專利名稱：轉(zhuǎn)換器控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制燃料電池的輸出電壓的轉(zhuǎn)換器控制裝置。
背景技術(shù)：
在搭載于汽車等的燃料電池系統(tǒng)中，為了應對超過燃料電池的發(fā)電能力的急劇的負載變化等，提出了各種具備燃料電池和蓄電池作為動力源的混合型的燃料電池系統(tǒng)。在混合型的燃料電池系統(tǒng)中，利用DC/DC轉(zhuǎn)換器控制燃料電池的輸出電壓、蓄電池的輸出電壓。作為進行這種控制的DC/DC轉(zhuǎn)換器，廣泛使用使功率晶體管、IGBT, FET等開關(guān)元件進行PWM動作而進行電壓變換的形式的DC/DC轉(zhuǎn)換器。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器，伴隨著電子設(shè)備的省電力化、小型化及高性能化，期望進一步的低損失、高效率及低噪聲化，尤 其是期望減少伴隨PWM動作的開關(guān)損失、開關(guān)浪涌。作為減少這種開關(guān)損失、開關(guān)浪涌的技術(shù)的一種，有軟開關(guān)技術(shù)。此處，軟開關(guān)是用于實現(xiàn) ZVS(Zero Voltage Switching :零電壓開關(guān))或 ZCS(Zero Current Switching 零電流開關(guān))的開關(guān)方式，功率半導體設(shè)備的開關(guān)損失、給予其的應力較低。與此相對，通過功率半導體設(shè)備具有的開關(guān)功能將電壓/電流直接接通/斷開的開關(guān)方式被稱為硬開關(guān)。在以下的說明中，將實現(xiàn)ZVS/ZCS的雙方或其一方的方式稱為軟開關(guān)，將這以外的方式稱為硬開關(guān)。軟開關(guān)通過在具備例如電感器、開關(guān)元件、二極管的一般的升降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器上附加用于降低開關(guān)損失的輔助電路后的裝置(所謂的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器)而實現(xiàn)(例如參照專利文獻I)。另一方面，為了實現(xiàn)高速化、大容量化、低脈動化，目前利用將多個DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接成的多相DC/DC轉(zhuǎn)換器(多相轉(zhuǎn)換器)。關(guān)于這種多相轉(zhuǎn)換器，在通過軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成各相的轉(zhuǎn)換器的情況下，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)高速化、大容量化等，但擔心轉(zhuǎn)換器大型化的問題。關(guān)于該問題，可考慮使構(gòu)成各相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輔助電路的一部分的部件、例如輔助線圈通用。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的小型化。專利文獻I JP特開2005-102438號公報

發(fā)明內(nèi)容
但是，在多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，若各相的輔助電路的動作干涉而二相量以上的電流流向輔助線圈，則輔助線圈的電感特性惡化。若對于其理由進行說明，則通常對于輔助線圈，以流過一相量的電流為前提而設(shè)定最大容許電流Irnax (參照圖16)并進行設(shè)計，但各相的輔助電路的動作干涉而最大容許電流Imax以上的電流Iu(即二相量以上的電流)流向輔助線圈時，輔助線圈的電感特性會惡化。由此額定以上的電流流向構(gòu)成輔助電路的其他電路元件(例如開關(guān)元件)，存在在最差的情況下會導致元件破壞的問題。
本發(fā)明鑒于以上說明的問題而創(chuàng)立，其目的在于提供一種轉(zhuǎn)換器控制裝置，其在多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，能夠通過防止各相的輔助電路的動作干涉而將輔助開關(guān)等的元件破壞防止于未然。為了解決上述課題，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器控制裝置，是控制燃料電池的輸出電壓的、對于每相設(shè)有輔助電路的多相軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制裝置，其特征在于，構(gòu)成所述各相的輔助電路的輔助線圈對所有相的輔助電路通用；所述轉(zhuǎn)換器控制裝置包括計算單元，算出構(gòu)成各相的輔助電路的輔助開關(guān)的占空比；偏差導出單元，導出所述各相之間的輔助開關(guān)的占空比偏差；及控制單元，控制所述各相的輔助開關(guān)的占空比，以使導出的各個所述占空比 偏差不超過設(shè)定閾值。根據(jù)該構(gòu)成，對于多相軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器，導出各相之間的輔助開關(guān)的占空比偏差，控制各相的輔助開關(guān)的占空比以使導出的各占空比偏差不超過設(shè)定閾值，因此能夠防止各相的輔助電路的動作干涉，能夠?qū)㈦娐樊惓?元件破壞等)的發(fā)生防止于未然。此處，在上述構(gòu)成中，優(yōu)選，所述各相的轉(zhuǎn)換器包括主升壓電路和所述輔助電路，所述主升壓電路具有一端與所述燃料電池的高電位側(cè)的端子連接的主線圈；一端與所述主線圈的另一端連接且另一端與所述燃料電池的低電位側(cè)的端子連接的、進行切換的主開關(guān)；陰極與所述主線圈的另一端連接的第一二極管；及設(shè)置在所述第一二極管的陽極和所述主開關(guān)的另一端之間的平滑電容器，所述輔助電路具有第一串聯(lián)連接體，與所述主開關(guān)并聯(lián)連接、且與所述主線圈的另一端和所述燃料電池的低電位側(cè)的端子連接，并包括第二二極管和緩沖電容器；及第二串聯(lián)連接體，連接于所述第二二極管和所述緩沖電容器相連的連接部位與所述主線圈的一端之間，包括第三二極管、輔助線圈和通用的所述輔助開關(guān)。另外，在上述構(gòu)成中，還優(yōu)選，所述各相的轉(zhuǎn)換器包括續(xù)流二極管，該續(xù)流二極管用于在所述輔助線圈通電的狀態(tài)下所述輔助開關(guān)斷開時向與所述通電時相同的方向繼續(xù)流過電流，所述續(xù)流二極管中，陽極端子連接于所述燃料電池的低電位側(cè)，并且陰極端子連接于所述輔助線圈和所述輔助開關(guān)相連的連接部位。此外，在上述構(gòu)成中，優(yōu)選，設(shè)所述設(shè)定閾值為Dth、所述輔助開關(guān)的驅(qū)動頻率為f、驅(qū)動相數(shù)為η、所述輔助線圈的通電時間為Tso時，該設(shè)定閾值由下述式(10)所示伽=( — /
Tsc…(10)。另外，在上述構(gòu)成中，還優(yōu)選，所述輔助線圈的通電時間Tso由下述式(11)所示
「0019l Tso =/model + /mode2 = max(/w- — ,0)x~^^--vn^L^-id^Cld + max(fo- — ,0)x
L J2 (VH-VL)2 VL... (11)。另外，本發(fā)明的另一轉(zhuǎn)換器控制裝置，是控制燃料電池的輸出電壓的、對于每相設(shè)有輔助電路的多相軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制裝置，其特征在于，構(gòu)成所述各相的輔助電路的輔助線圈對所有相的輔助電路通用，并且，該輔助線圈的通電容量下限值被設(shè)定為大于總電流值的值，其中，所述總電流值是將接通所述各相的輔助開關(guān)時各相中流動的電流相加而得到的。發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，在多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，通過防止各相的輔助電路的動作干涉，能夠?qū)⑤o助開關(guān)等的元件破壞防止于未然。


圖I是本實施方式的FCHV系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖2是表示該實施方式的多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)成的圖。圖3是表示該實施方式的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的I相量的電路構(gòu)成的圖。圖4是表示該實施方式的軟開關(guān)處理的流程圖。圖5是表示模式I的動作的圖。圖6是表示模式2的動作的圖。 圖7是表示模式3的動作的圖。圖8是表示模式4的動作的圖。圖9是表示模式5的動作的圖。圖10是表示模式6的動作的圖。圖11是例示模式5的緩沖電容器電壓Vc、元件電壓Ve、元件電流Ie的關(guān)系的圖。圖12是表示從模式2向模式3的遷移過程中的電壓/電流狀況的圖。圖13是例示各模式中的通電圖案的圖。圖14是例示按照U相一V相一W相的順序進行相位移動后的三相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的占空比控制脈沖的波形圖的圖。圖15是用于說明防止干涉占空比控制功能的功能框圖。圖16是表示輔助線圈的電感特性的圖。
具體實施例方式A.本實施方式以下，參照各圖說明本發(fā)明的實施方式。圖I表示本實施方式的車輛上所搭載的FCHV系統(tǒng)的構(gòu)成。以下的說明中假想燃料電池汽車(FCHV ;Fuel Cell Hybrid Vehicle)作為車輛的一例，但也能夠適用于電動汽車等。另外，不僅能夠適用于車輛，還能夠適用于各種移動體(例如船舶、飛機、機器人等)、固定式電源、進而便攜式的燃料電池系統(tǒng)。A-1.系統(tǒng)的整體構(gòu)成FCHV系統(tǒng)100中，在燃料電池110和逆變器140之間設(shè)有FC轉(zhuǎn)換器2500，并且在蓄電池120和逆變器140之間設(shè)有DC/DC轉(zhuǎn)換器(以下稱為蓄電池轉(zhuǎn)換器)180。燃料電池110是將多個單元電池串聯(lián)層疊而成的固體高分子電解質(zhì)型電池組。燃料電池110中，安裝有用于檢測燃料電池110的輸出電壓Vfcmes的電壓傳感器V0、及用于檢測輸出電流Ifcmes的電流傳感器10。燃料電池110中,在陽極發(fā)生(I)式的氧化反應，在陰極發(fā)生(2)式的還原反應，作為燃料電池110整體發(fā)生(3)式的起電反應。H2 — 2H++2e、..(I)(1/2) 02+2H.+2e- — H2O... (2)H2+(1/2) O2 — H2O... (3)單元電池具有由用于供給燃料氣體和氧化氣體的隔板夾持MEA而成的構(gòu)造，所述MEA由燃料極及空氣極這兩個電極夾持高分子電解質(zhì)膜等而成。陽極是將陽極用催化劑層設(shè)于多孔質(zhì)支承層上，陰極是將陰極用催化劑層設(shè)于多孔質(zhì)支承層上。燃料電池110中，設(shè)有將燃料氣體向陽極供給的系統(tǒng)、將氧化氣體向陰極供給的系統(tǒng)、及提供冷卻液的系統(tǒng)(均省略圖示)，根據(jù)來自控制器160的控制信號，控制燃料氣體的供給量、氧化氣體的供給量，由此能夠發(fā)出期望的電力。FC轉(zhuǎn)換器2500承擔控制燃料電池110的輸出電壓Vfcmes的作用，是如下所述的雙向電壓變換裝置將向一次側(cè)(輸入側(cè)燃料電池110側(cè))輸入的輸出電壓Vfcmes變換成不同于一次側(cè)的電壓值(升壓或降壓)而向二次側(cè)(輸出側(cè)逆變器140側(cè))輸出，或者相反地，將向二次側(cè)輸入的電壓變換成不同于二次側(cè)的電壓而向一次側(cè)輸出。通過該FC轉(zhuǎn)換器2500，將燃料電池110的輸出電壓Vfcmes控制成對應于目標輸出的電壓。蓄電池120相對于負載130與燃料電池110并聯(lián)連接，作為剩余電力的儲存源、再 生制動時的再生能量儲存源、伴隨著燃料電池車輛的加速或減速的負載變動時的能量緩沖器發(fā)揮作用。作為蓄電池120，例如利用鎳/鎘蓄電池、鎳/氫蓄電池、鋰二次電池等二次電池。蓄電池轉(zhuǎn)換器180承擔控制逆變器140的輸入電壓的作用，例如具有與FC轉(zhuǎn)換器2500同樣的電路構(gòu)成。雖然作為蓄電池轉(zhuǎn)換器180也可以采用升壓型的轉(zhuǎn)換器，但也可以取而代之采用能夠進行升壓動作及降壓動作的升降壓型的轉(zhuǎn)換器，能夠采用可控制逆變器140的輸入電壓的所有構(gòu)成。逆變器140是例如以脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動的PWM逆變器，根據(jù)來自控制器160的控制指令，將從燃料電池110或蓄電池120輸出的直流電力變換成三相交流電力，而控制牽引電動機131的轉(zhuǎn)矩。牽引電動機131是作為本車輛的主動力的裝置，還在減速時產(chǎn)生再生電力。差速器132是減速裝置，將牽引電動機131的高速旋轉(zhuǎn)減速為規(guī)定的轉(zhuǎn)速，使設(shè)有輪胎133的軸旋轉(zhuǎn)。在軸上設(shè)有未圖示的車輪速度傳感器等，由此檢測該車輛的車速等。本實施方式中，將能夠接受從燃料電池110供給的電力而動作的全部設(shè)備(包括牽引電動機131、差速器132)總稱為負載130。控制器160是FCHV系統(tǒng)100的控制用的計算機系統(tǒng)，例如具備CPU、RAM、ROM等。控制器160中，輸入從傳感器組170供給的各種信號(例如表不油門開度的信號、表不車速的信號、表不燃料電池110的輸出電流、輸出端子電壓的信號等)，而求出負載130的要求電力(即系統(tǒng)整體的要求電力)。負載130的要求電力是例如車輛行駛電力和輔機電力的總計值。輔機電力中包括由車載輔機類(加濕器、空氣壓縮機、氫泵、及冷卻水循環(huán)泵等)所消耗的電力、由車輛行駛所需的裝置(變速器、車輪控制裝置、轉(zhuǎn)向裝置、及懸架裝置等)所消耗的電力、由在乘員空間內(nèi)配置的裝置(空調(diào)裝置、照明設(shè)備、及音響等)所消耗的電力等。并且，控制器(轉(zhuǎn)換器控制裝置)160決定燃料電池110和蓄電池120的各自的輸出電力的分配，并運算發(fā)電指令值?？刂破?60求出相對于燃料電池110及蓄電池120的要求電力后，控制FC轉(zhuǎn)換器2500及蓄電池轉(zhuǎn)換器180的動作以得到這些要求電力。A-2. FC轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成如圖I所示，F(xiàn)C轉(zhuǎn)換器2500具備作為由U相、V相、W相構(gòu)成的三相的共振型轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)成。三相共振型轉(zhuǎn)換器的電路構(gòu)成中，組合有將輸入的直流電壓臨時變換成交流的類似逆變器的電路部分和將該交流再次整流而變換成不同的直流電壓的部分。本實施方式中，作為FC轉(zhuǎn)換器2500采用具備自振蕩電路(詳細如后所述)的多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器(以下稱為多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器)。A-2-1.多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的說明圖2是表示在FCHV系統(tǒng)100上搭載的多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器2500的電路構(gòu)成的圖，圖3是表示多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器2500的I相量的電路構(gòu)成的圖。以下的說明中，將構(gòu)成多相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器2500的U相、V相、W相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器分別稱為FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250a、250b、250c，在無需特別區(qū)別的情況下，僅稱為FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250。另外,將向FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250輸入的升壓前的電壓稱為轉(zhuǎn)換器輸入電壓VinJfW FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250輸出的升壓后的電壓稱為轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vout。如圖3所示，各FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250包括用于進行升壓動作的主升壓電路22a、用 于進行軟開關(guān)動作的輔助電路22b、及自振蕩電路22c而構(gòu)成。主升壓電路22a 通過由 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor :絕緣柵雙極型晶體管)等構(gòu)成的第一開關(guān)元件SI和由二極管D4構(gòu)成的開關(guān)電路的開關(guān)動作，使存儲于線圈LI的能量經(jīng)由二極管D5向負載130釋放，從而使燃料電池110的輸出電壓升壓。若詳細說明，則線圈LI的一端與燃料電池110的高電位側(cè)的端子連接，第一開關(guān)元件SI的一端的極與線圈LI的另一端連接，第一開關(guān)元件SI的另一端的極與燃料電池110的低電位側(cè)的端子連接。另外，二極管D5的陰極端子與線圈LI的另一端連接，此外，作為平滑電容器發(fā)揮作用的電容器C3與二極管D5的陽極端子和第一開關(guān)元件SI的另一端之間連接。在主升壓電路22a上，在燃料電池110側(cè)設(shè)有平滑電容器Cl，由此能夠減少燃料電池110的輸出電流的脈動。此處,施加于電容器C3的電壓VH作為FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器150的轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vout，施加于平滑電容器Cl的電壓VL作為燃料電池110的輸出電壓且FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器150的轉(zhuǎn)換器輸入電壓Vin。輔助電路22b中包括第一串聯(lián)連接體，其與第一開關(guān)元件SI并聯(lián)連接，且包括二極管D3和與該二極管D3串聯(lián)連接的緩沖電容器C2。第一串聯(lián)連接體中，二極管D3的陰極端子與線圈LI的另一端連接，二極管D3的陽極端子與緩沖電容器C2的一端連接。此外，緩沖電容器C2的另一端與燃料電池110的低電位側(cè)的端子連接。此外，在輔助電路22b中，還包括由二極管D2和第二開關(guān)元件S2及二極管D1、各相中通用的輔助線圈L2構(gòu)成的第二串聯(lián)連接體。第二串聯(lián)連接體中，二極管D2的陽極端子與第一串聯(lián)連接體的二極管D3和緩沖電容器C2的連接部位連接。此外，二極管D2的陰極端子與第二開關(guān)元件(輔助開關(guān))S2的一端的極連接。另外，第二開關(guān)元件S2的另一端的極與輔助線圈L2和自振蕩電路22c的連接部位連接。續(xù)流二極管D6的陽極端子與燃料電池110的低電位側(cè)連接,另一方面,續(xù)流二極管D6的陰極端子與輔助線圈L2連接。該自振蕩電路22c具備各相中通用的續(xù)流二極管D6，是是為了即使在輔助線圈L2通電中第二開關(guān)元件S2出現(xiàn)斷開故障等時也將破壞第二開關(guān)元件S2的浪涌電壓的發(fā)生防止于未然而設(shè)置的用于實現(xiàn)故障安全功能的電路。在不具備自振蕩電路22c的構(gòu)成中也能夠適用本發(fā)明。
在如此構(gòu)成的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25中，控制器160調(diào)整各相的第一開關(guān)元件SI的開關(guān)占空比，由此控制由FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25產(chǎn)生的升壓比、即轉(zhuǎn)換器輸出電壓Vout相對于轉(zhuǎn)換器輸入電壓Vin之比。另外，通過在第一開關(guān)元件SI的開關(guān)動作中介有輔助電路12b的第二開關(guān)元件S2的開關(guān)動作，而實現(xiàn)軟開關(guān)。接著，對由FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25產(chǎn)生的軟開關(guān)動作，參照圖4 圖8進行說明。圖4是表示介有軟開關(guān)動作的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25的一個周期的處理(以下稱為軟開關(guān)處理)的流程圖，控制器160依次執(zhí)行圖4所示的步驟SlOl S106，從而形成一個周期。在以下的說明中，將表不FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25的電流、電壓的狀態(tài)的模式分別表現(xiàn)為模式I 模式6，在圖5 圖8中表示該狀態(tài)。另外，圖5 圖8中以箭頭表示流過電路的電流。<軟開關(guān)動作>首先，進行圖4所示的軟開關(guān)處理的初始狀態(tài)是從燃料電池110供給負載130所 要求的電力的狀態(tài)，即將第一開關(guān)元件SI、第二開關(guān)元件S2 —起斷開從而使電流經(jīng)由線圈LI、二極管D5向負載130供給的狀態(tài)。(模式I;參照圖5)在步驟SlOl中，保持第一開關(guān)元件SI的斷開，另一方面，將第二開關(guān)元件S2接通。若進行該開關(guān)動作，則通過FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器150的輸出電壓VH和輸入電壓VL的電位差，使流向負載130側(cè)的電流經(jīng)由線圈LI、二極管D3、第二開關(guān)元件S2、輔助線圈L2逐漸向輔助電路12b側(cè)轉(zhuǎn)移。圖5中，以空心箭頭表示電流從負載130側(cè)向輔助電路12b側(cè)的轉(zhuǎn)移狀態(tài)。另外,通過使第二開關(guān)元件S2接通，向圖5所示的箭頭Dmll的方向產(chǎn)生電流的循環(huán)。此處，第二開關(guān)元件S2的電流變化速度根據(jù)輔助線圈L2的兩端電壓(VH-VL)和輔助線圈L2的電感而增加，但流向第二開關(guān)元件S2的電流被輔助線圈L2抑制，因此作為結(jié)果，實現(xiàn)經(jīng)由二極管D5流向負載130側(cè)的電流(參照圖5所示的箭頭Dml2)的軟斷開。此處，通過下述式(4)表示從模式I向模式2的遷移結(jié)束時間tmodel。
Af I^Zid
「rui7ft1 Imodd = maxfJp--ο x――一 * * * {4)Ip;相電流L2id ;輔助線圈L2的電感(模式2;參照圖6)經(jīng)過上述遷移結(jié)束時間而向步驟S102轉(zhuǎn)移后，流過二極管D5的電流變?yōu)榱?，電流?jīng)由線圈LI及二極管D5流入輔助電路12b側(cè)(參照圖6所示的箭頭Dm21)，并且代替之而通過緩沖電容器C2和燃料電池110的電壓VL的電位差，充電到緩沖電容器C2的電荷流向輔助電路12b側(cè)(參照圖6所示的箭頭Dm22)。根據(jù)該緩沖電容器C2的容量，決定施加于第一開關(guān)兀件SI的電壓。此處，圖12是表示從模式2向模式3的遷移過程中的電壓/電流狀況的圖，以粗實線表示燃料電池110的電壓，以細實線表示緩沖電容器C2的電壓，以虛線表示緩沖電容器C2的電流。圖6所示的Dm21的路徑的通電開始后(參照圖12所示的(A))，通過緩沖電容器C2的電壓VH與燃料電池110的電壓VL的電位差，開始圖6所示的Dm22的路徑的通電、即向輔助線圈L2的通電(參照圖12所示的(B))。此處，如圖12所示，緩沖電容器C2的電流持續(xù)上升直至緩沖電容器C2的電壓達到燃料電池110的電壓VL。詳細地說，雖然通過緩沖電容器C2的電壓VH和燃料電池110的電壓VL的電位差而蓄積于緩沖電容器C2的電荷開始向電源側(cè)再生(圖6所示的箭頭Dm22)，但由于本來的電位差為(VH-VL)，因此蓄積于緩沖電容器C2的電荷的流動(放電)達到電源電壓(即燃料電池110的電壓VL)時(圖12所示的時刻Ttl)停止時，由于輔助線圈L2的特性(即要使電流持續(xù)流動的特性)，即使緩沖電容器C2的電壓變?yōu)閂L以下也要使電荷繼續(xù)流動(參照圖12所示的(C))。此時，若下述式⑷’成立，則緩沖電容器C2的電荷全部流動(放電)。^L*!2 >■ ■ ■ (A)'
92左邊；蓄積于輔助線圈L2的能量
右邊；殘存于緩沖電容器C2的能量蓄積于緩沖電容器C2的電荷消失時，在圖6所示的Dm23的路徑上進行自振蕩動作，使通電繼續(xù)(參照圖12所示的(D))。由此，蓄積于輔助線圈L2的能量全部被放出。在輔助線圈L2的一端連接有二極管D2的陽極，因此LC共振以半波停止。因此，緩沖電容器C2在放電后保持0V。此處，從模式2向模式3的遷移結(jié)束時間tmode2由下述式(5)表示。tmode2 = tmode21 +tmode2"…(5)imod e2'= n^UUd*C2d ■ . ■ (5) *=aiax(ij> — — ,0) X■ ■ - (5)，，
2 VLC2d ；電容器C2的容量(模式3;參照圖7)在圖6所示的Dm22的路徑上電流流動的動作結(jié)束，緩沖電容器C2的電荷脫離完畢、或變成最小電壓(MIN電壓)時，第一開關(guān)元件SI被接通，向步驟S103轉(zhuǎn)移。在緩沖電容器C2的電壓變?yōu)榱愕臓顟B(tài)下，施加于第一開關(guān)元件SI的電壓也變?yōu)榱?，因此實現(xiàn)了ZVS(Zero Voltage Switching :零電壓開關(guān))。該狀態(tài)下,流向線圈LI的電流Ill成為箭頭Dm31所示的流向輔助電路12b側(cè)的電流Idm31和箭頭Dm32所示的經(jīng)由第一開關(guān)元件SI流動的電流Idm32之和(參照下述式(6))。111 = Idm31+Idm32…(6)此處，流向第一開關(guān)元件SI的電流Idm31根據(jù)流向輔助電路12b側(cè)的電流Idm31的減少速度而決定。由于流向輔助電路12b側(cè)的電流Idm31的電流變化速度由下述式(7)表示、即流向輔助電路12b側(cè)的電流Idm31按照下述式(7)的變化速度而減少，因此即使將第一開關(guān)元件SI接通，流向第一開關(guān)元件SI的電流也不會急劇上升，實現(xiàn)了 ZCS(Zeix)Current Switching :零電流開關(guān))。
di. — VL,.
0098■畫* * * Iyj
Si LI(模式4;參照圖8)并且，在步驟S104中，通過使步驟S103的狀態(tài)繼續(xù)，使流入線圈LI的電流量增加而使蓄積于線圈LI的能量逐漸增加(圖8中參照箭頭Dm42)。此處，由于二極管D2存在于輔助電路12b，所以逆電流不流向輔助線圈L2，不經(jīng)由第二開關(guān)元件S2對緩沖電容器C2進行充電。另外，由于在該時點第一開關(guān)元件SI接通，因此不經(jīng)由二極管D3對緩沖電容器C2進行充電。因此，線圈LI的電流=第一開關(guān)元件SI的電流，使儲存于線圈LI的能量逐漸增加。此處，第一開關(guān)元件SI的接通時間Tsl由下述式(8)近似地表示。Tsl = (1-VL/VH) *Tcon— (8)Tcon ;控制 周期控制周期是指將步驟SlOl 步驟S106的一系列處理設(shè)為一個周期(一個循環(huán))時的軟開關(guān)處理的時間周期。(模式5;參照圖9)步驟S104中在線圈LI中儲存期望的能量后，第一開關(guān)元件S12被斷開，電流流向圖9中箭頭Dm51所示的路徑。此處，圖11是例示模式5中的緩沖電容器C2的電壓(以下稱為緩沖電容器電壓)Vc、施加于第一開關(guān)元件SI的電壓(以下稱為元件電壓)Ve、流過第一開關(guān)元件SI的電流(以下稱為元件電流)Ie的關(guān)系的圖。進行上述開關(guān)動作后，在模式2中向電荷泄漏而成為低電壓狀態(tài)的緩沖電容器C2充入電荷，由此，緩沖電容器電壓Vc朝向FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器150的轉(zhuǎn)換器輸出電壓VH上升。此時，元件電壓Ve的上升速度被向緩沖電容器C2的充電抑制(即，元件電壓的上升變得遲緩)，能夠進行ZVS動作，該ZVS動作減少在元件電流Ve中存在尾電流的區(qū)域(參照圖11所示的α )上的開關(guān)損失。(模式6;參照圖10)緩沖電容器C2被充電至電壓VH后，儲存于線圈LI的能量被向負載130側(cè)釋放(參照圖9所示的箭頭Dm61)。此處，第一開關(guān)元件SI的斷開時間Ts2由下述式(9)近似地表示。Ts2 = (VL/VH)*Tcon... (9)通過進行以上說明的軟開關(guān)處理而盡可能地抑制FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器150的開關(guān)損失，從而能夠使燃料電池Iio的輸出電壓上升至期望的電壓，并向負載130供給。此處，圖13是例示FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25的各模式中的通電圖案的圖，以粗實線表示流向線圈LI的電流，以虛線表示流向輔助線圈L2的電流。如圖13所示，第二開關(guān)元件接通時，輔助電路12b工作而電流流向輔助線圈L2(參照圖13所示的模式I及模式2)。在各相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器25中，電流流向輔助線圈L2的時間(以下稱為輔助電路工作時間)Tso重疊時，各相的輔助電路的動作發(fā)生干涉而最大容許電流Imax以上的電流Iu(即二相量以上的電流)流向輔助線圈L2，輔助線圈L2的電感特性惡化(參照發(fā)明內(nèi)容項及圖16)。為了解除該問題，在本實施方式中，控制成對各相的第二開關(guān)元件S2設(shè)定的占空比的偏差不超過由下述式(10)所表示的占空比偏差容許值Dth。BA == !/ _Tje·/ · · (I O)
Tssf ;開關(guān)元件S2的驅(qū)動頻率Tsc ；1 周期時間(=1/f)η;驅(qū)動相數(shù)此處，輔助電路動作時間Tso由下述(11)式表示?！?11 81 Ti-o = tmodel + (mod 2 = maxQp-—,0)x ~--s·X^LlidtCld 十maxQp - —,0)x ———
L J2 ψ —VL)2 KL... (id本實施方式中，實施使各相之間的占空比偏差不超過利用式(10)求出的占空比偏差容許值Dth的控制。更詳細地說，控制成U相的占空比D (U)、V相的占空比D (V)、W相的占空比D(W)滿足下述式(12) (14)。D(V)-D(U) < Dth... (12)D(w)-D(v) < Dth··· (13)
D(U)-D(W) < Dth··· (14)此處，以各相的占空比為50%的情況為例，參照圖13對于各相的占空比偏差容許時間Tth進行說明。圖14是例不以U相一V相一W相的順序進行相位移動后的二相的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250中的占空比控制脈沖的波形圖的圖。圖14所示的各相的占空比控制脈沖通過產(chǎn)生每隔120°相位移動的三角波的脈沖發(fā)生器(圖示略)生成，通過該占空比控制脈沖來控制構(gòu)成U相、V相、W相的輔助電路22b的第二開關(guān)元件S2的占空比。如圖14所示，占空比為50%時的各相的占空比偏差容許時間Tth如下述式(10)’所示。Tth = Tso-Tsc/n …(10) ’如以上所說明，在本實施方式中，以各相之間的占空比偏差不超過式(10)所示的占空比偏差容許值Dth的方式(換言之以各相之間的占空比偏差時間不超過由式(10)’所示的占空比偏差容許時間Tth的方式)控制DC-DC轉(zhuǎn)換器20。通過如此防止各相的輔助電路22c的動作干涉，能夠?qū)F(xiàn)有技術(shù)的問題、即電路異常(元件破壞等)的發(fā)生防止于未然。以下，對用于防止各相的輔助電路22c的動作干涉的第二開關(guān)元件S2的占空比的控制(以下稱為防止干涉占空比控制)的詳細情況，參照圖15所示的功能模塊進行說明?！捶乐垢缮嬲伎毡瓤刂啤祱D15是用于說明由控制器160等實現(xiàn)的防止干涉占空比控制功能的功能框圖。如上所述，在本實施方式中假想使用由U相、V相、W相構(gòu)成的三相共振型的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器2500來控制燃料電池110的輸出的情況。FC要求電力輸入單兀210基于負載130的要求電力，導出相對于燃料電池110的要求電力指令值(以下稱為FC要求電力指令值)Preq，并將其向指令電流運算單元240輸出。FC電壓輸入單元220輸入由電壓傳感器VO檢測出的燃料電池110的輸出電壓Vfcmes,并將其向指令電流運算單元240、偏差運算單元250輸出。FC測定電力輸入單元230輸入燃料電池110的實際的輸出電力測定值(以下稱為FC輸出電力測定值)Pfcmes，并將其向偏差運算單元250輸出。此處，F(xiàn)C輸出電力測定值Pfcmes雖然也可以根據(jù)由電壓傳感器VO檢測出的燃料電池110的輸出電壓Vfcmes和由電流傳感器IO檢測出的燃料電池110的輸出電流Ifcmes求出，但也可以使用電力計(第二測定單元)等直接求出FC輸出電力測定值Pfcmes。指令電流運算單元240將從FC要求電力單元210供給的FC要求電力指令值Preq除以從FC電壓輸入單元220供給的燃料電池110的輸出電壓Vfcmes等，導出相對于燃料電池Iio的要求電流指令值(以下稱為FC要求電流指令值)Iref。并且，指令電流運算單元240將導出的FC要求電流指令值Iref向指令電流校正單元260輸出。偏差運算單元250求出FC要求電力指令值Preq和FC輸出電力測定值Pfcmes之間的電力偏差(差分)，并將該電力偏差向PID校正量運算單兀270輸出。PID校正量運算單元270基于從偏差運算單元250輸出的電力偏差，并基于PID控制規(guī)則來運算相對于燃料電池110的要求電流指令值的校正量Icrt,并將其向指令電流校正單元260輸出。指令電流校正單元260在從指令電流運算單元240輸出的FC要求電流指令值Iref上加上從PID校正量運算單元270輸出的校正量(PID校正項)Icrt，生成修正FC電流指令值Iamref。并且,指令電流校正單元260將生成的修正FC電流指令值Iamref向相電流分配單元280輸出。 相電流分配單元280用使FC轉(zhuǎn)換器150的變換效率最大化的驅(qū)動相數(shù)去除修正FC電流指令值Iamref，由此導出各相的目標電流指令值。此處，使FC轉(zhuǎn)換器150的變換效率最大化的驅(qū)動相數(shù)根據(jù)相對于燃料電池110的要求電力、運轉(zhuǎn)環(huán)境等(以下總稱為“運轉(zhuǎn)狀況”)而不同。因此，預先通過試驗等求出運轉(zhuǎn)狀況與使FC轉(zhuǎn)換器150的變換效率最大化的驅(qū)動相數(shù)之間的對應關(guān)系，將該對應關(guān)系映射化，并將該對應關(guān)系保持作為驅(qū)動相數(shù)決定映射。相電流分配單元280從指令電流校正單元260接受修正FC電流指令值Iamref后，把握燃料電池110的運轉(zhuǎn)狀況，參照驅(qū)動相數(shù)決定映射，由此決定在當前運轉(zhuǎn)狀況下使FC轉(zhuǎn)換器150的變換效率最大化的驅(qū)動相數(shù)，并用該驅(qū)動相數(shù)去除修正FC電流指令值Iamref，由此導出各相的目標電流指令值，具體而言導出U相目標電流值Iref (u)、V相目標電流值Iref (V)、W相目標電流值Iref (w)。U相測定電流輸入單元290a輸入由電流傳感器Il檢測出的U相電抗器電流測定值limes (U)，將其向U相偏差運算單元300a輸出。U相偏差運算單元300a通過從U相目標電流值Iref (U)減去U相電抗器電流測定值limes (U),從而求出U相電流偏差。U相PID校正量運算單元310a基于從U相偏差運算單元300a輸出的U相電流偏差，并基于PID控制規(guī)則來運算U相占空比的校正量Dcrt (U)，并將其向U相占空比校正單元330a輸出。 U相基本占空比輸入單元320a輸入U相的基本占空比Ds，并將其向U相占空比校正單元330a輸出。此處，U相的基本占空比Ds由下述式(15)導出。基本占空比Ds與相無關(guān)而為一定(即在U相、V相、W相中通用)，因此在以下只要未特別限定，都僅稱為基本占空比Ds。Ds = (VH-VL)/VH- (15)VH ;逆變器輸入電壓(高壓側(cè)電壓)VL ;FC電壓(低壓側(cè)電壓)第一 U相占空比校正單元(計算單元)330a在從U相占空比輸入單元320a輸出的U相的基本占空比Ds上加上從U相PID校正量運算單元310a輸出的U相占空比的校正量Dcrt (U)，生成修正U相占空比Dam(U)。并且，第一 U相占空比校正單元330a將生成的修正U相占空比Dam(U)向防止干涉占空比控制電路340輸出。以上以U相的動作控制為例進行了說明，但V相、W相也進行同樣的控制。簡單地說明的話，V相PID校正量運算單元310b基于從V相偏差運算單元300b輸出的V相電流偏差，并基于PID控制規(guī)則運算V相占空比的校正量Dcrt (V)，將其向第一 V相占空比校正單元330b輸出。第一 V相占空比校正單元(計算單元)330b在從V相占空比輸入單元320b輸出的V相的基本占空比Ds上加上從V相PID校正量運算單元310b輸出的V相占空比的校正量Dcrt (V)，生成修正V相占空比Dam(V)。并且，第一 V相占空比校正單元330b將生成的修正V相占空比Dam (V)向防止干涉占空比控制電路340輸出。同樣，W相PID校正量運算單元310c基于從W相偏差運算單元300c輸出的W相電流偏差，并基于PID控制規(guī)則來運算W相占空比的校正量Dcrt (w)，將其向第一 W相占空比校正單元330c輸出。第一 W相占空比校正單元(計算單元)330c在從W相占空比輸入單元320c輸出的W相的基本占空比Ds上加上從W相PID校正量運算單元310c輸出的W相占空比的校正量Dcrt (w),生成修正W相占空比Dam(w)。并且,第一 W相占空比校正單元330c將生成的修正W相占空比Dam (w)向防止干涉占空比控制電路340輸出。<防止干涉占空比控制電路340〉 防止干涉占空比控制電路340具備占空比偏差運算單元341和占空比閾值輸入單元 342。占空比閾值輸入單元342輸入通過上述式(10)求出的占空比偏差容許值。另一方面，占空比偏差運算單元(偏差導出單元)341將輸入的修正U相占空比Dam(U)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)代入上述式(12) (14),由此判斷各相之間的占空比偏差是否超過占空比偏差容許值Dth (參照下述式(12)’ (14)’)。Dam(V)-Dam(U) < Dth··· (12) ’Dam(W)-Dam(V) < Dth··· (13) ’Dam(U)-Dam(W) < Dth··· (14) ’占空比偏差運算單元341在運算的結(jié)果不滿足式(12)， (14)，的情況下，基于PID控制規(guī)則分別校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(V)、修正W相占空比Dam(w)，以滿足式(12)’ (14)’的方式進行校正，將其作為U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw向FC轉(zhuǎn)換器控制電路350輸出。另一方面，占空比偏差運算單元341在運算的結(jié)果滿足式(12)’ (14)’的情況下，不校正修正U相占空比Dam (U)、修正V相占空比Dam (V)、修正W相占空比Dam (w)，而將其作為U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw向FC轉(zhuǎn)換器控制電路350輸出。即使在滿足式(12)’ (14)’的情況下，也可以分別基于PID控制規(guī)則來校正修正U相占空比Dam (U)、修正V相占空比Dam (v)、修正W相占空比Dam (w)。FC轉(zhuǎn)換器控制電路(控制單元)350將從防止干涉占空比控制電路340輸出的U相的防止干涉占空比Du、V相的防止干涉占空比Dv、W相的防止干涉占空比Dw設(shè)定作為各相的第二開關(guān)元件S2的占空比，由此控制輔助電路22b的動作。通過以上說明的防止干涉占空比控制，能夠防止各相的輔助電路22c的動作干涉，能夠?qū)㈦娐樊惓?元件破壞等)的發(fā)生防止于未然。B.變形例以上說明的本實施方式中，通過防止各相的輔助電路22c的動作干涉而防止電路異常的發(fā)生，但也可以通過例如將構(gòu)成輔助電路22c的輔助線圈L2的最大容許電流Imax設(shè)定為(參照發(fā)明內(nèi)容的項)流過相數(shù)量的電流也可以的值，從而防止電路異常的發(fā)生。例如，若為圖2所示的由U相、V相、W相構(gòu)成的三相共振型的FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器250，則將輔助線圈L2的最大容許電流Imax (參照圖16;通電容量下限值)設(shè)定為比三相量的電流大的值。由此，即使因某種理由發(fā)生輔助電路22b的動作干涉且三相量的電流(總計電流值)流向輔助線圈L2，輔助線圈L2的最大容許電流Imax也被設(shè)定為比三相量的電流大的值，因此輔助線圈L2的電 感特性不會惡化。因此，通過該構(gòu)成，也能夠?qū)㈩~定以上的電流流向構(gòu)成輔助電路的其他電路元件(例如開關(guān)元件)、在最差的情況下導致元件破壞之類的問題防止于未然。標號說明100、300…FCHV系統(tǒng)、110…燃料電池、120…蓄電池、130…負載、140…逆變器、2500…FC轉(zhuǎn)換器、160…控制器、170…傳感器組、180…蓄電池轉(zhuǎn)換器、250…FC軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器、400…柵極電壓控制電路、410…電源、420…接通控制部、430…斷開控制部、440…驅(qū)動電路、22a…主升壓電路、22b…輔助電路、22c…自振蕩電路、SI、S2…開關(guān)元件、Cl、C3…平滑電容器、C2…緩沖電容器、LI、L2…線圈、Dl、D2、D3、D4、D5…二極管、D6…續(xù)流二極管。
權(quán)利要求
1.一種轉(zhuǎn)換器控制裝置，是控制燃料電池的輸出電壓的、對于每相設(shè)有輔助電路的多相軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制裝置，其中， 構(gòu)成所述各相的輔助電路的輔助線圈對所有相的輔助電路通用； 所述轉(zhuǎn)換器控制裝置包括 計算單元，算出構(gòu)成各相的輔助電路的輔助開關(guān)的占空比； 偏差導出單元，導出所述各相之間的輔助開關(guān)的占空比偏差；及控制單元，控制所述各相的輔助開關(guān)的占空比，以使導出的各個所述占空比偏差不超過設(shè)定閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的轉(zhuǎn)換器控制裝置，其中， 所述各相的轉(zhuǎn)換器包括主升壓電路和所述輔助電路， 所述主升壓電路具有 一端與所述燃料電池的高電位側(cè)的端子連接的主線圈； 一端與所述主線圈的另一端連接且另一端與所述燃料電池的低電位側(cè)的端子連接的、進行切換的主開關(guān)； 陰極與所述主線圈的另一端連接的第一二極管；及 設(shè)置在所述第一二極管的陽極和所述主開關(guān)的另一端之間的平滑電容器， 所述輔助電路具有 第一串聯(lián)連接體，與所述主開關(guān)并聯(lián)連接、且與所述主線圈的另一端和所述燃料電池的低電位側(cè)的端子連接，并包括第二二極管和緩沖電容器；及 第二串聯(lián)連接體，連接于所述第二二極管和所述緩沖電容器相連的連接部位與所述主線圈的一端之間，包括第三二極管、輔助線圈和通用的所述輔助開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器控制裝置，其中， 所述各相的轉(zhuǎn)換器包括續(xù)流二極管，該續(xù)流二極管用于在所述輔助線圈通電的狀態(tài)下所述輔助開關(guān)斷開時向與所述通電時相同的方向繼續(xù)流過電流； 所述續(xù)流二極管中，陽極端子連接于所述燃料電池的低電位側(cè)，并且陰極端子連接于所述輔助線圈和所述輔助開關(guān)相連的連接部位。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3中任一項所述的轉(zhuǎn)換器控制裝置，其中， 設(shè)所述設(shè)定閾值為Dth、所述輔助開關(guān)的驅(qū)動頻率為f、驅(qū)動相數(shù)為n、所述輔助線圈的通電時間為Tso時，該設(shè)定閾值由下述式(10)所示
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)換器控制裝置，其中，所述輔助線圈的通電時間Tso由下述式(11)所示
6.一種轉(zhuǎn)換器控制裝置，是控制燃料電池的輸出電壓的、對于每相設(shè)有輔助電路的多相軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制裝置，其中， 構(gòu)成所述各相的輔助電路的輔助線圈對所有相的輔助電路通用，并且，該輔助線圈的通電容量下限值被設(shè)定為大于總電流值的值，其中，所述總電流值是將接通所述各相的輔助開關(guān) 時各相中流動的電流相加而得到的。
全文摘要
本發(fā)明提供一種轉(zhuǎn)換器控制裝置，其能夠在多相的軟開關(guān)轉(zhuǎn)換器中通過防止各相的輔助電路的動作干涉而將輔助開關(guān)等的元件破壞防止于未然。占空比閾值輸入單元(342)輸入求出的占空比偏差容許值。另一方面，占空比偏差運算單元(341)判斷各相之間的占空比偏差是否超過占空比偏差容許值Dth。占空比偏差運算單元(341)在各相之間的占空比偏差超過占空比偏差容許值Dth的情況下，基于PID控制規(guī)則分別校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，并向FC轉(zhuǎn)換器控制電路(350)輸出。另一方面，占空比偏差運算單元(341)在各相之間的占空比偏差不超過占空比偏差容許值Dth的情況下，不校正修正U相占空比Dam(u)、修正V相占空比Dam(v)、修正W相占空比Dam(w)，而向FC轉(zhuǎn)換器控制電路(350)輸出。
文檔編號H02M3/155GK102804573SQ200980159799
公開日2012年11月28日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者真鍋晃太 申請人:豐田自動車株式會社