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技術 位相シフトフルブリッジ充電器の制御システムおよび制御方法

出願人 中車青島四方車輛研究所有限公司
発明者 林顕奇張利軍趙許強孫世英
出願日 2016年12月12日 (2年7ヶ月経過) 出願番号 2017-564427
公開日 2018年10月4日 (9ヶ月経過) 公開番号 2018-529300
状態 特許登録済
技術分野 DC‐DCコンバータ 電池等の充放電回路
主要キーワード 比例パラメータ 最小制限値 制限ユニット 積分パラメータ 固定デューティ比 電圧サンプリング回路 全出力電圧 ブリッジアーム
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図面 (7)

課題・解決手段

位相シフトフルブリッジ型充電器のための制御システムおよび制御方法であって、制御システムはサンプリングシステムと充電器制御部を備え、充電器制御部は、始動および稼動決定ユニット、ソフト始動制御ユニット稼動制御ユニットおよび円滑切替制御ユニットを備え、稼動制御ユニットは、モード決定ユニット定電圧制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび充電電流制限制御ユニットを備える。充電器の動作中、ソフト始動が終了した後、条件の違いに従って、定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態の間で切替えが発生し、円滑切替え制御ユニットは、充電器の動作状態の違いに従って動作状態の間で制御部を切替え可能にし、充電器制御方法内で円滑な切替えを実現し、高安定状態性能および動的性能を有する。

概要

背景

列車充電器は、列車内の全てのDC負荷電力を供給し、蓄電池充電するために用いられる。列車の異なる動作条件に従って、充電器は、具体的には定電圧モード充電電流制限モードおよび全電流制限モードを含む複数の稼動モードを有する。充電器の安定動作を確保するために、各稼動モードは、異なる制御戦略、つまり、定電圧制御戦略、充電電流制限制御戦略および全電流制限制御戦略に対応する。

位相シフトフルブリッジ(PSFB)充電器は、充電器のソフト切替えとしてPSFBコンバータを用いる充電器である。PSFB充電器の構造は、PSFB回路高周波トランスおよび整流回路を含み、それらは連続的に接続され、PSFB回路は補助容量と充電抵抗を含み、整流回路の出力端子充電池および負荷に各々接続され、蓄電池を充電し、負荷を駆動して稼動させる。

列車が動作中、PSFB充電器も三つの稼動モードの間で頻繁に切り替えられる。それに応じて、PSFB充電器の制御システムは、稼動モードの間の切替えに適宜対応し、三つの制御戦略の間の切替えを適宜実行しなければならない。一般に、三つの制御戦略はPI(比例積分)制御下にある。同じ比例パラメータおよび積分パラメータの三つのグループが用いられる場合、各稼動モードの特性を満たすことはできず、安定状態電圧および電流の両方を制御する技術要件を満たすことはできない。異なる比例パラメータおよび積分パラメータの三つのグループが用いられる場合、二つの制御戦略の間の切替えの瞬間、比例パラメータおよび積分パラメータは素早く切り替えられ、システムを動的に調整する際、電圧および電流のオーバシュートをもたらし、極端な状況では損傷することさえある。

現在、異なる稼動モードの間で列車用のPSFB充電器の円滑な切替え、ならびに異なる稼動モードの間の切替えの瞬間およびその後にPSFBの充電器の安定動作を確保できる制御方法は一つもない。

概要

位相シフトフルブリッジ型の充電器のための制御システムおよび制御方法であって、制御システムはサンプリングシステムと充電器制御部を備え、充電器制御部は、始動および稼動決定ユニット、ソフト始動制御ユニット稼動制御ユニットおよび円滑切替え制御ユニットを備え、稼動制御ユニットは、モード決定ユニット、定電圧制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび充電電流制限制御ユニットを備える。充電器の動作中、ソフト始動が終了した後、条件の違いに従って、定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態の間で切替えが発生し、円滑切替え制御ユニットは、充電器の動作状態の違いに従って動作状態の間で制御部を切替え可能にし、充電器制御方法内で円滑な切替えを実現し、高安定状態性能および動的性能を有する。

目的

本出願の目的は、従来技術の列車充電器の切替え動作状態に従って、PSFB充電器の異なる動作モードの間の円滑な切替え用の制御システムおよび制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

サンプリングシステム充電器制御部を備える位相シフトフルブリッジ型の充電器のための制御システムであって、前記サンプリングシステムは、入力電圧を取得するために前記充電器の入力端子に取り付けた入力電圧取得装置と、全出力電圧および全出力電流を各々取得するために前記充電器の出力端子に取り付けた全出力電圧取得装置および全出力電流取得装置と、充電電流を取得するために蓄電池の入力端子に取り付けた充電電流取得装置を備え、前記充電器制御部は、全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比受け取り、前記充電器が待機状態事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成するように構成され、前記稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備える、始動および稼動決定ユニットと、前記充電器の前記ソフト始動の状態中に前記充電器を制御するように構成されるソフト始動制御ユニットと、前記充電器の稼動中に前記充電器を制御し、前記充電器の稼動状態を決定するように構成される稼動制御ユニットを備え、前記稼動制御ユニットは、全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値を受け取り、前記充電器がどの稼動状態で動作しているかを決定し、前記充電器の稼動状態信号を生成するように構成されるモード決定ユニットと、前記充電器が前記定電圧稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される定電圧制御ユニットと、前記充電器が前記全電流制限稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される全電流制限制御ユニットと、前記充電器が前記充電電流制限稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される充電電流制限制御ユニットを備え、前記充電器制御部は更に、前記モード決定ユニットによってフィードバックされる前記充電器の稼動状態信号と、前記始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるソフト始動の状態信号を受け取るように構成される円滑切替制御ユニットを備え、前記充電器が前記ソフト始動の状態と前記稼動状態の間、および異なる稼動状態の間で切り替えられる際、前記制御システムは、前記稼動状態に対応する制御ユニットに円滑に切り替えられ、前記対応する制御ユニットに切り替えられ、前記充電器のPSF回路接続を制御する、制御システム。

請求項2

前記充電器の前記事充電が終了したかどうかを決定し、終了した場合、前記充電器は前記ソフト始動の状態に入り、前記充電器の動作は前記ソフト始動制御ユニットによって制御される、ステップと、前記充電器の前記ソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、前記充電器は前記稼動状態に入り、前記稼動制御ユニットが動作し、前記円滑切替え制御ユニットは制御が前記定電圧制御ユニットに切り替えられることに従う、ステップと、前記モード決定ユニットによって、前記全出力電圧値、前記全出力電流値および前記充電電流値、全出力電流制限値を受け取り、前記モード決定ユニット用に、前記充電電流の設定値、全出力電流制限値、充電電流制限値、および前記全出力電圧の基準値を設定し、上記受け取った値と設定値によって前記充電器の前記稼動状態を決定し、前記充電器の前記稼動状態用の命令を前記円滑切替え制御ユニットにフィードバックするステップとを備え、前記定電圧稼動状態では、定電圧制御アルゴリズムが用いられるが、およびの場合、前記充電器は前記全電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記全電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、そうではなく、およびの場合、前記充電器は前記充電電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記充電電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記定電圧稼動状態にあり、前記充電電流制限稼動状態では、充電電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、およびの場合、前記充電器は前記定電圧稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記定電圧制御ユニットに前記切替えを制御し、そうではなく、およびの場合、前記充電器は前記全電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記全電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記充電電流制限稼動状態で動作し、前記全電流制限稼動状態では、全電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、およびの場合、前記充電器は前記定電圧稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記定電圧制御ユニットに前記切替えを制御し、そうではなく、およびの場合、前記充電器は前記充電電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記充電電流制限ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記全電流制限稼動状態で動作し、上の式において、Voutは前記全出力電圧値を表し、Ioutは前記全出力電流値を表し、Iout−refは前記全出力電流制限値を表し、Ibatは前記充電電流値を表し、Ibat−refは前記充電電流制限値を表し、Vrefは前記全出力電圧の基準値を表す、請求項1に記載の制御システムを用いる充電器制御方法

請求項3

前記PSFB回路の入力端子に補助容量を設け、前記充電器のPSFB回路内の前記補助容量上の電圧と、前記充電器の入力電圧との間の関係を決定することによって、前記事前充電が終了したかどうかを決定する、請求項2に記載の充電器制御方法。

請求項4

前記充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定する方法は次のとおりであり、条件1または条件2または条件3または条件4が満たされる場合、前記充電器の前記ソフト始動が終了したことが決定され、ここで、条件1:累積デューティ比がデューティ比の設定値より大きい場合、であり、ここで、dutyは前記デューティ比の前記設定値を表し、V1は前記入力電圧のサンプリング値を表し、Nは充電器トランス変換比率を表し、条件2:前記全出力電圧Voutは前記出力電圧の設定値Vosより大きく、条件3:前記全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、条件4:前記充電電流Ibatは前記充電電流の設定値Ibsより大きい、請求項2または3に記載の充電器制御方法。

請求項5

Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refである、請求項4に記載の充電器制御方法。

請求項6

前記定電圧制御アルゴリズム、前記全電流制限制御アルゴリズムおよび前記充電電流制限制御アルゴリズムは、全てPI制御アルゴリズムであり、三つの異なるグループのPIパラメータが用いられ、であり、ここで、Tはサンプリング周波数を表し、前記定電圧制御アルゴリズムについては、であり、ここで、Vout(k)は前記充電器の前記全出力電圧の現在のサンプリング値を表し、前記全電流制限制御アルゴリズムについては、であり、ここで、Iout(k)は前記充電器の前記全出力電流の現在のサンプリング値を表し、前記充電電流制限制御アルゴリズムにつては、であり、ここで、Ibat(k)は前記充電電流の現在のサンプリング値を表し、前記ソフト始動が終了すると、現在の累積デューティ比の値DUTYが、前記定電圧制御ユニット、前記全電流制限制御ユニットおよび前記充電電流制限制御ユニットへの入力として用いられ、DUTY=duty(t)+Δdutyである、請求項2に記載の充電器制御方法。

技術分野

0001

本発明は、充電器の制御の技術分野に属し、複数の稼動モードを有する位相シフトフルブリッジ充電器の制御システムおよび制御方法に関する。

背景技術

0002

列車充電器は、列車内の全てのDC負荷電力を供給し、蓄電池充電するために用いられる。列車の異なる動作条件に従って、充電器は、具体的には定電圧モード充電電流制限モードおよび全電流制限モードを含む複数の稼動モードを有する。充電器の安定動作を確保するために、各稼動モードは、異なる制御戦略、つまり、定電圧制御戦略、充電電流制限制御戦略および全電流制限制御戦略に対応する。

0003

位相シフトフルブリッジ(PSFB)充電器は、充電器のソフト切替えとしてPSFBコンバータを用いる充電器である。PSFB充電器の構造は、PSFB回路高周波トランスおよび整流回路を含み、それらは連続的に接続され、PSFB回路は補助容量と充電抵抗を含み、整流回路の出力端子充電池および負荷に各々接続され、蓄電池を充電し、負荷を駆動して稼動させる。

0004

列車が動作中、PSFB充電器も三つの稼動モードの間で頻繁に切り替えられる。それに応じて、PSFB充電器の制御システムは、稼動モードの間の切替えに適宜対応し、三つの制御戦略の間の切替えを適宜実行しなければならない。一般に、三つの制御戦略はPI(比例積分)制御下にある。同じ比例パラメータおよび積分パラメータの三つのグループが用いられる場合、各稼動モードの特性を満たすことはできず、安定状態電圧および電流の両方を制御する技術要件を満たすことはできない。異なる比例パラメータおよび積分パラメータの三つのグループが用いられる場合、二つの制御戦略の間の切替えの瞬間、比例パラメータおよび積分パラメータは素早く切り替えられ、システムを動的に調整する際、電圧および電流のオーバシュートをもたらし、極端な状況では損傷することさえある。

0005

現在、異なる稼動モードの間で列車用のPSFB充電器の円滑な切替え、ならびに異なる稼動モードの間の切替えの瞬間およびその後にPSFBの充電器の安定動作を確保できる制御方法は一つもない。

0006

本出願の目的は、従来技術の列車充電器の切替え動作状態に従って、PSFB充電器の異なる動作モードの間の円滑な切替え用の制御システムおよび制御方法を提供することである。

0007

このため、本出願は、位相シフトフルブリッジ型の充電器のための制御システムを提供するという技術的解決策を提供し、制御システムはサンプリングシステムおよび充電器制御部を備え、サンプリングシステムは、入力電圧を取得するために充電器の入力端子に取り付けた入力電圧取得装置と、全出力電圧および全出力電流を各々取得するために充電器の出力端子に両方とも取り付けた全出力電圧取得装置および全出力電流取得装置と、充電電流を取得するために蓄電池の入力端子に取り付けた充電電流取得装置を備える。

0008

より具体的には、充電器制御部は、
全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比受け取り、充電器が待機状態事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成し、稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備える、始動および稼動決定ユニットと、
充電器のソフト始動の状態中に充電器を制御するように構成されるソフト始動制御ユニットと、
充電器の稼動中に充電器を制御し、充電器の稼動状態を決定するように構成される稼動制御ユニットとを備え、
稼動制御ユニットは、
全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値を受け取り、充電器がどの稼動状態で動作しているかを決定し、充電器の稼動状態信号を生成するように構成されるモード決定ユニットと、
充電器が定電圧稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される定電圧制御ユニットと、
充電器が全電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される全電流制限制御ユニットと、
充電器が充電電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される充電電流制限制御ユニットとを備え、
充電器制御部は更に、モード決定ユニットによってフィードバックされる充電器の稼動状態信号と、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるソフト始動の状態信号を受け取るように構成される円滑切替え制御ユニットを備え、充電器がソフト始動の状態と稼動状態の間、および異なる稼動状態の間で切り替えられる際、制御システムは、稼動状態に対応する制御ユニットに円滑に切り替えられ、充電器のPSFB回路を制御する。

0009

充電器の事前充電が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器はソフト始動の状態に入り、充電器の動作はソフト始動制御ユニットによって制御される、ステップと、
充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器は稼動状態に入り、稼動制御ユニットが動作し、円滑切替え制御ユニットは制御が定電圧制御ユニットに切り替えられることを黙認する、ステップと、
モード決定ユニットによって、全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値、全出力電流制限値を受け取り、モード決定ユニット用に、充電電流の設定値、全出力電流制限値、充電電流制限値、および全出力電圧の基準値を設定し、上記受け取った値と設定値によって充電器の稼動状態を決定し、充電器の稼動状態用の命令を円滑切替え制御ユニットにフィードバックするステップと、
を備える充電器制御方法が提供され、
定電圧稼動状態では、定電圧制御アルゴリズムが用いられるが、

および

の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、

および

の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお定電圧稼動状態にあり、
充電電流制限稼動状態では、充電電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、

および

の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、

および

の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお充電電流制限稼動状態で動作し、
全電流制限稼動状態では、全電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、

および

の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、

および

の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお全電流制限稼動状態で動作する。

0010

上記の式において、Voutは全出力電圧値を表し、Vout−refは全出力電圧制限値を表し、Ioutは全出力電流値を表し、Iout−refは全出力電流制限値を表し、Ibatは充電電流値を表し、Ibat−refは充電電流制限値を表し、Vrefは全出力電圧の基準値を表す。
好ましくは、補助容量はPSFB回路の入力端子に設けられ、充電器のPSFB回路の補助容量上の電圧と、充電器の入力電圧との間の関係を決定することによって事前充電が終了したかどうかを決定する。

0011

好ましくは、充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定する方法は次のとおりであり、条件1または条件2または条件3または条件4が満たされる場合、充電器のソフト始動が終了したことを決定し、
条件1:累積デューティ比がデューティ比の設定値より大きい場合、ここで、

であり、dutyはデューティ比の設定値を表し、V1は入力電圧に対するサンプリング値を表し、Nは充電器トランス変換比率を表し、
条件2:全出力電圧Voutは全出力電圧の設定値Vosより大きく、
条件3:全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、
条件4:充電電流Ibatは充電電流の設定値Ibsより大きい。
好ましくは、Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refである。

0012

好ましくは、定電圧制御アルゴリズム、全電流制限制御アルゴリズムおよび充電電流制限制御アルゴリズムは、全てPI制御アルゴリズムであり、三つの異なるグループのPIパラメータが用いられ、

であり、ここで、Tはサンプリング周波数を表し、
定電圧制御アルゴリズムについては、

であり、
全電流制限制御アルゴリズムについては、

であり、
充電電流制限制御アルゴリズムにつては、

であり、
ソフト始動が終了すると、現在の累積デューティ比の値DUTYが、定電圧制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび充電電流制限制御ユニットへの入力として用いられ、DUTY=duty(t)+Δdutyである。

0013

本出願は次の有益な効果を有する。
(1)本出願は、ソフト始動制御ユニット、充電電流制限制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび定電圧制御ユニットを含む複数の制御ユニットを備えた充電器用の制御システムおよび制御方法を提供する。三つの制御ユニット内では異なる制御パラメータが用いられ、各稼動状態または動作モード内の最適安定効果を実現する。
(2)本出願の制御部は更に円滑切替え制御ユニットを含む。充電器が異なる動作モードまたは稼動状態の間で切り替えられる際、制御ユニット間の制御パラメータ(つまり、制御方法)の円滑な切替えが実現され、少量のオーバシュートおよび高速応答を備えることができる。従って、良好な安定性能および動的性能が実現される。

図面の簡単な説明

0014

システムの構造ブロック図である。
充電器の始動および制御の流れ図である。
制御部による制御の流れ図である。
定電圧稼動状態と全電流制限稼動状態の間で充電器を切り替える際の充電器の全出力電圧と全出力電流の波形図である。
ソフト始動が終了した後、充電器が充電電流制限稼動状態に入る際の充電器の全出力電圧と全出力電流の波形図である。
充電器が充電電流制限稼動状態から定電圧稼動状態に入る際の充電器の全出力電圧と全出力電流の波形図である。

実施例

0015

添付の図面を参照しながら、本出願の具体的な実施形態を以降で詳しく更に説明する。

0016

図1に示したように、PSFB充電器の構造は、PSFB回路、高周波トランスおよび整流回路を備え、それらは連続的に接続され、整流回路の出力端子は蓄電池および負荷に各々接続され、蓄電池を充電し、負荷を駆動して稼動させる。

0017

当然のことながら、本実施形態で説明される充電器は全てPSFB充電器である。
PSFB充電器の動作原理は次のとおりである。
1.充電器用のPSFB回路において、電圧変換はPSFBゼロ電圧PWM(パルス幅変調)コンバータによって実現され、高DC電圧がPSFB回路によって入力され、安定で調整可能な低DC電圧を出力する。
2.充電器の通常動作過程は次の通りであり、まず、入力DC電圧が検出され、始動条件を満たす場合、入力側の補助容量が事前充電抵抗器によって事前充電される。補助容量の事前充電が終了すると、抵抗器は除去され、ソフト始動が開始する。ソフト始動中位相シフト角固定デューティ比だけ増大させ、充電器の出力電圧および電流を増大させる。条件が満たされると、充電器は稼動段階に入る。その上、充電器の動作条件の違いに従って、モード間の切替えおよび稼動モードが異なる制御戦略によって実現される。

0018

図2は、通常動作のPSFB充電器の始動流れ図を示す。
1.待機:入力DC電圧が検出され、始動用の最小制限値に到達すると充電器は次の段階に入る。
2.事前充電:所定の期間(事前充電期間)事前充電接触器を閉じ、その後、ソフト始動接触器を閉じ、充電器はソフト始動段階に入る。
3.ソフト始動:固定デューティ比だけ累積を実行し、所定の位相シフト角を有するPWM波が制御部によって出力され、電力モジュールを制御し、出力電圧および電流を次第に増加させ、動作条件を満たすと、充電器は次の段階に入る。
4.稼動状態:定電圧稼動状態、充電電流制限稼動状態および全電流制限稼動状態を備え、充電器の稼動モードが決定され、その後、閉ループ制御用に対応するPI制御部が選択される。

0019

PSFB充電器の動作原理および始動過程に従って、PSFB充電器用に以降の制御システムが設計される。

0020

なお図1を参照すると、PSFB充電器用の制御システムは、サンプリングシステムと充電器制御部を備え、サンプリングシステムは、入力電圧を取得するために充電器の入力端子に取り付けた入力電圧取得装置と、全出力電圧および全出力電流を各々取得するために充電器の出力端子に両方とも取り付けた全出力電圧取得装置および全出力電流取得装置と、充電電流を取得するために蓄電池の入力端子に取り付けた充電電流取得装置を備える。サンプリングシステムに関しては、電流および電圧は対応する電流センサおよび電圧センサによって取得可能であり、対応する電流サンプリング回路または電圧サンプリング回路の設計等を行うこともできる。

0021

ここで、入力電圧はPSFB回路の入力電圧であり、全出力電圧は全波整流回路の出力電圧である。全出力電圧は二つの枝部に分けられ、一方の枝部は負荷を駆動するために用いられ、他方の枝部は蓄電池を充電するために用いられる。充電電流は蓄電池を充電する電流である。

0022

具体的には、入力電圧取得装置は、PSFB回路の前方端子、つまり、PSFB回路の入力端子に取り付けられ、入力電圧をサンプリングし、全出力電圧取得装置は全波整流回路の出力端子に取り付けられ、全出力電圧をサンプリングし、全電流取得装置も全波整流回路の出力端子に取り付けられ、全出力電流をサンプリングし、充電電流サンプリング装置は蓄電池の入力端子に取り付けられ、蓄電池の充電電流をサンプリングする。

0023

充電器制御部は、充電器の始動および稼動を包括的に制御する装置であり、
全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比を受け取り、充電器が、待機状態、事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成し、稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備え、充電器をオンにする開始時に、充電器は待機状態で稼動し、始動および稼動決定ユニットは待機状態信号をフィードバックし、その後、充電器は事前充電の状態に入り、始動および稼動決定ユニットは事前充電の状態信号をフィードバックし、事前充電の終了時に、充電器はソフト始動の状態に入り、始動および稼動決定ユニットはソフト始動の状態信号をフィードバックし、その後、充電器は稼動状態に入り、ソフト始動の状態信号は、充電器がなおソフト始動モードで動作しているかどうか、またはソフト始動を完了させたことを示し、充電器の動作状態にかかわらず、始動および稼動決定ユニットが受け取る信号が充電器の故障を示すか、または動作条件が、例えば、過電流過電圧等、動作要件を満たさないことを示す場合、充電器は待機状態に戻るように構成する、始動および稼動決定ユニットと、
充電器のソフト始動中に充電器を制御するように構成し、具体的には、ソフト始動制御ユニットは始動および稼動決定ユニットから信号を受け取り、充電器がソフト始動の状態で動作しているかどうかを決定し、ソフト始動の終了時に、充電器は稼動状態に入る、ソフト始動制御ユニットと、
充電器の稼動状態で充電器を制御し、充電器の異なる稼動モードを決定するように構成する稼動制御ユニットとを備え、
具体的には、稼動制御ユニットは、
全出力電圧値(全出力電圧信号)、全出力電流値(全出力電流信号)および充電電流値(充電電流信号)を受け取り、PSFB充電器が内部でどの稼動状態で動作しているかを決定し、充電器の稼動状態信号を生成するように構成する、モード決定ユニットと、
充電器が定電圧稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する定電圧制御ユニットと、
充電器が全電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する全電流制限制御ユニットと、
充電器が充電電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する充電電流制限制御ユニットとを備える。

0024

始動および稼動決定ユニット、ソフト始動制御ユニットおよび稼動制御ユニットに加えて、充電器制御部は更に、モード決定ユニットによってフィードバックされる充電器の稼動状態信号と、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるソフト始動の状態信号を受け取るように構成される円滑切替え制御ユニットを備える。充電器がソフト始動の状態と稼動状態の間、および異なる稼動状態の間で切り替えられる際、制御部は稼動状態に対応する制御ユニットに切り替えられ、対応する制御ユニットと充電器のPSFB回路との間の接続をオンにする。

0025

当然のことながら、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるものは、充電器の待機状態信号、事前充電の状態信号、ソフト始動の状態信号または稼動状態信号であってもよい。始動および稼動決定ユニットによって円滑切替え制御ユニットにフィードバックされる信号がソフト始動の状態信号および稼動状態信号であるときだけ、円滑切替え制御ユニットは動作可能である。しかし、PSFB充電器が待機状態または事前充電の状態で動作する際、円滑切替え制御ユニットは動作しない。

0026

具体的には、充電器がソフト始動モードから定電圧稼動モードに切り替えられる際、充電器制御部は定電圧制御ユニットに円滑に切り替えられ、充電器が定電圧稼動モードから全電流制限稼動モードに切り替えられる際、充電器制御部は定電圧制御ユニットから全電流制限制御ユニットに切り替えられる。同様に、充電器が異なる稼動モードの間で切り替えられる際、充電器制御部は稼動モードに一致する制御ユニットに円滑に切り替えられる。

0027

図3に示したように、充電器制御方法は次のステップを備える。
PSFB回路の先行ブリッジアームと遅行ブリッジアームは、デューティ比50%を有するPWM波によって制御される。ソフト始動中、遅行ブリッジアームのPWM波は、(1−DUTY)周期だけ先行ブリッジアームから遅らせ、稼動処理中、遅行ブリッジアームのPWM波は(1−DUTY)周期だけ先行ブリッジアームから遅らせる。

0028

図3に示したように、DUTYはソフト始動中はDuty0であり、稼動処理中はDUTYはDuty1またはDuty2またはDuty3である。Duty0はソフト始動制御アルゴリズムによって計算されるデューティ比の値であり、Duty1は定電圧制御アルゴリズムによって計算されるデューティ比の値であり、Duty2は全電流制限制御アルゴリズムによって計算されるデューティ比の値であり、Duty3は充電電流制限制御アルゴリズムによって計算されるデューティ比の値である。

0029

充電器を始動させた後、まず充電器は事前充電になる。充電器の事前充電が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器はソフト始動の状態に入り、充電器の動作はソフト始動制御ユニットによって制御される。

0030

具体的には、充電器の事前充電が終了したかどうか、および充電器がソフト始動の状態に入ったかどうかは、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされる信号に従って決定される。ここで、事前充電が終了したかどうかを決定するために、始動および稼動決定ユニットによって用いられる所定のアルゴリズムは次のとおりである。

0031

補助容量はPSFB回路の入力端子に設けられ、充電器用のPSFB回路の前方端子における補助容量上の電圧と、充電器の入力電圧との間の関係を決定することによって、事前充電が終了したかどうかを決定する。

0032

具体的には、事前充電継続時間次式によって計算される。

ここで、Rは事前充電抵抗を表し、Cは補助容量を表し、V1はサンプリングによって取得可能な入力DC電圧を表し、V0は補助容量上の初期電圧(一般に0)を表し、Vtは事前充電が終了したときの補助容量C上の電圧(一般に0.9*V1)を表す。

0033

事前充電期間が終了すれば、充電器はソフト始動処理に入る。

0034

充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器は稼動モードに入り、稼動制御ユニットが動作する。各瞬間には、充電器は一つの稼動モードだけで動作可能である。

0035

具体的には、充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定することは、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされる信号に従い、始動および稼動決定ユニットによって充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定することについての方法は次のとおりであり、条件1または条件2または条件3または条件4が満たされる場合、充電器のソフト始動が終了したことが決定され、ここで、
条件1:サンプリングされるデューティ比が始動および稼動決定ユニットによって累積され、累積デューティ比DUTYがデューティ比の設定値より大きい場合、ここで、

であり、dutyはデューティ比の設定値を表し、V1は入力電圧のサンプリング値を表し、Nは充電器トランスの変換比率を表し、Vrefは全出力電圧の基準値を表し、DUTY=duty(t)+Δdutyであり、
条件2:全出力電圧Voutは出力電圧の設定値Vosより大きく、全出力電圧の設定値Vosは経験に従って選択された値であり、
条件3:全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、全出力電流の設定値Iosは経験に従って選択された値であり、
条件4:充電電流Ibatは充電電流の設定値Iosより大きく、充電電流の設定値Ibsは経験に従って設定された値であり、
ここで、Vos、IosおよびIbsは次の値、Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refであってもよい。上の値は経験値である。実際には、Vos、IosおよびIbsの値は上の値には限定されない。

0036

充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器は稼動モードに入り、稼動制御ユニットが動作し、円滑切替え制御ユニットはデフォルトで定電圧制御ユニットに切替えを制御する。

0037

つまり、充電器のソフト始動が終了した後、充電器の稼動状態がモード決定ユニットによってまだ決定されていないという前提では、稼動制御ユニットはデフォルトで定電圧制御ユニットによって充電器を制御する。しかし、定電圧制御ユニットは充電器の稼動状態と一致していない可能性があり、充電器の稼動状態は、次のステップでモード決定ユニットによって決定され、制御ユニットの調整を素早く行う。

0038

モード決定ユニットは、全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値、全出力電流制限値を受け取り、充電電流の設定値、全出力電流制限値、充電電流制限値および全出力電圧の基準値がモード決定ユニット用に構成される。充電器の稼動状態は、上記受け取った値と設定値および基準値に従って決定され、充電器の稼動状態用の命令が円滑切替え制御ユニットにフィードバックされる。

0039

ソフト始動が終了した後、円滑切替え制御ユニットは充電器が定電圧稼動状態に入ることをデフォルトにし、定電圧制御ユニットを起動する。定電圧稼動状態では、定電圧制御アルゴリズムが用いられ、定電圧制御ユニットが動作するが、

および

の場合、充電器は全電流制限稼働状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、全電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、

および

の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、充電電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうでなければ、充電器はなお定電圧稼動状態にある。

0040

充電電流制限稼動状態では、充電電流制限制御アルゴリズムが用いられ、充電電流制限制御ユニットが動作するが、

および

の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、定電圧制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、

および

の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、全電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうでなければ、充電器はなお充電電流制限稼動状態で動作する。

0041

全電流制限稼動状態では、全電流制限制御アルゴリズムが用いられ、全電流制限制御ユニットが動作するが、

および

の場合、充電器は定電圧制御稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、定電圧制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、

および

の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、充電電流制限制御ユニットが動作し、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、充電電流制限制御アルゴリズムに切り替え、そうでなければ、充電器はなお全電流制限稼動状態で動作する。

0042

上の式において、Voutは全出力電圧値を表し、Ioutは全出力電流値を表し、Iout−refは全出力電流制限値を表し、Ibatは充電電流値を表し、Ibat−refは充電電流制限値を表し、Vrefは全出力電圧の基準値を表す。

0043

定電圧制御アルゴリズム、全電流制限制御アルゴリズムおよび充電電流制限制御アルゴリズムは全て、PI制御部を採用し、そこでは三つのグループの異なるPIパラメータが用いられ、安定状態の制御時の要件に適合するKPおよびKIパラメータが各々選択される。しかし、PIパラメータの選択は従来から知られており、ここでは繰り返さない。

0044

PI制御部の設計方法は次のとおりである。
PI制御部のsドメイン伝達関数は、

であり、ここでKPは比例係数を表し、KIは積分係数を表す。
PI制御部のzドメインの伝達関数は、

である。
その後、PI制御部の実行可能な差分方程式が更に得られる。

上の二つの式内のTは出力サンプリング周波数を表す。
定電圧制御アルゴリズムについては、

であり、ここで、Vout(k)は充電器の全出力電圧の現在のサンプリング値を表す。
全電流制限制御アルゴリズムについては、

であり、ここで、Iout(k)は充電器の全出力電流の現在のサンプリング値を表す。
充電電流制限制御アルゴリズムについては、

であり、ここで、Ibat(k)は充電電流の現在のサンプリング値を表す。

0045

ソフト始動が終了すると、現在の累積デューティ比の値DUTYが、定電圧制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび充電電流制限制御ユニットへの入力、つまり三つの制御アルゴリズム内のu(k−1)として用いられ、
DUTY=duty(t)+Δduty
である。充電器のソフト始動に対する制御は開ループ制御である。
ここで、duty(t)はtの瞬間におけるデューティ比の実時間値を表し、Δdutyはデューティ比の変動値を表す。

0046

充電器が定電圧モードに入ると、まず、Vrefが、充電器の全出力電圧(つまり、Vout)の目標値である全出力電圧の設定値より小さいかどうかが決定され、ここで電圧の基準値Vrefは時間的に変化し、Vrefが設定値より小さい場合、Vrefは固定されたステップサイズ内で累積され、Voutの設定値に次第に接近し、全出力電圧が次第に設定値に接近するようにし、そうでない場合、Vrefは設定値に等しく、その後、定電圧制御が実行される。充電器の稼動状態が定電圧稼動モードから充電電流制限稼動モードに切り替えられる場合、切替えの瞬間における定電圧制御ユニットの出力u(k)が、充電電流制限制御ユニットのu(k−1)として用いられ、充電電流制限制御ユニットのe(k)が最初に計算され、同様に、充電器が定電圧稼動モードから全電流制限稼動モードに切り替えられる場合、切替えの瞬間における定電圧制御ユニットの出力u(k)が、全電流制限制御ユニットのu(k−1)として用いられ、全電流制限制御ユニットのe(k)が最初に計算される。

0047

充電器は全電流制限稼動モードに入り、全電流制限制御が直接実行される。充電器が全電流制限稼動モードから充電電流制限稼動モードまたは定電圧稼動モードに切り替えられる場合、全電流制限制御ユニットの出力u(k)が、充電電流制限制御ユニットまたは定電圧制御ユニットにu(k−1)として各々与えられ、充電電流制限制御ユニットのe(k)または定電圧制御ユニットのe(k)が最初に計算される。

0048

充電器は充電電流制限モードに入り、充電電流制限制御が直接実行される。充電器が充電電流制限稼動モードから全電流制限稼動モードまたは定電圧稼動モードに切り替えられる場合、充電電流制限制御ユニットの出力u(k)が、全電流制限制御ユニットまたは定電圧制御ユニットにu(k−1)として各々与えられ、全電流制限制御ユニットのe(k)または定電圧制御ユニットのe(k)が最初に計算される。

0049

本出願の制御システムおよび制御方法によって充電器における模擬制御実験を実行し、オシロスコープによって出力波形を観察し、図4図5および図6を得る。

0050

図4は、定電圧稼動状態と全電流制限稼動状態の間で充電器を切り替える際の充電器の出力波形図を示す。図4に示したように、充電器が定電圧モードで動作する際、電圧の設定基準値Vrefは120Vであり、充電器の全出力電圧Voutは120Vであり、全出力電流Ioutは30Aである。瞬間T1において、充電器が定電圧稼動状態から全電流制限稼動状態に入ると、充電器の全出力電圧Voutは114Vになり、出力電圧の間で円滑な切替えが実現可能になる。同様に、瞬間T2において、充電器が全電流制限稼動状態から定電圧稼動状態に切り替えられる際、大きな変動なしで全出力電圧からの素早く円滑な応答となる。これは、制御アルゴリズムの間で安定な切替えを実現できることを示す。

0051

図5は、ソフト始動が終了した後、充電器が動作し、充電電流制限稼動状態に入るときの充電器の出力波形図を示す。図5に示したように、充電器がソフト始動モードで動作する際、出力電圧の設定基準値Vrefは120Vであり、充電電流制限値Ibat−refは54Aであり、充電器の全出力電圧Voutは120Vであり、充電電流Ibatは30Aである。瞬間T3において、充電器のソフト始動は終了し、充電器はソフト始動モードから充電電流制限稼動状態に切り替えられ、充電器の全出力電圧Voutは116Vになり、Ibatは54Aになり、出力電圧の間で円滑な切替えが実現可能になる。これは、充電器用の制御システムによって、稼動状態の間で安定した切替えが実現され、オーバシュート量が制御されることを示す。

0052

図6は、充電器が充電電流制限稼動状態から定電圧稼動状態に切り替えられるときの充電器の出力波形図を示す。図6に示したように、出力電圧の設定基準値Vrefは120Vであり、充電器の全出力電圧Voutは119Vであり、充電電流制限値Ibat−refは54Aであり、充電電流Ibatは54Aである。瞬間T4において、充電器は充電電流制限稼動状態から定電圧稼動状態に切り替えられ、充電器の全出力電圧Voutは120Vになり、出力電圧の間で円滑な切替えを実現する。充電器が定電圧モードに切り替えられた後、蓄電池の負荷は次第に増大するので、Ibatの値は次第に減少する。

0053

図4図5および図6に示したように、本出願の技術的解決策を用いて、少量のオーバシュート(約5%)でモード間の素早い切替え(約0.2秒以内)となる。各モードでは、充電器の出力電圧と電流は小さな変動で安定で正確(1%の変動および1%の精度)となり、充電器の稼動モード間で円滑な切替えを実現する。

0054

システムの動作中、サンプリングデータは次の方法によって選択される。
1.充電器の入力電圧:充電器の入力電圧取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
2.充電器の全出力電圧:全出力電圧取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
3.充電器の全出力電流:全出力電流取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
4.蓄電池の充電電流:サンプリング値Ibat(k)がIbat−refより大きい場合、実時間サンプリング値が用いられ、そうでない場合、サンプリングした充電電流上で一次の低域通過フィルタ処理が実行される。

ここで、x(k)は充電電流の現在のサンプリング値を表し、y(k)はフィルタ処理した充電電流を表す。

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