JP4538057B2 - Dc/dcコンバータ装置 - Google Patents

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Description

この発明は、2つの電力装置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、この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コンバータ装置に関する。より詳細には、前記制御部が、DC/DCコンバータによる電圧変換を行わずに前記2つの電力装置を直結させる直結制御を実行可能なDC/DCコンバータ装置に関する。

複数のスイッチング素子を用いて、昇圧処理及び降圧処理を行うDC/DCコンバータ装置が知られている(特許文献1)。特許文献1のDC/DCコンバータ装置は、昇圧処理及び降圧処理の両方を実行可能な相アーム(1つの上側スイッチング素子と1つの下側スイッチング素子を組み合わせたもの)を複数備え、各相アームの動作周期をずらして昇圧動作及び降圧動作を行っている(特許文献1の要約参照)。

また、DC/DCコンバータ装置を介して燃料電池と蓄電装置とを直結状態とし、スイッチング素子がスイッチングすることに伴う電力損失の増大を抑制する技術が知られている(特許文献2)。

特開2004−357388号公報 特開2005−348530号公報

上記のように、複数のスイッチング素子を用いて昇降圧処理を行う技術、及び燃料電池と蓄電装置とを直結状態とする技術が知られているものの、複数のスイッチング素子を有するDC/DCコンバータ装置を用いて燃料電池と蓄電装置との直結状態を実現する構成は公知となっていない。このため、仮にそのような直結状態を実現可能な構成に好適な制御も検討されていない。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、複数のスイッチング素子を備え、2つの電力装置の直結状態を好適に実現可能なDC/DCコンバータ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るDC/DCコンバータ装置は、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、を備えるものであって、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。

この発明によれば、直結制御において、複数のスイッチング素子の少なくとも1つに対して電圧変換を行わせない駆動信号(例えば、デューティ比100パーセントの駆動信号)を断続的に出力することができる。これにより、直結制御を行っている際、電圧変換を行わせない駆動信号が入力されないスイッチング素子には電流が流れない。従って、すべてのスイッチング素子に電圧変換を行わせない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スイッチング素子での発熱を抑制可能である。スイッチング素子のオン抵抗(電流が流れているときの抵抗)は、各スイッチング素子により異なることが通常である。このため、すべてのスイッチング素子に電圧変換を行わせない駆動信号を連続的に入力する場合、オン抵抗が低いスイッチング素子により大きな電流が流れ、当該スイッチング素子に発熱が集中してしまう。この発明によれば、例えば、オン抵抗の低いスイッチング素子や相対的に温度が高くなっているスイッチング素子に対し、駆動信号の入力を断続的に行うことで、当該スイッチング素子に発熱が集中することを回避することができる。さらに、駆動信号の入力にかかわらず、スイッチング素子に電流が流れない場合であっても、制御部から駆動信号を断続的に出力可能となることにより、制御部による直結制御の自由度を向上することができる。

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してもよい。これにより、すべてのスイッチング素子において、駆動信号が入力されないスイッチング周期が確保され、当該スイッチング周期では当該スイッチング素子に電流が流れず、電流を流すこと(以下、「通流」とも称する。)に伴う発熱を抑制することができる。従って、各スイッチング素子の温度を低く維持することができる。

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もできる。これにより、駆動される1つのスイッチング素子のみが通流に伴って発熱し、その他のスイッチング素子は、通流に伴う発熱を抑制することができる。その結果、各スイッチング素子の発熱時間を減少させ、放熱時間をより多く取ることが可能となり、放熱作用を高めることができる。

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ができる。これにより、各スイッチング素子において発熱時間の分散化を図ることができ、発熱の集中を回避することができる。

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してもよい。これにより、昇圧制御、降圧制御及び直結制御の間に共通性が生じ、昇圧制御又は降圧制御から直結制御への移行及び直結制御から昇圧制御又は降圧制御への移行が容易になる。

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してもよい。これにより、各スイッチング素子を切り替えながら、スムーズに通流させることができる。

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が好ましい。これにより、放熱設計を簡素化することができる。

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が好ましい。これにより、直結制御を継続しつつ、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ることができる。従って、DC/DCコンバータ装置の信頼性を向上させることができる。

前記第1電力装置を蓄電装置とし、前記第2電力装置を発電装置とし、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ができる。この構成では、直結制御において、スイッチング周期単位で断続的に駆動信号が入力されたスイッチング素子での発熱を抑制可能であるため、発電装置から蓄電装置へと充電電流が流れることに伴う発熱により当該スイッチング素子が破損することを防止できる。従って、当該破損により発電装置から蓄電装置への充電が遮断されることを回避可能となり、良好に蓄電装置を充電することができる。

この発明によれば、直結制御において、複数のスイッチング素子の少なくとも1つに対して電圧変換を行わせない駆動信号(例えば、デューティ比100パーセントの駆動信号)を断続的に出力することができる。これにより、直結制御を行っている際、電圧変換を行わせない駆動信号が入力されないスイッチング素子には電流が流れない。従って、すべてのスイッチング素子に電圧変換を行わせない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スイッチング素子での発熱を抑制可能である。スイッチング素子のオン抵抗(電流が流れているときの抵抗)は、各スイッチング素子により異なることが通常である。このため、すべてのスイッチング素子に電圧変換を行わせない駆動信号を連続的に入力する場合、オン抵抗が低いスイッチング素子により大きな電流が流れ、当該スイッチング素子に熱が集中してしまう。この発明によれば、例えば、オン抵抗の低いスイッチング素子や相対的に温度が高くなっているスイッチング素子に対し、駆動信号の入力を断続的に行うことで、当該スイッチング素子に発熱が集中することを回避することができる。さらに、駆動信号の入力にかかわらず、スイッチング素子に電流が流れない場合であっても、制御部から駆動信号を断続的に出力可能となることにより、制御部による直結制御の自由度を向上することができる。

A.一実施形態
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.燃料電池車両20の構成
(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。

(2)燃料電池22
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。

(3)バッテリ24
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。

バッテリ24は、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の補機44にダウンバータ42を通じて補機電流Iauを供給するとともに、VCU23のDC/DCコンバータ36を通じてインバータ34にモータ電流Imを供給する。

(4)インバータ34、ダウンバータ42
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。

この場合、回生電圧又は燃料電池22の発電電圧Vfである2次電圧V2がDC/DCコンバータ36により低電圧に変換された1次電圧V1は、バッテリ電流Ibatとしてバッテリ24を充電するとともに、ダウンバータ42により降圧されてさらに低電圧とされ、補機44に補機電流Iauとして供給される。

(5)VCU23
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。

DC/DCコンバータ36は、バッテリ24(第1電力装置)と第2電力装置{燃料電池22又は回生電源(インバータ34とモータ26)}との間に、それぞれIGBT等のスイッチング素子からなる上アーム素子81{81u、81v、81w(81u〜81w)}と、下アーム素子82{82u、82v、82w(82u〜82w)}とからなる3つの相アーム{U相アームUA(81u、82u)、V相アームVA(81v、82v)、W相アームWA(81w、82w)}が並列的に接続された3相アームとして構成されている。

各アーム素子81u、81v、81w、82u、82v、82wには、それぞれ、逆方向にダイオード83u、83v、83w、84u、84v、84wが接続されている。

理解の便宜等を考慮し、この発明においては、上アーム素子81及び下アーム素子82には逆並列ダイオード83、84が含まれないものとする。

DC/DCコンバータ36により1次電圧V1と2次電圧V2との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する1個のリアクトル90が、3相アームの各相のアーム(U相アームUA、V相アームVA、W相アームWA)の中点の共通接続点とバッテリ24との間に挿入されている。

上アーム素子81(81u〜81w)は、コンバータ制御部54から出力されるゲートの駆動信号(駆動電圧)UH、VH、WH(のハイレベル)によりそれぞれ駆動され、下アーム素子82(82u〜82w)は、ゲートの駆動信号(駆動電圧)UL、VL、WL(のハイレベル)によりそれぞれ駆動される。

各アーム素子81u〜81w、82u〜82wには、温度センサ69が取り付けられ、各温度センサ69及び各アーム素子81u〜81w、82u〜82wのゲート端子は、コンバータ制御部54に接続されている。なお、図1では、各温度センサ69とコンバータ制御部54との接続は省略されている。

図2A、図2Bに示すように、各アーム素子81u〜81w、82u〜82wは、金属製の放熱板(ヒートスプレッダ)11上に固定された、いわゆる6in1モジュール13とされている。各アーム素子81u〜81w、82u〜82wには、温度センサ69が取り付けられ、各温度センサ69及び各アーム素子81u〜81w、82u〜82wのゲート端子は、コンバータ制御部54に接続されている。なお、各アーム素子81u〜81w、82u〜82wと対になっているダイオード83u〜83w、84u〜84wについては図示を省略している。

コンバータ制御部54は、DC/DCコンバータ36の動作を制御する。制御の方法については後述する。

(6)コンデンサ38、39、抵抗器40
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。

(7)各種制御部(FC制御部50、モータ制御部52、コンバータ制御部54、統括制御部56)
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。

そして、これらFC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、上位の制御部であり燃料電池22の総負荷量Lt等の値を決定する統括制御部56により制御される。

統括制御部56は、燃料電池22の状態、バッテリ24の状態、モータ26の状態、及び補機44の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定した燃料電池車両20の総負荷要求量Ltから、燃料電池22が負担すべき燃料電池分担負荷量(要求出力)Lfと、バッテリ24が負担すべきバッテリ分担負荷量(要求出力)Lbと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Lrの配分(分担)を調停しながら決定し、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54に指令を送出する。

統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、それぞれCPU、ROM、RAM、タイマの他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてDSP(Digital Signal Processor)等を有している。

統括制御部56、FC制御部50、モータ制御部52、及びコンバータ制御部54は、車内LANであるCAN(Controller Area Network)等の通信線70を通じて相互に接続され、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各CPUが各ROMに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

(8)各種スイッチ、各種センサ
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。

2.各種制御/処理
(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。

上述したように、統括制御部56は、燃料電池22の状態、バッテリ24の状態、モータ26の状態、及び補機44の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力(負荷要求)に基づき決定した燃料電池車両20の総負荷要求量Ltから、燃料電池22が負担すべき燃料電池分担負荷量(要求出力)Lfと、バッテリ24が負担すべきバッテリ分担負荷量(要求出力)Lbと、回生電源が負担すべき回生電源分担負荷量Lrの配分(分担)を調停しながら決定し、FC制御部50、モータ制御部52及びコンバータ制御部54に指令を送出する。

ステップS1において、統括制御部56により、それぞれが負荷要求であるモータ26の電力要求と補機44の電力要求とエアコンプレッサ30の電力要求から総負荷要求量Ltが決定(算出)されると、ステップS2において、統括制御部56は、決定した総負荷要求量Ltを出力するための燃料電池分担負荷量Lfと、バッテリ分担負荷量Lbと、回生電源分担負荷量Lrの配分を決定する。ここで、燃料電池分担負荷量Lfを決定する場合、燃料電池22の効率η(図4)が考慮される。

次いで、ステップS3において、コンバータ制御部54により、燃料電池分担負荷量Lfに応じて燃料電池22の発電電圧Vf、ここでは、2次電圧V2が決定される。

2次電圧V2が決定されると、ステップS4において、コンバータ制御部54は、決定した2次電圧V2となるようにDC/DCコンバータ36を駆動制御する。そして、DC/DCコンバータ36は、昇圧動作、降圧動作等を行う(詳細は後述する。)。

2次電圧V2及び1次電圧V1は、コンバータ制御部54によりDC/DCコンバータ36をフィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせたPID制御により制御される。

(2)燃料電池22の出力制御
次に、VCU23による燃料電池22の出力制御について説明する。

水素タンク28からの燃料ガス及びエアコンプレッサ30からの圧縮空気が供給されている発電時に、燃料電池22の発電電流Ifは、図4に示した特性91{関数F(Vf)という。}上で2次電圧V2、すなわち発電電圧Vfをコンバータ制御部54によりDC/DCコンバータ36を通じて設定することにより決定される。つまり、発電電流Ifは、発電電圧Vfの関数F(Vf)値として決定される。If=F(Vf)であり、例えば発電電圧VfをVf=Vfa=V2と設定すれば、その発電電圧Vfa(V2)の関数値としての発電電流Ifaが決定される。{Ifa=F(Vfa)=F(V2)}。

このように燃料電池22は二次電圧V2(発電電圧Vf)を決定することにより発電電流Ifが決定されるので、燃料電池車両20を駆動制御する際には、2次電圧V2(発電電圧Vf)が目標電圧(目標値)に設定される。

燃料電池車両20等燃料電池22を含むシステムでは、基本的に、DC/DCコンバータ36の2次側2Sの2次電圧V2が目標電圧となるようにVCU23が制御され、このVCU23により燃料電池22の出力(発電電流If)が制御される。

(3)DC/DCコンバータ36のスイッチング制御
(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。

(b)同期スイッチング処理
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。

また、上アーム素子駆動時間T1と下アーム素子駆動時間T2との間には、上アーム素子81u〜81wと下アーム素子82u〜82wとを同時に駆動して2次電圧V2が短絡することを防止するためのデッドタイムdtが配置されている。

同期スイッチング処理では、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ものの、1次側1Sと2次側2Sの間の電位差の関係上、通常は、その一方のみしかオンしない(通流しない)。

なお、本実施形態では、コンバータ制御部54における各駆動信号UH、UL、VH、VL、WH、WLの生成及び出力において、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)方式とパルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)方式を選択的に用いることができる。

PWM方式は、スイッチング周波数Fsw[Hz](実質的にスイッチング周期Tsw[μs]と同義である。)を固定し、上アーム素子駆動時間T1、下アーム素子駆動時間T2、及び必要に応じて2つのデッドタイムdtの長さを変化させて上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wの駆動を制御することにより、DC/DCコンバータ36の昇降圧動作を制御する。

PFM方式は、上アーム素子駆動時間T1又は下アーム素子駆動時間T2のいずれか一方の長さを固定し、スイッチング周期Tswを変化させて上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wのオン/オフ動作を制御することにより、DC/DCコンバータ36の昇降圧動作を制御する。

(c)降圧チョッパ制御
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。

上アーム素子81u〜81wが通流する場合、2次側2Sから1次側1Sへと2次電流が供給され{シンク(sink)するという。}、いわゆる降圧チョッパ制御により降圧動作が実行される。例えば、図5の時点t1〜t2の間で上アーム素子81uがオンすると、リアクトル90にコンデンサ39から出力される2次電流I2によりエネルギを蓄積するとともにコンデンサ38からバッテリ24及び補機44に1次電流I1が供給される。次いで、ダイオード84u〜84wがフライホイールダイオードとして導通し、リアクトル90からエネルギが放出され、コンデンサ38にエネルギを蓄積するとともにバッテリ24及び補機44に1次電流I1が供給される。次に、時点t5〜t6の間では、上アーム素子81vがオンし、上記と同様に2次電流I2をバッテリ24や補機44側にシンクする。このように、本実施形態では、3つの上アーム素子81u〜81wがローテーションしながらオンされる(このような動作を「ローテーションスイッチング」とも称する。)。

回生電圧が存在する場合、この降圧動作時に回生電源分担負荷量Lrが、シンクされる2次電流I2に加算される。この降圧動作における上アーム素子81u〜81w及び下アーム素子82u〜82wの駆動時間も、出力電圧V2が保持されるように決定される。

図5の下側には、VCU23の降圧制御時の1次電流I1のタイミングチャートが示されている。

図5中、リアクトル90に流れる1次電流I1の符号は、1次側1Sから2次側2Sへ流れる昇圧時電流(DC/DCコンバータ23の2次側2Sからインバータ34へ流れ出すソース電流)を正(+)、2次側2Sから1次側1Sへ流れる降圧時電流(燃料電池22又はインバータ34から2次側2Sへ流れ込むシンク電流)を負(−)に取っている。このことは、後述する図6〜図8でも同様である。

(d)昇圧チョッパ制御
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。

下アーム素子82u〜82wが通流する場合、1次側1Sから2次側2Sへと電流が流れ、いわゆる昇圧チョッパ制御により昇圧動作が実行される。例えば、図6の時点t13〜t14の間で下アーム素子82uがオンすると、リアクトル90にバッテリ電流Ibatから補機電流Iauを差し引いた1次電流I1によりエネルギを蓄積すると同時に、コンデンサ39から2次電流I2をインバータ34側に供給する{ソース(source)するという。}。次いで、整流ダイオードとして機能するダイオード83u〜83wが導通し、リアクトル90からエネルギが放出され、コンデンサ39にエネルギを蓄積するとともに、2次電流I2としてインバータ34へソースする。次に、時点t17〜t18の間では、下アーム素子82vがオンし、上記と同様に2次電流I2をインバータ34側にソースする。3つの上アーム素子81u〜81wと同様、3つの下アーム素子82u〜82wもローテーションスイッチングを行う。

なお、上アーム素子駆動時間T1(上アーム素子81u〜81wを駆動する時間)及び下アーム素子駆動時間T2(下アーム素子82u〜82wを駆動する時間)は、出力電圧V2が保持されるように決定される。

(e)直結制御
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。

直結制御には、ダイオード83u〜83wがオンし、1次側1S(バッテリ24)から2次側2S(モータ26)に電流を流す場合(以下、「第1直結制御」という。)と、上アーム素子81u〜81wがオンし、2次側2S(モータ26、燃料電池22)から1次側1S(バッテリ24)に電流を流す場合(以下、「第2直結制御」という。)とがある。図7には、第1直結制御の場合のタイミングチャートが示され、図8には、第2直結制御の場合のタイミングチャートが示されている。

第1直結制御は、例えば、モータ26に高出力を供給するために用いられ、DC/DCコンバータ36の2次側2Sから2次電流I2をインバータ34にソースする。図4に示すように、燃料電池出力特性(電流電圧特性)91は、発電電圧Vfが、燃料電池22の発電電圧Vfの最低電圧Vfminに近づくに連れて大量の電流を供給可能となる。一方、1次電圧V1は、燃料電池22の発電電圧Vfの最低電圧Vfminより高い電圧に設定されている。このため、1次側1Sと2次側2Sを直結状態としたときに、燃料電池22の発電電流Ifを最大化し、その結果、モータ26に高出力を供給することができる。

第2直結制御は、例えば、モータ26による回生処理のとき、燃料電池22によるモータ26の駆動及びバッテリ24の充電のとき、燃料電池22がアイドル停止処理のときに用いられる。モータ26による回生処理のときには、モータ26が発生させた回生電力がDC/DCコンバータ36を介してバッテリ24に供給され、これによりバッテリ24が充電される。燃料電池22によるモータ26の駆動及びバッテリ24の充電のときには、燃料電池22からの電力によりモータ26が駆動されると共に、バッテリ24が充電される。アイドル停止処理は、アイドル停止時に、燃料電池22の発電電圧Vf(発電電流If)によるバッテリ24への充電への電力供給を介して燃料電池22をディスチャージする処理である。なお、アイドル停止は、イグニッションスイッチ65(図1)がオンの状態においてエアコンプレッサ30の駆動や、水素タンク28からの燃料ガスの供給を停止することを示す。また、第2直結制御では、バッテリ24への充電に加え、補機44への電力供給を行うこともできる。

図7及び図8に示したように、本実施形態では、第1直結制御及び第2直結制御においても、ローテーションスイッチングが行われる。すなわち、U相→V相→W相→U相→・・・の順に駆動信号UH、VH、WHを出力する。

図9は、第2直結制御により3相アームをU相オン→V相オン→W相オン→U相オン…とローテーションしてスイッチングしたときの各上アーム素子81u〜81wの放熱状態の模式図を示す。図10には、比較例として、すべての相アームを連続的にオンしたときの各アーム素子81u〜81wの放熱状態の模式図を示す。

図9から分かるように、ローテーションスイッチングでは、スイッチング周期Tsw毎に1つの上アーム素子81のみをオンするようにしているので、ハッチングで示す放熱経路から理解されるように、図10にダブルハッチングで示したような重なり部分(放熱板11の表面積をオーバーラップして使用する部分)が発生しないことから放熱性が向上する。その結果、6in1モジュール13の小型・軽量化が図れる。

また、各上アーム素子81u〜81w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81u〜81wにより異なることが通常である。このため、図10のように、すべての上アーム素子81u〜81wにデューティ比100%の駆動信号UH、VH、WH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。

3.本実施形態の効果
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。

コンバータ制御部54は、直結制御において、複数の上アーム素子81すべてに対して駆動信号UH、VH、WHを断続的に出力する。これにより、すべての上アーム素子81において、駆動信号UH、VH、WHが入力されないスイッチング周期Tswが確保され、当該スイッチング周期Tswでは当該上アーム素子81に電流が流れず、通流に伴う発熱を抑制することができる。従って、各上アーム素子81の温度を低く維持することができる。

コンバータ制御部54は、直結制御において、各スイッチング周期Tswで1つの上アーム素子81にのみ駆動信号UH、VH、WHを出力する。これにより、駆動される1つの上アーム素子81のみが通流に伴って発熱し、その他の上アーム素子81は、通流に伴う発熱を抑制することができる。その結果、各上アーム素子81の発熱時間を減少させ、放熱時間をより多く取ることが可能となり、放熱作用を高めることができる。

コンバータ制御部54は、直結制御において、複数の上アーム素子81に対して固定された順番で駆動信号UH、VH、WHを出力する。これにより、各上アーム素子81において発熱時間の分散化を図ることができ、発熱の集中を回避することができる。

DC/DCコンバータ36は、昇圧チョッパ動作及び降圧チョッパ動作が可能であり、コンバータ制御部54は、DC/DCコンバータ36に昇圧チョッパ動作を行わせる昇圧チョッパ制御及び降圧チョッパ動作を行わせる降圧チョッパ制御が可能であり、昇圧チョッパ制御、降圧チョッパ制御及び直結制御のいずれにおいても、複数の上アーム素子82に対して駆動信号UH、VH、WHを同じ順番で出力する。これにより、昇圧チョッパ制御、降圧チョッパ制御及び直結制御の間に共通性が生じ、昇圧チョッパ制御又は降圧チョッパ制御から直結制御への移行及び直結制御から昇圧チョッパ制御又は降圧チョッパ制御への移行が容易になる。

コンバータ制御部54は、直結制御において、1つの上アーム素子81に対する駆動信号UH、VH、WHの出力を停止するのと同時に、他の上アーム素子81に対する駆動信号UH、VH、WHの出力を開始する(図7及び図8参照)。これにより、各上アーム素子81を切り替えながら、スムーズに通流させることができる。

複数の上アーム素子81が共通の放熱板11上に固定されている。これにより、放熱設計を簡素化することができる。

コンバータ制御部54が第2直結制御を行っているとき、燃料電池22又はモータ26で発電した電力によりバッテリ24を充電する。この構成では、第2直結制御において、スイッチング周期Tsw単位で断続的に駆動信号UH、VH、WHが入力された上アーム素子81での発熱を抑制可能であるため、燃料電池22又はモータ26からバッテリへと24へと充電電流が流れることに伴う発熱により当該上アーム素子81が破損することを防止できる。従って、当該破損により燃料電池22又はモータ26からバッテリ24への充電が遮断されることを回避可能となり、良好にバッテリ24を充電することができる。

B.変形例
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。

(1)VCU23の搭載対象
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。

(2)相アームUA、VA、WA
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。

(3)スイッチング制御
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。

(4)直結処理時のスイッチング処理
(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。

(b)駆動信号を出力しない上アーム素子81
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。

また、温度センサ69で検出した温度が最も低い上アーム素子81に対して選択的にデューティ比100%の駆動信号を出力する構成も可能である。

さらに、図14に示すように、上アーム素子81uに対して駆動信号UHを出力せず、上アーム素子81vに対し、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VHを連続的に出力し、上アーム素子81wに対してデューティ比100%の駆動信号WHを1スイッチング周期Tswおきに出力することもできる。

(c)駆動信号の長さ及び出現間隔
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。

(d)駆動信号を出力する順番
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。

(5)その他
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。

上記実施形態では、直結制御のみならず、降圧チョッパ制御及び昇圧チョッパ制御においてもローテーションスイッチングを行ったが、図16に示すように、直結制御の場合のみローテーションスイッチングを行うこともできる。

この発明の一実施形態に係るDC/DCコンバータ装置を搭載した燃料電池車両の回路図である。 図2Aは放熱板に対する上下アーム素子の配置説明平面図、図2Bはその側面図である。 燃料電池車両に搭載されたDC/DCコンバータの基本制御のフローチャートである。 燃料電池の電流電圧特性の説明図である。 DC/DCコンバータの降圧動作の動作説明に供されるタイミングチャートである。 DC/DCコンバータの昇圧動作の動作説明に供されるタイミングチャートである。 DC/DCコンバータの第1直結処理の動作説明に供されるタイミングチャートである。 DC/DCコンバータの第2直結処理の動作説明に供されるタイミングチャートである。 3相アームをU相オン→V相オン→W相オン→U相オン…とローテーションしてスイッチングしたときの放熱状態の模式図である。 スイッチング素子が同時オン状態での熱伝達の説明図である。 駆動信号の出力波形の第1変形例を示す図である。 駆動信号の出力波形の第2変形例を示す図である。 駆動信号の出力波形の第3変形例を示す図である。 駆動信号の出力波形の第4変形例を示す図である。 駆動信号の出力波形の第5変形例を示す図である。 駆動信号の出力波形の第6変形例を示す図である。

符号の説明

11…放熱板 20…燃料電池車両
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 (11)

  1. 第1電力装置と第2電力装置との間に並列に接続されそれぞれが上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子を備える複数の相アームを有するDC/DCコンバータと、
    前記複数の相アーム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、前記上アーム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で、ある相アームの上アームスイッチング素子に流れている電流を、スイッチング周期の切替りと共に他の相アームの上アームスイッチング素子に流れるように各相アームの上アームスイッチング素子の断続を制御する
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
  2. 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、前記複数の相アームの上アーム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。
  3. 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つの上アーム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。
  4. 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、前記上アーム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。
  5. 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、前記上アーム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。
  6. 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つの上アーム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、他の上アーム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。
  7. 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、
    前記複数の相アームの上アームスイッチング素子及び下アーム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。
  8. 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、前記複数の相アームの上アームスイッチング素子及び下アーム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上アームスイッチング素子又は下アーム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上アームスイッチング素子又は下アーム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。
  9. 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。
  10. 請求項1〜9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2電力装置は、燃料電池と走行用のモータであり、
    前記DC/DCコンバータ装置は、車両に搭載されている
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
  11. 請求項10記載のDC/DCコンバータ装置において、
    前記車両の回生時には、前記燃料電池の発電電力及び前記モータの回生電力が、前記DC/DCコンバータを介して前記蓄電装置に充電され、
    前記車両の力行時には、前記燃料電池の発電電力及び前記蓄電装置の電力が前記DC/DCコンバータを介して前記モータに供給される
    ことを特徴とするDC/DCコンバータ装置。
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