JPWO2013011560A1 - 電源システム - Google Patents

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Abstract

昇圧コンバータ１４は、それぞれリアクトル３２及びトランジスタ３３ａやダイオード３３ｂ，３４ｂなどの電子部品を備えた半導体素子部を有する複数のコンバート部３１ａ〜３１ｄを備え、ＥＣＵ４１は、燃料電池１２からの出力条件、リアクトル３２の温度条件及び半導体素子部の温度条件に基づいて、コンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の増減の切替制御を行う。

Description

本発明は、電源と多相コンバータを備えた電源システムに関する。
例えば、電動機を備えた車両において、電圧を変換する多相コンバータを備えたものがある。この多相コンバータを制御する方法として、独立して制御対象量を変更可能な複数の相と、例えば、各相を通過する電流量や相ごとの温度などの各相の状態を検出する検出装置と、各相に対する制御対象量を規定する制御信号を供給する制御部と、を備え、検出装置によって検出された各相の状態に基づいて、相ごとに制御対象量を補正する制御信号を供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、その状態に応じて可能な限り通過電流量を大きくして効率良く運転することができる。
特開２００７−１５９３１５号公報
ところが、効率だけを考慮すると、多相コンバータを構成するリアクトルや、電子部品を備えた半導体素子部が高温となり過ぎてしまう。
このため、リアクトルや半導体素子部などの多相コンバータの構成部品を保護しつつ極力効率を高めることが要求されている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、構成部品を保護しつつ高効率化を図ることが可能な電源システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の電源システムは、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する電源と、該電源からの電力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力制御を行う制御部とを有する電源システムであって、
前記昇圧コンバータは、それぞれリアクトル及び半導体素子部を有する複数のコンバート部を備えた多相コンバータであり、
前記制御部は、前記電源の出力条件、前記リアクトルの温度条件及び前記半導体素子部の温度条件に基づいて、前記コンバート部の駆動相数の増減の切替制御を行う。
かかる構成の電源システムによれば、複数のコンバート部を有する多相（マルチフェーズ）コンバータからなる昇圧コンバータによって電源の大電流化に対応できることはもとより、昇圧コンバータのコンバート部の駆動相数の増減の切替制御を、電源の出力条件だけでなく、コンバート部を構成するリアクトル及び半導体素子部の温度条件に基づいて行うので、昇圧コンバータを、リアクトルや半導体素子部の電子部品などの構成部品を保護しつつ高効率で駆動させることができる。
また、本発明の電源システムにおいて、前記制御部は、前記電源からの出力が所定の増加切替出力となった際、前記リアクトルが所定の増加切替温度となった際、あるいは前記半導体素子部が所定の増加切替温度となった際に、前記コンバート部の駆動相数を増加させても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、前記制御部は、前記電源からの出力が所定の減少切替出力となり、前記リアクトルが所定の減少切替温度となり、さらに、前記半導体素子部が所定の減少切替温度となった際に、前記コンバート部の駆動相数を減少させても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、前記コンバート部の駆動相数の減少時における切替タイミングが、前記コンバート部の駆動相数の増加時における切替タイミングよりも出力または温度の低い方へオフセットされていても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、前記制御部は、前記昇圧コンバータに流す電流を所定の電流指令値に維持しつつ前記コンバート部の駆動相数の切替制御を行っても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、前記制御部は、前記コンバート部の駆動相数の切替にともなって駆動または非駆動に切り替えられるコンバート部の相を最大偏差相とし、切替制御時における前記最大偏差相の電流値を、予め設定された所定変化率で増減させても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、前記制御部は、前記半導体素子部または前記リアクトルが、予め設定されたそれぞれの制限開始温度となった時点で、前記コンバート部の出力を所定の変化率で制限しても良い。
また、本発明の電源システムにおいて、複数の前記コンバート部のうちの一部に前記リアクトルの温度を検出する温度センサが設けられ、
前記温度センサが設けられたコンバート部の制限開始温度は、前記リアクトルの耐熱温度から求められ、前記温度センサが設けられていないコンバート部の制限開始温度は、前記リアクトルの耐熱温度から前記リアクトルの特性のばらつきの温度を差し引いた温度とされていても良い。
本発明の電源システムによれば、構成部品を保護しつつ高効率化を図ることができる。
本発明の一実施形態に係る電源システムの概略回路図である。 参考例における多相コンバータでの出力と効率との一般的な関係を示すグラフである。 出力指令値に基づく切替条件を説明するグラフである。 リアクトル温度に基づく切替条件を説明するグラフである。 半導体素子部温度に基づく切替条件を説明するグラフである。 駆動相数の増加時における相数の切替制御を説明するフローチャートである。 駆動相数の減少時における相数の切替制御を説明するフローチャートである。 半導体素子部の温度と負荷率との関係を示すグラフである。 サーミスタが設けられたリアクトルの温度と負荷率との関係を示すグラフである。 サーミスタが設けられていないリアクトルの温度と負荷率との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係る電源システムの概略回路図である。 本発明の他の実施形態に係る電源システムの概略回路図である。
１１ 燃料電池システム（電源システム）
１２ 燃料電池（電源）
１４ ＦＣ昇圧コンバータ（昇圧コンバータ）
３１ａ〜３１ｄ コンバート部
３２ リアクトル
３３ スイッチング素子（半導体素子部）
３３ａ トランジスタ（半導体素子部）
３３ｂ ダイオード（半導体素子部）
３４ スイッチング素子（半導体素子部）
３４ａ トランジスタ（半導体素子部）
３４ｂ ダイオード（半導体素子部）
３５ サーミスタ（温度センサ）
４１ ＥＣＵ（制御部）
１２０ ２次電池（電源）
以下、添付図面を参照して、本発明に係る電源システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る電源システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池１２を備えている。
燃料電池１２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを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。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
この燃料電池１２は、車両を走行させるための駆動モータ（駆動源、負荷）１３に接続されており、駆動モータ１３へ電力を供給する。この燃料電池１２から駆動モータ１３への電力供給経路には、燃料電池１２側から順に、ＦＣ昇圧コンバータ（昇圧コンバータ）１４、コンデンサ１５及び駆動インバータ１６が接続されている。
このように、燃料電池システム１１では、燃料電池１２で発電された電力がＦＣ昇圧コンバータ１４で昇圧され、駆動インバータ１６を介して駆動モータ１３へ給電される。
ＦＣ昇圧コンバータ１４は、多相のコンバータであるマルチフェーズコンバータであり、複数（本例では４つの例について説明するが、相数は４つに限定されない。）のコンバート部３１ａ〜３１ｄを備えている。これらのコンバート部３１ａ〜３１ｄは、それぞれリアクトル３２、トランジスタ３３ａとダイオード３３ｂとを含むスイッチング素子３３及びダイオード３４ｂを備えており、一つのコンバート部３１ａには、サーミスタ（温度センサ）３５が設けられている。
駆動モータ１３は、例えば三相交流モータであり、駆動モータ１３が接続された駆動インバータ１６は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ１３に供給する。
また、燃料電池システム１１は、駆動モータ１３へ電力を供給するバッテリ２１を備えている。このバッテリ２１から駆動モータ１３への電力供給経路には、バッテリ昇圧コンバータ２３が接続されている。本発明に係る燃料電池システムは、このバッテリ昇圧コンバータ２３を備えていない構成であってもよい。
このバッテリ２１の電力供給経路は、燃料電池１２の電力供給経路に接続されており、バッテリ２１からの電力が駆動モータ１３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２３は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２１から入力された直流電圧を調整して駆動モータ１３側へ出力する機能と、燃料電池１２または駆動モータ１３から入力された直流電圧を調整してバッテリ２１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２３の機能により、バッテリ２１の充放電が実現される。また、バッテリ昇圧コンバータ２３により、燃料電池１２の出力電圧が制御される。バッテリ２１は、余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。
燃料電池システム１１は、揮発性メモリ４０を有するＥＣＵ（制御部）４１を備えている。このＥＣＵ４１には、燃料電池１２、ＦＣ昇圧コンバータ１４、バッテリ２１、バッテリ昇圧コンバータ２３、駆動インバータ１６及び駆動モータ１３が接続されており、ＥＣＵ４１は、これらの燃料電池１２、ＦＣ昇圧コンバータ１４、バッテリ２１、バッテリ昇圧コンバータ２３、駆動インバータ１６及び駆動モータ１３を制御する。また、ＥＣＵ４１には、ＦＣ昇圧コンバータ１４のコンバート部３１ａに設けられたサーミスタ３５からの検出温度の信号が送信される。そして、ＥＣＵ４１は、コンバート部３１ａのサーミスタ３５の検出温度に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータ１４を構成するコンバート部３１ａ〜３１ｄの出力を制御する。また、コンバート部３１ａ〜３１ｄには、スイッチング素子３３及びダイオード３４ｂを備えた半導体素子部に、それぞれ温度センサ（図示略）が設けられ、これらの温度センサの検出温度がＥＣＵ４１へ送信される。
次に、ＥＣＵ４１によるコンバート部３１ａ〜３１ｄの制御について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムの制御部による昇圧コンバータの制御には、少なくとも、昇圧コンバータの出力制御や、複数のコンバート部の駆動数の切り替え制御、言い換えれば、昇圧コンバータの駆動相数の切り替え制御を含む。
まず、参考例に係る制御について説明する。
（参考例）
図２は、マルチフェーズコンバータにおける出力と効率との関係を示している。多相のコンバータであるマルチフェーズコンバータでは、図２中破線で示すように、複数相のコンバート部３１ａ〜３１ｄを常時駆動するよりも、図２中実線で示すように、出力を高くするにしたがって一つずつ駆動させる相を増やすように駆動相数を切り替える方が全体の効率を高めることができる。
ところが、上記のように効率だけを考慮して運転を行うと、システムを構成するリアクトル３２、または、スイッチング素子３３などを含む半導体素子部が高温となり過ぎてしまうことがある。
次に、本実施形態に係る制御について説明する。
本実施形態では、複数相のコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数を以下の条件で切り替える。
（１）出力指令値に基づく切替条件
この出力指令値に基づく切替条件は、効率を考慮した条件であり、上位の制御部から送信される出力指令値に基づいてコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の切替制御を行う。
具体的には、図３に示すように、増加切替出力Ｐ１−２，Ｐ２−３，Ｐ３−４を設定しておく。そして、１相のコンバート部３１ａが駆動された状態において、出力指令値がＰ１−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。さらに、出力指令値がＰ２−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。そして、出力指令値がＰ３−４となると、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動に切り替える。
また、減少切替出力Ｐ４−３，Ｐ３−２，Ｐ２−１を設定しておく。そして、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが駆動された状態において、出力指令値が下がり、出力指令値がＰ４−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。さらに、出力指令値がＰ３−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。そして、出力指令値がＰ２−１となると、１相のコンバート部３１ａの駆動に切り替える。
なお、相数の増加時と減少時とでは、その相数の切替タイミングとなる出力指令値が以下のように設定されている。
Ｐ１−２＞Ｐ２−1、Ｐ２−３＞Ｐ３−２、Ｐ３−４＞Ｐ４−３
これにより、相数の増加時と減少時とで、ヒステリシスを持たせ、制御のハンチングを抑制することができる。
この条件でコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動相数の切替制御を行うことにより、ＦＣ昇圧コンバータ１４の高効率での運転が可能となる。
（２）リアクトル温度に基づく切替条件
このリアクトル温度に基づく切替条件は、リアクトル３２の熱定格を守るための条件であり、リアクトル３２の温度に基づいてコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の切替制御を行う。
具体的には、図４に示すように、増加切替温度Ｔｒ１−２，Ｔｒ２−３，Ｔｒ３−４を設定しておく。そして、１相のコンバート部３１ａが駆動された状態において、リアクトル３２が切替温度Ｔｒ１−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。さらに、リアクトル３２が切替温度Ｔｒ２−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。そして、リアクトル３２が切替温度Ｔｒ３−４となると、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動に切り替える。
また、減少切替温度Ｔｒ４−３，Ｔｒ３−２，Ｔｒ２−１を設定しておく。そして、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが駆動された状態において、リアクトル３２の温度が下がり、切替温度Ｔｒ４−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。さらに、リアクトル３２が切替温度Ｔｒ３−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。そして、リアクトル３２が切替温度Ｔｒ２−１となると、１相のコンバート部３１ａの駆動に切り替える。
なお、相数の増加時と減少時とでは、その相数の切替タイミングとなるリアクトル３２の切替温度が以下のように設定されている。
Ｔｒ１−２＞Ｔｒ２−1、Ｔｒ２−３＞Ｔｒ３−２、Ｔｒ３−４＞Ｔｒ４−３
これにより、相数の増加時と減少時とで、ヒステリシスを持たせ、制御のハンチングを抑制することができる。
なお、Ｔｒ１−２とＴｒ３−２及びＴｒ２−３とＴｒ４−３のそれぞれの温度は、いずれが高くても良く、また、同一温度でも良い。
ここで、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄによる駆動に切り替える際の切替温度Ｔｒ３−４は、リアクトル３２の耐熱温度よりも小さい温度とされている。
そして、この条件でコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動相数の切替制御を行うことにより、リアクトル３２を耐熱温度よりも低い温度に維持することができ、熱定格を守ることができる。
なお、切替温度Ｔｒ３−４（熱定格温度）は、リアクトル３２が、その切替温度Ｔｒ３−４に達してから最高出力で３０秒程度駆動しても耐熱温度に達せずに不具合なく駆動するように設定されている。
また、上記条件において、リアクトル３２の温度は、一つの相のコンバート部３１ａに設けたサーミスタ（温度センサ）３５を用い、このサーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａのリアクトル３２の温度を代表として用いる。これにより、全てのコンバート部３１ａ〜３１ｄにサーミスタ３５を設けた場合と比較して、コストを大幅に低減させることができる。
（３）半導体素子部温度に基づく切替条件
この半導体素子部温度に基づく切替条件は、スイッチング素子３３及びダイオード３４ｂなどを含む半導体素子部の熱定格を守るための条件であり、半導体素子部の温度に基づいてコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の切替制御を行う。
具体的には、図５に示すように、増加切替温度Ｔｓ１−２，Ｔｓ２−３，Ｔｓ３−４を設定しておく。そして、１相のコンバート部３１ａが駆動された状態において、半導体素子部が切替温度Ｔｓ１−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。さらに、半導体素子部３２が切替温度Ｔｓ２−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。そして、半導体素子部が切替温度Ｔｓ３−４となると、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動に切り替える。
また、減少切替温度Ｔｓ４−３，Ｔｓ３−２，Ｔｓ２−１４を設定しておく。そして、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄが駆動された状態において、半導体素子部の温度が下がり、切替温度Ｔｓ４−３となると、３相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの駆動に切り替える。さらに、半導体素子部が切替温度Ｔｓ３−２となると、２相のコンバート部３１ａ，３１ｂの駆動に切り替える。そして、半導体素子部が切替温度Ｔｓ２−１となると、１相のコンバート部３１ａの駆動に切り替える。
なお、相数の増加時と減少時とでは、その相数の切替タイミングとなる半導体素子部の切替温度が以下のように設定されている。
Ｔｓ１−２＞Ｔｓ２−1、Ｔｓ２−３＞Ｔｓ３−２、Ｔｓ３−４＞Ｔｓ４−３
これにより、相数の増加時と減少時とで、ヒステリシスを持たせ、制御のハンチングを抑制することができる。
なお、Ｔｓ１−２とＴｓ３−２及びＴｓ２−３とＴｓ４−３のそれぞれの温度は、いずれが高くても良く、また、同一温度でも良い。
ここで、４相のコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄによる駆動に切り替える際の切替温度Ｔｓ３−４は、半導体素子部の耐熱温度よりも小さい温度とされている。
そして、この条件でコンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動の切替制御を行うことにより、半導体素子部を耐熱温度よりも低い温度に維持することができ、熱定格を守ることができる。
上記条件において、半導体素子部の温度は、各相の半導体素子部にそれぞれ設けられた温度センサから送信された検出温度である。なお、上記条件では、各相の半導体素子部の温度センサからの検出温度における最大温度を用いる。
（４）発電状態に基づく切替条件
燃料電池１２を始動させる際に、例えば、寒冷のために効率的に発電することができない場合がある。このような場合、低効率発電による急速暖気を行い、燃料電池１２を温める。低効率発電とは、燃料電池１２に供給される反応ガス（例えば酸化ガス）が通常発電時に比して少なく、かつ通常発電に比して電力損失が大きい発電をいい、例えばエアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池１２を運転する発電状態をいう。
したがって、このような急速暖気の場合では、車両を停止させた状態で、コンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの駆動相数を４相で駆動させることにより、熱を生じさせる。
次に、上記の駆動条件に基づく、ＥＣＵ４１によるコンバート部３１ａ〜３１ｄの切替制御について説明する。
（１）相数を増加させる時の制御
１相から２相、２相から３相、３相から４相への相数の増加時の制御について、図６に示すフローチャートに沿って説明する。
まず、燃料電池１２に設けられた温度センサの検出温度に基づいて、発電状態に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ０１）。
ここで、発電状態に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ０１：Ｙｅｓ）、すなわち、燃料電池１２を例えば氷点下で駆動させる必要がある場合には、コンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの４相全てが駆動される（ステップＳ０２）。これにより、燃料電池１２が急速暖気され、その後の運転の効率が向上される。
発電状態に基づく切替条件を満たしていないと判定されると（ステップＳ０１：Ｎｏ）、前述した出力指令値に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ０３）。
ここで、出力指令値に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ０３：Ｙｅｓ）、現在の相数から１相増加された相数での駆動に切り替えられる（ステップＳ０６）。
出力指令値に基づく切替条件を満たしていないと判定されると（ステップＳ０３：Ｎｏ）、リアクトル温度に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ０４）。
ここで、リアクトル温度に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ０４：Ｙｅｓ）、現在の相数から１相増加された相数での駆動に切り替えられる（ステップＳ０６）。
リアクトル温度に基づく切替条件を満たしていないと判定されると（ステップＳ０４：Ｎｏ）、半導体素子部温度に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ０５）。
ここで、半導体素子部温度に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ０５：Ｙｅｓ）、現在の相数から１相増加された相数での駆動に切り替えられる（ステップＳ０６）。
（２）相数を減少させる時の制御
４相から３相、３相から２相、２相から１相への相数の減少時の制御について、図７に示すフローチャートに沿って説明する。
まず、発電状態に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１１）。
ここで、発電状態に基づく切替条件を満たしていないと判定されると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、出力指令値に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１２）。
出力指令値に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、出力指令フィルタ値が出力指令値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。
この出力指令フィルタ値とは、燃料電池１２からの出力をセンサで測定した出力値である。
出力指令フィルタ値が出力指令値以下であると判定されると（ステップＳ１３：Ｙｅｓ）、リアクトル温度に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１４）。
リアクトル温度に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、半導体素子部温度に基づく切替条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１５）。
半導体素子部温度に基づく切替条件を満たしていると判定されると（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、現在の相数から１相減少された相数での駆動に切り替えられる（ステップＳ１６）。
また、本実施形態では、上記のＦＣ昇圧コンバータ１４の相数の切り替えとともに、下記の制御を行う。
（１）負荷率制限制御
この負荷率制限制御では、ドライバビリティを考慮した負荷率の制限を行う。
この負荷率制限制御で制限される負荷率は、半導体素子部温度及びリアクトル温度についてそれぞれ導き出される。
（半導体素子部温度に基づく負荷率Ａ）
図８は、サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａの半導体素子部の負荷率Ａを示している。図８に示すように、負荷率Ａは、半導体素子部の温度が制限開始温度ＴｓＡに到達した時点から基準耐熱温度ＴｓＢとなるまで、ドライバビリティを考慮した変化率で制限が行われる。この基準耐熱温度ＴｓＢは、仕様耐熱温度Ｔｓｍａｘよりも十分に低い温度に設定されている。
（リアクトル温度に基づく負荷率Ｂ）
図９は、サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａのリアクトル３２の負荷率Ｂを示している。図９に示すように、負荷率Ｂは、リアクトル３２に設けられたサーミスタ３５の検出温度が制限開始温度ＴｒＡに到達した時点から基準耐熱温度ＴｒＢとなるまで、ドライバビリティを考慮した変化率で出力制限を行うためのものである。この基準耐熱温度ＴｒＢは、仕様耐熱温度Ｔｒｍａｘよりも十分に低い温度に設定されている。
（リアクトル温度に基づく負荷率Ｃ）
図１０は、サーミスタ３５が設けられていないコンバート部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄのリアクトル３２の負荷率Ｃを示している。図１０に示すように、負荷率Ｃは、リアクトル３２に設けられたサーミスタ３５の検出温度が制限開始温度ＴｒＡ´に到達した時点から基準耐熱温度ＴｒＢ´となるまで、ドライバビリティを考慮した変化率で出力制限を行うためのものである。
この基準耐熱温度ＴｒＢ´は、仕様耐熱温度Ｔｒｍａｘからさらに、リアクトル３２の発熱特性等の特性のばらつきに起因する仕様耐熱温度Ｔｒｍａｘのばらつきの温度を考慮した十分に低い温度に設定されている。つまり、サーミスタ３５が設けられていないコンバート部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄにおけるリアクトル３２の基準耐熱温度ＴｒＢ´は、サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａのリアクトル３２の基準耐熱温度ＴｒＢよりもばらつきの温度だけ低い温度とされている。
そして、サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａにおける負荷率Ｌ１を、上記の負荷率Ａまたは負荷率Ｂのいずれか低い方を選択して決定する。また、サーミスタ３５が設けられていないコンバート部３１ｂ，３１ｃ，３１ｄにおける負荷率Ｌ２を、上記の負荷率Ａまたは負荷率Ｃのいずれか低い方を選択して決定する。
（２）最大出力上限設定
燃料電池１２からＦＣ昇圧コンバータ１４へ出力可能な最大出力上限Ｐｍａｘを算出し、ＦＣ昇圧コンバータ１４への入力を制限する。
この最大出力上限Ｐｍａｘは、次式のように、各コンバート部３１ａ〜３１ｄでのそれぞれの最大出力Ｐａｍａｘ，Ｐｂｍａｘ，Ｐｃｍａｘ，Ｐｄｍａｘの合計から求められる。
Ｐｍａｘ＝Ｐａｍａｘ＋Ｐｂｍａｘ＋Ｐｃｍａｘ＋Ｐｄｍａｘ
ここで、各コンバート部３１ａ〜３１ｄでのそれぞれの最大出力Ｐａｍａｘ，Ｐｂｍａｘ，Ｐｃｍａｘ，Ｐｄｍａｘは、以下のように求められる。
サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａにおける最大出力Ｐａｍａｘ及びサーミスタ３５が設けられていないコンバート部３１ｂ〜３１ｄにおける最大出力Ｐｂｍａｘ，Ｐｃｍａｘ，Ｐｄｍａｘは、前述した負荷率Ｌ１，Ｌ２及びコンバート部３１ａ〜３１ｄにおける設計上の最大出力値Ｐｓから、次式に基づいて求められる。
Ｐａｍａｘ＝Ｌ１×Ｐｓ
Ｐｂｍａｘ＝Ｌ２×Ｐｓ
Ｐｃｍａｘ＝Ｌ２×Ｐｓ
Ｐｄｍａｘ＝Ｌ２×Ｐｓ
そして、ＥＣＵ４１では、上位の制御部へ最大出力上限Ｐｍａｘを送信し、上位の制御部からの出力指令値を、最大出力上限Ｐｍａｘ内に抑えさせ、コンバート部３１ａ〜３１ｄのリアクトル３２及び半導体素子部を保護することができる。
なお、出力指令値が最大出力上限Ｐｍａｘを超えた場合、ＥＣＵ４１では、足りない出力をバッテリ２１から補填する。なお、バッテリ２１からの補填でも出力が足りない場合は、出力を制限する。
（３）最大電流上限設定
燃料電池１２からＦＣ昇圧コンバータ１４へ出力可能な最大電流上限Ｉｍａｘを算出し、ＦＣ昇圧コンバータ１４への入力を制限する。
この最大電流上限Ｉｍａｘは、次式のように、各コンバート部３１ａ〜３１ｄでのそれぞれの最大電流Iａｍａｘ，Ｉｂｍａｘ，Ｉｃｍａｘ，Ｉｄｍａｘの合計から求められる。
Ｉｍａｘ＝Ｉａｍａｘ＋Ｉｂｍａｘ＋Ｉｃｍａｘ＋Ｉｄｍａｘ
ここで、各コンバート部３１ａ〜３１ｄでのそれぞれの最大電流Ｉａｍａｘ，Ｉｂｍａｘ，Ｉｃｍａｘ，Ｉｄｍａｘは、以下のように求められる。
サーミスタ３５が設けられたコンバート部３１ａにおける最大電流Ｉａｍａｘ及びサーミスタ３５が設けられていないコンバート部３１ｂ〜３１ｄにおける最大電流Ｉｂｍａｘ，Ｉｃｍａｘ，Ｉｄｍａｘは、前述した負荷率Ｌ１，Ｌ２及びコンバート部３１ａ〜３１ｄにおける設計上の最大電流値Ｉｓから、次式に基づいて求められる。
Ｉａｍａｘ＝Ｌ１×Ｉｓ
Ｉｂｍａｘ＝Ｌ２×Ｉｓ
Ｉｃｍａｘ＝Ｌ２×Ｉｓ
Ｉｄｍａｘ＝Ｌ２×Ｉｓ
そして、ＥＣＵ４１では、上位の制御部へ最大電流上限Ｉｍａｘを送信し、上位の制御部からの電流指令値を、最大電流上限Ｉｍａｘ内に抑えさせ、コンバート部３１ａ〜３１ｄのリアクトル３２及び半導体素子部を保護することができる。
なお、電流指令値が最大電流上限Ｉｍａｘを超えた場合、ＥＣＵ４１は、足りない電流をバッテリ２１から補填するような制御を行なう。なお、バッテリ２１からの補填でも電流が足りない場合は、電流を制限する。
（４）目標電流の設定
ここでは、各コンバート部３１ａ〜３１ｄにおける目標電流Ｉａ〜Ｉｄを設定する。
この目標電流の設定では、コンバート部３１ａ〜３１ｄのうちの駆動状態のコンバート部に対しては、上位の制御部からの電流指令値を駆動相数で割った値、または各コンバート部３１ａ〜３１ｄの最大電流Ｉａｍａｘ〜Ｉｄｍａｘにおける駆動状態のコンバート部の最大電流値のいずれか低い方を選択して設定する。
なお、コンバート部３１ａ〜３１ｄの非駆動状態のコンバート部の目標電流は、「０」とする。
（５）電流指令値の設定
（最大偏差相の導出）
まず、ＥＣＵ４１は、各コンバート部３１ａ〜３１ｄの偏差のうちの最大のものである最大偏差相を求める。
各コンバート部３１ａ〜３１ｄの偏差は、次式から求める。
各相の偏差＝｜各相の電流目標値−前回の各相の電流指令値｜
なお、各相の偏差が同一となる場合もある。したがって、各相に優先順位（例えば、３１ａ＞３１ｂ＞３１ｃ＞３１ｄ）を設けておき、偏差が同一となった場合は、その優先順位に基づいて最大偏差相を導出する。
また、各相の駆動指令がオフ状態に設定されている場合には、駆動相については最大偏差相を求める対象としない。なお、最大偏差相は、ＲＡＭから参照できるようにしておくのが好ましい。
（電流指令値の算出）
最大偏差相の電流指令値では、電流増加時及び電流減少時のそれぞれでレートリミットを行う。このレートリミットとしては、例えば、下限値０（Ａ）から上限値１２５（Ａ）とし、電流増加時及び電流減少時でそれぞれ±５．０／１．０（Ａ／ｍｓ）とする。なお、このレートリミットは、外部からの書換えが可能とされている。
また、最大偏差相以外の電流指令値は、以下のように算出する。
（１）２相駆動の場合
コンバート部３１ａ，３１ｂの２相駆動の状態において、コンバート部３１ｂが最大偏差相であった場合では、コンバート部３１ａの電流指令値は、次式から求められる。
３１ａ相の電流指令値
＝上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値
（２）３相駆動の場合
コンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの３相駆動の状態において、コンバート部３１ｃが最大偏差相であった場合では、コンバート部３１ａ，３１ｂの電流指令値は、次式から求められる。
３１ａ相の電流指令値
＝（上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値）
＋（３１ａ相の最大電流／（３１ａ相及び３１ｂ相の最大電流の合計））
３１ｂ相の電流指令値
＝（上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値）
＋（３１ｂ相の最大電流／（３１ａ相及び３１ｂ相の最大電流の合計））
（３）４相駆動の場合
コンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄの４相駆動の状態において、コンバート部３１ｄが最大偏差相であった場合では、コンバート部３１ａ，３１ｂ，３１ｃの電流指令値は、次式から求められる。
３１ａ相の電流指令値
＝（上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値）
＋（３１ａ相の最大電流／（３１ａ相、３１ｂ相及び３１ｃ相の最大電流の合計））
３１ｂ相の電流指令値
＝（上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値）
＋（３１ｂ相の最大電流／（３１ａ相、３１ｂ相及び３１ｃ相の最大電流の合計））
３１ｃ相の電流指令値
＝（上位の制御部からの電流指令値−最大偏差相の電流指令値）
＋（３１ｃ相の最大電流／（３１ａ相、３１ｂ相及び３１ｃ相の最大電流の合計））
なお、各相の駆動指令がオフに設定されている場合には、フェールセーフのために、駆動相については各相の電流指令値を「０」とする。
ここで、例えば、４相駆動から３相駆動への切り替え時に、コンバート部３１ｄが最大偏差相となってレートリミットが５／１．０（Ａ／ｍｓ）とされ、上位の制御部からの電流指令値が１２０（Ａ）で一定であった場合、コンバート部３１ａ〜３１ｄの各相における電流の分配は表１のようになる。
Figure 2013011560
このように、昇圧コンバータ１４から出力される電流を、所定の電流指令値に維持しつつコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の切替制御を行えば、駆動相数の切替を、各コンバート部３１ａ〜３１ｄに大きな負担をかけずに円滑に行うことができる。特に、コンバート部３１ａ〜３１ｄのうちの最大偏差相にレートリミットを設定することにより、この最大偏差相となるコンバート部を保護することができる。
以上、説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、複数のコンバート部３１ａ〜３１ｄを有する多相（マルチフェーズ）昇圧コンバータ１４によって燃料電池１２の大電流化に対応できる。
また、昇圧コンバータ１４のコンバート部３１ａ〜３１ｄの駆動相数の増減の切替制御を、燃料電池１２からの出力条件だけでなく、コンバート部３１ａ〜３１ｄを構成するリアクトル３２及びトランジスタ３３ａやダイオード３３ｂ，３４ｂなどの電子部品を有する半導体素子部の温度条件に基づいて行うので、昇圧コンバータ１４を、リアクトル３２や半導体素子部の電子部品などの構成部品を保護しつつ高効率で駆動させることができる。
なお、上述した実施形態においては、本発明に係る電源システムを燃料電池車両に搭載される燃料電池システムに適用した場合について説明したが、燃料電池車両以外の各種移動体（電気自動車、ハイブリッド自動車、ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る電源システムを適用することができる。また、本発明に係る電源システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
図１１は、本発明に係る電源システムを電気自動車（ＥＶ車両）に搭載される電源システムに適用した場合の一例を示している。この図１１において、図１に示す構成要素と同一又は同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１１の電源システム１１１においては、図１における燃料電池１２の代わりに２次電池１２０を備え、図１におけるバッテリ２１及びバッテリ昇圧コンバータ２３は備えていない。また、電源システム１１１においては、本発明における半導体素子部が、トランジスタ３３ａとダイオード３３ｂとを有するスイッチング素子３３と、トランジスタ３４ａとダイオード３４ｂとを有する第２のスイッチング素子３４とから構成されており、かかる構成の半導体素子部を備えることによって、図１に示す昇圧のみ可能な片方向コンバータと異なり、昇圧も降圧も可能な双方向コンバータが実現されている。
図１２は、本発明に係る電源システムをハイブリッド自動車或いは外部の商用電源から２次電池へ直接充電することが可能なプラグインハイブリッド自動車に搭載される電源システムに適用した場合の一例を示している。この図１２において、図１に示す構成要素と同一又は同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図１２の電源システム１１２においては、図１における燃料電池１２の代わりに２次電池１２０を備え、図１におけるバッテリ２１及びバッテリ昇圧コンバータ２３は備えていない。また、電源システム１１２は、主に電動機として機能する駆動モータ１３とそれに給電する駆動インバータ１６に加えて、主に発電機として機能するモータ１３０とそれに給電するインバータ１６０を備えている。
さらに、電源システム１１２においては、本発明における半導体素子部が、トランジスタ３３ａとダイオード３３ｂとを有するスイッチング素子３３と、トランジスタ３４ａとダイオード３４ｂとを有する第２のスイッチング素子３４とから構成されており、かかる構成の半導体素子部を備えることによって、図１に示す昇圧のみ可能な片方向コンバータと異なり、昇圧も降圧も可能な双方向コンバータが実現されている。

Claims (9)

  1. 電源と、該電源からの電力を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力制御を行う制御部とを有する電源システムであって、
    前記昇圧コンバータは、それぞれリアクトル及び半導体素子部を有する複数のコンバート部を備えた多相コンバータであり、
    前記制御部は、前記電源の出力条件、前記リアクトルの温度条件及び前記半導体素子部の温度条件に基づいて、前記コンバート部の駆動相数の増減の切替制御を行う電源システム。
  2. 前記制御部は、前記電源からの出力が所定の増加切替出力となった際、前記リアクトルが所定の増加切替温度となった際、あるいは前記半導体素子部が所定の増加切替温度となった際に、前記コンバート部の駆動相数を増加させる請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記制御部は、前記電源からの出力が所定の減少切替出力となり、前記リアクトルが所定の減少切替温度となり、さらに、前記半導体素子部が所定の減少切替温度となった際に、前記コンバート部の駆動相数を減少させる請求項１に記載の電源システム。
  4. 前記コンバート部の駆動相数の減少時における切替タイミングが、前記コンバート部の駆動相数の増加時における切替タイミングよりも出力または温度の低い方へオフセットされている請求項１から３のいずれか一項に記載の電源システム。
  5. 前記制御部は、前記昇圧コンバータに流す電流を所定の電流指令値に維持しつつ前記コンバート部の駆動相数の切替制御を行う請求項１から４のいずれか一項に記載の電源システム。
  6. 前記制御部は、前記コンバート部の駆動相数の切替にともなって駆動または非駆動に切り替えられるコンバート部の相を最大偏差相とし、切替制御時における前記最大偏差相の電流値を、予め設定された所定変化率で増減させる請求項５に記載の電源システム。
  7. 前記制御部は、前記半導体素子部または前記リアクトルが、予め設定されたそれぞれの制限開始温度となった時点で、前記コンバート部の出力を所定の変化率で制限する請求項１から６のいずれか一項に記載の電源システム。
  8. 複数の前記コンバート部のうちの一部に前記リアクトルの温度を検出する温度センサが設けられ、
    前記温度センサが設けられたコンバート部の制限開始温度は、前記リアクトルの耐熱温度から求められ、前記温度センサが設けられていないコンバート部の制限開始温度は、前記リアクトルの耐熱温度から前記リアクトルの特性のばらつきの温度を差し引いた温度とされている請求項７に記載の電源システム。
  9. 前記電源は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池である請求項１から８のいずれかに記載の電源システム。
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