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JP7160021B2 - 多相コンバータの制御装置及び電源システム - Google Patents

多相コンバータの制御装置及び電源システム Download PDF

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Description

本発明は、多相コンバータの制御装置及び電源システムに関する。
複数の昇圧型のコンバータ回路を備えた多相コンバータが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような多相コンバータは、入力電流の大きさに応じて駆動するコンバータ回路の数を調整することで、入力電力から出力電力への変換効率のよい範囲でコンバータ回路を使うことができる。
特許第６４５０８８４号
例えば、駆動しているコンバータ回路のリアクトルを流れる電流値に基づいて、そのコンバータ回路が異常か否かを診断することができる。しかしながら、例えば１つのコンバータ回路のみが駆動している状態では、他のコンバータ回路は停止しているため、他のコンバータ回路については異常か否かを診断できない。このため、全てのコンバータ回路が駆動するまで待機する必要があり、早期に異常診断を実行できない場合がある。従って、このように１つのコンバータ回路のみが駆動している際にも、全てのコンバータ回路を駆動して異常診断を実行することが考えられる。しかしながらこの場合、入力電流の大きさに応じて本来１つのコンバータ回路のみが駆動している状態で、全てのコンバータ回路を駆動することになるため、変換効率が低下する可能性がある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、変換効率の低下を抑制しつつ早期に異常診断を実行できる多相コンバータの制御装置及び電源システムを提供することを目的とする。
上記目的は、並列に接続されているＮ（Ｎ≧３）個の昇圧型のコンバータ回路を有した多相コンバータの制御装置において、前記コンバータ回路の駆動数が１以上であってＮ－１以下の状態で、前記多相コンバータの異常診断の開始条件が成立したか否かを判定する判定部と、前記開始条件が成立した場合には、前記多相コンバータへの入力電力に対する前記多相コンバータからの出力電力の比率を示す変換効率が、前記多相コンバータへの入力電流をＮ個の前記コンバータ回路に均等に分担した場合よりも高くなるように、前記入力電流をＮ個の前記コンバータ回路に不均等に分担するための、Ｎ個の前記コンバータ回路の各分担率を決定する決定部と、決定された前記各分担率に従ってＮ個の前記コンバータ回路を駆動する駆動部と、決定された前記各分担率に従ってＮ個の前記コンバータ回路が駆動した状態でＮ個の前記コンバータ回路の異常を診断する診断部と、を備えた多相コンバータの制御装置によって達成できる。
即ち、少なくとも一つのコンバータ回路が駆動しており少なくとも一つのコンバータ回路が停止した状態で異常診断の開始条件が成立した場合に、変換効率が多相コンバータへの入力電流を均等に分担した場合よりも高くなるように、多相コンバータへの入力電流を不均等に分担させて全てのコンバータ回路を駆動させる。これにより、変換効率の低下を抑制しつつ全てのコンバータ回路について早期に異常診断を実行できる。
前記決定部は、前記開始条件が成立した場合での前記駆動数と同じ数だけの前記コンバータ回路の各分担率の合計が、Ｎ個の前記コンバータ回路の各分担率の合計の９０％以上を占めるように、前記各分担率を決定してもよい。
前記決定部は、Ｎ個の前記コンバータ回路の少なくとも一つのリアクトルに電流が不連続で流れるように、前記各分担率を決定してもよい。
前記決定部は、Ｎ個の前記コンバータ回路の全てのリアクトルに電流が不連続で流れるように、前記各分担率を決定してもよい。
また、上記目的は、上記の多相コンバータの制御装置と、前記多相コンバータと、前記多相コンバータへ前記入力電力を供給する電源と、を備えた電源システムによっても達成できる。
前記電源は、燃料電池スタックであってもよい。
本発明によれば、変換効率の低下を抑制しつつ早期に異常診断を実行できる多相コンバータの制御装置及び電源システムを提供できる。
図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２は、昇圧コンバータの回路構成を示す図である。 図３Ａは、コンバータ回路の全てが駆動している場合でのリアクトルにそれぞれ流れる電流の推移を示した図であり、図３Ｂは、一つのコンバータ回路のみが駆動している場合のリアクトルに流れる電流の推移を示した図であり、図３Ｃは、昇圧コンバータへの入力電流とコンバータ回路の駆動数との関係を規定したマップである。 図４Ａは、一つのコンバータ回路のみが駆動してリアクトルに流れる電流の推移を示した図であり、図４Ｂは、昇圧コンバータへの入力電流を全てのコンバータ回路で均等に分担して駆動した場合でのリアクトルにそれぞれ流れる電流の推移を示した図であり、図４Ｃは、コンバータ回路の各変換効率を示したグラフである。 図５は、昇圧コンバータへの入力電流を不均等に分担した場合でのリアクトルにそれぞれ流れる電流の推移を示した図である。 図６は、ＥＣＵが実行する異常診断制御の一例を示したフローチャートである。
［燃料電池システムの概略構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、電力制御系３、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）４、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）７、及び燃料電池スタック（以下、ＦＣと称する）１０含む。電力制御系３は、バッテリコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）８、インバータ（以下、ＩＮＶと称する）９、及び昇圧コンバータ（以下、ＦＤＣと称する）２０を含む。尚、図１には示していないが、燃料電池システム１は、ＦＣ１０に酸化剤ガス及び燃料ガスをそれぞれ供給する酸化剤ガス供給系及び燃料ガス供給系を備えている。また、車両には、走行用のモータＭや、車輪Ｗ、アクセル開度センサ５、及びイグニッションスイッチ６を備えている。
ＦＣ１０は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する。ＦＣ１０は、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。単セルは、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金－コバルト合金など）が担持されている。各単セルには、反応ガスや冷却水を流すためのマニホールドが設けられている。マニホールドを流れる反応ガスは、各単セルに設けられたガス流路を介して、各単セルの発電領域に供給される。
ＦＤＣ２０は、ＦＣ１０からの出力される直流電圧を所定の昇圧比に昇圧して、ＦＣ１０の出力電力をＩＮＶ９に供給するＤＣ／ＤＣコンバータである。ＩＮＶ９は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータＭへ供給する。モータＭは、車輪Ｗを駆動して車両を走行させる。ＢＤＣ８は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。すなわち、ＢＤＣ８は、ＦＤＣ２０によって調整された直流電圧を降圧し、又はＢＡＴ７の直流電圧を昇圧してＢＡＴ７の出力電力をＩＮＶ９に供給する。なお、必ずしもＢＤＣ８を備える必要はない。ＢＡＴ７は、ＦＣ１０の電力を蓄電可能である。
ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ４は、アクセル開度センサ５、イグニッションスイッチ６、電流センサ１０Ａ、電圧センサ１０Ｖ、ＦＤＣ２０、ＢＤＣ８、及びＩＮＶ９が電気的に接続されている。ＥＣＵ４は、アクセル開度センサ５の検出値等に基づいて、ＦＣ１０の出力電力を制御する。また、ＥＣＵ４は、電流センサ１０Ａが測定したＦＣ１０の出力電流値、及び電圧センサ１０Ｖが測定したＦＣ１０の出力電圧値を取得する。また、ＥＣＵ４は、ＦＤＣ２０を制御する制御装置の一例であり、詳しくは後述するが、異常診断制御を実行する。異常診断制御は、ＥＣＵ４のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される判定部、決定部、駆動部、及び診断部によって実現される。
［ＦＤＣの回路構成］
図２は、ＦＤＣ２０の回路構成を示す図である。図２には、ＦＣ１０とＩＮＶ９についても示している。図２のように、ＦＤＣ２０は、コンバータ回路２０ａ～２０ｃとコンデンサ２４とを備えている。コンバータ回路２０ａは、リアクトル２１ａ、電流センサ２２ａ、及びインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ：Intelligent Power Module）２３ａを含む。コンバータ回路２０ｂは、リアクトル２１ｂ、電流センサ２２ｂ、及びＩＰＭ２３ｂを含む。コンバータ回路２０ｃは、リアクトル２１ｃ、電流センサ２２ｃ、及びＩＰＭ２３ｃを含む。ＩＰＭ２３ａは、スイッチング素子３６ａ及びダイオード３７ａを含む。ＩＰＭ２３ｂは、スイッチング素子３６ｂ及びダイオード３７ｂを含む。ＩＰＭ２３ｃは、スイッチング素子３６ｃ及びダイオード３７ｃを含む。
リアクトル２１ａと電流センサ２２ａとダイオード３７ａは、直列に接続されている。同様に、リアクトル２１ｂと電流センサ２２ｂとダイオード３７ｂも直列に接続されている。リアクトル２１ｃと電流センサ２２ｃとダイオード３７ｃも直列に接続されている。直列に接続されたこれらの部品は、ＦＣ１０の正極側とＩＮＶ９の正極側との間で並列に接続されている。これにより、リアクトル２１ａ～２１ｃ、ＩＰＭ２３ａ～２３ｃのそれぞれを流れる電流値を小さくして発熱を抑制することができる。スイッチング素子３６ａは、リアクトル２１ａとダイオード３７ａとの間と、ＦＣ１０の負極側との間に接続されている。同様に、スイッチング素子３６ｂは、リアクトル２１ｂとダイオード３７ｂとの間と、ＦＣ１０の負極側との間に接続されている。スイッチング素子３６ｃは、リアクトル２１ｃとダイオード３７ｃとの間と、ＦＣ１０の負極側との間に接続されている。リアクトル２１ａ～２１ｃは、例えば構成や性能も同じ同一部品であるが、これに限定されない。電流センサ２２ａ～２２ｃは、リアクトル２１ａ～２１ｃに下流側で接続されているが、これに限定されず上流側で接続されていてもよい。ＦＣ１０とリアクトル２１ａ～２１ｃのそれぞれは、バスバーにより電気的に接続されている。
図３Ａは、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが駆動している場合でのリアクトル２１ａ～２１ｃにそれぞれ流れる電流Ｉａ～Ｉｃの推移を示した図である。ＥＣＵ４は、スイッチング素子３６ａ～３６ｃのそれぞれを、例えば同じ一定の周期Ｔでオンオフを切り替える。スイッチング素子３６ａがオフからオンに切り替えられた時刻から次にオフからオンに切り替えられた時刻までの周期Ｔが、スイッチング素子３６ａのスイッチング制御の周期に相当する。スイッチング素子３６ａがオフからオンに切り替えられる時刻からスイッチング素子３６ｂがオフからオンに切り替えられる時刻までの間の時間は、周期Ｔの１／３に相当する。スイッチング素子３６ｂがオフからオンに切り替えられる時刻からスイッチング素子３６ｃがオフからオンに切り替えられる時刻までの間の時間は、周期Ｔの１／３に相当する。スイッチング素子３６ａ～３６ｃのオンオフは、スイッチング素子３６ａ～３６ｃに供給されるパルス信号のデューティ比に基づいて制御される。デューティ比とは、オンオフの１周期に占めるオン状態の時間の割合である。ＥＣＵ４は、電流センサ２２ａ～２２ｃで測定された電流値や目標昇圧比に基づいて、このデューティ比を決定する。図３Ａの例では、スイッチング素子３６ａ～３６ｃのそれぞれのデューティ比［％］は比率Ｄａ～Ｄｃであり、これらはほぼ同じ値である。
スイッチング素子３６ａがオンになると、ＦＣ１０からリアクトル２１ａを介してスイッチング素子３６ａに電流が流れ始め、リアクトル２１ａに直流励磁による磁気エネルギが蓄積される。スイッチング素子３６ａがオフになると、オンの期間にリアクトル２１ａに蓄積された磁気エネルギは、電流として、ダイオード３７ａを介して、ＩＮＶ９に出力される。従って、スイッチング素子３６ａ～３６ｃの各デューティ比を制御することによって、リアクトル２１ａ～２１ｃのそれぞれに蓄積されるエネルギー（時間平均）を制御することができ、リアクトル２１ａ～２１ｃのそれぞれに平均的に流れる電流（実効電流）を制御することができる。このようなスイッチング素子３６ａ～３６ｃのオンオフの切り替えが繰り返し行われる。
スイッチング素子３６ａがオフにされたときにリアクトル２１ａに蓄積された磁気エネルギによって生じる誘導電圧は、ＦＣ１０の出力電圧に重ね合わされ、ＩＮＶ９にはＦＣ１０の出力電圧よりも高い電圧が印加される。スイッチング素子３６ｂ及び３６ｃ、及びリアクトル２１ｂ及び２１ｃについても同様である。ＥＣＵ４は、スイッチング素子３６ａ～３６ｃが順次オンとなるように制御信号を送信し、ＦＣ１０の出力電圧に、順次誘導電圧が重ね合わせられる。これによって、ＩＮＶ９に入力される電圧が、ＦＣ１０の出力電圧より高く維持される。尚、コンデンサ２４は、ダイオード３７ａ～３７ｃとＩＮＶ９の正極側との間と、ＩＮＶ９の負極側との間に接続されており、電圧変動を低減する役割を果たす。
［コンバータ回路の駆動数］
図３Ｂは、一つのコンバータ回路２０ａのみが駆動している場合のリアクトル２１ａに流れる電流Ｉａの推移を示した図である。ＥＣＵ４は、スイッチング素子３６ｂ及び３６ｃを常時オフに維持し、スイッチング素子３６ａのみをオンオフ制御することによりコンバータ回路２０ａのみを駆動することができる。即ち、スイッチング素子３６ａ～３６ｃのうち常時オフに制御されるスイッチング素子の数を制御することにより、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を制御できる。図３Ｃは、ＦＤＣ２０への入力電流とコンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数との関係を規定したマップである。図３Ｃに示すように、ＥＣＵ４は、ＦＤＣ２０への入力電流が増大するほど、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を増大させる。コンバータ回路２０ａ～２０ｃのそれぞれには、入力電力から出力電力への変換効率のよい範囲が存在しており、その範囲でコンバータ回路２０ａ～２０ｃの少なくとも一つを使用できるように、ＦＤＣ２０への入力電流が増大するほどコンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を増大する。尚、例えばコンバータ回路２０ａ～２０ｃのうち１つのみが駆動する場合には、常に同じコンバータ回路２０ａが駆動されることに限られず、他のコンバータ回路２０ｂ又は２０ｃに切り替えてもよい。コンバータ回路２０ａ～２０ｃのうち２つを駆動する場合も同様である。
尚、ＥＣＵ４は、電流センサ１０Ａにより測定されたＦＤＣ２０への入力電流値を取得し、取得した入力電流値が増大するほどコンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を増大させるが、これに限定されない。例えば、ＦＤＣ２０への入力電力値が増大するほど、又はＦＤＣ２０への入力電圧値が低下するほど、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を増大させてもよい。また、ＦＤＣ２０の目標出力電流値が増大するほど、又はＦＤＣ２０の目標出力電力値が増大するほど、又はＦＤＣ２０の目標出力電圧値が増大するほど、又はＦＤＣ２０の目標昇圧比が増大するほど、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数を増大させてもよい。また、上記の入力電流値、入力電力値、及び入力電圧値は、測定値であっても目標値であってもよい。
［異常診断］
ＥＣＵ４は、所定の開始条件成立時にコンバータ回路２０ａ～２０ｃが異常か否かを診断する異常診断を実行する。具体的には、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが駆動した状態でリアクトル２１ａ～２１ｃのそれぞれを流れる電流値の平均値が正常範囲内にあるか否かに基づいて、コンバータ回路２０ａ～２０ｃが正常であるか異常であるかが診断される。
図４Ａは、一つのコンバータ回路２０ａのみが駆動してリアクトル２１ａに流れる電流Ｉａの推移を示した図である。図４Ａでは、図３Ｂに示した場合よりもリアクトル２１ａに流れる電流Ｉａが小さい場合を示している。上述した図３Ｃに示したマップに従ってコンバータ回路２０ａのみが駆動され、スイッチング素子３６ａのデューティ比が比率Ｅａに設定されている場合を想定する。例えばこのような場合に、異常診断を実行しても、停止しているコンバータ回路２０ｂ及び２０ｃについては異常か否かを診断できない。このため、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが駆動するまで異常診断を待機する必要がある。従って異常診断を実行する際には、図３Ｃに示したマップは考慮せずに例外的に全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃを駆動することが考えられる。この場合に、ＦＤＣ２０への入力電流を全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃで均等に分担して駆動することが考えられる。図４Ｂは、ＦＤＣ２０への入力電流を全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃで均等に分担して駆動した場合でのリアクトル２１ａ～２１ｃにそれぞれ流れる電流Ｉａ～Ｉｃの推移を示した図である。この場合のスイッチング素子３６ａ～３６ｃのそれぞれのデューティ比は、ＦＤＣ２０への入力電流が全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃに均等に分担されるように比率Ｆａ～Ｆｃ［％］に設定されている。この場合でのＦＤＣ２０全体の変換効率（以下、全体変換効率と称する）は、コンバータ回路２０ａのみを駆動する場合での全体変換効率よりも低下する。この点について説明する。
［全体変換効率］
図４Ｃは、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの各変換効率を示したグラフである。図４Ｃの横軸は、コンバータ回路２０ａ～２０ｃへの各入力電流を示し、縦軸はコンバータ回路２０ａ～２０ｃの各変換効率［％］を示している。即ち、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの変換効率の特性は同じ場合を例に説明する。各変換効率は、入力電流が増大するほど徐々に増大して所定の入力電流値でピークとなり、更に入力電流が増大すると徐々に低下する。各変換効率は、入力電流の大きさに応じて例えば７０～９９％の値をとる。
前提として、図４Ｃに示すように、一つのコンバータ回路への入力電流Ｉの場合でのそのコンバータ回路の変換効率をηＩとし、一つのコンバータ回路への入力電流Ｉ／３の場合でのそのコンバータ回路の変換効率をηＩ／３とし、ηＩ＞ηＩ／３とする。
ＦＤＣ２０への入力電流Ｉに対するコンバータ回路２０ａの分担率をα［％］、コンバータ回路２０ｂの分担率をβ［％］、コンバータ回路２０ｃの分担率をγ［％］とする。この際、α＋β＋γ＝１００［％］であり、α≧０、β≧０、γ≧０が成立する。この場合に、コンバータ回路２０ａへの入力電流はＩ＊α／１００であり、コンバータ回路２０ｂへの入力電流はＩ＊β／１００であり、コンバータ回路２０ｃへの入力電流はＩ＊γ／１００である。従って、ＦＤＣ２０全体への入力電流Ｉは、以下のように示すことができる。
Ｉ＝（Ｉ＊α／１００）＋（Ｉ＊β／１００）＋（Ｉ＊γ／１００）…（１）
ここで、図４Ｃに示すように、コンバータ回路２０ａへの入力電流がＩ＊α／１００の場合でのコンバータ回路２０ａの変換効率をηαとし、コンバータ回路２０ｂへの入力電流がＩ＊β／１００の場合でのコンバータ回路２０ｂの変換効率がηβとし、コンバータ回路２０ｃへの入力電流がＩ＊γ／１００の場合でのコンバータ回路２０ｃの変換効率がηγとすると、全体変換効率ηＴは以下のように示せる。
ηＴ＝（ηα＊α／１００）＋（ηβ＊β／１００）＋（ηγ＊γ／１００）…（２）
図４Ａのように、ＦＤＣ２０への入力電流Ｉでコンバータ回路２０ａのみが駆動している場合には、各分担率はα＝１００、β＝γ＝０であり、コンバータ回路２０ａへの入力電流はＩとなる。全体変換効率ηＴは、式（２）により以下のように示すことができる。
ηＴ＝ηα＝ηＩ…（３）
次に、ＦＤＣ２０への入力電流Ｉをコンバータ回路２０ａ～２０ｃで均等に分担する場合を想定する。この場合、各分担率は、α＝β＝γ＝１００／３であり、コンバータ回路２０ａ～２０ｃのそれぞれへの入力電流はＩ／３である。このため、全体変換効率ηＴは以下のように示せる。
ηＴ＝（ηα／３）＋（ηβ／３）＋（ηγ／３）＝（ηＩ／３／３）＋（ηＩ／３／３）＋（ηＩ／３／３）＝ηＩ／３…（４）
上述したようにηＩ＞ηＩ／３が成立するため、全体変換効率は、図４Ａのようにコンバータ回路２０ａのみを駆動している場合よりも、図４ＢのようにＦＤＣ２０への入力電流をコンバータ回路２０ａ～２０ｃに均等に分担してこれらを駆動している場合の方が低下する。従って本実施例では、ＥＣＵ４は全体変換効率がηＩ／３よりも大きくなるようにＦＤＣ２０への入力電流Ｉをコンバータ回路２０ａ～２０ｃに不均等に分担して異常診断を実行する。図５は、ＦＤＣ２０への入力電流Ｉを不均等に分担した場合でのリアクトル２１ａ～２１ｃにそれぞれ流れる電流Ｉａ～Ｉｃの推移を示した図である。スイッチング素子３６ａ～３６ｃのデューティ比がそれぞれ比率Ｇａ～Ｇｃであり、Ｇａ＞Ｇｂ＞Ｇｃである。このようにＦＤＣ２０への入力電流Ｉをコンバータ回路２０ａ～２０ｃに不均等に分担してコンバータ回路２０ａ～２０ｃを駆動することにより、全体変換効率の低下を抑制しつつ異常診断を実行できる。
ここで、ＥＣＵ４は、全体変換効率がηＩ／３よりも大きくなるように、分担率α、β、及びγを決定する。ＥＣＵ４のメモリには、図４Ｃに示すようなコンバータ回路の各変換効率と、ＦＤＣ２０への入力電流値に応じて全体変換効率が均等分担時よりも不均等分担時の方が大きくなる分担率α、β、及びγを規定したマップが、予め記憶されている。ＥＣＵ４は、このマップを参照して分担率α、β、及びγを決定し、決定された分担率α、β、及びγにそれぞれ比例するようにスイッチング素子３６ａ～３６ｃのデューティ比を制御する。これにより、全体変換効率の低下を抑制しつつ、全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃについて異常診断を実行できる。
尚、図５の例では、分担率αが最大であり分担率γが最小である場合を例に示したが、これに限定されず、分担率α、β、及びγのうちどれが最大でもよくどれが最小でもよい。また、分担率α、β、及びγのうち２つが同じ値であってもよい。
また、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの各変換効率特性が同じ場合を例に示したがこれに限定されない。この場合、コンバータ回路２０ａ～２０ｃのそれぞれの変換効率特性に基づいて、均等分担時よりも不均等分担時の方が全体変換効率が向上するように、各分担率が決定される。また、コンバータ回路２０ａ及び２０ｂのみが駆動しコンバータ回路２０ｃが停止している際に異常診断の開始条件が成立した場合にも、均等分担時よりも不均等分担時の方が全体変換効率が向上するように、各分担率が決定される。不均等分担時での分担率α、β、及びγは、ＥＣＵ４のメモリに記憶されているが、これに限定されず、異常診断の開始時に、均等分担時よりも不均等分担時の方が、全体変換効率が向上する分担率α、β、及びγを、代入法などにより算出してもよい。
［異常診断制御］
図６は、ＥＣＵ４が実行する異常診断制御の一例を示したフローチャートである。この制御は所定時間ごとに繰り返し実行される。ＥＣＵ４は、異常診断の開始条件が成立したか否かを判定する（ステップＳ１）。異常診断の開始条件とは、例えば、（１）前回の異常診断が実行されてから所定時間が経過しており、（２）ＦＣ１０への要求出力が安定している状態、即ち、ＦＣ１０の要求出力が過渡的に変化する急加速や減速が行われていない状態であること、（３）ＦＤＣ２０が駆動している状態であることである。ステップＳ１でＮｏの場合には、本制御は終了する。
ステップＳ１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ４はコンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数が１以上であって２以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。コンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数は、図３Ｃに示すマップを参照して電流センサ１０Ａにより測定されたＦＤＣ２０への入力電流値に応じて判定してもよい。また、電流センサ２２ａ～２２ｃの測定値に基づいて電流が流れているリアクトル２１ａ～２１ｃの数を判定し、これをコンバータ回路２０ａ～２０ｃの駆動数として判定してもよい。ステップＳ１及びＳ２の処理は、判定部が実行する処理の一例である。
ステップＳ２でＹｅｓの場合、ＥＣＵ４は、ＦＤＣ２０への入力電流を不均等に分担するための分担率を決定してコンバータ回路２０ａ～２０ｃを駆動する不均等駆動処理を実行する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理は、決定部及び実行部が実行する処理の一例である。ステップＳ２でＮｏの場合、即ちコンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが駆動している場合には、ステップＳ３の処理は実行されない。
次に、ＥＣＵ４は診断処理を実行する（ステップＳ４）。診断処理では、コンバータ回路２０ａ～２０ｃのそれぞれについて異常か否かが診断される。例えばコンバータ回路２０ａの診断は以下のようにして行われる。電流センサ２２ａにより測定された電流値の平均値が、正常範囲に含まれるか否かが判定され、含まれる場合にはコンバータ回路２０ａは正常と診断され、含まれない場合にはコンバータ回路２０ａは異常と診断される。コンバータ回路２０ｂ及び２０ｃの判定も同様である。ここで正常範囲とは、正常時のコンバータ回路のリアクトルに流れる電流の平均値の取り得る範囲である。この正常範囲は、ＦＤＣ２０への入力電流値とコンバータ回路の分担率とに基づいて算出してもよいし、予め実験により取得されてＥＣＵ４のメモリに記憶されていてもよい。尚、各電流値の平均値は、スイッチング素子のオンオフの１周期分の時間で電流値を積分した値を、その１周期分の時間で除することにより算出される。
尚、開始条件成立時に既に全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃが駆動している場合（ステップＳ２でＮｏ）には、分担率はα＝β＝γ＝（１００／３）であるものとして、正常範囲がマップから取得され、又は正常範囲が算出される。
次に、ＥＣＵ４は、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが正常か否かを判定する（ステップＳ５）。コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全てが正常であると判定された場合にＥＣＵ４は、ＦＤＣ２０は正常であると判定する（ステップＳ６）。正常判定がなされると正常フラグがオンになり、例えば正常フラグがオンとなった時刻は次回の診断制御の実行するための時刻の起算時間に用いられる。コンバータ回路２０ａ～２０ｃの少なくとも一つが正常ではないと判定されると、ＥＣＵ４は、ＦＤＣ２０は異常であると判定する（ステップＳ７）。異常判定がなされると、異常フラグがオンとなり、例えばＦＣ１０の発電やＦＤＣ２０の駆動を停止して、ＢＡＴ７の電力を利用して車両を退避走行させ、車室内に設置された警告灯を点灯させる等により運転者にＦＤＣ２０の点検や修理を促してもよい。ステップＳ４～Ｓ７の処理は、診断部が実行する処理の一例である。
次に、ＥＣＵ４は、不均等駆動処理の実行中であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８でＮｏの場合、即ちステップＳ２でＮｏであり不均等駆動処理が実行されていない場合には、本制御は終了する。ステップＳ８でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ４は、復帰処理を実行する（ステップＳ９）。復帰処理は、不均等駆動処理を停止して、不均等駆動処理が実行される前の駆動数と分担率でコンバータ回路２０ａ～２０ｃを元の駆動状態へ復帰させる処理である。復帰処理の実行後は、本制御は終了する。以上のように、少なくとも一つのコンバータ回路が駆動しているが少なくとも一つのコンバータ回路が停止している状態であっても、全体変換効率が向上するように不均等分担処理を実行することにより、全体変換効率の低下を抑制しつつ早期に異常診断を実行できる。
例えば、開始条件成立時の駆動数が１の場合には、何れか１つのコンバータ回路の分担率を９０％以上にして不均等駆動処理を実行することが好ましい。開始条件成立時の駆動数が１のみである場合には、１つのコンバータ回路で駆動していることが全体変換効率の観点から優れている状態であり、その場合に何れか１つのコンバータ回路の分担率を９０％以上とすることにより、不均等駆動処理の実行中での全体変換効率の低減を抑制できるからである。同様の理由により、開始条件成立時の駆動数が２の場合には、何れか２つのコンバータ回路の分担率の合計を９０％以上にして不均等駆動処理を実行することが好ましい。即ち、開始条件成立時の駆動数と同じ数のコンバータ回路の分担率の合計を９０％以上にして、不均等駆動処理を実行することが好ましい。
図５に示した例では、全てのコンバータ回路２０ａ～２０ｃが不連続モードで制御されているが、少なくとも分担率が最小のコンバータ回路が不連続モードで制御されていることが好ましい。ここで、不連続モードとは、コンバータ回路のリアクトルを流れる電流が不連続に流れる駆動モードであり、例えば、図４Ａのリアクトル２１ａや図４Ｂ及び図５のリアクトル２１ａ～２１ｃのように、１周期内において電流がゼロになる場合がある状態である。連続モードとは、コンバータ回路のリアクトルを流れる電流が連続的に流れる駆動モードであり、図３Ａや図４Ｂのように電流がゼロとならない状態である。連続モードでは、このコンバータ回路のスイッチング素子がオフからオンに切り替わる際に、リアクトルを流れる電流が低下している状態から増大する状態に切り替わるが、この際に損失が増大する。これに対して不連続モードでは、コンバータ回路のスイッチング素子がオフからオンに切り替わる際には、リアクトルを流れる電流値はゼロであるため、このような損失の発生は抑制される。これにより、そのコンバータ回路での変換効率が向上する。尚、図４Ｃに示した変換効率特性は、このような損失が加味されている。
不連続モードか連続モードかは、例えば以下の式を満たすか否かにより判定できる。
（デューティ比／１００）≦１－（ＶＬ／ＶＨ）…（５）
ＶＬは、コンバータ回路への入力電圧である。ＶＨは、コンバータ回路からの昇圧後の出力電圧である。式（５）を満たす場合には不連続モードと判定でき、式（５）を満たさない場合には、連続モードであると判定できる。尚、上記の判定はこれに限定されず、不均等駆動処理の実行中に電流センサ２２ａ～２２ｃにより測定された各電流値が１周期内においてゼロになっている期間があるか否かで判定してもよい。また、ＥＣＵ４は、不均等駆動処理の実行中にコンバータ回路２０ａ～２０ｃのうち全てが連続モードであった場合には、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの少なくとも一つが又は全てが不連続モードとなるように分担率α、β、及びγを再度選択し直してもよい。また、不均等駆動処理の実行中にリアクトル２１ａ～２１ｃのうち少なくとも２つが連続モードであった場合には、少なくとも２つ又は全てが不連続モードとなるように分担率α、β、及びγを再度選択し直してもよい。また、コンバータ回路２０ａ～２０ｃの全て又は少なくとも一つが連続モードとなる分担率を、予めＥＣＵ４のメモリに記憶されたマップから除外しておいてもよい。
診断処理の実行中にリアクトル２１ａ～２１ｃにそれぞれ流れる電流値の大きさは、電流センサ２２ａ～２２ｃを介してＥＣＵ４が確認可能な最小の電流値以上である必要があり、この最小電流値未満とならないように入力電流Ｉの大きさを考慮して分担率α、β、及びγが選択される。また、ＥＣＵ４からスイッチング素子３６ａ～３６ｃに供給されるオン信号の遅延とオフ信号の遅延との差により実際のデューティ比が所望の値よりも低下してリアクトル２１ａ～２１ｃの各電流値が低下する可能性があるため、これを考慮して、入力電流Ｉの大きさを考慮して分担率α、β、及びγが選択される。
上記実施例では、３つのコンバータ回路２０ａ～２０ｃが設けられている場合を例に説明したがこれに限定されず、４つ以上のコンバータ回路が設けられていてもよい。
上記実施例では、ＦＤＣ２０を制御する制御装置の一例として、車両に搭載された燃料電池システム１全体を統合制御するＥＣＵ４を説明したが、これに限定されず、例えばこのようなＥＣＵ４とは別に設けられ、ＦＤＣ２０を制御するＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたコンピュータであってもよい。また、電源システムの一例として、車両に搭載された燃料電池システム１を説明したが、これに限定されず、定置型の燃料電池システムであってもよい。
上記実施例では、電源として固体高分子型燃料電池であるＦＣ１０を用いたが、固体高分子型燃料電池以外の燃料電池を用いてもよいし、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のような蓄電池を用いてもよい。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 燃料電池システム（電源システム）
４ ＥＣＵ（多相コンバータの制御装置）
１０ 燃料電池スタック（電源）
２０ 昇圧コンバータ（多相コンバータ）
２０ａ～２０ｃ コンバータ回路
２１ａ～２１ｃ リアクトル
３６ａ～３６ｃ スイッチング素子

Claims (6)

  1. 並列に接続されているＮ（Ｎ≧３）個の昇圧型のコンバータ回路を有した多相コンバータの制御装置において、
    前記コンバータ回路の駆動数が１以上であってＮ－１以下の状態で、前記多相コンバータの異常診断の開始条件が成立したか否かを判定する判定部と、
    前記開始条件が成立した場合には、前記多相コンバータへの入力電力に対する前記多相コンバータからの出力電力の比率を示す変換効率が、前記多相コンバータへの入力電流をＮ個の前記コンバータ回路に均等に分担した場合よりも高くなるように、前記入力電流をＮ個の前記コンバータ回路に不均等に分担するための、Ｎ個の前記コンバータ回路の各分担率を決定する決定部と、
    決定された前記各分担率に従ってＮ個の前記コンバータ回路を駆動する駆動部と、
    決定された前記各分担率に従ってＮ個の前記コンバータ回路が駆動した状態でＮ個の前記コンバータ回路の異常を診断する診断部と、を備えた多相コンバータの制御装置。
  2. 前記決定部は、前記開始条件が成立した場合での前記駆動数と同じ数だけの前記コンバータ回路の各分担率の合計が、Ｎ個の前記コンバータ回路の各分担率の合計の９０％以上を占めるように、前記各分担率を決定する、請求項１の多相コンバータの制御装置。
  3. 前記決定部は、Ｎ個の前記コンバータ回路の少なくとも一つのリアクトルに電流が不連続で流れるように、前記各分担率を決定する、請求項１又は２の多相コンバータの制御装置。
  4. 前記決定部は、Ｎ個の前記コンバータ回路の全てのリアクトルに電流が不連続で流れるように、前記各分担率を決定する、請求項１乃至３の何れかの多相コンバータの制御装置。
  5. 請求項１乃至４の何れかに記載の多相コンバータの制御装置と、
    前記多相コンバータと、
    前記多相コンバータへ前記入力電力を供給する電源と、を備えた電源システム。
  6. 前記電源は、燃料電池スタックである、請求項５の電源システム。
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