JP2017126477A

JP2017126477A - 燃料電池システム及びその制御方法

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Publication number: JP2017126477A
Application number: JP2016004913A
Authority: JP
Inventors: 片野　剛司; Koji Katano; 剛司片野; 今西　雅弘; Masahiro Imanishi; 雅弘今西
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-14
Publication date: 2017-07-20
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: JP6330822B2; US20170207634A1; US10181727B2

Abstract

【課題】燃料電池システム起動時の電力回路の電流を減少させる。【解決手段】燃料電池システムの制御部は、第１リレーがオフであるシステムオフ状態からスタートスイッチがオンにされると、第１プリチャージ回路をオンさせて第１平滑コンデンサと第２平滑コンデンサとの間の電圧差を減少させた後で第１リレーをオンさせる起動動作を実行する。また、起動動作において、第１平滑コンデンサの電圧と第２平滑コンデンサの電圧との差が第１判定値以上であること、及び、第１平滑コンデンサの電圧が第２判定値以上であること、の少なくとも一方を含む判定条件を満たす場合には、第１プリチャージ回路をオンする前に、第２コンバータを用いて第２平滑コンデンサの電圧が第１平滑コンデンサの電圧に近づくように第２平滑コンデンサに充電を行った後に、第１プリチャージ回路をオフからオンに切り換える。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池と、燃料電池に接続されるＦＣ用コンバータと、二次電池と、二次電池に接続される二次電池用コンバータと、を備える車載用の燃料電池システムが記載されている。一般に、ＦＣ用コンバータと二次電池用コンバータは、平滑コンデンサをそれぞれ有している。ＦＣ用コンバータと二次電池用コンバータ間の高電圧配線には、車両の駆動モータが接続されている。また、二次電池用コンバータには、各種の補機が接続されている。

特開２０１５−０９１２０７号公報

上記燃料電池システムにおいて、ＦＣ用コンバータの高圧側にＦＣ用コンバータと燃料電池とを高電圧配線から切り離すリレーを設ける場合がある。このような燃料電池システムでは、燃料電池システムが停止された場合、二次電池用の平滑コンデンサに充電されていた電力は補機により消費されるため、二次電池用の平滑コンデンサの電圧は速やかに低下する。一方、ＦＣ用コンバータの平滑コンデンサは、燃料電池システムの停止時に、リレーによって駆動モータや補機からから切り離されるので、ＦＣ用コンバータの平滑コンデンサの電圧は、二次電池用コンバータの平滑コンデンサに比べて低下し難い。ここで、燃料電池システムが停止後、短時間で再起動される場合、二次電池用コンバータの平滑コンデンサの電圧は低下しているが、ＦＣ用コンバータの平滑コンデンサの電圧が十分に低下していない場合がある。この場合、リレーを接続すると、２つの平滑コンデンサの電位差が大きいため、過度に大きな電流が流れてしまう可能性がある。このような問題は、何らかの理由で２つの平滑コンデンサの間に大きな電圧差が生じる場合に発生する問題である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池及び二次電池と、前記燃料電池に接続され、昇圧用の第１平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータである第１コンバータと、前記第１コンバータと高電圧配線を介して接続されるとともに、前記二次電池と低電圧配線を介して接続され、昇圧用の第２平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータである第２コンバータと、前記高電圧配線に設けられた第１リレーと、リアクトル又は抵抗を含むオン／オフ可能なバイパス通電経路として構成され、前記第１リレーと並列に接続された第１プリチャージ回路と、前記第１平滑コンデンサの電圧を測定する第１電圧センサ及び前記第２平滑コンデンサの電圧を測定する第２電圧センサと、前記燃料電池システムのオン／オフを切り換えるスタートスイッチと、制御部と、を備える。前記制御部は、前記第１リレーがオフであるシステムオフ状態から前記スタートスイッチがオンにされると、前記第１プリチャージ回路をオンさせて前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサとの間の電圧差を減少させた後で前記第１リレーをオンさせる起動動作を実行する。また、前記起動動作において、前記第１平滑コンデンサの電圧と前記第２平滑コンデンサの電圧を取得し、前記第１平滑コンデンサの電圧と前記第２平滑コンデンサの電圧との差が第１判定値以上であること、及び、前記第１平滑コンデンサの電圧が第２判定値以上であること、の少なくとも一方を含む判定条件を満たす場合には、前記第１プリチャージ回路をオンする前に、前記第２コンバータを用いて前記第２平滑コンデンサの電圧が前記第１平滑コンデンサの電圧に近づくように前記第２平滑コンデンサに充電を行った後に、前記第１プリチャージ回路をオフからオンに切り換える。
この形態によれば、第１プリチャージ回路をオンする前に、第２コンバータを用いて第２平滑コンデンサの電圧が第１平滑コンデンサの電圧に近づくように第２平滑コンデンサに充電を行った後に、第１プリチャージ回路をオフからオンに切り換えるので、第１プリチャージ回路をオンにしたときに第１プリチャージ回路に流れる電流を少なくでき、過度に大きな電流が流れることを防止できる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第１プリチャージ回路は、前記第１プリチャージ回路のオン／オフを切り換えるプリチャージ回路用リレーを有しており、前記制御部は、前記起動動作において、前記第２平滑コンデンサの充電によって前記第２電圧センサで測定された前記第２平滑コンデンサの電圧が、前記第１電圧センサで測定された前記第１平滑コンデンサの電圧よりも予め定められた閾値以上大きくなった場合に、前記プリチャージ回路用リレーをオフからオンに切り換えてもよい。
一般に、大容量のリレーは極性を有しているものが多く、オフからオンなるときに流れる電流の向きとリレーの極性とが対応していると、リレーを小型化または簡略化できる。本実施形態によれば、制御部は、第２電圧センサで測定された第２平滑コンデンサの電圧が第１電圧センサで測定された第１平滑コンデンサの電圧よりも予め定められた差分以上大きくなった場合に、第１のプリチャージ回路をオフからオンに切り換えるので、第１プリチャージ回路がオフからオンになったときにプリチャージ回路用リレーに流れる電流の方向は一方向に限定される。その結果、プリチャージ回路用リレーを小型化または簡略化でき、第１プリチャージ回路を小さくできる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、更に、前記低電圧配線に設けられた第２リレーと、前記第２リレーと並列に接続された第２プリチャージ回路と、を備え、前記第２コンバータは、更に、前記低電圧配線側に降圧用の第３平滑コンデンサを備え、前記制御部は、前記起動動作において、前記第２平滑コンデンサを充電する前に、前記第２プリチャージ回路を介して前記二次電池を用いて前記第３平滑コンデンサを充電してもよい。
この形態によれば、第２平滑コンデンサを充電する前に、第２プリチャージ回路をオンして第３平滑コンデンサを充電するので、第２平滑コンデンサを充電するときに過大な電流が流れることを防止できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムを備えた車両、移動体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの電力回路の概略構成を示す説明図。燃料電池システムの電力回路の基本的な起動動作を示すフローチャート。スタートスイッチがオフにされた後の経過時間と、第１平滑コンデンサの電圧と、第２平滑コンデンサの電圧との関係を示すグラフ。第１実施形態における起動動作を示すフローチャート。図４のフローチャートに従った電力回路の起動動作を示すタイミングチャート。第２の実施形態における起動動作を示すフローチャート。第３の実施形態の燃料電池システムを示す説明図。第３実施形態の電力回路の起動動作を示すフローチャート。第４の実施形態の燃料電池システムを示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、燃料電池システム１０の電力回路の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、高電圧配線１１０と、第１コンバータ１２０と、第１プリチャージ回路１３０と、二次電池２００と、低電圧配線２１０と、第２コンバータ２２０と、インバータ３００と、駆動モータ３１０と、高電圧補機３２０（図では、「ＨＶ補機」）と、低電圧補機３３０（図では「ＬＶ補機」）と、制御部４００と、スタートスイッチ４１０を備える。第１コンバータ１２０と第２コンバータ２２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータである。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて直流の電力を発生させる発電装置である。燃料電池１００は、第１コンバータ１２０と接続されている。

第１コンバータ１２０は、燃料電池１００の電圧を昇圧して高電圧配線１１０に送る非絶縁型チョッパ方式のコンバータであり、リアクトルＬ１と、ダイオードＤ１と、スイッチＳＷ１と、昇圧用の第１平滑コンデンサＣ１（「ＦＤＣコンデンサＣ１」とも呼ぶ。）を備える。スイッチＳＷ１は、例えば、ＩＧＢＴなどの半導体素子で形成されている。第１平滑コンデンサＣ１には、第１平滑コンデンサＣ１の電圧を検知する第１電圧センサ１２５が設けられている。燃料電池１００の出力電圧は、第１コンバータ１２０によって昇圧され、高電圧配線１１０に送られる。

高電圧配線１１０は、高電位側配線１１０ａと低電位側配線１１０ｂを備え、第２コンバータ２２０に接続されている。高電位側配線１１０ａは、リレーＲＬ１ａ（第１リレー）を有し、低電位側配線１１０ｂは、リレーＲＬ１ｂを有する。なお、低電位側配線１１０ｂのリレーＲＬ１ｂは省略しても良い。

第１プリチャージ回路１３０は、リアクトルＬ３と、リアクトルＬ３と直列に接続されたリレーＲＬ３（プリチャージ回路用リレー）を備える。リレーＲＬ３は、後述するプリチャージが行われるときのみオンとされ、それ以外は常時オフ状態にある。第１プリチャージ回路１３０は、リレーＲＬ１ａ（第１リレー）と並列に高電位側配線１１０ａに接続されている。すなわち、この第１プリチャージ回路１３０は、リアクトルＬ３を含むバイパス通電経路として構成されている。

インバータ３００は、高電圧配線１１０のリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂよりも第２コンバータ２２０側に接続されている。インバータ３００は、燃料電池１００から供給された直流の電力を、例えば３相交流の電力に変換し、駆動モータ３１０に供給する。駆動モータ３１０は、移動体の車輪（図示せず）を駆動するモータである。高電圧配線１１０のリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂよりも第２コンバータ２２０側には、高電圧補機３２０が接続されている。ここで、高電圧補機３２０には、燃料電池１００にエアを供給するエアコンプレッサ（図示せず）が含まれる。なお、本実施形態では、エアコンプレッサが直流駆動されるとして、高電圧配線１１０に、高電圧補機３２０を接続しているが、エアコンプレッサが交流駆動される場合には、高電圧配線１１０と高電圧補機３２０（エアコンプレッサ）との間に、インバータを備えても良い。

二次電池２００は、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などで構成されている。二次電池２００は、低電圧配線２１０を介して、第２コンバータ２２０に接続されている。

低電圧配線２１０は、高電位側配線２１０ａと低電位側配線２１０ｂを備える。低電圧配線２１０には、低電圧補機３３０が接続されている。ここで、低電圧補機３３０には、燃料電池１００に燃料ガスを供給するときに用いられるインジェクターや燃料系の各種バルブを動作させるモータ（図示せず）が含まれる。

第２コンバータ２２０は、低電圧配線２１０（二次電池２００）の電圧を昇圧して高電圧配線１１０に送る機能と、高電圧配線１１０の電圧を降圧して、低電圧配線２１０（二次電池２００）に送る機能と、を有する。すなわち、双方向の電圧変換を行うことができる。第２コンバータ２２０は、非絶縁型チョッパ方式のコンバータであり、リアクトルＬ２と、ダイオードＤ２，Ｄ３と、降圧用のスイッチＳＷ２と昇圧用のスイッチＳＷ３と、昇圧用の第２平滑コンデンサＣ２（ＰＣＵコンデンサＣ２とも呼ぶ）と、降圧用の第３平滑コンデンサＣ３と、を備える。第２平滑コンデンサＣ２には、第２平滑コンデンサＣ２の電圧を検知する第２電圧センサ２２５が設けられている。

制御部４００は、燃料電池システム１０の構成部品の制御を行う。例えば、制御部４００は、第１電圧センサ１２５を用いて第１平滑コンデンサＣ１の電圧を取得し、第２電圧センサ２２５を用いて第２平滑コンデンサＣ２の電圧を取得し、第２コンバータ２２０や第１プリチャージ回路１３０の動作を制御する。なお、制御部４００は、起動動作専用の専用品であってもよく、他の制御部（ＥＣＵ、図示せず）の機能の一部に含まれていても良い。制御部４００には、スタートスイッチ４１０が接続されている。スタートスイッチ４１０は、燃料電池システム１０を起動または停止するためのスイッチである。

この図１は、スタートスイッチ４１０がオフのシステムオフ状態を示している。スタートスイッチ４１０がオフのとき、高電圧配線１１０のリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂはオフである。また、第１プリチャージ回路１３０のリレーＲＬ３もオフである。第１コンバータ１２０のスイッチＳＷ１及び第２コンバータ２２０のスイッチＳＷ２，ＳＷ３も、オフであるが、オンとされていてもよい。なお、これらのスイッチＳＷ１〜ＳＷ３は、スタートスイッチ４１０がオンになった後の昇圧動作、あるいは、降圧動作のときに、そのオンとオフが制御される。なお、本明細書においては、配線のオン／オフを切り換える切換装置の用語として「リレー」と「スイッチ」を用いているが、これらの用語は、切換装置の種類（電磁継電器や半導体スイッチ）の区別を意味しているのでは無く、単に便宜的に用いた用語である。すなわち、電力配線を継続的にオン状態又はオフ状態とする切換装置を「リレー」と呼び、連続的にオンとオフを切り換える装置を「スイッチ」と呼んでいる。

図２は、燃料電池システム１０の電力回路の基本的な起動動作を示すフローチャートである。ステップＳ１００でスタートスイッチ４１０がオンにされると、ステップＳ２００に移行する。スタートスイッチ４１０がオンにされない場合、ステップＳ１００に戻り、スタートスイッチ４１０がオンにされるのを待機する。ステップＳ２００では、制御部４００は、第１プリチャージ回路１３０を用いて、第１平滑コンデンサＣ１と第２平滑コンデンサＣ２をプリチャージする。このプリチャージによって、２つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２は、ほぼ等しい電圧となる。この動作を行う理由は、プリチャージを行わずにリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂをオンすると、第１平滑コンデンサＣ１と第２平滑コンデンサＣ２の間に大きな電流が流れる可能性があるので、大電流に対応する大きなリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂが必要となるからである。制御部４００は、例えば、２つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧差が予め定められた値以下になった場合、あるいは、第１プリチャージ回路１３０をオンにしてから予め定められた時間が経過した場合には、処理をステップＳ２００からステップＳ３００に切り換える。すなわち、第１プリチャージ回路１３０をオンさせて第１平滑コンデンサＣ１と第２平滑コンデンサＣ２との間の電圧差を減少させた後に、ステップＳ３００に切り換える。ステップＳ３００では、リレーＲＬ３をオフして第１プリチャージ回路１３０をオフし、リレーＲＬ１ａをオンする。ステップＳ４００では、補機３２０，３３０をオンすることによって、燃料電池１００が発電可能な状態に移行させる。

上述した図２の動作において、スタートスイッチ４１０がオンにされたときの第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１と、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は、スタートスイッチ４１０がオフにされてからオンにされるまでの時間により異なる。このため、ステップＳ２００のプリチャージを行う際に、以下に説明するような問題が発生する可能性がある。

図３は、スタートスイッチ４１０がオフにされた後の経過時間と、第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１と、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２との関係を示すグラフである。第２平滑コンデンサＣ２には、ＨＶ補機３２０が接続されているため、スタートスイッチ４１０がオフにされると、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は、速やかに低下する。これに対し、スタートスイッチ４１０がオフにされてリレーＲＬ１ａ，ＲＬ１ｂがオフにされると、第１平滑コンデンサＣ１は、ＨＶ補機３２０から切り離されるので、第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１は、ゆっくりとしか低下しない。したがって、スタートスイッチ４１０のオフ後、再度オンされるまでの時間によっては、第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１と、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２に大きな電圧差ΔＶが生じる。スタートスイッチ４１０のオン後、第１プリチャージ回路１３０のリレーＲＬ３をオンにしてプリチャージを実行する場合、電圧差ΔＶが大きいと、第１プリチャージ回路１３０を介して、過大な電流が流れるおそれがある。そこで、第１実施形態では、以下に説明するように、２つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧に応じて起動動作の手順を変更する。

図４は、第１実施形態における起動動作を示すフローチャートである。図２に示した基本的な起動動作との違いは、ステップＳ１００，Ｓ２００の間にステップＳ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１３０が追加されている点である。

ステップＳ１００でスタートスイッチ４１０がオンされると、ステップＳ１１０で、制御部４００は、第１電圧センサ１２５を用いて第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を取得し、第２電圧センサ２２５を用いて第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を取得する。ステップＳ１２０では、制御部４００は、以下の２つの条件の少なくとも一方が満たされているか否かを判断する。なお、図４のステップＳ１２０の「又は」は、「少なくとも一方」の意味で用いている（図６、図８において同じ）。
（判定条件ｉ）第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１と第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２との差が第１判定値Ｖ１以上である。
ＶＣ１−ＶＣ２≧Ｖ１
（判定条件ｉｉ）第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１が第２判定値Ｖ２以上である。
ＶＣ１≧Ｖ２
なお、図３に例示するようにＶ２≧Ｖ１であり、これらの判定値Ｖ１，Ｖ２は、予め実験等により定められる。後述するように、これらの判定条件ｉ，ｉｉは、そのいずれかが満たされていれば、２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が過度に大きいと判断することが可能な条件として設定されたものである。２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が過度に大きい場合には、第１プリチャージ回路１３０をオンに切り換えると、過大な電流が流れるので、ステップＳ２００のプリチャージを行う前に、後述するステップＳ１３０の処理を実行する。

判定条件ｉは、制御部４００が、２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が過度に大きいことを直接判断できる条件である。図３に示す例では、スタートスイッチ４１０がオフにされた後、時刻ｔ１からｔ３までの間は、判定条件ｉを満たす。なお、図３に示すように、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２は、速やかに降下するので、スタートスイッチ４１０のオフ後、しばらくすると、ＶＣ２≒０となっている場合が多い。したがって、制御部４００は、第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１に関する判定条件ｉｉを満たした場合には、２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が過度に大きいと判断することが可能である。この場合、制御部４００は、第２電圧センサ２２５を用いずに、第１電圧センサ１２５のみで、判断可能である。図３に示す例では、スタートスイッチ４１０がオフにされた後、時刻ｔ２までの間は、判定条件ｉｉを満たす。なお、２つの判定値Ｖ１，Ｖ２を等しく設定すれば、判定条件ｉ，ｉｉは実質的に同じである。従って、ステップＳ１２０の判定条件としては、上述した２つの判定条件ｉ，ｉｉの少なくとも一方を含むものを採用しても良い。

図４のステップＳ１２０において、判定条件ｉ，ｉｉの少なくとも一方を満たす場合には、制御部４００は、ステップＳ１３０に移行し、いずれも満たさない場合には、ステップＳ２００に移行する。

ステップＳ１３０では、制御部４００は、第２コンバータ２２０を用いて、第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１に近づくように第２平滑コンデンサＣ２を充電する。制御部４００は、２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が予め定められた値以下に低下した場合、あるいは、第２平滑コンデンサＣ２を充電し始めてから予め定められた時間が経過した場合、ステップＳ２００に移行する。

ステップＳ２００では、制御部４００は、第１プリチャージ回路１３０を用いてプリチャージを実行する。ステップＳ２００に移行して第１プリチャージ回路１３０がオンされたとき、２つの電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差は十分に小さいため、第１プリチャージ回路１３０には、過大な電流は流れない。また、判定条件ｉ，ｉｉは、これを満たさない場合、第１プリチャージ回路１３０がオンされても、第１プリチャージ回路１３０に過大な電流が流れないように設定されているので、ステップＳ１１０からステップＳ２００に移行して第１プリチャージ回路１３０がオンされても、第１プリチャージ回路１３０には、過大な電流が流れることはない。ステップＳ２００の後は、図２の場合と同様に、ステップＳ３００，Ｓ４００が実行される。

図５は、図４のフローチャートに従った電力回路の起動動作を示すタイミングチャートである。時刻０でスタートスイッチ４１０が、オフからオンにされたとする（ステップＳ１００）。時刻ｔ１１では、制御部４００は、図４のステップＳ１１０，Ｓ１２０を実行して上記判定条件ｉ，ｉｉの少なくとも一方の条件を満たしているか否かを判断する。図５に示す例では、時刻ｔ１１で、上記判定条件ｉ，ｉｉの少なくとも一方を満たしているものとすると、制御部４００は、上述したステップＳ１３０の処理に移行し、第２コンバータ２２０を用いて第２平滑コンデンサＣ２への充電を開始する。

その後、時刻ｔ１２で、制御部４００は、図４のステップＳ２００を実行する。すなわち、リレーＲＬ３と、リレーＲＬ１ｂをオンとして、第１プリチャージ回路１３０を用いたプリチャージを実行する。時刻ｔ１３で、プリチャージが終了すると、制御部４００は、図４のステップＳ３００を実行し、リレーＲＬ３をオフして第１プリチャージ回路１３０をオフし、第１リレーＲＬ１ａをオンする。その後、時刻ｔ１４で、ステップＳ４００を実行し、補機３２０，３３０を動作させ、燃料電池１００を、発電可能とさせる。

本実施形態では、時刻ｔ１３で第１リレーＲＬ１ａをオンし、燃料電池１００を負荷（インバータ３００）に接続した後に、時刻ｔ１４で、補機３２０，３３０を動作させる。この理由は、燃料電池１００をＯＣＶ（開回路電圧）の高い電圧状態にしないようにするためである。燃料電池１００は、反応ガスを供給した状態で電流を引かないとＯＣＶとなり、燃料電池１００を劣化させることが知られている。燃料電池１００を負荷に接続する前に補機３２０，３３０（特にエアコンプレッサ）を動作させてしまうと、燃料電池１００の電圧がＯＣＶとなり、燃料電池１００を劣化させやすい。しかし、本実施形態では、燃料電池１００を負荷に接続してから補機３２０，３３０を動作させているので、燃料電池１００を劣化させにくい。

以上、本実施形態によれば、制御部４００は、スタートスイッチ４１０がオンにされたときに、２つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２が、上記判定条件ｉ，ｉｉのいずれかを満たす場合には、第２コンバータ２２０を用いて第２平滑コンデンサＣ２に充電を行ってから、第１プリチャージ回路１３０をオンして、プリチャージを行う。そのため、第１プリチャージ回路１３０がオンされるときには、２つの平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧ＶＣ１，ＶＣ２の差が十分に小さくなっており、第１プリチャージ回路１３０を通って流れる電流を十分小さくすることができる。また、第１プリチャージ回路１３０を小型化すること可能である。

・第２の実施形態：
図６は、第２の実施形態における起動動作を示すフローチャートである。第２の実施形態の燃料電池システムの構成は、第１の実施形態と同じである。第１の実施形態との違いは、ステップＳ１３０，Ｓ２００の間にステップＳ１４０を追加した点だけである。

ステップＳ１４０では、制御部４００は、第２電圧センサ２２５で測定された第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が、第１電圧センサ１２５で測定された第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１よりも予め定められた閾値ΔＶ５以上大きくなったか否かを判断する。ここで閾値ΔＶ５は、２つの電圧センサ１２５，２２５の誤差を考慮した最悪条件の場合にも測定された電圧差（ＶＣ２−ＶＣ１）が閾値ΔＶ５以上であれば、第２平滑コンデンサＣ２の実際の電圧が、第１平滑コンデンサＣ１の実際の電圧以上となるように設定された値である。

ステップＳ１４０で第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１よりも予め定められた閾値ΔＶ５以上大きい場合には、制御部はステップＳ２００に移行し、満たさない場合には、ステップＳ１３０に戻って充電を継続する。

ステップＳ１４０の条件が満たされた場合には、図４と同様に、ステップＳ２００，Ｓ３００，Ｓ４００が順次実行される。第２実施形態では、ステップＳ１４０からステップＳ２００に移行した場合、第２平滑コンデンサＣ２の実際の電圧の方が第１平滑コンデンサＣ１の実際の電圧よりも高いので、第１プリチャージ回路１３０には、第２平滑コンデンサＣ２から第１平滑コンデンサＣ１に向かう電流が流れる。

図１に示した様に、第１プリチャージ回路１３０ではリレーＲＬ３にリアクトルＬ３が接続されている。リレーＲＬ３として、例えば、電磁開閉器を用いた場合には、リレーＲＬ３がオフからオンになるときには、瞬間的にアーク電流が流れる。一般に、リレーは、極性を有しており、この極性と、リレーがオンした時に瞬間的に流れるアーク電流の向きとを対応させれば、小容量のリレーでもアーク電流によるリレーの故障（例えば溶着）を発生し難くできる。ここで、リレーがオンした時にアーク電流が、両方向に流れる可能性がある場合には、両方向のアーク電流に対応しようとすれば、より大容量のリレーが要求される。一方、第２の実施形態によれば、第２平滑コンデンサＣ２の実際の電圧が第１平滑コンデンサＣ１の実際の電圧よりも高くなってから、リレーＲＬ３をオンして第１プリチャージ回路１３０をオンするので、リレーＲＬ３に流れるアーク電流の向きを一方向にできる。その結果、リレーＲＬ３を小型化でき、第１プリチャージ回路１３０を小さくできる。なお、リレーＲＬ３として半導体リレーを用いた場合も、電流の向きが一方向の場合に、構成を簡略化できる点は同様である。

以上、本実施形態によれば、制御部４００は、第２電圧センサ２２５で測定された第２平滑コンデンサＣ２の電圧ＶＣ２が、第１電圧センサ１２５で測定された第１平滑コンデンサＣ１の電圧ＶＣ１よりも予め定められた閾値ΔＶ５以上大きくなった場合に、第１プリチャージ回路１３０をオフからオンに切り換えるので、リレーＲＬ３に流れる電流の向きを一方向にできる。その結果、リレーＲＬ３を両方向の電流に対応させる必要がないため、電流の向きとリレーＲＬ３の極性を対応させることで、リレーＲＬ３を小型化でき、第１プリチャージ回路１３０を小さくできる。

・第３の実施形態：
図７は、第３の実施形態の燃料電池システム１１を示す説明図である。第１の実施形態の燃料電池システム１０との違いは、低電圧配線２１０の高電位側配線２１０ａにリレーＲＬ２ａ（第２リレー）が追加されている点、低電位側配線２１０ｂにリレーＲＬ２ｂが追加されている点、及びリレーＲＬ２ａと並列に第２プリチャージ回路２３０が追加されている点である。第２プリチャージ回路２３０は、リアクトルＬ４と、リアクトルＬ４に直列に接続されたリレーＲＬ４とを備える。低電位側配線２１０ｂのリレーＲＬ２ｂは省略しても良い。

図８は、第３実施形態の電力回路の起動動作を示すフローチャートである。図４に示した第１の実施形態のフローチャートとの違いは、ステップＳ１００とステップＳ１１０の間にステップＳ１０５を追加した点である。ステップＳ１００でスタートスイッチ４１０がオンにされると、制御部４００は、ステップＳ１０５において、リレーＲＬ２ｂ，ＲＬ４をオンして、第２プリチャージ回路２３０をオンし、第３平滑コンデンサＣ３を充電（プリチャージ）する。制御部４００は、第３平滑コンデンサＣ３の電圧が二次電池１００の電圧とほぼ等しくなった場合、あるいは、第２プリチャージ回路２３０をオンしてから所定時間経過後に、第２プリチャージ回路（リレーＲＬ４）をオフし、リレーＲＬ２ａをオンする。その後、ステップＳ１１０に移行する。第３平滑コンデンサＣ３の電圧が二次電池２００の電圧とほぼ等しくなったか否かは、二次電池２００に設けられている電流センサ（図示せず）の電流値により判断可能である。後のステップの動作は、第１の実施形態と同様である。なお、第３平滑コンデンサＣ３の電圧を測定する電圧センサを設けても良い。

ステップＳ１０５を追加した効果は、以下のとおりである。二次電池２００と第２コンバータ２２０との間にリレーＲＬ２ａ，ＲＬ２ｂが設けられている場合には、仮に、ステップＳ１０５を省略して、ステップＳ１３０においてリレーＲＬ２ａ，ＲＬ２ｂをオンすると共に、第２コンバータ２２０を用いて第２平滑コンデンサＣ２を充電しようとすると、２つの平滑コンデンサＣ２，Ｃ３を充電する際に大きな電流が流れる可能性がある。これに対し、図８のように、ステップＳ１０５で予め第３平滑コンデンサＣ３を充電するようにすれば、ステップＳ１３０における電流を小さくすることが可能である。

第３の実施形態によれば、第２平滑コンデンサＣ２を充電する前に第３平滑コンデンサＣ３を充電するので、第２平滑コンデンサＣ２を充電するときに過大な電流が流れない。また、リレーＲＬ２ａをオンするときに、リレーＲＬ２ａに過大な電流が流れることもない。なお、第１プリチャージ回路１３０をオンしたときに流れる電流を小さくできる効果等については、第１の実施形態と同様である。

・第４の実施形態：
図９は、第４の実施形態の燃料電池システム１２を示す説明図である。第３の実施形態の燃料電池システム１１との違いは、第１プリチャージ回路１３０が低電位側配線１１０ｂに接続されている点、第２プリチャージ回路２３０が低電位側配線２１０ｂに接続されている点、および、高電位側配線１１０ａのリレーＲＬ１ａと高電位側配線２１０ａのリレーＲＬ２ａが省略されている点である。第４の実施形態の燃料電池システム１２においても、第３の実施形態で説明した動作が可能であり、第３の実施形態と同様の効果を有する。

・変形例１：
上述した各実施形態では、第１コンバータ１２０及び第２コンバータ２２０として非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いていたが、この代わりに絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを用いても良い。

・変形例２：
上述した各実施形態では、リアクトルを含むプリチャージ回路１３０、２３０を用いたが、リアクトルに代えて、又は、リアクトルと共に、抵抗を含むプリチャージ回路を用いることにしても良い。換言すれば、リアクトルまたは抵抗を含むオン／オフ可能なバイパス通電経路として構成されたプリチャージ回路を利用可能である。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
１１…燃料電池システム
１２…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…高電圧配線
１１０ａ…高電位側配線
１１０ｂ…低電位側配線
１２０…第１コンバータ
１２５…第１電圧センサ
１３０…第１プリチャージ回路
２００…二次電池
２１０…低電圧配線
２１０ａ…高電位側配線
２１０ｂ…低電位側配線
２２０…第２コンバータ
２２５…第２電圧センサ
２３０…第２プリチャージ回路
３００…インバータ
３１０…駆動モータ
３２０…高電圧補機
３３０…低電圧補機
４００…制御部
４１０…スタートスイッチ
Ｃ１…第１平滑コンデンサ
Ｃ２…第２平滑コンデンサ
Ｃ３…第３平滑コンデンサ
Ｄ１…ダイオード
Ｄ２…ダイオード
Ｄ３…ダイオード
Ｌ１…リアクトル
Ｌ２…リアクトル
Ｌ３…リアクトル
Ｌ４…リアクトル
ＲＬ１ａ…リレー（第１リレー）
ＲＬ１ｂ…リレー
ＲＬ２ａ…リレー（第２リレー）
ＲＬ２ｂ…リレー
ＲＬ３…リレー（プリチャージ回路用リレー）
ＲＬ４…リレー（第４リレー）
ＳＷ１…スイッチ
ＳＷ２…スイッチ
ＳＷ３…スイッチ
Ｖ１…第１判定値
Ｖ２…第２判定値
ΔＶ…電圧差
ＶＣ１…電圧
ＶＣ２…電圧
ｔ１…時刻
ｔ２…時刻
ｔ３…時刻
ｔ１１…時刻
ｔ１２…時刻
ｔ１３…時刻
ｔ１４…時刻

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池及び二次電池と、
前記燃料電池に接続され、昇圧用の第１平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータである第１コンバータと、
前記第１コンバータと高電圧配線を介して接続されるとともに、前記二次電池と低電圧配線を介して接続され、昇圧用の第２平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータである第２コンバータと、
前記高電圧配線に設けられた第１リレーと、
リアクトル又は抵抗を含むオン／オフ可能なバイパス通電経路として構成され、前記第１リレーと並列に接続された第１プリチャージ回路と、
前記第１平滑コンデンサの電圧を測定する第１電圧センサ及び前記第２平滑コンデンサの電圧を測定する第２電圧センサと、
前記燃料電池システムのオン／オフを切り換えるスタートスイッチと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１リレーがオフであるシステムオフ状態から前記スタートスイッチがオンにされると、前記第１プリチャージ回路をオンさせて前記第１平滑コンデンサと前記第２平滑コンデンサとの間の電圧差を減少させた後で前記第１リレーをオンさせる起動動作を実行し、
前記起動動作において、
前記第１平滑コンデンサの電圧と前記第２平滑コンデンサの電圧を取得し、
前記第１平滑コンデンサの電圧と前記第２平滑コンデンサの電圧との差が第１判定値以上であること、及び、前記第１平滑コンデンサの電圧が第２判定値以上であること、の少なくとも一方を含む判定条件を満たす場合には、前記第１プリチャージ回路をオンする前に、前記第２コンバータを用いて前記第２平滑コンデンサの電圧が前記第１平滑コンデンサの電圧に近づくように前記第２平滑コンデンサに充電を行った後に、前記第１プリチャージ回路をオフからオンに切り換える、
燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１プリチャージ回路は、前記第１プリチャージ回路のオン／オフを切り換えるプリチャージ回路用リレーを有しており、
前記制御部は、前記起動動作において、前記第２平滑コンデンサの充電によって前記第２電圧センサで測定された前記第２平滑コンデンサの電圧が、前記第１電圧センサで測定された前記第１平滑コンデンサの電圧よりも予め定められた閾値以上大きくなった場合に、前記プリチャージ回路用リレーをオフからオンに切り換える、燃料電池システム。
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、更に、
前記低電圧配線に設けられた第２リレーと、
前記第２リレーと並列に接続された第２プリチャージ回路と、
を備え、
前記第２コンバータは、更に、前記低電圧配線側に降圧用の第３平滑コンデンサを備え、
前記制御部は、前記起動動作において、前記第２平滑コンデンサを充電する前に、前記第２プリチャージ回路を介して前記二次電池を用いて前記第３平滑コンデンサを充電する、
燃料電池システム。