-
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]