JP2022037555A - 制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルの種類に関わらず、共通の制御回路での制御が可能となるコンバータの制御装置を提供する。【解決手段】コンバータの制御装置であって、前記コンバータは、１相又は複数相の変換回路を有し、前記変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定する磁気結合判定部と、前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータの制御方法を変更する制御部と、を備えることを特徴とする制御装置。【選択図】図１

Description

本開示は、コンバータの制御装置に関する。

燃料電池車両等の車両に車載されて用いられるシステムに備えられるコンバータに関して種々の研究がなされている。
コンバータの制御部は、リアクトルに流れる電流を検出し、検出結果に基づいて、スイッチング素子のデューティを調節するフィードバック制御を行い、より多くの電流を引き出せるように動作している。このような動作を、負荷からの要求に対して応答よく電力変換するため、リアクトルの特性に応じて別々の制御回路を使い分けることが一般的である。
例えば特許文献１では、負荷の要求に応じ、電力変換部の制御部が昇圧回路又は降圧回路に切り替える、という技術が開示されている。

また、特許文献２では、リアクトルの電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させる技術が開示されている。

特開２００４－２８２８３５号公報 特開２０１８－０９８８５５号公報

自動車等の車両用の電力変換装置（コンバータ）に対しては搭載スペースの制限から小型化が要求されており、そのアイテムとして複数相のインダクタ（コイル）を単一の磁性体コアに巻線を集約し結合インダクタとした磁気結合リアクトルが検討されている。その一方で、磁気結合リアクトルは巻線を集約する分、発熱の大きさ、及び、漏れ磁束等を考慮する必要があるため、これらの問題がクリアできない場合は、単一の磁性体コアに単一の巻線で構成される非磁気結合リアクトルを従来通り適用することも考えられる。
したがって、用途が自動車か否か、用途が自動車の場合でも車種及び搭載位置等によってそれぞれに適したコンバータが必要となり、それによってリアクトルが磁気結合タイプ、非磁気結合タイプ、またはそれらの併用といった使い分けをすることが考えられる。
磁気結合リアクトルが搭載されたコンバータと非磁気結合リアクトルが搭載されたコンバータとでは、それぞれ異なる制御条件を有する制御装置を組み込む必要があり、従来技術ではリアクトルの種類等に応じてそれぞれに制御回路を準備する必要がある。
今後、コンバータは他の自動車部品と同様に外販したり、修理したり、さらにはユーザーが任意にコンバータをカスタマイズしたり、といった場面が想定される。そのような場合、コンバータを構成するリアクトル及び制御回路等が上記のような自動車部品とセットで流通されることは必ずしも望ましくなく、必要な出力及び搭載スペース等によってリアクトルを使い分けることを可能にしつつ、共通の制御回路でのコンバータの制御が望まれる。しかし、特許文献１～２に開示の技術は、リアクトルの種類が異なるものではなく、リアクトルの種類に関わらず共通の制御回路でコンバータを制御する技術ではない。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、リアクトルの種類に関わらず、共通の制御回路での制御が可能となるコンバータの制御装置を提供することを主目的とする。

本開示においては、コンバータの制御装置であって、
前記コンバータは、１相又は複数相の変換回路を有し、
前記変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定する磁気結合判定部と、
前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータの制御方法を変更する制御部と、を備えることを特徴とする制御装置を提供する。

本開示の制御装置においては、前記制御部は、前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータのフィードフォワード制御、フィードバック制御、及び、シャットダウン制御からなる群より選ばれる少なくとも１種の制御方法を変更してもよい。

本開示の制御装置においては、非磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ１、磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ２、磁気結合リアクトルの相互インダクタンスをＭとしたとき、
前記磁気結合判定部が前記変換回路が前記磁気結合回路であると判定したときに、前記制御部は、前記フィードバック制御として、前記磁気結合判定部が前記変換回路の前記リアクトルが磁気結合されていない状態である非磁気結合回路であると判定したときと比較して、フィードバックゲインを（Ｌ２－Ｍ）／Ｌ１倍になるように変更してもよい。

本開示の制御装置においては、複数相の前記変換回路のそれぞれが故障しているか否かを判定する故障判定部を備え、
前記制御部は、前記シャットダウン制御として、前記磁気結合判定部が前記変換回路が磁気結合回路であると判定し、且つ、前記故障判定部が１相以上の前記変換回路が故障していると判定したときに、故障した変換回路の動作を停止し、且つ、故障した当該変換回路と互いに磁気結合している１相又は複数相の他の変換回路の動作を停止してもよい。

本開示の制御装置においては、前記制御部が複数相の前記変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の前記変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、他の前記変換回路のスイッチ部のＯｎ又はＯｆｆの操作のタイミングで変化した場合に、前記磁気結合判定部は、複数相の前記変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定してもよい。

本開示の制御装置においては、前記制御部が複数相の前記変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の前記変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、当該変換回路のスイッチ部がＯｎ又はＯｆｆに切り替えられた時及び電流値が０になった時以外に変化した場合に、前記磁気結合判定部は、複数相の前記変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定してもよい。

本開示の制御装置においては、前記磁気結合判定部は、前記コンバータの出口電圧が入口電圧の２倍以上であるときに、前記制御部が前記変換回路のデューティ比を０．２５から０．５０に変化させたときの前記コンバータの入口電流の変化が３Ａ以下の場合に、前記変換回路が磁気結合回路であると判定してもよい。

本開示の制御装置においては、前記コンバータの動作中に前記変換回路の運転状態を取得する運転状態取得部を備え、
前記磁気結合判定部は、前記運転状態取得部が取得した前記運転状態に応じて前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。

本開示の制御装置においては、前記運転状態取得部は、前記変換回路の駆動相数を取得し、
前記磁気結合判定部は、前記変換回路の駆動相数に変動があったときに、前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。

本開示の制御装置においては、前記運転状態取得部は、前記コンバータの入口電流値、及び、前記コンバータの入口電圧値からなる群より選ばれる少なくとも一種の運転状態値を取得し、
前記磁気結合判定部は、前記運転状態値が所定の値以上である場合に、前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。

本開示の制御装置によれば、リアクトルの種類に関わらず、共通の制御回路での制御が可能となる。

本開示の制御装置が行う制御の一例を示すフローチャートである。 非磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。 Ｄ≦０．５の場合の磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。 Ｄ＞０．５の場合の磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。 非磁気結合回路におけるデューティ（％）に対するリアクトル平均電流の関係の一例を示す図である。 磁気結合回路におけるデューティ（％）に対するリアクトル平均電流の関係の一例を示す図である。 要求出力と効率の関係、及び各システムにおける運転範囲を示した図である。 本開示の制御装置が行う制御の別の一例を示すフローチャートである。

本開示においては、コンバータの制御装置であって、
前記コンバータは、１相又は複数相の変換回路を有し、
前記変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定する磁気結合判定部と、
前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータの制御方法を変更する制御部と、を備えることを特徴とする制御装置を提供する。

非磁気結合変換回路用制御ソフトで磁気結合変換回路を駆動したり、磁気結合変換回路用制御ソフトで非磁気結合変換回路を駆動したりすると、リアクトルに流れる電流が激しく振動し、リアクトルに過電流が発生する場合がある。これは、非磁気結合変換回路と磁気結合変換回路では、回路の動特性が異なるためである。

図１は本開示の制御装置が行う制御の一例を示すフローチャートである。
図１に示すように本開示では、変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定して、それに応じて制御方法を変更する。これにより、非磁気結合回路でも磁気結合回路でも、共通の制御ソフトでリアクトル電流の振動を抑制し、リアクトルの過電流の発生を抑制できる。
そして、本開示によれば、磁気結合リアクトルが搭載されたコンバータでも、非磁気結合リアクトルが搭載されたコンバータでも、さらにそれら双方が搭載されたコンバータでも、車両の運転開始時または運転中に関わらず、適切かつ精度よくリアクトルのコイルの磁気結合の有無を判別できるため、リアクトルの種類に関わらず、共通の制御回路での制御が可能となる。

本開示の制御装置は、コンバータの制御装置であって、少なくとも、コンバータ、磁気結合判定部、及び、制御部を備え、必要に応じ、さらに、故障判定部、運転状態取得部等を備える。

コンバータは昇圧コンバータであってもよく、降圧コンバータであってもよく、昇降圧コンバータであってもよい。
コンバータは、１相又は複数相の変換回路を備える。コンバータが２相以上の変換回路を有する場合は、各変換回路は互いに並列に接続されていてもよく、各変換回路は互いに磁気結合されていてもよく、磁気結合されていなくてもよい。例えば、コンバータが、並列に接続された２相の変換回路を備え、２相の変換回路が互いに磁気結合可能な変換組である場合、２相のうち１相のみを駆動した場合には、コンバータは非磁気結合回路として振る舞うことになる。
変換回路は、電圧変換を行うための回路であり、リアクトルと、リアクトルに含まれるコアに巻回された１つのコイルへの電流の流れのＯｎ又はＯｆｆを切り替えるためのスイッチ部と、ダイオード等を備え、必要に応じて、リアクトル又はコイルに流れる電流を検知する電流センサ等を備える。変換回路は、複数相の各コイルが１つのリアクトルのコアを共用する場合、これらの変換回路は互いに磁気結合することができる。
リアクトルは、１つのコアと当該コアに巻回された１つ又は複数のコイルを有していてもよい。リアクトルの各コイルは各変換回路の構成の一部であってもよい。また、互いに磁気結合された各磁気結合変換回路の各コイルは、１つのリアクトルのコアを共用していてもよい。コア及びコイルは特に限定されず、従来公知のリアクトルに用いられているコア及びコイルを採用してもよい。
スイッチ部は、スイッチング素子であってもよい。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ、及び、ＭＯＳＦＥＴ等であってもよい。

制御部は、磁気結合判定部の判定結果に応じてコンバータの制御方法を変更する。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。
制御部は、コンバータ、スイッチ部、磁気結合判定部、故障判定部、運転状態取得部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、コンバータと電気的に接続され、コンバータの出力電圧を制御し、車両等から要求される必要電圧を満たす。制御部は、例えば変換回路のスイッチ部をＯｎ又はＯｆｆに切り替え制御することで、変換回路の駆動相数を制御してコンバータの出力電圧を制御する。

制御部が行うコンバータの制御の種類としては、フィードフォワード制御、フィードバック制御、及び、シャットダウン制御等が挙げられる。
制御部は、磁気結合判定部の判定結果に応じてコンバータのフィードフォワード制御、フィードバック制御、及び、シャットダウン制御からなる群より選ばれる少なくとも１種の制御方法を変更してもよい。

フィードフォワード制御としては、例えば、通常昇降圧（非磁気結合昇降圧）と磁気結合昇降圧のそれぞれに対応するフィードフォワードＤｕｔｙの所定の算出式を予め導出し、当該算出式を、各変換回路のリアクトル電流指令値に対応したフィードフォワードＤｕｔｙのデータ群に変換しておき、当該データ群を用いて各変換回路を独立に制御してもよい。
例えば、変換回路が磁気結合回路の場合は、不連続モード時に用いるフィードフォワードＤｕｔｙの所定の算出式を予め導出し、当該算出式を、各リアクトル電流指令値に対応したフィードフォワードＤｕｔｙのデータ群に変換しておき、リアクトル電流指令値を当該データ群に照らし合わせることにより、フィードフォワードＤｕｔｙを決定する等の制御を行ってもよい。

フィードバック制御としては、例えば、磁気結合判定部が変換回路が磁気結合回路であると判定したときに、制御部は、磁気結合判定部が変換回路が非磁気結合回路であると判定したときと比較して、フィードバックゲインを（Ｌ２－Ｍ）／Ｌ１倍になるように変更してもよい。ここで、非磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ１、磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ２、磁気結合リアクトルの相互インダクタンスをＭとする。なお、Ｌ１、Ｌ２、Ｍの値は、あらかじめ制御部に備えられるソフトウェア等に定数として定義しておいてもよい。
フィードバックゲインを（Ｌ２－Ｍ）／Ｌ１倍とする具体的な算出式は以下の通りである。

図２は、非磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。
ＯＮ期間、ＯＦＦ期間のそれぞれのインダクタンスＬのコイルにかかる電圧と電流の経時変化はそれぞれ次の微分方程式（ａ）、（ｂ）で表される。ここでＬはインダクタンス、Ｉはコイルを流れる電流、Ｖ_Ｌは入力電圧（変換前電圧）、Ｖ_Ｈは出力電圧（変換後電圧）、Ｔは時間、Ｄはデューティ比である。
ＯＮ期間：ｄＩ／ｄｔ＝Ｖ_Ｌ／Ｌ・・・（ａ）
ＯＮ時間：ＴＤ
ＯＦＦ期間：ｄＩ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）／Ｌ・・・（ｂ）
ＯＦＦ時間：Ｔ－ＴＤ
ＯＮ期間、ＯＦＦ期間の微分方程式を状態平均すると次の微分方程式（ｃ）となる。
ｄＩ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｌ／Ｌ）Ｄ＋｛（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）／Ｌ｝（１－Ｄ）・・・（ｃ）
これを整理すると非磁気結合回路の方程式は以下の式（１）の通りである。
ｄＩ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）／Ｌ＋（Ｖ_Ｈ／Ｌ）Ｄ・・・（１）
式（１）において、Ｉ＝Ｉ_∞＋ｉ、Ｄ＝Ｄ_∞＋ｄとして定常分と変動分を分ける。定常分は、その定義からｄＩ_∞／ｄｔ＝０であるため、Ｄ_∞＝（Ｖ_Ｈ－Ｖ_Ｌ）／Ｖ_Ｈ＝１－Ｖ_Ｌ／Ｖ_Ｈとなる。そのため、変動分は、下記式（１－１）となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｈ／Ｌ）ｄ・・・（１－１）
これが非磁気結合回路の動特性である。

図３は、Ｄ≦０．５の場合の磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。
図３に示すＴ１期間～Ｔ４期間のそれぞれのインダクタンスＬのコイルにかかる電圧と電流の経時変化はそれぞれ次の微分方程式（ｄ）～（ｇ）で表される。ここでＬはインダクタンス、Ｍは磁気結合リアクトルの相互インダクタンス、Ｉはコイルを流れる電流、Ｖ_Ｌは入力電圧（変換前電圧）、Ｖ_Ｈは出力電圧（変換後電圧）、Ｔは時間、Ｄはデューティ比である。
Ｔ１期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛ＬＶ_Ｌ＋Ｍ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）｝・・・（ｄ）
Ｔ２期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（Ｌ＋Ｍ）（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）・・・（ｅ）
Ｔ３期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛Ｌ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）＋ＭＶ_Ｌ｝・・・（ｆ）
Ｔ４期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（Ｌ＋Ｍ）（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）・・・（ｇ）
Ｔ_１＝Ｔ_３＝ＴＤ
Ｔ_２＝Ｔ_４＝Ｔ／２－ＴＤ
Ｔ１期間～Ｔ４期間の微分方程式を状態平均すると次の微分方程式（ｈ）となる。
ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛ＬＶ_Ｌ＋Ｍ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）｝×Ｄ
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（Ｌ＋Ｍ）（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）×（１／２－Ｄ）
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛Ｌ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）＋ＭＶ_Ｌ｝×Ｄ
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（Ｌ＋Ｍ）（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）×（１／２－Ｄ）・・・（ｈ）
これを整理するとＤ≦０．５の場合の磁気結合回路の方程式は以下の式（２）の通りである。
ｄＩ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）／（Ｌ－Ｍ）＋Ｖ_Ｈ／（Ｌ－Ｍ）×Ｄ・・・（２）

図４は、Ｄ＞０．５の場合の磁気結合昇圧回路の電流波形の一例である。
図４に示すＴ１期間～Ｔ４期間のそれぞれのインダクタンスＬのコイルにかかる電圧と電流の経時変化はそれぞれ次の微分方程式（ｉ）～（ｌ）で表される。なお、各微分方程式中に用いられる記号の意味は、上記微分方程式（ｄ）～（ｇ）で用いられる記号の意味と同じである。
Ｔ１期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（ＬＶ_Ｌ＋ＭＶ_Ｌ）・・・（ｉ）
Ｔ２期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛ＬＶ_Ｌ＋Ｍ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）｝・・・（ｊ）
Ｔ３期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（ＬＶ_Ｌ＋ＭＶ_Ｌ）・・・（ｋ）
Ｔ４期間：ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛Ｌ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）＋ＭＶ_Ｌ｝・・・（ｌ）
Ｔ_１＝Ｔ_３＝ＴＤ－Ｔ／２
Ｔ_２＝Ｔ_４＝Ｔ－ＴＤ
Ｔ１期間～Ｔ４期間の微分方程式を状態平均すると次の微分方程式（ｍ）となる。
ｄＩ／ｄｔ＝｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（ＬＶ_Ｌ＋ＭＶ_Ｌ）×（Ｄ－１／２）
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛ＬＶ_Ｌ＋Ｍ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）｝×（１－Ｄ）
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝（ＬＶ_Ｌ＋ＭＶ_Ｌ）×（Ｄ－１／２）
＋｛１／（Ｌ^２－Ｍ^２）｝｛Ｌ（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）＋ＭＶ_Ｌ｝×（１－Ｄ）・・・（ｍ）
これを整理するとＤ＞０．５の場合の磁気結合回路の方程式は以下の式（３）の通りである。
ｄＩ／ｄｔ＝（Ｖ_Ｌ－Ｖ_Ｈ）／（Ｌ－Ｍ）＋Ｖ_Ｈ／（Ｌ－Ｍ）×Ｄ・・・（３）

式（２）と式（３）は、同じ式となる。これにより、磁気結合回路の場合、時間に対する電流の波形はデューティ比によって異なるが、デューティ比の数値に関わらず磁気結合回路の方程式は同じであることがわかる。
式（２）と式（３）において、Ｉ＝Ｉ_∞＋ｉ、Ｄ＝Ｄ_∞＋ｄとして定常分と変動分を分ける。定常分は、その定義からｄＩ_∞／ｄｔ＝０であるため、Ｄ_∞＝（Ｖ_Ｈ－Ｖ_Ｌ）／Ｖ_Ｈ＝１－Ｖ_Ｌ／Ｖ_Ｈとなる。
変動分は以下の式（２－２）となる。
ｄｉ／ｄｔ＝｛Ｖ_Ｈ／（Ｌ－Ｍ）｝ｄ・・・（２－２）
これが磁気結合回路の動特性である。式（１－１）で示す非磁気結合回路の動特性と式（２－２）で示す磁気結合回路の動特性を比較すると、磁気結合回路の動特性は、非磁気結合回路の動特性に対してちょうど（Ｌ－Ｍ）／Ｌ倍になっていることがわかる。

シャットダウン制御としては、例えば、本開示の制御装置が複数相の変換回路のそれぞれが故障しているか否かを判定することができる故障判定部を備えていてもよく、磁気結合判定部が変換回路が磁気結合回路であると判定し、且つ、故障判定部が１相以上の変換回路が故障していると判定したときに、故障した変換回路の動作を停止し、且つ、故障した当該変換回路と互いに磁気結合している１相又は複数相の他の変換回路の動作を停止する制御を行ってもよい。
すなわち、シャットダウン制御としては、磁気結合回路の場合、特定の駆動相（変換回路）に故障が発生した際、故障した相のほかに、故障相と磁気的に結合している相も、その後の駆動を禁止するように変更する制御を行う。
故障判定部は、複数相の変換回路のそれぞれが故障しているか否かを判定することができるものであれば特に限定されず、制御部がその機能を兼ね備えていてもよい。故障判定部が故障を判定する時期は特に限定されず、磁気結合判定部が変換回路が磁気結合回路であると判定したタイミングであってもよい。

磁気結合判定部は、変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定することができるものであれば特に限定されず、制御部がその機能を兼ね備えていてもよい。
リアクトルが磁気結合された状態とは、リアクトルのコアを複数のコイルが共有し、複数の当該コイルがそれぞれ電気的に接続されている状態を意味する。
一方、リアクトルが磁気結合されていない状態とは、リアクトルのコアを複数のコイルが共有していても、当該コアを共有する各コイルを有する変換回路の組である変換組において、当該変換組に含まれる複数の当該変換回路のうち１相の変換回路のみを駆動している状態であってもよい。また、リアクトルのコアに１つのコイルのみが巻回され、当該リアクトルを有する変換回路を駆動している状態であってもよい。
本開示においては、磁気結合された状態のリアクトルを磁気結合リアクトルと称する場合があり、磁気結合されていない状態のリアクトルを非磁気結合リアクトルと称する場合がある。また、磁気結合リアクトルを含む変換回路を磁気結合回路と称する場合があり、非磁気結合リアクトルを含む変換回路を非磁気結合回路と称する場合がある。

制御部が複数相の変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、他の変換回路のスイッチ部のＯｎ又はＯｆｆの操作のタイミングで変化した場合に、磁気結合判定部は、複数相の変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定してもよい。
また、制御部が複数相の変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、当該変換回路のスイッチ部がＯｎ又はＯｆｆに切り替えられた時及び電流値が０になった時以外に変化した場合に、磁気結合判定部は、複数相の変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定してもよい。
なお、１相の変換回路でスイッチング素子をＯＮからＯＦＦにしたのと同時に他相の変換回路でスイッチング素子をＯＦＦからＯＮにした場合は、異なるタイミングには該当せず、同じタイミングとなる。
変換回路を流れる時間に対する電流は、制御装置及び変換回路等に備えられていてもよい従来公知の電流センサ等により計測してもよい。
上記の判定方法であれば、リアクトルに流れる電流を複数回サンプリングして、自身の相（変換回路）のスイッチ操作をしたとき、及び自身の相の電流値が０に到達したとき以外にリアクトルに流れる電流に変曲点があれば、磁気結合回路と判定できる。しかし、変曲点の有無を確認するために自身の相のスイッチＯＮ期間中に最低３回の電流のサンプリングが必要であり、変換回路の駆動周波数が高いと制御装置に備えられていてもよいマイコンのサンプリング取得間隔が短くなり、処理が間に合わなくなる場合がある。

図５は、非磁気結合回路におけるデューティ（％）に対するリアクトル平均電流の関係の一例を示す図である。
図６は、磁気結合回路におけるデューティ（％）に対するリアクトル平均電流の関係の一例を示す図である。
図５に示すように、非磁気結合回路であれば、高昇圧比であってもデューティを増やすことにより、電流値が増加し、所望の電流値が得られる。一方、図６に示すように、磁気結合回路の場合、昇圧比が高くなるとデューティを増やしても、電流値は若干増加するかほとんど増加しないため、所望の電流値が得られ難くなる。
そのため、変換回路の出口電圧を入口電圧より数倍高く設定しておき、制御部がスイッチング素子の駆動パルスのデューティ比を増加させたときに、コンバータの入口電流の変化（リアクトルに流れる電流の平均値の変化）がほとんどなければ、磁気結合判定部は、当該変換回路が磁気結合回路であると判定してもよい。磁気結合回路であると判定された変換回路が有するリアクトルのコアを共有する１相または複数相の変換回路がある場合は、磁気結合判定部は、それらの変換回路も磁気結合回路であると判定してもよい。

変換部の入口電圧に対する出口電圧は数倍以上であればよく、２倍以上であってもよく、３．５倍以上であってもよく、１０倍以下であってもよい。
増加前のデューティ比は、０．２０以上であってもよく、０．２５以上であってもよく、０．５０未満であってもよい。
増加後のデューティ比は、０．２０を超えていてもよく、０．２５を超えていてもよく、０．６０以下であってもよく、０．５０以下であってもよい。
コンバータの入口電流の変化（リアクトルに流れる電流の平均値の変化）は、７Ａ以下であってもよく、５Ａ以下であってもよく、３Ａ以下であってもよい。
具体的には、例えば、磁気結合判定部は、コンバータの出口電圧が入口電圧の２倍以上であるときに、制御部が変換回路のデューティ比を０．２５から０．５０に変化させたときのコンバータの入口電流の変化が３Ａ以下の場合に、当該変換回路が磁気結合回路であると判定してもよい。
当該判定方法であれば、変換回路の駆動周波数が例えば５０ｋＨｚ以上の高周波数となる場合であってもマイコンのサンプリングに関係なく変換回路が磁気結合回路か否かの判定ができ、変換回路の回路方式を精度よく判定できる。

本開示の制御装置は、コンバータが搭載される燃料電池システム等のシステムに搭載されて用いられてもよい。そして、システムにおいて、コンバータの変換回路が磁気結合回路か否かを判定してもよい。この場合、システムの起動時にコンバータの変換回路が磁気結合回路か否かを判定することが考えられる。
しかし、コンバータを搭載したシステムの構成によっては、システムを搭載している車両の運転条件によってコンバータの磁気結合回路と非磁気結合回路とを切り替える場合がある。例えば、システム起動直後は、システム要求電力が小さいため１相駆動とし、この場合変換回路は非磁気結合回路である。しかし、その後システム要求電力が増大するにつれて２相駆動、つまり磁気結合回路に移行する場合がある。
ここで、システムの起動時に磁気結合判定部が磁気結合回路か否か判定して、非磁気結合回路であると判定した場合に、非磁気結合回路のフィードバックゲイン条件のまま、磁気結合回路に移行すると、リアクトルに流れる電流が激しく振動し、リアクトルに過電流が発生することが考えられる。

図７は、要求出力と効率の関係、及び各システムにおける運転範囲を示した図である。
昇圧コンバータにおいて、要求出力が図７に示すα未満であるときは、１相駆動（非磁気結合）のほうが電力変換効率が良いため、１相駆動（通常昇圧）で駆動されることが好ましい。また、要求出力が図７に示すα以上である場合には、２相駆動（磁気結合）のほうが電力変換効率が良いため、２相駆動（磁気結合）で駆動されることが好ましい。
例えば、システムＡにおいては、要求出力は常にα未満のため、例えば運転開始時に「磁気結合か否か」の判定を実施し、以降、非磁気結合昇圧の条件で制御を実施すれば、常に適切な条件で制御を実行できる。
同様に、システムＢにおいては、要求出力は常にα以上であるため、例えば運転開始時に「磁気結合か否か」の判定を実施し、以降、磁気結合の条件で制御を実施すれば、常に適切な条件で制御を実行できる。
本開示の制御装置は、同じ諸元のものを、システムＡ及びシステムＢのそれぞれに組み込み、運転開始時に「磁気結合か否か」の判定を実施することで適切な条件で運転することができる。
一方、システムＣにおいては、要求出力の範囲が閾値αをまたいでいる。従って、運転開始時に「磁気結合か否か」の判定を実施しても、運転の途中で上記の判定結果が変わってしまう恐れがある。
例えば、燃料電池が発電する電力を用いてモータを駆動して走行する燃料電池車両においては、車両の速度、加速度、荷物の積載量、道路の勾配等の各種条件によって、燃料電池に要求される出力は大きく変動する。
燃料電池の出力電圧は、昇圧コンバータによりモータを駆動する電圧まで昇圧されて、モータに供給される場合がある。上記の構成では、昇圧コンバータの出力電力も、運転条件に応じて大きく変動する。
例えば、車両走行開始直後は、街中を低速度で運転しているため、システム要求電力が小さくコンバータは１相駆動（非磁気結合）だが、その後に高速道路に進入して高速度で走行する場合は、システム要求電力が大きくコンバータを２相駆動（磁気結合）することが考えられる。
ここで、システム起動時に磁気結合か否かを判定して非磁気結合昇圧の条件のまま、磁気結合昇圧に移行すると、リアクトル電流が激しく振動し、リアクトルに過電流が発生するおそれがある。

そこで、本開示の制御装置は、さらに、コンバータの動作中に変換回路の運転状態を取得する運転状態取得部を備えていてもよく、磁気結合判定部は、運転状態取得部が取得した運転状態に応じて変換回路が磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。
これにより、システム運転中に常に適切な条件でコンバータを制御することが可能となり、リアクトルの過電流の発生を抑制することができる。
運転状態取得部は、コンバータの動作中に変換回路の運転状態を取得することができるものであれば特に限定されず、制御部が運転状態取得部の機能を兼ね備えていてもよい。

変換回路の運転状態としては、例えば、変換回路の駆動相数等であってもよい。この場合、運転状態取得部は、コンバータの動作中に変換回路の駆動相数を取得し、磁気結合判定部は、変換回路の駆動相数に変動があったときに、変換回路が磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。
運転状態取得部が、変換回路の駆動相数を取得する時期はコンバータの動作中であれば特に限定されないが、常時取得してもよいし、所定の時間間隔を空けて取得してもよいし、制御部が変換回路のスイッチ部をＯｎ又はＯｆｆに切替え制御を行ったタイミングで取得してもよい。

変換回路の運転状態としては、例えば、コンバータの入口電流値、及び、コンバータの入口電圧値等の運転状態値であってもよい。この場合、運転状態取得部は、コンバータの入口電流値、及び、コンバータの入口電圧値からなる群より選ばれる少なくとも一種の運転状態値を取得し、磁気結合判定部は、当該運転状態値が所定の値以上である場合に、変換回路が磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。
運転状態値の所定の値は、例えば、燃料電池の出力等を考慮して、適宜設定してもよい。
なお、コンバータが燃料電池と接続され、燃料電池の出力電圧をコンバータが変換する場合、コンバータの入口電流値は、燃料電池のＩ－Ｖカーブ、及び、Ｉ－Ｐカーブ等によって、一義的に決定され、燃料電池の出力電流値と相関があるため、燃料電池の出力電流値であってもよい。また、燃料電池の出力電流値は、燃料電池の出力電力値と相関があるため、燃料電池の出力電力値であってもよい。燃料電池の出力電力値は、コンバータの入力電力値と相関があるため、コンバータの入力電力値であってもよい。また、上記の各運転状態値は、システム要求出力と相関があるため、システム要求出力を運転状態値としてもよい。さらに、システム要求出力と相関のある車両の速度、加速度、積載物の重量、及び、走行する道路の勾配等の１つまたは複数の値を運転状態値として取得してもよい。そして、これらの値のうち少なくとも１つを運転状態値として採用して変換回路が磁気結合回路であるか否かを判定してもよい。
また、上記の各値は、センサにより直接検知される実測値であってもよく、検知された値を使用して算出される計算値であってもよく、制御部からの指令値であってもよい。
運転状態取得部が、運転状態値を取得する時期はコンバータの動作中であれば特に限定されないが、常時取得してもよいし、所定の時間間隔を空けて取得してもよい。

図８は本開示の制御装置が行う制御の別の一例を示すフローチャートである。
図８に示すように、制御部が変換回路のスイッチ部をＯｎ又はＯｆｆに切替え制御を行い駆動相数に変動があったタイミングで、磁気結合判定部は、変換回路が磁気結合回路か否かを判定して、当該判定結果に応じて、制御部は非磁気結合回路用の制御又は磁気結合回路用の制御に変更してもよい。
変換回路の駆動相の切替えがあったタイミングで、変換回路が磁気結合回路か否かを判定することによって、変換回路を、低負荷時は非磁気結合回路、それ以外では磁気結合回路として動作させることで、リアクトルに流れる電流の振動を抑制してリアクトルの過電流の発生を抑制でき、且つ、電力変換効率の高い動作が可能となる。

Claims (10)

1. コンバータの制御装置であって、
   前記コンバータは、１相又は複数相の変換回路を有し、
   前記変換回路のリアクトルが磁気結合された状態である磁気結合回路であるか否かを判定する磁気結合判定部と、
   前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータの制御方法を変更する制御部と、を備えることを特徴とする制御装置。
2. 前記制御部は、前記磁気結合判定部の判定結果に応じて前記コンバータのフィードフォワード制御、フィードバック制御、及び、シャットダウン制御からなる群より選ばれる少なくとも１種の制御方法を変更する、請求項１に記載の制御装置。
3. 非磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ１、磁気結合リアクトルの自己インダクタンスをＬ２、磁気結合リアクトルの相互インダクタンスをＭとしたとき、
   前記磁気結合判定部が前記変換回路が前記磁気結合回路であると判定したときに、前記制御部は、前記フィードバック制御として、前記磁気結合判定部が前記変換回路の前記リアクトルが磁気結合されていない状態である非磁気結合回路であると判定したときと比較して、フィードバックゲインを（Ｌ２－Ｍ）／Ｌ１倍になるように変更する、請求項２に記載の制御装置。
4. 複数相の前記変換回路のそれぞれが故障しているか否かを判定する故障判定部を備え、
   前記制御部は、前記シャットダウン制御として、前記磁気結合判定部が前記変換回路が磁気結合回路であると判定し、且つ、前記故障判定部が１相以上の前記変換回路が故障していると判定したときに、故障した変換回路の動作を停止し、且つ、故障した当該変換回路と互いに磁気結合している１相又は複数相の他の変換回路の動作を停止する、請求項２に記載の制御装置。
5. 前記制御部が複数相の前記変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の前記変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、他の前記変換回路のスイッチ部のＯｎ又はＯｆｆの操作のタイミングで変化した場合に、前記磁気結合判定部は、複数相の前記変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定する、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. 前記制御部が複数相の前記変換回路の各スイッチ部をそれぞれ異なるタイミングでＯｎ又はＯｆｆに切り替えしたときの、１相の前記変換回路を流れる時間に対する電流の波形の傾きが、当該変換回路のスイッチ部がＯｎ又はＯｆｆに切り替えられた時及び電流値が０になった時以外に変化した場合に、前記磁気結合判定部は、複数相の前記変換回路がそれぞれ磁気結合回路であると判定する、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 前記磁気結合判定部は、前記コンバータの出口電圧が入口電圧の２倍以上であるときに、前記制御部が前記変換回路のデューティ比を０．２５から０．５０に変化させたときの前記コンバータの入口電流の変化が３Ａ以下の場合に、前記変換回路が磁気結合回路であると判定する、請求項１～４のいずれか一項に記載の制御装置。
8. 前記コンバータの動作中に前記変換回路の運転状態を取得する運転状態取得部を備え、
   前記磁気結合判定部は、前記運転状態取得部が取得した前記運転状態に応じて前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定する、請求項１～７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. 前記運転状態取得部は、前記変換回路の駆動相数を取得し、
   前記磁気結合判定部は、前記変換回路の駆動相数に変動があったときに、前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定する、請求項８に記載の制御装置。
10. 前記運転状態取得部は、前記コンバータの入口電流値、及び、前記コンバータの入口電圧値からなる群より選ばれる少なくとも一種の運転状態値を取得し、
    前記磁気結合判定部は、前記運転状態値が所定の値以上である場合に、前記変換回路が前記磁気結合回路であるか否かを判定する、請求項８に記載の制御装置。

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