JP4457319B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
特に上記構成によれば、複数の電力検出手段による電力検出結果が互いに照合されるので、異常が生じている電力検出手段を高い信頼性の下に割り出すことが可能となる。また、技術的に簡単な方法で、かつコスト負担の少ない方法で、複数の電力検出手段を設けることができる。
なお、本発明において「電力検出手段」とは、電力のみならず電流を検出する手段または機能を含む広い概念であり、「電力検出手段」の「異常」とは、検出される電流が異常値となるような場合を含む。
また、前記補正禁止手段は、前記リアクトル電流が負極性になってから一定時間経過しており、かつ、所定のデットタイム補正値演算のための積分項が、負極性のデットタイム補正値から積分項偏差異常判定しきい値の範囲以上の偏差を有している場合に、前記デットタイム補正を禁止するよう制御することが可能である。
本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム全体図である。
本実施形態に係るハイブリッド型燃料電池システム(ハイブリッド燃料電池システム1)は、本発明の電圧変換装置に係るDC−DCコンバータ20、蓄電装置に相当する高圧バッテリ21、燃料電池22、逆流防止用ダイオード23、インバータ24、トラクションモータ25、ディファレンシャル26、シャフト27、車輪29、電源制御部10を備えている。
なお、当該DC−DCコンバータ20のリアクトルLは、電流センサ19を直列に接続している。
図2に示すように、DC−DCコンバータ20(1相分)は、スイッチング素子Tr1〜4、ダイオードD1〜4、およびリアクトルLを有し、燃料電池22の出力側(二次側)では、スイッチング素子Tr1とダイオードD1の並列接続回路と、スイッチング素子Tr2とダイオードD2との並列接続回路とが直列接続(2段重ね)された構成となっている。また、高圧バッテリ21の出力側(一次側)では、スイッチング素子Tr3とダイオードD3の並列接続回路と、スイッチング素子Tr4とダイオードD4との並列接続回路とが直列接続(2段重ね)された構成となっている。
図3に示すのは電力の流れの一例であり、トラクションモータ25に対し、バッテリ21と燃料電池22とから電力が供給される場合を示している。図3に示すように、高圧バッテリ21からの出力電力が、インバータ84への駆動電力とDC−DCコンバータ20への入力電力へ分岐し、インバータ84からは高圧補機85へ駆動電力(補機損失)が供給される。DC−DCコンバータ20の出力電力Piは走行モータ用インバータ24経由でトランクションモータ25に出力される。
以下、本実施形態における電力検出手段の誤差検出および異常検出の動作を説明する。
図3を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池システム1の特徴的な動作を説明する。
DC−DCコンバータ20の入力電力Piは、電流センサ15の検出するバッテリ電流Ibおよび電圧センサ16の検出するバッテリ電圧Vbにより検出されるバッテリ出力電力Pbから高圧補機用インバータ84への高圧補機損失Liを除いた電力として推定可能である。DC−DCコンバータ20の出力電力Poは、走行モータ負荷電力Loから電流センサ17の検出する燃料電池電圧Ifcおよび電圧センサ18の検出する燃料電池電圧Vfcにより検出される燃料電池出力電力Pfcを除いた電力として推定可能である。また通過電力Ptは、DC−DCコンバータ20の入力電圧、電流センサ19の検出する通過電流It、リアクトル、制御同期インダクタロス等に基づいて、特定の演算式によって演算することにより、または、特定の関係テーブル(二次元マップテーブル)を参照することにより推定することが可能である。それぞれの電力計測値は、DC−DCコンバータ20を制御するためのロジック機能(電源制御部10における機能であり、より具体的には相切替、デットタイム補正、および相間電流補正の各ロジック機能)で使用される。
まず、ステップS100に示すように、第1、第2、第3の電力検出手段のそれぞれにおいて電力計測値を算出する。
第1の電力検出手段では、コンバータ入力電力Pi、すなわちコンバータ通過有効パワー(電力)を推定する。コンバータ入力電力Piは、バッテリ出力電力Pbから高圧補機用インバータ84の高圧補機損失Liを除いた電力であり、バッテリ出力電力Pbは、電流センサ15の検出するバッテリ電流Ibおよび電圧センサ16の検出するバッテリ電圧Vbから求められる。よって、コンバータ入力電力Pi(=コンバータ通過有効パワー推定値)の推定値は、(バッテリ電圧Vi×バッテリ電流値Ib−高圧補機損失Li)にコンバータ効率を乗じた値((バッテリ電圧Vb×バッテリ電流Ib−高圧補機損失Li)×コンバータ効率)として求められる。
ここでは、DC−DCコンバータ20の制御(ロジック)機能として、「コンバータ駆動相切替」、「相間電流補正」、および「デットタイム補正」を例示する。本実施例では、電力検出手段の誤差の程度に応じてこれら制御機能におけるパラメータ補正が禁止される。
ここで「デットタイム」とは、本実施形態のDC−DCコンバータ20のように、スイッチング素子がブリッジ構成になっている場合に、ブリッジを構成する二段重ねのスイッチング素子の双方が同時にオン状態となる期間である。例えば、図2では、スイッチング素子Tr1およびTr2やTr3およびTr4が共にオンになることである。
具体的に「デットタイム補正」とは、コンバータのリアクトル電流の方向に応じてデットタイム生成に関与するスイッチング素子が変わることから、関与するスイッチング素子に応じてデューティー比制御(PIDフィードバック制御)の定常値に対応する積分項を変更する補正のことをいう。デットタイム補正の適否判定に使用する計測値は、バッテリ電圧Vb、バッテリ電流Vi、高圧補機損失(実測)Li、燃料電池出力電圧Vfc、燃料電池出力電流Ifcおよびインバータ24の電流Ioである。
まず図5のステップS1において、電源制御部10は、第1、第2、および第3の電力検出手段で電力計測値を推定する。電力計測値の推定の具体的方法は、上記したとおりである。すなわち、第1、第2、および第3の電力検出手段によってそれぞれ電力計測値を演算する。
Piflt=(Vbflt×Ibflt−Li)×η、
によって求められる。
Ld=Piflt−((Io−Ifc)×Vfcflt)flt、
によって求められる。
補機損失誤差補正値Ld≧異常判定しきい値上限値Vth1H、または、
補機損失誤差補正値Ld≦異常判定しきい値下限値Vth1L、
を満たすか否かが判定される。その結果、補機損失誤差補正値Ldが異常判定しきい値の範囲を超えると判断された場合には(NO)、燃料電池出力電圧・出力電流および/またはインバータ電流を検出するセンサに誤差を生じている可能性が高い。よって、ステップS8において、電力制御部10は、補機損失誤差補正値異常フラグf1をオンに設定する。一方、補機損失誤差補正値Ldが異常判定しきい値の範囲内であると判定された場合には(YES)、ステップS9に移行する。
相間電流偏差|IA+IB|≧相間電流偏差しきい値上限値Vth2H、または、
相間電流偏差|IA+IB|≦相間電流偏差しきい値下限値Vth2L、
を満たすか否かが判定される。その結果、各相間の電流偏差が異常判定しきい値の範囲を超えると判断された場合には(NO)、コンバータ内のA相またはB相の電流を計測するセンサに誤差を生じている可能性が高い。よって、ステップS11において、電力制御部10は、各相間の電流偏差異常フラグf2をオン状態にする。一方、各相間の電流偏差が当該異常判定しきい値の範囲内である場合には(YES)、ステップS12に移行する。
P1=IAおよびIBの最大値×Duty×Vb、
として求められる。電源制御部10はステップS13に移行し、このコンバータ通過パワー推定値偏差ΔP(=|Pi−P1|)をコンバータ通過パワー推定値偏差の異常判定しきい値Vth3と比較する。すなわち、
|Pi−P1|≧コンバータ通過パワー推定値偏差しきい値Vth3について所定の条件が満たされるか否かが判定される。この所定の条件とは、例えば、コンバータ通過パワー推定値偏差がしきい値以上である状態が一定時間継続したとか一定回数検出されたとかいう場合である。このような条件は他のしきい値判定にも当てはまる。その結果、コンバータ通過パワー推定値偏差ΔPが異常判定しきい値を所定時間超えると判断された場合には(NO)、バッテリ電圧、バッテリ電流、高圧補機損失を計測するセンサに誤差を生じている可能性が高い。よって、ステップS14において、電力制御部10は、コンバータ通過パワー推定値偏差異常フラグf3をオン状態にする。一方、コンバータ通過パワー推定値偏差ΔPが当該異常判定しきい値の範囲内であるか所定時間以上は超えない場合には(YES)、ステップS15に移行する。
積分項≧デットタイム補正値(+)+積分項偏差異常判定しきい値Vth4、または、
積分項≦デットタイム補正値(+)−積分項偏差異常判定しきい値Vth4
である場合(YES)、ステップS22に移行し、電源制御部10は積分項偏差異常フラグf5をオン状態にする。一方、この条件が満たされない場合(NO)には、積分項偏差異常フラグf5をオフ状態に保ったまま、ステップS24に移行する。
積分項≦デットタイム補正値(−)+積分項偏差異常判定しきい値Vth4、または、
積分項≦デットタイム補正値(−)−積分項偏差異常判定しきい値Vth4
である場合(YES)、ステップS22に移行し、電源制御部10は積分項偏差異常フラグf5をオン状態にする。一方、この条件が満たされない場合(NO)には、積分項偏差異常フラグf5をオフ状態に保ったまま、ステップS24に移行する。
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、パラメータ補正を禁止する対象として、駆動相切替、相間電流補正、デットタイム補正を例示したが、これに限定されない。センサに誤差が含まれることで補正後の制御が不安定になるようなパラメータの補正であれば、本発明の異常判定処理を適用してパラメータ補正を禁止することが適当である。
Claims (7)
- 電圧変換装置を備える燃料電池システムにおいて、
前記電圧変換装置を通過する電力を検出する電力検出手段と、
前記電力検出手段に異常が生じているか否かを判定し、異常が生じていると判定された場合には前記電圧変換装置の制御に用いるパラメータの補正を禁止する補正禁止手段と、を備え、
前記補正禁止手段は、前記電力検出手段に異常が生じていると判定された場合には、前記電圧変換装置のリアクトル電流の方向によって変化するデットタイムを補正するデットタイム補正を禁止し、
前記電力検出手段は、複数備えられており、
前記複数の電力検出手段の各々により検出された電力を相互に比較して、前記いずれかの電力検出手段に異常が生じているか否かを判定し、
前記複数の電力検出手段により検出される電力は、前記電圧変換装置の一次側に設けられた電力検出センサにより検出される一次側通過電力、前記電圧変換装置の二次側に設けられた電力検出センサにより検出される二次側通過電力、および前記電圧変換装置のリアクトルに直列接続された電流検出センサにより検出されるリアクトル電流に基づき推定されるリアクトル通過電力である、燃料電池システム。 - 前記補正禁止手段は、
前記リアクトル電流が特定の極性になってから一定時間経過しており、かつ、所定のデットタイム補正値演算のための積分項が、所定のデットタイム補正値から積分項偏差異常判定しきい値の範囲以上の偏差を有している場合に、前記デットタイム補正を禁止する、
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記補正禁止手段は、
前記リアクトル電流が正極性になってから一定時間経過しており、かつ、所定のデットタイム補正値演算のための積分項が、正極性のデットタイム補正値から積分項偏差異常判定しきい値の範囲以上の偏差を有している場合に、前記デットタイム補正を禁止する、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記補正禁止手段は、
前記リアクトル電流が負極性になってから一定時間経過しており、かつ、所定のデットタイム補正値演算のための積分項が、負極性のデットタイム補正値から積分項偏差異常判定しきい値の範囲以上の偏差を有している場合に、前記デットタイム補正を禁止する、
請求項2に記載の燃料電池システム。 - 前記電圧変換装置は複数相運転が可能に構成されており、
前記電力検出手段に異常が生じていると判定された場合には、前記電圧変換装置の相間電流値の補正を禁止する、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記電圧変換装置は複数相運転が可能に構成されており、
前記電力検出手段に異常が生じていると判定された場合には、前記電圧変換装置の駆動相切替を禁止する、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記複数の電力検出手段の各々により検出された電力を相互に比較して、前記いずれかの電力検出手段に誤差が生じていると判定された電力検出手段により検出された電力に対しては該誤差の補正を行う、請求項1に記載の燃料電池システム。
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