JP2009232631A - Dc/dcコンバータ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれも行わずに燃料電池22及びモータ26とバッテリ24とを直結させる直結制御では、コンバータ制御部54から各上アーム素子81u、81v、81wに対してデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを順番に出力するローテーションスイッチングを行う。これにより、すべての上アーム素子81u、81v、81wに対して駆動信号UH、VH、WHを連続的に出力する場合に比べ、特定の上アーム素子81に発熱が集中することを回避することができる。
【選択図】図8
Description
以下、この発明に係るDC/DCコンバータ装置の一実施形態を搭載した燃料電池車両について図面を参照して説明する。
(1)全体構成
図1は、この実施形態に係るDC/DCコンバータ装置23を搭載した燃料電池車両20の回路図である。燃料電池車両20は、基本的には、燃料電池22とエネルギストレージである蓄電装置(バッテリという。)24とから構成されるハイブリッド型の電力装置と、このハイブリッド型の電力装置から電流(電力)がインバータ34を通じて供給される走行用のモータ26と、バッテリ24が接続される1次側1Sと、燃料電池22とモータ26(インバータ34)とが接続される2次側2Sとの間で電圧変換を行うDC/DCコンバータ装置{以下、「VCU」(Voltage Control Unit)という。}23とから構成される。モータ26の回転は、減速機12、シャフト14を通じて車輪16に伝達される。
燃料電池22は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池22には、水素タンク28とエアコンプレッサ30が配管により接続されている。水素タンク28内の加圧水素は、燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ30により空気が燃料電池22のカソードに供給される。燃料電池22内で反応ガスである水素(燃料ガス)と空気(酸化剤ガス)の電気化学反応により発電電流Ifが生成される。発電電流Ifは、電流センサ32及びダイオード(ディスコネクトダイオードともいう。)33を介して、インバータ34及び(又は)VCU23のDC/DCコンバータ36に供給される。
1次側1Sに接続されるバッテリ24は、例えばリチウムイオン2次電池やニッケル水素2次電池又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。
インバータ34は、直流/交流変換を行い、モータ電流Imをモータ26に供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後のモータ電流Imを2次側2SからDC/DCコンバータ36を通じて1次側1Sに供給する。
VCU23は、DC/DCコンバータ36と、これを駆動制御するコンバータ制御部54とから構成される。
1次側1S及び2次側2Sには、それぞれ平滑用のコンデンサ38、39が設けられている。2次側2Sのコンデンサ39には、並列に抵抗器40が接続されている。
燃料電池22、水素タンク28及びエアコンプレッサ30を含むシステムはFC制御部50により制御される。インバータ34とモータ26を含むシステムはインバータ駆動部(図示せず)を含むモータ制御部52により制御される。上述の通り、DC/DCコンバータ36を含むシステムはコンバータ制御部54により制御される。
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ifを検出する電流センサ32の他、1次電圧V1(基本的にバッテリ電圧Vbatに等しい。)を検出する電圧センサ61、1次電流I1を検出する電流センサ62、2次電圧V2(ディスコネクトダイオード33が導通しているとき、略燃料電池22の発電電圧Vfに等しい。)を検出する電圧センサ63、2次電流I2を検出する電流センサ64、通信線70に接続されるイグニッションスイッチ65、アクセルセンサ66、ブレーキセンサ67、車速センサ68、及びコンバータ制御部54に接続される温度センサ69、並びに補機44の操作部55等がある。
(1)VCU23における基本的な電圧制御
図3には、コンバータ制御部54により駆動制御されるDC/DCコンバータ36の基本動作のフローチャートが示されている。
次に、VCU23による燃料電池22の出力制御について説明する。
(a)概要
本実施形態におけるDC/DCコンバータ36のスイッチング制御としては、(i)各スイッチング周期Tsw[μs]の一部において上アーム素子81u、81v、81wのいずれかをオンさせる降圧チョッパ制御と、(ii)各スイッチング周期Tswの一部において下アーム素子82u、82v、82wのいずれかをオンさせる昇圧チョッパ制御と、(iii)降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれも行わずにDC/DCコンバータ36に電流を流す直結制御と、(iv)DC/DCコンバータ36に電流を流さない停止制御とがある。
図5及び図6に示すように、上述した降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御は、各スイッチング周期Tswにおいて組み合わせて用いられる。すなわち、各スイッチング周期Tswでは、上アーム素子81u〜81wの駆動時間(以下、「上アーム素子駆動時間T1」とも称する。)と、下アーム素子82u〜82wの駆動時間(以下、「下アーム素子駆動時間T2」とも称する。)の両方が現れ、上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを交互に駆動する。このように、スイッチング周期Tsw毎に上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを交互に駆動する処理を同期スイッチング処理と称する。
図5には、降圧チョッパ制御により、上アーム素子81u〜81wが通流し、下アーム素子82u〜82wが通流しない状態が示されている。図5において、駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの波形中、ハッチングを付けた期間は、駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLが供給されているアーム素子(例えば、駆動信号UHに対応するアーム素子は上アーム素子81u)が通流している期間(実際に電流が流れている期間)を示している。
図6には、昇圧チョッパ制御により、下アーム素子82u〜82wが通流し、上アーム素子81u〜81wが通流しない状態が示されている。ハッチングを付けた期間の意味は、図5と同様であり、通流している期間を示している。
上述の通り、本実施形態では、降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御のいずれも行わずに(電圧変換を行わずに)DC/DCコンバータ36に電流を流す直結制御を利用する場合がある。直結制御によれば、例えば、上アーム素子駆動時間T1が、各スイッチング周期Tswの全てを占め、下アーム素子駆動時間T2及び2つのデッドタイムdtはゼロとなる。換言すると、上アーム素子81u〜81wに対する駆動信号UH、VH、WHのデューティ比は、例えば100%となる。
以上のように、本実施形態では、第2直結制御において、各上アーム素子81に対してデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを断続的に出力する。これにより、第2直結制御を行っている際、デューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHが入力されない上アーム素子81には電流が流れない。従って、すべての上アーム素子81にデューティ比100%の駆動信号を連続的に入力する場合と比較して、当該駆動信号が入力されない上アーム素子81での発熱を抑制可能である。上アーム素子81のオン抵抗(電流が流れているときの抵抗)は、各上アーム素子81により異なることが通常である。このため、すべての上アーム素子81にデューティ比100%の駆動信号を連続的に入力する場合、オン抵抗が低い上アーム素子81により大きな電流が流れ、当該上アーム素子81に発熱が集中してしまう。本実施形態によれば、例えば、オン抵抗の低い上アーム素子81や相対的に温度が高くなっている上アーム素子81に対し、駆動信号UH、VH、WHの入力を断続的に行うことで、当該上アーム素子81に発熱が集中することを回避することができる。さらに、第1直結制御のように、駆動信号UH、VH、WHの入力にかかわらず、上アーム素子81に電流が流れない場合であっても、コンバータ制御部54から駆動信号UH、VH、WHを断続的に出力可能となることにより、コンバータ制御部54による直結制御の自由度を向上することができる。
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の(1)〜(5)の構成を採用することができる。
上記実施形態では、VCU23を燃料電池車両20に搭載したが、これに限られない。例えば、バッテリ駆動車両(電気自動車)に搭載することもできる。もちろん、エンジンとバッテリとモータを搭載した、いわゆるパラレル方式又はシリーズパラレル方式のハイブリッド自動車にも搭載することもできる。
上記実施形態では、3相の相アームUA、VA、WAを用いたが、単相、2相又は4相以上であってもよい。
上記実施形態では、各スイッチング周期Tswに、上アーム素子81u〜81wのスイッチング(降圧チョッパ制御)と下アーム素子82u〜82wのスイッチング(昇圧チョッパ制御)の両方を含ませる同期スイッチングを用いたが、これに限られず、降圧チョッパ制御又は昇圧チョッパ制御の一方のみに本発明を適用することもできる。
(a)スイッチングする上アーム素子81u〜81wの数
上記実施形態において、コンバータ制御部54は、すべての上アーム素子81u〜81wに対してデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを断続的に出力したが、図11及び図12に示すように、当該駆動信号を断続的に出力する上アーム素子81は、1つ又は2つのみでもよい。図11では、V相及びW相の上アーム素子81v、81wに対してデューティ比100%の駆動信号VH、WHが断続的に(交互に)出力される一方、U相の上アーム素子81uには、直結処理が行われている間ずっとデューティ比100%の駆動信号UHが連続的に出力される。図12では、W相の上アーム素子81wに対してデューティ比100%の駆動信号WHが断続的に(1スイッチング周期Tswおきに)出力される一方、U相及びV相の上アーム素子81u、81vには、直結処理が行われている間ずっとデューティ比100%の駆動信号UH、VHが連続的に出力される。
上記実施形態の直結制御では、U相、V相、W相すべての上アーム素子81u〜81wに対してデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを出力したが、これに限られない。例えば、図13に示すように、上アーム素子81uに対してデューティ比100%の駆動信号UHを出力せず、残りの上アーム素子81v、81wに対してデューティ比100%の駆動信号VH、WHを交互に出力することもできる。このような制御を用いる場合としては、温度センサ69(図1、図2A)で測定した上アーム素子81uの温度が所定の閾値TH[℃]より高い場合がある。すなわち、コンバータ制御部54は、所定の閾値THより高温の上アーム素子81(図13では上アーム素子81u)の動作を中止させ、所定の閾値THより低温の上アーム素子81(図13では上アーム素子81v、81w)を動作させる。これにより、直結制御を継続しつつ、所定の閾値THより高温の上アーム素子81の動作を中止させることができる。従って、VCU23の信頼性を向上させることができる。
上記実施形態では、1回に出力されるデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHの長さが、それぞれ1スイッチング周期Tswであり、デューティ比100%の駆動信号の出現間隔は、3つのスイッチング周期Tsw毎に1回であったが、これに限られない。例えば、図15に示すように、1回に出力されるデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHの長さ及び出現間隔は変化させることができる。さらに、同じ上アーム素子81に対する駆動信号UH、VH、WHであっても、図15の駆動信号WHのように、出力の度に長さを変更することもできる。
上記実施形態の直結処理では、U相→V相→W相→U相→・・・の固定された順序を繰り返す形式でデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを出力したが、これに限られず、U相→V相→W相→V相→U相→W相のように変更することもできる。
上記実施形態では、直結処理において、デューティ比100%の駆動信号UH、VH、WHを上アーム素子81u〜81wに出力したが、デューティ比は、必ずしも100%でなくともよい。すなわち、デューティ比は、上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wに電圧変換を行わせない駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLを生じさせるものであればよい。例えば、1次側1Sから2次側2Sに電流を流す場合、駆動信号UH、VH、WHのデューティ比を0%とし、駆動信号UL、VL、WLのデューティ比を100%とすれば、降圧チョッパ処理及び昇圧チョッパ処理のいずれも伴わずにDC/DCコンバータ36のダイオード83u〜83wに電流を流すことができる。或いは、1次側1Sから2次側2Sに電流を流す場合、下アーム素子駆動時間T2が、下アーム素子82u〜82wの最小オン時間(下アーム素子82u〜82wをスイッチングさせるのに最低限必要な駆動時間)未満となるデューティ比であっても、下アーム素子82u〜82wは昇圧チョッパ処理を行わず、直結状態を実現可能である。
22…燃料電池(第2電力装置)
23…DC/DCコンバータ装置(VCU)
24…バッテリ(第1電力装置) 26…モータ(第2電力装置)
34…インバータ 36…DC/DCコンバータ
54…コンバータ制御部 69…温度センサ
81(81u〜81w)…上アーム素子
82(82u〜82w)…下アーム素子
83u、83v、83w、84u、84v、84w…ダイオード
90…リアクトル
91…燃料電池出力特性(電流電圧特性)
T1…上アーム素子駆動時間 T2…下アーム素子駆動時間
Tsw…スイッチング周期
UA…U相アーム VA…V相アーム WA…W相アーム
UH、UL、VH、VL、WH、WL…駆動信号
Claims (9)
- 第1電力装置と第2電力装置との間に並列に接続された複数のスイッチング素子を有するDC/DCコンバータと、
前記複数のスイッチング素子に対して駆動信号を出力し、前記DC/DCコンバータの電圧変換を制御する制御部と、
を備えるDC/DCコンバータ装置であって、
前記制御部は、
前記DC/DCコンバータによる電圧変換を行わずに前記第1電力装置と前記第2電力装置を直結させる直結制御を実行可能であり、
前記直結制御では、前記スイッチング素子の少なくとも1つに対して前記電圧変換を行わせない駆動信号を断続的に出力する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記制御部は、前記直結制御において、前記複数のスイッチング素子すべてに対して前記駆動信号を断続的に出力する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1又は2記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記制御部は、前記直結制御において、各スイッチング周期で1つのスイッチング素子にのみ前記駆動信号を出力する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記制御部は、前記直結制御において、前記複数のスイッチング素子に対して固定された順番で前記駆動信号を出力する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項4記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記DC/DCコンバータは、昇圧動作及び降圧動作が可能であり、
前記制御部は、
前記DC/DCコンバータに前記昇圧動作を行わせる昇圧制御及び前記降圧動作を行わせる降圧制御が可能であり、
前記昇圧制御、前記降圧制御及び前記直結制御のいずれにおいても、前記複数のスイッチング素子に対して前記駆動信号を同じ順番で出力する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記制御部は、前記直結制御において、1つのスイッチング素子に対する前記駆動信号の出力を停止するのと同時に、他のスイッチング素子に対する前記駆動信号の出力を開始する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記複数のスイッチング素子が共通の放熱板上に固定されている
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記DC/DCコンバータ装置は、さらに、前記複数のスイッチング素子の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、所定の閾値より高温のスイッチング素子の動作を中止させ、前記所定の閾値より低温のスイッチング素子を動作させる
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ装置において、
前記第1電力装置は蓄電装置であり、前記第2電力装置は発電装置であり、
前記制御部が前記直結制御を行っているとき、前記発電装置で発電した電力により前記蓄電装置を充電する
ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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