DE112011105456T5 - Stromquellensystem - Google Patents

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Abstract

Ein Aufwärtswandler 14 umfasst eine Mehrzahl von Wandlereinheiten 31a bis 31d, die jeweils eine Drossel 32 und einen Halbleiterelementteil mit Elektronikteilen, wie einem Transistor 33a und Dioden 33b und 34b, umfassen. Eine ECU 41 führt eine Umschaltsteuerung aus, um die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d zu erhöhen oder zu senken, basierend auf einer Ausgabebedingung einer Brennstoffzelle 12, einer Temperaturbedingung der Drossel 32 und einer Temperaturbedingung des Halbleiterelementteils.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungs- bzw. Stromquellensystem mit einer Stromquelle und einem Multiphasenwandler.
  • Bezüglich der Fahrzeuge, die einen Elektromotor aufweisen, gibt es beispielsweise Fahrzeuge mit einem Multiphasenwandler zum Wandeln einer Spannung. Als ein Verfahren zum Steuern des Multiphasenwandlers, der eine Mehrzahl von Phasen, deren Steuervolumen unabhängig voneinander geändert werden kann, eine Erfassungsvorrichtung, die einen Zustand einer jeder Phase, beispielsweise das Stromvolumen, welches durch eine jede Phase fließt, und eine Temperatur in jeder Phase erfassen kann, und eine Steuereinheit umfasst, die ein Steuersignal zum Bestimmen eines Steuervolumens hinsichtlich jeder Phase ausgibt, ist ein Verfahren zum Zuführen eines Steuersignals zum Korrigieren des Steuervolumens für jede Phase basierend auf einem Zustand einer jeden Phase, der durch die Erfassungsvorrichtung erfasst wird, bekannt (siehe beispielsweise Patentdokument 1). In diesem System kann ein effizienter Betrieb ausgeführt werden, indem ein Durchlassvolumen bzw. eine Durchlassmenge des Stroms soweit wie möglich entsprechend des Zustands erhöht wird.
    • Patentdokument 1: JP 2007-159315 A
  • Wenn jedoch nur der Wirkungsgrad berücksichtigt wird, können eine Drossel und ein Halbleiterelementteil, der Elektronikteile umfasst, welche den Multiphasenwandler bilden, übermäßig hohe Temperaturen erreichen.
  • Daher ist es notwendig, die Effizienz bzw. den Wirkungsgrad soweit wie möglich zu erhöhen, während die Bestandteile des Multiphasenwandlers wie die Drossel und der Halbleiterteil geschützt werden.
  • KURZFASSUNG
  • Im Lichte des vorstehend genannten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungs- bzw. Stromquellensystem anzubieten, das geeignet ist, einen hohen Wirkungsgrad bzw. eine hohe Effizienz zu verbessern, während die Bestandteile geschützt werden.
  • Um diese Aufgabe zu lösen hat das Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung eine Stromquelle zum Erzeugen von Strom bzw. Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas, einen Aufwärtswandler, der die Leistung der Stromquelle verstärkt, und eine Steuereinheit, die eine Ausgabesteuerung des Aufwärtswandlers ausführt, wobei
    der Aufwärtswandler ein Mehr- bzw. Multiphasenwandler mit einer Mehrzahl von Wandlereinheiten ist, die jeweils eine Drossel und einen Halbleiterelementteil umfassen, und
    die Steuereinheit eine Umschaltsteuerung ausführt, um die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten zu erhöhen oder zu senken, basierend auf einer Ausgabebedingung der Stromquelle, einer Temperaturbedingung der Drossel und einer Temperaturbedingung des Halbleiterelementteils.
  • Gemäß dem Stromquellensystem mit diesem Aufbau kann der Aufwärtswandler, der durch den Multiphasenwandler mit der Mehrzahl von Wandlereinheiten gebildet wird, einen hohen Strom von der Stromquelle aufnehmen. Darüber hinaus wird die Umschaltsteuerung zum Erhöhen oder Senken bzw. Verringern der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten des Aufwärtswandlers basierend nicht nur auf der Ausgabebedingung der Stromquelle sondern auch auf den Temperaturbedingungen der Drossel und des Halbleiterelementteils ausgeführt, welche die Wandlereinheit bilden. Der Aufwärtswandler kann daher mit hoher Effizienz betrieben werden, während die Bauteile wie die Drossel und die Elektronikteile des Halbleiterelementteils geschützt werden.
  • Bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit ferner konfiguriert sein, um die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten zu erhöhen, wenn eine Ausgabe der Stromquelle eine vorgegebene Erhöhungsumschaltausgabe wird, oder wenn die Drossel eine vorgegebene Erhöhungsumschalttemperatur aufweist, oder wenn der Halbleiterelementteil eine vorgegebene Erhöhungsumschalttemperatur aufweist.
  • Zudem kann, bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung, die Steuereinheit konfiguriert sein, um die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten zu senken, wenn die Ausgabe der Stromquelle eine vorgegebene Verringerungsumschaltausgabe wird, wenn die Drossel eine vorgegebene Verringerungsumschalttemperatur aufweist, und wenn der Halbleiterelementteil eine vorgegebene Verringerungsumschalttemperatur aufweist.
  • Bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann ferner ein Umschaltzeitpunkt, wenn die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten verringert wird, derart ausgestaltet sein, dass er von einem Zeitpunkt versetzt ist, zu dem eine Ausgabe oder Temperatur niedriger ist als zu einem Umschaltzeitpunkt, wenn die Zahl der Phasen der Wandlereinheiten erhöht wird.
  • Bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um die Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten auszuführen, während der in den Aufwärtswandler fließende Strom auf einem vorgegebenen Strombefehlswert bzw. Stromsollwert gehalten wird.
  • Bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit ferner derart konfiguriert sein, um eine Phase einer Wandlereinheit, die nach dem Umschalten der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten umgeschaltet wird, um anzusteuern oder nicht anzusteuern, als eine maximale Abweichphase einzustellen, und den Stromwert der maximalen Abweichphase mit einer vorgegebenen Änderungsrate zu einem Umschaltsteuerzeitpunkt zu erhöhen oder zu senken.
  • Bei dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit ferner konfiguriert sein, um die Ausgabe der Wandlereinheit mit einer vorgegebenen Änderungsrate zu einem Zeitpunkt zu steuern, wenn der Halbleiterelementteil oder die Drossel eine Grenzstarttemperatur erreicht, die vorab eingestellt wurde.
  • Das Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann ferner derart ausgestaltet sein, dass ein Teil der Mehrzahl von Wandlereinheiten einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Drossel aufweist, und
    eine Grenzstarttemperatur einer Wandlereinheit, in welcher der Temperatursensor angeordnet ist, anhand einer Wärmebeständigkeitstemperatur der Drossel erhalten wird, und eine Grenzstarttemperatur einer Wandlereinheit, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, eine Temperatur ist, die durch Subtrahieren einer Temperaturvariation aufgrund einer Variation der Eigenschaften der Drossel von der Wärmebeständigkeitstemperatur der Drossel erhalten wird.
  • Gemäß dem Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden, während die Bauteile geschützt werden.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Stromquellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Graph, der die grundsätzliche Beziehung zwischen einer Ausgabe und der Effizienz eines Multiphasenwandlers in einem Bezugsbeispiel zeigt;
  • 3 ist ein Graph zum Erläutern einer Umschaltbedingung basierend auf einem Ausgabebefehlswert;
  • 4 ist ein Graph zum Erläutern einer Umschaltbedingung basierend auf einer Drosseltemperatur;
  • 5 ist ein Graph zum Erläutern einer Umschaltbedingung basierend auf einer Halbleiterelementteiltemperatur;
  • 6 ist ein Flussschaubild zum Erläutern der Umschaltsteuerung der Zahl der Phasen zu einem Erhöhungszeitpunkt der Zahl der Steuerphasen;
  • 7 ist ein Flussschaubild zum Erläutern der Umschaltsteuerung der Zahl der Phasen zu einem Verringerungszeitpunkt der Zahl der Steuerphasen;
  • 8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Temperatur und einer Laderate des Halbleiterelementteils zeigt;
  • 9 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Temperatur und einer Belastungsrate einer Drossel, in welcher ein Thermistor angeordnet ist, zeigt;
  • 10 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Temperatur und einer Belastungsrate einer Drossel zeigt, in welcher kein Thermistor angeordnet ist;
  • 11 ist ein schematisches Schaltdiagramm eines Stromquellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 12 ist ein schematisches Schaltdiagramm eines Stromquellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Nachfolgend wird ein Stromquellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Stromquellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das als ein auf einem Fahrzeug montiertes Stromerzeugungssystem bei einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV) verwendet wird, beschrieben.
  • Ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellensystem 11 eine Brennstoffzelle 12, die Strom anhand einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas als Reaktionsgase erzeugt.
  • Die Brennstoffzelle 12 ist beispielsweise eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die eine Stapelstruktur mit vielen gestapelten Einheitszellen hat. Eine Einheitszelle hat eine Luftelektrode auf einer Oberfläche und eine Brennstoffelektrode auf der anderen Oberfläche eines Elektrolyts, das aus einer Ionenaustauschmembran besteht, und ist ferner derart ausgestaltet, dass sie ein paar Separatoren umfasst, welche die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode von beiden Seiten sandwichartig umfassen. In diesem Fall wird Wasserstoffgas einer Wasserstoffgasleitung eines Separators zugeführt, und Luft als Oxidationsgas wird einer Oxidationsgasleitung des anderen Separators zugeführt. Strom wird basierend auf einer chemischen Reaktion zwischen diesen reaktiven Gasen erzeugt.
  • Die Brennstoffzelle 12 ist mit einem Antriebsmotor (eine Antriebsquelle, eine Last) 13 zum Fahren bzw. Vorwärtsbewegen eines Fahrzeugs verbunden und führt dem Antriebsmotor 13 Leistung bzw. Strom zu. Ein Leistungszufuhrpfad von der Brennstoffzelle 12 zum Antriebsmotor 13 ist mit einem FC-Aufwärtswandler (einem Aufwärtswandler) 14, einem Kondensator 15 und einem Antriebsinverter 16 in dieser Reihenfolge von Seiten der Brennstoffzelle 12 her verbunden.
  • Auf diese Weise wird, bei dem Brennstoffzellensystem 11, die durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte Leistung durch den FC-Aufwärtswandler 14 verstärkt und dem Antriebsmotor 13 über den Antriebsinverter 16 zugeführt.
  • Der FC-Aufwärtswandler 14 ist ein Multiphasenwandler, also ein Wandler mit vielen Phasen, und umfasst eine Mehrzahl (in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform vier, wobei die Zahl der Phasen nicht auf vier beschränkt ist) von Wandlereinheiten 31a bis 31d. Eine jede der Wandlereinheiten 31a bis 31d umfasst eine Drossel 32, ein Schaltelement 33 mit einem Transistor 33a und einer Diode 33b sowie eine Diode 34b. Ein Thermistor (Temperatursensor) 35 ist in einer Wandlereinheit 31a angeordnet.
  • Der Antriebsmotor 13 ist beispielsweise ein Dreiphasenwechselstrommotor und der Antriebsinverter 16, der mit dem Antriebsmotor 13 verbunden ist, wandelt Gleichstrom in Dreiphasenwechselstrom um und führt den Dreiphasenwechselstrom dem Antriebsmotor 13 zu.
  • Das Brennstoffzellensystem 11 umfasst zudem eine Batterie 21 zum Zuführen von Leistung zum Antriebsmotor 13. Ein Leistungszuführpfad von der Batterie 21 zum Antriebsmotor 13 ist mit einem Batterieaufwärtswandler 23 verbunden. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch derart ausgebildet sein, dass es den Batterieaufwärtswandler 23 nicht umfasst.
  • Der Leistungszuführpfad der Batterie 21 ist mit dem Leistungszuführpfad der Brennstoffzelle 12 verbunden, und die Leistung der Batterie kann von der Batterie 21 an den Antriebsmotor 13 zugeführt werden.
  • Der Batterieaufwärtswandler 23 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Gleichstromspannungswandler und hat eine Funktion zum Einstellen und Ausgeben einer Gleichstromspannung, die von der Batterie 21 eingegeben wird, zur Seite des Antriebsmotors 13, sowie eine Funktion zum Einstellen und Ausgeben einer Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 12 oder dem Antriebsmotor 13 eingegeben wird, an die Batterie 21. Das Laden und Entladen der Batterie 21 wird durch diese Funktionen des Batterieaufwärtswandlers 23 realisiert. Zudem wird eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 12 durch den Batterieaufwärtswandler 23 gesteuert. Die Batterie 21 ist derart ausgebildet, dass sie überschüssige Leistung speichern kann und zusätzliche bzw. ergänzende Leistung zuführen kann.
  • Das Brennstoffzellensystem 11 umfasst eine ECU (Steuereinheit) 41, mit einem flüchtigen Speicher 40. Die ECU 41 ist mit der Brennstoffzelle 12, dem FC-Aufwärtswandler 14, der Batterie 21, dem Batterieaufwärtswandler 23, dem Antriebsinverter 16 und dem Antriebsmotor 13 verbunden. Die ECU 41 steuert die Brennstoffzelle 12, den FC-Aufwärtswandler 14, die Batterie 21, den Batterieaufwärtswandler 23, den Antriebsinverter 16 und den Antriebsmotor 13. Die ECU 41 empfängt ein Signal einer erfassten Temperatur vom Thermistor 35, der in der Wandlereinheit 31a des FC-Aufwärtswandlers 14 angeordnet ist. Daraufhin steuert die ECU 41 Ausgaben der Wandlereinheiten 31a bis 31d, welche den FC-Aufwärtswandler 14 bilden, basierend auf der erfassten Temperatur vom Thermistor 35 der Wandlereinheit 31a. In jeder der Wandlereinheiten 31a bis 31d ist ein (nicht dargestellter) Temperatursensor im Halbleiterelementteil mit dem Schaltelement 33 und der Diode 34b angeordnet. Erfasste Temperaturen dieser Temperatursensoren werden an die ECU 41 übertragen.
  • Nachfolgend wird die Steuerung der Wandlereinheiten 31a bis 31d durch die ECU 41 beschrieben. Die Steuerung des Aufwärtswandlers durch die Steuereinheit des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest eine Ausgabesteuerung des Aufwärtswandlers, eine Umschaltsteuerung der Zahl der Angesteuerten bzw. Aktiven der Mehrzahl der Wandlereinheiten, d. h. eine Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen des Aufwärtswandlers.
  • Zunächst wird eine Steuerung hinsichtlich eines Bezugsbeispiels beschrieben.
  • (Bezugsbeispiel)
  • 2 zeigt eine Beziehung zwischen einer Ausgabe und einem Wirkungsgrad bzw. einer Effizienz eines Multiphasenwandlers. Bei dem Multiphasenwandler als Wandler mit vielen Phasen kann, statt dem normalen Ansteuern der Wandlereinheiten 31a bis 31d der Mehrzahl von Phasen, wie durch die gestrichelte Linie in 2 gezeigt, der Gesamtwirkungsgrad erhöht werden, indem die Zahl der Steuerphasen derart umgeschaltet wird, um die Steuerphasen eine nach der anderen zu jedem Zeitpunkt der Erhöhung der Ausgabe zu erhöhen, wie durch durchgezogene Linien in 2 gezeigt ist.
  • Wenn jedoch der Betrieb lediglich unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades wie vorstehend beschrieben ausgeführt wird, erreichen die Drossel 32 oder der Halbleiterelementteil mit dem Schaltelement 33 und dergleichen, welche ein System bilden, manchmal eine übermäßig hohe Temperatur.
  • Nachfolgend wird eine Steuerung gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d einer Mehrzahl von Phasen gemäß den folgenden Bedingungen umgeschaltet.
  • (1) Umschaltbedingung basierend auf einem Ausgabebefehlswert
  • Die Umschaltbedingung basierend auf einem Ausgabebefehlswert bzw. Ausgabesollwert ist eine Bedingung, welche die Effizienz berücksichtigt, und die Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d wird basierend auf dem Ausgabebefehlswert, der von einer Steuereinheit hoher Ordnung übermittelt wird, ausgeführt.
  • Insbesondere werden, wie in 3 gezeigt ist, Erhöhungsumschaltausgaben P1-2, P2-3, und P3-4 vorab eingestellt. In einem Zustand, bei dem die Wandlereinheit 31a einer Phase angesteuert wird, wird, wenn der Ausgabebefehlswert P1-2 wird, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzusteuern. Wenn der Ausgabebefehlswert zudem P2-3 wird, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzusteuern. Wenn der Ausgabebefehlswert P3-4 wird, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d von vier Phasen anzusteuern.
  • Zudem werden Verringerungsumschaltausgaben P4-3, P3-2 und P2-1 vorab eingestellt. Bei einem Zustand, bei welchem die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d von vier Phasen angetrieben bzw. angesteuert werden, wird, wenn der Ausgabebefehlswert abnimmt und der Ausgabebefehlswert P4-3 wird, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzutreiben. Wenn zudem der Ausgabebefehlswert P3-2 wird, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzusteuern. Wenn der Ausgabebefehlswert P2-1 wird, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheit 31a einer Phase anzutreiben.
  • Zu einem Erhöhungszeitpunkt und einem Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen sind die Ausgabebefehlswerte, welche Umschaltzeitpunkte der Zahl der Phasen werden, wie folgt eingestellt:
    P1-2 > P2-1, P2-3 > P3-2, P3-4 > P4-3.
  • Mit dieser Einstellung wird ein Hystereseverhalten zum Erhöhungszeitpunkt und Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen erzielt und ein Nachlaufen der Steuerung kann unterdrückt werden.
  • Durch das Ausführen der Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d kann der FC-Aufwärtswandler 14 mit hoher Effizienz betrieben werden.
  • (2) Umschaltbedingung basierend auf einer Drosseltemperatur
  • Die Umschaltbedingung basierend auf einer Drosseltemperatur ist eine Bedingung zum Halten der Wärmeleistung der Drossel 32 und eine Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d wird basierend auf der Temperatur der Drossel 32 ausgeführt.
  • Insbesondere werden, wie in 4 gezeigt ist, Erhöhungsumschalttemperaturen Tr1-2, Tr2-3 und Tr3-4 vorab eingestellt. In einem Zustand, bei welchem die Wandlereinheit 31a einer Phase angetrieben wird, wird, wenn die Drossel 32 die Umschalttemperatur Tr1-2 erreicht, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzutreiben. Wenn die Drossel 32 ferner die Umschalttemperatur Tr2-3 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzutreiben. Wenn die Drossel 32 die Umschalttemperatur Tr3-4 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d der vier Phasen anzusteuern.
  • Darüber hinaus werden Verringerungsumschalttemperaturen Tr4-3, Tr3-2 und Tr2-1 vorab eingestellt. In einem Zustand, bei welchem die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d der vier Phasen angetrieben werden, wird, wenn eine Temperatur der Drossel 32 abnimmt und die Umschalttemperatur Tr4-3 erreicht, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzusteuern. Wenn zudem die Drossel 32 eine Umschalttemperatur Tr3-2 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzusteuern. Wenn die Drossel 32 die Umschalttemperatur Tr2-1 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheit 31a einer Phase anzutreiben.
  • Zu einem Erhöhungszeitpunkt und eine Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen sind die Umschalttemperaturen der Drossel 32, welche Umschaltzeitpunkte der Zahl der Phasen bilden, wie folgt eingestellt:
    Tr1-2 > Tr2-1, Tr2-3 > Tr3-2, Tr3-4 > Tr4-3.
  • Mit dieser Einstellung wird ein Hystereseverhalten zum Erhöhungszeitpunkt und Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen erzielt und ein Nachlaufen der Steuerung kann unterdrückt werden.
  • Eine jede der Temperaturen Tr1-2 und Tr3-2 kann höher sein oder beide Temperaturen können gleich sein, und eine jede der Temperaturen Tr2-3 und Tr4-3 kann höher sein oder beide Temperaturen können gleich sein.
  • Die Umschalttemperatur Tr3-4, bei welchem die Ansteuerung umgeschaltet wird, um die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d der vier Phasen anzusteuern, wird auf eine Temperatur eingestellt, die niedriger als eine Wärmebeständigkeitstemperatur der Drossel 32 ist.
  • Durch Ausführen der Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d gemäß dieser Bedingung kann die Drossel 32 bei einer niedrigeren Temperatur als der Wärmebeständigkeitstemperatur gehalten werden, und die Wärmeleistung kann beibehalten werden.
  • Die Umschalttemperatur Tr3-4 (eine Wärmeleistungstemperatur) ist derart eingestellt, dass die Drossel 32 ohne Störung betrieben werden kann, und ohne die Wärmebeständigkeitstemperatur zu erreichen, selbst wenn die Drossel 32 für etwa 30 Sekunden bei maximaler Ausgabe nach Erreichen der Umschalttemperatur Tr3-4 betrieben wird.
  • Gemäß der vorliegenden Bedingung ist, für die Temperatur der Drossel 32, durch Verwendung des Thermistors (des Temperatursensors) 35, der in der Wandlereinheit 31a einer Phase angeordnet ist, die Temperatur der Drossel 32 der Wandlereinheit 31a, in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist, als Referenzwert vorgesehen. Mit dieser Konfiguration können, im Vergleich zu einem Fall, bei welchem ein Thermistor 35 in allen Wandlereinheiten 31a bis 31d angeordnet ist, die Kosten wesentlich verringert werden.
  • (3) Umschaltbedingung basierend auf einer Halbleiterelementteiltemperatur
  • Die Umschaltbedingung basierend auf einer Halbleiterelementteiltemperatur ist eine Bedingung zum Beibehalten der Wärmeleistung des Halbleiterelements mit dem Schaltelement 33 und der Diode 34b, und die Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31b wird basierend auf einer Temperatur des Halbleiterelementteils ausgeführt.
  • Insbesondere werden, wie in 5 gezeigt ist, Erhöhungsumschalttemperaturen Ts1-2, Ts2-3 und Ts3-4 vorab eingestellt. In einem Zustand, bei welchem die Wandlereinheit 31a einer Phase angesteuert wird, wird, wenn der Halbelementteil die Umschalttemperatur Ts1-2 erreicht, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzusteuern. Wenn der Halbleiterelementteil ferner die Umschalttemperatur Ts2-3 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzusteuern. Wenn der Halbleiterelementteil die Umschalttemperatur Ts3-4 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d von vier Phasen anzusteuern.
  • Darüber hinaus sind Verringerungsumschalttemperaturen Ts4-3, Ts3-2 und Ts2-1 vorab eingestellt. In einem Zustand, bei welchem die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d von vier Phasen angesteuert werden, wird, wenn eine Temperatur des Halbleiterelementteils abnimmt und der Halbleiterelementteil die Umschalttemperatur Ts4-3 erreicht, die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c von drei Phasen anzusteuern. Wenn die Temperatur des Halbleiterelementteils die Umschalttemperatur Ts3-2 wird, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheiten 31a und 31b von zwei Phasen anzusteuern. Wenn das Halbleiterelementteil die Umschalttemperatur Ts2-1 erreicht, wird die Ansteuerung umgeschaltet, um die Wandlereinheit 31a einer Phase anzusteuern.
  • Zum Erhöhungszeitpunkt und Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen sind die Umschalttemperaturen des Halbleiterelementteils, welche Umschaltzeitpunkte der Zahl der Phasen bilden, wie folgt eingestellt:
    Ts1-2 > Ts2-1, Ts2-3 > Ts3-2, Ts3-4 > Ts4-3
  • Mit dieser Einstellung wird ein Hystereseverhalten zum Erhöhungszeitpunkt und Verringerungszeitpunkt der Zahl der Phasen erzielt und ein Nachlaufen der Steuerung kann unterdrückt werden.
  • Eine jede der Temperaturen Ts1-2 und Ts3-2 kann höher sein oder beide Temperaturen können gleich sein, und eine jede der Temperaturen Ts2-3 und Ts4-3 kann höher sein oder beide Temperaturen können gleich sein.
  • Die Umschalttemperatur Ts3-4, bei welcher die Ansteuerung umgeschaltet wird, um die Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d von vier Phasen anzusteuern, wird auf eine Temperatur eingestellt, die niedriger ist als eine Wärmebeständigkeitstemperatur des Halbleiterelementteils.
  • Durch Ausführen der Umschaltsteuerung der Ansteuerung der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d gemäß dieser Bedingung kann der Halbleiterelementteil auf einer niedrigeren Temperatur als der Wärmebeständigkeitstemperatur gehalten werden, und die Wärmeleistung kann beibehalten werden.
  • Gemäß der vorstehenden Bedingung ist eine Temperatur des Halbleiterelementteils eine erfasste Temperatur, welche von einem Temperatursensor, der in jedem Halbleiterelementteil einer jeden Phase angeordnet ist, übertragen wird. Bei der vorstehenden Bedingung wird eine maximale Temperatur der von einem Temperatursensor des Halbleiterelementteils einer jeden Phase erfassten Temperaturen verwendet.
  • (4) Umschaltbedingung basierend auf einem Stromerzeugungszustand
  • Beim Starten der Brennstoffzelle 12 gibt es einen Fall, dass beispielsweise aufgrund von Kälte Leistung nicht effizient erzeugt werden kann. In einem solchen Fall wird ein schnelles Aufwärmen durch einen Stromerzeugungsvorgang mit niedrigem Wirkungsgrad ausgeführt, um die Brennstoffzelle 12 aufzuwärmen. Die Stromerzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad bezeichnet die Stromerzeugung mit einem geringeren Volumen eines reaktiven Gases (bspw. eines Oxidationsgases), das der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, als zu dem Zeitpunkt der normalen Stromerzeugung, sowie mit einem größeren Leistungsverlust als während der normalen Stromerzeugung. Bei der Stromerzeugung mit niedrigem Wirkungsgrad wird die Brennstoffzelle 12 beispielsweise in einem Zustand betrieben, bei welchem ein stöchiometrisches Luftverhältnis auf den Bereich nahe 1,0 (ein theoretischer Wert) verringert ist.
  • Daher wird, zum Zeitpunkt des schnellen Aufwärmens, Wärme durch Ansteuern der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d in vier Phasen bei einem Zustand, bei dem das Fahrzeug gestoppt ist, erzeugt.
  • Die Umschaltsteuerung der Wandlereinheiten 31a bis 31d durch die ECU 41 basierend auf den vorstehenden Steuerbedingungen bzw. Antriebsbedingungen wird nachfolgend beschrieben.
  • (1) Steuerung zum Zeitpunkt des Erhöhens der Zahl der Phasen
  • Die Steuerung zum Zeitpunkt des Erhöhens der Zahl der Phasen von einer auf zwei Phasen, von zwei Phasen auf drei Phasen, und von drei Phasen auf vier Phasen wird anhand des in 6 gezeigten Flussschaubilds beschrieben.
  • Zunächst wird, basierend auf einer von einem Temperatursensor, der in der Brennstoffzelle 12 angeordnet ist, erfasste Temperatur bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einem Stromerzeugungszustand erfüllt ist (Schritt S01).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Stromerzeugungszustand erfüllt ist (Schritt S01: JA), also beispielsweise wenn die Brennstoffzelle 12 unter dem Gefrierpunkt betrieben werden muss, werden alle vier Phasen der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d angetrieben bzw. angesteuert (Schritt S02). Dementsprechend wird die Brennstoffzelle 12 schnell aufgewärmt und der Wirkungsgrad des nachfolgenden Betriebs wird verbessert.
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Stromerzeugungszustand nicht erfüllt ist (Schritt S01: NEIN), wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einem Ausgabebefehlswert erfüllt ist (Schritt S03).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Ausgabebefehlswert erfüllt ist (Schritt S03: JA), wird die Ansteuerung von der augenblicklichen Zahl der Phasen zu einer Ansteuerung umgeschaltet, bei welcher eine Phase hinzuaddiert wird (Schritt S06).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Ausgabebefehlswert nicht erfüllt ist (Schritt S03: NEIN) wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einer Drosseltemperatur erfüllt ist (Schritt S04).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf der Drosseltemperatur erfüllt ist (Schritt S04: JA), wird die Ansteuerung von der augenblicklichen Zahl der Phasen zu einer Ansteuerung umgeschaltet, bei welcher eine Phase hinzuaddiert wird (Schritt S06).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf der Drosseltemperatur nicht erfüllt ist (Schritt S04: nein) wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einer Halbleiterelementteiltemperatur erfüllt ist (Schritt S05).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf der Halbleiterelementteiltemperatur erfüllt ist (Schritt S05: ja) wird die Ansteuerung von der augenblicklichen Zahl der Phasen zu einer Ansteuerung umgeschaltet, bei welcher eine Phase hinzuaddiert wird (Schritt S06).
  • (2) Steuerung zum Zeitpunkt des Verringerns der Zahl der Phasen
  • Die Steuerung zum Zeitpunkt des Verringerns der Zahl der Phasen von vier Phasen auf drei Phasen, von drei Phasen auf zwei Phasen und von zwei Phasen auf eine Phase wird anhand des in 7 gezeigten Flussschaubilds beschrieben.
  • Zunächst wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf eine Stromerzeugungszustand erfüllt ist (Schritt S11).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Stromerzeugungszustand nicht erfüllt ist (Schritt S11: NEIN), wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einem Ausgabebefehlswert erfüllt ist (Schritt S12).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf dem Ausgabebefehlswert erfüllt ist (Schritt S12: JA), wird bestimmt, ob ein Ausgabebefehlsfilterwert gleich oder niedriger als der Ausgabebefehlswert ist (Schritt S13).
  • Der Ausgabebefehlfilterwert ist ein Ausgabewert, der durch Messen der Ausgabe von der Brennstoffzelle 12 mittels eines Sensors erhalten wird.
  • Wenn bestimmt wird, dass der Ausgabebefehlsfilterwert gleich oder niedriger als der Ausgabebefehlswert ist (Schritt S13: JA), wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einer Drosseltemperatur erfüllt ist (Schritt S14).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf der Drosseltemperatur erfüllt ist (Schritt S14: JA), wird bestimmt, ob eine Umschaltbedingung basierend auf einer Halbleiterelementteiltemperatur erfüllt ist (Schritt S15).
  • Wenn bestimmt wird, dass die Umschaltbedingung basierend auf der Halbleiterelementteiltemperatur erfüllt ist (Schritt S15: JA), wird die Ansteuerung von der augenblicklichen Zahl der Phasen zu einer Ansteuerung umgeschaltet, bei welcher eine Phase subtrahiert wurde (Schritt S16).
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die folgende Steuerung zusammen mit dem Umschalten der Zahl der Phasen des FC-Aufwärtswandlers 14 ausgeführt.
  • (1) Belastungsratenbeschränkungssteuerung
  • Bei der Belastungsratenbeschränkungssteuerung wird eine Beschränkung der Belastungsrate, welche die Steuerbarkeit berücksichtigt, ausgefüllt. Die Belastungsrate, welche durch die Belastungsratenbeschränkungssteuerung beschränkt wird, wird für jede Halbleiterelementteiltemperatur und Drosseltemperatur ermittelt.
  • (Belastungsrate A basierend auf einer Halbleiterelementeiltemperatur)
  • 8 zeigt die Belastungsrate A des Halbleiterelementteils der Wandlereinheit 31a, in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist. Wie in 8 gezeigt ist, wird die Belastungsrate A mit einer Änderungsrate beschränkt, welche die Steuerbarkeit berücksichtigt, von einem Zeitpunkt, wenn eine Temperatur des Halbleiterelementteils eine Grenzstarttemperatur TsA erreicht, bis die Temperatur eine Standardwärmebeständigkeitstemperatur TsB erreicht. Die Standardwärmebeständigkeitstemperatur TsB wird auf eine ausreichende niedrigere Temperatur als eine spezifische Wärmebeständigkeitstemperatur Tsmax eingestellt.
  • (Belastungsrate B basierend auf einer Drosseltemperatur)
  • 9 zeigt die Belastungsrate B der Drossel 32 der Wandlereinheit 31a, in welche der Thermistor 35 angeordnet ist. Wie in 9 gezeigt ist, dient die Belastungsrate B zum Ausführen der Ausgabebeschränkung mit einer Änderungsrate, welche die Steuerbarkeit berücksichtigt, von einem Zeitpunkt, wenn eine vom Thermistor 35, der in der Drossel 32 angeordnet ist, erfasste Temperatur eine Grenzstarttemperatur TrA erreicht, bis die Temperatur eine Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB erreicht. Die Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB ist auf eine ausreichend niedrigere Temperatur eingestellt als die spezifische Wärmebeständigkeitstemperatur Trmax.
  • (Belastungsrate C basierend auf einer Drosseltemperatur)
  • 10 zeigt die Belastungsrate C der Drosseln 32, der Wandlereinheiten 31b, 31c und 31c, in welchen der Thermistor 35 nicht angeordnet ist. Wie in 10 gezeigt ist, dient die Belastungsrate C zum Ausführen der Ausgabebeschränkung mit einer Änderungsrate, welche die Steuerbarkeit berücksichtigt, von einem Zeitpunkt, wenn eine durch den Thermistor 35 in der Drossel 32 erfasste Temperatur eine Grenzstarttemperatur TrA' erreicht, bis die Temperatur eine Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB' erreicht.
  • Die Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB' ist auf eine ausreichend niedrigere Temperatur als die spezifische Wärmebeständigkeitstemperatur Trmax eingestellt, wobei eine Temperaturvariation der spezifischen Wärmebeständigkeitstemperatur Trmax, die einer Variation der Eigenschaften wie der Wärmeerzeugungseigenschaft der Drossel 32 Rechnung trägt, berücksichtigt wird. Das bedeutet, die Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB' der Drossel 32 der Wandlereinheiten 31b, 31c und 31d, in welchen der Thermistor 35 nicht angeordnet ist, ist auf eine Temperatur eingestellt, welche um die Temperaturvariation niedriger eingestellt ist als die Standardwärmebeständigkeitstemperatur TrB der Drossel 32 der Wandlereinheit 31a in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist.
  • Dann wird eine Belastungsrate L1 der Wandlereinheit 31a, in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist, durch Auswählen einer niedrigeren der Belastungsrate A und Belastungsrate B gewählt. Eine Belastungsrate L2 der Wandlereinheiten 31b, 31c und 31d, in welchen der Thermistor 35 nicht angeordnet ist, wird durch Auswählen einer niedrigeren der Belastungsrate A und Belastungsrate C bestimmt.
  • (2) Setzen einer maximalen Ausgabeobergrenze
  • Eine maximale Ausgabeobergrenze Pmax, die von der Brennstoffzelle 12 an den FC-Aufwärtswandler 14 ausgegeben werden kann, wird berechnet und die Eingabe des FC-Aufwärtswandlers 14 wird begrenzt.
  • Die maximale Ausgabeobergrenze Pmax wird aus einem Gesamtwert der Maximalausgabe Pamax, Pbmax, Pcmax und Pdmax entsprechend der Wandlereinheiten 31a bis 31d erhalten, wie in der folgenden Gleichung abgebildet ist: Pmax = Pamax + Pbmax + Pcmax + Pdmax
  • Die jeweiligen Maximalausgaben Pamax, Pbmax, Pcmax und Pdmax der Wandlereinheiten 31a bis 31d werden wie folgt erhalten.
  • Die Maximalausgabe Pamax der Wandlereinheit 31a, in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist, und die Maximalausgaben Pbmax, Pcmax und Pdmax der Wandlereinheiten 31b bis 31d, in welchen der Thermistor 35 nicht angeordnet ist, werden anhand der Belastungsraten L1 und L2 und einem Designmaximalausgabewert Ps der Wandlereinheiten 31b bis 31d basierend auf den folgenden Gleichungen erhalten: Pamax = L1 × Ps Pbmax = L2 × Ps Pcmax = L3 × Ps Pdmax = L4 × Ps
  • Die ECU 41 überträgt die maximale Ausgabeobergrenze Pmax an eine Steuereinheit hoher Ordnung und verursacht, das der Ausgabebefehlswert von der Steuereinheit hoher Ordnung innerhalb der maximalen Ausgabeobergrenze Pmax begrenzt wird, und kann die Drossel 32 und die Halbleiterelementteile der Wandlereinheiten 31a bis 31d schützen.
  • Wenn der Ausgabebefehlswert die maximale Ausgabeobergrenze Pmax übersteigt, kompensiert die ECU 41 einen Mangel der Ausgabe über die Batterie 21. Wenn die Kompensation über die Batterie 21 für die Ausgabe nicht ausreicht, beschränkt die ECU 41 die Ausgabe.
  • (3) Einstellen einer maximalen Stromgrenze
  • Eine maximale Stromobergrenze Imax, welche von der Brennstoffzelle 12 an den FC-Aufwärtswandler 14 ausgegeben werden kann, wird berechnet und die Eingabe des FC-Aufwärtswandlers 14 wird begrenzt.
  • Die maximale Stromobergrenze Imax wird aus einem Gesamtwert eines Maximalstroms Iamax, Ibmax, Icmax und Idmax entsprechend der Wandlereinheiten 31a bis 31d erhalten, wie in der folgenden Gleichung gezeigt ist: Imax = Iamax + Ibmax + Icmax + Idmax
  • Der Maximalstrom Iamax, Ibmax, Icmax und Idmax der Wandlereinheiten 31a bis 31d wird wie folgt erhalten.
  • Der Maximalstrom Iamax der Wandlereinheit 31a, in welcher der Thermistor 35 angeordnet ist, und der Maximalstrom Ibmax, Icmax und Idmax der Wandlereinheiten 31b bis 31d, in welchen der Thermistor 35 nicht angeordnet ist, wird anhand der Belastungsraten L1 und L2 und einen Designmaximalstromwert Is der Wandlereinheiten 31b bis 31d basierend auf den folgenden Gleichungen erhalten: Iamax = L1 × Is Ibmax = L2 × Is Icmax = L2 × Is Idmax = L2 × Is
  • Die ECU 41 überträgt die maximale Stromobergrenze Imax zu einer Steuereinheit hoher Ordnung und verursacht, dass ein Strombefehlswert von der Steuereinheit hoher Ordnung auf nicht mehr als die maximale Stromobergrenze Imax beschränkt wird, und kann die Drosseln 32 und die Halbleiterelementteile der Wandlereinheiten 31a bis 31d schützen.
  • Wenn ein Stromwert die maximale Stromobergrenze Imax übersteigt, steuert die ECU 41, um einen Mangel an Strom über die Batterie 21 zu kompensieren. Wenn die Kompensation über die Batterie 21 für den Strom nicht ausreicht, beschränkt die ECU 41 den Strom.
  • (4) Setzen eines Sollstroms
  • Ein Sollstrom Ia bis Id der Wandlereinheiten 31a bis 31d wird eingestellt.
  • Beim Einstellen des Sollstromes wird entweder ein Wert, der durch Dividieren eines Strombefehlswert von einer Steuereinheit hoher Ordnung durch die Zahl der Steuerphasen erhalten wird, oder ein maximaler Stromwert der Wandlereinheit im Steuerzustand aus dem maximalen Strom Iamax bis Idmax der Wandlereinheiten 31a bis 31d, was immer niedriger ist, ausgewählt und als Sollstrom der Wandlereinheit im Steuerzustand der Wandlereinheiten 31a bis 31d eingestellt.
  • Die Sollströme von den nichtangesteuerten Wandlereinheiten der Wandlereinheiten 31a bis 31d wird als „0” eingestellt.
  • (2) Einstellen eines Strombefehlswerts
  • (Ermitteln einer maximalen Abweichphase)
  • Zunächst bestimmt die ECU 41 eine maximale Abweichphase, welche die Größte der Abweichungen der Wandlereinheiten 31a bis 31d ist.
  • Die Abweichungen der Wandlereinheiten 31a bis 31d werden durch die folgende Gleichung erhalten: Abweichung einer jeden Phase = |Stromsollwert einer jeden Phase – Strombefehlswert einer jeden Phase|
  • Es gibt einen Fall, wonach die Abweichung einer jeden Phase gleich ist. Daher wird eine Prioritätsfolge in jeder Phase geschaffen (bspw. 31a > 31b > 31c > 31d). Wenn die Abweichungen gleich werden, wird die maximale Abweichphase basierend auf der Prioritätsfolge ermittelt.
  • Wenn ein Steuerbefehl einer jeden Phase in einen Aus-Zustand versetzt ist, ist die Steuerphase nicht in den Phasen enthalten, von welchen die maximale Abweichphase ermittelt wird. Vorzugsweise ist die maximale Abweichphase derart eingestellt, dass auf sie aus einem Arbeitsspeicher (RAM) zugegriffen werden kann.
  • (Berechnung eines Strombefehlswerts)
  • Bei einem Strombefehlswerts einer maximalen Abweichphase wird jeweils eine Bemessungsgrenze zu einem Stromerhöhungszeitpunkt und einem Stromverringerungszeitpunkt eingestellt. Die Bemessungsgrenze reicht beispielsweise von einem unteren Grenzwert 0 (A) zu einem oberen Grenzwert 125 (A) und ist ±5,0/1,0 (A/ms) zum Zeitpunkt der Stromerhöhung und zum Zeitpunkt der Stromverringerung. Die Bemessungsgrenze kann von Außen neu geschrieben werden.
  • Andere Strombefehlswerte als die der maximalen Abweichphase, werden wie folgt berechnet:
  • (1) Im Fall einer Zweiphasensteuerung
  • Im Fall einer Zweiphasensteuerung der Wandlereinheiten 31a und 31b wird, wenn die Wandlereinheit 31b eine maximale Abweichphase ist, ein Strombefehlswert der Wandlereinheit 31a anhand der folgenden Gleichung erhalten: Strombefehlswert der Phase 31a = Strombefehlswert von einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase
  • (2) Im Fall einer Dreiphasensteuerung
  • Im Fall einer Dreiphasensteuerung der Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c wird, wenn die Wandlereinheit 31c eine maximale Abweichphase ist, der Strombefehlswert für die Wandlereinheiten 31a und 31b jeweils anhand der folgenden Gleichungen erhalten: Strombefehlswert für die Phase 31a = (Strombefehlswert einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase) + (Maximalstrom der Phase 31a/(Gesamtwert der Maximalströme der Phase 31a und Phase 31b)) Strombefehlswert der Phase 31b = (Strombefehlswert einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase) + (Maximalstrom der Phase 31b/(Gesamtwert der Maximalströme der Phase 31a und 31b))
  • (3) Im Fall einer Vierphasensteuerung
  • Bei einem Zustand einer Vierphasensteuerung der Wandlereinheiten 31a, 31b, 31c und 31d, wird, wenn die Wandlereinheit 31d eine maximale Abweichphase ist, der Strombefehlswert für die Wandlereinheiten 31a, 31b und 31c jeweils anhand der folgenden Gleichungen erhalten: Strombefehlswert der Phase 31a = (Strombefehlswert einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase) + (Maximalstrom der Phase 31a/(Gesamtwert der Maximalströme der Phase 31a, der Phase 31b und der Phase 31c)) Strombefehlswert der Phase 31b = (Strombefehlswert einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase) + (Maximalstrom der Phase 31b/(Gesamtwert der Maximalströme der Phase 31a, der Phase 31b und der Phase 31c)) Strombefehlswert der Phase 31c = (Strombefehlswert einer Steuereinheit hoher Ordnung – Strombefehlswert einer maximalen Abweichphase) + (Maximalstrom der Phase 31c/(Gesamtwert der Maximalströme der Phase 31a, der Phase 31b und der der Phase 31c))
  • Wenn ein Steuerbefehl für jede Phase in einem Aus-Zustand eingestellt ist, ist ein Strombefehlswert für jede Phase in der Steuerphase auf „0” eingestellt.
  • Zum Zeitpunkt des Umschaltens von vier Phasen auf drei Phasen wird, wenn beispielsweise die Wandlereinheit 31d eine maximale Abweichphase wird, wenn die Bemessungsgrenze 5/1,0 (A/ms) ist, und wenn ein Strombefehlswert von einer Steuereinheit hoher Ordnung konstant bei 120 (A) liegt, die Verteilung des Stroms der Phasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d wie in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
    Strombefehlswert von hoher Ordnung 120 120 120 120 120 120 120
    Strombefehlswert von Phase 31a 30 31,7 33,3 35,0 36,7 38,3 40
    Strombefehlswert von Phase 31b 30 31,7 33,3 35,0 36,7 38,3 40
    Strombefehlswert von Phase 31c 30 31,7 33,3 35,0 36,7 38,3 40
    Strombefehlswert von Phase 31d 30 25 20 15,0 10 5 0
    Gesamtwert der Strombefehlswerte 120 120 120 120 120 120 120
    Zeitfluss →
  • Auf diese Weise kann, wenn die Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d ausgeführt wird, während die Stromausgabe des Aufwärtswandlers 14 auf einem vorgegebenen Strombefehlswert gehalten wird, das Umschalten der Zahl der Steuerphasen weich ausgeführt werden, ohne eine hohe Last an jede der Wandlereinheiten 31a bis 31d anzulegen. Durch Einstellen der Bemessungsgrenze auf eine maximale Abweichphase der Wandlereinheiten 31a bis 31d kann insbesondere eine Wandlereinheit, welche die maximale Abweichphase bildet, geschützt werden.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, kann, gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform, der Multiphasenaufwärtswandler 14 mit der Mehrzahl von Wandlereinheiten 31a bis 31d einen hohen Strom der Brennstoffzelle 12 verarbeiten bzw. aufnehmen.
  • Da die Umschaltsteuerung zum Erhöhen oder Verringern der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten 31a bis 31d des Aufwärtswandlers 14, nicht nur basierend auf der Ausgabebedingung der Brennstoffzelle 12 sondern auch basierend auf den Temperaturbedingungen der Drossel 32 und dem Halbleiterelementteil mit den Elektronikteilen wie dem Transistor 33a und den Dioden 33b und 34b, welche die Wandlereinheiten 31a bis 31d bilden, ausgeführt wird, kann der Aufwärtswandler 14 mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden, während die Drossel 32 und die Bauteile wie die Elektronikteile des Halbleiterelementteils geschützt werden.
  • Obgleich das Stromquellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung bei der vorstehenden Ausführungsform ausgehend von einem Brennstoffzellensystem, das bei einem Brennstoffzellenfahrzeug zur Anwendung kommt, beschrieben ist, kann das Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung auch bei verschiedenen anderen beweglichen Fahrzeugen (beispielsweise Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Roboter, Schiffe, Flugzeuge, etc.) als dem Brennstoffzellenfahrzeug Anwendung finden. Das Stromquellensystem der vorliegenden Erfindung kann auch bei einem ortsfesten Stromerzeugungssystem verwendet werden, das zur Stromerzeugung für Bauwerke (Häuser, Gebäude, etc.) verwendet wird.
  • 11 zeigt ein Beispiel des Stromquellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, welches bei einem Stromquellensystem zur Anwendung kommt, das in einem Elektrofahrzeug (ein EV-Fahrzeug) montiert ist. In 11 sind die Bauteile, welche gleich oder ähnlich zu den Bauteilen aus 1 sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben.
  • Ein Stromquellensystem 111, das in 11 gezeigt ist, umfasst eine Sekundärzelle 120 anstelle der Brennstoffzelle 12 aus 1 und umfasst keine Batterie 21 und keinen Batterieaufwärtswandler 23 wie in 1. Beim Stromquellensystem 111 wird der Halbleiterelementteil der vorliegenden Erfindung durch das Schaltelement 33 mit dem Transistor 33a und der Diode 33b und ein zweites Schaltelement 34 mit einem Transistor 34a und einer Diode 34b gebildet. Durch Verwenden des Halbleiterelementteils mit dieser Konfiguration wird, im Gegensatz zum in 1 gezeigten unidirektionalen Wandler, der lediglich eine Aufwärtswandlung ausführen kann, ein bidirektionaler Wandler, der sowohl ein Aufwärtswandeln wie auch ein Abwärtswandeln ausführen kann, realisiert.
  • 12 zeigt ein Beispiel des Stromquellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, das bei einem Stromquellensystem zur Anwendung kommt, das an einem Hybridfahrzeug oder einem Plug-In-Hybridfahrzeug an einer Sekundärzelle, deren Leistung indirekt von einer externen kommerziellen Stromquelle geladen werden kann, montiert ist. In 12 sind die Bauteile, welche gleich oder ähnlich zu den Bauteilen aus 1 sind, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut beschrieben.
  • Ein Stromquellensystem 112, das in 12 gezeigt ist, umfasst die Sekundärzelle 120 anstelle der Brennstoffzelle 12 aus 1 und umfasst keine Batterie 21 und keinen Batterieaufwärtswandler 23 wie in 1. Das Stromquellensystem 112 umfasst, zusätzlich zum Antriebsmotor 13, der hauptsächlich als Elektromotor dient, und dem Antriebsinverter 16, der dem Antriebsmotor 13 Leistung zuführt, einen Motor 130, der hauptsächlich als Leistungsgenerator fungiert, sowie einen Inverter 160, der dem Motor 130 Leistung zuführt.
  • Beim Stromquellensystem 112 ist der Halbleiterelementteil der vorliegenden Erfindung durch das Schaltelement 33 mit dem Transistor 33a und der Diode 33b und das zweite Schaltelement 34 mit dem Transistor 34a und der Diode 34b ausgebildet. Durch Verwenden des Halbleiterelementteils mit dieser Konfiguration wird, im Gegensatz zum in 1 gezeigten unidirektionalen Wandler, der lediglich eine Aufwärtswandlung ausführen kann, ein bidirektionaler Wandler, der sowohl ein Aufwärtswandeln wie auch ein Abwärtswandeln ausführen kann, realisiert.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Brennstoffzellensystem (Stromquellensystem)
    12
    Brennstoffzelle (Stromquelle)
    14
    FC-Aufwärtswandler (Aufwärtswandler)
    31a bis 31d
    Wandlereinheiten
    32
    Drossel
    33
    Schaltelement (Halbleiterelementteil)
    33a
    Transistor (Halbleiterelementteil)
    33b
    Diode (Halbleiterelementteil)
    34
    Schaltelement (Halbleiterelementteil)
    34a
    Transistor (Halbleiterelementteil)
    34b
    Diode (Halbleiterelementteil)
    35
    Thermistor (Temperatursensor)
    41
    ECU (Steuereinhiet)
    120
    Sekundärzelle (Stromquelle)

Claims (9)

  1. Stromquellensystem mit einer Stromquelle, einem Aufwärtswandler zum Verstärken der Leistung der Stromquelle, und einer Steuereinheit zum Ausführen einer Ausgabesteuerung des Aufwärtswandlers, wobei der Aufwärtswandler ein Multiphasenwandler mit einer Mehrzahl von Wandlereinheiten ist, die jeweils eine Drossel und einen Halbleiterelementteil umfassen, und die Steuereinheit eine Umschaltsteuerung ausführt, um die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten zu erhöhen oder zu senken, basierend auf einer Ausgabebedingung der Stromquelle, einer Temperaturbedingung der Drossel und einer Temperaturbedingung des Halbleiterelementteils.
  2. Stromquellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten erhöht, wenn eine Ausgabe der Stromquelle eine vorgegebene Erhöhungsumschaltausgabe wird, oder wenn die Drossel eine vorgegebene Erhöhungsumschalttemperatur aufweist, oder wenn der Halbleiterelementteil eine vorgegebene Erhöhungsumschalttemperatur aufweist.
  3. Stromquellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten senkt, wenn eine Ausgabe der Stromquelle eine vorgegebene Verringerungsumschaltausgabe wird, wenn die Drossel eine vorgegebene Verringerungsumschalttemperatur aufweist, und wenn der Halbleiterelementteil eine vorgegebene Verringerungsumschalttemperatur aufweist.
  4. Stromquellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Umschaltzeitpunkt zu einem Verringerungszeitpunkt, wenn die Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten gesenkt wird, von einem Zeitpunkt versetzt ist, zu dem eine Ausgabe oder Temperatur niedriger ist, als zu einem Umschaltzeitpunkt, wenn die Zahl der Phasen der Wandlereinheiten erhöht wird.
  5. Stromquellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Steuereinheit die Umschaltsteuerung der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten durchführt, während der in den Aufwärtswandler fließende Strom auf einem vorgegebenen Strombefehlswert gehalten wird.
  6. Stromquellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit eine Phase einer Wandlereinheit, die nach dem Umschalten der Zahl der Steuerphasen der Wandlereinheiten umgeschaltet wird, um anzusteuern oder nicht anzusteuern, als eine maximale Abweichphase einstellt, und den Stromwert der maximalen Abweichphase mit einer vorgegeben Änderungsrate zu einem Umschaltsteuerzeitpunkt erhöht oder senkt.
  7. Stromquellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit die Ausgabe der Wandlereinheit mit einer vorgegebenen Änderungsrate zu einem Zeitpunkt steuert, wenn der Halbleiterelementteil oder die Drossel eine Grenzstarttemperatur erreicht, die vorab eingestellt wurde.
  8. Stromquellensystem nach Anspruch 7, wobei ein Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Drossel in einem Teil der Mehrzahl der Wandlereinheiten angeordnet ist, und eine Grenzstarttemperatur einer Wandlereinheit, in welcher der Temperatursensor angeordnet ist, anhand einer Wärmebeständigkeitstemperatur der Drossel erhalten wird, und eine Grenzstarttemperatur einer Wandlereinheit, in der kein Temperatursensor angeordnet ist, eine Temperatur ist, die durch Subtrahieren einer Temperaturvariation aufgrund einer Variation der Eigenschaften der Drossel von der Wärmebeständigkeitstemperatur der Drossel erhalten wird.
  9. Stromquellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Stromquelle eine Brennstoffzelle ist, die vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas Leistung erzeugt.
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