JP4395576B2

JP4395576B2 - 電源制御装置

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Inventors: 只一松本
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Description

本発明は、電源制御装置に係り、特に、回転電機がロック状態になるときの電源作動制御を行う電源制御装置に関する。

回転電機は、その出力と負荷とのバランスの兼ね合いによって、回転が停止するロック状態となることが生じえる。例えば、車両を駆動する回転電機の制御装置において、登坂路上の車両が自重による後退とモータのトルクによる前進とのバランスがとれたとき、回転電機がロック状態あるいはストール状態となることがある。回転電機が多相駆動型であるとき、ロック状態になると、多相コイルの作動状態が固定されるので、例えば、ロック状態で多相コイルのいずれかが最大電流であると、その最大電流状態が継続される。そして、場合によってはその最大電流が流れるコイル、そのコイルに接続されるスイッチング素子等が損傷することが生じえる。

例えば、特許文献１には、モータ駆動装置として、モータのロック時において昇圧コンバータの昇圧比を大きいままとするとインバータの特定スイッチ素子が電流集中のため損傷し、一方、昇圧比を一律に低下させるとモータのトルク不足になるので、この２つを考慮する必要があることが述べられている。ここでは、トルクを同等に維持し、かつモータ駆動電圧がより低くできる動作点に、昇圧コンバータの昇圧比を設定することが開示されている。

また、本発明の構成に関連して、特許文献２には、電気自動車において、電源装置と、電源装置から電力が供給される負荷として高圧補機と、駆動インバータを介して電源装置に接続される駆動モータを備え、電源装置と負荷との間には配線が設けられ、この配線を介して電源装置と負荷との間で電源がやり取りされる構成が述べられている。ここで、電源装置は、燃料電池と、キャパシタと、２次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとが配線にそれぞれ接続され、また、配線には燃料電池の接続状態を入り切りするスイッチが設けられることが述べられている。

特開２００７−１２４７４６号公報特開２００３−１８７８１６号公報

特許文献１には、回転電機がロック状態となるときの昇圧制御が述べられており、特許文献２には、燃料電池を含む電源装置が述べられている。これらの文献はそれぞれ別々の従来技術が述べられているが、燃料電池と回転電機を含むシステムにおいて、回転電機がロック状態になったときに、スイッチング素子の損傷を防止できる燃料電池を含む電源装置の制御については述べられていない。

本発明の目的は、燃料電池と回転電機を含むシステムにおいて、回転電機がロック状態になったときに、スイッチング素子の損傷を防止できる電源制御装置を提供することである。

本発明に係る一態様の電源制御装置は、回転電機に接続されるインバータと、インバータの正極側母線と負極側母線とを一対の電力配線として、一対の電力配線に対して並列に配置接続される燃料電池と、一対の電力配線に対し並列に配置接続される２次電池と、一対の電力配線に対し並列に配置接続され、燃料電池と２次電池との間に配置接続される電圧変換器と、燃料電池の出力側の一対の電力配線に設けられ、燃料電池とインバータとの間、および燃料電池と電圧変換器との間を接続または遮断するリレー手段と、制御部と、を備え、制御部は、回転電機がロック状態にあるか否かを取得するロック状態取得手段と、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更する燃料電池制御手段と、回転電機がロック状態になったときに、電圧変換器の作動制御によって、一対の電力配線の間の電圧であるインバータ入力電圧について、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた低電圧に低下させる所定低電圧状態に変更する電圧変換器制御手段と、回転電機がロック状態にない状態からロック状態になったときに、リレー手段を接続状態から遮断状態に変更し、インバータ入力電圧が低下しても燃料電池の容量成分による放出電流が生じないようにするリレー状態変更手段と、を有することを特徴とする。

本発明に係る電源制御装置において、リレー状態変更手段は、回転電機がロック状態からロック状態にない状態に戻り、さらに、燃料電池が通常供給状態に戻り、これにより、燃料電池の開放出力電圧が予め定めた所定開放出力電圧となったときに、リレー手段を接続状態に戻すことが好ましい。

本発明に係る別態様の電源制御装置は、回転電機に接続されるインバータと、インバータの正極側母線と負極側母線とを一対の電力配線として、一対の電力配線に対して並列に配置接続される燃料電池と、一対の電力配線に対し並列に配置接続される２次電池と、一対の電力配線に対し並列に配置接続され、燃料電池と２次電池との間に配置接続される電圧変換器と、制御部と、を備え、制御部は、回転電機がロック状態にあるか否かを取得するロック状態取得手段と、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更するとともに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給について回転電機がロック状態にないときの通常供給状態から供給量を制限する制限供給状態に変更する燃料電池制御手段と、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給の制限によって燃料電池の出力電圧が所定低電圧レベルに低下するまでの低下期間について、電圧変換器の作動を停止し、燃料電池の出力電圧の低下に応じたインバータ入力電圧の低下に伴って生じる燃料電池の容量成分による放出電流をインバータによって吸収させ、低下期間経過後に電圧変換器の停止を解除する電圧変換器制御手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る電源制御装置において、回転電機は、車両に搭載され、車両の駆動用回転電機であることが好ましい。

上記構成により、電源制御装置は、インバータと、燃料電池と、２次電池と、電圧変換器と、制御部とを備えて構成される。そして、制御部は、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更する。燃料電池の出力電圧の低下によってインバータ入力電圧が低下し、ロック状態にある回転電機のスイッチング素子の電力損失を低下させる。このように、燃料電池の作動制御によって、ロック状態にある回転電機のスイッチング素子の損傷を防止することができる。

また、電源制御装置において、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給について、回転電機がロック状態にないときの通常供給状態から供給量を制限する。これにより、いわゆる低効率発電を行わせ、出力電流をそのままにして出力電圧を低下させることができる。これによって、回転電機がロック状態になっても、回転電機のトルクの低下を抑制しながらスイッチング素子の電力損失を低下させることができる。

また、電源制御装置において、燃料電池とインバータとの間、および燃料電池と電圧変換器との間を接続または遮断するリレー手段が設けられ、回転電機がロック状態にない状態からロック状態になったときに、リレー手段を接続状態から遮断状態に変更する。このとき、インバータ入力電圧について、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた低電圧に低下させる所定低電圧状態に変更する。これによって、回転電機がロック状態になったとき、インバータ入力電圧が低下し、ロック状態にある回転電機のスイッチング素子の電力損失を低下させる。また、リレー手段が接続状態であると、インバータ入力電圧が低下することによって、燃料電池がキャパシタとして働いて、インバータ入力電圧の低下を補償するように電流を放出することが生じ、インバータ電圧の低下に制限がかかることがあり得るが、リレー手段を遮断するので、放出電流の影響を生じなくすることができる。

また、電源制御装置において、リレー状態変更手段は、回転電機がロック状態にない状態からロック状態に戻り、さらに、燃料電池が通常供給状態に戻り、これにより、燃料電池の開放出力電圧が予め定めた所定開放出力電圧となったときに、リレー手段を接続状態に戻す。これによって、燃料電池の通常の制御を順調に行うことができる。

また、電源制御装置において、制御部は、回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給の制限によって燃料電池の出力電圧が所定低電圧レベルに低下するまでの低下期間について、電圧変換器の作動を停止し、燃料電池の出力電圧の低下に応じたインバータ入力電圧の低下に伴って生じる燃料電池の容量成分による放出電流をインバータによって吸収させ、低下期間経過後に電圧変換器の停止を解除する。このように、燃料電池がキャパシタとして働いて、インバータ入力電圧の低下を補償するように電流を放出することが生じても、インバータのロック時電流に吸収させる。その間に、燃料電池の出力電圧は低下してゆくので、放出電流の吸収後に、電圧変換器の作動を再開し、その低下した出力電圧をインバータに供給する制御を行う。これによって、放出電流の影響を少なくしながら、回転電機がロック状態にあるときのスイッチング素子の電力損失を低下させ、その損傷を抑制できる。

また、電源制御装置において、回転電機は、車両に搭載され、車両の駆動用回転電機であるので、車両搭載回転電機が坂道等でロック状態になっても、インバータのスイッチング素子の損傷を抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機が車両に搭載されるものとして説明するが、車両用以外の用途に用いられる回転電機、例えば、据付型の回転電機であってもよい。また、以下では、燃料電池搭載車両として、１台の回転電機を備えるものを説明するが、回転電機は複数であってもよい。また、回転電機として、モータとしての機能と発電機としての機能とを有するモータ・ジェネレータを説明するが、モータのみの機能を有するものであってもよく、モータと発電機とを個別に有する車両であってもよい。

また、以下では、電源回路として、高電圧の蓄電装置、燃料電池、電圧変換器、高電圧作動のインバータを含む構成を説明するが、これ以外の要素を含むものとしてもよい。例えば、平滑用コンデンサ、低電圧バッテリ、低電圧作動のＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むものとできる。また、以下で用いる各電力値等の値は、説明のための一例であって、勿論、これら以外の値であってもよい。

図１は、回転電機を備える燃料電池搭載車両における電源制御装置１０の構成を示す図である。この電源制御装置１０は、燃料電池１２、高電圧の２次電池１４、燃料電池側リレー１６、２次電池側リレー１７、電圧変換器１８、高電圧作動のインバータ２０、制御部５０を含んで構成される。

なお、電源制御装置１０の構成要素ではないが、回転電機８が図示されている。ここで、回転電機８は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電力が供給されるときはモータとして機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。なお、回転電機８の回転数は、適当な検出手段によって検出され、その検出値は制御部５０に伝送され、特にここでは回転電機８のロック状態の判定に用いられる。

ここで、燃料電池１２以外の要素の説明を先に行い、その後に燃料電池１２の構成について述べる。

２次電池１４は、充放電可能な高電圧の蓄電装置であって、電圧変換器１８を介して燃料電池１２との間で電力の融通を行い、回転電機８、後述する燃料電池用の各種補機等の負荷の変動に対応する機能を有する。かかる２次電池１４としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。

燃料電池側リレー１６と２次電池側リレー１７は、電圧変換器１８、インバータ２０に対する高電圧の電力の供給を必要に応じ行い、また必要に応じ遮断する機能を有する高電圧用遮断器、すなわちリレー手段である。これらの作動は、制御部５０によって制御される。

電圧変換器１８は、２次電池１４の側の高電圧と、燃料電池１２の側の高電圧との間の電圧差に応じて、電力のやり取りを行う機能を有する回路である。例えば、インバータ２０、回転電機８の側に電力を供給するときには、２次電池１４の側から燃料電池１２の側へ高電圧電力が供給され、逆に、２次電池１４を充電するときには、燃料電池１２の側から２次電池１４の側へ高電圧電力が供給される。かかる電圧変換器１８としては、リアクトルを含む双方向型コンバータを用いることができる。電圧変換器１８の作動は制御部５０によって制御することができる。

インバータ２０は、制御部５０の制御の下で、高電圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機８に供給する機能と、逆に回転電機８からの交流三相回生電力を高電圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。インバータ２０は図１に示すように、スイッチング素子とダイオード等を含む回路で構成することができる。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｅｒ）等を用いることができる。

インバータ２０には、その正極側母線と負極側母線とが一対の電力配線として設けられ、この一対の電力配線に、燃料電池１２、２次電池１４から高圧電力が供給される。この一対の電力配線の間の電圧は、インバータ入力電圧であり、図１では、Ｖ_ＩＮＶとして示されている。

なお、回転電機８を車両の駆動用に用いるときは、例えば、登坂路上の車両において、車両の自重による後退と、回転電機８の出力トルクによる前進とのバランスがとれたとき、回転電機８がロック状態あるいはストール状態となることがある。回転電機８がロック状態になると、回転電機８の多相コイルの作動状態が固定され、ロック状態で多相コイルのいずれかが最大電流であると、その最大電流状態が継続される。

したがって、インバータ２０においても、その最大電流の相に対応するスイッチング素子に継続的に最大電流が流れることになり、そのままでは損傷に至ることが生じえる。これを防止するため、回転電機８がロック状態になるときは、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させる処理が実行されるが、その詳細な内容については後述する。

次に燃料電池１２について説明する。燃料電池１２は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される燃料ガス供給用の各要素と、カソード側に配置される酸化ガス供給用の各要素を含んで構成される。なお、燃料電池は、ＦＣ（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）と単に呼ばれることもある。

燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、燃料電池スタック２２は、ＦＣスタックと呼ばれることもある。

アノード側の燃料ガスタンク２６は、水素ガス源であって、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源である燃料ガスタンク２６に接続されるレギュレータ４６は、水素ガス源である燃料ガスタンク２６からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ４６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。

燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器４７は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ４８を通して希釈器２８に流すためのものである。また、分流器４７の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器４９は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタを通してからエアコンプレッサ（ＡＣＰ）４２に供給される。ＡＣＰ４２は、モータによって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４２は、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータの回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータの回転速度を下げる。ＡＣＰ４２によって加圧された酸化ガスは、ＡＣＰ４２の回転数制御によって所望の流量とされて、燃料電池スタック２２に供給される。また、酸化ガス流路の燃料電池スタック２２の出口側に設けられる調圧弁４５は、カソード側出口のガス圧を調整する機能を有する。

希釈器２８は、アノード側の排気バルブ４８からの排水混じりの水素、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度に希釈して外部に排出するためのバッファ容器である。

また、冷媒循環ポンプ３０は、燃料電池スタック２２の温度を電気化学反応における適度な範囲とするために冷媒を流すためのポンプである。冷媒としては、ＬＬＣ（ＬｏｎｇＬｉｆｅＣｏｏｌａｎｔ）等の不凍液を含む冷却水を用いることができる。

このように、燃料電池１２には多くの要素が用いられる。その中で電気的に作動する補機としては、ＡＣＰ４２、循環昇圧器４９、冷媒循環ポンプ３０等がある。これらの補機は、２次電池１４と電圧変換器１８との間における一対の電力配線から高電圧電力が供給されて作動する。

図１における制御部５０は、電源制御装置１０を構成する各要素の作動を全体として制御する機能を有し、ここでは特に、回転電機８がロック状態になったときに、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させて、インバータ２０のスイッチング素子等の損傷を抑制する制御を行う機能を有する。制御部５０には、回転電機８からそのロック状態に関するものとして回転数信号が伝送され、その結果に基いて、燃料電池１２の作動、電圧変換器１８の作動、燃料電池側リレー１６の作動が制御される。かかる制御部５０としては、車載に適したコンピュータを用いることができる。

制御部５０は、回転電機８がロック状態にあるか否かを取得するロック状態取得モジュール５２と、回転電機８がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を所定低電圧となるように変更する燃料電池制御モジュール５４と、回転電機８がロック状態になったときに、電圧変換器１８の作動を制御する電圧変換器制御モジュール５６と、回転電機８がロック状態になったときに、燃料電池側リレー１６を接続状態から遮断状態に変更するリレー状態変更モジュール５８を含んで構成される。

かかる機能はソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、電源制御プログラムの中のロック状態処理プログラムを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアによって実現するものとしてもよい。

上記構成の作用、特に制御部５０の各機能について、図２のフローチャート、図３のタイムチャート、および図４と図５を用いて説明する。なお、以下では図１の符号を用いて説明する。図２は、回転電機８がロック状態となるときの処理の手順を示すフローチャートで、各手順の内容は、電源制御プログラムの中のロック状態処理プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。図３は、電源制御装置１０の各要素の状態の時間変化を説明するタイムチャートである。また、図４は燃料電池１２の制御の様子を説明する図であり、図５はインバータ２０におけるスイッチング素子の電力損失の様子を説明する図である。

図２において、車両が燃料電池１２と２次電池１４を用いて回転電機８によって走行しているときは、回転電機８がロック状態か否かが監視されている（Ｓ１０）。この工程は、制御部５０のロック状態取得モジュール５２の機能によって実行される。ロック状態か否かは、トルク指令の値に比べて、回転電機８の回転数が著しく低いかあるいはゼロであるか否かによって判断できる。例えば、トルク指令が約２００Ｎｍ以上であるのに、回転電機８の回転数が約毎分１００回転（１００ｒｐｍ）以下である場合等のときに、回転電機８がロック状態である、と判定するものとできる。勿論それ以外の判断基準を用いてもよい。また、回転電機８の回転数以外の指標を用いてもよい。例えば、回転電機８のコイル電流の特定の相への局在を検出するときにロック状態と判断するものとできる。

図３のタイムチャートは、横軸に時間をとり、上段から下段に向かって、回転電機回転数、回転電機トルク指令、回転電機ロック判定、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶ、燃料電池出力電流Ｉ_ＦＣ、燃料電池酸化ガス流量を示すＡＣＰ回転数、２次電池電流の時間変化を順に示してある。ここで、時刻ｔ_１において、トルク指令が所望の値であるのも関らず、回転電機８の回転数が上昇しないので、回転電機ロック判定がロック状態であるとしている様子が示されている。

ロック状態であると判定されると、次に、燃料電池１２に対してその出力電圧を低下させる指令が出される（Ｓ１２）。この工程は、制御部５０の燃料電池制御モジュール５４の機能によって実行される。具体的には、回転電機８がロック状態になったときに、燃料電池１２の出力電圧を、回転電機８がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更される。

この場合に、燃料電池１２の出力電流は変化させずに出力電圧を低下させることが好ましい。このようにすることで、インバータ２０に対し、トルク指令に見合う電流を供給しながらインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させることができる。そのような制御として、酸化ガスの供給を停止し、あるいは通常よりも少なくし、いわゆる低効率発電状態とすることができる。なお、燃料ガスを停止し、あるいは通常よりも少なくしてもよいが、この場合には、まず酸化ガスの供給を先に停止し、その後に燃料ガスを停止する順序とすることがＭＥＡの保護等の観点から好ましい。

その様子を図４に示す。図４は、横軸に燃料電池１２の出力電流、縦軸に燃料電池１２の出力電圧をとって、燃料電池１２の作動状態を説明する図である。燃料電池１２の通常の運転制御は、燃料電池１２における電気化学反応が最も効率のよい特性線６０に沿って行われる。すなわち、燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣを指令するときは、特性線６０上でその出力電流Ｉ_ＦＣに対応する出力電圧Ｖ_ＦＣが生成されるような電気化学反応となるように、酸化ガスの供給と燃料ガスの供給が行われる。これに対し、上記Ｓ１２の指令が出されるときは、酸化ガスの供給を絞るので、Ｉ_ＦＣに対し、Ｖ_ＦＣが一定の低電圧となる特性線６２となる。すなわち、予め定めた所定の低電圧の下で、燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣを変化させることができる。

このように、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣを所定の低電圧とすると、電圧変換器１８はそれに対応して２次電池１４の出力電圧を低電圧とするので、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶが低下する。例えば、回転電機８がロック状態でない通常制御電圧状態のときのインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを約４００Ｖとして、回転電機８がロック状態となるときに、そのインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを約３０Ｖ程度とすることができる。

図３には、時刻ｔ_１の後に、酸化ガスであるＡＩＲの流量を低下させ、これに伴ってインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶが低下することが示されている。なお、酸化ガス流量の変更は、ＡＣＰ４２の回転数によって行うことができるので、図３のＡＩＲ流量の変化は、ＡＣＰ４２の回転数の変化でもある。

インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させることで、ロック状態にあるインバータ２０のスイッチング素子の発熱に関係する損失電力を低減させることができる。その様子を図５に示す。図５は、横軸に時間をとり、縦軸にスイッチング素子の両端電圧Ｖとスイッチング素子に流れる電流Ｉとをとって示したものである。図５の左側の状態はスイッチング素子がＯＮのとき、右側の状態はスイッチング素子がＯＦＦのときである。スイッチング素子の損失電力は、その両端電圧Ｖと流れる電流Ｉとの積であるので、両端電圧Ｖが低下してｖとなることで、その値を小さくできる。スイッチング素子の両端電圧は、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶに関係し、Ｖ_ＩＮＶが小さくなればスイッチング素子の両端電圧も小さくなる。したがって、Ｖ_ＩＮＶを低下させることで、ロック状態にあるインバータ２０のスイッチング素子の損失電力を低減し、その発熱を抑制することができる。

図３において、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間において、燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣが持ち上がり、これに対応して２次電池１４の電流が落ち込んでいるのは次のような理由である。すなわち、図１の構成において、燃料電池１２の作動を制御して、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣを低下させ、これによってインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させると、燃料電池１２の容量成分によって、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶの低下を補償するように電流が放出される。これによって、一時的に、燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣが持ち上がり、これに対応して２次電池１４の電流が落ち込むことになる。この現象は、一時的な過渡現象であるので、ある程度時間が経過すると、定常状態に復帰する。なお、この燃料電池１２の容量成分の影響は、Ｖ_ＩＮＶを元の通常制御電圧状態に復帰させるときにも現れる。図３では、回転電機８がロック状態を解消した時刻ｔ_３の後で、その影響が出ることが示されている。

燃料電池１２の容量成分による影響は過渡的なものであり、いずれにせよ、回転電機８がロック状態であると判断されると、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させて、インバータ２０のスイッチング素子の損失電力を低減させることができる。このように回転電機８がロック状態のときには燃料電池１２の作動制御によってインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させ、インバータ２０のスイッチング素子の損傷を抑制する制御が行われる。

再び図２に戻り、Ｖ_ＩＮＶを低下させる制御を行いながら、回転電機８がロック状態を解消したか否かが監視される（Ｓ１４）。この工程は、制御部５０のロック状態取得モジュール５２の機能によって実行される。すなわち、上記の例では、トルク指令と回転電機８の回転数との参照によって、ロック状態の判定が解消されたか否かが判断される。そして、ロック状態が解消されたと判断されると、燃料電池１２の制御が通常運転制御の状態に戻される（Ｓ１６)。具体的には、図４で説明した特性線６０の上における制御に戻される。

図３では、時刻ｔ_３において、回転電機回転数が上昇したことから、回転電機ロック判定がロック状態の解消と判断される様子が示されている。そして、時刻ｔ_３以降において、酸化ガス流量がトルク指令に応じた値に戻され、これによって燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣも対応する値となり、また、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶが通常の制御電圧の範囲に戻される。これによって、電源制御装置１０が通常制御状態に戻り、車両の走行が行われる。

上記では、燃料電池側リレー１６が接続状態にあるものとして説明している。そのために、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣを低下させてインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶが低下するとき、燃料電池１２の容量成分の影響で、燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣが一時的に持ち上がる。この現象は過渡的なものであるが、電圧変換器１８の定格、２次電池１４の定格等によっては、Ｖ_ＩＮＶの低下速度に制限が加わることが生じえる。そこで、以下に、燃料電池１２の容量成分の影響を抑制する構成と方法について説明する。なお、以下では、図１から図５の符号を用いて説明する。

１つの方法は、燃料電池側リレー１６を遮断することで、燃料電池１２の容量成分の影響をインバータ２０の側に及ばないようにすることである。すなわち、回転電機８がロック状態にない状態からロック状態になったときに、燃料電池側リレー１６を接続状態から遮断状態に変更し、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶが低下しても燃料電池１２の容量成分による放出電流が生じないようにする。具体的には、図２のフローチャートにおいて、Ｓ１２の次に、あるいは場合によってＳ１０の次に、燃料電池側リレー１６を接続状態から遮断状態に変更する処理を設ける。この工程は、制御部５０のリレー状態変更モジュール５８の機能によって実行される。

その様子が図６のタイムチャートに示される。図６のタイムチャートは、図３に対応するものであるが、上段から５つ目に燃料電池側リレー（ＦＣリレー）１６の状態変化が示され、また、７つ目に燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣの状態変化が示されている。その他の項目は図６と同様であるので詳細な説明を省略する。図６では、時刻ｔ_１において回転電機８がロック状態にあると判定されると、燃料電池１２の酸化ガス流量が絞られあるいは停止され、燃料電池側リレー１６が接続状態から遮断状態に変更される様子が示されている。

このとき、燃料電池１２の出力側は、燃料電池側リレー１６によってインバータ２０等との間の接続が遮断されるので、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣは開放端電圧（ＯｐｅｎＣｉｒｃｕｉｔＶｏｌｔａｇｅ：ＯＣＶ）となり、酸化ガス供給が絞られあるいは停止されるので、時間経過とともに徐々に低下する。また、電圧変換器１８は、燃料電池１２の作動が図４で説明した特性線６２の上のものになることに対応して、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを所定の低電圧レベルに低下させる処理を行う。ここで、燃料電池側リレー１６は遮断されているので、Ｖ_ＩＮＶが低下しても、燃料電池１２の容量成分の影響がインバータ２０等に及ばない。つまり、図６において、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２において燃料電池１２の出力電流Ｉ_ＦＣが持ち上がっていない。

このように、回転電機８がロック状態になったときに、燃料電池側リレー１６を接続状態から遮断状態に変更することで、燃料電池１２の作動制御を行い、インバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶを低下させても、燃料電池１２の容量成分の影響をなくすことができる。これによって、回転電機８のロック状態におけるインバータ２０のスイッチング素子の損失電力を低下させ、その損傷を抑制することができる。

時刻ｔ_３になって、回転電機８がロック状態でなくなったと判定されると、燃料電池１２が通常供給状態に戻される。そして、これにより、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣが上昇を始め、その値が予め定めた所定開放出力電圧となったときに、燃料電池側リレー１６を再び接続状態に戻す。すなわち、図２におけるＳ１６の後に、燃料電池側リレー１６が遮断状態から接続状態に戻される。この工程は、制御部５０のリレー状態変更モジュール５８の機能によって実行される。これにより、再び電源制御装置１０は通常制御状態に戻り、車両走行が通常通りに行われる。

燃料電池１２の容量成分の影響を回避するもう１つの方法は、回転電機８がロック状態になったとき、燃料電池１２において酸化ガスの供給を絞りあるいは停止するとともに、
電圧変換器１８の作動を一時停止することである。この方法は、燃料電池１２の容量成分による放出電流を、ロック状態にあるインバータ２０の電流集中に吸収しようというものである。図２のフローチャートにおいては、Ｓ１２の後、場合によってはＳ１０の後に、電圧変換器１８の作動一時停止を行うことになる。この機能は、制御部５０の電圧変換器制御モジュール５６の機能によって実行される。

図７にその様子が示される。図７は、図３、図６に対応するもので、上から５段目に燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣが示され、その他の項目は図３と同様であるので、詳細な説明を省略する。ここでは、時刻ｔ_１において回転電機８がロック状態であると判定されると、燃料電池１２の酸化ガス流量が絞られあるいは停止され、電圧変換器１８の作動が停止（ＳＤＯＷＮ）される様子が示されている。

このとき、燃料電池１２において、酸化ガス流量が絞られあるいは停止されるので、燃料電池１２の出力電圧Ｖ_ＦＣは次第に低下し、これに伴ってインバータ入力電圧Ｖ_ＩＮＶも低下する。燃料電池１２はＶ_ＩＮＶの低下に伴い、放出電流が生じて、Ｉ_ＦＣが持ち上がるが、それは、インバータ２０の電流の全体によって吸収される。その間にも、Ｖ_ＦＣは次第に低下し、所定の低電圧に低下したならば、上記の例では約３０Ｖ程度に低下したならば、電圧変換器１８の作動を再開する。すなわち、図２におけるＳ１６の後に、電圧変換器１８の作動が一時停止状態から作動状態に戻される。この工程は、制御部５０の電圧変換器制御モジュール５６の機能によって実行される。これにより、再び電源制御装置１０は通常制御状態に戻り、車両走行が通常通りに行われる。

本発明に係る実施の形態の電源制御装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、回転電機がロック状態となるときの処理の手順を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、電源制御装置の各要素の状態の時間変化を説明するタイムチャートである。本発明に係る実施の形態において、燃料電池の制御の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、インバータにおけるスイッチング素子の電力損失の様子を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、他の制御の例を示すタイムチャートである。本発明に係る実施の形態において、別の制御の例を示すタイムチャートである。

符号の説明

８回転電機、１０電源制御装置、１２燃料電池、１４２次電池、１６燃料電池側リレー、１７２次電池側リレー、１８電圧変換器、２０インバータ、２２燃料電池スタック、２６燃料ガスタンク、２８希釈器、３０冷媒循環ポンプ、４０酸化ガス源、４５調圧弁、４６レギュレータ、４７分流器、４８排気バルブ、４９循環昇圧器、５０制御部、５２ロック状態取得モジュール、５４燃料電池制御モジュール、５６電圧変換器制御モジュール、５８リレー状態変更モジュール、６０，６２特性線。

Claims

回転電機に接続されるインバータと、
インバータの正極側母線と負極側母線とを一対の電力配線として、一対の電力配線に対して並列に配置接続される燃料電池と、
一対の電力配線に対し並列に配置接続される２次電池と、
一対の電力配線に対し並列に配置接続され、燃料電池と２次電池との間に配置接続される電圧変換器と、
燃料電池の出力側の一対の電力配線に設けられ、燃料電池とインバータとの間、および燃料電池と電圧変換器との間を接続または遮断するリレー手段と、
制御部と、
を備え、
制御部は、
回転電機がロック状態にあるか否かを取得するロック状態取得手段と、
回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更する燃料電池制御手段と、
回転電機がロック状態になったときに、電圧変換器の作動制御によって、一対の電力配線の間の電圧であるインバータ入力電圧について、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた低電圧に低下させる所定低電圧状態に変更する電圧変換器制御手段と、
回転電機がロック状態にない状態からロック状態になったときに、リレー手段を接続状態から遮断状態に変更し、インバータ入力電圧が低下しても燃料電池の容量成分による放出電流が生じないようにするリレー状態変更手段と、
を有する電源制御装置。
請求項１に記載の電源制御装置において、
リレー状態変更手段は、
回転電機がロック状態からロック状態にない状態に戻り、さらに、燃料電池が通常供給状態に戻り、これにより、燃料電池の開放出力電圧が予め定めた所定開放出力電圧となったときに、リレー手段を接続状態に戻すことを特徴とする電源制御装置。
回転電機に接続されるインバータと、
インバータの正極側母線と負極側母線とを一対の電力配線として、一対の電力配線に対して並列に配置接続される燃料電池と、
一対の電力配線に対し並列に配置接続される２次電池と、
一対の電力配線に対し並列に配置接続され、燃料電池と２次電池との間に配置接続される電圧変換器と、
制御部と、
を備え、
制御部は、
回転電機がロック状態にあるか否かを取得するロック状態取得手段と、
回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の出力電圧を、回転電機がロック状態にないときの通常制御電圧状態から予め定めた所定低電圧となるように変更するとともに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給について回転電機がロック状態にないときの通常供給状態から供給量を制限する制限供給状態に変更する燃料電池制御手段と、
回転電機がロック状態になったときに、燃料電池の酸化ガスまたは燃料ガスの少なくとも一方の供給の制限によって燃料電池の出力電圧が所定低電圧レベルに低下するまでの低下期間について、電圧変換器の作動を停止し、燃料電池の出力電圧の低下に応じたインバータ入力電圧の低下に伴って生じる燃料電池の容量成分による放出電流をインバータによって吸収させ、低下期間経過後に電圧変換器の停止を解除する電圧変換器制御手段と、
を有する電源制御装置。
請求項１から３のいずれか１に記載の電源制御装置において、
回転電機は、車両に搭載され、車両の駆動用回転電機であることを特徴とする電源制御装置。