JP2005197030A - 電流センサ補正機能を備えた燃料電池システム - Google Patents

電流センサ補正機能を備えた燃料電池システム Download PDF

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Abstract

【課題】 燃料電池電流の０点補正をシンプルな構成で確実に達成することの可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 負荷６０に接続され電力を供給する燃料電池４０と、前記燃料電池と前記負荷との間に接続され前記負荷の両端電圧を制御する電圧調整装置３０と、前記燃料電池と前記負荷との間であって前記電圧調整装置との接続部より前記燃料電池側に接続され燃料電池電流の逆流を防止する整流器４２と、燃料電池電流を検知する電流センサ４１と、を備えている。この燃料電池システムは、前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を上昇させた後の前記電流センサの出力を検知し、この検知された電流センサの出力を基準として、電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池の電流センサ出力をもとに、燃料電池電流を正確に検出するための補正機能を備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。燃料電池単体では負荷変動への対処が困難な場合があるので、燃料電池と他の電源とを組み合わせてハイブリッド電源システムを構成することが知られている。
例えば特開２００２−１１８９７９号公報には、燃料電池とバッテリとを並列に接続して電源を構成し、燃料電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換してバッテリへの充電もできるようにすることが記載されている。この燃料電池には、バッテリからの電流又は負荷にて回生発電された電流が燃料電池に逆流するのを防止するダイオードが接続されている。
また、特開２００３−１９７２２９号公報には、燃料電池への逆流を防止するダイオードの他に、燃料電池とその他の機器との接続を遮断するスイッチを備えることが記載されている。このスイッチを開放することにより、低負荷時に燃料電池をその他の機器から遮断してシステムの効率を向上することができる。
特開２００２−１１８９７９号公報 特開２００３−１９７２２９号公報
しかしながら、上記特開２００２−１１８９７９号公報の構成では、燃料電池電圧を発電停止電圧に制御しても、燃料電池電流が厳密には０にならないことがある。燃料電池電流が０にならないと、燃料電池電流センサの０点補正が正確にできず、燃料電池電流の計測が正確にできなくなる。燃料電池の発電停止電圧は、システムの耐圧設計の観点から、容易に変更することは困難であるから、燃料電池の発電停止電圧を燃料電池の開放電圧と同一にすることも困難である。
また、上記特開２００２−１１８９７９号公報のようにスイッチにより電源配線から燃料電池を遮断してしまえば燃料電池電流の０点が得られるが、再接続時の電圧差による問題を解決するために別途の構成が必要になってしまう。
本発明は、燃料電池電流の０点補正をシンプルな構成で確実に達成することの可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、負荷に接続され電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷との間に接続され前記負荷の両端電圧を制御する電圧調整装置と、前記燃料電池と前記負荷との間であって前記電圧調整装置との接続部より前記燃料電池側に接続され燃料電池電流の逆流を防止する整流器と、燃料電池電流を検知する電流センサと、を備えている。この燃料電池システムは、前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を上昇させた後の前記電流センサの出力を検知し、この検知された電流センサの出力を基準として、電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を決定する。
これによれば、負荷電圧の上昇に伴い、燃料電池電圧も上昇するが、容量成分があるため負荷電圧の上昇より遅れて燃料電池電圧が上昇する。この時、負荷電圧が燃料電池電圧より高くても、整流器があるため負荷から燃料電池への電流が流れないので、燃料電池電流が０となる。この時の電流センサ出力を基準として燃料電池電流の補正値を決定することにより、燃料電池電流の正確な補正が可能となる。
上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整装置による前記負荷の両端電圧の上昇は、前記燃料電池の発電停止電圧から一旦下降させた後に行うことが望ましい。燃料電池を発電停止電圧としてから一定期間電圧を下げることで、燃料電池電流が０の状態を作りやすくすることができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を前記燃料電池の発電停止電圧から一旦下降させてから上昇させるまでの時間は、５０ミリ秒以上であることが好ましい。負荷電圧を急激に下降させると燃料電池電流が一旦上昇するが、５０ミリ秒以上あれば十分に減衰させることができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整装置による前記負荷の両端電圧の上昇は、前記燃料電池の発電停止電圧まで上昇させることが好ましい。これにより、燃料電池電流が０の期間を長くとることができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を上昇させた後の一定期間における電流センサの出力の平均値を基準として、前記補正値を決定することが好ましい。
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の両端電圧と前記負荷の両端電圧とを比較する電圧比較手段を更に備え、前記燃料電池の両端電圧が前記負荷の両端電圧より低い期間における前記電流センサの出力を基準として、電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を決定することが好ましい。これにより、燃料電池電流が０の状態を確実に判別することができる。
上記燃料電池システムにおいて、前記電圧調整装置は、直流電圧変換器よりなり、該直流電圧変換器にはバッテリが接続されていることが好ましい。ハイブリッド電源システムで通常用いられる直流電圧変換器で電圧を調整するので、特別な構成が不要で簡略なシステムとすることができる。
本発明によれば、燃料電池電流の０点補正をシンプルな構成で確実に達成することの可能な燃料電池システムを提供することができる。
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燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池４０及びバッテリ２０が並列に接続されて電源を構成し、負荷であるトラクションインバータ６０及び高圧補機５０に接続されて直流電力を供給する。
電源の燃料電池４０側には燃料電池電流センサ４１、逆流防止ダイオード４２、燃料電池電圧センサ４３、インバータ電圧センサ４４がそれぞれ設けられている。燃料電池電流センサ４１は電磁力を用いたものなど任意のものを採用することができる。逆流防止ダイオード４２は本発明の整流器に相当する。燃料電池電圧センサ４３は燃料電池の電圧を検知するものであり、インバータ電圧センサ４４は負荷の電圧を検知するものである。燃料電池４０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。
電源のバッテリ２０側には、電圧調整装置である高圧コンバータ３０が接続されている。高圧コンバータ３０は直流電圧変換器であり、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を調整してインバータ６０側に出力する機能、燃料電池４０又はモータ６１から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ２０に供給する機能を有している。高圧コンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。また、高圧コンバータ３０により、トラクションインバータ６０への入力電圧が決定される。そして、燃料電池電圧もこれに追随する。なお、バッテリ２０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。
負荷であるトラクションインバータ６０には、車輪などの駆動部に連結された同期モータ６１が接続されている。トラクションインバータ６０では、電源からの直流を三相交流に変換して同期モータ６１に供給する。高圧補機５０は、高圧直流電源を必要とするあらゆる機器であり、例えばエアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水ポンプ、エアコンなどが該当する。
＜２．燃料電池の特性＞
図２は、燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。一般的に燃料電池は、電流が増大すると電圧が低下する傾向にある。特に、燃料電池電流が小さくなり０に達したときの燃料電池電圧は開放電圧（ＯＣＶ）と言われ、出力特性中の最大値となる。燃料電池の発電制御は、この特性を利用し、予め設定した発電停止電圧にまで燃料電池電圧を上昇させ、開放電圧に近づけることで発電を停止させる。この燃料電池電圧の上昇は、高圧コンバータ３０によって行うことができる。
しかし、予め設定した発電停止電圧より開放電圧が高い場合には、燃料電池電流が完全には０にならない。従って、燃料電池電流の０点学習をするために、本実施形態では以下の方法をとっている。
＜３．補正方法＞
図３は、燃料電池電流の０点を検知し電流センサ出力の補正値を算出するための電圧制御フローを示す図である。符号Ｓ１〜Ｓ７は、後述の図４のＳ１〜Ｓ７の処理タイミングに相当する。
Ｓ１、Ｓ２において、高圧コンバータ３０によってインバータ電圧と燃料電池電圧を発電停止電圧に制御しているとき、燃料電池４０には僅かに電流が流れている。
Ｓ３、Ｓ４において、高圧コンバータ３０によってインバータ電圧を一旦下降させると、燃料電池電圧は直ちにこれに追随する。このとき、燃料電池４０にコンデンサ成分があるので燃料電池４０から比較的大きな電流パルスが流れるが、この電流パルスも短時間に減衰し一定値に収束する。収束後の電流値は、電圧を下降させた後の燃料電池電圧と、図２の電流−電圧特性とにより定まる値であり、発電停止電圧時の電流より僅かに大きい値となる。電圧を下げている期間は任意であるが、上記電流パルスの減衰が十分になされるための時間として、例えば５０ミリ秒以上が好ましい。なお、この時間は、スタックの材質、枚数など、種々の条件により変更可能である。
次にＳ５において、高圧コンバータ３０によってインバータ電圧を再度上昇させる。こうすると、インバータ電圧は即座に上昇するが、燃料電池４０にはコンデンサ成分があるので燃料電池電圧は即座にインバータ電圧と同一にはならない。更に、高圧コンバータ３０及びトラクションインバータ６０と、燃料電池４０との間には逆流防止ダイオード４２が設けられているので、インバータ電圧が燃料電池電圧より高い状態となっているにも拘らず燃料電池４０には電流が流れない。従って、燃料電池電流が０となる。
従って、Ｓ６、Ｓ７において、電流センサ４１等の出力を取得する。上記燃料電池電流が０である期間内の電流センサ４１の出力値がＩAである場合、この電流センサ４１は実際の燃料電池電流（０）よりＩAだけ大きい電流値を出力していることになるから、このＩAを補正量とすることができる。そして、通常動作時に電流センサ４１により電流出力Ｉが得られた場合、補正後の燃料電池電流は、Ｉ−ＩAで求めることができる。
高圧コンバータ３０によってインバータ電圧を上昇させても、燃料電池電圧は時定数ＲＣ（Ｒは抵抗値、Ｃは容量値）をもってインバータ電圧に収束する。従って、燃料電池電流が０である期間は長くは続かず、燃料電池電圧がインバータ電圧に達すると燃料電池にも電流が流れ始める。従って、燃料電池電流が０である期間を十分にとるためには、インバータ電圧の上昇時には発電停止電圧まで上昇させることが望ましい。
また、燃料電池電流が０である期間は限られているので、この期間を特定する必要がある。燃料電池電流が０である期間を特定するための方法としては、燃料電池電圧センサ４３とインバータ電圧センサ４４により両者の電圧差を検知し、燃料電池電圧よりインバータ電圧が高かった期間を、燃料電池電流が０である期間とするのが好ましい。その他、燃料電池電流が０である期間を特定するための方法としては、電源回路の抵抗成分Ｒと容量成分Ｃから時定数ＲＣを求める方法、インバータ電圧上昇後の電流センサ４１の出力変化を検出し、一定期間を境に電流センサ４１の出力が上昇したら、上昇前の出力を電流０の出力とする方法などが考えられる。
図４は、上記電圧制御フローを用いた燃料電池電流補正の具体的手順を説明するフローチャートである。この処理は、電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を算出する際に、マイクロコンピュータを用いた図示しない制御ユニットの指令により行われる。
まずステップＳ１において、高圧コンバータ３０に指令を発し、出力電圧を発電停止電圧に制御する。これによりインバータ電圧と燃料電池電圧が発電停止電圧に制御される。そして、ステップＳ２において燃料電池電圧センサ４３とインバータ電圧センサ４４の出力を取得し、燃料電池電圧とインバータ電圧が発電停止電圧で安定するのを待つ。
次に、ステップＳ３において、高圧コンバータ３０に指令を発し、出力電圧を一旦下降させる。これによりインバータ電圧も下降する。ステップＳ４において、一旦下降後所定時間（本実施例では５０ミリ秒以上）が経過したら、ステップＳ５において、再度高圧コンバータ３０に指令を発し、出力電圧を発電停止電圧に制御する。これによりインバータ電圧も発電停止電圧に制御される。
コンバータ３０の出力電圧を発電停止電圧に制御したら、直ちにステップＳ６において、燃料電池の電流センサ４１、燃料電池電圧センサ４３、インバータ電圧センサ４４の出力を取得する。ここでは出力値をそれぞれ例えば１０ミリ秒ごとにサンプリングしてデータを取得する。
次にステップＳ７において、燃料電池電圧センサ４３の出力とインバータ電圧センサ４４の出力とを比較し、燃料電池電圧がインバータ電圧より低いか否かを判定する。燃料電池電圧がインバータ電圧より低い場合は測定を続ける。低くなくなった場合、つまり燃料電池電圧がインバータ電圧と同じかそれ以上となったら、次のステップに進む。
ステップＳ８において、燃料電池電圧がインバータ電圧より低かった期間における電流センサ４１の出力を取り出し、平均値ＩAを算出する。この値ＩAが電流センサ出力の補正値となるので、ステップＳ９において、図示しない記憶装置にＩAを補正値として記憶する。通常運転時の電流センサ４１の出力をＩとすると、補正後の燃料電池電流は、Ｉ−ＩAで算出することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池の発電停止電圧を変更することなく、燃料電池電流が完全に０の状態を作り出すことができ、高精度の電流センサオフセット補正ができる。
また、燃料電池を電気的に切断することなく、燃料電池電流が完全に０の状態を作り出すことができ、高精度の電流センサオフセット補正ができる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。 燃料電池電流の０点を検知し補正値を算出するための電圧制御フローを示す図である。 上記電圧制御フローを用いた燃料電池電流補正の具体的手順を説明するフローチャートである。
符号の説明
２０ バッテリ
３０ 高圧コンバータ（電圧調整装置）
４０ 燃料電池
４１ 電流センサ
４２ 逆流防止ダイオード（整流器）
４３ 燃料電池電圧センサ
４４ インバータ電圧センサ
５０ 高圧補機（負荷）
６０ トラクションインバータ（負荷）
６１ モータ

Claims (7)

  1. 負荷に接続され電力を供給する燃料電池と、
    前記燃料電池と前記負荷との間に接続され前記負荷の両端電圧を制御する電圧調整装置と、
    前記燃料電池と前記負荷との間であって前記電圧調整装置との接続部より前記燃料電池側に接続され燃料電池電流の逆流を防止する整流器と、
    燃料電池電流を検知する電流センサと、を備え、
    前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を上昇させた後の前記電流センサの出力を検知し、
    この検知された電流センサの出力を基準として、前記電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を決定する、燃料電池システム。
  2. 請求項１において、
    前記電圧調整装置による前記負荷の両端電圧の上昇は、前記燃料電池の発電停止電圧から一旦下降させた後に行うことを特徴とする、燃料電池システム。
  3. 請求項２において、
    前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を前記燃料電池の発電停止電圧から一旦下降させてから上昇させるまでの時間は、５０ミリ秒以上であることを特徴とする、燃料電池システム。
  4. 請求項１乃至請求項３において、
    前記電圧調整装置による前記負荷の両端電圧の上昇は、前記燃料電池の発電停止電圧まで上昇させることを特徴とする、燃料電池システム。
  5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
    前記電圧調整装置により前記負荷の両端電圧を上昇させた後の一定期間における電流センサの出力の平均値を基準として、前記補正値を決定する、燃料電池システム。
  6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
    前記燃料電池の両端電圧と前記負荷の両端電圧とを比較する電圧比較手段を更に備え、
    前記燃料電池の両端電圧が前記負荷の両端電圧より低い期間における前記電流センサの出力を基準として、前記電流センサで検知される燃料電池電流の補正値を決定する、燃料電池システム。
  7. 請求項１乃至請求項６の何れか一項において、
    前記電圧調整装置は、直流電圧変換器よりなり、該直流電圧変換器にはバッテリが接続されている、燃料電池システム。
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