DE102022100469A1 - Leistungszuführeinheit - Google Patents

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DE102022100469A1
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Tomohiko Kaneko
Masayuki Ito
Takahiro Umehara
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Bereitgestellt ist eine Leistungszuführeinheit, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Grenze zwischen den Betriebsmodi (kontinuierlicher Modus und diskontinuierlicher Modus) eines Wandlers mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die Leistungszuführeinheit entspricht einer Leistungszufuhreinheit, wobei der Controller einen Wert eines Ausgangsstroms der Leistungszuführung durch Steuern eines Tastverhältnisses durch Schalten des zweiten Schalters steuert; wobei der Controller den durch den Stromsensor erlangten Stromwert der Drossel bzw. des Reaktors in einem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest n-mal erfasst (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr); und wobei der Controller in einem Fall, in dem aus n Stromwertpunkten, die in dem Zyklus des Schaltens gemessen werden, kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich einer Schwelle ist, eine Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein macht, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Leistungszuführeinheit.
  • Hintergrund
  • Mit Bezug auf einen Wandler, welcher in einem System montiert ist, das in Fahrzeugen, wie einem Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug, installiert und verwendet wird, wurden etliche Forschungsarbeiten durchgeführt.
  • Beispielsweise offenbart Patentliteratur 1 eine Technologie zur Unterdrückung der Ausgabe eines unerwartet großen Stroms von einem Aufwärtswandler.
  • Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches derart konfiguriert ist, dass dieses einen Wandler daran hindert, die von der Brennstoffzelle eingegebene tatsächliche Spannung übermäßig zu erhöhen und auszugeben.
  • Patentliteratur 3 offenbart einen DC-DC-Wandler, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser eine PWM-Steuerung oder eine Schaltfrequenzsteuerung in einem Stromdiskontinuitätsmodus durchführt und es ermöglicht, ein Schwingen der Ausgangsspannung zu verhindern. Außerdem offenbart Patentliteratur 3 ein Verfahren zum Steuern des Wandlers.
    • Patentliteratur 1: JP 2020 - 088 971 A
    • Patentliteratur 2: JP 2018 - 116 864 A
    • Patentliteratur 3: JP 2008 - 131 760 A
  • Ein Wandler besitzt zwei Betriebsmodi: einen diskontinuierlichen Modus (die Empfindlichkeit des Stromwertes gegenüber dem Tastverhältnis ist niedrig) und einen kontinuierlichen Modus (die Empfindlichkeit des Stromwertes gegenüber dem Tastverhältnis ist hoch).
  • In dem kontinuierlichen Modus des Wandlers ist im Allgemeinen der Änderungsbetrag des Ausgangsstroms des Wandlers mit Bezug auf den Zunahmebetrag des Tastverhältnisses größer als im Falle des diskontinuierlichen Modus. In dem kontinuierlichen Modus besteht daher beispielsweise die folgende Möglichkeit: in dem Fall, in dem eine kleine Lücke im Berechnungsergebnis des Tastverhältnisses erzeugt wird, wird ein unerwartet großer Strom vom Wandler ausgegeben, der viel größer ist als ein notwendiger Strom.
  • In Patentliteratur 1 wird durch ein Feedforward-Element für einen diskontinuierlichen Modus und ein Feedforward-Element für einen kontinuierlichen Modus, je nachdem, welches kleiner ist, beurteilt, ob es sich bei dem aktuellen Modus um einen kontinuierlichen Modus oder einen diskontinuierlichen Modus handelt. Das Feedforward-Element für den diskontinuierlichen Modus wird auf der Grundlage einer Reaktorinduktivität, einer Trägerfrequenz, einer Wandlereingangsspannung und einer Wandlerausgangsspannung berechnet. Das Feedforward-Element für den kontinuierlichen Modus wird auf der Grundlage der Wandlereingangsspannung und der Wandlerausgangsspannung berechnet. Wenn jedoch die Reaktorinduktivität aufgrund von Produktschwankungen usw. nicht mit dem Sollwert übereinstimmt und die gemessenen Sensorwerte der Wandlereingangs- und -ausgangsspannungen variieren, besteht eine Möglichkeit, dass die Steuerungsvorrichtung die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus nicht korrekt erkennen kann. Beispielsweise besteht die folgende Möglichkeit: obwohl der aktuelle Betriebsmodus dem kontinuierlichen Modus entspricht, erkennt der Controller diesen fälschlicherweise als den diskontinuierlichen Modus, und der Controller setzt den Grenzwert der Anstiegsrate des Tastverhältnisses höher, was zu einem Hochjagen des Stroms (Current-Hunting) führt. Außerdem besteht eine Möglichkeit, dass, obwohl der aktuelle Betriebsmodus dem diskontinuierlichen Modus entspricht, der Controller selbigen fälschlicherweise als den kontinuierlichen Modus erkennt und der Controller den Grenzwert der Anstiegsrate des Tastverhältnisses niedriger einstellt, wodurch das Ansprechverhalten auf eine Stromänderung verringert wird.
  • Kurzfassung
  • Die offenbarten Ausführungsformen wurden unter Berücksichtigung der vorstehenden Umstände erreicht. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsformen liegt darin, eine Leistungszuführeinheit bereitzustellen, welche derart konfiguriert ist, dass diese die Grenze zwischen den Betriebsmodi (kontinuierlicher Modus und diskontinuierlicher Modus) eines Wandlers mit hoher Genauigkeit bestimmt.
  • In einer ersten Ausführungsform ist eine Leistungszuführeinheit mit einer Leistungszuführung und einem Wandler, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein Hochsetzen bzw. Erhöhen und/oder ein Tiefsetzen bzw. Verringern einer Ausgangsspannung der Leistungszuführung ausführt, bereitgestellt,
    wobei der Wandler eine Drossel bzw. einen Reaktor, einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen Stromsensor und einen Controller aufweist;
    wobei der Reaktor mit einer Anodenseite der Leistungszuführung verbunden ist;
    wobei der erste Schalter zwischen dem Reaktor und einem Ausgangsknoten verbunden bzw. geschaltet ist;
    wobei der zweite Schalter einen Bereich zwischen dem Reaktor und dem ersten Schalter mit einer Kathodenseite der Leistungszuführung verbindet;
    wobei der Stromsensor einen Wert eines durch den Reaktor laufenden bzw. fließenden Stroms erlangt;
    wobei der Controller einen Wert eines Ausgangsstroms der Leistungszuführung durch Steuern eines Tastverhältnisses durch Schalten des zweiten Schalters steuert;
    wobei der Controller den durch den Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in einem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest n-mal erfasst (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr); und
    wobei der Controller in einem Fall, in dem aus n Stromwertpunkten, die in dem Zyklus des Schaltens gemessen werden, kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich einer Schwelle ist, eine Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein macht, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  • In einem Fall, in dem ein oder mehrere und weniger als m Stromwertpunkte (m ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr) vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, kann der Controller die Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein machen, in dem m oder mehr Stromwertpunkte vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  • Der Controller kann den von dem Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in dem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest x-mal erfassen (x ist eine ganze Zahl von 3 oder mehr), und ein Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem Zeitpunkt kurz vor einem Schalten des zweiten Schalters von Aus auf An in dem Zyklus des Schaltens erfasst, kann kürzer sein als der Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem anderen Zeitpunkt als dem Zeitpunkt kurz vor dem Schalten des zweiten Schalters von Aus auf An in dem Zyklus des Schaltens erfasst.
  • Durch die Leistungszuführeinheit der offenbarten Ausführungsformen kann die Grenze zwischen den Betriebsmodi (kontinuierlicher Modus und diskontinuierlicher Modus) eines Wandlers mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
  • Figurenliste
  • In den beigefügten Abbildungen sind
    • 1 eine Ansicht, welche ein Beispiel für die Schaltungskonfiguration eines Systems mit der Leistungszuführeinheit zeigt;
    • 2 ein Flussdiagramm eines Beispiels für die Steuerung zur Bestimmung der Tastverhältnis-Änderungsrate;
    • 3 ein Flussdiagramm eines weiteren Beispiels der Steuerung zur Bestimmung der Tastverhältnis-Änderungsrate;
    • 4 eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem kontinuierlichen Modus zeigt;
    • 5 eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (1) zeigt;
    • 6 eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (2) zeigt;
    • 7 eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen Zeit und Tastverhältnis-Änderungsrate in dem Fall zeigt, in dem der Gradient des erforderlichen Stroms groß ist;
    • 8 eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen Zeit und Tastverhältnis-Änderungsrate in dem Fall zeigt, in dem der Gradient des erforderlichen Stroms klein ist; und
    • 9 eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (3) zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die Leistungszuführeinheit der offenbarten Ausführungsformen entspricht einer Leistungszuführeinheit mit einer Leistungszuführung und einem Wandler, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein Erhöhen und/oder ein Verringern einer Ausgangsspannung der Leistungszuführung ausführt,
    wobei der Wandler eine Drossel bzw. einen Reaktor, einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen Stromsensor und einen Controller aufweist;
    wobei der Reaktor mit einer Anodenseite der Leistungszuführung verbunden ist;
    wobei der erste Schalter zwischen dem Reaktor und einem Ausgangsknoten verbunden bzw. geschaltet ist;
    wobei der zweite Schalter einen Bereich zwischen dem Reaktor und dem ersten Schalter mit einer Kathodenseite der Leistungszuführung verbindet;
    wobei der Stromsensor einen Wert eines durch den Reaktor fließenden Stroms erlangt;
    wobei der Controller einen Wert eines Ausgangsstroms der Leistungszuführung durch Steuern eines Tastverhältnisses durch Schalten des zweiten Schalters steuert;
    wobei der Controller den durch den Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in einem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest n-mal erfasst (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr); und
    wobei der Controller in einem Fall, in dem aus n Stromwertpunkten, die in dem Zyklus des Schaltens gemessen werden, kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich einer Schwelle ist, eine Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein macht, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  • 1 ist eine Ansicht, welche ein Beispiel für die Schaltungskonfiguration eines Systems mit der Leistungszuführeinheit zeigt.
  • Das in 1 dargestellte System ist beispielsweise in Fahrzeugen installiert, und als eine externe Last 50 ist ein Fahrzeugantriebsmotor über einen Wechselrichter verbunden. Das System kann außerdem eine Batterie (nicht dargestellt) parallel zu einer Brennstoffzelle 10 und einen Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller 20 umfassen. Bei der Batterie kann es sich um eine herkömmliche Sekundärbatterie, wie eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärbatterie und eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, handeln. Die Batterie kann ein Leistungsspeicherelement, wie beispielsweise einen elektrischen Doppelschichtkondensator, umfassen.
  • Die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10, welche der Leistungszuführung entspricht, wird durch den Hochsetzsteller 20 hochgesetzt bzw. verstärkt, durch den Wechselrichter von Direkt- in Wechselstrom umgewandelt und dann zu dem Motor geführt.
  • Der Hochsetzsteller 20 umfasst 6 Hochsetzschaltungen, die parallel zueinander geschaltet sind. Jeweils zwei der sechs Hochsetzschaltungen können magnetisch miteinander gekoppelt sein.
  • Jede Hochsetzschaltung umfasst einen Reaktor bzw. eine Drosselspule 21. Der Reaktor 21 ist mit der Anodenseite der Brennstoffzelle 10 verbunden. Ein erster Schalter (Diode) 24 ist zwischen dem Reaktor 21 und einem Ausgangsknoten 26 verbunden. Ein zweiter Schalter (Schaltelement) 23 verbindet den Bereich zwischen dem Reaktor 21 und dem ersten Schalter 24 mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10. Ein Stromsensor 22 erlangt den Wert des Stroms, der durch den Reaktor 21 fließt.
  • Ein Controller 30 steuert das Hochsetzverhältnis des Wandlers 20 und den Wert des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 10 durch Steuern des Tastverhältnisses durch Schalten des zweiten Schalters (Schaltelement) 23 auf AN/AUS.
  • Die Leistungszuführeinheit umfasst die Leistungszuführung und den Wandler.
  • Die Leistungszuführung kann eine Brennstoffzelle sein. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine einzelne Einheitszelle oder um einen Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Einheitszellen aufgebaut ist, handeln.
  • Der Wandler führt ein Hochsetzen und/oder ein Tiefsetzen der Ausgangsspannung der Leistungszuführung aus. Der Wandler kann ein Hochsetzsteller, ein Tiefsetzsteller oder ein Hochsetz-/Tiefsetzsteller sein.
  • Der Wandler umfasst den Reaktor, den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den Stromsensor und den Controller. Je nach Bedarf kann der Wandler eine Diode, einen Kondensator usw. umfassen.
  • In den Schaltungen des Wandlers ist der Reaktor mit der Anodenseite der Leistungszuführung verbunden.
  • Der Reaktor bzw. die Drossel umfasst eine Spule und einen Kern.
  • Eine oder mehrere Spulen können um den Kern gewickelt sein.
  • Der Kern und die Spule des Reaktors können aus Kernen und Spulen ausgewählt sein, die in herkömmlich bekannten Wandlern verwendet werden.
  • In den Schaltungen des Wandlers ist der erste Schalter zwischen dem Reaktor und dem Ausgangsknoten verbunden.
  • In den Schaltungen des Wandlers verbindet der zweite Schalter den Bereich zwischen dem Reaktor und dem ersten Schalter mit der Kathodenseite der Leistungszuführung.
  • Jeder aus den ersten und zweiten Schaltern kann ein Schaltelement sein. Bei dem Schaltelement kann es sich um einen IGBT, MOSFET oder dergleichen handeln.
  • Bei dem ersten Schalter kann es sich um eine Diode handeln.
  • Der Stromsensor ist nicht in besonderer Weise beschränkt, solange dieser den Wert des Stroms erlangen kann, der durch den Reaktor fließt (Reaktorstrom). Als der Stromsensor kann beispielsweise ein herkömmlich bekannter Strommesser verwendet werden.
  • Bei dem Controller kann es sich beispielsweise um eine elektronische Steuerungseinheit (ECU) handeln. Die ECU umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Speicher und einen Eingabe-Ausgabe-Puffer.
  • Der Controller steuert den Wert des Ausgangsstroms der Leistungszuführung durch Steuern des Tastverhältnisses durch Schalten zumindest des zweiten Schalters. Je nach Bedarf kann der Controller das Tastverhältnis durch Schalten des ersten Schalters steuern.
  • [Erste Ausführungsform ]
  • Der Controller erfasst den vom Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in dem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest n-mal (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr).
  • In den offenbarten Ausführungsformen steht der Zyklus des Schaltens (Schaltzyklus) für einen Zeitraum, der von dem Zeitpunkt, zu dem der Schalter von AUS auf AN geschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt reicht, zu dem der Schalter wieder von AUS auf AN geschaltet wird.
  • In dem Fall, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, macht der Controller die Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu dem Fall klein, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  • In dem Fall, in dem ein oder mehrere Stromwertpunkte vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, wird der Betriebsmodus des Wandlers als der diskontinuierliche Modus beurteilt, und die Tastverhältnis-Änderungsrate wird im Vergleich zu dem kontinuierlichen Modus auf einen großen Wert eingestellt. Andererseits wird in dem Fall, in dem kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, der Betriebsmodus als der kontinuierliche Modus beurteilt, und die Tastverhältnis-Änderungsrate wird im Vergleich zu dem diskontinuierlichen Modus auf einen kleinen Wert eingestellt.
  • In den offenbarten Ausführungsformen wird der Betriebsmodus des Wandlers als der kontinuierliche oder der diskontinuierliche Modus beurteilt, indem der tatsächlich gemessene Stromwert und dessen Schwelle überwacht werden, und dieser wird nicht durch die Eigenschaften der Komponenten beurteilt. Die Frequenz bzw. Häufigkeit des Überwachens wird nach Bedarf durch den Zeitpunkt der Strommessung geändert.
  • Der Stromwert des Reaktors wird in dem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz bzw. Häufigkeit von zumindest n-mal (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr) erfasst (Mehrpunktabtastung). Entsprechend wird der Betriebsmodus des Wandlers durch den Wert des tatsächlich fließenden Stroms direkt als der kontinuierliche oder der diskontinuierliche Modus beurteilt. Entsprechend kann die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Entsprechend kann die Tastverhältnis-Änderungsrate geeignet eingestellt werden; das Auftreten eines Hochjagens des Stroms (Current-Hunting) kann unterdrückt werden; und eine Reduktion im Ansprechverhalten kann unterdrückt werden. Außerdem kann der Betriebsmodus des Wandlers zu jeder Zeit, zu welcher der Schaltzyklus geschaltet wird, als der kontinuierliche oder der diskontinuierliche Modus beurteilt werden, und in Abhängigkeit des Ergebnisses der Beurteilung kann die Tastverhältnis-Änderungsrate gesteuert werden.
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels der Steuerung zum Bestimmen der Tastverhältnis-Änderungsrate.
  • In der ersten Ausführungsform wird der Reaktor-Stromwert an n oder mehr Punkten in dem Schaltzyklus erlangt (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr). Die Tastverhältnis-Änderungsrate wird in Abhängigkeit des Vorliegens oder Nichtvorliegens des Stromwertpunkts, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, bestimmt.
  • In dem Fall, in dem weniger als ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den kontinuierlichen Modus und macht die Tastverhältnis-Änderungsrate klein. Andererseits beurteilt der Controller den Betriebsmodus in dem Fall, in dem ein oder mehrere Stromwertpunkte vorliegen, bei dem/denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, als den diskontinuierlichen Modus und lässt die Tastverhältnis-Änderungsrate unverändert, oder der Controller kann die Tastverhältnis-Veränderungsrate im Vergleich zu dem Fall des kontinuierlichen Modus groß machen.
  • [Zweite Ausführungsform]
  • In dem Fall, in dem ein oder mehrere und weniger als m Stromwertpunkte vorliegen, bei dem/denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist (m ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr), kann der Controller die Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu dem Fall klein machen, in dem m oder mehr Stromwertpunkte vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  • Wenn ein oder mehrere und weniger als m Stromwertpunkte vorliegen, bei dem/denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist (m ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr), wird der Betriebsmodus als der diskontinuierliche Modus und dem kontinuierlichen Modus nahekommend beurteilt, und die Tastverhältnis-Änderungsrate kann auf einen kleineren Wert als im Falle des diskontinuierlichen Modus eingestellt werden.
  • Auch in dem Fall, in dem der Zyklus der Stromabtastung relativ zu dem Zyklus des Schaltens nicht ausreichend kurz ist, kann die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus mit hoher Genauigkeit bestimmt werden, ohne den Zyklus der Stromabtastung übermäßig zu verkürzen und ohne die Berechnungszeit übermäßig zu erhöhen. Entsprechend kann das Auftreten eines Hochjagens des Stroms zu dem Zeitpunkt des Schaltens des kontinuierlichen Modus und des diskontinuierlichen Modus stärker unterdrückt werden.
  • Die Schwelle kann im Wesentlichen gleich 0 sein, oder diese kann durch Zählen der Anzahl von Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert gleich 0 ist, bestimmt werden. In dem Fall, in dem die Schwelle weit von 0 entfernt liegt und ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, kann der Betriebsmodus als der diskontinuierliche Modus beurteilt werden, oder dieser kann als der diskontinuierliche Modus und als dem kontinuierlichen Modus nahekommend beurteilt werden.
  • Die Schwelle kann beispielsweise 1 A betragen. Durch das Einstellen der Schwelle auf einen Wert nahe 0 kann der Betriebsmodus geeignet als der kontinuierliche oder der diskontinuierliche Modus beurteilt werden. Selbst wenn kein Strom fließt, kann aufgrund von Messfehlern oder dergleichen, die vom Sensor verursacht werden, tatsächlich ein geringer Stromwert erfasst werden. Die Schwelle kann unter Berücksichtigung solcher Erfassungsfehler durch den Stromsensor festgelegt werden. Entsprechend kann die falsche Erkennung des Modus aufgrund von Erfassungsfehlern durch den Stromsensor unterdrückt werden. Die Schwelle kann beispielsweise auf etwa 1 % bis 3 % des Nennstroms eingestellt sein.
  • Der kontinuierliche Modus und der diskontinuierliche Modus können beispielsweise durch Folgendes (A) bis (C) beurteilt werden.
  • (A) In dem Fall, in dem der Betriebsmodus dem kontinuierlichen Modus entspricht, gibt es in dem Schaltzyklus keinen Stromwertpunkt, bei dem der Stromwert etwa gleich 0 ist (Stromwert ≅ 0).
  • (B) In dem Fall, in dem der Betriebsmodus dem diskontinuierlichen Modus entspricht, gibt es in dem Schaltzyklus 2 oder mehr Stromwertpunkte, bei denen der Stromwert etwa gleich 0 ist (Stromwert ≅ 0).
  • (C) In dem Fall, in dem der Betriebsmodus der Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus entspricht, gibt es in dem Schaltzyklus lediglich einen Stromwertpunkt, bei dem der Stromwert etwa gleich 0 ist (Stromwert ≅ 0).
  • Beispielsweise kann der Betriebsmodus in dem Fall, in dem es in dem Schaltzyklus einen bis drei Stromwertpunkte gibt, bei dem/denen der Stromwert gleich 0 ist, als die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus beurteilt werden. Zu dieser Zeit wird der Betriebsmodus in dem Fall, in dem es 4 oder mehr Stromwertpunkte gibt, bei denen der Stromwert gleich 0 ist, als der diskontinuierliche Modus beurteilt.
  • Zur Beurteilung der Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus existiert keine besondere Beschränkung hinsichtlich der Anzahl von Stromwertpunkten in dem Schaltzyklus, bei denen der Stromwert etwa gleich 0 ist (Stromwert ≅ 0). Die Anzahl ist nicht auf eins beschränkt oder diese ist nicht auf eins bis drei beschränkt. Die Anzahl kann eins oder zwei betragen, oder diese kann eins bis fünf betragen. Die Anzahl kann beispielsweise in Abhängigkeit der Anzahl von Stromwertpunkten, welche in dem Schaltzyklus abgetastet werden, dem Stromabtastzyklus, und der gewünschten Anwendung der Leistungszuführeinheit annähernd bestimmt werden.
  • Beispielsweise in dem Fall, in dem der Stromabtastzyklus kurz ist und die Anzahl der in dem Schaltzyklus abgetasteten Stromwertpunkten etwa 100 beträgt, kann der Betriebsmodus als der diskontinuierliche Modus und dem kontinuierlichen Modus nahekommend beurteilt werden, auch wenn die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beispielsweise 2 bis 5 beträgt.
  • Im Falle der Leistungszuführeinheit, bei welcher eine Änderung der erforderlichen Last groß ist, besteht auch dann, wenn die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert zu der Zeit der Strommessung kleiner oder gleich der Schwelle ist, 2 bis 5 beträgt, eine Möglichkeit, dass der Betriebsmodus kurz danach auf den kontinuierlichen Modus wechselt. Entsprechend kann der Betriebsmodus als der diskontinuierliche Modus und als dem kontinuierlichen Modus nahekommend beurteilt werden.
  • In der tatsächlichen Steuerung kann eine bestimmte Zeitverzögerung vorliegen, nachdem der Betriebsmodus des Wandlers beurteilt wird und bevor die Vorrichtung betätigt wird. Wie vorstehend beschrieben, kann das Auftreten des Hochjagens des Stroms unterdrückt werden, auch wenn eine Zeitverzögerung vorliegt, in dem der Grenzteil im Vorhinein beurteilt wird.
  • Auch wenn es einen Zeitpunkt gibt, zu dem der Strom gleich 0 ist (Strom = 0), existiert eine Möglichkeit, dass zu der Zeit, wenn der Strom gleich 0 ist (Strom = 0), kein Strom erfasst werden kann, wie in dem Fall, in dem der Stromabtastzyklus zu diesem Zeitpunkt nicht ausreichend kurz ist. Entsprechend kann die Beurteilung mit ausreichend kleinen Stromwerten ausgeführt werden, die beispielsweise jeweils nicht gleich 0 sind. Beispielsweise kann die Anzahl an gemessenen Stromwertpunkten gezählt werden, bei denen der Stromwert gleich 5 A oder kleiner ist. In Abhängigkeit der Anzahl von Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich 5 A ist (Stromwert ≤ 5A), kann der Betriebsmodus als der diskontinuierliche Modus beurteilt werden, oder dieser kann als der kontinuierliche Modus und als dem diskontinuierlichen Modus nahekommend beurteilt werden.
  • In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Bedingung zur Beurteilung des Betriebsmodus als die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus stets festgelegt. Diese kann jedoch beispielsweise in Abhängigkeit des Betriebszustands geändert werden.
  • Beispielsweise werden der kontinuierliche Modus und der diskontinuierliche Modus des Reaktorstroms in dem Fall, in dem die Tastverhältnis-Änderungsrate groß ist, mit einer schnellen Rate geschaltet.
  • Entsprechend kann in dem Fall, in dem die Tastverhältnis-Änderungsrate groß ist, die Anzahl an gemessenen Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert etwa gleich 0 ist (Stromwert ≅ 0), zur Beurteilung des Betriebsmodus als die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus im Vergleich zu dem Fall erhöht werden, in dem die Änderungsrate klein ist. Entsprechend kann das Auftreten des Hochjagens des Stroms auch in dem Fall unterdrückt werden, in dem eine bestimmte Zeitverzögerung vorliegt, nachdem der Betriebsmodus des Wandlers beurteilt wird und bevor die Vorrichtung betätigt wird.
  • 3 ist ein Flussdiagramm eines weiteren Beispiels der Steuerung zur Bestimmung der Tastverhältnis-Änderungsrate.
  • Der Reaktorstromwert wird an n oder mehr Punkten im Schaltzyklus erlangt (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr). In Abhängigkeit der Anzahl der Stromwertpunkte, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, wird die Tastverhältnis-Änderungsrate bestimmt.
  • In dem Fall, in dem es keinen Stromwertpunkt gibt, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den kontinuierlichen Modus und stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf VI ein.
  • In dem Fall, in dem es m oder mehr Stromwertpunkte gibt, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den diskontinuierlichen Modus und stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf V2 ein.
  • In dem Fall, in dem es ein oder mehrere und weniger als m Stromwertpunkte gibt, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den diskontinuierlichen Modus und als dem kontinuierlichen Modus nahekommend, und stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf V3 ein. Die Beziehung zwischen VI, V2 und V3 ist gleich V1 < V3 < V2.
  • 4 ist eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem kontinuierlichen Modus zeigt.
  • 5 ist eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (1) zeigt.
  • 6 ist eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (2) zeigt.
  • In dem in 4 gezeigten kontinuierlichen Modus fließt während des Schaltzyklus stets ein Strom durch den Reaktor. In den in den 5 und 6 gezeigten diskontinuierlichen Modi umfasst der Schaltzyklus eine Zeitdauer, in welcher kein Strom durch den Reaktor fließt.
  • Jeder von schwarzen Kreisen, die in den 4 bis 6 gezeigt sind, gibt einen Stromwertpunkt an, welcher in einer Mehrpunktabtastung gemessen wird, und es liegen 16 gemessene Stromwertpunkte in dem Schaltzyklus vor. Die Zeitintervalle zwischen den gemessenen Stromwertpunkten sind gleichmäßig, und der Durchschnitt der Stromwerte wird als der mittlere Stromwert des Reaktors berechnet.
  • In dem in 4 gezeigten kontinuierlichen Modus sind alle Stromwerte der gemessenen Stromwertpunkte größer als die Schwelle, und es gibt keinen Stromwertpunkt, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist. Da es keinen Stromwertpunkt gibt, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den kontinuierlichen Modus, und der Controller stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf einen relativ niedrigen Wert: V1 ein.
  • In dem in 5 gezeigten diskontinuierlichen Modus (1) gibt es in dem Schaltzyklus 4 gemessene Stromwertpunkte, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist. Da die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, gleich zwei ist, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den diskontinuierlichen Modus, und der Controller stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf einen höheren Wert V2 ein als im Falle des kontinuierlichen Modus.
  • In dem in 6 gezeigten diskontinuierlichen Modus (2) gibt es einen gemessenen Stromwertpunkt, bei dem der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist. Da die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, eins oder mehr und weniger als zwei beträgt, beurteilt der Controller den Betriebsmodus als den diskontinuierlichen Modus und als dem kontinuierlichen Modus nahekommend, und der Controller stellt die Tastverhältnis-Änderungsrate auf einen Wert V3 zwischen VI und V2 ein.
  • 7 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Zeit und der Tastverhältnis-Änderungsrate in dem Fall zeigt, in dem der Gradient des erforderlichen Stroms groß ist.
  • 8 ist eine Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Zeit und der Tastverhältnis-Änderungsrate in dem Fall zeigt, in dem der Gradient des erforderlichen Stroms klein ist.
  • Im Allgemeinen variiert die Änderungsrate des Tastverhältnisses des Wandlers durch den Controller in Abhängigkeit einer Anforderung von dem System, wie einem Fahrzeug. Die 7 und 8 zeigen den Zustand, in dem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle im Zeitverlauf zunimmt. Die Zunahmerate des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle ist in 7 größer als in 8. Zu dieser Zeit ist die Zunahmerate des Tastverhältnisses des Wandlers (das heißt, der Gradient des Graphen) in 7 größer als in 8.
  • In den 7 und 8 wird in dem Fall, in dem, wie in 4, die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, gleich 0 ist, VI (oder VI') als die Tastverhältnis-Änderungsrate eingestellt; in dem Fall, in dem, wie in 5, die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, gleich 2 oder mehr ist, V2 (oder V2') als die Tastverhältnis-Änderungsrate eingestellt; und in dem Fall, in dem, wie in 6, die Anzahl an Stromwertpunkten, bei denen der Stromwert kleiner oder gleich der Schwelle ist, gleich eins oder mehr und kleiner als 2 ist, V3 (oder V3') als die Tastverhältnis-Änderungsrate eingestellt.
  • Für die Tastverhältnis-Änderungsrate ist die Beziehung zwischen VI, V2 und V3 gleich V1 < V3 < V2, und die Beziehung zwischen V1', V2' und V3' ist gleich VI' < V3' < V2'.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Beziehung gleich VI < V3 < V2. In einer weiteren Ausführungsform kann der Wert von V3 gleich diesem von V2 sein, oder der Wert von V3 kann gleich diesem von V1 sein.
  • [Dritte Ausführungsform]
  • Der Controller kann den Stromwert des Reaktors, welcher von dem Stromsensor erlangt wird, in dem Zyklus des Schaltens bei einer Frequenz bzw. Häufigkeit von zumindest x-mal erfassen (x ist eine ganze Zahl von 3 oder mehr).
  • Der Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem Zeitpunkt, kurz bevor der zweite Schalter in dem Zyklus des Schaltens von AUS auf AN geschaltet wird, erfasst, kann kürzer sein als der Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem anderen Zeitpunkt als dem Zeitpunkt kurz bevor der zweite Schalter in dem Zyklus des Schaltens von AUS auf AN geschaltet wird, erfasst.
  • 9 ist eine Ansicht, welche eine Änderung des Wertes des durch den Reaktor fließenden Stroms in dem Schaltzyklus in dem diskontinuierlichen Modus (3) zeigt.
  • Jeder der weißen Kreise und schwarzen Kreise, die in 9 gezeigt sind, geben den Zeitpunkt einer Stromabtastung an.
  • Die weißen Kreise sind in regelmäßigen bzw. gleichmäßigen Intervallen angeordnet. Dabei wird kurz vor „Schalter AN“ auch an dem schwarzen Kreis eine Stromabtastung ausgeführt. Entsprechend ist der Zyklus der Abtastung kurz vor „Schalter AN“ kürzer als andere.
  • Entsprechend kann die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus mit höherer Genauigkeit erfasst werden, ohne die Berechnungszeit übermäßig zu erhöhen. Entsprechend kann das Auftreten eines Hochjagens des Stroms zu dem Zeitpunkt eines Schaltens bzw. Wechsels des kontinuierlichen Modus und des diskontinuierlichen Modus stärker unterdrückt werden.
  • In dem Fall, in dem der Zyklus der Stromabtastung mit Bezug auf den Zyklus des Schaltens nicht ausreichend kurz ist, besteht eine Möglichkeit, dass die Grenze zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus nicht korrekt bestimmt werden kann. Andererseits nimmt in dem Fall, in dem der Zyklus der Stromabtastung übermäßig verkürzt ist, die Berechnungszeit zu. Entsprechend besteht eine Möglichkeit einer Verzögerung in der Rückkopplung und einer Schwierigkeit beim Abschließen der Steuerung.
  • Entsprechend kann der Zyklus der Stromabtastung kurz bevor der zweite Schalter der Schaltungen von AUS auf AN geschaltet wird, kürzer sein als der Zyklus zu anderen Zeitpunkten in dem Zyklus des Schaltens.
  • Im Falle einer Mehrpunktabtastung von Strom wird in dem Zyklus des Schaltens im Allgemeinen eine Stromabtastung bei gleichmäßigen Intervallen ausgeführt und der Durchschnitt bzw. Mittelwert wird berechnet, wodurch der mittlere Stromwert erhalten wird. Gleiches gilt für die ersten und zweiten Ausführungsformen.
  • Beispielsweise ist die Frequenz der Stromabtastung auf 100 kHz eingestellt, während die Schaltfrequenz 10 kHz beträgt.
  • In einigen Fällen ist eine Frequenz von 100 kHz jedoch nicht ausreichend, um den Zeitpunkt genauer zu erfassen, zu dem der durch den Reaktor fließende Strom (Reaktorstrom) zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus geschaltet wird. Das heißt, um den Zeitpunkt genauer zu erfassen, kann die Frequenz 200 kHz betragen.
  • Bei einer Einstellung der Frequenz der Stromabtastung auf 200 kHz während der Stromabtastung nimmt jedoch die Berechnungszeit zu. Entsprechend besteht eine Möglichkeit einer Verzögerung in der Rückkopplung und einer Schwierigkeit im Abschließen der Steuerung.
  • In dem kontinuierlichen Modus ist der Wert eines fließenden Stroms stets größer als 0. In dem diskontinuierlichen Modus ist der Stromwert zumindest kurz bevor der zweite Schalter der Schaltungen von AUS auf AN geschaltet wird, gleich 0. Entsprechend kann der Zyklus der Stromabtastung zur Beurteilung, ob der Betriebsmodus dem kontinuierlichen Modus oder dem diskontinuierlichen Modus entspricht, lediglich kurz bevor der zweite Schalter der Schaltungen von AUS auf AN geschaltet wird, verkürzt sein (die Frequenz kann erhöht sein).
  • Während in der dritten Ausführungsform der Zyklus des Schaltens 1/10.000 Sekunden beträgt, kann die Frequenz lediglich in der Zeitspanne von 1/100.000 Sekunden kurz vor dem Umschalten des zweiten Schalters von AUS auf AN auf 200 kHz eingestellt sein, und in anderen Zeitspannen kann die Frequenz auf 100 kHz eingestellt sein.
  • Folglich kann die Anzahl der gemessenen Stromwertpunkte erhöht werden und der Zeitpunkt, zu dem der Reaktorstrom zwischen dem kontinuierlichen Modus und dem diskontinuierlichen Modus umgeschaltet bzw. gewechselt wird, kann genauer erfasst werden, ohne die Berechnungszeit mehr als nötig zu erhöhen.
  • Zur Berechnung des mittleren Stromwerts können Stromwerte ausgeschlossen werden, welche abgetastet werden, kurz bevor der Schalter von AUS auf AN umgeschaltet wird. Entsprechend kann eine geringfügige Diskrepanz im mittleren Stromwert unterdrückt werden, welche darauf basiert, dass der Zyklus der Stromabtastung ungleichmäßig ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzelle
    20
    Hochsetzsteller
    21
    Reaktor
    22
    Stromsensor
    23
    Zweiter Schalter (Schaltelement)
    24
    Erster Schalter (Diode)
    25
    Kondensator
    26
    Ausgangsknoten
    30
    Controller
    50
    Externe Last
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2020 [0005]
    • JP 088971 A [0005]
    • JP 2018 [0005]
    • JP 116864 A [0005]
    • JP 2008 [0005]
    • JP 131760 A [0005]

Claims (3)

  1. Leistungszuführeinheit mit einer Leistungszuführung und einem Wandler, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser ein Erhöhen und/oder ein Verringern einer Ausgangsspannung der Leistungszuführung ausführt, wobei der Wandler einen Reaktor, einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen Stromsensor und einen Controller aufweist; wobei der Reaktor mit einer Anodenseite der Leistungszuführung verbunden ist; wobei der erste Schalter zwischen dem Reaktor und einem Ausgangsknoten verbunden ist; wobei der zweite Schalter einen Bereich zwischen dem Reaktor und dem ersten Schalter mit einer Kathodenseite der Leistungszuführung verbindet; wobei der Stromsensor einen Wert eines durch den Reaktor fließenden Stroms erlangt; wobei der Controller einen Wert eines Ausgangsstroms der Leistungszuführung durch Steuern eines Tastverhältnisses durch Schalten des zweiten Schalters steuert; wobei der Controller den durch den Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in einem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest n-mal erfasst (n ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr); und wobei der Controller in einem Fall, in dem aus n Stromwertpunkten, die in dem Zyklus des Schaltens gemessen werden, kein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich einer Schwelle ist, eine Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein macht, in dem aus den in dem Zyklus des Schaltens gemessenen n Stromwertpunkten ein Stromwertpunkt vorliegt, bei dem der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  2. Leistungszuführeinheit nach Anspruch 1, wobei der Controller in einem Fall, in dem ein oder mehrere und weniger als m Stromwertpunkte (m ist eine ganze Zahl von 2 oder mehr) vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist, die Tastverhältnis-Änderungsrate im Vergleich zu einem Fall klein macht, in dem m oder mehr Stromwertpunkte vorliegen, bei denen der Stromwert des Reaktors kleiner oder gleich der Schwelle ist.
  3. Leistungszuführeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Controller den von dem Stromsensor erlangten Stromwert des Reaktors in dem Zyklus des Schaltens mit einer Frequenz von zumindest x-mal erfasst (x ist eine ganze Zahl von 3 oder mehr), und wobei ein Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem Zeitpunkt kurz vor einem Schalten des zweiten Schalters von Aus auf An in dem Zyklus des Schaltens erfasst, kürzer ist als der Zyklus, in dem der Controller den Stromwert des Reaktors zu einem anderen Zeitpunkt als dem Zeitpunkt kurz vor dem Schalten des zweiten Schalters von Aus auf An in dem Zyklus des Schaltens erfasst.
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