JP2001357865A5

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Publication number: JP2001357865A5
Application number: JP2000176030A
Authority: JP
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2020-06-12

Description

【発明の名称】燃料電池車両の起動制御装置および燃料電池電源システム

【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池発電装置においては、燃料電池の起動時に、先ず、例えば燃料側の圧力制御弁に空気が供給されて、この空気の圧力に応じた供給圧力で燃料電池の燃料極に燃料ガスが供給されて発電が開始される。
従って、燃料電池の起動以前においては、空気の供給を行うエアーコンプレッサー等に対して蓄電装置から駆動電力が供給される。また、これら燃料電池駆動用補機類や各種制御装置の駆動に加えて、例えば燃料電池の起動直後に車両の走行が開始された場合にも蓄電装置から走行用モータへ電力供給が行われて、蓄電装置に蓄電されているエネルギーが低下して蓄電装置の端子間電圧が低下する。
この場合、端子間電圧が低下した状態の蓄電装置と起動直後の燃料電池とが直接に接続されると、燃料電池から蓄電装置へと向かい急激に大きな電流が流れて、両者の端子間電圧が平衡状態に移行する過程において、燃料電池の端子間電圧が急激に低下してしまう。すると、例えば燃料電池の固体高分子電解質膜内の水素や水分が蒸発してしまったり、燃料電池の耐久性能が低下してしまう虞れがある。
このように、例えば燃料電池の起動時など、蓄電装置の両端電圧（つまり端子間電圧）と燃料電池の両端電圧（つまり出力電圧）が異なる状況で燃料電池を蓄電装置に接続すると、急激に大きな電流が流れて燃料電池の性能が劣化したり、耐久性能が低下してしまう虞れがある。

【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の起動制御装置は、負荷（例えば、後述する本実施形態での走行用モータ１３、ＰＤＵ１４、エアーコンプレッサー１５等）へ電力を供給する燃料電池（例えば、後述する本実施形態での燃料電池１１）と、前記負荷への電力供給を補助するキャパシタ（例えば、後述する本実施形態での蓄電装置１２）と、前記燃料電池へ反応ガス（例えば、後述する本実施形態での水素ガス及び空気）を供給して前記燃料電池を機能させる燃料電池駆動手段（例えば、後述する本実施形態でのエアーコンプレッサー１５）と、前記燃料電池の出力電流（例えば、後述する本実施形態での出力電流Ｉｆｃ）を制限する電流制限手段（例えば、後述する本実施形態での二次プリチャージ部１７）とを備えた燃料電池車両の起動制御装置において、前記燃料電池の起動時に、前記キャパシタは前記燃料電池駆動手段へ電力を供給し、前記電流制限手段は前記燃料電池の出力電圧（例えば、後述する本実施形態での出力電圧Ｖｆｃ）が所定電圧（例えば、後述する本実施形態でのＶ_ＭＯＴ≒Ｖｓｔ≒Ｖｆｃ）に到達するまで電流出力を禁止し、前記出力電圧が所定電圧以上に上昇後、前記電流制限手段は、前記燃料電池の前記出力電圧と前記キャパシタの端子間電圧（例えば、後述する本実施形態での端子間電圧Ｖｓｔ）との電圧差が所定電圧差（例えば、後述する本実施形態での所定の電圧差ΔＶ）に到達するまで前記出力電流を所定の電流値以下に制限することを特徴としている。

【０００６】
上記構成の燃料電池車両の起動制御装置によれば、燃料電池の起動時に出力電流を制限する電流制限手段を備えたことで、燃料電池の端子間電圧が急激に低下することを防止することができる。
すなわち燃料電池の起動時には、先ず、例えばエアーコンプレッサー等の燃料電池駆動手段により、燃料電池の空気極に加えて、燃料極に燃料として水素ガスを供給する圧力流量制御弁に対する信号圧として空気を供給する。この場合、燃料電池駆動手段にはキャパシタから電力が供給されて、キャパシタの残容量が低下すると共にキャパシタの端子間電圧が低下する。なお、キャパシタには、例えば相対的に大きな抵抗器を備えたプリチャージ回路を備えておくことで、キャパシタからの出力電流を抵抗器を介して燃料電池駆動手段や走行用モータのＰＤＵ等に出力することができ、例えば急激に大きな電流が出力されることを防止して、いわゆる突入電流の発生を防止することができる。

【０００７】
この場合、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等の電流制限手段により、燃料電池の出力電圧が所定電圧に到達するまでは燃料電池からの電流出力を禁止して、燃料電池の出力電圧が所定電圧以上に上昇した後には燃料電池からの出力電流を制限することで、端子間電圧が低下したキャパシタに対して燃料電池から急激に大きな電流が流入することを防止することができる。
そして、燃料電池の端子間電圧とキャパシタの端子間電圧との電圧差がゼロを含む所定の電圧差以下になるまでは、燃料電池からキャパシタに向かい急激に大きな電流が流れることが防止されており、制限された出力電流によりキャパシタが徐々に充電されながら、キャパシタの端子間電圧と燃料電池の端子間電圧とが互いに平衡電圧に移行する。このため平衡電圧に移行する過程において、例えば燃料電池の端子間電圧が所定電圧を超えて低下しすぎることで、燃料電池の固体高分子電解質膜内の水素や水分が蒸発してしまったり、燃料電池の耐久性能が低下してしまうことを防止して、燃料電池の寿命の延命化に資することができる。

【０００８】
しかも、電流制限手段として例えばＤＣ−ＤＣチョッパ等を用いることで、チョッピング動作の制御用に入力されるパルス電流のデューティーを変化させることで容易に出力電流を制御することができ、燃料電池の端子間電圧が低下しすぎることを防止しながら、燃料電池及びキャパシタの各端子間電圧同士が平衡電圧に到達するまでの時間を短縮することができる。
さらに、燃料電池及びキャパシタの端子間電圧の電圧差が大きな場合であっても、電流制御手段として例えばＤＣ−ＤＣチョッパを用いることで、例えば接点方式のスイッチ等により出力経路を切り替えて抵抗器を介して電流を出力させる場合に比べて、より一層、不具合が発生することを防止することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池電源システムは、負荷へ電力を供給する燃料電池と、前記負荷への電力供給を補助するキャパシタと、前記燃料電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記燃料電池の出力側と前記キャパシタとを遮断または接続するスイッチング手段（後述する実施形態でのＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａ）とを備える燃料電池電源システムであって、前記スイッチング手段を制御する制御部（後述する実施形態での制御部１７ｂ）を備え、前記制御部は、前記燃料電池と前記キャパシタとを接続するときに、前記キャパシタの両端電圧（例えば、後述する本実施形態での端子間電圧Ｖｓｔ）と前記燃料電池の両端電圧（例えば、後述する本実施形態での出力電圧Ｖｆｃ）との差が所定値以上である場合に、前記スイッチング手段をチョッピング制御することを特徴としている。
さらに、請求項３に記載の本発明の燃料電池電源システムは、負荷へ電力を供給する燃料電池と、前記負荷への電力供給を補助するキャパシタと、前記燃料電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記燃料電池の出力側と前記キャパシタとを接続する接続手段（後述する実施形態でのＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａ、電流制限器１６ｂ）とを備える燃料電池電源システムであって、前記接続手段の接続状態を制御する制御部（後述する実施形態での制御部１７ｂ、燃料電池制御部３２）を備え、前記制御部は、前記燃料電池と前記キャパシタとを接続するときに、前記キャパシタの両端電圧（例えば、後述する本実施形態での端子間電圧Ｖｓｔ）と前記燃料電池の両端電圧（例えば、後述する本実施形態での出力電圧Ｖｆｃ）との差が所定値以上である場合に、前記燃料電池から前記キャパシタへ通電される電流の通電量（例えば、後述する本実施形態での出力電流Ｉｆｃ）を制限することを特徴としている。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池電源システムでは、前記制御部は、前記燃料電池が起動した後に前記燃料電池と前記キャパシタとを接続することを特徴としている。

【００１６】
二次プリチャージ部１７は、例えばＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａと、制御部１７ｂとを備えて構成されており、ＥＣＵ１８から出力される電流指令値ＩＦＣＣＭＤ、つまり燃料電池１１に対する発電指令に基づいて燃料電池１１からの出力電流Ｉｆｃを制御する。
図３に示すように、ＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａでは、例えば制御部１７ｂからトランジスタＴＲのベースにパルス電流が供給されてトランジスタＴＲのオン／オフが制御されている。制御部１７ｂは、出力される電流が大きくなるとトランジスタＴＲのオフ状態が長くなるようにパルス電流のデユーティー（つまりオン／オフの比率）を変化させ、出力される電流を制限する。
なお、一次プリチャージ部１６と二次プリチャージ部１７との間にはダイオードが配置されており、蓄電装置１２から燃料電池１１への電流の逆流が防止されている。

【００１９】
燃料電池制御部３２は、例えばエアーコンプレッサー１５等の燃料電池駆動用補機類に対して駆動指令として回転数指令値Ｎを出力すると共に、一次及び二次プリチャージ部１６，１７の動作を制御しており、一次プリチャージ部１６の高圧開閉器１６ａ及び電流制限器１６ｂに具備された各リレーの接点の動作を制御し、さらに、二次プリチャージ部１７のＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａに対してスイッチング指令として電流指令値ＩＦＣＣＭＤを出力し、ＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａをチョッピング制御する。
このため、燃料電池制御部３２には、例えばモータＥＣＵ３１から出力される走行用モータ１３に対する出力要求値＊Ｐ及び走行用モータ１３からの出力値Ｐに関する信号と、制御部２３から出力されるエアーコンプレッサー１５を駆動するモータのモータ電流Ｉｓ／ｃの信号と、二次プリチャージ部１７から出力される燃料電池１１の出力電流Ｉｆｃ及び出力電圧Ｖｆｃの信号、及び、二次プリチャージ部１７のＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａから出力される直流電圧Ｖｄｃ−ｏｕｔの信号と、一次プリチャージ部１６と二次プリチャージ部１７との間に配置された電流検出器３６から出力される電流値Ｉｏｕｔ−Ｔｏｔａｌの信号とが入力されている。

【００２４】
次に、ステップＳ０２においては、モータ電圧Ｖ_ＭＯＴと端子間電圧Ｖｓｔとがほぼ平衡状態に到達した状態、つまりＶ_ＭＯＴ≒Ｖｓｔとなった状態で、高圧開閉器１６ａの各リレーの接点を作動させる。
そして、ステップＳ０３においては、電流制限器１６ｂの各リレーの接点を解放する。これにより、蓄電装置１２から出力された電流は高圧開閉器１６ａを介して出力され、例えばＶ_ＭＯＴ≒Ｖｓｔ≠Ｖｆｃとなる。

【００２８】
すなわち、例えば図５に示すように、二次プリチャージ部１７のＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａにより燃料電池１１の出力電流Ｉｆｃを制御する場合には、ＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａに入力されるスイッチング指令のデューティー（つまりオン／オフの比率）を変化させることで、ＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａをチョッピング制御し、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃと、蓄電装置１２の端子間電圧Ｖｓｔとが平衡電圧（Ｖ_ＭＯＴ≒Ｖｓｔ≒Ｖｆｃ）に到達するまでに要する時間を調整することができる。

【００３０】
しかも、二次プリチャージ部１７においてＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａを用いることで、チョッピング動作の制御（チョッピング制御）用に入力されるパルス電流のデューティー（つまりオン／オフの比率）を変化させることで容易に出力電流Ｉｆｃを制御することができ、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃが低下しすぎることを防止しながら、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃ及び蓄電装置１２の端子間電圧Ｖｓｔが平衡電圧に到達するまでの時間を短縮することができる。
また、燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃ及び蓄電装置１２の端子間電圧Ｖｓｔの電圧差が大きな場合であっても、二次プリチャージ部１７としてＤＣ−ＤＣチョッパ１７ａにより電流制限を行うことで、一次プリチャージ部１６のような接点方式のスイッチ等により出力経路を切り替えて抵抗器１６ｃを介して電流を出力する場合に比べて、より一層、不具合が発生することを防止することができる。

【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の起動制御装置によれば、燃料電池の起動時に出力電流を制限する電流制限手段を備えたことで、燃料電池の端子間電圧が急激に低下することを防止することができる。
すなわち燃料電池の駆動用にエネルギーが消費されて端子間電圧が低下したキャパシタに対して、燃料電池から急激に大きな電流が流入することを防止することができる。そして、制限された出力電流により徐々にキャパシタが充電されながら、キャパシタの端子間電圧と燃料電池の端子間電圧とが互いに平衡電圧に移行するため、例えば燃料電池の端子間電圧が所定電圧を超えて低下しすぎることで、燃料電池の固体高分子電解質膜内の水素や水分が蒸発してしまったり、燃料電池の耐久性能が低下してしまうことを防止して、燃料電池の寿命の延命化に資することができる。
また、請求項２に記載の本発明の燃料電池電源システムによれば、スイッチング手段としてのＤＣ−ＤＣチョッパ等をチョッピング制御することにより、キャパシタに対して燃料電池から急激に大きな電流が流入することを防止することができる。
また、請求項３に記載の本発明の燃料電池電源システムによれば、接続手段としてのＤＣ−ＤＣチョッパや抵抗器を具備する接点方式のスイッチ等の接続状態を制御することにより、キャパシタに対して燃料電池から急激に大きな電流が流入することを防止することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池電源システムによれば、燃料電池の両端電圧が所定電圧を超えて低下しすぎることを防止して、燃料電池の寿命の延命化に資することができる。

Claims

負荷へ電力を供給する燃料電池と、前記負荷への電力供給を補助するキャパシタと、前記燃料電池へ反応ガスを供給して前記燃料電池を機能させる燃料電池駆動手段と、前記燃料電池の出力電流を制限する電流制限手段とを備えた燃料電池車両の起動制御装置において、
前記燃料電池の起動時に、前記キャパシタは前記燃料電池駆動手段へ電力を供給し、前記電流制限手段は前記燃料電池の出力電圧が所定電圧に到達するまで電流出力を禁止し、
前記出力電圧が所定電圧以上に上昇後、前記電流制限手段は、前記燃料電池の前記出力電圧と前記キャパシタの端子間電圧との電圧差が所定電圧差に到達するまで前記出力電流を所定の電流値以下に制限することを特徴とする燃料電池車両の起動制御装置。
負荷へ電力を供給する燃料電池と、
前記負荷への電力供給を補助するキャパシタと、
前記燃料電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記燃料電池の出力側と前記キャパシタとを遮断または接続するスイッチング手段とを備える燃料電池電源システムであって、
前記スイッチング手段を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池と前記キャパシタとを接続するときに、前記キャパシタの両端電圧と前記燃料電池の両端電圧との差が所定値以上である場合に、前記スイッチング手段をチョッピング制御することを特徴とする燃料電池電源システム。
負荷へ電力を供給する燃料電池と、
前記負荷への電力供給を補助するキャパシタと、
前記燃料電池と前記キャパシタとの間に設けられ、前記燃料電池の出力側と前記キャパシタとを接続する接続手段とを備える燃料電池電源システムであって、
前記接続手段の接続状態を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池と前記キャパシタとを接続するときに、前記キャパシタの両端電圧と前記燃料電池の両端電圧との差が所定値以上である場合に、前記燃料電池から前記キャパシタへ通電される電流の通電量を制限することを特徴とする燃料電池電源システム。
前記制御部は、前記燃料電池が起動した後に前記燃料電池と前記キャパシタとを接続することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池電源システム。