電壓控制裝置及電壓控制方法

專利名稱：電壓控制裝置及電壓控制方法
技術領域：
本發明涉及一種進行將作為蓄電池的電容器的電壓變換了的直 流電壓的控制的電壓控制裝置及電壓控制方法。
背景技術：
作為驅動源搭載有發動機及馬達的混合動力車輛包括除了向馬 達供給電源之外還將由馬達發出的電力進行蓄電的電池等的蓄電池。 具有這種結構的混合動力車輛通常著眼于驅動馬達的逆變器的效率
而進行馬達的電壓控制(例如，參照專利文獻1 6)。 專利文獻1:特許第3746334號公報 專利文獻2:特開2001—275367號公報 專利文獻3:國際公開第03 / 056694號小冊子 專利文獻4:特開2005—341698號公報 專利文獻5:特開2005 — 168140號公報 專利文獻6:特開2002 — 171606號公報
然而，在作為蓄電池應用雙電荷層電容器等的大容量電容器的情 況下，有時電容器的電壓因蓄電能量而大幅變動。舉個例子，在混合 動力車輛為還具備回旋用的馬達的建筑機械的情況下，已知的是動作 時的負載大，則電容器電壓的變動幅度變大。在這種情況下，在進行 著眼于逆變器的效率的電壓控制的現有技術中，無法提高作為系統整 體的效率。

發明內容
本發明鑒于上述情況而實現，目的在于提供一種在作為蓄電池的 電容器的電壓的變動大的情況下也能夠提高系統整體的效率的電壓 控制裝置及電壓控制方法。為了解決上述問題并達到目的，本發明的電壓控制裝置的特征在 于，包括電容器，其向規定的負載供給電力；逆變器，其與所述負
載連接；AC耦合雙向DC-DC轉換器，其包括直流端子被加極性串 聯連接的兩個電壓型逆變器、及將所述兩個電壓型逆變器的交流端子 AC耦合且具有規定的泄漏電感的變壓器，所述兩個電壓型逆變器之 一與所述電容器并聯連接，并向所述逆變器輸出將所述電容器的電容 器電壓升壓后的直流電壓；控制機構，其基于具有與所述電容器電壓 相對應的值的所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率，生成并輸出 所述直流電壓的指令值。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，在 所述電容器電壓取規定的范圍的值時，所述控制機構使所述直流電壓 的指令值不依賴于所述電容器電壓而設為恒定，在所述電容器電壓取 所述范圍外的值時，所述控制機構將所述直流電壓的指令值設為與所 述恒定值相比使所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率變好的值。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，所 述控制機構使所述直流電壓的值根據所述電容器電壓在規定的范圍 內變化。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，所 述控制機構在生成所述直流電壓的指令值時，使用與所述AC耦合雙 向DC-DC轉換器的內部溫度相對應地確定的候補值。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，對 于所述控制機構而言，所述電壓型逆變器具有多個開關元件，所述 AC耦合雙向DC-DC轉換器的內部溫度是所述多個開關元件中的任 一個的溫度及/或所述變壓器的溫度。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，所 述控制機構將無負載狀態下的所述直流電壓的指令值設為與所述電 容器電壓成比例的電壓。
另外，本發明的電壓控制裝置，根據上述發明，其特征在于，所 述負載為馬達。
本發明的電壓控制方法，是包括如下裝置的系統的電壓控制方法，所述裝置為電容器，其向規定的負載供給電力；逆變器，其與
所述負載連接；AC耦合雙向DC-DC轉換器，其包括直流端子被加 極性串聯連接的兩個電壓型逆變器、及將所述兩個電壓型逆變器的交 流端子AC耦合且具有規定的泄漏電感的變壓器，所述兩個電壓型逆 變器之一與所述電容器并聯連接，并向所述逆變器輸出將所述電容器 的電容器電壓升壓后的直流電壓，所述電壓控制方法的特征在于，基 于具有與所述電容器電壓相對應的值的所述AC耦合雙向DC-DC轉 換器的效率，生成并輸出所述直流電壓的指令值。
另外，本發明的電壓控制方法，根據上述發明，其特征在于，在 所述電容器電壓取規定的范圍的值時，使所述直流電壓的指令值不依 賴于所述電容器電壓而為恒定，在所述電容器電壓取所述范圍外的值 時，將所述直流電壓的指令值設為與所述恒定值相比使所述AC耦合 雙向DC-DC轉換器的效率變好的值。
另外，本發明的電壓控制方法，根據上述發明，其特征在于，使 所述直流電壓的指令值根據所述電容器電壓在規定的范圍內變化。
另外，本發明的電壓控制方法，根據上述發明，其特征在于，在 生成所述直流電壓的指令值時，使用與所述AC耦合雙向DC-DC轉 換器的內部溫度相對應地確定的候補值。
發明效果
根據本發明，在作為蓄電池的電容器與逆變器之間，設置將電容 器電壓升壓并向逆變器輸出的AC耦合雙向DC-DC轉換器，基于根 據電容器電壓變化的AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率進行確定直 流電壓的控制，所以即使作為負載側的蓄電池利用大容量電容器，也 能夠以根據電容器電壓使AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率達到最 佳的方式確定輸出電壓。因而，即使在與逆變器連接的負載大且電容 器電壓的變動大的情況下，也能夠提高系統整體的效率。


圖1是表示本發明的一實施方式的電壓控制裝置的結構的圖。 圖2是表示應用本發明的一實施方式的電壓控制裝置的液壓挖掘機的結構的圖。
圖3是表示電壓變換器的結構的圖。 圖4是表示控制器的控制的控制框圖。
圖5是電壓變換器控制部輸出的直流電壓指令的計算流程。
圖6是表示作為電壓變換器應用了 AC耦合雙向DC-DC轉換器
時的與電容器電壓相對應的電壓變換器的輸出和器件總損失的關系的圖。
圖7是表示電容器電壓和輸出電壓的候補值(第一輔助候補值) 的關系的圖。
圖8是表示電容器電壓和電壓變換器的最大輸出的關系的圖。 圖9是表示IGBT溫度和輸出電壓的最小值的關系的圖。 圖IO是表示變壓器溫度和輸出電壓的最小值的關系的圖。 圖11是表示電容器電壓和輸出電壓的候補值(第二輔助候補值) 的關系的圖。
圖12是表示電容器電壓和輸出電壓的候補值(第一輔助候補值) 的關系的第二例的圖。
圖13是表示輸出電壓為550 (V)時的與電容器電壓對應的電壓 變換器的輸出和效率的關系的圖。
圖中l一電壓控制裝置；2 —SR馬達；3 —發動機；4一PM馬
達；5 —電容器；6 — SR驅動器；7 — SR電容器；8—電壓變換器；9
—接觸器；IO —勵磁電源；ll一二極管；12 —繼電器；13—PM逆變
器；14一PM電容器；15、 16—電流傳感器；17、 18、 19、 89、 90 —
電壓計；20 —絕緣傳感器；21—控制器；22 —車體控制部；23 — SR 馬達控制部；24—PM馬達控制部；25—電壓變換器控制部；26 —接 觸器控制部；81—AC耦合雙向DC-DC轉換器；82 —下側逆變器； 83 —上側逆變器；84 —變壓器；84a、 84b —線圈；85、 86—電容器； 87 — IGBT溫度傳感器；88 —變壓器溫度傳感器；IOO—液壓挖掘機； 101a—自行部；101b —回旋部；221 —動力管理部；222 —回旋操作部； 821a、 821b、 821c、 821d、 831a、 831b、 831c、 831d—IGBT; 822a、 822b、 822c、 822d、 832a、 832b、 832c、 832d—二極管；Lv—操作桿。
具體實施例方式
以下，參照附圖，說明用于實施本發明的最佳方式(以后，稱作 "實施方式")。
圖1是表示本發明的一實施方式的電壓控制裝置的結構的圖。該 圖所示的電壓控制裝置1構成搭載在混合動力型車輛上的電源系統。
本實施方式中，搭載電壓控制裝置1的混合動力型車輛是圖2所示的 液壓挖掘機100。液壓挖掘機100包括通過履帶的旋轉等自行的自行 部101a和回旋部101b，該回旋部101b具有鏟斗、動臂、斗桿等工 作設備和駕駛室，并且能夠相對于自行部101a圍繞指向規定方向的 回旋軸回旋。具有這種結構的液壓挖掘機100所搭載的電壓控制裝置 1包括驅動軸與發動機的驅動軸連接的發電機，并且包括具有與回旋 部101b的回旋軸一致的驅動軸的回旋用的馬達。
以下，說明電壓控制裝置1的詳細結構。電壓控制裝置1包括轉 子為4極且定子為6極的3相勵磁型的SR (Switched Reluctance) 馬達2作為發電機。SR馬達2的驅動軸與發動機3的驅動軸連接。 另外，電壓控制裝置1包括PM (Permanent' Magnet)馬達4作為回 旋用的馬達。SR馬達2及PM馬達4分別設有檢測轉速的旋轉傳感 器(未圖示)。
SR馬達2及PM馬達4從由雙電荷層電容器構成的大容量的電 容器5接受電源供給。電容器5也具有對由SR馬達2及PM馬達4 發出的電力進行蓄電的功能。
SR馬達2與作為SR馬達用的逆變器的SR驅動器6連接。SR驅動器 6與由適用于波形成形及電涌吸收的薄膜電容器構成的SR電容器7并 聯連接。SR電容器7并聯連接有將電容器5的電壓升壓并輸出的電壓 變換器8。
圖3是表示電壓變換器8的結構的圖。該圖所示的電壓變換器8 使用將兩個電壓型逆變器AC耦合后的加極性的AC耦合雙向DC-DC 轉換器81來實現。AC耦合雙向DC-DC轉換器81具有兩個電壓型 逆變器即下側逆變器82及上側逆變器83，并且具有將下側逆變器82及上側逆變器83的交流側AC耦合的變壓器84。
對于下側逆變器82而言，作為通電切換用的開關元件在上下橋 臂上橋接各2個總計4個IGBT (絕緣柵雙極性晶體管)821a、 821b、 821c、 821d而成。在IGBT821a、 821b、 821c、 821d上分別并聯連接 有通電切換時產生的回流電流所流經的二極管822a、 822b、 822c、 822d。另一方面，上側逆變器83作為開關元件具有4個IGBT831a、 831b、 831c、 831d。在IGBT831a、 831b、 831c、 831d上分別并聯連 接有二極管832a、 832b、 832c、 832d。
對于下側逆變器82和上側逆變器83而言，下側逆變器82的正 極直流端子和上側逆變器83的負極直流端子被加極性串聯連接。從 外部向AC耦合雙向DC-DC轉換器81施加的電壓由下側逆變器82 和上側逆變器83分壓。
在下側逆變器82上并聯連接有以電涌吸收為主要目的的電容器 85。該電容器85的容量與電容器5的容量相比顯著小。在上側逆變 器83上也與下側逆變器82同樣，并聯連接有電涌吸收用的小容量的 電容器86。電容器85的容量優選大于電容器86的容量。這是因為， 與伸出到電壓變換器8的外側的布線連接的一側的電容器85上產生 的電涌的量大于在電容器86上產生的電涌的量。另外，通過抑制電 容器86的容量，不會使電容器86的容積達到所需程度以上，所以還
具有能夠實現節省空間的優點。
下側逆變器82與變壓器84的線圈84a連接，而上側逆變器83 與變壓器84的線圈84b連接。在下側逆變器82及上側逆變器83的 直流電壓的額定電壓大致相等的情況下，優選線圈84a與線圈84b的 繞組比為1比1。本實施方式中，盡管使線圈84a與線圈84b的繞組 比為1比1，但繞組比能夠適當變更。
變壓器84具有恒定的泄漏電感(設為L)。對于電壓變換器8而 言，泄漏電感被等分割成在線圈84a側為L / 2、在線圈84b側為L / 2。變壓器84將泄漏電感中暫時蓄積的電力通過下側逆變器82及 上側逆變器83的高速開關控制向電容器5等傳送。通常已知的是， 對于變壓器而言，若一次線圈與二次線圈的間隙變寬則泄漏電感增加。因此，在形成變壓器時，大多使一次線圈與二次線圈緊貼來形成。 與此相對，本實施方式中，通過調節一次線圈與二次線圈的間隙即線
圈84a與線圈84b的間隙，主動地制作期望的泄漏電感。此外，也可 以在變壓器84的外部附加電感。
電壓變換器8具有對下側逆變器82及上側逆變器83分別具有的 IGBT中的規定的IGBT的溫度進行測定的IGBT溫度傳感器87和對 變壓器84的溫度進行測定的變壓器溫度傳感器88。
具有以上結構的電壓變換器8的電容器85與電容器5并聯連接， 在電容器5與電容器85之間串聯連接有接觸器9。若接通接觸器9， 則電壓變換器8將電容器5的電壓(一次側電壓)升壓并將該升壓后 的電壓(二次側電壓)向SR馬達2及PM馬達4供給。
電壓變換器8在二次側與對SR馬達2進行勵磁的勵磁電源10 串聯連接。在此，對在電壓控制裝置1中設置勵磁電源10的理由進 行說明。通常，SR馬達2具有在供給電能時生成大的再生能量的特 性，在只是內部的轉子被旋轉驅動時不作為發電機動作。為了使具有 這種特性的SR馬達2作為發電機動作，需要對SR馬達2內的線圈 預先進行勵磁。不過，在發動機3啟動時，SR電容器7的電荷為零， 所以無法在發動機3的啟動時接通接觸器9而通過電容器5對SR馬 達2進行勵磁。為此，本實施方式中，為了在發動機3啟動時對SR 馬達2進行勵磁而設有勵磁電源10。
在電壓變換器8與勵磁電源IO之間串聯連接有二極管11及繼電 器12。 二極管11在SR電容器7的電壓變得大于勵磁電源10的電壓 時切斷勵磁電源IO。另外，繼電器12通過接通或斷開動作控制勵磁 電源10的接入或切斷。
PM馬達4與PM逆變器13連接。PM逆變器13與由薄膜電容 器構成的PM電容器14并聯連接。在PM電容器14上并聯連接有電 壓變換器8。
在SR馬達2與SR驅動器6之間串聯連接有電流傳感器15。另 外，在PM馬達4與PM逆變器13之間串聯連接有電流傳感器16。 在電容器5、 SR電容器7、 PM電容器14、電容器85及86上分別并聯連接有作為電壓傳感器的電壓計17、 18、 19、 89及卯。在電 容器5上連接有絕緣傳感器20。
電壓控制裝置1包括作為控制機構的控制器21。控制器21具有: 進行液壓挖掘機100的車體控制的車體控制部22、通過控制SR驅動 器6來對SR馬達2的速度及扭矩進行控制的SR馬達控制部23、通 過控制PM逆變器13來對PM馬達4的速度進行控制的PM馬達控 制部24、進行電壓變換器8的控制的電壓變換器控制部25、控制接 觸器9的接通或斷開的接觸器控制部26。
圖4是表示控制器21的控制的框線圖。控制器21的車體控制部22 具有生成發動機3及SR馬達2的動作指令的動力管理部221和生成PM 馬達4的動作指令的回旋操作部222，進行基于電容器5的電壓和操作 員對操作桿Lv的操作的車體控制。動力管理部221根據電容器5的電 壓、操作桿Lv的操作狀態及從回旋操作部222送來的回旋動作狀態生 成發動機轉速指令并向發動機3輸出，另一方面，生成SR馬達2的速 度指令及扭矩指令并向SR馬達控制部23輸出。另外，回旋操作部222 根據電容器5的電壓和桿操作狀態生成PM馬達4的速度指令并向PM 馬達控制部24輸出。
SR馬達控制部23利用從車體控制部22輸出的速度指令及扭矩指 令、SR馬達2的轉速及電壓變換器8輸出的直流電壓生成SR馬達2的動 作指令并向SR驅動器6輸出。
PM馬達控制部24利用從車體控制部22輸出的PM馬達4的速度指 令、PM馬達4的轉速及電壓變換器8輸出的直流電壓生成PM馬達4的 動作指令并向PM逆變器13輸出。
電壓變換器控制部25基于電壓變換器8輸出的直流電壓、SR馬達 控制部23輸出的SR馬達2的動作指令、PM馬達控制部24輸出的PM馬 達4的動作指令、電壓變換器8內部的變壓器溫度及IGBT溫度生成直 流電壓指令并向電壓變換器8輸出。
圖5是電壓變換器控制部25輸出的直流電壓指令的計算流程。電 壓變換器控制部25基于從SR馬達控制部23輸出的SR馬達動作指令和 從PM馬達控制部24輸出的PM馬達動作指令生成直流電壓指令V0、在以下的說明中，設SR馬達2及PM馬達4的額定電壓為550 (V)。 另外，電容器5的容量被選定為電容器電壓Vcap的變動范圍在標準的 動作時為150 300 (V)。此外，該電容器電壓Vcap的變動范圍及以 下所示的數值終究只是一例，本實施方式并不由上述數值限定。
首先，電壓變換器控制部25將獲取的電容器電壓Vcap的2倍的量 (2Vcap)作為直流電壓指令的第一候補值V(^(0)而算出(步驟S1)。 該第一候補值V(^(0)二2Vcap是在無負載狀態下AC耦合雙向DC-DC 轉換器81的器件總損失為最小的電壓、即在無負載狀態下AC耦合雙 向DC-DC轉換器的效率為最大的電壓。在此所說的"器件總損失"包 括各IGBT的導通損失、變壓器84的電阻(包括直流電阻、集膚效應、 渦電流損等的交流電阻)，與流經變壓器84的電流的大小成比例。
圖6是表示作為電壓變換器8應用上述的AC耦合雙向DC-DC轉換 器且SR馬達2及PM馬達4的額定電力為550 (V)時的與電容器電壓 Vcap相對應的電壓變換器8的輸出V0與器件總損失的關系圖。在圖6 中可知，以相同輸出作比較時，電容器電壓Vcap為275 (=550 / 2) (V)時器件總損失最小。這是因為，在直流電壓V0為V0二2Vcap的 情況下，與V0^2Vcap的情況相比流經變壓器84的電流變小，且器件 總損失變小(在沒有進行SR馬達2與電容器5的電力交換時，流經變 壓器84的電流理想情況下為零)。此外，本實施方式中，由于將變壓 器84的線圈84a與84b的繞組比設成了l比l，所以在滿足V(^二2Vcap 的情況下AC耦合雙向DC-DC轉換器81的效率為最大，不過，在更一 般的繞組比的情況下，AC耦合雙向DC-DC轉換器81的損失達到最小 的電壓V(^與電容器電壓Vcap成比例，其比例系數根據繞組比來確 定。
電壓變換器控制部25利用獲取的電容器電壓Vcap還進行上述步 驟S1以外的運算。具體而言，電壓變換器控制部25通過兩個不同的 計算方法分別求出用于確定輸出電壓的候補值的兩個輔助候補值 V0*(1)、 V0^(2)后，將其中的最小值作為V(^(3)輸出。
首先，對第一計算方法進行說明。電壓變換器控制部25根據電容 器電壓Vcap的值計算用于確定直流電壓指令的第一輔助候補值V0*(1)(步驟S2)。圖7是表示該計算中參照的電容器電壓Vcap與第一 輔助候補值VC^(1)的關系的圖。該圖所示的曲線Ll在Vcap為180 (V) 以上時作為第一輔助候補值V0V1)取額定電壓550 (V)，但在Vcap低 于180 (V)時，第一輔助候補值V0Y1)逐漸降低。
圖8是表示電容器電壓Vcap與電壓變換器8的最大輸出P0max的 關系的圖。該圖所示的曲線L2 (由實線表示)表示不依賴于電容器電 壓Vcap而將第一輔助候補值V(^(1)以550 (V)設定成恒定時的電容 器電壓Vcap與電壓變換器8的最大輸出P0max的關系。曲線L2中，隨 著電容器電壓Vcap的降低，最大輸出POmax逐漸降低。
與此相對，圖8的曲線L3 (由虛線表示)是表示在Vcap《180 (V)的范圍內使第一輔助候補值V(^(1)如圖7所示的曲線L1那樣 變化時的電容器電壓Vcap與電壓變換器8的最大輸出POmax的關系 的曲線。此外，曲線L3在Vcap》180 (V)的范圍內與曲線L2—致。 從圖8明確可知，對于曲線U而言，在Vcap《180 (V)的范圍內， 最大輸出POmax的降低相比曲線L2受到抑制。因此，電容器電壓 Vcap即便是通常動作的電壓變動范圍(150 300 (V))中的最小值 附近的電壓值，作為最大輸出POmax也能夠得到一定程度的大小。
對于電壓控制裝置l而言，在高負載運轉時等情況下，若電容器 電壓Vcap降低則電壓變換器8的內部溫度上升。為此，本實施方式中， 通過抑制電壓變換器8的輸出電壓，產生保護下側逆變器82及上側逆 變器83且負載少的電壓指令。這樣一來，通過在電容器電壓Vcap低的 區域內使電壓變換器8的效率最優先，結果使電壓控制裝置l整體能夠 提高效率。
圖8中，作為電容器電壓Vcap，使用的是實際的測量值中通過 了 100 (msec)左右的濾波器的值。這是為了防止在電容器電壓Vcap 的變動急劇的情況下AC耦合雙向DC-DC轉換器81輸出的直流電壓 VO的變動變大、電壓控制發生振蕩。
此外，圖8所示的電容器電壓Vcap與最大輸出POmax的關系終 究只是一例，還會因電壓控制裝置1的負載的性能(挙動)、SR馬達 2及PM馬達4的額定電壓等條件而不同。接著，對第二計算方法進行說明(步驟S3 S4)。電壓變換器控
制部25基于電壓變換器8的內部溫度和電容器電壓Vcap計算用于確 定直流電壓指令的第二輔助候補值V012)。本實施方式中，作為電壓 變換器8的內部溫度，IGBT溫度傳感器87及變壓器溫度傳感器88 分別測定規定的IGBT的溫度Tigbt及變壓器84的溫度Ttr。此外， IGBT及變壓器84的溫度是通過將溫度傳感器安裝在適當的位置而 測定的。
步驟S3中，電壓變換器控制部25計算與獲取的IGBT溫度Tigbt 對應的輸出電壓的最小值Vlo(igbt)(步驟S3)。圖9是表示電壓變換 器控制部25參照的IGBT溫度Tigbt與輸出電壓的最小值Vlo(igbt) 的關系的圖。對于該圖所示的曲線L4而言，在IGBT溫度Tigbt為 70 (°C)以下的情況下，最小值Vlo(igbt)為馬達額定電壓550 (V)， 但若IGBT溫度Tigbt超過70 (°C )，則最小值Vlo(igbt)開始減小， 在IGBT溫度為90。C時達到最小值300 (V)。此外，IGBT溫度Tigbt 與輸出電壓的最小值Vlo(igbt)的關系作為能夠防止過熱對IGBT的元 件破壞的關系，根據IGBT的元件的額定性能(定格)等的條件來確 定，圖9所示的曲線L4只不過是一例。
電壓變換器控制部25還計算與獲取的變壓器溫度Ttr對應的輸出 電壓的最小值Vlo(tr)(步驟S4)。圖10是表示電壓變換器控制部25所 參照的變壓器溫度Ttr與輸出電壓的最小值Vlo(tr)的關系的圖。該圖所 示的曲線L5在變壓器溫度Ttr為100rC)以下的情況下，最小值Vlo(tr) 為馬達額定電壓550 (V)，但在變壓器溫度Ttr超過lOO (°C)時，最 小值Vlo(tr)開始減小，在變壓器溫度為130rC)時達到最小值300(V)。 此外，變壓器溫度Ttr與輸出電壓的最小值Vlo(tr)的關系作為能夠防止 變壓器84的過熱所造成的絕緣破壞的關系，根據變壓器84的繞組的絕 緣種類等條件來確定，圖10所示的曲線L5只不過是一例。
接著，電壓變換器控制部25將在步驟S3、 S4中分別求出的 Vlo(igbt)、 Vlo(tr)中的最小值作為Vlo (步驟S5)。
此外，本實施方式中，說明了作為電壓變換器8的內部溫度使用 IGBT溫度Tigbt和變壓器溫度Ttr的情況，不過，也可以僅使用上述溫度中的任一個來求出Vlo。
然后，電壓變換器控制部25使用在步驟S5中設定的最小值Vlo 計算第二輔助候補值V0*(2)(步驟S6)。圖11是表示電壓變換器控 制部25所參照的電容器電壓Vcap與第二輔助候補值V(^(2)的關系 的圖。該圖所示的直線L6在電容器電壓Vcap為150(V)時為V0*(2) =Vlo。另外，第二輔助候補值丫0*(2)隨著電容器電壓Vcap變大而 線性增加，在Vcap二275 (V)時達到最大值550 (V)。特別是，在 Vlo = 300 (V)時，直線L6滿足V(^(2)二2Vcap。通常，直線L6為 Vlo》300 (V)，所以始終滿足V0515(2)》2Vcap。
電壓變換器控制部25將在步驟S2中求出的第一輔助候補值V011) 與在步驟S6中求出的第二輔助候補值V(^(2)作比較，并將小的一方確 定為輸出電壓的直流電壓指令的第二候補值VC^(3)(步驟S7)。
電壓變換器控制部25根據SR馬達2及PM馬達4的驅動狀況選擇 第一候補值V0，)及第二候補值V0V3)中的任一個，并將該選擇的候 補值作為直流電壓指令V(^向電壓變換器8輸出(步驟S8)。具體而言， 電壓變換器控制部25在SR馬達2及PM馬達4停止過程中即無負載狀 態的情況下，將第一候補值VO、0)作為直流電壓指令VO、而在SR馬 達2及PM馬達4中的至少一方處于驅動中的情況下，將第二候補值 V(^(3)作為直流電壓指令V0、圖5中示出了SR馬達2及PM馬達4中的 至少一方處于驅動中，第二候補值V0氣3)被選擇作為直流電壓指令 V(^的情況。
對于例如斬波式DC-DC轉換器那樣以往的電壓變換器而言，公 知的是一次側電壓(相當于電容器電壓Vcap)越大電壓變換器的效 率越高。另外，對于以往的電壓變換器而言，與一次側電壓的變化相 對應的電壓變換器的效率的變化不如AC耦合雙向DC-DC轉換器那 樣大。因此，即便想要控制電壓變換器的效率，在效率提高方面也存 在限度。與之相對，本實施方式中應用的AC耦合雙向DC-DC轉換 器81的效率根據一次側電壓的變化而顯著變化，所以通過進行設定 最佳值的控制，能夠顯著提高系統的效率。
根據以上說明的本發明的一實施方式，在作為蓄電池的電容器與逆變器之間設置將電容器電壓升壓并向逆變器輸出的AC耦合雙向
DC-DC轉換器，基于具有與電容器電壓相對應的值的AC耦合雙向 DC-DC轉換器的效率進行確定直流電壓的控制，所以即使作為負載 側的蓄電池利用大容量電容器，也能夠以使AC耦合雙向DC-DC轉 換器的效率達到最佳的方式確定直流電壓。因而，即使在與逆變器連 接的負載大且電容器電壓的變動大的情況下，也能夠提高系統整體的 效率。
另外，根據本實施方式，電壓變換器自身的損失少，所以能夠抑 制電壓變換器內部的溫度上升，防止因溫度上升而造成的IGBT的元 件破壞及變壓器的絕緣破壞，并保護內部部件。因而，不會破壞基于 電壓變換器的電力交換，能夠實現系統的順暢的持續動作。
進而，根據本實施方式，根據電容器電壓使用電壓變換器的效率 高的動作區域，由此能夠減少損失，改善燃料消耗率。 (變形例)
本實施方式的電壓控制方法中，電壓變換器控制部25在步驟S2 中所參照的電容器電壓Vcap與第一輔助候補值V(^(l)的關系不應限 定于圖7所示的曲線Ll。圖12是表示在步驟S2中參照的電容器電 壓Vcap與第一輔助候補值VO，l)的關系的圖。圖U所示的曲線L7 以第一輔助候補值V(^(l)根據電容器電壓Vcap在規定的范圍(圖12 中為500 550 (V))內變化的方式設定。該范圍的選取方式基于馬 達額定電壓來確定，以根據電容器電壓Vcap的變化電壓變換器8的 效率達到基本恒定、或電壓變換器8的效率變高的方式設定。
以下，說明曲線L7的設定方法的一例。圖13是表示輸出電壓V(^ 為550 (V)時的電壓變換器8的輸出與效率的關系的圖。電壓變換器 8如上所述，輸出電壓V(^為電容器電壓的2倍時效率最高。為此，在 將第一輔助候補值V0、1)在500 550 (V)的范圍內進行設定時，任 意的電容器電壓Vcap與輸出電壓V(^的關系視作大體上與圖13所示 的關系相似。例如，V0* = 500 (V)時，圖13所示的275 (V)的曲 線視作Vcap二V(^ / 2=250 (V)的線。另外，V0* = 520 (V)時， 圖13所示的275 (V)的曲線視作Vcap二VOV 2 = 260 (V)的線。這樣一來，生成輸出電壓V(^處于500 550 (V)的范圍時的電 壓變換器8的輸出與效率的全部關系，并按照規定的規則生成根據電 容器電壓Vcap的變化(150 300 (V))電壓變換器8的效率達到基 本恒定、或相對于電壓的變動電壓變換器8的效率始終良好這樣的曲 線，由此得到曲線L7。
至此，詳述了用于實施本發明的最佳方式，不過，本發明并不由 上述一實施方式限定。例如，本發明中，與發動機連接的馬達也可以 是SR馬達以外的馬達，例如可以是PM馬達。該情況下，不需要勵磁 電源。
另外，本發明當然也能夠應用在液壓挖掘機以外的建筑機械中， 還能夠應用在建筑機械以外的各種類型的混合動力車輛中。
此外，本發明中，與電壓變換器連接的負載也可以是馬達以外的 裝置。
這樣，本發明還包括此處未記載的各種實施方式等，能夠在不脫 離由權利要求確定的技術思想的范圍內實施各種設計變更等。 產業上的可利用性
如上所述，本發明在驅動軸相互連接的發動機及馬達作為驅動源 的混合動力車輛中有效，特別適合于負載變動大的混合動力建筑機
權利要求
1.一種電壓控制裝置，其特征在于，包括電容器，其向規定的負載供給電力；逆變器，其與所述負載連接；AC耦合雙向DC-DC轉換器，其包括直流端子被加極性串聯連接的兩個電壓型逆變器、及將所述兩個電壓型逆變器的交流端子AC耦合且具有規定的泄漏電感的變壓器，所述兩個電壓型逆變器之一與所述電容器并聯連接，并向所述逆變器輸出將所述電容器的電容器電壓升壓后的直流電壓；控制機構，其基于具有與所述電容器電壓相對應的值的所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率，生成并輸出所述直流電壓的指令值。
2. 根據權利要求l所述的電壓控制裝置，其特征在于，在所述電容器電壓取規定的范圍的值時，所述控制機構使所述直流電 壓的指令值不依賴于所述電容器電壓而設為恒定，在所述電容器電壓取所述范圍外的值時，所述控制機構將所述直流電 壓的指令值設為與所述恒定值相比使所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的效 率變好的值。
3. 根據權利要求l所述的電壓控制裝置，其特征在于， 所述控制機構使所述直流電壓的指令值根據所述電容器電壓在規定的范圍內變化。
4. 根據權利要求1 3中任一項所述的電壓控制裝置，其特征在于， 所述控制機構在生成所述直流電壓的指令值時，使用與所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的內部溫度相對應地確定的候補值。
5. 根據權利要求4所述的電壓控制裝置，其特征在于， 所述電壓型逆變器具有多個開關元件，所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的內部溫度是所述多個開關元件中的 任一個的溫度及/或所述變壓器的溫度。
6. 根據權利要求1 5中任一項所述的電壓控制裝置，其特征在于， 所述控制機構將無負載狀態下的所述直流電壓的指令值設為與所述電容器電壓成比例的電壓。
7. 根據權利要求6所述的電壓控制裝置，其特征在于， 所述負載為馬達。
8. —種電壓控制方法，是包括如下裝置的系統的電壓控制方法，所 述裝置為電容器，其向規定的負載供給電力；逆變器，其與所述負載連接；AC耦合雙向DC-DC轉換器，其包括直流端子被加極性串聯連接的兩 個電壓型逆變器、及將所述兩個電壓型逆變器的交流端子AC耦合且具有規定的泄漏電感的變壓器，所述兩個電壓型逆變器之一與所述電容器并聯 連接，并向所述逆變器輸出將所述電容器的電容器電壓升壓后的直流電 壓，所述電壓控制方法的特征在于，基于具有與所述電容器電壓相對應的值的所述AC耦合雙向DC-DC轉 換器的效率，生成并輸出所述直流電壓的指令值。
9. 根據權利要求8所述的電壓控制方法，其特征在于， 在所述電容器電壓取規定的范圍的值時，使所述直流電壓的指令值不依賴于所述電容器電壓而為恒定，在所述電容器電壓取所述范圍外的值時，將所述直流電壓的指令值設 為與所述恒定值相比使所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率變好的值。
10. 根據權利要求8所述的電壓控制方法，其特征在于， 使所述直流電壓的指令值根據所述電容器電壓在規定的范圍內變化。
11. 根據權利要求8 10中任一項所述的電壓控制方法，其特征在于， 在生成所述直流電壓的指令值時，使用與所述AC耦合雙向DC-DC轉換器的內部溫度相對應地確定的候補值。
全文摘要
本發明提供一種在作為蓄電池的電容器的電壓變動大的情況下也能夠提高系統整體的效率的電壓控制裝置及電壓控制方法。所述電壓控制裝置包括向規定的負載供給電力的電容器；與負載連接的逆變器；包括直流端子被加極性串聯連接的兩個電壓型逆變器及將兩個電壓型逆變器的交流端子AC耦合且具有規定的泄漏電感的變壓器，并且兩個電壓型逆變器之一與電容器并聯連接，向逆變器輸出將電容器的電容器電壓升高了的直流電壓的AC耦合雙向DC-DC轉換器；基于具有與電容器電壓相對應的值的AC耦合雙向DC-DC轉換器的效率，生成并輸出直流電壓的指令值的控制機構。
文檔編號H02P9/14GK101606309SQ20088000472
公開日2009年12月16日 申請日期2008年2月14日 優先權日2007年2月16日
發明者佐藤知久 申請人:株式會社小松制作所