JP2008022628A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電力の幅広い領域において、効率の高い変換を行うことができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る電力変換装置１は、電源２により供給される電力を変換して負荷に供給する電力変換装置であって、定格出力の異なる複数の変換器４、５、６を並列接続して備え、電源２により供給される電力に応じて、複数の変換器４、５、６のうちの動作させる変換器の組み合わせを変化させる制御手段７を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等に用いられる電力変換装置に関するものである。

従来、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置において、幅広い入力電圧変動範囲や出力電圧変動範囲において、効率を高めるための技術として、例えば特許文献１に記載されたようなものがある。この特許文献１に記載された電力変換装置においては、回路方式の異なる複数の変換器を並列に接続して、入力電圧条件および／又は出力電圧条件に基づいて、複数の変換器のうちいずれかの電力変換回路を選択することが提案されている。また、効率を高める電力変換装置として、特許文献２に記載されているようなものもあるが、この特許文献２に記載された電力変換装置においては、同じ特性の変換器を複数台並列に接続して、出力電力の分担を調整することが行われている。
特開平６−３１１７２９号公報 特開２００４−１７８８７７号公報

ところが、特許文献１に記載の電力変換装置では、電力変換装置の回路動作に必要な電力が入力電力の小さい領域で顕在化して、入力電力の小さい領域において効率が低下するという問題があった。また、特許文献２に記載の電力変換装置においても、同じ特性の変換器を複数台並列に接続しているため、入力電力が小さい領域において、個々の変換器の効率の低い部分が重なり合って、これも効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑み、入力電力の幅広い領域において、効率の高い変換を行うことができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の問題を解決するため、本発明による電力変換装置は、
電源により供給される電力を変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
定格出力の異なる複数の変換器を並列接続して備え、
前記電源により供給される電力に応じて、前記複数の変換器のうちの動作させる変換器の組み合わせを変化させる制御手段を備えることを特徴とする。

ここで、前記変換器相互間の負荷分担比率を、予め定められた負荷分担比率マップにより決定する負荷分担比率決定手段を備え、
前記負荷分担比率マップにより決定された負荷分担比率に基づき、前記電力変換装置の効率が最大となる負荷分担比率を探索する負荷分担比率探索手段を備え、
前記負荷分担比率探索手段により探索された負荷分担比率に基づいて、前記制御手段が前記複数の変換器のうちの動作させる変換器を選択して制御することが好ましい。

これによれば、前記制御手段が前記複数の変換器を選択するにあたっての制御内容を簡略化することができる。

さらに、前記負荷分担比率探索手段により探索された前記電力変換装置の効率が最大となる負荷分担比率に基づいて、前記負荷分担比率マップを更新する負荷分担比率更新手段を備えることが好ましい。

これによれば、前記電力変換装置の効率が最大となる負荷分担比率を次回以降に探索する時間を短縮するとともに、負荷分担比率マップの負荷分担比率を常に最適なものとすることができる。

本発明によれば、入力電力の幅広い領域において、効率の高い変換を行うことができる電力変換装置を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る電力変換装置の一実施例を示す回路図であり、図２は、本発明に係わる電力変換装置の一実施例に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

本実施例の電力変換装置１は、廃熱回収スタック２により供給される電力を変換してバッテリ装置３に供給するものであり、定格出力の異なる変換器としてのＤＣ／ＤＣコンバータ４、５、６を並列接続して備えるとともに、これらのＤＣ／ＤＣコンバータ４、５、６のうち動作させるＤＣ／ＤＣコンバータの組み合わせを変化させるとともに選択して制御する制御ＥＣＵ７を備えて構成される。

廃熱回収スタック２は、自動車の排気ガスが有する熱エネルギーを、例えばＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系の半導体材料からなる熱電素子を用いて電気エネルギーに変換して発電するものである。この熱電素子は、ここでは図示しない排気ガスが通流するエキゾーストマニホールドと排気管との間に設けられた気体通路とエンジンの冷却水が通流する冷却管との間に配置され、熱電素子の一方面は冷却管内の冷却水により冷却され、他方面は気体通路内の排気ガスにより加熱されて、これにより熱電素子内に温度差が発生して発電が行われる。

バッテリ装置３は例えばＰｂバッテリ３ａとバッテリＥＣＵ(Electronic Control Unit)３ｂにより構成され、電力変換装置１により供給される電力により充電されるものであり、ここでは図示しない空調装置や、カーオーディオ装置、カーナビゲーション装置などの各車載機器に電力を供給するものである。バッテリＥＣＵ３ｂは例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、ＣＰＵが以下に述べる処理を行うものである。バッテリＥＣＵ３ｂはＰｂバッテリ３ａの充電量および許容充電量を常態監視しており、許容充電量情報を例えばＣＡＮ（Controller Area Network）により、制御ＥＣＵ７に伝送する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４は例えば図２に示すようなフライバック型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、フライバックトランス８、ＭＯＳＦＥＴ９、ダイオード１０、コンデンサ１１、入力電圧計１２、入力電流計１３、入力端子１４、出力端子１５、コンデンサ１６を主たる構成要素として構成される。このＤＣ／ＤＣコンバータ４においては、ＭＯＳＦＥＴ９のＰＷＭ制御により、フライバックトランス８の一次巻線に流れる電流を制御し、フライバックトランス８の二次巻線に巻線比に比例した交流の電圧を発生させ、ダイオード１０およびコンデンサ１１にて直流に整流して、昇圧又は降圧された電力をバッテリ装置３に供給する。なおコンデンサ１６は入力インピーダンスを低下する目的で挿入されるものである。

また、入力電圧計１２は、各ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧ひいては廃熱回収スタック２の出力電圧Ｖおよび開放電圧Ｖｏｃを検出するものである。開放電圧Ｖｏｃは、ＭＯＳＦＥＴ９を制御ＥＣＵ７の指令の下、オフとした状態にて測定する。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に並列接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６の回路構成は、基本的に図２に示したフライバック型のＤＣ／ＤＣコンバータと同様である。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４（変換器１）の定格出力を１００Ｗ、ＤＣ／ＤＣコンバータ５（変換器２）の定格出力を２００Ｗ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６（変換器３）の定格出力を４００Ｗとしている。上述したフライバックトランス、ＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、コンデンサの諸元を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、６それぞれの定格出力に対応したものとすることにより、異なる定格出力を有するそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータ５、６が構成される。

制御ＥＣＵ７(Electronic Control Unit)は例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびそれらを接続するデータバスから構成され、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、ＣＰＵが以下に述べる処理を行うものである。制御ＥＣＵ７は、推定発電量算出部７ａと、許容充電量取得部７ｂと、変換器処理電力算出部７ｃと、負荷分担比率決定部７ｄと、負荷分担比率探索部７ｅと、負荷分担比率更新部７ｆと、制御部７ｇと、電流探索部７ｈとを備える。

推定発電量算出部７ａは、入力電圧計１２により検出した開放電圧Ｖｏｃに基づいて、廃熱回収スタック２の推定発電量Ｐｉｎ、電流Ｉｉｎ、電圧Ｖｉｎを、図３に示すような推定発電量マップを用いて算出する。なお、図３に示した推定発電量マップは、図４に示すような廃熱回収スタック２の発電特性図に基づいて決定されるものである。図４中短絡電流Ｉｓは予めＭＯＳＦＥＴ９をオンとした状態にて入力電流計１４により測定して得られるものであり、推定発電量Ｐｉｎを求めるための電流Ｉｉｎは短絡電流Ｉｓの半分の値として求まり、推定発電量Ｐｉｎを求めるための電圧Ｖｉｎは開放電圧Ｖｏｃの半分の値として求まり、電流Ｉｉｎと電圧Ｖｉｎの積によりＰｉｎが求められる。図３においては便宜上、開放電圧Ｖｏｃを５Ｖ単位で変化させた場合の、推定発電量Ｐｉｎ、電流Ｉｉｎ、電圧Ｖｉｎを示している。

許容充電量取得部７ｂは、バッテリ装置３のバッテリＥＣＵ３ｂより伝送された許容充電量Ｐｐを取得する。

変換器処理電力算出部７ｃは、供給電力算出部７ａの算出した廃熱回収スタック２の推定発電量Ｐｉｎと、要求電力取得部７ｂの取得した許容充電量Ｐｐとを比較して、推定発電量Ｐｉｎが許容充電量Ｐｐよりも大きい場合には、変換器処理電力＝許容充電量Ｐｐとし、そうでない場合には、変換器処理電力＝推定発電量Ｐｉｎとする。

負荷分担比率決定部７ｄは、変換器処理電力算出部７ｃの算出した変換器処理電力に基づいて、図５に示すような、変換器選択マップを用いて、運転するＤＣ／ＤＣコンバータを選択する。図５に示すように、負荷分担比率決定部７ｄは、変換器処理電力が１００Ｗ以下である場合には、１００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ４を選択し、変換器処理電力が１００Ｗより大きく３００Ｗ以下である場合には、１００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ４と２００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ５を選択し、変換器処理電力が３００Ｗより大きく５００Ｗ以下である場合には、１００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ４と４００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ６を選択し、変換器処理電力が５００Ｗより大きく６００Ｗ以下である場合には、２００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ５と４００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ６を選択する。

加えて、負荷分担比率決定部７ｄは、入力電力計１２により検出した開放電圧Ｖｏｃに基づいて、選択されたＤＣ／ＤＣコンバータの組み合わせのうちそれぞれのＤＣ／ＤＣコンバータの負荷分担比率を、図６に示すような負荷分担比率マップを用いて算出する。本実施例のＤＣ／ＤＣコンバータは電流制御であるため、負荷分担比率Ｒは、選択された二つのＤＣ／ＤＣコンバータ（これを便宜上変換器Ａ、Ｂと呼ぶ）のうち一方の変換器Ａの電力をＰａ、電流をＩａ、他方の変換器Ｂの電力をＰｂ、電流をＩｂとすると、負荷分担比率はＲ＝Ｐａ／（Ｐａ＋Ｐｂ）＝Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ）で示される。なお、図６に示した推定発電量マップは、本実施例の電力変換装置において後述する山登り法と同様の方法により予め実験的に求められるものである。

負荷分担比率探索部７ｅは、負荷分担比率決定部７ｄにより決定された負荷分担比率Ｒを基準として、電力変換装置１の効率が実際に最大となる負荷分担比率Ｒを山登り法により探索する。山登り法については、後述するフローチャートの説明において詳細に説明する。なお、予め求めた負荷分担比率Ｒと、電力変換装置１の効率が実際に最大となる負荷分担比率が相違する理由は、各ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するフライバックトランス８、ＭＯＳＦＥＴ９、ダイオード１０、コンデンサ１１の劣化に起因するものである。

負荷分担比率更新部７ｆは、負荷分担比率探索部７ｅが探索した、電力変換装置１が実際に最大となる負荷分担比率Ｒに基づいて、図６に示した負荷分担比率マップの該当する部分を更新する。

制御部７ｇは、推定発電量算出部７ａの求めた電流Ｉｉｎと、負荷分担比率決定部７ｄの決定した負荷分担比率Ｒおよび、負荷分担比率探索部７ｅの探索した負荷分担比率Ｒに基づき、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、５、６をＰＷＭ制御する。これとともに、電流探索部７ｈは、電流Ｉｉｎを初期値として最大出力となる電流Ｉを後述する山登り法により探索する。

以上述べた本発明に係わる電力変換装置の制御内容を、フローチャートを用いて説明する。図７は、本発明に係わる電力変換装置の制御内容を示すフローチャートである。

Ｓ０１０において、推定発電量算出部７ａは入力電圧計１２により開放電圧Ｖｏｃを検出して、Ｓ０２０において、推定発電量算出部７ａは図３に示した推定発電量マップを用いて、推定発電量Ｐｉｎ、電流Ｉｉｎ、電圧Ｖｉｎを算出する。例えば、開放電圧Ｖｏｃ＝２０Ｖであれば、推定発電量Ｐｉｎ＝Ｐ４、電流Ｉｉｎ＝ｉ４、電圧Ｖｉｎ＝Ｖ４である。つづいて、Ｓ０３０において、許容充電量取得部７ｂはバッテリＥＣＵ３ｂよりＣＡＮを介して許容充電量Ｐｐを読み込む。Ｓ０４０において、変換器処理電力算出部７ｃは、推定発電量算出部７ａが算出した推定発電量Ｐｉｎと、許容充電量取得部７ｂが取得した許容充電量Ｐｐとを比較して、推定発電量Ｐｉｎが許容充電量Ｐｐよりも大きければ、Ｓ０５０にすすんで、変換器処理電力を許容充電量Ｐｐとし、推定発電量Ｐｉｎが許容充電量Ｐｐよりも小さければ、Ｓ０６０にすすんで、変換器処理電力を推定発電量Ｐｐとする。

以上のＳ０５０およびＳ０６０の処理により求めた変換器処理電力により、負担分担比率決定部７ｄはまず、Ｓ０７０において、図５に示した変換器選択マップを用いて、動作させる変換器、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータを選択して、動作変換器数Ｎを計算する。
さらに、Ｓ０７１において、負荷分担比率決定部７ｄは、選択した変換器、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ相互間の負荷分担比率Ｒを、図６に示した負荷分担率マップにより計算して求める。

つづいて、Ｓ０８０において、負荷分担比率探索部７ｅは、動作変換器数Ｎ＝１であるかどうかを判定し、Ｎ＝１であれば、Ｓ０９０にすすみ、Ｎ＝１でなければＳ１８０にすすむ。本実施例では動作変換器数Ｎ＝１であれば、図５に示した変換器選択マップにより、変換器処理電力は１００Ｗ以下であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ４が選択される。

以下に述べるＳ０９０からＳ１７１までの処理は、動作変換器数Ｎ＝１の場合における、山登り法による最大出力となる電流Ｉを探索する処理である。

Ｓ０９０において、Ｓ０２０において算出した電流Ｉｉｎを電流Ｉの初期値として、制御部７ｇがＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御して、入力電圧計１２により検出した電圧Ｖと、電流Ｉとにより、電流探索部７ｈがまず電力Ｐ１＝Ｉ×Ｖを計算する。

さらに、Ｓ１００において、電流探索部７ｈが電流Ｉに微少差分ΔＩを加算して、Ｓ１１０において電流Ｉ＝Ｉ＋ΔＩに基づいて、制御部７ｇがＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御して、電流探索部７ｈが、入力電圧計１２により検出した電圧Ｖと電流Ｉ＝Ｉ＋ΔＩにより電力Ｐ２＝Ｉ×Ｖを計算する。

さらに、Ｓ１２０において、電流探索部７ｈが電流Ｉに微少差分２ΔＩを減算して、Ｓ１３０において、電流Ｉ＝Ｉ−２ΔＩに基づいて、制御部７ｇがＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御して、電流探索部７ｈが、入力電圧計１２により検出した電圧Ｖと電流Ｉ＝Ｉ−２ΔＩにより電力Ｐ３＝Ｉ×Ｖを計算する。

Ｓ１４０において、Ｐ１がＰ２およびＰ３よりも大きい場合には、図９に示す上に凸の山形をなすＰＩ曲線において、Ｐ１が山形のＰＩ曲線の頂上に位置することになるので、Ｓ１５０において電流Ｉ＝Ｉ＋ΔＩとして、Ｓ１７１においてデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）を計算し、このデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）に基づいて制御部７ｇはＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御する。なお、Ｓ１７１においてＩ（ｔｙｐ）とは、デューティー比が１である場合の電流である。

Ｓ１４０において、Ｐ１がＰ２およびＰ３よりも大きくない場合には、Ｓ１６０にすすんで、電流探索部７ｈはＰ３がＰ２よりも大きいかどうかを判定し、Ｐ３がＰ２よりも大きい場合には、図９に示すＰＩ曲線において、Ｐ１が山形の曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、右肩下がりであると判定して、電流ＩをそのままにしてＳ１７１においてデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）を計算し、制御部７ｇはこのデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御する。

Ｓ１６０において、電流探索部７ｈは、Ｐ３がＰ２よりも大きくない場合には、図９に示す山形のＰＩ曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、右肩上がりであると判定して、Ｓ１７０において電流Ｉ＝Ｉ＋２ΔＩとして、Ｓ１７１においてデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）を計算し、制御部７ｇはこのデューティー比ｄｕｔｙ＝Ｉ／Ｉ（ｔｙｐ）に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ４をＰＷＭ制御する。

Ｓ０９０からＳ１７１までの山登り法による最大出力となる電流Ｉの探索処理は、Ｓ１７５においてＩＧオフを検出しない限り、繰り返し行われ、電流Ｉは最大出力となる値に収束される。

また、Ｓ０８０において動作変換器数Ｎ＝１でないと判定された場合には、Ｓ１８０からＳ２８０までの処理が実行され、Ｓ１８０、Ｓ２００、Ｓ２２０において、図９に示すサブルーチンＰＣＡＬＣが実行され、Ｓ２７０において、図１０に示すサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲが実行される。本実施例においては動作変換器数Ｎ＝１でない場合とは、変換器処理電力が１００Ｗ以上６００Ｗ以下の場合であり、いずれの場合も動作変換器数Ｎ＝２である。

ここでまず、図９に示すサブルーチンＰＣＡＬＣについて説明する。Ｓ０２０において推定発電量算出部７ａが算出した電流Ｉｉｎを電流Ｉの初期値とし、Ｓ０７１で負荷分担比率決定部７ｄが決定した負荷分担比率Ｒに基づいて、Ｓ３１０において負荷分担比率探索部７ｅが変換器Ａ、Ｂの電流Ｉａ＝Ｉ×Ｒ、Ｉｂ＝Ｉ−Ｉａ＝Ｉ×（１−Ｒ）を計算し、制御部７ｇが変換器Ａ、ＢをＰＷＭ制御して、電流探索部７ｈが、変換器Ａ内の入力電圧計１２により検出した電圧Ｖと、電流Ｉａ＝Ｉ×Ｒとにより、Ｓ３２０において変換器Ａの電力Ｐａ＝Ｉａ×Ｖを計算し、Ｓ３３０において変換器Ｂ内の入力電圧計１２により検出した電圧Ｖと、電流Ｉｂ＝Ｉ×（１−Ｒ）とにより、変換器Ｂの電力Ｐｂ＝Ｉｂ×Ｖを計算し、Ｓ３４０において、変換器ＡおよびＢ全体の電力Ｐ＝Ｐａ＋Ｐｂを計算する。

続いて、図１０に示すサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲについて説明する。Ｓ０２０において推定発電量算出部７ａが算出した電流Ｉｉｎを電流Ｉの初期値とし、Ｓ０７１で負荷分担比率決定部７ｄが決定した負荷分担比率Ｒに基づいて、Ｓ４１０において負荷分担比率探索部７ｅが変換器Ａ、Ｂの電力Ｐ４を図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣを用いて計算し、Ｓ４２０において負荷分担比率Ｒに微少差分ΔＲを加算して、Ｓ４３０において負荷分担比率探索部７ｅが変換器Ａ、Ｂの電力Ｐ５を図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣを用いて計算する。さらに、Ｓ４４０において、負荷分担比率探索部７ｅが負荷分担比率Ｒに微少差分２ΔＲを減算して、Ｓ４５０において、負荷分担比率探索部７ｅが変換器Ａ、Ｂの電力Ｐ６を図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣを用いて計算する。

Ｓ４６０において、Ｐ４がＰ５およびＰ６よりも大きい場合には、図１１に示す上に凸の山形をなすＰＲ曲線において、Ｐ４が山形のＰＲ曲線の頂上に位置することになるので、Ｓ４７０において負荷分担比率探索部７ｅが負荷分担比率Ｒ＝Ｒ＋ΔＲとして、Ｓ５００において、負荷分担比率更新部７ｆが、図６に示した負荷分担比率マップの該当する箇所を更新してＳ５００にすすみサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲを終了する。

Ｓ４６０において、Ｐ４がＰ５およびＰ６よりも大きくない場合には、Ｓ４８０にすすんで、負荷分担比率探索部７ｅはＰ６がＰ５よりも大きいかどうかを判定し、Ｐ６がＰ５よりも大きい場合には、図１１に示すＰＲ曲線において、Ｐ４が山形の曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、右肩下がりであると判定して、負荷分担比率ＲをそのままにしてＳ５１０にすすんでサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲを終了する。

Ｓ４８０において、Ｐ６がＰ５よりも大きくない場合には、図１１に示す山形のＰＲ曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、負荷分担比率探索部７ｅは右肩上がりであると判定して、Ｓ４９０において負荷分担比率Ｒ＝Ｒ＋２ΔＲとして、Ｓ５１０にすすんでサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲを終了する。

Ｓ４００からＳ５１０までの山登り法による最大出力となる負荷分担比率Ｒの探索処理は、Ｓ１７５においてＩＧオフを検出しない限り、繰り返し行われ、負荷分担比率Ｒは最大出力つまりは最大効率となる値に収束される。

以下に、図８に示すＳ１８０からＳ２８０までの、動作変換器数Ｎ＝２、つまりは、選択された変換器が二個である場合の、山登り法による最大出力となる電流Ｉを探索する処理と効率が最大となる負荷分担比率Ｒを探索する処理について説明する。

Ｓ１８０において、Ｓ０２０において推定発電量算出部７ａが算出した推定発電量と、その場合の電流ＩおよびＳ０７１で負荷分担比率決定部７ｄが決定した負荷分担比率Ｒに基づいて、図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣにより、まず電力Ｐ１＝Ｉ×Ｖ＝Ｉａ×Ｖ＋Ｉｂ×Ｖを計算する。

さらに、Ｓ１９０において、電流探索部７ｈが電流Ｉに微少差分ΔＩを加算して、Ｓ２００において電流Ｉ＝Ｉ＋ΔＩに基づいて、図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣにより、電力Ｐ２＝Ｉ×Ｖ＝Ｉａ×Ｖ＋Ｉｂ×Ｖを計算する。

さらに、Ｓ２１０において、電流探索部７ｈが電流Ｉに微少差分２ΔＩを減算して、Ｓ２２０において、電流Ｉ＝Ｉ−２ΔＩに基づいて、図９に示したサブルーチンＰＣＡＬＣにより、電力Ｐ３＝Ｉ×Ｖ＝Ｉａ×Ｖ＋Ｉｂ×Ｖを計算する。

Ｓ２３０において、Ｐ１がＰ２およびＰ３よりも大きい場合には、図９に示す上に凸の山形をなすＰＩ曲線において、Ｐ１が山形のＰＩ曲線の頂上に位置することになるので、Ｓ２４０において電流探索部７ｈが電流Ｉ＝Ｉ＋ΔＩとして、Ｓ２７０において図１０に示したサブルーチンＰＤＥＶＩＤＥＲの効率が最大となる変換器Ａ、Ｂの負荷分担比率Ｒの探索および負荷分担比率マップの更新処理を行い、Ｓ２８０においてこの負荷分担比率Ｒに基づいて、制御部７ｇがデューティー比ｄｕｔｙ（Ａ）＝Ｉ×Ｒ／Ｉａ（ｔｙｐ）、ｄｕｔｙ（Ｂ）＝Ｉ×（１−Ｒ）／Ｉｂ（ｔｙｐ）を計算し、このデューティー比ｄｕｔｙ（Ａ）、ｄｕｔｙ（Ｂ）に基づいて制御部７ｇは変換器Ａ、ＢをＰＷＭ制御する。なお、Ｓ２８０においてＩａ（ｔｙｐ）およびＩｂ（ｔｙｐ）とは、変換器ＡおよびＢのそれぞれにおいて、デューティー比が１である場合の電流である。

Ｓ２３０において、Ｐ１がＰ２およびＰ３よりも大きくない場合には、Ｓ２５０にすすんで、電流探索部７ｈはＰ３がＰ２よりも大きいかどうかを判定し、Ｐ３がＰ２よりも大きい場合には、図８に示すＰＩ曲線において、Ｐ１が山形の曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、右肩下がりであると判定して、電流ＩをそのままにしてＳ２８０においてデューティー比ｄｕｔｙ（Ａ）＝Ｉ×Ｒ／Ｉａ（ｔｙｐ）、ｄｕｔｙ（Ｂ）＝Ｉ×（１−Ｒ）／Ｉｂ（ｔｙｐ）を計算し、制御部７ｇは変換器Ａ、ＢをＰＷＭ制御する。

Ｓ２５０において、Ｐ３がＰ２よりも大きくない場合には、図８に示す山形のＰＩ曲線の頂上よりも右側に位置することになるので、電流探索部７ｈは右肩上がりであると判定して、Ｓ２６０において電流Ｉ＝Ｉ＋２ΔＩとして、Ｓ２８０においてデューティー比ｄｕｔｙ（Ａ）＝Ｉ×Ｒ／Ｉａ（ｔｙｐ）、ｄｕｔｙ（Ｂ）＝Ｉ×（１−Ｒ）／Ｉｂ（ｔｙｐ）を計算し、制御部７ｇは変換器Ａ、ＢをＰＷＭ制御する。

Ｓ１８０からＳ２８０までの山登り法による最大出力となる電流Ｉの探索処理は、Ｓ１７５においてＩＧオフを検出しない限り、繰り返し行われ、電流Ｉは最大出力となる値に収束される。

以上述べた本実施例によれば以下のような作用効果が得られる。まず、ＤＣ／ＤＣコンバータに代表される変換器の効率は、図１２に示すようにそれぞれの定格出力が異なれば、変換器に入力される電力によって変換効率の高い領域はそれぞれ異なり、おのおのの変換器は定格出力よりも小さい入力電力の領域において効率が低下する。

ところが、本実施例のように、異なる定格出力の変換器を複数並列接続して、入力電力、すなわち廃熱回収スタック２の推定発電量に応じて選択して動作させることにより、図１３に示すように、幅広い入力電力に対して効率を高めることができる。つまり、変換器１（１００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ４）と変換器２（２００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ５）を組み合わせた場合には、変換器１により変換器２の効率の低い領域を補い、変換器１と変換器３（４００ＷのＤＣ／ＤＣコンバータ６）とを組み合わせた場合には、変換器３の効率の低い領域を変換器１により補うことができる。加えて、変換器２と変換器３とを組み合わせた場合には、変換器２、３それぞれの効率の高い領域が重なり合うので、入力電力の高い領域における効率を高めることができる。これらのことにより幅広い入力電力の領域において、電力変換装置１の変換効率を高めることができる。この変換効率を高める効果は、本実施例のように推定発電量が広範囲に変動しうる廃熱回収スタック２を用いたシステムにおいてより顕著となる。

また、動作させる変換器が一つである場合、複数である場合ともに、電力変換装置１全体の効率が高くなるように、電流Ｉの最適な値を探索して制御することができるので、これによっても効率を高めることができる。

さらに、動作させる変換器が複数である場合に、電力変換装置１全体の効率が高くなるように、負荷分担比率Ｒの最適な値を探索して制御することができるので、これによっても効率を高めることができる。

さらに、電力変換装置１の効率が実際に最大となる負荷分担比率Ｒに基づいて、図６に示した負荷分担比率マップを更新することにより、電力変換装置の効率が実際に最大となる負荷分担比率を次回以降に探索する時間を短縮するとともに、変換器を構成する要素の劣化にかかわらずに、負荷分担比率マップの負荷分担比率を常に最適なものとすることができる。

以上実施例について詳細に説明したが、本実施例は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変形および置換を加えることができる。本実施例では変換器としてフライバック式のＤＣ／ＤＣコンバータを用いたが、フルブリッジ方式のＤＣ／ＤＣコンバータや、チョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータなど種々の方式の変換器を用いることが可能である。

また、本実施例では電源として廃熱回収スタックを、負荷としてバッテリ装置を用いる構成としたが、それ以外の構成とすることも可能である。図１４〜図１７にその変形例を示す。

図１４は、本実施例の電源を廃熱回収スタックから商用電源に置換し、負荷としてのバッテリ装置を制御装置に置換し、定格出力の異なる複数の変換器をＤＣ／ＤＣコンバータからＡＣ／ＤＣコンバータに置換して並列接続したものである。この場合には制御装置が負荷から取得する情報は、許容充電量から、推定負荷量に置換される。

図１５は、本実施例の電源を廃熱回収スタックから太陽光発電装置に置換し、定格出力の異なる複数の変換器をＤＣ／ＤＣコンバータからＤＣ／ＡＣコンバータに置換して並列接続したものである。

図１６は、本実施例の電源を廃熱回収スタックから、ハイブリッド車に用いられる三相交流の電源系統に置換し、負荷をモータとし、定格出力の異なる複数の変換器をＤＣ／ＡＣコンバータとして並列接続したものである。

図１７は、本実施例の電源を廃熱回収スタックから、ガソリンエンジン車に用いられる三相交流の電源系統に置換し、負荷をモータとし、定格出力の異なる複数の変換器をＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ−ＡＣコンバータとを組み合わせたものとして並列接続したものである。

図１４〜１７に示した構成においては、本実施例で使用した図３の推定発電量マップや、図５に示した動作変換器マップ、図６に示した負担分担率マップは個々の構成に適したものに置換される。いずれの構成によっても、定格出力の異なる複数の変換器を並列接続して、推定発電量（図１４に示した構成においては推定供給電力量）ひいては変換器処理電力により運転変換器を選択して、最大効率となる負荷分担比率を探索することにより、入力電力の幅広い領域において高い効率を得ることができる。

さらに、本実施例においては、異なる定格出力の変換器を３個並列接続し、そのうちの１個を選択するまたは２個を選択したが、もちろん３個選択しても良い。また、異なる定格出力の変換器を４個以上並列接続する構成とすることももちろん可能である。

本発明は、電源と負荷との間の変換器を異なる定格出力を有する変換器を並列接続して、推定発電量および許容充電量に基づいて変換器処理電力を求め、変換器処理電力に基づいて、運転変換器を選択して運転変換器相互間の負荷分担率を最適化することにより、電力変換装置全体としての効率を高めることを目的としたものであるので、乗用車、トラック、バス等の様々な車両に適用可能なものである。また、適用対象は車両に限られず、太陽光発電装置などの、発電機と負荷と変換器を組み合わせた装置にも適用可能であり、電源から負荷に対して変換を行って電力を供給する電力変換装置であれば適用可能である。

本発明に係る電力変換装置の一実施例を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置のＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 本発明に係る電力変換装置の推定発電量マップである。 本発明に係る電力変換装置の廃熱回収スタックの発電特性図である。 本発明に係る電力変換装置の変換器選択マップである。 本発明に係る電力変換装置の負荷分担比率マップである。 本発明に係わる電力変換装置の制御内容を示すフローチャートである。 本発明に係わる電力変換装置の山登り法による最大出力となる電流を探索する処理の概念を示す模式図である。 本発明に係わる電力変換装置の制御内容を示すフローチャートである。 本発明に係わる電力変換装置の制御内容を示すフローチャートである。 本発明に係わる電力変換装置の山登り法による最大出力となる負荷分担比率を探索する処理の概念を示す模式図である。 本発明に係わる電力変換装置の各変換器の効率を示す模式図である。 本発明に係わる電力変換装置の効率を示す模式図である。 本発明に係る電力変換装置の他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置の他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置の他の実施例を示すブロック図である。 本発明に係る電力変換装置の他の実施例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 廃熱回収スタック
３ バッテリ装置
３ａ Ｐｂバッテリ
３ｂ バッテリＥＣＵ
４、５、６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ 制御ＥＣＵ
８ フライバックトランス
９ ＭＯＳＦＥＴ
１０ ダイオード
１１ コンデンサ
１２ 入力電圧計
１３ 入力電流計
１４ 入力端子
１５ 出力端子
１６ コンデンサ

Claims (3)

1. 電源により供給される電力を変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
   定格出力の異なる複数の変換器を並列接続して備え、
   前記電源により供給される電力に応じて、前記複数の変換器のうちの動作させる変換器の組み合わせを変化させる制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記変換器相互間の負荷分担比率を、予め定められた負荷分担比率マップにより決定する負荷分担比率決定手段を備え、
   前記負荷分担比率マップにより決定された負荷分担比率に基づき、前記電力変換装置の効率が最大となる負荷分担比率を探索する負荷分担比率探索手段を備え、
   前記負荷分担比率探索手段により探索された負荷分担比率に基づいて、前記制御手段が前記複数の変換器のうちの動作させる変換器を選択して制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記負荷分担比率探索手段により探索された前記電力変換装置の効率が最大となる負荷分担比率に基づいて、前記負荷分担比率マップを更新する負荷分担比率更新手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

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