JP2014011904A - 多相コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】多相コンバータの熱ストレスを平準化する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路と、入力電力に応じて、駆動する電圧変換回路の個数を決定するコントローラと、各電圧変換回路の温度を検出するセンサを備える。コントローラは、各電圧変換回路の温度の経時変化における特定期間の温度差を繰り返し計測してそのヒストグラムを記録し、予め定められた温度差閾値以上の温度差の出現頻度が小さい電圧変換回路を出現頻度が大きい電圧変換回路よりも先に駆動する電圧変換回路として選択する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電圧変換回路を並列に接続した多相コンバータに関する。

複数の電圧変換回路が並列に接続されており、入力電力（入力電流）の大きさに依存して駆動する電圧変換回路の個数を変更する多相コンバータが知られている。多相コンバータの性能を改善する技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の多相コンバータは、電圧変換効率と耐久性の双方を改善する。特許文献１の多相コンバータは、並列に接続された複数個の電圧変換回路と、入力電流を検出する電流センサを備えており、電流センサが検出する電流値に基づいて駆動する電圧変換回路の個数を決定する。その多相コンバータは、各電圧変換回路に流れる電流の大きさが所定の範囲内となるように駆動する電圧変換回路の個数Ｎを決定する。なお、各電圧変換回路に流れる電流の大きさは、［入力電流］／Ｎで定まる。電圧変換回路は、変換効率の高い電流範囲が決まっており、各電圧変換回路に流れる電流の大きさがその範囲内となるように個数Ｎを決定する。特許文献１の多相コンバータは、さらに、駆動する電圧変換回路を選定する優先順位を定めた複数のパターンを記憶しており、適宜にそのパターンを切り換えることで、複数の電圧変換回路の使用頻度を分散させる。そうして、特定の電圧変換回路だけが頻繁に使用されて劣化が進んでしまうことを防止する。なお、通常、電圧変換回路は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子と、そのスイッチング素子と直列に接続しているダイオード、及び、一端がスイッチング素子とダイオードの中間点に接続しており、他端が電圧コンバータの低電圧側の正極に接続しているリアクトル（コイル）を主要構成部品としており、電圧変換回路の劣化は、主にＩＧＢＴやダイオードの劣化で決まる。

特開２００９−２９６７７５号公報

各電圧変換回路の劣化の進み具合は、単純な使用頻度だけで決まるものではない。電圧変換回路の劣化を進める一つの要因に熱ストレスがある。入力電力の変化に伴い、各電圧変換回路の負荷も変化する。負荷の大きさに依存して発熱量も変化する。発熱量に応じて電圧変換回路自身の温度（ＩＧＢＴやダイオードの温度）が変化する。温度変化が激しいと劣化が進む。電圧変換回路自身の温度変化が熱ストレスに相当する。本明細書は、多相コンバータにおいて複数の電圧変換回路の熱ストレスの平準化を図り、劣化を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路と、入力電力に応じて駆動する電圧変換回路の個数を決定するコントローラと、各電圧変換回路の温度を検出する温度センサを備える。そのコントローラは、各電圧変換回路の温度の経時変化における特定期間の温度差を繰り返し計測してそのヒストグラムを記録し、予め定められた温度差閾値以上の温度差の出現頻度が小さい電圧変換回路を出現頻度が大きい電圧変換回路よりも優先的に駆動する電圧変換回路として選択する。以下、駆動する電圧変換回路の個数をＮとする。個数Ｎは電圧変換回路の総数以下である。

特定期間の温度差が大きいことは、熱ストレスが大きいことを意味する。上記の多相コンバータは、大きい熱ストレスが加わった頻度が少ない電圧変換回路を、頻度が多い電圧変換回路よりも優先して、駆動するＮ個の電圧変換回路として選択する。そうすることで、熱ストレスの平準化を図る。なお、「予め定められた温度差閾値以上の出現頻度が小さい」ことは、予め定められた温度差閾値未満の出現頻度が大きいことと等価である。従って、上記の「予め定められた温度差閾値以上の温度差の出現頻度が小さい電圧変換回路を出現頻度が大きい電圧変換回路よりも優先的に駆動する電圧変換回路として選択する」ことは、予め定められた温度差閾値未満の出現頻度が大きい電圧変換回路をその出現頻度が小さい電圧変換回路よりも優先的に電圧変換回路として選択することと等価である。ここで、「未満」は「以下」で置き換えてもよいことに留意されたい。

「優先的に選択する」とは、具体的には、所定の温度差閾値以上の出現頻度がａの電圧変換回路Ａと出現頻度がｂの電圧変換回路Ｂと出現頻度がｃの電圧変換回路Ｃ（ａ＜ｂ＜ｃ）がある場合、個数Ｎ＝１の場合は、最も出現頻度が小さい電圧変換回路Ａを駆動する電圧変換回路として選択し、個数Ｎ＝２の場合も最も出現頻度が小さい電圧変換回路Ａを駆動する電圧変換回路としてまず選択し、残りの電圧変換回路ＢとＣのいずれかを駆動する電圧変換回路として選択することを意味する。後述するように、選択する優先順位を出現頻度が小さい順とした場合には、コントローラは、個数Ｎ＝２の場合は出現頻度が最も小さい電圧変換回路Ａと、次いで出現頻度が小さい電圧変換回路Ｂを選択する。

上記の特定期間とは、典型的には、温度の経時変化における変曲点間がよい。即ち、一例のコントローラは、温度の経時変化における変曲点間の温度差のヒストグラムを記録する。変曲点を特定期間の始点終点とすることで、温度変化を正確に記録することができる。なお、コントローラは、前述した温度差閾値以上の出現頻度が小さい順に、駆動する電圧変換回路として選定することも好適である。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は発明を実施するための形態の項にて説明する。

実施例の燃料電池車のパワー系の回路構成図である。 コントローラが実行する起動処理のフローチャートである。 コントローラが実行する終了処理のフローチャートである。 電圧変換回路の温度変化の一例を示す図である。 ヒストグラムの一例を示す図である。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１）コントローラは、駆動する電圧変換回路を選択する際の優先順位を定めており、発熱頻度が最も小さい電圧変換回路をその優先順位の最初に位置させる。なお、ここで、「発熱頻度」とは、前述したヒストグラムにおいて、予め定められた温度差閾値以上の出現頻度の総数を意味する。

この構成によると、発熱頻度が最も低い電圧変換回路を最初に起動させることができるため、各電圧変換回路の発熱頻度が均一化され易くなる。

（特徴２）コントローラは、各電圧変換回路の発熱頻度の昇順に従って上記の優先順位を定め、その優先順位に従って、Ｎ個の電圧変換回路を起動してもよい。ここで、「Ｎ個」は、前述したように、入力電力に応じて定められた起動する電圧変換回路の個数である。

この構成によると、発熱頻度の小さい電圧変換回路の起動タイミングが、発熱頻度の高い電圧変換回路より先となる。それゆえ、各電圧変換回路の発熱頻度を一層均一化することができる。

（特徴３）コントローラは、全ての電圧変換回路が停止した後に、発熱頻度に応じて優先順位を更新する。

温度変化の時定数はコントローラの制御周期よりは格段に長いので、多相コンバータの動作中に駆動する電圧変換回路を頻繁に変更することもない。例えば、燃料電池車において燃料電池に接続された多相コンバータの場合、車両が停止するときに燃料電池も停止する。そのときに多相コンバータも停止する。多相コンバータが停止したときに、即ち、全ての電圧変換回路が停止したときに、次の稼働に備えて、それまでの発熱頻度に応じて優先順位を入れ替えることも好適である。

以下、実施例を説明する。図１は、実施例の多相コンバータ２０を含む、燃料電池車２の電力系のブロック図である。燃料電池車２は、燃料電池１０と、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する多相コンバータ２０と、多相コンバータ２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ４０と、走行用のモータ５０と、コントローラ６０を備える。また、燃料電池１０の出力電流を計測する電流センサ１２と、燃料電池１０の出力電圧を計測する電圧センサ１３を備える。

コントローラ６０の処理を概説する。コントローラ６０は、車両のアクセル開度や車速からモータ５０の目標出力を決定し、燃料電池１０の出力が目標出力となるように燃料電池１０を制御する。

良く知られているように、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電流と出力電圧が大きく変化する。即ち、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電力が大きく変化する。例えば、実施例の燃料電池１０は出力電圧が３００ボルトから４００ボルトの間で変化する。多相コンバータは、入力電力に応じて駆動する電圧変換回路の個数を変えることができるので、入力電力が大きく変化するシステム（典型的には本実施例のごとく燃料電池を使ったシステム）に好適である。

燃料電池１０の出力端には多相コンバータ２０が接続されている。多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧をモータ駆動電圧に昇圧する。モータ駆動電圧は、例えば６００ボルトである。多相コンバータ２０の出力はインバータ４０に供給される。インバータ４０は、直流電力をモータ５０の目標回転数に応じた周波数の交流に変換し、モータ５０へ供給する。

一般に、電圧変換回路は、変換効率の良い電力範囲が決まっている。それゆえ、出力電力が大きく変化する燃料電池１０に対して、多相コンバータ２０が採用される。多相コンバータ２０は、燃料電池１０の変化する出力電力を効率よく安定した一定電圧の電力に調整する。多相コンバータ２０は、並列に接続された複数の電圧変換回路３１−３４を備えており、入力される電力に応じて駆動する電圧変換回路の数を決定する。具体的には、コントローラ６０は、電流センサ１２と電圧センサ１３のセンサデータから燃料電池１０の出力電力を算定する。なお、燃料電池１０の出力電力は、多相コンバータ２０の入力電力に相当する。コントローラ６０は、熱ストレスが平準化するように、駆動する電圧変換回路を選定する。多相コンバータ２０の制御については後に詳しく説明する。

多相コンバータ２０の回路構成を説明する。多相コンバータ２０は、４個の電圧変換回路３１−３４とコンデンサ３０が並列に接続された回路構成を有する。燃料電池１０の出力電圧が、各電圧変換回路３１−３４への入力電圧に相当する。本実施例の場合、電圧変換回路３１−３４は、入力電圧を昇圧して出力する。

全ての電圧変換回路は同じ構成を有するので、電圧変換回路３１について説明する。電圧変換回路３１は、リアクトル２２Ｕ、スイッチング素子２６Ｕ、ダイオード２８Ｕ、２９Ｕ、及び、温度センサ２７Ｕで構成される。スイッチング素子２６Ｕとダイオード２９Ｕが直列に接続されている。ダイオード２９Ｕのアノードがスイッチング素子２６Ｕのコレクタに接続しており、カソードは多相コンバータ２０の高電圧側（インバータ側）の正極端子に接続している。スイッチング素子２６Ｕのエミッタは多相コンバータ２０の負極端子（接地端子）に接続している。スイッチング素子２６Ｕとダイオード２９Ｕの中間点にリアクトル２２Ｕの一端が接続している。リアクトル２２Ｕの他端は多相コンバータ２０の低電圧側の正極端子に接続している。もう１つのダイオード２８Ｕは、スイッチング素子２６Ｕと逆並列に接続している。スイッチング素子２６Ｕは、スイッチング素子のＯＦＦへの切換時の逆流電流を逃がすために設けられている。スイッチング素子２６Ｕは、典型的には、ＩＧＢＴである。

この電圧変換回路３１の構成は良くしられており、スイッチング素子２６Ｕのゲートに加えるＰＷＭ信号を適宜に調整することにより、低電圧側に接続されている燃料電池１０の出力電圧を昇圧して高電圧側（インバータ側）から出力することができる。他の電圧変換回路３２−３４も同じ構成を有している。また、各電圧変換回路には、その温度を計測する温度センサ２７Ｕ（２７Ｖ、２７Ｗ、２７Ｘ）が備えられている。コンデンサ３０は、多相コンバータ２０の出力電圧を平滑化するために備えられている。コントローラ６０が、電流センサ１２、電圧センサ１３、温度センサ２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗ、２７Ｘのセンサデータに基づいて多相コンバータ２０を制御する。

コントローラ６０が実行する処理を説明する。図２は、多相コンバータを起動する際（及び起動中）のフローチャートを示しており、図３は多相コンバータを停止するときのフローチャートを示している。

図２の起動処理から説明する。コントローラ６０は、まず、電流センサ１２と電圧センサ１３によって燃料電池１０の出力電流と出力電圧を計測する。コントローラ６０は、計測した出力電流に出力電圧を乗じて燃料電池１０の出力電力Ｗ＿ＦＣを取得する（Ｓ１０）。次にコントローラ６０は、起動する電圧変換回路の個数Ｎを決定する。例えば、各々の電圧変換回路において最も変換効率のよい入力電力がＷａ（この電力を基準電力Ｗａと称する）の場合、個数Ｎは、出力電力Ｗ＿ＦＣ／基準電力Ｗａに最も近い整数として求められる（Ｓ１２）。例えば、出力電力Ｗ＿ＦＣ＝４５［ｋｗ］であり、基準電力Ｗａ＝１４［ｋｗ］の場合、個数Ｎ＝出力電力Ｗ＿ＦＣ／基準電力Ｗａ≒３となる。

次に、コントローラ６０は、４個の電圧変換回路３１−３４の中から、駆動すべき３個の電圧変換回路を選択する（Ｓ１４）。コントローラ６０は、選択する順序を規定した優先順位を記憶している。例えば、その優先順位が、優先度の高い順に、電圧変換回路３４、電圧変換回路３１、電圧変換回路３３、電圧変換回路３２、である場合、コントローラ６０は、優先度の高い順に３個の電圧変換回路、即ち、電圧変換回路３４、３１、３３を選択する。なお、選択する順序を規定した優先順位は、多相コンバータ２０が停止する毎に更新される。優先順位の更新については後述する。

そしてコントローラ６０は、選択した３個の電圧変換回路を駆動する。ここで、「電圧変換回路を駆動する」とは、電圧変換回路のスイッチング素子に所定のデューティ比のＰＷＭ信号を与えることである。なお、デューティ比は、燃料電池１０の電圧と、多相コンバータ２０の目標出力電圧の比で定まる。

コントローラ６０は、定期的に図２の処理を繰り返す。燃料電池車２の走行中であっても、車速やアクセル開度に応じて、目標出力が変化する。燃料電池車２は、目標出力の変化に応じて燃料電池１０の出力も変更する。従って、コントローラ６０は、定期的に図２の処理を繰り返し、そのときの燃料電池１０の出力に応じた適切な数の電圧変換回路を駆動する。

コントローラ６０は、多相コンバータ２０を駆動している間、温度センサ２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗ、２７Ｘにより、各電圧変換回路の温度変化を記録する。温度変化の記録方法と記録した温度変化の利用については後述する。

次に、図３を参照して、多相コンバータ２０を停止したときの処理を説明する。コントローラ６０は、上位のコントローラから多相コンバータ２０の停止命令を受信すると、全ての電圧変換回路を停止する（Ｓ３０）。例えば、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦに切り換えられたときに、上位のコントローラから多相コンバータの停止命令が出力される。先に述べたように、コントローラ６０は、多相コンバータの駆動中は、各電圧変換回路の温度変化を記録している。コントローラ６０は、温度変化から所定期間の温度差を抽出し、その温度差の範囲を階級（ビン）とするヒストグラムを記録する。そして、多相コンバータ２０が停止する毎に、ヒストグラムを更新する（Ｓ３２）。そして、更新されたヒストグラムに基づいて、図２のステップＳ１４で用いた優先順位を更新する（Ｓ３４）。次に、ヒストグラムと優先順位の更新について説明する。

先に述べたように、コントローラ６０は、多相コンバータ２０を駆動している間、定期的に各電圧変換回路の温度をモニタする。そして、多相コンバータ２０を停止した後、各電圧変換回路について、温度変化の変曲点を特定し、隣接する変曲点の間での温度差ｄＴを算出する。そして、温度差ｄＴのヒストグラムを記憶する。なお、コントローラ６０は過去のヒストグラムのデータを蓄積しており、多相コンバータ２０を停止する毎に新たなデータを加えてヒストグラムを更新する。図４に、特定の電圧変換回路についての温度変化の模式的なグラフを示す。このグラフによると、時刻ｔｓにて多相コンバータ２０を起動し、時刻ｔｅで終了した。コントローラ６０は、グラフから、その間の温度変化における変曲点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を抽出する。次いでコントローラ６０は、隣接する変曲点の間の温度差ｄＴ１、ｄＴ２、ｄＴ３を特定する。コントローラ６０は、特定した複数の温度差を、過去のヒストグラムのデータに加える。即ち、ヒストグラムを更新する（Ｓ３２）。図５にヒストグラムの一例を示す。このヒストグラムでは、第１の階級として温度差ｄＴ＜２０［℃］の範囲が選定され、第２の階級として２０［℃］≦温度差ｄＴ＜４０［℃］の範囲が選定され、第３の階級として４０［℃］≦温度差ｄＴ＜６０［℃］の範囲が選定され、第４の階級として６０［℃］≦温度差ｄＴの範囲が選定されている。コントローラ６０は、図４で説明した温度差群ｄＴ１、ｄＴ２、ｄＴ３を加えて図５のヒストグラムを更新する。

コントローラ６０には、また、温度差閾値が予め記録されている。コントローラ６０は、温度差閾値以上の温度差におけるヒストグラムの出現頻度の和を算出する。例えば図５では、温度差閾値が４０［℃］に定められており、コントローラ６０は、温度差が４０［℃］以上の階級の出現頻度を合算する。合算したものが、先に述べた発熱頻度に相当する。

最後にコントローラ６０は、発熱頻度の小さい順に優先順位を並べ替える。即ち、コントローラ６０は、優先順位を更新する（Ｓ３４）。多相コンバータ２０を再び起動する際、コントローラ６０は、先に説明した図４のステップＳ１６において、更新された優先順位を用いて駆動すべき電圧変換回路を決定する。即ち、コントローラ６０は、温度差閾値以上の温度差ｄＴの出現頻度（発熱頻度）が小さい順に、駆動する電圧変換回路として選択する。また、コントローラ６０は、選択されたＮ個の電圧変換回路を起動する際、優先順位の高い順に起動する。

上記の燃料電池車２では、複数の電圧変換回路のうち、発熱頻度の小さいものほど使用頻度が高くなる。頻繁に使われて発熱頻度が他の電圧変換回路よりも多くなると、使われる頻度が少なくなる。こうして、複数の電圧変換回路が並列に接続された多相コンバータにおいて、発熱頻度の平準化が達成される。

「発熱頻度」とは、駆動中に温度差閾値よりも大きい温度変化を生じた回数に相当する。温度変化は熱ストレスを生じる。電圧変換回路は温度変化（熱ストレス）が激しいと劣化が進む。実施例の多相コンバータ２０は、熱ストレスを平準化し、複数の電圧変換回路において劣化の偏在を防止し、多相コンバータ全体としての耐久性を向上させる。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例の多相コンバータ２０は４個の電圧変換回路３１−３４を並列に接続したものである。接続される電圧変換回路の数は４個に限られない。また、温度差を特定する期間は、温度変化の変曲点間に限られない。例えば、予め定められた期間における温度差を採用してもよい。ただし、変曲点間の温度差を採用することによって、電圧変換回路の駆動中に生じる温度差を正確に網羅することができる。

実施例では、多相コンバータ２０を停止した後に変曲点間の温度差を特定した（図３のステップＳ３２）。コントローラ６０は、多相コンバータの駆動中に変曲点を検知し、検知する毎に温度差を特定してもよい。

実施例の多相コンバータ２０は、入力電圧（燃料電池１０の出力電圧）を昇圧して出力する昇圧タイプであった。本明細書が開示する技術は、降圧タイプの多相コンバータに適用することもできる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池車
１０：燃料電池
１２：電流センサ
１３：電圧センサ
２０：多相コンバータ
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｘ：リアクトル
２６Ｕ、２６Ｖ、２６Ｗ、２６Ｘ：スイッチング素子
２７Ｕ、２７Ｖ、２７Ｗ、２７Ｘ：温度センサ
２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ、２８Ｘ、２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗ、２９Ｘ：ダイオード
３０：コンデンサ
３１、３２、３３、３４：電圧変換回路
４０：インバータ
５０：モータ
６０：コントローラ

Claims (3)

1. 多相コンバータであり、
   並列に接続された複数の電圧変換回路と、
   入力電力に応じて、駆動する電圧変換回路の個数を決定するコントローラと、
   各電圧変換回路の温度を検出する温度センサと、
   を備えており、
   コントローラは、各電圧変換回路の温度の経時変化における特定期間の温度差を繰り返し計測して温度差のヒストグラムを記録し、予め定められた温度差閾値以上の温度差の出現頻度が小さい電圧変換回路を出現頻度が大きい電圧変換回路よりも優先的に駆動する電圧変換回路として選択することを特徴とする多相コンバータ。
2. コントローラは、前記経時変化における変曲点間の温度差のヒストグラムを記録することを特徴とする請求項１に記載の多相コンバータ。
3. コントローラは、前記温度差閾値以上の温度差の頻度が小さい順に、駆動する電圧変換回路として選択する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の多相コンバータ。

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