JP5801489B2 - ハイブリッドシステムのｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、電圧変化手段を制御するように構成された制御部を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記電圧変化手段が複数の可変電圧調節回路を備え、各可変電圧調節回路がスイッチング信号によって制御される、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

本発明は、ハイブリッドシステムで使用するＤＣ／ＤＣコンバータに関する。このハイブリッドシステム１は、図１からわかるように、燃料電池スタック２、すなわち複数の直列接続した電気化学セルを備えている。この燃料電池スタック２は、水素などの還元燃料および酸素などの酸化剤によって給電される。還元燃料と酸化剤との反応により、燃料電池の電圧が発生する。還元燃料と酸化剤との反応から生じたガスは、再循環ポンプを具備した再循環回路を介して排出されることができる。ハイブリッドシステム１は、１つまたは複数のバッテリなどのエネルギー貯蔵手段６も備えている。以下の記載では、電気エネルギーを貯蔵するこの手段を、１つのバッテリ６であると仮定するが、複数のバッテリを使用することを阻止するものではない。このバッテリ６は、バッテリの電圧を供給し、燃料電池スタック２とバッテリ６との両方が可変負荷８に接続されるように燃料電池スタック２に並列に接続している。この可変負荷８は、例えば、車のエンジンとすることができる。

このように、このハイブリッドシステム１は、ブーストコンバータまたは昇圧形コンバータおよび／または降圧形コンバータとも呼ばれる、２つの入力部および２つの出力部を有するＤＣ／ＤＣコンバータ４を備えている。燃料電池スタック２の出力部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの入力部に接続し、したがってこれは、燃料電池スタック２が供給する電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ４に入るということである。可変負荷８およびバッテリ６の接続点は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の２つの出力部に接続している。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、燃料電池スタック２の電圧レベルおよび電流レベルのほか、バッテリ６の電圧レベルおよび電流レベルも適応させることができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、ハイブリッドシステム１を制御するようにも構成されている。同じように、ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタック２から送られる電力を調節することができる。

実際、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の役割は、バッテリ６および燃料電池スタック２が共に動作して負荷８に給電するように、ハイブリッドシステム１を制御することである。ＤＣ／ＤＣコンバータの機能は、燃料電池スタックが供給した電力を、自動車用途における電気モータである負荷とバッテリとの間に送ること、およびバッテリの充電レベルを所定レベルに維持することでもある。ハイブリッドシステム１の制御は、もちろん、超えてはならない燃料電池スタック２の電圧および電流の限界、バッテリ６の電圧および電流の限界、バッテリ６の充電状態の限界、温度の限界などの制約を受ける。

図２に見られるこの種のＤＣ／ＤＣコンバータ４は、少なくとも１つの可変電圧調節回路１０を備え、可変電圧調節回路は、アースと並列に接続し、ダイオード１４に直列接続したコイル１２の両端に接続している第１のフィルタコンデンサ１１に、入力開口部を備えていることが知られている。コイル１２とダイオード１４との間の接続点では、スイッチング手段１３が並列接続するとともにアースに接続している。ダイオード１４の出力部は、アースに並列接続した第２のフィルタコンデンサ１１が構成されている出力部に接続している。例えばトランジスタであってよいスイッチング手段１３は、制御信号によって周波数制御される。

このＤＣ／ＤＣコンバータの１つの欠点は、ＤＣ／ＤＣコンバータが占めるスペースがこのコンバータの電力に比例しているために、かさばることである。実際、この種のＤＣ／ＤＣコンバータの電力は、部品のインピーダンスに関連している。コイルまたはコンデンサのインピーダンスは、周波数に関係するとともに、前記コイルおよびコンデンサの値に関係している。規定の周波数では、インピーダンスを増大させるために、コンデンサの容量値およびコイルのインダクタンス値を増大させなければならない。その場合、これによって部品のサイズが増大するため、ＤＣ／ＤＣコンバータのサイズが増大することになり、言うまでもなくコストが増加する。

したがって、本発明の目的は、すなわち、より小型でより安価でありながら少なくとも同等の有効性を示すＤＣ／ＤＣコンバータを提供することによって、先行技術の欠点を克服するＤＣ／ＤＣコンバータを提供することである。

したがって、本発明は、電圧変化手段を制御するように構成された制御部を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記電圧変化手段が複数の可変電圧調節回路を備え、各可変電圧調節回路がスイッチング信号によって制御される、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記可変電圧調節回路は、いくつかのモジュールにまとめられ、各モジュールは、制御部が送信する制御信号によって制御されることと、同じモジュールの可変電圧調節回路のスイッチング信号は、互いに対して位相シフトされることと、モジュールの制御信号も互いに対して位相シフトされることとを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

本発明のコンバータの有利な実施形態は、従属請求項の主題となるものである。

第１の有利な実施形態では、同じモジュールの可変電圧調節回路のスイッチング信号は、互い対してＴ／４だけ位相シフトされる。

第２の有利な実施形態では、モジュールの制御信号は、互いに対してＴ／１６だけ位相シフトされる。

もう１つの有利な実施形態では、各可変電圧調節回路は、アースに並列接続してコイルの両端と直列接続した第１のフィルタコンデンサであって、コイルの方はダイオードと直列接続している、第１のフィルタコンデンサに入力口を備え、スイッチング手段は、コイルとダイオードとの間の接続点で、並列接続するとともにアースに接続し、ダイオードの出力部は、アースに並列接続した第２のフィルタコンデンサが構成されている出力部に接続されている。

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して可変負荷に接続した燃料電池スタックを備えるハイブリッドシステムであって、ＤＣ／ＤＣコンバータおよび可変負荷に接続したエネルギー貯蔵手段をさらに備える、ハイブリッドシステムにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記請求項のうちいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする、ハイブリッドシステムにも関する。

本発明によるコンバータの目的、利点および特徴は、非限定的な例のみを目的として挙げ、添付の図面で示した本発明の少なくとも１つの実施形態についての以下の詳細な説明から、さらに明確に明らかになるであろう。

公知のハイブリッドシステムの概略図である。 公知の可変電圧調節回路の概略図である。 本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略図である。

図３のＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、電圧変化手段１０６を制御するように構成された制御部１０５を備える。この手段１０６は、主入力部（Ｉ）および主出力部（Ｏ）を備える。これ以降の説明で使用する図３の例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、ＤＣ／ＤＣブーストコンバータである。

この手段１０６は、前述したようないくつかのブースター回路１０を備える。この可変電圧調節回路１０は、アースに並列接続してコイル１２の両端と直列接続した第１のフィルタコンデンサ１１であって、コイルの方はダイオード１４と直列接続している、第１のフィルタコンデンサに入力口を備えていることがわかるであろう。コイル１２とダイオード１４との間の接続点では、スイッチング手段１３が並列接続するとともにアースに接続している。ダイオード１４の出力部は、アースに並列接続した第２のフィルタコンデンサ１１が構成されている出力部に接続している。スイッチング手段１３は、制御部１０５およびスイッチング信号によって周波数制御されるＭＯＳＦＥＴまたはバイポーラトランジスタもしくはＩＧＢＴトランジスタである。

本発明によれば、ブースター回路１０は、少なくとも１つのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４の形態にまとめられている。特に、電圧変化手段１０６は、並列した４つのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４を備え、各モジュールが４つの並列接続したブースター回路１０を備えている。各モジュール１０１、１０２、１０３、１０４は、入力部Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４および出力部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を備え、出力部Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４は、主入力部（Ｉ）に接続し、出力部Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、主出力部（Ｏ）に接続している。各モジュール１０１、１０２、１０３、１０４は、制御信号ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４を介して制御部１０５によって制御される。

この構成により、電圧変化手段１０６を位相シフト方式で制御することが可能になる。

第一に、各モジュール１０１、１０２、１０３、１０４の可変電圧調節回路１０は、有利には、互いに対して位相シフトされるように周波数制御される。これはつまり、１つのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４の可変電圧調節回路１０すべてが同時に、各回路１０のスイッチング手段１３に作用するとともに制御部１０５から来るスイッチング信号を受信するが、制御信号は、互いに対して位相シフトされるということである。これによって、可変電圧調節回路１０のスイッチング手段１３を様々な時期で切り替えることが可能になる。各モジュール１０１、１０２、１０３、１０４が４つのブースター回路１０を備えているこの場合では、制御信号は、互いに対してＴ／４だけ位相シフトされる。この位相シフトにより、スイッチング信号の１周期で事実上４回切り替えることが可能になる。そのため、コンデンサ１１などの部品に見られる周波数は４倍になる。

第二に、モジュール１０１、１０２、１０３、１０４があることから、各モジュール１０１、１０２、１０３、１０４を、制御信号ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４を介して１つずつ順に選択しなければならなくなり、その結果、ある瞬間では１つのみのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４がアクティブになる。本発明は、有利には、制御信号ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４を互いに対して位相シフトすることも提供する。４つのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４がある場合、位相シフトは、互いに対してＴ／１６である。これによって、コンデンサ１１に見られる事実上の周波数をさらに増大させることが可能になる。

実際、制御信号ＣＭＤ１は、第１のモジュール１０１に送信されて、前記モジュール１０１の回路１０のスイッチング手段１３の切り替えを開始する。次に、制御信号ＣＭＤ１に対してＴ／１６の位相シフトで、制御信号ＣＭＤ２は、第２のモジュール１０２に送信されて、前記モジュール１０２の回路１０のスイッチング手段１３の切り替えを開始する。制御信号ＣＭＤ３は、制御信号ＣＭＤ２に対してＴ／１６の位相シフトで第３のモジュール１０３に送信されて、前記モジュール１０３の回路１０のスイッチング手段１３の切り替えを開始する。最後に、制御信号ＣＭＤ４は、制御信号ＣＭＤ３に対してＴ／１６の位相シフトで第４のモジュール１０４に送信される。

このように、４分の１周期で、制御信号ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４はすべて、モジュール１０１、１０２、１０３、１０４に送信された。各モジュールの回路１０のスイッチング手段１３の切り替えも位相シフトされるため、コンデンサ１１に見られる周波数は増大する。４つのモジュール１０１、１０２、１０３、１０４があり、各モジュールが４つの可変電圧調節回路１０を有するこの場合では、コンデンサ１１に見られる事実上の周波数は１６倍になる。例えば、制御部１０５が送信した信号が周波数１００ｋＨｚであれば、事実上の周波数は１．６ＧＨｚである。もちろん、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００の周波数操作は、コンバータの部品に用いられる技術に左右される。

したがって、周波数が増大すれば、コンデンサ１１の値は減少することができる。これらの部品のサイズはその値に比例するため、部品の値が低く占有面積小さいほど、ＤＣ／ＤＣコンバータ１００のサイズを縮小することができる。この縮小分は、可変電圧調節回路１０の数を増やすのに十分大きいため、問題が生じることはない。

本発明の範囲を逸脱しないかぎり、本明細書に記載した本発明の様々な実施形態に、当業者に自明の様々な変更および／または改良を加えてよいことがわかるであろう。

Claims (7)

1. 電圧変化手段（１０６）を制御するように構成された制御部（１０５）を備えるＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）であって、前記電圧変化手段（１０６）は複数の可変電圧調節回路（１０）を備え、これら各可変電圧調節回路がスイッチング信号によって制御される、ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記可変電圧調節回路（１０）は、いくつかのモジュール（１０１、１０２、１０３、１０４）にまとめられ、各モジュールは、前記制御部（１０５）が送信する制御信号（ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４）によって制御されることと、同じモジュールの前記可変電圧調節回路（１０）の前記スイッチング信号は、互いに対して位相シフトされることと、前記モジュール（１０１、１０２、１０３、１０４）の前記制御信号（ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４）も互いに対して位相シフトされることとを特徴とする、ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 同じモジュールの前記可変電圧調節回路（１０）の前記スイッチング信号は、互いに対してＴ／Ｎ（Ｔは周期であり、Ｎは同じモジュールの前記可変電圧調整回路の数である）だけ位相シフトされることを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）。
3. 同じモジュールの前記可変電圧調節回路（１０）の前記スイッチング信号は、互いに対してＴ／４だけ位相シフトされることを特徴とする、請求項２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）。
4. 前記モジュール（１０１、１０２、１０３、１０４）の前記制御信号（ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４）は、互いに対してＴ／ＭｘＮ（Ｔは周期であり、Ｎは同じモジュールの前記可変電圧調整回路の数、Ｍはモジュールの数である）だけ位相シフトされることを特徴とする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）。
5. 前記モジュール（１０１、１０２、１０３、１０４）の前記制御信号（ＣＭＤ１、ＣＭＤ２、ＣＭＤ３、ＣＭＤ４）は、互いに対してＴ／１６だけ位相シフトされることを特徴とする、請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）。
6. 各可変電圧調節回路（１０）は、アースに並列接続してコイル（１２）の両端と直列接続した第１のフィルタコンデンサ（１１）であって、前記コイルの方はダイオード（１４）と直列接続している、第１のフィルタコンデンサに入力口を備え、スイッチング手段（１３）は、前記コイルと前記ダイオードとの間の接続点で、並列接続するとともにアースに接続し、前記ダイオードの出力部は、アースに並列接続した第２のフィルタコンデンサが構成されている出力部に接続されていることを特徴とする、請求項１〜５のうちいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）。
7. ＤＣ／ＤＣコンバータを介して可変負荷（８）に接続した燃料電池スタック（２）を備えるハイブリッドシステムであって、このハイブリッドシステムは前記ＤＣ／ＤＣコンバータおよび前記可変負荷（８）に接続したエネルギー貯蔵手段（６）をさらに備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ（１００）であることを特徴とするハイブリッドシステム。

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