JP2018042425A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおける回路異常の有無をより高い精度で判断する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、第１コンデンサを有し、燃料電池からの出力電圧を昇圧する第１コンバータと、二次電池と、第２コンデンサ及び第２コンバータとを有する電源制御装置と、判断装置とを備える。第２コンバータは、第３コンデンサを有し、前記二次電池の出力電圧を昇圧する。判断装置は、燃料電池の電圧と二次電池の電圧との間の差が所定値未満であるときに、（１）二次電池の電圧と、第３コンデンサの電圧との差が所定値未満である状態が所定期間継続し、かつ、（２）第２コンデンサの電圧を二次電池の電圧よりも高い電圧である指令値に設定されるよう指令したのち、第１コンデンサの電圧と、第２コンデンサの電圧と、指令値との間の差が所定値未満である状態が所定期間継続したことを条件として、回路は正常であると判断する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池及び二次電池（バッテリ）を電源として使用する燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が注目されている。当該燃料電池システムから供給される電力は、電力制御ユニットの制御により、走行用モータ及び補機（例えば、ラジエータファン、冷却水ポンプ、電灯など）を含む電気負荷に供給される。特許文献１には、燃料電池システムについて開示されている。

上記のような燃料電池システムにおいて、二次電池と電力制御ユニットとの間の回路を開状態から閉状態へ切り換える際に、電源回路に大きな突入電流が流れることを防ぐために、二次電池の出力電圧の昇圧コンバータ及び電力制御ユニットのそれぞれに設けられたコンデンサは、プリチャージされる。当該プリチャージは、燃料電池及び二次電池の電圧の差に応じて燃料電池又は二次電池により実施される。

また、コンデンサのプリチャージは、燃料電池及び二次電池の電圧の差に応じて燃料電池又は二次電池により実施されるため、当該電圧の差とプリチャージが行なわれたか否かとに応じて、電源回路における断線などの回路異常の有無を判断することができる。

特開２０１１−２０４３６１号公報

しかしながら、燃料電池及び二次電池の電圧の差が小さい場合、燃料電池及び二次電池のいずれからもコンデンサのプリチャージが可能となるため、燃料電池及び二次電池のうち一方の電源回路における回路異常の有無を判断できない場合がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、燃料電池システムにおける回路異常の有無をより高い精度で判断するための技術を提供することにある。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、第１コンデンサを有し、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧する第１コンバータと、二次電池と、第２コンデンサ及び第２コンバータとを有する電源制御装置と、前記第１コンデンサ又は前記第２コンデンサに接続された回路の異常の有無を判断する判断装置とを備え、前記第２コンバータは、第３コンデンサを有し、前記二次電池の出力電圧を昇圧し、前記判断装置は、前記燃料電池の電圧と前記二次電池の電圧との間の差が所定値未満であるときに、（１）前記二次電池の電圧と、前記第３コンデンサの電圧との差が所定値未満である状態が所定期間継続し、かつ、（２）前記第２コンデンサの電圧を前記二次電池の電圧よりも高い電圧である指令値に設定されるよう指令したのち、前記第１コンデンサの電圧と、前記第２コンデンサの電圧と、前記指令値との間の差が所定値未満である状態が所定期間継続したことを条件として、前記回路は正常であると判断する。

本発明によれば、燃料電池システムの電源回路における回路異常の有無をより高い精度で判断するための技術を提供することができる。

一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 一実施形態に係る燃料電池システムにおける電源回路の異常の有無の判断の制御を示すフローチャートである。 一実施形態に係る燃料電池システムにおける各リレーの動き及び各要素の電圧の状態の概略を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

１．燃料電池システムの構成
図１を参照して、本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成の例を説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０、ＦＣ昇圧コンバータ２０、ＦＣリレー回路３０、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）４０、二次電池５０、制御装置６０、二次電池用リレー回路７０、補機バッテリー１０５、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２を備える。

燃料電池１０は、反応ガスである水素と酸素とを反応させて発電する電池である。燃料電池システム１００を搭載した車両は、反応ガスとしての水素を貯留した水素タンク(図示しない)を有している。エアコンプレッサＭＧ１は、大気中から空気を圧縮して、反応ガスとしての酸素を燃料電池１０へと供給する。

ＦＣ昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０が出力する電圧を、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させる昇圧コンバーターである。ＦＣ昇圧コンバータ２０は、電荷を蓄えることができる第１コンデンサー２１を有している。第１コンデンサー２１には、第１コンデンサー２１の電圧を測定するための第１電圧計Ｖ１が並列に接続されている。トラクションモーターＭＧ２は、燃料電池システム１００を搭載している車両のタイヤを駆動させて、車両を走行させるモーターである。トラクションモーターＭＧ２は、燃料電池１０または二次電池５０から供給された電力によつて駆動される。

ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間の電気的な接続と遮断とを切り替える回路である。図１に示すように、ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間に配置されている。ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢと対を成すＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧに並列に接続されているＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰを有する。ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰは、極性を有しており、ＰＣＵ４０側の電位がＦＣ昇圧コンバータ２０側の電位よりも高い場合に、通電可能である。

ＦＣリレー回路３０における回路の開閉のタイミングの詳細については後述するが、燃料電池システム１００の起動時には、制御装置６０は、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢを閉じた後に、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰを閉じて、第２コンデンサー４１を充電させた後に、ＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧを閉じる。燃料電池システム１００の燃料電池１０の発電の終了時には、ＦＣリレー回路３０において、起動時に各リレーが閉じる順序と逆の順序で各リレーが開いていく。

ＰＣＵ４０は、制御装置６０から送信された制御信号に基づいて、燃料電池システム１００における各部へ送電する電力量を制御する。ＰＣＵ４０は、第２コンデンサー４１、昇圧ＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５、及びＩＰＭ４８を有している。第２コンデンサー４１は、平滑用蓄電部である。第２コンデンサー４１には、第２コンデンサー４１の電圧を測定するための第２電圧計Ｖ２が並列に接続されている。昇圧ＩＰＭ４５は、二次電池５０から供給される電力の電圧を昇圧させるコンバータである。ＩＰＭ４８は、電気負荷であるエアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２に接続されたパワーモジュールである。

二次電池５０は、燃料電池１０の発電によつて得られた電力やトラクションモーターＭＧ２の回生電力を一時的に蓄える電池である。二次電池５０に蓄えられた電力は、燃料電池システム１００が備える各構成の駆動電力として使用される。

制御装置６０は、制御信号を送信することで、燃料電池システム１００が有する各構成の動作を制御する。また、詳細は後述するが、制御装置６０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０及びＰＣＵ４０から送信される制御信号に基づいて、第１コンデンサー２１、第２コンデンサー４１及び昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬに蓄えられた電荷を検出し、第１コンデンサー２１及び第２コンデンサー４１のプリチャージが完了したか否かを判断し、これにより、燃料電池システム１００の電源回路における断線などの異常の有無を判断することができる。なお、制御装置６０は、第１電圧計Ｖ１及び第２電圧計Ｖ２を介して第１コンデンサー２１及び第２コンデンサー４１の電圧を取得する。

二次電池用リレー回路７０は、二次電池５０とＰＣＵ４０との電気的な接続と遮断とを切り替えるリレー回路である。二次電池用リレー回路７０は、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢと対を成す二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧ、及び二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧと並列に接続されている二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰを有する。

燃料電池システム１００の起動時には、制御装置６０は、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢを閉じた後に、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰを閉じて、昇圧ＩＰＭ４５に含まれる昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬを充電させた後に、二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧを閉じる。燃料電池システム１００の燃料電池１０の発電の終了時には、制御装置６０は、二次電池用リレー回路７０において、起動時と逆の順序で各リレーを開いていく。

補機バッテリー１０５は、二次電池５０から供給された電力を一時的に蓄える補機用の電池である。補機バッテリー１０５に蓄えられた電力は、補機を駆動させるために用いられる。

２．回路異常の有無の判断
図２を参照して、燃料電池システム１００の回路の断線などの回路異常の有無を判断するための制御装置６０による処理を説明する。

まず、制御装置６０は、第１コンデンサー２１及び第２コンデンサー４１をプリチャージするために、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、及びＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰを閉じるように制御する（ステップＳ１１）。

その後、制御装置６０は、二次電池５０の電圧値ＶＢが燃料電池１０の電圧値ＣＭよりも所定値以上高い（例えば、１０％以上高い）か否かを判断する（ステップＳ１２）。高いと判断されたとき（ステップＳ１２のＹｅｓ）、制御装置６０は、第１コンデンサー２１の電荷の電圧値ＦＶＨと、電圧値ＶＢとが同程度（例えば、差異が１０％未満）である状態が所定期間（例えば、１０秒）継続したか否かを判断する（ステップＳ１３）。継続したと判断されたとき（ステップＳ１３のＹｅｓ）、制御装置６０は、第１コンデンサー２１及び第２コンデンサー４１のプリチャージが完了したと判断し、さらに、回路異常は存在しないと判断する。他の場合（ステップＳ１３のＮｏ）、制御装置６０は、回路異常が存在すると判断する。回路異常としては、例えば、燃料電池システム１００における第１コンデンサー２１及び第２コンデンサー４１に接続された高電圧回路の断線が含まれる。以下で説明する回路異常についても同様である。

ステップＳ１２で、二次電池５０の電圧値ＶＢが燃料電池１０の電圧値ＣＭよりも所定値以上高くはないと判断されたとき（ステップＳ１２のＮｏ）、制御装置６０は、電圧値ＣＭが電圧値ＶＢよりも所定値以上高い（例えば、１０％以上高い）か否かを判断する（ステップＳ１６）。高いと判断されたとき（ステップＳ１６のＹｅｓ）、制御装置６０は、第２コンデンサー４１の電荷の電圧値ＶＨが電圧値ＣＭと同程度（例えば、差異が１０％未満）であり、かつ、昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬの電圧値が電圧値ＶＢと同程度である状態が所定期間（例えば、１０秒）継続したか否かを判断する（ステップＳ１７）。継続したと判断されたとき（ステップＳ１７のＹｅｓ）、処理はステップＳ１５へ進み、他の場合（ステップＳ１７のＮｏ）、制御装置６０は、断線などの回路異常が存在すると判断する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１６で、電圧値ＣＭが電圧値ＶＢよりも所定値以上高いとは判断されなかったとき、すなわち、電圧値ＣＭと電圧値ＶＢが同程度であるとき（ステップＳ１６のＮｏ）、制御装置６０は、昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬの電圧値が電圧値ＶＢと同程度である状態が所定期間（例えば、１０秒）継続したか否かを判断する（ステップＳ１９）。継続したと判断された場合（ステップＳ１９のＹｅｓ）、制御装置６０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０を起動し（ステップＳ２０）、ＰＣＵ４０の出力電圧の指令値（ＶＨ指令電圧値）をプリチャージ完了時の第２コンデンサー４１の電圧値（電圧値Ｖｃｈｇ）よりも十分高い値（Ｖｃｈｇ＋α）に設定する（ステップＳ２１）。なお、電圧値Ｖｃｈｇは二次電池５０の電圧値ＶＢと等しい。その後、制御装置６０は、第１コンデンサー２１の電荷の電圧値ＦＶＨがＶＨ指令電圧値と同程度（例えば、差異が１０％未満）である状態が所定期間（例えば、１０秒）継続したか否かを判断する（ステップＳ２２）。すなわち、ステップＳ２２において、制御装置６０は、第１コンデンサー２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサー４１の電圧値ＶＨと、ＶＨ指令電圧値とが同程度である状態が所定期間継続したか否かを判断する。継続したと判断された場合（ステップＳ２２のＹｅｓ）、処理はステップＳ１５へ進み、他の場合（ステップＳ２２のＮｏ）、制御装置６０は、断線などの回路異常が存在すると判断する（ステップＳ２３）。

ステップＳ１９で、昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬの電圧値が電圧値ＶＢと同程度である状態が所定期間継続したと判断されなかった場合（ステップＳ１９のＮｏ）、制御装置６０は、断線などの回路異常が存在すると判断する（ステップＳ２４）。

以上のように本実施形態によれば、燃料電池１０の電圧値ＣＭと二次電池５０の電圧値ＶＢとの間の差が所定値未満であるとき、ＶＨ指令電圧を上昇させる。その後、第１コンデンサー２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサー４１の電圧値ＶＨと、ＶＨ指令電圧値とが同程度である状態が所定期間継続したときは、回路異常がないと判断し、他の場合は回路異常があると判断する。その結果、燃料電池１０及び二次電池５０の電圧の差が小さい場合であっても、回路異常の有無を高い精度で判断することができる。

図３を参照して、制御装置６０による回路異常の有無の判断の例を説明する。図３には、電圧値ＣＭは３００Ｖ、電圧値ＶＢは２８８Ｖであり、燃料電池１０の電圧値ＣＭと二次電池５０とが同程度であることが示されている。

また、プリチャージＲＥＡＤＹ、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧ、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧ、及びＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰのオン及びオフの状態を示すタイムチャートが示されている。プリチャージＲＥＡＤＹのオンは、チャージが完了し、回路が正常であると判断された状態を示す。各リレーのオン及びオフはそれぞれ閉状態及び開状態を示す。

また、図３には、第１コンデンサー２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサー４１の電圧値ＶＨ、昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬの電圧値の時系列の変化が示されている。

この例において、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰ及びＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰが閉じられた後、昇圧ＩＰＭコンデンサーＶＬの電圧値が上昇している（Ａ参照）ため、ＰＣＵ４０と二次電池５０の間には、断線などの回路異常はないと判断できる。また、第１コンデンサー２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサー４１の電圧値ＶＨが共に上昇している（Ｂ参照）が、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０の間に回路異常が存在するか否かは不明である。燃料電池１０及び二次電池５０の電圧の差が小さい場合、燃料電池１０及び二次電池５０のいずれからもコンデンサのプリチャージが可能となるためである。

その後、ＰＣＵ４０の出力電圧の指令値（ＶＨ指令電圧値）をプリチャージ完了時の第２コンデンサー４１の電圧値（電圧値Ｖｃｈｇ）よりも十分高い値（Ｖｃｈｇ＋α）に設定することにより、電圧値ＦＶＨと、電圧値ＶＨが共に上昇し、電圧値ＦＶＨ及び電圧値ＶＨが所定期間ＶＨ指令電圧値となる（Ｃ参照）。そのため、この例では、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０の間に回路異常は存在しないと判断でき、プリチャージＲＥＡＤＹがオンとなる。

すなわち、本実施形態によれば、燃料電池１０及び二次電池５０の電圧の差が小さい場合であっても、回路異常の有無を高い精度で判断することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１０ 燃料電池
２０ ＦＣ昇圧コンバータ
２１ 第１コンデンサー
３０ ＦＣリレー回路
４０ パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
４１ 第２コンデンサー
５０ 二次電池
６０ 制御装置
７０ 二次電池用リレー回路
１００ 燃料電池システム
１０５ 補機バッテリー
ＭＧ１ エアコンプレッサ
ＭＧ２ トラクションモーター
ＳＭＲＢ 二次電池用第１メインリレー
ＳＭＲＧ 二次電池用第２メインリレー
ＳＭＲＰ 二次電池用プリチャージリレー
ＦＣＲＢ ＦＣ第１メインリレー
ＦＣＲＧ ＦＣ第２メインリレー
ＦＣＲＰ ＦＣプリチャージリレー

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   第１コンデンサを有し、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧する第１コンバータと、
   二次電池と、
   第２コンデンサ及び第２コンバータとを有する電源制御装置と、
   前記第１コンデンサ又は前記第２コンデンサに接続された回路の異常の有無を判断する判断装置と
   を備え、
   前記第２コンバータは、第３コンデンサを有し、前記二次電池の出力電圧を昇圧し、
   前記判断装置は、前記燃料電池の電圧と前記二次電池の電圧との間の差が所定値未満であるときに、
   前記二次電池の電圧と、前記第３コンデンサの電圧との差が所定値未満である状態が所定期間継続し、かつ、
   前記第２コンデンサの電圧を前記二次電池の電圧よりも高い電圧である指令値に設定されるよう指令したのち、前記第１コンデンサの電圧と、前記第２コンデンサの電圧と、前記指令値との間の差が所定値未満である状態が所定期間継続したこと
   を条件として、前記回路は正常であると判断する、燃料電池システム。