JP2005251674A

JP2005251674A - 燃料電池電源装置

Info

Publication number: JP2005251674A
Application number: JP2004063953A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Han; 雅裕繁
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-03-08
Also published as: JP4501060B2

Abstract

【課題】燃料電池の電圧センサ又は電流センサのうち何れか一方が故障した場合でも燃料電池のＩ−Ｖ特性の推定を可能にするとともに燃料電池の発電制御を可能とする。
【解決手段】本発明の燃料電池電源装置（１０）は、燃料電池（２０）と、燃料電池（２０）の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ（５０）と、燃料電池（２０）の出力電圧及び出力電流を検出する電圧センサ（８１ａ）及び電流センサ（８１ｂ）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ（５０）を制御する制御部（９０）を備える。制御部（９０）は電流センサ（８１ｂ）が故障しているときには、燃料電池（２０）の出力電圧が目標電圧に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ（５０）を制御する。電圧センサ（８１ａ）が故障しているときには、燃料電池（２０）の出力電流が目標電流に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ（５０）を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池電源装置に関し、特に、燃料電池の出力電圧／出力電流を検出するセンサ類の故障に対するフェールセーフ対策技術に関する。

特開２００２−２３１２９５号公報には燃料電池の出力端子に電圧センサ及び電流センサを設置し、これらのセンサ類によって検出した燃料電池の出力電圧及び出力電流と、燃料電池の基本出力特性、セル温度、反応ガス圧等から燃料電池のＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）を推定する技術が開示されている。アクセル開度と車速等から求まる要求電力をＩ−Ｖ特性に基づいてＰ−Ｖ変換（電力−電圧変換）することで、燃料電池の目標電圧を算出できる。燃料電池の出力端子と並列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように燃料電池の運転ポイントを制御すれば、燃料電池から要求電力量を取り出すことができる。
特開２００２−２３１２９５号公報

しかし、この技術では燃料電池の電圧センサ又は電流センサのうち何れか一方が故障すると、燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定することができなくなる。更に、この技術では燃料電池の出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池の出力電圧を電圧センサでモニタしながら出力電圧を制御しているため、電圧センサが故障すると燃料電池の発電制御が不能になる。このため、従来のシステムでは燃料電池の電圧センサ又は電流センサの少なくとも何れか一方が故障した場合にはシステムを停止していた。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池の電圧センサ又は電流センサのうち何れか一方が故障した場合でも、燃料電池のＩ−Ｖ特性の推定を可能にするとともに、燃料電池の発電制御を可能とする燃料電池電源装置を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池電源装置は、反応ガスの供給を受けて電力を発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を調整する電圧制御手段と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように電圧制御手段を制御する制御部と、を備え、制御部は電流センサが故障しているときには燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように電圧制御手段を制御する。電流センサが故障しているときには、要求電力に対応した燃料電池の目標電圧を算出し、電圧センサで燃料電池の出力電圧をモニタしながら燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように制御することで燃料電池の発電制御が可能となる。

ここで、電流センサが故障しているときには、制御部はシステム全体の電力収支から求めた燃料電池の発電量と電圧センサが検出した燃料電池の出力電圧とから燃料電池の出力電流を算出し、燃料電池の出力電圧・出力電流を基に公知の手法を用いて燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定し、このＩ−Ｖ特性を基に要求電力をＰ−Ｖ変換して目標電圧を求め、燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように電圧制御手段を制御するのが望ましい。

本発明の燃料電池電源装置は、反応ガスの供給を受けて電力を発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧を調整する電圧制御手段と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように電圧制御手段を制御する制御部と、を備え、制御部は電圧センサが故障しているときには燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように電圧制御手段を制御する。電圧センサが故障しているときには、要求電力に対応した燃料電池の目標電流を算出し、電流センサで燃料電池の出力電流をモニタしながら燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように制御することで燃料電池の発電制御が可能となる。

ここで、電圧センサが故障しているときには、制御部はシステム全体の電力収支から求めた燃料電池の発電量と電流センサが検出した燃料電池の出力電流とから燃料電池の出力電圧を算出し、燃料電池の出力電圧・出力電流を基に公知の手法を用いて燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定し、このＩ−Ｖ特性を基に要求電力をＰ−Ｉ変換して目標電流を求め、燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように電圧制御手段を制御するのが望ましい。

本発明によれば、電圧センサ又は電流センサの何れか一方が故障した場合でも、システム停止を行うことなく、燃料電池のＩ−Ｖ特性を適正に推定し、燃料電池の発電制御を行える。

図１は本実施形態の燃料電池電源装置のシステム構成を示している。燃料電池電源装置１０は、燃料電池と二次電池を混載したハイブリッドシステム（ＦＣＨＶシステム）として構成されており、燃料電池車両（ＦＣＥＶ）の電力供給装置として機能する。燃料電池電源装置１０は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池２０と、燃料電池２０にて発電された電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電する二次電池（蓄電装置）４０と、燃料電池２０の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、燃料電池２０の出力電圧及び出力電流を検出するセンサ８１と、システム制御を行う制御部９０を備えて構成されている。

燃料電池２０の出力端子には車両走行用のトラクションモータ（三相同期モータ）Ｍに交流電力（三相交流）を供給するインバータ３０が接続されている。インバータ３０は、例えば、６個のパワートランジスタで構成される３相ブリッジ回路を備えており、パワートランジスタのスイッチング作用によって直流電力を交流電力（三相交流）に変換し、トラクションモータＭに供給している。インバータ３０は制御部９０からの要求に応答して三相交流電流の振幅及び周波数を調整し、トラクションモータＭの出力トルク及び回転数を制御する。燃料電池２０の出力端子にはインバータ３０と並列に高圧補機類６０が接続されており、燃料電池２０又は二次電池４０から供給される電力を消費する。

燃料電池２０の出力端子にはＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介して二次電池４０が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御するために燃料電池２０の出力電圧を調整する電圧制御手段として機能する他、燃料電池２０から出力される直流電圧をダウンコンバートして二次電池４０を充電する。二次電池４０はニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成され、低圧補機類の電源供給源として機能する。

制御部９０はアクセルセンサ８５が検出したアクセル開度、車速センサ８６が検出した車速等から燃料電池２０の要求電力量を求め、燃料電池２０に供給すべき反応ガス流量を算出する。制御部９０は燃料電池２０の発電量が要求発電量に一致するように反応ガス供給装置７０を制御して燃料電池２０に供給される反応ガス流量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御して燃料電池２０の運転ポイントを制御する。燃料電池２０の出力電圧と出力電流はセンサ８１によって検出される。センサ８１は燃料電池２０の出力端子に並列接続された電圧センサ８１ａと、当該出力端子に直列接続された電流センサ８１ｂから成る。二次電池４０、インバータ３０、及び高圧補機類６０のそれぞれについても、これらの電圧及び電流を検出するためのセンサ８２，８３，及び８４が設置されている。センサ８１〜８４の出力信号は制御部９０に入力される。

図２は燃料電池２０の発電制御ルーチンを記述したフローチャートである。この制御ルーチンは制御部９０によって繰り返し実行される。制御部９０が実行する主制御プログラムの中でこの制御ルーチンが呼び出されると、制御部９０はアクセル開度、車速等から定まる要求電力を求める（Ｓ１）。この要求電力の内訳は、主に、車両走行に必要な走行電力と、二次電池４０の充放電に必要な充放電電力と、車載補機類で消費される補機類電力である。次いで、制御部９０はセンサ８１が正常であるか否かをチェックする（Ｓ２）。センサ８１が正常である場合には（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部９０はセンサ８１が検出した電圧値と電流値に基づいて燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定し、Ｐ−Ｖ変換マップを参照して要求電力に対応する燃料電池２０の目標電圧を求め、これを電圧指令値としてＤＣ／ＤＣコンバータ５０に送信する（Ｓ３）。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は燃料電池２０の出力電圧が目標電圧に一致するように燃料電池２０の出力電圧を制御する（電圧制御）。

一方、センサ８１に故障がある場合には（Ｓ２；ＮＯ）、電圧センサ８１ａと電流センサ８１ｂの何れか一方、又は両方が故障していることが考えられる。そこで、制御部９０は電圧センサ８１ａが正常であるか否かをチェックする（Ｓ４）。電圧センサ８１ａが正常である場合には（Ｓ４；ＹＥＳ）、電流センサ８１ｂの故障により燃料電池２０の出力電流を直接検出することができない。そこで、制御部９０はシステム全体の電力収支を基に燃料電池２０の発電電力Ｐfcを求める（Ｓ５）。二次電池４０の供給電力をＰbat、インバータ３０の消費電力をＰmot、高圧補機類６０の消費電力をＰauxとすれば、Ｐfc＝Ｐmot＋Ｐaux−Ｐbatの関係が成立する。Ｐmot、Ｐaux、Ｐbatのそれぞれはセンサ８２〜８４が検出した電流と電圧を乗算することで算出できる。制御部９０は電圧センサ８１ａが検出した燃料電池２０の出力電圧をＶfcとして、Ｉfc＝Ｐfc／Ｖfcにより燃料電池２０の出力電流Ｉfcを算出する（Ｓ６）。次いで、ＶfcとＩfcを基に公知の手法で燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定し（Ｓ７）、Ｐ−Ｖ変換マップを参照して要求電力に対応する燃料電池２０の目標電圧を求め（Ｓ８）、これを電圧指令値としてＤＣ／ＤＣコンバータ５０に送信する（Ｓ３）。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は燃料電池２０の出力電圧が目標電圧に一致するように燃料電池２０の出力電圧を制御する（電圧制御）。

尚、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は短い演算周期でデューティを演算しているので、制御対象となる目標電圧にはリアルタイム性が要求される。ところが、システム上、高圧補機類６０等のセンサ８２〜８４はサンプリング周期を短くする必要性がないため、リアルタイム性に欠けており、電力収支から求めた目標電圧もリアルタイム性に欠ける。このようなリアルタイム性に欠ける目標電圧を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御するのは好ましいことではない。しかし、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性は短時間で大きく変わるものではないことが実験的に判明しているので、リアルタイム性に欠く目標電圧を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御しても殆ど問題はない。

電圧センサ８１ａが故障している場合には（Ｓ４；ＮＯ）、制御部９０は電流センサ８１ｂが正常であるか否かをチェックする（Ｓ９）。電流センサ８１ｂが正常である場合には（Ｓ９；ＹＥＳ）、電圧センサ８１ａの故障により燃料電池２０の出力電圧を直接検出することができない。そこで、制御部９０はシステム全体の電力収支を基に燃料電池２０の発電電力Ｐfcを求める（Ｓ１０）。Ｐfcを求める手順は上述した通りである。制御部９０は電流センサ８１ｂが検出した燃料電池２０の出力電流をＩfcとして、Ｖfc＝Ｐfc／Ｉfcにより燃料電池２０の出力電圧Ｖfcを算出する（Ｓ１１）。次いで、ＶfcとＩfcを基に公知の手法で燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定し（Ｓ１２）、Ｐ−Ｉ変換（電力−電流変換）マップを参照して要求電力に対応する燃料電池２０の目標電流を求め（Ｓ１３）、これを電流指令値としてＤＣ／ＤＣコンバータ５０に送信する（Ｓ１４）。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は燃料電池２０の出力電流が目標電流に一致するように燃料電池２０の出力電圧を制御する（電流制御）。

電流センサ８１ｂが故障している場合には（Ｓ９；ＮＯ）、システム全体の電力収支だけでは燃料電池２０の出力電圧・出力電流を求めることができないので、システム異常停止する。

本実施形態によれば、電圧センサ８１ａと電流センサ８１ｂの何れか一方が故障した場合でも、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定することができる。また、電圧センサ８１ａと電流センサ８１ｂのうち何れか一方が故障した場合にＤＣ／ＤＣコンバータ５０の制御対象（電圧制御又は電流制御）を切り替えることで、電圧センサ８１ａと電流センサ８１ｂの何れか一方が故障した場合でも、システム停止することなく燃料電池２０の発電制御が可能になる。

本実施形態の燃料電池電源装置のシステム構成図である。燃料電池の発電制御ルーチンを記述したフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池電源装置２０…燃料電池３０…インバータ４０…二次電池５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ６０…高圧補機７０…反応ガス供給装置８１〜８６…センサ類９０…制御部

Claims

反応ガスの供給を受けて電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧制御手段と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池の出力電圧が目標電圧に一致するように前記電圧制御手段を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記電流センサが故障しているときには前記燃料電池の出力電圧が前記目標電圧に一致するように前記電圧制御手段を制御する、燃料電池電源装置。
請求項１に記載の燃料電池電源装置であって、
前記制御部は前記電流センサが故障しているときにはシステム全体の電力収支から求めた前記燃料電池の発電量と前記電圧センサが検出した前記燃料電池の出力電圧とから前記燃料電池の出力電流を算出して前記燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定し、前記Ｉ−Ｖ特性を基に前記燃料電池の目標電圧を求め、前記燃料電池の出力電圧が前記目標電圧に一致するように前記電圧制御手段を制御する、燃料電池電源装置。
反応ガスの供給を受けて電力を発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧制御手段と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
前記燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように前記電圧制御手段を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記電圧センサが故障しているときには前記燃料電池の出力電流が目標電流に一致するように前記電圧制御手段を制御する、燃料電池電源装置。
請求項３に記載の燃料電池電源装置であって、
前記制御部は前記電圧センサが故障しているときにはシステム全体の電力収支から求めた前記燃料電池の発電量と前記電流センサが検出した前記燃料電池の出力電流とから前記燃料電池の出力電圧を算出して前記燃料電池のＩ−Ｖ特性を推定し、前記Ｉ−Ｖ特性を基に前記燃料電池の目標電流を求め、前記燃料電池の出力電流が前記目標電流に一致するように前記電圧制御手段を制御する、燃料電池電源装置。