JP6900909B2 - 多相コンバータシステム - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、複数のコンバータが並列に接続されている多相コンバータと冷却器を備えている多相コンバータシステムに関する。
スイッチング素子を用いて電力を変換する複数のコンバータが並列に接続されており、目標出力に応じて駆動する相数を変化させる多相コンバータが知られている。特許文献１に、複数の昇圧コンバータが並列に接続されている多相コンバータが開示されている。特許文献１の多相コンバータは、燃料電池に接続されており、燃料電池の出力電圧を昇圧する。特許文献１の多相コンバータは、駆動している昇圧コンバータのスイッチング素子の熱負荷を抑えるべく、スイッチング素子の温度が所定の温度閾値を超えたら駆動相数を増やし、負荷を分散させる。
特開２０１１−１９３３８号公報
スイッチング素子は大電流で連続して駆動すると発熱するため、多相コンバータは冷却器を伴っていることが多い。一方、スイッチング素子は、温度が低いと耐圧が下がる傾向がある。従って冷媒の温度が低い場合は、コンバータの出力上限に制限を設けなければならない場合がある。冷媒の温度が低い場合は冷媒の温度を速やかに高めてスイッチング素子が本来の耐圧特性で動作できる状況を確保できることが望ましい。
本明細書が開示する多相コンバータシステムは、複数のコンバータが並列に接続されている多相コンバータと、冷却器と、コントローラを備えている。それぞれのコンバータは、スイッチング素子を使って電力を変換する。コンバータは、電圧を変えるコンバータであってもよいし、直流を交流に変えるインバータであってもよい。冷却器は、冷媒を流して多相コンバータを冷却する。コントローラは、多相コンバータの目標出力が所定の出力閾値よりも低く、冷媒の温度が所定の温度範囲の場合はｎ相の電圧コンバータを駆動する。コントローラは、多相コンバータの目標出力が所定の出力閾値よりも低く、冷媒の温度が温度範囲よりも低い場合はｎよりも多いｍ相の電圧コンバータを駆動する。即ち、冷媒の温度が通常の温度範囲に属している場合はｎ相の駆動で賄える目標出力であっても、冷媒の温度が低い場合はより多くのコンバータを駆動し、発熱量を増やすことにより、冷媒を素早く昇温する。この多相コンバータシステムは、冷媒の温度が低い場合は冷媒の温度を速やかに高め、スイッチング素子が本来の耐圧特性で動作できる状況を速やかに確保することができる。典型的には、コントローラは、冷媒の温度が所定の温度範囲よりも低く、多相コンバータの目標出力が出力閾値よりも低い場合は全相のコンバータを駆動する。
コンバータの一例は、昇圧コンバータである。先に述べたように、冷媒温度が低く、スイッチング素子の耐圧が低い場合には、多相コンバータの出力を制限しなければならない場合がある。コントローラは、冷媒の温度が所定の温度範囲にある場合には、多相コンバータの出力電圧の上限を第１電圧上限値に設定する。この第１電圧上限値はスイッチング素子の本来の耐圧特性に対応した上限値である。そして、コントローラは、冷媒の温度が温度範囲よりも低い場合は、多相コンバータの出力電圧の上限を第１電圧上限値よりも低い第２電圧上限値に設定する。この多相コンバータシステムは、冷媒温度が低い場合は出力電圧の上限を通常（第１電圧上限値）よりも低い第２電圧上限値に設定する。しかし、先に述べたように、本明細書が開示する多相コンバータシステムは、冷媒温度を速やかに高めることがきるので、出力電圧の上限値を第２電圧上限値から第１電圧上限値に速やかに戻すことができる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の多相コンバータシステムを含む燃料電池車のブロック図である。 コンバータの駆動数を決めるマップである（通常温度範囲のとき）。 コンバータの駆動数を決めるマップである（冷媒温度が低いとき）。 コンバータの駆動数を決めるマップである（変形例）。
図面を参照して実施例の多相コンバータシステムを説明する。実施例の多相コンバータシステム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、多相コンバータシステム２と、燃料電池２１と、インバータ２７と、走行用のモータ２８を備えている。電気自動車１００は、燃料電池２１の電力でモータ２８を駆動し、走行する。なお、電気自動車１００は、モータ２８が生成した回生電力を蓄えるバッテリも備えているが、バッテリの図示と説明は省略する。
多相コンバータシステム２は、燃料電池２１が出力する電力の電圧を昇圧してインバータ２７に供給する。インバータ２７は、昇圧された直流電力を、モータ２８の駆動に適した周波数の交流電力に変換し、モータ２８へ供給する。
多相コンバータシステム２は、多相コンバータ１０と、冷却器３０と、コントローラ１７を備えている。多相コンバータ１０が、燃料電池２１の電力の電圧を昇圧してインバータ２７へ供給する。多相コンバータ１０とインバータ２７の間にはリレー２６が備えられている。リレー２６は、多相コンバータ１０（燃料電池２１）とインバータ２７（モータ２８）を接続したり、遮断したりするスイッチである。リレー２６は、コントローラ１７によって制御される。
多相コンバータ１０は、４個のコンバータ１２ａ−１２ｄと、コンデンサ２２、２４と、電圧センサ２５を備えている。
４個のコンバータ１２ａ−１２ｄは、共通の入力端１１ａ、１１ｂと、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間に並列に接続されている。４個のコンバータ１２ａ−１２ｄは、全て、入力される電力の電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータである。コンバータ１２ａ−１２ｄは、全てチョッパタイプの昇圧コンバータであり、同じ構造である。
なお、共通の入力端１１ａ、１１ｂの間にはコンデンサ２２が接続されており、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間にはコンデンサ２４が接続されている。コンデンサ２２は、コンバータ１２ａ−１２ｄに入力される電流を平滑化し、コンデンサ２４は、コンバータ１２ａ−１２ｄから出力される電流を平滑化する。
コンバータ１２ａについて説明する。コンバータ１２ａは、スイッチング素子３ａと、ダイオード４ａ、６ａと、リアクトル５ａを備えている。リアクトル５ａの一端が入力端正極１１ａに接続されており、他端はダイオード６ａのアノードに接続されている。ダイオード６ａのカソードは出力端正極１３ａに接続されている。
コンバータ１２ａの入力端負極１１ｂと出力端負極１３ｂは直接に接続されている。リアクトル５ａとダイオード６ａの中間点と入力端負極１１ｂ（出力端負極１３ｂ）の間に、スイッチング素子３ａが接続されている。ダイオード４ａは、スイッチング素子３ａに対して逆並列に接続されている。
コンバータ１２ｂ−１２ｄは、コンバータ１２ａと同じ構造を有している。コンバータ１２ｂは、スイッチング素子３ｂと、ダイオード４ｂ、６ｂと、リアクトル５ｂを備えている。コンバータ１２ｃは、スイッチング素子３ｃと、ダイオード４ｃ、６ｃと、リアクトル５ｃを備えている。コンバータ１２ｄは、スイッチング素子３ｄと、ダイオード４ｄ、６ｄと、リアクトル５ｄを備えている。
スイッチング素子３ａ−３ｄは、コントローラ１７によって制御される。スイッチング素子３ａ−３ｄが所定のデューティ比でオンオフすると、入力端１１ａ、１１ｂに印加されている燃料電池２１の出力電力の電圧が昇圧されて、出力端１３ａ、１３ｂから出力される。図１のコンバータ１２ａ−１２ｄの回路と動作はよく知られているので、詳しい説明は省略する。スイッチング素子３ａ−３ｄは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
図１において矢印破線は、コントローラ１７と他の部品との間の通信線を表している。なお、図１における「to Cntller]の文字列は、コントローラ１７へデータを送る通信線を意味しており、「from Cntller」の文字列は、コントローラ１７から指令が送られる通信線を意味している。
コントローラ１７は、スイッチング素子３ａ−３ｄに同じ駆動信号を供給する。同じ構造を有しているコンバータ１２ａ−１２ｄが同じ駆動信号で動作するので、４個のコンバータ１２ａ−１２ｄは、あたかもひとつのコンバータのように動作する。出力端１３ａ、１３ｂの間には電圧センサ２５が備えられており、コントローラ１７は、電圧センサ２５によって計測される出力電圧が目標出力電圧に追従するように、各スイッチング素子３ａ−３ｄをフィードバック制御する。
スイッチング素子３ａ−３ｄやリアクトル５ａ−５ｄは大きい電流が長時間流れると発熱する。それゆえ、多相コンバータシステム２は、スイッチング素子３ａ−３ｄやリアクトル５ａ−５ｄ、及び、インバータ２７を冷却する冷却器３０を備えている。冷却器３０は、冷媒が流れる循環路３１、循環路３１内の冷媒を圧送するポンプ３２、冷媒を一時的に貯蔵するリザーブタンク３３、冷媒の熱を外気に放出するラジエータ３５、温度センサ３４を備えている。冷媒は、液体であり、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。
循環路３１は、多相コンバータ１０とインバータ２７とラジエータ３５とリザーブタンク３３の間で冷媒を循環させる。ポンプ３２が、リザーブタンク３３の冷媒を多相コンバータ１０へ圧送する。冷媒は多相コンバータ１０とインバータ２７を通過する間に、多相コンバータ１０とインバータ２７の熱を吸収する。熱を吸収して温度が高くなった冷媒は、ラジエータ３５において吸収した熱を外気に放出し、温度が下がる。温度が下がった冷媒はリザーブタンク３３に戻る。温度センサ３４は、冷媒の温度を計測する。温度センサ３４の計測値はコントローラ１７へ送られる。ポンプ３２も、コントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、温度センサ３４によって計測される冷媒の温度、及び、多相コンバータ１０とインバータ２７の動作状況から、ポンプ３２の出力（冷媒の吐出量）を決め、ポンプ３２を制御する。概略的には、コントローラ１７は、冷媒の温度が高いほど、ポンプ３２の出力を高める。
コントローラ１７は、不図示の上位コントローラから指令を受け、多相コンバータ１０を制御する。上位コントローラは、アクセル開度、車速、燃料電池２１の出力などから走行用のモータ２８が出力すべきトルク（目標トルク）を決める。上位コントローラは、燃料電池２１の出力電圧と目標トルクから、多相コンバータ１０が出力すべき電圧（目標出力電圧）と電流（目標出力電流）を決定し、コントローラ１７に指令する。コントローラは、目標出力電流の大きさに応じて動作させるコンバータの数を決定するとともに、選択したコンバータのスイッチング素子に、所定のデューティ比の駆動信号を供給する。
多相コンバータシステム２のコントローラ１７は、不図示の上位コントローラから送られる目標出力電圧に応じて、コンバータ１２ａ−１２ｄの昇圧比を決定する。また、コントローラ１７は、上位コントローラから送られる目標出力電流の大きさに応じて、コンバータ１２ａ−１２ｄの中から動作させるコンバータを選択する。コントローラ１７は、目標出力電流が大きくなるにつれて、１相から４相まで、動作させるコンバータの数を増やしていく。
図２に、目標出力電流と駆動する相数の関係を示す。図２は、コンバータの駆動数を決めるためのマップである。図２の縦軸は、目標出力電圧であり、横軸は目標出力電流である。目標出力電流が第１電流値Ｉａ１までは、コントローラ１７は、１相のコンバータ（例えばコンバータ１２ａ）を駆動する。目標出力電流が第１電流値Ｉａ１よりも大きく、第２電流値Ｉａ２以下のときには、コントローラ１７は、２相のコンバータ（例えば、コンバータ１２ａ、１２ｂ）を駆動する。目標出力電流が第２電流値Ｉａ２よりも大きく、第３電流値Ｉａ３以下のときには、コントローラ１７は、３相のコンバータ（例えば、コンバータ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を駆動する。目標出力電流が第３電流値Ｉａ３よりも大きい場合は、コントローラ１７は、全てのコンバータ１２ａ−１２ｄを駆動する。
多相コンバータ１０は、目標出力電流が大きくなるほど、駆動するコンバータ１２ａ−１２ｄの数（相数）を増やす。目標出力電流に応じてコンバータの駆動数を変えることで、ひとつのコンバータの動作範囲（出力電流の範囲）を狭い範囲に抑えつつ、多相コンバータ１０の全体の動作範囲（出力電流の範囲）を大きくすることができる。個々のコンバータの動作範囲を狭くすることで、変換効率のよい範囲だけを使うことができ、多相コンバータ１０の全体の効率を高めることができる。
なお、図２のマップは、冷媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１以上であり、第２温度閾値Ｔ２よりも小さい場合のマップである。冷媒温度Ｔｃが温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）の間は、コントローラ１７は、多相コンバータ１０の出力電圧の上限値を第１電圧上限値Ｖｍａｘ１に設定している。第１電圧上限値Ｖｍａｘ１は、コンバータ１２ａ−１２ｄの通常の上限値である。実施例の多相コンバータ１０では、駆動するコンバータの相数は、目標出力電圧の大きさによっては、変化しない。
コンバータ１２ａ−１２ｄに用いられているスイッチング素子３ａ−３ｄは、動作温度が低すぎると耐圧が下がる傾向がある。そこで、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが低い場合は、コンバータ１２ａ−１２ｄの出力電圧の上限値を下げる。具体的には、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１よりも低い場合は、コンバータ１２ａ−１２ｄの出力電圧の上限値を第１電圧上限値Ｖｍａｘ１から第２電圧上限値Ｖｍａｘ２に制限する（Ｖｍａｘ１＞Ｖｍａｘ２）。図３に、冷媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１よりも低い場合のコンバータ駆動数決定マップを示す。縦軸と横軸は、図２のグラフと同じである。図３では、目標出力電圧の上限値が第１電圧上限値Ｖｍａｘ１から第２電圧上限値Ｖｍａｘ２に下がっている。
多相コンバータ１０（コンバータ１２ａ−１２ｄ）に低い電圧上限値が設定されることは、走行用のモータ２８の出力上限値が低くなることに等しい。モータ２８の出力上限値が低くなると、本来のモータ２８の性能が出せなくなり、車両のドライバビリティが低下する。そこで、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが低い場合は、通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）の場合と比較してコンバータの駆動数を増やす。各コンバータはリアクトルを有しており、発熱の主要因は、リアクトルの定常損失（鉄損とヒステリシス損）である。従って、多相コンバータ１０の出力が同じであっても、電流が流れるリアクトルの数が多いほど、多相コンバータ１０の総発熱量が増える。また、駆動する相数を増やすと、各相のスイッチング素子を駆動する駆動回路の駆動数も増える。駆動する駆動回路の数が増えることも、発熱量の増加に貢献する。多相コンバータ１０の発熱量を高めて冷媒温度を上昇させ、多相コンバータ１０の出力電圧の上限制限が速やかに元の電圧上限値（第１電圧上限値Ｖｍａｘ１）に戻るようにする。
図２と図３を比較すると理解されるように、目標出力電流が第１電流値Ｉａ１以下の範囲のとき、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）のときには１相のコンバータを駆動するが、冷媒温度Ｔｃが低いときには（Ｔｃ＜Ｔ１）、２相のコンバータを駆動する。
目標出力電流が第１電流値Ｉａ１よりも大きく、第２電流値Ｉａ２以下の場合、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）のときには２相を駆動するが、冷媒温度Ｔｃが低いときには（Ｔｃ＜Ｔ１）３相のコンバータを駆動する。目標出力電流が第２電流値Ｉａ２よりも大きく、第３電流値Ｉａ３以下の場合、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）のときには３相を駆動するが、冷媒温度Ｔｃが低いときには（Ｔｃ＜Ｔ１）４相のコンバータを駆動する。目標出力電流が第３電流値Ｉａ３よりも大きい場合は、冷媒温度Ｔｃが通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）のときに全相（４相）を駆動するので、冷媒温度Ｔｃが低いとき（Ｔｃ＜Ｔ１）にも同じく全相（４相）のコンバータを駆動する。
上記の通り、目標電流出力が第３電流値Ｉａ３よりも低い範囲では、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが所定の温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）内である場合はｎ相のコンバータを駆動する。コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが上記温度範囲よりも低い場合は（Ｔｃ＜Ｔ１）、ｎよりも多いｍ相のコンバータを駆動する。ここで、ｎ＝１〜３である。
冷媒温度Ｔｃが低いとき（Ｔｃ＜Ｔ１）、通常温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）のときよりもコンバータの駆動数を増やすことで、多相コンバータ１０の発熱量が大きくなる。多相コンバータ１０の発熱量が大きくなると、冷媒温度Ｔｃが上昇し易くなる。冷媒温度Ｔｃが第１温度閾値Ｔ１を超えたら、コンバータの駆動数を決定するマップが図３のマップから図２のマップに切り換えられ、多相コンバータ１０の出力上限値が低い第２電圧上限値Ｖｍａｘ２から通常の第１電圧上限値Ｖｍａｘ１に戻される。多相コンバータ１０の出力上限値が元に戻るので、電気自動車１００は、本来のドライバビリティを発揮することができるようになる。
コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが所定の温度閾値（第１温度閾値Ｔ１）よりも低い場合、図３のマップに代えて、図４のマップを採用してもよい。図４は、駆動数決定マップの変形例である。図４のマップでは、冷媒温度Ｔｃが低い場合、目標出力電流の全域にわたって、４相駆動するように設定されている。図４のマップを採用した場合、コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが所定の温度閾値（第１温度閾値Ｔ１）よりも低い場合は常に全相（４相）のコンバータ１２ａ−１２ｄを駆動する。全相を駆動することで、多相コンバータ１０の発熱量が大きくなり、冷媒温度Ｔｃが上昇し易くなる。
実施例で説明した多相コンバータシステム２の特徴をまとめる。多相コンバータシステム２は、並列に接続されている複数のコンバータ１２ａ−１２ｄと、冷却器３０と、温度センサ３４と、コントローラ１７を備えている。コンバータ１２ａ−１２ｄの夫々は、スイッチング素子を用いて電力を変換するデバイスである。複数のコンバータ１２ａ−１２ｄは、同じタイプであり、同じ構造、同じ特性を有している。冷却器３０は、冷媒を流してコンバータ１２ａ−１２ｄを冷却する。温度センサ３４は、冷媒の温度を計測する。コントローラは、多相コンバータ１０の目標出力電流が所定の出力閾値（第３電流値Ｉａ３）よりも低く、冷媒温度がＴｃ所定の温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２）の範囲内である場合はｎ相のコンバータを駆動する。コントローラ１７は、目標出力電流が出力閾値（第３電流値Ｉａ３）よりも低く、冷媒温度Ｔｃが温度範囲よりも低い場合は（Ｔｃ＜Ｔ１）、ｎよりも多いｍ相のコンバータを駆動する。ここで、ｎ、ｍは１よりも大きい整数であり、ｍ＞ｎである。
コンバータ１２ａ−１２ｄの夫々は、リアクトル５ａ−５ｄを含んでおり、リアクトル５ａ−５ｄが、発熱の要因の一つである。
コントローラ１７は、目標出力電流が出力閾値（第３電流値Ｉａ３）よりも低く、冷の温度Ｔｃが上記の温度範囲よりも低い場合（Ｔｃ＜Ｔ１）は、全相のコンバータを駆動してもよい。
コンバータ１２ａ−１２ｄは、昇圧コンバータであってよい。コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが上記した温度範囲（Ｔ１≦Ｔｃ＜Ｔ２））の範囲内である場合は、コンバータ１２ａ−１２ｄの出力電圧の上限を第１電圧上限値Ｖｍａｘ１に設定する。コントローラ１７は、冷媒温度Ｔｃが上記した温度範囲よりも低い場合（Ｔｃ＜Ｔ１）は、多相コンバータ１０の出力電圧の上限を第１電圧上限値Ｖｍａｘ１よりも低い第２電圧上限値Ｖｍａｘ２に設定する。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の多相コンバータシステム２は、複数のコンバータ１２ａ−１２ｄを並列に接続している。本明細書が開示する技術は、複数の降圧コンバータを並列に接続した多相コンバータや、複数の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを並列に接続した多相コンバータに適用することができる。あるいは、複数のインバータを並列に接続した多相コンバータに適用することもできる。並列に接続されるコンバータの数に制限はない。
コンバータの駆動数を決定する目標出力は、実施例の場合は目標出力電流であった。目標出力は、電圧の次元で与えられる場合や、電力の次元で与えられる場合があってもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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し得るものであり、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。
２：多相コンバータシステム
３ａ−３ｄ：スイッチング素子
４ａ−４ｄ、６ａ−６ｄ：ダイオード
５ａ−５ｄ：リアクトル
１０：多相コンバータ
１２ａ−１２ｄ：コンバータ
１７：コントローラ
２１：燃料電池
２２、２４：コンデンサ
２５：電圧センサ
２６：リレー
２７：インバータ
２８：モータ
３０：冷却器
３１：循環路
３２：ポンプ
３３：リザーブタンク
３４：温度センサ
３５：ラジエータ
１００：電気自動車

Claims (3)

  1. 複数のコンバータが並列に接続されている多相コンバータと、
    冷媒を流して前記コンバータを冷却する冷却器と、
    前記冷媒の温度を計測する温度センサと、
    コントローラと、
    を備えており、
    前記コントローラは、
    前記多相コンバータの目標出力が所定の出力閾値よりも低く、前記冷媒の温度が所定の温度範囲内である場合はｎ相の前記コンバータを駆動し、
    前記目標出力が前記出力閾値よりも低く、前記冷媒の温度が前記温度範囲よりも低い場合はｎよりも多いｍ相の前記コンバータを駆動する、
    多相コンバータシステム。
  2. 前記コントローラは、前記目標出力が前記出力閾値よりも低く、前記冷媒の温度が前記温度範囲よりも低い場合は全相の前記コンバータを駆動する、請求項１に記載の多相コンバータシステム。
  3. 前記コンバータは昇圧コンバータであり、
    前記コントローラは、
    前記冷媒の温度が前記温度範囲内である場合は前記多相コンバータの出力電圧の上限を第１電圧上限値に設定し、
    前記冷媒の温度が前記温度範囲よりも低い場合は前記多相コンバータの出力電圧の上限を前記第１電圧上限値よりも低い第２電圧上限値に設定する、
    請求項１又は２に記載の多相コンバータシステム。
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