CN102804573B - 转换器控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转换器控制装置，其能够在多相的软开关转换器中通过防止各相的辅助电路的动作干涉而将辅助开关等的元件破坏防止于未然。占空比阈值输入单元(342)输入求出的占空比偏差容许值。另一方面，占空比偏差运算单元(341)判断各相之间的占空比偏差是否超过占空比偏差容许值Dth。占空比偏差运算单元(341)在各相之间的占空比偏差超过占空比偏差容许值Dth的情况下，基于PID控制规则分别校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，并向FC转换器控制电路(350)输出。另一方面，占空比偏差运算单元(341)在各相之间的占空比偏差不超过占空比偏差容许值Dth的情况下，不校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，而向FC转换器控制电路(350)输出。

Description

转换器控制装置

技术领域

本发明涉及控制燃料电池的输出电压的转换器控制装置。

背景技术

在搭载于汽车等的燃料电池系统中，为了应对超过燃料电池的发电能力的急剧的负载变化等，提出了各种具备燃料电池和蓄电池作为动力源的混合型的燃料电池系统。

在混合型的燃料电池系统中，利用DC/DC转换器控制燃料电池的输出电压、蓄电池的输出电压。作为进行这种控制的DC/DC转换器，广泛使用使功率晶体管、IGBT、FET等开关元件进行PWM动作而进行电压变换的形式的DC/DC转换器。对于DC/DC转换器，伴随着电子设备的省电力化、小型化及高性能化，期望进一步的低损失、高效率及低噪声化，尤其是期望减少伴随PWM动作的开关损失、开关浪涌。

作为减少这种开关损失、开关浪涌的技术的一种，有软开关技术。此处，软开关是用于实现ZVS(ZeroVoltageSwitching：零电压开关)或ZCS(ZeroCurrentSwitching：零电流开关)的开关方式，功率半导体设备的开关损失、给予其的应力较低。与此相对，通过功率半导体设备具有的开关功能将电压/电流直接接通/断开的开关方式被称为硬开关。在以下的说明中，将实现ZVS/ZCS的双方或其一方的方式称为软开关，将这以外的方式称为硬开关。

软开关通过在具备例如电感器、开关元件、二极管的一般的升降压型DC/DC转换器上附加用于降低开关损失的辅助电路后的装置(所谓的软开关转换器)而实现(例如参照专利文献1)。

另一方面，为了实现高速化、大容量化、低脉动化，目前利用将多个DC/DC转换器并联连接成的多相DC/DC转换器(多相转换器)。

关于这种多相转换器，在通过软开关转换器构成各相的转换器的情况下，虽然能够实现高速化、大容量化等，但担心转换器大型化的问题。关于该问题，可考虑使构成各相的软开关转换器的辅助电路的一部分的部件、例如辅助线圈通用。由此，能够实现多相的软开关转换器的小型化。

专利文献1：JP特开2005-102438号公报

发明内容

但是，在多相的软开关转换器中，若各相的辅助电路的动作干涉而二相量以上的电流流向辅助线圈，则辅助线圈的电感特性恶化。

若对于其理由进行说明，则通常对于辅助线圈，以流过一相量的电流为前提而设定最大容许电流Imax(参照图16)并进行设计，但各相的辅助电路的动作干涉而最大容许电流Imax以上的电流Iu(即二相量以上的电流)流向辅助线圈时，辅助线圈的电感特性会恶化。由此额定以上的电流流向构成辅助电路的其他电路元件(例如开关元件)，存在在最差的情况下会导致元件破坏的问题。

本发明鉴于以上说明的问题而创立，其目的在于提供一种转换器控制装置，其在多相的软开关转换器中，能够通过防止各相的辅助电路的动作干涉而将辅助开关等的元件破坏防止于未然。

为了解决上述课题，本发明的转换器控制装置，是控制燃料电池的输出电压的、对于每相设有辅助电路的多相软开关转换器的控制装置，其特征在于，构成所述各相的辅助电路的辅助线圈对所有相的辅助电路通用；所述转换器控制装置包括：计算单元，算出构成各相的辅助电路的辅助开关的占空比；偏差导出单元，导出所述各相之间的辅助开关的占空比偏差；及控制单元，控制所述各相的辅助开关的占空比，以使导出的各个所述占空比偏差不超过设定阈值。

根据该构成，对于多相软开关转换器，导出各相之间的辅助开关的占空比偏差，控制各相的辅助开关的占空比以使导出的各占空比偏差不超过设定阈值，因此能够防止各相的辅助电路的动作干涉，能够将电路异常(元件破坏等)的发生防止于未然。

此处，在上述构成中，优选，所述各相的转换器包括主升压电路和所述辅助电路，所述主升压电路具有：一端与所述燃料电池的高电位侧的端子连接的主线圈；一端与所述主线圈的另一端连接且另一端与所述燃料电池的低电位侧的端子连接的、进行切换的主开关；阴极与所述主线圈的另一端连接的第一二极管；及设置在所述第一二极管的阳极和所述主开关的另一端之间的平滑电容器，所述辅助电路具有：第一串联连接体，与所述主开关并联连接、且与所述主线圈的另一端和所述燃料电池的低电位侧的端子连接，并包括第二二极管和缓冲电容器；及第二串联连接体，连接于所述第二二极管和所述缓冲电容器相连的连接部位与所述主线圈的一端之间，包括第三二极管、辅助线圈和通用的所述辅助开关。

另外，在上述构成中，还优选，所述各相的转换器包括续流二极管，该续流二极管用于在所述辅助线圈通电的状态下所述辅助开关断开时向与所述通电时相同的方向继续流过电流，所述续流二极管中，阳极端子连接于所述燃料电池的低电位侧，并且阴极端子连接于所述辅助线圈和所述辅助开关相连的连接部位。

此外，在上述构成中，优选，设所述设定阈值为Dth、所述辅助开关的驱动频率为f、驱动相数为n、所述辅助线圈的通电时间为Tso时，该设定阈值由下述式(10)所示：

$\mathrm{Dth}=\frac{(\mathrm{Tsc}/n-\mathrm{Tso})}{\mathrm{Tsc}}=1/n-\mathrm{Tso}*f...\left(10\right).$

另外，在上述构成中，还优选，所述辅助线圈的通电时间Tso由下述式(11)所示：

$\mathrm{Tso}=t\mathrm{mode}1+t\mathrm{mode}2=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}+\mathrm{\π}\sqrt{L2\mathrm{id}*C2d}+\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{\mathrm{VL}}...\left(11\right).$

另外，本发明的另一转换器控制装置，是控制燃料电池的输出电压的、对于每相设有辅助电路的多相软开关转换器的控制装置，其特征在于，构成所述各相的辅助电路的辅助线圈对所有相的辅助电路通用，并且，该辅助线圈的通电容量下限值被设定为大于总电流值的值，其中，所述总电流值是将接通所述各相的辅助开关时各相中流动的电流相加而得到的。

发明效果

根据本发明，在多相的软开关转换器中，通过防止各相的辅助电路的动作干涉，能够将辅助开关等的元件破坏防止于未然。

附图说明

图1是本实施方式的FCHV系统的系统构成图。

图2是表示该实施方式的多相的FC软开关转换器的电路构成的图。

图3是表示该实施方式的FC软开关转换器的1相量的电路构成的图。

图4是表示该实施方式的软开关处理的流程图。

图5是表示模式1的动作的图。

图6是表示模式2的动作的图。

图7是表示模式3的动作的图。

图8是表示模式4的动作的图。

图9是表示模式5的动作的图。

图10是表示模式6的动作的图。

图11是例示模式5的缓冲电容器电压Vc、元件电压Ve、元件电流Ie的关系的图。

图12是表示从模式2向模式3的迁移过程中的电压/电流状况的图。

图13是例示各模式中的通电图案的图。

图14是例示按照U相→V相→W相的顺序进行相位移动后的三相的FC软开关转换器中的占空比控制脉冲的波形图的图。

图15是用于说明防止干涉占空比控制功能的功能框图。

图16是表示辅助线圈的电感特性的图。

具体实施方式

A.本实施方式

以下，参照各图说明本发明的实施方式。图1表示本实施方式的车辆上所搭载的FCHV系统的构成。以下的说明中假想燃料电池汽车(FCHV；FuelCellHybridVehicle)作为车辆的一例，但也能够适用于电动汽车等。另外，不仅能够适用于车辆，还能够适用于各种移动体(例如船舶、飞机、机器人等)、固定式电源、进而便携式的燃料电池系统。

A-1.系统的整体构成

FCHV系统100中，在燃料电池110和逆变器140之间设有FC转换器2500，并且在蓄电池120和逆变器140之间设有DC/DC转换器(以下称为蓄电池转换器)180。

燃料电池110是将多个单元电池串联层叠而成的固体高分子电解质型电池组。燃料电池110中，安装有用于检测燃料电池110的输出电压Vfcmes的电压传感器V0、及用于检测输出电流Ifcmes的电流传感器I0。燃料电池110中，在阳极发生(1)式的氧化反应，在阴极发生(2)式的还原反应，作为燃料电池110整体发生(3)式的起电反应。

H₂→2H⁺+2e^-···(1)

(1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O···(2)

H₂+(1/2)O₂→H₂O···(3)

单元电池具有由用于供给燃料气体和氧化气体的隔板夹持MEA而成的构造，所述MEA由燃料极及空气极这两个电极夹持高分子电解质膜等而成。阳极是将阳极用催化剂层设于多孔质支承层上，阴极是将阴极用催化剂层设于多孔质支承层上。

燃料电池110中，设有将燃料气体向阳极供给的系统、将氧化气体向阴极供给的系统、及提供冷却液的系统(均省略图示)，根据来自控制器160的控制信号，控制燃料气体的供给量、氧化气体的供给量，由此能够发出期望的电力。

FC转换器2500承担控制燃料电池110的输出电压Vfcmes的作用，是如下所述的双向电压变换装置：将向一次侧(输入侧：燃料电池110侧)输入的输出电压Vfcmes变换成不同于一次侧的电压值(升压或降压)而向二次侧(输出侧：逆变器140侧)输出，或者相反地，将向二次侧输入的电压变换成不同于二次侧的电压而向一次侧输出。通过该FC转换器2500，将燃料电池110的输出电压Vfcmes控制成对应于目标输出的电压。

蓄电池120相对于负载130与燃料电池110并联连接，作为剩余电力的储存源、再生制动时的再生能量储存源、伴随着燃料电池车辆的加速或减速的负载变动时的能量缓冲器发挥作用。作为蓄电池120，例如利用镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。

蓄电池转换器180承担控制逆变器140的输入电压的作用，例如具有与FC转换器2500同样的电路构成。虽然作为蓄电池转换器180也可以采用升压型的转换器，但也可以取而代之采用能够进行升压动作及降压动作的升降压型的转换器，能够采用可控制逆变器140的输入电压的所有构成。

逆变器140是例如以脉冲宽度调制方式驱动的PWM逆变器，根据来自控制器160的控制指令，将从燃料电池110或蓄电池120输出的直流电力变换成三相交流电力，而控制牵引电动机131的转矩。

牵引电动机131是作为本车辆的主动力的装置，还在减速时产生再生电力。差速器132是减速装置，将牵引电动机131的高速旋转减速为规定的转速，使设有轮胎133的轴旋转。在轴上设有未图示的车轮速度传感器等，由此检测该车辆的车速等。本实施方式中，将能够接受从燃料电池110供给的电力而动作的全部设备(包括牵引电动机131、差速器132)总称为负载130。

控制器160是FCHV系统100的控制用的计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。控制器160中，输入从传感器组170供给的各种信号(例如表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池110的输出电流、输出端子电压的信号等)，而求出负载130的要求电力(即系统整体的要求电力)。

负载130的要求电力是例如车辆行驶电力和辅机电力的总计值。辅机电力中包括由车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵、及冷却水循环泵等)所消耗的电力、由车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置、及悬架装置等)所消耗的电力、由在乘员空间内配置的装置(空调装置、照明设备、及音响等)所消耗的电力等。

并且，控制器(转换器控制装置)160决定燃料电池110和蓄电池120的各自的输出电力的分配，并运算发电指令值。控制器160求出相对于燃料电池110及蓄电池120的要求电力后，控制FC转换器2500及蓄电池转换器180的动作以得到这些要求电力。

A-2.FC转换器的构成

如图1所示，FC转换器2500具备作为由U相、V相、W相构成的三相的共振型转换器的电路构成。三相共振型转换器的电路构成中，组合有将输入的直流电压临时变换成交流的类似逆变器的电路部分和将该交流再次整流而变换成不同的直流电压的部分。本实施方式中，作为FC转换器2500采用具备自振荡电路(详细如后所述)的多相的软开关转换器(以下称为多相的FC软开关转换器)。

A-2-1.多相的FC软开关转换器的说明

图2是表示在FCHV系统100上搭载的多相的FC软开关转换器2500的电路构成的图，图3是表示多相的FC软开关转换器2500的1相量的电路构成的图。

以下的说明中，将构成多相的FC软开关转换器2500的U相、V相、W相的FC软开关转换器分别称为FC软开关转换器250a、250b、250c，在无需特别区别的情况下，仅称为FC软开关转换器250。另外，将向FC软开关转换器250输入的升压前的电压称为转换器输入电压Vin，将从FC软开关转换器250输出的升压后的电压称为转换器输出电压Vout。

如图3所示，各FC软开关转换器250包括用于进行升压动作的主升压电路22a、用于进行软开关动作的辅助电路22b、及自振荡电路22c而构成。

主升压电路22a通过由IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极型晶体管)等构成的第一开关元件S1和由二极管D4构成的开关电路的开关动作，使存储于线圈L1的能量经由二极管D5向负载130释放，从而使燃料电池110的输出电压升压。

若详细说明，则线圈L1的一端与燃料电池110的高电位侧的端子连接，第一开关元件S1的一端的极与线圈L1的另一端连接，第一开关元件S1的另一端的极与燃料电池110的低电位侧的端子连接。另外，二极管D5的阳极端子与线圈L1的另一端连接，此外，作为平滑电容器发挥作用的电容器C3与二极管D5的阴极端子和第一开关元件S1的另一端之间连接。在主升压电路22a上，在燃料电池110侧设有平滑电容器C1，由此能够减少燃料电池110的输出电流的脉动。

此处，施加于电容器C3的电压VH作为FC软开关转换器150的转换器输出电压Vout，施加于平滑电容器C1的电压VL作为燃料电池110的输出电压且FC软开关转换器150的转换器输入电压Vin。

辅助电路22b中包括第一串联连接体，其与第一开关元件S1并联连接，且包括二极管D3和与该二极管D3串联连接的缓冲电容器C2。第一串联连接体中，二极管D3的阳极端子与线圈L1的另一端连接，二极管D3的阴极端子与缓冲电容器C2的一端连接。此外，缓冲电容器C2的另一端与燃料电池110的低电位侧的端子连接。

此外，在辅助电路22b中，还包括由二极管D2和第二开关元件S2及二极管D1、各相中通用的辅助线圈L2构成的第二串联连接体。

第二串联连接体中，二极管D2的阳极端子与第一串联连接体的二极管D3和缓冲电容器C2的连接部位连接。此外，二极管D2的阴极端子与第二开关元件(辅助开关)S2的一端的极连接。另外，第二开关元件S2的另一端的极与辅助线圈L2和自振荡电路22c的连接部位连接。续流二极管D6的阳极端子与燃料电池110的低电位侧连接，另一方面，续流二极管D6的阴极端子与辅助线圈L2连接。该自振荡电路22c具备各相中通用的续流二极管D6，是是为了即使在辅助线圈L2通电中第二开关元件S2出现断开故障等时也将破坏第二开关元件S2的浪涌电压的发生防止于未然而设置的用于实现故障安全功能的电路。在不具备自振荡电路22c的构成中也能够适用本发明。

在如此构成的FC软开关转换器25中，控制器160调整各相的第一开关元件S1的开关占空比，由此控制由FC软开关转换器25产生的升压比、即转换器输出电压Vout相对于转换器输入电压Vin之比。另外，通过在第一开关元件S1的开关动作中介有辅助电路12b的第二开关元件S2的开关动作，而实现软开关。

接着，对由FC软开关转换器25产生的软开关动作，参照图4～图8进行说明。图4是表示介有软开关动作的FC软开关转换器25的一个周期的处理(以下称为软开关处理)的流程图，控制器160依次执行图4所示的步骤S101～S106，从而形成一个周期。在以下的说明中，将表示FC软开关转换器25的电流、电压的状态的模式分别表现为模式1～模式6，在图5～图8中表示该状态。另外，图5～图8中以箭头表示流过电路的电流。

＜软开关动作＞

首先，进行图4所示的软开关处理的初始状态是从燃料电池110供给负载130所要求的电力的状态，即将第一开关元件S1、第二开关元件S2一起断开从而使电流经由线圈L1、二极管D5向负载130供给的状态。

(模式1；参照图5)

在步骤S101中，保持第一开关元件S1的断开，另一方面，将第二开关元件S2接通。若进行该开关动作，则通过FC软开关转换器150的输出电压VH和输入电压VL的电位差，使流向负载130侧的电流经由线圈L1、二极管D3、第二开关元件S2、辅助线圈L2逐渐向辅助电路12b侧转移。图5中，以空心箭头表示电流从负载130侧向辅助电路12b侧的转移状态。

另外，通过使第二开关元件S2接通，向图5所示的箭头Dm11的方向产生电流的循环。此处，第二开关元件S2的电流变化速度根据辅助线圈L2的两端电压(VH-VL)和辅助线圈L2的电感而增加，但流向第二开关元件S2的电流被辅助线圈L2抑制，因此作为结果，实现经由二极管D5流向负载130侧的电流(参照图5所示的箭头Dm12)的软断开。

此处，通过下述式(4)表示从模式1向模式2的迁移结束时间tmode1。

$t\mathrm{mode}1=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}...\left(4\right)$

Ip；相电流

L2id；辅助线圈L2的电感

(模式2；参照图6)

经过上述迁移结束时间而向步骤S102转移后，流过二极管D5的电流变为零，电流经由线圈L1及二极管D5流入辅助电路12b侧(参照图6所示的箭头Dm21)，并且代替之而通过缓冲电容器C2和燃料电池110的电压VL的电位差，充电到缓冲电容器C2的电荷流向辅助电路12b侧(参照图6所示的箭头Dm22)。根据该缓冲电容器C2的容量，决定施加于第一开关元件S1的电压。

此处，图12是表示从模式2向模式3的迁移过程中的电压/电流状况的图，以粗实线表示燃料电池110的电压，以细实线表示缓冲电容器C2的电压，以虚线表示缓冲电容器C2的电流。

图6所示的Dm21的路径的通电开始后(参照图12所示的(A))，通过缓冲电容器C2的电压VH与燃料电池110的电压VL的电位差，开始图6所示的Dm22的路径的通电、即向辅助线圈L2的通电(参照图12所示的(B))。此处，如图12所示，缓冲电容器C2的电流持续上升直至缓冲电容器C2的电压达到燃料电池110的电压VL。详细地说，虽然通过缓冲电容器C2的电压VH和燃料电池110的电压VL的电位差而蓄积于缓冲电容器C2的电荷开始向电源侧再生(图6所示的箭头Dm22)，但由于本来的电位差为(VH-VL)，因此蓄积于缓冲电容器C2的电荷的流动(放电)达到电源电压(即燃料电池110的电压VL)时(图12所示的时刻Tt1)停止时，由于辅助线圈L2的特性(即要使电流持续流动的特性)，即使缓冲电容器C2的电压变为VL以下也要使电荷继续流动(参照图12所示的(C))。此时，若下述式(4)’成立，则缓冲电容器C2的电荷全部流动(放电)。

$\frac{1}{2}L*I^2>\frac{1}{2}C*V^2...{\left(4\right)}^{,}$

左边；蓄积于辅助线圈L2的能量

右边；残存于缓冲电容器C2的能量

蓄积于缓冲电容器C2的电荷消失时，在图6所示的Dm23的路径上进行自振荡动作，使通电继续(参照图12所示的(D))。由此，蓄积于辅助线圈L2的能量全部被放出。在辅助线圈L2的一端连接有二极管D2的阳极，因此LC共振以半波停止。因此，缓冲电容器C2在放电后保持0V。

此处，从模式2向模式3的迁移结束时间tmode2由下述式(5)表示。

tmode2＝tmode2′+1mode2″···(5)

$t\mathrm{mod}{e2}^{\′}=\mathrm{\π}\sqrt{L2\mathrm{id}*C2d}...{\left(5\right)}^{,}$

$t\mathrm{mod}{2e}^{\′\′}=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{\mathrm{VL}}...{\left(5\right)}^{,,}$

C2d；电容器C2的容量

(模式3；参照图7)

在图6所示的Dm22的路径上电流流动的动作结束，缓冲电容器C2的电荷脱离完毕、或变成最小电压(MIN电压)时，第一开关元件S1被接通，向步骤S103转移。在缓冲电容器C2的电压变为零的状态下，施加于第一开关元件S1的电压也变为零，因此实现了ZVS(ZeroVoltageSwitching：零电压开关)。该状态下，流向线圈L1的电流Il1成为箭头Dm31所示的流向辅助电路12b侧的电流Idm31和箭头Dm32所示的经由第一开关元件S1流动的电流Idm32之和(参照下述式(6))。

In＝Idm31+Idm32···(6)

此处，流向第一开关元件S1的电流Idm31根据流向辅助电路12b侧的电流Idm31的减少速度而决定。由于流向辅助电路12b侧的电流Idm31的电流变化速度由下述式(7)表示、即流向辅助电路12b侧的电流Idm31按照下述式(7)的变化速度而减少，因此即使将第一开关元件S1接通，流向第一开关元件S1的电流也不会急剧上升，实现了ZCS(ZeroCurrentSwitching：零电流开关)。

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\mathrm{VL}}{L2}...\left(7\right)$

(模式4；参照图8)

并且，在步骤S104中，通过使步骤S103的状态继续，使流入线圈L1的电流量增加而使蓄积于线圈L1的能量逐渐增加(图8中参照箭头Dm42)。此处，由于二极管D2存在于辅助电路12b，所以逆电流不流向辅助线圈L2，不经由第二开关元件S2对缓冲电容器C2进行充电。另外，由于在该时点第一开关元件S1接通，因此不经由二极管D3对缓冲电容器C2进行充电。因此，线圈L1的电流＝第一开关元件S1的电流，使储存于线圈L1的能量逐渐增加。此处，第一开关元件S1的接通时间Ts1由下述式(8)近似地表示。

Ts1＝(1-VL/VH)*Tcon···(8)

Tcon；控制周期

控制周期是指将步骤S101～步骤S106的一系列处理设为一个周期(一个循环)时的软开关处理的时间周期。

(模式5；参照图9)

步骤S104中在线圈L1中储存期望的能量后，第一开关元件S12被断开，电流流向图9中箭头Dm51所示的路径。此处，图11是例示模式5中的缓冲电容器C2的电压(以下称为缓冲电容器电压)Vc、施加于第一开关元件S1的电压(以下称为元件电压)Ve、流过第一开关元件S1的电流(以下称为元件电流)Ie的关系的图。进行上述开关动作后，在模式2中向电荷泄漏而成为低电压状态的缓冲电容器C2充入电荷，由此，缓冲电容器电压Vc朝向FC软开关转换器150的转换器输出电压VH上升。此时，元件电压Ve的上升速度被向缓冲电容器C2的充电抑制(即，元件电压的上升变得迟缓)，能够进行ZVS动作，该ZVS动作减少在元件电流Ve中存在尾电流的区域(参照图11所示的α)上的开关损失。

(模式6；参照图10)

缓冲电容器C2被充电至电压VH后，储存于线圈L1的能量被向负载130侧释放(参照图9所示的箭头Dm61)。此处，第一开关元件S1的断开时间Ts2由下述式(9)近似地表示。

Ts2＝(VL/VH)*Tcon···(9)

通过进行以上说明的软开关处理而尽可能地抑制FC软开关转换器150的开关损失，从而能够使燃料电池110的输出电压上升至期望的电压，并向负载130供给。

此处，图13是例示FC软开关转换器25的各模式中的通电图案的图，以粗实线表示流向线圈L1的电流，以虚线表示流向辅助线圈L2的电流。

如图13所示，第二开关元件接通时，辅助电路12b工作而电流流向辅助线圈L2(参照图13所示的模式1及模式2)。在各相的FC软开关转换器25中，电流流向辅助线圈L2的时间(以下称为辅助电路工作时间)Tso重叠时，各相的辅助电路的动作发生干涉而最大容许电流Imax以上的电流Iu(即二相量以上的电流)流向辅助线圈L2，辅助线圈L2的电感特性恶化(参照发明内容项及图16)。

为了解除该问题，在本实施方式中，控制成对各相的第二开关元件S2设定的占空比的偏差不超过由下述式(10)所表示的占空比偏差容许值Dth。

$\mathrm{Dth}=\frac{(\mathrm{Tsc}/n-\mathrm{Tso})}{\mathrm{Tsc}}=1/n-\mathrm{Tso}*f...\left(10\right)$

f；开关元件S2的驱动频率

Tsc；1周期时间(＝1/f)

n；驱动相数

此处，辅助电路动作时间Tso由下述(11)式表示。

$\mathrm{Tso}=t\mathrm{mod}e1+t\mathrm{mod}e2=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{(\mathrm{VH}-\mathrm{VL})}+\mathrm{\π}\sqrt{L2\mathrm{id}*C2d}+\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{\mathrm{VL}}...\left(11\right)$

本实施方式中，实施使各相之间的占空比偏差不超过利用式(10)求出的占空比偏差容许值Dth的控制。更详细地说，控制成U相的占空比D(u)、V相的占空比D(v)、W相的占空比D(w)满足下述式(12)～(14)。

D(v)-D(u)＜Dth···尺12)

D(w)-D(v)＜Dth···(13)

D(u)-D(w)＜Dth···(14)

此处，以各相的占空比为50％的情况为例，参照图13对于各相的占空比偏差容许时间Tth进行说明。图14是例示以U相→V相→W相的顺序进行相位移动后的三相的FC软开关转换器250中的占空比控制脉冲的波形图的图。

图14所示的各相的占空比控制脉冲通过产生每隔120°相位移动的三角波的脉冲发生器(图示略)生成，通过该占空比控制脉冲来控制构成U相、V相、W相的辅助电路22b的第二开关元件S2的占空比。

如图14所示，占空比为50％时的各相的占空比偏差容许时间Tth如下述式(10)’所示。

Tth＝Tso-Tsc/n···(10)’

如以上所说明，在本实施方式中，以各相之间的占空比偏差不超过式(10)所示的占空比偏差容许值Dth的方式(换言之以各相之间的占空比偏差时间不超过由式(10)’所示的占空比偏差容许时间Tth的方式)控制DC-DC转换器20。通过如此防止各相的辅助电路22c的动作干涉，能够将现有技术的问题、即电路异常(元件破坏等)的发生防止于未然。以下，对用于防止各相的辅助电路22c的动作干涉的第二开关元件S2的占空比的控制(以下称为防止干涉占空比控制)的详细情况，参照图15所示的功能模块进行说明。

＜防止干涉占空比控制＞

图15是用于说明由控制器160等实现的防止干涉占空比控制功能的功能框图。如上所述，在本实施方式中假想使用由U相、V相、W相构成的三相共振型的FC软开关转换器2500来控制燃料电池110的输出的情况。

FC要求电力输入单元210基于负载130的要求电力，导出相对于燃料电池110的要求电力指令值(以下称为FC要求电力指令值)Preq，并将其向指令电流运算单元240输出。

FC电压输入单元220输入由电压传感器V0检测出的燃料电池110的输出电压Vfcmes，并将其向指令电流运算单元240、偏差运算单元250输出。

FC测定电力输入单元230输入燃料电池110的实际的输出电力测定值(以下称为FC输出电力测定值)Pfcmes，并将其向偏差运算单元250输出。此处，FC输出电力测定值Pfcmes虽然也可以根据由电压传感器V0检测出的燃料电池110的输出电压Vfcmes和由电流传感器I0检测出的燃料电池110的输出电流Ifcmes求出，但也可以使用电力计(第二测定单元)等直接求出FC输出电力测定值Pfcmes。

指令电流运算单元240将从FC要求电力单元210供给的FC要求电力指令值Preq除以从FC电压输入单元220供给的燃料电池110的输出电压Vfcmes等，导出相对于燃料电池110的要求电流指令值(以下称为FC要求电流指令值)Iref。并且，指令电流运算单元240将导出的FC要求电流指令值Iref向指令电流校正单元260输出。

偏差运算单元250求出FC要求电力指令值Preq和FC输出电力测定值Pfcmes之间的电力偏差(差分)，并将该电力偏差向PID校正量运算单元270输出。

PID校正量运算单元270基于从偏差运算单元250输出的电力偏差，并基于PID控制规则来运算相对于燃料电池110的要求电流指令值的校正量Icrt，并将其向指令电流校正单元260输出。

指令电流校正单元260在从指令电流运算单元240输出的FC要求电流指令值Iref上加上从PID校正量运算单元270输出的校正量(PID校正项)Icrt，生成修正FC电流指令值Iamref。并且，指令电流校正单元260将生成的修正FC电流指令值Iamref向相电流分配单元280输出。

相电流分配单元280用使FC转换器150的变换效率最大化的驱动相数去除修正FC电流指令值Iamref，由此导出各相的目标电流指令值。此处，使FC转换器150的变换效率最大化的驱动相数根据相对于燃料电池110的要求电力、运转环境等(以下总称为“运转状况”)而不同。因此，预先通过试验等求出运转状况与使FC转换器150的变换效率最大化的驱动相数之间的对应关系，将该对应关系映射化，并将该对应关系保持作为驱动相数决定映射。相电流分配单元280从指令电流校正单元260接受修正FC电流指令值Iamref后，把握燃料电池110的运转状况，参照驱动相数决定映射，由此决定在当前运转状况下使FC转换器150的变换效率最大化的驱动相数，并用该驱动相数去除修正FC电流指令值Iamref，由此导出各相的目标电流指令值，具体而言导出U相目标电流值Iref(u)、V相目标电流值Iref(v)、W相目标电流值Iref(w)。

U相测定电流输入单元290a输入由电流传感器I1检测出的U相电抗器电流测定值Ilmes(u)，将其向U相偏差运算单元300a输出。U相偏差运算单元300a通过从U相目标电流值Iref(u)减去U相电抗器电流测定值Ilmes(u)，从而求出U相电流偏差。

U相PID校正量运算单元310a基于从U相偏差运算单元300a输出的U相电流偏差，并基于PID控制规则来运算U相占空比的校正量Dcrt(u)，并将其向U相占空比校正单元330a输出。

U相基本占空比输入单元320a输入U相的基本占空比Ds，并将其向U相占空比校正单元330a输出。此处，U相的基本占空比Ds由下述式(15)导出。基本占空比Ds与相无关而为一定(即在U相、V相、W相中通用)，因此在以下只要未特别限定，都仅称为基本占空比Ds。

Ds＝(VH-VL)/VH···(15)

VH；逆变器输入电压(高压侧电压)

VL；FC电压(低压侧电压)

第一U相占空比校正单元(计算单元)330a在从U相占空比输入单元320a输出的U相的基本占空比Ds上加上从U相PID校正量运算单元310a输出的U相占空比的校正量Dcrt(u)，生成修正U相占空比Dam(u)。并且，第一U相占空比校正单元330a将生成的修正U相占空比Dam(u)向防止干涉占空比控制电路340输出。

以上以U相的动作控制为例进行了说明，但V相、W相也进行同样的控制。简单地说明的话，V相PID校正量运算单元310b基于从V相偏差运算单元300b输出的V相电流偏差，并基于PID控制规则运算V相占空比的校正量Dcrt(v)，将其向第一V相占空比校正单元330b输出。第一V相占空比校正单元(计算单元)330b在从V相占空比输入单元320b输出的V相的基本占空比Ds上加上从V相PID校正量运算单元310b输出的V相占空比的校正量Dcrt(v)，生成修正V相占空比Dam(v)。并且，第一V相占空比校正单元330b将生成的修正V相占空比Dam(v)向防止干涉占空比控制电路340输出。

同样，W相PID校正量运算单元310c基于从W相偏差运算单元300c输出的W相电流偏差，并基于PID控制规则来运算W相占空比的校正量Dcrt(w)，将其向第一W相占空比校正单元330c输出。第一W相占空比校正单元(计算单元)330c在从W相占空比输入单元320c输出的W相的基本占空比Ds上加上从W相PID校正量运算单元310c输出的W相占空比的校正量Dcrt(w)，生成修正W相占空比Dam(w)。并且，第一W相占空比校正单元330c将生成的修正W相占空比Dam(w)向防止干涉占空比控制电路340输出。

＜防止干涉占空比控制电路340＞

防止干涉占空比控制电路340具备占空比偏差运算单元341和占空比阈值输入单元342。

占空比阈值输入单元342输入通过上述式(10)求出的占空比偏差容许值。另一方面，占空比偏差运算单元(偏差导出单元)341将输入的修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)代入上述式(12)～(14)，由此判断各相之间的占空比偏差是否超过占空比偏差容许值Dth(参照下述式(12)’～(14)’)。

Dam(v)-Dam(u)＜Dth···(12)’

Dam(w)-Dam(v)＜Dth···(13)’

Dam(u)-Dam(w)＜Dth···(14)’

占空比偏差运算单元341在运算的结果不满足式(12)’～(14)’的情况下，基于PID控制规则分别校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，以满足式(12)’～(14)’的方式进行校正，将其作为U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw向FC转换器控制电路350输出。另一方面，占空比偏差运算单元341在运算的结果满足式(12)’～(14)’的情况下，不校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，而将其作为U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw向FC转换器控制电路350输出。即使在满足式(12)’～(14)’的情况下，也可以分别基于PID控制规则来校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)。

FC转换器控制电路(控制单元)350将从防止干涉占空比控制电路340输出的U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw设定作为各相的第二开关元件S2的占空比，由此控制辅助电路22b的动作。通过以上说明的防止干涉占空比控制，能够防止各相的辅助电路22c的动作干涉，能够将电路异常(元件破坏等)的发生防止于未然。

B.变形例

以上说明的本实施方式中，通过防止各相的辅助电路22c的动作干涉而防止电路异常的发生，但也可以通过例如将构成辅助电路22c的辅助线圈L2的最大容许电流Imax设定为(参照发明内容的项)流过相数量的电流也可以的值，从而防止电路异常的发生。

例如，若为图2所示的由U相、V相、W相构成的三相共振型的FC软开关转换器250，则将辅助线圈L2的最大容许电流Imax(参照图16；通电容量下限值)设定为比三相量的电流大的值。由此，即使因某种理由发生辅助电路22b的动作干涉且三相量的电流(总计电流值)流向辅助线圈L2，辅助线圈L2的最大容许电流Imax也被设定为比三相量的电流大的值，因此辅助线圈L2的电感特性不会恶化。因此，通过该构成，也能够将额定以上的电流流向构成辅助电路的其他电路元件(例如开关元件)、在最差的情况下导致元件破坏之类的问题防止于未然。

标号说明

100、300…FCHV系统、110…燃料电池、120…蓄电池、130…负载、140…逆变器、2500…FC转换器、160…控制器、170…传感器组、180…蓄电池转换器、250…FC软开关转换器、400…栅极电压控制电路、410…电源、420…接通控制部、430…断开控制部、440…驱动电路、22a…主升压电路、22b…辅助电路、22c…自振荡电路、S1、S2…开关元件、C1、C3…平滑电容器、C2…缓冲电容器、L1、L2…线圈、D1、D2、D3、D4、D5…二极管、D6…续流二极管。

Claims (5)

1.一种转换器控制装置，是控制燃料电池的输出电压的、对应各相分别设有辅助电路的多相软开关转换器的控制装置，其中，

构成所述各相的辅助电路的辅助线圈对所有相的辅助电路通用；

所述转换器控制装置包括：

计算单元，算出构成各相的辅助电路的辅助开关的占空比；

偏差导出单元，导出所述各相之间的辅助开关的占空比偏差；及

控制单元，以导出的各个所述占空比偏差不超过设定阈值的方式控制与所述各相的辅助开关相关的占空比，

设所述设定阈值为Dth、所述辅助开关的驱动频率为f、驱动相数为n、所述辅助线圈的通电时间为Tso，Tsc＝1/f，为1周期时间，该设定阈值由下式(10)所示：

$\mathrm{Dth}=\frac{(\mathrm{Tsc}/n-\mathrm{Tso})}{\mathrm{Tsc}}=1/n-\mathrm{Tso}*f\·\·\·\left(10\right).$

2.根据权利要求1所述的转换器控制装置，其中，

所述各相的转换器包括主升压电路和所述辅助电路；

所述主升压电路具有：

一端与所述燃料电池的高电位侧的端子连接的主线圈；

一端与所述主线圈的另一端连接且另一端与所述燃料电池的低电位侧的端子连接的、进行切换的主开关；

阳极与所述主线圈的另一端连接的第一二极管；及

设置在所述第一二极管的阴极和所述主开关的另一端之间的平滑电容器；

所述辅助电路具有：

第一串联连接体，与所述主开关并联连接、且与所述主线圈的另一端及所述燃料电池的低电位侧的端子连接，并包括第二二极管和缓冲电容器；及

第二串联连接体，连接于所述第二二极管和所述缓冲电容器相连的连接部位与所述主线圈的一端之间，并包括第三二极管、辅助开关和通用的所述辅助线圈。

3.根据权利要求2所述的转换器控制装置，其中，

所述各相的转换器包括续流二极管，该续流二极管用于在所述辅助线圈通电的状态下所述辅助开关断开时向与所述通电时相同的方向继续流过电流；

所述续流二极管的阳极端子连接于所述燃料电池的低电位侧，并且阴极端子连接于所述辅助线圈和所述辅助开关相连的连接部位。

4.根据权利要求2所述的转换器控制装置，其中，

所述辅助线圈的通电时间Tso由下式(11)所示：

$\mathrm{Tso}=t\mathrm{mod}e1+t\mathrm{mod}e2=\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{(\mathrm{VH}-\mathrm{Vl})}+\mathrm{\π}\sqrt{L2\mathrm{id}*C2d}+\max (\mathrm{Ip}-\frac{\mathrm{\ΔI}}{2},0)\×\frac{L2\mathrm{id}}{\mathrm{Vl}}\·\·\·\left(11\right)$

其中，

tmode1为从模式1向模式2的迁移结束时间

tmode2为从模式2向模式3的迁移结束时间

Ip为相电流

L2id为辅助线圈(L2)的电感

C2d为缓冲电容器(C2)的容量

VL为燃料电池的输出电压

VH为多相软开关转换器的输出电压

ΔI为流到主线圈(L1)的电流的变化量

模式1中，主开关断开、辅助开关接通、第一二极管电流的软断开，

模式2中，主开关断开、辅助开关接通、缓冲电容器电荷放电，

模式3中，主开关接通、辅助开关接通、主开关电流上升。

5.一种转换器控制装置，是控制燃料电池的输出电压的、对应各相分别设有辅助电路的多相软开关转换器的控制装置，其中，

构成所述各相的辅助电路的辅助线圈对所有相的辅助电路通用，并且，该辅助线圈的通电容量下限值被设定为大于总电流值的值，其中，所述总电流值是将接通所述各相的辅助开关时各相中流动的电流相加而得到的。