特開 2024-179833 電圧変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179833

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】電圧変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20241219BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023099044

(22)【出願日】2023-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】早川 雅文

(72)【発明者】

【氏名】池田 航介

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS08

5H730AS17

5H730BB13

5H730BB14

5H730BB82

5H730BB88

5H730DD03

5H730FD01

5H730FD11

5H730FD41

5H730FD51

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】入力端と出力端の間に複数の電圧コンバータ回路が並列に接続された電圧変換装置において、各電圧コンバータ回路の電流センサ（副電流センサ）の精度を高める。
【解決手段】電圧変換装置は入力端に流れる電流を計測する主電流センサを備える。主電流センサの計測精度は副電流センサの計測精度よりも高い。コントローラは、それぞれの副電流センサの補正係数を以下の手順で調整する。コントローラは、特定の電圧コンバータ回路を駆動しつつ残りの電圧コンバータ回路は停止する。その状態でコントローラは、入力端に流れる電流を徐々に増やしつつ、主電流センサの計測値を取得するとともに特定の電圧コンバータ回路（唯一動作させている電圧コンバータ回路）の副電流センサの計測値を取得する。コントローラは、特定の電圧コンバータ回路の副電流センサの計測値に補正係数を乗じた値が主電流センサの計測値に一致するように補正係数を特定する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力端と、
出力端と、
前記入力端に流れる電流を計測する主電流センサと、
前記入力端と前記出力端の間に並列に接続されている複数の電圧コンバータ回路であって、それぞれが自身に流れる電流を計測する副電流センサを備えている複数の電圧コンバータ回路と、
前記入力端に流れる電流を制御するコントローラと、
を備えており、
前記主電流センサの計測精度は全ての前記副電流センサの計測精度よりも高く、
前記コントローラは、
特定の前記電圧コンバータ回路を駆動しつつ残りの前記電圧コンバータ回路は停止し、
前記入力端に流れる電流を徐々に増やしつつ、前記主電流センサの計測値を取得するとともに前記特定の電圧コンバータ回路の前記副電流センサの計測値を取得し、
前記特定の電圧コンバータ回路の前記副電流センサの計測値に補正係数を乗じた値が前記主電流センサの計測値に一致するように前記補正係数を特定し、
複数の前記電圧コンバータ回路を同時に駆動する場合、それぞれの前記電圧コンバータ回路の前記副電流センサの計測値に、対応する前記補正係数を乗じた値をそれぞれの前記電圧コンバータ回路を流れる電流の値として取得する、
電圧変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、複数の電圧コンバータ回路が並列に接続された電圧変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

充電装置などの電気機器は電流センサを備える場合がある。特許文献１には、バッテリに流れる電流を計測する電流センサを備える蓄電システムが開示されている。コントローラは、電流センサの計測値をモニタしつつ、バッテリに充電される電力を調整する。

【0003】

電流センサの計測値が正確でないと、バッテリの充電量が正しく把握できない。特許文献１には、電流センサの補正係数を調整する技術が開示されている。なお、本明細書における補正係数とは、電流センサを流れる実際の電流の値と、電流センサの計測値との間の比例係数を意味する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－２００６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

大電力を扱えるように、複数の電圧コンバータ回路を並列に接続した電圧変換装置が知られている。それぞれの電圧コンバータ回路は電流センサを備える。電流センサの計測値が正確でないと、複数の電圧コンバータ回路に均等に電流が流れるように制御しても、実際にはいずれかの電圧コンバータ回路に電流が集中してしまうおそれがある。あるいは、それぞれの電圧コンバータ回路で電流フィードバック制御を行う場合も電流センサの計測値が正確でないと十分なフィードバック制御性能が得られない。本明細書は、電流センサを備える複数の電圧コンバータ回路が並列に接続された電圧変換装置に関し、複数の電流センサの計測精度を高める技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示する電圧変換装置は、入力端、出力端、入力端に流れる電流を計測する主電流センサ、入力端と出力端の間に並列に接続されている複数の電圧コンバータ回路、コントローラを備える。それぞれの電圧コンバータ回路は、自身に流れる電流を計測する副電流センサを備える。コントローラは、入力端に流れる電流を制御することができる。主電流センサの計測精度は全ての副電流センサの計測精度よりも高い。

【0007】

コントローラは、それぞれの副電流センサの補正係数を以下の手順で調整する。コントローラは、特定の電圧コンバータ回路を駆動しつつ残りの電圧コンバータ回路は停止する。その状態でコントローラは、入力端に流れる電流を徐々に増やしつつ、主電流センサの計測値を取得するとともに特定の電圧コンバータ回路（唯一動作させている電圧コンバータ回路）の副電流センサの計測値を取得する。コントローラは、特定の電圧コンバータ回路の副電流センサの計測値に補正係数を乗じた値が主電流センサの計測値に一致するように補正係数を特定する。この処理を全ての電圧コンバータ回路に対して実行すると、全ての副電流センサの補正係数が主電流センサの計測値を基準として特定される。コントローラは、複数の電圧コンバータ回路を同時に駆動する場合、それぞれの電圧コンバータ回路の副電流センサの計測値に、対応する補正係数を乗じた値をそれぞれの電圧コンバータ回路を流れる電流の値として取得する。

【0008】

本明細書が開示する技術では、一つの高精度な主電流センサの計測値に基づいて複数の副電流センサの補正係数が特定される。それゆえ、複数の副電流センサの計測精度が高い精度で揃う。

【0009】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例の電圧変換装置の回路図である。

【図2】コントローラが実行する補正係数特定処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図面を参照して実施例の電圧変換装置２を説明する。電圧変換装置２は、低電圧端２１に入力された電圧を昇圧して高電圧端２２から出力する機能と、高電圧端２２に入力された電圧を降圧して低電圧端２１から出力する降圧機能を有する。電圧変換装置２は、いわゆる双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。ただし、本実施例では、低電圧端２１に直流電源１０１が接続され、高電圧端２２にはバッテリ１０２が接続され、電圧変換装置２は直流電源１０１の出力電圧を昇圧してバッテリ１０２へ送り、バッテリ１０２を充電する。すなわち、本実施例では電圧変換装置２は昇圧コンバータとしてのみ機能する。それゆえ、低電圧端２１を以下では入力端２１と称し、高電圧端２２を以下では出力端２２と称する。

【0012】

電圧変換装置２の回路について説明する。電圧変換装置２は、並列に接続された４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄと、電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄを制御するコントローラ２０と、電圧センサ１８ａ、１８ｂと、電流センサ２３を備える。なお、図１において、点線矢印線は信号線を表す。すなわち、コントローラ２０は電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄと通信を行うことができるとともに、直流電源１０１とも通信する。

【0013】

電圧コンバータ回路１０ａについて説明する。電圧コンバータ回路１０ａは、低電圧端１１に印加された電圧を昇圧して高電圧端１２から出力する昇圧機能と、高電圧端１２に印加された電圧を降圧して低電圧端１１から出力する降圧機能を有する。電圧コンバータ回路１０ａはいわゆる双方向ＤＣ－ＤＣコンバータ回路である。しかし本実施例では、電圧コンバータ回路１０ａの昇圧機能のみを使う。

【0014】

電圧コンバータ回路１０ａは、２個のスイッチング素子（上スイッチング素子１５ａと下スイッチング素子１５ｂ）と、２個のダイオード１６ａ、１６ｂと、リアクトル１４と、２個のコンデンサ１７ａ、１７ｂと、電流センサ１９を備える。なお、説明の便宜上、電圧コンバータ回路１０ａが有する電流センサ１９を副電流センサ１９と称し、電圧変換装置２の入力端２１に接続されている電流センサ２３を主電流センサ２３と称して両者を区別する。

【0015】

上スイッチング素子１５ａと下スイッチング素子１５ｂは、高電圧端１２とグランド線１３の間に直列に接続されている。上スイッチング素子１５ａが高電圧端１２に接続されており、下スイッチング素子１５ｂがグランド線１３に接続されている。上スイッチング素子１５ａと下スイッチング素子１５ｂは、電圧変換用の素子であり、パワートランジスタと呼ばれることがある。上スイッチング素子１５ａと下スイッチング素子１５ｂの一例は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

【0016】

上スイッチング素子１５ａにダイオード１６ａが逆並列に接続されており、下スイッチング素子１５ｂにダイオード１６ｂが逆並列に接続されている。ダイオード１６ａ、１６ｂは、グランド線１３から高電圧端１２への電流は通すが逆方向には電流を通さない。

【0017】

リアクトル１４は、２個のスイッチング素子１５ａ、１５ｂの直列接続の中点と、低電圧端１１の間に接続されている。コンデンサ１７ａは、低電圧端１１とグランド線１３の間に接続されており、コンデンサ１７ｂは高電圧端１２とグランド線１３の間に接続されている。コンデンサ１７ａ、１７ｂは、電圧コンバータ回路１０ａに流れる電流の脈動を抑えるために備えられている。

【0018】

電圧センサ１８ａは、低電圧端１１の電圧（低電圧端１１とグランド線１３の間の電圧）を計測する。電圧センサ１８ｂは、高電圧端１２の電圧（高電圧端１２とグランド線１３の間の電圧）を計測する。副電流センサ１９はリアクトル１４に流れる電流（すなわち電圧コンバータ回路１０ａ自身に流れる電流）を計測する。別言すれば、副電流センサ１９は、入力端２１を通じて自身の電圧コンバータ回路１０に流れ込む電流を計測する。電圧センサ１８ａ、１８ｂ、副電流センサ１９の計測値はコントローラ２０に送られる。

【0019】

上スイッチング素子１５ａを適宜にオンオフすると、高電圧端１２に印加された電圧が降圧されて低電圧端１１から出力される。下スイッチング素子１５ｂを適宜にオンオフすると、低電圧端１１に印加された電圧が昇圧されて高電圧端１２から出力される。上スイッチング素子１５ａと下スイッチング素子１５ｂは、スイッチング素子をオンに保持するＨＩＧＨ電位と、オフに保持するＬＯＷ電位の二値が繰り返されるＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）で駆動される。下スイッチング素子１５ｂに与えるＰＷＭ信号の反転信号を上スイッチング素子１５ａに与えると、電圧コンバータ回路１０ａは、低電圧端１１と高電圧端１２がＰＷＭ信号で定まる電圧比を保持するように、昇圧動作と降圧動作が自動的に切り替わる。だだし、先に述べたように、本実施例では、電圧コンバータ回路１０ａは、昇圧動作のみを行うように、上スイッチング素子１５ａは常にオフに保持される。下スイッチング素子１５ｂに与えるＰＷＭ信号のデューティ比により、昇圧比（低電圧端１１の電圧に対する高電圧端１２の電圧の比）が定まる。図１の電圧コンバータ回路１０ａの構造と動作はよく知られているので、詳しい説明は割愛する。

【0020】

電圧コンバータ回路１０ｂ－１０ｄの回路構成は電圧コンバータ回路１０ａと同じであるので説明は割愛する。４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄを並列に接続し、同時並列に駆動することで、電圧変換装置２は、大電力を扱える。以下では、複数の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄのいずれかを区別なく表すとき、あるいは、全ての電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄを総称するとき、電圧コンバータ回路１０と称する場合がある。

【0021】

コントローラ２０は、４個の電圧コンバータ回路１０を同時並列に駆動する。本実施例では、コントローラ２０は、４個の電圧コンバータ回路１０を同時並列に駆動し、直流電源１０１の出力電圧を昇圧し、直流電源１０１の電力でバッテリ１０２を充電する。例えば、直流電源１０１の出力電圧は４００ボルトであり、バッテリ１０２の電圧が８００ボルトの場合、コントローラ２０は、昇圧比（「出力端２２の電圧」／「入力端２１の電圧」）が２．０となるように、４個の電圧コンバータ回路１０を駆動する。

【0022】

コントローラ２０は、４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄのそれぞれの副電流センサ１９の計測値をモニタし、４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄに均等に電流が流れるように、４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄを制御する。

【0023】

４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄに均等に電流が流れるようにするには、４個の副電流センサ１９の計測精度が高くなければならない。コントローラ２０は、主電流センサ２３を用いて、４個の副電流センサ１９の補正係数を特定する。ここで、補正係数とは、電流センサを流れる実際の電流と、電流センサの出力値（計測値）との間の比例係数を意味する。

【0024】

図２に、補正係数特定処理のフローチャートを示す。コントローラ２０は、定期的に補正係数調整処理を実施する。なお、主電流センサ２３の計測精度は全ての副電流センサ１９の計測精度よりも高い。主電流センサ２３は、入力端２１に流れる電流を計測する。

【0025】

図２を参照しつつ、補正係数調整処理を説明する。実施例の電圧変換装置２では４個の電圧コンバータ回路１０ａ－１０ｄが並列に接続されている。図２ではより一般的に、並列に接続された電圧コンバータ回路の数を記号「Ｎ」で表している。Ｎは２以上の自然数であればよい。

【0026】

先に述べたように、バッテリ１０２を充電する際には、コントローラ２０は、全ての電圧コンバータ回路１０を同時並列に駆動する。一方、補正係数特定処理の場合は、コントローラ２０は、特定の電圧コンバータ回路（ｉ番目の電圧コンバータ回路）のみを駆動し、他の電圧コンバータ回路を停止した状態で、特定の電圧コンバータ回路の副電流センサ１９の補正係数を特定する。

【0027】

１個の電圧コンバータ回路に過大な電流が流れないように、コントローラ２０は、まず、電圧変換装置２に流れる電流を制限する（ステップＳ１２）。具体的にはコントローラ２０は、直流電源１０１の出力電流が所定の最大電流Ｉｍａｘを超えないように、直流電源１０１へ指令を送る。最大電流Ｉｍａｘは、１個の電圧コンバータ回路１０が許容し得る電流値に設定されている。

【0028】

次にコントローラ２０は、プログラム内の変数ｉに「１」をセットする（ステップＳ１３）。変数ｉは、特定の電圧コンバータ回路１０を指す。コントローラ２０は、ステップＳ１４からＳ１９までの処理を全ての電圧コンバータ回路１０のそれぞれに対して実行する。

【0029】

コントローラ２０は、ｉ番目の電圧コンバータ回路１０を駆動し、他の電圧コンバータ回路１０を停止する（ステップＳ１４）。すなわち、第ｉ番目の電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９の補正係数が特定対象となる。「ｉ番目の電圧コンバータ回路１０」が「特定の電圧コンバータ回路１０」に相当する。

【0030】

コントローラ２０は、電圧変換装置２に流れる電流をゼロにする（ステップＳ１５）。具体的には、コントローラ２０は、直流電源１０１に対して出力を一時的に止めるように指令を出す。

【0031】

続いてコントローラ２０は、電圧変換装置２に流れる電流を１ステップ分増加させる（ステップＳ１６）。ここで、「１ステップ分の電流」とは、最大電流Ｉｍａｘよりも小さい値であり、予めプログラム内で定められている。「１ステップ分の電流」は、例えば、最大電流Ｉｍａｘの１／１０に設定されている。コントローラ２０は、直流電源１０１に対して、出力電流を１ステップ分増加するように指令を出す。

【0032】

続いて、コントローラ２０は、主電流センサ２３の計測値Ｉｍと、ｉ番目の電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９の計測値Ｉｓを取得する（ステップＳ１７）。なお、ｉ番目以外の電圧コンバータ回路１０は停止しているので、入力端２１に流れる電流と、ｉ番目の電圧コンバータ回路１０に流れる電流は等しい。ただし、計測値Ｉｍと計測値Ｉｓは異なる場合がある。それぞれの電流センサの計測精度が異なるからである。

【0033】

コントローラ２０は、ｉ番目の電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９の補正係数Ｃｅとして、Ｃｅ＝Ｉｍ／Ｉｓを計算し、補正係数Ｃｅを記憶する（ステップＳ１８）。先の補正係数の数式から、Ｉｓ×Ｃｅ＝Ｉｍとなる。補正係数Ｃｅは、副電流センサ１９の計測値Ｉｓから主電流センサ２３の計測値Ｉｍを求めるための比例係数に相当する。主電流センサ２３の計測精度は副電流センサ１９の計測精度よりも高い。主電流センサ２３の計測値Ｉｍを正しい電流値と仮定し、副電流センサ１９の計測値Ｉｓを、正しい電流値（すなわち主電流センサ２３の計測値Ｉｍ）に補正するための比例係数が補正係数Ｃｅである。別言すれば、コントローラ２０は、ｉ番目の電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９の計測値Ｉｓに補正係数Ｃｅを乗じた値が主電流センサ２３の計測値Ｉｍに一致するように補正係数Ｃｅを特定する。

【0034】

コントローラ２０は、主電流センサ２３の計測値Ｉｍが最大電流Ｉｍａｘになるまで、電圧変換装置２に流れる電流（すなわちｉ番目の電圧コンバータ回路１０に流れる電流）を１ステップずつ徐々に増やしつつ、１ステップ毎に補正係数Ｃｅを算出する（ステップＳ１９：ＮＯ、Ｓ１６）。

【0035】

コントローラ２０は、ステップＳ１４からＳ２０までの処理を、Ｎ個の電圧コンバータ回路１０のそれぞれに対して行う（ステップＳ２０：ＮＯ、Ｓ２１、Ｓ１４）。コントローラ２０は、全ての電圧コンバータ回路１０の補正係数Ｃｅを特定したら処理を終了する（ステップＳ２０：ＹＥＳ、エンド）。

【0036】

こうしてコントローラ２０は、全ての電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９に対して、主電流センサ２３の計測値Ｉｍを基準とした補正係数Ｃｅを特定する。図示は省略しているが、図２の処理を終了する前に、コントローラ２０は、ステップＳ１２で電圧変換装置２に課した電流制限を解除する。

【0037】

直流電源１０１でバッテリ１０２を充電する際、コントローラ２０は全ての電圧コンバータ回路１０を同時に駆動させる。このとき、コントローラ２０は、それぞれの電圧コンバータ回路１０の副電流センサ１９の計測値Ｉｓに、対応する補正係数Ｃｅを乗じた値をそれぞれの電圧コンバータ回路１０を流れる電流の値として取得する。そして、コントローラ２０は、複数の電圧コンバータ回路１０に流れる電流が均一になるように、各電圧コンバータ回路１０を制御する。

【0038】

電圧変換装置２は、一つの高精度の電流センサ（主電流センサ２３）の計測値を基準として複数の副電流センサ１９の補正係数Ｃｅを決定する。それゆえ、複数の電圧コンバータ回路１０のそれぞれを流れる電流が同等の計測精度で得られる。

【0039】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図２のフローチャートにおいて、コントローラ２０は、電圧変換装置２に流れる電流を１ステップ分増加する毎に補正係数Ｃｅを算出する（ステップＳ１６－Ｓ１８）。コントローラ２０は、副電流センサ１９の個々の計測値Ｉｍに対応する補正係数Ｃｅを個別に記憶してもよい。別言すれば、コントローラ２０は、計測値Ｉｍの大きさをパラメータとした補正係数Ｃｅを記憶する。その場合、全ての電圧コンバータ回路１０を駆動する際には、計測値Ｉｍの大きさに対応した補正係数Ｃｅを用いる。

【0040】

あるいは、コントローラ２０は、電圧変換装置２に流れる電流を１ステップ分増加する毎に補正係数Ｃｅを算出した後、全ての補正係数Ｃｅの平均値を、副電流センサ１９の補正係数として記憶してもよい。別言すれば、コントローラ２０は、一つの副電流センサ１９に対して一つの補正係数Ｃｅを特定する。その場合、コントローラ２０は、複数の電圧コンバータ回路１０を同時に駆動する際、副電流センサ１９の計測値Ｉｓの大きさに関わらず、計測値Ｉｓに補正係数Ｃｅを乗じて正確な電流値を得る。

【0041】

図１に示した電圧コンバータ回路１０の回路構成は一例である。電圧コンバータ回路は、自身を流れる電流を計測する副電流センサ１９を備えていればよく、図１とは異なる回路構成であってもよい。

【0042】

実施例の電圧変換装置２は、入力端２１を流れる電流を計測する主電流センサ２３を備えている。主電流センサ２３は、直流電源１０１の内部の回路に組み込まれていてもよい。あるいは、主電流センサ２３は、出力端２２の側に配置されていてもよい。出力端２２の側に配置された主電流センサ２３の計測値から入力端２１を流れる電流を一意に特定できるからである。出力端２２の側に配置されていても、主電流センサ２３は、「入力端２１に流れる電流を計測する電流センサ」に相当する。

【0043】

出力端２２の側に配置された主電流センサ２３は、バッテリ１０２に組み込まれているものであってもよい。すなわち、入力端２１を流れる電流を計測する主電流センサ２３は、入力端２１に接続されるデバイスあるいは出力端２２に接続されるデバイスに組み込まれていてもよい。

【0044】

電圧変換装置２は、バッテリ１０２の充電以外の他の目的にも適用可能である。電圧変換装置２は、並列に接続された複数の降圧コンバータ回路を備えていてもよい。電圧変換装置２が降圧コンバータである場合、高電圧端が入力端に相当し、低電圧端が出力端に相当する。

【0045】

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0046】

２：電圧変換装置 １０、１０ａ－１０ｄ：電圧コンバータ回路 １１、２１：：低電圧端 １２、２２：高電圧端 １３：グランド線 １４：リアクトル １５ａ、１５ｂ：スイッチング素子 １６ａ、１６ｂ：ダイオード １７ａ、１７ｂ：コンデンサ １８ａ、１８ｂ：電圧センサ １９：副電流センサ ２０：コントローラ ２３：主電流センサ １０１：直流電源 １０２：バッテリ

【図1】

【図2】