JP5218310B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、負荷装置に対して駆動電力を供給する電源システムに関する。

従来、電源システムの一つとして、ソフトスイッチング方式で動作するＤＣ−ＤＣコンバータを備えるものが提案されている（特許文献１）。

特開２００６−３５２９４２号公報

しかしながら、前記従来の電源システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいてソフトスイッチング動作が不良となったときに、その不良を検出することができないという問題があった。

本発明は、前記問題に鑑みてなされたもので、ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるソフトスイッチング動作の不良を検出可能とすることを課題とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例１] 負荷電流を発生する負荷装置に対して駆動電力を供給する電源システムにおいて、スイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行う直流電圧コンバータと、少なくとも前記スイッチング素子を冷却するための冷却媒体を流す冷却通路と、前記スイッチング素子の温度を計測する素子温度センサと、前記冷却通路における前記スイッチング素子近傍の冷却媒体温度を検出する冷却媒体温度検出部と、前記素子温度センサにより計測された前記温度、前記冷却媒体温度検出部により検出された前記冷却媒体温度、および前記負荷電流に基づいて、前記ソフトスイッチング動作の不良を検出する動作不良検出部とを備える電源システム。

直流電圧コンバータにおいてソフトスイッチング動作が不良である場合、スイッチング素子におけるスイッチング損失が増加するため、スイッチング動作が正常である場合と比べて、同じ負荷電流に対する素子温度が上昇する。前記構成の電源システムによれば、素子温度センサにより計測されたスイッチング素子の温度と、冷却媒体温度検出部により検出された冷却媒体温度と、負荷電流とに基づいて、前記負荷電流に対する素子温度の上昇分が検知可能となることから、動作不良検出部により、直流電圧コンバータにおけるソフトスイッチング動作の不良を検出することができる。

なお、前記電源システムは、ソフトスイッチング動作の不良検出方法としての態様で実現することも可能である。

本発明の一実施例としての電源システム１００とその周辺を示す説明図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の回路を示す説明図である。 主スイッチＳ１の電流および電圧波形の変化をハードスイッチによる変化と比較して示す説明図である。 不良検出処理を示すフローチャートである。 負荷電流ＬＡと温度差ΔＴとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。

Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての電源システム１００とその周辺を示す説明図である。図示するように、電源システム１００は、冷却システム２００に併設されており、蓄電装置である燃料電池１０と、燃料電池１０で発生した直流電力をより高電圧に変換する昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ２０と、制御部３０と、不良報知灯４０とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の出力電力、すなわち電源システム１００の出力電力は、負荷装置３００に供給される。

冷却システム２００は、ラジエータ２１０と、冷却ファン２２０と、ラジエータ２１０に接続されて冷却媒体としての冷却水を循環する冷却水通路２３０と、冷却水通路２３０に接続されるウォータポンプ２４０等を備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、冷却水通路２３０の配管に接した状態で配置されている。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、冷却水通路２３０により冷やされることで、発熱が抑えられる。

なお、本実施例では、冷却システム２００は、冷却媒体として冷却水を用いる構成としたが、これに換えて、ガス等の他の流体を冷却媒体とした構成としてもよい。

制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。ＲＯＭには、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作不良を検出する不良検出処理を示すコンピュータプログラムが予め格納されている。ＣＰＵにより前記コンピュータプログラムが実行されることで、制御部３０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作不良を検出する機能を実現する。前記不良検出処理については、後ほど詳述する。

不良報知灯４０は、制御部３０により点灯されるもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の動作不良を運転者（このシステムが車両に搭載された場合）に報知する。

図２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０の回路を示す説明図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、燃料電池１０に直列接続される抵抗器Ｒ１、および燃料電池１０に並列接続されるコンデンサＣ１からなる前回路と、主リアクトルＬ１、主スイッチＳ１、主ダイオードＤ１、および主コンデンサＣ２からなる昇圧チョッパ回路と、ソフトスイッチングのための補助回路２２とを備える。

昇圧チョッパ回路は、主スイッチＳ１を交互にオンすることにより、低い直流電圧を高い直流電圧に変換する。なお、主スイッチＳ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：以下「ＩＧＢＴ」と呼ぶ）により構成されている。主スイッチＳ１には、並列ダイオードＤ２が並列に接続されている。

補助回路２２は、主スイッチＳ１の一端子に転流補助ダイオードＤ３のアノードを接続し、転流補助ダイオードＤ３のカソードはコンデンサＣ３の一端子に接続される。コンデンサＣ３の他端子は主スイッチＳ１の他端子に接続される。転流補助ダイオードＤ３とコンデンサＣ３の結点は転流リアクトルＬ２の一端子に接続する。転流リアクトルＬ２の他端子は、ダイオードＤ４を介して転流スイッチＳ２の一端子に接続し、転流スイッチＳ２の他端子は、抵抗器Ｒ１と主リアクトルＬ１の結点に接続する。転流スイッチＳ２にはダイオードＤ５が並列に接続されている。

図３は、主スイッチＳ１の電流および電圧波形の変化を、ハードスイッチによる変化と比較して示す説明図である。図３（ａ）がハードスイッチによる電流および電圧波形の変化を示すものであり、図３（ｂ）が本実施例の主スイッチＳ１の電流および電圧波形の変化を示すものである。図３（ｂ）の変化は、上述した構成の補助回路２２の働きにより実現されている。

ハードスイッチの場合、図３（ａ）に示すように、スイッチ両端電圧のオンとオフとの間のスイッチング時において、図中ハッチ部分に示すスイッチング損失が生じる。これに対して、本実施例の場合、図３（ｂ）に示すように、主スイッチＳ１のスイッチング時に、電流がゼロとなった状態でスイッチングがなされる。すなわち、ソフトスイッチングと呼ばれる動作を行う。これにより、本実施例では、ハードウェアスイッチの場合と比較して、スイッチング損失が低減される。

以上のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ２０は、前述したように、冷却水通路２３０により冷やされるが、詳細には、ＩＧＢＴにより構成される主スイッチＳ１がより強く冷却されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０内の主スイッチＳ１の配置が定められている。すなわち、図１に示すように、主スイッチＳ１は、冷却水通路２３０に近い位置に配置されることで、強く冷却される。

なお、冷却水通路２３０におけるこの主スイッチＳ１に近い箇所Ｐ１には、その箇所Ｐ１における冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ３２が設けられている。また、主スイッチＳ１には、ＩＧＢＴの温度を検出する素子温度センサ３４が設けられている。冷却水温度センサ３２により検出された冷却水温度ＴＨＷと、素子温度センサ３４により検出された素子温度ＴＨＴとは、制御部３０に送られる。

さらに、負荷装置３００の傍には、負荷装置３００で発生する負荷電流を測定する電流センサ３１０が設けられている。電流センサ３１０で測定された負荷電流ＬＡは、制御部３０に送られる。

次に、制御部３０にて実行される不良検出処理について説明する。不良検出処理は、制御部３０のＲＯＭに格納されたコンピュータプログラムに従って、ＣＰＵによって実行されるもので、所定時間毎に繰り返し実行される。図４は、その不良検出処理を示すフローチャートである。図示するように、処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、冷却水温度センサ３２、素子温度センサ３４、および電流センサ３１０から、冷却水温度ＴＨＷ、素子温度ＴＨＴ、および負荷電流ＬＡを取り込む（ステップＳ１１０）。

次いで、ＣＰＵは、ＲＯＭに予め用意されたマップを用いて、ステップＳ１１０で取り込んだ負荷電流ＬＡに対応した温度差ΔＴを求める（ステップＳ１２０）。ここで、温度差ΔＴは、主スイッチＳ１を構成するＩＧＢＴの温度と、前述した箇所Ｐ１における冷却水の温度（後述するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が正常に動作しているときの冷却水温度）との差である。温度差ΔＴは、負荷電流ＬＡにより変化する。

図５は、負荷電流ＬＡと温度差ΔＴとの関係を示すグラフである。図示するように、温度差ΔＴは、負荷電流ＬＡの増大に応じて指数関数的に増大する。この負荷電流ＬＡと温度差ΔＴとの関係は、予め実験により求められ、前記マップに記録されている。ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で取り込んだ負荷電流ＬＡを前記マップに照らし合わせることで、負荷電流ＬＡに対応する温度差ΔＴをマップから求める。

図４に戻り、ステップＳ１２０の実行後、ＣＰＵは、下記の式（１）が成立するか否かを判定する（ステップＳ１３０）。

ＴＨＴ−ΔＴ ＞ ＴＨＷ＋α …（１）

ここで、ＴＨＴはステップＳ１１０で取り込んだ素子温度、ΔＴはステップＳ１２０で求めた温度差、ＴＨＷはステップＳ１１０で取り込んだ冷却水温度である。αは、微小な値で、式（１）による比較の際の温度マージンである。

前記式（１）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０における動作不良、より厳密には、ソフトスイッチング動作の不良を検出するためのものである。式（１）がどういった意味を持つかを次に説明する。

主スイッチＳ１は、前述したように、冷却水通路２３０に近い位置に配置されているが、実際は、ユニットケースやＩＧＢＴのケース等の熱抵抗により、素子温度センサ３４により検出された素子温度ＴＨＴと冷却水温度センサ３２により検出された冷却水温度ＴＨＷとの間に温度差が生じる。ソフトスイッチング動作は、図３を用いて前述したように、スイッチング時における損失低減が図られるが、ソフトスイッチング動作が不良になった場合には、スイッチング損失が増加するためにＩＧＢＴの素子温度が上昇する。このため、ソフトスイッチング動作の不良時（以下、単に「不良時」と呼ぶ）には、上述したＴＨＴとＴＨＷとの間の温度差は、ソフトスイッチング動作の正常時（以下、単に「正常時」と呼ぶ）に比べて大きなものとなる。

前記温度差は負荷電流によって変化し、正常時における負荷電流に応じた温度差は前述したマップの形で予め用意されている。したがって、正常時においては、素子温度センサ３４による実測値からマップにより求めた負荷電流に応じた温度差ΔＴを差し引いた値（すなわち、式（１）の左辺）は、冷却水温度センサ３２により検出された冷却水温度ＴＨＷと等しいものとなる。これに対して、異常時には、ＩＧＢＴの素子温度は上昇することから、式（１）の左辺は、前記冷却水温度ＴＨＷよりも大きくなる。したがって、温度マージンαを加味し、前記式（１）が成立するか否かを判定することで、ソフトスイッチング動作が不良であるか正常であるかを判定することができる。

ステップＳ１３０で、ＴＨＴ−ΔＴ＞ＴＨＷ＋αが成立したと判定されたときには、ソフトスイッチング動作が不良であるとして、ＣＰＵは不良報知灯４０を点灯する（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の実行後、「リターン」に抜けて、この不良検出処理を一旦終了する。

一方、ステップＳ１３０で、ＴＨＴ−ΔＴ＞ＴＨＷ＋αが不成立であると判定されたときには、ステップＳ１４０を実行することなく「リターン」に抜けて、この不良検出処理を一旦終了する。

以上のように構成された本実施例の電源システム１００によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０におけるソフトスイッチング動作の不良を検出し、不良報知灯４０を点灯することで、不良である旨を報知することができる。

Ｂ．変形例：
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は前記の各実施例や各変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに種々の態様において実施することが可能であり、例えば以下のような変形も可能である。

（１）前記実施例では、冷却水温度センサ３２を用いて冷却水の温度を直接検出する構成としていたが、これに換えて、負荷電流によって冷却水温度を推定し、この推定値を第１実施例におけるＴＨＷとしてもよい。すなわち、冷却媒体温度検出部を、負荷電流によって冷却水温度を推定することにより冷却媒体温度を検出する構成としてもよい。この構成によれば、冷却水温度センサ３２を省略することができる。

（２）前記実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０におけるソフトスイッチング動作の不良を検出し、不良報知灯４０を点灯するように構成したが、不良を通知する手段は不良報知灯４０に限る必要はなく、音を発するスピーカ等に換えることもできる。また、人に報知するものに限ることもなく、他のコンピュータ等の装置に不良を通知する構成とすることもできる。

１０…燃料電池
２２…補助回路
３０…制御部
３２…冷却水温度センサ
３４…素子温度センサ
４０…不良報知灯
１００…電源システム
２００…冷却システム
２１０…ラジエータ
２２０…冷却ファン
２３０…冷却水通路
２４０…ウォータポンプ
３００…負荷装置
３１０…電流センサ
ＬＡ…負荷電流
ＴＨＴ…素子温度
ＴＨＷ…冷却水温度
ΔＴ…温度差

Claims (1)

1. 負荷電流を発生する負荷装置に対して駆動電力を供給する電源システムにおいて、
   スイッチング素子を備え、前記スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行う直流電圧コンバータと、
   少なくとも前記スイッチング素子を冷却するための冷却媒体を流す冷却通路と、
   前記スイッチング素子の温度を計測する素子温度センサと、
   前記冷却通路における前記スイッチング素子近傍の冷却媒体温度を検出する冷却媒体温度検出部と、
   前記素子温度センサにより計測された前記温度、前記冷却媒体温度検出部により検出された前記冷却媒体温度、および前記負荷電流に基づいて、前記ソフトスイッチング動作の不良を検出する動作不良検出部と
   を備える電源システム。

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