JP2022037558A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】各相に均等に電流を流すことができ、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置において、Ｎ（Ｎは２以上の自然数）相の並列接続された変換部を含み、各当該変換部の各コイルが互いに磁気結合可能な変換組をＭ（Ｍは２以上の自然数）組有し、変換部の駆動相数Ｘを、システム要求に応じて変更する制御部を備える。制御部は、駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表せるときに、Ｚ組の各変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の変換部のうち、Ｙ相の変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての変換部を駆動しない。【選択図】図４

Description

本開示は、電力変換装置に関する。
燃料電池車両等の車両に車載されて用いられる燃料電池システムに備えられる電力変換装置（以下コンバータと称する場合がある）に関して種々の研究がなされている。
電圧変換回路の小型化のアイテムとして、従来独立していた複数相のインダクタ（コイル）を単一の磁性体コアに巻線を集約し結合インダクタとした磁気結合リアクトルが検討されている。磁気結合リアクトルとすることで、互いに相手相のインダクタの磁界の影響を受けて時間に対する電流の曲線の勾配を小さくできる部分があり、電流の振幅が小さくなることによる電圧変換効率を向上させることができる。
磁気結合リアクトルを用いた技術としては、例えば、特許文献１～２では、２相が互いに磁気結合した変換部の組をＭ組備える変換モジュールを備える電源装置が開示されている。
特許第６４５０８８４号 特許第６５０７３０５号
燃料電池車両では、二次電池の搭載容量に限界があることから、車両からのトータル要求出力のうち、燃料電池への要求出力の占める比率、すなわち要求出力の範囲が広くなる。
コンバータは、駆動するリアクトルの相数が増加するのに応じて高い電力変換効率を得られるピークの位置が、高電流域側にシフトする。狭い要求出力の範囲内のみで燃料電池を使用する場合には、対応するコンバータは磁気結合を使用できる相数のみ（１組ずつ）の駆動でも、ピークシフト自体が小さいため、全出力範囲でほとんど効率低下なく運転できる。一方、要求出力の範囲が広くなると、相数増加に伴うピークシフト自体が大きくなり、要求出力範囲全体にわたって高効率を実現するためには、磁気結合を用いない単相などを用いた相数で駆動する必要性が生じる。
上記特許文献１～２の構成では、変換部は全体で２×Ｍ相あるものの、運転できるのは２の倍数の相数のみであって、必ずしも最適な相数で運転できず、電力変換効率が低下する場合がある。例えば２相が互いに磁気結合された変換部の組を３組備える変換モジュールでは、２，４，６相で駆動することができるが、３相では効率よく駆動することができない場合がある。具体的には、例えば磁気結合変換部２相×３組のコンバータで、１つの変換組は２相とも駆動し、残りの２つの内の１つの変換組は１相のみ駆動し、残りの１つの変換組はいずれの相も駆動しない場合、１つの変換組は磁気結合されて運転し、残りの２つの内の１つの変換組は磁気結合されずに運転するため両者間の電力変換効率に差が生じる。そのため、効率良く電力変換できる磁気結合駆動している１つの変換組側に電流（負荷）が集中し、駆動される３相の電流のバランスが崩れることで電力変換効率の向上効果が得られない。また、インターリーブ制御を行ったとしても、入出力電流のリップルが増大するため、制御の不安定化またはリップル抑制のための平滑コンデンサの体格増大を招来してしまう。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、各相に均等に電流を流すことができ、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる電力変換装置を提供することを主目的とする。
本開示においては、互いに並列に接続され電圧変換が可能な複数の変換部を備え、複数の当該変換部の各々がコイルを有する電力変換装置であって、
Ｎ（Ｎは２以上の自然数）相の前記変換部を含み、各当該変換部の各前記コイルが互いに磁気結合可能な変換組をＭ（Ｍは２以上の自然数）組有し、
前記変換部の駆動相数Ｘを、システム要求に応じて変更する制御部を有し、
前記制御部は、条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表せるときに、Ｚ組の各前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の前記変換部のうち、Ｙ相の前記変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しないことを特徴とする電力変換装置を提供する。
本開示の電力変換装置においては、前記制御部は、前記条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ’）として前記駆動相数Ｘが、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組の組数で表せるときに、Ｚ組の各前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の前記変換部のうち、１相の前記変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しなくてもよい。
本開示の電力変換装置においては、各前記変換組に含まれる前記変換部の相数Ｎが２であってもよい。
本開示の電力変換装置においては、前記制御部は、条件ｎｏｔ（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数であるときに、Ｘ／Ｎ組の前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動し、残りの（Ｍ－Ｘ／Ｎ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しなくてもよい。
本開示の電力変換装置においては、前記制御部は、前記条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件ｎｏｔ（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表すことができないときに、前記変換部の駆動相数Ｘを当該駆動相数Ｘとは異なる駆動相数Ｘ’に変更してもよい。
本開示の電力変換装置においては、前記制御部は、前記変換部の駆動相数Ｘを、前記条件ｎｏｔ（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数である、又は、前記条件（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表せる、の少なくとも一方を満たすように選択してもよい。
本開示の電力変換装置によれば、各相に均等に電流を流すことができ、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる。
昇圧コンバータ及び周辺部品を有するシステムの回路構成の一例を示す図である。 燃料電池１０の出力電流値と昇圧コンバータ２０の効率との関係を、変換部の駆動相数毎に比較したグラフである。 駆動する相の組み合わせの一例を示す図である。 駆動相を決定する方法の一例を示すフローチャートである。
本開示においては、互いに並列に接続され電圧変換が可能な複数の変換部を備え、複数の当該変換部の各々がコイルを有する電力変換装置であって、
Ｎ（Ｎは２以上の自然数）相の前記変換部を含み、各当該変換部の各前記コイルが互いに磁気結合可能な変換組をＭ（Ｍは２以上の自然数）組有し、
前記変換部の駆動相数Ｘを、システム要求に応じて変更する制御部を有し、
前記制御部は、条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表せるときに、Ｚ組の各前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の前記変換部のうち、Ｙ相の前記変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しないことを特徴とする電力変換装置を提供する。
本開示によれば、出力およびそれに適した駆動相の数で、どの相で駆動するかを選択する際、磁気結合の変換組と非磁気結合の変換組とが混在しないようにすることで制御を簡素化することができる。
本開示の電力変換装置において選択される変換部は、すべて互いに磁気結合されていないか、又は、各変換組の同じ相数の変換部が磁気結合されている。そのため、本開示によれば、磁気結合の有無や磁気結合の程度の相違（例えば３相磁気結合と２相磁気結合とが混在する等）による電流の不均衡が生じないため、各相に均等に電流を流すことができる。また、駆動する相数がＮの倍数でなくてもよいため、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる。
本開示の電力変換装置は、少なくとも、変換部、変換組、及び、制御部を備える。
コンバータは、昇圧コンバータであってもよく、降圧コンバータであってもよく、昇降圧コンバータであってもよい。
本開示の電力変換装置は、変換部を複数相有し、複数相の当該変換部は、互いに並列に接続され、各々が１つのコイルを有する。当該コイルは任意のリアクトルのコアに巻回されていてもよい。
変換部は、電圧変換を行うための回路であり、コア及び当該コアに巻回されたコイルを含むリアクトルと、リアクトルに含まれるコアに巻回された１つのコイルへの電流の流れのオン又はオフを切り替えるためのスイッチ部と、ダイオード等を備え、必要に応じて、リアクトル又はコイルに流れる電流を検知する電流センサ等を備える。
リアクトルは、１つのコアと当該コアに巻回された１つ又は複数のコイルを有していてもよい。リアクトルの各コイルは各変換部の回路の構成の一部であってもよい。また、互いに磁気結合された各磁気結合変換部の各コイルは、１つのリアクトルのコアを共用していてもよい。コア及びコイルは特に限定されず、従来公知のリアクトルに用いられているコア及びコイルを採用してもよい。
スイッチ部は、スイッチング素子であってもよい。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ、及び、ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。
変換組は、複数の変換部のうちＮ（Ｎは２以上の自然数）相の変換部を含み、各当該変換部の各コイルが互いに磁気結合可能である。
本開示の電力変換装置において変換組は、Ｍ（Ｍは２以上の自然数）組有する。Ｍは２以上の自然数であれば特に限定されず、電力変換装置に要求される出力に応じて適宜設定してもよい。Ｍは、例えば、１００以下であってもよく、２０以下であってもよく、１５以下であってもよく、１０以下であってもよく、６以下であってもよく４以下であってもよく、３以下であってもよい。
各コイルが互いに磁気結合可能な状態とは、リアクトルのコアを複数のコイルが共有している状態である。
各コイルが互いに磁気結合されている状態とは、リアクトルのコアを複数のコイルが共有し、複数の当該コイルに電流が流れ、各コイルがそれぞれ電気的に接続されている状態を意味する。
一方、各コイルが互いに磁気結合されていない状態とは、リアクトルのコアを複数のコイルが共有していても、当該コアを共有する各コイルを有する変換部の組である変換組において、当該変換組に含まれる複数の当該変換部のうち１相の変換部のみ駆動している状態であってもよい。また、リアクトルのコアに１つのコイルのみが巻回され、当該リアクトルを有する変換部を駆動している状態であってもよい。
本開示においては、磁気結合された状態の変換部を磁気結合変換部と称する場合があり、磁気結合されていない状態の変換部を非磁気結合変換部と称する場合がある。
なお、本開示の電力変換装置が有する変換部のトータルの相数は、Ｎ×Ｍ相であってもよい。
図１は、昇圧コンバータ及び周辺部品を有するシステムの回路構成の一例を示す図である。
図１に示すシステムは、例えば車両に搭載され、外部負荷５０として車両の駆動用モータがインバータを介して接続されている。また、図示していないが、燃料電池１０及び昇圧コンバータ２０と並列して、バッテリーを備えていても良い。燃料電池１０の出力電力は、昇圧コンバータ２０により昇圧された後、さらにインバータにより直流から交流に変換され、モータに供給される。図１に示す昇圧コンバータ２０が本開示の電力変換装置に相当する。昇圧コンバータ２０は、互いに並列に接続された６相の昇圧回路（変換部）を備え、昇圧回路は、リアクトル２１、電流センサ２２、スイッチング素子２３、ダイオード２４、コンデンサ２５を備える。６相の昇圧回路のうち、２相ずつが１つのリアクトル２１のコアを共用し互いに磁気結合することができる。
燃料電池１０の出力電力は、車両の要求（速度、加速度、積載量、及び、道路の勾配等）によって大きく変化し、それに応じて出力電流も大きく変化する。燃料電池１０の出力電流が大きい場合、その電流を１つの昇圧回路に流すと、発熱が増大して電力変換効率が低下する。また、大電流に耐えうる昇圧回路に小さい電流しか流さない場合にも、損失が増大し電力変換効率が低下する。そこで、昇圧コンバータ２０は複数相の昇圧回路（図１に示す例では６相）を備え、燃料電池１０の出力電流の大小に応じて、電流が小さい場合には１相の昇圧回路、電流が大きい場合には複数相の昇圧回路に分割して電流を流す。これにより、広い電流域で効率よく昇圧することができる。
制御部は、駆動している変換部の相数である駆動相数Ｘをシステム要求に応じて変更する。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、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（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
制御部は、スイッチ部、電流センサ等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、スイッチ部と電気的に接続され、システム要求に応じてコンバータの出力電圧を制御し、車両等から要求される必要電圧を満たす。制御部は、例えば変換部のスイッチ部をオン又はオフに切り替え制御することで、変換部の駆動相数を制御してコンバータの出力電圧を制御する。
システム要求は、例えば、車両の速度、車両のアクセル開度、並びに、システム補機及び車両補機の負荷等の情報から得られるシステム全体の要求出力等であってもよい。
制御部は、条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ）として駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表せるときに、Ｚ組の各変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の変換部のうち、Ｙ相の変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての変換部を駆動しなくてもよい。
Ｙ相の変換部を駆動するとは、すなわち、変換組に含まれるＮ相の変換部のうちＮ相すべてを駆動するのではなく、Ｎ相の変換部のうちＹ相のみ駆動することを意味する。
また、ＹＺとは、ＹとＺの積であるＹｘＺを意味する。
なお、制御部は、条件（Ｃ）として駆動相数Ｘが１である場合は、任意の１相の変換部を駆動してもよい。
各変換組に含まれる変換部の相数Ｎは２以上の自然数であれば特に限定されず、２又は３であってもよく、２であってもよい。
Ｎが３以上の場合には条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす駆動相数の割合が減少し、使用できない駆動相数の割合が多くなるが、Ｎが２であることにより、変換部の全体の相数が２ｘＭ相ある場合に、条件（Ｃ）の１相駆動を含めるとＭ相以下の全ての相数での駆動が可能であり、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる。
また、各変換組に含まれる変換部の相数Ｎは２以上の自然数であれば互いに異なる相数であってもよく、同じ相数であってもよいが、制御を簡素化する観点から、全ての変換組に含まれる変換部の相数Ｎは同じであってよい。
以下、条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす場合の具体例をいくつか挙げるが、本開示は以下の具体例にのみ限定されず、条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす場合は、いずれも本開示の実施形態に含まれる。
まず、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組の例を示す。
例えば、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を４組有するコンバータにおいて、トータル８相の変換部のうち、３相の変換部のみを駆動する場合、Ｘが３、Ｎが２、Ｍが４、Ｙが１、Ｚが３、ＹＺが３であり、４組の変換組のうち３組の各変換組において各当該変換組に含まれる２相の変換部のうち、１相の変換部を駆動し、残りの１組の変換組の２相の変換部はいずれも駆動しない。つまり、４組の変換組のそれぞれで駆動される変換部の相数が、（１，１，１，０）、（１，１，０，１）、（１，０，１，１）、（０，１，１，１）のいずれかとなるように、駆動する相を選択する。
また、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を５組有するコンバータにおいて、トータル１０相の変換部のうち、３相の変換部のみを駆動する場合、Ｘが３、Ｎが２、Ｍが５、Ｙが１、Ｚが３、ＹＺが３であり、５組の変換組のうち３組の各変換組において各当該変換組に含まれる２相の変換部のうち、１相の変換部を駆動し、残りの２組の各変換組の２相の変換部はいずれも駆動しない。
さらに、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を５組有するコンバータにおいて、トータル１０相の変換部のうち、５相の変換部のみを駆動する場合、Ｘが５、Ｎが２、Ｍが５、Ｙが１、Ｚが５、ＹＺが５であり、５組の変換組において各当該変換組に含まれる２相の変換部のうち、１相の変換部を駆動する。なお、Ｎが２でＸが７以上の奇数である場合も同様の制御を行うことができる。
次に、３相以上の変換部が互いに磁気結合可能な変換組の例を以下に示す。
例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を２組有するコンバータにおいて、トータル６相の変換部のうち、２相の変換部のみを駆動する場合、Ｘが２、Ｎが３、Ｍが２、Ｙが１、Ｚが２、ＹＺが２であり、２組の変換組のそれぞれから１相ずつ変換部を駆動する。
仮に、Ｘが２であり、２相の変換部を駆動する場合に、２組の変換組のうちいずれか１組の２相の変換部だけ駆動し、他方の変換組はいずれの相の変換部も駆動しないことにすると、１相から３相まで変換部の駆動相数を変更する際に、一方の変換組は、１相の変換部のみ駆動、又は、２相の変換部のみ駆動（磁気結合）、又は、３相の変換部全部を駆動（磁気結合）のいずれかに切り替える制御を行うことになる。このような場合、それぞれのケース毎にフィードバックゲイン等の制御条件が異なるため、制御が複雑になる。
一方、本開示のように、２相の変換部を駆動する場合に、２組の変換組のそれぞれから１相ずつ変換部を駆動する場合には、１相のみ変換部を駆動するときと、制御条件が同じであるため、制御を簡素にすることができる。
ここで、４相の変換部のみを駆動する場合は、Ｘが４、Ｎが３、Ｍが２、Ｙが２、Ｚが２、ＹＺが４であり、２組の変換組のいずれも２相ずつ変換部を駆動する。
また、例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を４組有するコンバータにおいて、トータル１２相の変換部のうち、２相のみを駆動する場合、Ｘが２、Ｎが３、Ｍが４、Ｙが１、Ｚが２、ＹＺが２であり、４組の変換組のうち２組は１相ずつ変換部を駆動し、残りの２組はいずれの変換部も駆動しない。
また、４相の変換部のみ駆動する場合は、Ｘが４、Ｎが３、Ｍが４、Ｙが１又は２、Ｚが４又は２、ＹＺが４であり、４組の変換組のそれぞれから１相ずつ変換部が駆動されるか、又は、４組の変換組のうち２組は２相ずつ変換部を駆動し、残りの２組はいずれの変換部も駆動しない。
さらに、８相の変換部のみ駆動する場合は、Ｘが８、Ｎが３、Ｍが４、Ｙが２、Ｚが４、ＹＺが８であり、４組の変換組のそれぞれから２相ずつ変換部を駆動する。
これにより、例えば３相磁気結合と２相磁気結合とが混在する等による電流の不均衡が生じないため、各相に均等に電流を流すことができる。また、制御部がどの相で駆動するかを選択する際、変換組の中で、例えば２相だけを磁気結合駆動する場合と、３相を磁気結合駆動する場合とが混在していると、制御が複雑になるが、磁気結合の変換組と非磁気結合の変換組とが混在しないように駆動相を選択することで制御を簡素化することができる。さらに、駆動する相数がＮの倍数に限定されないため、広い電流域で高い電力変換効率を得ることができる。
制御部は、条件（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ’）として駆動相数Ｘが、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組の組数で表せるときに、Ｚ組の各変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の変換部のうち、１相の変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての変換部を駆動しなくてもよい。
条件（Ｂ’）は、条件（Ｂ）におけるＹが１の場合であり、条件（Ａ）及び条件（Ｂ’）を満たすことにより変換組の中で１相の変換部だけを非磁気結合で駆動する場合と、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たすことによりＮ相全部を磁気結合駆動する場合とのみを切り替える制御をすればよく、制御を簡素化することができる。例えばＮが３以上のときに、例えば変換組内で３相磁気結合と２相磁気結合とを切り替える必要がないため、制御を簡素にすることができる。
制御部は、条件ｎｏｔ（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数であるときに、Ｘ／Ｎ組の変換組において各当該変換組に含まれるＮ相すべての変換部を駆動し、残りの（Ｍ－Ｘ／Ｎ）組の変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての変換部を駆動しなくてもよい。
条件ｎｏｔ（Ａ）と条件（Ｂ）を同時に満たす場合は条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす場合の制御を行ってもよい。
以下、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす場合の具体例をいくつか挙げるが、本開示は以下の具体例にのみ限定されず、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす場合は、いずれも本開示の実施形態に含まれる。
例えば、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を２組有するコンバータにおいて、トータル４相の変換部のうち、２相のみを駆動する場合、Ｘが２、Ｎが２、Ｍが２であり、２組の変換組のうち１組の変換組に含まれる２相の変換部のうち、２相すべての変換部を駆動し、残りの１組の変換組に含まれる２相の変換部はいずれも駆動しない。
また、例えば、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル６相の変換部のうち、２相のみを駆動する場合、Ｘが２、Ｎが２、Ｍが３であり、３組の変換組のうち１組の変換組に含まれる２相の変換部のうち、２相すべての変換部を駆動し、残りの２組の変換組にそれぞれ含まれる２相の変換部はいずれも駆動しない。
また、例えば、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル６相の変換部のうち、４相のみを駆動する場合、Ｘが４、Ｎが２、Ｍが３であり、３組の変換組のうち２組の変換組にそれぞれ含まれる２相の変換部のうち、２相すべての変換部を駆動し、残りの１組の変換組に含まれる２相の変換部はいずれも駆動しない。
また、例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を２組有するコンバータにおいて、トータル６相の変換部のうち、３相のみを駆動する場合、Ｘが３、Ｎが３、Ｍが２であり、２組の変換組のうち１組の変換組に含まれる３相の変換部のうち、３相すべての変換部を駆動し、残りの１組の変換組に含まれる３相の変換部はいずれも駆動しない。
また、例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル９相の変換部のうち、６相のみを駆動する場合、Ｘが６、Ｎが３、Ｍが３であり、３組の変換組のうち２組の変換組にそれぞれ含まれる３相の変換部のうち、３相すべての変換部を駆動し、残りの１組の変換組に含まれる３相の変換部はいずれも駆動しない。
図２は、燃料電池１０の出力電流値と昇圧コンバータ２０の効率との関係を、変換部の駆動相数毎に比較したグラフである。
昇圧コンバータ２０は、駆動する変換部の相数によって高い効率を得られる電流域が異なる。例えば燃料電池からの出力電流値がα以上β未満の場合には、３相の変換部を駆動する場合に最も効率が良いため、３相の変換部を駆動してもよい。
ここで、本開示の場合、条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす場合には、図１に示すトータル６相のうち、駆動する３相の変換部は、それぞれ互いに磁気結合可能な（Ｕ－Ｖ相）、（Ｗ－Ｘ相）、（Ｙ－Ｚ相）の各変換組から１相ずつ変換部を選択して駆動する。
一方、特許文献１～２のように磁気結合されている相数の倍数でのみ運転する場合、２相ずつ変換部が磁気結合されている場合は、２の倍数の相数でしか運転できず、電流がα以上β未満の場合に効率が低下する。
したがって、本開示によれば、３相の変換部を駆動することができるため、出力電流がα以上β未満の範囲でも高い効率で昇圧できるとともに、駆動する３相の変換部は互いに磁気結合されていないため、それぞれに均等に電流を流すことができる。
なお、駆動する変換部の相数が２の倍数の場合には、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たすとして、特許文献１～２と同様に、各変換組の互いに磁気結合する変換部を２相ずつ駆動してもよい。この場合も、駆動する各相に均等に電流を流すことができる。
上述のように駆動する相を条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす場合と条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす場合とで制御を切り替えることで、図１に示すトータル６相のうち、条件（Ｃ）の１相駆動を含めると、１相、２相、３相、４相、又は、６相での駆動が可能となる。このとき、５相での駆動は除外されることになるが、例えば４相と６相のように駆動する相数が相対的に大きい場合、一般に両者の間の効率の凹みが小さいため、５相での駆動が除外されるとしても、効率の低下は低く抑えることができる。一方、２相と４相のように駆動する相数が相対的に小さい場合、両者の間の効率の凹みが大きくなるが３相での駆動が可能であるため効率の低下は低く抑えることができる。
図３は、駆動する相の組み合わせの一例を示す図である。
なお、駆動相を決定する際に、６相の変換部の中から駆動する３相を選択する場合に、位相差が１２０度ずつずれるように（各相の位相差が互いに均等になるように）選択してもよい。
例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相の６相の変換部を有するコンバータにおいて、Ｕ相とＶ相、Ｗ相とＸ相、Ｙ相とＺ相がそれぞれ磁気結合されている。ここで図３に示すように、Ｕ相を基準としてＶ相、Ｗ相、Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相の位相差がそれぞれ１８０度、６０度、２４０度、１２０度、３００度ずれて固定されている。なお、磁気結合されている相間の位相差は１８０度である。このとき、駆動する３相は、（Ｕ相、Ｘ相、Ｙ相）の組み合わせ（＝図３の二重丸の組み合わせ）又は（Ｖ相、Ｗ相、Ｚ相）の組み合わせ（＝図３の黒塗りひし形の組み合わせ）のいずれか一方を選択する。これにより、リップル電流を小さくして、コンデンサからの発熱を抑制することができる。また、上述のように各相の位相差を固定しているため、各相の位相差を途中で変更する必要がなく、制御プログラムを簡素にすることができる。
なお、６相の変換部のうち２相のみを駆動する場合は、（Ｕ相＋Ｖ相）、（Ｗ相＋Ｘ相）、（Ｙ相＋Ｚ相）の組み合わせの中から１つを選択する。この場合にいずれも、駆動する相の位相差は１８０度で均等のため、リップル電流が抑制されている。
また、６相の変換部のうち４相を駆動する場合には、各相の位相差を変更せずに（Ｕ相＋Ｖ相）、（Ｗ相＋Ｘ相）、（Ｙ相＋Ｚ相）の組み合わせの中から任意の２つの変換組を選択して駆動してもよい。
さらに、各相の位相差が９０度ずつになるように位相差を変更して、（Ｕ相＋Ｖ相）、（Ｗ相＋Ｘ相）、（Ｙ相＋Ｚ相）の組み合わせの中から任意の２つの変換組を選択して駆動してもよい。この場合にも、少なくとも相数が１～３相の範囲においては位相差を変更しなくてよいため、制御プログラムを簡素にすることができる。
なお、上述のいずれの場合であっても、駆動する相の互いの位相差は、均等又はこれに近くなるように分割されていてもよい。上述のいずれの場合であっても、駆動する変換部の相数Ｘが磁気結合された変換部の相数Ｎの倍数の場合には、磁気結合された相同士を駆動することと組み合わせて適用することができる。
図１～３に示す実施形態においては、特に変換部の駆動相数が小さい領域において、任意の相数で駆動することができるため、効率の低下を抑制できる。また、上述のように変換部を３相のみ駆動する場合には、それぞれの昇圧回路が磁気結合されていない昇圧回路を選択して駆動することができる。したがって、磁気結合の場合と非磁気結合の場合とでは、フィードバックゲイン等の制御条件を変更して、昇圧制御を実施することができる。
また、５相駆動の場合に、３相磁気結合と２相磁気結合とが混在すると、それぞれの電流波形が異なるため、リップル電流が増大する場合があるが、変換組間で駆動相数が異なることを避けることにより、リップル電流の増大を抑制することができる。さらに、磁気結合の相数が変わると、制御ソフトを変更する必要があり、制御を切り替える頻度が増加することにより、制御が複雑になるが、複数の変換組間で駆動相数が異なることを避けることにより、制御を簡素化することができる。また、制御の切替えのタイミングでのハンチング等の発生を抑制することができる。
制御部は、条件（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件ｎｏｔ（Ｂ）として駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表すことができないときに、変換部の駆動相数Ｘを当該駆動相数Ｘとは異なる駆動相数Ｘ’に変更してもよい。
駆動相数Ｘ’はＸよりも大きくしてもよいし、小さくしてもよい。
例えば、条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満たすように駆動相数Ｘ’をＸ＋１としてもよい。これでも条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満たさない場合は、さらに駆動相数Ｘ’をＸ＋２としてもよい。これを、条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満足するまで繰り返し行ってもよい。駆動相数Ｘ’をＸよりも大きくする理由は、駆動相数を増加させることにより、１相当たりの電流値が低下して、発熱量を減少させることができるためである。
なお、条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満たすように駆動相数Ｘ’をＸ－１としてもよい。これでも条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満たさない場合は、さらに駆動相数Ｘ’をＸ－２としてもよい。これを、条件ｎｏｔ（Ａ）又は条件（Ｂ）を満足するまで繰り返し行ってもよい。
また、制御部は、条件（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件ｎｏｔ（Ｂ）として駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表すことができず、且つ、条件ｎｏｔ（Ｃ）として駆動相数Ｘが１ではないときに、変換部の駆動相数Ｘを当該駆動相数Ｘとは異なる駆動相数Ｘ’に変更してもよい。
以下、条件（Ａ）及び条件ｎｏｔ（Ｂ）を満たす場合の具体例をいくつか挙げるが、本開示は以下の具体例にのみ限定されず、条件（Ａ）及び条件ｎｏｔ（Ｂ）を満たす場合は、いずれも本開示の実施形態に含まれる。
例えば、２相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル６相の変換部のうち、５相のみを駆動する場合、Ｘが５、Ｎが２、Ｍが３、Ｙが１、Ｚが２又は３、ＹＺが２又は３であり、ＸをＹＺで表すことができず、条件（Ｂ）を満たさないが、Ｘを５から６に変更することにより、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす。
また、例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル９相の変換部のうち、５相のみを駆動する場合、Ｘが５、Ｎが３、Ｍが３、Ｙが１又は２、Ｚが２、３、又は、４、ＹＺが２、３、４、６、又は、８であり、ＸをＹＺで表すことができず、条件（Ｂ）を満たさないが、Ｘを５から６に変更することにより、条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす。
また、例えば、３相の変換部が互いに磁気結合可能な変換組を３組有するコンバータにおいて、トータル９相の変換部のうち、７相のみを駆動する場合、Ｘが７、Ｎが３、Ｍが３、Ｙが１又は２、Ｚが２、３、又は、４、ＹＺが２、３、４、６、又は、８であり、ＸをＹＺで表すことができず、条件（Ｂ）を満たさないが、Ｘを７から８に変更することにより、条件（Ａ）及び条件（Ｂ）を満たす。
制御部は、変換部の駆動相数Ｘを、条件ｎｏｔ（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数である、又は、条件（Ｂ）として駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表せる、の少なくとも一方を満たすように選択してもよい。
また、制御部は、変換部の駆動相数Ｘを、条件ｎｏｔ（Ａ）として駆動相数Ｘが、Ｎの倍数である、又は、条件（Ｂ）として駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の変換組との積ＹＺで表せる、又は、条件（Ｃ）として駆動相数Ｘが１である、のいずれか１つの条件を満たすように選択してもよい。
これらにより、変換部の駆動相数Ｘを、駆動相数Ｘ’に変更する制御が不要となり制御を簡素化することができる。
図４は、駆動相を決定する方法の一例を示すフローチャートである。
図４のフローチャートで示されるプログラムは、燃料電池（ＦＣ）システムの起動中に所定の間隔毎に繰り返し実行されてもよい。
Ｓｔｅｐ１では、制御部は車両の速度、アクセル開度、ＦＣシステム補機及び車両補機の負荷等の情報から、ＦＣシステム全体の要求出力を取得する。ここで、ＦＣシステムは燃料電池スタック、及びバッテリーを含み、ＦＣシステム全体の要求出力は、両者の合計出力に相当する。バッテリーは、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知のバッテリーが挙げられる。また、バッテリーは、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。
Ｓｔｅｐ２では、制御部はバッテリーの充電状態値（ＳＯＣ）等を考慮し、システム全体のうち燃料電池が出力すべき要求出力を算出する。なお、充電状態値（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がＳＯＣ１００％である。
Ｓｔｅｐ３では、制御部は燃料電池の要求出力と燃料電池のＩ－Ｖ特性又はＩ－Ｐ特性を用いて、出力電流値を取得する。Ｉ－Ｖ特性又はＩ－Ｐ特性は、あらかじめＥＣＵに記憶されていてもよい。Ｉ－Ｖ特性又はＩ－Ｐ特性は、その時の燃料電池の状態（劣化状態及び乾湿等の運転条件等）に応じて、随時更新されるようにしてもよい。
Ｓｔｅｐ４では、制御部は昇圧コンバータの駆動相数Ｘを算出する。制御部は例えば図２に示す特性から駆動相数Ｘを決定してもよい。なお、電流値と駆動相数Ｘとの関係はＥＣＵにマップとして記録していてもよい。
Ｓｔｅｐ５では、制御部は駆動相数ＸがＮの倍数か否かを判定し、ＹＥＳ（条件ｎｏｔ（Ａ）を満たす）の場合はＳｔｅｐ６に、ＮＯ（条件（Ａ）を満たす）の場合はＳｔｅｐ７に進む。
Ｓｔｅｐ６では、制御部は（Ｘ／Ｎ）組の相をすべて駆動し、その他の（Ｍ－Ｘ／Ｎ）組の相はいずれも駆動せず、その後制御を終了する。
Ｓｔｅｐ７では、制御部はＸがＹＺで表すことができるか否かを判定し、ＹＥＳ（条件（Ｂ）を満たす）の場合はＳｔｅｐ８に、ＮＯ（条件ｎｏｔ（Ｂ）を満たす）の場合はＳｔｅｐ９に進む。
Ｓｔｅｐ８では、制御部はＺ組からＹ相ずつを駆動し、その他の（Ｍ－Ｚ）組の相はいずれも駆動せず、その後制御を終了する。
Ｓｔｅｐ９では、制御部はＸ以外の駆動相数Ｘ’を選択し、Ｓｔｅｐ５に戻る。
なお、Ｓｔｅｐ４において、制御部はＳｔｅｐ７でＮＯ（条件ｎｏｔ（Ｂ）を満たす）となるような駆動相数を選択しないようにしてもよい。例えば選択可能な駆動相数がマップ上に記憶されており、マップから駆動相数Ｘを選択する。この場合、Ｓｔｅｐ５でＮＯの場合に直ちにＳｔｅｐ８を実行することができＳｔｅｐ７及びＳｔｅｐ９が存在しなくなり、駆動相を決定するための時間を短縮できる。
１０：燃料電池
２０：昇圧コンバータ
２１：リアクトル
２２：電流センサ
２３：スイッチング素子
２４：ダイオード
２５：コンデンサ
５０：外部負荷

Claims (6)

  1. 互いに並列に接続され電圧変換が可能な複数の変換部を備え、複数の当該変換部の各々がコイルを有する電力変換装置であって、
    Ｎ（Ｎは２以上の自然数）相の前記変換部を含み、各当該変換部の各前記コイルが互いに磁気結合可能な変換組をＭ（Ｍは２以上の自然数）組有し、
    前記変換部の駆動相数Ｘを、システム要求に応じて変更する制御部を有し、
    前記制御部は、条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表せるときに、Ｚ組の各前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の前記変換部のうち、Ｙ相の前記変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しないことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御部は、前記条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件（Ｂ’）として前記駆動相数Ｘが、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組の組数で表せるときに、Ｚ組の各前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相の前記変換部のうち、１相の前記変換部を駆動させ、残りの（Ｍ－Ｚ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しない、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 各前記変換組に含まれる前記変換部の相数Ｎが２である、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、条件ｎｏｔ（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数であるときに、Ｘ／Ｎ組の前記変換組において各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動し、残りの（Ｍ－Ｘ／Ｎ）組の前記変換組の各当該変換組に含まれるＮ相すべての前記変換部を駆動しない、請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、前記条件（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数ではなく、且つ、条件ｎｏｔ（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表すことができないときに、前記変換部の駆動相数Ｘを当該駆動相数Ｘとは異なる駆動相数Ｘ’に変更する、請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、前記変換部の駆動相数Ｘを、前記条件ｎｏｔ（Ａ）として前記駆動相数Ｘが、Ｎの倍数である、又は、前記条件（Ｂ）として前記駆動相数Ｘが、Ｙ（ＹはＮ－１以下の自然数）相の前記変換部と、Ｚ（Ｚは２以上Ｍ以下の自然数）組の前記変換組との積ＹＺで表せる、の少なくとも一方を満たすように選択する、請求項１に記載の電力変換装置。
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