(57)【要約】【課題】多相コンバータにおいて、非昇圧モードにおける電流アンバランスを抑える技術を提供する。【解決手段】多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路と、前記複数の電圧変換回路の各々のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えており、前記制御部は、非昇圧モードにおいて、各相を流れる電流値のうちの最小の電流値が流れる相の前記スイッチング素子をスイッチングするように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相コンバータであって、
並列に接続された複数の電圧変換回路と、
前記複数の電圧変換回路の各々のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えており、
前記制御部は、非昇圧モードにおいて、各相を流れる電流値のうちの最小の電流値が流れる相の前記スイッチング素子をスイッチングするように構成されている、多相コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、複数の電圧変換回路が並列に接続された多相コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の電圧変換回路が並列に接続された多相コンバータが知られており、その一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０１１５６０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような多相コンバータは、要求される負荷電流が小さいときに、非昇圧モードで動作するように構成されている。非昇圧モードでは、複数の電圧変換回路に設けられている全てのスイッチング素子のスイッチングが停止される。これにより、多相コンバータは、非昇圧モードにおいて、入力電圧を昇圧せずに出力するように動作することができる。非昇圧モードにおけるこのような動作により、複数の電圧変換回路に設けられているスイッチング素子のスイッチング損失が低減される。
【０００５】
非昇圧モードでは、複数の電圧変換回路の各々の上アームに設けられている整流素子を介して電流が流れる。整流素子の抵抗値には、製造ばらつきが存在する。このため、複数の電圧変換回路に設けられている整流素子の間で抵抗値のばらつきが発生する。この場合、非昇圧モードにおいて、最も抵抗値の低い整流素子が設けられた相に大電流が流れるという電流アンバランスが発生してしまう。このような電流アンバランスが発生すると、大電流が流れる相の整流素子の温度が過度に上昇するという問題がある。
【０００６】
本願明細書は、多相コンバータにおいて、非昇圧モードにおける電流アンバランスを抑える技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続された複数の電圧変換回路と、前記複数の電圧変換回路の各々のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えることができる。前記制御部は、非昇圧モードにおいて、各相を流れる電流値のうちの最小の電流値が流れる相の前記スイッチング素子をスイッチングするように構成されている。なお、このような非昇圧モードにおける処理は、特定の条件が満たされたときに実行されてもよい。例えば、いずれか１つの相を流れる電流値が閾値電流以上となったときに実行されてもよい。
【０００８】
上記多相コンバータによると、非昇圧モードにおいて、最小の電流値が流れる相の前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、その相を流れる電流が増加し、他の相を流れる電流が減少し、電流アンバランスが抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池車のパワー系の回路構成図である。
【図２】非昇圧モードにおいて、多相コンバータが実行する電流アンバランス抑制処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、燃料電池車２の電力系のブロック図である。燃料電池車２は、燃料電池１０と、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する多相コンバータ２０と、多相コンバータ２０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ４０と、走行用のモータ５０と、制御部６０と、を備えている。燃料電池車２はさらに、バッテリ７０と昇降圧コンバータ８０を備えている。このバッテリ７０と昇降圧コンバータ８０は、本明細書が開示する技術を実施する上で、必ずしも必要な要素ではない。
【００１１】
制御部６０の処理を概説する。制御部６０は、車両のアクセル開度や車速からモータ５０の目標出力を決定し、モータ５０の出力がその目標出力となるように、燃料電池１０、多相コンバータ２０、インバータ４０及び昇降圧コンバータ８０を制御するように構成されている。
【００１２】
良く知られているように、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電流と出力電圧が大きく変化する。即ち、燃料電池１０は供給する燃料に依存して出力電力が大きく変化する。例えば、本実施形態の燃料電池１０は出力電圧が３００ボルトから４００ボルトの間で変化する。多相コンバータは、入力電力に応じて駆動する電圧変換回路の個数を変えることができるので、入力電力が大きく変化するシステム（典型的には本実施形態のような燃料電池を使ったシステム）に好適である。
【００１３】
燃料電池１０の出力端には多相コンバータ２０が接続されている。多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧をモータ駆動電圧に昇圧する。モータ駆動電圧は、例えば６００ボルトである。多相コンバータ２０の出力であるモータ駆動電圧は、インバータ４０に供給される。インバータ４０は、直流電力をモータ５０の目標回転数に応じた周波数の交流に変換し、モータ５０へ供給する。
【００１４】
多相コンバータ２０は、並列に接続された複数の電圧変換回路３１−３４と、コンデンサ３０と、を有している。コンデンサ３０は、複数の電圧変換回路３１−３４に対して並列に接続されている。複数の電圧変換回路３１−３４の各々が、多相コンバータ２０を構成する１つの相に対応する。このように、本実施形態の多相コンバータ２０は、４相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）で構成されている。なお、これは一例であり、多相コンバータ２０を構成する相数は特に限定されるものではない。
【００１５】
複数の電圧変換回路３１−３４の各々は同じ回路構成を有しているので、代表して電圧変換回路３１について説明する。電圧変換回路３１は、リアクトル２２Ｕ、スイッチング素子２４Ｕ、ダイオード２６Ｕ、２８Ｕ、及び、電流センサ２９Ｕを有している。スイッチング素子２４Ｕとダイオード２８Ｕが直列に接続されている。スイッチング素子２４Ｕは、下アームに設けられており、そのエミッタが多相コンバータ２０の負極端子（接地端子）に接続しており、そのコレクタがダイオード２８Ｕのアノードに接続している。ダイオード２６Ｕは、スイッチング素子２４Ｕに対して逆並列に接続されている。ダイオード２６Ｕは、スイッチング素子のＯＦＦへの切換時の逆流電流を逃がすために設けられている。スイッチング素子２４Ｕについては、ＩＧＢＴを例示しているが、ＭＯＳＦＥＴであってもよい。ダイオード２８Ｕは、上アームに設けられており、そのアノードがスイッチング素子２４Ｕのコレクタに接続しており、そのカソードが多相コンバータ２０の高電圧側（インバータ側）の正極端子に接続している。スイッチング素子２４Ｕとダイオード２８Ｕの中間点にリアクトル２２Ｕの一端が接続している。リアクトル２２Ｕの他端は多相コンバータ２０の低電圧側の正極端子に接続している。電流センサ２９Ｕは、リアクトル２２Ｕに対して直列に接続されており、リアクトル２２Ｕに流れる電流、すなわち、各相に流れる電流を測定するように構成されている。電流センサ２９Ｕで測定された電流値は、制御部６０に送信される。
【００１６】
この電圧変換回路３１の構成は良くしられており、スイッチング素子２４Ｕのゲートに加えるＰＷＭ信号を適宜に調整することにより、低電圧側に接続されている燃料電池１０の出力電圧を昇圧して高電圧側（インバータ側）に出力することができる。
【００１７】
昇降圧コンバータ８０は、バッテリ７０から出力された出力電圧を昇圧してインバータ４０に供給する機能と、インバータ４０から出力された出力電圧を降圧してバッテリ７０に供給する機能を有している。このように、昇降圧コンバータ８０は、バッテリ７０の充放電を実行することができる。バッテリ７０と昇降圧コンバータ８０は、多相コンバータ２０を補助して電力をインバータ４０に供給するとともに、余剰電力を充電することができる。
【００１８】
このような燃料電池車２では、モータ５０の目標出力に応じて、多相コンバータ２０が昇圧モードと非昇圧モードのいずれかで動作するように構成されている。昇圧モードは、昇圧比（燃料電池１０の出力電圧と多相コンバータ２０の目標出力電圧の比）が１よりも大きいモードであり、モータ５０の目標出力が比較的に大きいときに実行される。昇圧モードでは、電圧変換回路３１−３４の各々のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘに所定のデューティ比のＰＷＭ信号が供給され、電圧変換回路３１−３４の各々のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチングが制御される。これにより、多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧を目標出力電圧に昇圧することができる。
【００１９】
非昇圧モードは、昇圧比が１のモードであり、モータ５０の目標出力が比較的に小さいときに実行される。非昇圧モードでは、電圧変換回路３１−３４の全てのスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチングが停止される。これにより、多相コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧を昇圧せずに出力することができる。
【００２０】
ここで、本実施形態の多相コンバータ２０は、以下で説明するように、非昇圧モードにおいて、従来の多相コンバータの非昇圧モードにはない電流アンバランス抑制処理を実行することを特徴としている。従来の非昇圧モードでは、上記したように、電圧変換回路の全てのスイッチング素子のスイッチングを停止する処理のみが実行される。この場合、各相を流れる電流に電流アンバランスが発生するという問題がある。この電流アンバランスは、電圧変換回路に設けられているダイオードの間の抵抗値のばらつきが原因である。従来の非昇圧モードの動作では、ダイオードのうちの最も抵抗値の低いダイオードが設けられている相に大電流が流れてしまう。このため、大電流が流れるダイオードの温度が過度に上昇するという問題がある。本実施形態の多相コンバータ２０は、このような電流アンバランスを抑制することができる。
【００２１】
図２に、多相コンバータ２０が実行する電流アンバランス抑制処理のフローチャートを示す。非昇圧モードが開始すると、ステップＳ１１において、制御部６０は、電圧変換回路３１−３４の全てのスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘのスイッチングを停止する。このとき、制御部６０は、電流センサ２９Ｕ−２９Ｘで測定される各相の電流値を閾値電流と比較する。閾値電流は、ダイオード２８Ｕ−２８Ｘに定められた電流定格であってもよく、ダイオード２８Ｕ−２８Ｘに定められた素子温度定格を超えないようにユーザにて設定される電流値であってもよい。制御部６０は、閾値電流以上の電流値が流れる相がある場合、ステップＳ１２に進む。
【００２２】
ステップＳ１２において、制御部６０は、電流センサ２９Ｕ−２９Ｘで測定される各相の電流値のうちの最小の電流値が流れる相を特定する。制御部６０は、最小の電流値が流れていた相のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘの駆動デューティ比を増加させる。なお、「駆動デューティ比を増加させる」とは、スイッチングが停止していたスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘを初期駆動デューティ比でスイッチングを開始する場合、スイッチングしていたスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘの駆動デューティ比をさらに増加させる場合を含む。初期駆動デューティ比及び駆動デューティ比の増加量は、適宜調整可能である。
【００２３】
このように、ステップＳ１２において、最小の電流値が流れていた相のスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘの駆動デューティ比を増加させると、その相を流れる電流が増加し、その他の相を流れる電流が減少する。これにより、各相を流れる電流が平準化され、電流アンバランスが抑制される。なお、ステップＳ１２において、少なくとも１つのスイッチング素子２４Ｕ−２４Ｘがスイッチングすることにより、多相コンバータ２０の出力電圧が昇圧されることとなる。この場合、制御部６０は、多相コンバータ２０の出力電圧を昇降圧コンバータ８０によって降圧し、多相コンバータ２０の出力電圧が昇圧されるのを抑えるようにしてもよい。なお、このような降圧処理は必ずしも必要ではなく、必要に応じて実行されればよい。例えば、多相コンバータ２０の出力電圧が非昇圧モードにおいて許容される範囲内であれば、そのような降圧処理は行われなくてもよい。
【００２４】
次に、ステップＳ１３において、制御部６０は、ステップＳ１１において閾値電流以上であった相の電流値が閾値電流を下回ったか否かを判定する。閾値電流を下回った場合には、ステップＳ１１に戻る。閾値電流を下回っていない場合には、ステップＳ１２に戻る。
【００２５】
このように、本実施形態の多相コンバータ２０は、非昇圧モードにおいて、電流アンバランス抑制処理を実行することにより、製造ばらつきによってダイオード２８Ｕ−２８Ｘの間に抵抗値のばらつきが発生していたとしても、抵抗値の小さいダイオード２８Ｕ−２８Ｘに大電流が流れ、そのダイオード２８Ｕ−２８Ｘの温度が過度に上昇することを抑えることができる。
【００２６】
上記した電流アンバランス抑制処理に代えて、抵抗値の等しいダイオードのみを取捨選択して多相コンバータを構成することも考えられる。あるいは、電流アンバランスを考慮して、電流定格及び素子温度定格の高いダイオードを採用して多相コンバータを構成することも考えられる。しかしながら、いずれの場合も多相コンバータの製造コストを上昇させてしまう。換言すると、本実施形態の多相コンバータ２０は、非昇圧モードにおいて電流アンバランスを抑制可能なことから、抵抗値にばらつきのあるダイオードを用いて構成することができ、電流定格及び素子温度定格が比較的に小さいダイオードを用いて構成することができる。したがって、本実施形態の多相コンバータ２０は、低い製造コストで製造可能な構成を有していると評価できる。
【００２７】
上記した電流アンバランス抑制処理のステップＳ１２において、最小の電流が流れる相のスイッチング素子のみの駆動デューティ比を増加させる場合を例示した。これに代えて、電流値の小さい２つの相のスイッチング素子の駆動デューティ比を増加させてもよい。あるいは、ステップＳ１１において閾値電流以上であった相以外の相のスイッチング素子の駆動デューティ比を増加させてもよい。また、このように複数のスイッチング素子の駆動デューティ比を増加させる場合、複数のスイッチング素子の各々の駆動デューティ比を変動させて、電流アンバランスを効率的に抑制させてもよい。
【００２８】
上記で例示した多相コンバータ２０は、入力電圧（燃料電池１０の出力電圧）を昇圧して出力する昇圧タイプであった。本明細書が開示する技術は、昇降圧タイプの多相コンバータに適用することもできる。
【００２９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３０】
２：燃料電池車
１０：燃料電池
２０：多相コンバータ
２２Ｕ、２２Ｖ、２２Ｗ、２２Ｘ：リアクトル
２４Ｕ、２４Ｖ、２４Ｗ、２４Ｘ：スイッチング素子
２６Ｕ、２６Ｖ、２６Ｗ、２６Ｘ、２８Ｕ、２８Ｖ、２８Ｗ、２８Ｘ：ダイオード
２９Ｕ、２９Ｖ、２９Ｗ、２９Ｘ：電流センサ
３０：コンデンサ
３１、３２、３３、３４：電圧変換回路
４０：インバータ
５０：モータ
６０：コントローラ
７０：バッテリ
８０：昇降圧コンバータ
【図１】
2020065345.tif 000003
【図２】
2020065345.tif 000004