JP5687431B2 - 電源回路及び電源システム - Google Patents
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Description
1.定義
2.電源システムを搭載した車両の構成例
3.電源回路の構成例
4.電源回路の動作例
5.電源回路の制御の一例
6.まとめ
7.補足
まず、本明細書における用語を以下のとおり定義する。
図1は、本発明の一実施形態に係る電源システム10及び当該電源システム10を搭載した車両1の構成例を模式的に示す図である。
車両1は、駆動輪2を駆動するモータ16、電子制御ユニット(ECU)20、及びアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ21等を備えて構成される。アクセルペダルセンサ21は、ECU20に電気的に接続されており、例えば、ECU20は、検出したアクセスペダルの開度に応じてモータ16(駆動輪2)の回転速度を制御可能に構成される。
燃料電池システム10は、前記燃料電池(FC)11のほか、非限定的な一例として、FC昇圧コンバータ12、バッテリ13、バッテリ昇圧コンバータ14、及びインバータ15等を備える。
FC11は、電気化学反応を利用して発電する装置である。FC11には、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、またはアルカリ電解質型等の種々のタイプの燃料電池を適用可能である。FC11が発電した電力は、車両1の駆動輪2を駆動するモータ16の駆動電力や、バッテリ13の充電に用いられる。
バッテリ13は、充放電可能な二次電池であり、リチウムイオン、ニッケル水素、またはニッケルカドミウム等の種々のタイプの二次電池を適用可能である。バッテリ13は、車両1やFC11の運転時に使用される種々の電気機器に電力を供給することができる。ここでいう電気機器には、例えば、車両1の照明機器、空調機器、油圧ポンプ、FC11の燃料ガスや改質原料を供給するポンプ、または改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
FC11からインバータ15に至る電気経路には、FC昇圧コンバータ12が設けられている。FC昇圧コンバータ12は、入力の直流(DC)電圧を昇圧するDC−DCコンバータであり、FC11で発生したDC電圧を変換可能な範囲で所定のDC電圧に変換(例えば昇圧)して、インバータ15に印加することができる。このようにFC11の電圧をFC昇圧コンバータによって昇圧することにより、FC11の出力電圧が低くても、モータ16の駆動に要する高い電圧を確保することが可能となる。
一方、バッテリ13からインバータ15に至る電気経路には、バッテリ昇圧コンバータ14が、FC昇圧コンバータ12とインバータ15との間の電気経路に対して並列に接続されている。当該バッテリ昇圧コンバータ14も、DC−DCコンバータであり、バッテリ13又はインバータ15から印加されたDC電圧を変換可能な範囲で所定のDC電圧に変換することができる。
インバータ15は、FC11からFC昇圧コンバータ12を介して、また、バッテリ13からバッテリ昇圧コンバータ14を介して、DC電圧の入力を受け、当該入力DC電圧を交流(AC)電圧に変換し、これをモータ16の駆動電圧として供給する。その際、ECU20は、要求動力に応じたAC電圧がモータ16に供給されるよう、インバータ15のスイッチング動作を制御する。
ECU20は、既述の制御のほか、車両1及び燃料電池システム10の動作(運転)を統括的に制御する。ECU20は、例示的に、演算処理装置の一例としてのCPU、記憶装置の一例としてのRAM、ROM等を備えたマイクロコンピュータとして実現できる。ECU20は、モータ16や燃料電池システム10の各要素、種々のセンサ群と電気的に接続され、各種センサ値の受信、演算処理、指令(制御信号)の送信等を適宜に実施する。センサ群には、アクセルペダルセンサ21のほか、例示的に、バッテリ13の充電状態(SOC:State Of Charge)を検出するSOCセンサ、及び車速(モータ16の回転数)を検出する車速センサ等が含まれ得る。また、ECU20はFC昇圧コンバータ12におけるスイッチング動作などを制御可能に構成されている。
次に、本実施形態における電源回路の一例であるFC昇圧コンバータ12について説明する。図2は、当該FC昇圧コンバータ12の具体的な構成例を示す図である。図2に示すFC昇圧コンバータ12は、主回路12a及び補助回路12bを備え、直流電源としてのFC11から電圧を入力され、インバータ15(モータ16)側へ電圧を出力するよう構成される。
主回路12aは、メインスイッチS1及び逆並列ダイオードD4を含むスイッチ回路、リアクトル(コイル)L1、出力ダイオードD5、入力コンデンサC1、及び出力コンデンサC3を備える。主回路12aにおいて、リアクトルL1は、FC11の高電位側に接続された電源電位ノードと、負荷であるインバータ15(モータ16)に接続された出力電圧ノードとの間に接続される。出力ダイオードD5は、リアクトルL1と直列に接続され、そのアノードはリアクトルL1に、カソードは出力電位ノードに接続される。メインスイッチS1は、出力ダイオードD5のアノード及びリアクトルL1の接続点と、FC11の低電位側に接続された接地電位(GND)との間に接続される。また、出力ダイオードD5のアノードとFC11の低電位側に接続された接地電位との間には、メインスイッチS1と並列に逆並列ダイオードD4が接続される。ここで、逆並列ダイオードD4のアノードは接地電位側に、カソードは出力ダイオードD5のアノードに接続される。入力コンデンサC1は、電源電位ノードと接地電位ノードとの間に接続される。当該入力コンデンサC1は、その両端に印加される入力電圧(電源電圧)を平滑化してリプルを低減する。出力コンデンサC3は、出力電位ノードと接地電位ノードとの間に接続される。当該出力コンデンサC3は、電源回路12からの出力電圧を平滑化して変動を低減する。
補助回路12bは、回生ダイオードD3、リアクトル(コイル)L2、スナバ逆流防止ダイオードD2、補助スイッチS2及び逆並列ダイオードD1を含むスイッチ回路、並びに共振コンデンサC2を備える。補助回路12bにおいて、出力ダイオードD5のアノード及びリアクトルL1の接続点と入力電圧ノードとの間には、回生ダイオードD3、リアクトルL2、スナバ逆流防止ダイオードD2、及び補助スイッチS2が、順に、直列に接続される。また、逆並列ダイオードD1は、補助スイッチS2と並列に接続され、カソードがスナバ逆流防止ダイオードD2のカソードに、アノードが電源電位ノードに接続される。回生ダイオードD3は、アノードが出力ダイオードD5のアノードとリアクトルL1との接続点に、カソードがリアクトルL2及び共振コンデンサC2のそれぞれの一方の電極と接続される。スナバ逆流防止ダイオードD2は、アノードがリアクトルL2と、カソードが補助スイッチS2の一方の電極及び逆並列ダイオードD1のカソードと接続される。共振コンデンサC2は、回生ダイオードD3のカソード及びリアクトルL2の一方の電極と接地電位ノードとの間に接続される。なお、リアクトルL2、及び補助スイッチS2と逆並列ダイオードD1とを含むスイッチ回路の接続位置とは、互いに入れ替えてもよい。
上記のとおり構成された電源回路としてのFC昇圧コンバータ12において、ソフトスイッチング動作に基づく昇圧動作の1サイクルは、例えば以下のようにモード1〜モード6の状態遷移で表すことができる。以下、図3乃至図6を参照しながら具体的に説明する。
メインスイッチS1及び補助スイッチS2がともに非導通状態の初期状態では、図3中に点線で示す経路で電流が通流し、インバータ15(モータ16)側に電力が供給される。
図3に示すように、初期状態から、メインスイッチS1は非導通状態のまま、補助スイッチS2が非導通状態から導通状態へと変化すると、出力ダイオードD5に蓄積していた電荷が回生ダイオードD3、リアクトルL2、及び補助スイッチS2を経由して入力コンデンサC1へ流れて消滅させられる(ソフトターンオフ)。一方、FC11側からリアクトルL1及び出力ダイオードD5を経由して流れていた電流が、補助回路12b側に徐々に移行していく。図3中の矢印100はその様子を表現している。これにより、補助回路12bには、図3に示すように、リアクトルL1、回生ダイオードD3、リアクトルL2、スナバ逆流防止ダイオードD2、及び補助スイッチS2の経路で電流200が還流する。
その後、例えば図6中に実線300で示すように、共振コンデンサC2に蓄積されてい
た電荷がリアクトルL2側へ徐々に放電され、電流がリアクトルL2、補助スイッチS2
及び入力コンデンサC1の経路で通流する。これにより、リアクトルL2及び共振コンデ
ンサC2によるLC共振現象が発生し、共振コンデンサC2の両端電圧が正弦波状に正か
ら零へ徐々に減少する(図4及び図5の時間T1〜T2参照)。補助スイッチS2がON
となる瞬間(図4及び図5の時間T0)において、補助スイッチS2は零電流なのでソフ
トスイッチングでターンオンすることになる。
共振コンデンサC2の電荷がすべて放電されて共振コンデンサC2の電圧が零となった後(図4及び図5の時間T2参照)、リアクトルL2に流れるL2電流がリアクトルL1に流れるL1電流よりも低くなる前のタイミング(例えば図4及び図5の時間T3参照)でメインスイッチS1をONする。すると、補助回路12bを還流していた電流がメインスイッチS1を通流し始め、メインスイッチS1に流れるS1電流が、一度低下した後、徐々に増加していく。なお、メインスイッチS1をONするタイミングは、リアクトルL2に流れるL2電流がリアクトルL1に流れるL1電流よりも低くなる前のタイミングであればよいので、図4に示す時間T2から時間T4の範囲の任意のタイミングを選択可能である。
この時、メインスイッチS1は、零電流及び零電圧からのターンオンとなる。メインスイッチS1が導通状態であることにより、メインスイッチS1、FC11、及びリアクトルL1の経路で電流が通流し、リアクトルL1に電気エネルギーが徐々に蓄積されていく。このとき、補助回路12bには電流は流れないので、共振コンデンサC2に対する充電は行なわれず、共振コンデンサC2の電圧は零電圧のままである(図4及び図5参照)。
その後、メインスイッチS1及び補助スイッチS2をともに非導通状態にする。両スイッチS1及びS2は、同時に非導通状態にしてもよいし、補助スイッチS2を先に非導通状態にしてもよい。この時、共振コンデンサC2の電圧が零であるから、補助スイッチS2は、零電流及び零電圧からのターンオフ、メインスイッチS1は、零電圧からのターンオフとなる。メインスイッチS1が非導通状態になることにより、リアクトルL1に流れていた電流は、回生ダイオードD3、共振コンデンサC2、FC11、及びリアクトルL1の経路で流れ始め、共振コンデンサC2への充電が始まる。共振コンデンサC2への充電により、メインスイッチS1が非導通状態になる時の電圧上昇速度が抑制され、テール電流が存在する領域での損失を低減することが可能となる。
共振コンデンサC2が出力電圧VHと同電圧になるまで充電されると、出力ダイオードD5が導通し、リアクトルL1にそれまでに蓄積された電気エネルギーがインバータ15(モータ16)側へ供給される。その後、補助スイッチS2が再度導通状態となり、モード1から次のサイクルが開始する。
次に、本実施形態における電源回路としてのFC昇圧コンバータ12における、メインスイッチS1及び補助スイッチS2の制御について、図7乃至図10を参照し具体例を挙げながら説明する。ここで、本実施形態の特徴のひとつは、メインスイッチS1の電圧が零になっている状態で、メインスイッチS1を導通状態から非導通状態へと変化させ、FC昇圧コンバータ12がZVSによる動作をするように制御する点である。なお、当該メインスイッチS1及び補助スイッチS2の状態変化は、ECU20に含まれるスイッチ制御回路によって制御される。
上記実施形態における電源回路としてのFC昇圧コンバータ12は、リアクトルL1、メインスイッチS1、出力コンデンサC3、リアクトルL2、補助スイッチS2、共振コンデンサC2、及びECU20に含まれるスイッチ制御回路を備える。そして、スイッチ制御回路は、メインスイッチS1の両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、当該メインスイッチS1の状態変化を禁止させるように構成されている。これによって、電源回路を構成する電子部品の特性にばらつきがあった場合でも、ZVSにより電源回路を動作させることが可能となり、無駄な電力の損失を抑制することが可能となる。
上記実施形態では、メインスイッチS1及び補助スイッチS2は、いずれも電圧がHiのときに導通状態となり、Loのときに非導通状態となる例を挙げたが、これに限るものではない。すなわち、これらのスイッチは、電圧がLoのときに導通状態となり、Hiのときに非導通状態になるものでもよい。また、それぞれのスイッチにおいて電圧と導通・非導通状態が逆になっていてもよい。
C2……共振コンデンサ
C3……出力コンデンサ
D1……逆並列ダイオード
D2……スナバ逆流防止ダイオード
D3……回生ダイオード
D4……逆並列ダイオード
D5……出力ダイオード
L1……リアクトル
L2……リアクトル
S1……メインスイッチ
S2……補助スイッチ
T0〜T3・T11〜T19……時間
10……電源システム(燃料電池システム)
12……電源回路(昇圧コンバータ)
12a……主回路
12b……補助回路
13……バッテリ
14……バッテリ昇圧コンバータ
15……インバータ
16……モータ
21……アクセルペダルセンサ
Claims (6)
- 直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する主昇圧回路と補助回路とを備えた電源回路であって、
前記主昇圧回路は、
前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第1のリアクトルと、
前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第1のスイッチと並列に接続された第1のコンデンサと、
アノードが前記第1のリアクトルに接続され、カソードが前記出力電位ノードに接続された第1のダイオードとを備え、
前記補助回路は、
前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第1のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された、第2のリアクトル、第2のダイオード及び第2のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第1のスイッチ及び前記第1のコンデンサと並列に接続された、第3のダイオード及び第2のコンデンサと、
前記第1のスイッチの両端の電圧が減少状態であると判定した場合に、前記第1のスイッチの状態変化を禁止させるように構成されたスイッチ制御回路と、を備え、
前記第2のダイオードは、アノードが前記第2のリアクトルに接続される一方、カソードが前記第2のスイッチに接続され、
前記第3のダイオードは、アノードが前記第1のダイオードのアノードと前記第1のリアクトルとの接続点に接続される一方、カソードが前記第2のリアクトル及び前記第2のコンデンサに接続される
ことを特徴とする電源回路。 - 直流電源から入力される直流電圧を所定の電圧に昇圧して出力電位ノードから出力する主昇圧回路と補助回路とを備えた電源回路であって、
前記主昇圧回路は、
前記直流電源の高電位側に接続された電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に接続された第1のリアクトルと、
前記出力電位ノードと前記直流電源の低電位側に接続された接地電位ノードとの間に接続された第1のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第1のスイッチと並列に接続された第1のコンデンサと、
アノードが前記第1のリアクトルに接続され、カソードが前記出力電位ノードに接続された第1のダイオードとを備え、
前記補助回路は、
前記電源電位ノードと前記出力電位ノードとの間に前記第1のリアクトルと並列に接続されかつ互いに直列接続された、第2のリアクトル、第2のダイオード及び第2のスイッチと、
前記出力電位ノードと前記接地電位ノードとの間に前記第1のスイッチ及び前記第1のコンデンサと並列に接続された、第3のダイオード及び第2のコンデンサと、
前記第1のスイッチの両端の電圧が不変状態または増加状態であると判定した場合に、前記第1のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化させるよう構成されたスイッチ制御回路と、を備え、
前記第2のダイオードは、アノードが前記第2のリアクトルに接続される一方、カソードが前記第2のスイッチに接続され、
前記第3のダイオードは、アノードが前記第1のダイオードのアノードと前記第1のリアクトルとの接続点に接続される一方、カソードが前記第2のリアクトル及び前記第2のコンデンサに接続される
ことを特徴とする電源回路。 - 前記第2のコンデンサの両端の電圧を測定する第2の電圧測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第2の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第1のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成された
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源回路。 - 前記第1のスイッチの両端の電圧を測定する第1の電圧測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第1の電圧測定部の測定結果に基づいて前記第1のスイッチの導通状態及び非導通状態を制御するよう構成された
ことを特徴とする請求項1または2に記載の電源回路。 - 前記第1のリアクトルに流れる電流と前記第2のリアクトルに流れる電流とを測定する電流測定部をさらに備え、
前記スイッチ制御回路は、前記第2のリアクトルに流れる電流が、前記第1のリアクトルに流れる電流より低くなる前に、前記第1のスイッチを非導通状態から導通状態へ変化
させるよう構成された
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電源回路。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電源回路と、
前記直流電源とを備えることを特徴とする電源システム。
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