JP2007305347A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電制御の精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】各制御部８０、１６０には、電圧センサ１４０からＦＣ電圧をあらわす電圧信号がそれぞれ入力される。主制御部８０及び副制御部１６０は、受け取った該電圧信号に基づき主電圧値Ｖｓ２、副電圧値Ｖｓ１を把握する。主制御部８０は、自身が把握した主電圧値Ｖｓ２と副制御部１６０から受信した副電圧値Ｖｓ１とを比較することでずれ量αを求め、ずれ量αに基づき主電圧値Ｖｓ２を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。かかる燃料電池システムは高効率、クリーンな発電手段であるため、二輪車や自動車などの駆動動力源として大きな期待を集めている。

かかる燃料電池システムとして、システム全体の電力マネジメントを行う主制御部と燃料電池の発電制御を行う副制御部とを備えたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

図６及び図７は、従来の主制御部と副制御部の関係を例示した図である。
図６に示す構成では、副制御部ａ１に所定のセンサ信号（燃料電池の出力電圧を示すセンサ信号など）が入力された後、主制御部ｂ１に転送される。主制御部ｂ１は、受け取ったセンサ信号に基づき電力マネジメントを行うが、副制御部ａ１と主制御部ｂ１との間の通信時間の遅れにより、過渡的に燃料電池の発電制御の精度が悪化してしまうといった問題がある。これに対し、図７に示す構成では、副制御部ａ２と主制御部ｂ２に同一のセンサ信号が入力されるため、上記問題を未然に防止することが可能となる。

特開２００３−３４６８４９号公報

しかしながら、図７に示す構成では、副制御部ａ２と主制御部ｂ２の間で認識されるセンサ値がずれていた場合には、かかるセンサ値の認識ずれ（機器間バラツキ）により、定常的に燃料電池の発電制御の精度が悪化してしまうといった問題がある。

本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、発電制御の精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に本発明に係る燃料電池用の温度制御システムは、主制御部と、該主制御部からの発電要求電力に応じて発電制御を行う副制御部とを備えた燃料電池システムであって、各制御部に入力される同一センサ信号の検出値のずれを補正する補正手段を具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、各制御部に入力される同一センサ信号の検出値のずれを補正するため、各制御部の間で生じるセンサ値（例えば電圧値など）の認識ずれを改善することができる。これにより、最終的には燃料電池の発電制御の精度を向上させることが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記入力される同一センサ信号は、燃料電池の出力電圧をあらわす電圧信号、出力電流をあらわす電流信号、出力電力をあらわす電力信号のいずれかであることが望ましい。この場合、前記補正手段は、主制御部の検出値と副制御部の検出値のずれ量を求め、求めたずれ量に基づき前記発電要求電力を補正するのが望ましい。また、前記入力される同一センサ信号は、当該システム起動時の出力電圧をあらわす電圧信号、または開回路電圧をあらわす電圧信号の少なくともいずれかであることが望ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記入力される同一センサ信号は、当該システム起動時の前記出力電圧をあらわす電圧信号、及び開回路電圧をあらわす電圧信号であり、前記補正手段は、前記システム起動時の出力電圧をあらわす電圧信号から第１のずれ量を求め、前記開回路電圧をあらわす電圧信号から第２のずれ量を求め、求めた両ずれ量に基づき前記発電要求電力を補正する態様が望ましい。

以上説明したように、本発明によれば、発電制御の精度を向上させることが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を介して燃料電池４０と並列に接続されている。

インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータ（すなわち移動体の動力源）であり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。このトラクションモータ１１５及びインバータ１１０は、燃料電池４０側に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、副制御部１６０による制御のもと、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。

バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

主制御部８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器などにより構成され、電圧センサ１４０や電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。また、主制御部８０は、燃料電池４０に対する要求発電電力Ｐｒを算出し、該要求発電電力Ｐｒを副制御部１６０に送信する。

副制御部１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器などにより構成され、主制御部８０から送信される要求発電電力Ｐｒに基づき燃料電池４０の発電制御を行う。具体的には、該要求発電電力Ｐｒから燃料電池４０の運転動作点（図５参照；後述）を求め、求めた運転動作点で運転できるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１３０等の動作を制御する。

各制御部８０、１６０には、電圧センサ１４０からＦＣ電圧をあらわす電圧信号がそれぞれ入力される。副制御部１６０は、受け取った該電圧信号をＡ／Ｄ変換し、変換後の電圧信号から電圧値（以下、副電圧値）Ｖｓ１を把握し、これを主制御部８０に送信する。主制御部８０も副制御部１６０と同様、受け取った電圧信号をＡ／Ｄ変換し、変換後の電圧信号から電圧値（以下、主電圧値）Ｖｓ２を把握する。さらに、主制御部８０は、把握した主電圧値Ｖｓ２と副制御部１６０から受信した副電圧値Ｖｓ１とを比較することで、ずれ量α（＝Ｖｓ２−Ｖｓ１）を把握する。

主制御部８０は、このずれ量αに基づき主電圧値Ｖｓ２を補正し、補正後の電圧値を利用して要求発電電力等を求める。このように、主電圧値Ｖｓ２と副電圧値Ｖｓ１とのずれ量αを求め、このずれ量αに応じて主電圧値Ｖｓ２を補正することで、各制御部８０、１６０の間で生じる電圧値（センサ値）の認識ずれを改善することができ、最終的には燃料電池４０の発電制御の精度を向上させることが可能となる。以下、燃料電池４０の発電制御の精度を向上させるための具体的な方法について説明する。

図２は、主制御部８０及び副制御部１６０によって間欠的に実行される処理を示す。
主制御部８０及び副制御部１６０は、入力されるセンサ値のチェックを開始すべきか否かを判断する（ステップＳ１１０、Ｓ２１０）。なお、本実施形態では、図３に示すようにシステムの起動開始時ｔ１とＯＣＶ（Open Circuit Voltage）発生時ｔ２において入力されるセンサ値（ここでは電圧値）のチェックを開始する。ただし、センサ値のチェックタイミングについては、上記に限られず任意に設定可能である。

主制御部８０及び副制御部１６０は、例えばイグニッションキーがオンされ、システムの起動開始指令が入力されたことを検知すると、主電圧値Ｖｓ２及び副電圧値Ｖｓ１の検出を開始する。詳述すると、まず、主制御部８０は、電圧センサ１４０から入力される電圧信号をＡ／Ｄ変換し、変換後の電圧信号から主電圧値Ｖｓ２を把握する（ステップＳ２２０）。一方、副制御部１６０は、電圧センサ１４０から入力される電圧信号Ａ／Ｄ変換し、変換後の電圧信号から副電圧値Ｖｓ１を把握した後（ステップＳ１２０）、把握した副電圧値Ｖｓ１を主制御部８０に送信する（ステップＳ１２０→ステップＳ１３０）。

主制御部８０は、副制御部１６０から副電圧値Ｖｓ１を受信すると（ステップＳ２３０；ＹＥＳ）、受信した副電圧値Ｖｓ１と把握した主電圧値Ｖｓ２とを比較することで、ずれ量α（＝Ｖｓ２−Ｖｓ１）を求める（ステップＳ２４０）。主制御部８０は、求めたずれ量（補正量）αを補正量決定関数ｆに登録する（図４参照；ステップＳ２５０）。図４に示す補正量決定関数ｆは、主電圧値Ｖｓ２の補正量を決定するための関数であり、横軸に電圧値、縦軸に補正量が設定されている。上述したように、本実施形態ではシステムの起動開始時ｔ１とＯＣＶ発生時ｔ２において補正量αを算出するため、補正量が線形性を有している場合には、システム起動開始時の補正量α１とＯＣＶ発生時ｔ２の補正量α２から図４に示すような線形関数を得ることができる。もちろん、このような関数を利用することなく、いずれか一方（例えば電圧値が近い方）の補正量αを利用しても良い。

かかる登録を行うと、主制御部８０は、補正量αを用いて主電圧値ｖｓ２を補正することにより、補正後の主電圧値Ｖｓ２’（＝Ｖｓ２＋α）を求める。主制御部８０は、この補正後の主電圧値Ｖｓ２’を用いて要求発電電力Ｐｒを求め、これを副制御部１６０に送信した後（ステップＳ２６０）、処理を終了する。
一方、副制御部１６０は、主制御部８０から要求発電電力Ｐｒを受信すると（ステップＳ１４０；ＹＥＳ）、要求発電電力Ｐｒに基づき燃料電池４０の発電制御を行う（ステップＳ１５０）。具体的には、該要求発電電力Ｐｒから燃料電池４０の運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）を求め、求めた運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）で運転できるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１３０等の動作を制御し（図５参照）、処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る構成によれば、主電圧値Ｖｓ２と副電圧値Ｖｓ１とのずれ量αを求め、このずれ量αに応じて主電圧値Ｖｓ２を補正することで、各制御部８０、１６０の間で生じる電圧値の認識ずれ（機器間バラツキ）を改善することができる。これにより、最終的には燃料電池４０の発電制御の精度を向上させることが可能となる。
また、主電圧値Ｖｓ２と副電圧値Ｖｓ１は、各制御部８０、１６０に同一タイミングで入力される電圧信号から各電圧値Ｖｓ２、Ｖｓ１を把握するため、主制御部８０と副制御部１６０との間の通信時間の遅れにより、過渡的に燃料電池４０の発電制御の精度が悪化してしまう問題（従来技術の項参照）を未然に防ぐことができる。

Ｂ．変形例
（１）上述した実施形態では、電圧センサ１４０から各制御部８０、１６０に入力される電圧信号を利用することで、各制御部８０、１６０の間で生じるセンサ値の認識ずれ（すなわち、ずれ量α）を把握したが、例えば電流センサ１５０から各制御部８０、１６０に入力される電流信号や、電力センサ（図示略）から各制御部８０、１６０に入力される電力信号を利用することで上記ずれ量αを把握しても良い。

（２）また、上述した実施形態では、システム起動開始時の補正量α１とＯＣＶ発生時ｔ２の補正量α２から線形関数Ｆを生成したが、線形性を有していない場合にはこのような関数を利用することなく、いずれか一方の補正量αを利用しても良い。例えば、低い電圧で運転制御する場合には、システム起動開始時の補正量α１を利用する一方、ＯＣＶ付近の高い電圧で運転制御する場合には、ＯＣＶ発生時ｔ２の補正量α２を利用すればよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 制御部によって間欠的に実行される処理を示すフローチャートである。 経過時間と出力電圧との関係を例示した図である。 出力電圧と補正量との関係を例示した図である。 出力電流と出力電圧との関係を例示した図である。 従来の主制御部と副制御部の関係を例示した図である。 従来の主制御部と副制御部の関係を例示した図である。

符号の説明

１００・・・燃料電池システム、４０・・・燃料電池、８０・・・主制御部、１６０・・・副制御部、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・電圧センサ、１５０・・・電流センサ、Ｆ・・・補正量決定関数。

Claims (5)

1. 主制御部と、該主制御部からの発電要求電力に応じて発電制御を行う副制御部とを備えた燃料電池システムであって、
   各制御部に入力される同一センサ信号の検出値のずれを補正する補正手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記入力される同一センサ信号は、燃料電池の出力電圧をあらわす電圧信号、出力電流をあらわす電流信号、出力電力をあらわす電力信号のいずれか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. 前記補正手段は、主制御部の検出値と副制御部の検出値のずれ量を求め、求めたずれ量に基づき前記発電要求電力を補正する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. 前記入力される同一センサ信号は、当該システム起動時の出力電圧をあらわす電圧信号、または開回路電圧をあらわす電圧信号の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記入力される同一センサ信号は、当該システム起動時の前記出力電圧をあらわす電圧信号、及び開回路電圧をあらわす電圧信号であり、
   前記補正手段は、前記システム起動時の出力電圧をあらわす電圧信号から第１のずれ量を求め、前記開回路電圧をあらわす電圧信号から第２のずれ量を求め、求めた両ずれ量に基づき前記発電要求電力を補正することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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