JP2011004460A - 電圧変換装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を抑制する。
【解決手段】燃料電池２から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、主リアクトルＬ１と主スイッチＳ１と平滑コンデンサＣ３とを含む昇圧回路と、主スイッチＳ１のソフトスイッチングを補助する回路であって、補助リアクトルＬ２と補助スイッチＳ２と補助コンデンサＣ２とを含む補助回路と、補助コンデンサＣ２の電圧が０であり、かつ補助リアクトルＬ２に流れる電流が主リアクトルＬ１に流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、主スイッチＳ１をオンさせる制御部８と、主スイッチＳ１がオフであり、かつ補助リアクトルＬ２に流れる電流が減少するときに当該補助リアクトルＬ２に誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該補助リアクトルＬ２に流れる電流の減少時間を可変にする可変抵抗器Ｒと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧変換装置および燃料電池システムに関する。

燃料電池車両等に搭載される電圧変換装置では、スイッチのオン／オフ時にソフトスイッチングを行うことでスイッチング損失を低減させている。ソフトスイッチングとは、スイッチングの際に零電圧／零電流の状態でスイッチをオン／オフさせる手法である。下記特許文献１には、電圧変換装置に、補助コンデンサや補助リアクトル、補助スイッチからなる補助回路を設けることで、昇圧回路の主スイッチをソフトスイッチングする技術が開示されている。

ＷＯ２００６／０９８３７６号公報

ところで、例えば、補助回路を構成する補助コンデンサや補助リアクトルの容量に生ずる製造誤差等によるばらつきや、主スイッチおよび補助スイッチにおけるオンタイミングのずれ、回路を構成する配線インダクタンス等は、設計段階から把握することは困難である。したがって、零電圧／零電流状態となる期間が設計値とずれてしまうことも考えられる。この期間がずれてしまうとスイッチング損失が発生するおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、スイッチング損失を抑制することができる電圧変換装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る電圧変換装置は、電源から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、少なくとも第一のリアクトルと第一のスイッチング素子と第一のコンデンサとを含む昇圧回路と、第一のスイッチング素子のソフトスイッチングを補助する回路であって、少なくとも第二のリアクトルと第二のスイッチング素子と第二のコンデンサとを含む補助回路と、第二のコンデンサの電圧が０であり、かつ第二のリアクトルに流れる電流が第一のリアクトルに流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、第一のスイッチング素子をオンさせる制御部と、第一のスイッチング素子がオフであり、かつ第二のリアクトルに流れる電流が減少するときに当該第二のリアクトルに誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を可変にする抵抗部と、
を備えることを特徴とする。

この発明によれば、抵抗部の抵抗値を調節して第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を変更することができるため、第二のリアクトルに流れる電流が第一のリアクトルに流れる電流以上となる期間を調整することが可能となる。これにより、第一のスイッチング素子をオンに切り換えるタイミングをソフトスイッチング可能期間内に確実に収めることが可能となる。

上記電圧変換装置において、上記抵抗部は、第一のスイッチング素子と並列に配置されることとしてもよい。

このようにすることで、抵抗部を簡易に電圧変換装置に取り付けることが可能となる。

上記電圧変換装置において、上記抵抗部は、可変抵抗器、第三のリアクトル、およびダイオードと第三のスイッチング素子とからなる直列回路を複数並列に配置した回路のうちのいずれかであってもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、上記電圧変換装置と、電源である燃料電池と、電圧変換装置から出力される電力を消費する電力消費装置と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング損失を抑制することができる。

実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 主スイッチをオフからオンに切り換える際のタイミングを説明するための図である。 第１変形例における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 第２変形例における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る電圧変換装置および燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る電圧変換装置を燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータとして備える燃料電池システムについて説明する。また、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。

まず、図１を参照して、実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２（電源）と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ３（電圧変換装置）と、二次電池としてのバッテリ４と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＢａｔコンバータ５と、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）と、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換装置であり、燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能を有する。ＦＣコンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。

ＦＣコンバータ３は、燃料電池２から出力される直流電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路に含まれるスイッチのソフトスイッチングを補助する補助回路とを含んで構成される。ソフトスイッチングの詳細については後述する。

ＦＣコンバータ３の昇圧回路は、例えば、燃料電池２から出力される直流電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ１と、直流電圧を昇圧する主リアクトルＬ１（第一のリアクトル）および主スイッチＳ１（第一のスイッチング素子）と、ＦＣコンバータ３の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ３（第一のコンデンサ）と、を有する。フリーホイールダイオードＤ５と可変抵抗器Ｒ（抵抗部）とからなる直列回路が、主スイッチＳ１に並列に接続されている。

ＦＣコンバータ３の補助回路は、例えば、補助コンデンサＣ２（第二のコンデンサ）と、補助リアクトルＬ２（第二のリアクトル）と、補助スイッチＳ２（第二のスイッチング素子）と、を有する。

バッテリ４は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池２の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。Ｂａｔコンバータ５は、直流の電圧変換装置であり、バッテリ４から出力された直流電圧を調整（昇圧）してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７から出力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔコンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。

トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

制御部８は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ７等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ７の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサや水素ポンプのモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

制御部８は、主スイッチＳ１のオン／オフをソフトスイッチングにより制御する。ソフトスイッチングとは、スイッチ端子間の電位差を０にして端子間に電流が流れないようにしてからスイッチをオン／オフさせるスイッチング手法である。これにより、スイッチのオン／オフ時に発生するスイッチング損失を解消することができる。以下に、制御部８によって行われるソフトスイッチングの手順について説明する。

まず、主スイッチＳ１をオンからオフに切り換える場合、主スイッチＳ１をオンからオフに徐々に切り換える（手順１）。これにより、主スイッチＳ１に流れる電流が減少し、ダイオードＤ３および補助コンデンサＣ２からなる直列回路に電流が集中することになる。

その後、主スイッチＳ１に流れる電流が０になった後に、主スイッチＳ１をオンからオフに完全に切り換える（手順２）。これにより、主スイッチＳ１に電流が流れていないときに主スイッチＳ１をオフにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。

一方、電流が補助コンデンサＣ２に流れ込むことによって、補助コンデンサＣ２には電荷が蓄積されていくことになる。

続いて、補助コンデンサＣ２に蓄積された電荷を放出するために、補助スイッチＳ２をオフからオンに切り換える（手順３）。これにより、補助コンデンサＣ２から補助リアクトルＬ２およびダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。つまり、補助回路から平滑コンデンサＣ１に電流が流れ込み、平滑コンデンサＣ１に電荷が蓄積されていくことになる。

その後、補助コンデンサＣ２から全ての電荷が放出され、補助コンデンサＣ２の電圧が０になると、ダイオードＤ３および補助コンデンサＣ２からなる直列回路の両端の電位差も０となり、主スイッチＳ１の両端の電位差も０になる。

主スイッチＳ１の両端の電位差が０になった後に、主スイッチＳ１をオフからオンに切り換える（手順４）。これにより、主スイッチＳ１に電流が流れないときに主スイッチＳ１をオンにすることができるため、スイッチング損失を０にすることができる。

次に、図２を参照して、上記手順４で行っている主スイッチＳ１をオフからオンに切り換える際のタイミングについて説明する。図２に示すグラフは、横軸が経過時間、縦軸が電流または電圧であり、上記手順３で補助スイッチＳ２がオフからオンに切り換えられた時点を時間軸の原点としている。図２のＶ_C2は補助コンデンサＣ２の電圧の推移を表したものであり、Ｉ_L2は補助リアクトルＬ２を流れる電流の推移を表したものであり、Ｉ_L1は主リアクトルＬ１を流れる電流の推移を表したものである。

図２に示すＴ_SSは、主スイッチＳ１が零電圧／零電流状態となる期間であり、この期間内に主スイッチＳ１をオフからオンに切り換えることで、主スイッチＳ１のソフトスイッチングが可能となる。以下、Ｔ_SSを「ソフトスイッチング可能期間」という。

ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSの始期は、補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が減少していき、０に達した時点である。これは、補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が０になると、主スイッチＳ１の両端の電位差および主スイッチＳ１に流れる電流がそれぞれ０になるためである。

ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSの終期は、補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が０になった後、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2が減少していき、主リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_L1に達した時点である。これは、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2が、主リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_L1未満になると、主リアクトルＬ１を流れる電流Ｉ_L1が補助コンデンサＣ２に流れ込み、補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が上昇するためである。補助コンデンサＣ２が蓄電されると、主スイッチＳ１の両端に電位差が生じ、主スイッチＳ１に電流が流れることになる。

ここで、補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が減少して０に近づくと、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2が減少する。これにより、補助リアクトルＬ２には、電流の変化を妨げる向きに起電力が生ずる。この起電力によって、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2と同じ向きに誘導電流が発生する。補助コンデンサＣ２の電圧Ｖ_C2が０に達した後に、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2が直ぐに０にはならず、徐々に減少していくのは、上記誘導電流が補助リアクトルＬ２に流れるためである。

補助リアクトルＬ２に発生する誘導電流は、ＦＣコンバータ３の低電位ラインを起点にし、フリーホイールダイオードＤ５、可変抵抗器Ｒ、ダイオードＤ３の順に経由して補助リアクトルＬ２に至る経路上を流れることになる。

本実施形態では、この誘導電流の経路上に可変抵抗器Ｒを設け、この可変抵抗器Ｒの抵抗値を調節することで誘導電流の流れる時間を変え、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを調整可能とした。可変抵抗器Ｒの抵抗値によって、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを調整する原理は以下の通りである。

まず、可変抵抗器Ｒの抵抗値を小さくすると、誘導電流が流れ易くなり、補助リアクトルＬ２に誘導電流がまとまって流れ込むことになるため、誘導電流の流れる時間が短くなる。一方、可変抵抗器Ｒの抵抗値を大きくすると、誘導電流が流れ難くなり、補助リアクトルＬ２に誘導電流が少しずつ流れ込むことになるため、誘導電流の流れる時間が長くなる。

したがって、可変抵抗器Ｒの抵抗値を小さくすると、誘導電流の流れる時間が短くなり、その結果、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が短くなる（図２のＩ_L2のＡ点以降の点線部参照）。これにより、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSも短くなる（図２のＴ_SSの点線部参照）。

これに対して、可変抵抗器Ｒの抵抗値を大きくすると、誘導電流の流れる時間が長くなり、その結果、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が長くなる（図２のＩ_L2のＡ点以降の実線部参照）。これにより、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSも長くなる（図２のＴ_SSの実線部参照）。

このように、可変抵抗器Ｒの抵抗値を調節してスイッチング可能期間Ｔ_SSを調整することによって、例えば、製造誤差等によって補助コンデンサＣ２や補助リアクトルＬ２の容量にばらつきが生じていたり、主スイッチＳ１および補助スイッチＳ２におけるオンタイミングがずれていたり、回路を構成する配線インダクタンスが考慮されていなくても、主スイッチＳ１をオンに切り換えるタイミングをスイッチング可能期間Ｔ_SS内に確実に収めることが可能となる。

それゆえに、本実施形態における燃料電池システム１によれば、主スイッチＳ１におけるスイッチング損失を抑制することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、スイッチング可能期間Ｔ_SSを調整する抵抗部として、可変抵抗器Ｒを用いて説明しているが、抵抗部はこれに限定されない。以下において、第１変形例および第２変形例における抵抗部について説明する。

図３は、第１変形例における燃料電池システムの構成を示す図である。本第１変形例における燃料電池システムは、図１に示す実施形態における可変抵抗器Ｒを、図３に示すリアクトルＬ３（第三のリアクトル；抵抗部）に置き換えたものである。それ以外の構成は、実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明を省略する。

本第１変形例では、リアクトルＬ３のインダクタンスを小さくすると、誘導電流の流れる時間が短くなり、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が短くなるため、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを短くすることができる。一方、リアクトルＬ３のインダクタンスを大きくすると、誘導電流の流れる時間が長くなり、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が長くなるため、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを長くすることができる。

図４は、第２変形例における燃料電池システムの構成を示す図である。本第２変形例における燃料電池システムは、図１に示す実施形態におけるフリーホイールダイオードＤ５と可変抵抗器Ｒとからなる直列回路を、図４に示すダイオードＤ６とスイッチＳ３（第三のスイッチング素子）とからなる直列回路を複数並列に配置した回路（抵抗部）に置き換えたものである。それ以外の構成は、実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明を省略する。

本第２変形例では、オンにするスイッチＳ３ａ〜Ｓ３ｃの数を多くすると、上記回路の抵抗成分が小さくなるため、誘導電流の流れる時間が短くなる。したがって、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が短くなり、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを短くすることができる。一方、オンにするスイッチＳ３ａ〜Ｓ３ｃの数を少なくする（少なくとも１つはオンにする）と、上記回路の抵抗成分が大きくなるため、誘導電流の流れる時間が長くなる。したがって、補助リアクトルＬ２を流れる電流Ｉ_L2の減少時間が長くなり、ソフトスイッチング可能期間Ｔ_SSを長くすることができる。

また、上述した実施形態や変形例では、抵抗部としての可変抵抗器Ｒ等を、主スイッチＳ１と並列に接続して設けているが、抵抗部を設ける位置はこれに限定されない。抵抗部は、補助リアクトルＬ２に発生する誘導電流の経路上に設けることができ、抵抗部を設けることで補助リアクトルＬ２による誘導電流の流れる時間を変えることができればよい。ただし、抵抗部を、主スイッチＳ１と並列に接続して設けることで、ＦＣコンバータ３の回路に簡易に取り付けることが可能となる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、Ｃ１，Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｃ２…共振用コンデンサ、Ｌ１…昇圧用リアクトル、Ｌ２…共振用リアクトル、Ｓ１…昇圧用スイッチ、Ｓ２…共振用スイッチ。

Claims (6)

1. 電源から出力される直流電圧を昇圧する回路であって、少なくとも第一のリアクトルと第一のスイッチング素子と第一のコンデンサとを含む昇圧回路と、
   前記第一のスイッチング素子のソフトスイッチングを補助する回路であって、少なくとも第二のリアクトルと第二のスイッチング素子と第二のコンデンサとを含む補助回路と、
   前記第二のコンデンサの電圧が０であり、かつ前記第二のリアクトルに流れる電流が前記第一のリアクトルに流れる電流以上となるソフトスイッチング可能期間に、前記第一のスイッチング素子をオンさせる制御部と、
   前記第一のスイッチング素子がオフであり、かつ前記第二のリアクトルに流れる電流が減少するときに当該第二のリアクトルに誘導電流が流入する経路上に設けられ、当該第二のリアクトルに流れる電流の減少時間を可変にする抵抗部と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
2. 前記抵抗部は、前記第一のスイッチング素子と並列に配置されることを特徴とする請求項１記載の電圧変換装置。
3. 前記抵抗部は、可変抵抗器であることを特徴とする請求項１または２記載の電圧変換装置。
4. 前記抵抗部は、第三のリアクトルであることを特徴とする請求項１または２記載の電圧変換装置。
5. 前記抵抗部は、ダイオードと第三のスイッチング素子とからなる直列回路を複数並列に配置した回路であることを特徴とする請求項１または２記載の電圧変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電圧変換装置と、
   前記電源である燃料電池と、
   前記電圧変換装置から出力される電力を消費する電力消費装置と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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