューティ比設定器６２は、電池電圧検出値ＶＬに対し低域通過フィルタ処理を施す。そして、低域通過フィルタ処理後の電池電圧検出値ＶＬを昇圧電圧指令値ＶＨ^*で除した値を、初期デューティ比Ｄ０として求め減算器７２に出力する。

次に、デューティ比補正値ΔＤを求める処理について説明する。減算器６４は、昇圧電圧指令値ＶＨ^*から昇圧電圧検出値ＶＨを減じた電圧偏差ΔＶＨを求める。電圧制御器６６は、この電圧偏差ΔＶＨをゼロに近づけるようなコンバータ入力電流値を比例積分制御によって求め、これをコンバータ入力電流指令値ＩＢ^*として出力する。

減算器６８は、コンバータ入力電流指令値ＩＢ^*から入力電流推定値ＩＢを減じた電流偏差ΔＩＢを求め、電流制御器７０に出力する。

電流制御器７０は、電流偏差ΔＩＢに対して比例積分演算を行ってΔＩＢをゼロに近づけるようなデューティ比補正値ΔＤを求め、減算器７２に出力する。減算器７２は、初期デューティ比Ｄ０からデューティ比補正値ΔＤを減算したデューティ比Ｄを出力リミッタ７４に出力する。出力リミッタ７４は、デューティ比Ｄに対し上下限制限を加える演算処理手段である。すなわち、入力値が予め定められた第１閾値以上第２閾値以下であるときは、その入力値と同一の値を出力値として出力し、入力値が第１閾値未満であるときは第１閾値を出力値として出力し、入力値が第２閾値を超えたときは第２閾値を出力値として出力する。三角波比較器７６は、デューティ比Ｄを、駆動信号ＰＵおよびＰＬに変換する機能を有する制御信号発生器である。

例えば、三角波比較器７６は、駆動信号ＰＵおよびＰＬの制御周期と同一周期の基準三角波を生成する。そして、上記の例でデューティ比Ｄ＝０．４と算出されるときは、基準三角波が閾値以上となる時間長を制御周期で除した値が０．４となるよう、その閾値を決定する。三角波比較器７６は、三角波が閾値以上となる時間帯にオンレベルとなる駆動信号ＰＵを出力する。三角波比較器７６は、さらに、駆動信号ＰＵのレベルに対し相補的な関係にある駆動信号ＰＵを出力する。

このような処理によれば、駆動信号生成部４８から上側ＩＧＢＴ２４および下側ＩＧＢＴ２６には、それぞれ、デューティ比Ｄに従う駆動信号ＰＵおよびＰＬが出力される。これによって、上側ＩＧＢＴ２４と下側ＩＧＢＴ２６は、デューティ比Ｄに従い交互にオンオフ制御される。また、減算器６４から減算器７２に至る構成要素によって、コンバータ入力電流に基づくマイナーループ制御が行われ、昇圧電圧の安定性が向上する。

なお、デューティ比設定器６２、電圧制御器６６または電流制御器７０の内部には、出力値が後段の回路の処理能力を超える値とならないよう、出力リミッタ７４と同様のリミッタを設けてもよい。

次に、電流推定部５０の構成および処理について説明する。電流推定部５０は、電池１２の開放電圧値Ｖ０、電池電圧検出値ＶＬ、および電池１２の内部抵抗値ＲＢに基づいて、コンバータ入力電流推定値ＩＢを求める。すなわち、電池１２の開放電圧値Ｖ０から電池電圧検出値ＶＬを減算した電圧降下値を、内部抵抗値ＲＢで除すことにより、コンバータ入力電流推定値ＩＢを求める。

一般に、電池の出力電圧には、内部抵抗に基づいて電圧降下が生じる他、拡散抵抗に基づいて電圧低下が生じることがある。そのため、電池の出力電圧の低下の要因に、内部抵抗による電圧降下の他、拡散抵抗による電圧降下がある場合には、求められるコンバータ入力電流推定値ＩＢに誤差が生じることが多い。そこで、本実施形態では、電池１２の拡散抵抗に起因してコンバータ入力電流推定値ＩＢに生じる誤差を低減するため、電池１２の無負荷時に電池電圧センサ５４を用いて検出された初期開放電圧値ＶＬ０に、電圧補正値ΔＶを加算して開放電圧値Ｖ０を求める。この電圧補正値ΔＶは、拡散抵抗に基づく電圧低下値に相当するものである。

図１に示されるように、電池電圧センサ５４は電池１２の出力電圧を検出し、検出結果を電池電圧検出値ＶＬとして電流推定部５０に出力する。昇圧電圧センサ５６は、昇圧電圧を検出し、検出結果を昇圧電圧検出値ＶＨとして電流推定部５０に出力する。指令値決定部５２は、上述の昇圧電圧指令値ＶＨ^*の他、第１モータジェネレータ４０に対するトルク指令値Ｔ１^*および第２モータジェネレータ４４に対するトルク指令値Ｔ２^*を求める。指令値決定部５２は、トルク指令値Ｔ１^*およびＴ２^*を電流推定部５０に出力する。トルク指令値Ｔ１^*およびＴ２^*は、例えば、各モータジェネレータの回転速度等に基づいて決定してもよい。

図２に戻り、初期開放電圧設定器７８は、電池電圧検出値ＶＬ、昇圧電圧検出値ＶＨ、トルク指令値Ｔ１^*およびＴ２^*に基づいて、電池１２の初期開放電圧値ＶＬ０を求める。図３に初期開放電圧設定器７８が実行する処理を示すフローチャートを示す。最初に、初期開放電圧値ＶＬ０を電池１２の公称端子電圧の値とする（Ｓ１０）。そして、トルク指令値Ｔ１^*およびＴ２^*の両者がゼロであるか否かを判断する（Ｓ１２）。ここで、トルク指令値Ｔ１^*＝０、かつ、Ｔ２^*＝０が成立することは、ＤＣＤＣコンバータ１４の負荷回路としての第１モータジェネレータ４０および第２モータジェネレータ４４が無負荷状態であることを意味する。したがって、Ｓ１２は、ＤＣＤＣコンバータ１４が無負荷状態であるか否かを判断していることになる。

Ｓ１２の判断が否定されると、Ｓ１０で設定された初期開放電圧値ＶＬ０は電池公称値のままとされ、更新が行われない（Ｓ１４）。

Ｓ１２の判断が肯定されると、次に、昇圧電圧検出値ＶＨから電池電圧検出値ＶＬを減じた差電圧である（ＶＨ−ＶＬ）が予め定めた範囲内にあるか否かが判断される（Ｓ１６）。予め定めた範囲は、昇圧電圧センサ５６と電池電圧センサ５４のセンサ誤差の最大値と最小値とから設定される。図３の例では、±１０Ｖが予め定めた範囲とされている。つまり、±１０Ｖ以内の差電圧であるということは、電池電圧センサ５４および昇圧電圧センサ５６の検出誤差の範囲でＤＣＤＣコンバータ１４が電圧変換を行っていないことを意味する。このように、Ｓ１６は、ＤＣＤＣコンバータ１４が電圧変換を行っていないか否かを判断していることになる。

Ｓ１６の判断が否定されると、Ｓ１２の判断が否定されたときと同様に、Ｓ１０で設定された初期開放電圧値ＶＬ０は電池公称値のままとされ、更新が行われない（Ｓ１４）。Ｓ１６の判断が肯定されると、そのときの電池電圧検出値ＶＬが初期開放電圧値ＶＬ０として、Ｓ１０で設定された電池公称値から更新される（Ｓ１８）。つまり、ＤＣＤＣコンバータ１４が無負荷状態であり、かつ、ＤＣＤＣコンバータ１４が電圧変換を行っていないときの電池電圧検出値ＶＬが初期開放電圧値ＶＬ０として設定される。Ｓ１８およびＳ１４の後は、再びＳ１２に戻り、上記の過程が繰り返される。

初期開放電圧設定器７８は、このようにして、電池１２の初期開放電圧値ＶＬ０を求め更新する。初期開放電圧設定器７８は、初期開放電圧値ＶＬ０を加算器８０に出力する。加算器８０は、初期開放電圧値ＶＬ０に電圧補正値設定器８６から出力された電圧補正値ΔＶを加算し、開放電圧値Ｖ０＝ＶＬ０＋ΔＶを入力電流推定器８２に出力する。

ここで、電圧補正値ΔＶは、拡散抵抗によって生じる電池１２の出力電圧の低下分を示す。したがって、開放電圧値Ｖ０は、拡散抵抗に基づく電池出力電圧の低下分を初期開放電圧値ＶＬ０に上乗せした値としての意義を有する。

電池抵抗推定器８４は、電池１２の内部抵抗値ＲＢを求める機能を有する。電池抵抗推定器８４は、電池１２の温度と電池１２の内部抵抗値ＲＢとの関係を示す温度特性を記憶している。電池抵抗推定器８４は、温度特性を参照し、電池温度センサ５８によって検出された電池温度ＴＢに対応する内部抵抗値ＲＢを求める。電池抵抗推定器８４は、求められた内部抵抗値ＲＢを入力電流推定器８２に出力する。

図４は、電池１２の内部抵抗値ＲＢの温度特性の一例を示す図である。ここでは、横軸に電池温度ＴＢをとり、縦軸に内部抵抗値ＲＢをとる。縦軸の内部抵抗値ＲＢは、ＴＢ＝２０℃のときの値を１として規格化されている。例えば、ＴＢ＝０℃では、規格化されたＲＢは約１．５であり、２０℃のときの約１．５倍の大きさにＲＢが増加することが示されている。

また、電池１２の内部抵抗値ＲＢの推定は、他の方法で行ってもよい。例えば、電池１２の動作を制御する電池ＥＣＵ６０において電池内部状態を推定し、劣化を考慮した内部抵抗値ＲＢと温度との関係を示すマップを用いて、劣化による内部抵抗値ＲＢを推定してもよい。

入力電流推定器８２は、開放電圧値Ｖ０と、電池電圧検出値ＶＬと、内部抵抗値ＲＢとに基づいて、電流センサを用いずにコンバータ入力電流値を求め、これをコンバータ入電流推定値ＩＢとする機能を有する演算処理手段である。

具体的には、開放電圧値Ｖ０から電池電圧検出値ＶＬを減算した差分＝（Ｖ０−ＶＬ）を求め、これを内部抵抗値ＲＢで除すことで得られる値をコンバータ入力電流推定値ＩＢとする。ここで、電圧差分（Ｖ０−ＶＬ）は、内部抵抗値ＲＢに基づいて生じる電圧降下値を示す。この電圧降下値は、第１インバータ３８によって第１モータジェネレータ４０にトルクを発生させたとき、または、第２インバータ４２によって第２モータジェネレータ４４にトルクを発生させたときに、各モータジェネレータに電池１２からＤＣＤＣコンバータ１４および各インバータを介して流れる電流によって生じる。

上述のように、開放電圧Ｖ０は、電池出力電圧の拡散抵抗に基づく低下分を初期開放電圧値ＶＬ０に上乗せした値である。そのため、電圧差分（Ｖ０−ＶＬ）は、拡散抵抗による誤差が低減された、電池１２の内部抵抗に基づく電圧降下値を示す。したがって、（Ｖ０−ＶＬ）／ＲＢをコンバータ入力電流推定値ＩＢとすることで、拡散抵抗に起因する誤差が低減されることとなる。

図５は、入力電流推定器８２の構成を示す。入力電流推定器８２は、減算器８８と、除算器９０とを含んで構成される。減算器８８は、電圧センサ３６の検出値である電池電圧検出値ＶＬと、加算器８０から出力された開放電圧値Ｖ０とを入力値として、（Ｖ０−ＶＬ）を算出する機能を有する。除算器９０は、減算器８８の出力である（Ｖ０−ＶＬ）を入力Ａとし、電池抵抗推定器８４によって求められた内部抵抗値ＲＢを入力値Ｂとして、Ａ／Ｂを演算する機能を有する。入力電流推定器８２は、除算器９０による演算結果Ａ／Ｂを、コンバータ入力電流推定値ＩＢとして電圧補正値設定器８６および駆動信号生成部４８に出力する。

なお、入力電流推定器８２には、その後段に接続される回路の処理能力を超える値とならないよう、出力リミッタ７４と同様のリミッタを除算器９０の後段に設けてもよい。

図６に電圧補正値設定器８６の構成を示す。電圧補正値設定器８６は、電池ＥＣＵ６０から出力される電池電流基準値ＩＢ０、入力電流推定器８２から出力されるコンバータ入力電流推定値ＩＢ、および電池抵抗推定器８４から出力される内部抵抗値ＲＢに基づいて、電圧補正値ΔＶを求めるものである。

電池ＥＣＵ６０は、電池１２の充電状態を示すＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）、電池１２の劣化状態を示すＳＯＨ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｈｅａｌｔｈ）等を測定するために設けられている。電池ＥＣＵ６０は、電池１２に流れる電流を検出する電流センサ、電池１２の出力電圧等を検出する電圧センサ等を備え、これらのセンサの検出結果に基づいてＳＯＣ、ＳＯＨ等を求める。本実施形態においては、電池ＥＣＵ６０は、自らが備える電流センサの検出値を電池電流基準値ＩＢ０として電圧補正値設定器８６に出力する。

一般に、電池を用いる電力変換制御システムには、電池の動作を制御する電池ＥＣＵが設けられることが多い。電池ＥＣＵに設けられる電流センサは、電池のＳＯＣ等を測定する程度の検出精度が要される。そのため、ＤＣＤＣコンバータの制御に要される程度に電流検出周期を短くすることは困難であり、電池ＥＣＵに設けられる電流センサの検出値をコンバータ電流推定値ＩＢとしてＤＣＤＣコンバータの制御に用いることは困難である。

また、電池ＥＣＵに設けられる電流センサの検出値を、コントロールユニットに出力する場合、通信による遅延が伴う場合が多い。そのため、ＤＣＤＣコンバータの制御に要される程度に迅速に、コントロールユニットが電池ＥＣＵから電流検出値を得ることは困難であり、電池ＥＣＵに設けられる電流センサの検出値をコンバータ電流推定値ＩＢとしてＤＣＤＣコンバータの制御に用いることは困難である。そこで、本実施形態においては、上述のように電池１２の内部抵抗に基づく電池の電圧降下値を、内部抵抗値ＲＢで除すことでコンバータ入力電流ＩＢを求めることとしている。

電圧補正値設定器８６の構成および処理について説明する。時間平均器９２は、コンバータ入力電流推定値ＩＢの時間平均値を求め減算器９４に出力する。時間平均値は、演算を行う時から予め定められた時間だけ遡った時間範囲内での時間平均値として定義される。また、時間平均器９６は、電池電流基準値ＩＢ０の時間平均値を求め、減算器９４に出力する。減算器９４は、時間平均器９６の演算結果から時間平均器９２の演算結果を減算した電流値誤差δＩを求め、電流値誤差δＩを乗算器９８に出力する。他方、電池抵抗推定器８４から出力された内部抵抗値ＲＢは乗算器９８に入力されている。乗算器９８は、電流値誤差δＩと内部抵抗値ＲＢとを掛け合わせた電圧補正値ΔＶを求め電圧補正値設定器８６から出力する。上述のように、電圧補正値ΔＶは加算器８０に出力され、初期開放電圧値ＶＬ０に加算される。

このような処理によれば、電池電流基準値ＩＢの時間平均値からコンバータ入力電流推定値ＩＢの時間平均値を減算して得られた電流値誤差δＩに基づいて、電圧補正値ΔＶが求められる。電流値誤差δＩは、電圧差分（Ｖ０−ＶＬ）に拡散抵抗に基づく電圧低下分が含まれているにもかかわらず、電圧差分（Ｖ０−ＶＬ）が電池１２の内部抵抗に基づく電圧降下値であるとしたことに基づく誤差を示す。したがって、電流誤差δＩに内部抵抗値ＲＢを乗算する処理によって、拡散抵抗に起因する電圧低下分が求められ、加算器８０において初期開放電圧値ＶＬ０に上乗せされる。これによって、コンバータ入力電流推定値ＩＢに含まれる誤差が低減される。

本実施形態に係る電力変換制御システム１０によれば、電池１２からＤＣＤＣコンバータ１４のインダクタ２２に至る電流経路に電流センサを直接設けることなく、コンバータ電流推定値ＩＢを求め、ＤＣＤＣコンバータ１４の制御が行われる。これによって、電流センサを設けることによるコストの上昇を回避することができる。

さらに、本実施形態に係る電力変換制御システム１０によれば、電池１２の拡散抵抗に基づく電圧低下分が除外された上で、電圧降下値と内部抵抗値とに基づいてコンバータ入力電流推定値ＩＢが求められる。これによって、コンバータ入力電流推定値ＩＢに含まれる誤差が低減され、ＤＣＤＣコンバータ１４についての制御誤差を抑制することができる。

本実施形態で用いられている電流推定部５０についての実験結果を図７（ａ）および（ｂ）に示す。横軸は時間を示し縦軸は電池１２に流れる電流の値を示す。ここで、電池１２に流れる電流はコンバータ入力電流値ＩＢに相当する。図７（ａ）および（ｂ）の特性Ｃ０は、電池１２に流れる電流の検出値を示す。この検出値は、電池１２の電流経路に実験用に設けた電流センサを用いて検出したものである。図７（ａ）の特性Ｃ１は、電圧補正値設定器８６を用いずに電圧補正値ΔＶを強制的にゼロとし、初期開放電圧値ＶＬ０から電池電圧検出値ＶＬを減算した値を内部抵抗値ＲＢで除した値を電流推定値としたものである。他方、図７（ｂ）の特性Ｃ２は、開放電圧値Ｖ０＝ＶＬ０＋ΔＶから電池電圧検出値ＶＬを減算した値を内部抵抗ＲＢで除した値を電流推定値としたものである。図７（ｂ）の縦軸スケールでは、特性Ｃ０と特性Ｃ２とはほぼ重なっている。図７（ａ）および（ｂ）からは、電圧補正値ΔＶを考慮して求められた電流推定値の方が、電圧補正値ΔＶを考慮しないで求められた電流推定値よりも、実際の検出値に近い電流推定値が得られることがわかる。

上記では、２台のモータジェネレータを備える電圧変換制御システムについて説明した。このようなシステムの他、１台のモータジェネレータを制御するシステム、３台以上のモータジェネレータを制御するシステムを構成することができる。この場合、指令値決定部５２は、各モータジェネレータの回転状態に基づく昇圧電圧指令値ＶＨ^*、および各モータジェネレータに対するトルク指令値を求めて電流推定部５０に出力する。そして、初期開放電圧設定器７８は、図３のＳ１２において、総てのモータジェネレータに対するトルク指令値がゼロであるか否かの判定を行うこととすればよい。

１０ 電力変換制御システム、１２ 電池、１４ ＤＣＤＣコンバータ、１６ 電池側正極端子、１８ 電池側負極端子、２０ 入力コンデンサ、２２ インダクタ、２４ 上側ＩＧＢＴ、２６ 下側ＩＧＢＴ、２８，３０ フリーホイールダイオード、３２ 出力コンデンサ、３４ インバータ側正極端子、３６ インバータ側負極端子、３８ 第１インバータ、４０ 第１モータジェネレータ、４２ 第２インバータ、４４ 第２モータジェネレータ、４６ コントロールユニット、４８ 駆動信号生成部、５０ 電流推定部、５２ 指令値決定部、５４ 電池電圧センサ、５６ 昇圧電圧センサ、５８ 温度センサ、６０ 電池ＥＣＵ、６２ デューティ比設定器、６４，６８，７２，８８，９４ 減算器、６６ 電圧制御器、７０ 電流制御器、７４ 出力リミッタ、７６ 三角波比較器、７８ 初期開放電圧設定器、８０ 加算器、８２ 入力電流推定器、８４ 電池抵抗推定器、８６ 電圧補正値設定器、９０ 除算器、９２，９６ 時間平均器、９８ 乗算器。

Claims (3)

1. ＤＣＤＣコンバータに流れる電流を推定する電流推定装置において、
   電池から前記ＤＣＤＣコンバータに至る電流経路を流れるコンバータ入力電流の推定値を、前記電池の開放電圧値、前記電池の出力電圧検出値、および前記電池の内部抵抗値に基づいて求める電流推定部と、
   前記電池に流れる電流の検出値を、前記電池の充電状態を制御する電池コントローラから取得し、前記電流推定部によって求められた電流推定値と、前記電池に流れる電流の検出値との差異に基づいて、当該電流推定値に含まれる電流誤差を求める電流誤差設定部と、
   前記ＤＣＤＣコンバータの負荷状態と前記電池の出力電圧検出値との関係に基づいて前記電池の開放電圧の初期値を求める初期開放電圧設定部と、
   前記電池の内部抵抗値および前記電流誤差に基づいて、前記初期開放電圧設定部によって求められた初期開放電圧値に対する補正値を求める電圧補正値設定部と、
   前記初期開放電圧値および前記補正値に基づいて前記電池の開放電圧値を求め、求められた開放電圧値を前記電流推定部に与える開放電圧設定部と、
   を備え、
   前記電流推定部によって求められた電流推定値を出力することを特徴とする電流推定装置。
2. 請求項１に記載の電流推定装置において、
   前記電流誤差設定部は、
   前記電流推定部によって求められた電流推定値の時間平均値と、前記電池に流れる電流の検出値の時間平均値との差異を、前記電流誤差として求める手段を備え、
   前記電圧補正値設定部は、
   前記電流誤差と前記内部抵抗値との積を前記補正値として求める手段を備えることを特徴とする電流推定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電流推定装置と、
   前記電流推定値に基づいて前記ＤＣＤＣコンバータの制御を行う制御装置と、
   を備えるＤＣＤＣコンバータ制御システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記電流推定値と前記コンバータ入力電流に対する指令値との差異を求める差異設定部と、
   前記差異設定部によって求められた差異に基づいて、前記ＤＣＤＣコンバータが備えるスイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
   を備えることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ制御システム。

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