DE112009004962B4

DE112009004962B4 - Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler

Info

Publication number: DE112009004962B4
Application number: DE112009004962.1T
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Minamii; Takahiko Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2029-06-19
Also published as: US8884627B2; JP5278837B2; CN102804574A; US20120020124A1; JPWO2010146688A1; WO2010146688A1; CN102804574B; DE112009004962T5

Abstract

Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler, der in einem Leistungsversorgungssystem verwendet wird, welches einen ersten und einen zweiten Wandler aufweist, welche in der Lage sind, eine Eingangsgleichspannung von einer Gleichstromleistungsversorgung zu erhöhen, um eine Nach-Erhöhungs-Spannung über eine Ausgangsdiode auszugeben, wobei die Ausgangsenden des ersten und des zweiten Wandlers parallel zueinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen von Eingangsgleichspannungen des ersten und des zweiten Wandlers;
gekennzeichnet durch
eine Beurteilungssteuereinheit zum Beurteilen, dass eine Ausgangsdiode des ersten Wandlers kurzgeschlossen ist, wenn eine Eingangsgleichspannung, welche durch die Spannungsüberwachungseinheit überwacht wird, hinsichtlich des ersten Wandlers auf eine Nach-Erhöhungs-Spannung ansteigt, welche durch den zweiten Wandler während eines Erhöhungsbetriebs des zweiten Wandlers erhöht wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik, welche in einem Wandler (Spannungswandler) zum Umwandeln einer Eingangsgleichspannung in eine vorbestimmte Ausgangsgleichspannung verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Ein DC-DC-Wandler zum Erhöhen und/oder Erniedrigen einer Gleichspannung (DC-Spannung) ist als Spannungswandler bekannt. Der DC-DC-Wandler wird weithin in elektrischen Einrichtungen einschließlich einer elektrischen Schaltung, wie beispielsweise einem Personalcomputer, einer AV-Einrichtung, einem tragbaren Telefon, einem Leistungssystem und etc. verwendet. Kürzlich gibt es ein Beispiel, in dem der DC-DC-Wandler in einem Leistungssystem für ein Fahrzeug wie beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug, Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug etc. verwendet wird.
Beispielsweise offenbart die JP 2007-318938 A ein Leistungssystem mit DC-DC-Wandlern für ein Brennstoffzellenfahrzeug. Aus der gattungsgemäßen Druckschrift ”Fault Tolerant Circuit Topology and Control Method for Input-Series and Output-Parallel Modular DC-DC Converters” von CHOUDARY, V. et al., erschienen in IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 23, no. 1, pp. 402–411, Jan. 2008. In: IEEE Xplore. DOI 10.1109/TPEL.2007.911845 ist bekannt, dass parallel geschaltete Gleichstromwandler u. a. Kurzschlussfehler am Ausgang haben können, und das Detektionsverfahren hierzu existieren.
Kurzfassung der Erfindung
Problem, welches durch die Erfindung zu lösen ist
Der DC-DC-Wandler kann beispielsweise durch die Kombination von einem Schaltelement wie beispielsweise einem Transistor etc., einer Spule (Drossel bzw. Drosselspule), einem Kondensator, einer Diode und etc. konfiguriert sein. Wenn ein Problem in einer Ausgangsdiode, welche seriell mit einer Drosselspule verbunden ist auftritt, und dann ein Kurzschluss auftritt, kann ein elektrischer Strom rückwärts von der Drosselspule zu einer Eingangsseite (Gleichstromleistungsversorgungsseite) fließen. Die Eingabe eines solchen rückwärts gerichteten Stromes in eine Gleichstromleistungsversorgung wie beispielsweise eine Brennstoffzelle kann verursachen, dass die Gleichstromleistungsversorgung rückwärts bzw. verkehrt aufgeladen wird und beschädigt oder in ihrer Leistungsfähigkeit bzw. Leistung verschlechtert wird.
Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erfassung eines Kurzschlussfehlers einer Ausgangsdiode zu ermöglichen. Weiterhin ist es auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es zu ermöglichen, dass verhindert wird, dass eine Gleichstromleistungsversorgung beschädigt oder in ihrer Leistungsfähigkeit verschlechtert wird durch ein Verhindern, dass die Gleichstromleistungsversorgung rückwärts bzw. verkehrt aufgeladen wird.
Neben den obigen Aufgaben kann es auch als eine von anderen Aufgaben der vorliegenden Erfindung aufgelistet werden, einen Betrieb und einen Effekt zu erreichen, welche von jeder Konfiguration abgeleitet sind, welche in den Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung, welche später beschrieben werden veranschaulicht sind, und nicht durch herkömmliche Techniken erreicht werden können.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein Aspekt der Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler, welcher in einem Leistungsversorgungssystem verwendet wird, welches einen ersten und zweiten Wandler aufweist, welche in der Lage sind, eine Eingangsgleichspannung von einer Gleichstromleistungsversorgung zu erhöhen, um eine Nach-Erhöhungs-Spannung über eine Ausgangsdiode auszugeben, wobei die Ausgangsenden des ersten und zweiten Konverters parallel zueinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen von Eingangsgleichspannungen des ersten und zweiten Konverters und eine Beurteilungssteuereinheit zum Beurteilen, dass eine Ausgangsdiode des ersten Konverters kurzgeschlossen ist, wenn die Eingangsgleichspannung, welche durch die Spannungsüberwachungseinheit überwacht wird, sich hinsichtlich des ersten Wandlers auf eine Nach-Erhöhungs-Spannung erhöht, welche durch den zweiten Wandler während eines Erhöhungsbetriebs des zweiten Wandlers erhöht wurde.
Die Beurteilungssteuereinheit hierin kann den Erhöhungsbetrieb des ersten Wandlers oder des ersten Wandlers und des zweiten Wandlers stoppen, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsdiode kurzgeschlossen ist.
Weiterhin ist ein anderer Aspekt der Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler, welcher in einem Leistungsversorgungssystem verwendet wird, welches einen Wandler aufweist, welcher in der Lage ist, eine Eingangsgleichspannung einer Gleichstromleistungsversorgung zu erhöhen, um eine Nach-Erhöhungs-Spannung über eine Ausgangsdiode auszugeben, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen einer Spannung zwischen beiden Enden der Ausgangsdiode; und eine Beurteilungssteuereinheit zum Beurteilen dass, wenn ein Unterschied in der Spannung zwischen beiden Enden Null wird, die Ausgangsdiode kurzgeschlossen ist.
Die Beurteilungssteuereinheit hierin kann den Erhöhungsbetrieb des Wandlers stoppen, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsdiode kurzgeschlossen ist.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Kurzschluss (Fehler) einer Ausgangsdiode zu erfassen. Weiterhin ist es möglich, zu verhindern, dass eine Gleichstromleistungsversorgung rückwärts geladen wird, und dadurch zu verhindern, dass die Gleichstromleistungsversorgung beschädigt oder in ihrer Leistungsfähigkeit verschlechtert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung, welche schematisch Konfigurationsbeispiele eines Leistungsversorgungssystems und eines Fahrzeugs 1, welches mit dem Leistungsversorgungssystem gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist, veranschaulicht.
2 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel eines FC-Erhöhungs-Wandlers und eines Batterie-Erhöhungs-Wandlers, welche in 1 abgebildet sind, veranschaulicht.
3 ist eine Darstellung, welche ein Beispiel eines Betriebes in einem Fall darstellt, in dem ein Kurzschlussfehler der Ausgangsdiode in der Konfiguration, welche in 2 abgebildet ist, auftritt.
4 ist eine Darstellung, welche eine Abwandlung der Konfiguration, welche in 2 dargestellt ist, veranschaulicht.
5 ist eine Darstellung, welche eine andere Abwandlung der Konfiguration, welche in 2 abgebildet ist, veranschaulicht.
Beschreibung von Ausführungsformen
Hierin werden nachstehend einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Die nachstehend zu beschreibenden Ausführungsformen sind jedoch nur veranschaulichend und haben keine Absicht, die Anwendung von verschiedenen Abwandlungen und Techniken, welche nachstehend nicht spezifiziert werden, auszuschließen. Genauer kann die vorliegende Erfindung durch unterschiedliche Modifikationen (beispielsweise Kombinieren von jeweiligen Ausführungsformen etc.) ausgeführt werden ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich ist in der folgenden Beschreibung der Zeichnungen ein gleiches oder ähnliches Bezugszeichen einer gleichen oder ähnlichen Komponente bzw. einem gleichen oder ähnlichen Bauteil gegeben. Die Zeichnungen sind jedoch schematisch und entsprechen nicht notwendigerweise der tatsächlichen Dimension oder dem tatsächlichen Verhältnis etc. Es kann ein Abschnitt eingeschlossen sein, in dem die Beziehung oder das Verhältnis der gegenseitigen Dimensionen sich zwischen den jeweiligen Zeichnungen unterscheidet.
1 ist eine Darstellung, welche schematisch Konfigurationsbeispiele eines Leistungsversorgungssystems 10 und eines Fahrzeugs 1, welches mit dem Leistungsversorgungssystem 10 gemäß einer Ausführungsform ausgestattet ist, veranschaulicht.
Das Leistungsversorgungssystem 10 ist veranschaulichend ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle (FC = fuel cell = Brennstoffzelle) 11 aufweist, und das Fahrzeug 1 ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, welches ein Beispiel für elektrische Einrichtungen ist, welche das Brennstoffzellensystem 10 als die Versorgungsquelle für eine elektrische Antriebsleistung haben. Das Fahrzeug 1 kann jedoch ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug sein.
Das Fahrzeug 1 weist einen Motor 16 zum Antreiben eines Antriebsrades 2, eine elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit (ECU = Electronic Control Unit = Elektronische Steuer- bzw. Regeleinheit) 20, einen Gaspedalsensor 21 zum Erfassen der Öffnung gemäß einem Gaspedal etc. auf. Der Gaspedalsensor 21 ist elektrisch mit der elektronischen Steuer- bzw. Regeleinheit 20 verbunden, und beispielsweise wird die Drehgeschwindigkeit des Motors 16 (des Antriebsrades 2) durch die ECU 20 in Übereinstimmung mit der erfassten Öffnung gemäß dem Gaspedal gesteuert bzw. geregelt.
Neben der Brennstoffzelle (FC) 11 weist das Brennstoffzellensystem 10 als ein nichtbeschränkendes Beispiel einen FC-Erhöhungs-Wandler 12, eine Batterie 13, einen Batterie-Erhöhungs-Wandler 14, einen Inverter 15 etc. auf. Der FC-Erhöhungs-Wandler 12 ist ein Beispiel eines ersten Wandlers, um eine Eingangs-DC-Spannung zu erhöhen, und der Batterie-Erhöhungs-Wandler 14 ist ein Beispiel eines zweiten Wandlers, um eine Eingangs-DC-Spannung zu erhöhen.
Die FC 11 ist eine Einrichtung zum Erzeugen elektrischer Leistung durch Verwendung einer elektrochemischen Reaktion. Verschiedene Typen von Brennstoffzellen einschließlich einem Polymer-Elektrolyt-Typ, einem Phosphorsäure-Typ, einem Schmelzcarbonat-Typ, einem Festoxid-Typ, einem Alkali-Elektrolyt-Typ, etc. sind auf die FC 11 anwendbar. Die elektrische Leistung, welche durch die FC 11 erzeugt wird, wird für die elektrische Antriebsleistung des Motors 16, welcher das Antriebsrad 2 des Fahrzeugs 1 antreibt, und für das Laden der Batterie 13 verwendet.
Die Batterie 13 ist eine Sekundärbatterie, welche in der Lage ist, geladen/entladen zu werden und verschiedene Typen von Sekundärbatterien, einschließlich einer vom Lithium-Ionen-Typ, einer vom Nickel-Wasserstoff-Typ, einer vom Nickel-Cadmium-Typ etc. sind auf die Batterie 13 anwendbar. Die Batterie 13 kann verschiedenen elektrischen Einrichtungen, welche beim Betrieb des Fahrzeuges 1 oder der FC 11 verwendet werden, elektrische Leistung zur Verfügung stellen. Die elektrische Einrichtung, welche hierin beschrieben ist weist auf: eine Beleuchtungsausstattung, eine Klimaanlagenausstattung und eine Hydraulikpumpe des Fahrzeuges 1; und eine Pumpe zum Zurverfügungstellen eines Brennstoffgases oder des reformierten Materials davon und einen Heizer zum Anpassen der Temperatur einer Reformiereinrichtung der FC 11 etc.
Wie in 1 veranschaulicht ist, sind die FC 11 und die Batterie 13 elektrisch parallel mit dem Inverter 15 verbunden. Der FC-Erhöhungs-Wandler 12 ist in einem elektrischen Weg vorgesehen, welcher sich von der FC 11 zu dem Inverter 15 erstreckt. Der FC-Erhöhungs-Wandler 12 ist ein DC-DC-Wandler zum Erhöhen einer Eingangs-DC-Spannung und ist in der Lage, eine DC-Spannung, welche in der FC 11 erzeugt wird, in eine vorbestimmte DC-Spannung innerhalb eines umwandelbaren Bereiches davon umzuwandeln (beispielsweise zu erhöhen), um eine solche DC-Spannung an den Inverter 15 anzulegen. Solch ein Erhöhungsbetrieb erlaubt es, eine elektrische Antriebsleistung, welche zum Antreiben des Motors 16 benötigt wird, sicherzustellen, auch wenn die Ausgabeleistung der FC 11 gering ist.
Indessen ist der Batterie-Erhöhungs-Wandler 14 mit einem elektrischen Weg, welcher sich von der Batterie 13 zu dem Inverter 15 erstreckt, hinsichtlich des elektrischen Weges zwischen dem FC-Erhöhungs-Wandler 12 und dem Inverter 15 parallel verbunden. Der Wandler 14 ist auch ein DC-DC-Wandler und ist in der Lage, eine DC-Spannung, welche von der Batterie 13 oder dem Inverter 15 angewandt bzw. angelegt wird, in eine vorbestimmte DC-Spannung innerhalb eines umwandelbaren Bereiches davon umzuwandeln.
Ein Erhöhungs- und Erniedrigungswandler (step-up-and-down converter), welcher in der Lage ist, eine Spannung sowohl zu erhöhen als auch zu erniedrigen, kann auf den Wandler 14 angewandt werden. Es ist demnach möglich, beispielsweise eine Eingangs-DC-Spannung von der Batterie 13 zu steuern (erhöhen), um solch eine Eingangs-DC-Spannung an den Inverter 15 auszugeben, und eine Eingangs-DC-Spannung von der FC 11 oder dem Motor 16 zu steuern (erniedrigen), um solch eine Eingangs-DC-Spannung an die Batterie 13 auszugeben, wodurch es der Batterie 13 ermöglicht wird, geladen/entladen zu werden.
Weiterhin wird die Ausgangsspannung des Wandlers 14 gesteuert und dadurch ist es möglich, die Anschlussspannung des Inverters 15 zu steuern. Die Steuerung steuert eine relative Ausgangsspannungsdifferenz zwischen jeweiligen Leistungsversorgungen (der FC 11 und der Batterie 13), welche mit dem Inverter 15 parallel verbunden sind und macht es dadurch möglich, die elektrischen Leistungen von beiden Leistungsversorgungen getrennt angemessen zu verwenden.
Der Inverter 15 empfängt die Eingabe einer DC-Spannung von der FC 11 durch den Wandler 12 und von der Batterie 13 durch den Wandler 14, wandelt dann solch eine Eingangs-DC-Spannung in eine Wechselspannung (AC-Spannung) um und stellt demnach solch eine Wechselspannung als eine Antriebsspannung für den Motor 16 zur Verfügung. Indessen steuert die ECU 20 den Betrieb (das Schalten) des Inverters 15 derart, dass eine AC-Spannung gemäß einer erforderten Leistung dem Motor 16 zur Verfügung gestellt wird.
Die ECU 20 steuert bzw. regelt im Allgemeinen zusätzlich zu den oben beschriebenen Steuerungen bzw. Regelungen den Betrieb (Antrieb) des Fahrzeugs 1 und des Brennstoffzellensystems 10. Die ECU 20 kann veranschaulicht realisiert werden als Mikrocomputer ausgestattet mit einer CPU, welche ein Beispiel einer arithmetischen Verarbeitungseinheit ist, einem RAM und einem ROM, welche Beispiele von Speichereinrichtungen sind, etc. Die ECU 20 ist elektrisch mit dem Motor 16, jeder Komponente bzw. jedem Bestandteil des Kraftstoffzellensystems 10 und verschiedenen Sensoren verbunden und dadurch führt sie angemessen den Empfang verschiedener Sensorwerte, eine arithmetische Verarbeitung, ein Übertragen von Instruktionen bzw. Befehlen (Steuer- bzw. Regelsignalen) etc. durch. Die Sensoren können neben dem Gaspedalsensor 21 einen SOC-Sensor zum Erfassen des Ladungszustandes (SOC = State of Charge = Ladungszustand) der Batterie 13, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor zum Erfassen einer Fahrzeuggeschwindigkeit (der Anzahl von Umdrehungen des Motors 16), einen Spannungssensor und einen Stromsensor, welcher für den Erhöhungs-Wandler 12 (14) vorgesehen ist, dessen Spannungssensor und Stromsensor später beschrieben werden, etc. einschließen.
(Erhöhungs-Wandler 12 und 14)
Als nächstes ist ein Beispiel eines elektrischen Schaltungsdiagramms der Erhöhungs-Wandler 12 und 14 in 2 dargestellt. Wie in 2 dargestellt ist, weist der Erhöhungs-Wandler 12 veranschaulichend auf: eine Drossel bzw. Drosselspule (Spule) L1, eine (Ausgangs-)Diode D11, Kondensatoren C11 und C12; und eine Schaltschaltung SW1, welche ein Schaltelement S1 und eine (antiparallele) Diode D12 hat. Der Erhöhungs-Wandler 14 weist veranschaulichend auch auf: eine Drossel bzw. Drosselspule (Spule) L2; eine (Ausgangs-)Diode D21, Kondensatoren C21 und C22; und eine Schaltschaltung SW2, welche ein Schaltelement S2 und eine (antiparallele) Diode D22 hat.
Es sei festgehalten, dass in 2 VL1 die Eingangsspannung (Vor-Erhöhungs-Spannung) des FC-Erhöhungs-Wandlers 12 repräsentiert, und dass VH1 (≥ VL1) die Ausgangsspannung (Nach-Erhöhungs-Spannung) des vorstehend erwähnten Wandlers 12 repräsentiert. Weiterhin repräsentiert VL2 die Eingangsspannung (Vor-Erhöhungs-Spannung) des Batterie-Erhöhungs-Wandlers 14 und VH2 (≥ VL2) repräsentiert die Ausgangsspannung (Nach-Erhöhungs-Spannung) des Batterie-Erhöhungs-Wandlers 14. VL1 und VL2 können die gleiche Spannung oder verschiedene Spannungen sein. Dasselbe gilt für VH1 und VH2.
Als ein nichtbeschränkendes Beispiel ist ein isolierter Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) auf das Schaltelement S1 (S2) des Erhöhungs-Wandlers 12 (14) anwendbar.
In dem Erhöhungs-Wandler 12 (14) ist die Drosselspule L1 (L2) an ihrem einen Ende mit der Seite hohen Potentials der FC 11 (der Batterie 13), welche eine Gleichstromleistungsversorgung ist, in Serie verbunden, und an ihrem anderen Ende in Serie mit der Anode der Ausgangsdiode D11 (D21) in Serie verbunden.
Das eine Ende des Eingangskondensators C11 (C21) ist zwischen der Drosselspule L1 (L2) und der FC 11 (der Batterie 13) verbunden, das andere Ende des Eingangskondensators C11 (C21) ist mit der Seite niedrigen Potentials (beispielsweise Masse) der FC 11 (der Batterie 13) verbunden, und die Ausgangsspannung VL1 (VL2) der FC 11 (der Batterie 13) ist an beide Enden als eine Eingangsspannung angelegt. Der Kondensator C11 (C21) glättet den Ausgangsstrom der FC 11 (der Batterie 13), um als ein Eingangsglättungskondensator zum Verringern von Welligkeit zu dienen.
Der Kollektor des Schaltelements S1 (S2) ist zwischen der Drosselspule L1 (L2) und der Ausgangsdiode D11 (D21) verbunden, und der Emitter des Schaltelements S1 (S2) ist mit der Seite niedrigen Potentials der FC 11 (der Batterie 13) verbunden. Weiterhin ist die Kathode der antiparallelen Diode D12 (D22) mit dem Kollektor des Schaltelements S1 (S2) verbunden und die Anode der Diode D12 (D22) ist mit dem Emitter des Schaltelements S1 (S2) verbunden.
Das eine Ende des Ausgangskondensators C12 (C22) ist mit der Kathode der Ausgangsdiode D11 (D21) verbunden, und das andere Ende des Ausgangskondensators C12 (C22) ist mit der Seite niedrigen Potentials der FC 11 (der Batterie 13) verbunden. Der Ausgangskondensator C12 (C22) glättet den Ausgangsstrom, welcher von der Ausgangsdiode D11 (D21) durch den Inverter 15 dem Motor 16 zur Verfügung gestellt wird, um als ein Ausgangsglättungskondensator zu dienen, welcher eine Welligkeit verringert. Eine Spannung zwischen beiden Enden VH1 (VH2) des Ausgangskondensators C12 (C22) entspricht einer Nach-Erhöhungs-Spannung.
Das Schaltelement S1 (S2) ist derart, dass seine Gate-Spannung periodisch AN/AUS-gesteuert wird, beispielsweise von der ECU 20. Als ein nichtbeschränkendes Beispiel ist die Schaltperiode (Trägerfrequenz) ungefähr 100 ms (100 kHz).
Während der Periode bzw. Zeitdauer, in welcher das Schaltelement S1 (S2) an ist, kehrt der Ausgangsstrom der FC 11 (der Batterie 13) durch die Drosselspule L1 und das Schaltelement S1 (S2) zu der Seite niedrigen Potentials der FC 11 (der Batterie 13) zurück, und demnach wird elektrische Energie in der Drosselspule bzw. Spule L1 (L2) gespeichert. Andererseits wird während der Zeitdauer, in welcher das Schaltelement S1 (S2) aus ist, die elektrische Energie, welche in der Drosselspule bzw. Spule L1 (L2) bis zu der Zeit gespeichert wurde, der Ausgangsspannung der FC 11 (der Batterie 13) überlagert und dann durch die Ausgangsdiode D11 (D21) ausgegeben.
Auf eine solche Art und Weise kann der Erhöhungs-Wandler 12 (14) die Eingangs-DC-Spannung VL1 (VL2) von der FC 11 (der Batterie 13) auf die Ausgangs-DC-Spannung VH1 (VH2) erhöhen und dann die Nach-Erhöhungs-Spannung VH1 (VH2) durch die Ausgangsdiode D11 (D21) ausgeben.
(Erfassung eines Kurzschlussfehlers in der Ausgangsdiode D11 (D12))
Angenommen ist ein Fall, in dem in einem Zwei-Wandler-System, in welchem zwei Erhöhungs-Wandler 12 und 14 mit dem Inverter 15 (dem Motor 16) parallel wie obenstehend beschrieben wie in 3 dargestellt, verbunden sind, während des Betriebs (während des Erhöhungsbetriebs) eines Erhöhungs-Wandlers 14 die Ausgangsdiode D11 des anderen Wandlers 12 kurzgeschlossen ist und dann aufgrund irgendeiner Schwierigkeit fehlerhaft ist. Es sei bemerkt, dass es keine Rolle spielt, ob der andere Wandler betrieben wird oder nicht betrieben wird (Standby). Weiterhin wird für beschreibende Zwecke angenommen, dass: VL1 = VL2 = VL; und VH1 = VH2 = VH.
In einem solchen Fall sind beide Enden der Ausgangsdiode D11 in dem Erhöhungs-Wandler 12 kurzgeschlossen gewesen, demzufolge wird eine Spannung VH, welche durch den Erhöhungs-Wandler 14 im normalen Betrieb erhöht wird, an den Eingangskondensator C11 angelegt. Demnach steigt eine Spannung zwischen beiden Enden des Eingangskondensators C11 auf VH an und wird dann höher als die Ausgangsspannung VL der FC 11. Als ein Ergebnis wird ein elektrischer Strom, welcher nach hinten zu der Seite der FC 11 fließt (Umkehrstrom), erzeugt. Wenn die FC 11 durch einen solchen Umkehrstrom umgekehrt bzw. verkehrt geladen wird, kann die FC 11 beschädigt oder in ihrer Leistungsfähigkeit verschlechtert werden. Es sei bemerkt, dass dasselbe für den Fall wahr ist, in dem die Ausgangsdiode D21 des Erhöhungs-Wandlers 14 einen Kurzschlussfehler hat.
Demzufolge werden in der vorliegenden Ausführungsform Spannungen zwischen beiden Enden der Kondensatoren C11 und C21, welche die Eingangsspannungen (VL) der Erhöhungs-Wandler 12 und 14 sind, jeweils durch die Spannungssensoren 120 erfasst (überwacht). Der Spannungssensor 120 ist ein Beispiel einer Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen der Eingangs-DC-Spannungen des Erhöhungs-Wandlers 12/14. Die Spannungssensoren 120 sind elektrisch beispielsweise mit der ECU 20 verbunden und können jeweilige Spannungssensorwerte für die ECU 20 bereitstellen.
Die ECU 20 beurteilt periodisch, ob ein Spannungssensorwert von einem der Spannungssensoren 120 einen vorbestimmten Grenzwert (beispielsweise maximal zulässiger Spannungswert für VL) überschreitet oder nicht, und wenn er überschritten wird, beurteilt die ECU 20, dass die Ausgangsdiode D11 oder D21 in dem Erhöhungs-Wandler 12 oder 14, welcher dem Spannungssensor 120 entspricht, von welchem solch ein Spannungssensorwert erhalten wird, kurzgeschlossen ist. Der Grenzwert kann beispielsweise in einem Speicher in der ECU 20 gespeichert werden.
In anderen Worten gesagt dient die ECU 20 als ein Beispiel einer Beurteilungssteuereinheit zum Beurteilen dass, wenn während des Erhöhungsbetriebs eines Erhöhungs-Wandlers 14 eine Eingangs-DC-Spannung (die Ausgangs-DC-Spannung der FC 11), welche durch den Spannungssensor 120 mit Hinsicht auf den anderen Erhöhungs-Wandler 12 erfasst wird, auf eine Nach-Erhöhungs-Spannung VH zunimmt, welche durch den Erhöhungs-Wandler 14 erhöht wurde, die Ausgangsdiode D11 des anderen Erhöhungs-Wandlers 12 kurzgeschlossen ist.
In einer solchen Situation wird, wie in 3 dargestellt ist, wenn das Schaltelement S1 in dem Zustand angeschaltet ist, in dem die Ausgangsdiode D11 in dem Erhöhungs-Wandler 12, in welchem ein Kurzschlussfehler aufgetreten ist, kurzgeschlossen ist, ein elektrischer Weg, auf welchen die Nach-Erhöhungs-Spannung VH, welche durch den Erhöhungs-Wandler 14 erhöht wurde, angewendet wird, kurzgeschlossen werden. Demnach würde möglicherweise ein Überstrom, welcher einen Nennstrom überschreitet, in solch ein Schaltelement S1 fließen.
Demzufolge steuert, wenn die ECU 20 beurteilt, dass die Ausgangsdiode D11 einen Kurzschlussfehler hat, sie derart, dass das Schaltelement S1 des Erhöhungs-Wandlers 12, in welchem ein Kurzschlussfehler aufgetreten ist, ausgeschaltet wird, um den Antrieb bzw. Betrieb (Erhöhungsbetrieb) solch eines Erhöhungs-Wandlers 12 zu stoppen. Demnach ist es möglich, zu verhindern, dass ein Schaden oder dergleichen aufgrund eines Überstroms, welcher in das Schaltelement S1 fließt, auftritt.
Es sei bemerkt, dass, auch wenn das Schaltelement S1 des Erhöhungs-Wandlers 12, in welchem ein Kurzschlussfehler aufgetreten ist, in einem AUS-Zustand ist, die Eingangsspannung VL solch eines Erhöhungs-Wandlers 12 in Antwort auf den Erhöhungsbetrieb des Erhöhungs-Wandlers 14, in welchem ein Kurzschlussfehler nicht aufgetreten ist, zunimmt. Demzufolge kann in beiden Fällen, in denen der Erhöhungs-Wandler 12, in welchem ein Kurzschlussfehler aufgetreten ist, ursprünglich nicht betrieben wird (auf Standby), und in denen eine Überstromschutzfunktion während des Betriebs solch eines Erhöhungs-Wandlers 12 wirkt, so dass das Schaltelement S1 abgeschaltet wird, die ECU 20 den abnormalen Kurzschluss der Ausgangsdiode D11 basierend auf einem Spannungssensorwert beurteilen und erfassen, welcher durch die Spannungssensoren 120 erhalten wird, solange der andere Erhöhungs-Wandler 14 normal betrieben wird.
Wenn der Kurzschlussfehler der Ausgangsdiode D11 erfasst ist, kann die ECU 20 zusätzlich derart steuern, dass das Schaltelement S2 des normal betriebenen Erhöhungs-Wandlers 14 auch ausgeschaltet wird. Der Erhöhungsbetrieb des gesamten Leistungsversorgungssystems 10 ist demnach gestoppt und demzufolge kann eine Situation, in der das Leistungsversorgungssystem 10 aufgrund des Kurzschlussfehlers eines Teils der Ausgangsdiode D11 in einen systemweiten Fehler fällt, vermieden werden (d. h. ein ausfallsicheres System kann erreicht werden).
Es sei bemerkt, dass es einen Fall geben kann, in dem ein Strom, welcher rückwärts zu der FC 11 oder der Seite der Batterie 13 fließt, durch eine gegenelektromotorische Kraft erzeugt wird, welche in dem Motor 16 auftritt. Demzufolge kann, wenn beispielsweise die Anzahl von Umdrehungen des Motor 16 größer als oder gleich einem bestimmten Wert ist, und wenn es eine Möglichkeit gibt, dass ein bestimmtes Niveau an gegenelektromotorischer Kraft auftritt, die ECU 20 eine feldschwächende Steuerung hinsichtlich des Motors 16 durchführen, so dass ein regenerativer bzw. positiv rückgekoppelter Strom, welcher durch eine solche gegenelektromotorische Kraft erzeugt wird, unterdrückt wird. Demnach kann, auch wenn ein Kurzschlussfehler in dem Erhöhungs-Wandler 12 oder 14 auftritt, das Leistungsversorgungssystem 10 vor einem positiv rückgekoppelten Strom, welcher durch die gegenelektromotorische Kraft des Motors 16 verursacht wird, geschützt werden.
Es sei bemerkt, dass auch in einem Fall, in dem, im Gegensatz zu dem obigen Beispiel, die Ausgangsdiode D21 des Erhöhungs-Kondensators 14 einen Kurzschlussfehler hat, solch ein Kurzschlussfehler durch die ECU 20 in derselben Art und Weise wie obenstehend erfasst werden kann.
(Abwandlung 1)
Wie in 4 dargestellt bzw. abgebildet ist, kann in dem Erhöhungs-Wandler 12 (14) ein Stromsensor 121 zusätzlich zwischen der Gleichstromleistungsversorgung 11 (13) und dem Eingangskondensator C11 (C21) oder alternativ zwischen dem Verbindungspunkt des Eingangskondensators C11 (C21) und dem Eingangskondensator C11 (C21) vorgesehen sein als ein Beispiel einer Stromerfassungseinheit zum Erfassen der Strommenge an solchen Orten vorgesehen sein. Es kann einen Fall geben, in dem der Stromsensor 121 ursprünglich zum Zweck des Steuerns bzw. Regelns der Durchschnittsmenge von Strom vorgesehen ist, welcher zu der Zeit des Erhöhungsbetriebes von der Gleichstromleistungsversorgung 11 (13) zu der Drosselspule L1 (L2) fließt.
Veranschaulichend ist ein Sensor vom Magnetproportions-Typ auf den Stromsensor bzw. als Stromsensor 121 anwendbar. Ein Sensor vom Magnetproportions-Typ misst indirekt die Größe eines elektrischen Stromes durch ein Messen eines Magnetfeldes zu einer Zeit, wenn der zu messende Strom durch einen Leiter fließt. Beispielsweise wird ein Magnetfeld gemäß einem Strom in ein Spannungssignal durch ein Hall-Element umgewandelt, solche eine Ausgangsspannung wird durch eine Verstärkerschaltung verstärkt und dann wird die Ausgangsspannung gemäß dem Strom als ein Sensorwert ausgegeben.
Veranschaulichend ist der Stromsensor 121 elektrisch mit der ECU 20 verbunden und ist in der Lage, den erfassten Stromwert (Stromsensorwert) für die ECU 20 bereitzustellen. In solch einem Fall kann die ECU 20 zusätzlich zu einem Spannungssensorwert von dem Spannungssensor 120 einen Stromsensorwert von dem Stromsensor 121 für die Kurzschlussabnormalitätsbeurteilung an der Ausgangsdiode D11 (D21) verwenden.
Wenn beispielsweise sowohl der Spannungssensorwert als auch der Stromsensorwert eine vorbestimmte Beurteilungsbedingung erfüllen (veranschaulichend, wenn jeder Sensorwert jeden entsprechenden Grenzwert überschreitet), kann die ECU 20 beurteilen, dass die Ausgangsdiode D11 oder D21 des entsprechenden Erhöhungs-Wandlers 12 oder 14 einen Kurzschlussfehler hat. Demnach kann die Genauigkeit einer Kurzschlussfehlerbeurteilung verbessert werden.
(Abwandlung 2)
Die Kurzschlussfehlerbeurteilung der Ausgangsdiode D11 (oder D21), welche obenstehend beschrieben ist, kann durch ein Überwachen einer Spannung zwischen beiden Enden der Ausgangsdiode D11 (oder D21) durchgeführt werden. Wie in 5 dargestellt ist, ist beispielsweise ein Vergleicher bzw. Komparator 122 an beiden Enden der Ausgangsdiode D11 vorgesehen. Der Komparator 122 ist ein Beispiel einer Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen einer Spannung zwischen beiden Enden der Ausgangsdiode D11 und, beispielsweise ist der Komparator 122 elektrisch mit der ECU 20 verbunden und ist dadurch in der Lage, für die ECU 20 ein Vergleichsergebnis in dem Komparator 122 bereitzustellen. Es sei bemerkt, dass jedoch, in 5 nicht gezeigt, ein Komparator 122 auch an der Ausgangsdiode D21 des Erhöhungs-Wandlers 14 vorgesehen sein kann.
Die ECU 20 ist ein anderes Beispiel der Beurteilungssteuereinheit und ist in der Lage zu beurteilen, dass die Ausgangsdiode D11 (oder D21) einen Kurzschlussfehler hat, wenn ein Vergleichsergebnis in dem Komparator 122, nämlich die Differenz in der Spannung zwischen beiden Enden der Ausgangsdiode D11 (oder D21) Null wird.
In diesem Beispiel ist es, auch wenn eine Mehrzahl von Erhöhungs-Wandlern 12 und 14 nicht, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, parallel verbunden sind, möglich, solange der Erhöhungs-Wandler 12 oder 14, welcher mit dem Komparator 122 versehen ist, in einem Erhöhungsbetrieb ist, zu beurteilen, dass ein Kurzschlussfehler aufgetreten ist daraus, dass die Differenz in der Spannung zwischen beiden Enden der Ausgangsdiode D11 (oder D21) Null wird. Im Gegensatz hierzu kann, wenn die Erhöhungs-Wandler 12 und 14 wie in der oben beschriebenen Ausführungsform parallel verbunden sind, eine Kurzschlussfehlerbeurteilung geführt werden, solange irgendeiner der Erhöhungs-Wandler 12 und 14 in einem Erhöhungsbetrieb ist.
Es sei beemerkt, dass der Spannungssensor 120 und/oder Stromsensor 121, welche obenstehend beschrieben sind, zusätzlich hinsichtlich jedes der Erhöhungs-Wandler 12 und 14 vorgesehen sein kann. In einem solchen Fall beurteilt und erfasst die ECU 20 den Kurzschlussfehler der Ausgangsdiode D11 oder D21 basierend auf einem Vergleichsergebnis in dem Komparator 122 und der Kombination eines Spannungssensorwerts und/oder eines Stromsensorwerts, und demnach kann eine Verbesserung der Bewertungs-/Erfassungsgenauigkeit erreicht werden.
(Andere)
Die oben beschriebenen Ausführungsformen können auf andere Arten von Wandlern wie beispielsweise resonante DC-DC-Wandler etc. angewandt werden. Weiterhin können die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht nur auf einen im Fahrzeug montierten DC-DC-Wandler, sondern auch auf einen DC-DC-Wandler, welcher in einer elektrischen Einrichtung, beispielsweise einem Personalcomputer, einer audiovisualen Einrichtung, einem mobilen Terminal montiert ist, angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: Fahrzeug
2: Antriebsrad
10: Leistungsversorgungssystem (Brennstoffzellensystem)
11: Brennstoffzelle (FC)
12: FC-Erhöhungs-Wandler
13: Batterie
14: Batterie-Erhöhungs-Wandler
15: Inverter
16: Motor
20: Elektronische Steuereinheit (ECU) (Beurteilungssteuereinheit)
21: Gaspedalsensor
120: Spannungssensor (Spannungsüberwachungseinheit)
121: Stromsensor
122: Komparator (Spannungsüberwachungseinheit)
C11, C12, C21, C22: Kondensator
D11, D12, D21, D22: Diode
L1, L2: Reaktor bzw. Spule bzw. Drosselspule (Spule)
S1, S2: Schaltelement
SW1, SW2: Schaltschaltung

Claims

Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler, der in einem Leistungsversorgungssystem verwendet wird, welches einen ersten und einen zweiten Wandler aufweist, welche in der Lage sind, eine Eingangsgleichspannung von einer Gleichstromleistungsversorgung zu erhöhen, um eine Nach-Erhöhungs-Spannung über eine Ausgangsdiode auszugeben, wobei die Ausgangsenden des ersten und des zweiten Wandlers parallel zueinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Spannungsüberwachungseinheit zum Überwachen von Eingangsgleichspannungen des ersten und des zweiten Wandlers; gekennzeichnet durch eine Beurteilungssteuereinheit zum Beurteilen, dass eine Ausgangsdiode des ersten Wandlers kurzgeschlossen ist, wenn eine Eingangsgleichspannung, welche durch die Spannungsüberwachungseinheit überwacht wird, hinsichtlich des ersten Wandlers auf eine Nach-Erhöhungs-Spannung ansteigt, welche durch den zweiten Wandler während eines Erhöhungsbetriebs des zweiten Wandlers erhöht wird.
Vorrichtung zum Erfassen eines Kurzschlusses einer Ausgangsdiode in einem Wandler nach Anspruch 1, wobei, wenn beurteilt wird, dass die Ausgangsdiode kurzgeschlossen ist, die Beurteilungssteuereinheit den Erhöhungsbetrieb des ersten Wandlers oder des ersten und zweiten Wandlers stoppt.