JP5018966B2 - コンバータ制御装置 - Google Patents
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Description
その理由について説明すると、通常、補助コイルについては、一相分の電流が流れることを前提として最大許容電流Imaxを設定し(図16参照)、設計を行うが、各相の補助回路の動作が干渉して最大許容電流Imax以上の電流Iu(すなわち二相分以上の電流)が補助コイルに流れると、補助コイルのインダクタンス特性が悪化してしまう。これにより補助回路を構成する他の回路素子(例えばスイッチング素子)に定格以上の電流が流れて、最悪の場合には素子破壊を招いてしまうという問題があった。
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。 図1は本実施形態に係る車両に搭載されたFCHVシステムの構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車などにも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
FCHVシステム100は、燃料電池110とインバータ140の間にFCコンバータ2500が設けられるとともに、バッテリ120とインバータ140の間にDC/DCコンバータ(以下、バッテリコンバータ)180が設けられている。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O ・・・(2)
H2+(1/2)O2 → H2O ・・・(3)
図1に示すように、FCコンバータ2500は、U相、V相、W相によって構成された三相の共振型コンバータとしての回路構成を備えている。三相共振型コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。本実施形態では、FCコンバータ2500としてフリーホイール回路(詳細は後述)を備えた多相のソフトスイッチングコンバータ(以下、多相のFCソフトスイッチングコンバータ)を採用している。
図2は、FCHVシステム100に搭載される多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500の回路構成を示す図であり、図3は、多相のFCソフトスイッチングコンバータ2500の1相分の回路構成を示す図である。
主昇圧回路22aは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などからなる第1スイッチング素子S1とダイオードD4で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルL1に蓄えられたエネルギを負荷130にダイオードD5を介して解放することで燃料電池110の出力電圧を昇圧する。
第2直列接続体は、ダイオードD2のアノード端子が第1直列接続体のダイオードD3とスナバコンデンサC2との接続部位に接続されている。さらに、ダイオードD2のカソード端子が第2スイッチング素子(補助スイッチ)S2の一端の極に接続されている。また、第2スイッチング素子S2の他端の極は、補助コイルL2とフリーホイール回路22cの接続部位に接続されている。フリーホイールダイオードD6のアノード端子は、燃料電池110の低電位側に接続される一方、フリーホイールダイオードD6のカソード端子は補助コイルL2に接続されている。このフリーホイール回路22cは、各相に共通のフリーホイールダイオードD6を備えており、補助コイルL2が通電中に第2スイッチング素子S2がオープン故障などした場合であっても、第2スイッチング素子S2を破壊するようなサージ電圧の発生を未然に防ぐために設けられたフェールセーフ機能を実現するための回路である。なお、フリーホイール回路22cを備えていない構成にも本発明を適用可能である。
まず、図4に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池110から負荷130に要求される電力が供給されている状態、すなわち第1スイッチング素子S1、第2スイッチング素子S2がともにターンオフされることで、コイルL1、ダイオードD5を介して電流が負荷130に供給される状態にある。
ステップS101においては、第1スイッチング素子S1のターンオフを保持する一方、第2スイッチング素子S2をターンオンする。かかるスイッチング動作を行うと、FCソフトスイッチングコンバータ150の出力電圧VHと入力電圧VLの電位差により、負荷130側に流れていた電流がコイルL1、ダイオードD3、第2スイッチング素子S2、補助コイルL2を介して補助回路12b側に徐々に移行してゆく。なお、図5中では、負荷130側から補助回路12b側への電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。
ここで、モード1からモード2への遷移完了時間tmode1は下記式(4)によって表される。
Ip;相電流
L2id;補助コイルL2のインダクタンス
上記遷移完了時間が経過し、ステップS102に移行すると、ダイオードD5を流れる電流はゼロとなり、コイルL1及びダイオードD5を介して補助回路12b側に電流が流れ込むとともに(図6に示す矢印Dm21参照)、代わってスナバコンデンサC2と燃料電池110の電圧VLとの電位差により、スナバコンデンサC2にチャージされていた電荷が補助回路12b側に流れてゆく(図6に示す矢印Dm22参照)。このスナバコンデンサC2の容量に応じて、第1スイッチング素子S1にかかる電圧が決定される。
図6に示すDm21の経路の通電が開始された後(図12に示す(A)参照)、スナバコンデンサC2の電圧VHと燃料電池110の電圧VLとの電位差により、図6に示すDm22の経路の通電、すなわち補助コイルL2への通電が開始される(図12に示す(B)参照)。ここで、図12に示すように、スナバコンデンサC2の電流は、スナバコンデンサC2の電圧が料電池110の電圧VLに到達するまで上昇し続ける。詳述すると、スナバコンデンサC2の電圧VHと燃料電池110の電圧VLの電位差によってスナバコンデンサC2に蓄積された電荷が電源側に回生され始めるが(図6に示す矢印Dm22)、もともとの電位差は(VH−VL)であるため、スナバコンデンサC2に蓄積された電荷の流れ(放電)は電源電圧(すなわち燃料電池110の電圧VL)に到達したところ(図12に示すタイミングTt1)でとまってしまうところ、補助コイルL2の特性(すなわち、電流を流し続けようとする特性)により、スナバコンデンサC2の電圧がVL以下になっても電荷を流し続けようとする(図12に示す(C)参照)。このとき、下記式(4)’が成立すれば、スナバコンデンサC2の電荷はすべて流れる(放電)ことになる。
左辺;補助コイルL2に蓄積されたエネルギ
右辺;スナバコンデンサC2に残存するエネルギ
図6に示すDm22の経路で電流が流れる動作が終了し、スナバコンデンサC2の電荷が抜けきる、あるいは最小電圧(MIN電圧)となると、第1スイッチング素子S1がターンオンされ、ステップS103に移行する。スナバコンデンサC2の電圧がゼロとなった状態では、第1スイッチング素子S1にかかる電圧もゼロとなるため、ZVS(Zero Voltage Switching)が実現される。かかる状態では、コイルL1に流れる電流Il1は、矢印Dm31に示す補助回路12b側に流れる電流Idm31と矢印Dm32に示す第1スイッチング素子S1を介して流れる電流Idm32の和となる(下記式(6)参照)。
そして、ステップS104では、ステップS103の状態が継続することで、コイルL1に流れ込んでいく電流量を増加させてコイルL1に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく(図8に矢印Dm42参照)。ここで、補助回路12bにはダイオードD2が存在するため、補助コイルL2に逆電流は流れず、第2スイッチング素子S2を介してスナバコンデンサC2に充電が行われることはない。また、この時点で第1スイッチング素子S1はターンオンしているため、ダイオードD3を経由してスナバコンデンサC2に充電が行われることもない。従って、コイルL1の電流=第1スイッチング素子S1の電流となり、コイルL1に蓄えられるエネルギを徐々に増加してゆく。ここで、第1スイッチング素子S1のターンオン時間Ts1は、下記式(8)によって近似的に表される。
Tcon;制御周期
なお、制御周期とは、ステップS101〜ステップS106までの一連の処理を一周期(一サイクル)としたときのソフトスイッチング処理の時間周期を意味する。
ステップS104においてコイルL1に所望のエネルギが蓄えられると、第1スイッチング素子S12がターンオフされ、図9に矢印Dm51で示す経路に電流が流れる。ここで、図11は、モード5におけるスナバコンデンサC2の電圧(以下、スナバコンデンサ電圧)Vc、第1スイッチング素子S1にかかる電圧(以下、素子電圧)Ve、第1スイッチング素子S1を流れる電流(以下、素子電流)Ieの関係を例示した図である。上記スイッチング動作が行われると、モード2において電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサC2に電荷がチャージされ、これにより、スナバコンデンサ電圧VcはFCソフトスイッチングコンバータ150のコンバータ出力電圧VHに向かって上昇する。このとき、素子電圧Veの上昇速度は、スナバコンデンサC2への充電により抑制され(すなわち、素子電圧の立ち上がりが鈍化され)、素子電流Veにおいてテール電流が存在する領域(図11に示すα参照)でのスイッチング損失を低減するZVS動作をすることが可能となる。
スナバコンデンサC2が電圧VHまで充電されると、コイルL1に蓄えられたエネルギが負荷130側に解放される(図9に示す矢印Dm61参照)。ここで、第1スイッチング素子S1のターンオフ時間Ts2は、下記式(9)によって近似的に表される。
f;スイッチング素子S2の駆動周波数
Tsc;1周期時間(=1/f)
n;駆動相数
図14に示す各相のデューティー比制御パルスは、120°ずつ位相シフトされた三角波を発生するパルスジェネレータ(図示略)によって生成され、このデューティー比制御パルスによりU相、V相、W相の補助回路22bを構成する第2スイッチング素子S2のデューティー比が制御される。
図15はコントローラ160などによって実現される干渉防止デューティー制御機能を説明するための機能ブロック図である。上述したように、本実施形態ではU相、V相、W相によって構成された三相共振型のFCソフトスイッチングコンバータ2500を用いて燃料電池110の出力を制御する場合を想定する。
FC電圧入力手段220は、電圧センサV0によって検出される燃料電池110の出力電圧Vfcmesを入力し、これを指令電流演算手段240、偏差演算手段250に出力する。
PID補正量演算手段270は、偏差演算手段250から出力される電力偏差をもともに、PID制御則に基づいて燃料電池110に対する要求電流指令値の補正量Icrtを演算し、これを指令電流補正手段260に出力する。
U相PID補正量演算手段310aは、U相偏差演算手段300aから出力されるU相電流偏差をもとに、PID制御則に基づいてU相デューティー比の補正量Dcrt(u)を演算し、これをU相デューティー比補正手段330aに出力する。
VH;インバータ入力電圧(高圧側電圧)
VL;FC電圧(低圧側電圧)
干渉防止デューティー制御回路340は、デューティー偏差演算手段341と、デューティー閾値入力手段342とを備えている。
以上説明した本実施形態では、各相の補助回路22cの動作干渉を防止することで回路異常の発生を防止したが、例えば補助回路22cを構成する補助コイルL2の最大許容電流Imaxを(解決しようとする課題の項参照)、相数分の電流が流れても良い値に設定することで回路異常の発生を防止しても良い。
Claims (6)
- 燃料電池の出力電圧を制御する、相毎に補助回路を備えた多相ソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されており、
各相の補助回路を構成する補助スイッチのデューティー比を算出する算出手段と、
前記各相間での補助スイッチのデューティー偏差を導出する偏差導出手段と、
導出された前記各デューティー偏差が設定閾値を超えないように、前記各相の補助スイッチに係るデューティー比を制御する制御手段とを備える、コンバータ制御装置。 - 前記各相のコンバータは、主昇圧回路と前記補助回路とを備え、
前記主昇圧回路は、
一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルと、
一端が前記主コイルの他端に接続され、他端が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う主スイッチと、
カソードが前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
前記第一ダイオードのアノードと前記主スイッチの他端との間に設けられた平滑コンデンサとを有し、
前記補助回路は、
前記主スイッチに並列に接続され、かつ前記主コイルの他端と前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、第二ダイオードとスナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、第三ダイオードと補助スイッチと前記共通化された補助コイルとを含む第二直列接続体とを有する請求項1に記載のコンバータ制御装置。 - 前記各相のコンバータは、前記補助コイルが通電した状態で、前記補助スイッチがオフした場合に、前記通電時と同一方向に電流を流し続けるためのフリーホイールダイオードを備え、
前記フリーホイールダイオードは、アノード端子が前記燃料電池の低電位側に接続されるとともに、カソード端子が前記補助コイルと前記補助スイッチの接続部位に接続されている請求項2に記載のコンバータ制御装置。 - 燃料電池の出力電圧を制御する、相毎に補助回路を備えた多相ソフトスイッチングコンバータの制御装置であって、
前記各相の補助回路を構成する補助コイルは、全相の補助回路について共通化されており、かつ、該補助コイルの通電容量下限値は、前記各相の補助スイッチをターンオンしたときに各相に流れる電流を合算した合計電流値よりも大きな値に設定されている、コンバータ制御装置。
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