JP2017147782A - 二次電池切り離し方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リレーの損傷を抑制しつつ二次電池をシステムから円滑に切り離すことが可能な二次電池切り離し方法を提供する。
【解決手段】制御部３０は、二次電池２０の異常を検知する異常検知ステップと、二次電池２０の異常の検知後にバッテリ昇圧コンバータ２２を通した二次電池２０側への電流の流れを遮断する電流遮断ステップと、コンデンサ１７のコンデンサ電圧Ｖｃが二次電池２０の電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓより大きいか否かを判定する電圧判定ステップと、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓより大きいと判定した際に、リレー２１を作動させて二次電池２０を電力供給経路Ｂから切り離す切り離しステップと、を含む無電弧開放制御を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電池切り離し方法に関する。

負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムにおいて、二次電池の異常発生時にリレーを作動させて二次電池と負荷との間の回路を遮断することで、二次電池と補機や走行用モータとを切り離すものがある（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１３／０９９００９号

ところで、リレーを作動させて回路を遮断する場合、走行用モータに対してトルク指令をゼロとしていたとしても、二次電池から走行用モータに電流が流れていると、リレーが損傷するおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、リレーの損傷を抑制しつつ二次電池をシステムから円滑に切り離すことが可能な二次電池切り離し方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の二次電池切り離し方法は、
二次電池から電力供給経路を通して走行用モータに電力を供給可能な電力供給システムにおける前記二次電池の前記電力供給経路からの切り離しを行う二次電池切り離し方法であって、
前記電力供給システムは、
前記二次電池と前記走行用モータとの間の電力供給経路に設けられたコンバータと、
前記電力供給経路における前記コンバータよりも前記走行用モータ側に設けられた蓄電部と、
前記電力供給経路における前記コンバータよりも前記二次電池側に設けられたリレーと、
前記走行用モータ、前記コンバータ及び前記リレーを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記二次電池の異常を検知する異常検知ステップと、
前記二次電池の異常の検知後に前記コンバータを通した前記二次電池側への電流の流れを遮断する電流遮断ステップと、
前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きいか否かを判定する電圧判定ステップと、
前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値以下であると判定した際には前記二次電池の前記電力供給経路からの切り離しは行わない一方で、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きいと判定した際に、前記リレーを作動させて前記二次電池を前記電力供給経路から切り離す切り離しステップと、
を含む無電弧開放制御を行う。

この二次電池切り離し方法によれば、蓄電部の電圧が二次電池の電圧に対して所定値より大きいと、二次電池から走行用モータ側へ電流が流れない。したがって、この状態でリレーを作動させて二次電池を電力供給経路から切り離すことで、リレーによる回路の遮断が無電弧開放とされる。これにより、回路の遮断時に生じるアークによってリレーが溶着して損傷するような不具合を抑制することができる。

本発明の二次電池切り離し方法において、前記制御部は、前記電圧判定ステップにおいて、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値以下であると判定すると、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きくなるまで、前記走行用モータの回生によって前記蓄電部をチャージするチャージステップを行う。

この二次電池切り離し方法によれば、走行用モータの回生によって蓄電部の電圧を高め、蓄電部の電圧を二次電池の電圧に対して所定値より大きくし、二次電池から走行用モータ側へ電流が流れなくすることができる。

本発明の二次電池切り離し方法によれば、リレーの損傷を抑制しつつ二次電池をシステムから円滑に切り離すことができる。

本発明の実施形態に係る二次電池切り離し方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態に係る二次電池切り離し方法における無電弧開放制御を示すフローチャートである。

次に、本発明に係る二次電池切り離し方法の実施形態について説明する。
なお、本実施形態では、燃料電池を備えた燃料電池システムを例にとって説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る二次電池切り離し方法が適用される燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム（電力供給システム）１１は、負荷への電力供給源として、燃料電池１２及び二次電池２０を備えている。

燃料電池１２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。そして、一方のセパレータの水素ガス流路に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスとしての空気が供給され、これらのガスが電気化学反応することで電力が発生する。

燃料電池１２とトラクションモータ１３及び駆動モータ１４とは、電力供給経路Ａを介して接続されている。トラクションモータ１３は、車両を走行させるためのモータであり、駆動モータ１４は、燃料電池１２に空気（酸化ガス）を圧送するコンプレッサ用のモータである。この電力供給経路Ａには、燃料電池１２側から順に、ＦＣ昇圧コンバータ１５、コンデンサ１７及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）１６が設けられている。

ＦＣ昇圧コンバータ１５は直流の電圧変換器であり、燃料電池１２から入力された直流電圧を調整してＩＰＭ１６側へ出力する。トラクションモータ１３及び駆動モータ１４は例えば三相交流モータであり、ＩＰＭ１６は直流電流を三相交流に変換してトラクションモータ１３及び駆動モータ１４に供給する。

電力供給経路Ａには、電力供給経路Ｂが接続されている。電力供給経路Ａと電力供給経路Ｂとの接続点Ｘは、ＦＣ昇圧コンバータ１５とＩＰＭ１６との間に位置する。電力供給経路Ｂの一端には二次電池２０が接続されており、二次電池２０と接続点Ｘとの間には、バッテリ昇圧コンバータ２２が設けられている。

二次電池２０は、制御部３０からの制御信号に基づいて、燃料電池１２の出力電力の余剰分やトラクションモータ１３の回生電力を充電したり、トラクションモータ１３、駆動モータ１４の駆動に必要な電力に対して燃料電池１２の出力電力では不足する場合にその不足分の電力を補給したり、後述する補機モータ２５，２６に電力を供給することが可能になっている。二次電池２０には、電力供給経路Ｂとの回路を開閉するリレー２１が設けられている。

バッテリ昇圧コンバータ２２は直流の電圧変換器であり、二次電池２０から入力された直流電圧を調整してトラクションモータ１３、駆動モータ１４側へ出力する機能と、燃料電池１２またはトラクションモータ１３から入力された直流電圧を調整して二次電池２０及び／又は補機モータ２５，２６に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、二次電池２０の充放電が実現される。

また、このようなバッテリ昇圧コンバータ２２の機能により、燃料電池システム１１の通常運転時は、ＩＰＭ１６への入力電圧が制御される一方で、二次電池２０が燃料電池システム１１から切り離された状態になった場合（二次電池２０の異常発生時）には、燃料電池１２から補機モータ２５，２６への給電が可能となる。

電力供給経路Ｂの低電圧側（二次電池２０側）には、電力供給経路Ｃ，Ｄが接続されている。電力供給経路Ｂと電力供給経路Ｃ，Ｄとの接続点Ｙ，Ｚは、バッテリ昇圧コンバータ２２と二次電池２０との間に位置する。電力供給経路Ｃ，Ｄには、補機インバータ２３，２４及び補機モータ２５，２６が設けられている。

補機モータ２５は、燃料電池１２の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池１２に還流させるための水素ポンプを駆動するモータである。補機モータ２６は、燃料電池１２の温調に使用される冷却水を循環させるための冷却水ポンプを駆動するモータである。補機インバータ２３，２４は、それぞれ直流電流を三相交流に変換して補機モータ２５，２６に供給する。

制御部３０は、燃料電池システム１１を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御部３０は、各種センサから供給される信号（例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池１２の出力電流や出力電圧を表す信号等）の入力を受けて、トラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６を含む負荷全体の要求電力を算出する。

なお、本実施形態の制御部３０は、二次電池２０あるいはその周辺に設けられたセンサ類から供給される信号に基づいて、二次電池２０の故障等の異常の発生を検知することも可能である。つまり、制御部３０は、異常検知部としての機能を兼ね備えている。

さらに、制御部３０は、二次電池２０の異常発生を検知した場合に、リレー２１を作動させて二次電池２０を切り離し、二次電池２０からトラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６への電力供給を遮断する。

トラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６以外の負荷としては、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力や、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等がある。

制御部３０は、燃料電池１２と二次電池２０の各出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。より具体的には、制御部３０は、燃料電池１２及び二次電池２０に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにＦＣ昇圧コンバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ２２の動作を制御する。

制御部３０は、二次電池２０に異常が発生していない時を含む通常運転時においては、ＦＣ昇圧コンバータ１５に燃料電池１２の出力電圧を制御させると共に、バッテリ昇圧コンバータ２２にトラクションモータ１３、駆動モータ１４側への出力電圧、言い換えれば、ＩＰＭ１６への入力電圧を制御させるが、二次電池２０の異常発生時においては、バッテリ昇圧コンバータ２２に補機モータ２５，２６への出力電圧を制御させると共に、ＦＣ昇圧コンバータ１５にその出力電圧、言い換えれば、ＩＰＭ１６への入力電圧がトラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６の駆動出力を含む燃料電池システム１１全体の要求出力に合うように制御させる。

本実施形態の燃料電池システム１１は、制御部３０は、二次電池２０の故障（異常）を検知した時に、リレー２１を作動させて二次電池２０を切り離すことで、バッテリレス退避走行モードにシステム制御を切り替えて車両運転を継続する。

ところで、リレー２１を作動させて二次電池２０を燃料電池システム１１から切り離す際に、トラクションモータ１３に対してトルク指令をゼロとしていたとしても、二次電池２０からトラクションモータ１３へ電流が流れていると、リレー２１が溶着して損傷するおそれがある。

このため、本実施形態に係る燃料電池システム１１では、制御部３０が、以下の無電弧開放制御を行う。

図２は、本発明の実施形態に係る二次電池切り離し方法における無電弧開放制御を示すフローチャートである。

（異常検知ステップ、電流遮断ステップ）
制御部３０は、二次電池２０の故障などの異常を検知すると（ステップＳ１）、燃料電池システム１１の全ての補機（トラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６等）を予め設定された最低限の駆動として消費電力を最小化する。これにより、燃料電池１２は、ほぼ発電停止状態となり、ＦＣ昇圧コンバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ２２が停止される。すると、停止されたバッテリ昇圧コンバータ２２によって二次電池２０側への電流の流れが遮断される（ステップＳ２）。

（電圧判定ステップ）
この状態において、制御部３０は、コンデンサ１７の電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃと二次電池２０の電圧である電池電圧Ｖｂとを比較する。そして、次式（１）に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに所定値Ｖｓを加えた電圧値よりも大きいか否か、つまり、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。

Ｖｃ−Ｖｂ＞Ｖｓ…（１）

ここで、所定値Ｖｓは、電圧センサなどのセンサの誤差、コンデンサ１７の容量などから決定される電圧値である。

（チャージステップ）
コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓ以下の場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部３０は、リレー２１を作動させずに、言い換えれば、二次電池２０を電力供給経路Ｂから切り離さずに、トラクションモータ１３の回生によってコンデンサ１７にチャージし、コンデンサ電圧Ｖｃを昇圧させる（ステップＳ４）。このトラクションモータ１３の回生によるコンデンサ１７のチャージは、ユーザの要求などによらず、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓよりも大きくなるまで継続される。

ところで、車両が高速で走行している高車速状態では、トラクションモータ１３の回転数が高いため、コンデンサ電圧Ｖｃを昇圧させる際に、コンデンサ１７が過電圧状態となるおそれがある。この場合、制御部３０は、エアコンプレッサの駆動モータ１４を駆動させる。すると、駆動モータ１４の駆動によってコンデンサ電圧Ｖｃが降圧され、コンデンサ１７の過電圧が抑制される。

（切り離しステップ）
コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓよりも大きい場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部３０は、燃料電池システム１１の全ての補機（トラクションモータ１３、駆動モータ１４及び補機モータ２５，２６等）を停止させ、その後、リレー２１を作動させて二次電池２０を電力供給経路Ｂから切り離す（ステップＳ５）。

このとき、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓよりも大きい状態であるので、二次電池２０が繋がった電力供給経路Ｂからトラクションモータ１３及び駆動モータ１４が繋がった電力供給経路Ａへ電流が流れることはない。したがって、リレー２１による回路の遮断が無電弧開放とされ、遮断時にアークが生じて溶着するような不具合が抑制される。

なお、コンデンサ電圧Ｖｃと電池電圧Ｖｂとが同一であれば、二次電池２０が繋がった電力供給経路Ｂからトラクションモータ１３及び駆動モータ１４が繋がった電力供給経路Ａへ電流が流れることはない。しかし、この場合、コンデンサ１７が放電することで、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂよりも小さくなり、二次電池２０から電流が流れ、この状態でリレー２１が作動されるおそれがある。このため、コンデンサ電圧Ｖｃと電池電圧Ｖｂとの比較では、電圧センサなどのセンサの誤差、コンデンサ１７の容量などから決定される電圧値を所定値Ｖｓとしてマージンを持たせている。

以上、説明したように、本実施形態に係る二次電子遮断方法によれば、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値Ｖｓより大きいと、二次電池２０からトラクションモータ１３側へ電流が流れない。したがって、この状態でリレー２１を作動させて二次電池２０を電力供給経路Ｂから切り離すことで、リレー２１による回路の遮断が無電弧開放とされる。これにより、回路の遮断時にアークが生じてリレー２１が溶着して損傷するような不具合を抑制することができる。

また、コンデンサ電圧Ｖｃが電池電圧Ｖｂに対して所定値以下である場合、トラクションモータ１３の回生によってコンデンサ１７をチャージしてコンデンサ電圧Ｖｃを高め、コンデンサ電圧Ｖｃを電池電圧Ｖｂに対して所定値より大きくする。これにより、二次電池２０からトラクションモータ１３側へ電流が流れなくすることができる。

なお、上記実施形態では、電力供給経路Ａにコンデンサ１７を設けたが、蓄電する機器であればコンデンサ１７に限らず、例えば、二次電池などを設けても良い。

また、上記実施形態では、二次電池２０を備えた電力供給システムとして、燃料電池１２を備えた燃料電池システム１１を例にとって説明したが、電力供給システムとしては、例えば、電気自動車などのように、燃料電池１２を備えないシステムでもよい。

１１ 燃料電池システム（電力供給システム）
１３ トラクションモータ（走行用モータ）
１７ コンデンサ（蓄電部）
２０ 二次電池
２１ リレー
２２ バッテリ昇圧コンバータ（コンバータ）
３０ 制御部
Ａ，Ｂ 電力供給経路

Claims (2)

1. 二次電池から電力供給経路を通して走行用モータに電力を供給可能な電力供給システムにおける前記二次電池の前記電力供給経路からの切り離しを行う二次電池切り離し方法であって、
   前記電力供給システムは、
   前記二次電池と前記走行用モータとの間の電力供給経路に設けられたコンバータと、
   前記電力供給経路における前記コンバータよりも前記走行用モータ側に設けられた蓄電部と、
   前記電力供給経路における前記コンバータよりも前記二次電池側に設けられたリレーと、
   前記走行用モータ、前記コンバータ及び前記リレーを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記二次電池の異常を検知する異常検知ステップと、
   前記二次電池の異常の検知後に前記コンバータを通した前記二次電池側への電流の流れを遮断する電流遮断ステップと、
   前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きいか否かを判定する電圧判定ステップと、
   前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値以下であると判定した際には前記二次電池の前記電力供給経路からの切り離しは行わない一方で、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きいと判定した際に、前記リレーを作動させて前記二次電池を前記電力供給経路から切り離す切り離しステップと、
   を含む無電弧開放制御を行う二次電池切り離し方法。
2. 前記制御部は、前記電圧判定ステップにおいて、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値以下であると判定すると、前記蓄電部の電圧が前記二次電池の電圧に対して所定値より大きくなるまで、前記走行用モータの回生によって前記蓄電部をチャージするチャージステップを行う二次電池切り離し方法。