JP2019114453A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池コンバータが故障した場合に走行可能距離が短くなることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と負荷との間に接続されて燃料電池から出力される電圧を昇圧する燃料電池コンバータと、燃料電池コンバータを昇圧動作させて負荷への出力電力を制御する制御部と、を備え、制御部は、燃料電池コンバータに昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、燃料電池コンバータの昇圧動作を停止させて燃料電池コンバータに通電させる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池と負荷との間に配置される燃料電池コンバータが故障した際に、フェールセーフの観点から燃料電池コンバータを遮断することがある。特許文献１には、燃料電池コンバータが故障した際に、燃料電池コンバータを遮断し、燃料電池車両の負荷である駆動モータに二次電池から電力を供給することが記載されている。

特開２０１１−２２８２９４号公報

燃料電池車両の走行中に燃料電池コンバータが故障した場合、二次電池のみから駆動モータ等の負荷に電力を供給する構成では、走行可能距離が非常に短いという問題がある。このため、燃料電池コンバータが故障した場合に走行可能距離が短くなることを抑制できる技術が求められていた。

本発明は、上述の課題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、負荷に電力を供給する燃料電池と；前記燃料電池と前記負荷との間に接続されて前記燃料電池から出力される電圧を昇圧する燃料電池コンバータと；前記燃料電池コンバータに昇圧動作させて前記負荷への出力電力を制御する制御部と；を備え；前記制御部は；前記燃料電池コンバータに昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、前記燃料電池コンバータの昇圧動作を停止させて前記燃料電池コンバータに通電させる。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池コンバータに昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、燃料電池コンバータの昇圧動作を停止させて燃料電池コンバータに通電させるので、燃料電池から負荷への給電を継続できる。このため、二次電池のみから給電させる場合に比べて、燃料電池車両の走行可能距離が短くなることを抑制できる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記負荷に電力を供給する二次電池と；前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を変換する二次電池コンバータと；前記燃料電池コンバータの二次側電圧値を検出する第１電圧センサと；前記二次電池コンバータの二次側電圧値を検出する第２電圧センサと；をさらに備え；前記昇圧不可故障は、前記第１電圧センサの故障を含み；前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電圧センサの故障である場合に、前記出力電力の制御において、前記第２電圧センサによる検出値を前記燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、昇圧不可故障が第１電圧センサの故障である場合に、第２電圧センサによる検出値を燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いるので、燃料電池システムの出力電力の制御を継続できる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池コンバータの二次側電圧値を検出する第１電圧センサと；前記燃料電池の電圧値を検出する燃料電池電圧センサと；をさらに備え；前記昇圧不可故障は、前記第１電圧センサの故障を含み；前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電圧センサの故障である場合に、前記出力電力の制御において、前記燃料電池電圧センサによる検出値を前記燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、昇圧不可故障が第１電圧センサの故障である場合に、燃料電池電圧センサによる検出値を燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いるので、燃料電池システムの出力電力の制御を継続できる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記負荷に電力を供給する二次電池と；前記燃料電池コンバータの電流値を検出する第１電流センサと；前記二次電池の電流値を検出する第２電流センサと；をさらに備え；前記昇圧不可故障は、前記第１電流センサの故障を含み；前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電流センサの故障である場合に、前記第２電流センサによる検出値と前記燃料電池システムの合計供給電力とを用いて前記燃料電池コンバータの電流値を推定し、前記出力電力の制御において、推定された前記電流値を前記燃料電池コンバータの電流値として用いてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、昇圧不可故障が第１電流センサの故障である場合に、第２電流センサによる検出値と燃料電池システムの合計供給電力とを用いて燃料電池コンバータの電流値を推定し、推定された電流値を燃料電池コンバータの電流値として用いるので、燃料電池システムの出力電力の制御を継続できる。

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、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備える車両などの形態で実現することができる。

燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。 故障時制御処理の手順を示すフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、後述する負荷７０に電力を供給する。負荷７０には、駆動モータ７２とエアコンプレッサ７４とが含まれる。

燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、燃料電池コンバータ（以下、「ＦＤＣ」とも呼ぶ）３０と、燃料電池用リレー回路２９と、二次電池４０と、二次電池用リレー回路４９と、二次電池コンバータ（以下、「ＢＤＣ」とも呼ぶ）５０と、インバータ６０と、補機８０と、制御部９０とを備える。

燃料電池２０は、燃料電池システム１０の電力源であり、いわゆる固体高分子型燃料電池により構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する。なお、燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池に代えて、固体酸化物型燃料電池等の他の任意のタイプの燃料電池により構成されてもよい。燃料電池２０は、図示しない複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。

燃料電池２０には、セルモニタ２１が接続されている。セルモニタ２１は、燃料電池２０の単セル毎のセル電圧を検出する。各セル電圧の合計値は、燃料電池２０の電圧に相当する。セルモニタ２１は、検出されたセル電圧および燃料電池２０の電圧を、制御部９０に出力する。また、燃料電池２０の出力端子には、第３電圧センサ２２が接続されている。第３電圧センサ２２は、燃料電池２０の電圧を検出する。換言すると、第３電圧センサ２２は、ＦＤＣ３０により昇圧される前の電圧を検出する。

ＦＤＣ３０は、制御部９０からの指令に応じて、燃料電池２０の出力電圧を昇圧する。具体的には、ＦＤＣ３０は、一次側配線３３から供給される電圧を昇圧して二次側配線３４へ供給する。一次側とは、電力が供給される側、すなわち入力側を意味し、二次側とは、電力を供給する側、すなわち出力側を意味する。昇圧された電圧は、燃料電池用リレー回路２９を介してインバータ６０に供給される。ＦＤＣ３０は、自身を通過する電流を調整することにより、燃料電池２０の出力電力の調整を実行する手段として機能する。

ＦＤＣ３０は、４相ブリッジコンバータとして構成されている。ＦＤＣ３０は、Ｕ相とＶ相とＷ相とＸ相との４相のＩＰＭ（Intelligent Power Module）３１と、第１電流センサ３６と、コンデンサＣａと、第１電圧センサ３７とを有する。各ＩＰＭ３１は、互いに並列に接続され、それぞれ同様の構成を有する。図１では、４相のＩＰＭ３１のうちの１つを代表して示している。

各ＩＰＭ３１は、複数の半導体素子を組み込んだ回路モジュールであり、リアクトルＬａと、逆流防止用ダイオードＤＸと、スイッチング素子Ｓａと、第１温度センサ３８と、第３電流センサ３９とを有する。リアクトルＬａは、燃料電池２０の正極側端子と逆流防止用ダイオードＤＸのアノード端子との間に接続されている。リアクトルＬａは、電力の蓄積および蓄積した電力の放出を行なうことができる。逆流防止用ダイオードＤＸは、ＦＤＣ３０の二次側から一次側へと電流が逆流することを防止する。スイッチング素子Ｓａは、リアクトルＬａと逆流防止用ダイオードＤＸとの接続点と低電位側の配線との間に接続されている。スイッチング素子Ｓａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）により構成されている。なお、ＩＧＢＴに代えて、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の他の任意の種類のスイッチング素子により構成されていてもよい。第１温度センサ３８は、ＩＰＭ３１の温度を検出して制御部９０に出力する。第３電流センサ３９は、ＩＰＭ３１の通過電流を検出して制御部９０に出力する。

第１電流センサ３６は、高電位側の配線に配置され、ＦＤＣ３０の通過電流を検出して制御部９０に出力する。コンデンサＣａは、ＦＤＣ３０の二次側に配置されている。第１電圧センサ３７は、ＦＤＣ３０の二次側電圧値、すなわち、ＦＤＣ３０により昇圧された後の電圧値を検出して制御部９０に出力する。

燃料電池用リレー回路２９は、ＦＤＣ３０とインバータ６０との間に配置されている。燃料電池用リレー回路２９は、制御部９０からの指令により、ＦＤＣ３０とインバータ６０との間の電気的な接続と遮断とを切り替える。燃料電池用リレー回路２９は、ＦＣ第１リレーＦＣＲＢと、ＦＣ第２リレーＦＣＲＧと、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰと、制限抵抗Ｒ１とを有する。ＦＣ第１リレーＦＣＲＢは、高電位側の配線に配置されている。ＦＣ第２リレーＦＣＲＧは、低電位側の配線に配置されている。ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰは、ＦＣ第２リレーＦＣＲＧと並列に接続されている。制限抵抗Ｒ１は、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰと直列に接続されている。ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰと制限抵抗Ｒ１とは、ＦＣ第２リレーＦＣＲＧの溶着を抑制する。なお、燃料電池用リレー回路２９は、燃料電池２０とＦＤＣ３０との間に配置されていてもよい。

二次電池４０は、燃料電池２０とともに燃料電池システム１０の電力源として機能し、負荷７０や補機８０に電力を供給する。本実施形態において、二次電池４０は、充放電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。なお、二次電池４０は、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の二次電池４０により構成されてもよい。二次電池４０は、負荷７０に対して、燃料電池２０と並列に接続されている。二次電池４０には、駆動モータ７２において発生した回生電力が充電される。

二次電池４０の出力端子には、第２電流センサ４１と第４電圧センサ４４とが電気的に接続されている。第２電流センサ４１は、二次電池４０の電流値を検出して制御部９０に出力する。第４電圧センサ４４は、二次電池４０の出力電圧を検出して制御部９０に出力する。また、二次電池４０には、第２温度センサ４２とＳＯＣ検出部４３とが接続されている。第２温度センサ４２は、二次電池４０の温度を検出して制御部９０に出力する。ＳＯＣ検出部４３は、二次電池４０の蓄電量を示すＳＯＣ（State Of Charge）を検出して制御部９０に出力する。

二次電池用リレー回路４９は、二次電池４０とＢＤＣ５０との間に配置されている。二次電池用リレー回路４９は、制御部９０からの指令により、二次電池４０とＢＤＣ５０との間の電気的な接続と遮断とを切り替える。二次電池用リレー回路４９は、二次電池第１リレーＳＭＲＢと、二次電池第２リレーＳＭＲＧと、二次電池プリチャージリレーＳＭＲＰと、制限抵抗Ｒ２とを有する。二次電池第１リレーＳＭＲＢは、高電位側の配線に配置されている。二次電池第２リレーＳＭＲＧは、低電位側の配線に配置されている。二次電池プリチャージリレーＳＭＲＰは、二次電池第２リレーＳＭＲＧと並列に接続されている。制限抵抗Ｒ２は、二次電池プリチャージリレーＳＭＲＰと直列に接続されている。二次電池プリチャージリレーＳＭＲＰと制限抵抗Ｒ２とは、二次電池第２リレーＳＭＲＧの溶着を抑制する。

ＢＤＣ５０は、制御部９０からの指令に応じて、二次電池４０の出力電圧を変換する。具体的には、ＢＤＣ５０は、一次側配線５３から供給される電圧を昇圧して二次側配線５４へ供給する。昇圧された電圧は、インバータ６０に供給される。ＢＤＣ５０は、自身を通過する電流を調整することにより、燃料電池システム１０のうち二次電池４０側から出力される電力の制御を実行する手段として機能する。ＢＤＣ５０の出力端子とＦＤＣ３０の出力端子とは、電気的に接続されている。

本実施形態において、ＢＤＣ５０は、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成されている。なお、ＢＤＣ５０は、二次側配線５４から入力される電圧を降圧して一次側配線５３を介して二次電池４０に供給することも可能な双方向のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されていてもよい。また、ＢＤＣ５０は、インバータ６０と降圧コンバータ８９とともに、ＰＣＵ（Power Control Unit）を構成していてもよい。

ＢＤＣ５０は、上アーム５６と、下アーム５８と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１、Ｃ２と、第５電圧センサ４５とを有する。上アーム５６は、第１のスイッチング素子Ｓ１と、第１のダイオードＤ１とを含む。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ＩＧＢＴにより構成されている。なお、ＩＧＢＴに代えて、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の他の任意の種類のスイッチング素子により構成されていてもよい。第１のダイオードＤ１は、第１のスイッチング素子Ｓ１に逆並列に接続されている。下アーム５８は、第２のスイッチング素子Ｓ２と、第２のダイオードＤ２とを含み、上アーム５６と同様な構成を有する。上アーム５６と下アーム５８とは、直列に接続されている。リアクトルＬ１は、上アーム５６と下アーム５８との接続点に接続されている。コンデンサＣ１は、一次側配線５３に配置され、コンデンサＣ２は、二次側配線５４に配置されている。第５電圧センサ４５は、一次側配線５３に配置され、ＢＤＣ５０の一次側の電圧を検出する。

インバータ６０は、燃料電池２０および二次電池４０から供給される直流の電力を三相交流の電力に変換する。インバータ６０は、変換した電力を負荷７０に供給する。インバータ６０の入力端子には、第２電圧センサ２５とコンデンサＣ３とが配置されている。第２電圧センサ２５は、インバータ６０に入力される電圧値、すなわち、ＢＤＣ５０の二次側電圧値を検出して制御部９０に出力する。コンデンサＣ３は、インバータ６０へ入力される電圧の変動を抑制する。

負荷７０は、駆動モータ７２とエアコンプレッサ７４とを含む。駆動モータ７２は、燃料電池車両の図示しない車輪を駆動する。エアコンプレッサ７４は、燃料電池２０に酸化剤ガスを圧送する。駆動モータ７２およびエアコンプレッサ７４の有する同期モータの出力トルクの制御は、制御部９０によってインバータ６０が制御されることにより実行される。なお、駆動モータ７２は、燃料電池システム１０の構成要素ではなく、エアコンプレッサ７４は、燃料電池システム１０の構成要素である。説明の便宜上、本実施形態における負荷７０は、燃料電池システム１０の構成要素ではないものとして説明する。

補機８０は、ＢＤＣ５０の一次側配線５３に接続されている。補機８０は、駆動電圧の高い高圧補機８１と、駆動電圧の低い低圧補機８８とを含む。

高圧補機８１は、水素ポンプ８２と、冷却水ポンプ８３と、水加熱ヒータ８４とを含む。水素ポンプ８２は、燃料電池２０から排出されるオフガスを燃料ガス供給路に戻す。冷却水ポンプ８３は、燃料電池２０内を通る冷却水を循環させる。水加熱ヒータ８４は、燃料電池２０内の水が凍結しないように冷却水を加熱する。また、高圧補機８１は、燃料電池システム１０内に含まれない装置として、燃料電池車両が備える空調装置８５等を含んでいてもよい。高圧補機８１には、補機インバータ８６が接続されている。補機インバータ８６は、直流の電力を三相交流の電力に変換し、高圧補機８１に供給する。

低圧補機８８は、燃料電池２０に反応ガスや冷却水を給排する流路に配置される流量調節バルブ等を含む。低圧補機８８には、降圧コンバータ８９によって電圧を１２Ｖ程度に下げた電力が供給される。

制御部９０は、中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータであり、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）として構成されている。中央処理装置は、記憶装置に予め記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池２０の発電運転制御、ＦＤＣ３０の昇圧動作制御、ＢＤＣ５０の昇圧動作制御、負荷７０への出力電力制御、インバータ６０、補機インバータ８６および降圧コンバータ８９の動作制御を行なう。負荷７０への出力電力制御、すなわち燃料電池システム１０の出力電力制御は、以下のように行われる。制御部９０は、負荷７０の要求電力に対し、燃料電池２０と二次電池４０とからそれぞれ供給される電力の配分を決定し、ＦＤＣ３０の電流および出力電圧と、ＢＤＣ５０の電流および出力電圧とをそれぞれ決定し、ＦＤＣ３０およびＢＤＣ５０に対してそれぞれのスイッチング素子Ｓａ、Ｓ１、Ｓ２のデューティ比を変更させる指令を送信する。また、制御部９０は、ＦＤＣ３０の故障を検出し、検出された故障の種類に応じてＦＤＣ３０を制御する。

本実施形態の燃料電池システム１０では、以下に説明する故障時制御処理を実行することにより、ＦＤＣ３０の故障の種類に応じて、燃料電池システム１０の運転モードを、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させてＦＤＣ３０に通電させるモード（以下、「昇圧レスモード」と呼ぶ）に移行させる。これにより、燃料電池２０からの給電を継続させて、燃料電池車両の走行可能距離が短くなることを抑制する。

Ａ−２．故障時制御処理：
図２は、故障時制御処理の手順を示すフローチャートである。故障時制御処理は、燃料電池車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム１０が起動した後に実行される。

制御部９０は、ＦＤＣ３０に故障が発生しているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。

ＦＤＣ３０の故障には、下記（ａ）〜（ｃ）が含まれる。
（ａ）昇圧動作可、且つ、通電可の故障
（ｂ）昇圧動作不可、且つ、通電可の故障（以下、「昇圧不可故障」とも呼ぶ）
（ｃ）昇圧動作不可、且つ、通電不可の故障

上記（ａ）の故障とは、ＦＤＣ３０に昇圧動作を行なわせることが可能な故障を意味する。上記（ａ）の故障には、例えば、ＦＤＣ３０の有する４相のＩＰＭ３１のうちの一部の相の故障等が該当する。ＩＰＭ３１の故障としては、例えば、スイッチング素子Ｓａの故障、第１温度センサ３８の故障、第３電流センサ３９の故障、ＩＰＭ３１の構成回路内の短絡や断線等が想定される。

上記（ｂ）の故障とは、ＦＤＣ３０に昇圧動作を行なわせることができない故障であって、ＦＤＣ３０の一次側配線３３と二次側配線３４とを導通させることが可能な故障を意味する。上記（ｂ）の故障には、例えば、第１電圧センサ３７の故障、第１電流センサ３６の故障および４相全てにおける第１温度センサ３８の故障等が該当する。

上記（ｃ）の故障とは、ＦＤＣ３０の一次側配線３３と二次側配線３４とを導通させることができない故障を意味する。上記（ｃ）の故障には、例えば、ＦＤＣ３０の過電流、過電圧および回路異常の故障等が該当する。

ＦＤＣ３０の故障は、種々の方法により検出される。例えば、ＦＤＣ３０を構成する回路の短絡は、予め定められた配線の有効値（例えば、０．１Ｖ〜４．９Ｖ等）に対して、配線の電圧が有効値を超える電圧（例えば、５Ｖ等）となることにより検出される。同様に、ＦＤＣ３０を構成する回路の断線は、配線の電圧が有効値未満の電圧（例えば、０Ｖ等）となることにより検出される。また、例えば、過電流は、予め定められた電流値以上の電流が流れることにより検出され、過電圧は、予め定められた電圧値以上の電圧がかかることにより検出される。また、例えば、センサ類の故障は、いわゆる二者比較により互いに異なるセンサによる検出値を比較することや、検出値と推定値とを比較することによっても検出される。センサ類の故障は、複数の二者比較および推定値比較等を組み合わせることにより、総合的に検出されてもよい。

第１電圧センサ３７の故障の検出には、例えば、第１電圧センサ３７による検出値と第２電圧センサ２５による検出値との比較が用いられる。第１電圧センサ３７と第２電圧センサ２５との検出値は、理論的に等しくなる。このため、本実施形態では、第１電圧センサ３７と第２電圧センサ２５とによる検出値の差が誤差範囲外である場合に、第１電圧センサ３７の故障が検出される。

また、第１電流センサ３６の故障の検出には、例えば、第１電流センサ３６による検出値と各第３電流センサ３９による検出値の総和との比較が用いられる。第１電流センサ３６の検出値と、各ＩＰＭ３１がそれぞれ有する第３電流センサ３９により検出されるＩＰＭ３１毎の電流値の総和とは、理論的に等しくなる。このため、本実施形態では、第１電流センサ３６による検出値と各第３電流センサ３９による検出値の総和との差が誤差範囲外である場合に、第１電流センサ３６の故障が検出される。

また、各相の第３電流センサ３９の故障の検出には、例えば、各相の検出値の比較が用いられる。本実施形態では、ある相の第３電流センサ３９による検出値と、他の３相の第３電流センサ３９による検出値との差が誤差範囲外である場合に、かかる相の第３電流センサ３９の故障が検出される。

また、各相の第１温度センサ３８の故障の検出には、例えば、温度上昇の推定値と検出値との比較が用いられる。本実施形態では、第１温度センサ３８による検出値から単位時間当たりの温度上昇を算出し、昇圧動作に伴う発熱による電力ロスから推定される単位時間当たりの温度上昇と算出された温度上昇との差が誤差範囲外である場合に、第１温度センサ３８の故障が検出される。

ステップＳ２１０において、ＦＤＣ３０の故障が発生していないと判定された場合（ステップＳ２１０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。

他方、ステップＳ２１０において、ＦＤＣ３０の故障が発生していると判定された場合（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、制御部９０は、発生した故障を特定する（ステップＳ２２０）。

制御部９０は、特定されたＦＤＣ３０の故障が、昇圧動作不可の故障であるか否かを判定する（ステップＳ２３０）。すなわち、ＦＤＣ３０の故障が、上記（ｂ）の故障および（ｃ）の故障であるか否かを判定する。

ステップＳ２３０において、昇圧動作不可の故障でない、すなわち、上記（ａ）の故障であると判定された場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、制御部９０は、故障の発生した相を停止させるとともに、故障の発生していない相のみに昇圧動作を実行させる（ステップＳ２３５）。例えば、４相のＩＰＭ３１のうちの１相が故障した場合、故障した相に対しては、スイッチング素子Ｓａのデューティ比をゼロに固定して昇圧動作を停止させ、故障の発生していない残りの３相に対しては、昇圧動作を実行させる。なお、３相のＩＰＭ３１を用いて昇圧動作を実行する場合の出力は、４相全てのＩＰＭ３１を用いて昇圧動作を実行する場合と比較して減少する。

ステップＳ２３５によって、故障の発生した相を停止させて故障の発生していない相のみを用いてＦＤＣ３０の昇圧動作を実行するので、燃料電池２０から負荷７０への給電を継続できる。ステップＳ２３５の後、ステップＳ２１０に戻る。なお、制御部９０は、燃料電池車両の利用者に、ＦＤＣ３０の故障を通知してサービス店等への入庫を促してもよい。

他方、ステップＳ２３０において、昇圧動作不可の故障であると判定された場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、制御部９０は、ＦＤＣ３０の故障が通電可の故障であるか否かを判定する（ステップＳ２４０）。すなわち、ＦＤＣ３０の故障が、上記（ｂ）の故障と上記（ｃ）の故障とのうち、上記（ｂ）の故障であるか否かを判定する。

ステップＳ２４０において、通電可の故障でない、すなわち、上記（ｃ）のような通電不可の故障であると判定された場合（ステップＳ２４０：ＮＯ）、ＦＤＣ３０に通電させることができない。このため、制御部９０は、燃料電池システム１０の運転モードを二次電池走行モードに設定する（ステップＳ２６０）。

二次電池走行モードでは、二次電池４０のみを用いて給電を行なう。制御部９０は、ＦＤＣ３０を停止させ、燃料電池２０の発電を停止させ、燃料電池用リレー回路２９を遮断する（ステップＳ２７０）。なお、ＦＤＣ３０の停止とは、ＦＤＣ３０の昇圧動作を行なわずに一次側配線３３と二次側配線３４とを直結させることを意味する。具体的には、４相すべてのＩＰＭ３１において、スイッチング素子Ｓａのデューティ比をゼロに固定する。また、燃料電池２０の発電の停止とは、燃料電池２０への燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を停止させることを意味する。ステップＳ２７０の後、故障時制御処理は終了する。

他方、ステップＳ２４０において、通電可の故障であると判定された場合（ステップＳ２４０：ＹＥＳ）、制御部９０は、燃料電池システム１０の運転モードを昇圧レスモードに設定する（ステップＳ２５０）。すなわち、制御部９０は、ＦＤＣ３０に昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させてＦＤＣ３０に通電させる。

昇圧レスモードでは、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させて、一次側配線３３と二次側配線３４とを直結させることによりＦＤＣ３０に通電させる。これにより、ＦＤＣ３０は、単に通電するための回路として機能することとなる。燃料電池２０から供給される電圧は、ＦＤＣ３０による昇圧動作を受けずにインバータ６０へと出力される。

第１電圧センサ３７の故障、第１電流センサ３６の故障、および４相全てにおける第１温度センサ３８の故障等が発生した場合、ＦＤＣ３０の昇圧動作を継続させると、実際の出力が要求出力と大きく異なるおそれがある。これに対して、ＦＤＣ３０の通電によっては、出力電力の大きな変動を生じさせる可能性が低い。

上述のように、燃料電池システム１０の出力電力の制御は、ＦＤＣ３０の電流および出力電圧とＢＤＣ５０の電流および出力電圧とをそれぞれ決定することにより行なわれる。このため、出力電力の制御には、ＦＤＣ３０の出力電圧およびＦＤＣ３０の電流値が必要となる。上述のように、ＦＤＣ３０の出力電圧は、第１電圧センサ３７により検出される。このため、第１電圧センサ３７が故障した場合は、他の方法によりＦＤＣ３０の出力電圧を求めることが望ましい。また、ＦＤＣ３０の電流値は、第１電流センサ３６により検出される。このため、第１電流センサ３６が故障した場合は、他の方法によりＦＤＣ３０の電流値を求めることが望ましい。

制御部９０は、ＦＤＣ３０の故障が第１電圧センサ３７の故障であるか否かを判定する（ステップＳ２５２）。ＦＤＣ３０の故障が第１電圧センサ３７の故障であると判定された場合（ステップＳ２５２：ＹＥＳ）、制御部９０は、出力電力の制御に用いるＦＤＣ３０の出力電圧値を切り替える（ステップＳ２５４）。

ステップＳ２５４では、ＦＤＣ３０の出力電圧値として、第１電圧センサ３７により検出される電圧値から、第２電圧センサ２５により検出される電圧値へと切り替える。これは、第１電圧センサ３７により検出されるＦＤＣ３０の出力電圧値と第２電圧センサ２５により検出される電圧値とが、理論的に等しいことを利用している。

ステップＳ２５４の後、故障時制御処理は終了する。なお、制御部９０は、ステップＳ２５４で切り替えられた電圧値を用いて、燃料電池システム１０の出力電力の制御を行なうこととなる。

他方、ステップＳ２５２において、ＦＤＣ３０の故障が第１電圧センサ３７の故障でないと判定された場合（ステップＳ２５２：ＮＯ）、制御部９０は、ＦＤＣ３０の故障が第１電流センサ３６の故障であるか否かを判定する（ステップＳ２５６）。ＦＤＣ３０の故障が第１電流センサ３６の故障でないと判定された場合（ステップＳ２５６：ＮＯ）、故障時制御処理は終了する。他方、ＦＤＣ３０の故障が第１電流センサ３６の故障であると判定された場合（ステップＳ２５６：ＹＥＳ）、制御部９０は、出力電力の制御に用いるＦＤＣ３０の電流値を切り替える（ステップＳ２５８）。

ステップＳ２５８において、制御部９０は、燃料電池システム１０の合計供給電力と、第２電流センサ４１により検出される二次電池４０の電流値とを用いて、ＦＤＣ３０の電流値を推定する。そして、かかる推定値をＦＤＣ３０の電流値として、第１電流センサ３６の検出値から切り替える。

燃料電池システム１０の合計供給電力は、負荷７０の消費電力と補機８０の消費電力との総和に等しい。駆動モータ７２およびエアコンプレッサ７４を含む負荷７０の消費電力は、例えば、インバータ６０に配置されている図示しない電流センサにより検出される電流値と、インバータ６０に入力される電圧とから算出できる。補機８０の消費電力のうち、高圧補機８１の消費電力は、例えば、補機インバータ８６に配置されている図示しない電流センサにより検出される電流値と、第５電圧センサ４５により検出される電圧とから算出できる。補機８０の消費電力のうち、低圧補機８８の消費電力は、全体の消費電力に占める割合が小さいため、定数とみなしてもよい。例えば、低圧補機８８に流れる電流を１００Ａと仮定し、降圧コンバータ８９によって降圧された１２Ｖの電圧値とから、低圧補機８８の消費電力を１．２ｋＷとみなしてもよい。

燃料電池システム１０の合計供給電力は、燃料電池２０と二次電池４０とから供給される電力により賄われる。このため、第２電流センサ４１により検出される二次電池４０の電流値と、第４電圧センサ４４により検出される二次電池４０の電圧値とに基づいて二次電池４０から供給される電力を求め、かかる電力を燃料電池システム１０の合計供給電力から差し引くことにより、燃料電池２０から供給される電力を推定でき、ＦＤＣ３０の電流値を推定できる。なお、二次電池４０の電圧値は、第４電圧センサ４４により検出される値に代えて、ＳＯＣが所定値以上である場合に固定値としてもよい。

ステップＳ２５８の後、故障時制御処理は終了する。なお、制御部９０は、ステップＳ２５８で推定された電流値を用いて、燃料電池システム１０の出力電力の制御を行なうこととなる。故障時制御処理の終了後、制御部９０は、燃料電池車両の利用者に、ＦＤＣ３０の故障を通知してサービス店等への入庫を促してもよい。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池車両の走行中にＦＤＣ３０が故障し、かかる故障が昇圧動作不可であるが通電可である昇圧不可故障である場合に、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させてＦＤＣ３０に通電させる。このため、燃料電池２０から負荷７０への給電を継続でき、二次電池４０のみから給電される場合に比べて、燃料電池車両の走行可能距離が短くなることを抑制できる。

また、かかる昇圧不可故障が第１電圧センサ３７の故障である場合に、第２電圧センサ２５による検出値をＦＤＣ３０の二次側電圧値として用いることにより、燃料電池システム１０の出力電力の制御を行なうことができる。また、理論的に等しい第２電圧センサ２５による検出値をＦＤＣ３０の二次側電圧値として用いるので、実際の電圧値との誤差を抑制できる。

また、かかる昇圧不可故障が第１電流センサ３６の故障である場合に、第２電流センサ４１による検出値と燃料電池システム１０の合計供給電力とを用いてＦＤＣ３０の電流値を推定し、推定された電流値をＦＤＣ３０の電流値として用いることにより、燃料電池システム１０の出力電力の制御を継続できる。また、燃料電池２０のＩＶ特性を示すＩＶ曲線を用いて推定する構成と比較して、燃料電池２０の劣化等に起因するＩＶ曲線の変動の影響を抑制でき、実際の電流値との誤差を抑制できる。

また、昇圧レスモードにおいては、燃料電池２０からの給電に加えて二次電池４０からの給電も継続できるので、負荷７０の要求電圧がＦＤＣ３０の二次側電圧よりも大きい場合に、不足分の電圧を二次電池４０から供給させることができる。このため、負荷７０の要求電圧に対して供給電圧が不足することを抑制できる。

また、昇圧動作可の故障である場合に、ＩＰＭ３１のうち故障の発生していない相を用いてＦＤＣ３０の昇圧動作を実行するので、燃料電池２０から負荷７０への給電を継続でき、燃料電池車両の走行可能距離が短くなることを抑制できる。

Ｂ．他の実施形態：
Ｂ−１．他の実施形態１：
上記実施形態の故障時制御処理では、ステップＳ２５４において、第２電圧センサ２５により検出される電圧値を、ＦＤＣ３０の出力電圧値として切り替えていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第２電圧センサ２５により検出される電圧値に代えて、第３電圧センサ２２により検出される電圧値を、ＦＤＣ３０の出力電圧値として用いるように切り替える態様であってもよい。これは、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させると、ＦＤＣ３０の一次側電圧と二次側電圧とが理論的に等しくなることを利用している。かかる態様においては、第３電圧センサ２２は、課題を解決するための手段における燃料電池電圧センサの下位概念に相当する。また、例えば、セルモニタ２１により検出される燃料電池２０の単セル毎のセル電圧の値を合算してＦＤＣ３０の出力電圧値として用いるように切り替える態様であってもよい。かかる態様においては、セルモニタ２１は、課題を解決するための手段における燃料電池電圧センサの下位概念に相当する。また、例えば、上記のようにそれぞれ切り替える態様において、第２電圧センサ２５、第３電圧センサ２２およびセルモニタ２１と、第１電圧センサ３７とのセンサの違いに応じて補正した値を、ＦＤＣ３０の出力電圧値として用いてもよい。また、例えば、ＦＤＣ３０の電流値と制御部９０の記憶装置に予め記憶されている燃料電池２０のＩＶ特性を示すＩＶ曲線とに基づいて、ＦＤＣ３０の出力電圧値を推定し、推定された値をＦＤＣ３０の出力電圧値として用いるように切り替えてもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−２．他の実施形態２：
上記実施形態の故障時制御処理では、ステップＳ２５８において、燃料電池システム１０の合計供給電力と第２電流センサ４１により検出される二次電池４０の電流値とを用いてＦＤＣ３０の電流値を推定していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、各ＩＰＭ３１の第３電流センサ３９による検出値の総和から、ＦＤＣ３０の電流値を推定してもよい。また、例えば、ＦＤＣ３０の出力電圧値と制御部９０の記憶装置に予め記憶されている燃料電池２０のＩＶ特性を示すＩＶ曲線とに基づいて、ＦＤＣ３０の電流値を推定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−３．他の実施形態３：
上記実施形態における昇圧レスモードの制御内容は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、昇圧レスモードにおいて、ＢＤＣ５０の上アーム５６をＯＮさせて下アーム５８をＯＦＦさせることにより、ＢＤＣ５０の昇圧動作を停止させてＢＤＣ５０の一次側配線５３と二次側配線５４とを直結させてもよい。かかる構成では、負荷７０により消費される電力は、燃料電池２０と二次電池４０とのうちの、より電圧の高い側から優先して供給され、燃料電池２０の電圧と二次電池４０の電圧とが同じ値となった時点で、双方から供給される。このため、ＢＤＣ５０の昇圧動作を停止させることにより、ＢＤＣ５０の出力電圧がＦＤＣ３０の出力電圧よりも高い状態となって二次電池４０からのみ電力が供給されることを抑制できるので、二次電池４０の過放電の発生を抑制できる。また、二次電池４０の定格放電可能電力以上の電力が二次電池４０から供給されることを抑制できるので、二次電池４０の劣化を抑制できる。

また、例えば、昇圧レスモードでは、ＦＤＣ３０の昇圧動作を停止させることにより燃料電池２０の発電量の制御が困難となるため、ＦＤＣ３０の故障が発生していない通常の制御時と比較して、燃料電池２０へ供給する燃料ガスを過剰に供給して発電量を増加させることによって、負荷７０の要求電力を賄うようにしてもよい。また、このような発電によって要求電力以上の余剰電力が生じた場合、ＢＤＣ５０の上アームをＯＮすることにより二次電池４０に充電させてもよい。

また、例えば、昇圧レスモードにおいて、燃料電池２０の電圧を二次電池４０の電圧よりも高い値に維持してもよい。より具体的には、ＦＤＣ３０の故障が発生していない通常の制御時と比較して、セル電圧を高電位に維持するとともに、二次電池４０のＳＯＣを低下させて二次電池電圧を低下させてもよい。なお、二次電池４０のＳＯＣは、ＢＤＣ５０の上アーム５６をＯＮさせるタイミングを調整することによって低下させることができる。燃料電池２０の電圧を二次電池４０の電圧よりも高い値に維持することにより、燃料電池２０から優先して負荷７０に電力を供給できるので、二次電池４０から優先して負荷７０に電力が供給されて燃料電池２０の発電電力が余剰となることを抑制でき、燃料電池２０の発電運転を継続できる。また、ＢＤＣ５０の一次側電圧がＦＤＣ３０の二次側電圧よりも低くなるため、ＢＤＣ５０の昇圧幅を確保できる。ここで、昇圧動作が不安定となることを抑制するために、予め定められている最低昇圧比以上の昇圧比でＢＤＣ５０の一次側電圧をＦＤＣ３０の二次側電圧と同じ値まで昇圧できる程度の昇圧幅を確保することが好ましい。このようにすることで、ＢＤＣ５０の昇圧動作が不安定となって昇圧精度が悪化することを抑制できるとともに、ＢＤＣ５０の昇圧動作が停止してＢＤＣ５０の通過電流の制御が実行できなくなることを抑制できる。

また、例えば、昇圧レスモードにおける補機８０への電力供給には、二次電池４０から供給される電力に加えて、ＢＤＣ５０の上アームをＯＮすることにより燃料電池２０から供給される電力も使用してもよい。また、例えば、燃料電池システム１０の供給電力を抑制するために、補機８０への電力供給を最低限に抑えてもよい。例えば、水加熱ヒータ８４や空調装置８５等を停止させてもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−４．他の実施形態４：
上記実施形態における故障時制御処理は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、ステップＳ２３０において昇圧動作不可の故障でないと判定された場合に（ステップＳ２３０：ＮＯ）、制御部９０は、ステップＳ２５０に進んで昇圧レスモードに移行させてもよい。また、例えば、ステップＳ２７０の、二次電池走行モードにおける制御内容において、ＦＤＣ３０の停止と、燃料電池２０の発電停止と、燃料電池用リレー回路２９の遮断とのうちの、少なくとも１つを省略してもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−５．他の実施形態５：
上記実施形態において、ＦＤＣ３０は、４相ブリッジコンバータとして構成されていたが、本発明はこれに限定されるものではない。ＦＤＣ３０の相数は、４相に代えて、１相や２相や３相であってもよく、５相以上であってもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−６．他の実施形態６：
上記実施形態では、燃料電池システム１０が二次電池４０およびＢＤＣ５０を備えるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。二次電池４０およびＢＤＣ５０は、燃料電池システム１０の構成要素でなくてもよく、燃料電池システム１０とは別に、負荷７０に接続されて負荷７０に電力を供給できる構成であってもよい。また、上記実施形態では、ＦＤＣ３０が第１電圧センサ３７および第１電流センサ３６を有するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。第１電圧センサ３７および第１電流センサ３６は、ＦＤＣ３０の構成要素でなくてもよく、それぞれＦＤＣ３０と電気的に接続されて、ＦＤＣ３０の二次側電圧値およびＦＤＣ３０の電流値を検出できる構成であってもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−７．他の実施形態７：
上記実施形態の制御部９０は、単一のＥＣＵで構成されていたが、複数のＥＣＵで構成されていてもよい。複数のＥＣＵで構成される場合、燃料電池２０の発電運転制御、ＦＤＣ３０およびＢＤＣ５０の昇圧動作制御等を、それぞれ別体のＥＣＵで行なってもよい。また、制御部９０は、燃料電池車両を制御するユニットの一部として構成されていてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

Ｂ−８．他の実施形態８：
上記実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、車両に代えて船舶やロボット等の他の任意の移動体に搭載されてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。

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、組み合わせを行な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
２０…燃料電池
２１…セルモニタ
２２…第３電圧センサ
２５…第２電圧センサ
２９…燃料電池用リレー回路
３０…燃料電池コンバータ（ＦＤＣ）
３１…ＩＰＭ
３３…一次側配線
３４…二次側配線
３６…第１電流センサ
３７…第１電圧センサ
３８…第１温度センサ
３９…第３電流センサ
４０…二次電池
４１…第２電流センサ
４２…第２温度センサ
４３…ＳＯＣ検出部
４４…第４電圧センサ
４５…第５電圧センサ
４９…二次電池用リレー回路
５０…二次電池コンバータ（ＢＤＣ）
５３…一次側配線
５４…二次側配線
５６…上アーム
５８…下アーム
６０…インバータ
７０…負荷
７２…駆動モータ
７４…エアコンプレッサ
８０…補機
８１…高圧補機
８２…水素ポンプ
８３…冷却水ポンプ
８４…水加熱ヒータ
８５…空調装置
８６…補機インバータ
８８…低圧補機
８９…降圧コンバータ
９０…制御部
ＳＭＲＢ…二次電池第１リレー
ＳＭＲＧ…二次電池第２リレー
ＳＭＲＰ…二次電池プリチャージリレー
Ｃ１、Ｃ２，Ｃ３、Ｃａ…コンデンサ
Ｄ１…第１のダイオード
Ｄ２…第２のダイオード
ＤＸ…逆流防止用ダイオード
ＦＣＲＢ…ＦＣ第１リレー
ＦＣＲＧ…ＦＣ第２リレー
ＦＣＲＰ…ＦＣプリチャージリレー
Ｌ１、Ｌａ…リアクトル
Ｒ１、Ｒ２…制限抵抗
Ｓ１…第１のスイッチング素子
Ｓ２…第２のスイッチング素子
Ｓａ…スイッチング素子

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   負荷に電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池と前記負荷との間に接続されて前記燃料電池から出力される電圧を昇圧する燃料電池コンバータと、
   前記燃料電池コンバータに昇圧動作させて前記負荷への出力電力を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池コンバータに昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、前記燃料電池コンバータの昇圧動作を停止させて前記燃料電池コンバータに通電させる、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷に電力を供給する二次電池と、
   前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を変換する二次電池コンバータと、
   前記燃料電池コンバータの二次側電圧値を検出する第１電圧センサと、
   前記二次電池コンバータの二次側電圧値を検出する第２電圧センサと、
   をさらに備え、
   前記昇圧不可故障は、前記第１電圧センサの故障を含み、
   前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電圧センサの故障である場合に、前記出力電力の制御において、前記第２電圧センサによる検出値を前記燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いる、
   燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池コンバータの二次側電圧値を検出する第１電圧センサと、
   前記燃料電池の電圧値を検出する燃料電池電圧センサと、
   をさらに備え、
   前記昇圧不可故障は、前記第１電圧センサの故障を含み、
   前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電圧センサの故障である場合に、前記出力電力の制御において、前記燃料電池電圧センサによる検出値を前記燃料電池コンバータの二次側電圧値として用いる、
   燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記負荷に電力を供給する二次電池と、
   前記燃料電池コンバータの電流値を検出する第１電流センサと、
   前記二次電池の電流値を検出する第２電流センサと、
   をさらに備え、
   前記昇圧不可故障は、前記第１電流センサの故障を含み、
   前記制御部は、前記昇圧不可故障が前記第１電流センサの故障である場合に、前記第２電流センサによる検出値と前記燃料電池システムの合計供給電力とを用いて前記燃料電池コンバータの電流値を推定し、前記出力電力の制御において、推定された前記電流値を前記燃料電池コンバータの電流値として用いる、
   燃料電池システム。
5. 燃料電池と負荷との間に接続されて前記燃料電池の出力電圧を昇圧する燃料電池コンバータを有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池コンバータに昇圧動作させることができない故障であって通電させることができる昇圧不可故障を検出すると、前記燃料電池コンバータの昇圧動作を停止させて前記燃料電池コンバータに通電させる工程を備える、
   燃料電池システムの制御方法。

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