DE112009004850T5

DE112009004850T5 - Wandlersteuervorrichtu ng

Info

Publication number: DE112009004850T5
Application number: DE112009004850T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Hasegawa; Yasuhiro Osada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2012-10-11
Also published as: US20120086417A1; CN102449893A; JP5435028B2; DE112009004850T8; JPWO2010140228A1; WO2010140228A1; CN102449893B; US8765312B2

Abstract

[Zu lösendes Problem]Es soll eine Wandlersteuervorrichtung geschaffen werden, die geeignet ist, durch geeignetes Einstellen einer Prioritätsbetriebsphase die Ausgangsregelung bei Niedriglastbedingungen oder dergleichen zu unterdrücken. [Lösung]Ein Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a bestimmt, ob die Ist-Lastabweichung unter einen Lastabweichungsgrenzwert fällt, der in einem Speicher M hinterlegt ist. Wenn der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a bestimmt, dass eine bestimmte Zeitdauer (z. B. eine Minute) verstrichen ist, seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, legt ein Stromversorgungsabschnitt 10b die gleichen Leistung an Reaktoren für die jeweiligen Phasen an. Daneben misst ein Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c Temperaturanstiegsraten von Elementen V(u), V(v) und V(w) für die jeweiligen Phasen, stuft die Raten in einer Reihe ausgehend von der mit höherer Wärmeverteilungseigenschaft ein und informiert einen Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d über das Ergebnis. Der Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d wählt die Phase mit der höchsten Wärmeverteileigenschaft (z. B. die V-Phase) als Prioritätsbetriebsphase.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlersteuervorrichtung zum Steuern einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle.
[Stand der Technik]
Als bordseitiges Brennstoffzellensystem für Automobile und dergleichen wurden verschiedene Hybrid-Brennstoffzellensysteme, die sowohl eine Brennstoffzelle als auch eine Batterie als Stromquelle haben, vorgeschlagen, um Situationen, wie schnelle Lastveränderungen, die über die Leistungserzeugungsfähigkeit der Brennstoffzelle hinausgehen, zu adressieren.
Bei einem Hybrid-Brennstoffzellensystem wird unter anderem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch einen DC-DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler gesteuert. Ein weithin verwendeter DC-DC-Wandler für eine derartige Steuerung ist dergestalt, dass er Schaltelemente wie beispielsweise Leistungstransistoren, IGBTs oder FETs PWM-artig betätigt, um eine Spannung zu wandeln. Aufgrund zunehmender Verbesserung elektronischer Bauteile, die bei verringerter Stromaufnahme und erhöhter Leistung immer kleiner werden, besteht Bedarf an einem DC-DC-Wandler, der schneller ist, eine dabei eine höhere Kapazität sowie eine geringere Welligkeit (ripples) hat. Um diesen Bedarf zu stillen wird herkömmlich ein Mehrphasen-DC-DC-Wandler verwendet, der aus einer Mehrzahl von DC-DC-Wandlern besteht, die miteinander parallel verbunden sind (siehe Patentschrift 1).
[Liste der Druckschriften]
[Patentschrifttum]

Patentschrift 1: japanische Offenlegungsschrift JP 2006-340535

[Kurzfassung der Erfindung]
[Technische Aufgabenstellung]
Bei einem herkömmlichen Mehrphasen-DC-DC-Wandler wird die Betriebsphasen-Schaltsteuerung bzw. -Wechselsteuerung (z. B. die Schalt- bzw. Wechselsteuerung vom Einphasenbetrieb zum Mehrphasenbetrieb) abhängig von der Größe der Last durchgeführt. Im Falle eines Mehrphasen-DC-DC-Wandlers mit U, V und W-Phase umfasst die in Abhängigkeit von der Größe der Last auszuführende Betriebsphasen-Wechselsteuerung beispielsweise einen Einphasenbetrieb, bei dem nur die U-Phase verwendet wird, einen Zweiphasenbetrieb, bei dem die U und die V-Phase verwendet werden, und einen Dreiphasenbetrieb, bei dem die U, V und W-Phase verwendet werden.
Wie vorstehend dargestellt wird, bei einem herkömmlichen Mehrphasen-DC-DC-Wandler, eine über andere Phasen priorisierte Phase fest eingestellt (bei dem vorstehenden Beispiel die U-Phase; nachfolgend als „Prioritätsbetriebsphase” bezeichnet). Ein damit einhergehendes Problem ist, dass, wenn die fest eingestellte Prioritätsbetriebsphase im Vergleich zu den anderen Phasen anfällig ist, zu überhitzen (in anderen Worten: die Phase eine schwache Wärmeverteilungseigenschaft aufweist), bei Niederlastbedingungen häufig eine Ausgangsregelung durchgeführt werden muß.
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung dieser Zustände gemacht, uns es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wandlersteuervorrichtung zu schaffen, die geeignet ist, durch geeignetes Einstellen einer Prioritätsbetriebsphase die Ausgangsregelung bei Niedriglastbedingungen oder dergleichen zu unterdrücken.
[Lösung der Aufgabe]
Um diese Aufgabe zu lösen ist eine Wandlersteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung für einen mit einer Mehrzahl von Phasen versehenen Mehrphasenwandler zum Steuern einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Messeinrichtung zum Messen der Wärmeverteilungseigenschaft jeder Phase während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle; eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Prioritätsbetriebsphase basierend auf dem Messergebnis der Messeinrichtung; und eine Wechselsteuereinrichtung zum Steuern des Phasenwechsels derart, dass die Prioritätsbetriebsphase verwendet wird, wobei die Prioritätsbetriebsphase gegenüber den anderen Phasen priorisiert ist.
Bei dieser Konfiguration wird die Wärmeverteilungs- bzw. -ableitungseigenschaft jeder Phase während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle gemessen und eine zu verwendende Prioritätsbetriebsphase, die gegenüber den anderen Phasen priorisiert ist, wird basierend auf dem Messergebnis eingestellt. Auf diese Weise ist es möglich, das Problem aus dem Stand der Technik mit einer fest eingestellten Prioritätsbetriebsphase zu vermeiden; insbesondere das Problem der Ausgangsregelung, die häufig bei Niederlastbedingungen durchgeführt werden muss, da eine Betriebsphase, die zum Überhitzen neigt, als Prioritätsbetriebsphase eingestellt ist. Es ist auch möglich, die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern.
Bei einem bevorzugten Aspekt stellt die Einstelleinrichtung bei der oben genannten Konfiguration eine Phase als Prioritätsbetriebsphase ein, die die beste Wärmeverteilungseigenschaft aufweist. Bei einem bevorzugten Aspekt misst die Messeinrichtung bei der oben genannten Konfiguration die Temperatur eines Schaltabschnitts oder eines Reaktorabschnitts, die jede der Phasen ausbilden.
Bei einem weiteren bevorzugten Aspekt ist der Wandler für jede Phase bei der oben genannten Konfiguration ein Soft-Switching Wandler, der einen Hauptverstärkerschaltkreis und einen Hilfsschaltkreis enthält, wobei der Hauptverstärkerschaltkreis aufweist: eine Hauptspule, deren eines Ende mit einem Anschluß auf einer Hochspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden ist, einen Hauptschalter zum Schalten des Betriebs, dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Anschluß auf einer Niederspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode mit einer Kathode die mit dem anderen Anschluß der Hauptspule verbunden ist, und einen Glättungskondensator, der zwischen einer Anode der ersten Diode und dem anderen Ende des Hauptschalters angeordnet ist, und wobei der Hilfsschaltkreis aufweist: einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt mit einer zweiten Diode und einem Snubber-Kondensator, die parallel zum Hauptschalter geschalten sind und mit dem anderen Ende der Hauptspule und einem Anschluß auf der Niederspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden sind, und einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt mit einer dritten Diode, einer Hilfsspule und einem Hilfsschalter, die zwischen einem Verbindungsknoten der zweiten Diode mit dem Snubber-Kondensator und dem einen Ende der Hauptspule verbunden sind.
[Vorteilhafte Effekte der Erfindung]
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, durch geeignetes Einstellen einer Prioritätsbetriebsphase die Ausgangsregelung bei Niedriglastbedingungen oder dergleichen zu unterdrücken.
[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]
1 ist eine Darstellung einer Konfiguration eines Hybrid-Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Funktions-Block-Diagramm, das die funktionellen Bestandteile einer Steuerung gemäß der Ausführungsform zeigt;
3 ist ein Flussschaubild eines Verfahrens zum bestimmen der Prioritätsbetriebsphase eines DC-DC-Wandlers gemäß der Ausführungsform;
4 ist eine Darstellung einer Schaltungskonfiguration eines Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandlers gemäß einer Abwandlung; und
5 ist eine Darstellung einer Schaltungskonfiguration für eine Phase eines Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandlers der einer Abwandlung.
[Beschreibung von Ausführungsformen]
A. Ausführungsform
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Darstellung einer Konfiguration eines BZHF-Systems bei einem Fahrzeug gemäß dieser Ausführungsform. Obgleich ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (BZHF) als Beispiel für das Fahrzeug der nachfolgenden Beschreibung genannt ist, ist die Ausführungsform ebenso für Elektrofahrzeuge und dergleichen anwendbar. Die Ausführungsform kann zudem nicht nur für verschiedene Fahrzeuge (z. B. Schiffe, Flugzeuge, Roboter und dergleichen) sondern auch für tragbare Brennstoffzellensysteme verwendet werden.
A-1. System-Gesamt-Konfiguration
Ein BZHF-System 100 ist mit einem BZ-Wandler 2500 zwischen einer Brennstoffzelle 110 und einem Inverter 140 ausgestattet, und weist ferner einen DC-DC-Wandler bzw. Gleichstromwandler (nachfolgend als „Batterie-Wandler” bezeichnet) 180 zwischen einer Batterie 120 und dem Inverter 140 auf.
Die Brennstoffzelle 110 ist ein Solid-Polymer-Elektrolyt-Zellstapel bestehend aus einer Mehrzahl von Einheitszellen, die in Reihe verbunden sind. Ein Spannungssensor V0 zum Erfassen einer Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 sowie eine Stromsensor 1 zum Erfassen eines Ausgangsstromes Ifcmes sind an der Brennstoffzelle 110 angebracht. Bei der Brennstoffzelle 110 tritt eine Oxidationsreaktion gemäß Gleichung (1) an einer Anode auf, und eine Reduktionsreaktion gemäß Gleichung (2) tritt an einer Kathode auf; wobei in der gesamten Brennstoffzelle 110 eine elektromotorische Reaktion entsprechend der Gleichung (3) auftritt. H₂ –> 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– –> H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ –> H₂O (3)
Eine Einheitszelle ist derartig ausgebildet, dass eine MEA, die aus einer Polymer-Elektrolyt-Membran oder dergleichen besteht, zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode sandwichartig aufgenommen ist, wobei die MEA ferner zwischen Separatoren zum Zuführen eines Brenngases und Oxidationsgases aufgenommen ist. Die Anode besteht aus einer Anoden-Katalysatorschicht, die auf einer porösen Trägerschicht aufgebracht ist, und die Kathode besteht aus einer Kathoden-Katalysatorschicht, die auf einer porösen Trägerschicht aufgebracht ist.
Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem Zufuhrsystem für Brenngas für die Anode ausgestattet, einem Zufuhrsystem für Oxidationsgas für die Kathode sowie einem Speisesystem bzw. Zufuhrsystem für Kühlflüssigkeit (jeweils nicht dargestellt), und kann eine gewünschte elektrische Leistung durch Steuern der Zufuhrmenge des Brenngases und des Reaktionsgases in Reaktion auf ein Steuersignal von einer Steuerung 160 erzeugen.
Der BZ-Wandler (Multiphasen- bzw. Mehrphasen-Wandler) 2500 dient zum Steuern der Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 und ist ein Zweiwege-Spannurigswandler, der die Ausgangsspannung Vfcmes, die an der Primärseite (Eingangsseite: Seite der Brennstoffzelle 110) empfangen wird, in eine Spannung wandelt (verstärkt oder verringert) die einen anderen Wert hat als an der Eingangsseite, um diese an die zweite Seite auszugeben (Ausgangsseite: Seite des Inverters 140), oder umgekehrt eine an der Sekundärseite erhaltene Spannung in eine Spannung wandelt, die einen anderen Wert als an der Sekundärseite hat, um diese zur Primärseite hin auszugeben. Der BZ-Wandler 2500 wird zum Steuern der Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 verwendet, so dass die Spannung einer Sollspannung entspricht. Wie in 1 gezeigt, wird ein Eingangsstrom Ifcmes zum BZ-Wandler 2500 vom Stromsensor 2510 erfasst, und eine Eingangsspannung Vfcmes wird vom Spannungssensor 2520 erfasst. Ein Ausgangsstrom sowie eine Ausgangsspannung des BZ-Wandlers 2500 können jeweils von einem Stromsensor und einem Spannungssensor 18 (beide nicht dargestellt) erfasst werden. Zusätzlich können Stromsensoren vorgesehen sein, um einen durch einen Reaktor für jede Phase strömenden Strom (nachfolgend als „Reaktorstrom” bezeichnet) zu erfassen.
In der Nähe von (nicht dargestellten) Schaltelementen der jeweiligen Phase des BZ-Wandlers 2500 sind Temperatursensoren 50 (50-1, 50-2, 50-3) zum Erfassen der Temperatur eines jeden Elements vorgesehen, um die Wärmeverteilungseigenschaft einer jeden Phase zu beurteilen. Es ist nicht beabsichtigt, die Anordnung der Temperatursensoren 50 auf die Nähe der Schaltelemente zu begrenzen, vielmehr können die Temperatursensoren überall angeordnet sein, solange die Wärmeverteilungseigenschaft einer jeden Phase bewertet werden kann.
Die Batterie 120 ist parallel zur Brennstoffzelle 110 relativ zur Last 130 angeordnet und dient als Speicher für überschüssige elektrische Leistung, als Speicher für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsens, und als Energiespeicher während der Lastabweichung bzw. Variation gemäß der Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Batterie 120, die verwendet werden kann, umfasst eine sekundäre Batterie wie z. B. eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie sowie eine Lithium-Sekundär-Batterie.
Der Batterie-Wandler 180 dient zum Steuern einer Eingangsspannung in den Inverter 140 und hat eine Schaltungskonfiguration die beispielsweise ähnlich zum BZ-Wandler 2500 ist. Ein Boost-Converter bzw. Verstärkungswandler kann für den Batteriewandler 180 verwendet werden, oder ein Buck-Boost-Converter bzw. Buck-Boost-Wandler, der in der Lage ist eine Spannung zu verstärken oder zu verringern, kann statt dessen verwendet werden, und jedwede Konfiguration, die das Steuern einer Eingangsspannung zum Inverter 140 erlaubt, kann verwendet werden.
Der Inverter 140 ist beispielsweise ein PWM-Inverter der mit Pulsweitenmodulation betrieben wird und reagiert auf einen Steuerbefehl von der Steuerung 160 um eine eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle 110 oder der Batterie 120 in einen Drei-Phasen-Wechselstrom-Leistung bzw. eine Drei-Phasen-Wechselstrom zu wandeln, um das Laufmoment eines Traktionsmotors 131 zu steuern.
Der Traktionsmotor 131 stellt die Hauptantriebskraft für das Fahrzeug zur Verfügung und erzeugt ferner durch Verzögerung bzw. Bremsen eine regenerative Leistung. Ein Differenzial 132 ist eine Verzögerungseinrichtung und verzögert bzw. verringert die hohe Drehzahl des Traktionsmotors 131 auf eine vorbestimmte Drehzahl und dreht eine Welle die mit Reifen 133 versehen ist. Die Welle ist mit einem Radgeschwindigkeitssensor (nicht dargestellt) oder dergleichen versehen, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs zu erfassen. Bei dieser Ausführungsform werden alle Bestandteile (einschließlich des Traktionsmotors 131 und des Differenzials 132), die mit von der Brennstoffzelle 110 eingespeistem Strom betrieben werden, kollektiv als Last 130 bezeichnet.
Die Steuerung 160 ist ein Computersystem zum Steuern des BZHF-Systems 100 und umfasst beispielsweise eine CPU, ein RAM, und ein ROM. Die Steuerung 160 bestimmt eine von der Last 130 benötigte Leistung (d. h. eine vom gesamten System benötigte Leistung) anhand verschiedener Signaleingaben (z. B. einem Signal, das die Position einer Drossel anzeigt, einem Signal, das die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, und einem Signal, das den Ausgangsstrom oder die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle 110 anzeigt), welche von Sensoren 170 eingegeben werden.
Die von der Last 130 benötigte Leistung ist beispielsweise eine Summe der Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs und der Leistung für die Hilfsaggregate. Die Leistung für die Hilfsaggregate umfasst eine von fahrzeuggestützten Aggregaten (z. B. einem Befeuchter, einem Luftverdichter, einer Wasserstoffpumpe und einer Kühlwasserzirkulationspumpe) verbrauchte Leistung, eine von zum Fahren des Fahrzeugs benötigen Vorrichtungen (z. B. einem Getriebe, einer Radsteuervorrichtung, einer Lenkvorrichtung sowie einer Aufhängung) verbrauchte Leistung, eine von in einem Fahrgastraum angeordneten Vorrichtungen (z. B. Klimaanlagen, Beleuchtungsequipment und Audiosystem) verbrauchte Leistung und dergleichen.
Die Steuerung (Wandler-Steuervorrichtung) 160 bestimmt die Aufteilung einer Ausgangsleistung zwischen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 und berechnet einen Befehlswert für die Leistungserzeugung. Die Steuerung 160 bestimmt eine benötigte Leistung sowohl von der Brennstoffzelle 110 als auch der Batterie 120 und steuert dann den Betrieb des BZ-Wandlers 2500 und des Batterie-Wandlers 180 um die benötigte Leistung zu erzielen.
A-2. BZ-Wandler-Konfiguration
Wie in 1 dargestellt, besteht der BZ-Wandler 2500 aus einem U-Phasenwandler 20a für niedrige Last, einem V-Phasenwandler 20b für mittlere Last sowie einem W-Phasenwandler 20c für hohe Last. Diese DC-DC-Wandler für die jeweiligen Phasen haben unterschiedliche Spitzen der Leistungswandlungseffizienz. Bei dieser Ausführungsform bestehen Hauptschalter der jeweiligen DC-DC-Wandler 20a bis 20c aus einer unterschiedlichen Anzahl von Schaltelementen: 2 für niedrige Last, 4 für mittlere Last und 6 für hohe Last, um die Spitzen der Leistungswandlungseffizienz zwischen den Phasen zu variieren. Natürlich ist nicht beabsichtigt, dass die vorstehende Beschreibung als Beschränkung dient, vielmehr können die Spitzen der Leistungswandlungseffizienz zwischen den Phasen durch Verwendung unterschiedlicher Reaktorvolumen oder unterschiedlicher Kondensatorkapazitäten der DC-DC-Wandler 20a bis 20c variiert werden.
2 zeigt ein Funktionsblockdiagramm zum Beschreiben der Steuerfunktionalität eines BZ-Wandlers der in der Steuerung 160 enthalten ist.
Die Steuerung 160 umfasst und besteht aus einem Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a, einem Stromzufuhrabschnitt 10b, einem Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c und einem Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d. Der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a bemerkt Abweichungen in der von der Last benötigten Leistung während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 110 (nachfolgend als „Lastabweichung” bezeichnet) basierend auf von Sensoren eingegebenen Informationen (z. B. einem Signal, das die Position einer Drossel anzeigt und einem Signal, das die Drehzahl des Motors anzeigt) und bestimmt für jede vorbestimmte Periode (z. B. warm immer das System betrieben wird), ob die bemerkte Abweichung (nachfolgend als „Ist-Lastabweichung” bezeichnet) unter einen Lastabweichungsgrenzwert fällt, der in einem Speicher M hinterlegt ist. Falls festgestellt wird, dass eine bestimmte Zeitdauer (z. B. eine Minute) verstrichen ist, seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, informiert der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a den Stromzufuhrabschnitt 10b und den Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c. In diesem Fall wird die Lastabweichung vorab unter Betriebsbedingungen mit geringeren Lastabweichungen (z. B. während des Startens, Leerlaufs, konstant Betriebs- oder des Herunterfahrens) über die Zeit abgefragt, um einen Lastabweichungsgrenzwert basierend auf den abgefragten Ergebnissen einzustellen, und der Lastabweichungsgrenzwert wird bei der Herstellung oder dergleichen im Speicher M gespeichert. Der Lastabweichungswert kann ein fester Wert sein oder kann von einem Anwender während der Wartung oder dergleichen soweit nötig modifiziert werden.
Nach Erhalt eines Hinweises, dass eine bestimmte Zeitdauer verstrichen ist, seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, steuert der Stromzufuhrabschnitt 10b den DC-DC-Wandler für die jeweiligen Phasen derart, dass die gleiche Leistung (Durchgangsleistung) auf die Reaktoren der jeweiligen Phasen angelegt wird. Daneben misst, nach Erhalt der Information, dass eine bestimmte Zeitdauer verstrichen ist seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, der Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt (Messeinrichtung) 10c Temperaturanstiegsraten der Elemente V(u), V(v) und V(w) basierend auf der Temperatur eines jeden Elements für die jeweilige Phase Tu(U-Phase), Tv(V-Phase) und Tw(W-Phase) die von den Temperatursensoren 50-1, 50-2 und 50-3 erfasst wurden. Der Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c stuft dann die Temperaturanstiegsraten der Elemente V(u), V(v) und V(w) in der Reihe von niedrig nach schnell (in anderen Worten: ausgehend von der einen mit hoher Wärmeverteilungseigenschaften) ein und informiert den Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d über das Ergebnis.
Der Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt (Einstelleinrichtung) 10d wählt entsprechend der von der Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c weitergereichten Einstufung eine Phase mit der höchsten Wärmeverteilungseigenschaft (z. B. die V-Phase) als Prioritätsbetriebsphase. Bei einem normalen Betriebsbereich der Brennstoffzelle wird da der BZ-Wandler 2500 mit so wenig Phasen wie möglich betrieben wird, um den Energieverlust zu verringern, eine Prioritätsbetriebsphase ausgewählt um den BZ-Wandler 2500 unter Niedriglastbedingungen zu betreiben. Hierbei kann lediglich eine Prioritätsbetriebsphase eingestellt werden, oder es können zwei oder mehr Prioritätsbetriebsphasen eingestellt werden. Der Prioritätsphasen-Bestimmungsabschnitt (Einstelleinrichtung) 10d kann eine erste Betriebsphase (z. B. die V-Phase), eine zweite Prioritätsbetriebsphase (z. B. die U-Phase) und eine dritte Prioritätsbetriebsphase (z. B. die W-Phase) gemäß der von dem Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitts 10c übermittelten Einstufung einstellen.
Auf diese Weise kann die Phase, die augenblicklich die beste Wärmeverteilungseigenschaft zeigt, als Prioritätsbetriebsphase eingestellt werden. Daher ist es möglich, das Problem aus dem Stand der Technik mit einer fest eingestellten Prioritätsbetriebsphase zu vermeiden; insbesondere das Problem der Ausgangsregelung, die häufig bei Niederlastbedingungen durchgeführt werden muss, da eine Betriebsphase, die zum Überhitzen neigt, als Prioritätsbetriebsphase eingestellt ist.
Ursachen für Abweichungen bei der Wärmeverteilungseigenschaft der jeweiligen Phasen enthalten solche, die keinen Einfluss auf die Wärmeverteilungseigenschaftseinstufung in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen des Systems haben (d. h. solche, die hinsichtlich eines Trends der Abweichung nicht abweichen) z. B. Abweichungen in der Dicke einer aufgebrachten Schmierung und die Anordnung der Schaltelemente (z. B. stromauf oder stromab im Kühlwasserströmungskanal) sowie solche, welche die Wärmeverteilungseigenschaftseinstufung abhängig von dem Betriebszustand des Systems beeinflussen (d. h. die bezüglich der Neigung zur Variation variabel sind), z. B. den thermischen Widerstand der Bestandteile. Der thermischen Widerstand der Bestandteile oder dergleichen kann sich schnell verschlechtern, wenn Brüche im Lot aufgrund übermäßigen Gebrauchs aufdrehten, sowie aufgrund anderer Gründe. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Wärmeverteilungseigenschaft einer jeden Phase gemessen, wenn die Lastabweichung verringert wird, und die Phase mit der besten Wärmeverteilungseigenschaft in diesem Zeitpunkt wird als Prioritätsbetriebsphase eingestellt. Es ist daher möglich, die Lebensdauer der Bestandsteile zu verlängern.
<Verfahren zum Bestimmen einer Prioritätsbetriebsphase des BZ-Wandlers>
3 zeigt ein Flussschaubild eines Verfahrens zum Bestimmen einer Prioritätsbetriebsphase des BZ-Wandlers 2500.
Der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a der Steuerung 160 bemerkt die Ist-Lastabweichung basierend auf eingegebenen Informationen von Sensoren (z. B. einem Signal das die Position einer Drossel anzeigt, und einem Signal das die Drehzahl des Motors anzeigt) und bestimmt für jede vorbestimmte Periode (z. B. wann immer das System betrieben wird), ob die Ist-Lastabweichung unter einen Lastabweichungsgrenzwert fällt, der in einem Speicher M hinterlegt ist (Schritt S1). Falls anschließend bestimmt wird, dass eine bestimmte Zeitdauer (z. B. eine Minute) verstrichen ist, seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist (Schritt S1: JA) informiert der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a den Stromversorgungsabschnitt 10b und den Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c. Wenn dagegen bestimmt wird, dass die Ist-Lastabweichung nicht unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, oder dass die bestimmte Zeitdauer nicht verstrichen ist seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, wiederholt der Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt 10a den Schritt S1.
Nach Erhalt der Mitteilung, welche anzeigt, dass eine bestimmte Zeitdauer verstrichen ist, seit die Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, steuert der Stromzufuhrabschnitt 10b den DC-DC-Wandler der jeweiligen Phasen derart, dass die gleiche Leistung (Durchgangsleistung) auf die Reaktoren der jeweiligen Phasen angelegt wird (Schritt S2). Daneben misst, nach Erhalt der Mitteilung, die anzeigt, dass eine bestimmte Zeitsauer verstrichen ist seit der Ist-Lastabweichung unter den Lastabweichungsgrenzwert gefallen ist, der Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c die Temperaturanstiegsraten der Elemente V(u), V(v) und V(w) basierend auf der Temperatur eines jeden Elements der jeweiligen Phasen Tu(U-Phase), Tv(V-Phase) und Tw(W-Phase) die von den Temperatursensoren 50-1, 50-2 und 50-3 erfasst wurden (Schritt S3). Der Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c stuft dann die Temperaturanstiegsraten der Elemente V(u), V(v) und V(w) in der Reihe von niedrig nach hoch (in anderen Worten von dem einen mit der höchsten Wärmeverteilungseigenschaft) ein (Schritt S4) und gibt das Ergebnis an den Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d aus.
Der Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d wählt eine Phase mit der höchsten Wärmeverteilungseigenschaft (z. B. die V-Phase) als eine Prioritätsbetriebsphase gemäß der vom Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt 10c übermittelten Einstufung (Schritt S5). Der Prioritätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt 10d erzeugt ein Wandler-Steuersignal, das die derart bestimmte Prioritätsbetriebsphase anzeigt, und gibt das Signal an den BZ-Wandler 2500 aus, um dadurch die Phasenwechselsteuerung auszuführen, mittels welcher Priorität für die Prioritätsbetriebsphase über die anderen Phasen gegeben wird.
Wie vorstehend beschrieben ist wird, gemäß der Ausführungsform, die Phase, die augenblicklich die beste Wärmeverteilungseigenschaft hat, als Prioritätsbetriebsphase eingestellt. Es ist daher möglich, das Problem aus dem Stand der Technik mit einer fest eingestellten Prioritätsbetriebsphase zu vermeiden; insbesondere das Problem der Ausgangsregelung, die häufig bei Niederlastbedingungen durchgeführt werden muß, da eine Betriebsphase die zum Überhitzen neigt, als Prioritätsbetriebsphase eingestellt ist. Es ist zudem möglich, die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern.
B Abwandlungen
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein DC-DC-Wandler von dem Typ genannt, der Schaltelemente wie z. B. IGBTs nach PWM-Art betreibt, um eine Spannung zu wandeln. Jedoch ist nicht beabsichtigt, den DC-DC-Wandler hierauf zu beschränken. Wie hinlänglich bekannt ist, besteht aufgrund zunehmender Verbesserung elektronischer Bauteile, die bei geringerer Größe mit weniger Stromverbrauch und höherer Leistung arbeiten, Bedarf an einem DC-DC-Wandler mit geringerem Verlust, höherer Effizienz und verringerten Störungen, insbesondere besteht ein Bedarf zum Verringern von Schaltverlusten und Schaltüberspannungen in Verbindung mit dem PWM-Betrieb.
Eine Technologie zum Verringern der Schaltverluste und der Schaltüberspannungen ist die Soft-Switching-Technologie. Das Soft-Switching ist ein Schalt-Schema zum Realisieren von ZVS (Null-Spannungs-Schaltung) oder ZCS (Null-Strom-Schaltung) und wird von einem typischen Buck-Boost-DC-DC-Wandler bereitgestellt, der beispielsweise mit Spulen, Schaltelementen und Dioden sowie einem Hilfsschaltkreis, der hierzu hinzugefügt ist, um die Schaltverluste zu verringern (sogenannte Soft-Switching-Wandler) ausgestaltet ist. Bei dieser Abweichung wird der Fall beschrieben, wo ein Mehrphasen-Soft-Switching-Wandler (nachfolgend als „Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandler” bezeichnet) für einen DC-DC-Wandler zum Steuern einer Spannung der Brennstoffzelle 110 verwendet wird.
4 zeigt eine Darstellung einer Schaltungskonfiguration eines Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandlers 250.
Zusätzlich zu einem U-Phasen-Wandler 150a, einem V-Phasen-Wandler 150b und einem W-Phasenwandler 150c umfasst der Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandler 250 einen Leerlaufschaltkreis 32c und besteht aus diesem (in diesem Fall eine Leerlaufdiode D6). In der nachfolgenden Beschreibung wird, wenn keine Unterscheidung notwendig ist, ein eine Phase des BZ-Soft-Switching-Wandlers 250 ausbildender Wandler einfach als „Soft-Switching-Wandler” 150 bezeichnet. In ähnlicher Weise wird eine nicht verstärkte Spannungseingabe zum BZ-Soft-Switching-Wandler 150 als „Wandler-Eingangsspannung Vin” bezeichnet, und eine verstärkte Spannungsausgabe zum BZ-Soft-Swiching-Wandler 150 wird als „Wandler-Ausgangsspannung-Vout” bezeichnet.
5 zeigt eine Darstellung, die eine bildende Schaltungskonfiguration für eine Phase (z. B. die U-Phase) des Mehrphasen-BZ-Soft-Switching-Wandlers 250 zeigt.
Der Soft-Switching-Wandler 150 besteht aus einer Hauptverstärkungsschaltung 12a für eine Verstärkungsoperation und einem Hilfsschaltkreis 12b für die Soft-Switching-Operation.
Der Hauptverstärkerschaltkreis 12a verstärkt eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle 22 durch Freigeben von in einer Spule L1 gelagerter Energie zur Last 130 durch eine Diode D5 mittels einer Wechselschaltung, die aus einem Hauptschalter S1, bestehend aus einem IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder dergleichen, und einer Diode D4 besteht, welche Schaltfunktionen ausführen.
Insbesondere ist ein Ende der Spule L1 mit einem Anschluß auf der Hochspannungsseite der Brennstoffzelle 22 verbunden, ein Endknoten des Hauptschalters S1 ist mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden, und der andere Endknoten des Hauptschalters S1 ist mit einem Anschluß an der Niederspannungsseite der Brennstoffzelle 22 verbunden. Ein Kathodenanschluß der Diode D5 ist mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden, und ein Kondensator C3, der als Glättungskondensator dient, ist zwischen einem Diodenanschluß der Diode D5 und dem anderen Ende des Hauptschalters S1 angeschlossen. Bei dem Hauptverstärkerschaltkreis 12a ist ein Glättungskondensator C1 an der Seite der Brennstoffzelle 22 angeordnet, so dass die Welligkeit eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 22 verringert werden kann.
In der Zeichnung ist eine Spannung VH, die an den Kondensator C3 angelegt wird, eine Wandlerausgangsspannung Vout des BZ-Soft-Switching-Wandlers 150, und eine Spannung VL, die an den Glättungskondensator C1 angelegt wird, ist eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 22 und ist ferner eine Wandler-Eingangsspannung Vin zum BZ-Soft-Switching-Wandler 150.
Der Hilfsschaltkreis 12b umfasst einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt mit einer Diode D3, die parallel zum Hauptschalter S1 angeschlossen ist, und einem Snubber-Kondensator C2, der in der Reihe mit der Diode D3 geschalten ist. Bei dem ersten in Reihe geschalteten Abschnitt ist ein Kathodenanschluß der Diode D3 mit dem Ende der Spule L1 verbunden, und ein Anodenanschluß der Diode D3 ist mit einem Ende des Snubber-Kondensators C2 verbunden. Ferner ist das andere Ende des Snubber-Kondensators C2 mit einem Anschluß auf der Niederspannungsseite der Brennstoffzelle 22 verbunden.
Der Hilfsschaltkreis 12b umfasst ferner einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt bestehend aus einer Diode D2, einer Wechselschaltung bestehend aus einem Hilfsschalter 52 und einer Diode D1, sowie einem/einer in Reihe geschalteten Widerstandselement oder Spule L2. Bei dem zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt ist ein Anodenanschluß der Diode 2 mit einem Verbindungsknoten der Diode D3 und des Glättungskondensators C2 des ersten in Reihe geschalteten Abschnitts verbunden. Ferner ist ein Kathodenanschluß der Diode D2 mit einem Endknoten des Hilfsschalters S2 verbunden. Das andere Ende des Hilfsschalters S2 ist mit der Seite an einem Ende der Spule L2 verbunden, die für alle Phasen gleich ist, und das andere Ende der Spule L2 ist mit dem Anschluß der Hochspannungsseite der Brennstoffzelle 22 verbunden.
Bei dem derart ausgestalteten BZ-Soft-Switching-Wandler 150 stellt ein Hybridsteuerabschnitt 10 das Schaltverhältnis des Hauptschalters S1 zur Steuerung des Verstärkungsverhältnisses des BZ-Soft-Switching-Konverters 150 ein, nämlich ein Verhältnis der Wandler-Eingangsspannung Vin zur Wandler-Ausgangsspannung Vout. Das Soft-Switching wird durch die Schaltbetätigung des Hilfsschalters S2 des Hilfsschaltkreises 12b erreicht, der sich in den Schaltbetrieb des Hauptschalters S1 einmischt.
Bei dieser Abwandlung wird der Hybridsteuerabschnitt 10 wie in 4 dargestellt dazu verwendet, um eine Prioritätsbetriebsphase bezüglich eines U-Phasen-Wandlers 150a, eines V-Phasen-Wandlers 150b und eines W-Phasen-Wandlers 150c, welche die vorstehend beschriebene Konfiguration haben, einzustellen und zu modifizieren. Da derartige Operationen auf ähnliche Weise wie die vorgenante Ausführungsform beschrieben werden können wird auf eine weitere Beschreibung hiervon verzichtet.
[Bezugszeichenliste]

20a, 150a ... U-Phasen-Wandler; 20b, 150b ... V-Phasen-Wandler; 20c, 150c ... W-Phasen-Wandler; 100 ... BZHF-System; 100 ... Brennstoffzelle; 120 ... Batterie; 130 ... Last; 140 ... Inverter; 2500 ... BZ-Wandler; 160 ... Steuerung; 10a ... Lastabweichungs-Erfassungsabschnitt; 10b ... Stromversorgungsabschnitt; 10c ... Wärmeverteilungseigenschaft-Berechnungsabschnitt; 10d ... Prioriätsbetriebsphasen-Bestimmungsabschnitt; M ... Speicher; 170 ... Sensoren; 180 ... Batteriewandler; 250 ... BZ-Soft-Switching-Wandler; S1, S2 ... Schaltelement; C1, C3 ... Glättungskondensator; C2... Snubber-Kondensator; L1, L2 ... Spule; D1, D2, D3, D4, D5 ... Diode; D6 ... Freilaufdiode.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-340535 [0004]

Claims

Steuervorrichtung für einen mit einer Mehrzahl von Phasen versehenen Mehrphasenwandler zum Steuern einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Messeinrichtung zum Messen der Wärmeverteilungseigenschaft jeder Phase während der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle; eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Prioritätsbetriebsphase basierend auf dem Messergebnis der Messeinrichtung; und eine Wechselsteuereinrichtung zum Steuern des Phasenwechsels derart, dass die Prioritätsbetriebsphase verwendet wird, wobei die Prioritätsbetriebsphase gegenüber den anderen Phasen priorisiert ist.
Wandlersteuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinrichtung als Prioritätsbetriebsphase eine Phase einstellt, die die beste Wärmeverteilungseigenschaft aufweist.
Wandlersteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messeinrichtung die Temperatur eines Schaltabschnitts oder eines Reaktorabschnitts misst, die jede Phase ausbilden.
Wandlersteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wandler für jede Phase ein Soft-Switching Wandler ist, der einen Hauptverstärkerschaltkreis und einen Hilfsschaltkreis enthält, wobei der Hauptverstärkerschaltkreis aufweist: eine Hauptspule, deren eines Ende mit einem Anschluß auf einer Hochspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden ist, einen Hauptschalter zum Schalten des Betriebs, dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und dessen anderes Ende mit einem Anschluß auf einer Niederspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode, die mit einer Kathode die mit dem anderen Anschluß der Hauptspule verbunden ist, und einen Glättungskondensator, der zwischen einer Anode der ersten Diode und dem anderen Ende des Hauptschalters angeordnet ist, der Hilfsschaltkreis aufweist: einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt mit einer zweiten Diode und einem Snubber-Kondensator, die parallel zum Hauptschalter geschalten sind und mit dem anderen Ende der Hauptspule und einem Anschluß auf der Niederspannungsseite der Brennstoffzelle verbunden sind, und einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt mit einer dritten Diode, einer Hilfsspule und einem Hilfsschalter, die zwischen einem Verbindungsknoten der zweiten Diode mit dem Snubber-Kondensator und dem einen Ende der Hauptspule verbunden sind.