(57)【要約】    【課題】  高電圧電源の電圧が上昇して自己保護回路が作動しても、異常が解除されれば早期に電圧を通常値に復帰できるようにする。    【解決手段】  車両用電源システムは、高電圧電源３と、この高電圧電源に接続された電力変換装置８、４と、この電力変換装置を制御する制御装置１１と、を備える。前記電力変換装置は、前記高電圧電源の電圧過大時に駆動を停止する自己保護機能を備え、前記制御装置は、前記電力変換装置の前記自己保護機能による停止状態を解除させる機能を備えている。この解除機能は、自己保護機能作動後にシステムの異常が解消された場合に実行される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧電源と、この高電圧電源に接続された電力変換装置と、この電力変換装置を制御する制御装置と、を備えた車両用電源システムであって、
前記電力変換装置は、前記高電圧電源の電圧過大時に駆動を停止する自己保護機能を備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置の前記自己保護機能による停止状態を解除させる機能を備えた、車両用電源システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記電力変換装置が前記自己保護機能により停止状態となった場合に、システムの異常を診断し、異常が検出されなければ、前記電力変換装置の停止状態を解除する、車両用電源システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記電力変換装置に接続された蓄電装置を更に備え、
前記制御装置は、前記電力変換装置の前記停止状態を解除させる、車両用電源システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記制御装置は、前記停止状態を解除させる場合に、前記電力変換装置の電圧制御目標値を正常範囲の最大電圧に設定する、車両用電源システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
前記制御装置は、前記電力変換装置の停止状態を解除後、前記高電圧電源の電圧が低下するか否かを判定し、低下しない場合に前記電力変換装置の駆動を再停止させる、車両用電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用電源システムに関し、特に高電圧電源に接続された電力変換装置が自己保護機能を備えてなる車両用電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気エネルギーを車両駆動源として用いるための車両用電源システムにおいて、何らかの異常により高電圧電源が過電圧に至った場合に、保護機能により電力変換装置の駆動を停止し、後に過電圧状態を脱すれば駆動を再開するものが知られている。
【０００３】
例えば、特開平１−２０２１０１号公報は、車両走行駆動用の直流電動機と、これに駆動電力を供給するバッテリと、同バッテリから直流電動機に供給される駆動電力を制御するチョッパとを備え、回生制動中に、電力回路系の電圧が予め設定された所定の電圧に達したとき、前記チョッパの作動を停止させることを開示している。
【特許文献１】特開平１−２０２１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の車両用電源システムにおける自己保護機能は、設定電圧を超えたら停止、設定電圧を下回ったら復帰という単純なものが多い。一方、駆動用高電圧の系は電力変換器が停止してしまうとインピーダンスが高く、過電圧判定値以上に上昇した電圧が下降するには、例えば数分以上の長時間を要する。従って、その間、たとえ過電圧の原因となった異常が正常状態に復帰しても車両の走行不能状態が継続される。また、電圧の早期低下のために停止時のインピーダンスを低くしてしまうと、システム正常時にも漏れ電流として流れるので、電力の損失が大きくなってしまう。
【０００５】
本発明は、高電圧電源の電圧が上昇して自己保護回路が作動しても、異常が解除されれば早期に電圧を通常値に復帰できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の車両用電源システムは、高電圧電源と、この高電圧電源に接続された電力変換装置と、この電力変換装置を制御する制御装置と、を備えた車両用電源システムであって、前記電力変換装置は、前記高電圧電源の電圧過大時に駆動を停止する自己保護機能を備え、前記制御装置は、前記電力変換装置の前記自己保護機能による停止状態を解除させる機能を備えている。
【０００７】
電力変換装置の停止状態を強制的に解除することにより、高電圧電源の電圧を早期に低下させることができる。
【０００８】
上記電源システムにおいて、前記制御装置は、前記電力変換装置が前記自己保護機能により停止状態となった場合に、システムの異常を診断し、異常が検出されなければ、前記電力変換装置の停止状態を解除することが望ましい。異常の有無を確認するので、電力変換装置の自己保護機能に優先して強制的に停止解除しても安全性を確保することができる。
【０００９】
また特に移動体に搭載される電源システムでは、運転者の走行要求を満たすために電力変換装置の停止状態からの早期復帰が望まれており、電力変換装置の停止後にシステム異常を診断することで、その目的を満たすことが可能になる。
【００１０】
上記電源システムにおいて、電力変換装置に接続された蓄電装置を更に備え、前記制御装置は、電力変換装置の前記停止状態を解除させることが望ましい。これにより高電圧の早期に低下させることができ、蓄電も可能となる。
【００１１】
上記電源システムにおいて、前記制御装置は、前記停止状態を解除させる場合に、前記電力変換装置の電圧制御目標値を正常範囲の最大電圧に設定することが望ましい。これにより、電圧を円滑に正常範囲まで低下させることができる。
【００１２】
上記電源システムにおいて、前記制御装置は、前記電力変換装置の停止状態を解除後、前記高電圧電源の電圧が低下するか否かを判定し、低下しない場合に前記電力変換装置の駆動を再停止させることが望ましい。電力変換装置の停止状態を解除しても高圧電源の電圧が低下しない場合は異常の可能性があるので、再停止させることで安全性を高めることができる。
【００１３】
なお、「高電圧電源」に限定は無いが、例えば燃料電池が相当する。そして当該発明では、燃料電池等で発電された電力を消費する負荷装置を備えていてもよい。この負荷装置の一例としては、燃料電池の補機（コンプレッサ、ポンプ等）や、移動体に搭載する燃料電池システムであれば、駆動用モータや車両電装品等が負荷装置として働く電力消費装置となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高電圧電源の電圧が上昇して自己保護回路が作動しても、異常が解除されれば早期に電圧を通常値に復帰することの可能な車両用電源システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
＜１．装置の構成＞
図１は本発明の実施の形態に係る車両用電源システムの概略構成図である。この車両用電源システムは、高電圧電源である燃料電池３に対して、電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータ８及び電力変換装置であるトラクションインバータ４が並列に接続されて構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は蓄電装置であるバッテリ１に、インバータ４は駆動モータ７に、それぞれ接続されている。
【００１６】
燃料電池３は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置である。補機２は例えばエアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水ポンプ等であり、バッテリ１からの電力供給を受けて動作する。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、スイッチング回路部９と、過電圧判定部１０とを備えている。スイッチング回路部９は直流電圧変換器であり、バッテリ１から入力されたＤＣ電圧を調整してインバータ４側に出力する機能と、燃料電池３又は駆動モータ７から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ１に供給する機能とを有している。過電圧判定部１０はスイッチング回路部９のインバータ４側の端子に接続されている。そして、所定の過電圧を検出した場合に駆動停止信号ＳＧ１をスイッチング回路部９に対して出力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の自己保護機能を果たす。なお、バッテリ１は、充放電可能な蓄電器であれば二次電池でもコンデンサでもよい。
【００１８】
インバータ４は、スイッチング回路部６と、過電圧判定部５とを備えている。スイッチング回路部６は同期モータ７に接続され、電源からの直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ７を駆動し、車軸を回転させる。また、モータ７の回生電力を直流に変換してバッテリ１側に供給する。過電圧判定部５はスイッチング回路部６の直流電源側端子に接続されている。そして、所定の過電圧を検出した場合に駆動停止信号ＳＧ４をスイッチング回路部６に対して出力し、インバータ４の自己保護機能を果たす。また、この過電圧判定部５とは別に、スイッチング回路部６の直流電源側には電圧センサ１２が設けられている。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８、インバータ４及び電圧センサ１２には、制御ユニット１１が接続されている。制御ユニット１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の過電圧判定部１０から出力される駆動停止信号ＳＧ１と、インバータ４の過電圧判定部５から出力される駆動停止信号ＳＧ４と、電圧センサ１２で検出されたインバータ電圧データを受信する。そして制御ユニット１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８に対する制御信号ＳＧ３及び過電圧判定部１０に対する駆動停止解除信号ＳＧ２の出力、インバータ４に対する制御信号ＳＧ５の出力を行う。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の過電圧判定部１０に対する駆動停止解除信号ＳＧ２に加え又はこれに代え、インバータ４の過電圧判定部５に対する駆動停止解除信号を出力するようにしても良い。
【００２０】
また、本実施形態の車両用電源システムは燃料電池システムを例にとって説明したが、これに限らず、内燃機関と発電機を組み合わせたハイブリット電源システムなどにおいても本発明を適用することができる。
【００２１】
＜２．動作停止及び復帰の処理＞
図２は、上記車両用電源システムにおいて過電圧により動作停止となった場合の復帰動作を説明するタイミングチャートである。各種信号は下がＯＦＦ、上がＯＮを示している。タイムライン上の（１）より前の正常動作時には、高電圧電源電圧は正常範囲の電圧であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ駆動停止信号ＳＧ１及びインバータ駆動停止信号ＳＧ４はＯＦＦ、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ＳＧ３及びインバータ制御信号ＳＧ５はＯＮとなっている。
【００２２】
タイムライン上の（１）においてシステムに異常が発生し、高電圧電源の電圧が上昇したとする。このような異常の例として、例えば回生発電中にＤＣ／ＤＣコンバータ８のリレーが解放されてバッテリ１に充電されない場合に、電源システムが過電圧になることが考えられる。
【００２３】
タイムライン上の（２）において電圧値が予め設定された異常電圧（例えば４５０Ｖ）に達すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の過電圧判定部１０及びインバータ４の過電圧判定部５から、それぞれスイッチング回路部９及びスイッチング回路部６に対して、自己保護機能による駆動停止信号ＳＧ１、ＳＧ４が出力される。するとＤＣ／ＤＣコンバータ８及びインバータ４の動作は直ちに停止される。制御ユニット１１は、これらの駆動停止信号ＳＧ１、ＳＧ４を検知すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ＳＧ３及びインバータ制御信号ＳＧ５を停止する。
【００２４】
本電源システムは、上記自己保護機能による駆動停止信号ＳＧ１、ＳＧ４の出力を検知した後、所定の復帰動作を開始する。まず、駆動停止時間が所定時間（例えば１００ミリ秒）経過したとき、制御ユニット１１は電圧上昇の原因となったシステム異常が正常に復帰したかどうかを調べる。例えば上記の回生発電の例においては、回生発電を中止すれば直ちに異常は解消される。システム異常が正常に復帰していた場合は、制御ユニット１１は復帰制御を実施する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の駆動停止解除信号ＳＧ２を出力することにより、過電圧判定部１０から出力されていた駆動停止信号ＳＧ１を停止させ、駆動停止状態を強制的に解除させる。その後、タイムライン上の（３）において制御信号ＳＧ３を復帰させる。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の目標電圧を正常電圧上限の例えば４００Ｖに設定しておく。これにより電源電圧を円滑に降下させることができる。
【００２５】
電圧が異常レベルより下回ると、過電圧判定部５から出力されていたインバータ駆動停止信号ＳＧ４も自動的に復帰する。制御ユニット１１は、電源電圧が予め設定された正常電圧（例えば４００Ｖ）以下まで低下してインバータ４の駆動停止信号ＳＧ５が解除されたのを確認後、タイムライン上の（４）においてインバータ制御信号ＳＧ５を復帰させ、正常制御に戻る。上述のＤＣ／ＤＣコンバータの駆動停止信号ＳＧ１は既に強制的に解除されているが、タイムライン上の（４）ではこの強制解除のための駆動停止解除信号ＳＧ２が不要となるのでこれも併せて解除している。
【００２６】
図３は、システムの異常が一時的なものではなく、継続した場合のタイムチャートである。タイムライン上の（１）において異常発生後、電源電圧が上昇しタイムライン上の（２）においてＤＣ／ＤＣコンバータとインバータの制御を停止するまでは図２と同様である。
【００２７】
この図は自己保護機能の作動後所定時間経過してもシステムの異常が回復しなかった場合を示している。その場合、復帰動作を実行せずシステムの停止を確定させる。
【００２８】
なお、制御ユニット１１は、例えばイグニッションスイッチがＯＦＦとなるまで制御停止状態を維持しても良いし、所定時間経過後に更度復帰を試みることとしてもよい。
【００２９】
図４は、一時的な異常が発生した後に一旦正常に復帰したが、復帰動作中に再度電圧上昇が発生した場合のタイムチャートである。タイムライン上の（１）において異常発生後、電源電圧が上昇しタイムライン上の（２）においてＤＣ／ＤＣコンバータ８とインバータ４の制御を停止することは図２と同様である。駆動停止状態が所定期間経過しシステムが正常復帰している場合は復帰制御を実施し、タイムライン上の（３）においてＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を再開することも図２と同様である。
【００３０】
制御ユニット１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動再開後、比較的短い所定期間（例えば１０ミリ秒）の経過後に電圧センサ１２から電源電圧情報（電圧値又は電圧変化量）を取得する。図４に示されるように電圧が上昇している場合には、復帰制御を中止する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御信号ＳＧ３をＯＦＦにし、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動停止解除信号ＳＧ２をＯＦＦにする。これによりＤＣ／ＤＣコンバータ駆動停止信号ＳＧ１が再びＯＮとなる。なお、インバータ４の駆動停止状態もそのままとし、復帰はさせない。制御ユニット１１は例えばイグニッションスイッチがＯＦＦとなるまで制御停止状態を維持しても良いし、所定回数（例えば３回）、復帰をリトライすることとしてもよい。
【００３１】
図５〜図７は、本発明の実施形態による車両用電源システムの制御を示すフローチャートである。図５はメインルーチン、図６及び図７は、図５からコールされるサブルーチンである。この制御は制御ユニット１１によって、例えば１秒に１回の割合でメインルーチンが実行される。この制御は制御状態変数（０〜２）によって管理される。制御状態変数０は正常状態、１は高電圧電源の過電圧によりシステム停止から復帰制御している状態、２はシステム異常を確定しシステム停止を保持している状態である。
【００３２】
図５のメインルーチンにおいては、現在の制御状態を判定する。現在の制御状態の判定は、過去に実行されたサブルーチン（図６又は図７）の処理結果により判断される。制御状態２でも制御状態１でもなければ（Ｓ１１：ＮＯ、Ｓ１２：ＮＯ）、正常状態であるので図６の正常制御サブルーチンＳ２０に移行する。
【００３３】
制御状態１である場合（Ｓ１１：ＮＯ、Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御状態１に移行後所定時間（例えば１００ミリ秒）経過したかどうかを判断する。経過していなければ（Ｓ１３：ＮＯ）ＤＣ／ＤＣコンバータ８への制御信号ＳＧ３をＯＦＦにし（Ｓ１４）、インバータ４への制御信号ＳＧ５もＯＦＦにする（Ｓ１５）。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動停止解除信号ＳＧ２もＯＦＦとする（Ｓ１６）。
【００３４】
制御状態１となって所定時間が経過した場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、図７の復帰制御サブルーチンＳ３０に移行する。
【００３５】
制御状態２である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、すなわちシステム異常確定の状態であれば、上記Ｓ１４〜Ｓ１６の処理を行い、ＤＣ／ＤＣコンバータ８及びインバータ４への各種制御信号をＯＦＦにする。
【００３６】
次に、図６の正常制御サブルーチンについて説明する。このサブルーチンでは、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動信号ＳＧ３がＯＮであるか（Ｓ２１）、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動停止信号ＳＧ１がＯＮであるか（Ｓ２２）、インバータ駆動停止信号ＳＧ４がＯＮであるか（Ｓ２３）、高電圧電源の電圧が過電圧状態か（Ｓ２４）、をそれぞれ判断する。これらがすべて肯定された場合は新たに異常が発生しＤＣ／ＤＣコンバータ８及びインバータ４の自己保護機能が作動した場合である。よってＤＣ／ＤＣコンバータの制御信号ＳＧ３をＯＦＦにして（Ｓ２６）、制御状態１、すなわち過電圧による制御停止状態となったことを図示しないメモリに記憶し（Ｓ２７）、図５のメインルーチンに戻る。なお、インバータの制御信号ＯＦＦは図５のＳ１５で行う。
【００３７】
上記ステップＳ２１〜Ｓ２４の何れかが否定された場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号ＳＧ３をＯＮにし（Ｓ２８）、制御状態０、すなわち正常制御状態であることを図示しないメモリに記憶し（Ｓ２９）、図５のメインルーチンに戻る。
【００３８】
次に、図７の復帰制御サブルーチンについて説明する。このサブルーチンでは、まず、電源システムの異常状態が解消したか否かを判定する。異常状態が解消していない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、これは制御状態１でＤＣ／ＤＣコンバータ８やインバータ４を停止して所定時間が経過したにも関わらず異常状態が解消していないことを意味する。よって制御状態２、すなわち故障確定とすることを図示しないメモリに記憶し（Ｓ４２）、図５のメインルーチンに戻る。
【００３９】
ステップＳ３１においてシステムが正常に戻っていた場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ駆動停止解除信号ＳＧ２をＤＣ／ＤＣコンバータの過電圧判定部１０に送信する（Ｓ３２）。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータの過電圧判定部１０から出ていた駆動停止信号ＳＧ１が止まったかどうかを判断する。駆動停止信号ＳＧ１が止まっていない場合（Ｓ３３：ＮＯ）、制御状態１を維持して駆動停止信号ＳＧ１が止まるのを待つために、Ｓ４１を経て一旦サブルーチンを抜け出し、再度このサブルーチンの最初からやり直す。
【００４０】
駆動停止信号ＳＧ１が止まっている場合（Ｓ３３：ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御信号ＳＧ３をＯＮにし、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の駆動を再開する（Ｓ３４）。
【００４１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８の駆動を再開した結果、高電圧電源の電圧が上昇した場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、やはりシステムの異常が解消されていなかったと判断し、制御状態２、すなわち故障確定とすることを図示しないメモリに記憶し（Ｓ４２）、図５のメインルーチンに戻る。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動を再開しても電圧が上昇しなかった場合（Ｓ３５：ＮＯ）、更に所定期間内に高電圧電源が正常範囲の電圧まで下がったかどうかを判断する。所定期間内に正常電圧にならなかった場合（Ｓ３６：ＮＯ）、制御状態１を維持して駆動停止信号ＳＧ１が止まるのを待つために、Ｓ４１を経て一旦サブルーチンを抜け出し、再度このサブルーチンの最初からやり直す。正常電圧になった場合（Ｓ３６：ＹＥＳ）、インバータ駆動停止信号ＳＧ４がＯＦＦになったかどうかを判断する。ＯＦＦになっていない場合（Ｓ３７：ＮＯ）、制御状態１を維持して駆動停止信号ＳＧ１が止まるのを待つために、Ｓ４１を経て一旦サブルーチンを抜け出し、再度このサブルーチンの最初からやり直す。
【００４３】
インバータ駆動停止信号ＳＧ４がＯＦＦになった場合は（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータの駆動停止解除信号ＳＧ２をＯＦＦにし（Ｓ３８）、インバータ制御信号ＳＧ５をＯＮにし（Ｓ４０）、制御状態０として図５のメインルーチンに移行する。
【００４４】
以上の処理を繰り返すことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の駆動停止及びインバータ４の駆動停止を早期に解除し駆動を再開することができる。
【００４５】
なお、上記実施形態において、燃料電池等で発電された電力を消費する電力消費装置を備えていてもよい。この負荷装置としては、燃料電池の補機２（コンプレッサ、ポンプ等）や駆動モータ７、その他車両電装品等が電力消費装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施の形態に係る車両用電源システムの概略構成図である。
【図２】上記車両用電源システムにおいて過電圧により動作停止となった場合の復帰動作を説明するタイミングチャートである。
【図３】システムの異常が一時的なものではなく、継続した場合のタイムチャートである。
【図４】一時的な異常が発生した後に一旦正常に復帰したが、復帰動作中に再度電圧上昇が発生した場合のタイムチャートである。
【図５】本発明の実施形態による車両用電源システムの制御のうち、メインルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態による車両用電源システムの制御のうち、正常制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態による車両用電源システムの制御のうち、復帰制御のサブルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１  バッテリ（蓄電装置）
３  燃料電池（高電圧電源）
４  インバータ（電圧変換装置）
８  ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）
ＳＧ１  ＤＣ／ＤＣコンバータ駆動停止信号
ＳＧ２  ＤＣ／ＤＣコンバータ駆動停止解除信号
ＳＧ３  ＤＣ／ＤＣコンバータ制御信号
ＳＧ４  インバータ駆動停止信号
ＳＧ５  インバータ制御信号
【図１】
2005229699.tif 000003
【図２】
2005229699.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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