JP2014123549A

JP2014123549A - ブーストコンバータの昇圧制御方法

Info

Publication number: JP2014123549A
Application number: JP2013148188A
Authority: JP
Inventors: Byung-Ho Min; 丙昊閔; Jae Moon Lee; 在文李; Ho Sung Kang; 昊成姜; Ji-Tae Kim; 志泰金
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2013-07-17
Publication date: 2014-07-03
Also published as: CN103895527A; DE102013213585A1; KR101361354B1; US20140176081A1

Abstract

【課題】別途のハードウェアを追加することなく、ブーストコンバータを用いて１次昇圧と２次昇圧の両方を行うことができるブーストコンバータの昇圧制御方法を提供する。
【解決手段】昇圧前のバッテリ状態を分析して正常であるか否かを判断する段階と、バッテリ状態が正常である場合は、ブーストモード１に移行して、ブーストコンバータによりバス端の電圧を１次昇圧する段階と、１次昇圧時の状況データを分析して、電圧を上昇させるバス端に異常があるか否かを判断する段階と、バス端に異常がない場合は、ブーストモード２に移行して、バス端の電圧を最終目標値まで上昇させる段階とを順次行い、このとき、ブーストコンバータのプリチャージ機能を、ソフトウェアのアルゴリズム方式で燃料電池を始動させることにある。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブーストコンバータの昇圧制御方法に関し、より詳細には、燃料電池車両の始動時に、ブーストコンバータのプリチャージ機能を、リレーのような追加のハードウェアを用いずに実施することができるブーストコンバータの昇圧制御方法に関する。

燃料電池車両には、実質的に電気エネルギーを生成する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料（水素）を供給する燃料供給システムと、燃料電池スタックに電気化学反応に必要な酸化剤である空気中の酸素を供給する空気供給システムと、燃料電池スタックの運転温度を制御する熱及び水管理システムなどが搭載されている。

このような燃料電池車両のシステムには、高電圧（例えば、５０Ｖ以上）により駆動される部品が設けられており、その例として空気供給システムにおける空気ブロワー、熱及び水管理システムにおける水ポンプがある。

高電圧駆動部品（空気ブロワー、水ポンプなど）は、１２Ｖのバッテリ電源で直接駆動できないため、先ず、１２Ｖのバッテリでブーストアップ（ｂｏｏｓｔｕｐ）し、それにより高電圧にした電源により始動（ｓｔａｒｔ−ｕｐ）して、スタックが正常作動した後、スタックで生成した電源を受けて燃料電池車両が運転できるようになる。
したがって、燃料電池車両の始動時、高電圧駆動部品を駆動するために１２Ｖのバッテリをブーストアップして高電圧を形成するための装置としてＤＣ−ＤＣコンバータ（ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が必要である。

燃料電池車両を始動するためにはブーストコンバータで車両のバッテリ（高電圧あるいは低電圧）電圧を用いてバス端の電圧を昇圧した後、バス端の昇圧された電圧により空気ブロワーを駆動させ、スタックに空気と水素を供給して始動するようになる〔例えば、特許文献１〜４参照〕。

ブーストコンバータによりバス端の電圧を昇圧させることは、車両の始動時に最初に行われる段階であり、バス端に異常があるか否か（断線、短絡、部品損傷など）を判断し、正常であれば電圧を昇圧させ、正常ではなければ電圧を昇圧させてはいけない。

燃料電池車両を始動する方法には、低電圧バッテリ（５０Ｖ未満、一般車両用バッテリ）を用いる方法と、高電圧バッテリ（５０Ｖ以上）を用いる方法があり、例を挙げて説明すると次の通りである。

図２は、従来技術による低電圧バッテリを用いた燃料電池車輌の始動方法を示す概略図である。ブーストコンバータ（ＤＣ−ＤＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）３は、入力側に連結された低電圧バッテリ２から電圧を受けてバッテリ電圧を３００〜４５０Ｖまで上げ、バス端５はブーストコンバータ３の出力側に連結され、昇圧された３００〜４５０Ｖの電圧を受けてバス端５に連結された空気ブロワー４に昇圧された電圧を印加する方式で空気ブロワー４を駆動して燃料電池スタック１を始動することができる。

この際、低電圧バッテリ２は一般車両用バッテリであって、プリチャージリレーのようなハードウェアをさらに構成することなく、ブーストコンバータ３に直に連結されてバッテリ電圧を昇圧させる。しかし、バス端５に問題が発生すると、バッテリの電圧昇圧時にブーストコンバータ３に損傷をもたらすことがある。

図３は、従来技術による高電圧バッテリを用いた燃料電池車輌の始動方法を示す概略図である。高電圧バッテリ１２（例えば、１００〜１５０Ｖ）は、バス端５（初期電圧０Ｖ）の初期電圧との電圧差が大きいため、急に高電圧を印加すると、バス端５に損傷を与えることがあり、バス端５と高電圧バッテリ１２との間にプリチャージリレー１５を連結してバス端の電圧をバッテリ電圧まで１次昇圧させた後、ブーストコンバータ１３を用いてバス端の電圧を３００〜４５０Ｖまで昇圧し、空気ブロワー４を駆動して燃料電池スタック１を始動することができる。

この際、プリチャージリレー１５を連結した後、１次昇圧までの現象、すなわち電流、電圧、及び時間を把握してバス端５に異常があるか否かを判断でき、バス端５に異常がない場合はブーストコンバータ１３を用いてさらに昇圧し、バス端５に異常がある場合はさらに昇圧しないようにする。しかし、プリチャージリレー１５のようなハードウェアを使用すると、部品数の増加に伴ってコストアップとなり、さらにリレーの故障などの問題が増えることになる。

特開２００３−３０４６０６号公報特開２００８−０８４６２８号公報特開２００９−１１０９１１号公報特開２００９−２２４０３６号公報

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ブーストコンバータにおいて、プリチャージ（ｐｒｅ−ｃｈａｒｇｅ）機能を、ソフトウェアのアルゴリズム方式で行うことにあり、これにより、燃料電池車両の始動時に部品の安定性を確保し、部品数の減少、コストダウン、及び潜在的な故障の低減などの性能を向上できるブーストコンバータの昇圧制御方法を提供することにその目的がある。

本発明によるブーストコンバータの昇圧制御方法は、昇圧前のバッテリ状態を分析して正常であるか否かを判断する段階と、バッテリ状態が正常である場合は、ブーストモード１に移行して、ブーストコンバータによりバス端の電圧を１次昇圧する段階と、１次昇圧時の状況データを分析して、電圧を上昇させるバス端に異常があるか否かを判断する段階と、バス端に異常がない場合は、ブーストモード２に移行して、バス端の電圧を最終目標値まで上昇させる段階とを順次行い、このとき、ブーストコンバータのプリチャージ機能を、ソフトウェアのアルゴリズム方式で燃料電池を始動させることにある。

上記のブーストコンバータの昇圧制御方法で、１次昇圧の電圧は、式（１）により設定することができる。

上記のブーストコンバータの昇圧制御方法の昇圧前のバッテリ状態が正常であるか否かを判断する段階で、バッテリ状態が正常でない場合は、車両を再始動させる。

上記のブーストコンバータの昇圧制御方法で、バス端に異常があるか否かは、１次昇圧時にバス端に流れる電流量、１次昇圧時の目標電圧への到達有無、１次昇圧時間の３つの状況を分析して判断することができる。そのとき、これら３つの状況のうち何れか１つ以上が満足しない場合は、バス端の昇圧を停止し、車両を再始動させる

本発明によるブーストコンバータの昇圧制御方法では、燃料電池車両の始動時に、ブーストコンバータのプリチャージ機能をソフトウェアのアルゴリズム方式で行っている。低電圧バッテリを用いて燃料電池車両を始動するとき、１次昇圧時にバス端に異常があるときには２次昇圧をしないため、ブーストコンバータの損傷を防止することができる。
また、プリチャージリレーなど別途のハードウェアを用いないことで、装置の数を少なくしてコストダウンができ、故障する確率も小さくできる効果が得られる。

本発明のブーストコンバータの昇圧制御方法における一実施形態を示すフローチャートである。従来技術による低電圧バッテリを用いた燃料電池車輌の始動方法を示す概略図である。従来技術による高電圧バッテリを用いた燃料電池車輌の始動方法を示す概略図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付した図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明は、ブーストコンバータのプリチャージ機能を、別途のハードウェアを追加せずに、ソフトウェアのアルゴリズム方式で行うブーストコンバータの昇圧制御方法に関する。

図１は、本発明のブーストコンバータの昇圧制御方法を行う一実施形態のフローチャートである。図１に示すように、先ず、昇圧（ブースト；ＢＯＯＳＴ）前のバッテリ状態を分析し、バッテリ状態が正常であるか否かを判断する。バッテリ状態が正常である場合は、ブーストモード１に移行し、バッテリ状態が正常ではない場合は車両を再始動させる。

ブーストモード１からプリチャージモードを開始し、ブーストコンバータにより一定電圧だけ１次昇圧させる。ここで、一定電圧は、例えば下記の式（１）で設定できる。

次に、１次昇圧時の状況データを分析して、電圧を上昇させるバス端に異常があるか否かを判断する。バス端に異常があるか否かは、１次昇圧時に流れる電流量、１次昇圧時の目標電圧への到達有無、１次昇圧時間などの状況を分析して判断する。例えば、電流量が基準電流値（Ｉ_ｒｅｆ）よりも小さいか否か、１次昇圧時に電圧が１次目標電圧に到達したか否か、１次昇圧時間が基準昇圧時間（Ｔ_ｒｅｆ）よりも小さいか否かなどである。この際、基準電流値及び基準昇圧時間は、システム毎に設定する。例えば、基準電流値は、５Ａ、１０Ａ、１５Ａなどであり、基準昇圧時間は、１００ｍｓ、２００ｍｓ、５００ｍｓなどとする。

上記した３つの状況を全て満足するときバス端に異常がないと判断し、ブーストコンバータでブーストモード２に移行し、３つの状況のうち１つでも満足しない場合はバス端に異常があると判断して昇圧を停止し、車両を再始動させる。

ブーストモード２では、最終目標値までバス端の電圧を上昇させ、バス端の昇圧された電圧を用いて空気ブロワーを駆動させることにより、スタックに空気と水素を供給して始動するようになる。

従来技術では、高電圧バッテリを用いて燃料電池車両を始動する時、プリチャージリレーなどのハードウェアをさらに追加して設け、バス端の電圧を０Ｖから１８０Ｖまで上げた後、ブーストコンバータを用いて１８０Ｖから４００Ｖに上げて燃料電池を始動しているが、本発明のブーストコンバータの昇圧制御方法では、別途のハードウェアを追加することなく、ブーストコンバータを用いて１次昇圧と２次昇圧の両方を行うことができる。

本発明によれば、バス端の昇圧を用いて燃料電池車両の始動時にブーストコンバータでのプリチャージ機能をソフトウェアのアルゴリズム方式で行うことにより、低電圧バッテリを用いて燃料電池車両を始動させるとき、１次昇圧時にバス端に異常があるか否かを判断して異常がある場合は２次昇圧をしないため、追加のハードウェアがなく、ブーストコンバータの損傷を防止することができる。

また、高電圧バッテリを用いて燃料電池車両を始動させる場合に、ハードウェア的なプリチャージリレーをなくすことにより、コストダウン、部品数の減少、さらに故障確率の減少などの効果が得られる。

Claims

昇圧前のバッテリ状態を分析して正常であるか否かを判断する段階と、
前記バッテリ状態が正常である場合は、ブーストモード１に移行して、ブーストコンバータによりバス端の電圧を１次昇圧する段階と、
前記１次昇圧時の状況データを分析して、電圧を上昇させるバス端に異常があるか否かを判断する段階と、
前記バス端に異常がない場合は、ブーストモード２に移行して、バス端の電圧を最終目標値まで上昇させる段階と、
を順次行い、前記ブーストコンバータのプリチャージ機能を、ソフトウェアのアルゴリズム方式で燃料電池を始動させることを特徴とするブーストコンバータの昇圧制御方法。
前記１次昇圧の電圧は、式（１）により設定されることを特徴とする請求項１に記載のブーストコンバータの昇圧制御方法。
前記バス端に異常があるか否かは、１次昇圧時にバス端に流れる電流量、１次昇圧時の目標電圧への到達有無、１次昇圧時間の３つの状況を分析して判断することを特徴とする請求項１に記載のブーストコンバータの昇圧制御方法。
前記昇圧前のバッテリ状態が正常であるか否かを判断する段階で、バッテリ状態が正常でない場合は、車両を再始動させることを特徴とする請求項１に記載のブーストコンバータの昇圧制御方法。
前記バス端に異常があるか否かを判断する段階で、前記３つの状況のうち何れか１つ以上が満足しない場合は、バス端の昇圧を停止し、車両を再始動させることを特徴とする請求項３に記載のブーストコンバータの昇圧制御方法。