JP2009158256A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータを有する燃料電池システムにおいて、電力供給制御に対する影響を低減する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池４０と、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータ６１と、燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換してモータに供給することによりモータの駆動を制御するインバータ６０と、モータに対して燃料電池とは並列に接続され、燃料電池の発電電力およびモータの回生電力を充電可能かつ充電電力をモータに放電可能なバッテリ２０と、モータの回転数を検知する回転数検知器６４と、モータの現在の回転数に基づいて、インバータのモータに対する制御の停止を許可するか否かを決定する制御装置１０とを備え、該制御装置は、モータの現在の回転数を、燃料電池の運転モードに応じて異なる閾値と比較することにより決定を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びこれを備える燃料電池車両に関し、特には、燃料電池システムにおいて、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータに対するインバータによる制御に関する。
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。このような燃料電池システムを搭載した車両の開発も進められている。車載用の燃料電池システムは、燃料電池と二次電池と走行モータと補機とを主体として構成されている。
ところで、通常の電動車両においては、シフトポジションが「Ｄ（ドライブ）」レンジの際に、バッテリからインバータ等を介して走行用モータに電力を供給することにより回転させ、その駆動力を駆動輪に伝達する。一方、シフトポジションが「Ｎ（ニュートラル）」レンジになると、インバータ制御を停止するため、走行用モータが成り行きに任せて回転数に応じた逆起電力を発生する状態となる（シャットダウンと呼ばれる）。即ち、駆動輪から逆伝達された駆動力により走行用モータを回転させ、それによって発生した逆起電圧により、インバータを介してバッテリを充電する。
ところが、モータの回転数が高い状態でシフトポジションが「Ｎ」レンジになると、過大な逆起電圧が発生することになり、バッテリ及びコンバータに過電圧がかかって、耐久性が低下するおそれがある。そこで、従来においては、シフトポジションが「Ｎ」レンジになった際に、モータの回転数が所定の閾値以下である場合にはシャットダウンさせ、回転数が該閾値よりも高い場合にはシャットダウンさせないように制御されている。
関連する技術として、特許文献１には、「Ｎ」ポジションの選択時に、過剰な逆起電圧が発生するのを防止すると共に、回生制動力の発生による違和感を回避するために、「Ｎ」ポジションでは、目標電力算出手段が目標電圧を一律にゼロに設定し、モータが駆動トルクも回生トルクも発生しないようにすることが開示されている。
特開平９−２３５０８号公報
しかしながら、燃料電池システムを搭載した電動車両においては、燃料電池の総電圧が所定の閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御や、通常の運転よりも短時間で燃料電池を昇温させるための暖機運転等の様々な発電状態（運転モード）がある。そのため、通常の電動車両と同様に、モータの回転数に応じて一律にシャットダウンの許可・不許可を制御すると、燃料電池の発電状態によっては、燃料電池の最大出力電圧よりも逆起電圧が大きくなる等、システム全体の電力供給制御に影響を及ぼすおそれがある。
そこで、本発明は、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータを有する燃料電池システムにおいて、電力供給制御に対する影響を低減することを目的とする。
本発明の１つの観点に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータと、前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給することにより、前記モータの駆動を制御するインバータと、前記モータに対して前記燃料電池とは並列に接続され、前記燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力を充電可能かつ充電電力を前記モータに放電可能な蓄電部と、前記モータの回転数を検知する回転数検知器と、前記モータの現在の回転数に基づいて、前記インバータの前記モータに対する制御の停止を許可するか否かを決定する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータの現在の回転数を、前記燃料電池の運転モードに応じて異なる回転数閾値と比較することにより前記決定を行う。
本発明の１つの観点によれば、燃料電池の運転モードに応じた回転数閾値を用いて、モータに対するインバータ制御の停止（シャットダウン）の許可・不許可を決定するので、燃料電池の最大出力電圧を超える逆起電圧の発生が抑制される。
ここで、前記制御部は、前記モータの現在の回転数が、前記燃料電池の現在の運転モードに対応する回転数閾値より小さい場合に、前記インバータの前記モータに対する制御の停止を許可する。
前記制御部は、前記燃料電池の各運転モードにおける最大出力電圧に対応する前記モータの回転数を、回転数閾値として運転モードに関連付けて格納する内部メモリを有しており、前記制御部は、複数の回転数閾値の内から、前記燃料電池の現在の運転モードに対応する１つの回転数閾値を抽出し、該回転数閾値を用いて前記決定を行う。
このように、運転モードごとに設定された回転数閾値を予め用意しておくことにより、測定が容易で誤差の少ない回転数に基づいて上記決定を行うことができるようになる。
前記複数の運転モードは、通常の運転モードと、高電位化回避制御モード及び暖機運転モードの内の少なくとも１つとを含む。高電位化回避制御モード及び暖機運転モードは、通常の運転モードに比較して最大出力電圧が低いので、これらの運転モードに対応する回転数閾値を用意しておくことにより、燃料電池システムにおける電力供給制御をより安全に行うことができる。
また、本発明に係る燃料電池車両は、上記燃料電池システムと、少なくとも前記燃料電池の運転に使用される補機とを備える。
本発明によれば、燃料電池の最大出力電圧を超える逆起電圧の発生や、蓄電部への過充電を抑制することができるので、燃料電池システムにおける電力供給制御への影響を低減することができる。従って、このような燃料電池システムを搭載した電動車両においては、安定した電力供給制御の下で走行す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。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを備える燃料電池車両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；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車等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、二輪車や船舶、飛行機、ロボット等）にも適用可能である。
この車両１００は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ（以下、単にモータとも言う）６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ（蓄電部）２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０等から構成される。
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、溶融炭酸塩型等の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、フッ素系樹脂等によって形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜４１の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）等にも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷等によって形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、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。
燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガス等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８０から空気等の酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁等から構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間等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８０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、インバータ等から構成され、該モータの回転数等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。
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９２及び電流センサ９３によって検出される。また、燃料電池４０の内部温度（以下、ＦＣ温度）は、温度センサ９４によって検出される。
バッテリ２０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等により構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６０の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０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２０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６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータ６１の回転数はインバータ６０によって制御される。また、モータ６１の回転数は、回転数検知器６４によって検知され、制御装置１０に送出される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０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３０は、バッテリ２０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等から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣ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。
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機等の補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時等に使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプ等）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の供給に供されるエアコンプレッサやポンプ等）をいう。
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０等、システム各部を制御する。この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検出される燃料ガスの供給圧力や、電圧センサ９２によって検出される燃料電池４０のＦＣ電圧や、電流センサ９３によって検出される燃料電池４０のＦＣ電流や、温度センサ９４によって検出されるＦＣ温度や、回転数検知器６４によって検出されるモータ６１の回転数等を表す信号が入力される。
また、制御装置１０には、車両のシフトポジション（例えば、Ｐ：パーキングモード、Ｒ：リバースモード、Ｎ：ニュートラルモード、Ｄ：ドライブモード等）を選択するためにユーザによって操作される操作部２が接続されている。シフトポジションが変更されると、シフトポジション検知信号が操作部２から制御装置１０に送出される。
さらに、制御装置１０は、シフトポジションが「Ｎ」レンジに入った場合に、トラクションモータ６１のインバータ駆動を停止するか否か、即ち、シャットダウンの許可・不許可を決定する（シャットダウン制御）。その際に、制御装置１０は、その時のモータ６１の回転数に基づいて、燃料電池４０の運転モードに応じて異なる回転数の閾値を用いてこの決定を行う。
次に、シャットダウン制御において用いられる回転数の閾値について、図２を参照しながら説明する。
燃料電池４０の運転モードには、通常の運転モードに加え、通常よりも出力電圧の上限が低く設定される高電位化回避制御モードや暖機運転モード等がある。
通常の運転モードにおいては、インバータ電圧の最大値ＶMAX（例えば、燃料電池スタックの開放端電圧）が、許容される逆起電圧の上限となる。従って、この上限電圧ＶMAXに対応する上限回転数ＮCONSTが回転数閾値として設定される。
高電位化回避制御モードとは、燃料電池の劣化の進行を抑制するために、燃料電池４０の出力電圧を所定の電圧閾値（高電位回避電圧閾値）以下に強制的に下げる運転モードである。高電位回避電圧閾値は、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験等により求められ、製造出荷時等に制御装置１０の内部メモリ１１に格納されている。また、高電位化回避制御モードへの転換は、例えば、ＦＣ電圧やＦＣ電流に基づいて制御される。具体的には、制御装置１０は、ＦＣ電圧及びＦＣ電圧が予め用意された特性マップの所定の領域に含まれる場合に、高電位化回避モードに入るように各部に制御信号を送出する。
このような高電位化回避制御モードにおいては、高電位化回避制御モードにおける燃料電池４０の最大出力電圧Ｖa、言い換えれば、高電位回避電圧閾値が、許容される逆起電圧の上限となる。従って、最大出力電圧Ｖaに対応する上限回転数Ｎaが閾値として設定される。
一方、暖機運転モードとは、低温始動時に、燃料電池４０の発電に伴う自己発熱を促進し（つまり、発熱量を増大させ）、通常運転よりも短時間で燃料電池４０を昇温させる運転モードのことである。暖機運転は、例えば、通常の運転に比して反応ガス（酸化ガス又は燃料ガス）を不足気味にして電力損失を大きくする、即ち、燃料電池４０の発電効率を低下させて発熱量を増加させる低効率運転や、燃料電池４０の出力電流を増大させることにより発電に伴う発熱量を増加させる運転により実現される。また、暖機運転モードへの転換は、例えば、ＦＣ温度に基づいて制御される。具体的には、制御装置１０は、ＦＣ温度が所定の温度閾値より低い場合に、暖機運転モードに入るよう各部に制御信号を送出する。
このような暖機運転モードにおいては、暖機運転時の最大出力電圧Ｖbが、許容される逆起電圧の上限となる。従って、最大出力電圧Ｖbに対応する上限回転数Ｎbが閾値として設定される。
これらの上限回転数ＮMAX、Ｎa、Ｎbは、それぞれの運転モードに関連付けられ、制御装置１０の内部メモリ１１に格納されている。
次に、図３を参照しながら、制御装置１０のシャットダウン制御動作について説明する。
ステップＳ０１において、操作部２から制御装置１０にシフトポジション検知信号が入力されると、制御装置１０は、この信号が「Ｎ（ニュートラル）」レンジを表す信号であるか否かを判定する（ステップＳ０２）。
シフトポジション検知信号が「Ｎ」レンジを表している場合に、ステップＳ０３において、制御装置１０は、燃料電池４０の現在の運転モードが暖機運転モードであるか否かを判定する。
燃料電池４０が暖機運転モードである場合に、ステップＳ１１において、制御装置１０は、暖機運転モードにおける上限回転数Ｎbを回転数閾値に設定する。
一方、燃料電池４０が暖機運転モードではない場合に、ステップＳ０４において、制御装置１０は、燃料電池４０の運転モードが高電位化回避モードであるか否かを判定する。
燃料電池４０が高電位化回避制御モードである場合に、ステップＳ１２において、制御装置１０は、高電位化回避制御モードにおける上限回転数Ｎaを回転数閾値に設定する。
燃料電池４０が、暖機運転モード及び高電位化回避制御モードのいずれでもない場合に、ステップＳ０５において、制御装置１０は、通常の運転モードにおける上限回転数ＮCONSTを回転数閾値に設定する。
ステップＳ０６において、制御装置１０は、現在のモータ６１の回転数と、ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ０５のいずれかにおいて設定された回転数閾値とを比較する。そして、現在の回転数が回転数閾値よりも小さい場合に、シャットダウンを許可する（ステップＳ０７）。それにより、モータ６１に対するインバータ制御が停止する。
一方、現在の回転数が回転数閾値以上である場合には、シャットダウンは許可されない（ステップＳ１３）。それにより、各運転モードにおける最大出力電圧（ＶMAX、Ｖb、Ｖa）を超える逆起電力の発生が防止される。この場合には、燃料電池４０の運転モードが切り替わるか、又は、ブレーキ操作や自然の減速によりモータ６１の回転数が閾値よりも小さくなった際に、シャットダウンが許可される。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池の各運転モードにおける最大出力電圧（ＶMAX、Ｖa、Ｖb）以上の逆電圧が発生するのを防ぐことができる。従って、バッテリやコンバータに過電圧がかかるのを抑制することができる。
なお、本実施形態においては、図１に示すように、補機類がＤＣ／ＤＣコンバータに対してバッテリ側に接続されている構成となっているが、補機類がＤＣ／ＤＣコンバータに対して燃料電池側に接続されている構成に対して本発明を適用しても良い。この場合には、過大な逆起電圧による補機インバータの定格電圧超えも抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを含む燃料電池車両の要部構成を示すシステム構成図である。 運転モードに対応する回転数閾値の設定方法を説明するための図である。 制御装置によるシャットダウン制御方法を示すフローチャートである。
符号の説明
１０…制御装置（制御部）、１１…内部メモリ、２０…バッテリ（蓄電部）、４０…燃料電池、５０…補機類（補機）、６０…インバータ、６１…トラクションモータ（モータ）、６４…回転数検知器

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
    電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータと、
    前記燃料電池から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給することにより、前記モータの駆動を制御するインバータと、
    前記モータに対して前記燃料電池とは並列に接続され、前記燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力を充電可能かつ充電電力を前記モータに放電可能な蓄電部と、
    前記モータの回転数を検知する回転数検知器と、
    前記モータの現在の回転数に基づいて、前記インバータの前記モータに対する制御の停止を許可するか否かを決定する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記モータの現在の回転数を、前記燃料電池の運転モードに応じて異なる閾値と比較することにより前記決定を行う、燃料電池システム。
  2. 前記制御部は、前記モータの現在の回転数が、前記燃料電池の現在の運転モードに対応する回転数閾値より小さい場合に、前記インバータの前記モータに対する制御の停止を許可する、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御部は、前記燃料電池の各運転モードにおける最大出力電圧に対応する前記モータの回転数を、回転数閾値として運転モードに関連付けて格納する内部メモリを有しており、
    前記制御部は、複数の回転数閾値の内から、前記燃料電池の現在の運転モードに対応する１つの回転数閾値を抽出し、該回転数閾値を用いて前記決定を行う、
    請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記複数の運転モードは、通常の運転モードと、高電位化回避制御モード及び暖機運転モードの内の少なくとも１つとを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムと、
    少なくとも前記燃料電池の運転に使用される補機と、
    を備える燃料電池車両。
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