JP6984553B2 - 昇圧コンバータ - Google Patents

Description

本明細書は、電流センサのオフセット制御が可能な昇圧コンバータを開示する。

ＨＶ（Hybrid Vehicle）システム、ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle）システム、ＦＣ（Fuel Cell）システムでは、二次電池や燃料電池の出力電圧を、走行用モータに適した電圧まで昇圧コンバータで昇圧している。また、電流センサにより、充放電電流を計測することで、電力収支を制御している。関連する技術として、特許文献１の技術が挙げられる。

特開２０１１−２１７５４３号公報

電流センサの計測値には、電流センサが備える磁性コアの残留磁束によってヒステリシス誤差が含まれてしまう。ヒステリシス誤差により、電力収支にずれが発生してしまう。二次電池に接続されている昇圧コンバータでは、二次電池への回生制御を行うため、二次電池からの出力電流方向が正方向（力行）および負方向（回生）に変化する。よって磁性コアを消磁できるため、ヒステリシス誤差をキャンセルできる。しかし、燃料電池に接続されている昇圧コンバータでは、燃料電池への回生制御を行わないため、燃料電池からの出力電流方向は正方向（力行）のみである。電流センサの磁性コアを消磁できないため、ヒステリシス誤差をキャンセルすることができない。本明細書は、燃料電池に用いられる電流センサにおいて、残留磁束による測定誤差を補正する技術を提供する。

本明細書が開示する昇圧コンバータは、燃料電池に接続され、燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータである。昇圧コンバータは、磁性コアを備え、燃料電池の出力電流を検出する電流センサを備える。昇圧コンバータは、電流センサが検出した出力電流の一定期間内のピーク値を記憶するピークホールド手段を備える。昇圧コンバータは、ピークホールド手段によって記憶されているピーク値に基づいて決定された補正値を用いて、電流センサにより検出される出力電流に含まれている磁性コアの残留磁束によるヒステリシス誤差を補正する補正手段を備える。

燃料電池の出力電流は一方向（力行）のみである。従って燃料電池の出力電流を検出する電流センサの磁性コアを消磁できないため、残留磁束によるヒステリシス誤差は、一度発生すると値は変化しない。そして、前回の最大電流値を超える電流が流れると、その電流値に応じてヒステリシス誤差は大きくなる特性を有している。本明細書が開示する昇圧コンバータでは、ピークホールド手段によって、常に最大電流値を更新している。そして、ピークホールド手段によって記憶されているピーク値に基づいて補正値を決定することで、最大電流値が更新されるたびに補正値も更新することができる。よって、電流通電履歴に応じて変化する残留磁束によるヒステリシス誤差を、補正値を用いてタイムリーに、電流センサの検出値からキャンセルすることが可能となる。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。

実施例の電源システムを含む燃料電池車の電力系のブロック図である。 リアクトルに流れる電流の波形図である。 燃料電池および二次電池から充放電される電流の波形図である。 磁性コアの残留磁束のヒステリシス特性を示す図である。 ヒステリシス誤差曲線を示す図である。 コントローラが実行する具体動作のフローチャートである。 測定電流値、更新フラグ、電流ピークホールド値の関係を示す図である。

（電源システムの構造）
図面を参照して実施例の電源システム２を説明する。図１に、電源システム２を含む燃料電池車１００の電力系のブロック図を示す。図１において、モータ２２以外の回路が電源システム２である。図１において、実線は電力線を示しており、矢印破線は信号線を示している。

燃料電池車１００は、モータ２２で走行する。モータ２２は、燃料電池７の電力、あるいはメインバッテリ３の電力で駆動される。なお、図１では、燃料電池７を単純な記号で示しているが、ここでの「燃料電池７」は、水素を蓄える水素タンク、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック、燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給器、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給器など、複数のデバイスの集合体である。

一般に、自動車には、運転者のアクセルワークに応答して駆動力をゼロから最大駆動力の間で急激に変化させる能力が要求される。一方、燃料電池は、その出力を急激に変えることが難しい。そのため、燃料電池車は燃料電池に加えてバッテリを備える。実施例の燃料電池車１００も、メインバッテリ３を備えている。メインバッテリ３は、再充電可能な二次電池であり、例えば、リチウムイオン電池、あるいは、ニッケル水素電池である。

燃料電池７の出力電圧は、例えば、２００〜３００ボルトである。また、メインバッテリ３の出力電圧は、例えば３００ボルトである。一方、走行用のモータ２２の最大駆動電圧は６００ボルトである。メインバッテリ３と燃料電池７は、電圧コンバータ（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、ＦＣ用電圧コンバータ８）を介してインバータ６に並列に接続されている。インバータ６は、昇圧されたメインバッテリ３の直流電力、及び／又は、昇圧された燃料電池７の直流電力を、モータ２２の駆動に適した交流電力に変換し、モータ２２に供給する。モータ２２は、三相交流モータである。なお、以下、説明を簡単にするために、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を単純に「ＤＣコンバータ１０」と称する場合がある。

（ＦＣ用電圧コンバータ８）
ＦＣ用電圧コンバータ８は、燃料電池７の直流電力の電圧をモータ駆動に適した電圧まで昇圧し、インバータ６に供給する。ＦＣ用電圧コンバータ８では、トランジスタ８４のオンオフにより昇圧動作が実現する。ＦＣ用電圧コンバータ８の動作はよく知られているので、詳しい説明は省略する。

ＦＣ用電圧コンバータ８は、リアクトル８１、電流センサ８２、整流ダイオード８３、トランジスタ８４、還流ダイオード８５、コントローラ８６を有している。トランジスタ８４は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、逆方向には電流が流れない。トランジスタ８４には、還流ダイオード８５が逆並列接続されている。還流ダイオード８５は、トランジスタ８４の逆方向の電流をバイパスさせるために備えられている。リアクトル８１の一端は、燃料電池７の正極に接続されている。リアクトル８１の他端は、電流センサ８２を介して、整流ダイオード８３とトランジスタ８４の直列接続の中点Ｎ１に接続されている。整流ダイオード８３の中点Ｎ１と反対側の端部は、正極１２ａに接続されている。トランジスタ８４の中点Ｎ１と反対側の端部は、負極１２ｂおよび燃料電池７の負極に接続されている。

電流センサ８２は、燃料電池７の出力電流を測定するセンサである。電流センサ８２は、不図示の磁性コアとホール素子とを備えている。磁性コアは、通電電流が回路周辺に発生させる磁束を集束して測定感度を高めるための部材である。ホール素子は、磁性コアにより集束させた磁束の磁界を検出する素子である。

コントローラ８６には、電流センサ８２の測定データが入力される。またコントローラ８６は、トランジスタ８４のゲート駆動信号を出力する。コントローラ８６は、ＥＥＰＲＯＭ８７とＣＰＵ８８とＲＡＭ８９を備える。コントローラ８６は、ピークホールド手段および補正手段として機能する。ピークホールド手段は、電流センサ８２が測定した測定電流の一定期間内のピーク値をＲＡＭ８９およびＥＥＰＲＯＭ８７に記憶する手段である。補正手段は、ＲＡＭ８９に記憶されているピーク値に基づいて決定されたヒステリシス補正値を用いて、電流センサにより測定される測定電流値に含まれているヒステリシス誤差を補正する手段である。ヒステリシス誤差については後述する。

コントローラ８６は、補正手段によって補正された測定値を用いることで、燃料電池７の目標発電電力を正確に算出できる。そして目標発電電力に基づいて生成したゲート駆動信号を、トランジスタ８４に供給することができる。

（ＤＣコンバータ１０）
ＤＣコンバータ１０は、低電圧端１１に印加された電力を昇圧して高電圧端１２に出力する昇圧機能と、高電圧端１２に印加された電力を降圧して低電圧端１１に出力する降圧機能の両方を備える。降圧機能は、燃料電池７の出力電力のうち、モータ２２の駆動に用いられなかった余剰電力をメインバッテリ３に充電するときに利用される。また、降圧機能は、車両の減速エネルギを使ってモータ２２が発電したとき、発電によって得られた回生電力をメインバッテリ３に充電するときにも利用される。高電位側のトランジスタ１６ａのオンオフにより降圧動作が実現し、低電位側のトランジスタ１６ｂのオンオフにより昇圧動作が実現する。ＤＣコンバータ１０の動作はよく知られているので、詳しい説明は省略する。

ＤＣコンバータ１０は、２個のトランジスタ１６ａ、１６ｂ、２個のダイオード１７ａ、１７ｂ、リアクトル１５、フィルタコンデンサ１４、平滑コンデンサ５を備えている。ＤＣコンバータ１０は、その低電圧端１１がメインバッテリ３に接続されており、高電圧端１２がインバータ６に接続されている。ＤＣコンバータ１０とインバータ６の間に、平滑コンデンサ５が並列に接続されている。２個のトランジスタ１６ａ、１６ｂは、高電圧端１２の正極１２ａと負極１２ｂの間で直列に接続されている。トランジスタ１６ａ、１６ｂは、ＩＧＢＴである。トランジスタ１６ａにダイオード１７ａが逆並列に接続されており、トランジスタ１６ｂにダイオード１７ｂが逆並列に接続されている。リアクトル１５の一端は、トランジスタ１６ａ、１６ｂの直列接続の中点に接続されている。リアクトル１５の他端は、低電圧端１１の正極１１ａに接続されている。フィルタコンデンサ１４は、低電圧端１１の正極１１ａと負極１１ｂの間に接続されている。

（燃料電池および二次電池における検出電流の特徴）
図２に、昇圧コンバータに備えられたリアクトルに流れる電流の波形図を示す。図２の縦軸は電流を示しており、中心が０Ａである。実線で示すリアクトル電流ＲＩ１は、燃料電池に接続された昇圧コンバータのリアクトル電流である。点線で示すリアクトル電流ＲＩ２は、二次電池に接続された昇圧コンバータのリアクトル電流である。また図３に、燃料電池および二次電池から充放電される電流の波形図を示す。図２の縦軸において上側が力行（すなわち放電）、下側が回生（すなわち充電）を示している。実線で示す燃料電池電流ＦＩは、燃料電池から放電される電流である。点線で示す二次電池電流ＳＩは、二次電池から充電および放電される電流である。

二次電池は再充電が可能であるが、燃料電池は再充電が可能ではない。従って、図２および図３に示すように、二次電池に接続された昇圧コンバータでは、二次電池への回生制御を行うため、リアクトル電流ＲＩ２や二次電池電流ＳＩは、正（力行）および負（回生）に変化する。一方、燃料電池に接続された昇圧コンバータでは、燃料電池への回生制御を行わないため、リアクトル電流ＲＩ１や燃料電池電流ＦＩは、正方向（力行）のみである。

（電流センサの特性）
図４および図５を用いて、電流センサ８２の一般的な特性を説明する。図４のグラフの横軸は通電電流（すなわち被測定電流）であり、縦軸は電流センサ８２の測定値（すなわち出力電圧）である。図４は、磁性コアの残留磁束のヒステリシス特性を示している。具体的には、被測定電流が負方向から正方向に変化するときの曲線Ｌ１と、被測定電流が正方向から負方向に変化するときの曲線Ｌ２とが、異なる曲線となる。そして、曲線Ｌ１とＬ２との差が、ヒステリシス誤差となる。

図５グラフの横軸は通電電流（すなわち被測定電流）であり、縦軸はヒステリシス誤差である。ヒステリシス誤差曲線ＨＣ１〜ＨＣ３は、通電電流とヒステリシス誤差との関係を示す曲線である。ヒステリシス誤差曲線ＨＣ１は、負のピーク電流Ｐ１１または正のピーク電流Ｐ１２によって発生した曲線である。ヒステリシス誤差曲線ＨＣ２は、負のピーク電流Ｐ２１または正のピーク電流Ｐ２２によって発生した曲線である。ヒステリシス誤差曲線ＨＣ３は、負のピーク電流Ｐ３１または正のピーク電流Ｐ３２によって発生した曲線である。ヒステリシス誤差曲線がグラフ上に占める面積は、通電電流のピーク値の大きさに比例して大きくなる特性がある。すなわちヒステリシス誤差曲線ＨＣ１〜ＨＣ３は、この順に、しだいに大きくなる通電電流によって発生している誤差曲線である。図５のヒステリシス誤差曲線Ｈ３に示すように、ヒステリシス誤差値は、被測定電流が「０Ａ」のときに最大値Ｅ１となる。また負のピーク電流Ｐ３１や、正のピーク電流Ｐ３２では、ヒステリシス誤差値が最小（０）となる。

そして図２および図３で説明したように、燃料電池に接続された昇圧コンバータでは、被測定電流は正方向（力行）のみに流れる。すると、図５において使用する領域は、斜線部で示した第１象限の領域Ａ１のみとなる。この場合、ヒステリシス誤差曲線は一度発生すると、消磁されないため変化しない。そして、前回の最大電流値を超える電流が流れると、その電流値に応じてヒステリシス誤差曲線の面積が大きくなる特性を有している。すなわちヒステリシス誤差曲線は、ヒステリシス誤差曲線ＨＣ１からＨＣ３へ大きくなる方向へのみ変化する。

なお、図５のヒステリシス誤差曲線ＨＣ１〜ＨＣ３は一例である。様々なピーク電流に応じた多数のヒステリシス誤差曲線が存在する。そしてＥＥＰＲＯＭ８７は、多数のヒステリシス誤差曲線を誤差マップとして記憶している。換言すると、誤差マップを用いれば、あるピーク電流値に対応するヒステリシス誤差曲線を一義に特定することができる。

（具体動作例）
図６および図７を用いて、実施例の電源システム２の動作例を説明する。図６に、車両のメインスイッチがオンされてからオフされるまでの処理のフローチャートを示す。図６の処理は、車両のメインスイッチ（不図示）がオンされると開始される。Ｓ１０〜Ｓ３０までのステップはシステム起動時の処理であり、Ｓ４０〜Ｓ１３０までのステップは走行中の処理である。

Ｓ１０においてＣＰＵ８８は、前トリップの最終の電流ピークホールド値をＥＥＰＲＯＭ８７から読み出し、現在の電流ピークホールド値としてＲＡＭ８９に記憶する。Ｓ２０においてＣＰＵ８８は、電流ピークホールド値に対応するヒステリシス誤差曲線を決定し、ＲＡＭ８９に記憶させる。これは、前述したように、ＥＥＰＲＯＭ８７に記憶されている誤差マップを用いることで実現可能である。

Ｓ３０においてＣＰＵ８８は、オフセット学習値αを決定する。オフセット学習値αは、燃料電池７の出力電流が０の時の検出誤差を検出し、その誤差を修正するための値である。オフセット学習値αの決定方法はよく知られているので、詳しい説明は省略する。

Ｓ４０においてＣＰＵ８８は、電流センサ８２から測定電流値Ｉ１を受信する。図７（Ａ）に示すように、測定電流値Ｉ１はリプル波形を有しており、ピーク値が複数存在する。

Ｓ５０においてＣＰＵ８８は、測定電流値Ｉ１のピーク値がＲＡＭ８９に記憶されている電流ピークホールド値を超えているか否かを判断する。そして超えている場合には更新フラグを立てる。更新フラグが立った場合（Ｓ５０：ＹＥＳ）にはＳ６０へ進む。Ｓ６０においてＣＰＵ８８は、測定電流値Ｉ１のピーク値を、新たな電流ピークホールド値としてＲＡＭ８９に上書き記憶する。図７の例では、時刻ｔ１において、測定電流値Ｉ１のピーク値ＩＰ１がＲＡＭ８９に記憶されている電流ピークホールド値ＰＨ１を超えたと判断され、更新フラグＦ１が立てられる（図７（Ｂ））。従って、電流ピークホールド値がＰＨ１からＰＨ２へ更新される（図７（Ｃ））。同様に、時刻ｔ２においても測定電流値Ｉ１のピーク値ＩＰ２が電流ピークホールド値ＰＨ２を超えたと判断され、更新フラグＦ２が立てられ、電流ピークホールド値がＰＨ２からＰＨ３へ更新される。

Ｓ７０においてＣＰＵ８８は、電流ピークホールド値に対応するヒステリシス誤差曲線を決定する。これは、前述したように、ＥＥＰＲＯＭ８７に記憶されている誤差マップを用いることで実現可能である。Ｓ８０においてＣＰＵ８８は、決定したヒステリシス誤差曲線をＲＡＭ８９に上書き記憶させる。これによりヒステリシス誤差曲線が更新される。そしてＳ１００へ進む。

一方、Ｓ５０で更新フラグが立たなかった場合（Ｓ５０：ＮＯ）には、Ｓ９０へ進み、ヒステリシス誤差曲線を現状維持する。そしてＳ１００へ進む。

Ｓ１００においてＣＰＵ８８は、Ｓ４０で測定された測定電流値Ｉ１と記憶されているヒステリシス誤差曲線から、ヒステリシス補正値βを決定する。Ｓ１１０においてＣＰＵ８８は、測定電流値Ｉ１を補正する。具体的には、測定電流値Ｉ１に、Ｓ３０で決定したオフセット学習値αと、Ｓ１００で決定したヒステリシス補正値βを加算する。

Ｓ１２０においてＣＰＵ８８は、車両のメインスイッチがオフされたか否かを判断する。否定判断される場合（Ｓ１２０：ＮＯ）にはＳ４０へ戻り、肯定判断される場合（Ｓ１２０：ＹＥＳ）にはＳ１３０へ進む。Ｓ１３０においてＣＰＵ８８は、ＲＡＭ８９に記憶されている電流ピークホールド値をＥＥＰＲＯＭ８７に記憶させる。これにより、電流ピークホールド値を次トリップまで保存できる。

（効果）
本明細書が開示するＦＣ用電圧コンバータ８では、ピークホールド手段として機能するコントローラ８６によって、常に電流ピークホールド値を更新している（Ｓ６０）。そして、更新された電流ピークホールド値に基づいて誤差マップを参照することにより、最適なヒステリシス誤差曲線を決定することができるとともに（Ｓ７０）、決定したヒステリシス誤差曲線からヒステリシス補正値βを決定することができる（Ｓ１００）。よって、電流通電履歴に応じて変化する残留磁束によるヒステリシス誤差を、タイムリーに、測定電流値Ｉ１からキャンセルすることが可能となる。

前トリップの電流ピークホールド値をＥＥＰＲＯＭ８７に記憶させるとともに（Ｓ１３０）、前トリップの最終の電流ピークホールド値を読み出すことで（Ｓ１０）、前トリップで決定していたヒステリシス誤差曲線を次トリップにも引き継ぐことが可能となる（Ｓ２０）。これにより、電流センサ８２の磁性コアには残留磁束が残っているのに誤差補正量が０となってしまうことで、測定電流値Ｉ１の誤差が拡大してしまう、といった事態の発生を抑制することができる。

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。

（変形例）
Ｓ１０では、前トリップの最終の電流ピークホールド値を読み出すとしたが、この形態に限られない。例えば前トリップの最終のヒステリシス誤差曲線を読み出してもよい。この場合、Ｓ２０の処理を省略することができる。

２：電源システム ３：メインバッテリ ６：インバータ ７：燃料電池 ８：ＦＣ用電圧コンバータ １０：ＤＣコンバータ（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ） ２２：モータ ８１：リアクトル ８２：電流センサ ８６：コントローラ ８７：ＥＥＰＲＯＭ ８８：ＣＰＵ ８９：ＲＡＭ １００：燃料電池車

Claims (1)

1. 燃料電池に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータであって、
   磁性コアを備え、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
   前記電流センサが検出した前記出力電流の一定期間内のピーク値を記憶するピークホールド手段と、
   前記ピークホールド手段によって記憶されているピーク値に基づいて決定された補正値を用いて、前記電流センサにより検出される前記出力電流に含まれている前記磁性コアの残留磁束によるヒステリシス誤差を補正する補正手段と、
   を備える昇圧コンバータ。

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