JP2017153243A - 電源装置、機器及び制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源装置は、電源と、電源が供給する電力の電圧変換が可能な変換部を複数有し、当該複数の変換部が電気的に並列に接続された変換モジュールと、電圧変換を行う変換部の数である動作数を変更する変更部と、電圧変換を行うための第1制御信号及び電源の状態を検知するための第2制御信号に基づき、変換モジュールを制御する制御部とを備える。第1制御信号は電源の出力に直流成分を生じさせ、第2制御信号は電源の出力に交流成分を生じさせる。制御部は、交流成分が動作数に基づく振幅を有するよう、第2制御信号を生成する。
【選択図】図37
Description
電源(例えば、後述の実施形態での燃料電池101)と、
前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な変換部を複数有し、当該複数の変換部が電気的に並列に接続された変換モジュール(例えば、後述の実施形態でのFC−VCU103,203)と、
前記電圧変換を行う前記変換部の数である動作数を変更する変更部(例えば、後述の実施形態でのECU113)と、
前記電圧変換のための第1制御信号及び前記電源の状態を検知するための第2制御信号に基づき、前記変換モジュールを制御する制御部(例えば、後述の実施形態でのECU113)と、を備え、
前記第1制御信号は前記電源の出力に直流成分を生じさせ、前記第2制御信号は前記電源の出力に交流成分を生じさせ、
前記制御部は、前記交流成分が前記動作数に基づく振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置である。
なお、変更部及び制御部は、後述の実施形態で表される複数の機能を有した同一のECU113によって兼用されていても良い。
前記制御部は、前記動作数が多いほど前記電圧変換を行う各変換部に入出力する電流の交流成分の振幅が小さくなるよう、前記第2制御信号を生成する。
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部(例えば、後述の実施形態での電流センサ105)を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値未満であれば、前記交流成分の振幅が前記入力電流に依存するよう、前記第2制御信号を生成する。
前記制御部は、前記動作数が前記しきい値以上であれば、前記動作数が前記しきい値未満の場合と比較して、前記交流成分の振幅の前記入力電流に対する依存性が小さくなるよう、前記第2制御信号を生成する。
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部(例えば、後述の実施形態での電流センサ105)を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値未満であれば、前記入力電流が大きいほど前記交流成分の振幅が大きくなるよう、前記第2制御信号を生成する。
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部(例えば、後述の実施形態での電流センサ105)を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値以上であれば、前記入力電流の値に依らず、前記交流成分の振幅が前記動作数毎に一定となるよう、前記第2制御信号を生成する。
前記制御部は、前記交流成分が前記変換モジュールの電圧変換率に応じた大きさの振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する。
前記交流成分の振幅は、前記変換モジュールの電圧変換率が大きいほど小さい。
前記制御部は、前記第2制御信号により生じる前記電源の出力に含まれる交流成分に基づき、前記電源のインピーダンスを測定する。
前記電源は燃料電池であり、
前記制御部は、前記インピーダンスに基づき、前記燃料電池における加湿量を調整する。
電源(例えば、後述の実施形態での燃料電池101)と、
前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な変換部を複数有し、当該複数の変換部が電気的に並列に接続された変換モジュール(例えば、後述の実施形態でのFC−VCU103,203)と、
前記電圧変換を行う前記変換部の数である動作数を変更する変更部(例えば、後述の実施形態でのECU113)と、
前記電圧変換を行うための第1制御信号及び前記電源の状態を検知するための第2制御信号に基づき、前記変換モジュールを制御する制御部(例えば、後述の実施形態でのECU113)と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
前記第1制御信号は前記電源の出力に直流成分を生じさせ、前記第2制御信号は前記電源の出力に交流成分を生じさせ、
前記制御部は、前記交流成分が前記動作数に基づく振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する、制御方法である。
なお、変更部及び制御部は、後述の実施形態で表される複数の機能を有した同一のECU113によって兼用されていても良い。
第1実施例のECU113は、パワースイッチ111のオンオフ操作に基づき、FC−VCU103における相の駆動パターンを切り替える。
第2実施例のECU113は、図2及び図6に示した磁気結合型のFC−VCU103を1相で駆動する際、XY平面上に一列に並んで配置された相1〜相4のうち内側に配置された相2又は相3を駆動する。
第3実施例のECU113は、燃料電池101の出力電流でもあるFC−VCU103への入力電流IFCと、燃料電池101の出力電圧でもあるFC−VCU103の入力電圧V1と、目標値であるFC−VCU103の出力電圧V2とに基づき予め作成した損失マップから、入力電流IFCのみに基づいてFC−VCU103の動作相数を決定する。なお、以下の説明では、「出力電圧V2/入力電圧V1」をFC−VCU103の昇圧率という。
第4実施例のECU113は、図2及び図6に示した磁気結合型のFC−VCU103の動作相数として、1相を除く奇数相を禁止する。
第5実施例のECU113は、FC−VCU103の動作相数を切り替える際に、駆動を開始する相又は駆動を停止する相のスイッチング素子に対するオンオフ切換制御のデューティ比を段階的かつ連続的に変更する。
第6実施例のECU113は、平滑コンデンサC1,C2の入出力電流のリプルがしきい値以下となるよう、FC−VCU103への入力電流IFCに基づきスイッチング信号の周波数(以下「スイッチング周波数」という。)を設定し、FC−VCU103の動作相数の変更をスイッチング周波数の設定変更と同期させる。
第7実施例のECU113は、FC−VCU103の温度がしきい値を超えると、FC−VCU103の動作相数を現在の相数よりも大きな相数に増やす。
第8実施例のECU113は、相電流センサ1051〜1054の少なくとも1つ又は電流センサ105が故障した際に、故障状態に応じた適当な制御を行う。なお、電流センサ105及び相電流センサ1051〜1054の故障判定は、ECU113によって行われる。電流センサ105及び相電流センサ1051〜1054の故障判定には、公知の種々の方法を用いることができる。例えば、特開平10−253682号公報に開示されている上張り付き故障や中間張り付き故障、下張り付き故障の判定方法を用いる場合、ECU113は、検出された電流値に応じた電圧を示す信号が規定範囲外の値を表す状態が所定時間以上継続した場合に、故障した異常な状態と判定する。
第9実施例のECU113は、FC−VCU103を制御する当該ECU113におけるフィードバック制御のループ(以下「フィードバックループ」という。)の外部で、フィードバックループから出力されたFC−VCU103のスイッチング素子をオンオフ切換制御するための制御信号(以下、単に「制御信号」という。)に交流信号を重畳する。さらに、ECU113は、交流信号が重畳された制御信号に基づきパルス状のスイッチング信号を生成し、当該スイッチング信号をFC−VCU103の各スイッチング素子に出力する。なお、スイッチング信号に含まれる交流成分は、燃料電池101のインピーダンスを測定するために重畳される。また、交流信号の振幅値は後述する第10実施例又は第11実施例に基づいて設定される。
FC−VCU103を単相で駆動する場合、FC−VCU103が有する複数のスイッチング素子のうち1つのスイッチング素子のみがオンオフ切換制御される。したがって、スイッチング素子を制御するスイッチング信号に交流成分が重畳されていても、当該交流成分の振幅が適正であれば、相電流におけるゼロクロスは抑制されるため、FC−VCU103の制御安定性は損なわれない。しかし、FC−VCU103を多相で駆動する場合には、複数のスイッチング素子がオンオフ切換制御されるため、各スイッチング信号に重畳された交流成分により、いずれかの相電流のゼロクロスや、スイッチング素子に対し通常のデューティ制御やインターリーブ制御に加えて行われる交流重畳制御に起因して、FC−VCU103の制御安定性が低下する可能性がある。この可能性は、スイッチング素子のオンオフ切換位相をずらすインターリーブ制御を行う場合に高くなる。なお、FC−VCU103へのスイッチング信号に含まれる交流成分は、第9実施例で説明した燃料電池101のインピーダンスの測定のために重畳される。
FC−VCU103を単相で駆動する場合、FC−VCU103が有する複数のスイッチング素子のうち1つのスイッチング素子のみがオンオフ切換制御される。したがって、スイッチング素子を制御するスイッチング信号に交流成分が重畳されていても、当該交流成分の振幅が適正であれば、相電流におけるゼロクロスは抑制されるため、FC−VCU103の制御安定性は損なわれない。しかし、FC−VCU103を多相で駆動する場合には、複数のスイッチング素子がオンオフ切換制御されるため、各スイッチング信号に重畳された交流成分により、いずれかの相電流のゼロクロスや、スイッチング素子に対し通常のデューティ制御やインターリーブ制御に加えて行われる交流重畳制御に起因して、FC−VCU103の制御安定性が低下する可能性がある。また、FC−VCU103を多相で駆動する場合の動作相数が多いほど、各スイッチング信号に含まれた交流成分による制御安定性の低下が顕著になる。なお、FC−VCU103へのスイッチング信号に含まれる交流成分は、第9実施例で説明した燃料電池101のインピーダンスの測定のために重畳される。
13 PDU
15 VCU
17 バッテリ
100 電源装置
101 燃料電池(FC)
103,203 FC−VCU
105 電流センサ
1051〜1054 相電流センサ
1071,1072 電圧センサ
1091〜1094 温度センサ
111 パワースイッチ
113 ECU
121 フィードバック制御部
123 交流信号発生部
125 スイッチング信号生成部
C1,C2 平滑コンデンサ
L1〜L4 リアクトル
Coa,Cob 鉄芯
Claims (12)
- 電源と、
前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な変換部を複数有し、当該複数の変換部が電気的に並列に接続された変換モジュールと、
前記電圧変換を行う前記変換部の数である動作数を変更する変更部と、
前記電圧変換のための第1制御信号及び前記電源の状態を検知するための第2制御信号に基づき、前記変換モジュールを制御する制御部と、を備え、
前記第1制御信号は前記電源の出力に直流成分を生じさせ、前記第2制御信号は前記電源の出力に交流成分を生じさせ、
前記制御部は、前記交流成分が前記動作数に基づく振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
前記制御部は、前記動作数が多いほど前記電圧変換を行う各変換部に入出力する電流の交流成分の振幅が小さくなるよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項1又は2に記載の電源装置であって、
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値未満であれば、前記交流成分の振幅が前記入力電流に依存するよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項3に記載の電源装置であって、
前記制御部は、前記動作数が前記しきい値以上であれば、前記動作数が前記しきい値未満の場合と比較して、前記交流成分の振幅の前記入力電流に対する依存性が小さくなるよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の電源装置であって、
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値未満であれば、前記入力電流が大きいほど前記交流成分の振幅が大きくなるよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の電源装置であって、
前記電源から前記変換モジュールへの入力電流の値を取得する取得部を備え、
前記制御部は、前記動作数がしきい値以上であれば、前記入力電流の値に依らず、前記交流成分の振幅が前記動作数毎に一定となるよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項1から6のいずれか1項に記載の電源装置であって、
前記制御部は、前記交流成分が前記変換モジュールの電圧変換率に応じた大きさの振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する、電源装置。 - 請求項7に記載の電源装置であって、
前記交流成分の振幅は、前記変換モジュールの電圧変換率が大きいほど小さい、電源装置。 - 請求項1から8のいずれか1項に記載の電源装置であって、
前記制御部は、前記第2制御信号により生じる前記電源の出力に含まれる交流成分に基づき、前記電源のインピーダンスを測定する、電源装置。 - 請求項9に記載の電源装置であって、
前記電源は燃料電池であり、
前記制御部は、前記インピーダンスに基づき、前記燃料電池における加湿量を調整する、電源装置。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の電源装置を有する、機器。
- 電源と、
前記電源が供給する電力の電圧変換が可能な変換部を複数有し、当該複数の変換部が電気的に並列に接続された変換モジュールと、
前記電圧変換を行う前記変換部の数である動作数を変更する変更部と、
前記電圧変換を行うための第1制御信号及び前記電源の状態を検知するための第2制御信号に基づき、前記変換モジュールを制御する制御部と、を備えた電源装置が行う制御方法であって、
前記第1制御信号は前記電源の出力に直流成分を生じさせ、前記第2制御信号は前記電源の出力に交流成分を生じさせ、
前記制御部は、前記交流成分が前記動作数に基づく振幅を有するよう、前記第2制御信号を生成する、制御方法。
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