JP2013109860A

JP2013109860A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2013109860A
Application number: JP2011251918A
Authority: JP
Inventors: Kota Manabe; 晃太真鍋; Yutaka Tano; 裕田野; Tomohiko Kaneko; 智彦金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: JP5780126B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of achieving a proper fail-safe control even in the case that an output voltage of a fuel cell cannot be detected.SOLUTION: In an FCHV system 100, a load device 130 is connected to a fuel cell 110 and a battery 120, and an FC converter 150, a battery converter 180, and a load inverter 140 are connected to each of them. Voltage sensors 11 and 12 are provided to a primary side and a secondary side of the FC converter 150; a voltage sensor 13 is provided to a primary side of the load inverter 140; and voltage sensors 14 and 15 are provided to a primary side and a secondary side of the battery converter 180. A controller 160, when the voltage sensor 11 fails, estimates an output voltage of the fuel cell 110 by using a voltage detection signal from the voltage sensors 12, 13, and executes steady voltage control to be switched over to the battery 120 drive on the basis of the estimated output voltage.

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにおける電圧制御技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a voltage control technique in a fuel cell system.

自動車等の車両に搭載される燃料電池システムとして、燃料電池の発電能力を超える急な負荷の変化等に対応するべく、動力源として燃料電池とバッテリとを備えたハイブリッド型の燃料電池システム（ＦＣＨＶシステム）が種々提案されている。かかるハイブリッド型の燃料電池システムにおいては、通常、負荷（装置）に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータとバッテリ用のコンバータとを協調して動作させる制御が行われる。 As a fuel cell system mounted on a vehicle such as an automobile, a hybrid fuel cell system (FCHV) including a fuel cell and a battery as a power source to cope with a sudden load change exceeding the power generation capacity of the fuel cell. Various systems) have been proposed. In such a hybrid fuel cell system, usually, in order to supply power stably to a load (device), control for operating a fuel cell converter and a battery converter in a coordinated manner is performed.

本出願人は、このような２つのコンバータを備える燃料電池システムの一例として、燃料電池及び燃料電池用コンバータ、並びに、バッテリ及びバッテリ用コンバータと、それらの組み合わせに並列に接続されたトラクションインバータ及びトラクションモータを備えるものを提案している（例えば特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池用コンバータに動作不良が発生して燃料電池側から供給される電力が減少した際に、その減少分を補うためのバッテリ側からの出力（放電量）が許容量を超えてしまったときに生じ得るバッテリの過放電を抑制することを意図したものであり、燃料電池用コンバータが動作不良と判定された場合、トラクションインバータからトラクションモータへの出力電圧の上限値を、燃料電池の出力電圧以下に制御するシステムである。 As an example of such a fuel cell system including the two converters, the applicant of the present invention is a fuel cell and a fuel cell converter, a battery and a battery converter, and a traction inverter and a traction connected in parallel to the combination thereof. The thing provided with a motor is proposed (for example, refer patent document 1). In this fuel cell system, when a malfunction occurs in the fuel cell converter and the power supplied from the fuel cell decreases, the output (discharge amount) from the battery to compensate for the decrease is an allowable amount. If the fuel cell converter is determined to be malfunctioning, the upper limit value of the output voltage from the traction inverter to the traction motor is set. This is a system that controls the output voltage of the fuel cell to be lower.

特開２０１０−１３５２５８号公報JP 2010-135258 A

しかし、上記従来の燃料電池システムにおいて、もし燃料電池からの出力電圧をモニタする電圧センサが故障した場合には、制御の基準となる燃料電池の出力電圧を検知することができないため、上述したような電圧制御を実行することができなくなるおそれがある。また、燃料電池用コンバータが正常に動作しているときに、燃料電池の出力電圧をモニタする電圧センサが機能しなった場合にも、燃料電池の出力を把握することができなくなるので、燃料電池側からの電力供給を停止して、バッテリだけで車両を駆動（いわゆる退避走行モードで運転）する必要が生じてしまう。さらに、電圧センサによって検知される燃料電池の出力電圧は、燃料電池用コンバータの制御にも使用されるので、電圧センサに異常が生じると燃料電池用コンバータの運転も停止せざるを得ない場合がある。 However, in the above-described conventional fuel cell system, if the voltage sensor that monitors the output voltage from the fuel cell fails, the output voltage of the fuel cell that is the reference for control cannot be detected. There is a risk that it will not be possible to execute correct voltage control. In addition, when the fuel cell converter is operating normally and the voltage sensor that monitors the output voltage of the fuel cell fails, the fuel cell output cannot be grasped. It becomes necessary to stop the power supply from the side and drive the vehicle with only the battery (driving in the so-called retreat travel mode). Furthermore, since the output voltage of the fuel cell detected by the voltage sensor is also used for controlling the fuel cell converter, if the abnormality occurs in the voltage sensor, the operation of the fuel cell converter may have to be stopped. is there.

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、適切なフェールセーフ制御を実現す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。 Accordingly, the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell system capable of realizing appropriate fail-safe control even when the output voltage of the fuel cell cannot be detected. For the purpose.

上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電電力を充電可能なバッテリと、燃料電池及びバッテリに接続されており、且つ、燃料電池及びバッテリからの電力を消費する負荷装置と、燃料電池と負荷装置との間に設けられたコンバータ（燃料電池コンバータ）と、そのコンバータと負荷装置との間に設けられたインバータ（負荷駆動インバータ）と、燃料電池からの出力電圧を検知する第１の電圧センサと、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサと、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサと、第１の電圧センサ、第２の電圧センサ、及び第３の電圧センサに接続されており、且つ、第１の電圧センサが故障（動作不良の発生等）したときに、第２の電圧センサ、及び、第３の電圧センサのうち少なくとも何れか一方によって検知された電圧、及び、コンバータにおける降下電圧を用いて燃料電池の出力電圧を算定（推定、算出）し、その算定された燃料電池の出力電圧に基づいて、当該燃料電池システムにおける電圧制御を行う制御部とを備える。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is connected to a fuel cell, a battery capable of charging the power generated by the fuel cell, the fuel cell and the battery, and A load device that consumes power, a converter (fuel cell converter) provided between the fuel cell and the load device, an inverter (load drive inverter) provided between the converter and the load device, and a fuel cell A first voltage sensor that detects an output voltage from the second voltage sensor, a second voltage sensor that detects an output voltage from the converter, a third voltage sensor that detects an input voltage to the inverter, a first voltage sensor, The second voltage sensor is connected to the second voltage sensor and the third voltage sensor, and the second voltage sensor when the first voltage sensor fails (occurrence of malfunction, etc.) And the output voltage of the fuel cell is calculated (estimated, calculated) using the voltage detected by at least one of the third voltage sensors and the voltage drop in the converter, and the calculated output of the fuel cell And a control unit that performs voltage control in the fuel cell system based on the voltage.

このように構成された燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池からの出力電圧は第１の電圧センサによって検知（モニタリング）され、制御部がその検知（検出）信号に基づいて、燃料電池に接続されたコンバータやバッテリ等を制御し、負荷装置への電力供給やバッテリの充放電が適切に行われる。一方、第１の電圧センサが故障したり動作不良になったりして、燃料電池の出力電圧が検知されなくなった場合には、コンバータからの出力電圧を検知する第２の電圧センサ、及び、インバータへの入力電圧を検知する第３の電圧センサによって検知された電圧の少なくとも何れか一方に基づいて、電圧制御が行われる。 In the fuel cell system configured as described above, the output voltage from the fuel cell is normally detected (monitored) by the first voltage sensor, and the control unit is connected to the fuel cell based on the detection (detection) signal. The converter, the battery, and the like thus controlled are controlled to appropriately supply power to the load device and charge / discharge the battery. On the other hand, when the output voltage of the fuel cell is no longer detected due to failure or malfunction of the first voltage sensor, the second voltage sensor for detecting the output voltage from the converter, and the inverter Voltage control is performed based on at least one of the voltages detected by the third voltage sensor that detects the input voltage to the.

すなわち、第２の電圧センサによって検出されるコンバータからの出力電圧は、そのコンバータに入力される燃料電池からの出力電圧と相関する。また、第３の電圧センサによって検出されるインバータへの入力電圧は、バッテリからの電力供給がない場合にはコンバータからの出力電圧と略同等であり、バッテリからの電力供給がある場合には、コンバータからの出力電圧にバッテリからの出力電圧を加えたものと略同等であるから、燃料電池の出力電圧と相関する。よって、それらによって検知された電圧に、コンバータにおける降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）を考慮（補正）することにより、燃料電池の出力電圧を適正に算出（推定）することができる。 That is, the output voltage from the converter detected by the second voltage sensor correlates with the output voltage from the fuel cell input to the converter. Further, the input voltage to the inverter detected by the third voltage sensor is substantially the same as the output voltage from the converter when there is no power supply from the battery, and when there is power supply from the battery, Since it is substantially the same as the output voltage from the converter plus the output voltage from the battery, it correlates with the output voltage of the fuel cell. Therefore, the output voltage of the fuel cell can be appropriately calculated (estimated) by considering (correcting) the voltage drop detected by them in consideration of the voltage drop in the converter (for example, obtained from the DC resistance and current).

したがって、本発明によれば、第１の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を検知することができなくなった場合でも、別の第２の電圧センサ及び／又は第３の電圧センサによって燃料電池の出力電圧を把握することが可能となり、これにより、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ（電圧）制御を実現することができる。その結果、例えば、燃料電池に接続されたコンバータの動作不良が生じた際のバッテリからの過放電を確実に抑止することができ、また、コンバータが正常に動作しており且つ第１の電圧センサの故障が生じた場合には、コンバータを停止してバッテリ駆動へ移行することなく、定常運転を続行（継続）することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, even when the output voltage of the fuel cell cannot be detected by the first voltage sensor, the output of the fuel cell is output by another second voltage sensor and / or the third voltage sensor. It becomes possible to grasp the voltage, and thus, proper fail-safe (voltage) control in the fuel cell system can be realized. As a result, for example, it is possible to reliably suppress overdischarge from the battery when a malfunction of the converter connected to the fuel cell occurs, and the converter is operating normally and the first voltage sensor When this failure occurs, it is possible to continue (continue) the steady operation without stopping the converter and shifting to battery driving.

本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。1 is a system configuration diagram schematically showing a configuration of a preferred embodiment of a fuel cell system of the present invention. 図１に示す燃料電池システムにおける制御を実施する手順の一例（一部）を示すフロー図である。It is a flowchart which shows an example (part) of the procedure which implements control in the fuel cell system shown in FIG.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

図１は、本発明の燃料電池システムの好適な一実施形態の構成を概略的に示すシステム構成図である。ＦＣＨＶシステム１００（燃料電池システム）は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものである。負荷装置１３０には、負荷インバータ１４０（負荷駆動用インバータ）が接続されており、燃料電池１１０と負荷インバータ１４０の間にＦＣコンバータ１５０（燃料電池用コンバータ）が設けられるとともに、バッテリ１２０とインバータ１４０の間にバッテリコンバータ１８０が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０（バッテリ用コンバータ）とを接続する配線ラインには、補機１９０に接続された補機インバータ１７０が接続されている。 FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing the configuration of a preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention. The FCHV system 100 (fuel cell system) has a load device 130 connected to a fuel cell 110 and a battery 120. A load inverter 140 (load drive inverter) is connected to the load device 130, an FC converter 150 (fuel cell converter) is provided between the fuel cell 110 and the load inverter 140, and the battery 120 and the inverter 140 are connected. Between the two, a battery converter 180 is provided. An auxiliary inverter 170 connected to the auxiliary machine 190 is connected to a wiring line connecting the FC converter 150 and the battery converter 180 (battery converter).

ここで、燃料電池１１０は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックを備えている。この燃料電池１１０では、アノード極において下記式（１）で表される水素の酸化反応が生じ、且つ、カソード極において下記式（２）で表される酸素の還元反応が生じる結果、燃料電池１１０全体としては下記式（３）式で表される起電反応（電池反応）が生起される。 Here, the fuel cell 110 includes a solid polymer electrolyte cell stack in which a plurality of unit cells are stacked in series. In this fuel cell 110, a hydrogen oxidation reaction represented by the following formula (1) occurs in the anode electrode, and an oxygen reduction reaction represented by the following formula (2) occurs in the cathode electrode. As a whole, an electromotive reaction (battery reaction) represented by the following formula (3) occurs.

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３） H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
(1/2) O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (2)
H ₂ + (1/2) O ₂ → H ₂ O (3)

単位セルは、高分子電解質膜等を燃料極及び空気極の２つの電極で挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）が、燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟持された構造を有している。また、一般に、アノード極は、アノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであり、カソード極は、カソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものである。 The unit cell has a structure in which a membrane electrode assembly (MEA) in which a polymer electrolyte membrane is sandwiched between two electrodes, a fuel electrode and an air electrode, is sandwiched by a separator for supplying fuel gas and oxidizing gas. doing. In general, the anode electrode is formed by providing an anode electrode catalyst layer on a porous support layer, and the cathode electrode is formed by providing a cathode electrode catalyst layer on a porous support layer. is there.

燃料電池１１０には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び、冷却液を提供する系統（いずれも図示せず；それらの一部は補機１９０に含まれる）が設けられており、後述するコントローラ１６０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御され、これにより、燃料電池１１０から所望の電力を出力させるように構成されている。 The fuel cell 110 includes a system for supplying fuel gas to the anode electrode, a system for supplying oxidizing gas to the cathode electrode, and a system for providing a coolant (all not shown; some of them are supplied to the auxiliary machine 190. And the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas are controlled in accordance with a control signal from the controller 160, which will be described later, whereby the desired electric power is output from the fuel cell 110. It is configured.

また、ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１１０の出力電圧を制御する役割を担っており、一次側（入力側；燃料電池１１０側）に入力された燃料電池１１０の出力電圧を、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧又は降圧）して二次側（出力側；負荷インバータ１４０側）へ出力し、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へ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１１０の出力電圧が例えば負荷装置１３０の消費電力に応じた所望の電圧となるように制御される。 Further, the FC converter 150 plays a role of controlling the output voltage of the fuel cell 110, and the output voltage of the fuel cell 110 input to the primary side (input side; fuel cell 110 side) is a voltage different from the primary side. Converted into a value (step-up or step-down) and output to the secondary side (output side; load inverter 140 side). Conversely, the voltage input to the secondary side is converted to a voltage different from the secondary side. This is a bidirectional voltage converter that outputs to the primary side. The FC converter 150 controls the output voltage of the fuel cell 110 to be a desired voltage according to the power consumption of the load device 130, for example.

このＦＣコンバータ１５０の構成や種類は特に制されず、例えば、三相運転方式が採用されたものであり、より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相から構成された三相ブリッジ形コンバータを好ましく用いることができる。その三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされたものである。 The configuration and type of the FC converter 150 are not particularly limited. For example, a three-phase operation method is adopted, and more specifically, a three-phase bridge composed of a U phase, a V phase, and a W phase. A shape converter can be preferably used. The circuit configuration of the three-phase bridge converter is a combination of an inverter-like circuit part that once converts the input DC voltage into AC and a part that rectifies the AC again and converts it to a different DC voltage. is there.

また、バッテリ１２０は、図１に示す如く、負荷装置１３０に対して燃料電池１１０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又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ等として機能する。このバッテリ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を好ましく用いることができる。 Further, as shown in FIG. 1, the battery 120 is connected in parallel to the fuel cell 110 with respect to the load device 130, and is a surplus power storage source, a regenerative energy storage source during regenerative braking, a fuel cell vehicle acceleration or It functions as an energy buffer when the load fluctuates due to deceleration. As this battery 120, for example, a secondary battery such as a nickel / cadmium storage battery, a nickel / hydrogen storage battery, or a lithium secondary battery can be preferably used.

さらに、バッテリコンバータ１８０は、負荷インバータ１４０の入力電圧を制御する役割を担っており、負荷インバータ１４０の入力電圧の制御が可能であれば、構成や種類は特に制限されず、例えばＦＣコンバータ１５０と同様の回路構成を有するものが挙げられる。 Further, the battery converter 180 plays a role of controlling the input voltage of the load inverter 140, and the configuration and type are not particularly limited as long as the input voltage of the load inverter 140 can be controlled. The thing with the same circuit structure is mentioned.

また、負荷装置１３０は、例えば車両であって、その車両の主動力となり且つ車両の減速時に回生電力を発生するトラクションモータ１３１と、そのトラクションモータ１３１に接続されており且つその高速回転を所定の回転数に減速するための減速装置であるディファレンシャル１３２、及び、そのディファレンシャル１３２のシャフトに接続されたタイヤ１３３を有している。なお、シャフトには図示しない車輪速センサ等が設けられており、これにより当該車両の車速等が検知される。 Further, the load device 130 is, for example, a vehicle, which is a main motive power of the vehicle and generates regenerative electric power when the vehicle is decelerated, and is connected to the traction motor 131 and is rotated at a predetermined speed. It has a differential 132 that is a reduction device for decelerating to the rotational speed, and a tire 133 connected to the shaft of the differential 132. The shaft is provided with a wheel speed sensor or the like (not shown), thereby detecting the vehicle speed of the vehicle.

さらに、その負荷装置１３０に接続された負荷インバータ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、後述するコントローラ１６０からの制御指令に従って、燃料電池１１０又はバッテリ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。 Further, the load inverter 140 connected to the load device 130 is, for example, a PWM inverter driven by a pulse width modulation method, and a direct current output from the fuel cell 110 or the battery 120 in accordance with a control command from the controller 160 described later. The electric power is converted into three-phase AC power, and the rotational torque of the traction motor 131 is controlled.

また、燃料電池１１０とＦＣコンバータ１５０の間（一次側；燃料電池１１０側）には、燃料電池１１０の出力電圧（ＦＣコンバータ１５０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１１（第１の電圧センサ）が設けられている。また、ＦＣコンバータ１５０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるＦＣコンバータ１５０寄り（二次側）には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を検知するための電圧センサ１２（第２の電圧センサ）が設けられるとともに、その配線ラインにおける負荷インバータ１４０寄りには、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知するための電圧センサ１３（第３の電圧センサ）が設けられている。 Further, a voltage sensor 11 (first output) for detecting the output voltage of the fuel cell 110 (the input voltage to the FC converter 150) is provided between the fuel cell 110 and the FC converter 150 (primary side; the fuel cell 110 side). Voltage sensor). Further, a voltage sensor 12 (second voltage sensor) for detecting the output voltage of the FC converter 150 is provided near the FC converter 150 (secondary side) in the wiring line connecting the FC converter 150 and the load inverter 140. In addition, a voltage sensor 13 (third voltage sensor) for detecting the input voltage to the load inverter 140 is provided near the load inverter 140 in the wiring line.

さらに、バッテリ１２０とバッテリコンバータ１８０の間（一次側；バッテリ１２０側）には、バッテリ１２０の出力電圧（バッテリコンバータ１８０への入力電圧）を検知するための電圧センサ１４が設けられている。またさらに、バッテリコンバータ１８０と負荷インバータ１４０とを結ぶ配線ラインにおけるバッテリコンバータ１８０寄り（二次側）には、バッテリコンバータ１８０の出力電圧を検知するための電圧センサ１５が設けられている。 Further, a voltage sensor 14 for detecting the output voltage of battery 120 (input voltage to battery converter 180) is provided between battery 120 and battery converter 180 (primary side; battery 120 side). Furthermore, a voltage sensor 15 for detecting the output voltage of the battery converter 180 is provided near the battery converter 180 (secondary side) in the wiring line connecting the battery converter 180 and the load inverter 140.

それらの電圧センサ１１〜１５は、コントローラ１６０（制御部）に接続されており、各電圧センサ１１〜１５による電圧検知信号（電圧測定値）がコントローラ１６０に入力されることにより、燃料電池１１０の出力電圧等が、コントローラ１６０によって定常的に検知（モニタリング、監視）される。 The voltage sensors 11 to 15 are connected to the controller 160 (control unit), and voltage detection signals (voltage measurement values) from the voltage sensors 11 to 15 are input to the controller 160, so that the fuel cell 110. The output voltage and the like are constantly detected (monitored and monitored) by the controller 160.

このコントローラ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（図示せず）を備えている。コントローラ１６０には、上述した電圧センサ１１〜１５の他、例えばアクセル開度の測定センサ、車速センサ、燃料電池１１０の出力電流や出力端子電圧を測定するセンサ等を含むセンサ群が接続されており、入力された各種の検知信号に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力（システム全体の要求電力）が求められる。なお、図示の都合上、電圧センサ１１〜１５を除く各種センサとコントローラ１６０とを結ぶ配線ラインについては記載を省略した。 The controller 160 is a computer system for controlling the FCHV system 100 and includes, for example, a CPU, a RAM, a ROM, and the like (not shown). In addition to the voltage sensors 11 to 15 described above, the controller 160 is connected to a sensor group including, for example, an accelerator opening measurement sensor, a vehicle speed sensor, a sensor that measures the output current and output terminal voltage of the fuel cell 110, and the like. Based on the various input detection signals, the required power of the load device 130 and the auxiliary machine 190 (required power of the entire system) is obtained. For the convenience of illustration, the wiring lines connecting various sensors other than the voltage sensors 11 to 15 and the controller 160 are not shown.

この負荷装置１３０が車両の場合、その要求電力は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値となる。この場合、車両走行電力には、車両走行に必要な装置（例えば変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、及び、乗員空間内に配設される装置（例えば空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。また、車両に搭載される補機１９０としては、加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等が挙げられ、補機電力は、それらによって消費される電力となる。 When the load device 130 is a vehicle, the required power is, for example, the total value of the vehicle travel power and the auxiliary machine power. In this case, the vehicle travel power includes power consumed by devices necessary for vehicle travel (for example, a transmission, a wheel control device, a steering device, a suspension device, and the like), and a device disposed in the passenger space (for example, Power consumed by an air conditioner, lighting equipment, audio, etc.). Moreover, as the auxiliary machine 190 mounted in a vehicle, a humidifier, an air compressor, a hydrogen pump, a cooling water circulation pump, etc. are mentioned, Auxiliary machine electric power turns into electric power consumed by them.

ここで、図２は、ＦＣＨＶシステム１００における特徴的な制御を実施する手順の一例の一部を示すフロー図である。上述の如く、ＦＣＨＶシステム１００において、燃料電池１１０の出力電圧は、電圧センサ１１によって定常的に検知（モニタリング）されており、その検知信号がコントローラ１６０に入力・処理され、コントローラ１６０は、その値に基づいて（基準として）ＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を適切に実行する。 Here, FIG. 2 is a flowchart showing a part of an example of a procedure for performing characteristic control in the FCHV system 100. As described above, in the FCHV system 100, the output voltage of the fuel cell 110 is constantly detected (monitored) by the voltage sensor 11, and the detected signal is input and processed to the controller 160. Based on (as a reference), the control related to the power (voltage and current) in the FCVH system 110 is appropriately executed.

しかし、電圧センサ１１が故障してしまうと、燃料電池１１０からの出力電圧を直接的に検知することができなくなってしまう。かかる場合、ＦＣＨＶシステム１００では、以下のとおり、燃料電池１１０の出力電圧を推定して、定常的な運転制御を継続する。すなわち、コントローラ１６０は、燃料電池１１０の出力電圧の検知信号が電圧センサ１１から送出されているか否かを監視し、電圧センサ１１の故障が生じたか否かを判定するステップＳ１０１を定常的に実施する。 However, if the voltage sensor 11 fails, the output voltage from the fuel cell 110 cannot be directly detected. In such a case, the FCHV system 100 estimates the output voltage of the fuel cell 110 as described below, and continues the steady operation control. That is, the controller 160 monitors whether or not the output voltage detection signal of the fuel cell 110 is sent from the voltage sensor 11, and regularly performs step S101 for determining whether or not the voltage sensor 11 has failed. To do.

そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１から検知信号の送出がされていないとき、或いは、されなくなったときに、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったと判断し（ステップＳ１０１：ＹＥＳ）、処理をステップＳ１０２へ移行する。一方、電圧センサ１１からの出力が正常に行われていれば、電圧センサ１１が故障又は動作不良になったとは判断せず（ステップＳ１０１：ＮＯ）、ステップＳ１０２をスキップする。 Then, the controller 160 determines that the voltage sensor 11 has failed or malfunctioned when the detection signal is not sent from the voltage sensor 11 or when it has not been sent (step S101: YES), and the process is performed. The process proceeds to step S102. On the other hand, if the output from the voltage sensor 11 is normally performed, it is not determined that the voltage sensor 11 has failed or malfunctioned (step S101: NO), and step S102 is skipped.

次に、ステップＳ１０２において、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧を検知する電圧センサ１２、及び／又は、負荷インバータ１４０への入力電圧を検知する電圧センサ１３から送出される検知信号から燃料電池１１０の出力電圧を間接的に求める演算を実行する。 Next, in step S <b> 102, the controller 160 detects fuel from the detection signal sent from the voltage sensor 12 that detects the output voltage from the FC converter 150 and / or the voltage sensor 13 that detects the input voltage to the load inverter 140. The calculation which calculates | requires the output voltage of the battery 110 indirectly is performed.

すなわち、電圧センサ１２によって検出されるＦＣコンバータ１５０の出力電圧は、そのＦＣコンバータ１５０に入力される燃料電池１１０の出力電圧と相関する。また、電圧センサ１３によって検出される負荷インバータ１４０への入力電圧は、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がない場合には、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧と略同等であり、或いは、バッテリ１２０及びバッテリコンバータ１８０からの電力供給（電圧出力）がある場合には、ＦＣコンバータ１５０からの出力電圧にバッテリコンバータ１８０からの電圧出力を加えたものと略同等であることから、燃料電池１１０からの出力電圧と相関する。 That is, the output voltage of the FC converter 150 detected by the voltage sensor 12 correlates with the output voltage of the fuel cell 110 input to the FC converter 150. Further, the input voltage to the load inverter 140 detected by the voltage sensor 13 is substantially equal to the output voltage of the FC converter 150 when there is no power supply (voltage output) from the battery 120 and the battery converter 180. Alternatively, when there is power supply (voltage output) from the battery 120 and the battery converter 180, it is substantially equivalent to the output voltage from the FC converter 150 plus the voltage output from the battery converter 180. It correlates with the output voltage from the battery 110.

よって、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の測定値を用いる場合、その電圧センサ１２によって検知された電圧に、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧（例えば直流抵抗と電流から求められる）分を加える補正を施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。 Therefore, when the measured value of the output voltage of the FC converter 150 by the voltage sensor 12 is used, a correction for adding a voltage drop in the FC converter 150 (for example, obtained from DC resistance and current) to the voltage detected by the voltage sensor 12. , The output voltage of the fuel cell 110 can be calculated (estimated).

一方、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値を用いる場合、コントローラ１６０は、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を把握しているので、その比率と負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を逆算し、その逆算値に対して、ＦＣコンバータ１５０における降下電圧分を加える補正を更に施すことにより、燃料電池１１０の出力電圧を算出（推定）することができる。 On the other hand, when the measured value of the input voltage to the load inverter 140 by the voltage sensor 13 is used, the controller 160 knows the ratio between the output voltage of the FC converter 150 and the output voltage of the battery converter 180. From the measured value of the input voltage to the inverter 140, the output voltage of the FC converter 150 is back-calculated, and the output voltage of the fuel cell 110 is further corrected by adding the voltage drop in the FC converter 150 to the back-calculated value. Can be calculated (estimated).

そして、コントローラ１６０は、こうして算定された燃料電池１１０の出力電圧に基づいて、負荷装置１３０及び補機１９０の要求電力に応じたＦＣＶＨシステム１１０における電力（電圧及び電流）に係る制御を行う。 The controller 160 performs control related to the power (voltage and current) in the FCVH system 110 according to the required power of the load device 130 and the auxiliary device 190 based on the output voltage of the fuel cell 110 thus calculated.

換言すれば、ＦＣＨＶシステム１００は、燃料電池１１０とバッテリ１２０に負荷装置１３０が接続されたものであり、それぞれにＦＣコンバータ１５０、バッテリコンバータ１８０、及び負荷インバータ１４０が接続されている。また、ＦＣコンバータ１５０の一次側及び二次側には電圧センサ１１，１２が、負荷インバータ１４０の一次側には電圧センサ１３が、バッテリコンバータ１８０の一次側及び二次側には電圧センサ１４，１５が設けられている。そして、コントローラ１６０は、電圧センサ１１の故障時に、電圧センサ１２，１３からの電圧検知信号を用いて燃料電池１１０の出力電圧を推定し、それに基づいてシステムの電圧制御を実行する。 In other words, the FCHV system 100 includes a fuel cell 110 and a battery 120 connected to a load device 130, to which an FC converter 150, a battery converter 180, and a load inverter 140 are connected. Further, voltage sensors 11 and 12 are provided on the primary side and secondary side of the FC converter 150, a voltage sensor 13 is provided on the primary side of the load inverter 140, and a voltage sensor 14 is provided on the primary and secondary sides of the battery converter 180. 15 is provided. The controller 160 estimates the output voltage of the fuel cell 110 using the voltage detection signals from the voltage sensors 12 and 13 when the voltage sensor 11 fails, and executes system voltage control based on the estimated voltage.

したがって、ＦＣＶＨシステム１１０によれば、電圧センサ１１によって燃料電池１１０の出力電圧を直接的に検知することができなくなった場合でも、電圧センサ１２及び／又は電圧センサ１３によって燃料電池１１０の出力電圧を確実に把握することができ、これにより、ＦＣＶＨシステム１１０における適切なフェールセーフ制御を実現することが可能となる。その結果、例えば、燃料電池１１０に接続されたＦＣコンバータ１５０の動作不良が生じた場合でも、バッテリ１２０からの過放電を確実に抑止することができ、また、ＦＣコンバータ１５０が正常に動作しており且つ電圧センサ１１の故障が生じた場合には、ＦＣコンバータ１５０を停止してバッテリ１２０による駆動運転へ移行することなく、定常運転を継続することができる。 Therefore, according to the FCVH system 110, even when the output voltage of the fuel cell 110 cannot be directly detected by the voltage sensor 11, the output voltage of the fuel cell 110 is adjusted by the voltage sensor 12 and / or the voltage sensor 13. Thus, it is possible to reliably grasp, and thus it is possible to realize appropriate fail-safe control in the FCVH system 110. As a result, for example, even when an operation failure of the FC converter 150 connected to the fuel cell 110 occurs, overdischarge from the battery 120 can be reliably suppressed, and the FC converter 150 operates normally. If the voltage sensor 11 fails, the steady operation can be continued without stopping the FC converter 150 and shifting to the driving operation by the battery 120.

なお、上述したとおり、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ＦＣコンバータ１５０は、ソフトスイッチによって駆動される昇圧コンバータであってもよい。また、図２に示すステップＳ１０２において、電圧センサ１３による負荷インバータ１４０への入力電圧の測定値から、燃料電池１１０の出力電圧を求める場合、電圧センサ１２によるＦＣコンバータ１５０の出力電圧の実測値、及び、電圧センサ１５によるバッテリコンバータ１８０の出力電圧の実測値から、ＦＣコンバータ１５０とバッテリコンバータ１８０の出力電圧の比率を算出しても好適である。 In addition, as above-mentioned, this invention is not limited to said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. For example, the FC converter 150 may be a boost converter driven by a soft switch. 2, when the output voltage of the fuel cell 110 is obtained from the measured value of the input voltage to the load inverter 140 by the voltage sensor 13 in step S102 shown in FIG. 2, the measured value of the output voltage of the FC converter 150 by the voltage sensor 12; It is also preferable to calculate the ratio of the output voltage of the FC converter 150 and the battery converter 180 from the actual value of the output voltage of the battery converter 180 by the voltage sensor 15.

以上説明したとおり、本発明は、燃料電池システムにおける適切なフェールセーフ制御を実現することができるので、燃料電池に接続されたコンバータを有する燃料電池システム全般、それを備える車両、それらを含む機器、システム、設備等、並びに、それらの製造及び使用等に広く且つ有効に利用することができる。 As described above, the present invention can realize appropriate fail-safe control in the fuel cell system, so that the entire fuel cell system having a converter connected to the fuel cell, a vehicle including the same, a device including them, It can be widely and effectively used for systems, facilities, etc., and their production and use.

１１電圧センサ（第１の電圧センサ）
１２電圧センサ（第２の電圧センサ）
１３電圧センサ（第３の電圧センサ）
１４電圧センサ
１５電圧センサ
１００ＦＣＨＶシステム（燃料電池システム）
１１０燃料電池
１２０バッテリ
１３０負荷装置
１３１トラクションモータ
１３２ディファレンシャル
１３３タイヤ
１４０負荷インバータ
１５０ＦＣコンバータ（燃料電池用コンバータ）
１６０コントローラ（制御部）
１７０補機インバータ
１８０バッテリコンバータ（バッテリ用コンバータ）
１９０補機 11 Voltage sensor (first voltage sensor)
12 Voltage sensor (second voltage sensor)
13 Voltage sensor (third voltage sensor)
14 Voltage sensor 15 Voltage sensor 100 FCHV system (fuel cell system)
110 Fuel Cell 120 Battery 130 Load Device 131 Traction Motor 132 Differential 133 Tire 140 Load Inverter 150 FC Converter (Fuel Cell Converter)
160 Controller (control unit)
170 Auxiliary inverter 180 Battery converter (battery converter)
190 Auxiliary machine

Claims

A fuel cell;
A battery capable of charging the power generated by the fuel cell;
A load device connected to the fuel cell and the battery and consuming power from the fuel cell and the battery;
A converter provided between the fuel cell and the load device;
An inverter provided between the converter and the load device;
A first voltage sensor for detecting an output voltage from the fuel cell;
A second voltage sensor for detecting an output voltage from the converter;
A third voltage sensor for detecting an input voltage to the inverter;
When the first voltage sensor is connected to the first voltage sensor, the second voltage sensor, and the third voltage sensor, and the first voltage sensor fails, the second voltage sensor, and The output voltage of the fuel cell is calculated using the voltage detected by at least one of the third voltage sensors and the voltage drop in the converter, and based on the calculated output voltage of the fuel cell, A control unit for performing voltage control in the fuel cell system;
A fuel cell system comprising: