JP2018041701A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の異常発生時において燃料電池の電力単独で走行している場合に、過電圧を防止し、登坂性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る燃料電池システム１１の制御部３０は、駆動モータ１３、１４の回転数及びＧセンサ３２の出力に基づいて路面の斜度が一定値以上且つ車速が一定値以下であると判定された場合に、所定値以上に燃料電池１２の発電電力を制御し、駆動モータ１３、１４の回生電力を補機モータ２５，２６へ供給する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池が注目されている。燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して駆動モータからの要求に応じた電力を出力するが、ガス供給量の応答遅れに起因して、出力電力の応答性が低くなる場合があり、その補償のために二次電池が搭載される場合がある。この二次電池は、駆動モータの減速時に発生する回生エネルギや、燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記燃料電池の応答性の低下の補償や、また燃料電池システム全体の出力の増加等の目的に、その蓄電エネルギを放電する。

上記燃料電池と二次電池とを並列に接続した構成の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧や二次電池の出力電圧をそれぞれのコンバータで変換することにより、両者の併用を図っている。そして、コンバータの有するスイッチ素子のスイッチング動作で生じる損失、いわゆるスイッチング損失を軽減するために、該スイッチ素子に並列にスナバコンデンサ（以下、コンデンサと称する）が設けられる。

ところで、上述した燃料電池システムにおいては、負荷の変動に対してバッファ的な役割を果たす二次電池用のコンバータがインバータへの入力電圧を制御するように構成されている。このため、二次電池に故障等の異常が発生して、二次電池とインバータとの間の電源経路が遮断されてしまうと、インバータへの入力電圧を制御することができなくなり、燃料電池のみで負荷を安定的に運転させることが困難になる。

この問題を解決することを意図した技術が下記特許文献１に開示されている。すなわち、下記特許文献１には、二次電池の異常発生時には、燃料電池のみからでも２つのコンバータを制御して第１の負荷及び第２の負荷への安定的な電力供給を行うこと、すなわち、燃料電池の電力単独走行が可能であることが開示されている。また、このような二次電池の異常が発生して二次電池を切り離しているときは、モータ回生をしても蓄電できないため、回生電力を消費可能な場合のみモータ回生を許容することが下記特許文献１に開示されている。

国際公開第２０１３−０９９００９号公報

ところで、二次電池を切り離している状態での登坂走行時に、モータが後退方向に回転する場合があり、この場合にモータの回生発電によって以下の問題が生じるおそれがある。すなわち、モータは回生発電をするが、燃料電池は放電のみしか行えないため、発電電力がコンデンサにたまり、過電圧が発生する。また、燃料電池は要求電力に応じて燃料供給量を調整するため、低車速時には燃料供給量が抑えられる結果、登坂走行性能が低下する。

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、二次電池の異常発生時において燃料電池の電力単独で走行している場合に、過電圧を防止し、登坂性能を向上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。

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、車両を駆動する駆動モータ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であって、コンデンサを有し、前記燃料電池が出力する電圧を昇圧して前記燃料電池の補機及び前記駆動モータへ供給する第１昇圧コンバータと、コンデンサを有し、前記二次電池が出力する電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、前記車両の加速度を検出するセンサと、前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記駆動モータの回転数及び前記センサの出力に基づいて路面の斜度が一定値以上且つ車速が一定値以下であると判定された場合に、前記燃料電池の発電電力を所定値以上に制御し、前記駆動モータの回生電力を前記補機へ供給する。

本発明に係る燃料電池システムでは、駆動モータでの消費電力の影響を受けずに、燃料電池は発電することができるため、登坂の走行に必要なトルクを出力することができる。また、ずり下がりが発生したとしても、回生電力を補機で消費するため、回生電力がコンデンサにたまり過電圧となることを抑制することができる。

本発明によれば、二次電池の異常発生時において燃料電池の電力単独で走行している場合に、過電圧を防止し、登坂性能を向上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。

本発明の実施形態における燃料電池システムの構成図である。 二次電池の異常発生時における制御部の一制御例を示すフローチャートである。

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。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本実施形態における燃料電池システムの構成図である。本実施形態では、燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

図１に示すように、本実施形態に燃料電池システム１１は、駆動モータ１３、１４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と車両を走行させるための駆動モータ（第１の負荷）１３とは、電力供給経路（燃料電池電力供給経路）Ａを介して接続されている。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（第１のコンバータ）１５及び駆動インバータ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駆動インバータ１６側へ出力する。駆動インバータ１６は直流電流を三相交流に変換して駆動モータ１３（例えば三相交流モータ）に供給する。ＦＣ昇圧コンバータ１５、及び、駆動インバータ１６は、それぞれ、図示しないコンデンサを備えている。

電力供給経路Ａには、電力供給経路（第１の二次電池電力供給経路）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と駆動インバータ１６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、二次電池２０側から順にリレー（回路遮断部）２１及びバッテリ昇圧コンバータ（第２のコンバータ）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駆動モータ１３の回生電力を充電したり、駆動モータ１３，１４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。

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駆動モータ１３，１４側へ出力する機能と、燃料電池１２または駆動モータ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。なお、バッテリ昇圧コンバータ２２は、図示しないコンデンサを備えている。

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、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧が制御される一方で、後述するリレー２１が何らかの原因で切断され、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の高電圧側には、電力供給経路（燃料電池電力供給経路）Ｃが接続されている。電力供給経路Ｂと電力供給経路Ｃとの接続点Ｙは、接続点Ｘとバッテリ昇圧コンバータ２２との間に位置する。電力供給経路Ｃの一端には、駆動モータ（第１の負荷）１４が接続されている。駆動モータ１４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池１２に空気（酸化ガス）を圧送するエアコンプレッサの駆動モータである。駆動モータ１４と接続点Ｙとの間には、補機インバータ１７が設けられている。補機インバータ１７は、直流電流を三相交流に変換して駆動モータ１４に供給する。

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Ｄ（第２の二次電池電力供給経路）が接続されている。電力供給経路Ｂと電力供給経路Ｄとの接続点Ｚは、バッテリ昇圧コンバータ２２とリレー２１との間に位置する。電力供給経路Ｄは、二又に分岐しており、その分岐先にはそれぞれ補機インバータ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。

Ｇセンサ３２は、車両に作用する加速度Ｇを検出する。Ｇセンサ３２は、検出した加速度Ｇを示す信号を制御部３０に送信する。制御部３０は、受信した加速度Ｇに基づいて車両の走行路面の斜度（勾配）を算出する。Ｇセンサ３２は、少なくとも車両の走行路面の斜度を検出するために必要な方向（たとえば、車両の前後方向と上下方向）の加速度を検出する。なお、Ｇセンサ３２による斜度検知に代えて、モータトルクと回転数との関係に基づき負荷上昇を検出し、車両の走行路面の斜度（勾配）を算出（すなわち登坂中であるか否かを判断）してもよい。

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）や、加速要求値（例えば、モータの回転数、車輪回転数、コンプレッサや水素ポンプのモータの回転数等）の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

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。

駆動モータ１３，１４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に駆動モータ１３，１４側への出力電圧、言い換えれば、駆動インバータ１６及び補機インバータ１７への入力電圧を制御させる。二次電池２０の異常発生時における制御部３０が行う動作については、図２を参照しながら詳細に説明する。

図２は、二次電池の異常発生時における制御部の一制御例を示すフローチャートである。まず、制御部３０が二次電池２０の故障（異常）を検知すると、二次電池２０のリレー２１を切断する。これにより、二次電池２０が、燃料電池システム１１から切り離される。

（ステップＳ１０）
次いで、制御部３０は、Ｇセンサ３２から受信した加速度を示す検出振動に基づいて車両の走行路面の斜度を算出し、当該算出された斜度が一定値以上であるか否かを判定する（坂路判定）。また制御部３０は、駆動モータ１３，１４の回転数の情報を取得し、当該回転数に基づき車両の進行方向車速が一定値以下であるか否かを判定する（停止、ずり下がり判定）。判定の結果、斜度が一定値以上、且つ、車速が一定値以下の条件である場合には、ステップＳ３０に進み、この条件に該当しない場合にはステップＳ２０に進む。

（ステップＳ２０）
ステップＳ１０に示す条件（斜度が一定値以上、且つ、車速が一定値以下）を満たさない場合には、ステップＳ２０において駆動モータ１３，１４の必要電力に基づき、燃料電池１２の発電電力を演算する。

（ステップＳ３０）
ステップＳ１０に示す条件（斜度が一定値以上、且つ、車速が一定値以下）を満たす場合には、制御部３０は、燃料電池１２の発電電力下限値を設定し、補機モータ２５、２６に電力消費を要求する。すなわち、燃料電池１２の発電電力下限値を、登坂走行に必要な発電電力、補機消費量に引き上げる。言い換えれば、燃料電池１２の発電電力要求を所定値以上に設定する。

（ステップＳ４０）
次いで、制御部３０は、駆動モータ１３，１４の発電電力（回生電力）を補機モータ２５，２６が消費するように制御する。また制御部３０は、駆動モータ１３，１４の必要電力を、燃料電池１２から供給するように制御する。

以上のように本実施形態の燃料電池システムによれば、車両が走行する路面の斜度が一定値以上、且つ、車速が一定値以下である場合に、当該斜度での車両が発進可能な要求電力を満たす所定値以上に燃料電池１２の発電電力を制御する。更に、駆動モータ１３，１４の回生電力を補機モータ２５，２６へ供給する。これにより、駆動モータ１３，１４での消費電力の影響を受けずに、一定値以上の斜度での車両が発進可能な要求電力を満たすように燃料電池１２の発電電力が制御されるため、登坂の走行に必要なトルクを出力することができる。また、ずり下がりが発生したとしても、回生電力を補機モータ２５、２６で消費するため、回生電力がコンデンサにたまり過電圧となることを抑制することができる。

なお、本発明における「（燃料電池の発電電力要求の）所定値」としては、一定値以上の斜度において車両が発進可能な要求電力を満たす値に設定されることが好ましく、例えば１０ｋＷに設定される。発電電力が大きい場合には燃料電池の発電状態が悪化（膜が乾く）等の弊害が発生する為、斜度に応じて最低限の発電電力を設定することが望ましい。また、図２のステップＳ１０に示した、斜度の一定値としては、例えば５°に設定される。また車速が一定値以下の「一定値」としては、例えば３ｋｍ／ｈに設定される。これは、センサの精度等を考慮して前進に回転していることが確認できる最低車速である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施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。

１１：燃料電池システム
１２：燃料電池
１３，１４：駆動モータ
１５：昇圧コンバータ
１６：駆動インバータ
１７：補機インバータ
２０：二次電池
２１：リレー
２２：バッテリ昇圧コンバータ
２３，２４：補機インバータ
２５，２６：補機モータ
３０：制御部
３２：Ｇセンサ

Claims (1)

1. 車両を駆動する駆動モータ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であって、
   コンデンサを有し、前記燃料電池が出力する電圧を昇圧して前記燃料電池の補機及び前記駆動モータへ供給する第１昇圧コンバータと、
   コンデンサを有し、前記二次電池が出力する電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、
   前記車両の加速度を検出するセンサと、
   前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記駆動モータの回転数及び前記センサの出力に基づいて路面の斜度が一定値以上且つ車速が一定値以下であると判定された場合に、前記燃料電池の発電電力を所定値以上に制御し、前記駆動モータの回生電力を前記補機へ供給する、燃料電池システム。

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