JP2012248421A

JP2012248421A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2012248421A
Application number: JP2011119478A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hasuka; 芳信蓮香
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-12-13
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: JP5673354B2

Abstract

【課題】燃料電池の起動時間が長い場合に生じうるオフセットについても、コンバータの電流センサの原点学習を実施してゼロ点調整することによってこれをなくすことができるようにする。
【解決手段】複数のセル２が積層されてなるセルスタック３と、該セルスタック３を昇圧するコンバータ１５０と、該コンバータ１５０に設けられたスイッチング素子ＳＷ１と、セルスタック３からコンバータ１５０に送られる電流を測定する電流センサＣＳと、を備える燃料電池システムであって、スイッチング素子ＳＷ１が停止中であり尚かつコンバータ１５０の出力電圧Ｖ_Hが当該コンバータ１５０への入力電圧Ｖ_Lよりも大きい場合に、電流センサＣＳの原点学習を実施する学習処理手段をさらに備えている。原点学習を、当該燃料電池１の起動直後よりも後の時点で実施することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システム内でのゼロ点調整技術の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）のセルスタック（セル積層体）は、電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、燃料電池システムとして、セルスタックの出力を昇圧するためにコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備えたものが利用されている。

このような燃料電池システムにおいて、Ｉ−Ｖカーブ（電流−電圧曲線）を学習して更新するための目標定常発電流を設定し、目標定常発電流を発電するように目標空気流量および目標燃料ガス流量を算出することが行われている。このとき、目標定常発電量を目標取り出し電力とするように制御装置によってＤＣ／ＤＣコンバータが制御される。制御装置は、セルスタックに目標定常発電量を発電させているときの電圧計により検出された出力電圧により出力電流を検出し、該出力電流を用いてＩ−Ｖカーブを更新する（例えば、特許文献１参照）。また、コンバータの電流センサについても、ゼロ点を調整するための原点学習が適宜行われている。

特開２００４−３３５３４３号公報

しかしながら、上述のように電流センサの原点学習が行われているものの、起動時間が長くなるとオフセット（ゼロ点からのずれ）が生じることがある。この点、特許文献１には、Ｉ−Ｖカーブを更新することは記載されているが、電流センサを調整することについては記載されていない。

そこで、本発明は、燃料電池の起動時間が長い場合に生じうるオフセットについても、コンバータの電流センサの原点学習を実施してゼロ点調整することによってこれをなくすことができるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。コンバータの電流センサにおいては、例えば温度変化、磁気ヒステリシスの影響などによりゼロ点からのオフセットが生じることがある。ところが、電流センサの原点学習（ゼロ点調整）は、燃料電池システムのＥＣＵ（電子制御装置）を起動させた直後にしか実施されていないというのが現状である。特にこの点に着目して検討を重ねた本発明者は、課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、複数のセルが積層されてなるセルスタックと、該セルスタックを昇圧するコンバータと、該コンバータに設けられたスイッチング素子と、セルスタックからコンバータに送られる電流を測定する電流センサと、を備える燃料電池システムにおいて、スイッチング素子が停止中であり尚かつコンバータの出力電圧が当該コンバータへの入力電圧よりも大きい場合に、電流センサの原点学習を実施する学習処理手段をさらに備えている。

燃料電池システムの電流センサをゼロ点調整するための原点学習制御において、ＩＧＢＴ、ＳＷ（スイッチング素子）が停止中で、コンバータの出力電圧が入力電圧よりも大きい場合には、電流センサに電流が流れていない状況にある。本発明では、この場合に電流センサの原点学習を実施し、ゼロ点調整をする。例えば燃料電池車を長距離運転した場合などのように燃料電池システムの起動時間が長くなると電流センサにオフセット（ゼロ点からのずれ）が生じうるが、本発明によればこのような場合であっても電流センサをゼロ点調整することができる。

また本発明では、上述した原点学習を、当該燃料電池の起動直後よりも後の時点で実施することとしている。

本発明によれば、燃料電池の起動時間が長い場合に生じうるオフセットについても、コンバータの電流センサの原点学習を実施してゼロ点調整することによってこれをなくすことができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成図である。セルスタックの出力を昇圧するコンバータの１相分の単相回路の構成を例示した図である。負荷の要求電力に変動があった場合のインバータの入力電圧と燃料電池の出力端子電圧の関係を例示した図である。電流センサの原点学習処理の一例を示すフローチャートである。電流センサの原点学習処理における処理内容の具体例を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図５に本発明にかかる燃料電池システム１００の実施形態を示す。以下では、燃料電池システム１００の適用例として、該燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を説明する。なお、本実施形態の燃料電池システム１００は、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、バッテリコンバータという）１８０が設けられた構成となっている（図１参照）。

燃料電池１は、複数のセル（発電セル）２が積層されてなるセルスタック（セル積層体）３を備える例えば高分子電解質形燃料電池である（図２参照）。この燃料電池１には、セルスタック３からの出力端子電圧Ｖｆｃを検出するための電圧センサ（図示省略）、および出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサＣＳが取り付けられている。

セル２は、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなる膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）と、この膜−電極アッセンブリを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。セパレータは例えば金属を基材とする導通体であり、各電極に空気等の酸化ガスおよび水素ガス等の燃料ガスを供給するための流体流路を有しており、互いに隣接するセル２に供給される異種流体の混合を遮断する。かかる構成により、セル２の膜−電極アッセンブリ内において電気化学反応が生じて起電力が得られる。図示を省略しているが、セパレータには、酸化ガス、燃料ガス、冷媒のそれぞれをセル積層方向に流すためのマニホールド（酸化ガスマニホールド、燃料ガスマニホールド、冷媒マニホールド）が形成されている。

燃料電池１のセルスタック３からの出力を昇圧等するコンバータ（以下、ＦＣコンバータともいう）１５０は、燃料電池１の出力端子電圧Ｖｆｃを制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池１側）に入力されたＦＣ出力端子電圧Ｖｆｃを、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ１４０側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータ１５０により、燃料電池１の出力端子電圧Ｖｆｃが目標出力に応じた電圧（すなわち、目標出力端子電圧ｖｆｃ）となるように制御される。

このＦＣコンバータ１５０は、例えば昇圧コンバータであり、四相運転方式、具体的な回路方式としてはＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４によって構成された四相並列形コンバータとしての回路構成を備えている。本実施形態では、非絶縁タイプの昇圧コンバータを四相並列にして１相に流れる電流を減らし、部品小型化、低損失化を図っている。

図２は、ＦＣコンバータ１５０の１相分の回路を抜き出した負荷駆動回路の構成図である。なお、以下の説明では、ＦＣコンバータ１５０に入力される昇圧前の電圧を入力電圧Ｖ_Lと呼び、ＦＣコンバータ１５０から出力される昇圧後の電圧を出力電圧Ｖ_Hと呼ぶ。

図２に示すように、ＦＣコンバータ１５０（１相分）は、リアクトルＬ１と、整流用のダイオードＤ１と、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などからなるスイッチング素子ＳＷ１とを備えている。リアクトルＬ１は、燃料電池１の端部セルの近傍に配置されている。また、リアクトルＬ１の端部はスイッチング素子ＳＷ１のコレクタに接続されている。ここで、リアクトルＬ１に流れる電流は、各相のリアクトル電流を検知する電流センサＣＳ１〜ＣＳ４（図１参照）によって検知される。スイッチング素子ＳＷ１は、インバータ１４０の電源ラインとアースラインの間に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のコレクタが電源ラインに接続され、エミッタがアースラインに接続されている。かかる構成において、まず、スイッチＳＷ１をＯＮにすると、燃料電池１→リアクトルＬ１→スイッチＳＷ１へと電流が流れ、このときリアクトルＬ１が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。

続いてスイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が燃料電池１のＦＣ電圧（入力電圧Ｖ_L）に重畳され、入力電圧Ｖ_Lよりも高い作動電圧（出力電圧Ｖ_H）がリアクトルＬ１から出力されるとともに、ダイオードＤ１を介して出力電流が出力される。コントローラ１６０は、このスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比（後述）を適宜変更することで、所望の出力電圧Ｖ_Hを得る。なお、当該ＦＣコンバータ１５０の入力電流（すなわち、燃料電池１の出力電流）は、電流センサＣＳにより検知され、ＦＣコンバータ１５０の入力電圧（すなわち、燃料電池１の出力電圧）は、電圧センサ（図示省略）により検知される。なお、制御性能を向上させるため、本実施形態では電流センサＣＳをリアクトルＬ１の前段に配置している（図２参照）。

図１に戻り、バッテリ（蓄電装置）１２０は、負荷１３０に対して燃料電池１と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ１２０としては、例えば、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の二次電池が利用される。

バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hを制御する役割を担っており、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有している。本実施形態では、負荷１３０の要求電力が急激に変化した場合（以下では、増加した場合を想定）、まず、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hが、設定された目標入力電圧Ｖ_tin（図３の△参照）となるまでバッテリコンバータ１８０を制御する。そして、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hが目標入力電圧Ｖ_tinに到達した後に、燃料電池１の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧Ｖ_tfcとなるまでＦＣコンバータ１５０を制御する。このように、燃料電池１に対する要求電力が急激に増加した場合には、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hをバッテリコンバータ１８０で制御した後に、燃料電池１の出力端子電圧ＶｆｃをＦＣコンバータ１５０で制御することで、安定なコンバータ制御を実現することが可能となる。なお、バッテリコンバータ１８０の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。

インバータ１４０は、例えばパルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１またはバッテリ１２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１の回転トルクを制御する。

トラクションモータ１３１は、本車両の主動力となるものであり、減速時には回生電力を発生するようにもなっている。ディファレンシャル１３２は減速装置であり、トラクションモータ１３１の高速回転を所定の回転数に減速し、タイヤ１３３が設けられたシャフトを回転させる。シャフトには図示しない車輪速センサ等が設けられ、これにより当該車両の車速等が検知される。なお、本実施形態では、燃料電池１から供給される電力を受けて動作可能な全ての機器（トラクションモータ１３１、ディファレンシャル１３２を含む）を負荷１３０と総称している。

コントローラ１６０は、ＦＣＨＶシステム１００の制御用のコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。コントローラ１６０は、センサ群１７０から供給される各種の信号（例えば、アクセル開度をあらわす信号や車速をあらわす信号、燃料電池１の出力電流や出力端子電圧をあらわす信号など）を入力して、負荷１３０の要求電力（すなわち、システム全体の要求電力）を求める。

負荷１３０の要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、および冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、および懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、およびオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ（制御装置）１６０は、燃料電池１とバッテリ１２０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算する。コントローラ１６０は、燃料電池１およびバッテリ１２０に対する要求電力を求めると、これらの要求電力が得られるようにＦＣコンバータ１５０およびバッテリコンバータ１８０の動作を制御する。そして、コントローラ１６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、インバータ１４０に対し、例えばスイッチング指令としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相およびＸ相の各交流電圧指令値を出力し、トラクションモータ１３１の出力トルク、および回転数を制御する。

さらに、コントローラ１６０は、燃料電池１に対する要求電力が所定条件を満たす場合（ここでは、要求電力が急激に増加した場合）には、安定なコンバータ制御を実現するべく、まず、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hが、設定された目標入力電圧（設定要求電圧）Ｖ_tin（図３の△参照）となるまでバッテリコンバータ１８０を制御する。そして、インバータ１４０の入力電圧Ｖ_Hが目標入力電圧Ｖ_tinに到達した後に、燃料電池１の出力端子電圧Ｖｆｃが、設定された目標出力端子電圧（出力要求電圧）Ｖ_tfcとなるまでＦＣコンバータ１５０を制御する処理（以下、コンバータ安定化処理）を実施する。

ここで、上述した所定条件は任意に設定・変更可能であり、例えば燃料電池１に対する要求電力の変化率が設定された閾値を超えた場合（第１条件）や、ＦＣコンバータ１５０の入力側、出力側の電圧の変化率の和が、設定された閾値を超えた場合（第２条件）に、コンバータ安定化処理を実行するようにしても良い。なお、設定される各閾値は、予め実験などによって求め、メモリ（図示省略）などに格納しておけば良い。また、閾値については、固定値としても良いが運転条件やユーザの操作などに応じて適宜設定・変更可能としても良い。

続いて、本実施形態の燃料電池システム１００における、電流センサＣＳを原点学習してゼロ点調整する手法の一例について説明する（図４参照）。

まず、ＩＧ（イグニッション）をＯＮ（オン）にして燃料電池（ＦＣ）１やコントローラ１６０等を起動したら（図４のステップＳＰ１）、電流センサＣＳの原点学習を実施する（ステップＳＰ２）。本明細書でいう原点学習とは、例えば温度変化、磁気ヒステリシスの影響などにより生じうるゼロ点からのオフセットをなくす（較正する）ための調整を指す。このステップＳＰ２では、燃料電池１やコントローラ１６０の起動直後の時点での原点学習が実施される。原点学習は、学習処理手段（コントローラ１６０）を用いて実施することができる。

続いて、スイッチング素子ＳＷ１が停止中かどうかと、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧Ｖ_Hが当該ＦＣコンバータ１５０への入力電圧Ｖ_Lよりも大きいかどうかとを判断する（ステップＳＰ３）。スイッチング素子ＳＷ１が停止中であり、尚かつ出力電圧Ｖ_Hが入力電圧Ｖ_Lよりも大きい場合には（ステップＳＰ３にてＹＥＳ）、電流センサＣＳの原点学習を実施する（ステップＳＰ４）。ステップＳＰ４の後は、一連の処理を終了させてもよいし、一連の処理を繰り返してもよい（図４参照）。

このステップＳＰ４では、昇圧動作が停止しており、当該電流センサＣＳに電流が流れていない状況にあるということができる。このとき、本実施形態では、原点学習を実施することによって当該電流センサＣＳをゼロ点調整し、電流センサＣＳに生じている可能性のあるオフセット（ゼロ点からのずれ）をなくす。例えば、燃料電池車を長距離運転した場合など、燃料電池システム１００の起動時間が長くなっていると電流センサＣＳにオフセットが生じうるが、本実施形態によればシステム起動後においても電流センサＣＳをゼロ点調整してオフセットをゼロにする（キャリブレーションする）ことができる。

ここで、図５に、電流センサＣＳの原点学習の具体的一例を示す。図５中に示す「積算値」をｎ（積算カウンタ）で除したものが、ゼロ点学習値を表すこととなる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では燃料電池システム１００を燃料電池自動車に適用した場合について説明したが適用範囲がこれに限られることはなく、当該燃料電池システム１００は、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても適用することが可能である。

本発明は、セルスタックと、該セルスタックを昇圧するコンバータと、該コンバータに設けられたスイッチング素子と、セルスタックからコンバータに送られる電流を測定する電流センサとを備える燃料電池システムに適用して好適なものである。

１…燃料電池、２…セル、３…セルスタック、１００…燃料電池システム、１５０…ＦＣコンバータ（コンバータ）、１６０…コントローラ（学習処理手段）、ＣＳ…電流センサ、ＳＷ１…スイッチング素子

Claims

複数のセルが積層されてなるセルスタックと、該セルスタックを昇圧するコンバータと、該コンバータに設けられたスイッチング素子と、前記セルスタックから前記コンバータに送られる電流を測定する電流センサと、を備える燃料電池システムにおいて、
前記スイッチング素子が停止中であり尚かつ前記コンバータの出力電圧が当該コンバータへの入力電圧よりも大きい場合に、前記電流センサの原点学習を実施する学習処理手段をさらに備える燃料電池システム。
前記原点学習を、当該燃料電池の起動直後よりも後の時点で実施する、請求項１に記載の燃料電池システム。