JP2005190775A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池からの電力供給が減少した場合に、二次電池を保護する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２と共にモータ１に電力を供給する二次電池３と、燃料電池２と二次電池３から電力を供給され、主に燃料電池２から供給される電力で駆動するモータ１と、二次電池３の放電電流を検出する電流センサ１２を備える。そして、燃料電池２からの電力供給が減少し、二次電池３からの電力供給が増加した場合に、二次電池３の電流値、または電流変化量がそれぞれある閾値を超えるとモータ１に与えるトルクを制限し、二次電池３から大電流が放電されることを防ぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに異常が生じた場合の二次電池保護に関するものである。

従来、燃料電池システムにおいて出力手段として燃料電池と蓄電池と、電力を平準化するＤＣ−ＤＣコンバータを備え、更に燃料電池に過大な負荷電流が要求された場合に燃料電池の劣化を防止するために急激に出力を低下させるものが、特許文献１に開示されている。
特開平９−１７１８３１号公報

しかし、例えば燃料電池自動車に上記の発明の燃料電池システムを搭載した場合では、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに異常が生じた場合など、燃料電池からの電力供給が減少、または停止した場合に、蓄電池から電力供給することになる。しかし、通常の走行では例えばモータが要求する出力のほとんどを、燃料電池から供給しており、蓄電池はその補助的な役割として車両に搭載されている。さらに車両の小型化などによる搭載スペースの制限により、大容量の蓄電池は搭載されていない場合が多い。そのため蓄電池の容量を超える電力供給を要求され、蓄電池からの電力変化量が急激に増大し、大電流が放電されると蓄電池が劣化するといった問題点がある。

このような問題を解決する方法として、蓄電池から大電流が放電される場合に蓄電池を保護するためにヒューズを設け、大電流が流れた場合にヒューズを溶断し、蓄電池を保護することが考えられる。また、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの異常を検知する装置を備えるなど、燃料電池からの出力供給低下、もしくは停止を検知すると、駆動モータのトルクを制限し、蓄電池に要求される電力供給変化量を減少させ、蓄電池から大電流が放電されないようにすることが考えられる。

しかし、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの異常を検知し、その後駆動モータのトルクを制御する方法では、ＤＣ−ＤＣコンバータの異常を検知し、蓄電池に要求される電力供給を減少させるまでに数十ｍｓの遅れがあり、蓄電池に要求される電力供給を減少させ、放電電流を減少させるまでに蓄電池から大電流が流れ、ヒューズを備えていない場合では蓄電池を劣化させる可能性がある。また、ヒューズを備えた場合ではヒューズを溶断し、モータへの出力がなくなり車両が停止する可能性がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに異常が生じ、燃料電池からの電力供給が低下した場合にも、蓄電池を劣化させることがなく、さらに車両を停止させる可能性を低減することを目的とする。

本発明では、燃料電池と、燃料電池によって発電された電力を消費する電力消費手段と、燃料電池と並列に接続され、燃料電池と共に電力消費手段に電力を供給する二次電池と、主に燃料電池からモータに電力を供給し、その不足分を二次電池から供給する電力供給手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、二次電池の放電電流を検出する電流検出手段を備える。そして、燃料電池からの電力供給が低下し、二次電池からの電力供給が増加した場合に、二次電池の放電電流、電力変化量を検出し、その値が閾値を超えると、電力消費手段の電力消費を制限する。

本発明によると、二次電池からの放電電流、または時間あたりの電力変化量を検出し、その値が閾値を超えると、モータなどのトルクを制限することで、例えば燃料電池から供給される電力の電圧を調整するＤＣ−ＤＣコンバータに異常が生じた場合など、燃料電池からの電力供給が低下する原因となった箇所の異常を検知した後に、モータなどのトルクを制限し、二次電池から大電流が放電されることを防ぐ場合と比較して、モータなどのトルク制限を素早く行うことができる。これにより、二次電池から放電される放電電流を抑えることができ、二次電池に劣化を防ぐことができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１のブロック図を用いて説明する。なお、この実施形態では燃料電池システムを燃料電池自動車に適用する。

この実施形態は、車両を駆動させる交流電動機のモータ１と、水素と酸素の化学反応によって発電し、モータ１に電力を供給する燃料電池２と、燃料電池２と並列に設けられ、燃料電池２と共にモータ１に電力を供給する二次電池３を備える。なお、モータ１は主に燃料電池２からの電力によって駆動し、二次電池３は燃料電池２からモータ１への電力供給を補助する電力供給源である。モータ１と燃料電池２、二次電池３の間には直流から交流、または交流から直流へ電力変換可能なインバータ４を備える。また、燃料電池２とインバータ４の間には、直流と直流間で電圧の調整を行うＤＣ−ＤＣコンバータ５を備え、二次電池３とインバータ４の間には、二次電池３を保護する安全器６を備える。

インバータ４は、モータ１の力行走行時に燃料電池２または、二次電池３から供給される直流電力を交流電力へ変換し、回生時にはモータ１から供給される交流電力を直流電力へ変換する。

二次電池３は、燃料電池自動車の起動時、もしくはモータ１に要求される出力に燃料電池２の電力供給応答が遅れた場合などに、要求された電力供給を満たすために電力を供給し、回生時には、モータ１、インバータ４を介して得られた回生エネルギーを蓄える。また、二次電池３は補機などの電力供給装置としても使用される。なお、二次電池３の残存容量はバッテリセンサ９によって検出される。

安全器６は、二次電池３とインバータ４間を接続、遮断し、二次電池３からモータ１への電力供給の有無を切り換えるリレー装置１０と、二次電池３に容量以上の電流が流れた場合に溶断し、二次電池３を保護するためにモータ１との電気的な接続を遮断するヒューズ１１を備える。また、電流を検出する電流検出手段である電流センサ１２を備える。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常を検知した場合に、車内パネルなどに警告灯を表示させ、アクセル開度などからモータ１の駆動に必要なトルクを算出し、指令トルクを出力する車両制御コントロールユニット８を備え、指令トルクに基づいてモータ１を駆動させる電流を演算し制御する、また二次電池３から流れる電流変化量を算出するモータコントロールユニット７を備える。

次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が生じ、燃料電池２からの電力供給が減少した場合の車両制御コントロールユニット８、またはモータコントロールユニット７によるこの実施形態の制御動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ２０１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が発生し、燃料電池２からの電力供給が減少、もしくは停止する。そして、その減少した電力供給を補うために、二次電池３から電力が供給される（電力供給制御手段）。このときモータ１に必要な出力が大きい場合には、燃料電池３からの電力供給が急激に減少、もしくは停止すると、二次電池３が供給する電力は、急激に上昇することになり、二次電池３から大電流が放電されることになる。そのため、二次電池３の急激な電力供給量上昇は、二次電池３に過大な電気的負荷を与え、二次電池３を劣化させる可能性がある。また二次電池３から大電流が放電されないようにヒューズ１１を設けているが、二次電池３に容量以上の電流が流れるとヒューズ１１が溶断し、二次電池３からの電力供給も停止してしまうので、車両を走行させることができなくなる。

ステップＳ２０２では、電流センサ１２によって、二次電池３の電流を検出し、モータコントロールユニット７において、単位時間あたりの電流変化量を演算し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常を検出する。

ここで電流変化量によるＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常検出方法について、図３を用いて説明する。時間ｔ１において電流センサ１２で検出される二次電池３の電流をＩ１とし、同様にｔ２においてＩ２とする。このとき、時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１における電流の変化量ΔＩ＝Ｉ２−Ｉ１を算出し、単位時間あたりの電流変化量ΔＩ／Δｔを算出する。そして、Ｉ２が閾値である電流Ｉｅを超え、またはΔＩ／Δｔが閾値である変化量ΔＩｅを超えている場合は、二次電池３に過大な電気的負荷がかかり二次電池３の劣化、もしくはヒューズ１１を溶断する可能性があると判断しステップＳ２０３へ進み、超えていない場合はステップＳ２０４へ進む。ここでＩｅは、ヒューズ１１を溶断しないための上限電流値であり、ΔＩｅは二次電池３を劣化させない上限電流変化量である。なお、Ｉｅはヒューズ１１が溶断する許容電流ＩＬよりも低く設定される（ステップＳ２０２が放電電流変化を検出する手段を構成する）。

ステップＳ２０３では、二次電池３の電流Ｉ２、または電流変化量ΔＩ／Δｔが上限電流値Ｉｅもしくは上限電流変化量ΔＩｅを超えているので、モータコントロールユニット７から車両制御コントロールユニット８に緊急制御を通知する。そして車内パネルなどに設けた図示しない緊急制御警告灯と、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータ異常警告灯を点灯させる。

一方、ステップＳ２０４では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が生じている場合でも、モータ１に要求されている出力が小さく、二次電池３による電力供給を行うことができるので、緊急制御は行わず、通常走行を行う。

ステップＳ２０５では、モータコントロールユニット７においてＤＣ−ＤＣコンバータ５異常発生時にヒューズ１１を溶断せず、さらに二次電池３を劣化させずに駆動させるモータ１の制限トルクＴを次式：
Ｉｅ×Ｖ×η＝Ｔ×ω×α
によって演算する。ここで、Ｖ：インバータ４の入力電圧、η：モータ１、インバータ４の総合効率、ω：モータ１回転数、α：定数である。これにより、ヒューズ１１を溶断しない電流Ｉｅとインバータ４の入力電圧で決まる電力で現在のモータ１の回転数を維持することのできる制限トルクＴを演算し、モータのトルクを制限トルクＴに設定することによって、二次電池３を保護するためのヒューズ１１を溶断させずに車両を走行させることができ、二次電池３を劣化させずに走行することができる。なお、Ｖは図示しない電圧計によって検出し、ηはモータコントロールユニット７に記憶されている図４に示すマップから読み出すものとする。

ここで、制限トルクについて例を挙げて説明する。通常時にモータ１が回転数３０００ｒｐｍで回転し、車両制御コントロールユニット８による指令トルクが１００Ｎ・ｍで運転しているとする。またηが７５％であるとし、インバータ４の入力電圧が３００Ｖ、定数αを０．１０４７とするとインバータ４の入力電流は１４０Ａとなる。この入力電流を燃料電池２から供給している。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が発生した場合には、二次電池３の上限電流値Ｉｅが５０Ａであるとすると、この５０Ａでモータ回転数を３０００ｒｐｍに維持する実現可能な制限トルクＴを演算すると、５０Ａ＞（制限トルクＴ／η）×３０００×０．１０４７／３００を満たす制限トルクＴとモータ１、インバータ４効率ηの組み合わせを図４のマップを使用し、算出し、その中から制限トルクＴの一番高い値に設定する。

ステップＳ２０６では、モータ１のトルクを制限トルクに変化させるが、急激に変化させずに図５に示すようにある所定量で段階的に、例えば１０段階ステップでトルクを徐々に変化させる（絞る）。このようにすることで、トルクが急激に失われないようにし、その衝撃による車両の搭乗者の安全を確保することができる。なお１ステップあたりの絞り量である所定量は、許容電流ＩＬと電流Ｉ２と電流変化量ΔＩ／Δｔの関係から決定され、Ｉ２が大きく、ΔＩ／Δｔが大きい場合は絞り量は大きくなる（ステップＳ２０５、Ｓ２０６が電力消費制御手段を構成する）。

ステップＳ２０７では、アクセル開度に基づいた車両制御コントロールユニット８からの指令トルクを検出し、制限トルクと比較する。そして、指令トルクが制限トルクよりも小さい場合は、ステップＳ２０８へ進み、指令トルクが制限トルクよりも大きい場合は、ステップＳ２１０へ進む。

ステップＳ２０８では、運転者が警告灯に気付きアクセル開度を緩めた場合など、指令トルクが制限トルクよりも小さくなると、緊急モードを解除する。そしてモータコントロールユニット７は車両制御コントロールユニット８に緊急モード解除を通知し、緊急制御警告灯を消灯する。なお、運転者にはＤＣ−ＤＣコンバータ５が異常となっていることを知らせておくためにＤＣ−ＤＣコンバータ異常警告灯は点灯させたままにする。

その後、ステップＳ２０９において、車両を制限トルクの範囲内で走行させる。

一方、ステップＳ２１０では、バッテリセンサ９によって二次電池３の容量を検出し、二次電池３の容量が不足していないかどうか判断する。そして、容量が不足していない場合には、ステップＳ２０７へ戻り、指令トルクが制限トルクよりも小さくなるまで、上記制御を繰り返す。また、二次電池３の容量が不足するとステップＳ２１１へ進む。

ステップＳ２１１では、二次電池３の容量が不足し、車両を走行させることができないので、システムを停止させる。このとき車内パネルのシステム停止警告灯を点灯させ、運転者にシステムの停止を告知する。

なお、ここではＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が生じた場合について説明したが、本発明は例えば燃料電池２の異常、または断線などによる燃料電池２からの電力供給が低下、または停止した場合などにも使用することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

ここで、本発明を用いない場合のＤＣ−ＤＣコンバータ異常検出について図６を用いて説明する。

本発明を用いない場合では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が発生し、燃料電池２からの電力供給が低下すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ５から車両制御コントロールユニット８にＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常を通知する。その後、車両制御コントロールユニット８からモータコントロールユニット７へ、二次電池３から大電流が放電されないようにモータ１のトルクを制御トルクへ制御する指令を通知する。

これによって、モータ１のトルクを制御トルクへ制御するが、このときＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が発生し、異常を車両制御コントロールユニット８、モータコントロールユニット７へ通知し、モータ１のトルクを制御するためにタイムラグが生じ、その間に二次電池３からの電力供給が急激に増加し、大電流が放出される可能性があり、二次電池３の劣化、またはヒューズ１１の溶断による電力供給の停止を招く可能性がある。

本発明では、安全器６内に二次電池３の電流を電流センサ１２によって検出し、また、時間あたりの電流変化量を算出し、二次電池３から放出される電流と電流変化量がある閾値を超えると、二次電池３を劣化、またはヒューズ１１を溶断しないようにモータ１のトルクを制限する。そのため、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が発生し、燃料電池２からの電力供給が減少し、モータ１の出力を満たすために二次電池３からの電力供給が急激に増加した場合に、素早くモータ１のトルクを制限し、二次電池３から電力供給を抑えることができ、二次電池３の劣化、またはヒューズ１１の溶断によって電力供給停止し、車両が走行不能になることを防ぐことができる。

また、トルクを制限する際に一度に絞るのではなく、段階的にトルクを絞るので、車両に大きな衝撃を与えることを防ぐことができ、搭乗者の安全を確保することができる。

次に本発明の第２実形態について図７を用いて説明する。この実施形態は安全器６内に二次電池３の電圧を検出する電圧センサ１３を備える。その他の構成については図１と同じである。また、車両制御コントロールユニット８、モータコントロールユニット７による制御動作については、第１実施形態のＳ２０２のＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常検出方法のみが異なっているので、ここでの説明は省略する。ここではステップＳ２０２のＤＣ−ＤＣコンバータ５の異常検出方法を図８を用いて説明する。

ステップＳ２０２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５に異常が生じると、二次電池３からの電力供給が増大するために二次電池３の電圧降下が通常時と比較して急激に降下することになる。時間ｔ１における電圧センサ１３による二次電池３の電圧をＶ１とし、同様にｔ２においてＶ２とする。このとき、時間Δｔ＝ｔ２−ｔ１における電圧の変化量ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２を算出し、更に単位時間あたりの電圧変化量ΔＶ／Δｔを算出する。ステップＳ２０２では、Ｉ２が閾値である電流Ｉｅを超え、またはΔＶ／Δｔが閾値である変化量ΔＶｅを超えている場合は、二次電池３に過大な電気的負荷がかかり二次電池３の劣化、もしくはヒューズ１１を溶断する可能性があると判断しステップＳ２０３へ進み、超えていない場合はステップＳ２０４へ進む。ここでＩｅは、ヒューズ１１を溶断しないための上限電流値であり、ΔＶｅは二次電池３を劣化させない上限電圧変化量である。なお、Ｉｅはヒューズ１１が溶断する許容電流ＩＬよりも低く設定される。

この制御によっても第１実施形態と同じ効果を得ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池と二次電池を備えた燃料電池システムについて、利用することができる。

本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の燃料電池からの電力供給異常時を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の二次電池の電流、及び電流変化量を示すグラフである。 本発明のモータ回転数とトルクと効率の関係を示す図である。 本発明のトルク制御を示すグラフである。 本発明を用いない場合の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の二次電池の電流、及び電圧変化量を示すグラフである。

符号の説明

１ モータ
２ 燃料電池
３ 二次電池
４ インバータ
５ ＤＣ−ＤＣコンバータ
７ モータコントロールユニット
８ 車両制御コントロールユニット
１１ ヒューズ
１２ 電流センサ（電流検出手段）
１３ 電圧センサ（電圧検出手段）

Claims (6)

1. 水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池によって発電された電力によって駆動するモータと、
   前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池と共に前記モータに電力を供給する二次電池と、
   前記モータを駆動するために必要な電力を前記燃料電池から供給し、前記燃料電池からの供給が不足する電力を前記二次電池から供給する電力供給制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記二次電池の放電電流を検出する電流検出手段と、
   前記燃料電池から前記モータへの電力供給が低下し、前記二次電池からの電力供給が増加した場合に、前記二次電池の前記放電電流、または放電に伴う電力変化量がそれぞれ閾値を超えると、前記モータによる電力消費を制限する電力消費制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記閾値は、前記二次電池を劣化させない上限の電流値、または電力変化量であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記電力変化量を検出するために、単位時間あたりの前記放電電流変化を検出する手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電力変化量を検出するために、単位時間あたりの前記燃料電池の電圧変化を検出する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記電力消費制御手段は、前記電力消費量を所定量で段階的に抑制することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記所定量は、前記放電電流が大きい、または前記電力変化量が大きい場合に多くなることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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