JP6933145B2 - 多相コンバータ - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池の出力電圧を昇圧する多相コンバータに関する。

特許文献１に、燃料電池の出力電圧を昇圧す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、並列に接続されている３個の昇圧回路を備えている。夫々の昇圧回路を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と称している。各昇圧回路は、リアクトルとスイッチング素子を備えている。リアクトルは、入力端正極と出力正極端の間に接続されている。スイッチング素子は、リアクトルの出力正極端側と入力負極端の間に接続されている。入力負極端と出力負極端は直接に接続されている。各相のスイッチング素子は、コントローラによって制御される。スイッチング素子をオンすると燃料電池の正極と負極の間にリアクトルが接続され、リアクトルに電気エネルギが蓄えられる。スイッチング素子をオフすると、リアクトルに蓄えられた電気エネルギが放出され、出力端正極の電位を押し上げる。

多相コンバータのそれぞれの昇圧回路の入力端正極と入力端負極は燃料電池に接続されているため、いずれかの昇圧回路のスイッチング素子が短絡故障（オン固着など）を生じると、リアクトルを介して燃料電池の出力端正極と出力端負極が継続して接続されることになり、リアクトルと燃料電池が発熱する。そのため、多相コンバータのいずれかの昇圧回路のスイッチング素子が短絡故障を生じた場合、コントローラは燃料電池を停止する。具体的には、コントローラは、燃料電池（ＦＣスタック）に燃料である水素と酸素を送り込むポンプを停止する。

特開２０１０−２８８３６５号公報

しかしながら、ポンプを停止しても、燃料電池（ＦＣスタック）の中に残留水素や残留酸素があるうちは発電が続く。また、ポンプは、その駆動電力の供給が断たれた後もしばらくは慣性で回り続けることがあり、ポンプの停止制御後しばらくの間は燃料電池（ＦＣスタック）に水素や酸素などが送り込まれてしまうことがある。これらの理由により、燃料電池の出力電圧は直ちに遮断されるとは限らない。したがって、多相コンバータを構成する複数の昇圧回路のうちの１つがスイッチング素子の短絡故障を起こした場合には、燃料電池用のポンプを停止させる制御を行ったとしても、しばらくの間はリアクトルに電流が流れ続け、リアクトルが発熱してしまう。本明細書は、スイッチング素子の短絡故障を生じたときのリアクトルの発熱を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する多相コンバータは、並列に接続されている複数の昇圧回路と、昇圧回路を制御するコントローラを備えている。夫々の昇圧回路は、リアクトルとスイッチング素子を備えている。リアクトルは、入力端正極と出力端正極の間に接続されている。スイッチング素子は、リアクトルの出力端正極の側と入力端負極の間に接続されている。昇圧回路の入力端負極と出力端負極は接続されている。コントローラは、複数の昇圧回路のいずれかのスイッチング素子が短絡故障した場合、全ての昇圧回路のスイッチング素子をオン（導通状態）にする。

上記の動作により、スイッチング素子が短絡故障している場合において、たとえ燃料電池からの出力が続いても、燃料電池の出力電流は全ての昇圧回路に分散して流れる。即ち、燃料電池の出力電流は、各相のリアクトルにほぼ等しく分配されて低電位側に流れる。そのため、オン固着などにより短絡故障したスイッチング素子だけがオン状態であり、他のスイッチング素子がオフ状態である場合に比べて、リアクトルに流れる電流値を１／Ｎ（Ｎは相数）に減少させることが可能になる。したがって、リアクトルの発熱を抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の多相コンバータの構成例を示す回路図である。 実施例の多相コンバータのコントローラが実行する短絡故障監視処理のフローチャートである。 実施例の多相コンバータにおいて全相のスイッチング素子をオン状態にした場合の電流経路を示す説明図である。

図面を参照して実施例の多相コンバータを説明する。まず、多相コンバータ９の構成を図１及び図２を参照して説明する。図１に、多相コンバータ９の構成例を表した回路図を示す。図２に、多相コンバータ９のコントローラ５０が実行する短絡故障監視処理のフローチャートを示す。

多相コンバータ９は、例えば、電気自動車の走行用モータ（不図示）を駆動させる電力系統に用いられる昇圧コンバータであり、インバータ（不図示）と共に筐体１１内に収容されて電力制御ユニット（ＰＣＵ）を構成している。走行用モータは、典型的には、三相交流電動機である。そのため、電力制御ユニットでは、ＦＣスタック３（燃料電池）が出力する直流電圧を多相コンバータ９が走行用モータの駆動に適した電圧に昇圧してインバータに出力する。そして、インバータは、直流電力から交流電力（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換して走行用モータに出力する。

このように機能する多相コンバータ９は、本実施例では、多相コンバータユニット１０とコントローラ５０により構成されている。多相コンバータユニット１０は、４つの昇圧回路１０ｕ、１０ｖ、１０ｗ、１０ｘと、コンデンサ２０、２９と、これらが収容される筐体１１となどにより構成されている。以下、昇圧回路１０ｕ、１０ｖ、１０ｗ、１０ｘを総称して昇圧回路１０ｕ−１０ｘと称する場合がある。コントローラ５０は、これらの４つの昇圧回路１０ｕ−１０ｘを制御して４相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）からなる駆動電力の出力をコントロールする。

ＦＣスタック３の出力電圧は、例えば、３００Ｖ（ボルト）から４００Ｖの間で変動する場合がある。また、走行用モータの駆動電圧も、ドライバのアクセル操作によって変動する。即ち、多相コンバータ９の目標出力電圧も変動する。そのため、本実施例の多相コンバータ９では、変動する入力電圧／目標出力電圧に応じて駆動する昇圧回路１０ｕ−１０ｘの数をコントローラ５０により変更してそのような電圧変動に対応している。入力電圧の情報は、多相コンバータ９の入力端正極１１ａとコモン端子１１ｃ（ＦＣスタック３の負極端子が接続されている）の間に接続されている電圧センサ８がコントローラ５０に出力するセンサ信号により得られる。なお、コモン端子１１ｃは、多相コンバータ９の入力端負極と出力端負極を接続した端子である。

また、入力電流の情報は、多相コンバータ９の入力端正極１１ａとＦＣスタック３の正極端子の間に接続されている電流センサ７がコントローラ５０に出力するセンサ信号により得られる。

本実施例では、昇圧回路１０ｕ−１０ｘは、それぞれ並列に接続されており、いずれも同様に構成されている。そのため、ここでは昇圧回路１０ｕの構成を代表して説明し、他のコンバータ回路１０ｖ、１０ｗ、１０ｘについては説明を省略する。昇圧回路１０ｕは、リアクトル１２、スイッチング素子１６、ダイオード２１、２５により構成されている。電流センサ３１は、スイッチング素子１６に流れ込む電流を検出するためのものであり、昇圧回路１０ｕの構成に直接関与するものではない。

リアクトル１２は、多相コンバータユニット１０の入力端正極１１ａと出力端正極１１ｂの間に接続されている。スイッチング素子１６は、リアクトル１２の出力端正極１１ｂの側と、コモン端子１１ｃの間に接続されている。スイッチング素子１６は、コレクタ（入力側）がリアクトル１２の出力端正極１１ｂの側に接続されており、エミッタ（出力側）がコモン端子１１ｃに接続されている。ダイオード２１のアノードがスイッチング素子１６のエミッタに接続されており、カソードがスイッチング素子１６のコレクタに接続されている。スイッチング素子１６のゲート（制御端子）はコントローラ５０のＰＷＭ制御端子に接続されている。

ダイオード２５はリアクトル１２と出力端正極１１ｂの間に接続されている。ダイオード２５のアノードがリアクトル１２に接続されており、カソードが出力端正極１１ｂに接続されている。

スイッチング素子１６は、例えばＩＧＢＴである。スイッチング素子１６のコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続されるダイオード２１は、オフ動作移行時のスイッチング素子１６にコモン端子１１ｃ側から流れ得る逆方向電流をバイパスしてリアクトル１２に逃がす還流ダイオードである（フリーホイールダイオードとも称される）。多相コンバータユニット１０の入力端正極１１ａとコモン端子１１ｃの間には、静電容量が比較的大きな大容量のコンデンサ２０が接続されている。多相コンバータユニット１０の出力端正極１１ｂとコモン端子１１ｃの間にも、静電容量が比較的大きな大容量のコンデンサ２９が接続されている。コンデンサ２０はフィルタコンデンサと呼ばれることがあり、コンデンサ２９は平滑コンデンサと呼ばれることがある。

昇圧回路１０ｖ、１０ｗ、１０ｘも、昇圧回路１０ｕと同様に構成されている。尚、以下、リアクトル１２、１３、１４、１５を総称してリアクトル１２−１５と称する場合がある。また、スイッチング素子１６、１７、１８、１９を総称してスイッチング素子１６−１９と称する場合がある。電流センサ３２、３３、３４は、夫々スイッチング素子１７、１８、１９に流れ込む電流を検出するためのものであり、いずれも昇圧回路１０ｖ、１０ｗ、１０ｘの構成に直接関与するものではない。電流センサ３１、３２、３３、３４を総称して電流センサ３１−３４と称する場合がある。

このように構成される各昇圧回路１０ｕ−１０ｘは、コントローラ５０からスイッチング素子１６−１９の各ゲートに入力されるＰＷＭ信号によってスイッチング素子１６−１９が夫々オンオフ制御されることにより、リアクトル１２−１５とコンデンサ２０に電気エネルギを蓄えることで、ＦＣスタック３から入力端正極１１ａに入力された直流電圧が昇圧されて出力端正極１１ｂから出力される。

ＦＣスタック３は、例えば、固体高分子形燃料電池であり、複数の単セルを直列に積層したものである。単セルは、典型的には、固体高分子膜など（電解質）を燃料極（負極）と空気極（正極）で挟み込んだもの（ＭＥＡ）を、さらに燃料ガスと酸化ガスを供給するための導電板で挟み込んだ構造を備えている。本実施例では、例えば、燃料ガスは水素ガスであり、酸化ガスは酸素ガスである。これらのガスは、夫々水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６を介してＦＣスタック３に供給される。

水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６は、いずれもモータ駆動により回転するファンを備えており、これらのファンモータはコントローラ５０に夫々接続されている。ファンモータは、コントローラ５０から出力される制御信号により駆動制御可能に構成されている。例えば、ＰＷＭ制御によりファンモータの回転速度制御が行われる。具体的には、例えば、ＰＷＭ信号のデューティ比を０％−１００％の間で変化させることで、停止、低速、中速、高速などの回転速度の制御を行うことによって、燃料ガスなどの供給の開始や停止あるいは供給量の調整などを可能にしている。

コントローラ５０は、マイクロコンピュータを中心にメモリ、入出力インタフェースなどにより構成されており、車載ＬＡＮを介して上位コンピュータと情報通信可能に構成されている。コントローラ５０には、上述した電流センサ７、電圧センサ８及び電流センサ３１−３４が接続されており、これらからセンサ信号が入力される。また、制御対象となる、水素系ポンプ５、酸素系ポンプ６やスイッチング素子１６−１９も、コントローラ５０に接続されており、これらにはＰＷＭ信号などの制御信号が出力される。

コントローラ５０は、昇圧回路１０ｕ−１０ｘを、位相を変えて駆動する。例えば、ＦＣスタック３から入力される入力電力に応じて、２つの昇圧回路１０ｕ、１０ｖを駆動する場合には相互に位相が１８０度ずれるように、また３つのコンバータ回路１０ｕ、１０ｖ、１０ｗを駆動する場合には相互に位相が１２０度ずれるように、スイッチング素子１６−１９のオンオフを切り換えるＰＷＭ信号のタイミングを昇圧回路１０ｕ−１０ｘごとに変えて出力する。

これにより、入力電力に応じた出力が可能になるとともに、出力電力に含まれるリップル成分の一部が相殺されてリップル成分が低減される。コントローラ５０は、ＦＣスタック３に接続される電流センサ７及び電圧センサ８によるセンサ信号によって、ＦＣスタック３から出力される電流情報や電圧情報を取得して、多相コンバータユニット１０に入力される電流、電圧又は電力の各値を把握している。

ところで、このような昇圧回路１０ｕ−１０ｘは、前述したように、ＦＣスタック３が接続されている入力端正極１１ａに対してそれぞれ並列に接続されている。そのため、例えば、これらの昇圧回路１０ｕ−１０ｘのうち、昇圧回路１０ｖにおいてスイッチング素子１７がオン固着などの短絡故障を起こした場合には、故障したスイッチング素子１７に接続されているリアクトル１３にはＦＣスタック３から大電流が流れ込みリアクトル１３が発熱する虞がある。

このような場合、コントローラ５０は、電流センサ３２のセンサ信号から得られる電流情報が過大である（例えば、予め定められている所定値を超えている）ためにスイッチング素子１７に短絡故障が発生していると判定したときには、燃料ガスなどの供給を中止してＦＣスタック３をシャットダウンする。すなわち、コントローラ５０は、水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６を停止させるためにこれらのポンプ５、６に出力しているＰＷＭ信号のデューティ比を０％にする（駆動電力を遮断する）。

しかし、水素と酸素の供給が停止しても、ＦＣスタック３に残留していた水素と酸素が反応し、しばらくは電流が出力され続ける。また、水素系ポンプ５や酸素系ポンプ６は、駆動電力が遮断された後もしばらくは慣性で回り続けることがあるため、引き続きＦＣスタック３に燃料ガスなどが供給されて、シャットダウンしたはずのＦＣスタック３から電流が出力され続ける。つまり、ＦＣスタック３の出力電流は直ちに０アンペア近くに低下するとは限らない。したがって、このような状態においては、しばらくの期間、ＦＣスタック３から電流が出力され続け得る。そのため、先の例では、昇圧回路１０ｖのリアクトル１３は、短絡故障のスイッチング素子１７を介してＦＣスタック３に並列接続された状態に保持されることから、リアクトル１３には数１００アンペアの大電流が流れることに伴って発熱する可能性がある。

そこで、本実施例では、図２に示す短絡故障監視処理をコントローラ５０が実行することで、上述したようなスイッチング素子１６−１９の短絡故障に起因するリアクトル１２−１５の発熱を抑制する。図２に、コントローラ５０が実行する短絡故障監視処理のフローチャートを示す。なお、この短絡故障監視処理は、例えば、スイッチング素子１６−１９をＰＭＷ制御するメインプログラム（メインルーチン）から呼び出されるサブルーチンであり、スイッチング素子１６−１９がすべてオフ状態になるべきタイミングにおいて実行される。

短絡故障監視処理では、まずステップＳ１０１により、各相の電流情報を取得する処理が行われる。この処理では、コントローラ５０は、前述の電流センサ３１−３４が出力するセンサ信号に基づいてスイッチング素子１６−１９の夫々に流れる電流値の情報（電流情報）を取得する。そして、続くステップＳ１０３により、コントローラ５０は、スイッチング素子１６−１９の夫々に流れる電流の電流値のうち、予め設定されている所定値（所定の電流値）を超えているものがあるか否かを判定する。所定値は、例えば、４００アンペアに設定されている。

ステップＳ１０３の判定処理により、コントローラ５０は、スイッチング素子１６−１９に流れる電流のいずれか１つ以上の電流値において、所定値（所定の電流値）を超えているものがあると判定した場合には（Ｓ１０３でＹＥＳ）、水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６（少なくとも水素系ポンプ５）に停止信号を出力する。本実施例では、停止信号として、水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６に出力しているＰＷＭ信号のデューティ比を０％にする。

これに対して、ステップＳ１０３の判定処理により、スイッチング素子１６−１９に流れる電流のいずれについても、所定値（所定の電流値）を超えているものがないと判定された場合には（Ｓ１０３でＮＯ）、スイッチング素子１６−１９には短絡故障が発生していない蓋然性が高いため、本短絡故障監視処理を終了してメインルーチンに戻る。

スイッチング素子１６−１９の電流値が、所定値（所定の電流値）を超えているものがあると判定された場合には（Ｓ１０３でＹＥＳ）、コントローラ５０は、ステップＳ１０５に続けて、ステップＳ１０７、Ｓ１０９の各処理を行う。すなわち、コントローラ５０は、すべての相のスイッチング素子１６−１９に対して、継続的なオン信号（デューティ比１００％）を出力し（Ｓ１０７）、さらに故障情報を上位のコンピュータなどに出力する（Ｓ１０９）。

オン信号（デューティ比１００％）の継続時間は、例えば、水素系ポンプ５及び酸素系ポンプ６が駆動電力を遮断された後、これらのファンモータが慣性で回り続ける可能性のある最大時間（例えば、約５秒から約１０秒）に設定される。これにより、例えば、図３に示すように、先の例示の如くスイッチング素子１７が短絡故障している場合においては、ＦＣスタック３から供給され続ける出力電流は、複数の昇圧回路１０ｕ−１０ｘへ流れる電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、ｉｘ（図３に示す細破線矢印）に分散される。分散された電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、ｉｘは、夫々の相のリアクトル１２−１５を介してコモン端子１１ｃに流れる。図３に、多相コンバータ９において全相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｚ相）のスイッチング素子１６−１９をオン状態にした場合の電流経路を表した説明図を示す。

つまり、ＦＣスタック３から供給される電流Ｉ（図３に示す太破線矢印）は、各相のリアクトル１２−１５にほぼ等しく分配されて（Ｉ＝ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＋ｉｘ、ｉｕ≒ｉｖ≒ｉｗ≒ｉｘ≒Ｉ／４）、コモン端子１１ｃ側に流れる。そのため、オン固着などにより短絡故障したスイッチング素子１７だけがオン状態であり、他のスイッチング素子１６、１８、１９がオフ状態である場合に比べて、リアクトル１３に流れる電流値ｉｖを１／Ｎ（Ｎは相数）に減少させることが可能になる。したがって、リアクトル１２−１５の発熱を抑制することができる。

続くステップＳ１０９では、故障情報を出力する処理が行われる。ステップＳ１０３による判定処理により、コントローラ５０は、短絡故障が発生しているスイッチング素子１６−１９を特定し得る。そのため、コントローラ５０は、故障情報として、例えば、短絡故障を生じているスイッチング素子１６−１９のいずれかを特定する情報を上位コンピュータやＳＤＲＡＭなどの不揮発性半導体記憶装置に出力する。また、このような詳細な情報ではなく、故障情報として、単に多相コンバータ９が故障している情報を上位コンピュータなどに出力してもよい。

これにより、上位コンピュータなどは、例えば、インストルメントパネルに故障情報を表示したり、エラーログファイルなどに故障情報を記録したりすることが可能になる。ステップＳ１０９の処理が終わると、本短絡故障監視処理を終了してメインルーチンに戻る。尚、故障情報を出力する他の態様として、警告フラグをオンにして本短絡故障監視処理を終了してもよい。これにより、メインルーチンにおいても、スイッチング素子１６−１９のいずれかにおいて、短絡故障の発生を把握することが可能になる。

実施例で説明した多相コンバータ９は、以下の特徴を備えている。多相コンバータ９は、並列に接続された４相の昇圧回路１０ｕ、１０ｖ、１０ｗ、１０ｘとコントローラ５０を備えている。各昇圧回路は、一端が入力端正極１１ａに接続されているリアクトル１２（１３−１５）と、リアクトル１２（１３−１５）の夫々の他端とコモン端子１１ｃ側の間に接続されており、ＦＣスタック３からリアクトル１２（１３−１５）に流れる電流をオンオフするスイッチング素子１６（１７−１９）と、を有している。コントローラ５０は、各相のスイッチング素子１６−１９のオンオフを制御する。そして、コントローラ５０は、各相のスイッチング素子１６−１９のうち、１つ以上のスイッチング素子が短絡故障している場合には、全てのスイッチング素子１６−１９をオンに制御する。

これにより、ＦＣスタック３から流れ込む電流Ｉは、各相のリアクトル１２−１５にほぼ等しく分配されてコモン端子１１ｃ側に流れるため、リアクトル１３に流れる電流値ｉｖを１／４に減少させることが可能になる。したがって、リアクトル１２−１５の発熱を抑制することができる。並列に接続される昇圧回路がＮ個であれば、リアクトルに流れる電流を、ＦＣスタック３の出力電流の１／Ｎに減少させることが可能になる。

本実施例では、スイッチング素子１７に短絡故障が発生している場合を例示して説明した。しかしこれに限られることはなく、スイッチング素子１６、１８、１９のいずれかにおいて、短絡故障が発生している場合であっても、上述したように、リアクトル１２、１４、１５に流れる電流値ｉｕ、ｉｗ、ｉｘを夫々１／Ｎ（Ｎは相数）に減少させることが可能になる。したがって、このような場合においても、リアクトル１２−１５の発熱を抑制することができる。

また、本実施例では、スイッチング素子１７だけに短絡故障が発生している場合を例示して説明した。しかしこれに限られることはなく、スイッチング素子１６−１９のうちの２つ以上において、短絡故障が発生している場合であっても、上述したように、各リアクトル１２−１５に流れる電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ、ｉｘを夫々１／Ｎ（Ｎは相数）に減少させることが可能になる。したがって、このような場合においても、リアクトル１２−１５の発熱を抑制することができる。

また、本実施例では、スイッチング素子１６−１９をＩＧＢＴで構成した。しかしこれに限られることはなく、これらをパワーＭＯＳＦＥＴや、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＧａＮ（ガリウムナイトライド）などを用いた半導体素子により構成してもよい。

さらに、本実施例では、４相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相）分の昇圧回路１０ｕ−１０ｘを備えた多相コンバータユニット１０の場合を例示して説明した。しかしこれに限られることはなく、相数が複数であれば、昇圧回路を２つ備える２相構成のものや昇圧回路を３つ備える３相構成のものであっても上述と同様の作用及び効果を得ることが可能である。

また、本実施例では、多相コンバータ９を、電気自動車の走行用モータを駆動させる電力系統に用いられる昇圧コンバータに適用する例を挙げて説明した。しかしこれに限られることはない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。

３：ＦＣスタック（燃料電池）
５：水素系ポンプ
６：酸素系ポンプ
９：多相コンバータ
１０：多相コンバータユニット
１０ｕ−１０ｘ：昇圧回路
１１ａ：入力端子
１１ｂ：出力端子
１１ｃ：コモン端子
１２−１５：リアクトル
１６−１９：スイッチング素子
２０、２９：コンデンサ
２１−２８：ダイオード
３１−３４：電流センサ
５０：コントローラ

Claims (1)

1. 燃料電池の出力電圧を昇圧する多相コンバータであり、
   並列に接続されている複数の昇圧回路と、
   前記昇圧回路を制御するコントローラと、
   を備えており、
   夫々の前記昇圧回路は、
   入力端正極と出力端正極の間に接続されているリアクトルと、
   前記リアクトルの前記出力端正極の側と入力端負極の間に接続されているスイッチング素子と、
   を備えているとともに、前記入力端負極と出力端負極が接続されており、
   前記コントローラは、複数の前記昇圧回路のいずれかのスイッチング素子が短絡故障した場合に、全ての前記昇圧回路の前記スイッチング素子をオンにする、多相コンバータ。

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