JP2007258018A - 燃料電池制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池と負荷とを接続するためのリレーの駆動時に生じるシステムバッテリの電圧低下によって、システムが誤作動することを防止する。
【解決手段】燃料電池制御装置は、燃料電池（１）の出力を、燃料電池（１）または第１のバッテリ（７）の出力を駆動源とする負荷（３）に接続するリレー（２）をオンするに先立って、この燃料電池制御装置に電力を供給する第２のバッテリ（１０）を強制充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池によってモータ等の負荷を駆動する燃料電池システムのための制御装置に関し、特に燃料電池を負荷に接続するに当たってシステムを安定して動作させることが可能な燃料電池制御装置に関する。

一般に、水素と酸素を燃料とする燃料電池は、水素と空気中に含まれる酸素とが電気化学的に反応する場合に発生する電気を利用した発電システムであり、反応生成物として水のみを生成し発電システムとして二酸化炭素を発生しないので、環境保護の面だけでなく発電効率が非常に優れた発電システムを提供する。また、このような燃料電池を車両の駆動源として利用した場合、発電システムとして二酸化炭素および窒素含有ガスを排出しないので、環境にやさしい車両を実現することができる。

車載用の燃料電池システムは、通常、高圧バッテリを備え、燃料電池の起動時はこの高圧バッテリにより水素ポンプ、エアーコンプレッサ等を駆動することによって、燃料電池に発電を開始させる。発電された電力はインバータを介してモータに供給され、車両を駆動する。モータの停止時およびブレーキの作動時には、燃料電池および発電機として動作するモータの出力により高圧バッテリを充電するようにしている。

このような車載用燃料電池システムの基本構造は、例えば特許文献１および２に開示されている。

特開２００４−６３３３８号 特開２００４−３４９１１０号

燃料電池システムでは、通常、燃料電池への水素、空気の供給量が不足していると充分な起電力が発生されない。この状態で燃料電池を負荷に接続すると、燃料電池補機を駆動するための高圧バッテリから燃料電池へ逆電流が流れて燃料電池の電解質膜が損傷される恐れがある。これを防止するために一般の燃料電池システムでは、燃料電池の起動時、大容量の高電圧リレー（以下、ＦＣリレー）を設けて燃料電池を負荷から切り離すようにしている。燃料電池による発電が安定し充分な起電力が得られるようになると、ＦＣリレーをオン制御して燃料電池を負荷に接続する。

この高電圧リレーの容量として、１００ｋＷ程度の燃料電池の場合４００Ａ程度（高電圧側）が必要であり、そのため、高電圧リレーを接続する場合には電圧が１２Ｖの場合で数十Ａの突入電流が流れる。この電流は、その後エコノマイザーにより消費電力が抑制されて低下する。高電圧リレーを駆動するための電力は、通常、車両のＥＣＵ、モータ駆動用インバータ基板、昇圧コンバータ基板などに電力を供給する１２Ｖのバッテリ（以下、システムバッテリ）によって供給される。

したがって、高電圧リレーを接続するために燃料電池システムに瞬間的に大きな電流が流れると、通常１２Ｖであるシステムバッテリの電圧は７〜８Ｖまで低下し、システムが誤作動するようになる。例えば、システムバッテリによって駆動されるＥＣＵ、モータ駆動用インバータ基板、昇圧コンバータ基板などがフェイル信号を出力し、ダイアグ機能（診断機能）が異常を検知して燃料電池システムを停止させる。

このように、従来の燃料電池システムでは、負荷を含むシステム側に燃料電池を接続した瞬間、システムバッテリの電圧が異常低下してシステム全体を停止させる不具合が発生する。

本発明は、従来の燃料電池システムにおける上記のような問題点を解決する目的でなされたもので、システム起動時の誤ダイアグ発生を防止して、燃料電池を安定して動作させることが可能な燃料電池制御装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の燃料電池制御装置は、上記課題を解決するために、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷に接続するリレーをオンするに先立って、当該燃料電池制御装置に電力を供給する第２のバッテリを強制充電するように構成されている。

本発明の第２の燃料電池制御装置は、上記課題を解決するために、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷にリレーを介して接続する場合、前記リレーに含まれる並列接続された複数の小容量リレーを、タイミングをずらせて駆動するように構成されている。

本発明の第３の燃料電池制御装置は、上記課題を解決するために、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷にリレーを介して接続する場合、前記燃料電池に含まれる独立して負荷に接続可能な複数の燃料電池スタックを、それぞれタイミングをずらせて前記負荷に接続するように構成されている。

本発明の第４の燃料電池制御装置は、上記課題を解決するために、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷に接続するためのリレーのオン後、一定時間、当該燃料電池制御装置に電力を供給する第２のバッテリの出力異常を検出する診断機能をマスクするように構成されている。

上記第１の燃料電池制御装置では、リレーを接続するタイミングに先立って第２のバッテリ、即ちシステムバッテリを強制充電し、リレー接続に伴うシステムバッテリの電力消費に備えるようにしている。これによって、リレーを接続して燃料電池をシステム側に接続しても、システムバッテリの電圧異常低下は発生せず、システムのダイアグ機能が誤作動することもないので、燃料電池が安定して起動される。

上記第２の燃料電池制御装置では、複数の小容量リレーを備えたリレーにおいて、それぞれの小容量リレーを、タイミングをずらせて駆動するので、リレー接続に伴う突入電流の最大値が抑えられ、その結果システムバッテリの出力電圧は異常低下しない。これによって、燃料電池をシステム側に接続した場合にシステムのダイアグ機能が誤作動することがなく、燃料電池が安定して起動される。

上記第３の燃料電池制御装置では、個々の燃料電池の負荷への接続をタイミングをずらせて行うことにより、リレーを接続することによって瞬間的に流れる突入電流の最大値が抑えられるので、システムバッテリの瞬間的な電圧低下が生ずることがなく、燃料電池が安定して起動される。

上記第４の燃料電池制御装置では、リレーを接続することによって燃料電池を負荷に接続した場合、リレー接続によって生じた突入電流は、システムに一般的に備えられるエコノマイザーによって短期間のうちに緩和され、それに伴ってシステムバッテリの電圧も通常の状態に復帰する。したがって、リレー接続のタイミングから突入電流が緩和されるために要する時間、例えば５００ｍｓの間システムのダイアグ機能をマスクしておくことにより、例えシステムバッテリの出力電圧が異常低下した場合であっても、システムはそれを異常とは検出しない。その結果、燃料電池が安定して起動される。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１にかかる車載用燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図において、１は燃料電池スタックを示し、複数の燃料電池セルが積層されて高電圧出力を形成するようにされている。２は燃料電池スタック１を燃料電池システムの負荷側に接続するための第１の高電圧リレー（以下、ＦＣリレー）、３は車両を駆動するためのモータであり、インバータ４を介して入力される燃料電池スタック１の出力により回転駆動される。５は第１のＤＣ／ＤＣコンバータ、６は第２の高電圧リレー（以下、バッテリ側リレー）、７は高圧バッテリを示す。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５は、高圧バッテリ７の充電のために燃料電池スタック１の出力を降圧すると共に、高圧バッテリ７からモータ３あるいは後述する高圧補機に電力を供給する場合は、その出力電圧をモータ３等の駆動電圧まで昇圧する働きをする。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５の電圧変換動作は、コンバータ制御ユニット８によって制御される。

ＦＣリレー２は、燃料電池スタック１の出力が安定せず十分な起電力を得られない場合に、高圧バッテリ７から燃料電池スタック１へ電流が逆流することを防止するために設けられているものであり、燃料電池スタック１の出力が安定したことを燃料電池制御ユニット９が判定するとオンとなって、燃料電池スタック１と負荷とを接続する。なお、［発明が解決しようとする課題］の項で述べたように、高圧バッテリ７から燃料電池スタック１への逆電流が発生すると、燃料電池セルを構成する反応膜がダメージを受け、燃料電池の寿命が低下するという不具合がある。

燃料電池システムはさらに、低電圧（例えば１２Ｖ）のシステムバッテリ１０を備えている。システムバッテリ１０は、高圧バッテリ７の出力を第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１で降圧したものにより充電され、各種の制御ユニット、例えば図示するコンバータ制御ユニット８、燃料電池制御ユニット９、モータ駆動インバータ制御ユニット１２および高電圧リレー制御ユニット１３に駆動用の電力を供給する。

１４は、燃料電池システムの高圧補機であって、エアーコンプレッサ１５、水素ポンプ１６およびウォータポンプ１７を含み、燃料電池システムに起動信号が入力されると、バッテリ側リレー６を介して高圧バッテリ７から電力の供給を受けて駆動され、燃料電池スタック１に水素および空気を供給する。このようにして水素および空気が供給されると、燃料電池スタック１は電気化学反応を起こして発電を開始する。ウォータポンプ１７は、電気化学反応に伴う燃料電池スタック１の発熱を冷却するための冷却水を、燃料電池スタック１の周囲に循環させるためのものである。

なお、上記各種の制御ユニット８、９、１２および１３は個々のＥＣＵ（電子制御ユニット）であっても良いが、あるいは、これらのサブＥＣＵとこれを総合して制御するためのメインＥＣＵで構成されていても良い。

図１に示す本発明の実施形態１では、燃料電池制御ユニット９が、燃料電池スタック１が充分な起電力を安定して出力するようになったことを判定すると、ＦＣリレー２を接続して燃料電池スタック１の出力を負荷側に接続するが、この接続に先立って第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を駆動して、システムバッテリ１０を強制充電するようにしている。そのため、ＦＣリレー２の接続のために燃料電池制御ユニット９が瞬間的に大電流を要しても、システムバッテリ１０はシステム駆動のために必要な電圧を維持することができる。

図２は、図１に示す燃料電池システムの動作説明のためのフローチャートである。以下、図２に沿って、図１に示す燃料電池システムの起動処理フローを説明する。

車載用燃料電池システムでは、イグニッションスイッチをオンとすることによって、燃料電池ＥＣＵが燃料電池システムの起動信号を形成する。図２のフローは、この起動信号の形成によってスタート（ステップＳ１）する。ステップＳ２では、燃料電池スタック１と燃料電池システムの負荷側とを接続するＦＣリレー２がオフとされているか否かが判定される。ＦＣリレー２が接続されている場合（ステップＳ２のＮＯ）、ステップＳ３でＦＣリレー２をオフとする。

ステップＳ２でＦＣリレー２がオフであることが確認されると（ステップＳ２のＹＥＳ）、ステップＳ４においてバッテリ側リレー６を接続し、ステップＳ５で第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５を昇圧駆動する。これによって、高圧バッテリ７の出力が高圧補機１４を駆動することができる電圧まで昇圧されるので、ステップＳ６での高圧補機、即ち、エアーコンプレッサ１５、水素ポンプ１６およびウォータポンプ１７の駆動が可能となる。その結果、燃料電池スタック１に空気、水素が供給され、燃料電池スタック１が発電を開始する。

燃料電池制御ユニット９は燃料電池スタック１の出力を監視しており、ステップＳ７においてその出力が充分であるか否かを判定する。出力が充分でない場合（ステップＳ７のＮＯ）は、出力が充分になるまでステップＳ７を繰り返す。ステップＳ７で、燃料電池スタック１の出力が充分であると判断されると（ステップＳ７のＹＥＳ）、ステップＳ８に移動して第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を強制駆動し、システムバッテリ１０を強制充電する。この状態で、ＦＣリレー２をオンし（ステップＳ９）、起動処理を終了する（ステップＳ１０）。

以上の様に、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１が発電を開始し、充分な出力を生成するようになると、燃料電池制御ユニット９が第２のＤＣ／ＤＣコンバータ１１を駆動してシステムバッテリ１０の強制充電を開始し、その後にＦＣリレー２を接続する。そのため、ＦＣリレー２の接続によって瞬間的に大きな電流が消費されても、システムバッテリ１０の電圧が異常低下せず、その結果、燃料電池ＥＣＵが異常を検知してダイアグ機能を誤作動させ、燃料電池システムを停止させるような事態の発生を防止することができる。

［実施形態２]
図３に、本発明の実施形態２にかかる燃料電池システムの構成を示す。なお、図３では本実施形態の特徴的な部分のみを示しており、したがって図示する以外の部分は図１の燃料電池システムと同じか同様の構成を有する。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と燃料電池システムの負荷側２１とを接続するためのＦＣリレー２０を、並列に接続される複数の容量の小さいリレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎで構成し、それぞれの駆動タイミングを微小時間（２０ｍｓ程度）ずらして駆動することを特徴としている。容量の小さいリレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎの合計の容量は、図１のＦＣリレー２と同じである。

なお、燃料電池システムの負荷側２１は、図１のモータ３、インバータ４、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５、高圧補機１４等の、ＦＣリレー２に接続される機器を含み、したがって、燃料電池スタック１をシステムの負荷側２１に接続することは、図１の例ではＦＣリレー２の出力をモータの電源線、即ち、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５とインバータ４間に接続することを意味する。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣリレー２０が並列接続された複数の容量の小さいリレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎで構成されているため、個々のリレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎを接続するために要する電流はその分小さくなる。例えば、ＦＣリレー２０を容量の同じ２個のリレーで構成した場合、それぞれのリレーに流れる電流は図１の場合の１／２となる。そのため、２個の小リレーを、タイミングをずらせて駆動することにより、リレーを駆動するための突入電流の最大値を大幅に抑制することができる。これによって、システムバッテリ１０の電圧がシステム異常と判断される程度に低下することが避けられる。

図４は、図３に示す燃料電池システムの動作フローを示す図である。図２に示す実施形態１の場合と同様に、先ず、燃料電池システムの起動信号の入力によって、起動処理がスタートする（ステップＳ２０）。次に、ステップＳ２１でＦＣリレー２０がオフであること、即ち全ての小容量リレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎがオフであることを確認した後、ステップＳ２２でバッテリ側リレー６をオンとし、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５を駆動して高圧バッテリ７の出力を昇圧し（ステップＳ２３）、高圧補機１４を駆動する（ステップＳ２４）。これによって、燃料電池スタック１に水素および酸素が供給され、燃料電池が発電を開始する。なお、ステップＳ２１でＮＯの場合は、ステップＳ２９でオフでない小容量リレーをオフとする。

次のステップＳ２５で、燃料電池出力は充分か否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ２６に移って小容量リレー２０ａ、２０ｂ・・・２０ｎの時間差を置いた駆動を実行する。次のステップＳ２７で全ての小容量リレーが駆動されたことを確認した後、処理を終了する（ステップＳ２８）。なお、ステップＳ２５で燃料電池出力が充分でない場合は、出力が充分となるまでステップＳ２５を繰り返し、また、ステップＳ２７で駆動されていない小容量リレーの存在が確認されると（ステップＳ２７のＮＯ）、ステップＳ２６以下を再び実行する。

［実施形態３］
図５は、本発明の実施形態３にかかる燃料電池システムの構成を示す図面であって、特に燃料電池スタック３０とシステム側負荷との接続部分を示す。図示する以外の部分の構成は、図１に示す実施形態１の構成と同じか同様であるため、その記載は省略する。本実施形態の燃料電池スタック３０は、複数の燃料電池スタックａ、スタックｂ・・・スタックｎを有し、ＦＣリレー２は、燃料電池スタックａ〜ｎを接続のタイミングをずらしてシステム側負荷に接続する。この構成により、各燃料電池スタックのリレー接続時に発生する突入電流は全ての燃料電池スタックを同時に接続する場合に比べて格段に小さくなり、システムバッテリ１０の電圧異常低下は発生しない。なお、各燃料電池スタックを、ＦＣリレーによりタイミングをずらせてシステムの電源線に接続するために、燃料電池制御ユニット９は各燃料電池スタックの接続のタイミングを制御し監視する機能を有している。

図６は、図５の燃料電池システムを起動する場合の処理フローを示す。図２に示す実施形態１の場合と同様に、先ず、燃料電池システムの起動信号の入力によって、処理をスタートする（ステップＳ３０）。次に、ステップＳ３１でＦＣリレー２がオフであることを確認した後、ステップＳ３２でバッテリ側リレー６をオンとし、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５を昇圧駆動して（ステップＳ３３）、高圧バッテリ７の出力を昇圧して高圧補機１４に給電しこれを駆動する（ステップＳ３４）。これによって、燃料電池スタック３０に水素および酸素が供給され、燃料電池が発電を開始する。なお、ステップＳ３１でＮＯの場合は、ステップＳ３９で、ＦＣリレーをオフとする。

ステップＳ３５で、燃料電池出力は充分か否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ３６に移ってＦＣリレー２による各燃料電池スタックａ〜ｎの時間差接続を実行する。次のステップＳ３７で全ての燃料電池スタックａ〜ｎが駆動されたことを確認した後、処理を終了する（ステップＳ３８）。なお、ステップＳ３５で燃料電池出力が充分でない場合は、出力が充分となるまでステップＳ３５を繰り返し、また、ステップＳ３７で駆動されていない燃料電池スタックの存在が確認されると（ステップＳ３７のＮＯ）、ステップＳ３６以下を再び実行する。

［実施形態４］
図７は、本発明の実施形態４にかかる燃料電池システムの構成を説明するためのフローチャートであり、特に燃料電池システムの起動処理を実行するためのフローを示す。本実施形態の燃料電池システムの特徴は、燃料電池スタックに充分な起電力が生成され、燃料電池制御ユニット９がＦＣリレー２に燃料電池スタックをシステム側の電源線に接続するように指令したタイミングにおいて、この接続のタイミングから一定時間（例えば５００ｍｓ）システムのダイアグ（診断）機能をマスクし、ダイアグ機能が動作しないようにすることである。なお、ここに記載する参照符号は、図１に示す燃料電池システムを参照して示されている。

ＦＣリレー２が駆動されることによって、燃料電池システムには瞬間的に相当量の突入電流が流れるが、この電流はその後システムに一般的に設けられているエコノマイザーによって抑えられる。そのため、リレーの接続後一定時間、例えば５００ｍｓ程度が経過すると、一旦低下したシステムバッテリ１０の出力電位は元の値に回復する。したがって、リレーの接続後システムバッテリ１０の出力電位が回復するまでシステムのダイアグ機能をマスクしておけば、燃料電池システムが異常を検出してシステムを停止させることはない。ダイアグ機能のマスク処理は、メインの燃料電池ＥＣＵで行われても良く、あるいはコンバータ制御ユニット８、燃料電池制御ユニット９、モータ駆動インバータ制御ユニット１２、高電圧リレー制御ユニット１３等のサブＥＣＵで個々に行われても良い。

以下、図７を参照して実施形態４にかかる燃料電池システムの構成を説明する。図２に示す実施形態１の場合と同様に、先ず、燃料電池システムの起動信号の入力によって、処理をスタートする（ステップＳ４０）。次に、ステップＳ４１でＦＣリレー２がオフであることを確認した後、ステップＳ４２でバッテリ側リレー６をオンとし、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ５を昇圧駆動して（ステップＳ３３）、高圧バッテリ７の出力を昇圧し高圧補機１４に給電してこれを駆動する（ステップＳ４４）。これによって、燃料電池スタック３０に水素および酸素が供給され、燃料電池が発電を開始する。なお、ステップＳ４１でＮＯの場合は、ステップＳ４９で、ＦＣリレーをオフとする。

ステップＳ４５で、燃料電池出力は充分か否かを判定し、ＹＥＳであればステップＳ４６に移ってＦＣリレー２をオンとする処理を行い、燃料電池スタック１をシステム側負荷に接続する。次のステップＳ４７で、一定時間（例えば５００ｍｓ）システムのダイアグをマスクする処理を実行し、処理を終了する（ステップＳ４８）。これによって、ＦＣリレーの接続に伴ってシステムに大きな突入電流が流れても、燃料電池システムが誤作動することはない。

本発明の実施形態１にかかる燃料電池システムの構成を示す図。 図１に示す燃料電池システムの起動処理フローを示す図。 本発明の実施形態２にかかる燃料電池システムの一部の構成を示す図。 図３に示す燃料電池システムの起動処理フローを示す図。 本発明の実施形態３にかかる燃料電池システムの一部の構成を示す図。 図５に示す燃料電池システムの起動処理フローを示す図。 本発明の実施形態４にかかる燃料電池システムの起動処理フローを示す図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ ＦＣリレー
３ モータ
４ インバータ
５ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
６ バッテリ側リレー
７ 高圧バッテリ
８ コンバータ制御ユニット
９ 燃料電池制御ユニット
１０ システムバッテリ
１１ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ 高圧補機
１５ エアーコンプレッサ
１６ 水素ポンプ
１７ ウォータポンプ

Claims (5)

1. 燃料電池制御装置であって、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷に接続するリレーをオンするに先立って、当該燃料電池制御装置に電力を供給する第２のバッテリを強制充電することを特徴とする、燃料電池制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池制御装置において、さらに、前記強制充電は、前記第１のバッテリ出力を降圧して前記第２のバッテリを充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータを強制駆動させることを特徴とする、燃料電池制御装置。
3. 燃料電池制御装置であって、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷にリレーを介して接続する場合、前記リレーに含まれる並列接続された複数の小容量リレーを、タイミングをずらせて駆動することを特徴とする、燃料電池制御装置。
4. 燃料電池制御装置であって、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷にリレーを介して接続する場合、前記燃料電池に含まれる独立して負荷に接続可能な複数の燃料電池スタックを、それぞれタイミングをずらせて前記負荷に接続することを特徴とする、燃料電池制御装置。
5. 燃料電池制御装置であって、燃料電池出力を、燃料電池または第１のバッテリの出力を駆動源とする負荷に接続するためのリレーのオン後、一定時間、当該燃料電池制御装置に電力を供給する第２のバッテリの出力異常を検出する診断機能をマスクすることを特徴とする、燃料電池制御装置。

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