JP5892367B2

JP5892367B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5892367B2
Application number: JP2011272632A
Authority: JP
Inventors: 晃太真鍋; 裕田野; 智彦金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: JP2013125613A

Description

本発明は、マルチフェーズコンバータを備えた燃料電池システムに関する。

一般に、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電力駆動車両は、モータに駆動電力を供給する電池と、電池電圧を昇圧し、且つ、その昇圧後の電圧をモータ駆動回路に出力するための昇圧コンバータとを含む燃料電池システムを備えている。この昇圧コンバータは、電流のスイッチングにより誘導起電力を発生するインダクタや、そのスイッチングを行うためのスイッチング回路等を有しており、入力電圧に誘導起電力を加えた昇圧電圧をモータ駆動回路に出力する。

この種の燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この特許文献１には、燃料電池の異常を判定した場合に、まず、燃料電池への水素と空気の供給を遮断して燃料電池の発電量を低下させ、その後、昇圧コンバータの出力側に設けられた電流センサが検出した電流が所定値以下になったところで、燃料電池とその出力電力を消費する電力消費手段との電気的接続を入り切りするＦＣリレーを切り替えることで、燃料電池と電力消費手段との電気的接続を解除する技術が開示されている。

特開２０１１−２０４３６１号公報

ところで、近時、燃料電池出力の大電流化に伴い、昇圧コンバータの小型・高効率化等を目的として、複数相の昇圧部が並列に接続されてなるマルチフェーズコンバータを備えた燃料電池システムが提案されている。このマルチフェーズコンバータを備えた燃料電池システムにおいては、各相に流れる電流を制御するために各相に設けられている電流センサの検出電流の合計値を燃料電池の出力電流として使用することとすれば、燃料電池の出力電流を検出するための専用の電流センサを別個に設置する必要がなくなり、システム全体としての冗長さを軽減させることが可能である。

しかしながら、各相に設けられている電流センサが仮に１つでも故障してしまうと、残りの正常な電流センサの検出電流の合計値をそのまま燃料電池の出力電流として使用することができなくなるため、燃料電池システムの信頼性が損なわれてしまう虞がある。

例えば、上記特許文献１の昇圧コンバータがマルチフェーズコンバータであり、且つ、燃料電池用の電流センサの代わりに、マルチフェーズコンバータの各相に電流センサが設けられた場合において、それら電流センサの１つ又は複数が故障したときには、全ての電流センサが正常に動作している場合と比較して、各電流センサの検出電流の合計値が小さくなるため、燃料電池の出力電流が低下していると誤判定してしまい、ＦＣリレーの切り替えタイミングが遅れてリレー接点の溶着を招来する、あるいは、燃料電池の出力が要求出力に対して過剰に高く制御されてしまう虞が生じる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、マルチフェーズコンバータの各相に設けられている電流センサが故障した場合においても、燃料電池の適切な出力制御を維持することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、複数相を備え前記燃料電池の出力を昇圧するマルチフェーズコンバータと、前記マルチフェーズコンバータの各相に設けられた電流センサと、を備え、前記電流センサにより検出された前記各相に流れる電流値の合計値が前記燃料電池の出力電流として制御される燃料電池システムであって、前記電流センサの異常を検知する異常検知手段と、ある相における電流センサの異常が前記異常検知手段によって検知された場合に、その異常相の駆動を停止するとともに当該異常相を除外した残りの相に設けられている電流センサにより検出された電流値の合計値を前記燃料電池の目標出力電流に設定する制御手段と、を備える。

このような構成においては、異常相の駆動を停止し、かつ、異常相における電流センサ値（電流センサによって検出された電流）を除外した残りの電流センサ値の合計値に燃料電池の目標出力電流を合わせるので、燃料電池の実際の出力電流と電流センサ値の合計値との間の乖離の発生が抑制され、燃料電池の出力を過剰に高く制御してしまうという不具合が解消される。

上記の構成において、前記制御手段は、前記電流センサの異常が検知された場合に、前記マルチフェーズコンバータの出力上限値に前記異常相の数に応じた制限をかけてもよい。例えば、全相数が４であるうちの１相のみに異常が生じた場合には、マルチフェーズコンバータの出力上限値を７５％（＝（４−１）／４×１００）に制限する。かかる場合には、駆動相に対する過負荷運転の実施抑制、ひいてはマルチフェーズコンバータの耐久性低下を抑制することが可能となる。

それとは逆に、前記制御手段は、前記電流センサの異常が検知された場合に、前記マルチフェーズコンバータに出力制限をかけずに、異常相以外の相を全て駆動させ、それら駆動相に過負荷運転をさせてもよい。
このような構成においては、余計な出力制限がかからないので、センサ故障時にも使用性の低下を回避することが可能となる。ただし、各相の部品が過熱する場合には、適切な出力制御を行なう必要がある。そこで、前記制御手段は、前記駆動相における回路素子の温度が当該回路素子の部品熱定格を超えないような範囲で前記過負荷運転を実施する。

本発明によれば、マルチフェーズコンバータの各相に設けられている電流センサが故障した場合においても、燃料電池の適切な出力制御を維持することが可能となり、燃料電池システムの冗長性及び信頼性低下を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池システムを車両に搭載した場合の一実施形態を示す図である。図１のマルチフェーズコンバータの具体的な構成を示す図である。図２の電流センサの異常が検知された場合の制御フローを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。さらに、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。またさらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムが燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載された場合の一実施の形態を示すシステム構成図である。

燃料電池１００は、例えば高分子電解質形燃料電池であり、酸化ガス及び燃料ガスの電気化学反応により電力を発生するセルを多数積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。

この燃料電池１００は、車両を走行させるための駆動モータ１１０に接続されており、駆動モータ１１０へ電力を供給する。この燃料電池１００から駆動モータ１１０への電力供給経路には、燃料電池１００側から順に、マルチフェーズコンバータ１２０、平滑コンデンサ１３０及び駆動インバータ１４０が接続されている。

このように、燃料電池システム１では、燃料電池１００で発電された電力がマルチフェーズコンバータ１２０で昇圧され、駆動インバータ１４０を介して駆動モータ１１０へ給電される。
駆動モータ１１０は、例えば三相交流モータであり、駆動モータ１１０が接続された駆動インバータ１４０は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ１１０に供給する。

また、燃料電池システム１は、駆動モータ１１０へ電力を供給するバッテリ１５０を備えている。このバッテリ１５０から駆動モータ１１０への電力供給経路には、バッテリ昇圧コンバータ１６０が接続されている。
このバッテリ１５０の電力供給経路は、燃料電池１００の電力供給経路に接続されており、バッテリ１５０からの電力が駆動モータ１１０へ供給可能とされている。

本実施形態のバッテリ昇圧コンバータ１６０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１５０から入力された直流電圧を調整して駆動モータ１１０側へ出力する機能と、燃料電池１００または駆動モータ１１０から入力された直流電圧を調整してバッテリ１５０に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ１６０の機能により、バッテリ１５０の充放電が実現される。また、バッテリ昇圧コンバータ１６０により、燃料電池１００の出力電圧が制御される。

制御装置（異常検知手段、制御手段）２００は、燃料電池１００、マルチフェーズコンバータ１２０、バッテリ１５０、バッテリ昇圧コンバータ１６０、駆動インバータ１４０及び駆動モータ１１０、センサ類等に接続されており、それらとの間で信号を送受信することで各種機器及びシステム全体を制御する。

以下、本実施形態の制御装置２００は、マルチフェーズコンバータ１２０を制御するためのユニット、バッテリ昇圧コンバータ１６０を制御するためのユニット、及び燃料電池システム１の全体を制御するためのユニットを含む１つの制御装置として構成されたものとして説明するが、これらのユニットが相互通信可能に接続された別々のユニットで構成されていてもよいことは勿論である。

次に、マルチフェーズコンバータ１２０の具体的な構成について、図２を参照しながら説明する。
マルチフェーズコンバータ１２０は、Ｕ相パワーモジュール１１、Ｖ相パワーモジュール１２、Ｗ相パワーモジュール１３、及びＸ相パワーモジュール１４を装備するものである。それらの各パワーモジュール１１，１２，１３，１４は、それぞれ、インダクタＬ１並びにスイッチング素子Ｓ１及びダイオードＤ１、インダクタＬ２並びにスイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ２、インダクタＬ３並びにスイッチング素子Ｓ３及びダイオードＤ３、インダクタＬ４並びにスイッチング素子Ｓ４及びダイオードＤ４を有している。

スイッチング素子Ｓ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、その他のバイポーラトンンジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体装置２１に、図示の如くダイオード３１が接続されたものである。同様に、スイッチング素子Ｓ２乃至Ｓ４は、それぞれ、半導体装置２２乃至２４に、ダイオード３２乃至３４が接続されたものである。

Ｕ相パワーモジュール１１のスイッチング素子Ｓ１及びダイオードＤ１の接続節点Ｃ１には、インダクタＬ１の一端が接続され、そのインダクタＬ１の他端は、燃料電池１００の正極（一方極）に接続されている。また、Ｖ相パワーモジュール１２のスイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ２の接続節点Ｃ２、及び、Ｗ相パワーモジュール１３のスイッチング素子Ｓ３及びダイオードＤ３の接続節点Ｃ３、Ｘ相パワーモジュール１４のスイッチング素子Ｓ４及びダイオードＤ４の接続節点Ｃ４には、それぞれ、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４の一端が接続されている。それらのインダクタＬ２乃至Ｌ４の他端は、燃料電池１００の正極（一方極）に接続されている。

また、ダイオードＤ１乃至Ｄ４の図示上端（スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓ４との接続節点Ｃ１乃至Ｃ４とは反対側の端）は、平滑コンデンサ１３０の一端に共通に接続されている。さらに、スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓ４の図示下端（ダイオードＤ１乃至Ｄ４との接続節点Ｃ１乃至Ｃ４とは反対側の端）は、平滑コンデンサ１３０の他端、及び、燃料電池１００の負極（他方極）に共通に接続されている。

スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓ４には、制御装置２００が接続されており、この制御装置２００からの指令信号（図２での図示は省略している。）に基づいて、それらのスイッチング素子Ｓ１乃至Ｓ４の開閉が行われる。また、インダクタＬ１乃至Ｌ４の上流側（燃料電池１００側）には、Ｕ相乃至Ｘ相の各相を流れる電流を検出するための電流センサＩ１乃至Ｉ４がそれぞれ設けられていて、制御装置２００には、電流センサＩ１乃至Ｉ４からの出力がそれぞれ入力され、それらをＡ／Ｄ変換して得たＵ相乃至Ｘ相におけるインダクタＬ１乃至Ｌ４の電流値の合計値が燃料電池１００の出力電流として認識される。

なお、このようにして認識される燃料電池１００の出力電流のＡ／Ｄサンプル誤差による影響を最小化することを目的として、制御装置２００においては、電流センサＩ１乃至Ｉ４の出力をＡ／Ｄ変換する前に所定の帯域でフィルタ処理するようにしてもよい。

このように構成されたマルチフェーズコンバータ１２０においては、基本的な動作として、燃料電池１００の出力電圧を昇圧した電圧を、マルチフェーズコンバータ１２０の出力電圧として、車両の駆動モータ１１０等の負荷へ出力する。

本実施形態においては更に、マルチフェーズコンバータ１２０の各相に設けられている電流センサＩ１乃至Ｉ４によって、Ｕ相乃至Ｘ相の各相を流れる電流値の検出が可能であるだけでなく、各相を流れる電流値の合計値が燃料電池１００の出力電流として認識されるので、燃料電池１００の出力電流を直接計測するための電流センサが不要となり、システムの冗長性が排除されている。

本実施形態の燃料電池システム１は、そのような利点がある一方で、各相に設けられている電流センサＩ１乃至Ｉ４が仮に１つでも故障してしまうと、残りの正常な電流センサＩ１乃至Ｉ４の検出電流の合計値をそのまま燃料電池１００の出力電流として使用することができなくなる。以下、電流センサＩ１乃至Ｉ４のいずれかに異常が発生した場合の対応（フェールセーフ）について説明する。

例えば、電流センサＩ１に何らかの異常が発生した場合には、全ての電流センサＩ１乃至Ｉ４が正常に動作している場合と比較して、各電流センサＩ２乃至Ｉ４の検出電流の合計値が小さくなるため、その合計値をそのまま燃料電池１００の出力電流として認識してしまうと、燃料電池１００の出力電流が低下していると誤判定してしまい、燃料電池１００の出力を要求出力に対して過剰に高く制御することになる。

そこで、本実施形態では、図３のフローチャートに示すように、電流センサＩ１の異常が検知された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）には、その異常相であるＵ相の駆動を停止する（ステップＳ３）とともに、Ｕ相を除外した残りのＶ相乃至Ｘ相にそれぞれ設けられている電流センサＩ２乃至Ｉ４による検出電流値の合計値を燃料電池１００の目標出力電流に設定する（ステップＳ５）。これにより、燃料電池１００の実際の出力電流と電流センサＩ２乃至Ｉ４による検出電流値の合計値との間の乖離の発生が抑制されるので、燃料電池１００の出力を過剰に高く制御してしまうという不具合は解消される。

電流センサＩ１乃至Ｉ４の異常は、例えば、電流センサＩ１乃至Ｉ４からのセンサ出力が所定時間以上検出されない場合、センサ出力が所定の範囲から外れた場合等に、何らかの異常が発生していることが検知される。

他の実施形態として、制御装置２００は、図３のステップＳ５の後に、マルチフェーズコンバータ１２０の出力上限値に異常相の数に応じた制限をかけるようにしてもよい。上記の例では、全相数が４であるうちの１相のみに異常が生じているので、マルチフェーズコンバータ１２０の出力上限値を７５％（＝（４−１）／４×１００）に制限することになる。かかる場合には、駆動相に対する過負荷運転の実施が抑制され、ひいてはマルチフェーズコンバータ１２０の耐久性低下を抑制することが可能となる。

さらに他の実施形態として、制御装置２００は、図３のステップＳ５の後に、マルチフェーズコンバータ１２０に出力制限をかけずに、異常相以外の相を全て駆動させ、それら駆動相に過負荷運転をさせるようにしてもよい。かかる場合には、マルチフェーズコンバータ１２０の出力に対して余計な出力制限がかからないので、使用性の低下を抑制することが可能となる。

ただし、この過負荷運転は、駆動相における回路素子保護の観点から、回路素子（インダクタＬ１乃至Ｌ４、スイッチング素子Ｓ１乃至Ｓ４、ダイオードＤ１乃至Ｄ４）の温度をそれぞれの回路素子に対応させて設けられた温度センサ（図示略）で監視しておき、回路素子温度が当該回路素子の部品熱定格を超えないように適宜出力制限をかけながら実施する。

本発明は、燃料電池車両に限ることなく、マルチフェーズコンバータを備えた燃料電池システム含むあらゆる車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。

１…燃料電池システム、１００…燃料電池、１２０…マルチフェーズコンバータ、２００…制御装置（制御手段、異常検知手段）、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４…電流センサ

Claims

燃料電池と、複数相を備え前記燃料電池の出力を昇圧するマルチフェーズコンバータと、前記マルチフェーズコンバータの各相に設けられた電流センサと、を備え、前記電流センサにより検出された前記各相に流れる電流値の合計値が前記燃料電池の出力電流として制御される燃料電池システムであって、
前記電流センサの異常を検知する異常検知手段と、
ある相における電流センサの異常が前記異常検知手段によって検知された場合に、その異常相の駆動を停止するとともに当該異常相を除外した残りの相に設けられている電流センサにより検出された電流値の合計値を前記燃料電池の目標出力電流に設定する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記電流センサの異常が検知された場合に、前記マルチフェーズコンバータにおける前記異常相以外の相を全て駆動させ、それら駆動相に過負荷運転をさせ、
前記制御手段は、前記駆動相における回路素子の温度が当該回路素子の部品熱定格を超えないような範囲で前記過負荷運転を実施する
燃料電池システム。