JP5682764B2 - コンバータの制御方法、コンバータの制御装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を調整するための多相のコンバータの制御方法、コンバータの制御装置、及び燃料電池システムに関する。

いわゆる燃料電池自動車には、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが搭載されている。燃料電池システムには、燃料電池と負荷との間に、燃料電池で発電された大容量の電力の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータが設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、複数の相を有しており、通過する電力に応じて駆動相数を適宜変更している。駆動相数の変更は、所定の優先順位で、相を新たに駆動したり停止することにより行われる（特許文献１参照）。

特開２００９−１５８２０４号公報

しかしながら、上述の駆動相数の変更時のＤＣ／ＤＣコンバータの制御では、例えば駆動が開始或いは停止される相（切替え相）の電流指令値を変動させ、それ以外の駆動相の電流指令値が一定に維持される。この結果、駆動相数の変更中に、ＤＣ／ＤＣコンバータの全体の総電流指令値が変動し、ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する電流値が変動してしまう。ＤＣ／ＤＣコンバータを通過する電流値の変動は、例えば燃料電池システム全体の出力を制御する制御装置が意図するものではなく、負荷に供給される燃料電池の出力電力を制御するにあたって好ましくはない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、駆動相数の変更中にコンバータを通過する電流値が変動するのを防止することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池の出力電圧を調整するための多相のコンバータを制御する制御方法であって、駆動相数を変更する際に、コンバータ全体の総電流指令値を変更後の駆動相数で等分して、駆動相の目標電流値を算出する工程と、駆動相数変更前と変更後のいずれかで駆動する相について、目標電流値と相数変更前の電流指令値との差である電流偏差を算出する工程と、算出された電流偏差が最大となる相を最大偏差相に設定する工程と、前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近づくように設定する工程と、前記最大偏差相以外の他の相の電流指令値を、前記総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する工程と、を有する、コンバータの制御方法である。

本発明によれば、駆動相数変更中の最大偏差相の電流指令値を設定し、他の相の電流指令値を、最大偏差相の電流指令値を総電流指令値から引いて、他の相の相数で等分した値にするので、駆動相数変更中にコンバータの総電流指令値が変動することを防止できる。よって、コンバータを通過する電流値が変動するのを防止できる。

前記最大偏差相の電流指令値を目標電流値に近づけている駆動相数変更中は、前記最大偏差相を固定するようにしてもよい。

前記コンバータの制御方法は、前記駆動相数変更中に前記コンバータ全体の総電流指令値が変更される場合に、新たなコンバータ全体の総電流指令値を前記変更後の駆動相数で等分して、駆動相の新たな目標電流値を算出する工程と、前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する工程と、前記最大偏差相以外の前記他の相の電流指令値を、前記新たな総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する工程と、を有するようにしてもよい。

別の観点による本発明は、燃料電池の出力電圧を調整するための多相のコンバータを制御する制御装置であって、駆動相数を変更する場合に、コンバータ全体の総電流指令値を変更後の駆動相数で等分して、駆動相の目標電流値を算出する手段と、駆動相数変更前と変更後のいずれかで駆動する相について、目標電流値と相数変更前の電流指令値との差である電流偏差を算出する手段と、算出された電流偏差が最大となる相を最大偏差相に設定する手段と、前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する手段と、前記最大偏差相以外の他の相の電流指令値を、前記総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する手段と、を有する、コンバータの制御装置である。

前記最大偏差相の電流指令値を目標電流値に近づけている駆動相数変更中は、前記最大偏差相を固定するようにしてもよい。

前記コンバータの制御装置は、前記駆動相数変更中に前記コンバータ全体の総電流指令値が変更される際に、新たなコンバータ全体の総電流指令値を前記変更後の駆動相数で等分して、駆動相の新たな目標電流値を算出する手段と、前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する手段と、前記最大偏差相以外の前記他の相の電流指令値を、前記新たな総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する手段と、を有するようにしてもよい。

別の観点による本発明は、上記コンバータの制御装置を有する、燃料電池システムである。

本発明によれば、駆動相数変更中にコンバータを通過する電流値が変動するのを防止できる。

燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の電力系の構成を示すブロック図である。 第１のコンバータの制御方法のフローチャートである。 駆動相数増加時の第１のコンバータの各相の電流指令値の変動の一例を示す説明図である。 駆動相数減少時の第１のコンバータの各相の電流指令値の変動の一例を示す説明図である。 駆動相数変更中に総電流指令値が変動した時の第１のコンバータの制御方法のフローチャートである。 駆動相数変更中に総電流指令値が変動した場合の第１のコンバータの各相の電流指令値の変動の一例を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両１の電力系の機能ブロックを示す。

燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両１は、例えば、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池（ＦＣ）２０と、燃料電池２０で発電された電力の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（ＦＤＣ）３０（以下、第１のコンバータ３０と称する）と、充放電可能な補助電源となるバッテリ（ＢＡＴＴ）４０と、バッテリ４０の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（ＢＤＣ）５０（以下、第２のコンバータ５０と称する）と、直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、負荷であるトラクションモータ（Ｍ）６０に電力を供給するトラクションインバータ（ＩＮＶ）７０と、メインコントロールユニット（ＥＣＵ）８０を有している。

燃料電池２０は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。

第１のコンバータ３０は、燃料電池用の直流電圧変換器であり、燃料電池２０の出力電圧を所定の直流電圧に昇降圧して、トラクションインバータ７０に供給できる。第１のコンバータ３０は、複数相、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の４相を有し、通過電力に応じて所定の相数で運転を行う。なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相がこの順で優先的に駆動される。第１のコンバータ３０は、例えば、スイッチング素子としてのトランジスタと、リアクトルと、平滑用コンデンサと、整流素子としてのダイオードからなる一般的なコンバータ回路を備えている。

第１のコンバータ３０は、例えばコントロールユニット３１を備えている。コントロールユニット３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備える制御装置であり、メインコントロールユニット８０からの燃料電池２０の出力指令値に基づいて第１のコンバータ３０の駆動相数や各相の電流指令値を制御できる。なお、本実施の形態では、コントロールユニット３１がコンバータの制御装置に相当する。

バッテリ４０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する蓄電装置であり、例えば、二次電池（ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）が好適である。

第２のコンバータ５０は、燃料電池２０の余剰電力又はトラクションモータ６０が回収した回生電力を降圧してバッテリ４０に充電できる。

トラクションインバータ７０は、燃料電池２０とバッテリ４０との両方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、トラクションモータ６０の回転トルクを制御できる。トラクションモータ６０は、例えば、三相交流モータであり、車両走行時には走行推進力を生成する一方、車両制動時には、モータジェネレータとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を回収できる。

メインコントロールユニット８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備える制御装置であり、燃料電池２０の運転制御及び車載電力変換器（例えば第１のコンバータ３０、第２のコンバータ５０、及びトラクションインバータ７０）のスイッチング制御等を行う。

次に、第１のコンバータ３０の制御方法について説明する。なお、この第１のコンバータ３０の制御は、コントロールユニット３１によって実行される。図２は、かかる制御方法のフローチャートを示す。

先ず、燃料電池システム１０の運転時に、メインコントロールユニット８０から燃料電池２０の出力指令値、すなわち電圧指令値と電流指令値が第１のコンバータ３０のコントロールユニット３１に出力される。コントロールユニット３１では、それに応じて第１のコンバータ３０の駆動相数Ｎが決定される（図２のステップＳ１）。駆動相数Ｎが変更される場合には、第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔ（メインコントロールユニット８０から出力された電流指令値）を、変更後の駆動相数Ｎで等分して、駆動相の目標電流値Ａｆが算出される（図２のステップＳ２）。次に、駆動相数変更前と変更後のいずれかで駆動する相について、目標電流値Ａｆと相変更前の電流指令値Ａｂとの差（絶対値）である電流偏差ΔＡｆｂが算出される（図２のステップＳ３）。各相の電流偏差ΔＡｆｂが比較され、電流偏差ΔＡｆｂが最大となる相が最大偏差相Ｄｍに設定される（図２のステップＳ４）。なお、最大となる相が複数ある場合には、駆動順であるＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の順で優先的に設定される。次に最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｍが、所定の変化速度Ｒで目標電流値Ａｆに近づくように設定される（図２のステップＳ５）。そして、最大偏差相Ｄｍ以外の他の相Ｄｎの電流指令値Ａｎが、総電流指令値Ａｔから最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｍを引いて、他の相Ｄｎの相数で等分した値に設定される（図２のステップＳ６）。

図３には相数が増加する場合の各相の電流指令値の変動例を示す。例えば第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが１５０Ａであり、駆動相数Ｎが２相から３相に変更される（Ｗ相の駆動が開始される場合）場合には、先ず総電流指令値Ａｔの１５０Ａを変更後の駆動相数の３で等分して、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の目標電流値Ａｆである５０Ａ（＝１５０Ａ／３（相））が算出される。そして、次に、各相の電流偏差ΔＡｆｂが算出され、Ｕ相が２５Ａ（＝｜５０Ａ−７５Ａ｜）、Ｖ相が２５Ａ（＝｜５０Ａ−７５Ａ｜）、Ｗ相が５０Ａ（＝｜０Ａ−５０Ａ｜）となる。この結果、最大偏差相Ｄｍは、Ｗ相に設定される。次に、最大偏差相ＤｍであるＷ相の電流指令値Ａｍの変化速度Ｒが設定される。その後、Ｗ相の電流指令値Ａｍが所定の変化速度Ｒで変動した場合の、他の相Ｄｎ（Ｕ相、Ｖ相）の電流指令値Ａｎが、総電流指令値ＡｔからＷ相の電流指令値Ａｍを引いて、他の相Ｄｎの相数２で等分した値（（１５０Ａ−電流指令値Ａｍ）／２）に設定される。これにより、駆動相数変更中のＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流指令値を足した総電流指令値Ａｔが、常に１５０Ａとなる。

駆動相数変更が開始され、Ｗ相、Ｕ相及びＶ相の各電流指令値Ａｍ、Ａｎが目標電流指令値Ａｆである５０Ａになると、駆動相数変更が終了する。

他の具体例として、図４には相数が減少する場合の各相の電流指令値の変動例を示す。例えば第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが１５０Ａであり、駆動相数Ｎが３相から２相に変更される（Ｗ相の駆動が停止される場合）場合には、先ず総電流指令値Ａｔの１５０Ａを変更後の駆動相数２で等分して、Ｕ相及びＶ相の目標電流値Ａｆである７５Ａ（＝１５０Ａ／２（相））が算出される。なお、停止されるＷ相の目標電流値Ａｆは、必然的に０Ａとなる。そして、次に、各相の電流偏差ΔＡｆｂが算出され、Ｕ相が２５Ａ（＝｜５０Ａ−７５Ａ｜）、Ｖ相が２５Ａ（＝｜５０Ａ−７５Ａ｜）、Ｗ相が５０Ａ（＝｜５０Ａ−０Ａ｜）となる。この結果、最大偏差相Ｄｍは、Ｗ相に設定される。次に、最大偏差相ＤｍであるＷ相の電流指令値Ａｍの変化速度Ｒが設定される。その後、Ｗ相の電流指令値Ａｍが所定の変化速度Ｒで変動した場合の、他の相Ｄｎ（Ｕ相、Ｖ相）の電流指令値Ａｎが、総電流指令値ＡｔからＷ相の電流指令値Ａｍを引いて、他の相Ｄｎの相数２で等分した値（（１５０Ａ−電流指令値Ａｍ）／２）に設定される。これにより、相数変更中のＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流指令値を足した総電流指令値Ａｔが、常に１５０Ａとなる。

駆動相数変更が開始され、Ｗ相、Ｕ相及びＶ相の各電流指令値Ａｍ、Ａｎが、目標電流指令値Ａｆである７５Ａ、０Ａになると、駆動相数変更が終了する。

本実施の形態によれば、駆動相数変更中の最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｍを設定し、他の相Ｄｎの電流指令値Ａｎを、総電流指令値Ａｔから最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｍを引いて、他の相Ｄｎの相数で等分した値にするので、駆動相数変更中に第１のコンバータ３０の総電流指令値Ａｔが変動することを防止できる。よって、第１のコンバータ３０を通過する電流値が変動するのを防止できる。

ところで、上述の駆動相数変更中に第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが意図的に変更される場合がある。かかる場合に最大偏差相Ｄｍを設定する処理が行われると、最大偏差相Ｄｍが変わる恐れがある。最大偏差相Ｄｍが変更され、それに基づいて各相の電流指令値Ａｍ、Ａｎが再設定されると、電流指令値Ａｍ、Ａｎが不連続に急激に変動する可能性がある。これを避けるため、駆動相数変更中は最大偏差相Ｄｍを固定するようにしてもよい。図５は、かかる場合の第１のコンバータ３０の制御方法のフローチャートを示す。

駆動相数変更中に第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが変更される場合、第１のコンバータ３０の全体の新たな総電流指令値Ａｔを変更後の駆動相数Ｎで等分して、新たな目標電流値Ａｆが算出される（図２のステップＳ７）。次に、最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｍが、所定の変化速度Ｒ’で目標電流値Ａｆに近くように設定される（図２のステップＳ８）。次に最大偏差相Ｄｍ以外の他の相Ｄｎの電流指令値Ａｎが、新たな総電流指令値Ａｔから最大偏差相Ｄｍの電流指令値Ａｎを引いて他の相Ｄｎの相数で等分した値に設定される（図２のステップＳ９）。

図６には駆動相数変更中に総電流指令値Ａｔが変更される場合の各相の電流指令値の変動の一例を示す。この例は、駆動相数Ｎが３相から２相に変更される場合である。そして、例えば駆動相数変更中に、第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが１５０Ａから１２０Ａに変更される場合、第１のコンバータ３０の総電流指令値Ａｔである１２０Ａを変更後の駆動相数２で等分して、駆動相のＵ相及びＶ相の新たな目標電流値Ａｆの６０Ａ（＝１２０Ａ／２）が算出される。なお、停止されるＷ相の目標電流値Ａｆは零である。このとき、最大偏差相Ｄｍは変更せずにＷ相に維持される。次に、最大偏差相ＤｍであるＷ相の電流指令値Ａｍが、所定の変化速度Ｒ’で目標電流値Ａｆである０Ａに近づくように設定される。次に最大偏差相Ｄｍ以外の他の相Ｄｎ（Ｕ相及びＶ相）の電流指令値Ａｎが、総電流指令値Ａｔの１２０ＡからＷ相の電流指令値Ａｎを引いて他の相Ｄｎの相数２で等分した値（（１２０Ａ−電流指令値Ａｍ）／２）に設定される。これにより、総電流指令値Ａｔが意図的に変更された後の、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流指令値を足した総電流指令値Ａｔが、常に１２０Ａとなる。

かかる場合、駆動相数変更中は最大偏差相Ｄｍを変更しないので、第１のコンバータ３０の全体の総電流指令値Ａｔが意図的に変更される場合であっても、各相の電流値が不連続に急激に変動することが防止される。なお、この総電流指令値Ａｔの意図的な変更は、駆動相数変更中に何回あってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、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。

例えば、上記実施の形態で記載した燃料電池システム１０は、自動車などの車両の他、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できる。また、定置型電源等にも適用できる。

本発明は、燃料電池のコンバータにおいて、駆動相数変更中にコンバータを通過する電流値が変動するのを防止する際に有用である。

１ 燃料電池車両
１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
３０ 第１のコンバータ
３１ コントロールユニット
Ａｔ 総電流指令値
Ａｆ 目標電流値
ΔＡｆｂ 電流偏差
Ａｍ、Ａｎ 電流指令値
Ｄｍ 最大偏差相
Ｄｎ 他の相

Claims (7)

1. 燃料電池の出力電圧を調整するための多相のコンバータを制御する制御方法であって、
   駆動相数を変更する場合に、
   コンバータ全体の総電流指令値を変更後の駆動相数で等分して、駆動相の目標電流値を算出する工程と、
   駆動相数変更前と変更後のいずれかで駆動する相について、目標電流値と相数変更前の電流指令値との差である電流偏差を算出する工程と、
   算出された電流偏差が最大となる相を最大偏差相に設定する工程と、
   前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近づくように設定する工程と、
   前記最大偏差相以外の他の相の電流指令値を、前記総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する工程と、を有する、コンバータの制御方法。
2. 前記最大偏差相の電流指令値を目標電流値に近づけている駆動相数変更中は、前記最大偏差相を固定する、請求項１に記載のコンバータの制御方法。
3. 前記駆動相数変更中に前記コンバータ全体の総電流指令値が変更される場合に、
   新たなコンバータ全体の総電流指令値を前記変更後の駆動相数で等分して、駆動相の新たな目標電流値を算出する工程と、
   前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する工程と、
   前記最大偏差相以外の前記他の相の電流指令値を、前記新たな総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて、前記他の相の相数で等分した値に設定する工程と、を有する、請求項２に記載のコンバータの制御方法。
4. 燃料電池の出力電圧を調整するための多相のコンバータを制御する制御装置であって、
   駆動相数を変更する際に、コンバータ全体の総電流指令値を変更後の駆動相数で等分して、駆動相の目標電流値を算出する手段と、
   駆動相数変更前と変更後のいずれかで駆動する相について、目標電流値と相数変更前の電流指令値との差である電流偏差を算出する手段と、
   算出された電流偏差が最大となる相を最大偏差相に設定する手段と、
   前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する手段と、
   前記最大偏差相以外の前記他の相の電流指令値を、前記総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて前記他の相の相数で等分した値に設定する手段と、を有する、コンバータの制御装置。
5. 前記最大偏差相の電流指令値を目標電流値に近づけている駆動相数変更中は、前記最大偏差相を固定する、請求項４に記載のコンバータの制御装置。
6. 前記駆動相数変更中に前記コンバータ全体の総電流指令値が変更される際に、新たなコンバータ全体の総電流指令値を変更後の駆動相数で等分して、駆動相の新たな目標電流値を算出する手段と、
   前記最大偏差相の電流指令値を、所定の変化速度で目標電流値に近くように設定する手段と、
   前記最大偏差相以外の前記他の相の電流指令値を、前記新たな総電流指令値から前記最大偏差相の電流指令値を引いて、前記他の相の相数で等分した値に設定する手段と、を有する、請求項５に記載のコンバータの制御装置。
7. 請求項４〜６のいずれかに記載のコンバータの制御装置を有する、燃料電池システム。

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