KR101052847B1 - 컨버터제어장치 - Google Patents

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고타 마나베
다카히코 하세가와
히로유키 이마니시
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

제 1 전원으로서의 2차 전지(10)와, 제 2 전원으로서의 연료전지(12)와의 사이에, 3개의 컨버터회로를 병렬 접속하여 구성되는 컨버터장치(30)가 설치된다. 3개의 컨버터회로에 대응하는 3개의 리액터에 2개의 차동 전류계(54, 56)가 설치된다. 제어부(40)는, 2개의 차동 전류계(54, 56)의 검출값에 의거하여 컨버터장치(30)를 통과하는 전력을 산출하는 통과전력 산출 모듈(42)과, 컨버터장치(30)를 구성하는 각 컨버터회로의 사이에서 통과전력의 균등화를 행하는 전력 균등화 모듈(44)과, 통과전력에 따라 컨버터장치(30)의 구동 상수를 변경하는 구동 상수 변경 모듈(46)과, 컨버터장치를 제어하여, 원하는 전압 변환을 실행시키는 전압 변환제어 모듈(48)을 포함한다.

Description

컨버터제어장치{CONVERTER CONTROL DEVICE}
본 발명은 컨버터제어장치에 관한 것으로, 특히 제 1 전원과 제 2 전원과의 사이에 접속되고, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 복수 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 컨버터제어장치에 관한 것이다.
연료전지를 사용하는 전원시스템에서는, 연료전지의 발전능력을 넘는 부하변동에 대응하거나, 시스템 효율을 향상시키거나, 부하로서 회생 가능한 모터를 이용한 경우의 회생 전력을 회수하기 위하여, 2차 전지의 출력을 승압 또는 강압하는 전압 변환기를 설치하여 연료전지의 출력단자에 접속하고 전력을 공급하는 것이 행하여진다. 여기서 전압 변환기는, 직류 전압 변환기능을 가지는 컨버터로, DC/DC 컨버터라 불리우는 것도 있고, 예를 들면 스위칭소자와 리액터로 구성하는 것이 사용된다. 그리고, 스위칭소자의 정격용량을 작게 하는 것 등을 고려하여, 복수의 컨버터를 병렬 접속하여 사용하는 것이 행하여진다.
예를 들면, 일본국 특개2006-33934호 공보에는, 연료전지의 충전능력을 넘는 갑작스런 부하량의 변화에 대응하기 위하여, 연료전지와 배터리 사이에 복수상으로 작동하는 전압 변환기를 접속하고, 부하량의 변화를 예측하여 전압 변환기의 상수 (相數)의 변경, 듀티의 변경을 행하는 것이 개시되어 있다. 그리고, 일반적으로, 복수상을 구비하는 전압 변환기에서는, 입출력 변환 에너지량이나 작동 일량에 대응하는 통과전력의 값에 의하여 변환기 중에서 손실되는 손실전력이 변동하고, 통과전력이 많을 때는 상수가 많은 3상 운전의 쪽이 단상 운전보다 손실이 적고, 통과전력이 적을 때는 단상 운전의 쪽이 3상 운전보다 손실이 적은 것이 설명되어 있다. 즉, 3상 브릿지형 컨버터에서의 손실은, 리액터의 코일에 의해 손실되는 리액터 구리손, 스위칭소자의 동작에 의해 손실되는 모듈손실, 리액터의 자성체에 의해 손실되는 리액터 철손이 있고, 리액터 구리손 및 모듈손실은, 통과전력이 증대함에 따라 증대하여, 단상 운전의 쪽이 3상 운전보다 크고, 리액터 철손실은 통과전력에 거의 의존하지 않고, 3상 운전의 쪽이 단상 운전보다도 크기 때문이라고 설명되어 있다. 그리고, 통과전력이 적은 영역에서는 단상 운전으로 하고, 통과전력이 큰 영역에서 3상 운전으로 하여, 3상 운전으로부터 단상 운전으로 변환할 때에 전압 변환에 관한 교류전류의 실효값이 변동함으로써 PID 제어에서는 일시적으로 전압, 전류, 전력이 변동하기 때문에, 일시적으로 듀티를 상승시켜, 전력부족을 보충하는 것이 설명되어 있다.
또, 일본국 특개2003-235252호 공보에는, 인버터와 배터리 사이에 복수의 DC/DC 컨버터를 설치하는 경우의 변환 효율을 최대화하는 방법이 개시되어 있다. 여기서는, 복수의 DC/DC 컨버터 중에서, 하나를 마스터 DC/DC 컨버터로 하는 마스터 슬레이브형 DC/DC 컨버터로서, 마스터 DC/DC 컨버터의 입력전력 또는 출력전력을 레퍼런스 전력으로 하여, 마스터 DC/DC 컨버터를 포함하여 작동시키는 DC/DC 컨 버터의 개수를 정하고, 다음에 배터리의 최대 허용 충전전압 및 최대 허용 충전전류를 넘지 않는 범위에서 이 마스터 슬레이브형 DC/DC 컨버터의 출력전압을 증감시켜 그 변환 효율을 계산하고, 최대 변환 효율에 대략 일치하도록 출력전압을 조정하는 것이 설명되어 있다. 또한, DC/DC 컨버터의 변환 효율은, 1차측의 스위칭손실과 2차측의 정류 다이오드의 순방향 전압 강하에 의한 손실이 있고, 고입력 전력시는 1차측의 손실이 증대하고, 저입력 전력시에는 1차측의 손실이 감소하여 2차측의 손실이 지배적이게 된다고 설명되어 있다.
일본국 특개2003-111384호 공보에는, 주전원의 전력의 전압을 복수의 병렬 접속된 DC/DC 컨버터로 변환하여 보조 배터리에 공급하는 경우, 특정한 DC/DC 컨버터의 사용빈도가 높아지지 않도록 하는 방법이 개시되어 있다. 여기서는, 복수의 DC/DC 컨버터에 대한 각 기동 순서를 소정의 규정 순서에 따라 변화시키는 것으로 하고, 소정의 규정 순서로서는, 각 DC/DC 컨버터의 전압 - 전류특성을 측정하여, 그 내용에 따라 설정하는 것 등이 설명되어 있다.
이와 같이, 복수의 컨버터를 병렬 접속하여 사용하는 구성에서는, 그 통과전력에 따라, 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 제어가 행하여진다. 여기서, 통과전력은, 예를 들면, 맵 등을 이용하여 연산에 의해 구할 수 있다. 일례를 들면, 2차 전지의 출력전압과 출력전류의 측정값으로부터 2차 전지의 컨버터를 향한 출력전력을 구하여, 거기에서 부하손실을 줄이고, 이것에 컨버터의 변환 효율을 곱하는 연산에 의하여, 컨버터의 통과전력을 구하는 것이 행하여진다. 그러나, 이들 연산에는, 연산 지연이나 연산 오차가 있기 때문에, 컨버터의 통과전력을 적절하게 얻 을 수 없어, 부하의 변동에 컨버터의 구동 상수의 변경을 적절하게 추종시키는 데에는 불충분하다. 또, 복수상 구동의 경우, 각 상의 통과전력이 불균일한 것은 바람직하지 않다.
본 발명의 목적은, 컨버터의 통과전력을 적절하게 얻을 수 있는 컨버터제어장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은, 복수상으로 구동되는 컨버터에 대하여, 각 상의 통과전력을 균등화할 수 있는 컨버터장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 컨버터제어장치는, 제 1 전원과 제 2 전원의 사이에 접속되고, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 복수상 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 컨버터제어장치에 있어서, 리액터를 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출수단과, 검출된 전류에 의거하여, 구동되고 있는 컨버터를 통과하는 전력을 구하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관한 컨버터제어장치는, 제 1 전원과 제 2 전원의 사이에 접속되고, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 3상 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 컨버터제어장치에 있어서, 3상에 대응하는 3개의 리액터 중의 하나의 공통 리액터와, 나머지 2개의 리액터의 한쪽인 한쪽 리액터와의 사이에 설치되고, 공통 리액터에 흐르는 전류와 한쪽 리액터를 흐르는 전류와의 차를 검출하는 제 1 차동 전류계와, 공통 리액터와 나머지 2개의 리액터의 다른쪽인 다른쪽 리액터와의 사이에 설치되고, 공통 리액터에 흐르는 전류와 다른쪽 리액터를 흐르는 전류와의 차를 검출하는 제 2 차동 전류계와, 제 1 차동 전류계의 검출값과, 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 관한 컨버터제어장치에 있어서, 구동시키는 컨버터 상수가 단상(單相)인 경우는, 제 1 차동 전류계와 제 2 차동 전류계 중에서, 구동되고 있는 리액터에 설치되는 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 컨버터제어장치에 있어서, 구동시키는 컨버터 상수(相數)가 2상인 경우는, 공통 리액터에 상당하는 상을 정지하고, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에 관한 컨버터제어장치에 있어서, 복수상 구동시의 평균 통과전력을 구하고, 각 상의 전력을 균등화하는 전력 균등화 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
또, 전력 균등화수단은, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 복수의 상에 흐르는 통과전류의 합을 구하여 하나의 상 당의 평균 통과전류를 산출하는 평균 통과전류 산출수단과, 평균 통과전류와 각 상을 흐르는 통과전류와의 차로부터, 각 상의 전력을 균등화하는 각 상 구동 듀티를 구하는 구동 듀티 산출수단을 가지는 것이 바람직하다.
또, 전력 균등화수단은, 구동 듀티를 산출하는 주기마다 각 상의 전력을 균등화하는 처리를 실행하는 것이 바람직하다.
상기 구성의 적어도 하나에 의하여 컨버터제어장치는, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 3상 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경할 때에, 리액터를 흐르는 전류를 검출하여, 그 검출된 전류에 의거하여, 구동되고 있는 컨버터를 통과하는 전력을 구한다. 리액터를 흐르는 전류검출은 실시간으로 행하는 것이 가능하고, 이것에 전압을 곱함으로써, 컨버터를 통과하는 전력을 실시간으로 얻을 수 있다. 따라서 맵 등을 이용하는 연산에 비하여, 연산 지연이나 연산 오차 등이 적어, 컨버터의 통과전력을 적절하게 얻을 수 있다.
또, 3상 컨버터의 각각에 대응하는 3개의 리액터 사이에, 2개의 차동 전류계를 설치하고, 이 2개의 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하기 때문에, 3개의 리액터에 각각 전류 검출계를 설치하는 것에 비하여, 간단한 구성으로 할 수 있다. ·
또, 구동시키는 컨버터 상수가 단상인 경우는, 제 1 차동 전류계와 제 2 차동 전류계 중에서, 구동되고 있는 리액터에 설치되는 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구한다. 또, 구동시키는 컨버터 상수가 2상인 경우는, 공통 리액터에 상당하는 상을 정지하고, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구한다. 이와 같이, 컨버터의 상수의 변경이 있어도, 2개의 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구할 수 있다.
또, 복수상 구동시의 평균 통과전력을 구하여, 각 상의 전력을 균등화하기 때문에, 복수 설치되는 각 컨버터에 대하여, 각각의 부하를 균등화할 수 있다.
또, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 복수의 상에 흐르는 통과전류의 합을 구하여 하나의 상 당의 평균 통과전류를 산출하고, 평균 통과전류와 각 상을 흐르는 통과전류와의 차로부터, 각 상의 전력을 균등화하는 각 상 구동 듀티를 구하기 때문에, 각 상에 대응하는 컨버터에 대하여, 각각의 부하를 균등화할 수 있다.
또, 구동 듀티를 산출하는 주기마다 각 상의 전력을 균등화하는 처리를 실행하기 때문에, 복수 설치되는 각 컨버터에 대하여, 시간적으로 매우 세밀하게 부하를 균등화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관한 실시형태의 컨버터제어장치를 포함하는 차량용 전원시스템의 구성을 나타내는 도,
도 2는 본 발명에 관한 실시형태에서, 컨버터장치를 통과하는 전력과, 컨버터장치의 손실의 관계를, 컨버터장치의 구동 상수를 파라미터로 하여, 모식적으로 설명하는 도,
도 3은 본 발명에 관한 실시형태에 있어서, 2개의 차동 전류계를 사용하여 통과전류를 구하는 모양을, 컨버터장치의 구동 상수마다 나타내는 도,
도 4는 본 발명에 관한 실시형태에 있어서, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 3개의 상에 흐르는 통과전류의 합을 구하여 하나의 상 당의 평균 통과전류를 산출하는 모양을 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 관한 실시형태에 있어서, 하나의 상 당의 평균 통과 전류값과, 각 상을 흐르는 전류값과의 사이의 편차를 구하는 모양을 나타내는 도,
도 6은 본 발명에 관한 실시형태에 있어서, 각 상 통과 전류값의 평균 통과 전류값으로부터의 편차를 제로에 가깝게 하기 위하여, 각 상의 구동 듀티를 변경하는 모양을 나타내는 도면이다.
이하에 도면을 사용하여, 본 발명에 관한 실시형태에 대하여, 상세하게 설명한다. 이하에서는, 컨버터제어장치가 적용되는 전원시스템으로서, 차량의 구동용 모터·제너레이터에 접속되는 차량 탑재용 전원시스템을 설명하나, 차량용 이외의 전원시스템에 적용되는 컨버터제어장치이어도 된다. 예를 들면, 건물 내에 고정된 전원시스템 등이어도 된다. 또, 컨버터제어장치가 적용되는 전원시스템으로서, 제 1 전원이 니켈 수소형 2차 전지, 제 2 전원이 고체 고분자막형 연료전지인 경우에 대하여 설명하나, 이들 이외의 종류의 전원이어도 된다. 예를 들면, 2차 전지로서, 리튬 이온형의 것으로 할 수 있고, 연료전지로서, 고체 전해질형 이외의 것으로 할 수도 있다. 또, 이하에서는, 컨버터장치로서, 컨버터회로를 3개 병렬로 접속하는 구성을 설명하나, 컨버터장치를 구성하는 컨버터회로의 수는 3 이외의 복수이이어도 된다.
도 1은, 컨버터제어장치(20)를 포함하는 차량용 전원시스템의 구성을 나타내 는 도면이다. 여기서는, 차량용 모터·제너레이터(16)에 접속되는 전원시스템으로서, 제 1 전원으로서의 2차 전지(10)와, 제 2 전원으로서의 연료전지(12)와, 그 사이에 설치되는 컨버터장치(30)가 나타나 있다. 컨버터장치(30)는, 제어부(40)에 의하여 그 작동이 제어된다. 따라서, 컨버터장치(30)와 제어부(40)를 포함하여, 컨버터제어장치(20)가 구성된다.
또한, 이 전원시스템은, 인버터(14)를 거쳐, 모터·제너레이터(16)에 접속된다. 인버터(14)는, 상기 전원시스템의 직류전력을·3상 교류전력으로 변환하여, 모터·제너레이터(16)에 공급하여 차량의 구동원으로서 기능시키고, 또한 차량의 제동시에는, 모터·제너레이터(16)에 의해 회수되는 회생 에너지를 직류전력으로 변환하여, 상기 전원시스템에 충전전력으로서 공급하는 기능을 가진다.
2차 전지(10)는, 니켈수소 단전지(單電池)나 리튬이온 단전지와 같은 단전지를 복수 조합시켜 구성되고, 원하는 고전압을 가지고, 충방전 가능한 고전압 전원팩이다. 예를 들면, 200 V 내지 400 V 정도의 고전압을 양극 모선과 음극 모선의 사이에 공급할 수 있다.
연료전지(12)는, 연료전지셀을 복수 조합시켜, 원하는 고전압의 발전전력을 인출할 수 있도록 구성된 일종의 조전지(Assembled Battery)로, 연료전지 스택이라 불리운다. 여기서, 각 연료전지셀은, 애노드측에 연료가스로서 수소를 공급하고, 캐소드측에 산화가스로서 공기를 공급하며, 고체 고분자막인 전해질막을 통한 전지화학반응에 의하여 필요한 전력을 인출하는 기능을 가진다. 연료전지(12)는, 예를 들면, 200 V 내지 400 V 정도의 고전압을 양극 모선과 음극 모선의 사이에 공급할 수 있다.
컨버터장치(30)는, 복수의 컨버터회로를 포함하는 장치이다. 컨버터회로는, 제 1 전원인 2차 전지(10)와, 제 2 전원인 연료전지(12)와의 사이에서 전압 변환을 행하는 기능을 가지는 직류전압 변환회로이다. 컨버터회로를 복수 사용하는 것은, 컨버터회로를 구성하는 전자소자의 정격용량을 크게 하지 않고, 큰 부하에 대응하기 위함이다. 도 1의 예에서는, 3개의 컨버터회로를 병렬 접속하여 하나의 컨버터장치(30)가 구성되어 있다. 예를 들면, 3개의 컨버터회로를 서로 120°씩 위상을 어긋나게 하여, 이른바 3상 구동을 행함으로써, 개개의 컨버터회로의 부하를 가볍게 할 수 있다.
컨버터장치(30)는, 예를 들면, 모터·제너레이터(16) 등의 부하변동에 연료전지(12)의 발전능력이 대응할 수 없을 때 등에, 2차 전지(10)의 전력을 전압 변환하여, 연료전지(12)측에 공급하고, 전원시스템 전체로서, 모터·제너레이터(16) 등의 부하에 대응하는 기능을 가진다.
컨버터장치(30)를 구성하는 컨버터회로는, 제 1 전원측에 설치되는 복수의 스위칭소자 및 복수의 정류기를 포함하는 1차측 스위칭회로와, 마찬가지로 제 2 전원측에 설치되는 복수의 스위칭소자 및 복수의 정류기를 포함하는 2차측 스위칭회로와, 1차측 스위칭회로와 2차측 스위칭회로의 사이에 설치되는 리액터로 구성된다.
1차측 스위칭회로는, 고전압 라인의 양극 모선과 음극 모선의 사이에 직렬로 접속된 2개의 스위칭소자와, 각 스위칭소자에 각각 병렬로 접속된 2개의 정류기로 구성할 수 있다. 양극 모선측에 접속되는 스위칭소자 등을 상측 아암, 음극 모선측에 접속되는 스위칭소자 등을 하측 아암이라 부르는 경우가 있다. 2차측 스위칭회로도 동일한 구성으로 할 수 있다. 스위칭소자로서는, 예를 들면 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 고전압 대전력용 스위칭소자를 사용할 수 있고, 정류기로서는 대전력용 다이오드를 사용할 수 있다.
리액터는, 자기 에너지를 축적 또는 방출할 수 있는 기능을 가지는 소자로, 공심 코일 또는 철심을 가지는 코일이 사용된다. 리액터는, 1차측 스위칭회로의 2개의 스위칭소자의 접속점과, 2차측 스위칭회로의 2개의 스위칭소자의 접속점을 접속하도록 설치되어 있다.
컨버터회로는, 1차측 스위칭회로를 구성하는 상측 아암과 하측 아암 및 2차측 스위칭회로를 구성하는 상측 아암과 하측 아암의 각각에 대하여, 적당한 타이밍으로 온/오프 제어함으로써, 제 1 전원측의 전력을 교류 에너지로 바꾸어 리액터에 일시적으로 자기 에너지로서 축적하고, 그 축적한 자기 에너지를 다시 교류 에너지로 변환하여 제 2 전원측에 전력으로서 공급할 수 있다. 이 스위칭의 온/오프 비, 즉 듀티를 변경함으로써, 제 1 전원측의 전압을 승압하여 제 2 전원측에 공급할 수도 있고, 또는 제 1 전원측의 전압을 강압하여 제 2 전원측에 공급할 수도 있다. 마찬가지로, 제 2 전원측의 전력을 제 1 전원측에 전압 변환하여 공급할 수도 있다.
리액터에 설치되는 2개의 차동 전류계(54, 56)는, 리액터를 흐르는 전류를 검출하는 기능을 가진다. 리액터를 흐르는 전류를 검출하기 위해서는, 각 리액터 에 각각 전류 프로브 등의 전류검출소자를 설치하면 된다. 그래서, 여기서는, 3상에 대응하는 3개의 리액터 중의 하나의 공통 리액터와, 나머지 2개의 리액터의 한쪽인 한쪽 리액터와의 사이에 제 1 차동 전류계(54)를 설치하고, 공통 리액터와 나머지 2개의 리액터의 다른쪽인 다른쪽 리액터와의 사이에 제 2 차동 전류계(56)를 설치하며, 이 2개의 차동 전류계에 의하여, 컨버터장치(30)를 통과하는 전류를 검출하는 구성을 취하고 있다. 차동 전류계로서는, 전류에 의하여 생기는 자계를 검출하는 코일을 가지는 자계검출형 전류 프로브 등을 사용할 수 있다.
제어부(40)는, 컨버터장치(30)와 함께 컨버터제어장치(20)를 구성하고, 구체적으로는, 부하에 따라, 컨버터장치(30)의 전압 변환동작을 제어하는 기능을 가진다. 제어부(40)는, 차량 탑재용 컴퓨터로 구성할 수 있다. 제어부(40)는, 독립 의 컴퓨터로 구성하여도 되나, 다른 차량 탑재용 컴퓨터에, 제어부(40)의 기능을 가지게 할 수도 있다. 예를 들면, 하이브리드 CPU 등이 차량에 설치되어 있을 때는, 하이브리드 CPU에, 제어부(40)의 기능을 가지게 할 수 있다.
제어부(40)는, 컨버터장치(30)를 통과하는 전력을 산출하는 통과전력 산출 모듈(42)과, 컨버터장치(30)를 구성하는 각 컨버터회로의 사이에서 통과전력의 균등화를 행하는 전력 균등화 모듈(44)과, 통과전력에 따라 컨버터장치(30)의 구동 상수를 변경하는 구동 상수 변경 모듈(46)과, 컨버터장치(30)를 제어하여, 원하는 전압 변환을 실행시키는 전압 변환제어 모듈(48)을 포함한다. 이들 기능은 소프트웨어로 실현되고, 구체적으로는, 대응하는 컨버터제어프로그램을 실행함으로써 실현할 수 있다. 또, 이들 기능의 일부를 하드웨어로 실현할 수도 있다.
제어부(40)에서의 전압 변환제어 모듈(48)은, 컨버터장치(30)를 구성하는 각 스위칭소자의 온/오프의 타이밍과, 온/오프의 듀티비 등을 제어하여, 2차 전지(10)와 연료전지(12)와의 사이에서 원하는 전압변환을 실행하는 기능을 가진다. 예를 들면, 듀티를 크게 함으로써 2차 전지(10)의 전압을 승압하여 연료전지(12)측에 공급하고, 듀티를 작게 함으로써 2차 전지(10)의 전압을 강압하여 연료전지(12)측에 공급하는 것으로 할 수 있다.
구동 상수 변경 모듈(46)은, 컨버터장치(30)를 통과하는 전력에 따라, 컨버터장치(30)를 구성하는 3개의 컨버터회로에 대하여 구동하는 수를 변경하는 기능을 가진다. 도 2는, 컨버터장치(30)를 통과하는 전력과, 컨버터장치(30)의 손실의 관계를, 컨버터장치(30)의 구동 상수를 파라미터로 하여, 모식적으로 설명하는 도면이다. 도 2에서, 가로축은 컨버터 통과전력이고, 세로축은 컨버터장치(30)의 손실이다. 컨버터 통과전력의 부호는, 2차 전지측에서 연료전지측으로 전류가 흐를 때를 (+)라 하고, 연료전지측에서 2차 전지측으로 전류가 흐를 때를 (-)로 하고 있다. 여기서, 컨버터장치(30)에 있어서, 하나의 컨버터회로만을 구동하는 단상 구동의 경우의 손실 특성 곡선(51), 2개의 컨버터회로를 구동하는 2상 구동의 경우의 손실 특성 곡선(52), 3개의 컨버터회로를 구동하는 3상 구동의 경우의 손실 특성 곡선(53)이 나타나 있다.
상기한 일본국 특개2006-33934호 공보에서도 설명되어 있는 바와 같이, 스위칭소자와 리액터를 사용하는 컨버터장치의 손실은, 리액터의 코일에 의하여 손실되는 리액터 구리손, 스위칭소자의 동작에 의해 손실되는 모듈 손실, 리액터의 자성 체에 의해 손실되는 리액터 철손이 있다. 그리고, 리액터 구리손 및 모듈 손실은, 통과전력이 증대함에 따라 증대하여, 단상 운전의 쪽이 3상 운전보다 크고, 리액터 철손실은 통과전력에 거의 의존하지 않고, 3상 운전의 쪽이 단상 운전보다 크다. 도 2에는, 그 모양이 나타나 있다. 즉, 통과전력이 작고 A의 범위에 있을 때는, 단상구동의 손실 특성 곡선(51)이 가장 손실이 적다. 다음에 통과전류가 증가하고, B의 범위에 있을 때는, 2상 구동의 손실 특성 곡선(52)이 가장 손실이 적다. 또한, 통과전력이 증가하고, C의 범위에 있을 때는, 3상 구동의 손실 특성 곡선(53)이 가장 손실이 적다.
도 2의 결과에 의거하여, 제어부(40)의 구동 상수 변경 모듈(46)은, 컨버터장치(30)의 통과전력에 따라, 통과전력이 A의 범위에 있을 때는 단상 구동을 지시하고, 통과전력이 B의 범위에 있을 때는 2상 구동을 지시하며, 통과전력이 C의 범위에 있을 때는 3상 구동을 지시한다.
여기서, 단상 구동시의 손실 특성 곡선(51)과, 2상 구동시의 손실 특성 곡선(52)과의 교점이, A의 범위와 B의 범위와의 분기점이며, 2상 구동시의 손실 특성 곡선(52)과 3상 구동시의 손실 특성 곡선(53)과의 교점이 B의 범위와 C의 범위와의 분기점이다. 각 손실 특성 곡선은 미리 구하여 둘 수 있기 때문에, A의 범위와 B의 범위의 분기점이 되는 단상 구동 - 2상 구동 변경의 통과전력의 값, B의 범위와 C의 범위의 분기점이 되는 2상 구동 - 3상 구동 변경의 통과전력의 값은, 각각 미리 설정할 수 있다. 전자의 절대값을 단상 - 2상 변경 문턱값(P12)으로 하고, 후자 의 절대값을 2상 - 3상 변경 문턱값(P23)으로 하면, 컨버터장치(30)의 통과전력의 절대값(P)을 구하여, P≤P12일 때는 단상 구동, P12 < P < P23일 때는 2상 구동, P ≥ P23일 때는 3상 구동을 지시하는 것으로 할 수 있다.
다시 도 1로 되돌아가, 제어부(40)의 통과전력산출 모듈(42)은, 리액터에 설치된 2개의 차동 전류계(54, 56)의 검출값에 의거하여 컨버터장치(30)를 통과하는 전력을 실시간적으로 산출하는 기능을 가진다.
도 3은, 2개의 차동 전류계(54, 56)를 사용하여 통과전류를 구하는 모양을, 컨버터장치(30)의 구동 상수마다 나타내는 도면이다. 또한, 설명에는 도 1에서 설명한 부호를 이용한다. 도 3(a)는 3상 구동, 즉 3개의 컨버터회로의 각각에 대응하는 3개의 리액터에 각각 전류가 흐르는 경우이다. 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 3상에 대응하는 3개의 리액터에 흐르는 전류를 각각 IA, IB, IC라 하고, IB가 흐르는 리액터를 공통 리액터로 한다. 2개의 차동 전류계(54, 56)는, 리액터를 흐르는 전류를 검출하는 수단이다. 제 1 차동 전류계(54)는, 공통 리액터와, 나머지 2개의 리액터 중의 한쪽에서, 전류(IA)가 흐르는 한쪽 리액터와의 사이에 설치된다. 따라서, 제 1 차동 전류계(54)는, 차동전류(X = IA - IB)를 검출할 수 있다. 제 2 차동 전류계(56)는, 공통 리액터와 나머지 2개의 리액터 중의 다른쪽에서, 전류(Ic)가 흐르는 다른쪽 리액터에 설치된다. 따라서, 제 2 차동 전류계(56)는, 차동전류(Y = Ic - IB)를 검출할 수 있다. 이들 검출값에 의거하여, 각 리액터에 흐르는 전류(IA, IB, IC)를 각각 구할 수 있다.
도 3(b)는, 2상 구동, 즉 3개의 컨버터회로 중의 2개에 각각 대응하는 2개의 리액터에 각각 전류가 흐르는 경우이다. 이 경우는, 구동되지 않는 컨버터회로에 대응하는 리액터를 공통 리액터로 하여, 2개의 차동 전류계(54, 56)를 설치한다. 즉, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 제 1 차동 전류계(54)가, 전류가 흐르지 않는 공통 리액터와, 전류(IA)가 흐르는 리액터와의 사이에 설치되고, 제 2 차동 전류계(56)가, 전류가 흐르지 않는 공통 리액터와, 전류(IC)가 흐르는 리액터와의 사이에 설치된다. 따라서, 제 1 차동 전류계(54)는, 차동전류(X = IA)를 검출할 수 있고, 제 2 차동 전류계(56)는, 차동전류(Y = IC)를 검출할 수 있다.
바꾸어 말하면, 3상 구동으로부터 2상 구동으로 변경할 때는, 2개의 차동 전류계(54, 56)가 공통으로 설치되는 공통 리액터에 대응하는 컨버터회로의 구동을 정지하면 된다. 이와 같이 함으로써, 2개의 차동 전류계(54, 56)의 접속을 하나하나 변경하지 않아도 컨버터장치(30)의 구동 상수의 변경을 행하여, 그대로, 구동되는 리액터를 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
도 3(c)는, 단상 구동, 즉 3개의 컨버터회로 중의 하나에 대응하는 하나의 리액터에만 전류가 흐르는 경우이다. 이 경우는, 구동되는 컨버터회로에 대응하는 리액터에 접속되는 차동 전류계를 사용하여, 그 리액터를 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 도 3(c)에서는, 전류(IA)가 흐르는 리액터가 구동되고 있는 것으로 하고, 제 1 차동 전류계(54)를 사용하여, 차동전류(X = IA)를 검출하는 경우가 나타나 있다. 이 밖의 경우, 예를 들면, 도 3(a)에서 설명한 전류(IC)가 흐르는 리액터에 대응하는 컨버터회로가 구동될 때는, 제 2 차동 전류계(56)를 사용하여, 차동전류(Y = IC)를 검출할 수 있다. 공통 리액터에 대응하는 컨버터회로가 구동될 때는, 제 1 차동 전류계(54) 또는 제 2 차동 전류계(56)를 사용하여, 차동전류(X = -IB) 또는 차동전류(Y = -IB)를 검출할 수 있다.
이와 같이 하여, 2개의 차동 전류계(54, 56)의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 컨버터회로에 대응하는 리액터를 흐르는 전류를 각각 실시간적으로 검출할 수 있다. 따라서, 이들 검출된 각 전류값과, 컨버터장치(30)에 걸리는 전압, 즉 2차 전지(10) 또는 연료전지(12)의 전압으로부터, 컨버터장치(30)를 통과하는 전력을 실시간적으로 산출할 수 있다. 또한, 컨버터장치(30)를 구성하는 컨버터회로의 수를 3 이외의 복수로 할 때에도, 적당한 수의 전류검출수단으로 각 리액터를 흐르는 전류를 검출함으로써, 컨버터장치의 통과전력을 실시간적으로 구할 수 있다. 또, 상기한 바와 같이, 차동 전류계를 사용함으로써, 리액터의 수보다 적은 전류 검출수단으로, 컨버터장치의 통과전력을 구할 수 있다.
다시 도 1로 되돌아가, 제어부(40)의 전력 균등화 모듈(44)은, 컨버터장치(30)를 구성하는 각 컨버터회로에 각각 흐르는 전류를 균등화하는 기능, 즉, 각 컨버터회로의 사이에서, 각각의 통과전력을 균등하게 하는 기능을 가진다. 구체적 으로는, 3상 구동시의 평균 통과전력을 구하는 기능과, 각 상의 전력이 이 평균 통과전력의 1/3의 값이 되도록, 각 상에서의 스위칭 듀티의 변경을 실행하는 기능을 가진다. 이들 기능은, 전압 변환시에 실행되는 구동 듀티를 산출하는 주기마다 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 시간적으로 매우 세밀하게, 각 컨버터회로를 통과하는 전력을 균등화할 수 있다.
도 4는, 제 1 차동 전류계(54)의 검출값(X) 및 제 2 차동 전류계(56)의 검출값(Y)에 의거하여, 3개의 상에 흐르는 통과전류의 합을 구하여 하나의 상 당의 평균 통과전류를 산출하는 모양을 나타내는 도면이다. 도 3(a)에서 설명한 바와 같이, 3개의 리액터에 흐르는 전류를 각각 IA, IB, IC라 하면, 제 1 차동 전류계(54)의 검출값(X = IA - IB)이고, 제 2 차동 전류계(56)의 검출값(Y = IC - IB)이다. 따라서, 3개의 상에 흐르는 통과전류의 총합은, IA + IB + IC = 3IB + X + Y가 된다. 여기서, IB는 이미 설명한 바와 같이, 공통 리액터를 흐르는 전류이다. 이것으로부터 3상 구동시의 하나의 상 당의 평균 통과전류는, Iave = IB +(X + Y)/3이 되고, 이것에 2차 전지 또는 연료전지의 출력전압(V)를 곱함으로써, 하나의 상 당의 평균 통과전력을 구할 수 있다.
도 5는, 하나의 상 당의 평균 통과 전류값과, 각 상을 흐르는 전류값과의 사이의 편차를 구하는 모양을 나타내는 도면이다. 예를 들면, 공통 리액터를 흐르는 전류값(IB)의 평균 통과 전류값(Iave)으로부터의 편차(ΔIB)는, ΔIB = Iave - IB = IB + {(X + Y)/3} - IB = (X + Y)/3 이 되기 때문에, 제 1 차동 전류계(54)의 검출값(X)과, 제 2 차동 전류계(56)의 검출값(Y)으로부터 구할 수 있다. 다른 리액터를 흐르는 전류값의 평균 통과 전류값으로부터의 편차도, 도 5에 나타내는 바와 같이, 제 1 차동 전류계(54)의 검출값(X)과, 제 2 차동 전류계(56)의 검출값(Y)으로부터 구할 수 있다.
도 6은, 도 5에서 구해진 각 상 통과 전류값의 평균 통과 전류값으로부터의 편차를 제로에 가깝게 하기 위하여, 각 상의 구동 듀티를 변경하는 모양을 나타내는 도면이다. 예를 들면, 공통 리액터를 흐르는 전류값(IB)의 평균 통과 전류값(Iave)으로부터의 편차[(X + Y)/3]를 제로에 가깝게 하기 위해서는, 공칭(公稱)의 통과전류에 대한 이 편차의 비율에 소정의 계수를 곱하여, 지금까지의 듀티를 보정한다. 도 6에서는, 현재의 하나 앞의 구동 듀티를 Duty-B(old)라 하고, 공칭의 통과전력을 P, 2차 전지 또는 연료전지의 전압을 V라 하면, 하나의 상 당의 공칭 통과전류는 P/3V라 할 수 있기 때문에, 이 공칭 통과전류에 대한 편차[(X + Y)/3]의 비율에 계수(KB)를 곱한 것을, Duty-B(old)에 대하여 보정하여, 다음의 구동 듀티 (Duty-B)로 하고 있다. 즉, Duty-B = Duty-B(old)+KB[{(X+Y)/3}/{P/3V}]로 함으로써, 공통 리액터를 흐르는 전류값(IB)의 평균 통과 전류값(Iave)으로부터의 편차[(X + Y)/3]를 제로에 가깝게 할 수 있다. 마찬가지로 하여, 다른 상의 통과 전류값에 대해서도, 평균 통과전류(Iave)에 가능한 한 가깝게 하기 위한 듀티 변경값을 구할 수 있다.
이와 같이, 차동 전류계를 사용하여, 리액터를 흐르는 전류를 검출하고, 그 검출값에 의거하여, 컨버터장치를 통과하는 통과전력을 실시간적으로 산출할 수 있으며, 또, 각 상에 흐르는 전류에 상호적으로 차이가 있어도, 하나의 상 당의 평균 통과전류 또는 평균 통과전력을 산출할 수 있고, 또, 통과전류 또는 통과전력을 각 상 사이에서 균등화하기 위한 각 상의 구동 듀티의 보정량을 구할 수 있다. 이것에 의하여, 부하변동 등에 따라 컨버터장치의 구동 상수를 적확하게 변경할 수 있고, 또, 각 상의 작동상태를 균등화할 수 있다.
본 발명은 컨버터제어장치에 이용된다. 특히 제 1 전원과 제 2 전원의 사이에 접속되고, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 복수 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 컨버터제어장치에 이용된다.

Claims (8)

  1. 제 1 전원과 제 2 전원의 사이에 접속되어, 복수의 스위칭소자와 리액터를 가지고 양방향으로 전압 변환을 행하는 컨버터가 복수상 병렬로 접속된 구성을 포함하고, 컨버터 통과전력에 따라 구동시키는 컨버터 상수를 변경하는 컨버터제어장치에 있어서,
    리액터를 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출수단과,
    검출된 전류에 의거하여, 구동되고 있는 컨버터를 통과하는 전력을 구하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨버터는 3상 병렬로 접속되어 구성되고, 상기 전류 검출수단은 제 1 차동 전류계와 제 2 차동 전류계를 포함하며,
    상기 제 1 차동 전류계는, 3상에 대응하는 3개의 리액터 중의 하나의 공통 리액터와, 나머지 2개의 리액터의 한쪽인 한쪽 리액터와의 사이에 설치되고, 공통 리액터에 흐르는 전류와 한쪽 리액터를 흐르는 전류와의 차를 검출하는 것이고,
    상기 제 2 차동 전류계는, 공통 리액터와 나머지 2개의 리액터의 다른쪽인 다른쪽 리액터와의 사이에 설치되고, 공통 리액터에 흐르는 전류와 다른쪽 리액터를 흐르는 전류와의 차를 검출하는 것이며,
    컨버터를 통과하는 전력을 구하는 수단은, 제 1 차동 전류계의 검출값과, 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    구동시키는 컨버터 상수가 단상(單相)인 경우는, 제 1 차동 전류계와 제 2 차동 전류계 중에서, 구동되고 있는 리액터에 설치되는 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    구동시키는 컨버터 상수가 2상인 경우는, 공통 리액터에 상당하는 상을 정지하고, 제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 구동되고 있는 리액터를 통과하는 전력을 구하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    복수 구동시의 평균 통과전력을 구하여, 각 상의 전력을 균등화하는 전력 균등화수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    전력 균등화수단은,
    제 1 차동 전류계의 검출값 및 제 2 차동 전류계의 검출값에 의거하여, 복수의 상에 흐르는 통과전류의 합을 구하여 하나의 상 당의 평균 통과전류를 산출하는 평균 통과전류 산출수단과,
    평균 통과전류와 각 상을 흐르는 통과전류와의 차로부터, 각 상의 전력을 균등화하는 각 상 구동 듀티를 구하는 구동 듀티 산출수단을 가지는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    전력 균등화수단은, 구동 듀티를 산출하는 주기마다 각 상의 전력을 균등화하는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    컨버터의 상수 변경은, 컨버터의 손실이, 리액터의 통과전력이 증대함과 동시에 증가하기 때문에 상수가 적어질수록 증가하는 손실성분과, 리액터의 통과전력에 의존하지 않고 상수가 많아질수록 증가하는 손실성분을 가지기 때문에, 합계 손실을 저감시키기 위하여, 통과전력의 증가에 따라 컨버터의 상수를 많게 하는 것을 특징으로 하는 컨버터제어장치.
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