JP2017204406A

JP2017204406A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2017204406A
Application number: JP2016096286A
Authority: JP
Inventors: 健司馬屋原; Kenji Mayahara; 朋也小川; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of stopping operation of a fuel cell converter while suppressing an increase in switching loss in the cell converter.SOLUTION: An ECU 90 as a control unit is so configured that motor power requirement Pm is less than or equal to releasable electric power Pb, and when a voltage of a fuel cell 10 becomes equal to or higher than an inverter required voltage Vm, a relay 60 is switched from an on state to an off state and fuel cell supply stop control for stopping operation of a fuel cell converter 20 is executed.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、駆動力を発生させるモータを備えた移動体に搭載される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a moving body including a motor that generates a driving force.

燃料電池を搭載し、当該燃料電池が発生させる電力を用いて走行する燃料電池車両の開発が進められている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受け、電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる。燃料電池車両は、この燃料電池が発生させた電力をモータに供給し、当該モータが発生させる駆動力によって走行する。 Development of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell and traveling using electric power generated by the fuel cell is underway. A fuel cell receives supply of fuel gas and oxidant gas and generates electric power by causing an electrochemical reaction. The fuel cell vehicle supplies the electric power generated by the fuel cell to the motor and travels by the driving force generated by the motor.

特許文献１には、燃料電池とともにバッテリを備え、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムが記載されている。バッテリは、モータが減速する際の回生エネルギや、燃料電池が発生させた余剰の電力を蓄える。燃料電池への燃料ガスの供給に遅れ等が生じると、バッテリは蓄えていた電力を放出し、モータに供給する。これにより、モータに供給する電力を担保し、燃料電池車両を安定的に走行させることが可能になる。 Patent Document 1 describes a fuel cell system that includes a fuel cell and a battery and is mounted on a fuel cell vehicle. The battery stores regenerative energy when the motor decelerates and surplus power generated by the fuel cell. When a delay occurs in the supply of fuel gas to the fuel cell, the battery releases the stored power and supplies it to the motor. As a result, the power supplied to the motor is secured, and the fuel cell vehicle can be stably driven.

特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料電池から供給される直流電力を燃料電池用コンバータによって昇圧させる。一方、バッテリから供給される直流電力は、バッテリ用コンバータによって昇圧される。燃料電池用コンバータ及びバッテリ用コンバータは、燃料電池システムにおいて互いに並列に配置されている。 In the fuel cell system described in Patent Document 1, the DC power supplied from the fuel cell is boosted by the fuel cell converter. On the other hand, the DC power supplied from the battery is boosted by the battery converter. The fuel cell converter and the battery converter are arranged in parallel to each other in the fuel cell system.

特開２００９−１６３９５６号公報JP 2009-163956 A

燃料電池車両では、一定速度で走行している際など、モータからの大きな駆動力を必要としない場合がある。そのような場合、燃料電池から電力を供給することなく、バッテリのみから電力を供給してモータを駆動させることで、エネルギ効率が高い運転を行うことができる。特許文献１記載の燃料電池システムにおいて、バッテリから供給される電力のみによってモータを駆動させる方法として、燃料電池用コンバータの動作を停止させるものが考えられる。 A fuel cell vehicle may not require a large driving force from a motor, for example, when traveling at a constant speed. In such a case, an operation with high energy efficiency can be performed by supplying electric power only from the battery and driving the motor without supplying electric power from the fuel cell. In the fuel cell system described in Patent Document 1, a method of stopping the operation of the fuel cell converter can be considered as a method of driving the motor only by the electric power supplied from the battery.

さらに、燃料電池用コンバータの動作を停止させる際は、燃料電池からモータ側に電流が流れないようにするために、バッテリから供給される直流電力をバッテリ用コンバータによって昇圧し、燃料電池用コンバータの出口の電位を入口の電位よりも高くする方法が考えられる。 Further, when stopping the operation of the fuel cell converter, in order to prevent current from flowing from the fuel cell to the motor side, the DC power supplied from the battery is boosted by the battery converter, and the fuel cell converter A method is conceivable in which the outlet potential is made higher than the inlet potential.

しかしながら、このようにバッテリ用コンバータを用いて燃料電池からの電流の供給を停止させようとすると、バッテリ用コンバータのスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを切り替える際の損失であるスイッチング損失が発生する。この結果、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招くという課題があった。 However, when the battery converter is used to stop the supply of current from the fuel cell, a switching loss, which is a loss when the switching element of the battery converter is switched between the on state and the off state, is generated. . As a result, there has been a problem that the energy efficiency of the fuel cell system is reduced.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、バッテリ用コンバータにおけるスイッチング損失の増加を抑制しつつ、燃料電池用コンバータの動作を停止させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of stopping the operation of the fuel cell converter while suppressing an increase in switching loss in the battery converter. It is to provide.

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、駆動力を発生させるモータを備えた移動体に搭載される燃料電池システムであって、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け、直流電力を発生させる燃料電池と、燃料電池から供給される直流電力を昇圧させる燃料電池用コンバータと、直流電力を放出するバッテリと、バッテリから放出された直流電力を昇圧させるバッテリ用コンバータと、燃料電池用コンバータ及びバッテリ用コンバータから直流電力の供給を受け、該直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、燃料電池からインバータへの電力の供給経路に設けられ、オン状態において供給経路を介した電力の供給を可能にする一方で、オフ状態において供給経路を遮断するリレーと、燃料電池の電圧を測定する電圧センサと、リレー、燃料電池用コンバータ及びバッテリ用コンバータを制御する制御部であって、インバータの駆動に必要な電圧であるインバータ必要電圧を取得するインバータ必要電圧取得部と、モータの駆動に必要な電力であるモータ必要電力を取得するモータ必要電力取得部と、バッテリが放出可能な電力である放出可能電力を取得する放出可能電力取得部と、を有する制御部と、を備える。制御部は、モータ必要電力が放出可能電力以下であり、且つ、燃料電池の電圧がインバータ必要電圧以上になった場合に、リレーをオン状態からオフ状態に切り替えるとともに燃料電池用コンバータの動作を停止させる燃料電池供給停止制御を実行する。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system mounted on a moving body including a motor that generates a driving force, and is supplied with fuel gas and oxidant gas, A fuel cell that generates DC power, a fuel cell converter that boosts DC power supplied from the fuel cell, a battery that discharges DC power, a battery converter that boosts DC power discharged from the battery, and a fuel Provided in the on state, provided in the battery converter and the inverter for receiving DC power from the battery converter, converting the DC power to AC power and supplying it to the motor, and the power supply path from the fuel cell to the inverter A relay that shuts off the supply path in the off state while allowing power supply via the path, and the voltage of the fuel cell A voltage sensor to be measured, a control unit for controlling a relay, a fuel cell converter, and a battery converter, the inverter necessary voltage acquisition unit for acquiring an inverter necessary voltage that is a voltage necessary for driving the inverter, and driving of the motor A control unit having a required motor power acquisition unit that acquires a required motor power that is necessary for the battery and a releasable power acquisition unit that acquires a releasable power that is a power that can be discharged by the battery. The control unit switches the relay from the on state to the off state and stops the operation of the fuel cell converter when the required motor power is less than the releasable power and the fuel cell voltage exceeds the inverter required voltage. The fuel cell supply stop control is executed.

上記構成によれば、制御部は、モータ必要電力が放出可能電力以下であり、且つ、燃料電池の電圧がインバータ必要電圧以上になった場合に、燃料電池供給停止制御を実行する。当該燃料電池供給停止制御では、リレーをオン状態からオフ状態に切り替えるとともに燃料電池用コンバータの動作を停止させる。すなわち、燃料電池用コンバータの出口の電位を高めることなく、燃料電池からインバータへの電力の供給が行われなくなる。したがって、上記構成によれば、バッテリ用コンバータにおけるスイッチング損失の増加を抑制しつつ、燃料電池用コンバータの動作を停止させることが可能になる。 According to the above configuration, the control unit executes the fuel cell supply stop control when the required motor power is equal to or lower than the releasable power and the fuel cell voltage is equal to or higher than the inverter required voltage. In the fuel cell supply stop control, the relay is switched from the on state to the off state and the operation of the fuel cell converter is stopped. That is, power is not supplied from the fuel cell to the inverter without increasing the potential at the outlet of the fuel cell converter. Therefore, according to the above configuration, it is possible to stop the operation of the fuel cell converter while suppressing an increase in switching loss in the battery converter.

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、モータ必要電力が予め定められた閾値以下である場合に、燃料電池供給停止制御を実行してもよい。 In the fuel cell system according to the present invention, the control unit may execute the fuel cell supply stop control when the required motor power is equal to or less than a predetermined threshold value.

燃料電池は、実際に発生させる電力が、当該燃料電池が発生させることができる電力の最大値と比較して極端に小さい場合、発電効率が大幅に低下する。これに対し、上記構成では、制御部は、モータ必要電力が予め定められた閾値以下である場合に、燃料電池供給停止制御を実行する。つまり、当該閾値を、燃料電池の発電効率が大幅に低下する発電の値に設定すれば、そのように発電効率の低下が生じ得る状態での燃料電池からの電力供給を停止させることができる。この結果、燃料電池の発電効率の低下を抑制することが可能になる。 When the electric power actually generated in the fuel cell is extremely small compared to the maximum value of the electric power that can be generated by the fuel cell, the power generation efficiency is greatly reduced. In contrast, in the above configuration, the control unit executes the fuel cell supply stop control when the required motor power is equal to or less than a predetermined threshold value. That is, if the threshold value is set to a power generation value at which the power generation efficiency of the fuel cell is greatly reduced, power supply from the fuel cell can be stopped in such a state that the power generation efficiency can be lowered. As a result, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency of the fuel cell.

本発明によれば、バッテリ用コンバータにおけるスイッチング損失の増加を抑制しつつ、燃料電池用コンバータの動作を停止させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can stop operation | movement of the converter for fuel cells can be provided, suppressing the increase in the switching loss in the converter for batteries.

本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system according to the present invention. 図１の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the fuel cell system of FIG. 図２のＥＣＵが実行する処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process which ECU of FIG. 2 performs.

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.

まず、図１を参照しながら、実施形態に係る燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両１００の概要について説明する。燃料電池車両１００は、燃料電池システム１を搭載可能な移動体の一例である。すなわち、燃料電池システム１は、燃料電池車両１００の他にも、移動体である船舶やロボット等に搭載することもできる。 First, an outline of a fuel cell vehicle 100 equipped with the fuel cell system 1 according to the embodiment will be described with reference to FIG. The fuel cell vehicle 100 is an example of a mobile body on which the fuel cell system 1 can be mounted. That is, the fuel cell system 1 can be mounted not only on the fuel cell vehicle 100 but also on a ship, a robot, or the like that is a moving body.

燃料電池車両１００は、モータ１１０が出力するトルクによって駆動輪１２０を回転させて走行する車両である。モータ１１０は、所謂三相交流モータであるとともに、高電圧低電流仕様のＰＭモータである。このため、モータ１１０は低電流によって大きなトルクを発生させるとともに、内部の巻線等における発熱を軽減することができる。 The fuel cell vehicle 100 is a vehicle that travels by rotating the drive wheels 120 with the torque output by the motor 110. The motor 110 is a so-called three-phase AC motor and a PM motor with high voltage and low current specifications. For this reason, the motor 110 can generate a large torque with a low current, and can reduce heat generation in an internal winding or the like.

モータ１１０は、燃料電池システム１から供給される電力によって駆動する。詳細には、モータ１１０は、燃料電池システム１を構成する燃料電池１０及びバッテリ３０の少なくとも一方から供給される電力によって駆動する。 The motor 110 is driven by electric power supplied from the fuel cell system 1. Specifically, the motor 110 is driven by electric power supplied from at least one of the fuel cell 10 and the battery 30 constituting the fuel cell system 1.

次に、図２を参照しながら、燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池用コンバータ２０と、バッテリ３０と、バッテリ用コンバータ４０と、インバータ５０と、リレー６０と、電圧センサ７０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）９０と、を備えている。 Next, the configuration of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIG. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, a fuel cell converter 20, a battery 30, a battery converter 40, an inverter 50, a relay 60, a voltage sensor 70, an ECU (Electronic Control Unit). 90).

燃料電池１０は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受け、直流電力を発生させる発電装置である。燃料電池１０は、複数の単セルを積層させることによって構成された不図示のセルスタックを有している。当該セルスタックでは、不図示のタンクから供給される水素ガスと、不図示のコンプレッサから供給される空気と、を用いて電気化学反応を生じさせる。詳細には、当該セルスタックでは、水素ガスを燃料ガスとするとともに、空気中の酸素を酸化剤ガスとして、電気化学反応を生じさせる。燃料電池１０は、固体高分子型や固体酸化物形等、種々の方式のものを採用することができる。 The fuel cell 10 is a power generation device that receives supply of fuel gas and oxidant gas and generates DC power. The fuel cell 10 has a cell stack (not shown) configured by stacking a plurality of single cells. In the cell stack, an electrochemical reaction is generated using hydrogen gas supplied from a tank (not shown) and air supplied from a compressor (not shown). Specifically, in the cell stack, an electrochemical reaction is generated using hydrogen gas as a fuel gas and oxygen in the air as an oxidant gas. The fuel cell 10 can employ various types such as a solid polymer type and a solid oxide type.

燃料電池用コンバータ２０は、直流電力の昇圧を行う電力変換器である。燃料電池用コンバータ２０は、燃料電池１０と接続され、燃料電池１０が発生させた直流電力の供給を受けるように配置されている。燃料電池用コンバータ２０は、不図示の複数のスイッチング素子や平滑コンデンサを有している。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等が用いられ、オン状態とオフ状態とを制御可能な素子である。複数のスイッチング素子は、後述するＥＣＵ９０からそれぞれ受信する制御信号に基づいて、そのオン状態とオフ状態とが切り替えられる。 The fuel cell converter 20 is a power converter that boosts DC power. The fuel cell converter 20 is connected to the fuel cell 10 and is disposed so as to be supplied with DC power generated by the fuel cell 10. The fuel cell converter 20 has a plurality of switching elements and smoothing capacitors (not shown). Each switching element is, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, or the like, and is an element capable of controlling an on state and an off state. The plurality of switching elements are switched between an on state and an off state based on control signals received from the ECU 90 described later.

バッテリ３０は、電力の蓄積及び放出が可能な二次電池である。バッテリ３０として、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。バッテリ３０は、モータ１１０が減速する際の回生エネルギや、燃料電池１０が発生させた余剰の電力を蓄える。 The battery 30 is a secondary battery capable of storing and releasing electric power. As the battery 30, for example, a lithium ion battery, a nickel metal hydride battery, or the like can be used. The battery 30 stores regenerative energy when the motor 110 decelerates and surplus power generated by the fuel cell 10.

バッテリ用コンバータ４０は、直流電力の昇圧を行う電力変換器である。バッテリ用コンバータ４０は、バッテリ３０と接続され、バッテリ３０が放出した直流電力の供給を受けるように配置されている。バッテリ用コンバータ４０は、前述した燃料電池用コンバータ２０と同様に、例えばＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタ等が用いられる複数のスイッチング素子を有している。複数のスイッチング素子は、ＥＣＵ９０からそれぞれ受信する制御信号に基づいて、そのオン状態とオフ状態とが切り替えられる。 The battery converter 40 is a power converter that boosts DC power. The battery converter 40 is connected to the battery 30 and is arranged to receive the supply of direct-current power released by the battery 30. Similarly to the fuel cell converter 20 described above, the battery converter 40 has a plurality of switching elements using, for example, IGBTs or MOS transistors. The plurality of switching elements are switched between an on state and an off state based on control signals received from the ECU 90.

インバータ５０は、直流電力を交流電力に変換する電力変換器である。インバータ５０は、燃料電池用コンバータ２０及びバッテリ用コンバータ４０と接続され、それぞれが昇圧した直流電力の供給を受けるように配置されている。インバータ５０は、例えばＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタ等が用いられる複数のスイッチング素子を有している。複数のスイッチング素子は、ＥＣＵ９０からそれぞれ受信する制御信号に基づいて、そのオン状態とオフ状態とが切り替えられる。インバータ５０は、このスイッチング素子のオン状態とオフ状態とを適宜切り替えることにより、燃料電池用コンバータ２０及びバッテリ用コンバータ４０から供給される直流電力を交流電力に変換する。また、インバータ５０は燃料電池車両１００のモータ１１０とも接続されており、モータ１１０はインバータ５０から交流電力の供給を受けるように配置されている。 The inverter 50 is a power converter that converts DC power into AC power. The inverter 50 is connected to the fuel cell converter 20 and the battery converter 40, and is arranged so as to be supplied with the boosted DC power. The inverter 50 has a plurality of switching elements in which, for example, IGBTs or MOS transistors are used. The plurality of switching elements are switched between an on state and an off state based on control signals received from the ECU 90. The inverter 50 converts the DC power supplied from the fuel cell converter 20 and the battery converter 40 into AC power by appropriately switching between the ON state and the OFF state of the switching element. The inverter 50 is also connected to the motor 110 of the fuel cell vehicle 100, and the motor 110 is arranged to receive supply of AC power from the inverter 50.

リレー６０は、燃料電池１０からインバータ５０への電力の供給経路に設けられている。リレー６０は、ＥＣＵ９０からそれぞれ受信する制御信号に基づいて、そのオン状態とオフ状態とが切り替えられる。リレー６０は、オン状態において供給経路を介した電力の供給を可能にする一方で、オフ状態において供給経路を遮断する。 The relay 60 is provided in a power supply path from the fuel cell 10 to the inverter 50. Relay 60 is switched between an on state and an off state based on control signals received from ECU 90. The relay 60 enables power supply through the supply path in the on state, while blocking the supply path in the off state.

電圧センサ７０は、燃料電池１０の電圧Ｖｆｃを検出するセンサである。燃料電池１０は、検出した電圧Ｖｆｃに対応する検出信号を生成するとともに、当該検出信号をＥＣＵ９０に送信する。 The voltage sensor 70 is a sensor that detects the voltage Vfc of the fuel cell 10. The fuel cell 10 generates a detection signal corresponding to the detected voltage Vfc, and transmits the detection signal to the ECU 90.

ＥＣＵ９０は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、デジタルプロセッサとして構成された制御装置である。いずれにしても、受信した信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＥＣＵ９０には機能的な制御ブロックが構成される。 The ECU 90 is a control device that is partially or entirely configured by an analog circuit or configured as a digital processor. In any case, the ECU 90 is configured with a functional control block in order to fulfill the function of outputting a control signal based on the received signal.

図２は、ＥＣＵ９０を機能的な制御ブロック図として示している。尚、ＥＣＵ９０を構成するアナログ回路又はデジタルプロセッサに組み込まれるソフトウェアのモジュールは、必ずしも図２に示される制御ブロックのように分割されている必要はない。すなわち、実際のアナログ回路やモジュールは、図２に示される複数の制御ブロックの働きをするものとして構成されていても構わず、更に細分化されていても構わない。後述する処理を実行できるように構成されていれば、ＥＣＵ９０の内部の実際の構成は当業者が適宜変更できるものである。 FIG. 2 shows the ECU 90 as a functional control block diagram. It should be noted that the software module incorporated in the analog circuit or digital processor constituting the ECU 90 does not necessarily have to be divided like the control block shown in FIG. That is, an actual analog circuit or module may be configured to function as a plurality of control blocks shown in FIG. 2, or may be further subdivided. A person skilled in the art can appropriately change the actual configuration inside the ECU 90 as long as the processing described later can be executed.

ＥＣＵ９０は、インバータ必要電圧取得部９１と、モータ必要電力取得部９２と、放出可能電力取得部９３と、を有している。 The ECU 90 includes an inverter required voltage acquisition unit 91, a motor required power acquisition unit 92, and a dischargeable power acquisition unit 93.

インバータ必要電圧取得部９１は、インバータ必要電圧Ｖｍを算出して取得する部分である。インバータ必要電圧Ｖｍは、インバータ５０を駆動させて電力の変換を行わせる際に、インバータ５０に印加することが必要な電圧である。インバータ必要電圧取得部９１は、モータ１１０に出力させるトルクの目標値や目標回転数に基づいてインバータ必要電圧Ｖｍを算出する。 The required inverter voltage acquisition unit 91 is a part that calculates and acquires the required inverter voltage Vm. The inverter required voltage Vm is a voltage that needs to be applied to the inverter 50 when the inverter 50 is driven to perform power conversion. The required inverter voltage acquisition unit 91 calculates the required inverter voltage Vm based on the target value of torque to be output from the motor 110 and the target rotational speed.

モータ必要電力取得部９２は、モータ必要電力Ｐｍを算出して取得する部分である。モータ必要電力Ｐｍは、目標値のトルクを出力させるためにモータ１１０に供給する必要がある電力である。モータ必要電力取得部９２は、ドライバのアクセル操作に基づいてモータ必要電力Ｐｍを算出する。詳細には、まず、ドライバがアクセル操作を行うと、不図示のアクセルセンサがアクセル開度に対応する信号をＥＣＵ９０に送信する。ＥＣＵ９０は、当該信号に基づいてモータ１１０に出力させるトルクの目標値を算出する。モータ必要電力取得部９２は、このトルクの目標値に基づいてモータ必要電力Ｐｍを算出する。 The required motor power acquisition unit 92 is a part that calculates and acquires the required motor power Pm. The required motor power Pm is power that needs to be supplied to the motor 110 in order to output a target torque value. The required motor power acquisition unit 92 calculates the required motor power Pm based on the driver's accelerator operation. Specifically, first, when the driver performs an accelerator operation, an unillustrated accelerator sensor transmits a signal corresponding to the accelerator opening to the ECU 90. ECU 90 calculates a target value of torque to be output to motor 110 based on the signal. The required motor power acquisition unit 92 calculates the required motor power Pm based on the target value of this torque.

放出可能電力取得部９３は、放出可能電力Ｐｂを取得する部分である。放出可能電力Ｐｂは、バッテリ３０が放出可能な電力である。放出可能電力取得部９３は、バッテリ３０と通信を行うことにより、放出可能電力Ｐｂを取得する。 The releasable power acquisition unit 93 is a part that acquires the releasable power Pb. Dischargeable power Pb is power that can be discharged by the battery 30. The releasable power acquisition unit 93 acquires the releasable power Pb by communicating with the battery 30.

以上の説明のように構成された燃料電池システム１は、燃料電池１０及びバッテリ３０の少なくとも一方からモータ１１０に電力を供給する。例えば、燃料電池１０が供給する電力がモータ必要電力Ｐｍに満たない場合は、ＥＣＵ９０が、燃料電池１０とともにバッテリ３０からもモータ１１０に電力を供給するように制御する。 The fuel cell system 1 configured as described above supplies power to the motor 110 from at least one of the fuel cell 10 and the battery 30. For example, when the power supplied from the fuel cell 10 is less than the required motor power Pm, the ECU 90 controls the power to be supplied from the battery 30 together with the fuel cell 10 to the motor 110.

ＥＣＵ９０は、リレー６０のオン状態又はオフ状態を適宜切り替えるとともに、燃料電池用コンバータ２０及びバッテリ用コンバータ４０の少なくとも一方に制御信号を送信し、それぞれのスイッチング素子の切り替えを適宜行うことによって、直流電力の昇圧を行わせる。また、ＥＣＵ９０は、インバータ５０に制御信号を送信し、そのスイッチングスイッチング素子の切り替えを適宜行うことによって、直流電力から交流電力への変換を行わせる。これらの切り替えは、インバータ必要電圧取得部９１、モータ必要電力取得部９２、放出可能電力取得部９３によって取得されたインバータ必要電圧Ｖｍ、モータ必要電力Ｐｍ、放出可能電力Ｐｂに基づいて行われる。 The ECU 90 appropriately switches the relay 60 between the on state and the off state, transmits a control signal to at least one of the fuel cell converter 20 and the battery converter 40, and appropriately switches each switching element, thereby changing the direct current power. To boost. Moreover, ECU90 transmits a control signal to the inverter 50, and performs conversion from direct-current power to alternating current power by switching the switching switching element suitably. The switching is performed based on the inverter required voltage Vm, the motor required power Pm, and the dischargeable power Pb acquired by the inverter required voltage acquisition unit 91, the motor required power acquisition unit 92, and the dischargeable power acquisition unit 93.

次に、図３を参照しながら、ＥＣＵ９０が実行する処理について説明する。図３は、リレー６０をオン状態にするとともに、燃料電池１０及びバッテリ３０の双方からモータ１１０に電力を供給している状態において、ＥＣＵ９０が所定タイミングで実行する処理の流れを示すフローチャートである。 Next, processing executed by the ECU 90 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing executed by the ECU 90 at a predetermined timing in a state in which the relay 60 is turned on and electric power is supplied from both the fuel cell 10 and the battery 30 to the motor 110.

まず、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１で、モータ必要電力Ｐｍを算出して取得する。前述したように、ＥＣＵ９０は、そのモータ必要電力取得部９２において、モータ１１０に出力させるトルクの目標値に基づいてモータ必要電力Ｐｍを算出する。 First, the ECU 90 calculates and acquires the required motor power Pm in step S1. As described above, the ECU 90 calculates the required motor power Pm in the required motor power acquisition unit 92 based on the target value of the torque to be output from the motor 110.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ２で、インバータ必要電圧Ｖｍを算出して取得する。前述したように、ＥＣＵ９０は、そのインバータ必要電圧取得部９１において、モータ１１０に出力させるトルクの目標値に基づいてインバータ必要電圧Ｖｍを算出する。 Next, the ECU 90 calculates and acquires the required inverter voltage Vm in step S2. As described above, the ECU 90 calculates the inverter required voltage Vm based on the target value of the torque to be output to the motor 110 in the inverter required voltage acquisition unit 91.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ３で、モータ必要電力Ｐｍが閾値Ｐ０以下であるか否かを判定する。この閾値Ｐ０は、燃料電池１０の発電性能等に基づいて予め定められている値であり、燃料電池１０が発生させることができる電力の最大値と比較して小さい値に設定されている。燃料電池１０が実際に発生させる電力がこの閾値Ｐ０以下になった場合、燃料電池１０の発電効率が大幅に低下する。モータ必要電力Ｐｍがこの閾値Ｐ０以下であると判定した場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、すなわち、燃料電池１０によってモータ必要電力Ｐｍを賄おうとすると燃料電池１０の発電効率が大幅に低下する場合、ＥＣＵ９０は、ステップＳ４の処理に進む。 Next, in step S3, the ECU 90 determines whether or not the required motor power Pm is equal to or less than the threshold value P0. This threshold value P0 is a value determined in advance based on the power generation performance of the fuel cell 10 and the like, and is set to a smaller value than the maximum value of the power that can be generated by the fuel cell 10. When the electric power actually generated by the fuel cell 10 is less than or equal to the threshold value P0, the power generation efficiency of the fuel cell 10 is greatly reduced. If it is determined that the required motor power Pm is less than or equal to the threshold value P0 (step S3: Yes), that is, if the power generation efficiency of the fuel cell 10 is significantly reduced when the fuel cell 10 tries to cover the required motor power Pm, the ECU 90 Advances to step S4.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ４で、モータ必要電力Ｐｍが放出可能電力Ｐｂ以下であるか否かを判定する。前述したように、放出可能電力Ｐｂは、バッテリ３０が放出可能な電力である。モータ必要電力Ｐｍがこの放出可能電力Ｐｂ以下であると判定した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、すなわち、バッテリ３０が放出する電力のみでモータ必要電力Ｐｍを賄うことが可能な場合、ＥＣＵ９０は、ステップＳ５の処理に進む。 Next, in step S4, the ECU 90 determines whether or not the required motor power Pm is equal to or less than the releasable power Pb. As described above, the dischargeable power Pb is the power that can be discharged by the battery 30. When it is determined that the required motor power Pm is equal to or less than the releasable power Pb (step S4: Yes), that is, when it is possible to cover the required motor power Pm with only the power released by the battery 30, the ECU 90 performs step The process proceeds to S5.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ５で、インバータ必要電圧Ｖｍが燃料電池１０の電圧Ｖｆｃ以下であるか否かを判定する。インバータ必要電圧Ｖｍが電圧Ｖｆｃ以下になると、その電位差に基づいて、燃料電池１０からモータ１１０側に電流が流れ得る。そこでこの場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、ステップＳ６の処理に進む。 Next, the ECU 90 determines whether or not the required inverter voltage Vm is equal to or lower than the voltage Vfc of the fuel cell 10 in step S5. When the inverter required voltage Vm becomes equal to or lower than the voltage Vfc, current can flow from the fuel cell 10 to the motor 110 side based on the potential difference. Therefore, in this case (step S5: Yes), the ECU 90 proceeds to the process of step S6.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ６で、リレー６０に制御信号を送信し、リレー６０をオン状態からオフ状態に切り替える。これにより、燃料電池１０からインバータ５０への電力の供給経路が遮断される。すなわち、燃料電池１０からインバータ５０への電力供給が行われなくなる。 Next, in step S6, the ECU 90 transmits a control signal to the relay 60 to switch the relay 60 from the on state to the off state. As a result, the power supply path from the fuel cell 10 to the inverter 50 is interrupted. That is, power supply from the fuel cell 10 to the inverter 50 is not performed.

次に、ＥＣＵ９０は、ステップＳ７で、燃料電池用コンバータ２０への制御信号の送信を停止し、燃料電池用コンバータ２０の動作を停止させる。これにより、燃料電池用コンバータ２０において、複数のスイッチング素子のオン状態とオフ状態との切り替えが行われなくなり、スイッチング損失が低減する。ステップＳ６における処理と、ステップＳ７における処理とを併せて「燃料電池供給停止制御」と称する。 Next, in step S7, the ECU 90 stops transmission of the control signal to the fuel cell converter 20, and stops the operation of the fuel cell converter 20. Thereby, in the fuel cell converter 20, switching between the ON state and the OFF state of the plurality of switching elements is not performed, and the switching loss is reduced. The process in step S6 and the process in step S7 are collectively referred to as “fuel cell supply stop control”.

これに対して、ステップＳ５で、インバータ必要電圧Ｖｍが燃料電池１０の電圧Ｖｆｃ以下ではないとＥＣＵ９０が判定した場合（ステップＳ５：Ｎｏ）は、その電位差に基づいて、燃料電池１０からモータ１１０側に電流が流れることはない。したがって、この場合は、ＥＣＵ９０はステップＳ６の処理を実行することなく（すなわち、リレー６０をオン状態からオフ状態に切り替えることなく）、ステップＳ７の処理に移行する。 On the other hand, if the ECU 90 determines in step S5 that the required inverter voltage Vm is not equal to or lower than the voltage Vfc of the fuel cell 10 (step S5: No), the fuel cell 10 to the motor 110 side is based on the potential difference. Current does not flow through. Therefore, in this case, the ECU 90 proceeds to the process of step S7 without executing the process of step S6 (that is, without switching the relay 60 from the on state to the off state).

また、ステップＳ３で、モータ必要電力Ｐｍが閾値Ｐ０以下ではないと判定した場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、燃料電池供給停止制御を実行することなく処理を終了する。すなわち、燃料電池１０によってモータ必要電力Ｐｍを賄う場合に、その際の燃料電池１０が発生させる電力が十分に大きくなり、燃料電池１０の発電効率が大幅に低下しない場合は、ＥＣＵ９０は、継続して燃料電池１０からモータ１１０に電力を供給させる。 If it is determined in step S3 that the required motor power Pm is not equal to or less than the threshold value P0 (step S3: No), the ECU 90 ends the process without executing the fuel cell supply stop control. That is, when the fuel cell 10 provides the necessary motor power Pm, if the power generated by the fuel cell 10 at that time is sufficiently large and the power generation efficiency of the fuel cell 10 does not decrease significantly, the ECU 90 continues. Then, electric power is supplied from the fuel cell 10 to the motor 110.

また、ステップＳ４で、モータ必要電力Ｐｍが放出可能電力Ｐｂ以下ではないと判定した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、ＥＣＵ９０は、燃料電池供給停止制御を実行することなく処理を終了する。すなわち、バッテリ３０が放出する電力のみでモータ必要電力Ｐｍを賄うことができない場合も、ＥＣＵ９０は、継続して燃料電池１０からモータ１１０に電力を供給させる。 When it is determined in step S4 that the required motor power Pm is not less than the releasable power Pb (step S4: No), the ECU 90 ends the process without executing the fuel cell supply stop control. That is, even when the motor required power Pm cannot be covered only by the power released by the battery 30, the ECU 90 continues to supply power from the fuel cell 10 to the motor 110.

以上の説明のように、燃料電池システム１の構成によれば、ＥＣＵ９０は、モータ必要電力Ｐｍが放出可能電力Ｐｂ以下であり、且つ、燃料電池１０の電圧Ｖｆｃがインバータ必要電圧Ｖｍ以上になった場合に、燃料電池供給停止制御を実行する。当該燃料電池供給停止制御では、リレー６０をオン状態からオフ状態に切り替えるとともに燃料電池用コンバータ２０の動作を停止させる。すなわち、燃料電池用コンバータ２０の出口の電位を高めることなく、燃料電池１０からインバータ５０への電力の供給が行われなくなる。したがって、上記構成によれば、バッテリ用コンバータ４０におけるスイッチング損失の増加を抑制しつつ、燃料電池用コンバータ２０の動作を停止させることが可能になる。 As described above, according to the configuration of the fuel cell system 1, the ECU 90 has the required motor power Pm equal to or lower than the releasable power Pb and the voltage Vfc of the fuel cell 10 equals or exceeds the required inverter voltage Vm. In this case, the fuel cell supply stop control is executed. In the fuel cell supply stop control, the relay 60 is switched from the on state to the off state and the operation of the fuel cell converter 20 is stopped. That is, power is not supplied from the fuel cell 10 to the inverter 50 without increasing the potential at the outlet of the fuel cell converter 20. Therefore, according to the said structure, it becomes possible to stop the operation | movement of the converter 20 for fuel cells, suppressing the increase in the switching loss in the converter 40 for batteries.

また、燃料電池システム１において、ＥＣＵ９０は、モータ必要電力Ｐｍが予め定められた閾値Ｐ０以下である場合に、燃料電池供給停止制御を実行する。当該閾値Ｐ０を、燃料電池１０の発電効率が大幅に低下する電力の値に設定すれば、そのように発電効率の低下が生じ得る状態での燃料電池１０からの電力供給を停止させることができる。この結果、燃料電池１０の発電効率の低下を抑制することが可能になる。 In the fuel cell system 1, the ECU 90 executes fuel cell supply stop control when the required motor power Pm is equal to or less than a predetermined threshold value P0. If the threshold value P0 is set to a value of electric power at which the power generation efficiency of the fuel cell 10 is significantly reduced, the power supply from the fuel cell 10 can be stopped in such a state that the power generation efficiency can be lowered. . As a result, it is possible to suppress a decrease in power generation efficiency of the fuel cell 10.

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. Each element provided in each of the specific examples described above and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, but can be changed as appropriate.

例えば、上記実施形態では、リレー６０を、燃料電池用コンバータ２０とインバータ５０との間に配置している。しかしながら、本発明はこの形態に限定されるものではない。リレー６０を、燃料電池１０と燃料電池用コンバータ２０との間に配置する形態も、本発明の範囲に包含される。 For example, in the above embodiment, the relay 60 is arranged between the fuel cell converter 20 and the inverter 50. However, the present invention is not limited to this form. A configuration in which the relay 60 is disposed between the fuel cell 10 and the fuel cell converter 20 is also included in the scope of the present invention.

１：燃料電池システム
１０：燃料電池
２０：燃料電池用コンバータ
３０：バッテリ
４０：バッテリ用コンバータ
５０：インバータ
６０：リレー
７０：電圧センサ
９０：ＥＣＵ（制御部）
９１：インバータ必要電圧取得部
９２：モータ必要電力取得部
９３：放出可能電力取得部
１００：燃料電池車両（移動体）
１１０：モータ 1: Fuel cell system 10: Fuel cell 20: Fuel cell converter 30: Battery 40: Battery converter 50: Inverter 60: Relay 70: Voltage sensor 90: ECU (control unit)
91: Inverter required voltage acquisition unit 92: Motor required power acquisition unit 93: Dischargeable power acquisition unit 100: Fuel cell vehicle (moving body)
110: Motor

Claims

A fuel cell system mounted on a moving body having a motor for generating a driving force,
A fuel cell which receives supply of fuel gas and oxidant gas and generates DC power;
A fuel cell converter that boosts DC power supplied from the fuel cell;
A battery that discharges DC power;
A battery converter that boosts DC power discharged from the battery;
An inverter that receives supply of DC power from the fuel cell converter and the battery converter, converts the DC power into AC power, and supplies the AC to the motor;
A relay that is provided in a power supply path from the fuel cell to the inverter and that allows power to be supplied through the supply path in an on state, while blocking the supply path in an off state;
A voltage sensor for measuring the voltage of the fuel cell;
A control unit for controlling the relay, the fuel cell converter, and the battery converter, the inverter necessary voltage acquisition unit that acquires an inverter necessary voltage that is a voltage necessary for driving the inverter, and the motor driving. A motor required power acquisition unit that acquires motor required power that is required power; and a control unit that includes a releasable power acquisition unit that acquires releasable power that is power that can be discharged by the battery.
The control unit switches the relay from an on state to an off state and the fuel when the motor required power is equal to or lower than the releasable power and the voltage of the fuel cell is equal to or higher than the inverter required voltage. A fuel cell system that performs fuel cell supply stop control for stopping operation of a battery converter.

2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the control unit executes the fuel cell supply stop control when the required motor power is equal to or less than a predetermined threshold value.