JP2006311776A - 多相電圧変換装置および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストの上昇を抑えつつ製品寿命が長い多相電圧変換装置および車両を提供する。
【解決手段】 多相電圧変換装置１０は、第１のノードと第２のノードとの間に並列的に接続される複数の電圧変換器３１〜３３と、電圧変換器３１〜３３の状態を検知した結果に基づいて電圧変換器３１〜３３のうちから一部を選択して駆動させる制御装置３０とを備える。好ましくは、電圧変換器３１〜３３の各々は、素子温度を測定する素子温度センサ４１を含む。制御装置３０は、複数の電圧変換器の各素子温度に基づき駆動させる電圧変換器を決定する。制御装置３０は、温度の低い電圧変換器から優先して使用するように駆動させる電圧変換器を決定する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、多相電圧変換装置およびそれを備える車両に関し、特に一部の電圧変換器を選択して駆動させることが可能な多相電圧変換装置およびそれを備える車両に関する。

特開２００４−３５７３８８号公報（特許文献１）は、コンバータの機能として昇圧及び降圧の機能を併せ持つ多相多重型の昇降圧コンバータを開示する。このような昇降圧コンバータは電気自動車などのインバータシステムに用いられ、電流リップルを低減させることができる。
特開２００４−３５７３８８号公報

多相多重型のコンバータは、出力側で消費される電力が小さい場合には一部のみの相に対応する電圧変換器（以下、「相に対応する電圧変換器」を単に「相」と称する場合がある）を運転させて残りの相は休止させるほうが効率がよい場合がある。しかし、このような使用をする場合には、特定相のみに使用が集中すると、他の相に比べて特定相の劣化が早くなる。他の相は劣化していないにも拘らず多相コンバータ全体としてみれば製品寿命が特定相によって定まってしまう。

十分な製品寿命を得ようとすると、設計に余裕を持たせる必要がありコストアップにつながってしまう。

この発明の目的は、コストの上昇を抑えつつ製品寿命が長い多相電圧変換装置および車両を提供することである。

この発明は、要約すると、多相電圧変換装置であって、第１のノードと第２のノードとの間に並列的に接続される複数の電圧変換器と、複数の電圧変換器の状態を検知した結果に基づいて複数の電圧変換器のうちから一部を選択して駆動させる制御部とを備える。

好ましくは、複数の電圧変換器の各々は、素子温度を測定する温度センサを含む。制御部は、複数の電圧変換器の各素子温度に基づき駆動させる電圧変換器を決定する。

より好ましくは、制御部は、温度の低い電圧変換器から優先して使用するように駆動させる電圧変換器を決定する。

好ましくは、制御部は、複数の電圧変換器の使用履歴を不揮発的に記憶する記憶部を含む。制御部は、使用履歴に基づいて駆動させる電圧変換器を決定する。

より好ましくは、制御部は、使用履歴を参照して前回駆動した電圧変換器とは異なる電圧変換器を選択して駆動させる。

好ましくは、複数の電圧変換器は、第１〜第３の電圧変換器であり、第１〜第３の電圧変換器を駆動させる３相駆動から１つの電圧変換器のみを駆動させる１相駆動に切換える指令を受けた場合に、制御部は駆動させる電圧変換器を選択する。

好ましくは、制御部は、駆動中の電圧変換器の駆動時間が所定時間を経過した場合には、非駆動中であった他の電圧変換器に駆動させる電圧変換器を切換える。

好ましくは、制御部は、駆動中の電圧変換器の温度が所定温度を超えた場合には、非駆動中であった他の電圧変換器に駆動させる電圧変換器を切換える。

より好ましくは、複数の電圧変換器は、第１〜第３の電圧変換器であり、第１〜第３の電圧変換器のうちから１つの電圧変換器のみを駆動させる１相駆動を実行中において、制御部は駆動させる電圧変換器の切換を行なう。

この発明は、他の局面においては、車両であって、上記いずれかの多相電圧変換装置と、第１のノードに接続される燃料電池と、第２のノードに接続される蓄電装置とを備える。

本発明によれば、複数相の電圧変換器の一部を用いる場合において各相の状態に応じて駆動する相を決めることにより、使用する相を最適なものとすることができ、劣化の偏りを少なくできる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本発明に係る車両１００の構成を示した回路図である。車両１００は、モータを搭載する自動車の一例として示される燃料電池自動車である。

図１を参照して、車両１００は、ノードＮ１とノードＮ３との間に接続されるバッテリ２と、ノードＮ１とノードＮ３との間に接続される平滑用コンデンサ８と、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続されバッテリの電圧ＶＢとインバータの電圧ＶＩＮＶとの間で相互に電圧変換を行なう多相電圧変換装置１０とを含む。

車両１００は、さらに、ノードＮ２とノードＮ３との間に接続される平滑用コンデンサ１４と、ノードＮ２とノードＮ３との間に直列に接続されるダイオード１６および燃料電池１８と、ノードＮ２とノードＮ３との間に接続されるインバータ２０と、インバータ２０によって駆動されるモータ２２とを含む。ダイオード１６は、燃料電池１８に電流が流入するのを防止するための保護素子であり、燃料電池からノードＮ２に向かう向きを順方向として接続される。

車両１００は、さらに、バッテリの電圧ＶＢを検出する電圧センサ６と、インバータ電圧ＶＩＮＶを検出する電圧センサ１２と、制御装置３０とを含む。

多相電圧変換装置１０は、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列接続される電圧変換器３１〜３３を含む。電圧変換器３１〜３３にはともに電圧ＶＢおよびＶＩＮＶの基準電位を与えるノードＮ３が接続されている。

電圧変換器３１は、ノードＮ１とノードＮ３との間に接続される第１のアームＡ１と、ノードＮ２とノードＮ３との間に接続される第２のアームＡ２と、アームＡ１，Ａ２間に接続されるリアクトルＬ１と、電圧変換器３１中の素子温度を検出する素子温度センサ４１とを含む。

第１のアームＡ１は、ノードＮ１とノードＮ３との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子ＧＡ，ＧＢと、ＩＧＢＴ素子ＧＡと並列に接続されるダイオードＤＡと、ＩＧＢＴ素子ＧＢと並列に接続されるダイオードＤＢとを含む。

ＩＧＢＴ素子ＧＡのコレクタはノードＮ１に接続され、エミッタはノードＮ４に接続される。ダイオードＤＡはノードＮ４からノードＮ１に向かう向きを順方向として接続される。

ＩＧＢＴ素子ＧＢのコレクタはノードＮ４に接続され、エミッタはノードＮ３に接続される。ダイオードＤＢはノードＮ３からノードＮ４に向かう向きを順方向として接続される。

第２のアームＡ２は、ノードＮ２とノードＮ３との間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子ＧＣ，ＧＤと、ＩＧＢＴ素子ＧＣと並列に接続されるダイオードＤＣと、ＩＧＢＴ素子ＧＤと並列に接続されるダイオードＤＤとを含む。

ＩＧＢＴ素子ＧＣのコレクタはノードＮ２に接続され、エミッタはノードＮ５に接続される。ダイオードＤＣはノードＮ４からノードＮ２に向かう向きを順方向として接続される。

ＩＧＢＴ素子ＧＤのコレクタはノードＮ５に接続され、エミッタはノードＮ３に接続される。ダイオードＤＤはノードＮ３からノードＮ５に向かう向きを順方向として接続される。

リアクトルＬ１は、ノードＮ４とノードＮ５との間に接続される。
なお、電圧変換器３２，３３の内部の構成については、電圧変換器３１と同様であるので、説明は繰返さない。ただし、電圧変換器３２、３３中の素子温度センサ４１からはそれぞれ素子温度Ｔ３２，Ｔ３３が出力される。

また、図１では、ＩＧＢＴ素子ＧＢのエミッタとＩＧＢＴ素子ＧＤのエミッタとが電圧変換器３１内部で接続されている構成、つまり複数の電圧変換器の各々の内部でノードＮ３と燃料電池の負極とを接続する構成を示した。しかし、図１の構成に代えて、各電圧変換器内部ではＩＧＢＴ素子ＧＢのエミッタとＩＧＢＴ素子ＧＤのエミッタとは接続せずに、電圧変換器外部にノードＮ３と燃料電池の負極とを接続する配線を電圧変換器３１〜３３共通に１本設けても良い。

バッテリの電圧ＶＢと燃料電池１８の出力電圧とはとり得る範囲が一部重なっている。たとえばバッテリはニッケル水素バッテリなどが使用され、その電源電圧はたとえば２００Ｖから３００Ｖの範囲で変動するとする。一方燃料電池１８の出力電圧はたとえば２４０Ｖ〜４００Ｖの範囲で変動する。

したがってバッテリ２の電圧が燃料電池１８の出力電圧よりも高い場合と低い場合とがあるので、電圧変換器３１〜３３は先に説明したように第１、第２のアームを有するような構成となっている。この構成により、バッテリ２側からインバータ２０側に昇圧および降圧が可能となり、かつインバータ２０側からバッテリ２側に昇圧および降圧が可能となる。

制御装置３０は、電圧変換器３１〜３３の状態を検知した結果に基づいて電圧変換器３１〜３３のうちから一部を選択して駆動させる。

好ましくは、電圧変換器３１〜３３の各々は、素子温度を測定する素子温度センサ４１を含む。制御装置３０は、素子温度センサ４１の検出した電圧変換器３１〜３３の各素子温度Ｔ３１〜Ｔ３３に基づき駆動させる電圧変換器を決定する。制御装置３０は、素子温度の低い電圧変換器から優先して使用するように駆動させる電圧変換器を決定する。

図２は、図１の制御装置３０において実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。なお、このフローチャートの処理が一定時間毎または所定条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図２を参照して、まず処理が開始されると、ステップＳ１において制御装置３０は、インバータ２０で消費されるまたは発電される電力と燃料電池１８から出力される電力と、バッテリ２の充電状態とを考慮して多相電圧変換装置１０に相切換要求が発生するか否かを判断する。相切換要求は、３相駆動から１相駆動に駆動相を少なくする場合と、１相駆動から３相駆動に駆動相を増加させる場合とを含む。

たとえば、静止時から運転者がアクセルペダルを踏込み急加速が行なわれた場合にインバータ２０の電力消費が増大した場合には、燃料電池１８の出力が増加されるまでの間はバッテリ２から大きな電力がインバータ２０に供給されねばならない。このような場合には１相駆動から３相駆動に駆動相を増加させる。

逆に、急加速後に３相駆動が行なわれてその後燃料電池１８の出力が十分となり多相電圧変換装置１０を通過する電力が少なくなった場合には、トータルの燃費をよくするために３相駆動から１相駆動に駆動相を少なくする。

ステップＳ１において相切換要求が無しと判断された場合には、処理はステップＳ７に進み、逆に相切換要求が有りと判断された場合には、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ７では現状のコンバータ制御が維持されることが決定されて、処理はステップＳ８に進み制御がメインルーチンに戻される。

ステップＳ２においては、相切換要求が３相から１相に切換える要求であるか否かが判断される。相切換要求が３相から１相に切換える要求であった場合には処理はステップＳ３に進む。一方、そうでなかった場合には処理はステップＳ５に進む。

ステップＳ３では、素子温度センサ４１によって温度Ｔ３１〜Ｔ３３の測定が行なわれ、制御装置３０はこの温度を取込む。そして処理はステップＳ４に進み、制御装置３０は、電圧変換器３１〜３３の中から最も素子温度の低いものを１つ選択し、これを１相運転させて他の２相は停止させる。３相駆動時は、各相に同じデューティー比でオン時間指令を与えていても、素子のばらつきなどにより若干の電流ばらつきが発生してしまう。３相駆動時にもっとも発熱が低い相はもっとも電流が流れていない相であると考えることができるので、１相駆動時にその相を使用することで素子使用の平準化を図ることができる。そして処理はステップＳ８に進み制御がメインルーチンに戻される。

ステップＳ２からステップＳ５に処理が進んだ場合には１相から３相に駆動相を増加させるように切換え要求があった場合である。したがってステップＳ５において制御装置３０は１相駆動から３相駆動に切換え要求があったと判定し、ステップＳ６に進み現在休止中であった２相を駆動させて３相駆動に切換える。

このように温度の比較的上昇していない電圧変換器を選択して１相駆動させることにより、相切換制御を用いて３相コンバータを使用しても、特定相だけ劣化することを防止でき、全体として３相コンバータの寿命を延ばすことができる。

［実施の形態２］
図３は、実施の形態２で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。なお、このフローチャートの処理が一定時間毎または所定条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図３のフローチャートのステップＳ１１〜ステップＳ１６は、図２のステップＳ１〜ステップＳ６とそれぞれ同様な処理が行なわれるのでこれらの説明は繰返さない。

図３において、ステップＳ１１において相切換要求が無しと判断された場合には、処理はステップＳ１７に進む。

ステップＳ１７では、現在１相駆動中であるか否かが判断される。１相駆動中であった場合には処理はステップＳ１８に進み、１相駆動中でない場合つまり３相駆動中である場合には処理はステップＳ２１に進む。

ステップＳ１８では、素子温度センサ４１によって素子温度Ｔ３１〜Ｔ３３の測定が行なわれ、制御装置３０はこの温度を取込む。そして処理はステップＳ１９に進み、制御装置３０は、各素子温度Ｔ３１〜Ｔ３３がしきい値を超えたか否かを判断する。

ステップＳ１９において駆動相の素子温度がしきい値を超えた場合には、ステップＳ２０に処理が進み、現在駆動していない相に運転相を切換える。このとき、最も素子温度が低い相を１相駆動するように切換が行なわれる。発熱が大きい状態で使用し続けることは、内部素子の劣化に大きく影響するのでこれを避けるためである。しきい値は、素子の許容最高温度に対してマージンを確保した値に設定する。たとえば、素子の定格許容温度が１０５℃であれば９０℃程度に設定するのがよい。そして処理はステップＳ２２に進み、制御はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ１９において素子温度がしきい値を超えていない場合には処理はステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１では、現状のコンバータ制御が維持されることが決定されて、処理はステップＳ２２に進み制御がメインルーチンに戻される。

このような制御とすることで、実施の形態１の場合よりも各相の電圧変換器の駆動累積時間が平均化されて、さらに寿命を延ばすことができる。

［実施の形態３］
図１において、制御装置３０は、電圧変換器３１〜３３の使用履歴を不揮発的に記憶する不揮発メモリ５０を含む。制御装置３０は、この使用履歴に基づいて駆動させる電圧変換器を決定してもよい。この場合は、制御装置３０は、使用履歴を参照して前回駆動した電圧変換器とは異なる電圧変換器を選択して駆動させる。

図４は、実施の形態３で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。なお、このフローチャートの処理が一定時間毎または所定条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１、図４を参照して、まず処理が開始されると、ステップＳ３１において制御装置３０は、インバータ２０で消費または発電される電力と燃料電池１８から出力される電力と、バッテリ２の充電状態とを考慮して多相電圧変換装置１０に相切換要求が発生するか否かを判断する。相切換要求は、３相駆動から１相駆動に駆動相を少なくする場合と、１相駆動から３相駆動に駆動相を増加させる場合とを含む。

ステップＳ３１において相切換要求が無しと判断された場合には、処理はステップＳ３８に進み、逆に相切換要求が有りと判断された場合には、処理はステップＳ３２に進む。

ステップＳ３８では現状のコンバータ制御が維持されることが決定されて、処理はステップＳ３９に進み制御がメインルーチンに戻される。

ステップＳ３２においては、相切換要求が３相から１相に切換える要求であるか否かが判断される。相切換要求が３相から１相に切換える要求であった場合には処理はステップＳ３３に進む。一方、そうでなかった場合には処理はステップＳ３５に進む。

ステップＳ３３では、制御装置３０は不揮発メモリ５０から前回１相駆動時の最終駆動相の情報を読み出す。そしてステップＳ３４において所定のローテーション順において最終駆動相の次に位置する相を駆動相として１つ選択し、これを１相運転させて他の２相は停止させる。たとえば、このローテーション順は電圧変換器３１→３２→３３と切換えた後は再び電圧変換器３１を駆動させ同じ順番の切換が繰返されるように定められる。そして処理はステップＳ３９に進み制御がメインルーチンに戻される。

ステップＳ３２からステップＳ３５に処理が進んだ場合には１相から３相に駆動相を増加させるように切換え要求があった場合である。したがって制御装置３０は、１相駆動から３相駆動に切換え要求があったと判定し、ステップＳ３６に処理が進み、現在の駆動相を前回最終駆動相の情報として不揮発メモリ５０に書き込む。そして処理はステップＳ３７に進み、現在休止中であった２相を駆動させて３相駆動に切換える。

このように１相駆動する場合には所定のローテーション順に基づいて１相駆動させる相に偏りが生じないようにすることにより、３相コンバータを相切換制御を用いて使用しても、特定相だけ劣化することを防止でき、全体として３相コンバータの寿命を延ばすことができる。

［実施の形態４］
図５は、実施の形態４で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。なお、このフローチャートの処理が一定時間毎または所定条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図５のフローチャートのステップＳ４１〜ステップＳ４７は、図４のステップＳ３１〜ステップＳ３７とそれぞれ同様な処理が行なわれるのでこれらの説明は繰返さない。

図５において、ステップＳ４１において相切換要求が無しと判断された場合には、処理はステップＳ４８に進む。

ステップＳ４８では、現在１相駆動中であるか否かが判断される。１相駆動中であった場合には処理はステップＳ４９に進み、１相駆動中でない場合つまり３相駆動中である場合には処理はステップＳ５１に進む。

ステップＳ４９では、制御装置３０は、現在１相駆動している駆動相を所定時間１相駆動したか否かを判断する。

ステップＳ４９において所定時間１相駆動していた場合には、ステップＳ５０に処理が進み駆動していない相に運転相を切換えるのであるが、制御装置３０は偏りをなくすため所定のローテーション順に基づいて駆動相を変更する。たとえば、このローテーション順は電圧変換器３１→３２→３３の順に切換がなされた後は再び電圧変換器３１が起動され以後同じ順番が繰返されるように定められる。そして処理はステップＳ５２に進み、制御はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ４９においてしきい値を超えていない場合には処理はステップＳ５１に進む。

ステップＳ５１では、現状のコンバータ制御が維持されることが決定されて、処理はステップＳ５２に進み制御がメインルーチンに戻される。

このような制御とすることで、実施の形態３の場合よりもさらに寿命を延ばすことができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係る車両１００の構成を示した回路図である。 図１の制御装置３０において実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。 実施の形態２で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。 実施の形態３で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。 実施の形態４で実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。

符号の説明

２ バッテリ、６ 電圧センサ、８，１４ 平滑用コンデンサ、１０ 多相電圧変換装置、１２ 電圧センサ、１６ ダイオード、１８ 燃料電池、２０ インバータ、２２ モータ、３０ 制御装置、３１〜３３ 電圧変換器、４１ 素子温度センサ、５０ 不揮発メモリ、１００ 車両、Ａ１，Ａ２ アーム、ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ，ＤＤ ダイオード、ＧＡ，ＧＢ，ＧＣ，ＧＤ ＩＧＢＴ素子、Ｌ１ リアクトル、Ｎ１〜Ｎ５ ノード。

Claims (10)

1. 第１のノードと第２のノードとの間に並列的に接続される複数の電圧変換器と、
   前記複数の電圧変換器の状態を検知した結果に基づいて前記複数の電圧変換器のうちから前記一部を選択して駆動させる制御部とを備える、多相電圧変換装置。
2. 前記複数の電圧変換器の各々は、
   素子温度を測定する温度センサを含み、
   前記制御部は、前記複数の電圧変換器の各素子温度に基づき駆動させる電圧変換器を決定する、請求項１に記載の多相電圧変換装置。
3. 前記制御部は、温度の低い電圧変換器から優先して使用するように駆動させる電圧変換器を決定する、請求項２に記載の多相電圧変換装置。
4. 前記制御部は、
   前記複数の電圧変換器の使用履歴を不揮発的に記憶する記憶部を含み、
   前記制御部は、前記使用履歴に基づいて駆動させる電圧変換器を決定する、請求項１に記載の多相電圧変換装置。
5. 前記制御部は、前記使用履歴を参照して前回駆動した電圧変換器とは異なる電圧変換器を選択して駆動させる、請求項４に記載の多相電圧変換装置。
6. 前記複数の電圧変換器は、第１〜第３の電圧変換器であり、
   前記第１〜第３の電圧変換器を駆動させる３相駆動から１つの電圧変換器のみを駆動させる１相駆動に切換える指令を受けた場合に、前記制御部は駆動させる電圧変換器を選択する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の多相電圧変換装置。
7. 前記制御部は、駆動中の電圧変換器の駆動時間が所定時間を経過した場合には、非駆動中であった他の電圧変換器に駆動させる電圧変換器を切換える、請求項１に記載の多相電圧変換装置。
8. 前記制御部は、駆動中の電圧変換器の温度が所定温度を超えた場合には、非駆動中であった他の電圧変換器に駆動させる電圧変換器を切換える、請求項１に記載の多相電圧変換装置。
9. 前記複数の電圧変換器は、第１〜第３の電圧変換器であり、
   前記第１〜第３の電圧変換器のうちから１つの電圧変換器のみを駆動させる１相駆動を実行中において、前記制御部は駆動させる電圧変換器の切換を行なう、請求項７または８に記載の多相電圧変換装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の多相電圧変換装置と、
    前記第１のノードに接続される燃料電池と、
    前記第２のノードに接続される蓄電装置とを備える、車両。

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