JP2017135860A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】補機の低応答性による回生電力の消費遅れを防止する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池と並列に接続される二次電池と、燃料電池と二次電池の少なくとも一方からの電力によって駆動され、回生動作が可能な駆動モータと、駆動モータからの回生電力を消費できる補機と、バッテリセンサと温度センサとを有し、バッテリセンサで測定された二次電池の電流およびＳＯＣと、温度センサで測定された二次電池の温度とを用いて二次電池のバッテリ負荷を検出する検出部と、検出部によって検出された検出値を用いて、駆動モータからの回生電力を二次電池への充電電力と補機の消費電力に分配する制御部と、を備える。制御部は、二次電池への充電電力が、予め定めた充電電力閾値よりも高く、かつ、二次電池のバッテリ負荷が予め定めたバッテリ負荷閾値に達した際に、補機による回生電力の消費動作を開始する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池車等の移動体に搭載される燃料電池システムに関するものである。

従来から、車両に搭載される燃料電池システムでは、駆動モータからの回生電力を二次電池に充電させるように回生制動制御を行っていた。回生電力が二次電池の充電可能な電力を上回った場合には、上回った回生電力を補機に消費させる燃料電池システムが特許文献１によって開示されている。

特開２０１３−９９０８１号公報

ところで、二次電池を保護するため、二次電池への充電の途中に、二次電池の充電可能な電力の上限値に到達して、二次電池への充電電力が過渡的に制限される場合があり、この場合には、回生電力の一部を補機に消費させる必要がある。しかし、燃料電池システム内の補機は応答性が低いため、従来技術では、補機による回生電力の消費遅れが発生し、所望の減速度が得られないという問題があった。上記の問題は、二次電池としてリチウムイオン電池を用いた場合に顕著となる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部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、燃料電池と、前記燃料電池と並列に接続される二次電池と、前記燃料電池と前記二次電池の少なくとも一方からの電力によって駆動され、回生動作が可能な駆動モータと、前記駆動モータからの回生電力を消費できる補機と、バッテリセンサと温度センサとを有し、前記バッテリセンサで測定された前記二次電池の電流およびＳＯＣと、前記温度センサで測定された前記二次電池の温度とを用いて前記二次電池のバッテリ負荷を検出する検出部と前記検出部によって検出された検出値を用いて、前記駆動モータからの回生電力を前記二次電池への充電電力と前記補機の消費電力に分配する制御部と、を備える。前記制御部は、前記二次電池への充電電力が、予め定めた充電電力閾値よりも高く、かつ、前記二次電池のバッテリ負荷が予め定めたバッテリ負荷閾値に達した際に、前記補機による前記回生電力の消費動作を開始する。

この燃料電池システムによれば、駆動モータからの回生電力で充電される二次電池への充電電力が予め定めた充電電力閾値よりも高く、かつ、二次電池のバッテリ負荷が予め定めたバッテリ負荷閾値に達した際に、制御部が補機による回生電力の消費動作を開始するので、従来技術では充電によって二次電池が充電可能な電力の上限値に到達して過渡的な制限がかかるような場合でも、補機の動作が従来よりも前に開始されるため、補機による回生電力の消費遅れを防止することができ、所望の減速度を得ることができる。

本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した車両、車両に搭載される燃料電池システムの制御方法、この制御方法を実行する制御装置、この制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの形態で実現することができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 補機消費要求の制御ブロック図である。 二次電池のバッテリ負荷と入力電流、ＳＯＣおよびバッテリ温度の関係を例示する説明図である。 燃料電池システムの回生動作の一例を示すタイミングチャートである。

図１は、燃料電池システム１０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、ＦＣ昇圧コンバータ１１０と、バッテリコンバータ１２０と、モータ用インバータ１３０と、駆動モータ１４０と、ＡＣＰ用インバータ１６０と、エアコンプレッサ１７０と、二次電池２００と、ＦＣ補機用インバータ２３０と、水素ポンプ２４０と、冷却水ポンプ２５０と、検出部２６０と、制御部３００と、アクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダルセンサ３２０と、車速センサ３３０と、を備える。

燃料電池１００は、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。なお、燃料電池１００としては、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池を採用してもよい。ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、燃料電池１００の出力電圧を駆動モータ１４０で利用可能な高電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。モータ用インバータ１３０は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、駆動モータ１４０に供給する。駆動モータ１４０は、車両の車輪を駆動するモータであり、車両の減速時には回生して回生電力を発生させる。一方、ＡＣＰ用インバータは、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、エアコンプレッサ１７０に供給する。バッテリコンバータ１２０は、燃料電池１００の電圧を降圧して二次電池２００に供給し、あるいは、二次電池２００の電圧を昇圧してモータ用インバータ１３０とＡＣＰ用インバータ１６０に供給する双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。二次電池２００は、燃料電池１００からの電力や、駆動モータ１４０からの回生電力を用いて充電するとともに、駆動モータ１４０や水素ポンプ２４０、冷却水ポンプ２５０を駆動するための電源として機能する。ＦＣ補機用インバータ２３０は、二次電池２００からの直流電圧を交流電圧に変換して、水素ポンプ２４０と冷却水ポンプ２５０に供給する。なお、本実施形態では、エアコンプレッサ１７０と、水素ポンプ２４０と、冷却水ポンプ２５０とは補機に含まれる。検出部２６０は、バッテリセンサ２６１と温度センサ２６２とを備える。バッテリセンサ２６１は二次電池２００の電流、電圧およびＳＯＣを測定し、温度センサ２６２は二次電池２００のバッテリ温度を測定する。ＳＯＣは、満充電状態を１００％、完全放電した状態を０％として、二次電池２００の満充電量に対する残存電力量の割合を示す。検出部２６０は、測定した電流、ＳＯＣおよびバッテリ温度の値を用いて、二次電池２００のバッテリ負荷（後述）を検出することができる。また、検出部２６０は、測定したＳＯＣおよびバッテリ温度の値を用いて、二次電池２００への充電電力閾値を検出することができる。本明細書において、「充電電力」とは、二次電池２００に充電される電力である。

制御部３００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部３００には、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダルの踏込量を検出するブレーキペダルセンサ３２０と、車速を検出する車速センサ３３０とが接続されている。制御部３００は、各種のセンサからの検出信号に応じて、燃料電池システム１０内の各部の動作を制御する。図１では、制御部３００から一部の回路への信号経路が破線で描かれている。制御部３００は、駆動モータ１４０が発生した回生電力を二次電池２００に充電する充電処理を行う。本明細書において、「回生電力」とは、回生制動において運転者が要求した制動力を得るための要求回生電力である。この時の回生電力は、車速と、アクセルペダルの踏込量と、ブレーキペダルの踏込量とに応じて算出される。また、制御部３００は、二次電池２００への充電が過渡的に制限される場合には、回生電力を二次電池２００への充電電力と補機の消費電力に分配する。この際、制御部３００は、回生電力の一部を補機で消費すべきか否か（「補機消費要求」と呼ぶ）を以下のように決定する。

図２は、回生時の補機消費要求の有無を決定する判断の等価論理回路４００を示すブロック図である。等価論理回路４００は、２入力アンド要素４１０，４２０，４３０と、３入力オア要素４４０とを有している。ここで使用するフラグは以下の通りである。
（１）制動要求フラグＦｒｑ：アクセルペダルとブレーキペダルの踏込量又はその変化から、制動が必要と判断された時は１、制動が不要と判断された時は０になるフラグ。
（２）車速判定フラグＦｖ：車速Ｖが予め定めた車速閾値Ｖｔｈ以上の時は１、車速閾値Ｖｔｈより小さい時は０になるフラグ。
（３）ＳＯＣ判定フラグＦｓ：二次電池２００のＳＯＣが予め定めたＳＯＣ閾値ＳＯＣｔ以上の時は１、ＳＯＣ閾値ＳＯＣｔより小さい時は０になるフラグ。ＳＯＣ閾値ＳＯＣｔは、二次電池２００のＳＯＣがこの閾値ＳＯＣｔ以上の場合には、二次電池２００が満充電状態に近いので、補機による回生電力の消費動作を要求すべきものと判断するための閾値である。
（４）充電電力判定フラグＦｗａ：二次電池２００への充電電力Ｗｉｎが予め定めた第１のＷｉｎ閾値Ｗａ以上の時は１、第１のＷｉｎ閾値Ｗａより小さい時は０になるグラフ。第１のＷｉｎ閾値Ｗａは、充電電力Ｗｉｎがこの閾値Ｗａ以上の場合には、要求制動力を満たすための回生電力が大きいため、補機による回生電力の消費動作を要求すべきものと判断するための閾値である。
（５）バッテリ負荷判定フラグＦｄ：二次電池２００のバッテリ負荷Ｌが予め定めた負荷閾値Ｌｂ以上の時は１、負荷閾値Ｌｂより小さい時は０になるフラグ。バッテリ負荷については後述する。なお、負荷閾値Ｌｂは、バッテリ負荷判定フラグＦｄが０から１に立ち上がるタイミングが、充電電力判定フラグＦｗａが０から１に立ち上がるタイミングよりも早くなるように設定しておくことが好ましい。
（６）充電電力判定フラグＦｗｂ：二次電池２００への充電電力Ｗｉｎが予め定めた第２のＷｉｎ閾値Ｗｂ以上の時は１、第２のＷｉｎ閾値Ｗｂより小さい時は０になるグラフ。第２のＷｉｎ閾値Ｗｂは、充電電力Ｗｉｎがこの閾値Ｗｂ未満の場合には、要求制動力を満たすための回生電力が小さいため、補機による回生電力の消費動作が不要であると判断するための閾値である。なお、第２のＷｉｎ閾値Ｗｂは第１のＷｉｎ閾値Ｗａよりも小さな値である。２つのＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂは、二次電池２００のＳＯＣとバッテリ温度とに応じて設定するようにしてもよい。この場合に、ＳＯＣが大きいほどＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂが小さくなり、また、バッテリ温度が高いほどＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂが小さくなるように設定を行うことが好ましい。

２入力アンド要素４１０には、制動要求フラグＦｒｑと車速判定フラグＦｖとが入力される。２入力アンド要素４３０には、バッテリ負荷判定フラグＦｄと充電電力判定フラグＦｗｂとが入力される。３入力オア要素４４０には、ＳＯＣ判定フラグＦｓと、充電電力判定フラグＦｗａと、２入力アンド要素４３０の出力Ｑ４３０とが入力される。２入力アンド要素４２０には、２入力アンド要素４１０の出力Ｑ４１０と、３入力オア要素４４０の出力Ｑ４４０が入力されている。２入力アンド要素４２０の出力Ｑ４２０は、補機消費要求の有無を示す値となる。

本実施形態において、例えば、制動要求フラグＦｒｑが１、車速判定フラグＦｖが１、バッテリ負荷判定フラグＦｄが１、および、充電電力判定フラグＦｗｂが１、の四つの条件を同時に満たす場合、２入力アンド要素４１０の出力Ｑ４１０（＝１）と、２入力アンド要素４３０の出力Ｑ４３０（＝１）を受けた３入力オア要素４４０の出力Ｑ４４０（＝１）とが２入力アンド要素４２０に入力される。従って、２入力アンド要素４２０の出力Ｑ４２０は、補機消費要求を示す値（＝１）となる。

図３は、二次電池２００のバッテリ負荷Ｌと入力電流Ｉｉｎ、ＳＯＣおよびバッテリ温度Ｔｂの関係を例示する説明図である。図３（ａ）に示すように、バッテリ負荷Ｌは入力電流Ｉｉｎの増加につれて増加する。図３（ｂ）に示すように、バッテリ負荷ＬはＳＯＣの増加につれて増加する。図３（ｃ）に示すように、バッテリ負荷Ｌはバッテリ温度Ｔｂの増加につれて増加する。入力電流ＩｉｎとＳＯＣとバッテリ温度Ｔｂとに応じて決まるバッテリ負荷Ｌは、検出部２６０内に関数やマップ、ルックアップテーブルの形で予め格納されている。

図４は、燃料電池システムの回生動作の一例を示すタイミングチャートである。図４にある実線は、本実施形態におけるアクセルの状態と、駆動要求電力Ｐｉｎと、バッテリ負荷Ｌと、充電電力Ｗｉｎと、補機要求電力Ｐｒｃと、補機消費電力Ｐｃと、要求制動力Ｐｎとの時系列変化を示しており、破線は参考例における時系列変化を示している。ここで「参考例」とは、図２の等価回路から２入力アンド要素４３０を省略した制御動作を意味している。

時刻Ｔ０では、運転者はアクセルを踏み込んでおり、正の駆動要求電力Ｐｉｎに応じて駆動モータ１４０が駆動される。この時、燃料電池１００が動作しているため、補機の消費電力Ｐｃは一定である。その後、運転者がアクセルペダルの踏込量を低下させると、時刻Ｔ１において要求制動力Ｐｎが発生する。なお、要求制動力Ｐｎは、駆動要求電力Ｐｉｎが負である場合の絶対値と同じものである。この時、駆動モータ１４０で発生した回生電力は、二次電池２００に充電される。時刻Ｔ１以降は、ブレーキペダルの踏込量（図示省略）の増加に応じて要求制動力Ｐｎが増加し、充電電力Ｗｉｎが増加する。また、二次電池２００への充電が継続するとバッテリ負荷Ｌが徐々に増大する。なお、時刻Ｔ１以降は、燃料電池１００の発電が停止しているため、補機の消費電力Ｐｃが０となっている。

破線で示す参考例では、時刻Ｔ３において、充電電力Ｗｉｎが第１のＷｉｎ閾値Ｗａに達した時、制御部３００が補機を立ち上げ、回生電力の一部を補機に消費させる。しかし、補機の応答性が低いため、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、補機による回生電力の消費遅れが生じる。すなわち、補機消費電力Ｐｃ（補機が実際に消費する電力）が補機要求電力Ｐｒｃ（回生電力に応じて要求された補機の消費電力）に達するまでに時間遅れがある。このため、駆動モータ１４０の回生が抑制され、要求制動力Ｐｎを満足できない場合がある。

本実施形態では、時刻Ｔ３よりも早い時刻Ｔ２において、充電電力Ｗｉｎが第２のＷｉｎ閾値Ｗｂよりも高く、かつ、バッテリ負荷Ｌが負荷閾値Ｌｂに達した際に、制御部３００が補機を立ち上げ、駆動モータ１４０からの回生電力の一部を補機に消費させる。時刻Ｔ３に到達した際には、補機消費電力Ｐｃがすでに補機要求電力Ｐｒｃに達している。これにより、補機の低応答性による回生電力の消費遅れが生じず、駆動モータ１４０の回生動作がスムーズに行われ、要求制動力Ｐｎを満足することができる。

以上のように、本実施形態では、駆動モータ１４０からの回生電力で充電される二次電池２００への充電電力Ｗｉｎが第２のＷｉｎ閾値Ｗｂよりも高く、かつ、二次電池２００のバッテリ負荷Ｌが負荷閾値Ｌｂに達した際に、制御部３００が補機による回生電力の消費動作を開始するので、補機の動作が従来よりも前に開始される。この結果、補機による回生電力の消費遅れを防止することができ、所望の減速度や制動力を得ることができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…ＦＣ昇圧コンバータ
１２０…バッテリコンバータ
１３０…モータ用インバータ
１４０…駆動モータ
１６０…ＡＣＰ用インバータ
１７０…エアコンプレッサ
２００…二次電池
２３０…ＦＣ補機用インバータ
２４０…水素ポンプ
２５０…冷却水ポンプ
２６０…検出部
２６１…バッテリセンサ
２６２…温度センサ
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３２０…ブレーキペダルセンサ
３３０…車速センサ
４００…等価論理回路
４１０，４２０，４３０…２入力アンド要素
４４０…３入力オア要素
Ｆｄ…バッテリ負荷判定フラグ
Ｆｒｑ…制動要求フラグ
Ｆｓ…ＳＯＣ判定フラグ
Ｆｖ…車速判定フラグ
Ｆｗａ…充電電力判定フラグ
Ｆｗｂ…充電電力判定フラグ
Ｑ４１０，Ｑ４２０，Ｑ４３０，Ｑ４４０…出力

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池と並列に接続される二次電池と、
   前記燃料電池と前記二次電池の少なくとも一方からの電力によって駆動され、回生動作が可能な駆動モータと、
   前記駆動モータからの回生電力を消費できる補機と、
   バッテリセンサと温度センサとを有し、前記バッテリセンサで測定された前記二次電池の電流およびＳＯＣと、前記温度センサで測定された前記二次電池の温度とを用いて前記二次電池のバッテリ負荷を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出された検出値を用いて、前記駆動モータからの回生電力を前記二次電池への充電電力と前記補機の消費電力に分配する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記二次電池への充電電力が、予め定めた充電電力閾値よりも高く、かつ、前記二次電池のバッテリ負荷が予め定めたバッテリ負荷閾値に達した際に、前記補機による前記回生電力の消費動作を開始する、
   燃料電池システム。

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