JP4639668B2 - 電力変換装置、及びこれを搭載した燃料電池車両 - Google Patents
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Description
1)DC-DCコンバータを使用しているため、システムのサイズが大きくなるとともに、コストが高い、損失が大きいなどの問題が生じる。
2)燃料電池の出力ラインにダイオードが存在するため、損失が大きい。
以上の点を鑑みて、本発明は燃料電池を主電源とするモータ駆動システムのための電力変換装置をより高効率に、より小型に、より低コストにする技術を提供することを目的とする。
少なくとも3相からなる負荷機器に印加される交流電圧の入力部が接続される出力部を有し、燃料電池又は蓄電手段の出力電圧から、負荷機器に印加する交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置であって、
燃料電池及び蓄電手段の低電位側同士を接続してなる共通電位、または、燃料電池及び蓄電手段の高電位側同士を接続してなる共通電位を有し、当該共通電位からの燃料電池の電位、該共通電位からの蓄電手段の電位、該共通電位をそれぞれ出力する直流電圧源と、
前記相に各々、前記3つの電位のいずれかを選択し、接続することで、前記負荷機器に直流電圧源の電圧を印加するスイッチング手段を各々備え、
前記スイッチング手段は各々、前記3つの電位のいずれかを選択し、且つ、選択された電位のオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成する、
ことを特徴とする。
前記スイッチング手段は、前記直流電圧源の3つの電位の各出力部と前記負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチで構成され、
前記オンオフするスイッチのうち、少なくとも、前記燃料電池における前記共通電位と異なる側の出力部と前記負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、双方向の導通を阻止する機能を備える、
ことを特徴とする。
前記燃料電池における前記共通電位と異なる側の出力部と負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、前記燃料電池から電流が流れ込む方向のみ導通させることが可能である素子である、ことを特徴とする。
前記蓄電手段における前記共通電位と異なる側の出力部と負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、前記蓄電手段から流れ込む方向の電流を能動的に制御できる能動パワー素子とその逆方向の電流を流すことが可能なダイオードとにより構成される、ことを特徴とする。
前記燃料電池及び/または前記蓄電手段の状態を監視するモニタをも備え、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも、前記燃料電池及び/または前記蓄電手段の状態に応じて決定される、ことを特徴とする。
前記電力変換装置の出力部に接続される負荷機器の状態を監視するモニタをも備え、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも前記負荷機器の状態に応じて決定される、
ことを特徴とする。
車両に搭載されたものであり、
前記電力変換装置の出力部に接続される負荷機器が搭載される車両の状態を監視するモニタをも備え、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも前記負荷機器が搭載される車両の状態に応じて決定される、
ことを特徴とする。
即ち、燃料電池自動車の場合、その体積的な制約により水素を十分搭載できないため走行距離が長くない。また、自動車であるので加減速が激しいなどの特徴がある。DC-DCコンバータを使用することなく燃料電池から出力させる電力と蓄電手段から出力させる電力を自由な値にすることができる本システムは小型で高効率であるので、搭載性の面から車両用の用途では非常に効果が大きい。
以下、本発明の実施の形態を諸図面を参照しつつ詳細に説明する。
第1の実施態様
まずはじめに、本発明の第1の実施態様として基本的な電力変換装置(モータ駆動システム)を説明する。図2は、本発明の第1の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の回路構成を示す図である。本実施態様によるモータ駆動システムは、バッテリ1aと燃料電池1bとで構成される直流電源1と、この電源の電圧を用いてモータに印加する電圧を生成する電力変換器3と、モータ(負荷機器)2とで構成される。電源1は、バッテリの低電位側端子と燃料電池の低電位側端子が接続されて共通電位(以降、GND電位と記す)が構成されている。この電源は、3つの電位、つまり、GND電位、燃料電池の高電位側電位Vfc、バッテリの高電位側電位Vbを備える電源である。モータ2は3相交流モータであり、このモータは、後ほど説明する電力変換器3より出力される交流電圧により駆動される。電力変換器3は、直流電源1から出力される3つの電位の電圧をもとに、モータに印加する電圧を生成する直流-交流変換器である。この電力変換器は、各相同じ構成のスイッチ手段3a、3b、3cで構成されている。U相のスイッチ手段3aを使って説明する。このスイッチは、モータ2のU相に出力する電圧を生成するスイッチ手段である。GND電位、Vfc、Vbのなかから択一的に接続するスイッチであり、各電位に接続する時間の割合を変化させることで、モータに必要な電圧を供給する。V相のスイッチ手段3b、W相のスイッチ手段3cも同様である。
なお、図2では説明の便宜上スイッチ手段を概念的に表したが、図3は、図2のモータ駆動システムを、実際の素子を使ってより詳細に表したモータ駆動システムの回路構成を示す図である。図3において、それぞれの相のスイッチ手段3a、3b、及び3cは、3組の双方向スイッチで構成されている。本システムは、制御器(図示しない)からオンオフ(方向の切り替えを含む)を指示する制御信号を受け、この信号に基づき3組のスイッチのいずれか1つがオンするように駆動することできる。
後者の機能は、本発明の中心となるものである。燃料電池を電源として使うモータ駆動システムでは、効率の観点、燃料電池の応答性の観点などから、力行の場合には燃料電池から供給する電力とバッテリから供給する電力の割合を任意の値に設定できることが望ましい。また、回生の場合には、回生電力を燃料電池に戻さないようにすることが必要である。本システムでは、スイッチ手段3a、3b、3cそれぞれが、モータの各相に出力する電圧を生成する際に、Vbに接続する時間割合とVfcに接続する時間割合を調整することで、バッテリから供給する電力と燃料電池から供給する電力の割合を調整する。回生の場合には、スイッチをVfに接続せず、VbとGND端子のいずれかに接続する。このようにすることで、燃料電池に電力が戻ることを防止できる。VbとGNDに接続する時間の割合を調整することで必要な電圧が生成される。
1)従来例では、燃料電池から供給する電力とバッテリから供給する電力の割合を変化させるためにDC-DCコンバータが設けられていたが、本実施例では不要である。そのため、システムを大幅に小型、低コスト化できる。また、バッテリ電圧をDC-DCコンバータを用いず直接変換することでバッテリからモータに供給する電力の損失を小さくできる。
2)従来例では燃料電池とバッテリを並列接続するために不可欠であったダイオードを必要としないので、燃料電池からモータに供給する電力損失を小さくできる。
図6は、本発明の第2の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の回路構成を示す図である。本実施態様において上述した第1の実施態様と異なる点は、各相のスイッチング手段3a1,3b1,3c1を構成する3つのスイッチ中のGND(下側)に接続されているスイッチである。他のスイッチは双方向のオン、オフを能動的にコントロールできる双方向スイッチを用いているが、SW3、SW6、SW9はGNDに向かって流れる方向の電流のみ導通可能な能動素子と逆方向の導通が可能なダイオードを並列接続した構成になっている。GND端子は、Vfc端子、Vb端子の3つの電位のなかでいつも最低電位であるので、このような構成な構成にすることができる。本実施態様では、下側のスイッチをダイオードで構成しているので実施態様1の構成と比べ、回路構成を簡素化でき、より低損失化、低コスト化を図ることができる。
図7は、本発明の第3の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の回路構成を示す図である。本実施態様において第2の実施態様と異なる点は、各相のスイッチング手段3a2、3b2、3c2の3つのスイッチ中のバッテリのVb電位に接続されているスイッチ(上側に配置されているスイッチ)である。
これらのスイッチ(SW1、SW4、SW7)は、バッテリから流れ込む方向の電流のみ導通可能な能動素子と逆方向の導通が可能なダイオードを並列接続した構成になっている。このような構成にすることで、ダイオードによりモータから蓄電手段に戻る方向に流れる電流の経路が確実に確保される。そのため、燃料電池に戻る電流の経路が存在しなくてもスイッチなどのパワー素子が過電圧により破壊されることがない。また、Vfc>Vbの場合にSW2、SW5、SW8がオンになると、これらのスイッチとダイオードを介して燃料電池からバッテリに電流が流れので、バッテリの電圧Vbが燃料電池の電圧Vfcより大幅に低下することを防止できる。
図8は、本発明の第4の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の回路構成を示す図である。本実施態様において第3の実施態様と異なる点は、各相のスイッチング手段3a3、3b3、及び3c3の3つのスイッチ中の燃料電池Vfc電位に接続されているスイッチ(真中に配置されているスイッチ)である。これらのスイッチ(SW2、SW5、SW8)は、燃料電池から流れこむ方向の電流のみを導通させることが可能な能動素子で構成されている。例えば、インバータ用パワー素子として広く用いられているIGBTがこのような素子である。燃料電池に接続されているスイッチをこのような素子で構成することで、回生電力を受け入れることができない燃料電池に電流が流れ込むことを確実に防止できる。図1に示したように、従来の構成では燃料電池と電力変換器の間に逆流電流防止用のダイオードを設けられていたが、本実施態様では、このようなダイオードが不要である。従って、ダイオードで発生していた分の損失を低減できる。
なお、第4の実施態様は、燃料電池への電力の逆流を完全に防止し燃料電池の保護を目的とした構成である。
なお、第3の実施態様では、その構成上、燃料電池へ電力が逆流する経路は存在するが、この構成の方がスイッチのオンオフの制御がスムーズであるという利点があり、さらに、たとえ経路が存在したとしてもオンオフ制御により燃料電池への逆流を防止することができる。
図9は、本発明の第5の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の制御回路の機能を説明する機能ブロック図である。本実施態様は、電力変換器3の制御回路の機能ブロックを示したものである。
図に示すように、制御回路10は、モータ制御手段11と、電力分配決定手段12と、スイッチング決定手段13と、駆動回路14とにより構成されている。モータ制御手段11は、外部からのトルク指令に応じたトルクをモータに出力させるために必要なモータ印加電圧の指令値(vu*、vv*、vw*)を演算する手段である。電力分配決定手段12は、トルク指令やモータ回転速度などモータの状態を表すパラメータに加え、バッテリ1aの電圧Vbと燃料電池1bの電圧Vfcとから燃料電池1bから供給する電力Pfcとバッテリから供給する電力Pbの割合を決定し、電力分配指令を出力する。この際、モータの状態を考慮してVbとVfcのどちらを使ってモータに印加する電圧を生成した方が効率の良い駆動ができるかも考慮する。スイッチング決定手段13は、モータ制御手段11から出力された電圧指令と電力分配決定手段12から出力された電力分配指令とに基づいて、モータに印可するPWMパルス電圧の信号を生成する。駆動回路14は、PWMパルス電圧信号に基づいて電力変換器の各スイッチを駆動する回路である。
第1の実施態様で説明したように、本発明の電力変換器は等価なパルス電圧をモータに印加しながら燃料電池から供給する電力Pfcとバッテリから供給する電力Pbの割合を任意の値にすることができるが、本実施例では、バッテリ1aの電圧Vbと燃料電池1bの電圧Vfcに応じて、これらの電力の分配を変える。このような構成にすることで、モータの状態に加え、燃料電池とバッテリの状態に応じた最適な電力分配を実現することができる。
図10は、本発明の第6の実施態様による電力変換装置(モータ駆動システム)の制御回路の機能を説明する機能ブロック図である。本実施態様は、本発明を燃料電池自動車に適用した例である。燃料電池を電源として用いたモータ駆動システムが搭載された自動車では、効率と応答性の点などから燃料電池とバッテリの電力のコントロールが非常に重要性である。また、自動車という限られたスペースに設置しなければいけないので、サイズが重要になる。この点において、本発明は、必要な電力を任意の割合に制御することを可能にしながら、DC-DC変換器を不要としていること、損失の低減により冷却装置を小さくできることなどから、システムの小型化及び低コスト化を達成できる。従って、自動車用としてサイズの面で大きな効果が得られる。
本実施態様の制御回路10aは、電力分配決定手段が実施態様5と異なっている。本実施態様の電力分配決定手段12aには、車両状態も入力されている。車両状態とは、車速、加減速度など車のエネルギー変化に関わるパラメータである。このようなパラメータの値は、モータの状態から換算する方法もあるが、本実施態様は図示していない車両用センサの出力や、本制御回路以外の制御回路からの信号から得る構成となっている。このような車両状態を入力することで、車両の持つ運動エネルギーやその変化量がわかるので、これらの値からバッテリの出力電力Pbと燃料電池の電力Pfcの指令値を決定することができる。
1a バッテリ
1b 燃料電池
3 電力変換器
3a−c、3a1−c1、3a2−c2、3a3−c3、3a4−c4 スイッチ手段
4 モータ
SW1−9 スイッチ
FLOW1−3、FLOW1a−3a 電流の流れ
10、10a 制御回路
11 モータ制御手段
12、12a 電力分配決定手段
13 スイッチング決定手段
14 駆動回路
Claims (8)
- 少なくとも3相からなる負荷機器に印加される交流電圧の入力部が接続される出力部を有し、燃料電池又は蓄電手段の出力電圧から、負荷機器に印加する交流電圧波形をパルス状電圧で生成する電力変換装置であって、
燃料電池及び蓄電手段の低電位側同士を接続してなる共通電位、または、燃料電池及び蓄電手段の高電位側同士を接続してなる共通電位を有し、当該共通電位からの燃料電池の電位、該共通電位からの蓄電手段の電位、該共通電位の3つの電位をそれぞれ出力する直流電圧源と、
前記相に各々、前記3つの電位のいずれかを選択し、接続することで、前記負荷機器に直流電圧源の電圧を印加するスイッチング手段を各々備え、
前記スイッチング手段は各々、前記3つの電位のいずれかを選択し、且つ、選択された電位のオンオフのパルス幅を制御することにより前記パルス状電圧を生成する、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング手段は、前記直流電圧源の3つの電位の各出力部と前記負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチで構成され、
前記オンオフするスイッチのうち、少なくとも、前記燃料電池における前記共通電位と異なる側の出力部と前記負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、双方向の導通を阻止する機能を備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記燃料電池における前記共通電位と異なる側の出力部と負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、前記燃料電池から電流が流れ込む方向のみ導通させることが可能である素子である、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2又は3に記載の電力変換装置において、
前記蓄電手段における前記共通電位と異なる側の出力部と負荷機器に印加される交流電圧の入力部との間をオンオフするスイッチは、前記蓄電手段から流れ込む方向の電流を能動的に制御できる能動パワー素子とその逆方向の電流を流すことが可能なダイオードとにより構成される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも、前記燃料電池及び/または前記蓄電手段の状態に応じて決定される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも前記負荷機器の状態に応じて決定される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記スイッチング手段のオンオフは、少なくとも前記負荷機器が搭載される車両の状態に応じて決定される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記負荷機器がモータである、ことを特徴とする電力変換装置。
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