JP2015048812A - 遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】速度センサを用いることなく、エアベアリングと回転軸との凍結を検出する。
【解決手段】燃料電池スタック１０２と、回転軸１３２と一体的に回転し、回転により空気を圧縮して燃料電池スタック１０２に空気を供給するコンプレッサインペラ１３０と、回転軸１３２を回転させることで、コンプレッサインペラ１３０を回転させるコンプレッサモータ１３６と、回転軸１３２との隙間に介在する空気により回転軸１３２を支持するエアベアリング１３８と、コンプレッサインペラ１３０から燃料電池スタック１０２に供給される空気が通過する空気供給流路１５２の流れを検出する流れ検出部１７２と、コンプレッサモータ１３６の駆動を制御するコンプレッサモータドライバ１２６と、流れ検出部１７２により検出される空気の流れに基づいて、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を検出する凍結検出部１７４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに空気を供給する遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法に関する。

従来、遠心式電動コンプレッサ装置においては、コンプレッサモータにより回転軸を介してコンプレッサを回転させて圧縮した空気を燃料電池スタックに供給するようになされたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−８４４４号公報

ところで、遠心式電動コンプレッサ装置は、屋外で使用される場合、外気温が低いと、空気に含まれる水蒸気により回転軸と、回転軸を支持するベアリングとが凍結することが考えられる。回転軸とベアリングとが凍結した状態でコンプレッサモータを駆動させると、回転軸およびベアリングが破損してしまうおそれがある。

したがって、コンプレッサモータの始動直後に、回転軸とベアリングとが凍結しているか否かを検出する必要がある。凍結を検出する手段として、コンプレッサモータを始動させた直後に回転角を検出可能なセンサを通じ回転角が有意な値を出力しているか否かによって凍結を検出することが考えられるが、例えば１０万ｒｐｍといった高速回転する回転軸においては、エンコーダやレゾルバ等の速度センサを使用することができない。

そこで、本発明は、速度センサを用いることなく、エアベアリングと回転軸との凍結を検出することを目的とする遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法を提供する。

課題を解決するために、本発明の遠心式電動コンプレッサ装置は、回転軸と、前記回転軸と一体的に回転し、該回転により空気を圧縮して、水素と酸素とを電気化学反応させることにより電力を生成する燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサインペラと、前記回転軸を通じて、前記コンプレッサインペラを回転させるコンプレッサモータと、前記回転軸との隙間に介在する空気により該回転軸を支持するエアベアリングと、前記コンプレッサインペラから前記燃料電池スタックに供給される空気が通過する空気供給流路における、該コンプレッサインペラおよび該燃料電池スタックの間の空気の流れを検出する流れ検出部と、前記コンプレッサモータの駆動を制御するドライバと、前記流れ検出部により検出される空気の流れに基づいて、前記エアベアリングと前記回転軸との凍結を検出する凍結検出部と、を備える。

また、前記ドライバは、前記コンプレッサモータの始動時に、該コンプレッサモータに対して予め定められた電力を供給することにより、該コンプレッサモータをオープンループで制御し、前記凍結検出部は、前記ドライバが前記コンプレッサモータをオープンループで制御している際の、前記流れ検出部により検出される前記空気の流れに基づいて、前記エアベアリングと前記回転軸との凍結を検出するようにしてもよい。

また、前記流れ検出部は、前記空気供給流路を通過する空気の流量に基づいて該空気の流れを検出するようにしてもよい。

また、前記流れ検出部は、前記空気供給流路の圧力に基づいて該空気の流れを検出するようにしてもよい。

また、前記ドライバは、前記凍結検出部により前記エアベアリングの凍結が検出された場合、前記ドライバを介して前記コンプレッサモータの駆動を試みることで、該ドライバおよび該コンプレッサモータの一方または双方の発熱により該エアベアリングの凍結を解凍させるようにしてもよい。

また、課題を解決するために、本発明のコンプレッサモータ制御方法は、回転軸と、前記回転軸と一体的に回転し、該回転により空気を圧縮して、水素と酸素を電気化学反応させることにより電力を生成する燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサインペラと、前記回転軸を通じて、前記コンプレッサインペラを回転させるコンプレッサモータと、前記回転軸を、該回転軸との隙間に介在する空気により支持するエアベアリングと、前記コンプレッサモータの駆動を制御するドライバと、を備える遠心式電動コンプレッサ装置のコンプレッサモータ制御方法であって、前記コンプレッサインペラから前記燃料電池スタックに供給される空気が通過する空気供給流路の空気の流れを検出する流れ検出ステップと、前記流れ検出ステップにより検出される空気の流れに基づいて、前記エアベアリングの凍結を検出する凍結検出ステップと、を有する。

本発明によれば、速度センサを用いることなく、エアベアリングと回転軸との凍結を検出することが可能となる。

燃料電池自動車の構成を示す概略図である。 回転機構の構成を示す概略図である。 エアベアリングと回転軸とが凍結している場合における、コンプレッサモータドライバによる電力供給量、および、空気供給流路の圧力の一例を示すグラフである。 コンプレッサモータの始動時における、コンプレッサモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、燃料電池自動車１００の構成を示す概略図である。図１に示すように、燃料電池自動車１００は、燃料電池スタック１０２、水素タンク１０４、水素供給弁１０６、遠心式電動コンプレッサ装置１０８、圧力計１１０、駆動インバータ１１２、駆動モータ１１４、車軸１１６、車輪１１８、二次電池１２０、制御部１２２、水素供給流路１５０、空気供給流路１５２、排出流路１５４を含んで構成される。遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、遠心式電動コンプレッサ１２４およびコンプレッサモータドライバ１２６を含んで構成される。なお、図１中、破線は信号線を示す。

燃料電池スタック１０２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、燃料極（アノード）と空気極（カソード）とで高分子電解膜を挟んだセルが多数積層される。燃料電池スタック１０２は、水素供給流路１５０を介して燃料極に水素が供給され、空気供給流路１５２を介して空気極に空気が供給され、供給された水素および空気に含まれる酸素を電気化学反応させることにより電力を生成（発電）する。燃料電池スタック１０２が発電することにより生成された電力は、駆動インバータ１１２、二次電池１２０およびコンプレッサモータドライバ１２６に供給される。また、燃料電池スタック１０２では、未反応の水素、酸素が消費された空気、電気化学反応により生成された水蒸気が排出気体として排出流路１５４から排出される。なお、未反応の水素は、水素供給流路１５０に再び戻されるようにしてもよい。

水素タンク１０４は、内部に水素が貯留され、水素供給流路１５０を介して燃料電池スタック１０２の燃料極に水素を供給する。水素供給流路１５０には水素供給弁１０６が設けられ、水素供給弁１０６は、燃料電池スタック１０２の燃料極に供給される水素の圧力を調整する。

遠心式電動コンプレッサ１２４は、コンプレッサインペラ１３０、回転軸１３２、タービンインペラ１３４、コンプレッサモータ１３６、エアベアリング１３８を含んで構成され、詳しくは後述するように、燃料電池スタック１０２の空気極に空気を供給する。

圧力計１１０は、空気供給流路１５２におけるコンプレッサインペラ１３０および燃料電池スタック１０２の間に設けられ、空気供給流路１５２におけるコンプレッサインペラ１３０および燃料電池スタック１０２の間の圧力を計測する。そして、圧力計１１０は、計測された圧力を示す圧力信号をコンプレッサモータドライバ１２６に出力する。

駆動インバータ１１２は、制御部１２２の制御に基づいて、燃料電池スタック１０２で生成された電力を駆動モータ１１４に供給する。駆動モータ１１４は、駆動インバータ１１２を介して供給される電力により駆動し、車軸１１６、および、車軸１１６の両端に接続された車輪１１８を回転させ、燃料電池自動車１００を走行させる。

コンプレッサモータドライバ１２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）を含むマイクロコンピュータと、インバータとで構成される。コンプレッサモータドライバ１２６は、詳しくは後述するように、制御部１２２の制御に基づいて、燃料電池スタック１０２で生成された電力、および、二次電池１２０に蓄電された電力の一方または双方をコンプレッサモータ１３６に供給し、コンプレッサモータ１３６を回転させる。

制御部１２２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含むマイクロコンピュータで構成され、燃料電池自動車１００の各部を統括制御する。

図２は、遠心式電動コンプレッサ装置１０８の構成を示す概略図である。図２に示すように、遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、回転軸１３２の一部（２つのエアベアリング１３８の間）、コンプレッサモータ１３６、および、エアベアリング１３８が、コンプレッサモータドライバ１２６とともにハウジング１４０内に設けられる。すなわち、遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、回転軸１３２の一部、コンプレッサモータ１３６、エアベアリング１３８、および、コンプレッサモータドライバ１２６は、同一空間内に収納される。なお、コンプレッサモータドライバ１２６は、自らが発した熱がエアベアリング１３８に伝達される位置に設けられているのであれば、回転軸１３２の一部、コンプレッサモータ１３６およびエアベアリング１３８と同一空間に設けられていなくてもよい。

コンプレッサインペラ１３０は、複数のブレード（羽根）が設けられる。コンプレッサインペラ１３０は、回転軸１３２を介してタービンインペラ１３４およびコンプレッサモータ１３６に接続され、回転軸１３２およびタービンインペラ１３４と一体的に回転する。コンプレッサインペラ１３０は、空気供給流路１５２内に配置され、コンプレッサモータ１３６およびタービンインペラ１３４に回転されることにより、外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気を燃料電池スタック１０２の空気極に供給する。

回転軸１３２は、エアベアリング１３８に支持され、タービンインペラ１３４およびコンプレッサモータ１３６により約１０万ｒｐｍまで回転される。

タービンインペラ１３４は、複数のブレード（羽根）が設けられる。タービンインペラ１３４は、排出流路１５４内に配置され、排出流路１５４から排出される排出気体が翼間を通過することにより回転し、回転軸１３２およびコンプレッサインペラ１３０を、後述するコンプレッサモータ１３６に対して補助的に回転させる。

コンプレッサモータ１３６は、回転軸１３２に固定された永久磁石１３６ａと、巻回された３相のコイル１３６ｂとによって構成される。コンプレッサモータ１３６は、コイル１３６ｂに周期的に電流が通電されることによって電磁場（磁界）を発生させ、発生した電磁場と永久磁石１３６ａの磁力によって、永久磁石１３６ａとともに回転軸１３２を回転させる。

エアベアリング１３８は、軸受面が可撓なフォイルで構成されるフォイル軸受でなり、回転軸１３２が回転することで周囲の空気を吸い込み、吸い込まれた空気の圧力によってフォイルが外側に膨らみ、回転軸１３２との隙間に介在する空気により回転軸１３２を支持する。

このような構成でなる燃料電池自動車１００は、制御部１２２の制御に基づいて、燃料電池スタック１０２で電力が生成され、生成された電力で駆動モータ１１４が駆動されて走行する。このとき、図１に示すように、制御部１２２は、駆動制御部１６０、燃料電池スタック制御部１６２として機能し、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ制御部１７０、流れ検出部１７２、凍結検出部１７４として機能する。

駆動制御部１６０は、アクセルペダル（図示せず）から送信されるアクセル踏込み量、および車速センサ（図示せず）から送信される車速に基づいて、予めＲＯＭに格納された目標トルクマップに基づいて、駆動モータ１１４の出力（トルク）を設定する。

燃料電池スタック制御部１６２は、燃料電池スタック１０２から電力が供給される駆動モータ１１４およびコンプレッサモータ１３６の出力に基づいて、燃料電池スタック１０２が生成すべき電力を決定する。

そして、燃料電池スタック制御部１６２は、決定した電力に応じて、燃料電池スタック１０２に供給すべき水素量および空気量を設定し、設定された水素量を燃料電池スタック１０２に供給すべく水素供給弁１０６の開度を制御する。また、燃料電池スタック１０２は、設定された空気量を燃料電池スタック１０２に供給させるべく、コンプレッサモータ１３６の回転速度指令をコンプレッサモータドライバ１２６（コンプレッサモータ制御部１７０）に出力し、コンプレッサモータ１３６を駆動させる。

このように、燃料電池スタック制御部１６２は、燃料電池スタック１０２に供給される水素量および空気量を調整し、燃料電池スタック１０２で生成される電力を制御する。

コンプレッサモータ制御部１７０は、燃料電池スタック制御部１６２から回転速度指令が入力されると、回転速度指令に基づいて、コンプレッサモータ１３６を制御し、回転速度指令に応じた回転速度でコンプレッサモータ１３６を回転させる。

より具体的には、コンプレッサモータ制御部１７０は、コンプレッサモータ１３６を駆動していない状態、すなわちコンプレッサモータ１３６が回転していない状態において、コンプレッサモータ制御部１７０から回転速度指令が入力されると、コンプレッサモータ１３６の各相のコイル１３６ｂに発生する誘起電圧が検出し得る回転速度になるまでコンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する。

その後、コンプレッサモータ制御部１７０は、コンプレッサモータ１３６の各相のコイル１３６ｂに発生する誘起電圧を検出すると、誘起電圧と予め定められた基準電圧とを比較して回転位置検出を行う。そして、コンプレッサモータ制御部１７０は、回転位置検出の結果に基づいてコンプレッサモータ１３６の回転速度を導出し、導出された回転速度が回転速度指令に応じた回転速度となるようにコンプレッサモータ１３６の各相のコイル１３６ｂに供給する電力を調整するフィードバック制御を行う。

このように、コンプレッサモータドライバ１２６は、速度センサを用いることなく、コンプレッサモータ１３６を回転制御する。これは、コンプレッサインペラ１３０および回転軸１３２が約１０万ｒｐｍで回転するため、フォトエンコーダやレゾルバなどの速度センサではコンプレッサインペラ１３０の回転速度を検出することができないためである。

なお、回転軸１３２が正常に回転している場合、コンプレッサインペラ１３０により回転速度に応じて空気が圧縮されて燃料電池スタック１０２に供給されるため、空気供給流路１５２内は高圧力となる。したがって、この場合、圧力計１１０では、コンプレッサインペラ１３０の回転速度に応じた圧力が検出される。

ところで、燃料電池自動車１００は、通常、屋外で使用されるため、外気温が低いと、ハウジング１４０内の空気に含まれる水蒸気によりエアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結するおそれがある。このような場合、コンプレッサモータドライバ１２６によりコンプレッサモータ１３６を、上述した制御により駆動しようとすると、エアベアリング１３８および回転軸１３２が損傷するおそれがある。

そこで、コンプレッサモータ制御部１７０は、コンプレッサモータ１３６の始動時に、予め定められたオープンループ期間（例えば、１〜２秒）の間、コンプレッサモータ１３６に供給する電力を徐々に増加させるオープンループの制御を行う。なお、オープンループ期間の終了時においては、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結している場合であっても、エアベアリング１３８および回転軸１３２が損傷しない程度のトルクしか回転軸１３２に掛けられず、かつ、コンプレッサモータ１３６の各相からコイル１３６ｂに発生する誘起電圧が検出し得る電力がコンプレッサモータ１３６へ供給される。

そして、流れ検出部１７２は、オープンループ期間中に圧力計１１０で計測される圧力を示す圧力信号を取得し、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が、コンプレッサインペラ１３０により空気が圧縮されているとされる、すなわち空気供給流路１５２に空気が流れているとされる予め定められた閾値以上であるかを判定する。

ここで、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が閾値以上であると判定された場合、凍結検出部１７４は、圧縮された空気が空気供給流路１５２を流れているので、回転軸１３２およびコンプレッサインペラ１３０が回転しており、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していないと判定する。エアベアリング１３８が凍結していないと判定された場合、コンプレッサモータ制御部１７０は、燃料電池スタック制御部１６２から入力される回転速度指令に基づいて、コンプレッサモータ１３６をフィードバック制御により回転制御する。

一方、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が閾値未満であると判定された場合、流れ検出部１７２は、圧縮された空気が空気供給流路１５２を流れていないので、回転軸１３２およびコンプレッサインペラ１３０が回転しておらず、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していると判定する。エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していると判定された場合、コンプレッサモータ制御部１７０は、オープンループ期間の経過後、予め定められたインターバル期間（例えば１〜２秒）の間、コンプレッサモータ１３６への電力の供給を停止（停止維持）する。

その後、コンプレッサモータ制御部１７０は、再度、オープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する。そして、この期間において、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が予め定められた閾値以上であると流れ検出部１７２が判定した場合には、凍結検出部１７４は、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結が解凍したと判定する。すると、コンプレッサモータ制御部１７０は、燃料電池スタック制御部１６２から入力される回転速度指令に基づいて、コンプレッサモータ１３６をフィードバックで制御する。

これに対して、再度のオープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６がオープンループで制御されても、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が予め定められた閾値未満である場合には、コンプレッサモータ制御部１７０は、オープンループ期間の経過後、インターバル期間の間、コンプレッサモータ１３６への電力の供給を停止する。

そして、コンプレッサモータ制御部１７０は、オープンループ期間におけるコンプレッサモータ１３６のオープンループ制御、および、インターバル期間おけるコンプレッサモータ１３６への電力供給の停止を繰り返し行うことで、コンプレッサモータドライバ１２６の発熱、および、コンプレッサモータ１３６の発熱の一方または双方によりエアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を解凍させる。

図３は、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結している場合における、コンプレッサモータドライバ１２６による電力供給量、および、空気供給流路１５２の圧力の一例を示すグラフである。図３に示すように、時刻Ｔ１において、燃料電池スタック制御部１６２から回転速度指令が入力されると、コンプレッサモータ制御部１７０は、時刻Ｔ２までのオープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する（電力供給量を徐々に増加させる）。

流れ検出部１７２は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２まで、圧力計１１０で計測される空気供給流路１５２の圧力を示す圧力信号を取得し、圧力計１１０で計測される空気供給流路１５２の圧力が閾値α以上であり、空気供給流路１５２に空気が流れているか判定する。

そして、凍結検出部１７４は、圧力計１１０で計測される空気供給流路１５２の圧力が閾値α未満であると判定された場合、時刻Ｔ２において、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していると判定する。そして、コンプレッサモータ制御部１７０は、時刻Ｔ２から時刻Ｔ３までのインターバル期間の間、コンプレッサモータ１３６への電力の供給を停止する（電力供給量を０にする）。

その後、コンプレッサモータ制御部１７０は、再度、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４までのオープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する。ここで、再度、流れ検出部１７２により、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が閾値α未満であり、空気供給流路１５２に空気が流れていないと判定された場合、凍結検出部１７４は、時刻Ｔ４において、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結し続けていると判定する。そして、コンプレッサモータ制御部１７０は、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までのインターバル期間の間、コンプレッサモータ１３６への電力の供給を停止する。

その後、コンプレッサモータ制御部１７０は、再度、時刻Ｔ５から時刻Ｔ６までのオープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する。ここで、時刻Ｔ６において、流れ検出部１７２により、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が閾値α以上であり、空気供給流路１５２に空気が流れていると判定された場合、凍結検出部１７４は、時刻Ｔ６において、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結が解凍したと判定する。この場合、コンプレッサモータ制御部１７０は、時刻Ｔ６から、コンプレッサモータ１３６をフィードバックにより制御する。

以上のように、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ１３６を始動させる回転速度指令が入力されると、オープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループ制御する。そして、その際の、圧力計１１０で検出される空気供給流路１５２の圧力が予め定められた閾値以上であるか否かによって、空気供給流路１５２に空気が流れているか否かを判定することで、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を検出する。このように、速度センサが使用することができない、約１０万ｒｐｍと高速回転するコンプレッサモータ１３６に対して、速度センサを用いることなく、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を検出することができる。

また、コンプレッサモータドライバ１２６は、オープンループ期間におけるコンプレッサモータ１３６のオープンループ制御、および、インターバル期間におけるコンプレッサモータ１３６への電力供給の停止を繰り返し行うことで、自らが発生させる発熱、および、コンプレッサモータ１３６が発生させる発熱によりエアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を解凍させることができる。すなわち、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ１３６の駆動を試みることで発生する発熱により、エアベアリング１３８と回転軸１３２との凍結を解凍させることができる。

図４は、コンプレッサモータ１３６の始動時における、コンプレッサモータ制御処理の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ１３６への回転速度指令が制御部１２２から入力されたかを判定する（ステップＳ１００）。その結果、回転速度指令が制御部１２２から入力されていないと判定した場合（ステップＳ１００においてＮＯ）、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ制御処理を終了する。

一方、回転速度指令が制御部１２２から入力されたと判定した場合（ステップＳ１００においてＹＥＳ）、コンプレッサモータドライバ１２６は、オープンループ期間の間、コンプレッサモータ１３６をオープンループで制御する（ステップＳ１０２）。そして、コンプレッサモータドライバ１２６は、オープンループ期間の間、圧力計１１０で計測される空気供給流路１５２の圧力を検出し、当該圧力に基づいて、空気供給流路１５２の空気の流れを検出する（ステップＳ１０４）。

そして、コンプレッサモータドライバ１２６は、検出した圧力が閾値以上であるか否かを判定することで、空気供給流路１５２の空気の流れに基づいて、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結しているかを判定する（ステップＳ１０６）。

検出した圧力が閾値未満であり、空気供給流路１５２に空気が流れておらず、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していると判定した場合（ステップＳ１０６においてＹＥＳ）、コンプレッサモータドライバ１２６は、インターバル期間の間、コンプレッサモータ１３６への電力の供給を停止し（ステップＳ１０８）、ステップＳ１０２に処理を戻す。

一方、検出した圧力が閾値以上であり、空気供給流路１５２に空気が流れており、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結していないと判定した場合（ステップＳ１０６においてＮＯ）、コンプレッサモータドライバ１２６は、コンプレッサモータ１３６をフィードバック制御に切り替え（ステップＳ１１０）、コンプレッサモータ制御処理を終了する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上述した実施形態においては、圧力計１１０を用いて空気供給流路１５２の圧力を計測することにより、空気供給流路１５２の空気の流れを検出するようにした。しかしながら、圧力計１１０の代わりに流量計を用いて、空気供給流路１５２の空気の流れを検出するようにしてもよい。

また、圧力計１１０および流量計を用いて、空気供給流路１５２の空気の流れを検出するようにしてもよい。この場合、例えば、回転軸１３２の回転数に対応付けた圧力および流量をテーブルとして保持しておき、圧力計１１０で計測される圧力および流量計で計測される流量とテーブルとに基づいて、回転軸１３２が回転しているか否かを判定するようにすればよい。また、圧力計１１０で計測される圧力および流量計で計測される流量の一方を、他方の誤差を小さくするための補正値として使用するようにしてもよい。例えば、圧力はコンプレッサインペラ１３０の出口と入口との圧力の比率値を、流量は標準温度での状態に換算した値を補正値として使用することができる。

また、上述した実施形態においては、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結している場合、一定のオープンループ期間におけるコンプレッサモータ１３６のオープンループ制御、および、一定のインターバル期間におけるコンプレッサモータ１３６への電力供給の停止を繰り返し行うようにした。しかしながら、エアベアリング１３８と回転軸１３２とが凍結している場合、オープンループ期間を徐々に長くしていき、コンプレッサモータドライバ１２６およびコンプレッサモータ１３６の発熱量を徐々に大きくするようにしてもよい。

また、上述した実施形態においては、コンプレッサモータドライバ１２６が、コンプレッサモータ制御部１７０、流れ検出部１７２、凍結検出部１７４として機能するようにしたが、制御部１２２がコンプレッサモータ制御部１７０、流れ検出部１７２、凍結検出部１７４として機能してもよい。

また、上述した実施形態においては、遠心式電動コンプレッサ装置１０８にタービンインペラ１３４が設けられるようにしたが、遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、タービンインペラ１３４が設けられていなくてもよい。なお、遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、タービンインペラ１３４が設けられていなくても、タービンインペラ１３４が設けられている場合と同様にコンプレッサモータ１３６の制御を行うことができる。

また、上述した実施形態においては、エアベアリング１３８としてフォイル軸受を適応した。しかしながら、中空形状に形成された多孔質材でなり、不図示の空気供給機から供給される空気が挿通された回転軸１３２との隙間に介在することで、回転軸１３２との隙間に介在する空気により回転軸１３２を支持するエアベアリングを適応してもよく、その他、回転軸１３２との隙間に介在する空気により回転軸１３２を支持するエアベアリングを適応することができる。

また、上述した実施形態においては、遠心式電動コンプレッサ装置１０８が、燃料電池スタック１０２に空気を供給する燃料電池自動車１００に適応するようにした。しかしながら、内燃機関自動車や、内燃機関とモータとにより走行するハイブリッド自動車等に適応され、内燃機関に空気を供給する過給機に遠心式電動コンプレッサ１２４を適応し、過給機を含む過給システムに遠心式電動コンプレッサ装置１０８を適応するようにしてもよい。ただし、内燃機関による排熱で回転軸１３２とエアベアリング１３８との凍結を解凍することができることも考えられるので、遠心式電動コンプレッサ装置１０８は、内燃機関を持たない燃料電池自動車１００に適応した場合の方が特に有用である。

本発明は、速度センサを用いることなく、エアベアリングと回転軸との凍結を検出することを目的とする遠心式電動コンプレッサ装置およびコンプレッサモータ制御方法に利用することができる。

１０２ 燃料電池スタック
１０８ 遠心式電動コンプレッサ装置
１２４ 遠心式電動コンプレッサ
１２６ コンプレッサモータドライバ（ドライバ）
１３０ コンプレッサインペラ
１３２ 回転軸
１３６ コンプレッサモータ
１３８ エアベアリング
１４０ ハウジング
１５２ 空気供給流路
１７２ 流れ検出部
１７４ 凍結検出部

Claims (6)

1. 回転軸と、
   前記回転軸と一体的に回転し、該回転により空気を圧縮して、水素と酸素とを電気化学反応させることにより電力を生成する燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサインペラと、
   前記回転軸を通じて、前記コンプレッサインペラを回転させるコンプレッサモータと、
   前記回転軸との隙間に介在する空気により該回転軸を支持するエアベアリングと、
   前記コンプレッサインペラから前記燃料電池スタックに供給される空気が通過する空気供給流路における、該コンプレッサインペラおよび該燃料電池スタックの間の空気の流れを検出する流れ検出部と、
   前記コンプレッサモータの駆動を制御するドライバと、
   前記流れ検出部により検出される空気の流れに基づいて、前記エアベアリングと前記回転軸との凍結を検出する凍結検出部と、
   を備えることを特徴とする遠心式電動コンプレッサ装置。
2. 前記ドライバは、
   前記コンプレッサモータの始動時に、該コンプレッサモータに対して予め定められた電力を供給することにより、該コンプレッサモータをオープンループで制御し、
   前記凍結検出部は、
   前記ドライバが前記コンプレッサモータをオープンループで制御している際の、前記流れ検出部により検出される前記空気の流れに基づいて、前記エアベアリングと前記回転軸との凍結を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の遠心式電動コンプレッサ装置。
3. 前記流れ検出部は、
   前記空気供給流路を通過する空気の流量に基づいて該空気の流れを検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心式電動コンプレッサ装置。
4. 前記流れ検出部は、
   前記空気供給流路の圧力に基づいて該空気の流れを検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の遠心式電動コンプレッサ装置。
5. 前記ドライバは、
   前記凍結検出部により前記エアベアリングの凍結が検出された場合、前記ドライバを介して前記コンプレッサモータの駆動を試みることで、該ドライバおよび該コンプレッサモータの一方または双方の発熱により該エアベアリングの凍結を解凍させる
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心式電動コンプレッサ装置。
6. 回転軸と、
   前記回転軸と一体的に回転し、該回転により空気を圧縮して、水素と酸素を電気化学反応させることにより電力を生成する燃料電池スタックに空気を供給するコンプレッサインペラと、
   前記回転軸を通じて、前記コンプレッサインペラを回転させるコンプレッサモータと、
   前記回転軸を、該回転軸との隙間に介在する空気により支持するエアベアリングと、
   前記コンプレッサモータの駆動を制御するドライバと、
   を備える遠心式電動コンプレッサ装置のコンプレッサモータ制御方法であって、
   前記コンプレッサインペラから前記燃料電池スタックに供給される空気が通過する空気供給流路の空気の流れを検出する流れ検出ステップと、
   前記流れ検出ステップにより検出される空気の流れに基づいて、前記エアベアリングの凍結を検出する凍結検出ステップと、
   を有することを特徴とするコンプレッサモータ制御方法。

Images