JP-2026077229-A - コンバータ制御装置

Abstract

【課題】 多相コンバータの品質を向上させることができるコンバータ制御装置を提供する。 【解決手段】 コンバータ制御装置は、燃料電池の電圧を昇圧し、互いに並列に接続された複数相のコンバータ回路を備える多相コンバータに対し、前記燃料電池から前記多相コンバータに出力される電流値と閾値の比較結果に応じて、駆動状態の前記コンバータ回路の相数の切り替え制御を実行する制御部と、前記多相コンバータとともに冷却水により冷却されるパワーコントロールユニットの温度を、前記多相コンバータの起動に応じて取得する取得部と、前記パワーコントロールユニットの温度に基づき前記多相コンバータの起動時の初期温度を推定する推定部と、前記初期温度に基づき前記閾値を算出する算出部とを有する。 【選択図】図３

Inventors

• 久嶋 肇

Assignees

• トヨタ自動車株式会社

Dates

Publication Date

20260513

Application Date

20241025

Claims (1)

1. 燃料電池の電圧を昇圧し、互いに並列に接続された複数相のコンバータ回路を備える多相コンバータに対し、前記燃料電池から前記多相コンバータに出力される電流値と閾値の比較結果に応じて、駆動状態の前記コンバータ回路の相数の切り替え制御を実行する制御部と、 前記多相コンバータとともに冷却水により冷却されるパワーコントロールユニットの温度を、前記多相コンバータの起動に応じて取得する取得部と、 前記パワーコントロールユニットの温度に基づき前記多相コンバータの起動時の初期温度を推定する推定部と、 前記初期温度に基づき前記閾値を算出する算出部とを有する、 コンバータ制御装置。

Description

本発明は、コンバータ制御装置に関する。 例えば特許文献１には、燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電圧を制御する多相コンバータの駆動相数を切り替える点が記載されている。例えば駆動相数の切り替えの実行条件は、各相のリアクトルの耐熱性を考慮し、多相コンバータの起動時の初期温度からの通電による温度上昇幅に応じて決定される。 国際公開第２０１３／０３０９３３号 図１は、燃料電池システムＳの一例を示す構成図である。図２は、コンバータ回路の駆動相数の切り替え制御の一例を示す図である。図３は、出力電流の閾値の設定処理の一例を示すフローチャートである。 （燃料電池システムの構成） 図１は、燃料電池システムＳの一例を示す構成図である。燃料電池システムＳは、例えば燃料電池車などの車両に搭載される。燃料電池システムＳは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１、イグニッションスイッチ（ＩＧ－ＳＷ）４、タンク５、ポンプ６、二次電池（ＢＡＴ）７、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）８、インバータ（ＩＮＶ）９、燃料電池スタック（以下、ＦＣと表記）４０、電流センサ４１、昇圧コンバータ（以下、ＦＤＣと表記）２０、及びモータＭを含む。 ＦＣ４０は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する。なお、図示は省略するが、燃料電池システムＳは、ＦＣ４０に酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ供給する酸化剤ガス供給系及び燃料ガス供給系を備えている。電流センサ４１は、ＦＣ４０に直列に接続され、ＦＣ４０からの出力電流を検出する。電流センサ４１は検出値をＥＣＵ１に出力する。 ＦＤＣ２０は多相コンバータの一例である。ＦＤＣ２０は、ＦＣ４０からの出力される直流電圧を所定の昇圧比に昇圧して、ＦＣ１０の出力電力をＩＮＶ９に供給する４相のＤＣ（Direct Current）／ＤＣコンバータである。ＦＤＣ２０は、４個のコンバータ回路２０ａ～２０ｄとコンデンサ２４とを備えている。なお、相数は３以上の整数であればよい。 コンバータ回路２０ａ～２０ｄは、リアクトル２１ａ～２１ｄ及びインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）２３ａ～２３ｄをそれぞれ含む。ＩＰＭ２３ａ～２３ｄは、スイッチング素子（以下、ＳＷと表記）３６ａ～３６ｄ及びダイオード３７ａ～３７ｃをそれぞれ含む。ＳＷ３６ａ～３６ｄは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体である。 リアクトル２１ａ～２１ｄ及びダイオード３７ａ～３７ｄは、それぞれ、互いに直列に接続されている。リアクトル２１ａ～２１ｄ及びダイオード３７ａ～３７ｄの各直列回路は、ＦＣ１０の正極側とＩＮＶ９の正極側との間に並列接続されている。また、ＳＷ３６ａ～３６ｄは、リアクトル２１ａ～２１ｄ及びダイオード３７ａ～３７ｄのアノードの間と、ＦＣ４０の負極側との間にそれぞれ接続されている。また、コンデンサ２４は、ダイオード３７ａ～３７ｃのカソードとＩＮＶ９の正極側との間と、ＩＮＶ９の負極側との間に接続されており、電圧変動を低減する。 ＩＮＶ９は、ＦＤＣ２０から入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータＭへ供給する。モータＭは、車両の駆動源であり、不図示の車輪を駆動して車両を走行させる。ＩＧ－ＳＷ４は、ユーザが燃料電池システムＳをオンオフする操作手段の一例である。ＥＣＵ１は、ＩＧ－ＳＷ４がオフからオンに切り替わった場合、車両の状態をＲｅａｄｙオフ状態からＲｅａｄｙオン状態に切り替える。 ＰＣＵ８は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、ＦＤＣ２０によって調整された直流電圧を降圧し、又はＢＡＴ７の直流電圧を昇圧してＢＡＴ７の出力電力をＩＮＶ９に供給する。ＢＡＴ７は、例えばリチウムイオン電池であり、ＦＣ４０の発電電力を蓄電可能である。 タンク５は冷却水を貯留し、ポンプ６はタンク５内の冷却水を冷却水路Ｃｓに循環させる。冷却水路Ｃｓには、上流から下流に向かう順に、タンク５、ポンプ６、ＰＣＵ８、及びＦＤＣ２０が接続されている。冷却水は、ポンプ６により送出されてＰＣＵ８及びＦＤＣ２０を冷却してタンク５に戻る。ＰＣＵ８における冷却水の出口には温度センサＴが設けられている。温度センサＴは、冷却水の水温をＰＣＵ８の温度として検出してＥＣＵ１に出力する。 ＥＣＵ１はコンバータ制御装置の一例である。ＥＣＵ１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを含み、ＲＯＭに格納されたプログラムに従ってＣＰＵを動作させる。 ＥＣＵ１のＣＰＵは、ＲＯＭからプログラムを読み込むと、機能として、取得部１０、推定部１１、算出部１２、及び制御部１３を形成する。また、ＲＯＭには、ＦＣ４０の電流－電圧特性（ＩＶ特性）データ１４が格納されている。ＩＶ特性データ１４はＦＣ４０の運用に用いられる。 制御部１３は、ＦＤＣ２０に対し、ＦＣ４０からＦＤＣ２０に出力される電流値と閾値の比較結果に応じて、駆動状態のコンバータ回路２０ａ～２０ｄの相数（以下、駆動相数と表記）の切り替え制御を実行する。制御部１３は、ＦＣ４０の出力目標に基づくデューティ比の目標値に従って、駆動相数分のＳＷ３６ａ～３６ｄをオンオフ制御する。つまり、制御部１３は、駆動対象のＳＷ３６ａ～３６ｄをオンオフするが、それ以外のＳＷ３６ａ～３６ｄをオフ状態に維持する。これにより、制御部１３は、ＦＤＣ２０において、特にリアクトル２１ａ～２１ｄの通電による昇温を低減する。以下に駆動相数の切り替え制御の例を述べる。 図２は、コンバータ回路２０ａ～２０ｄの駆動相数の切り替え制御の一例を示す図である。横軸は、ＦＣ４０からＦＤＣ２０に出力される出力電流値（Ａ）を示し、縦軸はコンバータ回路２０ａ～２０ｄの駆動相数を示す。 例えば制御部１３は、電流センサ４１が検出した出力電流値と閾値ＴＨとを比較し、比較結果に応じて駆動相数を決定する。本例では、初期状態においてコンバータ回路２０ａのみが駆動されると仮定する。 制御部１３は、ＴＨ×２＞出力電流値≧ＴＨが満たされた場合、駆動相数を１相から２相に切り替える。この場合、コンバータ回路２０ａ，２０ｂが駆動される。また、制御部１３は、ＴＨ×３＞出力電流値≧ＴＨ×２が満たされた場合、駆動相数を２相から３相に切り替える。この場合、コンバータ回路２０ａ～２０ｃが駆動される。さらに制御部１３は、出力電流値≧ＴＨ×３が満たされた場合、駆動相数を３相から４相に切り替える。この場合、全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｄが駆動される。 このように制御部１３は、出力電流値に応じて段階的に駆動相数を切り替える。このため、ＦＣ４０の出力電流によるＦＤＣ２０の昇温を適切にコンバータ回路２０ａ～２０ｄに分散することができる。これによりＦＤＣ２０が過熱状態となることが抑制される。 再び図１を参照すると、取得部１０は、ＦＤＣ２０とともに冷却水により冷却されるＰＣＵ８の温度を、ＦＤＣ２０の起動に応じて取得する。例えば取得部１０は、ＩＧ－ＳＷ４がオンになったとき、ＰＣＵ８の温度として、温度センサＴの検出値を取得する。 推定部１１は、取得部１０が取得したＰＣＵ８の温度に基づきＦＤＣ２０の起動時の初期温度を推定する。ここでＦＤＣ２０の起動時の初期温度とは、例えば車両の状態がＲｅａｄｙオン状態になったときのリアクトル２１ａ～２１ｄの温度を指す。推定部１１は、例えばＰＣＵ８の温度に所定値を加算して得た温度をＦＤＣ２０の初期温度として推定する。ここで所定値は、冷却水路Ｃｓの構成に基づき事前に行った実験あるいはシミュレーションの結果に応じて決定される。 算出部１２は、推定部１１が推定した初期温度に基づき、制御部１３が駆動相数の切り替え制御を実行するときの出力電流の閾値ＴＨを算出する。例えば算出部１２は、ＦＣ４０のＩＶ特性データ１４に基づいて初期温度から閾値ＴＨを算出する。算出部１２は閾値ＴＨを制御部１３に設定する。以下に出力電流の閾値ＴＨの設定処理について説明する。 （出力電流の閾値の設定処理） 図３は、出力電流の閾値ＴＨの設定処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、例えばＥＣＵ１の電源オン時に実行される。 まず、取得部１０は、車両の状態がＲｅａｄｙオフ状態からＲｅａｄｙオン状態に切り替わったか否かを判定する（Ｓｔ１）。車両の状態がＲｅａｄｙオフ状態である場合（Ｓｔ１のＮｏ）、上記判定（Ｓｔ１）が再び実行される。 車両の状態がＲｅａｄｙオン状態に切り替わった場合（Ｓｔ１のＹｅｓ）、取得部１０はＰＣＵ８の温度を取得する（Ｓｔ２）。次に推定部１１は、ＰＣＵ８の温度に、例えば所定値を加算することによりリアクトル２１ａ～２１ｄの初期温度を推定する（Ｓｔ３）。 次に算出部１２は、リアクトル２１ａ～２１ｄの耐熱温度と初期温度との差分を、許容温度上昇幅として算出する（Ｓｔ４）。ここで、耐熱温度とは、例えばリアクトル２１ａ～２１ｄの仕様において、正常動作が保証される温度の上限値を指し、許容温度上昇幅とは、耐熱温度に至るまで通電によって上昇が許容される温度幅を指す。 次に算出部１２は、リアクトル２１ａ～２１ｄの許容温度上昇幅を熱抵抗値で除算することにより許容電力を算出する（Ｓｔ５）。ここで、許容電力とは、例えばリアクトル２１ａ～２１ｄが耐熱温度に至るまで許容されるＦＣ４０の発電電力を指す。 次に算出部１２は、ＦＣ４０のＩＶ特性データ１４に基づいてリアクトル２１ａ～２１ｄの許容電力から許容電流値を算出する（Ｓｔ６）。このとき算出部１２は、ＩＶ特性データ１４から、許容電力に一致する電流と電圧の組み合わせを検出し、電流を許容電流値として取得する。許容電流値とは、例えばリアクトル２１ａ～２１ｄが耐熱温度に至るまで許容されるＦＣ４０の出力電流値を指す。 次に算出部１２は、制御部１３に対し、駆動相数の切り替え制御の閾値ＴＨとして許容電流値を設定する（Ｓｔ７）。なお、本例では、駆動相数を２相から３相、及び３相から４層に切り替えるための閾値は、上記のようにＴＨ×２及びＴＨ×３にそれぞれ設定されるが、これに限定されず、許容電流値に基づいて、これとは異なる個別の算出式により設定されてもよい。 このように、ＥＣＵ１は、ＰＣＵ８の温度からＦＤＣ２０の起動時の初期温度を推定して、コンバータ回路２０ａ～２０ｄの相数の切り替え制御の電流値を初期温度に基づき算出する。このため、初期温度を固定値に設定して駆動相数の切り替え制御の電流値を算出した場合と比較すると、初期温度のばらつきによる影響が低減されるため、駆動相数の切り替え制御を適切なタイミングで実行することが可能となる。よって、リアクトル２１ａ～２１ｄの寿命低下やＮＶ増加が抑制されてＦＤＣ２０の品質が向上する。 上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。