JP5058065B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ装置、及び該装置搭載車両 - Google Patents

Description

この発明は、スイッチング周期に同期してスイッチング素子をオン・オフさせることでリアクトルがエネルギを蓄積・放出し、１次側電源の１次電圧を２次電圧に電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ装置及び該装置搭載車両に関する。

従来から、車両走行用の電動機を、バッテリにより駆動する電気自動車用のＤＣ／ＤＣコンバータ装置が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１に係る技術では、バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧して電動機に印加するように構成されている。

また、バッテリと燃料電池とを併用して駆動するハイブリッド直流電源車両も提案されている（特許文献２）。

この特許文献２に開示されたハイブリッド直流電源車両では、燃料電池がインバータを介して電動機に接続されるとともに、バッテリがＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記インバータと前記燃料電池に接続されるように構成されている。この特許文献２に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記電動機の駆動時にバッテリ電圧を昇圧し前記インバータを通じて前記電動機を駆動するとともに、電動機の回生動作時には、前記インバータからＤＣ／ＤＣコンバータを通じて降圧しバッテリを充電する。

特開平１０−１２７０５０号公報（［００１４］） 特開２００７−１５９３１５号公報

ところで、バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータを通じて昇圧し負荷を駆動するＤＣ／ＤＣコンバータ装置では、バッテリの保護のために、バッテリの入出力電流を許容値に制限する。この入出力電流の許容値の制限処理は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを構成するスイッチング素子のデューティを操作することで行われる。

しかしながら、この出願の発明者等は、ＤＣ／ＤＣコンバータでは、１次側と２次側とが直結状態になる場合があり、この場合には、デューティを操作してバッテリ入出力電流を許容値に制限することができないという課題があることが分かった。そして、上記特許文献１、２には、直結状態に関する記載がない。

その上、前記スイッチング素子には、最小オン時間が存在するために、この最小オン時間より短いパルス幅を有する駆動信号により前記スイッチング素子を駆動しようとしている場合には、実際には、１次側と２次側とが直結状態になっているにもかかわらず、直結状態であると同定できない場合があるという課題も見出した。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、ＤＣ／ＤＣコンバータの直結状態判定を合理的に行えるようにしたＤＣ／ＤＣコンバータ装置及び該装置搭載車両を提供することを目的とする。

この発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、以下の特徴（１）〜（７）を備える。

（１）スイッチング周期に同期してスイッチング素子をオン・オフさせることでリアクトルがエネルギを蓄積・放出し、１次側電源の１次電圧を２次電圧に電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、スイッチング電流を検出する電流センサと、検出された前記スイッチング電流の最大値と最小値との差が閾値以内の値となったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記電圧変換を行わない直結状態であると判定する直結状態判定器と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、検出したスイッチング電流の最大値と最小値との差が閾値以内の値となったとき、直結状態であると判定するようにしているので、スイッチング素子が確実にスイッチングしている状態で直結状態を判定することができる。なお、スイッチング電流の検出は、スイッチング周期毎、複数スイッチング周期毎、あるいは１スイッチング周期を上回る所定時間毎に検出することができる。

（２）上記の特徴（１）を備える発明において、前記電流センサは、前記リアクトルに流れる前記スイッチング電流を検出することを特徴とする。スイッチング時にリアクトルに流れる電流は脈流であるので、スイッチング電流の最大値と最小値を検出することができる。

（３）上記の特徴（１）を備える発明において、前記電流センサは、前記スイッチング素子の前記２次電圧側に流れる前記スイッチング電流を検出することを特徴とする。スイッチング素子の２次電圧側に流れる電流も、三角波の一種であるのこぎり波パルス状であるので、スイッチング電流の最大値、最小値を検出し易い波形である。

（４）上記の特徴（１）〜（３）のいずれかを備える発明において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側及び２次側には、それぞれ前記１次電圧及び前記２次電圧を平滑する平滑コンデンサが接続され、前記電流センサは、前記両平滑コンデンサの内側に存在する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記スイッチング電流を検出する位置に挿入配置されることを特徴とする。平滑コンデンサの外側では、スイッチング電流も平滑されるため、スイッチング電流の最大値と最小値を検出することが難しいが、平滑コンデンサの内側では、平滑されていないので、スイッチング電流の最大値と最小値を正確に検出することができる。

（５）上記の特徴（１）〜（４）のいずれかを備える発明において、前記直結状態判定器が前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記直結状態であると判定したとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される前記１次側電源の過電力を制限する保護器をさらに備えることを特徴とする。これにより、１次側電源を保護する。

（６）上記の特徴（１）〜（５）のいずれかを備える発明において、前記１次側電源として、蓄電装置を用いることができる。

（７）上記の特徴（１）〜（５）のいずれかを備える発明において、前記１次側電源として、燃料電池を用いることができる。

（８）上記の特徴（６）のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に駆動回路を介してモータが接続されたことを特徴する電気自動車もこの発明に含まれる。

（９）上記の特徴（６）のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に燃料電池が接続されるとともに、駆動回路を介してモータが接続された燃料電池車両もこの発明に含まれる。

（１０）上記の特徴（６）のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に、前記燃料電池が直接又は第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されるとともに、インバータ駆動のモータが接続された燃料電池車両もこの発明に含まれる。

なお、上記した各発明は、方法発明としても実施することができる。

この発明によれば、スイッチング電流の最大値と最小値との差が閾値以内の値となったとき、直結状態であると判定するようにしているので、スイッチング素子が確実にスイッチングしている状態で直結状態を判定することができる。よって、直結状態を合理的に判定することができる。

直結状態の判定（同定）結果に応じて、直結状態に対応した適切な電源装置の保護制御を行うことができる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示すこの実施形態に係る電気自動車１２０は、基本的には、エネルギストレージである蓄電装置（バッテリという。第１電力装置）２４と、この蓄電装置２４からの電流（電力）が駆動回路であるインバータ３４を通じて供給される負荷としての走行用のモータ２６と、バッテリ２４が接続される１次側１Ｓとモータ２６（インバータ３４）が接続される２次側２Ｓとの間で昇降圧の電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ装置｛ＶＣＵ（Voltage Control Unit）という。｝２３とから構成される。

ＶＣＵ２３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、これを構成するスイッチング素子を駆動制御する制御部（制御装置）としてのコンバータ制御部５４とから構成される。

モータ２６の回転は、減速機１２、シャフト１４を通じて車輪１６に伝達され、車輪１６を回転させる。

インバータ３４は、直流／交流変換を行い、モータ電流Ｉｍをモータ２６に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後のモータ電流Ｉｍを２次側２ＳからＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じて１次側１Ｓに供給する。

この場合、回生電圧である２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ３６により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１によりバッテリ２４に１次電流Ｉ１が充電電流として供給される。

１次側１Ｓに接続されるバッテリ２４は、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

バッテリ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を通じてインバータ３４にモータ電流Ｉｍを供給するために、放電電流としての１次電流Ｉ１を流し出す。

１次側１Ｓ及び２次側２Ｓには、それぞれ平滑用のコンデンサ３８、３９が設けられている。

インバータ３４とモータ２６を含むシステムはインバータ駆動部を含むモータ制御部５２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を含むシステムはコンバータ駆動部を含むコンバータ制御部５４により、それぞれ基本的に制御される。

そして、これらモータ制御部５２とコンバータ制御部５４は、相互に通信する。

モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４は、それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している。

モータ制御部５２及びコンバータ制御部５４は、各種スイッチ及び各種センサ等からの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

ここで、各種スイッチ及び各種センサとしては、１次電圧Ｖ１（バッテリ電圧Ｖｂａｔに等しい。）を検出する電圧センサ６１（電圧検出器）、バッテリ電流Ｉｂ（放電電流又は充電電流）である１次電流Ｉ１を検出する電流センサ６２（電流検出器）、２次電圧Ｖ２を検出する電圧センサ６３（電圧検出器）、及び２次電流Ｉ２を検出する電流センサ６４（電流検出器）の他、図示しないイグニッションスイッチ、アクセルセンサ（スロットル開度センサ）、ブレーキセンサ、並びに車速センサ等がある。

電流センサ６２、６４は、両平滑コンデンサ３８、３９の内側に存在配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ３６に流れるスイッチング電流である１次電流Ｉ１及び２次電流Ｉ２の脈流波形のピーク（最大値）とボトム（最小値）を正確に検出するために、両平滑コンデンサ３８、３９の内側（ＤＣ／ＤＣコンバータ３６側）にそれぞれ配置される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、バッテリ２４とインバータ３４との間に接続される上アーム素子（上アームスイッチング素子８１とダイオード８３）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８２とダイオード８４）とからなる相アームＵＡ（単相アーム）と、リアクトル９０とから構成される。単相アームではなく、２相、３相等、複数の相アームから構成することもできる。

スイッチング素子（上アームスイッチング素子８１と下アームスイッチング素子８２）は、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等で構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する１個の上記リアクトル９０が、相アームＵＡの中点とバッテリ２４の正極との間に挿入されている。

上アームスイッチング素子８１は、コンバータ制御部５４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８２は、ゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりそれぞれオンにされる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、以下に説明するように、昇圧動作又は降圧動作を行う。

図２及び図３は、それぞれ、昇圧動作（力行時、アシスト時、バッテリ２４の放電時）及び降圧動作（回生時、バッテリ２４の充電時）の説明に供される模式的回路図である。

図４及び図５は、それぞれ、昇圧動作及び降圧動作の説明に供される波形図である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次側２Ｓからインバータ３４側へ２次電流Ｉ２を流し込む昇圧動作、換言すればバッテリ２４側（１次側１Ｓ）からモータ２６側（２次側２Ｓ）にモータ電流Ｉｍが通流する昇圧動作では、図２、図４に示すように、コンバータ制御部５４は、例えば、時点ｔ１３で下アームスイッチング素子８２をオンする。時点ｔ１３〜ｔ１４の間で、バッテリ２４から放電される１次電流Ｉ１によりリアクトル９０にエネルギを蓄積すると同時に、コンデンサ３９から２次電流Ｉ２をインバータ３４へ流す。

次に、時点ｔ１４で下アームスイッチング素子８２をオフする。そうすると、時点ｔ１４からリアクトル９０に蓄積されたエネルギが、１次電流Ｉ１（放電電流）としてダイオード８３を通じて流れコンデンサ３９にエネルギを蓄積するとともに、２次電流Ｉ２としてインバータ３４へ流れ込む。

時点ｔ１７から上述した時点ｔ１３以降の動作を繰り返す。この図４例では、デッドタイムｄｔを挟んで下アームスイッチング素子８２と上アームスイッチング素子８１とが交互に周期２π（例えば、５０［μＳ］）の中で１回ずつスイッチング、いわゆる同期スイッチングがされるが、昇圧時には、上アームスイッチング素子８１はオンしない。下アームスイッチング素子８２の駆動デューティ（オンデューティ）が、出力電圧Ｖ２が目標電圧に保持されるように決定される。

このように昇圧動作時には、下アームスイッチング素子８２がリアクトル９０に流れる電流（リアクトル電流）を制御して２次電圧Ｖ２が制御される。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次側２Ｓから１次側１Ｓのバッテリ２４に電流（充電電流）を流し込む降圧動作では、図３、図５に示すように、時点ｔ１で上アームスイッチング素子８１ｕをオンすると、リアクトル９０に、インバータ３４の回生電流による２次電流Ｉ２やコンデンサ３９から出力される電流によりエネルギを蓄積するとともに、コンデンサ３８を充電し、かつバッテリ２４に充電電流を供給する。

時点ｔ２において上アームスイッチング素子８１がオフにされると、リアクトル９０に蓄積されたエネルギが、バッテリ２４、ダイオード８４のループを通じてバッテリ２４に充電電流として供給されるとともに、コンデンサ３８に充電された電荷がバッテリ２４に充電電流の一部として供給される（コンデンサ３８は放電する）。

この降圧動作における上アームスイッチング素子８１及び下アームスイッチング素子８２ｕのオンデューティも、例えば、出力電圧Ｖ２が目標電圧に保持されるように決定される。

このように降圧動作時には、上アームスイッチング素子８１がリアクトル９０に流れる電流（リアクトル電流）を制御して２次電圧Ｖ２が制御される。

図４及び図５において、リアクトル９０に流れる１次電流Ｉ１の符号は、１次側１Ｓから２次側２Ｓへ放電電流として流れる昇圧時電流（ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の２次側２Ｓからインバータ３４へ流れ出す電流）を正（＋）、２次側２Ｓから１次側１Ｓへ充電電流として流れる降圧時電流（燃料電池２２又はインバータ３４から２次側２Ｓへ流れ込む電流）を負（−）に取っている。

また、図４及び図５において、コンバータ制御部５４から出力される駆動信号ＵＨ、ＵＬの波形中、ハッチングを付けた期間は、駆動信号ＵＨ、ＵＬが供給されている上下アームスイッチング素子８１、８２が実際にオンしている（電流が流れている）期間を示している。

以上が、コンバータ制御部５４により駆動制御されるＤＣ／ＤＣコンバータ３６の基本動作の説明である。

ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の直結状態をバッテリ２４の保護の観点を交えて説明する。

昇圧動作時の直結状態とは、スイッチング素子８１、８２及びダイオード８３、８４中、ダイオード８３のみが連続的にオン状態となり、他のスイッチング素子８１、８２及びダイオード８４は、全てＯＦＦ状態となっている状態であり、バッテリ２４からモータ２６側へ電流（Ｉ１＝Ｉ２）が連続的に流れる状態をいう。この状態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６のデューティ制御では、電流値を制御することができない。バッテリ２４から流れ出る電流を制限することができない結果、バッテリ２４を保護できなくなるおそれがある。

同様に、降圧動作時の直結状態とは、スイッチング素子８１、８２及びダイオード８３、８４中、スイッチング素子８１のみが連続的にオン状態となり、他のスイッチング素子８２及びダイオード８３、８４は、全てＯＦＦ状態となっている状態であり、モータ２６側からバッテリ２４へ電流（Ｉ２＝Ｉ１）が連続的に流れる状態をいう。この状態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６のデューティ制御では、電流値を制御することができないため、バッテリ２４に流れ込む電流を制限することができない。バッテリ２４に流れ込む電流を制限することができない結果、バッテリ２４を保護できなくなるおそれがある。

この場合、現実に直結状態になる直前に、バッテリ２４から、例えばモータ２６へ供給する電流を制限する、あるいはモータ２６からバッテリ２４を充電する電流を制限するような構成とすれば、バッテリ２４を保護することができると理解できる。

そこで、現実に直結状態になる直前の状態を検出できることが好ましい。この場合において、スイッチング素子８１、８２の最小オン時間を考慮する必要がある。スイッチング素子８１、８２のオン時間が最小オン時間より短い時間になるとスイッチング素子８１、８２はオン状態にならないので、駆動信号ＵＬ、ＵＨのオン時間がスイッチング素子８１、８２の最小オン時間と一致した時点で現実に直結状態となってしまう。

よって、スイッチング素子８１、８２の最小オン時間より僅かに長い直前の時間で、実際には直結状態にはなってはいないが、直結状態であると判定（同定）するように構成する。そして、直結状態であると判定（同定）した場合には、バッテリ２４の保護制御を開始させる。

以下に説明する直結状態の判定動作では、降圧動作においても、昇圧動作においても同様に考えることができることから重複記載の繁雑さを回避し、かつ直感的な理解が得やすいことから昇圧動作を例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２３の１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２の直結状態（直結直前の状態）の判定方法（同定方法、みなし方法）について説明する。

まず、直結状態の判定方法の原理について説明する。

周知のように、昇圧動作において、デッドタイムｄｔを無視すれば下アームスイッチング素子８２のオンデューティ（オン時間／２π）は、（１−Ｖ１／Ｖ２）で決定され、降圧動作において、デッドタイムｄｔを無視すれば上アームスイッチング素子８１のオンデューティは、（Ｖ１／Ｖ２）で決定される。

上述したように、昇圧動作時におけるスイッチング素子８１のオンデューティは、（１−Ｖ１／Ｖ２）であるので、直結状態（Ｖ１＝Ｖ２）に近くなると、オンデューティは、０に近づくことが分かる。

すなわち、図６Ａに示すように、スイッチング素子８１のゲート駆動信号ＵＨのオン時間（パルス幅）は、図中、右側の直結状態に近づくに従い短くなる。

これに応じて、図６Ｃに示すように、右端の直結状態に近づくに従い２次電圧Ｖ２は、１次電圧Ｖ１に徐々に近づいていく。

ここで、リアクトル９０に流れる電流である１次電流Ｉ１は、図６Ｂに示すように、ゲート駆動信号ＵＬのオン時間にエネルギを蓄積し、ゲート駆動信号ＵＬのオフ時間にエネルギを放出するので、三角波状の波形となる。すなわち、直結状態（ダイオード８３連続オン状態）ではなく、スイッチング時には、スイッチング周期２πの中で、リアクトル９０に流れる脈流の１次電流Ｉ１には、例えば時点１０４に示すスイッチング電流最大値Ｉ１ｓｍａｘと時点ｔ１０３に示すスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎとが存在する。

そこで、ゲート駆動信号ＵＬのオン時間が、スイッチング素子８２の最小オン時間より長い時間で、なるべく最小オン時間近傍の時間であるときのスイッチング電流最大値Ｉ１ｓｍａｘとスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎとの差が、（１）式に示すように、予め定めた閾値Ｉｔｈ以下の値となったときに直結状態であると判定する（同定する、みなす）こととすれば、スイッチング素子８２が必ずスイッチングしている状態において、直結状態であると判定することができる。
直結状態； Ｉ１ｓｍａｘ−Ｉ１ｓｍｉｎ≦Ｉｔｈ （１）

図６Ａ〜図６Ｃ例では、時点ｔ１０２以降で実際の直結状態となるが、例えば時点ｔ１０１で直結状態と判定している。

直結状態と判定した時点ｔ１０１の次の周期では、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置２３の目標電圧を２次電圧Ｖ２とする制御から、目標電流を１次電流Ｉ１とするフィードバック制御に変更することにより、コンバータ制御部５４は、保護器として動作し、バッテリ２４からの過大な電流の流れ出し（取り出し）を防止することができる。

なお、直結状態の判定は、１次電流Ｉ１ではなく、図６Ｄに示すように、２次電流Ｉ２のスイッチング電流最大値Ｉ２ｓｍａｘ（例えば、時点ｔ１０４）とスイッチング電流最小値Ｉ２ｓｍｉｎ（時点ｔ１０３）との差が、（２）式に示すように、予め定めた閾値Ｉｔｈ以下の値となったときに、直結状態であると判定する（同定する、みなす）こともできる。
直結状態； Ｉ２ｓｍａｘ−Ｉ２ｓｍｉｎ≦Ｉｔｈ …（２）

以上の説明が直結状態判定方法の説明である。

次に、直結状態判定方法の実際の適用例について図７、図のフローチャートを利用して説明する。

ステップＳ１において、コンバータ制御部５４は、所定時間、例えば５［μｓ］毎にタイマ割込をかける。

タイマ割込毎のステップＳ２において、電流センサ６２により１次電流Ｉ１を読み込み、メモリに格納する。

ステップＳ３において、タイマ割込回数、換言すれば１次電流Ｉ１の読込回数Ｎが所定回数、例えば１０回になったかどうかが判定され、１０回（Ｎ＝１０）になったとき（上記５［μｓ］の１０倍の５０［μｓ］になったとき）、ステップＳ４にて、メモリに格納されている連続１０回の１次電流Ｉ１の値からスイッチング電流最大値Ｉ１ｍａｘとスイッチング電流最小値Ｉ１ｍｉｎとを検索し、ステップＳ５において、（３）式によりその差ΔＩ１を求める。
ΔＩ１＝Ｉ１ｓｍａｘ−Ｉ１ｓｍｉｎ …（３）

なお、所定回数Ｎ＝１０は、タイマ割込の所定時間（サンプリング時間）と、１スイッチング周期２πに対応する時間（この実施形態では、上述したように約５０［μｓ］）との関係で設定される。スイッチング電流最大値Ｉ１ｍａｘとスイッチング電流最小値Ｉ１ｍｉｎが少なくとも１回ずつ含まれる時間以上となるように所定回数Ｎが設定される。タイマ割込の所定時間が５［μｓ］である場合、スイッチング周期２πの５０［μｓ］に対応する１０回以上から２０回程度までの回数が好ましい。

次いで、ステップＳ６において、図８のフローチャートに従う直結判定を行う。

まず、ステップＳ６ａにおいて、直結状態フラグＦｄがゼロ（Ｆｄ＝０：直結状態ではない。）であるかどうかが判定され、直結状態フラグＦｄがゼロとなっている非直結状態（通常状態）である場合には、ステップＳ６ｂにおいて、（４）式により差ΔＩ１が閾値Ｉｔｈｌｏｗ以下であるかどうかが判定される。
ΔＩ１＝Ｉ１ｓｍａｘ−Ｉ１ｓｍｉｎ≦Ｉｔｈｌｏｗ …（４）

この閾値Ｉｔｈｌｏｗは、例えばＩｔｈｌｏｗ＝０．５［Ａ］に設定される。なお、（４）式は、（１）式と等価な式である。

ステップＳ６ｂの判定が成立したときには、ステップＳ６ｃにおいて、直結状態であると判定し、直結状態フラグＦｄを１（Ｆｄ＝１：直結状態）にする。

一方、ステップＳ６ｂの判定が成立しないときには、ステップＳ１にもどる。

ステップ６ａにおいて、直結状態フラグＦｄが１（Ｆｄ＝１）であった場合、ステップＳ６ｄにおいて、（５）式により差ΔＩ１が閾値Ｉｔｈｈｉｇｈ以上であるかどうかにより直結状態が解消したかどうかを判定する。
ΔＩ１＝Ｉ１ｓｍａｘ−Ｉ１ｓｍｉｎ≧Ｉｔｈｈｉｇｈ …（５）

この閾値Ｉｔｈｈｉｇｈは、例えばＩｔｈｈｉｇｈ＝２［Ａ］に設定される。

（５）式が成立して直結状態が解消している場合、ステップＳ６ｅにおいて、直結状態フラグＦｄを０とする（Ｆｄ←０）。ステップＳ６Ｄの判定において、直結状態が解消していない場合には、ステップＳ１にもどる。このように、直結状態を判定する閾値Ｉｔｈｌｏｗと、直結状態の解消を判定する閾値Ｉｔｈｈｉｇｈとにヒステリシスを持たせることで制御を安定化させている。

以上説明したように上述した実施形態によれば、直結状態判定器として機能するコンバータ制御部５４は、スイッチング周期２πに同期してスイッチング素子８１、８２をオン・オフさせることでリアクトル９０がエネルギを蓄積・放出し１次側電源の１次電圧Ｖ１を２次電圧Ｖ２に電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、所定時間毎にスイッチング電流である１次電流Ｉ１（又はＩ２）を検出する電流センサ６２（又は６４）と、検出された１次電流Ｉ１（又はＩ２）の最大値であるスイッチング電流最大値Ｉ１ｓｍａｘ（又はＩ２ｓｍａｘ）とスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎ（又はＩ２ｓｍｉｎ）との差ΔＩ１（又はΔＩ２）が閾値Ｉｔｈ以内の値となったとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６が電圧変換を行わない直結状態であると判定する。

すなわち、スイッチング周期２π以上の所定時間毎に検出した１次電流Ｉ１（又はＩ２）のスイッチング電流最大値Ｉ１ｓｍａｘ（又はＩ２ｓｍａｘ）とスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎ（又はＩ２ｓｍｉｎ）との差がΔＩ１（又はΔＩ２）が閾値Ｉ１ｔｈ（又はＩ２ｔｈ）以内の値となったとき、現実には（実際には）直結状態となっていない直前の状態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の１次電圧Ｖ１側と２次電圧Ｖ２側とが直結状態であると判定（同定）するようにしているので、スイッチング素子８１（又は８２）が確実にスイッチングしているデューティ制御が可能な状態を直結状態と判定することができる。このようにして、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６の１次側１Ｓと２次側２Ｓとの直結状態判定を合理的に行うことができる。

しかも、同一の電流センサ（電流センサ６２又は電流センサ６４のいずれか）で検出した電流値差（振幅）ΔＩ１（又はΔＩ２）により判定しているので、電流センサ６２（又は６４）の絶対的な検出精度をキャンセル（相殺）することができ（誤差分が同一なので相殺される。）、より正確に直結状態と判定することができる。

ここで、１次側１Ｓの電流センサ６２は、リアクトル９０に流れるスイッチング電流である１次電流Ｉ１を検出するように構成している。スイッチング時にリアクトル９０に流れる電流は脈流であるので、１次電流Ｉ１のスイッチング電流最大値Ｉ１ｍａｘとスイッチング電流最小値Ｉ１ｍｉｎを高感度に検出することができる。

直結状態を判定する電流センサとして１次側１Ｓの電流センサ６２に代替して、スイッチング素子８１の２次電圧Ｖ２側に流れるスイッチング電流である２次電流Ｉ２を検出する２次側２Ｓの電流センサ６４を使用することができる。両方使用してもよい。

電流センサ６２、６４は、両平滑コンデンサ３８、３９の内側に存在するＤＣ／ＤＣコンバータ３６のスイッチング電流である１次電流Ｉ１又は２次電流Ｉ２を検出する位置に挿入配置する。平滑コンデンサ３８、３９の外側では、スイッチング電流である１次電流Ｉ１及び２次電流Ｉ２も平滑されるため、１次電流Ｉ１（又は２次電流Ｉ２）のスイッチング電流最大値Ｉ１ｓｍａｘ（Ｉ２ｓｍａｘ）とスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎ（Ｉ２ｓｍｉｎ）を検出することが難しいが（振幅が小さくなるが）、平滑コンデンサ３８、３９の内側では、平滑されていないので、大きな振幅で測定でき１次電流Ｉ１（又は２次電流Ｉ２）のスイッチング電流最大値Ｉ１ｍａｘ（又はＩ２ｍａｘ）とスイッチング電流最小値Ｉ１ｓｍｉｎ（又はＩ２ｓｍｉｎ）を正確に検出することができる。

なお、この実施形態において、コンバータ制御部５４は、直結状態と判定したとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６に接続されるバッテリ２４の過電流出力（過電力）を制限するように機能する保護器として動作するので、バッテリ２４を過充電又は過放電から保護することができる。

この場合、保護器の機能としては、例えば、モータ制御部５２を通じてモータ２６の負荷を小さくし、モータ２６に供給されるモータ電流Ｉｍを制限する。あるいは、コンバータ制御部５４により１次電流Ｉ１をフィードバック制御して、１次電流Ｉ１を所定電流以内に抑制する等の処置を採用することができる。

なお、上述した実施形態では、電気自動車１２０に適用された昇降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータ装置２３についての直結状態の判定を例として説明しているが、これに限らず、図９に示す昇圧型単機能のＤＣ／ＤＣコンバータ装置２３Ａ、又は図１０に示す降圧型単機能のＤＣ／ＤＣコンバータ装置２３Ｂにも同様に適用することができる。

なお、図９以降に示す他の実施形態において、上記図１〜図８に示したものと同一のものあるいは対応するものには同一の符号又は同一の符号にアルファベットを付け、その詳細な説明は省略する。

また、この発明は、図１１に示すハイブリッド直流電源システム１０が適用された燃料電池車両２０にも適用することもできる。

図１１の燃料電池車両２０において、ハイブリッド直流電源システム１０は、蓄電装置２４と、蓄電装置２４（第１直流電源装置）のバッテリ電圧Ｖｂａｔより高い電圧である発電電圧Ｖｆを発生する発電装置としての燃料電池２２（第２直流電源装置）と、バッテリ２４と燃料電池２２との間に配置され電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータ３６と、バッテリ２４と燃料電池２２との間での前記電圧変換を制御するコンバータ制御部５４とから構成される。ここで、コンバータ制御部５４とＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置（ＶＣＵ）２３を構成する。

一方、燃料電池車両２０は、前記のハイブリッド直流電源システム１０と、このハイブリッド直流電源システム１０からモータ電流Ｉｍ（電力）がインバータ３４を通じて供給される負荷としての走行用のモータ２６（電動機）と、から構成される。

この場合、回生電圧又は発電電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ３６により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１は、バッテリ２４を充電する。

燃料電池２２を含むシステムはＦＣ制御部５０により制御され、インバータ３４とモータ２６を含むシステムはインバータ駆動部を含むモータ制御部５２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６を含むシステムはコンバータ駆動部を含むコンバータ制御部５４により、それぞれ基本的に制御される。そして、通信線７０により相互に接続される。

このように構成される燃料電池車両２０Ａにおいても、現実に（実際に）直結状態になる前に直結状態と判定することができる。

さらに、この発明は、図１２に示す燃料電池２２のみによりモータ２６を駆動する燃料電池車両２０Ａにも適用することができる。

図１２において、燃料電池車両２０Ａは、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ３６Ａを通じてモータ２６を駆動する。このように構成される燃料電池単一電源型の燃料電池車両２０Ａにおいても、現実に直結状態になる前に直結状態と判定することができる。

この発明の一実施形態に係る電気自動車の回路図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作の説明図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作の説明図である。 昇圧動作の説明に供される波形図である。 降圧動作の説明に供される波形図である。 図６Ａは、ゲート駆動信号の波形図、図６Ｂは、リアクトルに流れるスイッチング電流の波形図、図６Ｃは、１次電圧と２次電圧の波形図、図６Ｄは、スイッチング素子に流れるスイッチング電流の波形図である。 直結判定における電流最大値と電流最小値の検出動作に供されるフローチャートである。 直結状態の判定方法の説明に供されるフローチャートである。 昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の回路図である。 降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ装置の回路図である。 ハイブリッド直流電源システムが適用された燃料電池車両の回路図である。 燃料電池単一電源型の燃料電池車両の回路図である。

符号の説明

１０…ハイブリッド直流電源システム ２０、２０Ａ…燃料電池車両
２２…燃料電池
２３、２３Ａ、２３Ｂ…ＤＣ／ＤＣコンバータ装置（ＶＣＵ）
２４…蓄電装置（バッテリ） ２６…モータ
３６、３６Ａ…ＤＣ／ＤＣコンバータ ５４…コンバータ制御部
１２０…電気自動車

Claims (10)

1. スイッチング周期に同期してスイッチング素子をオン・オフさせることでリアクトルがエネルギを蓄積・放出し、１次側電源の１次電圧を２次電圧に電圧変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   スイッチング電流を検出する電流センサと、
   検出された前記スイッチング電流の最大値と最小値との差が閾値以内の値となったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記電圧変換を行わない直結状態であると判定する直結状態判定器と、
   を備えることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記電流センサは、前記リアクトルに流れる前記スイッチング電流を検出する
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
3. 請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記電流センサは、前記スイッチング素子の２次電圧側に流れる前記スイッチング電流を検出することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側及び２次側には、それぞれ前記１次電圧及び前記２次電圧を平滑する平滑コンデンサが接続され、
   前記電流センサは、前記両平滑コンデンサの内側に存在する前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記スイッチング電流を検出する位置に挿入配置される
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記直結状態判定器が前記ＤＣ／ＤＣコンバータが前記直結状態であると判定したとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される前記１次側電源の過電力を制限する保護器をさらに備える
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記１次側電源が蓄電装置とされた
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置において、
   前記１次側電源が燃料電池とされた
   ことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ装置。
8. 請求項６記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に駆動回路を介してモータが接続された
   ことを特徴とする電気自動車。
9. 請求項６記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に燃料電池が接続されるとともに、駆動回路を介してモータが接続された
   ことを特徴とする燃料電池車両。
10. 請求項６記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置の前記２次電圧の発生端子間に、前記燃料電池が直接又は第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されるとともに、駆動回路を介してモータが接続された
    ことを特徴とする燃料電池車両。

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