JP2008104252A - コンバータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】第１電源と第２電源との間に配置されるコンバータの通過電力を適切に得ることである。
【解決手段】第１電源としての２次電池１０と、第２電源としての燃料電池１２との間に、３つのコンバータ回路を並列接続して構成されるコンバータ装置３０が設けられる。３つのコンバータ回路に対応する３つのリアクトルに２つの差動電流計５４，５６が配置される。制御部４０は、２つの差動電流計５４，５６の検出値に基づいてコンバータ装置３０を通過する電力を算出する通過電力算出モジュール４２と、コンバータ装置３０を構成する各コンバータ回路の間で通過電力の均等化を行う電力均等化モジュール４４と、通過電力に応じてコンバータ装置３０の駆動相数を変更する駆動相数変更モジュール４６と、コンバータ装置を制御して、所望の電圧変換を実行させる電圧変換制御モジュール４８とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明はコンバータ制御装置に係り、特に第１電源と第２電源との間に配置され、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを複数並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更するコンバータ制御装置に関する。
燃料電池を用いる電源システムにおいては、燃料電池の発電能力を超える負荷変動に対応したり、システム効率を向上させたり、負荷として回生可能なモータを利用した場合の回生電力回収のために、２次電池の出力を昇圧または降圧する電圧変換器を設けて燃料電池の出力端子に接続し電力を供給することが行われる。ここで電圧変換器は、直流電圧変換機能を有するコンバータで、ＤＣ／ＤＣコンバータと呼ばれることもあるが、例えばスイッチング素子とリアクトルで構成するものが用いられる。そして、スイッチング素子の定格容量を小さくすること等を考慮し、複数のコンバータを並列接続して用いることが行われる。
例えば、特許文献１には、燃料電池の充電能力を超える急な負荷量の変化に対応するため、燃料電池とバッテリと間に複数相で作動する電圧変換器を接続し、負荷量の変化を予測して電圧変換器の相数の変更、デューティの変更を行うことが開示されている。そして、一般に、複数相を備える電圧変換器では、入出力変換エネルギ量や作動仕事量に対応する通過電力の値によって変換器中で失われる損失電力が変動し、通過電力の多いときは相数の多い三相運転の方が単相運転より損失が少なく、通過電力の少ないときは単相運転の方が三相運転より損失が少ないことが述べられている。すなわち、三相ブリッジ形コンバータにおける損失は、リアクトルのコイルによって失われるリアクトル銅損、スイッチング素子の動作によって失われるモジュール損失、リアクトルＬの磁性体によって失われるリアクトル鉄損があり、前２者は、通過電力が増大するにつれ増大し、単相運転の方が三相運転よりも大きく、最後のリアクトル鉄損は通過電力にほとんど依存せず、三相運転の方が単相運転よりも大きいからである、と説明されている。そして、通過電力の少ない領域では単相運転とし、通過電力の大きい領域で三相運転とし、三相運転から単相運転に切り換える際に電圧変換に係る交流電流の実効値が変動することによりＰＩＤ制御においては一時的に電圧、電流、電力が変動するので、一時的にデューティを上昇させ、電力不足を補うことが述べられている。
また、特許文献２には、インバータとバッテリの間に複数のＤＣ／ＤＣコンバータを設ける場合の変換効率を最大化する方法が開示されている。ここでは、複数のＤＣ／ＤＣコンバータの中で、１つをマスターＤＣ／ＤＣコンバータとするマスタースレーブ型ＤＣ／ＤＣコンバータとして、マスターＤＣ／ＤＣコンバータの入力電力または出力電力をリファレンス電力として、マスターＤＣ／ＤＣコンバータを含めて作動させるＤＣ／ＤＣコンバータの個数を定め、次にバッテリの最大許容充電電圧及び最大許容充電電流を超えない範囲でこのマスタースレーブ型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を増減させてその変換効率を計算し、最大変換効率にほぼ一致するように出力電圧を調整することが述べられている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率は、１次側のスイッチング損失と２次側の整流ダイオードの順方向電圧降下による損失があり、高入力電力時は１次側の損失が増大し、低入力電力時には１次側の損失が減少して２次側の損失が支配的になると述べられている。
特許文献３には、主電源の電力の電圧を複数の並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータで変換して補助バッテリに供給する場合、特定のＤＣ／ＤＣコンバータに使用頻度が高くならないようにする方法が開示されている。ここでは、複数のＤＣ／ＤＣコンバータについての各起動順序を所定の規定順序に従って変化させるものとし、所定の規定順序としては、各ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧−電流特性を測定し、その内容に従って設定すること等が述べられている。
特開２００６−３３９３４号公報 特開２００３−２３５２５２号公報 特開２００３−１１１３８４号公報
このように、複数のコンバータを並列接続して用いる構成においては、その通過電力に応じて、駆動させるコンバータ相数を変更する制御が行われる。ここで、通過電力は、例えば、マップ等を用いて演算により求めることができる。一例を挙げると、２次電池の出力電圧と出力電流の測定値から２次電池のコンバータへ向けた出力電力を求め、そこから負荷損失を減じ、これにコンバータの変換効率を乗じる演算によって、コンバータの通過電力を求めることが行われる。しかし、これらの演算には、演算遅れや演算誤差があるため、コンバータの通過電力を適切に得ることができず、負荷の変動にコンバータの駆動相数の変更を適切に追従させるには不十分である。また、複数相駆動の場合、各相の通過電力がばらつくことは好ましくない。
本発明の目的は、コンバータの通過電力を適切に得ることができるコンバータ制御装置を提供することである。他の目的は、複数相で駆動されるコンバータについて、各相の通過電力を均等化することができるコンバータ装置を提供することである。
本発明に係るコンバータ制御装置は、第１電源と第２電源との間に配置され、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを複数相並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更するコンバータ制御装置であって、リアクトルを流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電流に基づいて、駆動されているコンバータを通過する電力を求める手段と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るコンバータ制御装置は、第１電源と第２電源との間に配置され、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを３相並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更するコンバータ制御装置であって、３相に対応する３つのリアクトルの中の１つの共通リアクトルと、残りの２つのリアクトルの一方である一方リアクトルとの間に設けられ、共通リアクトルに流れる電流と一方リアクトルを流れる電流との差を検出する第１差動電流計と、共通リアクトルと残りの２つのリアクトルの他方である他方リアクトルとの間に設けられ、共通リアクトルに流れる電流と他方リアクトルを流れる電流との差を検出する第２差動電流計と、第１差動電流計の検出値と、第２差動電流計の検出値とに基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求める手段と、を備えることを特徴とする。
また、本発明に係るコンバータ制御装置において、駆動させるコンバータ相数が単相の場合は、第１差動電流計または第２差動電流計のうち、その相に対応するリアクトルに設けられる差動電流計の検出値に基づいて駆動されているリアクトルを通過する電力を求めることが好ましい。
また、本発明に係るコンバータ制御装置において、駆動させるコンバータ相数が２相の場合は、共通リアクトルに相当する相を停止し、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求めることが好ましい。
また、本発明に係るコンバータ制御装置において、複数相駆動の際の平均通過電力を求め、各相の電力を均等化する電力均等化手段を備えることが好ましい。
また、電力均等化手段は、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、複数の相に流れる通過電流の和を求めて１つの相当りの平均通過電流を算出する平均通過電流算出手段と、平均通過電流と各相を流れる通過電流との差から、各相の電力を均等化する各相駆動デューティを求める駆動デューティ算出手段と、を有することが好ましい。
また、電力均等化手段は、駆動デューティを算出する周期ごとに各相の電力を均等化する処理を実行することが好ましい。
上記構成の少なくとも１つにより、コンバータ制御装置は、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを３相並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更する際に、リアクトルを流れる電流を検出し、その検出された電流に基づいて駆動されているコンバータを通過する電力を求める。リアクトルを流れる電流検出はリアルタイムで行うことが可能で、これに電圧を乗じることで、コンバータを通過する電力をリアルタイムで得ることができる。したがって、マップ等を用いる演算に比べ、演算遅れや演算誤差等が少なく、コンバータの通過電力を適切に得ることができる。
また、３相コンバータのそれぞれに対応する３つのリアクトルの間に、２つの差動電流計を設け、この２つの差動電流計の検出値に基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求めるので、３つのリアクトルにそれぞれ電流検出計を設けるのに比べ、簡単な構成とすることができる。
また、駆動させるコンバータ相数が単相の場合は、第１差動電流計または第２差動電流計のうち、その相に対応するリアクトルに設けられる差動電流計の検出値に基づいて駆動されているリアクトルを通過する電力を求める。また、駆動させるコンバータ相数が２相の場合は、共通リアクトルに相当する相を停止し、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求める。このように、コンバータの相数の変更があっても、２つの差動電流計の検出値に基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求めることができる。
また、複数相駆動の際の平均通過電力を求め、各相の電力を均等化するので、複数設けられる各コンバータについて、それぞれの負荷を均等化できる。
また、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、複数の相に流れる通過電流の和を求めて１つの相当りの平均通過電流を算出し、平均通過電流と各相を流れる通過電流との差から、各相の電力を均等化する各相駆動デューティを求めるので、各相に対応するコンバータについて、それぞれの負荷を均等化できる。
また、駆動デューティを算出する周期ごとに各相の電力を均等化する処理を実行するので、複数設けられる各コンバータについて、時間的にきめ細かく負荷を均等化できる。
以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、コンバータ制御装置が適用される電源システムとして、車両の駆動用モータ・ジェネレータに接続される車両搭載用電源システムを説明するが、車両用以外の電源システムに適用されるコンバータ制御装置であってもよい。たとえば、建物内に固定の電源システム等であってもよい。また、コンバータ制御装置が適用される電源システムとして、第１電源がニッケル水素型２次電池、第２電源が固体高分子膜型燃料電池の場合について説明するが、これら以外の種類の電源であってもよい。例えば、２次電池として、リチウムイオン型のものとすることができ、燃料電池として、固体電解質型以外のものとすることもできる。また、以下では、コンバータ装置として、コンバータ回路を３つ並列に接続する構成を説明するが、コンバータ装置を構成するコンバータ回路の数は３以外の複数であってもよい。
図１は、コンバータ制御装置２０を含む車両用電源システムの構成を示す図である。ここでは、車両用モータ・ジェネレータ１６に接続される電源システムとして、第１電源としての２次電池１０と、第２電源としての燃料電池１２と、その間に設けられるコンバータ装置３０とが示されている。コンバータ装置３０は、制御部４０によってその作動が制御される。したがって、コンバータ装置３０と制御部４０とを含んで、コンバータ制御装置２０が構成される。
なお、この電源システムは、インバータ１４を介して、モータ・ジェネレータ１６に接続される。インバータ１４は、上記電源システムの直流電力を３相交流電力に変換して、モータ・ジェネレータ１６に供給して車両の駆動源として機能させ、また、車両が制動時には、モータ・ジェネレータ１６によって回収される回生エネルギを直流電力に変換し、上記電源システムに充電電力として供給する機能を有する。
２次電池１０は、ニッケル水素単電池やリチウムイオン単電池のような単電池を複数組み合わせて構成され、所望の高電圧を有し、充放電可能な高電圧電源パックである。例えば、２００Ｖから４００Ｖ程度の高電圧を正極母線と負極母線の間に供給することができる。
燃料電池１２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、所望の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池で、燃料電池スタックと呼ばれる。ここで、各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。燃料電池１２は、例えば、２００Ｖから４００Ｖ程度の高電圧を正極母線と負極母線の間に供給することができる。
コンバータ装置３０は、複数のコンバータ回路を含む装置である。コンバータ回路は、第１電源である２次電池１０と、第２電源である燃料電池１２との間で電圧変換を行う機能を有する直流電圧変換回路である。コンバータ回路を複数用いるのは、コンバータ回路を構成する電子素子の定格容量を大きくすることなく、大きな負荷に対応するためである。図１の例では、３つのコンバータ回路を並列接続して１つのコンバータ装置３０が構成されている。例えば、３つのコンバータ回路を相互に１２０°ずつ位相をずらし、いわゆる３相駆動を行うことで、個々のコンバータ回路の負荷を軽くすることができる。
コンバータ装置３０は、例えば、モータ・ジェネレータ１６等の負荷変動に燃料電池１２の発電能力が対応しきれないとき等に、２次電池１０の電力を電圧変換して、燃料電池１２側に供給し、電源システム全体として、モータ・ジェネレータ１６等の負荷に対応する機能を有する。
コンバータ装置３０を構成するコンバータ回路は、第１電源側に設けられる複数のスイッチング素子及び複数の整流器を含む１次側スイッチング回路と、同様に第２電源側に設けられる複数のスイッチング素子及び複数の整流器を含む２次側スイッチング回路と、１次側スイッチング回路と２次側スイッチング回路との間に設けられるリアクトルとで構成される。
１次側スイッチング回路は、高電圧ラインの正極母線と負極母線との間に配置され、直列に接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された２つの整流器で構成することができる。正極母線側に接続されるスイッチング素子等を上側アーム、負極母線側に接続されるスイッチング素子を下側アームと呼ぶことがある。２次側スイッチング回路も同様の構成とすることができる。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の高電圧大電力用スイッチング素子を用いることができ、整流器としては大電力用ダイオードを用いることができる。
リアクトルは、磁気エネルギを蓄えあるいは放出することができる機能を有する素子で、空心コイルまたは鉄心を有するコイルが用いられる。リアクトルは、１次側スイッチング回路の２つのスイッチング素子の接続点と、２次側スイッチング回路の２つのスイッチング素子の接続点とを接続するように配置される。
コンバータ回路は、１次側スイッチング回路を構成する上側アームと下側アーム、及び２次側スイッチング回路を構成する上側アームと下側アームのそれぞれについて、適当なタイミングでオン・オフ制御することで、第１電源側の電力を交流エネルギに変えてリアクトルに一時的に磁気エネルギとして蓄え、その蓄えた磁気エネルギを再び交流エネルギに変換して第２電源側に電力として供給することができる。このスイッチングのオン・オフ比、すなわちデューティを変更することによって、第１電源側の電圧を昇圧して第２電源側に供給することもでき、あるいは第１電源側の電圧を降圧して第２電源側に供給することもできる。同様に、第２電源側の電力を第１電源側に電圧変換して供給することもできる。
リアクトルに設けられる２つの差動電流計５４，５６は、リアクトルを流れる電流を検出する機能を有する。リアクトルを流れる電流を検出するには、各リアクトルにそれぞれ電流プローブ等の電流検出素子を設ければよい。しかし、コンバータ装置３０を構成する３つのコンバータ回路は、一定の位相関係を有する３相駆動によって制御されているので、３相のうち２相の状態が分かれば、残りの１相の状態が分かる。そこで、ここでは、３相に対応する３つのリアクトルの中の１つの共通リアクトルと、残りの２つのリアクトルの一方である一方リアクトルとの間に第１差動電流計５４を設け、共通リアクトルと残りの２つのリアクトルの他方である他方リアクトルとの間に第２差動電流計５６を設け、この２つの差動電流計によって、コンバータ装置３０を通過する電流を検出する構成をとっている。差動電流計としては、電流によって生じる磁界を検出するコイルを有する磁界検出型電流プローブ等を用いることができる。
制御部４０は、コンバータ装置３０と共にコンバータ制御装置２０を構成し、具体的には、負荷に応じて、コンバータ装置３０の電圧変換動作を制御する機能を有する。制御部４０は、車両搭載用のコンピュータで構成することができる。制御部４０は、独立のコンピュータで構成してもよいが、他の車載用コンピュータに、制御部４０の機能を持たせることもできる。例えば、ハイブリッドＣＰＵ等が車両に設けられているときは、ハイブリッドＣＰＵに、制御部４０の機能を持たせることができる。
制御部４０は、コンバータ装置３０を通過する電力を算出する通過電力算出モジュール４２と、コンバータ装置３０を構成する各コンバータ回路の間で通過電力の均等化を行う電力均等化モジュール４４と、通過電力に応じてコンバータ装置３０の駆動相数を変更する駆動相数変更モジュール４６と、コンバータ装置３０を制御して、所望の電圧変換を実行させる電圧変換制御モジュール４８とを含む。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応するコンバータ制御プログラムを実行することで実現できる。また、これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。
制御部４０における電圧変換制御モジュール４８は、コンバータ装置３０を構成する各スイッチング素子のオン・オフのタイミングと、オン・オフのディーティ比等を制御して、２次電池１０と燃料電池１２との間において所望の電圧変換を実行する機能を有する。例えば、デューティを大きくすることで２次電池１０の電圧を昇圧して燃料電池１２側に供給し、デューティを小さくすることで２次電池１０の電圧を降圧して燃料電池１２側に供給するものとすることができる。
駆動相数変更モジュール４６は、コンバータ装置３０を通過する電力に応じて、コンバータ装置３０を構成する３つのコンバータ回路について駆動する数を変更する機能を有する。図２は、コンバータ装置３０を通過する電力と、コンバータ装置３０の損失の関係を、コンバータ装置３０の駆動相数をパラメータとして、模式的に説明する図である。図２において、横軸はコンバータ通過電力であり、縦軸はコンバータ装置３０の損失である。コンバータ通過電力の符号は、２次電池側から燃料電池側に電流が流れるときを＋とし、燃料電池側から２次電池側に電流が流れるときを−としてある。ここで、コンバータ装置３０において、１つのコンバータ回路のみを駆動する単相駆動の場合の損失特性曲線５１、２つのコンバータ回路を駆動する２相駆動の場合の損失特性曲線５２、３つのコンバータ回路を駆動する３相駆動の場合の損失特性曲線５３が示されている。
上記の特許文献１においても述べられているように、スイッチング素子とリアクトルとを用いるコンバータ装置の損失は、リアクトルのコイルによって失われるリアクトル銅損、スイッチング素子の動作によって失われるモジュール損失、リアクトルＬの磁性体によって失われるリアクトル鉄損がある。そして、前２者は、通過電力が増大するにつれ増大し、単相運転の方が三相運転よりも大きく、最後のリアクトル鉄損は通過電力にほとんど依存せず、三相運転の方が単相運転よりも大きい。図２には、その様子が示されている。すなわち、通過電力が小さくてＡの範囲にあるときは、単相駆動の損失特性曲線５１が最も損失が少ない。次に通過電流が増加し、Ｂの範囲にあるときは、２相駆動の損失特性曲線５２が最も損失が少ない。さらに通過電力が増加し、Ｃの範囲にあるときは、３相駆動の損失特性曲線５３が最も損失が少ない。
図２の結果に基づき、制御部４０の駆動相数変更モジュール４６は、コンバータ装置３０の通過電力に応じ、通過電力がＡの範囲にあるときは単相駆動を指示し、通過電力がＢの範囲にあるときは２相駆動を指示し、通過電力がＣの範囲にあるときは３相駆動を指示する。
ここで、単相駆動のときの損失特性曲線５１と、２相駆動のときの損失特性曲線５２との交点が、Ａの範囲とＢの範囲との分岐点であり、２相駆動のときの損失特性曲線５２と３相駆動のときの損失特性曲線５３との交点がＢの範囲とＣの範囲との分岐点である。各損失特性曲線は予め求めておくことができるので、Ａの範囲とＢの範囲の分岐点となる単相駆動−２相駆動変更の通過電力の値、Ｂの範囲とＣの範囲の分岐点となる２相駆動−３相駆動変更の通過電力の値は、それぞれ予め設定することができる。前者の絶対値を単相−２相変更閾値Ｐ12とし、後者の絶対値を２相−３相変更閾値Ｐ23とすれば、コンバータ装置３０の通過電力の絶対値Ｐを求めて、Ｐ≦Ｐ12のときは単相駆動、Ｐ12＜Ｐ＜Ｐ23のときは２相駆動、Ｐ≧Ｐ23のときは３相駆動を指示するものとできる。
再び図１に戻り、制御部４０の通過電力算出モジュール４２は、リアクトルに設けられた２つの差動電流計５４，５６の検出値に基づいてコンバータ装置３０を通過する電力をリアルタイム的に算出する機能を有する。
図３は、２つの差動電流計５４，５６を用いて通過電流を求める様子を、コンバータ装置３０の駆動相数ごとに示す図である。なお、説明には図１で説明した符号を用いる。図３（ａ）は３相駆動、すなわち３つのコンバータ回路のそれぞれに対応する３つのリアクトルにそれぞれ電流が流れる場合である。図３（ａ）に示すように、３相に対応する３つのリアクトルに流れる電流をそれぞれＩA，ＩB，ＩCとし、ＩBが流れるリアクトルを共通リアクトルとする。２つの差動電流計５４，５６は、リアクトルを流れる電流を検出する手段である。第１の差動電流計５４は、共通リアクトルと、残りの２つのリアクトルの中の一方で、電流ＩAが流れる一方リアクトルとの間に設けられる。したがって、第１差動電流計５４は、差動電流Ｘ＝ＩA−ＩBを検出することができる。第２の差動電流計５６は、共通リアクトルと残りの２つのリアクトルの中の他方で、電流ＩCが流れる他方リアクトルに設けられる。したがって、第２差動電流計５６は、差動電流Ｙ＝ＩC−ＩBを検出することができる。これらの検出値に基づいて、各リアクトルに流れる電流ＩA，ＩB，Ｉcをそれぞれ求めることができる。
図３（ｂ）は、２相駆動、すなわち３つのコンバータ回路の中の２つにそれぞれに対応する２つのリアクトルにそれぞれ電流が流れる場合である。この場合は、駆動されないコンバータ回路に対応するリアクトルを共通リアクトルとして、２つの差動電流計５４，５６を配置する。すなわち、図３（ｂ）に示すように、第１差動電流計５４が、電流が流れない共通リアクトルと、電流ＩAが流れるリアクトルとの間に設けられ、第２差動電流計５６が、電流が流れない共通リアクトルと、電流ＩCが流れるリアクトルとの間に設けられる。したがって、第１差動電流計５４は、差動電流Ｘ＝ＩAを検出することができ、第２差動電流計５６は、差動電流Ｙ＝ＩCを検出することができる。
換言すれば、３相駆動から２相駆動に変更するときは、２つの差動電流計５４，５６が共通に配置される共通リアクトルに対応するコンバータ回路の駆動を停止すればよい。こうすることで、２つの差動電流計５４，５６の配置を一々変更しなくてもコンバータ装置３０の駆動相数の変更を行い、そのまま、駆動されるリアクトルを流れる電流を検出することができる。
図３（ｃ）は、単相駆動、すなわち３つのコンバータ回路の中の１つに対応する１つのリアクトルのみに電流が流れる場合である。この場合は、駆動されるコンバータ回路に対応するリアクトルに配置される差動電流計を用いて、そのリアクトルを流れる電流を検出することができる。図３（ｃ）では、電流ＩAが流れるリアクトルが駆動されているものとして、第１差動電流計５４を用いて、差動電流Ｘ＝ＩAを検出する場合が示されている。この他の場合、例えば、図３（ａ）で説明した電流ＩCが流れるリアクトルに対応するコンバータ回路が駆動されるときは、第２差動電流計５６を用いて、差動電流Ｙ＝ＩCを検出することができる。共通リアクトルに対応するコンバータ回路が駆動されるときは、第１差動電流計５４あるいは第２差動電流計５６を用いて、差動電流Ｘ＝−ＩBまたは差動電流Ｙ＝−ＩBを検出することができる。
このようにして、２つの差動電流計５４，５６の検出値に基づいて、駆動されているコンバータ回路に対応するリアクトルを流れる電流がそれぞれリアルタイム的に検出できる。したがって、これらの検出された各電流値と、コンバータ装置３０にかかる電圧、すなわち２次電池１０あるいは燃料電池１２の電圧とから、コンバータ装置３０を通過する電力をリアルタイム的に算出することができる。なお、コンバータ装置３０を構成するコンバータ回路の数を３以外の複数とするときでも、適当な数の電流検出手段で各リアクトルを流れる電流を検出することで、コンバータ装置の通過電力をリアルタイム的に求めることができる。また、上記のように、差動電流計を用いることで、リアクトルの数よりも少ない電流検出手段で、コンバータ装置の通過電力を求めることができる。
再び図１に戻り、制御部４０の電力均等化モジュール４４は、コンバータ装置３０を構成する各コンバータ回路にそれぞれ流れる電流を均等化する機能、すなわち、各コンバータ回路の間で、それぞれの通過電力を均等にする機能を有する。具体的には、３相駆動の際の平均通過電力を求める機能と、各相の電力がこの平均通過電力の１／３の値になるように、各相におけるスイッチングのデューティの変更を実行する機能を有する。これらの機能は、電圧変換の際に実行される駆動デューティを算出する周期ごとに行うことが好ましい。こうすることで、時間的にきめ細かく、各コンバータ回路を通過する電力を均等化することができる。
図４は、第１差動電流計５４の検出値Ｘ及び第２差動電流計５６の検出値Ｙに基づいて、３つの相に流れる通過電流の和を求めて１つの相当りの平均通過電流を算出する様子を示す図である。図３（ａ）で説明したように、３つのリアクトルに流れる電流をそれぞれＩA，ＩB，ＩCとすれば、第１差動電流計５４の検出値Ｘ＝ＩA−ＩBであり、第２差動電流計５６の検出値Ｙ＝ＩC−ＩBである。したがって、３つの相に流れる通過電流の総和は、ＩA＋ＩB＋ＩC＝３ＩB＋Ｘ＋Ｙとなる。ここで、ＩBは既に説明したように、共通リアクトルを流れる電流である。このことから、３相駆動の際の１つの相当りの平均通過電流は、Ｉave＝ＩB＋（Ｘ＋Ｙ）／３となり、これに２次電池または燃料電池の出力電圧Ｖを乗ずることで、１つの相当りの平均通過電力を求めることができる。
図５は、１つの相当りの平均通過電流値と、各相を流れる電流値との間の偏差を求める様子を示す図である。例えば、共通リアクトルを流れる電流値ＩBの平均通過電流値Ｉaveからの偏差ΔＩBは、ΔＩB＝Ｉave−ＩB＝ＩB＋｛（Ｘ＋Ｙ）／３｝−ＩB＝（Ｘ＋Ｙ）／３となるので、第１差動電流計５４の検出値Ｘと、第２差動電流計５６の検出値Ｙとから求めることができる。他のリアクトルを流れる電流値の平均通過電流値からの偏差も、図５に示されるように、第１差動電流計５４の検出値Ｘと、第２差動電流計５６の検出値Ｙとから求めることができる。
図６は、図５で求められた各相通過電流値の平均通過電流値からの偏差をゼロに近づけるために、各相の駆動デューティを変更する様子を示す図である。例えば、共通リアクトルを流れる電流値ＩBの平均通過電流値Ｉaveからの偏差（Ｘ＋Ｙ）／３をゼロに近づけるには、公称の通過電流に対するこの偏差の割合に所定の係数を乗じて、今までのデューティを補正する。図６では、現在の１つ前の駆動デューティをＤｕｔｙ−Ｂ（ｏｌｄ）とし、公称の通過電力をＰ、２次電池または燃料電池の電圧をＶとすると、１つの相当りの公称通過電流はＰ／３Ｖとできるので、この公称通過電流に対する偏差（Ｘ＋Ｙ）／３の割合に係数ＫBを乗じたものを、Ｄｕｔｙ−Ｂ（ｏｌｄ）に対し補正して、次の駆動デューティＤｕｔｙ−Ｂとしている。すなわち、Ｄｕｔｙ−Ｂ＝Ｄｕｔｙ−Ｂ（ｏｌｄ）＋ＫB［｛（Ｘ＋Ｙ）／３｝／｛Ｐ／３Ｖ｝］とすることで、共通リアクトルを流れる電流値ＩBの平均通過電流値Ｉaveからの偏差（Ｘ＋Ｙ）／３をゼロに近づけることができる。同様にして、他の相の通過電流値についても、平均通過電流Ｉaveにできるだけ近づけるためのデューティ変更値を求めることができる。
このように、差動電流計を用いて、リアクトルを流れる電流を検出し、その検出値に基づいて、コンバータ装置を通過する通過電力をリアルタイム的に算出でき、また、各相に流れる電流に相互的に差異があっても、１つの相当りの平均通過電流あるいは平均通過電力を算出でき、また、通過電流あるいは通過電力を各相間で均等化するための各相の駆動デューティの補正量を求めることができる。これによって、負荷変動等に応じてコンバータ装置の駆動相数を的確に変更でき、また、各相の作動状態を均等化することができる。
本発明に係る実施の形態のコンバータ制御装置を含む車両用電源システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、コンバータ装置を通過する電力と、コンバータ装置の損失の関係を、コンバータ装置の駆動相数をパラメータとして、模式的に説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、２つの差動電流計を用いて通過電流を求める様子を、コンバータ装置の駆動相数ごとに示す図である。 本発明に係る実施の形態において、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、３つの相に流れる通過電流の和を求めて１つの相当りの平均通過電流を算出する様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、１つの相当りの平均通過電流値と、各相を流れる電流値との間の偏差を求める様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、各相通過電流値の平均通過電流値からの偏差をゼロに近づけるために、各相の駆動デューティを変更する様子を示す図である。
符号の説明
１０ ２次電池、１２ 燃料電池、１４ インバータ、１６ モータ・ジェネレータ、２０ コンバータ制御装置、３０ コンバータ装置、４０ 制御部、４２ 通過電力算出モジュール、４４ 電力均等化モジュール、４６ 駆動相数変更モジュール、４８ 電圧変換制御モジュール、５１，５２，５３ 損失特性曲線、５４，５６ 差動電流計。

Claims (7)

  1. 第１電源と第２電源との間に配置され、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを複数相並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更するコンバータ制御装置であって、
    リアクトルを流れる電流を検出する電流検出手段と、
    検出された電流に基づいて、駆動されているコンバータを通過する電力を求める手段と、
    を備えることを特徴とするコンバータ制御装置。
  2. 第１電源と第２電源との間に配置され、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み双方向に電圧変換を行うコンバータを３相並列に接続し、コンバータ通過電力に応じて駆動させるコンバータ相数を変更するコンバータ制御装置であって、
    ３相に対応する３つのリアクトルの中の１つの共通リアクトルと、残りの２つのリアクトルの一方である一方リアクトルとの間に設けられ、共通リアクトルに流れる電流と一方リアクトルを流れる電流との差を検出する第１差動電流計と、
    共通リアクトルと残りの２つのリアクトルの他方である他方リアクトルとの間に設けられ、共通リアクトルに流れる電流と他方リアクトルを流れる電流との差を検出する第２差動電流計と、
    第１差動電流計の検出値と、第２差動電流計の検出値とに基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求める手段と、
    を備えることを特徴とするコンバータ制御装置。
  3. 請求項２に記載のコンバータ制御装置において、
    駆動させるコンバータ相数が単相の場合は、第１差動電流計または第２差動電流計のうち、その相に対応するリアクトルに設けられる差動電流計の検出値に基づいて駆動されているリアクトルを通過する電力を求めることを特徴とするコンバータ制御装置。
  4. 請求項２に記載のコンバータ制御装置において、
    駆動させるコンバータ相数が２相の場合は、共通リアクトルに相当する相を停止し、第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、駆動されているリアクトルを通過する電力を求めることを特徴とするコンバータ制御装置。
  5. 請求項１または請求項２に記載のコンバータ制御装置において、
    複数駆動の際の平均通過電力を求め、各相の電力を均等化する電力均等化手段を備えることを特徴とするコンバータ制御装置。
  6. 請求項５に記載のコンバータ制御装置において、
    電力均等化手段は、
    第１差動電流計の検出値及び第２差動電流計の検出値に基づいて、複数の相に流れる通過電流の和を求めて１つの相当りの平均通過電流を算出する平均通過電流算出手段と、
    平均通過電流と各相を流れる通過電流との差から、各相の電力を均等化する各相駆動デューティを求める駆動デューティ算出手段と、
    を有することを特徴とするコンバータ制御装置。
  7. 請求項６に記載のコンバータ制御装置において、
    電力均等化手段は、駆動デューティを算出する周期ごとに各相の電力を均等化する処理を実行することを特徴とするコンバータ制御装置。
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