多相转换器的控制装置以及电源系统

技术领域

本发明涉及多相转换器的控制装置以及电源系统。

背景技术

公知有一种具备多个升压型的转换器电路的多相转换器(例如参照日本专利第6450884)。这样的多相转换器通过根据输入电流的大小来调整进行驱动的转换器电路的数目，能够在从输入电力向输出电力的转换效率良好的范围使用转换器电路。

例如，能够基于在正进行驱动的转换器电路的电抗器中流动的电流值来对该转换器电路是否异常进行诊断。然而，由于例如在仅1个转换器电路进行驱动的状态下，其他转换器电路停止，所以无法对其他转换器电路是否异常进行诊断。因此，需要待机至全部的转换器电路进行驱动为止，存在无法尽早执行异常诊断的情况。因此，考虑在这样仅1个转换器电路进行驱动时也驱动全部的转换器电路来执行异常诊断。然而，该情况下，由于在根据输入电流的大小本来仅1个转换器电路进行驱动的状态下，驱动全部的转换器电路，所以存在转换效率降低的可能性。

发明内容

本发明提供既抑制转换效率降低又能够尽早执行异常诊断的多相转换器的控制装置以及电源系统。

本发明的方式涉及具有并联连接的N个升压型的转换器电路且N≥3的多相转换器的控制装置。多相转换器的控制装置具备：判定部，在上述转换器电路的驱动数目为1以上N-1以下的状态下，对上述多相转换器的异常诊断的开始条件是否成立进行判定；决定部，在上述开始条件成立的情况下，以表示来自上述多相转换器的输出电力相对于向上述多相转换器的输入电力的比率的转换效率比将向上述多相转换器的输入电流均等地分担给N个上述转换器电路的情况高的方式，决定用于将上述输入电流不均等地分担给N个上述转换器电路的、N个上述转换器电路的各分担率；驱动部，根据所决定的上述各分担率来驱动N个上述转换器电路；以及诊断部，在N个上述转换器电路根据所决定的上述各分担率进行驱动的状态下诊断N个上述转换器电路的异常。

即，当在至少一个转换器电路进行驱动且至少一个转换器电路停止的状态下异常诊断的开始条件成立的情况下，以转换效率比均等地分担向多相转换器的输入电流的情况高的方式，不均等地分担向多相转换器的输入电流来驱动全部的转换器电路。由此，既能抑制转换效率的降低，又能对全部的转换器电路尽早执行异常诊断。

上述决定部可以以与上述开始条件成立的情况下的上述驱动数目相同数目的上述转换器电路的各分担率的总计占据N个上述转换器电路的各分担率的总计的90％以上的方式决定上述各分担率。

上述决定部可以以电流不连续地流动至N个上述转换器电路的至少一个电抗器的方式决定上述各分担率。

上述决定部可以以电流不连续地流动至N个上述转换器电路的全部的电抗器的方式决定上述各分担率。

本发明的第2方式涉及具备上述第1方式的多相转换器的控制装置、上述多相转换器以及向上述多相转换器供给上述输入电力的电源的电源系统。

上述电源可以是燃料电池组。

根据本发明，能够提供既可抑制转换效率的降低又可尽早执行异常诊断的多相转换器的控制装置以及电源系统。

附图说明

以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素，其中：

图1是搭载于车辆的燃料电池系统的结构图。

图2是表示升压转换器的电路结构的图。

图3A是表示转换器电路全部在进行驱动的情况下的分别流动至电抗器的电流的推移的图，

图3B是表示仅一个转换器电路在进行驱动的情况下的流动至电抗器的电流的推移的图，

图3C是规定了向升压转换器的输入电流与转换器电路的驱动数目的关系的映射。

图4A是表示仅一个转换器电路在进行驱动而流动至电抗器的电流的推移的图，

图4B是表示利用全部的转换器电路均等地分担向升压转换器的输入电流来进行驱动的情况下的分别流动至电抗器的电流的推移的图，

图4C是表示了转换器电路的各转换效率的图表。

图5是表示不均等地分担向升压转换器的输入电流的情况下的分别流动至电抗器的电流的推移的图。

图6是表示ECU所执行的异常诊断控制的一个例子的流程图。

具体实施方式

[燃料电池系统的简要结构]

图1是搭载于车辆的燃料电池系统1的结构图。燃料电池系统1包括电力控制系统3、ECU(Electronic Control Unit)4、二次电池(以下，称为BAT)7以及燃料电池组(以下，称为FC)10。电力控制系统3包括电池转换器(以下，称为BDC)8、逆变器(以下，称为INV)9以及升压转换器(以下，称为FDC)20。其中，虽在图1中未示出，但燃料电池系统1具备向FC10分别供给氧化剂气体以及燃料气体的氧化剂气体供给系统以及燃料气体供给系统。另外，车辆具备行驶用的马达M、车轮W、加速器开度传感器5以及点火开关6。

FC10接受燃料气体与氧化剂气体的供给来进行发电。FC10层叠有多个固体高分子电解质型的单电池。单电池具备在电解质膜的两面配置了电极的发电体亦即膜电极接合体和夹持膜电极接合体的一对隔板。电解质膜是由具有磺酸基的氟类树脂材料或者烃类树脂材料形成的固体高分子膜，在湿润状态下具有良好的质子传导性。电极构成为包括碳载体和属于具有磺酸基的固体高分子且在湿润状态下具有良好的质子传导性的离聚物(ionomer)。碳载体担载用于促进发电反应的催化剂(例如铂或者铂-钴合金等)。在各单电池设置有用于供反应气体、冷却水流动的歧管。在歧管中流动的反应气体经由设置于各单电池的气体流路向各单电池的发电区域供给。

FDC20是将从FC10输出的直流电压升压成规定的升压比而将FC10的输出电力供给至INV9的DC/DC转换器。INV9将被输入的直流电力转换成三相交流电力而向马达M供给。马达M驱动车轮W来使车辆行驶。BDC8是双向的DC/DC转换器。即，BDC8对被FDC20调整过的直流电压进行降压，或者对BAT7的直流电压进行升压并将BAT7的输出电力供给至INV9。此外，不需要必须具备BDC8。BAT7能够蓄积FC10的电力。

ECU4包括CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(RandomAccess Memory)。ECU4与加速器开度传感器5、点火开关6、电流传感器10A、电压传感器10V、FDC20、BDC8以及INV9电连接。ECU4基于加速器开度传感器5的检测值等来控制FC10的输出电力。另外，ECU4取得电流传感器10A测定出的FC10的输出电流值以及电压传感器10V测定出的FC10的输出电压值。另外，ECU4是控制FDC20的控制装置的一个例子，虽然详细内容将后述，但执行异常诊断控制。异常诊断控制通过由ECU4的CPU、ROM、以及RAM在功能上实现的判定部、决定部、驱动部以及诊断部来实现。

[FDC的电路结构]

图2是表示FDC20的电路结构的图。图2中还示出了FC10和INV9。如图2那样，FDC20具备转换器电路20a～20c与电容器24。转换器电路20a包括电抗器21a、电流传感器22a以及智能功率模块(IPM：Intelligent Power Module)23a。转换器电路20b包括电抗器21b、电流传感器22b以及IPM23b。转换器电路20c包括电抗器21c、电流传感器22c以及IPM23c。IPM23a包括开关元件36a以及二极管37a。IPM23b包括开关元件36b以及二极管37b。IPM23c包括开关元件36c以及二极管37c。

电抗器21a、电流传感器22a以及二极管37a串联连接。同样，电抗器21b、电流传感器22b以及二极管37b也串联连接。电抗器21c、电流传感器22c以及二极管37c也串联连接。串联连接的这些部件在FC10的正极侧与INV9的正极侧之间并联连接。由此，能够减小在电抗器21a～21c、IPM23a～23c各自中流动的电流值来抑制发热。开关元件36a连接在电抗器21a和二极管37a之间与FC10的负极侧之间。同样，开关元件36b连接在电抗器21b和二极管37b之间与FC10的负极侧之间。开关元件36c连接在电抗器21c和二极管37c之间与FC10的负极侧之间。电抗器21a～21c例如是结构、性能都相同的相同部件，但并不限定于此。电流传感器22a～22c在下游侧与电抗器21a～21c连接，但并不局限于此，也可以在上游侧连接。FC10与电抗器21a～21c各自通过汇流条电连接。

图3A是表示转换器电路20a～20c全部进行驱动的情况下的分别流动至电抗器21a～21c的电流Ia～Ic的推移的图。ECU4例如以相同的一定周期T对开关元件36a～36c分别切换接通断开。自开关元件36a从断开切换成接通的时刻起至下一次从断开切换成接通的时刻为止的周期T相当于开关元件36a的开关控制的周期。自开关元件36a从断开切换成接通的时刻起至开关元件36b从断开切换成接通的时刻为止的期间的时间相当于周期T的1/3。自开关元件36b从断开切换成接通的时刻起至开关元件36c从断开切换成接通的时刻为止的期间的时间相当于周期T的1/3。基于对开关元件36a～36c供给的脉冲信号的占空比来控制开关元件36a～36c的接通断开。占空比是指接通状态的时间占接通断开的1个周期的比例。ECU4基于由电流传感器22a～22c测定出的电流值、目标升压比来决定该占空比。在图3A的例子中，开关元件36a～36c各自的占空比[％]为比率Da～Dc，它们是大致相同的值。

若开关元件36a接通，则电流开始从FC10经由电抗器21a向开关元件36a流动，在电抗器21a蓄积由直流励磁引起的磁能。若开关元件36a断开，则在接通的期间蓄积在电抗器21a的磁能作为电流而经由二极管37a输出至INV9。因此，通过控制开关元件36a～36c的各占空比，能够控制蓄积在电抗器21a～21c各自的能量(时间平均)，能够控制向电抗器21a～21c各自平均流动的电流(有效电流)。反复进行这样的开关元件36a～36c的接通断开的切换。

开关元件36a被断开时通过蓄积在电抗器21a的磁能而产生的感应电压叠加于FC10的输出电压，对INV9施加比FC10的输出电压高的电压。对于开关元件36b及36c、以及电抗器21b及21c也同样。ECU4以开关元件36a～36c依次接通的方式发送控制信号，对FC10的输出电压依次叠加感应电压。由此，输入至INV9的电压被维持得高于FC10的输出电压。其中，电容器24连接于二极管37a～37c和INV9的正极侧之间与INV9的负极侧之间，实现减少电压变动的作用。

[转换器电路的驱动数目]

图3B是表示仅一个转换器电路20a在进行驱动的情况下的流动至电抗器21a的电流Ia的推移的图。ECU4将开关元件36b及36c维持成总是断开，能够通过仅对开关元件36a进行接通断开控制来仅驱动转换器电路20a。即，通过对开关元件36a～36c中的被控制成总是断开的开关元件的数目进行控制，能够控制转换器电路20a～20c的驱动数目。图3C是规定了向FDC20的输入电流与转换器电路20a～20c的驱动数目的关系的映射。如图3C所示，向FDC20的输入电流越增大，则ECU4使转换器电路20a～20c的驱动数目越增大。转换器电路20a～20c中分别存在从输入电力向输出电力的转换效率良好的范围，向FDC20的输入电流越增大则越增大转换器电路20a～20c的驱动数目，以便能够在该范围使用转换器电路20a～20c的至少一个。其中，例如在转换器电路20a～20c中的仅1个进行驱动的情况下，并不局限于总是相同的转换器电路20a被驱动，也可以切换成其他转换器电路20b或者20c。在驱动转换器电路20a～20c中的2个的情况下也同样。

此外，ECU4取得由电流传感器10A测定出的向FDC20的输入电流值，所取得的输入电流值越增大，则使转换器电路20a～20c的驱动数目越增大，但并不限定于此。例如，也可以是向FDC20的输入电力值越增大，或者向FDC20的输入电压值越降低，则使转换器电路20a～20c的驱动数目越增大。另外，还可以是FDC20的目标输出电流值越增大，或者FDC20的目标输出电力值越增大，或者FDC20的目标输出电压值越增大，或者FDC20的目标升压比越增大，则使转换器电路20a～20c的驱动数目越增大。另外，上述的输入电流值、输入电力值以及输入电压值可以是测定值，也可以是目标值。

[异常诊断]

在规定的开始条件成立时，ECU4执行对转换器电路20a～20c是否异常进行诊断的异常诊断。具体而言，基于转换器电路20a～20c全部进行了驱动的状态下在电抗器21a～21c各自流动的电流值的平均值是否处于正常范围内，来诊断转换器电路20a～20c是正常还是异常。

图4A是表示仅一个转换器电路20a进行驱动而流动至电抗器21a的电流Ia的推移的图。在图4A中，表示了流动至电抗器21a的电流Ia比图3B所示的情况小的情况。设想根据上述的图3C所示的映射仅驱动转换器电路20a并将开关元件36a的占空比设定成比率Ea的情况。例如在这样的情况下，即便执行异常诊断，也无法对停止的转换器电路20b及20c诊断是否异常。为此，需要使异常诊断待机至转换器电路20a～20c全部进行驱动为止。因此，在执行异常诊断时，不考虑图3C所示的映射而例外地考虑驱动全部的转换器电路20a～20c。在这种情况下，可考虑利用全部的转换器电路20a～20c均等地分担向FDC20的输入电流来进行驱动。图4B是表示利用全部的转换器电路20a～20c均等地分担向FDC20的输入电流来进行驱动的情况下的分别流动至电抗器21a～21c的电流Ia～Ic的推移的图。该情况下的开关元件36a～36c各自的占空比被设定成比率Fa～Fc[％]以便向FDC20的输入电流被全部的转换器电路20a～20c均等地分担。该情况下的FDC20整体的转换效率(以下，称为整体转换效率)比仅驱动转换器电路20a的情况下的整体转换效率降低。对该点进行说明。

[整体转换效率]

图4C是表示转换器电路20a～20c的各转换效率的图表。图4C的横轴表示向转换器电路20a～20c的各输入电流，纵轴表示转换器电路20a～20c的各转换效率[％]。即，以转换器电路20a～20c的转换效率的特性相同的情况为例进行说明。输入电流越增大，则各转换效率越逐渐增大并在规定的输入电流值变为峰值，若输入电流进一步增大，则各转换效率逐渐降低。根据输入电流的大小，各转换效率例如取70～99％的值。

作为前提，如图4C所示，将向一个转换器电路的输入电流为I的情况下的该转换器电路的转换效率设为η

将相对于向FDC20的输入电流I的转换器电路20a的分担率设为α[％]、将转换器电路20b的分担率设为β[％]、将转换器电路20c的分担率设为γ[％]。此时，α+β+γ＝100[％]，α≥0、β≥0、γ≥0成立。在这种情况下，向转换器电路20a的输入电流为I＊α/100，向转换器电路20b的输入电流为I＊β/100，向转换器电路20c的输入电流为I＊γ/100。因此，向FDC20整体的输入电流I能够如以下所示。

I＝(I＊α/100)+(I＊β/100)+(I＊γ/100)…(1)

这里，如图4C所示，若将向转换器电路20a的输入电流为I＊α/100的情况下的转换器电路20a的转换效率设为η

η

如图4A那样，在以向FDC20的输入电流I仅转换器电路20a进行驱动的情况下，各分担率为α＝100、β＝γ＝0，向转换器电路20a的输入电流为I。根据式(2)，整体转换效率η

η

接下来，设想由转换器电路20a～20c均等地分担向FDC20的输入电流I的情况。该情况下，各分担率为α＝β＝γ＝100/3，向转换器电路20a～20c各自的输入电流为I/3。因此，整体转换效率η

ηT＝(η

如上所述，由于η

这里，ECU4以整体转换效率大于η

此外，在图5的例子中，以分担率α最大、分担率γ最小的情况为例进行了表示，但并不局限于此，分担率α、β以及γ中的任意一个可以最大，任意一个也可以最小。另外，分担率α、β以及γ中的2个可以是相同的值。

另外，以转换器电路20a～20c的各转换效率特性相同的情况为例进行了表示，但并不限定于此。该情况下，基于转换器电路20a～20c各自的转换效率特性来决定各分担率，以便整体转换效率在不均等分担时比均等分担时提高。另外，当在仅转换器电路20a及20b进行驱动而转换器电路20c停止时异常诊断的开始条件成立的情况下，以整体转换效率在不均等分担时比均等分担时提高的方式决定各分担率。不均等分担时的分担率α、β以及γ被存储于ECU4的存储器，但并不局限于此，也可以在异常诊断的开始时，通过代入法等来计算整体转换效率在不均等分担时比均等分担时提高的分担率α、β以及γ。

[异常诊断控制]

图6是表示ECU4所执行的异常诊断控制的一个例子的流程图。每隔规定时间便反复执行该控制。ECU4对异常诊断的开始条件是否成立进行判定(步骤S1)。异常诊断的开始条件例如是：(1)从执行上次的异常诊断起经过规定时间；(2)是向FC10的请求输出稳定的状态、即处于未进行FC10的请求输出过渡地变化的紧急加速、减速的状态；(3)处于FDC20正进行驱动的状态。在步骤S1中为否的情况下，本控制结束。

在步骤S1中为是的情况下，ECU4对转换器电路20a～20c的驱动数目是否为1以上2以下进行判定(步骤S2)。转换器电路20a～20c的驱动数目可以参照图3C所示的映射并根据由电流传感器10A测定出的向FDC20的输入电流值来进行判定。另外，可以基于电流传感器22a～22c的测定值来判定流动有电流的电抗器21a～21c的数目，并将其判定为转换器电路20a～20c的驱动数目。步骤S1以及S2的处理是判定部所执行的处理的一个例子。

在步骤S2中为是的情况下，ECU4决定用于不均等地分担向FDC20的输入电流的分担率并执行对转换器电路20a～20c进行驱动的不均等驱动处理(步骤S3)。步骤S3的处理是决定部以及执行部所执行的处理的一个例子。在步骤S2为否的情况下、即在转换器电路20a～20c全部进行驱动的情况下，不执行步骤S3的处理。

接下来，ECU4执行诊断处理(步骤S4)。在诊断处理中，对转换器电路20a～20c分别诊断是否异常。例如，转换器电路20a的诊断如以下那样进行。对由电流传感器22a测定出的电流值的平均值是否包含在正常范围进行判定，当包含在正常范围的情况下，诊断为转换器电路20a正常，在不包含在正常范围的情况下，诊断为转换器电路20a异常。转换器电路20b以及20c的判定也同样。这里，正常范围是流动至正常时的转换器电路的电抗器的电流的平均值所能够取的范围。该正常范围可以基于向FDC20的输入电流值和转换器电路的分担率来计算，也可以预先通过实验取得并存储于ECU4的存储器。其中，各电流值的平均值通过将以开关元件的接通断开的1个周期的时间对电流值进行积分所得的值除以该1个周期的时间来计算。

其中，当在开始条件成立时全部转换器电路20a～20c正进行驱动的情况下(在步骤S2中为否)，视为分担率为α＝β＝γ＝(100/3)，根据映射取得正常范围，或者计算正常范围。

接下来，ECU4对转换器电路20a～20c是否全部正常进行判定(步骤S5)。在判定为转换器电路20a～20c全部正常的情况下，ECU4判定为FDC20正常(步骤S6)。若做出了正常判定，则正常标志有效(ON)，例如正常标志为有效的时刻被用于为了执行下次的诊断控制的时刻的起算时间。若判定为转换器电路20a～20c的至少一个不正常，则ECU4判定为FDC20异常(步骤S7)。若做出了异常判定，则异常标志有效，例如可以停止FC10的发电、FDC20的驱动而利用BAT7的电力来使车辆跛行行驶，通过使设置于车厢内的警告灯点亮等来向驾驶员催促FDC20的检查、修理。步骤S4～S7的处理是诊断部所执行的处理的一个例子。

接下来，ECU4对是否处于不均等驱动处理的执行中进行判定(步骤S8)。在步骤S8中为否的情况下、即在步骤S2中为否而未执行不均等驱动处理的情况下，本控制结束。在步骤S8中为是的情况下，ECU4执行恢复处理(步骤S9)。恢复处理是停止不均等驱动处理而按照执行不均等驱动处理之前的驱动数目和分担率来使转换器电路20a～20c向原来的驱动状态恢复的处理。在恢复处理的执行后，本控制结束。如以上那样，即便是至少一个转换器电路在进行驱动但至少一个转换器电路停止的状态，通过以整体转换效率提高的方式执行不均等分担处理，也能够既抑制整体转换效率的降低又尽早执行异常诊断。

例如，优选在开始条件成立时的驱动数目为1的情况下，使任1个转换器电路的分担率为90％以上来执行不均等驱动处理。这是因为在开始条件成立时的驱动数目仅为1的情况下，从整体转换效率的观点考虑利用1个转换器电路进行驱动是优良的状态，通过在该情况下使任1个转换器电路的分担率为90％以上，能够抑制不均等驱动处理的执行中的整体转换效率的减少。基于同样的理由，优选在开始条件成立时的驱动数目为2的情况下，使任2个转换器电路的分担率的总计为90％以上来执行不均等驱动处理。即，优选使与开始条件成立时的驱动数目相同数目的转换器电路的分担率的总计为90％以上来执行不均等驱动处理。

在图5所示的例子中，以不连续模式控制了全部的转换器电路20a～20c，但优选至少以不连续模式控制分担率最小的转换器电路。这里，不连续模式是在转换器电路的电抗器中流动的电流不连续地流动的驱动模式，例如是如图4A的电抗器21a、图4B以及图5的电抗器21a～21c那样在1个周期内存在电流为零的情况的状态。连续模式是指在转换器电路的电抗器中流动的电流连续地流动的驱动模式，是如图3A、图4B那样电流不为零的状态。当在连续模式下该转换器电路的开关元件从断开切换成接通时，虽然在电抗器中流动的电流从降低的状态切换成增大的状态，但此时损耗增大。与此相对，当在不连续模式下转换器电路的开关元件从断开切换为接通时，由于在电抗器中流动的电流值为零，所以可抑制这样的损耗的产生。由此，该转换器电路中的转换效率提高。其中，图4C所示的转换效率特性还考虑了这样的损耗。

例如，能够根据是否满足以下的公式来对是不连续模式还是连续模式进行判定。

(占空比/100)≤1-(VL/VH)…(5)

VL是向转换器电路的输入电压。VH是来自转换器电路的升压后的输出电压。在满足式(5)的情况下能够判定为是不连续模式，在不满足式(5)的情况下能够判定为是连续模式。此外，上述的判定并不局限于此，也可以根据是否存在在不均等驱动处理的执行中由电流传感器22a～22c测定出的各电流值在1个周期内为零的期间来进行判定。另外，当转换器电路20a～20c中的全部在不均等驱动处理的执行中为连续模式的情况下，ECU4可以再次重新选择分担率α、β以及γ，以便转换器电路20a～20c的至少一个或者全部成为不连续模式。另外，当电抗器21a～21c中的至少2个在不均等驱动处理的执行中为连续模式的情况下，可以再次重新选择分担率α、β以及γ，以便至少2个或者全部成为不连续模式。另外，可以从预先存储于ECU4的存储器的映射除去转换器电路20a～20c的全部或者至少一个成为连续模式的分担率。

在诊断处理的执行中分别流动至电抗器21a～21c的电流值的大小需要是ECU4经由电流传感器22a～22c能够确认的最小的电流值以上，考虑输入电流I的大小来选择分担率α、β以及γ，以便不会小于该最小电流值。另外，由于存在实际的占空比因从ECU4向开关元件36a～36c供给的接通信号的延迟与断开信号的延迟之差而比所希望的值降低、导致电抗器21a～21c的各电流值降低的可能性，所以考虑该情况而考虑输入电流I的大小来选择分担率α、β以及γ。

在上述实施例中，以设置有3个转换器电路20a～20c的情况为例进行了说明，并不局限于此，也可以设置有4个以上转换器电路。

在上述实施例中，作为控制FDC20的控制装置的一个例子，对统一控制搭载于车辆的燃料电池系统1整体的ECU4进行了说明，但并不局限于此，例如也可以是与这样的ECU4独立地设置并具备控制FDC20的CPU、ROM、RAM的计算机。另外，作为电源系统的一个例子，对搭载于车辆的燃料电池系统1进行了说明，但并不局限于此，也可以是固定型的燃料电池系统。

在上述实施例中，使用了固体高分子型燃料电池亦即FC10作为电源，但也可以使用固体高分子型燃料电池以外的燃料电池，也可以使用锂离子电池、镍氢电池那样的蓄电池。

以上，对本发明的实施例进行了详述，但本发明并不限定于上述的特定的实施例，能够进行各种变形、变更。