DE112007002260T5 - Umrichter-Steuervorrichtung - Google Patents

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Takahiko Toyta-shi Hasegawa
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Abstract

Umrichter-Steuervorrichtung, die zwischen einer ersten Stromversorgung und einer zweiten Stromversorgung geschaltet ist; welche eine Umrichtervorrichtungs-Konfiguration enthält, bei der eine Vielzahl von Umrichtern, von denen jeder eine Vielzahl von Schalterelementen und einen Reaktor enthält und eine Zweirichtungs-Spannungsumsetzung durchführt, parallel geschaltet sind; und welche die Zahl der Umrichterphasen ändert, die im Ansprechen auf einen elektrischen Strom anzutreiben sind; der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, wobei die Umrichtersteuervorrichtung Folgendes umfaßt:
eine Steuereinheit, die eine Rückkopplung eines aktuellen Wertes eines aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses in Bezug auf einen Tastverhältnis-Befehlswert, welcher der Vielzahl der Schalterelemente zu erteilen ist, durchführt, um eine Spannungsumsetzung durchzuführen, und welche eine Abweichung zwischen dem aktuellen Betriebs-Tastverhältnis und dem Tastverhältnis-Befehlswert unterdrückt;
eine Speichereinrichtung, um im Voraus gespeicherte Daten in Bezug auf eine Beziehung zwischen den Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder -regelung und der Zahl der Antriebsphasen vorzusehen, und
eine Verstärkungs-Umschalteinrichtung zum Umschalten der Steuer- oder Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Umrichter-Steuervorrichtung und spezieller eine Umrichter-Steuervorrichtung, die zwischen einer ersten Stromversorgung und einer zweiten Stromversorgung geschaltet ist und eine Umrichter-Vorrichtungskonfiguration aufweist, in welcher eine Vielzahl von Umrichtern oder Stromrichtern, von denen jeder eine Vielzahl von Schalterelementen und einen Reaktor aufweist und eine bidirektionale Spannungsumsetzung durchführt, parallel geschaltet sind, und welche die Zahl der Umrichterphasen ändert, die im Ansprechen auf einen elektrischen Strom angetrieben werden, der durch die Umrichter-Vorrichtung hindurch fließt.
  • Stand der Technik
  • Bei einem Stromversorgungssystem, welches eine Brennstoffzelle verwendet, ist es für den elektrischen Strom, der zuzuführen ist, indem ein Spannungsumsetzer vorgesehen wird, der eine Ausgangsgröße einer Sekundärbatterie anhebt oder absenkt, allgemein üblich, den Spannungsumsetzer mit Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle zu verbinden, um einen Gleichtakt mit Lastschwankungen zu halten, die die elektrische Generierungskapazität der Brennstoffzelle überschreiten. In einem solchen System besteht der Spannungsumsetzer aus einem Konverter mit einer Funktion einer Gleichspannungs-Umsetzung, und dieses wird auch als ein DC/DC-Umsetzer bezeichnet und umfaßt beispielsweise einen Spannungsumsetzer, der aus Schalterelementen und Reaktoren zusammengesetzt ist, welches System auch verwendet wird. Es ist dann in Hinblick auf die Reduzierung der Nennkapazität des Schalterelements allgemein für eine Vielzahl von Umsetzern üblich, dass diese parallel geschaltet werden.
  • Beispielsweise offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2006-33934 , dass zu dem Zweck der Schritthaltung mit plötzlichen Änderungen in dem Lastvolumen, welche die Ladekapazität einer Brennstoffzelle überschreiten, ein Spannungsumsetzer, der in Verbindung mit einer Vielzahl von Phasen arbeitet, zwischen die Brennstoffzelle und einer Batterie geschaltet wird, wobei eine Änderung in der Zahl der Phasen und eine Änderung in dem Tastverhältnis des Spannungsumsetzers durch Einschätzen einer Änderung in dem Lastvolumen durchgeführt wird. Es ist ferner darin ausgeführt, dass allgemein bei einem Spannungsumsetzer, der mit einer Vielzahl von Phasen vorgesehen ist, ein elektrischer Energieverlust auftritt, der dann entsteht, wenn die Umsetzer-Schwankungen gemäß einem Wert des elektrischen Stromes, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt, der einem Eingabe- und Ausgabe-Umsetzenergievolumen entspricht und auch einem Betriebsarbeitsvolumen entspricht; wenn der elektrische Strom, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt, groß ist, ist der Verlust bei einem Dreiphasenbetrieb mit einer Vielzahl an Phasen im Gegensatz zu einer einzelnen Phase kleiner als derjenige eines Einzelphasenbetriebes und, wenn der elektrische Strom, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt, klein ist, ist der Verlust bei dem Einzelphasenbetrieb kleiner als derjenige bei dem Dreiphasenbetrieb. Es sind hierfür auch die Gründe in der folgenden Weise beschrieben. Der Verlust bei einem Dreiphasen-Brückentyp-Umsetzer enthält einen Recktanz-Kupferverlust durch eine Reaktorwicklung, einen Modulverlust durch den Betrieb eines Schalterelements, und einen Reaktor-Eisenverlust durch das magnetische Reaktormaterial. Dabei nehmen der Reaktor-Kupferverlust und der Modulverlust mit der Zunahme des elektrischen Stromes, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt, in solcher Weise zu, dass der Reaktor-Kupferverlust und der Modulverlust bei dem Einzelphasenbetrieb größer sind als derjenige bei dem Dreiphasenbetrieb, während der Reaktor-Eisenverlust nicht sonderlich von dem elektrischen Strom abhängt, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt, und zwar in solcher Weise, dass der Reaktor-Eisenverlust bei dem Dreiphasenbetrieb größer ist als derjenige bei dem Einzelphasenbetrieb. Es wird ferner auch beschrieben, dass der Einzelphasenbetrieb in einer Zone durchgeführt wird, in welcher der elektrische Strom, der durch den Spannungsumsetzer fließt, klein ist; der Dreiphasenbetrieb wird dagegen in einer Zone ausgeführt, in welcher der elektrische Strom, der durch den Spannungsumsetzer fließt, groß ist. Auch sind die Spannung, der Strom und die elektrische Leistung zeitweilig schwankend, und zwar bei einer Proportional-Integral-Ableitsteuerung (Regelung) (PID), da ein effektiver Wert eines alternierenden Stromes für die Spannungsumsetzung fluktuiert, wenn der Betrieb von einem Dreiphasenbetrieb in einen Einzelphasenbetrieb umgeschaltet wird; und dass daher auch das Tastverhältnis zeitweilig angehoben wird, um eine Kompensation hinsichtlich einer schwankenden Knappheit in der elektrischen Energie zu kompensieren.
  • Ferner offenbart die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-235252 ein Verfahren zur Maximierung des Umsetz-Wirkungsgrades in einem Fall, bei dem eine Vielzahl von Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzern zwischen einem Inverter und einer Batterie vorgesehen ist. Es ist beschrieben, dass in einem solchen Fall ein Master-Slave-Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer, in welchem einer der Vielzahl der Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer als ein Master-Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer eingestellt ist, vorgesehen wird. Auch wird die elektrische Eingangsenergie oder die elektrische Ausgangsenergie des Master-Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzers als eine elektrische Bezugsenergie oder -leistung eingestellt, und es wird die Zahl der Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer, die den Master-Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer enthalten, der in Betrieb genommen werden soll, spezifiziert. Es werden dann die Umsetz-Wirkungsgrade berechnet, wenn eine Ausgangsspannung des Master-Slave-Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzers innerhalb eines Bereiches ansteigt und abfüllt, der die maximal zulässige Ladespannung und den maximal zulässigen Ladestrom nicht überschreitet. Auch wird die Ausgangsspannung so eingestellt, dass sie im Wesentlichen mit dem maximalen Umsetz-Wirkungsgrad koinzidiert. Darüber hinaus ist auch beschrieben, dass der Umsetz-Wirkungsgrad des Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzers einen primären Schaltungsverlust und auch einen Verlust enthält, der von einem vorwärts gerichteten Spannungsabfall einer sekundären Gleichrichterdiode abhängt, einen primären Verlust enthält, der zum Zeitpunkt einer hohen elektrischen Eingabe-Energie ansteigt und dass bei einer niedrigen elektrischen Eingabe Energie der primäre Verlust abnimmt und der sekundäre Verlust dominierend wird.
  • Die offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2003-111384 offenbart ein Verfahren, bei welchem verhindert wird, dass die Verwendungshäufigkeit eines spezifischen Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzers in einem Fall anwächst, bei dem die Spannung der elektrischen Energie bzw. des elektrischen Stroms einer Hauptstromversorgung durch eine Vielzahl von Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzern umgesetzt wird, die parallel geschaltet sind und zu einer Hilfsbatterie zugeführt wird. Es ist beschrieben, dass bei einer solchen Konfiguration die Startreihenfolge von jedem Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer zwischen der Vielzahl der Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer im Einklang mit einer vorbestimmten spezifizierten Reihenfolge geändert wird und dass die vorbestimmten spezifizierten Reihenfolgen-Einstellungen gemäß den Inhalten, welche die Spannungs-Stromcharakteristika der jeweiligen Gleichstrom-/Gleichstrom-Umsetzer aufweisen, gemessen werden.
  • Wie oben beschrieben ist, wird bei einer Konfiguration, die verwendet wird, indem eine Vielzahl von Umsetzern parallel geschaltet wird, eine Steuerung durchgeführt, welche die Zahl der Umsetzerphasen ändert, die im Ansprechen auf den elektrischen Strom angetrieben werden, der durch den Spannungsumsetzer hindurch fließt. Um ferner eine Spannungsumsetzung gemäß einer Spannungsanhebung oder einer Spannungsabsenkung in der gewünschten Weise durchzuführen, wird eine Steuerung des Tastverhältnisses eines Schaltimpulses ausgeführt. Für diese Steuerung wird allgemein eine Rückkopplungssteuerung (Regelung) oder ähnliches, die eine Rückkopplung eines aktuell gemessenen Wertes eines aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses in Bezug auf einen Tastverhältnis-Befehlswert liefert und dessen Ableitung unterdrückt, allgemein verwendet.
  • Es sei hier darauf hingewiesen, dass dann, wenn die Zahl der Umsetzphasen für die Verwendung bei der Spannungsumsetzung geändert wird, der Zustand von dessen Rückkopplungsschleife geändert wird und es dabei Fälle gibt, bei denen eine optimale Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung nicht erzielt wird.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Umrichter-Steuervorrichtung zu schaffen, die eine Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung durchführen kann, die für die Anzahl der Antriebsphasen geeignet ist, wenn eine Spannungsumsetzung durchgeführt wird, indem die Zahl der Antriebsphasen eines Umrichters im Ansprechen auf eine Last geändert wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Umrichter-Steuervorrichtung geschaffen, die zwischen einer ersten Stromversorgung und einer zweiten Stromversorgung geschaltet ist; diese enthält eine Umsetzer-Vorrichtungskonfiguration, bei der eine Vielzahl von Umsetzern oder Umrichtern, von denen jeder eine Vielzahl von Schalterelementen und einen Reaktor enthält und eine Spannungsumsetzung in zwei Richtungen durchführt, parallel geschaltet sind; und welche die Zahl der Umrichterphasen ändert, die im Ansprechen auf einen elektrischen Strom anzutreiben sind, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, wobei die Umrichter-Steuervorrichtung Folgendes enthält: eine Steuereinheit, die eine Rückkopplung eines aktuellen Wertes eines aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses in Bezug auf einen Tastverhältnis-Befehlswert durchführt, der an die Vielzahl der Schalterelemente zu übermitteln ist, um eine Spannungsumsetzung durchzuführen, und welche eine Abweichung zwischen dem aktuellen Betriebs-Tastverhältnis und dem Tastverhältnis-Befehlswert unterdrückt; eine Speichereinrichtung, um Daten in Bezug auf eine Beziehung zwischen Steuer- oder Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder -regelung und der Zahl der Antriebsphasen abzuleiten und im voraus zu speichern, und eine Verstärkungs-Schaltereinrichtung zum Umschalten der Steuer- oder Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung auf eine Steuerverstärkung, die der Zahl der Antriebsphasen entspricht, die von einem früheren Phasenzahl-Zustand geändert wurde, wenn die Zahl der Antriebsphasen im Ansprechen auf den elektrischen Strom oder die elektrische Energie geändert wird, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt.
  • Es ist ferner zu bevorzugen, dass bei der Umrichter-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Verstärkungs-Schaltereinrichtungen Mittel umfassen, um die Zahl der Antriebsphasen zu bestimmen, und die Steuer-Verstärkungen umschalten, und zwar nachdem bestätigt worden ist, dass die Zahl der Antriebsphasen geändert wurde, indem die Zahl der Antriebsphasen ermittelt oder bestimmt wird.
  • Es ist darüber hinaus auch zu bevorzugen, dass bei der Umrichter-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Speichereinrichtung Werte speichert, bei denen die Steuer-Verstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung für jede der Anzahl der Antriebsphasen erhalten werden, und zwar basierend auf der Ansprechcharakteristik und der Steuerbarkeit bei der Rückkopplungssteuerung.
  • Es ist ferner auch zu bevorzugen, dass bei der Umrichter-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Rückkopplungssteuerung oder -regelung aus einer PID-Steuerung oder -Regelung besteht, ferner die Speichereinrichtung eine Beziehung ableitet und im voraus speichert, und zwar zwischen den Steuerverstärkungen bei der PID-Regelung und der Zahl der Antriebsphasen, und wobei die Verstärkungs-Schaltereinrichtung jede der Steuerverstärkungen bei der PID-Regelung auf jede Steuerverstärkung schaltet entsprechend der Zahl der Antriebsphasen, die sich von einem früheren Phasenzahlzustand jeweils ändern.
  • Die Umrichter-Steuervorrichtung gemäß den zuvor beschriebenen Konfigurationen leitet die Beziehung zwischen den Steuerverstärkungen und der Zahl der Antriebsphasen für die Verwendung bei der Rückkopplungssteuerung ab und speichert diese im voraus, um eine Spannungsumsetzung des Umrichters durchzuführen, und schaltet auch die Steuerverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung auf eine Steuerverstärkung entsprechend der Zahl der Antriebsphasen um, die sich von einem früheren Phasenzahlzustand aus geändert haben, wenn die Zahl der Antriebsphasen der Umrichter oder Umsetzer geändert wird. Es wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, eine Rückkopplungssteuerung oder -regelung in geeigneter Weise für die Anzahl der Antriebsphasen durchzuführen, wenn die Zahl der Antriebsphasen des Umrichters oder Umsetzers im Ansprechen auf eine geänderte Last geändert wird.
  • Da ferner die Steuerverstärkungen umgeschaltet werden, und zwar nach der Bestätigung, dass die Zahl der Antriebsphasen sich geändert hat, indem die Zahl der Antriebsphasen bestimmt wird, kann die für die Zahl der Antriebsphasen geeignete Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung in zuverlässiger und richtiger Weise ausgeführt werden.
  • Da ferner die Werte, für die die Steuerverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung abgeleitet werden, und zwar für jede der Anzahl der Antriebsphasen basierend auf der Ansprechcharakteristik und der Steuerbarkeit bei der Rückkopplungssteuerung, gespeichert werden, wird es möglich, die Rückkopplungssteuerung in geeigneter Weise für die jeweilige Anzahl der Antriebsphasen durchzuführen.
  • Wenn ferner die Rückkopplungssteuerung oder -regelung aus einer PID-Regelung besteht, wird die Beziehung zwischen den Steuerverstärkungen und der Zahl der Antriebsphasen bei der PID-Regelung gespeichert, und es wird jede der Steuerverstärkungen bei der PID-Regelung auf jede Steuerverstärkung geschaltet entsprechend der Zahl der Antriebsphasen, die sich von einem früheren Phasenzahlzustand aus geändert hat. Es wird daher die Möglichkeit geschaffen, eine Spannungsumsetzung durch die PID-Regelung in geeigneter Weise für die Anzahl der Antriebsphasen durchzuführen, wenn die Anzahl der Antriebsphasen des Umrichters im Ansprechen auf eine geänderte Last geändert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein Diagramm, welches eine Konfiguration eines Fahrzeug-Stromversorgungssystems wiedergibt, welches eine Umrichter-Steuervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer PID-Regelschaltung in der Umrichter-Steuervorrichtung der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 beschreiben in Beziehung stehende Zeitsteuerpläne zur Erläuterung einer Funktion gemäß einem PID-Regelsystem in der Umrichter-Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
  • 4 ist ein Diagramm, um in typischer Weise eine Beziehung zwischen einem elektrischen Strom, der durch eine Umrichtervorrichtung hindurch fließt, und dem Verlust einer Umrichtervorrichtung zu erläutern, indem die Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung als Parameter bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung eingestellt wird; und
  • 5 zeigt ein Diagramm, welches jeweilige Steuer-Verstärkungen oder Verstärkungswerte der PID-Regelung veranschaulicht, die für die Anzahl der Antriebsphasen geeignet sind, und zwar in einer Liste im Ansprechen auf die Anzahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung bei der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Die beste Art, die Erfindung auszuführen
  • Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun in Einzelheiten unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird ein im Fahrzeug montiertes Stromversorgungssystem beschrieben, welches mit einem Motor-Generator zum Antreiben eines Fahrzeugs verbunden ist, und zwar als Beispiel eines Stromversorgungssystems beschrieben, bei welchem eine Umrichter-Steuervorrichtung angewendet wird, wobei jedoch die Umrichter-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auch bei Stromversorgungssystemen anders als bei Fahrzeugen angewendet werden kann. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung bei einem Stromversorgungssystem oder ähnlichem angewendet werden, welches in einem Gebäude oder ähnlichem installiert ist. Obwohl ferner ein Beispiel beschrieben wird, bei dem eine erste Stromversorgung aus einer Nickel-Hybrid-Sekundärbatterie und eine zweite Stromversorgung aus einer Festkörper-Polymermembran-Brennstoffzelle als Stromversorgungssystem besteht, bei welchem die Umrichter-Steuervorrichtung angewendet wird, können auch andere Typen von Stromversorgungen verwendet werden. Beispielsweise kann eine Lithium-Innenbatterie als Sekundärbatterie verwendet werden, es können Brennstoffzellen anders als Festkörper-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwendet werden. Obwohl zusätzlich eine beispielhafte Umrichtervorrichtungs-Konfiguration im Folgenden beschrieben wird, bei der drei Umrichterschaltungen parallel geschaltet sind, kann die Umrichtervorrichtung auch irgend eine Vielzahl von Umrichterschaltungen umfassen, inklusive zwei oder noch mehr als drei Schaltungen. Obwohl ferner bei dem folgenden Beispiel das Antriebs-Tastverhältnis durch die PID-Regelung gesteuert oder geregelt wird und eine gewünschte Spannungsumsetzung ausgeführt wird, kann die Spannungsumsetzung in einigen Fällen lediglich durch eine Proportional(P)-Regelung oder eine Proportional-Integral(PI)-Regelung oder ähnliches durchgeführt werden.
  • 1 zeigt ein Diagramm, welches eine Konfiguration eines Fahrzeug-Stromversorgungssystems mit einer Umrichter-Steuervorrichtung 20 wiedergibt. In diesem Fall sind als Stromversorgungssystem, welches mit einem Fahrzeug-Motor/Generator 16 verbunden ist, eine Sekundärbatterie 10 als eine erste Stromversorgungsquelle, eine Brennstoffzelle 12 als eine zweite Stromversorgungsquelle und eine Umrichtervorrichtung 30 dazwischen vorgesehen. Der Betrieb der Umrichtervorrichtung 30 wird durch eine Steuereinheit 40 gesteuert oder geregelt. Die Umrichter-Steuervorrichtung 20 umfaßt daher die Umrichtervorrichtung 30 und die Steuereinheit 40.
  • Zusätzlich ist das Stromversorgungssystem mit dem Motor/Generator 16 über einen Inverter 14 verbunden. Der Inverter 14 kehrt den elektrischen Gleichstrom des oben erwähnten Stromversorgungssystems in einen Dreiphasen-Wechselstrom bzw. elektrische Energie um und arbeitet als Antriebsquelle eines Fahrzeugs, indem dem Motor/Generator 16 Energie zugeführt wird und, wenn das Fahrzeug gebremst wird, der Inverter 14 dann eine Funktion realisiert, bei der die Energie, die durch den Motor/Generator gewonnen wird, in elektrische Gleichstromenergie umgewandelt wird, die dem Stromversorgungssystem in Form eines elektrischen Ladestroms zugeführt wird.
  • Die sekundäre Batterie 10 besteht aus einer aufladbaren und entladbaren Hochspannungs-Stromversorgungseinheit, die dadurch konfiguriert ist, indem eine Vielzahl an elektrischen Lithium-Ionen-Zellen kombiniert wird und die eine gewünschte hohe Spannung liefert. Beispielsweise können hohe Spannungen von angenähert 200 V bis 400 V zwischen einer positiven Busleitung und einer negativen Busleitung übertragen bzw. zugeführt werden.
  • Die Brennstoffzelle 12 besteht aus einer gestapelt zusammengebauten Batterie, die so konfiguriert wird, indem eine Vielzahl der Brennstoffzellen kombiniert wird, um dadurch die Erzeugung von elektrischer Energie mit einer gewünschten hohen Spannung zu ermöglichen, und wird auch als „Brennstoffzellenstapel” bezeichnet. Hierbei hat jede der Brennstoffzellen eine Funktion, bei welcher Wasserstoff der Anodenseite als Brennstoffgas zugeführt wird, Luft der Kathodenseite als Oxidationsgas zugeführt wird und die erforderliche elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion gewonnen wird, und zwar durch eine Elektrolytmembran, die aus einer Polymer-Festkörpermembran besteht. Die Brennstoffzelle 12 kann hohe Spannungen von beispielsweise angenähert 200 V bis 400 V zwischen der positiven Busleitung und der negativen Busleitung zuführen.
  • Die Umrichtervorrichtung 30 besteht aus einer Vorrichtung, die eine Vielzahl von Umsetzschaltungen enthält. Die Umsetzschaltung besteht aus einer Gleichstrom-Spannungs-Umsetzschaltung mit einer Funktion, bei der eine Spannungsumsetzung durchgeführt wird, und zwar zwischen der sekundären Batterie 10, welche die erste Stromversorgungsquelle darstellt, und der Brennstoffzelle 12, welche die zweite Stromversorgung darstellt. Eine Vielzahl der Umsetzschaltungen werden dazu verwendet, um ein Ansprechen auf große Lasten zu ermöglichen, ohne dabei die Nennkapazität der elektronischen Elemente erhöhen zu müssen, welche die Umrichtervorrichtung bilden. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel besteht die Umrichtervorrichtung oder Umsetzvorrichtung 30 aus drei Umsetzschaltungen, die parallel geschaltet sind. Beispielsweise kann jede Last der Umsetzschaltungen durch eine Phasenverschiebung zwischen den drei Umsetzschaltungen reduziert werden oder geringer gemacht werden, und zwar in Bezug zueinander entsprechend 120°, indem ein Dreiphasen-Antrieb ausgeführt wird.
  • Wenn beispielsweise die elektrische Generierungskapazität der Brennstoffzelle 12 nicht mit den Lastschwankungen des Motors/Generators 16 oder ähnlichem Schritt halten kann, hat die Umsetz- oder Umrichtervorrichtung 30 eine Funktion, gemäß welcher die elektrische Energie der Sekundärbatterie 10 spannungsmäßig umgesetzt wird, und zwar mit einer Zufuhr zu der Brennstoffzellenseite 12, und spricht dann auf die Last des Motors/Generators 16 oder ähnlichem als gesamtes Stromversorgungssystem an.
  • Die Umsetzschaltungen bilden die Umrichtervorrichtung 30 und sind jeweils durch eine primäre Schalterschaltung konfiguriert, die eine Vielzahl an Schalterelementen und eine Vielzahl an Gleichrichtern enthält, die auf der ersten Stromversorgungsseite vorgesehen sind, wobei eine sekundäre Schalterschaltung vorhanden ist, die eine Vielzahl an Schalterelementen und eine Vielzahl an Gleichrichtern enthält, die in ähnlicher Weise auf der Seite der zweiten Stromversorgung vorgesehen sind, und mit Reaktoren, die zwischen der primären Schalterschaltung und der sekundären Schalterschaltung vorgesehen sind.
  • Die primäre Schalterschaltung kann durch zwei Schalterelemente konfiguriert sein, die zwischen der positiven Busleitung und der negativen Busleitung der Hochspannungsleitung in Reihe geschaltet sind, und mit zwei Gleichrichtern, von denen jeder mit jedem der Schalterelemente parallel geschaltet ist. Das Schalterelement und ähnliches, welches mit der positiven Busleitungsseite verbunden ist, wird als ein „oberer Seitenarm” bezeichnet, und das Schalterelement und ähnliches, welches mit der negativen Busseite verbunden ist, wird auch als „unterer Seitenarm” bezeichnet. Die sekundäre Schalterschaltung kann auch in ähnlicher Weise konfiguriert sein. Als Schalterelement kann ein Hochspannungs-Hochleistungsschalterelement verwendet werden, beispielsweise ein isolierter Gate-Bipolar-Transistor (IGBT), und es kann als Gleichrichter eine Hochleistungsdiode verwendet werden.
  • Der Reaktor besteht aus einem Element, welches eine Funktion besitzt, die das Speichern oder Entladen von elektromagnetischer Energie ermöglicht, und es wird eine Leerspule oder eine Spule mit einem Kern verwendet. Der Reaktor ist so ausgebildet, dass ein Knotenpunkt zwischen zwei Schalterelementen der primären Schalterschaltung und ein Knotenpunkt zwischen zwei Schalterelementen der sekundären Schalterschaltung verbunden werden.
  • Die Umsetzschaltung führt eine EIN/AUS-Steuerung zu geeigneten Zeitlagen für jeden Arm gemäß dem oberen Seitenarm und dem unteren Seitenarm durch, welche die primäre Schalterschaltung bilden, und für jeden Arm gemäß dem oberen Seitenarm und dem unteren Seitenarm, welche die sekundäre Schalterschaltung bilden, und es ist demzufolge möglich, dass die elektrische Energie auf der ersten Stromversorgungsseite in eine Wechselstromenergie umgewandelt wird und zeitweilig in dem Reaktor als elektromagnetische Energie gespeichert wird, und dass die gespeicherte elektromagnetische Energie in eine Wechselstromenergie erneut umgewandelt wird und zu der sekundären Stromversorgungsseite als elektrische Energie zugeführt wird. Ein EIN/AUS-Verhältnis eines solchen Schaltvorganges, d. h. das Tastverhältnis wird geändert und es wird demzufolge auch möglich, dass die Spannung der ersten Stromversorgungsseite nach oben hin erhöht wird und der zweiten Stromversorgungsseite zugeführt wird, oder die Spannung der ersten Stromversorgungsseite abgesenkt wird und der zweiten Stromversorgungsseite zugeführt wird. In ähnlicher Weise ist es auch möglich, dass elektrische Energie der zweiten Stromversorgungsseite spannungsmäßig umgesetzt wird und der ersten Stromversorgungsseite zugeführt wird.
  • Die Umrichter-Steuervorrichtung 20 enthält die Umrichtervorrichtung oder Umsetzvorrichtung 30 und die Steuereinheit 40. Die Steuereinheit 40 hat eine Funktion, gemäß welcher die Spannungs-Umsetzoperation der Umrichtervorrichtung 30 im Ansprechen auf eine Last gesteuert wird. Die Steuereinheit 40 kann durch einen im Fahrzeug montierten Computer gebildet sein. Die Steuereinheit 40 kann durch einen frei stehenden Computer konfiguriert sein, und es kann die Funktion der Steuereinheit 40 an einen anderen im Fahrzeug montierten Computer übermittelt werden. Beispielsweise ist eine zentrale Hybrid-Verarbeitungseinheit (CPU) oder eine ähnliche Einrichtung in einem Fahrzeug vorgesehen, und es kann die Funktion der Steuereinheit 40 auf die Hybrid-CPU übertragen werden.
  • Die Steuereinheit 40 enthält einen PID-Regelmodul 42, der die Umrichtervorrichtung 30 durch eine PID-Regelung regelt oder steuert und eine gewünschte Spannungsumsetzung durchführt, enthält einen Modul zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen 44, der die Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung 30 im Ansprechen auf den elektrischen Strom ändert, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, und enthält einen Verstärkungs-Umschaltmodul 46, der die Rückkopplungs-Verstärkungen in der PID-Regelung umschaltet, wenn die Zahl der Antriebsphasen geändert wird. Diese Funktionen können durch eine Software realisiert werden, und können in einer spezifischeren Weise durch Ausführen eines entsprechenden Umrichter-Steuerprogramms realisiert werden. Alternativ können einige dieser Funktionen auch durch eine Hardware realisiert werden.
  • Der PID-Regelmodul 42 in der Steuereinheit 40 hat eine Funktion, welche die EIN/AUS-Zeitlagen, ein EIN/AUS-Tastverhältnis und ähnliches der jeweiligen Schalterelemente steuert oder regelt, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, und zwar durch das PID-Regelsystem, und führt die gewünschte Spannungsumsetzung zwischen der sekundären Batterie 10 und der Brennstoffzelle 12 durch. Es ist beispielsweise möglich, dass die Spannung der sekundären Batterie 10 erhöht wird, und zwar durch Erhöhen des Tastverhältnisses, und dass die erhöhte Spannung der Seite der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, während die Spannung der sekundären Batterie 10 durch Absenken des Tastverhältnisses abgesenkt wird und dann die abgesenkte Spannung der Seite der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird. Es wird dann eine Steuerung oder Regelung durchgeführt, um eine Abweichung zwischen einem befehligten Tastverhältnis und einem tatsächlichen Betriebs-Tastverhältnis zu unterdrücken, und zwar unter Verwendung eines PID-Regelsystems, indem eine Rückkopplung des aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses für das befehligte Tastverhältnis vorgenommen wird.
  • 2 zeigt ein Blockschaltbild einer PID-Regelschaltung 58, die eine Spannungs-Umsetzsteuerung unter Verwendung des PID-Regelsystems oder Steuersystems durchführt. Im Folgenden werden Bezugszeichen, die in 1 verwendet sind und die weiter oben beschrieben wurden, für die folgende Beschreibung verwendet, wenn auf entsprechende Komponenten Bezug genommen wird. In der folgenden Beschreibung wird ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Tastverhältnis-Befehlswert als Vref (60) dargestellt ist, ein aktuelles Betriebs-Tastverhältnis als Vraw (66) angegeben ist und eine Ausgangsgröße 90 der Umrichtervorrichtung 30 basierend auf einer Rückkopplung von Vraw (66) und einer Vorwärtskopplung unter Berücksichtigung der Ausgangsspannung der sekundären Batterie 10 erzeugt wird. Obwohl zusätzlich das Blockschaltbild die Spannung veranschaulicht, wie sie durch Vref (60) und durch Vraw (66) veranschaulicht ist, ist dies deshalb der Fall, dass angebracht ist zu berücksichtigen, dass die Konfiguration der Steuerschaltung oder Regelschaltung auf der Spannung basiert und ein aktuelles Tastverhältnis aus einem Zeitverhältnis besteht oder lediglich aus einem digitalen numerischen Wert besteht. Obwohl ferner 2 ein Blockschaltbild darstellt, welches eine der drei Umsetzschaltungen veranschaulicht, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, können Blockschaltbilder von anderen Umsetzschaltungen die gleichen Inhalte aufweisen.
  • In 2 bildet Vref (60) einen EIN/AUS-Befehlswert für die Schalterelemente, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, und bildet spezifischer gesagt einen Tastverhältnis-Befehlswert. Ein Tastverhältnis ist ein numerisches Verhältnis der EIN-Zeit in Bezug auf die Summe aus der EIN-Zeit und einer AUS-Zeit, beispielsweise in einem Fall, bei dem die EIN/AUS-Steuerung alle 100 μsec wiederholt wird, wenn die EIN-Zeit bei 40 μsec liegt und die AUS-Zeit bei 60 μsec liegt, so dass dann das Tastverhältnis lautet 40/(40 + 60) = 0,4. Die Angabe Vref (60) bedeutet, dass das Tastverhältnis = 0,4 in Daten umgesetzt wird, die einen geeigneten Spannungswert angeben. Der Tastverhältnis-Befehlswert Vref (60) wird abhängig von der Einstellung des Grades der Erhöhung oder der Absenkung von Zuständen der Brennstoffzelle 12 und der Sekundärbatterie 10 bestimmt. Beispielsweise kann das Tastverhältnis, welches einer Erhöhung oder Absenkung entspricht, die spannungsmäßig umzusetzen ist, durch Verwenden einer vorbestimmten Bezugsgleichung, eines Planes oder ähnlichem abgeleitet werden, indem ein Anfrage-Lastvolumen eingestellt wird, eine elektrische Generierungskapazität der Brennstoffzelle 12 zu dem Zeitpunkt, ein Ladezustand der sekundären Batterie 10 und ähnliches als Eingangsgröße gesetzt wird.
  • Ein Begrenzer 62 besteht aus einer Begrenzungsschaltung, welche die obere und die untere Grenze festlegt, so dass Vref (60) einen spezifizierten Wert nicht überschreitet. Ein primäres Verzögerungselement 64 besteht aus einem Filter, welches eine Funktion besitzt, durch die Störsignale der Ausgangsgröße des Begrenzers 62 hauptsächlich beseitigt werden.
  • Ein Subtrahierer 68 hat eine Funktion, durch die ein Wert von Vraw (66) von der Ausgangsgröße des primären Verzögerungselements 64 reduziert wird. Vraw (66) stellt ein Tastverhältnis in einem aktuellen Betriebszustand in der Umrichtervorrichtung 30 dar. Ein Wert, der hauptsächlich von einer aktuellen EIN/AUS-Wellenform der Schalterelemente erhalten wird oder abgeleitet wird, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, kann für Vraw (66) verwendet werden. Durch die Funktion des Subtrahierers 68 wird eine Rückkopplung des aktuellen Tastverhältnisses in Bezug auf den Tastverhältnis-Befehlswert erreicht, und eine Abweichung zwischen diesen kann ausgegeben werden.
  • Die Abweichung des Tastverhältnisses, die von dem Subtrahierer 68 auszugeben ist, wird einer arithmetischen PID-Einheit 69 eingespeist. Die arithmetische PID-Einheit 69 ist in solcher Weise aufgebaut, dass sie ein arithmetisches Proportional-Element 70 enthält, welches eine Proportional-Regelverstärkung Kp zur Ausführung einer Proportional-Regelung zum Unterdrücken der Abweichung aufweist, enthält einen Integrator 72 zum Unterdrücken eines nicht unterdruckbaren Elements bei der Proportional-Regelung durch einen Integrationsprozeß, und ein arithmetisches Integrationselement 74 mit einer Integral-Regelverstärkung KI und mit einem Differenzierer 76 zum Unterdrücken eines nicht unterdruckbaren Elements durch einen Differenzialprozeß, und ein arithmetisches Differenzialelement 78 mit einer Differenzial-Regelverstärkung Kd.
  • Wie oben beschrieben ist, enthält die arithmetische PID-Einheit 69 die Proportional-Regelverstärkung KP, die Integral-Regelverstärkung KI und die Differenzial-Regelverstärkung Kd. Diese Steuer- oder Regelverstärkungen können experimentell festgelegt werden, indem die PID-Regelung der aktuellen Umrichtervorrichtung 30 ausgeführt wird, und auch basierend auf der Ansprechcharakteristik und der Steuerbarkeit zu diesem Zeitpunkt.
  • Jedes Ergebnis der Proportional-Regelung, der Integral-Regelung und der Differenzial-Regelung wird durch einen Addierer 80 addiert. Wie oben beschrieben ist, werden EIN/AUS-Daten, die zum Unterdrücken der Abweichung korrigiert wurden, an den Addierer 80 unter Verwendung des PID-Regelsystems ausgegeben.
  • Ein Vorwärtskopplungs-Term 82 besteht aus einem Vorwärtskopplungs-Volumen, welches ein Tastverhältnis reflektiert. Der Vorwärtskopplungs-Term 82 besteht aus einem Wert, der mit Hilfe einer vorbestimmten Berechnungsgleichung erhalten wird, und zwar unter Verwendung des oben beschriebenen Befehlswertes Vref und der Ausgangsspannung der sekundären Batterie 10 in Verbindung mit einem Tastverhältnis. Der Addierer 84 hat eine Funktion, gemäß welcher der Vorwärtskopplungs-Term zu der Ausgangsgröße des Addierers 80 nach der PID-Regelung addiert wird. Ein Begrenzer 86 besteht aus einer Begrenzungsschaltung, die die oberen und unteren Grenzen festlegt, so dass die Ausgangsgröße des Addierers 84 nicht übermäßig groß werden kann. Jeder Phasen-Abgleichprozeß 88 umfaßt eine Funktion, die einen Prozeß bildet oder ausführt, um einen Tastverhältnis-Abgleich unter den drei Antriebsphasen zu erzielen, und zwar zusammen mit den Ergebnissen der anderen Antriebsphasen-Umsetzschaltungen. Das Ergebnis von jedem Phasen-Abgleichprozeß 88 wird an die Umrichtervorrichtung 30 als ein EIN/AUS-Signal ausgegeben, und zwar in Bezug auf die Schalterelemente der jeweiligen Umsetzschaltungen, welche die Umrichtervorrichtung bilden (siehe die Ausgangsgröße 90).
  • Eine PID-Regelschaltung 58 enthält alle Elemente, die in dem Blockschaltbild veranschaulicht sind, und diese kann durch eine analoge Schaltung oder eine digitale Schaltung realisiert werden oder durch eine Kombination zwischen einer analogen und einer digitalen Schaltung.
  • Die 3 beschreiben relative Zeitplandiagramme zur Erläuterung einer Funktion gemäß dem PID-Regelsystem. Bei jedem dieser Zeitpläne ist auf der x-Achse die Zeit aufgetragen, und auf der y-Achse ist die Spannung aufgetragen, und der Zeitpunkt des Ursprungs ist gleich. 3(a) und 3(b) von 3 zeigen Zeitpläne, welche eine Beziehung von Vref zu Vraw darstellen, wenn die PID-Regelung nicht ausgeführt wird. Wenn in diesem Fall Vref als ein Befehl eines EIN/AUS-Signals der Schalterelemente in der Umrichtervorrichtung 30 gegeben ist, wird der resultierende Wert des EIN/AUS-Signals während des aktuellen Betriebs der Umrichtervorrichtung 30 zu Vraw. Das heißt, selbst dann, wenn Vref als ein Befehlswert vorgesehen wird, entsteht eine Verzögerung, während welcher das Tastverhältnis sich selbst ändert. Dies erzeugt eine Abweichung zwischen einem Tastverhältnis, welches durch Vref befehligt wird, und Vraw, welches das aktuelle resultierende Betriebs-Tastverhältnis ist, und zwar in der Umrichtervorrichtung 30. Beispielsweise ist es gemäß der Darstellung in (a) von 3 möglich, dass ein Tastverhältnis von 0,6, welches durch Vref befehligt wird, zu 0,4 wird, wie dies in (b) von 3 bei dem aktuellen Vraw gezeigt ist.
  • Dies tritt deshalb auf, da eine große Anzahl von eine Verzögerung verursachenden Elementen von einer Steuerschaltung existiert und welche die Vref berechnet und ausgibt, und zwar an die Schalterelemente der Umrichtervorrichtung 30. Beispielsweise wird die Ausgangsgröße einer Vref berechnenden Schaltung der PID-Regelschaltung 58 zugeführt, die in 2 dargestellt ist, und zwar durch einen Fotokoppler, und es wird die Ausgangsgröße (90) der PID-Regelschaltung 58 zu jedem der Schalterelemente der Umrichtervorrichtung 30 über den Fotokoppler zugeführt. Es existiert daher eine Verzögerung, eine Wellenform-Verformung und ähnliches, die aus dem Senden und Empfangen der Signale an dem Fotokoppler resultieren. Zusätzlich wird auch eine Verzögerung in beabsichtigter Weise vorgesehen, so dass der obere Arm und der untere Arm, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, nicht zur gleichen Zeit eingeschaltet werden, was ebenfalls zu einem der oben erläuterten eine Verzögerung bewirkenden Elemente beiträgt. Ferner existiert auch ein eine Verzögerung bewirkendes Element in der Umrichtervorrichtung 30.
  • Die PID-Steuerung oder PID-Regelung umfaßt eine Funktion, durch die eine Abweichung zwischen dem Tastverhältnis, welches durch Vref befehligt wird, und dem Tastverhältnis des aktuellen Vraw unterdrückt wird. (c) von 3 zeigt eine Ausgangsgröße zu einem Zeitpunkt, wenn die PID-Regelung oder -Steuerung ausgeführt wird. Diese Ausgangsgröße besteht aus einem EIN/AUS-Signal, welches der Umrichtervorrichtung übergeben wird. Dieses Signal entspricht der Ausgangsgröße 90, welche in Verbindung mit 2 beschrieben wurde. Diese Signal-Wellenform wird korrigiert, so dass sie hinsichtlich der EIN-Zeit lang ist, und zwar um den Wert Δ korrigiert, und zwar verglichen mit einer Signal-Wellenform von Vref, welches aus dem ursprünglichen Tastverhältnisbefehl besteht. Der Korrekturbetrag Δ bildet einen Korrektur-Term basierend auf der PID-Regelung, und es wird dessen Größe in solcher Weise eingestellt, dass dann, wenn die Ausgangsgröße in die Umrichtervorrichtung 30 eingespeist wird, das aktuelle Betriebs-Tastverhältnis der Schalterelemente, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, so eingestellt wird, dass es das gleiche ist wie das Tastverhältnis, welches durch das ursprüngliche Vref befehligt wurde. In (d) von 3 ist ein Betriebs-Tastverhältnis in den Schalterelementen gezeigt, und zwar in Bezug auf die korrigierte Ausgangsgröße, das heißt in Bezug auf Vraw. In diesem Fall ist das Tastverhältnis in Vraw im Wesentlichen das gleiche wie das befehligte Tastverhältnis von 0,6 in dem ursprünglichen Vref.
  • Auf diese Weise kann die Abweichung zwischen dem befehligten Tastverhältnis und dem aktuellen Betriebs-Tastverhältnis unterdrückt werden, und zwar durch Verwenden des PID-Regelsystems und durch Realisieren einer Rückkopplung des aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses in Bezug auf das befehligte Tastverhältnis.
  • Um nun erneut auf 1 einzugehen, so besitzt der Modul zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen 44 der Steuereinheit 40 eine Funktion, welche die Zahl der Antriebe für drei Umsetzschaltungen ändert, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, und zwar im Ansprechen auf den elektrischen Strom, der durch die Umrichtervorrichtung 30 fließt. Der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, kann durch Verwenden eines Datenplans oder ähnlichem, um hier ein Beispiel zu nennen, erhalten oder abgeleitet werden. Beispielsweise kann die Ausgabe von elektrischer Energie zu der Umrichtervorrichtung 30 der sekundären Batterie 10 anhand von Messungen der Werte der Ausgangsspannung und des Ausgangsstromes der sekundären Batterie 10 abgeleitet werden, und es kann dann ein Lastverlust daraus abgeleitet oder reduziert werden, und dieser reduzierte Wert multipliziert dann den Umsetz-Wirkungsgrad der Umrichtervorrichtung 30, und es kann dann ein Wert für den elektrischen Strom, der durch die Umrichtervoichtung 30 hindurch fließt, erhalten und abgeleitet werden. Da alternativ der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, aus dem elektrischen Strom besteht, der durch die Reaktoren hindurch fließt, welche die Umrichtervorrichtung 30 bilden, kann ein geeigneter Strom-Detektionssensor bei den Reaktoren vorgesehen sein, und es kann ein Strom, der durch die Reaktoren hindurch fließt, detektiert werden, und es kann der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, basierend auf den detektierten Daten erhalten werden.
  • 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer typischen Beziehung zwischen einem elektrischen Strom, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, und einem Verlust der Umrichtervorrichtung 30 durch Einstellen der Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung 30 als Parameter. In 4 ist auf der horizontalen Achse der elektrische Strom aufgetragen, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, und auf der vertikalen Achse ist der Verlust der Umrichtervorrichtung 30 aufgetragen. Die Bezugszeichen des elektrischen Stromes, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, sind als positiv angegeben, wenn ein Strom von der Seite der Sekundärbatterie zur Seite der Brennstoffzelle fließt, und sind als negativ angegeben, wenn ein Strom von der Seite der Brennstoffzelle zu der Seite der Sekundärbatterie fließt. In diesem Diagramm sind in Verbindung mit der Umrichtervorrichtung 30 eine Verlust-Kennlinie 51 im Falle eines Einzelphasen-Antriebs gezeigt, bei dem lediglich eine Umsetzschaltung angetrieben wird, eine Verlust-Kennlinie 52 für einen Fall von Zweiphasen-Antrieben gezeigt, welche zwei Umsetzschaltungen antreiben, und eine Verlust-Kennlinie 53 in einem Fall gezeigt, bei dem ein Dreiphasen-Antrieb realisiert ist, durch den drei Umsetzschaltungen angetrieben werden.
  • Wie auch in der oben angegebenen offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2006-33934 beschrieben ist, umfaßt der Verlust in der Umrichtervorrichtung, welche die Schalterelemente und die Reaktoren verwendet, einen Reaktor-Kupferverlust, der durch die Reaktorwicklung entsteht, einen Modulverlust, der durch den Betrieb des Schalterelements entsteht, und einen Reaktor-Eisenverlust, der durch das Reaktor-Magnetmaterial entsteht. Hierbei nehmen der Reaktor-Kupferverlust und der Modulverlust mit einer Zunahme des elektrischen Stromes zu, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, und sind während des Einzelphasen-Betriebes größer als während des Dreiphasen-Betriebes, während der Reaktor-Eisenverlust nicht signifikant von dem elektrischen Strom abhängt, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt und größer ist während des Dreiphasen-Betriebes als während des Einzelphasen-Betriebes. In 4 ist ein solcher Zustand dargestellt. Das heißt, die charakteristische Verlustkurve des Einzelphasen-Antriebes 51 ist die kleinste, wenn der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, klein ist und innerhalb des Bereiches 'A' liegt. Wenn als Nächstes der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, von 'A' aus zunimmt, ist die charakteristische Verlustkurve des Zweiphasen-Antriebs 52 die kleinste im Verlust in dem Bereich 'B'. Wenn der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, weiter zunimmt und in dem Bereich 'C' liegt, ist die charakteristische Verlustkurve des Dreiphasen-Antriebs 53 die kleinste hinsichtlich des Verlustes.
  • Basierend auf den in 4 gezeigten Ergebnissen bewirkt der Modul zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen 44 der Steuereinheit 40 einen Einzelphasen-Antrieb, wenn der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, in dem Bereich A liegt, bewirkt einen Zweiphasen-Antrieb, wenn der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, in dem Bereich B liegt, und bewirkt einen Dreiphasen-Antrieb, wenn der elektrische Strom, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, in dem Bereich C liegt, und zwar im Ansprechen auf den elektrischen Strom, der durch die Umsetzvorrichtung in der Umrichtervorrichtung 30 fließt.
  • In diesem Fall bildet ein Schnittpunkt zwischen der Verlust-Kennlinie 51 während des Einzelphasen-Antriebs und der Verlust-Kennlinie 52 während des Zweiphasen-Antriebs einen Verzweigungspunkt zwischen dem Bereich A und dem Bereich B, und ein Schnittpunkt zwischen der Verlust-Kennlinie 52 während des Zweiphasen-Antriebs und der Verlust-Kennlinie 53 während des Dreiphasen-Antriebs bildet einen Verzweigungspunkt zwischen dem Bereich B und dem Bereich C. Da die jeweiligen Verlust-Kennlinien im voraus berechnet werden können, kann ein Wert des elektrischen Stromes, der durch die Umrichtervorrichtung bei einem Wechsel hindurch fließt, und zwar zwischen dem Einzelphasen-Antrieb und dem Zweiphasen-Antrieb, der ein Wert des Verzweigungspunktes zwischen den Bereichen A und B ist, und ein Wert des elektrischen Stromes, der durch die Umrichtervorrichtung bei einem Wechsel hindurch fließt, und zwar zwischen dem Zweiphasen-Antrieb und dem Dreiphasen-Antrieb, welches ein Wert des Verzweigungspunktes zwischen den Bereichen B und C ist, beide im voraus eingestellt werden. Wenn ein absoluter Wert eines früheren Verzweigungspunktes auf einen Schwellenwert P12 der Änderung eingestellt wird, und zwar zwischen der Einzelphase und den zwei Phasen, und ein absoluter Wert eines letzteren Verzweigungspunktes auf einen Schwellenwert P23 der Änderung zwischen den zwei Phasen und den drei Phasen eingestellt wird, kann ein absoluter Wert P des elektrischen Stromes, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, erhalten werden; wenn P ≤ P12 ist, kann ein Einzelphasen-Antrieb vorgenommen werden; wenn P12 < P < P23 ist, kann ein Zweiphasen-Antrieb durchgeführt werden; wenn P ≥ P23 ist, kann ein Dreiphasen-Antrieb ausgeführt werden.
  • Um erneut auf 1 einzugehen, so besitzt der Verstärkungs-Umschaltmodul 46 der Steuereinheit 40 eine Funktion, durch die die Rückkopplungs-Verstärkung bei der PID-Regelung umgeschaltet wird, wenn die Zahl der Antriebsphasen geändert wird. Wie oben beschrieben wurde, wird bei dem PID-Regelsystem eine Proportional-Regelverstärkung Kp, eine Integral-Regelverstärkung KI und eine Differenzial-Regelverstärkung Kd realisiert, und diese Regelverstärkungen können experimentell festgelegt werden, und zwar durch Ausführen der PID-Regelung der aktuellen Umrichtervorrichtung 30 und durch Vorspannen der Werte an den jeweiligen Charakteristika und Steuerfähigkeit zu einem Zeitpunkt. Wenn demzufolge die Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung 30 geändert wird, wird die Konfiguration eines Objektes der PID-Regelung geändert, und es werden auch die Regelverstärkungen, die für die Konfiguration geeignet sind, ebenfalls dadurch unterschiedlich gemacht.
  • 5 zeigt ein Diagramm, welches die jeweiligen Regelverstärkungen der PID-Regelung wiedergibt, die für die Anzahl der Antriebsphasen geeignet sind, die entsprechend der Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung 30 aufgelistet sind. Wenn hierbei die Zahl der Antriebsphasen geändert wird, ist der optimale Wert von jeder Verstärkung gemäß der proportionalen Regelverstärkung Kp, der integralen Regelverstärkung KI und der differenzialen Regelverstärkung Kd verschieden. Wie oben beschrieben ist, werden die optimalen Werte der jeweiligen Steuer- oder Regelverstärkungen bei der jeweiligen Anzahl der Antriebsphasen experimentell abgeleitet, und zwar basierend auf der Ansprechcharakteristik und der Steuerbarkeit während der PID-Regelung, die während des aktuellen Dreiphasen-Antriebs, des Zweiphasen-Antriebs und des Einzelphasen-Antriebs durchgeführt wird. Es ist zu bevorzugen, dass die auf diese Weise erhaltenen optimalen Werte der jeweiligen Regelverstärkungen in einer geeigneten Speichervorrichtung gespeichert werden, und zwar durch Einstellen der Zahl der Antriebsphasen als ein Such-Schlüssel, und nur ausgelesen werden, wenn die Zahl der Antriebsphasen geändert wird. Als Speichervorrichtung kann eine geeignete Halbleiter-Speichervorrichtung oder ähnliches verwendet werden; beispielsweise kann ein Speicher verwendet werden, der in der Steuereinheit 40 vorgesehen ist.
  • Um nun erneut auf 1 einzugehen, so besitzt der Verstärkungs-Umschaltmodul 46 der Steuereinheit 40 eine Funktion, welche die Steuer- oder Regel-Verstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder -regelung auf eine Steuer- oder Regel-Verstärkung umschaltet, und zwar entsprechend der Zahl der Antriebsphasen, die sich von einem früheren Phasenzahlzustand aus geändert hat, wenn die Zahl der Antriebsphasen im Ansprechen auf den elektrischen Strom geändert wird, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt. Spezifischer gesagt wird eine Funktion realisiert, durch die die nächste Prozeßprozedur ausgeführt wird. Das heißt, wenn die Zahl der Antriebsphasen in der Umrichtervorrichtung 30 geändert wird, wird zunächst die Zahl der Phasen, die in der Umrichtervorrichtung 30 angetrieben werden, als erstes bestimmt (Phasenbestimmungsschritt). Diese Bestimmung wird nicht durch eine Detektion des elektrischen Stroms durchgeführt, der durch die Umrichtervorrichtung 30 hindurch fließt, sondern basiert in bevorzugter Weise auf der Ausgangsgröße des Moduls zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen 44 der Steuereinheit 40. Das heißt, der Modul zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen 44 bestimmt, ob der aktuelle Befehl hinsichtlich der Zahl der Antriebsphasen aus einem Befehl für den Dreiphasen-Antrieb, einem Befehl für den Zweiphasen-Antrieb oder einem Befehl für den Einzelphasen-Antrieb besteht oder nicht. Anhand dieser Bestimmung kann bestätigt werden, dass eine Änderung in der Zahl der Antriebsphasen in der Umrichtervorrichtung 30 in korrekter Weise durchgeführt wird. Als nächstes werden die jeweiligen Regelverstärkungen für die Verwendung bei der PID-Regelung auf solche umgeschaltet, die der Zahl der Antriebsphasen entsprechen, die bei dem Phasenbestimmungsschritt bestätigt werden können. Beispielsweise werden, wie in 5 dargestellt ist, die jeweiligen Regelverstärkungen, die der Zahl der Antriebsphasen entsprechen, ausgelesen und werden durch Einstellen der Zahl der Antriebsphasen als Such-Schlüssel in der Speichervorrichtung abgeleitet, welche die vorläufig abgeleiteten jeweiligen Regelverstärkungen (Phasen-Ableitschritt) speichert. Es werden dann die jeweiligen Regelverstärkungen, die insoweit für die Zahl der Antriebsphasen verwendet worden sind, auf die oben angegebene jeweilige Regelverstärkung umgeschaltet (Verstärkungs-Umschaltschritt). Es wird dann die PID-Regelung ausgeführt (PID-Regelschritt).
  • Wenn auf diese Weise die Zahl der Antriebsphasen im Ansprechen auf den elektrischen Strom geändert wird, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, können die Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung auf eine Steuerverstärkung umgeschaltet werden entsprechend der Zahl der Antriebsphasen, die sich von dem früheren Phasenzahlzustand aus geändert haben, und es wird somit möglich, eine Spannungs-Umsetzsteuerung oder -regelung durchzuführen, die für die Zahl der Antriebsphasen geeignet ist.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung wird für Umrichter-Steuervorrichtungen verwendet. Spezifischer gesagt wird die vorliegende Erfindung für eine Umrichter-Steuervorrichtung verwendet, die zwischen einer ersten Stromversorgung und einer zweiten Stromversorgung geschaltet ist, umfaßt eine Umrichtervorrichtungs-Konfiguration, bei welcher eine Vielzahl von Umrichtern, von denen jeder eine Vielzahl von Schalterelementen und einen Reaktor enthält und jeder eine Zwei-Richtungs-Spannungsumsetzung durchführt, parallel geschaltet sind, und welche die Zahl der Umrichterphasen ändert, die im Ansprechen auf den elektrischen Strom anzutreiben sind, der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt.
  • Zusammenfassung
  • Umrichter-Steuervorrichtung
  • Eine Umrichtervorrichtung (30), die so konfiguriert ist, indem drei Umrichterschaltungen parallel geschaltet sind, ist zwischen einer sekundären Batterie (10), die als eine erste Stromversorgung dient, und einer Brennstoffzelle (12), die als zweite Stromversorgung dient, vorgesehen. Eine Steuereinheit (40) enthält einen PID-Regelmodul (42), der die Umrichtervorrichtung (30) durch eine PID-Regelung regelt oder steuert, um eine gewünschte Spannungsumsetzung auszuführen; einen Modul zum Modifizieren der Zahl der Antriebsphasen (44), welcher die Zahl der Antriebsphasen der Umrichtervorrichtung (30) im Ansprechen auf einen elektrischen Strom, der durch die Umrichtervorrichtung (30) hindurch fließt, ändert; und einen Verstärkungs-Umschaltmodul (46), der die Rückkopplungs-Verstärkungen bei der PID-Regelung umschaltet, wenn die Zahl der Antriebsphasen geändert wird.
  • 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 2006-33934 [0003, 0051]
    • - JP 2003-235252 [0004]
    • - JP 2003-111384 [0005]

Claims (4)

  1. Umrichter-Steuervorrichtung, die zwischen einer ersten Stromversorgung und einer zweiten Stromversorgung geschaltet ist; welche eine Umrichtervorrichtungs-Konfiguration enthält, bei der eine Vielzahl von Umrichtern, von denen jeder eine Vielzahl von Schalterelementen und einen Reaktor enthält und eine Zweirichtungs-Spannungsumsetzung durchführt, parallel geschaltet sind; und welche die Zahl der Umrichterphasen ändert, die im Ansprechen auf einen elektrischen Strom anzutreiben sind; der durch die Umrichtervorrichtung hindurch fließt, wobei die Umrichtersteuervorrichtung Folgendes umfaßt: eine Steuereinheit, die eine Rückkopplung eines aktuellen Wertes eines aktuellen Betriebs-Tastverhältnisses in Bezug auf einen Tastverhältnis-Befehlswert, welcher der Vielzahl der Schalterelemente zu erteilen ist, durchführt, um eine Spannungsumsetzung durchzuführen, und welche eine Abweichung zwischen dem aktuellen Betriebs-Tastverhältnis und dem Tastverhältnis-Befehlswert unterdrückt; eine Speichereinrichtung, um im Voraus gespeicherte Daten in Bezug auf eine Beziehung zwischen den Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder -regelung und der Zahl der Antriebsphasen vorzusehen, und eine Verstärkungs-Umschalteinrichtung zum Umschalten der Steuer- oder Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung oder -regelung auf eine Regelverstärkung, die der Zahl der Antriebsphasen entspricht, welche sich von einem früheren Phasenzahlzustand aus ändert, wenn die Zahl der Antriebsphasen im Ansprechen auf den elektrischen Strom, der durch die Unmrichtervorrichtung hindurch fließt, geändert wird.
  2. Umrichter-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Verstärkungs-Umschalteinrichtung eine Einrichtung zum Bestimmen der Zahl der Antriebsphasen enthält, und die Steuer- oder Regelverstärkungen umschaltet, und zwar nach einer Bestätigung, daß die Zahl der Antriebsphasen sich geändert hat, durch Bestimmen der Zahl der Antriebsphasen.
  3. Umrichter-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Speichereinrichtung Werte speichert, in welchen die Regelverstärkungen bei der Rückkopplungssteuerung fair jede der Anzahl der Antriebsphasen erhalten werden, basierend auf der Ansprechcharakteristik und der Steuerbarkeit bei der Rückkopplungssteuerung oder Rückkopplungsregelung.
  4. Umrichter-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Rückkopplungs-Regelung aus einer PID-Regelung besteht, die Speichereinrichtung eine Beziehung zwischen den Regelverstärkungen bei der PID-Regelung und die Zahl der Antriebsphasen im Voraus gespeichert enthält, und die Verstärkungs-Umschalteinrichtung jede der Regelverstärkungen bei der PID-Regelung auf jede Regelverstärkung umschaltet entsprechend der Zahl der Antriebsphasen, die sich von einem früheren Phasenzahlzustand aus jeweils ändert.
DE112007002260T 2006-10-12 2007-10-01 Umrichter-Steuervorrichtung Ceased DE112007002260T5 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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