JP2011004460A - 電圧変換装置および燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング損失を抑制する。
【解決手段】燃料電池2から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、主リアクトルL1と主スイッチS1と平滑コンデンサC3とを含む昇圧回路と、主スイッチS1のソフトスイッチングを補助する回路であって、補助リアクトルL2と補助スイッチS2と補助コンデンサC2とを含む補助回路と、補助コンデンサC2の電圧が0であり、かつ補助リアクトルL2に流れる電流が主リアクトルL1に流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、主スイッチS1をオンさせる制御部8と、主スイッチS1がオフであり、かつ補助リアクトルL2に流れる電流が減少するときに当該補助リアクトルL2に誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該補助リアクトルL2に流れる電流の減少時間を可変にする可変抵抗器Rと、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、電圧変換装置および燃料電池システムに関する。
燃料電池車両等に搭載される電圧変換装置では、スイッチのオン/オフ時にソフトスイッチングを行うことでスイッチング損失を低減させている。ソフトスイッチングとは、スイッチングの際に零電圧/零電流の状態でスイッチをオン/オフさせる手法である。下記特許文献1には、電圧変換装置に、補助コンデンサや補助リアクトル、補助スイッチからなる補助回路を設けることで、昇圧回路の主スイッチをソフトスイッチングする技術が開示されている。
WO2006/098376号公報
ところで、例えば、補助回路を構成する補助コンデンサや補助リアクトルの容量に生ずる製造誤差等によるばらつきや、主スイッチおよび補助スイッチにおけるオンタイミングのずれ、回路を構成する配線インダクタンス等は、設計段階から把握することは困難である。したがって、零電圧/零電流状態となる期間が設計値とずれてしまうことも考えられる。この期間がずれてしまうとスイッチング損失が発生するおそれがある。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、スイッチング損失を抑制することができる電圧変換装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するため、本発明に係る電圧変換装置は、電源から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、少なくとも第一のリアクトルと第一のスイッチング素子と第一のコンデンサとを含む昇圧回路と、第一のスイッチング素子のソフトスイッチングを補助する回路であって、少なくとも第二のリアクトルと第二のスイッチング素子と第二のコンデンサとを含む補助回路と、第二のコンデンサの電圧が0であり、かつ第二のリアクトルに流れる電流が第一のリアクトルに流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、第一のスイッチング素子をオンさせる制御部と、第一のスイッチング素子がオフであり、かつ第二のリアクトルに流れる電流が減少するときに当該第二のリアクトルに誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を可変にする抵抗部と、
を備えることを特徴とする。
この発明によれば、抵抗部の抵抗値を調節して第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を変更することができるため、第二のリアクトルに流れる電流が第一のリアクトルに流れる電流以上となる期間を調整することが可能となる。これにより、第一のスイッチング素子をオンに切り換えるタイミングをソフトスイッチング可能期間内に確実に収めることが可能となる。
上記電圧変換装置において、上記抵抗部は、第一のスイッチング素子と並列に配置されることとしてもよい。
このようにすることで、抵抗部を簡易に電圧変換装置に取り付けることが可能となる。
上記電圧変換装置において、上記抵抗部は、可変抵抗器、第三のリアクトル、およびダイオードと第三のスイッチング素子とからなる直列回路を複数並列に配置した回路のうちのいずれかであってもよい。
本発明に係る燃料電池システムは、上記電圧変換装置と、電源である燃料電池と、電圧変換装置から出力される電力を消費する電力消費装置と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、スイッチング損失を抑制することができる。
実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 主スイッチをオフからオンに切り換える際のタイミングを説明するための図である。 第1変形例における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 第2変形例における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧変換装置および燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る電圧変換装置を燃料電池用のDC/DCコンバータとして備える燃料電池システムについて説明する。また、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも適用することができ、さらに、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。
まず、図1を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図1は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。
同図に示すように、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池2(電源)と、燃料電池用のDC/DCコンバータであるFCコンバータ3(電圧変換装置)と、二次電池としてのバッテリ4と、バッテリ用のDC/DCコンバータであるBatコンバータ5と、負荷としてのトラクションインバータ6およびトラクションモータ7(電力消費装置)と、システム全体を統括制御する制御部8とを有する。
燃料電池2は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
FCコンバータ3は、直流の電圧変換装置であり、燃料電池2から出力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ6およびトラクションモータ7に出力する機能を有する。FCコンバータ3によって燃料電池2の出力電圧が制御される。
FCコンバータ3は、燃料電池2から出力される直流電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路に含まれるスイッチのソフトスイッチングを補助する補助回路とを含んで構成される。ソフトスイッチングの詳細については後述する。
FCコンバータ3の昇圧回路は、例えば、燃料電池2から出力される直流電圧を平滑化する平滑コンデンサC1と、直流電圧を昇圧する主リアクトルL1(第一のリアクトル)および主スイッチS1(第一のスイッチング素子)と、FCコンバータ3の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサC3(第一のコンデンサ)と、を有する。フリーホイールダイオードD5と可変抵抗器R(抵抗部)とからなる直列回路が、主スイッチS1に並列に接続されている。
FCコンバータ3の補助回路は、例えば、補助コンデンサC2(第二のコンデンサ)と、補助リアクトルL2(第二のリアクトル)と、補助スイッチS2(第二のスイッチング素子)と、を有する。
バッテリ4は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池2の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。Batコンバータ5は、直流の電圧変換装置であり、バッテリ4から出力された直流電圧を調整(昇圧)してトラクションインバータ6およびトラクションモータ7に出力する機能と、燃料電池2またはトラクションモータ7から出力された直流電圧を調整(降圧)してバッテリ4に出力する機能と、を有する。このようなBatコンバータ5の機能により、バッテリ4の充放電が実現される。
トラクションインバータ6は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ7に供給する。トラクションモータ7は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
制御部8は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(例えば、アクセル)の操作量を検出し、加速要求値(例えば、トラクションモータ7等の電力消費装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ7の他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばコンプレッサや水素ポンプのモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。
制御部8は、物理的には、例えば、CPUと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ7等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
CPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム1における各種制御処理を実行する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム1全体を制御する。
制御部8は、主スイッチS1のオン/オフをソフトスイッチングにより制御する。ソフトスイッチングとは、スイッチ端子間の電位差を0にして端子間に電流が流れないようにしてからスイッチをオン/オフさせるスイッチング手法である。これにより、スイッチのオン/オフ時に発生するスイッチング損失を解消することができる。以下に、制御部8によって行われるソフトスイッチングの手順について説明する。
まず、主スイッチS1をオンからオフに切り換える場合、主スイッチS1をオンからオフに徐々に切り換える(手順1)。これにより、主スイッチS1に流れる電流が減少し、ダイオードD3および補助コンデンサC2からなる直列回路に電流が集中することになる。
その後、主スイッチS1に流れる電流が0になった後に、主スイッチS1をオンからオフに完全に切り換える(手順2)。これにより、主スイッチS1に電流が流れていないときに主スイッチS1をオフにすることができるため、スイッチング損失を0にすることができる。
一方、電流が補助コンデンサC2に流れ込むことによって、補助コンデンサC2には電荷が蓄積されていくことになる。
続いて、補助コンデンサC2に蓄積された電荷を放出するために、補助スイッチS2をオフからオンに切り換える(手順3)。これにより、補助コンデンサC2から補助リアクトルL2およびダイオードD2を介して平滑コンデンサC1に電流が流れ込み、平滑コンデンサC1に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、補助回路から平滑コンデンサC1に電流が流れ込み、平滑コンデンサC1に電荷が蓄積されていくことになる。
その後、補助コンデンサC2から全ての電荷が放出され、補助コンデンサC2の電圧が0になると、ダイオードD3および補助コンデンサC2からなる直列回路の両端の電位差も0となり、主スイッチS1の両端の電位差も0になる。
主スイッチS1の両端の電位差が0になった後に、主スイッチS1をオフからオンに切り換える(手順4)。これにより、主スイッチS1に電流が流れないときに主スイッチS1をオンにすることができるため、スイッチング損失を0にすることができる。
次に、図2を参照して、上記手順4で行っている主スイッチS1をオフからオンに切り換える際のタイミングについて説明する。図2に示すグラフは、横軸が経過時間、縦軸が電流または電圧であり、上記手順3で補助スイッチS2がオフからオンに切り換えられた時点を時間軸の原点としている。図2のVC2は補助コンデンサC2の電圧の推移を表したものであり、IL2は補助リアクトルL2を流れる電流の推移を表したものであり、IL1は主リアクトルL1を流れる電流の推移を表したものである。
図2に示すTSSは、主スイッチS1が零電圧/零電流状態となる期間であり、この期間内に主スイッチS1をオフからオンに切り換えることで、主スイッチS1のソフトスイッチングが可能となる。以下、TSSを「ソフトスイッチング可能期間」という。
ソフトスイッチング可能期間TSSの始期は、補助コンデンサC2の電圧VC2が減少していき、0に達した時点である。これは、補助コンデンサC2の電圧VC2が0になると、主スイッチS1の両端の電位差および主スイッチS1に流れる電流がそれぞれ0になるためである。
ソフトスイッチング可能期間TSSの終期は、補助コンデンサC2の電圧VC2が0になった後、補助リアクトルL2を流れる電流IL2が減少していき、主リアクトルL1を流れる電流IL1に達した時点である。これは、補助リアクトルL2を流れる電流IL2が、主リアクトルL1を流れる電流IL1未満になると、主リアクトルL1を流れる電流IL1が補助コンデンサC2に流れ込み、補助コンデンサC2の電圧VC2が上昇するためである。補助コンデンサC2が蓄電されると、主スイッチS1の両端に電位差が生じ、主スイッチS1に電流が流れることになる。
ここで、補助コンデンサC2の電圧VC2が減少して0に近づくと、補助リアクトルL2を流れる電流IL2が減少する。これにより、補助リアクトルL2には、電流の変化を妨げる向きに起電力が生ずる。この起電力によって、補助リアクトルL2を流れる電流IL2と同じ向きに誘導電流が発生する。補助コンデンサC2の電圧VC2が0に達した後に、補助リアクトルL2を流れる電流IL2が直ぐに0にはならず、徐々に減少していくのは、上記誘導電流が補助リアクトルL2に流れるためである。
補助リアクトルL2に発生する誘導電流は、FCコンバータ3の低電位ラインを起点にし、フリーホイールダイオードD5、可変抵抗器R、ダイオードD3の順に経由して補助リアクトルL2に至る経路上を流れることになる。
本実施形態では、この誘導電流の経路上に可変抵抗器Rを設け、この可変抵抗器Rの抵抗値を調節することで誘導電流の流れる時間を変え、ソフトスイッチング可能期間TSSを調整可能とした。可変抵抗器Rの抵抗値によって、ソフトスイッチング可能期間TSSを調整する原理は以下の通りである。
まず、可変抵抗器Rの抵抗値を小さくすると、誘導電流が流れ易くなり、補助リアクトルL2に誘導電流がまとまって流れ込むことになるため、誘導電流の流れる時間が短くなる。一方、可変抵抗器Rの抵抗値を大きくすると、誘導電流が流れ難くなり、補助リアクトルL2に誘導電流が少しずつ流れ込むことになるため、誘導電流の流れる時間が長くなる。
したがって、可変抵抗器Rの抵抗値を小さくすると、誘導電流の流れる時間が短くなり、その結果、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が短くなる(図2のIL2のA点以降の点線部参照)。これにより、ソフトスイッチング可能期間TSSも短くなる(図2のTSSの点線部参照)。
これに対して、可変抵抗器Rの抵抗値を大きくすると、誘導電流の流れる時間が長くなり、その結果、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が長くなる(図2のIL2のA点以降の実線部参照)。これにより、ソフトスイッチング可能期間TSSも長くなる(図2のTSSの実線部参照)。
このように、可変抵抗器Rの抵抗値を調節してスイッチング可能期間TSSを調整することによって、例えば、製造誤差等によって補助コンデンサC2や補助リアクトルL2の容量にばらつきが生じていたり、主スイッチS1および補助スイッチS2におけるオンタイミングがずれていたり、回路を構成する配線インダクタンスが考慮されていなくても、主スイッチS1をオンに切り換えるタイミングをスイッチング可能期間TSS内に確実に収めることが可能となる。
それゆえに、本実施形態における燃料電池システム1によれば、主スイッチS1におけるスイッチング損失を抑制することが可能となる。
なお、上述した実施形態では、スイッチング可能期間TSSを調整する抵抗部として、可変抵抗器Rを用いて説明しているが、抵抗部はこれに限定されない。以下において、第1変形例および第2変形例における抵抗部について説明する。
図3は、第1変形例における燃料電池システムの構成を示す図である。本第1変形例における燃料電池システムは、図1に示す実施形態における可変抵抗器Rを、図3に示すリアクトルL3(第三のリアクトル;抵抗部)に置き換えたものである。それ以外の構成は、実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明を省略する。
本第1変形例では、リアクトルL3のインダクタンスを小さくすると、誘導電流の流れる時間が短くなり、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が短くなるため、ソフトスイッチング可能期間TSSを短くすることができる。一方、リアクトルL3のインダクタンスを大きくすると、誘導電流の流れる時間が長くなり、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が長くなるため、ソフトスイッチング可能期間TSSを長くすることができる。
図4は、第2変形例における燃料電池システムの構成を示す図である。本第2変形例における燃料電池システムは、図1に示す実施形態におけるフリーホイールダイオードD5と可変抵抗器Rとからなる直列回路を、図4に示すダイオードD6とスイッチS3(第三のスイッチング素子)とからなる直列回路を複数並列に配置した回路(抵抗部)に置き換えたものである。それ以外の構成は、実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明を省略する。
本第2変形例では、オンにするスイッチS3a〜S3cの数を多くすると、上記回路の抵抗成分が小さくなるため、誘導電流の流れる時間が短くなる。したがって、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が短くなり、ソフトスイッチング可能期間TSSを短くすることができる。一方、オンにするスイッチS3a〜S3cの数を少なくする(少なくとも1つはオンにする)と、上記回路の抵抗成分が大きくなるため、誘導電流の流れる時間が長くなる。したがって、補助リアクトルL2を流れる電流IL2の減少時間が長くなり、ソフトスイッチング可能期間TSSを長くすることができる。
また、上述した実施形態や変形例では、抵抗部としての可変抵抗器R等を、主スイッチS1と並列に接続して設けているが、抵抗部を設ける位置はこれに限定されない。抵抗部は、補助リアクトルL2に発生する誘導電流の経路上に設けることができ、抵抗部を設けることで補助リアクトルL2による誘導電流の流れる時間を変えることができればよい。ただし、抵抗部を、主スイッチS1と並列に接続して設けることで、FCコンバータ3の回路に簡易に取り付けることが可能となる。
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…FCコンバータ、4…バッテリ、5…Batコンバータ、6…トラクションインバータ、7…トラクションモータ、8…制御部、C1,C3…平滑コンデンサ、C2…共振用コンデンサ、L1…昇圧用リアクトル、L2…共振用リアクトル、S1…昇圧用スイッチ、S2…共振用スイッチ。

Claims (6)

  1. 電源から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、少なくとも第一のリアクトルと第一のスイッチング素子と第一のコンデンサとを含む昇圧回路と、
    前記第一のスイッチング素子のソフトスイッチングを補助する回路であって、少なくとも第二のリアクトルと第二のスイッチング素子と第二のコンデンサとを含む補助回路と、
    前記第二のコンデンサの電圧が0であり、かつ前記第二のリアクトルに流れる電流が前記第一のリアクトルに流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、前記第一のスイッチング素子をオンさせる制御部と、
    前記第一のスイッチング素子がオフであり、かつ前記第二のリアクトルに流れる電流が減少するときに当該第二のリアクトルに誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を可変にする抵抗部と、
    を備えることを特徴とする請求項1記載の電圧変換装置。
  2. 前記抵抗部は、前記第一のスイッチング素子と並列に配置されることを特徴とする請求項1記載の電圧変換装置。
  3. 前記抵抗部は、可変抵抗器であることを特徴とする請求項1または2記載の電圧変換装置。
  4. 前記抵抗部は、第三のリアクトルであることを特徴とする請求項1または2記載の電圧変換装置。
  5. 前記抵抗部は、ダイオードと第三のスイッチング素子とからなる直列回路を複数並列に配置した回路であることを特徴とする請求項1または2記載の電圧変換装置。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電圧変換装置と、
    前記電源である燃料電池と、
    前記電圧変換装置から出力される電力を消費する電力消費装置と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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