DE112009005054T5

DE112009005054T5 - Wandlersteuervorrichtung und Mehrphasenwandler

Info

Publication number: DE112009005054T5
Application number: DE112009005054T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Nobuyuki Kitamura; Takahiko Hasegawa; Kota Manabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2012-06-06
Also published as: CN102474176B; US9203314B2; WO2011004486A1; CN102474176A; JPWO2011004486A1; US20120106204A1; JP5447520B2

Abstract

[Zu lösendes Problem] Eine Wandlersteuervorrichtung und dergleichen bereit zu stellen, welche geeignet sind, eine Forderung nach einer weiteren Größenreduzierung eines Kondensators zu erfüllen. [Lösung] Ein Steuerfrequenz-Einstellabschnitt 10c ist vorgesehen. Der Steuerfrequenz-Einstellabschnitt 10c stellt eine Schaltfrequenz eines Schaltelements S1 auf der Basis einer Mitteilung von einem Steuerphasenzahl-Schaltabschnitt 10a ein. Ein Oberwellenstrom ΔI, der durch einen Spannungssensor erfasst wird, ist umgekehrt proportioniert zu einem induktiven Blindwiderstand L einer Drosselspule L1. Da ein Oberwellenstrom ΔIsi im Einphasenbetrieb am größten wird, wird in diesem Ausführungsbeispiel, welches sowohl den Oberwellenstrom als auch einen Schaltverlust berücksichtigt, eine Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb höher eingestellt als eine Schaltfrequenz F2 (< f1) für einen Mehrphasenbetrieb.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wandlersteuervorrichtung und einen Mehrphasenwandler zum Steuern einer Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle.
Hintergrundtechnik
Für ein bordseitiges Brennstoffzellensystem eines Automobils und dergleichen wurden verschiedene Hybrid-Brennstoffzellensysteme, die sowohl mit einer Brennstoffzelle als auch mit einer Batterie als Energiequelle versehen sind, vorgeschlagen, um sich an Situationen, wie beispielsweise eine schnelle Lastschwankung oberhalb der Leistungserzeugungskapazität einer Brennstoffzelle zu richten.
In einem Hybrid-Brennstoffzellensystem werden die Ausgangsspannung und anderes der Brennstoffzelle durch einen DC-Wandler gesteuert. Ein allgemein genutzter DC-Wandler für eine solche Steuerung ist von einem Typen, welcher Schaltelemente, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) oder Feldeffekttransistoren (FETs) in einer Pulsweitenmodulations-(PWM-)Gestaltung betreibt, um die Spannung zu wandeln. Mit dem Vorteil elektronischer Ausrüstung von kleiner Größe mit weniger Energieverbrauch und hoher Effizienz besteht eine Anforderung für einen DC-Wandler mit einer höheren Geschwindigkeit, größerer Kapazität und reduzierten Oberwellen. Um solche Anforderungen zu erfüllen, werden üblicherweise Mehrphasen-DC-Wandler verwendet, welche aus einer Mehrzahl von DC-Wandlern gebildet sind, die parallel zueinander geschaltet sind (siehe Patentliteratur 1).
Zitatliste
Patent Literatur

Patentliteratur 1: japanische Offenlegungsschrift Nr. 2006-340535

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn eine Mehrzahl von Phasen betrieben wird (Mehrphasenbetrieb), wird in einem herkömmlichen Mehrphasen-DC-Wandler ein Oberwellenstrom proportional zur Zahl der Phasen größer, falls ein DC-Wandler in jeder Phase immer in derselben Phase betrieben wird (d. h., falls ein Schaltelement, welches einen Wandler bildet, in jeder Phase gesteuert wird, um in derselben Phase an-/auszuschalten).
18 ist ein Diagramm, welches beispielhaft Stromwellenformen eines Einphasenbetriebs (unterbrochenen Linie) eines Dreiphasen-DC-Wandlers und eines Mehrphasenbetriebs in derselben Phase (durchgezogene Linie) zeigt. Wie in 18 gezeigt, wird ein Oberwellenstrom ΔIn3 in dem Mehrphasenbetrieb größer als der Oberwellenstrom ΔIn1 in dem Einphasenbetrieb, falls ein Dreiphasen-DC-Wandler in derselben Phase betrieben wird (der Oberwellenstrom ist proportional zur Zahl der Steuerphasen). Deshalb ist, wenn, ein System auszulegen ist, ein Kondensator, der eine große zulässige Kapazität hat, als ein Kondensator auszuwählen, welcher den Strom glättet, und es trat das Problem auf, dass die Größe des Kondensators groß wird.
Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Verfahren zum Betreiben eines DC-Wandlers durch Verschieben der Phase vorgeschlagen. 19 ist ein Diagramm, welches exemplarisch Stromwellenformen eines Einphasenbetriebs des Dreiphasen-DC-Wandlers (unterbrochene Linie) und den Mehrphasenbetrieb mit verschobenen Phasen (durchgezogene Linie) zeigt, und korrespondiert zu 18.
Wie in 19 gezeigt, hebt sich der Oberwellenstrom in jeder Phase auf und die Amplitude des Oberwellenstroms ΔIp3 wird schwächer und wird kleiner als der Oberwellenstrom ΔIp1 in dem Einphasenbetrieb, falls der Dreiphasen-DC-Wandler in Mehrphasen durch verschieben der Phasen betrieben wird. Wie oben beschrieben, wird der Oberwellenstrom ΔIp3, wenn der Dreiphasen-DC-Wandler durch Verschieben der Phasen betrieben wird, kleiner als der Oberwellenstrom ΔIn3, wenn der Dreiphasen-DC-Wandler in derselben Phase betrieben wird, kann eine zulässige Kapazität des Kondensators verzögert werden und die Größe kann reduziert werden.
Jedoch ist durch bloßes Betreiben des DC-Wandlers durch Verschieben der Phasen ein Verringern der zulässigen Kapazität des Kondensators begrenzt und es trat das Problem auf, dass der jüngste Bedarf für eine weitere Größenreduzierung des Kondensators nicht erfüllt werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf die oben beschriebene Beschreibung gemacht und ihr liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wandlersteuervorrichtung und dergleichen zu schaffen, die den Bedarf für eine weitere Größenreduzierung des Kondensator erfüllen kann.
Lösung des Problems
Um das obige Problem zu lösen, ist eine Wandlersteuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Steuervorrichtung für einen Mehrphasenwandler zur Steuerung einer Brennstoffzellenausgangsleistung, welche den Betrieb jeder Phase durch Verschieben der Phase steuert und mit einem Steuerfrequenz-Steuermittel versehen ist, welches eine Steuerfrequenz eines Wandlers, falls der Mehrphasenwandler in einer einzelnen Phase betrieben wird, um einen vorbestimmten Wert höher einstellt als die Steuerfrequenz des Wandler, der in mehreren Phasen betrieben wird.
Nach der obigen Konfiguration wird nicht nur der Betrieb des Wandlers durch einfaches Verschieben der Phase im Einphasenbetrieb, in welchem der Oberwellenstrom groß wird, gesteuert, sondern auch eine Schaltfrequenz f1 für Einphasenbetrieb um einen vorbestimmten Wert höher eingestellt als eine Schaltfrequenz f2 (< f1) für Mehrphasenbetrieb. Infolge dessen kann der Oberwellenstrom im Einphasenbetrieb herabgesetzt werden und die zulässige Kapazität eines Filters/Kondensator C1, der in Übereinstimmung mit dem Oberwellenstrom ausgelegt wird, kann reduziert werden, und schließlich kann die Größe des Kondensator gegenüber vorher reduziert werden.
In der obigen Konfiguration ist ein solcher Modus bevorzugt, dass weiterhin ein Erfassungsmittel vorgesehen ist, welches die Zahl der Steuerphasen des Mehrphasenwandlers in Übereinstimmung mit der Größe einer Last, die mit dem Mehrphasenwandler verbunden ist, bestimmt, und das Steuerfrequenz-Steuermittel die Steuerfrequenz des Wandlers in dem Einphasenbetrieb auf der Basis der Größe des Oberwellenstroms und der Größe eines Schaltverlustes, die in dem Einphasenbetrieb erzeugt werden, einstellt.
Bei einem weiter bevorzugten Aspekt ist in der obigen Konfiguration ein Wandler für jede der Phasen ein weich schaltender Wandler, der einen Haupterhöhungsschaltkreis und einen Hilfsschaltkreis aufweist, wobei der Haupterhöhungsschaltkreis einen Hauptschalter für einen Schaltvorgang, welcher mit seinem einen Ende mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist und mit seinem anderen Ende mit einer Klemme an einer Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode, die eine Katode aufweist, die mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und einen Glätttungskondensator, der zwischen einer Anode der ersten Diode und dem anderen Ende des Hauptschalters vorgesehen ist, hat, und wobei der Hilfsschaltkreis einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt, der eine zweite Diode und einen Dämpfungskondensator aufweist, wobei der erste in Reihe geschalteten Abschnitt parallel mit dem Hauptschalter geschaltet ist und mit dem anderen Ende der Hauptspule und mit einer Klemme an der Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, und einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt, der eine dritte Diode, eine Hilfsspule und einen Hilfsschalter aufweist, wobei der zweite in Reihe geschaltete Abschnitt zwischen einem Verbindungsknoten der zweiten Diode mit dem Dämpfungskondensator und dem einen Ende der Hauptspule geschaltet ist, hat.
Auch ist in dem Mehrphasenwandler für die Steuerung einer Brennstoffzellenausgangsleistung nach der vorliegenden Erfindung ein induktiver Blindwiderstandswert einer Spule eines Wandlers, der in dem Einphasenbetrieb verwendet wird, höher eingestellt wird, als ein induktiver Blindwiderstandswert der Spule des Wandlers in einer anderen Phase.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Forderung nach weiterer Größenreduzierung eines Kondensators erfüllt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Systemkonfigurationsdiagramm eines FCHV-Systems nach diesem Ausführungsbeispiel;
2 ist ein Diagramm, welches eine Schaltkreisanordnung eines weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandlers nach dem Ausführungsbeispiel zeigt;
3 ist ein Diagramm, welches eine Phase einer Schaltkreisanordnung des weich schaltenden FC-Wandlers nach dem Ausführungsbeispiel zeigt;
4 ist ein Diagramm, welches exemplarisch ein Verhältnis zwischen einer Eingangsleistung und einem Energiewandlungswirkungsgrad in einem Einphasenbetrieb, in einem Zweiphasenbetrieb und in einem Dreiphasenbetrieb des FC-Wandlers nach dem Ausführungsbeispiel zeigt;
5 ist ein Flussdiagramm, welches eine weich schaltende Verarbeitung nach dem Ausführungsbeispiel zeigt;
6 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 1 zeigt;
7 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 2 zeigt;
8 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 3 zeigt;
9 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 4 zeigt;
10 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 5 zeigt;
11 ist ein Diagramm, welches einen Betrieb eines Modus 6 zeigt;
12 ist ein Diagramm, welches exemplarisch ein Verhältnis zwischen einer Dämpfungskondensatorspannung Vc, einer Elementspannung Ve und einem Elementstrom Ie des Modus 5 zeigt;
13 ist ein Diagramm, welches ein Spannungs-/Strom-Verhalten in einem Übergangsprozess von dem Modus 2 zu dem Modus 3 zeigt;
14 ist ein Diagramm, welches exemplarisch ein Muster einer Energiebeaufschlagung für jeden Modus zeigt;
15 ist ein funktionales Blockdiagramm für eine Realisierung einer Funktion einer Reduzierung eines Oberwellenstroms;
16 ist ein Diagramm, welches einen Oberwellenstrom ΔIsi in einem Einphasenbetrieb und einen Oberwellenstrom ΔImu in einem Mehrphasenbetrieb vergleicht;
17 ist ein Diagramm, welches ein Verhältnis der Größen von Hauptkomponenten des DC-Wandlers zeigt;
18 ist ein Diagramm, welches exemplarisch Stromwellenformen eines Einphasenbetriebs eines Dreiphasen-DC-Wandlers und eines Mehrphasenbetriebs in derselben Phase zeigt; und
19 ist ein Diagramm, welches exemplarisch die Stromwellenformen des Einphasenbetriebs des Dreiphasen-DC-Wandlers und des Mehrphasenbetriebs bei Verschieben der Phase zeigt.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
A. Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine Konfiguration eines FCHV-Systems an einem Fahrzeug nach dem Ausführungsbeispiel. Obwohl ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) als ein Beispiel für ein Fahrzeug in der nachfolgenden Beschreibung zitiert ist, kann das Ausführungsbeispiel auch auf elektrische Fahrzeuge und dergleichen angewendet werden. Das Ausführungsbeispiel kann auch nicht nur auf verschiedene Fahrzeuge (zum Beispiel Schiffe, Flugzeuge, Roboter und dergleichen) angewendet werden, sondern auch für tragbare Brennstoffzellensysteme.
A-1. Gesamtsystemskonfiguration
Ein FCHV-System 100 ist mit einem FC-Wandler 2500 zwischen einer Brennstoffzelle 110 und einem Wechselrichter 140 vorgesehen und ist auch mit einem DC-Wandler (nachfolgend als ein ”Batteriewandler” bezeichnet) 180 zwischen einer Batterie 120 und dem Wechselrichter 140 versehen.
Die Brennstoffzelle 110 ist ein Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, der aus einer Mehrzahl von Einheits- bzw. Elementarzellen, die in Reihe geschaltet sind, gebildet ist. Ein Spannungssensor V0 zum Erfassen einer Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 und ein Stromsensor I0 zum Erfassen eines Ausgangsstroms Ifcmes sind an der Brennstoffzelle 110 angebracht. In der Brennstoffzelle 110 tritt eine Oxidationsreaktion an einer Anode in Übereinstimmung mit der Gleichung (1) auf und tritt eine Reduktionsreaktion an einer Katode in Übereinstimmung mit der Gleichung (2) auf; eine elektromotorische Reaktion tritt deshalb in der gesamten Brennstoffzelle 110 in Übereinstimmung mit der Gleichung (3) auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Eine Elementarzelle hat eine Struktur, in welcher eine Elektrode-Membran-Anordnung (Membrane Electrode Assembly – MEA), welche aus einer Polymerelektrolytmembran oder dergleichen gebildet ist, die zwischen einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode eingebettet ist, weiterhin zwischen Separatoren zum Zuführen eines Brennstoffgases und eines Oxidationsgases eingebettet ist. Die Anode ist aus einer Anodenkatalysatorschicht gebildet, welche auf einer porösen Tragschicht vorgesehen ist, und die Katode ist aus einer Katodenkatalysatorschicht gebildet, welche auf einer porösen Tragschicht gebildet ist.
Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem Zuführsystem für Brennstoffgas für die Anode, einem Zuführsystem für Oxidationsgas für die Katode und einem Zuführsystem für Kühlflüssigkeit (alle nicht gezeigt) versehen und kann eine gewünschte elektrische Leistung durch Steuern der Zuführmenge des Brennstoffgases und des Oxidationsgases in Reaktion auf ein Steuersignal von einer Steuerung 160 erzeugen.
Der FC-Wandler 2500 ist für eine Steuerung der Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 verantwortlich und ist ein Zweiwegespannungswandler, der die Ausgangsspannung Vfcmes, die an einer Primärseite (Eingangsseite: Seite der Brennstoffzelle 110) erhalten wird, in eine Spannung wandelt (erhöht oder reduziert), die einen zu der Primärseite abweichenden Wert hat, um sie an die Sekundärseite (Ausgangsseite: Seite des Wechselrichters 140) abzugeben, oder umgekehrt eine Spannung, die an der Sekundärseite erhalten wird, in eine Spannung wandelt, die einen von der Sekundärseite abweichenden Wert aufweist, um sie an die Primärseite abzugeben. Der FC-Wandler 2500 wird zum Steuern der Ausgangsspannung Vfcmes der Brennstoffzelle 110 verwendet, so dass die Spannung einer Zielspannung entspricht.
Die Batterie 120 ist relativ zu einer Last 130 parallel zu der Brennstoffzelle 110 geschaltet und dient als ein Speicher für eine elektrische Überschussenergie, ein Speicher für regenerative Energie während eines regenerativen Bremsens und ein Energiepuffer während einer Lastschwankung in Verbindung mit einem Beschleunigen oder einem Verzögern des Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Batterie 120, welche verwendet werden kann, schließt einen Akkumulator bzw. einen Sekundärbatterie, wie beispielsweise eine Nickel-Kadmium-Batterie, eine Nickel-Wasserstoff-Batterie und einen Lithium-Akkumulator ein.
Der Batteriewandler 180 ist für eine Steuerung einer Eingangsspannung für den Wechselrichter 140 verantwortlich und hat eine Schaltkreisanordnung zum Beispiel ähnlich zu dem FC-Wandler 2500. Ein Verstärkungswandler kann als der Batteriewandler 180 verwendet werden oder stattdessen kann ein Auf-Abwärts-Wandler verwendet werden, der geeignet ist, eine Spannung zu erhöhen und zu reduzieren, und es kann jede Schaltung, welche eine Steuerung einer Eingangsspannung zu dem Wechselrichter 140 ermöglicht, verwendet werden.
Der Wechselrichter 140 ist zum Beispiel ein Pulsweitenmodulations-(PWM-)Wechselrichter, der in einer Pulsweitenmodulation verwendet wird, und spricht auf einen Steuerbefehl der Steuerung 160 an, um eine Gleichspannungsleistungsabgabe von der Brennstoffzelle 110 oder der Batterie 120 in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung zu wandeln, um das Antriebsmoment eines Antriebsmotors 131 zu steuern.
Der Antriebsmotor 131 liefert eine Hauptantriebsleistung für das Fahrzeug und erzeugt auch eine regenerative Leistung während einer Verzögerung. Ein Differenzial 132 ist ein Verzögerer und verzögert die Hochgeschwindigkeitsrotation des Antriebsmotors 131 auf eine vorbestimmte Zahl von Umdrehungen und dreht eine Welle, welche mit Reifen 133 versehen ist. Die Welle ist mit einem Radgeschwindigkeitssensor (nicht gezeigt) oder dergleichen zum Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrzeuges versehen. In diesem Ausführungsbeispiel werden alle Ausrüstungsgegenstände (einschließlich des Antriebsmotors 131 und des Differenzials 132), welche mit einer Leistung, die von der Brennstoffzelle 110 zugeführt wird, betreibbar sind, gemeinsam als eine Last 130 bezeichnet.
Die Steuerung 160 ist ein Computersystem zum Steuern des FCHV-Systems 100 und schließt zum Beispiel eine CPU, ein RAM und ein ROM ein. Die Steuerung 160 ermittelt eine erforderliche Leistung für die Last 130 (d. h. eine erforderliche Leistung des gesamten Systems) mit verschiedenen Signaleingängen (zum Beispiel ein Signal, welches die Position einer Drossel anzeigt, ein Signal, welches die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, und ein Signal, welches den Ausgangsstrom oder die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle 110 anzeigt), welche von den Sensoren 170 geliefert werden.
Die erforderliche Leistung für die Last 130 ist zum Beispiel eine Summe der Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs und der Leistung für Hilfsmaschinen. Die Leistung für Hilfsmaschinen umfasst eine Leistung, die durch bordseitige Maschinen (wie beispielsweise einen Befeuchter, einen Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe und eine Kühlwasserzirkulationspumpe) verbraucht wird, eine Leistung, welche durch Einrichtungen verbraucht wird, welche zum Antreiben des Fahrzeuges erforderlich sind (wie beispielsweise eine Transmission bzw. ein Getriebe, eine Radsteuereinrichtung, eine Lenkeinrichtung und eine Aufhängung), eine Leistung, welche durch Einrichtungen verbraucht wird, welche in einem Passagierraum angeordnet sind (wie beispielsweise eine Klimaanlage, eine Lichtausrüstung und ein Audiosystem) und der gleichen.
Die Steuerung (Steuervorrichtung für einen Mehrphasenwandler für die Steuerung einer Brennstoffzellenausgangsleistung) 160 ermittelt einen Anteil einer Ausgangsleistung zwischen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 und berechnet einen Führungwert für eine Leistungserzeugung. Die Steuerung 160 ermittelt eine erforderliche Leistung sowohl für die Brennstoffzelle 110 als auch für die Batterie 120 und steuert dann den Betrieb des FC-Wandlers 2500 und des Batteriewandlers 180, um die erforderliche Leistung zu erzielen.
A-2. FC-Wandlerkonfiguration
Wie in 1 gezeigt, ist der FC-Wandler 2500 mit einer Schaltkreisanordnung als ein Dreiphasenresonanzwandler versehen, der aus einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase zusammengesetzt ist. In der Schaltkreisanordnung des Dreiphasenresonanzwandlers sind ein Schaltkreisabschnitt, welcher einem Wechselrichter ähnlich ist, welcher einmal eine zugeführte Gleichspannung zu einer Wechselspannung verwandelt, und ein Abschnitt, welcher die Wechselspannung in eine andere Gleichspannung gleichrichtet und wandelt, kombiniert. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein welch schaltender Mehrphasenwandler (nachfolgend als ein weich schaltender Mehrphasen-FC-Wandler bezeichnet), der mit einer Freilaufschaltung versehen ist (die Details werden später beschrieben) als der FC-Wandler 2500 verwendet.
A-2-1. Beschreibung eines weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandlers
2 ist ein Diagramm, welches eine Schaltkreisanordnung eines weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandlers 2500 zeigt, der an einem FCHV-System 100 montiert ist, und 3 ist ein Diagramm, welches eine Phase einer Schaltkreisanordnung des weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandlers 2500 zeigt.
In der folgenden Beschreibung wird jeder von einem welch schaltenden U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen-FC-Wandler, die den weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandler 2500 bilden, jeweils als weich schaltender FC Wandler 250a, 250b und 250c bezeichnet und, falls keine Unterscheidung erforderlich ist, werden sie einfach der weich schaltende FC-Wandler 250 genannt. Ferner wird eine nicht erhöhte Spannung, die dem welch schaltenden FC-Wandler 250 zugeführt wird, als Wandlereingangsspannung Vin bezeichnet und eine erhöhte Spannung, welche von dem welch schaltenden FC-Wandler 250 abgegeben wird, wird als eine Wandlerausgangsspannung Vout bezeichnet.
Wie in 3 gezeigt, schließt jeder weich schaltende FC-Wandler 250 einen Haupterhöhungsschaltkreis 22a für einen Aufwärtsbetrieb, einen Hilfsschaltkreis 22b für einen welch schaltenden Betrieb und einen Freilaufschaltkreis 22c ein.
Der Haupterhöhungsschaltkreis 22a erhöht eine Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle 110 durch Abgabe von Energie, die in einer Spule L1 gespeichert ist, an eine Last 130 durch eine Diode D5 mittels eines Schaltungsschaltkreises, welcher aus einem ersten Schaltungselement S1 bestehend aus einem IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder dergleichen und einer Diode D4, welche Schaltoperationen ausführt, gebildet ist.
Genauer ist ein Ende der Spule L1 mit einer Klemme an einer Hochpotenzialseite der Brennstoffzelle 110 verbunden, ein Endknoten des ersten Schaltelements S1 ist mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden und der andere Endknoten des ersten Schaltelements S1 ist mit einer Klemme an einer Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle 110 verbunden. Auch ist eine Katodenklemme der Diode D5 mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden und ein Kondensator C3, welcher als Glättungskondensator dient, ist zwischen einer Anodenklemme der Diode D5 und dem anderen Ende des ersten Schaltelements S1 geschaltet. In dem Haupterhöhungsschaltkreis 22a ist ein Filter/Kondensator C1 an der Seite der Brennstoffzelle 110 vorgesehen und dadurch können Oberwellen in einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 110 reduziert werden.
Die Spannung VH, die an den Kondensator C3 angelegt wird, ist eine Wandlerausgangsspannung Vout des weich schaltenden FC-Wandlers 250 und eine Spannung VL, die an den Filter/Kondensator C1 angelegt wird, ist eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 und ist ebenfalls eine Wandlereingangsspannung Vin zu dem welch schaltenden FC-Wandler 250.
Der Hilfsschaltkreis 22b schließt einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt umfassend eine Diode D3 und einen Dämpfungskondensator C2, der in Reihe zu der Diode D3 geschaltet ist, ein, wobei der erste in Reihe geschaltete Abschnitt parallel zu dem ersten Schaltelement S1 geschaltet ist. In dem ersten in Reihe geschalteten Abschnitt ist eine Katodenklemme der Diode D3 mit dem anderen Ende der Spule L1 verbunden und eine Anodenklemme der Diode D3 ist mit einem Ende des Dämpfungskondensators C2 verbunden. Weiterhin ist das andere Ende des Dämpfungskondensators C2 mit einer Klemme an der Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle 110 verbunden.
Darüber hinaus schließt der Hilfsschaltkreis 22b einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt ein, der aus einer Diode D2, einem zweiten Schaltelement S2 und einer Diode D1 sowie einer für alle Phasen gemeinsamen Hilfsspule L2 besteht. Es ist nicht erforderlich zu sagen, dass diese Spule L2 in jeder Phase anstelle einer gemeinsamen Hilfsspule L2 vorgesehen sein kann.
In dem zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt ist eine Anodenklemme der Diode D2 mit einem Verbindungsknoten der Diode D3 und des Dämpfungskondensators C2 in dem ersten in Reihe geschalteten Abschnitt verbunden. Weiterhin ist eine Katodenklemme der Diode D2 mit einem Verbindungsknoten des zweiten Schaltelements (Hilfsschalter) S2 verbunden. Der andere Knoten des zweiten Schaltelements S2 ist mit einem Verbindungsknoten der Hilfsspule L2 und dem Freilaufschaltkreis 22c verbunden. Eine Anodenklemme der Freilaufdiode D6 ist mit der Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle 110 verbunden, während eine Katodenklemme der Freilaufdiode D6 mit der Hilfsspule L2 verbunden ist. Dieser Freilaufschaltkreis 22c ist mit einer für alle Phasen gemeinsamen Freilaufdiode D6 versehen und ist ein Schaltkreis, welcher eine Fail-Saue-Funktion realisiert, die vorgesehen ist, um ein Erzeugen einer Stoßspannung, welche das zweite Schaltelement S2 zerstören kann, sogar in einem Fall eines offenen Fehlers des zweiten Schaltelements S2 während einer Spaltung der Hilfsspule L2 zu verhindern. Die vorliegende Erfindung kann auf eine Konfiguration angewendet werden, welche nicht mit einem Freilaufschaltkreis 22c versehen ist.
In dem so konfigurierten weich schaltenden FC-Wandler 250 ist ein weich schaltender FC-Einsatz durch Einstellen des Schaltbetriebsverhältnisses des ersten Schaltelements S1 in jeder Phase durch die Steuerung 160 realisiert.
4 ist ein Diagramm, welches exemplarisch ein Wirkungsgradkennfeld MP1 zeigt, welches das Verhältnis von Eingangsleistung und Energiewandlungswirkungsgrad in Einphasenbetrieb, im Zweiphasenbetrieb und im Dreiphasenbetrieb des FC-Wandlers 2500 zeigt. In 4 sind jeweils Wirkungsgradkurven im Falle des Einphasenbetriebs, des Zweiphasenbetriebs und des Dreiphasenbetriebs durch C1 bis C3 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel, in welchem der Einphasenbetrieb durch Verwenden der U-Phase durchgeführt wird, der Zweiphasenbetrieb durch die U-Phase und die V-Phase durchgeführt wird und der Dreiphasenbetrieb durch Verwenden der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase durchgeführt wird, beschrieben, jedoch kann in geeigneter Weise eingestellt/geändert werden, welche Phase für den Einphasenbetrieb, den Zweiphasenbetrieb und den Dreiphasenbetrieb zu verwenden ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Zahl der Steuerphasen so geschaltet, dass der Leistungswandlungswirkungsgrad zu jeder Zeit der Höchste wird. Genauer wird der Einphasenbetrieb von einer Eingangsleistung 0 bis P1, wie in 4 gezeigt, durchgeführt, der Zweiphasenbetrieb wird von einer Eingangsleistung P1 bis P2 durchgeführt und der Dreiphasenbetrieb wird durchgeführt, wenn die Eingangsleistung P2 überschreitet. Durch Steuern des FC-Wandlers 2500 wie oben dargestellt kann der FC-Wandler 2500 in einem Stadium betrieben werden, in welchem der Leistungswandlungswirkungsgrad zu jeder Zeit der Beste ist.
Nachfolgend wird ein weich schaltender Vorgang durch den weich schaltenden FC-Wandler 250 unter Bezugnahme auf die 5 bis 11 beschrieben. 5 ist ein Flussdiagramm, welches eine Ablaufsteuerung eines Arbeitsablaufs des weich schaltenden FC-Wandlers 250 durch einen welch schaltenden Vorgang (nachfolgend als weich schaltende Verarbeitung bezeichnet) dargestellt und einen Arbeitsablauf durch die Steuerung 160 bildet, welche nacheinander Schritte S101 bis S106 ausführt, die in 5 gezeigt sind. In der folgenden Beschreibung werden Modi, welche Stadien eines Stroms und einer Spannung des weich schaltenden FC-Wandlers 250 ausdrücken, jeweils als ein Modus 1 bis ein Modus 6 ausgedrückt und die Stadien sind in den 6 bis 11 gezeigt. Auch sind Ströme, die durch den Schaltkreis fließen, durch Pfeile in den 6 bis 11 angegeben.
<weich schaltender Vorgang>
Als erstes ist ein Grundzustand, in welchem der weich schaltende Arbeitsablauf, der in 5 gezeigt ist, ausgeführt wird, ein Stadium, in welchem Leistung, die für eine Last 130 erforderlich ist, von der Brennstoffzelle 110 zugeführt wird, nämlich ein Stadium, in welchem das erste Schaltelement S1 und das zweite Schaltelement S2 beide ausgeschaltet sind, wobei ein Strom zu der Last 130 durch die Spule L1 und die Diode D5 zugeführt wird.
(Modus 1; siehe Fig. 6)
Bei Schritt S101 bleibt das erste Schaltelement S1 ausgeschaltet, während das zweite Schaltelement S2 angeschaltet wird. Durch Ausführen eines solchen Schaltvorgangs fließt aufgrund eines Potenzialunterschiedes zwischen der Ausgangsspannung VH und der Eingangsspannung VL des weich schaltenden FC-Wandlers 250 ein Strom, welcher zu der Seite der Last 130 floss, allmählich zu der Seite des Hilfsschaltkreises 22b durch die Spule L1, die Diode D3, das zweite Schaltelement S2 und der Hilfsspule L2. In 6 ist das Stadium des Überganges des Stroms von der Seite der Last 130 zur der Seite des Hilfsschaltkreises 22b durch einen eingerahmten Pfeil dargestellt.
Auch wird durch Anschalten des zweiten Schaltelements S2 eine Zirkulation von Strom in die Richtung eines Pfeils Dm11, welcher in 6 gezeigt ist, erzeugt. Eine Stromwechselrate des zweiten Schaltelements S2 erhöht sich in Übereinstimmung mit einer Spannung an beiden Enden (VH – VL) der Hilfsspule L2 und einem induktiven Blindwiderstand der Hilfsspule L2, jedoch, da der Strom, der zum zweiten Schaltelement S2 fließt, durch die Spule L2 unterdrückt ist, wird in der Folge ein weiches Aus-/Abschalten des Stromes, der zur der Seite der Last 130 durch die Diode D5 fließt (siehe ein Pfeil Dm12, der in 6 gezeigt ist) realisiert.
Die Übergangsabschlusszeit tmode1 von dem Modus 1 zu dem Modus 2 wird durch die folgende Gleichung (4) ausgedrückt: tmode1 = max(Ip – ΔI / 2,0) × L2id / (VH –VL) (4) Ip: Phasenstrom
L2id: induktiver Blindwiderstand der Hilfsspule L2.
(Modus 2: siehe Fig. 7)
Wenn die obige Übergangssabschlusszeit abgelaufen ist und die Routine zu S102 schreitet, fällt der Strom, der durch die Diode D5 fließt, auf Null, der Strom fließt auf die Seite des Hilfsschaltkreises 22b durch die Spule L1 und die Diode D2 (siehe ein Pfeil Dm21, der in 7 gezeigt ist) und aufgrund des Potenzialunterschiedes zwischen dem Dämpfungskondensator C2 und der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 fließt stattdessen Ladung, die in den Dämpfungskondensator C2 geladen wurde, zu der Seite des Hilfsschaltkreises 22b (siebe ein Pfeil Dm22, der in 7 gezeigt ist). In Übereinstimmung mit der Kapazität dieses Dämpfungskondensators C2 wird die Spannung, die an das erste Schaltelement S1 angelegt wird, ermittelt.
13 ist ein Diagramm, welches ein Verhalten der Spannung/des Stroms in dem Übergangsvorgang von dem Modus 2 zu dem Modus 3 darstellt, in welchem die Spannung der Brennstoffzelle 110 durch eine fette durchgezogene Linie, die Spannung des Dämpfungskondensator C2 durch eine dünne durchgezogene Linie und der Strom des Dämpfungskondensator C2 durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist.
Nachdem eine Energiebeaufschlagung des Pfades bei dem Dm21, der in 7 gezeigt ist, begonnen wird (siehe A in 13), wird aufgrund des Potenzialunterschiedes zwischen der Spannung VH des Dämpfungskondensators C2 unter der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 eine Energiebeaufschlagung des Pfades bei dem Dm22, der in 7 gezeigt ist, nämlich eine Energiebeaufschlagung der Hilfsspule L2, begonnen (siehe B in 13). Wie in 13 gezeigt, steigt der Strom in dem Dämpfungskondensator C2 weiter an, bis die Spannung des Dämpfungskondensators C2 die Spannung VL der Brennstoffzelle 110 erreicht. Im Detail, aufgrund des Potenzialunterschiedes zwischen der Spannung VH des Dämpfungskondensators C2 und der Spannung VL der Brennstoffzelle 110 beginnt Ladung, die in dem Dämpfungskondensator C2 angesammelt wurde, zu der Seite der Leistungszuführung (der Pfeil Dm22, in 7 gezeigt) rückzukoppeln, jedoch, da die ursprüngliche Potenzialdifferenz (VH – VL) ist, sollte das Fließen der Ladung, die in dem Dämpfungskondensator C2 angesammelt wurde (Entladung) beendet worden sein, wenn sie die Leistungszuführspannung (nämlich die Spannung VL der Brennstoffzelle 110) erreicht (Zeitpunkt Tt1, in 13), aufgrund der Charakteristik der Hilfsspule L2 jedoch (nämlich der Charakteristik, dem Strom kontinuierlich zu erlauben zu fließen), fließt die Ladung sogar dann weiter, falls die Spannung des Dämpfungskondensators C2 auf VL oder tiefer fällt (siehe C in 13). Falls die folgende Gleichung (4)' an diesem Zeitpunkt wahr ist, fließen alle Ladungen des Dämpfungskondensators C2 (werden entladen). 1 / 2L·I² > 1 / 2C·V² (4)' linke Seite: Energie, die in der Hilfsspule L2 angesammelt ist
rechte Seite: Energie, die in dem Dämpfungskondensator C2 bleibt
Falls die Ladungen, die in dem Dämpfungskondensator C2 angesammelt wurden, abgeflossen sind, wird ein Freilaufvorgang in dem Pfad von einem Dm23, der in 7 gezeigt ist, durchgeführt und eine Energiebeaufschlagung wird fortgesetzt (siehe D in 13). Folglich wird alle Energie, welche in der Hilfsspule L2 angesammelt wurde, abgegeben. Da die Anode der Diode D2 mit einer Seite der Hilfsspule L2 verbunden ist, stoppt LC-Resonanz bei halben Wellen. Deshalb hält der Dämpfungskondensator C2 nach dem Entladen 0 V.
Die Übergangsabschlusszeit tmode2 von dem Modus 2 zu dem Modus 3 wird durch die folgende Gleichung (5) ausgedrückt: tmode2 = tmode2' + tmode2'' (5) tmode2' = π√L2id·C2d (5)' tmode2'' = max(Ip – ΔI / 2,0) × L2id / VL (5)'' C2d: Kapazität des Kondensators C2
(Modus 3: siehe Fig. 8)
Wenn der Vorgang, in welchem der Strom durch den Pfad von Dm22, der in 7 gezeigt ist, fließt, beendet ist und die Ladungen des Dämpfungskondensators C2 komplett abgeflossen sind oder die Spannung auf die Minimalspannung (MIN-Spannung) fällt, wird das erste Schaltelement S1 angeschaltet und die Routine schreitet zu Schritt S103. In einem Stadium, in welchem die Spannung des Dämpfungskondensators C2 Null ist, ist die Spannung, welche an dem ersten Schaltelement S1 angelegt wird, auch Null und ein spannungsloses Schalten (Zero Voltage Switching – ZVS) wird realisiert. In einem solchen Stadium ist der Strom I11, der durch die Spule L1 fließt, die Summe eines Stromes Idm31, welcher durch die Seite der Hilfsschaltung 22b fließt, gezeigt durch einen Pfeil Dm31, und eines Stroms Idm32, der durch das erste Schaltelement S1 fließt, gezeigt durch einen Pfeil Dm32 (siehe die folgende Gleichung (6)). If1 = Idm31 + Idm32 (6)
Der Strom Idm31, welcher durch das erste Schaltelement S1 fließt, wird in Übereinstimmung mit der abnehmenden Rate des Stroms Idm31, der an der Seite der Hilfsschaltung 22b fließt, ermittelt. Die Stromänderungsraten des Stroms Idm31, der an der Seite der Hilfsschaltung 22b fließt, wird durch die folgende Gleichung (7) ausgedrückt, das bedeutet, da der Strom Idm31, der an der Seite der Hilfsschaltung 22b fließt, mit einer Änderungsrate der folgenden Gleichung (7) abnimmt, steigt der Strom, der durch das erste Schaltelement S1 fließt, sogar falls das erste Schaltelement S1 angeschaltet wird, nicht plötzlich an, sondern ein stromloses Schalten (Zero Current Switching – ZCS) wird realisiert. di / dt = –VL / L2 (7)
(Modus 4: siehe Fig. 9)
Da das Stadium bei Schritt S103 andauert, erhöht sich dann bei Schritt S104 eine Strommenge, welche in die Spule L1 fließt, um Energie, die in der Spule L1 angesammelt wurde, allmählich zu erhöhen (siehe einen Pfeil Dm42 in 9). Da die Diode D2 in dem Hilfsschaltkreis 22b vorhanden ist, fließt ein Rückstrom nicht zu der Hilfsspule L2 und der Dämpfungskondensator C2 wird nicht durch das zweite Schaltelement S2 geladen. Da das erste Schaltelement S1 zu diesem Zeitpunkt angeschaltet ist, wird der Dämpfungskondensator C2 auch nicht durch die Diode D3 geladen. Deshalb ist der Strom der Spule L1 = der Strom des ersten Schaltelement S1 realisiert und eine Energieansammlung in der Spule L1 wird allmählich erhöht. Eine Anschaltzeit Ts1 des ersten Schaltelements S1 wird näherungsweise durch die folgende Gleichung (8) ausgedrückt: Ts1 = (1 – VL/VH)·Tcon (8) Tcon: Steuerablauf
Der Steuerablauf bezieht sich auf eine Zeitdauer der weich schaltenden Ablaufsteuerung, wenn eine Serie einer Ablaufsteuerung von S101 zu Schritt S106 als ein Ablauf angenommen wird.
(Modus 5: siehe Fig. 10)
Wenn eine gewünschte Energie in der Spule L1 bei Schritt S104 angesammelt wurde, wird das erste Schaltelement S1 abgeschaltet und ein Strom fließt durch einen Pfad, der durch einen Pfeil Dm51 in 10 gezeigt ist. 12 ist ein Diagramm, welches exemplarisch ein Verhältnis zwischen der Spannung des Dämpfungskondensators C2 (nachfolgend als Dämpfungskondensatorspannung bezeichnet) Vc, einer Spannung, die an dem ersten Schaltelement S1 anliegt (nachfolgend als Elementspannung bezeichnet), Ve und einem durch das erste Schaltelement S1 fließenden Strom (nachfolgend als Elementstrom bezeichnet), Ie in dem Modus 5 zeigt. Durch den oben beschriebenen Schaltvorgang wird der Dämpfungskondensator C2, welcher in dem Modus 2 entladen und in ein Niederspannungsstadium gebracht wurde, geladen, wodurch die Dämpfungskondensatorspannung Vc auf die Wandlerausgangsspannung VH des weich schaltenden FC-Wandlers 250 steigt. Zu dieser Zeit wird die Anstiegsgeschwindigkeit der Elementspannung Ve durch Laden des Dämpfungskondensators C2 unterdrückt (nämlich wird das Steigen der Elementspannung gedämpft) und der spannungslose Schaltvorgang (Zero Voltage Switching Operation – ZVS operation) zum Reduzieren von Schaltverlust in einer Region, wo ein Schwanzstrom in dem Elementstrom Ie vorhanden ist (siehe α in 12), kann ausgeführt werden.
(Modus 6: siehe Fig. 11)
Wenn der Dämpfungskondensator C2 bis zur Spannung VH geladen ist, wird die Energie, die in der Spule L1 angesammelt wurde, zu der Seite der Last 130 abgegeben (siehe ein Pfeil Dm61, der in 11 gezeigt ist). Eine Ausschaltzeit Ts2 des ersten Schaltelements S1 wird näherungsweise durch die folgende Gleichung (9) ausgedrückt: Ts2 = (VL/VH)·Tcon (9)
Durch Ausführen der oben beschriebenen weich schaltenden Ablaufsteuerung wird ein Schaltverlust des weich schaltenden FC-Wandlers 250 so weit wie möglich unterdrückt, während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 auf eine gewünschte Spannung erhöht wird und der Last 130 zugeführt werden kann.
14 ist ein Diagramm, welches exemplarisch Energiebeaufschlagungsmuster für jeden Modus des weich schaltenden FC Wanderers 250 zeigt, in welchem ein Strom, der durch die Spule L1 fließt, durch eine fette durchgezogene Linie dargestellt ist und ein Strom, der durch die Hilfsspule L2 fließt, durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist.
Wie in 14 gezeigt wird, falls das zweite Schaltelement angeschaltet wird, die Hilfsschaltung 22b betrieben und ein Strom fließt durch die Hilfsspule L2 (siehe Modus 1 und Modus 2, die in 14 gezeigt sind). In dem weich schaltenden FC-Wandler 250 interferiert in jeder Phase der Betrieb des Hilfsschaltkreises in jeder Phase miteinander, falls eine Zeit, wenn Strom durch die Hilfsspule L2 fließt (nachfolgend als eine Hilfsschaltungsbetriebszeit bezeichnen), Tso überlappt ist, und ein Strom Iu nicht kleiner als der maximal zulässige Strom Imax (nämlich ein Strom nicht kleiner als zwei Phasen) fließt durch die Hilfsspule L2, wobei die induktiven Blindwiderstandscharakteristiken der Hilfsspule L2 nachlassen.
Um das obige Problem zu lösen, wird eine Steuerung ausgeführt, so dass eine Abweichung von einem Tastverhältnis bzw. Betriebszeitverhältnis, welches für das zweite Schaltelement S2 in jeder Phase eingestellt wird, nicht einen zulässigen Wert der Betriebszeitabweichung Dth übersteigt, welcher durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt wird: Dth = (Tsc/n – Tso) / Tsc = 1/n – Tso·f (10) f: Steuerfrequenz von Schaltelement S2
Tsc: eine Zyklusperiode (= 1/f)
n: Zahl der Steuerphasen
Diese Hilfsschaltkreisbetriebszeit Tso wird durch die folgende Gleichung (11) ausgedrückt: Tso = tmode1 + tmode2 = max(Ip – ΔI / 2,0) × L2id / (VH – VL) + π√L2d·C2d + max(Ip – ΔI / 2,0) × L2id / VL (11)
In diesem Ausführungsbeispiel wird eine Steuerung ausgeführt, so dass die Betriebszeitabweichung zwischen den Phasen nicht den zulässigen Wert der Betriebszeitabweichung Dth übersteigt, der durch die Gleichung (10) erhalten wird. Noch genauer wird eine Steuerung ausgeführt, so dass ein Betriebszeitverhältnis D(u) der U-Phase, ein Betriebszeitverhältnis D(v) der V-Phase und ein Betriebszeitverhältnis D(w) der W-Phase die folgenden Gleichungen (12) bis (14) erfüllen: D(v) – D(u) < Dth (12) D(w) – D(v) < Dth (13) D(u) – D(w) < Dth (14)
<Verfahren zum Reduzieren von Oberwellenstrom>
15 ist ein funktionales Blockdiagramm zum Realisieren einer Funktion zum Reduzieren von Oberwellenströmen.
Die Steuerung 160 schließt einen Steuerphasenzahlschaltabschnitt 10a, einen Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b, einen Steuerfrequenzeinstellabschnitt 10c und einen Steuerpulserzeugungsabschnitt 10d ein.
Der Steuerphasenzahlschaltabschnitt (Erfassungsmittel) 10a bezieht sich auf die Eingangsleistung in den FC-Wandler 2500, welche von der FC-Anforderungsleistung und einem Wirkungsgradkennfeld MP1, welches in einem Speicher oder dergleichen im Voraus gespeichert ist, erhalten wird, und führt eine Steuerung einer Schaltung der Steuerphase aus. Zum Beispiel, falls die FC-Anforderungsleistung rapide durch Treten auf ein Beschleunigerpedal oder dergleichen erhöht wird und ermittelt wird, dass ein Schalten in der Steuerphasenzahl aus Sicht eines Leistungswandlungswirkungsgrads erforderlich ist (zum Beispiel Einphasenbetrieb → Mehrphasenbetrieb), schaltet der Steuerphasenzahlschaltabschnitt 10a die Steuerphasenzahl (zum Beispiel U-Phase → U-Phase + V-Phase) auf der Basis dieses Ermittlungsergebnisses. Ferner, wenn der Steuerphasenzahlschaltabschnitt 10a die Steuerphasenzahl schaltet, unterrichtet er den Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b und den Steuerfrequenzeinstellabschnitt 10c über die Schaltung der Steuerphasenzahl (einschließlich des Schaltungsinhalts der Steuerphasenzahl).
Der Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b stellt eine Phasenverschiebebetrag des Betriebs des Schaltelements S1 in jeder Phase ein, so dass Oberwellenströme auf der Basis der Mitteilung von dem Steuerphasenzahlschaltabschnitt 10a reduziert werden. Genauer wird der Phasenverschiebebetrag auf 180° in einem Fall des Zweiphasenbetriebs und auf 120° im Fall eines Dreiphasenbetriebs eingestellt und dieses wird dem Steuerpulserzeugungsabschnitt 10d mitgeteilt. Wie oben beschrieben, wird in einem Fall des Mehrphasenbetriebs der Betrieb des Schaltelements S1 in jeder Phase durch Schalten der Phase gesteuert, um Oberwellenströme aufzuheben, wobei die zulässige Kapazität des Kondensators gegenüber vorher reduziert werden kann.
Jedoch besteht, wie in den zu lösenden Problemen beschrieben, nur durch Betreiben des DC-Wandlers durch Verschieben der Phase eine Begrenzung der Reduzierung der zulässigen Kapazität des Kondensators und die jüngste Anforderung für eine weitere Größenreduzierung des Kondensators kann nicht vollständig erfüllt werden. Deshalb wird in diesem Ausführungsbeispiel der Steuerfrequenzeinstellabschnitt 10c vorgesehen und einer Schaltfrequenz wird in Übereinstimmung mit der Steuerphasenzahl geschaltet.
Der Steuerfrequenzeinstellabschnitt (Steuerfrequenz-Steuermittel) 10c stellt die Schaltfrequenz des Schaltelements S1 auf der Basis der Mitteilung von dem Steuerphasenzahlschaltabschnitt 10a ein. Wie in der folgenden Gleichungen (15) gezeigt, ist der Oberwellenstrom ΔI, der durch einen Spannungssensor 10 erfasst wird, proportional zu der Eingangsspannung Vin in den FC-Wandler 2500 und dem Betriebszeitverhältnis D und umgekehrt proportional zu der Schaltfrequenz f und dem induktiven Blindwiderstand L der Spule (nachfolgend wie geeignet als Drosselspule bezeichnet) L1. ΔI = Vin·D / L·f (15)
Wie in Gleichung 15 gezeigt, kann theoretisch der Oberwellenstrom ΔI umso kleiner gemacht werden, je höher die Schaltfrequenz f eingestellt ist, und vom Standpunkt einer Reduzierung des Oberwellenstromes wird die Schaltfrequenz vorzugsweise zu jeder Zeit hoch eingestellt. Jedoch wird, falls die Schaltfrequenz hoch eingestellt wird, der Schaltverlust um diesen Teil erhöht. Deshalb ist es vom Standpunkt des Schaltverlustes erwünscht, dass ein Einstellen der hohen Schaltfrequenz f so weit wie möglich unterdrückt wird. 16 ist ein Diagramm, welches einen Oberwellenstrom ΔIsi in dem Einphasenbetrieb (durchgezogene Linie) und einen Oberwellenstrom ΔImu in dem Mehrphasenbetrieb (unterbrochene Linie) vergleicht. Wie in 16 gezeigt, ist der Oberwellenstrom ΔIsi in dem Einphasenbetrieb größer als der Oberwellenstrom ΔImu in dem Mehrphasenbetrieb (Dreiphasenbetrieb ist in 16 angenommen). Wie oben beschrieben, werden da der Oberwellenstrom ΔIsi in dem Einphasenbetrieb größer ist, sowohl der Oberwellenstrom als auch der Schaltverlust in diesem Ausführungsbeispiel in Betracht gezogen und die Schaltfrequenz f1 wird nur für den Einphasenbetrieb hoch eingestellt. Wie oben beschrieben, wird durch Reduzieren des Oberwellenstroms ΔIsi in dem Einphasenbetrieb, in welchem der Oberwellenstrom der größte ist, die zulässige Kapazität des Filters/Kondensator C1 klein gemacht und die Größe des Filters/Kondensators C1 kann schließlich gegenüber vorher reduziert werden.
Im größeren Detail, im Speicher M1 des Steuerfrequenzeinstellabschnitts 10c werden die Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb und die Schaltfrequenz f2 (< f1) für den Mehrhasenbetrieb gespeichert (siehe 15). In dem Fall des Einphasenbetriebs des FC-Wandlers 2500 (zum Beispiel nur die U-Phase), liest der Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b die Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb aus dem Speicher M1 aus und gibt sie an den Steuerpulserzeugungsabschnitt 10d aus, während in dem Fall des Mehrphasenbetriebs des FC-Wandlers 2500 (zum Beispiel U-Phase + V-Phase oder U-Phase + V-Phase + W-Phase), der Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b die Schaltfrequenz f2 für den Mehrphasenbetrieb von dem Speicher M1 ausließt und sie an den Steuerpulserzeugungsabschnitt 10d ausgibt.
Die Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb und die Schaltfrequenz f2 für den Mehrphasenbetrieb, die in dem Speicher M1 gespeichert sind, können eingestellt werden, indem der Oberwellenstrom ΔI, der durch ein Experiment oder dergleichen im Voraus erhalten wurde, oder der Schaltverlust in Betracht gezogen werden. Auch wie viel die Schaltfrequenz für den Einphasenbetrieb höher als die Schaltfrequenz für den Mehrphasenbetrieb eingestellt wird, kann eingestellt werden, indem der Oberwellenstrom ΔI, der durch ein Experiment oder dergleichen im Voraus erhalten wurde, und der Schaltverlust in Betracht gezogen wird, und darüber hinaus kann jede Schaltfrequenz auf einen optimalen Wert auf der Basis eines Erfassungsergebnisses eines zurückgemeldeten Oberwellenstroms ΔI oder des Schaltverlustes eingestellt werden.
Der Steuerpulserzeugungsabschnitt 10d steuert den An-/Aus-Vorgang des ersten Schaltelements S1 durch Kreieren des Antriebspulses und Ausgegeben desselben zum ersten Schaltelement S1 auf der Basis des Phasenverschiebebetrages, der durch den Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt 10b mitgeteilt wird, und der Schaltfrequenz, die durch den Steuerfrequenzeinstellabschnitt 10c mitgeteilt wird.
Wie oben beschrieben, wird nach diesem Ausführungsbeispiel der DC-Wandler nicht nur durch einfaches Schalten der Phase betrieben, sondern auch die Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb wird höher eingestellt als die Schaltfrequenz f2 (< f1) für den Mehrphasenbetrieb, um den Oberwellenstrom ΔIsi in dem Einphasenbetrieb zu reduzieren, in welchem der Oberwellenstrom am größten ist. Da der größte Oberwellenstrom ΔIsi reduziert werden kann, kann in der Folge die zulässige Kapazität des Filters/Kondensators C1, der in Übereinstimmung mit diesem Oberwellenstrom ΔIsi ausgelegt wird, reduziert werden, wodurch die Größe des Filters/Kondensators C1 schließlich kleiner als vorher gemacht werden kann.
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird nur in dem Einphasenbetrieb die Schaltfrequenz hoch eingestellt und die Schaltfrequenz wird in dem Mehrphasenbetrieb niedrig eingestellt, aber es kann zum Beispiel auch so konfiguriert werden, dass die Schaltfrequenz nur für den Dreiphasenbetrieb niedrig eingestellt wird, in welchem der Schaltverlust der Größte ist, und die Schaltfrequenz für den Einphasenbetrieb und den zwei Phasenbetrieb hoch eingestellt wird, in welchem der Einfluss des Schaltverlustes kleiner ist als in dem Dreiphasenbetrieb.
B. Variation
<Variation 1>
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist beispielhaft ein Verfahren, in welchem die Schaltfrequenz f1 für den Einphasenbetrieb höher als die Schaltfrequenz f2 (< f1) für den Mehrphasenbetrieb eingestellt wird, um den Oberwellenstrom ΔIsi in dem Einphasenbetrieb zu reduzieren, gezeigt, jedoch kann zum Beispiel anstelle der Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels (oder zusätzlich zu der Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels) der induktive Blindwiderstand (der Drosselspulenwert) L der Spule L1 der Phase, welche für den Einphasenbetrieb genutzt wird (zum Beispiel U-Phase), höher als der induktive Blindwiderstand L der Spule L1 in einer anderen Phase eingestellt werden.
Da der Oberwellenstrom ΔI umgekehrt proportional zu dem induktiven Blindwiderstand L ist, kann, wie in der obigen Gleichung (15) gezeigt, durch größer Stellen des induktiven Blindwiderstandes L der Oberwellenstrom ähnlich zu diesem Ausführungsbeispiel reduziert werden und deshalb die zulässige Kapazität des Filters/Kondensator C1 klein gemacht werden und die Größe des Filters/Kondensators C1 kann schließlich kleiner als vorher gemacht werden.
Falls der induktive Blindwiderstand L groß ist, wird die Größe der Drosselspule groß, jedoch sind die Größenverhältnisse der Hauptkomponenten in dem DC-Wandler, wie in 17 gezeigt, größer in der Größe des Kondensator als der Drosselspule, und selbst wenn die Drosselspule größer gemacht wird, ist die Größenreduzierung des Kondensators vom Standpunkt der Größenreduzierung des DC-Wandlers vorteilhafter.
<Variation 2>
In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Filter/Kondensator C1 beispielhaft als ein Kondensator gezeigt, dessen Größe zu reduzieren ist, jedoch kann anstelle (oder zusätzlich) das Ausführungsbeispiel auch auf den Kondensator C3 angewendet werden.
<Variation 3>
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen und Variationen wurde das Beispiel des weich schaltenden Mehrphasen-FC-Wandlers beschrieben, jedoch können sie auch auf hart schaltende Mehrphasen-FC-Wandler, die nicht mit einer weich schaltenden Funktion versehen sind, angewendet werden.
[Bezugszeichenliste]

10a ... Steuerphasenzahlschaltabschnitt, 10b ... Phasenverschiebebetrag-Einstellabschnitt, 10c ... Steuerfrequenzeinstellabschnitt, 10d ... Steuerpulserzeugungsabschnitt, M1 ... Speicher, MP1 Wirkungsgradkennfeld, 100 ... FCHV-System, 110 ... Brennstoffzelle, 120 ... Batterie, 130 ... Last, 140 ... Wechselrichter, 2500 ... FC-Wandler, 160 ... Steuerung, 170 ... Sensoren, 180 ... Batteriewandler, 250 ... weich schaltender FC-Wandler, 400 ... Gate-Spannungssteuermittel, 410 ... Leistungszuführung, 420 ... Anschaltsteuerabschnitt, 430 ... Ausschaltsteuerabschnitt, 440 ... Steuerschaltung, 22a ... Haupterhöhungsschalkreis, 22b ... Hilfsschalkreis, 22c ... Freilaufschalkreis, S1, S2 ... Schaltelement, C1, C3 ... Glättungskondensator, C2 ... Dämpfungskondensator, L1, L2 ... Spule, D1, D2, D3, D4, D5 ... Diode, D6 ... Freilaufdiode.

Claims

Steuervorrichtung für einen Mehrphasenwandler für die Steuerung einer Brennstoffzellenausgangsleistung, welche den Betrieb jeder Phase durch Verschieben der Phase steuert, umfassend: ein Steuerfrequenz-Steuermittel, welches eine Steuerfrequenz eines Wandlers im Falle eines Einphasenbetriebs des Mehrphasenwandlers um einen vorbestimmten Wert höher einstellt als eine Steuerfrequenz des Wandlers im Falle eines Mehrphasenbetriebs.
Steuervorrichtung für einen Mehrphasenwandler nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein Erfassungsmittel, welches die Zahl der Steuerphasen des Mehrphasenwandlers in Übereinstimmung mit der Größe einer Last, die mit dem Mehrphasenwandler verbunden ist, ermittelt, wobei das Steuerfrequenz-Steuermittel die Steuerfrequenz des Wandlers in dem Einphasenbetrieb auf der Basis der Größe eines Oberwellenstroms und der Größe eines Schaltverlustes, die in dem Einphasenbetrieb erzeugt werden, einstellt.
Steuervorrichtung für einen Mehrphasenwandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei ein Wandler für jede der Phasen ein weich schaltender Wandler ist, der einen Haupterhöhungsschaltkreis und einen Hilfsschaltkreis aufweist, der Haupterhöhungsschalterkreis hat eine Hauptspule, welche mit ihrem einen Ende mit einer Klemme an einer Hochpotenzialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, einen Hauptschalter für einen Schaltvorgang, welcher mit seinem einen Ende mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist und mit seinem anderen Ende mit einer Klemme an einer Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, eine erste Diode, die eine Katode aufweist, die mit dem anderen Ende der Hauptspule verbunden ist, und einen Glättungskondensator, der zwischen einer Anode der ersten Diode und dem anderen Ende des Hauptschalters vorgesehen ist, der Hilfsschaltkreis hat einen ersten in Reihe geschalteten Abschnitt, der eine zweite Diode und einen Dämpfungskondensator aufweist, wobei der erste in Reihe geschaltete Abschnitt parallel mit dem Hauptschalter geschaltet ist und mit dem anderen Ende der Hauptspule und mit einer Klemme an der Niederpotenzialseite der Brennstoffzelle verbunden ist, und einen zweiten in Reihe geschalteten Abschnitt, der eine dritte Diode, eine Hilfspule und einen Hilfsschalter aufweist, wobei der zweite in Reihe geschaltete Abschnitt zwischen einem Verbindungsknoten der zweiten Diode mit dem Dämpfungskondensator und dem einen Ende der Hauptspule geschaltet ist.
Mehrphasenwandler für die Steuerung einer Brennstoffzellenausgangsleistung, wobei ein induktiver Blindwiderstandswert einer Spule eines Wandlers, der im Einphasenbetrieb verwendet wird, höher eingestellt wird, als ein induktiver Blindwiderstandswert der Spule des Wandlers in einer anderen Phase.