专利名称：转换器控制装置及多相转换器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及控制燃料电池的输出电压的转换器控制装置及多相转换器。
背景技术：
在搭载于汽车等的燃料电池系统中，为了应对超过燃料电池的发电能力的急剧的负载的变化等，而提出了各种具备燃料电池和蓄电池作为动力源的混合动力型的燃料电池系统。在混合动力型的燃料电池系统中，利用DC-DC转换器来控制燃料电池的输出电压等。作为进行此种控制的DC-DC转换器，广泛地利用使功率晶体管、IGBT、FET等的开关元件进行PWM动作而进行电压的转换的形式的DC-DC转换器。伴随着电子设备的省电力化、 小型化及高性能化，而希望DC-DC转换器进一步的高速化、大容量化及低脉动化。为了满足此种要求，以往利用了将多个DC-DC转换器并联连接的多相DC-DC转换器(多相DC-DC转换器)(例如参照专利文献1)。先行技术文献专利文献专利文献1日本特开2006-340535号公报
发明内容
在上述以往的多相DC-DC转换器中，在对多相进行驱动(多相驱动)时，若以同相位对各相的DC-DC转换器进行驱动(即，若以同相位对构成各相的转换器的开关元件进行打开、关闭控制)，则脉动电流与相数成比例地增大。图18是例示了对三相DC-DC转换器进行单相驱动时(虚线)及以同相位对三相DC-DC转换器进行多相驱动时(实线)的电流波形的图。如图18所示，若以同相位对三相DC-DC转换器进行驱动，则多相驱动时的脉动电流△ In3大于单相驱动时的脉动电流 Δ hi (脉动电流与驱动相数成比例)。因此，在设计系统时，作为用于对电流进行平滑化的电容器而需要选择容许量大的电容器，存在电容器的体积大型化的问题。为了解决上述问题，提出了错开相位而对DC-DC转换器进行驱动的方法。图19是例示了对三相DC-DC转换器进行单相驱动时(虚线)及错开相位而对三相DC-DC转换器进行多相驱动时(实线)的电流波形的图，是与图18对应的图。如图19所示，错开相位而对三相DC-DC转换器进行多相驱动时，各相的脉动电流相抵消，脉动电流Δ Ιρ3的振幅衰减，比单相驱动时的脉动电流Δ Ipl减小。如此，错开相位而对三相DC-DC转换器进行驱动时的脉动电流△ Ιρ3小于以同相对三相DC-DC转换器进行驱动时的脉动电流△ ^3，因此能够减少电容器的容许量，从而能够实现体积的小型化。然而，仅是错开相位而对DC-DC转换器进行驱动的话，在减少电容器的容许量方面存在限度，存在无法充分地满足最近对电容器的进一步小型化的要求这样的问题。本发明鉴于以上说明的情况而作出，其目的在于提供一种能够满足电容器的进一步小型化的要求的转换器控制装置等。为了解决上述课题，本发明的转换器控制装置是错开相位来控制各相的驱动的、 燃料电池输出控制用的多相转换器的控制装置，其特征在于，具备驱动频率控制单元，该驱动频率控制单元将对所述多相转换器进行单相驱动时的转换器的驱动频率设定成比对所述多相转换器进行多相驱动时的转换器的驱动频率高出规定量。根据上述结构，不仅错开相位来控制转换器的驱动，而且在脉动电流变大的单相驱动时，将单相驱动用的开关频率fl设定得比多相驱动用的开关频率f2( < fl)高出规定量。由此，能够减少单相驱动时的脉动电流，因此能够减小按照该脉动电流而设计的过滤器 /电容器Cl的容许量，最终与以往相比能够减小电容器的体积。在此，在上述结构中，优选如下方式，还具备决定单元，该决定单元根据与所述多相转换器连接的负载的大小来决定所述多相转换器的驱动相数，所述驱动频率控制单元基于进行单相驱动时产生的脉动电流的大小、开关损失的大小，设定所述单相驱动时的所述转换器的驱动频率。另外，在上述结构中，进一步优选如下方式，所述各相的转换器是具备主升压电路和辅助电路的软开关转换器，所述主升压电路具有一端与所述燃料电池的高电位侧的端子连接的主线圈；一端与所述主线圈的另一端连接、另一端与所述燃料电池的低电位侧的端子连接的进行开关的主开关；阴极与所述主线圈的另一端连接的第一二极管；及设置在所述第一二极管的阳极与所述主开关的另一端之间的平滑电容器，所述辅助电路具有与所述主开关并联连接且与所述主线圈的另一端和所述燃料电池的低电位侧的端子连接的、 包括第二二极管和缓冲电容器的第一串联连接体；及连接在所述第二二极管与所述缓冲电容器的连接部位和所述主线圈的一端之间的、包括第三二极管、辅助线圈及所述辅助开关的第二串联连接体。另外，本发明的燃料电池输出控制用的多相转换器的特征在于，将单相驱动时所利用的转换器的线圈的电感值设定成高于其他相的转换器的线圈的电感值。发明效果根据本发明，能够满足电容器的进一步小型化的要求。
图1是本实施方式的FCHV系统的系统结构图。图2是表示该实施方式的多相的FC软开关转换器的电路结构的图。图3是表示该实施方式的FC软开关转换器的1相量的电路结构的图。图4是例示了对该实施方式的FC转换器进行单相驱动时、进行二相驱动时、进行三相驱动时的输入电力与能量转换效率的关系的图。图5是表示该实施方式的软开关处理的流程图。图6是表示模式1的动作的图。图7是表示模式2的动作的图。图8是表示模式3的动作的图。图9是表示模式4的动作的图。图10是表示模式5的动作的图。
图11是表示模式6的动作的图。图12是例示了模式5的缓冲电容器电压Vc、元件电压Ve、元件电流Ie的关系的图。图13是表示从模式2向模式3的转移过程的电压/电流变动的图。图14是例示了各模式中的通电图案的图。图15是用于实现脉动电流的减少功能的功能框图。图16是对单相驱动时的脉动电流Δ Isi和多相驱动时的脉动电流Δ Imu进行了比较的图。图17是表示DC-DC转换器中的主要部件的体积的比例的图。图18是例示了对三相DC-DC转换器进行单相驱动时及以同相位对三相DC-DC转换器进行多相驱动时的电流波形的图。图19是例示了对三相DC-DC转换器进行单相驱动时及错开相位而对三相DC-DC 转换器进行多相驱动时的电流波形的图。
具体实施例方式Α.本实施方式以下，参照各图，说明本发明的实施方式。图1表示在本实施方式的车辆上搭载的FCHV系统的结构。需要说明的是，在以下的说明中，作为车辆的一例而假想了燃料电池车(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)，但也可以适用于电力车等。而且，并不仅局限于车辆，也能够适用于各种移动体(例如，船舶、飞行器、机器人等)或定置型电源，进而还能够适用于便携型的燃料电池系统。A-1.系统的整体结构FCHV系统100在燃料电池110与逆变器140之间设有FC转换器2500，并且在蓄电池120与逆变器140之间设有DC/DC转换器(以下，称为蓄电池转换器)180。燃料电池110是将多个单元电池串联层叠而成的固体高分子电解质型电池组。在燃料电池110上安装有用于对燃料电池110的输出电压Vfcmes进行检测的电压传感器V0、 及用于对输出电流Ifcmes进行检测的电流传感器10。在燃料电池110中，在阳极处产生 (1)式的氧化反应，在阴极处产生(2)式的还原反应，作为燃料电池110整体产生(3)式的起电反应。H2 — 2H++2e-…(1)(1/2) 02+2H++2e" — H2O... (2)H2+(1/2) O2 — H2O... (3)单元电池具有利用用于供给燃料气体和氧化气体的隔板将MEA夹入的结构，该 MEA利用燃料极及空气极这两个电极将高分子电解质膜等夹入而构成。阳极是将阳极用催化剂层设置在多孔质支承层上而成，阴极是将阴极用催化剂层设置在多孔质支承层上而成。在燃料电池110上设有将燃料气体向阳极供给的系统，将氧化气体向阴极供给的系统及提供冷却液的系统(均未图示)，根据来自控制器160的控制信号，控制燃料气体的供给量、氧化气体的供给量，从而能够发出所希望的电力。
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FC转换器2500担负对燃料电池110的输出电压Vfcmes进行控制的作用，是如下所述的双方向的电压转换装置，即将向一次侧(输入侧燃料电池110侧)输入的输出电压 Vfcmes转换(升压或降压)成与一次侧不同的电压值而向二次侧(输出侧逆变器140侧) 输出，另外相反地将向二次侧输入的电压转换成与二次侧不同的电压而向一次侧输出。通过该FC转换器2500，将燃料电池110的输出电压Vfcmes控制成与目标输出对应的电压。蓄电池120相对于负载130与燃料电池110并联连接，作为剩余电力的储藏源、再生制动时的再生能量储藏源、与燃料电池车辆的加速或减速相伴的负载变动时的能量缓冲器而发挥功能。作为蓄电池120，例如利用镍/镉蓄电池、镍/氢蓄电池、锂二次电池等二次电池。蓄电池转换器180担负对逆变器140的输入电压进行控制的作用，例如具有与FC 转换器2500同样的电路结构。需要说明的是，也可以采用升压型的转换器作为蓄电池转换器180，但也可以将其取代而采用能够进行升压动作及降压动作的升降压型的转换器，可以采用能够进行逆变器140的输入电压的控制的所有结构。逆变器140例如是以脉冲宽度调制方式进行驱动的PWM逆变器，按照来自控制器 160的控制指令，将从燃料电池110或蓄电池120输出的直流电力转换成三相交流电力，而控制牵引电动机131的旋转转矩。牵引电动机131是本车辆的主动力，在减速时产生再生电力。差速器132是减速装置，将牵引电动机131的高速旋转减速成规定的转速，使设有轮胎133的轴旋转。在轴上设有未图示的车轮速度传感器等，由此来检测该车辆的车速等。需要说明的是，在本实施方式中，将能够接受从燃料电池110供给的电力而动作的全部的设备(包括牵引电动机131、 差速器132)总称为负载130。控制器160是FCHV系统100的控制用的计算机系统，例如具备CPU、RAM、ROM等。 控制器160输入从传感器组170供给的各种信号(例如，表示油门开度的信号、表示车速的信号、表示燃料电池110的输出电流、输出端子电压的信号等)，而求出负载130的要求电力 (艮P，系统整体的要求电力)。负载130的要求电力例如是车辆行驶电力与辅机电力的总计值。辅机电力中包括车载辅机类(加湿器、空气压缩机、氢泵及冷却水循环泵等)所消耗的电力、车辆行驶所需的装置(变速器、车轮控制装置、转向装置及悬架装置等)所消耗的电力、在乘员空间内配置的装置(空调装置、照明设备及音响等)所消耗的电力等。并且，控制器(燃料电池输出控制用的多相转换器的控制装置)160决定燃料电池 110与蓄电池120的各自的输出电力的分配，运算发电指令值。控制器160求出对燃料电池110及蓄电池120的要求电力后，以得到这些要求电力的方式控制FC转换器2500及蓄电池转换器180的动作。A-2.FC转换器的结构如图1所示，FC转换器2500具备作为由U相、V相、W相构成的三相的共振型转换器的电路结构。三相共振型转换器的电路结构是对将输入的直流电压暂时转换成交流的类似于逆变器的电路部分和将该交流再次整流而转换成不同的直流电压的部分进行组合而成。在本实施方式中，采用具备自由转轮电路(详细情况在后面叙述)的多相的软开关转换器(以下，称为多相的FC软开关转换器)作为FC转换器2500。
A-2-1.多相的FC软开关转换器的说明图2是表示在FCHV系统100上搭载的多相的FC软开关转换器2500的电路结构的图，图3是表示多相的FC软开关转换器2500的1相量的电路结构的图。在以下的说明中，将构成多相的FC软开关转换器2500的U相、V相、W相的FC软开关转换器分别称为FC软开关转换器250a、2 、250c，在不需要特别区别时，仅称为FC软开关转换器250。另外，将向FC软开关转换器250输入的升压前的电压称为转换器输入电压Vin，将从FC软开关转换器250输出的升压后的电压称为转换器输出电压Vout。如图3所示，各FC软开关转换器250具备用于进行升压动作的主升压电路22a、用于进行软开关动作的辅助电路22b、自由转轮电路22c而构成。主升压电路2 通过由第一开关元件Sl和二极管D4构成的开关电路的开关动作，将蓄积在线圈Ll中的能量经由二极管D5向负载130释放，从而提升燃料电池110的输出电压，其中所述第一开关元件Sl由IGBTansulated Gate Bipolar Transistor 绝缘栅双极型晶体管)等构成。详细而言，线圈Ll的一端与燃料电池110的高电位侧的端子连接，第一开关元件 Sl的一端的极与线圈Ll的另一端连接，第一开关元件Sl的另一端的极与燃料电池110的低电位侧的端子连接。另外，二极管D5的阴极端子与线圈Ll的另一端连接，进而，作为平滑电容器发挥功能的电容器C3连接在二极管D5的阳极端子与第一开关元件Sl的另一端之间。在主升压电路2 上，在燃料电池110侧设有过滤器/电容器Cl，由此，能够减少燃料电池110的输出电流的脉动。在此，作用在电容器C3上的电压VH成为FC软开关转换器150的转换器输出电压 Vout,作用在过滤器/电容器Cl上的电压VL成为燃料电池110的输出电压即FC软开关转换器150的转换器输入电压Vin。辅助电路22b包含与第一开关元件Sl并联连接的第一串联连接体，该第一串联连接体包括二极管D3和与该二极管D3串联连接的缓冲电容器C2。第一串联连接体的二极管D3的阴极端子与线圈Ll的另一端连接，二极管D3的阳极端子与缓冲电容器C2的一端连接。此外，缓冲电容器C2的另一端与燃料电池110的低电位侧的端子连接。此外，辅助电路22b包含第二串联连接体，该第二串联连接体由二极管D2、第二开关元件S2及二极管D1、以及在各相共用的辅助线圈L2构成。需要说明的是，当然也可以不为共用的辅助线圈L2而对于每个相分别设置辅助线圈L2。第二串联连接体的二极管D2的阳极端子连接在第一串联连接体的二极管D3与缓冲电容器C2的连接部位上。此外，二极管D2的阴极端子与第二开关元件(辅助开关)S2 的一端的极连接。另外，第二开关元件S2的另一端的极连接在辅助线圈L2与自由转轮电路22c的连接部位上。续流二极管D6的阳极端子与燃料电池110的低电位侧连接，另一方面续流二极管D6的阴极端子与辅助线圈L2连接。该自由转轮电路22c在各相具备共用的续流二极管D6，是为了在辅助线圈L2的通电中即使第二开关元件S2发生了开路故障等的情况下，也能防止破坏第二开关元件S2那样的浪涌电压的发生而设置的用于实现失效保护功能的电路。需要说明的是，在未具备自由转轮电路22c的结构中也能够适用本发明。在如此构成的FC软开关转换器250中，控制器160通过调整各相的第一开关元件 Sl的开关占空比，从而实现FC软开关转换。
在此，图4是例示了表示对FC转换器2500进行单相驱动时、进行二相驱动时、进行三相驱动时的输入电力与能量转换效率的关系的效率映射MPl的图。在图4中，分别由 Cl C3表示进行单相驱动时、进行二相驱动时、进行三相驱动时的效率曲线。需要说明的是，在本实施方式中，以利用U相进行单相驱动、利用U相及V相进行二相驱动、利用U相、V 相及W相进行三相驱动的情况为例进行说明，但对于利用哪个相进行单相驱动、二相驱动、 三相驱动是能够进行适当设定/变更的。在本实施方式中，进行驱动相数的切换以使能量转换效率总是最高。具体而言，在图4所示的从输入电力0到Pl进行单相驱动，从输入电力Pl到P2进行二相驱动，输入电力超过P2时进行三相驱动。如此，通过控制FC转换器2500，从而能够始终以电力转换效率最佳的状态来对FC转换器2500进行驱动。接下来，参照图5 图11等说明FC软开关转换器250所进行的软开关动作。图 5是表示经由软开关动作的FC软开关转换器25的一循环的处理(以下，称为软开关处理) 的流程图，控制器160通过依次执行图5所示的步骤SlOl S106而形成一循环。需要说明的是，在以下的说明中，将表示FC软开关转换器25的电流、电压的状态的模式分别表现为模式1 模式6，并将该状态在图6 图11表示。另外，在图6 图11中，在电路中流动的电流如箭头所示。<软开关动作>首先，图5所示的软开关处理进行的初始状态处于从燃料电池110供给负载130 所要求的电力的状态，即第一开关元件Si、第二开关元件S2均被关闭而经由线圈Li、二极管D5向负载130供给电流的状态。(模式1;参照图6)在步骤SlOl中，保持第一开关元件Sl的关闭，另一方面打开第二开关元件S2。若进行这些开关动作，则由FC软开关转换器150的输出电压VH与输入电压VL的电位差，向负载130侧流动的电流经由线圈Li、二极管D3、第二开关元件S2、辅助线圈L2逐渐向辅助电路12b侧移动。需要说明的是，在图6中，利用空心箭头表示从负载130侧向辅助电路12b 侧的电流的移动的情况。另外，通过打开第二开关元件S2，而沿着图6所示的箭头Dmll的朝向产生电流的循环。在此，第二开关元件S2的电流变化速度伴随着辅助线圈L2的两端电压(VH-VL)和辅助线圈L2的电感而增加，但由于向第二开关元件S2流动的电流被辅助线圈L2抑制，因此结果是实现经由二极管D5向负载130侧流动的电流(参照图6所示的箭头Dml2)的软关闭。在此，从模式1向模式2的转移结束时间tmodel由下式(4)表示。
权利要求
1.一种多相转换器的控制装置，是错开相位来控制各相的驱动的、燃料电池输出控制用的多相转换器的控制装置，其中，具备驱动频率控制单元，该驱动频率控制单元将对所述多相转换器进行单相驱动时的转换器的驱动频率设定成比对所述多相转换器进行多相驱动时的转换器的驱动频率高出规定量。
2.根据权利要求1所述的多相转换器的控制装置，其中，还具备决定单元，该决定单元根据与所述多相转换器连接的负载的大小来决定所述多相转换器的驱动相数，所述驱动频率控制单元基于进行单相驱动时产生的脉动电流的大小、开关损失的大小，设定所述单相驱动时的所述转换器的驱动频率。
3.根据权利要求1或2所述的多相转换器的控制装置，其中， 所述各相的转换器是具备主升压电路和辅助电路的软开关转换器， 所述主升压电路具有一端与所述燃料电池的高电位侧的端子连接的主线圈；一端与所述主线圈的另一端连接、另一端与所述燃料电池的低电位侧的端子连接的进行开关的主开关；阴极与所述主线圈的另一端连接的第一二极管；及设置在所述第一二极管的阳极与所述主开关的另一端之间的平滑电容器，所述辅助电路具有与所述主开关并联连接且与所述主线圈的另一端和所述燃料电池的低电位侧的端子连接的、包括第二二极管和缓冲电容器的第一串联连接体；及连接在所述第二二极管与所述缓冲电容器的连接部位和所述主线圈的一端之间的、包括第三二极管、辅助线圈及所述辅助开关的第二串联连接体。
4.一种燃料电池输出控制用的多相转换器，其中，将单相驱动时所利用的转换器的线圈的电感值设定成高于其他相的转换器的线圈的电感值。
全文摘要
提供一种能够满足电容器的进一步小型化的要求的转换器控制装置等。设置驱动频率设定部(10c)。驱动频率设定部(10c)基于来自驱动相数切换部(10a)的通知来设定开关元件(S1)的开关频率。由电流传感器检测到的脉动电流ΔI与电抗器(L1)的电感L成反比。在此，脉动电流ΔIsi变为最大的是单相驱动时，因此在本实施方式中，考虑脉动电流和开关损失这双方，将单相驱动用的开关频率f1设定得比多相驱动用的开关频率f2(＜f1)高。
文档编号H02M3/155GK102474176SQ20098016034
公开日2012年5月23日 申请日期2009年7月9日 优先权日2009年7月9日
发明者今西启之, 北村伸之, 真锅晃太, 长谷川贵彦 申请人:丰田自动车株式会社