JP5038874B2

JP5038874B2 - コンタクタ制御システム

Info

Publication number: JP5038874B2
Application number: JP2007325774A
Authority: JP
Inventors: 寿晶武下; 充昭矢野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: JP2009143506A

Description

本発明は、燃料電池スタック、高圧バッテリ等の高圧電源と外部負荷との電気的接続を接続／遮断するコンタクタを制御するコンタクタ制御システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んであり、燃料電池自動車等の移動体の電源として期待されている。

このように燃料電池自動車に電源として搭載される場合、燃料電池は、駆動力を発生する走行モータの定格出力に対応して、複数の単セルが電気的に直列で接続された燃料電池スタックとして搭載され、その出力電圧は数百Ｖになる。また、燃料電池スタックと走行モータとの間には、これらの電気的接続をＯＮ／ＯＦＦ（接続／遮断）するコンタクタ（スイッチ）が設けられる（特許文献１参照）。

このようなコンタクタは、燃料電池スタック側に接続する端子と、走行モータ側に接続する端子と、これら端子同士をＯＮ／ＯＦＦ指令に従って接続／遮断する導通片とを備える。そして、この導通片は、燃料電池スタックの出力電圧（数百Ｖ）に対応して形成されるので、慣性質量は大きくなる。

特開２００４−１６５２号公報

ところが、特許文献１では、燃料電池自動車の衝突後、直ちに、コンタクタにＯＦＦ指令が送られる。そのため、コンタクタが衝突による衝撃力を受けている場合、つまり、前記慣性質量が大きい導通片に、衝突による加速度によってＯＮ側に大きな力が作用している場合、ＯＦＦ指令に従って、導通片がＯＦＦ側に速やかに作動することできず、導通片と端子との間に、僅かな隙間が形成される時間が長くなるときがある。そして、このように僅かな隙間が形成されると、導通片と端子との間で、アーク（放電）が発生し、このアークにより導通片と端子とが溶着し、コンタクタが故障する虞がある。

そこで、本発明は、溶着によるコンタクタの故障を防止可能なコンタクタ制御システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、移動体に搭載される高圧電源と外部負荷との電気的接続を、接続／遮断するコンタクタを制御するシステムであって、前記コンタクタは、ケーシングと、前記ケーシング内にスライド自在に設けられた導通片と、を備えて構成され、前記導通片のスライドを制御して前記電気的接続の接続／遮断を制御するコンタクタ制御手段と、前記移動体が外部から前記導通片のスライド方向に受ける衝撃を検出する衝撃検出手段と、前記衝撃検出手段が衝撃を検出した場合、前記コンタクタに作用する衝撃力が収束したか否かを判定するコンタクタ衝撃力収束判定手段と、を備え、前記コンタクタ衝撃力収束判定手段が衝撃力は収束したと判定した後、前記コンタクタ制御手段が前記コンタクタを遮断することを特徴とするコンタクタ制御システムである。

このようなコンタクタ制御システムによれば、コンタクタ衝撃力収束判定手段がコンタクタに作用する衝撃力は収束したと判定した後、コンタクタ制御手段がコンタクタに遮断指令（ＯＦＦ指令）を送り、コンタクタを遮断する。これにより、コンタクタは、衝撃力の影響を受けずに遮断される。したがって、高圧電源に接続する端子、又は、外部負荷に接続する端子と、これら端子同士を導通させる導通片との間に、僅かな隙間が形成されにくくなり、端子と導通片との間で、アークが発生しにくくなる。その結果、端子と導通片とは溶着しにくくなり、溶着によるコンタクタの故障を防止できる。

また、前記コンタクタ衝撃力収束判定手段は、前記衝撃検出手段が衝撃を検出した後、所定時間が経過した場合、衝撃力は収束したと判定することを特徴とするコンタクタ制御システムである。

このようなコンタクタ制御システムによれば、コンタクタ衝撃力収束判定手段によって、衝撃検出手段が衝撃を検出した後、所定時間が経過した場合、衝撃力は収束したと判定することができる。

また、前記コンタクタに作用する衝撃力を検出するコンタクタ衝撃力検出手段を備え、前記コンタクタ衝撃力収束判定手段は、前記コンタクタ衝撃力検出手段が検出する前記コンタクタに作用する衝撃力に基づいて、衝撃力が収束したか否かを判定することを特徴とするコンタクタ制御システムである。

このようなコンタクタ制御システムによれば、コンタクタ衝撃力収束判定手段は、コンタクタ衝撃力検出手段が検出するコンタクタに作用する衝撃力に基づいて、衝撃力が収束したか否かを判定するができる。

本発明によれば、溶着によるコンタクタの故障を防止可能なコンタクタ制御システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
なお、ここでは、コンタクタ制御システムが組み込まれた燃料電池自動車（移動体）を例示する。

≪燃料電池自動車の構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池自動車１は、燃料電池スタック１０と、電力によって駆動力を発生する走行モータ３１（外部負荷）と、燃料電池スタック１０と走行モータ３１との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦ（接続／遮断）するコンタクタ２０と、高圧バッテリ３３と、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、ＳＲＳ６１（Supplemental Restraint System：乗員保護補助装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（数百枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルの数は、走行モータ３１の定格出力に対応して設定される。そして、数百枚の単セルが積層された場合、燃料電池スタック１０の出力電圧は、数百Ｖになる。

単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するためのアノード流路（燃料ガス流路）が形成されている。カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するためのカソード流路（酸化剤ガス流路）が形成されている。

そして、水素が、図示しない水素タンク（燃料ガス供給手段）から、前記アノード流路を介して各アノードに供給され、また、空気が、図示しないコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）から、前記カソード流路を介して各カソードに供給されると、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。この状態で、コンタクタ２０、２０がＯＮされ、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

燃料電池スタック１０の出力端子は、ＥＣＵ５０により独立制御されるコンタクタ２０、２０を介して、ＰＤＵ３２（Power Drive Unit）に接続されている。ＰＤＵ３２は、ＥＣＵ５０の指令に従って、直流電流を三相交流電流に変換するインバータであり、三相交流電流発生回路を備えている。そして、ＰＤＵ３２の出力端子には、走行モータ３１が接続されている。

ここで、図２、図３を参照して、コンタクタ２０の構造を説明する。なお、図２はコンタクタ２０（ソレノイド２５）のＯＦＦ時を示しており、図３はコンタクタ２０（ソレノイド２５）のＯＮ時を示している。また、後記するコンタクタ３４も、コンタクタ２０と同様の構造である。
コンタクタ２０は、燃料電池スタック１０側の端子２１Ａと、ＰＤＡ３２側（走行モータ３１等側）の端子２１Ｂと、端子２１Ａと端子２１Ｂとを導通させる導通片２２とを備えている。

導通片２２は、燃料電池スタック１０の出力電圧（数百Ｖ）に対応して形成されており、その慣性質量は大きいものとなっている。導通片２２は、そのガイド部２２ａによって、ケーシング２３に対してスライド自在に設けられている。そして、導通片２２は、引張コイルバネ２４のバネ力により引っ張られており、ソレノイド２５のＯＦＦ時には、端子２１Ａ、２１Ｂから離れ、端子２１Ａ、２１Ｂが電気的に遮断、つまり、燃料電池スタック１０とＰＤＵ３２とが電気的に遮断されるように設計されている（図２参照）。

一方、ソレノイド２５のＯＮ時には、導通片２２が、引張コイルバネ２４のばね力に抗し移動して、端子２１Ａ、２１Ｂに当接し、端子２１Ａ、２１Ｂが電気的に接続、つまり、燃料電池スタック１０とＰＤＵ３２とが電気的に接続されるようになっている（図３参照）。

図１に戻って説明を続ける。
高圧バッテリ３３は、リチウムイオン型等の二次電池から構成された高圧電源（例えば数百Ｖ）であり、燃料電池スタック１０の余剰発電電力や、走行モータ３１の回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック１０の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック１０を補助するものである。そして、高圧バッテリ３３は、ＥＣＵ５０によりＯＮ／ＯＦＦ制御されるコンタクタ３４、３４を介して、コンタクタ２０、２０と、ＰＤＵ３２との間に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、コンタクタ２０、２０とＰＤＵ３２との間に接続されており、燃料電池スタック１０及び／又は高圧バッテリ３３からの高圧電流を、ＥＣＵ５０からの指令に従って降圧する装置である。そして、降圧された電流は、バッテリ４２、ＥＣＵ５０、ＥＣＵ５０内のリレー回路５１、５１を介してコンタクタ２０、その他アクセサリに供給されるようになっている。

バッテリ４２は、二次電池から構成された低圧電源（例えば１２Ｖ）であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の下流に接続されている。そして、バッテリ４２の放電電流は、ＥＣＵ５０、コンタクタ２０、その他アクセサリに供給されるようになっている。

ＥＣＵ５０は、燃料電池自動車１を電子制御するコントローラであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ５０は、内部にリレー回路５１、５１を備えており、これをＯＮ／ＯＦＦすることで、バッテリ４２及び／又は高圧バッテリ３３からコンタクタ２０、２０への電力供給を制御し、コンタクタ２０、２０をＯＮ／ＯＦＦ制御するようになっている。

また、ＥＣＵ５０は、内部に予め記憶されたプログラムに従って各種処理を実行し、コンタクタ２０に作用する衝撃Ｇ及び衝撃力が収束したか否かを判定するコンタクタ衝撃力収束判定手段と、衝撃Ｇ及び衝撃力が収束したか否かを判定するコンタクタ衝撃力収束判定手段としても機能を発揮する。
なお、ＥＣＵ５０によるコンタクタ３４、３４のＯＮ／ＯＦＦに制御ついても同様である。

ＳＲＳ６１（衝撃検出手段）は、衝突等によって燃料電池自動車１が外部から受ける衝撃を検出し、この衝撃から乗員を保護するための補助装置である。ＳＲＳ６１は、衝撃等によって燃料電池自動車１に作用する衝撃Ｇ（加速度）を検出するＧセンサ６２（加速度センサ）を備えている。なお、Ｇセンサ６２は、三次元方向における衝撃Ｇを検出可能となっている。

そして、Ｇセンサ６２が検出する衝撃Ｇが、衝撃から乗員を保護するべき所定の衝撃Ｇ以上である場合、ＳＲＳ６１は、エアバック６３に展開指令を出力すると共に、ＥＣＵ５０に衝撃を受けたことを知らせるための信号を出力するようになっている。次いで、展開指令を受信したエアバック６３は、展開するようになっている。

ＩＧ６４は、燃料電池自動車１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ６４は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号を、ＥＣＵ５０に出力するようになっている。

≪燃料電池自動車の動作≫
次に、燃料電池自動車１の動作について、図４を主に参照して説明する。
なお、初期状態において、ＩＧ６４はＯＮ、コンタクタ２０、２０、３４、３４はＯＮされており、燃料電池スタック１０は、運転者からの発電要求に応じて、発電している。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、ＩＧ６４からのＯＮ／ＯＦＦ信号に基づいて、ＩＧ６４がＯＦＦされたか否かを判定する。
ＩＧ６４はＯＦＦされたと判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、ＩＧ６４はＯＦＦされていないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ２０をＯＦＦ、つまり、リレー回路５１をＯＦＦし、ソレノイド２５への電力供給を停止する。そうすると、導通片２２は、引張コイルバネ２４のバネ力により、端子２１Ａ、２１Ｂから速やかに離間し、端子２１Ａ、２１Ｂは電気的に遮断、つまり、燃料電池スタック１０とＰＤＵ３２とは電気的に遮断される。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、エンドに進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、ＳＲＳ６１（衝撃検出手段）から衝撃を受けた際に発せられる信号を受信したか否かを判定する。
信号を受信したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０４に進む。この場合、ＳＲＳ６１は、エアバック６３にも信号（展開指令）を出力しており、この信号を検知したエアバック６３は、運転者等を保護するため作動し、展開している。
一方、信号を受信していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０１に進む。この場合、エアバック６３は作動せず、非展開状態で維持される。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、内部クロックを利用して、信号の受信後の時間の計測を開始する（タイマー開始）。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０（コンタクタ衝撃力収束判定手段）は、信号の受信後、所定時間経過したか否かを判定する。
所定時間は、信号の受信後、この時間が経過すれば、コンタクタ２０（導通片２２）に作用する衝撃Ｇ（衝撃による加速度）、及び衝撃Ｇによる衝撃力が、所定値又はこれに近い値に収束しており、コンタクタ２０をＯＦＦしたとき、引張コイルバネ２４のバネ力により、導通片２２が端子２１Ａ、２１Ｂから速やかに離間し、導通片２２と端子２１Ａ、２１Ｂとの間でアーク（放電）が発生せず、導通片２２と端子２１Ａ、２１Ｂとが溶着しない時間に設定される（図５参照）。
このような所定時間は、導通片２２の慣性質量、引張コイルバネ２４のバネ力、端子２１Ａ、２１Ｂに印加する電圧の大きさ（燃料電池スタック１０の出力電圧）等に関係し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ５０に予め記憶されている。
さらに、Ｇセンサ６２が検出する衝撃Ｇ（加速度）、衝撃力の大きさに対応して、所定時間を可変、つまり、衝撃Ｇ（加速度）、衝撃力が大きいほど、所定時間を長くする構成としてもよい。このようにすれば、コンタクタ２０に作用する衝撃Ｇ、衝撃力の収束判定を適切に行うことができる。

所定時間経過したと判定された場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、所定時間経過していないと判定された場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０５の判定を繰り返す。

ステップＳ１０５の判定結果がＹｅｓの場合に進むステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０（コンタクタ制御手段）は、コンタクタ２０をＯＦＦ、つまり、リレー回路５１をＯＦＦし、ソレノイド２５への電力供給を停止する。

このとき、コンタクタ２０（導通片２２）に作用する衝撃Ｇ（加速度）、及び衝撃力は所定値に収束しており、衝撃Ｇにより導通片２２に作用する端子２１Ａ、２１Ｂ向きの力は、十分に小さくなっている。よって、コンタクタ２０がＯＦＦされると、導通片２２は、引張コイルバネ２４のバネ力により、端子２１Ａ、２１Ｂから速やかに離間する。これにより、導通片２２と、端子２１Ａ、２１Ｂとの間で、アークが発生することはなく、端子２１Ａ、２１Ｂとが溶着することはない。そして、端子２１Ａ、２１Ｂは電気的に遮断、つまり、燃料電池スタック１０とＰＤＵ３２とは電気的に遮断される。
その後、ＥＣＵ５０の処理はエンドに進む。

≪燃料電池自動車の効果≫
このようなコンタクタの制御システムが組み込まれた燃料電池自動車１によれば、次の効果を得る。
通常時、つまり、運転者が燃料電池自動車１を停止させるため、ＩＧ６１をＯＦＦした場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、これに連動してコンタクタ２０がＯＦＦされるので（Ｓ１０２）、燃料電池スタック１０の発電を停止できる。

一方、燃料電池自動車１が衝突し、信号を受信し（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、コンタクタ２０が衝撃による衝撃Ｇ（加速度）を受けた場合、コンタクタ２０（導通片２２）に作用する衝撃Ｇが、所定値に収束したと推定される所定時間の経過後（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０がコンタクタ２０をＯＦＦ（Ｓ１０２）、つまり、ソレノイド２５への電力供給をＯＦＦする（図５参照）。これにより、導通片２２が、端子２１Ａ、２１Ｂから速やかに離間することができ、導通片２２と、端子２１Ａ、２１Ｂとの間でアークが発生することは防止され、導通片２２と、端子２１Ａ、２１Ｂとが溶着し、コンタクタ２０が作動不能となることは防止される。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば、次のように変更することができる。

前記した実施形態では、信号の受信から（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、所定時間経過した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、コンタクタ２０をＯＦＦする構成を例示したが、コンタクタ２０の近傍に、コンタクタ２０（導通片２２）に作用する衝撃Ｇ（加速度）、及び、衝撃Ｇによる衝撃力を直接検出するＧセンサ（コンタクタ衝撃力検出手段）を設けて、このＧセンサが検出する衝撃Ｇ、衝撃力が所定値に収束した場合、コンタクタ２０をＯＦＦする構成としてもよい。
また、三次元方向における加速度を検出するＧセンサ６２を備える構成としたが、一次元の加速度センサを使用し、その検知方向と導通片２２のスライド方向とを一致させる構成でもよい。

前記した実施形態では、コンタクタ２０を制御する場合を例示したが、高圧バッテリ３３（高圧電源）と、走行モータ３１との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタ３４を、同様に制御してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池スタック１０、走行モータ３１（外部負荷）及びコンタクタ２０等が、燃料電池自動車（移動体）に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。
また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムにおいて、例えば、適宜なセンサによって検出された地震による加速度、及びこれによる衝撃力に基づいて、コンタクタのＯＮ／ＯＦＦを制御する構成としてもよい。

本実施形態に係る燃料電池自動車の構成を示す図である。本実施形態に係るコンタクタの断面図であり、コンタクタのＯＦＦ状態を示す。本実施形態に係るコンタクタの断面図であり、コンタクタのＯＮ状態を示す。本実施形態に係る燃料電池自動車の動作を示すフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池自動車の一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池自動車
１０燃料電池スタック（高圧電源）
２０コンタクタ
３１走行モータ（外部負荷）
３３高圧バッテリ（高圧電源）
５０ＥＣＵ（コンタクタ衝撃力収束判定手段、コンタクタ衝撃力収束判定手段）
６１ＳＲＳ（衝撃検出手段）
６２Ｇセンサ

Claims

移動体に搭載される高圧電源と外部負荷との電気的接続を、接続／遮断するコンタクタを制御するシステムであって、
前記コンタクタは、ケーシングと、前記ケーシング内にスライド自在に設けられた導通片と、を備えて構成され、
前記導通片のスライドを制御して前記電気的接続の接続／遮断を制御するコンタクタ制御手段と、
前記移動体が外部から前記導通片のスライド方向に受ける衝撃を検出する衝撃検出手段と、
前記衝撃検出手段が衝撃を検出した場合、前記コンタクタに作用する衝撃力が収束したか否かを判定するコンタクタ衝撃力収束判定手段と、
を備え、
前記コンタクタ衝撃力収束判定手段が衝撃力は収束したと判定した後、前記コンタクタ制御手段が前記コンタクタを遮断する
ことを特徴とするコンタクタ制御システム。
前記コンタクタ衝撃力収束判定手段は、前記衝撃検出手段が衝撃を検出した後、所定時間が経過した場合、衝撃力は収束したと判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンタクタ制御システム。
前記コンタクタに作用する衝撃力を検出するコンタクタ衝撃力検出手段を備え、
前記コンタクタ衝撃力収束判定手段は、前記コンタクタ衝撃力検出手段が検出する前記コンタクタに作用する衝撃力に基づいて、衝撃力が収束したか否かを判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンタクタ制御システム。