JP2019139897A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電電圧が昇圧後電圧よりも大きくなり燃料電池用コンバータが昇圧停止状態になることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、燃料電池からの電力によって回転動力を発生可能な駆動モータと、駆動モータの駆動要求電圧に応じて燃料電池用コンバータに発電電圧を目標電圧に昇圧させて駆動モータに供給させる昇圧処理を実行可能な制御部と、を備える。制御部は、昇圧処理において、発電電圧が、燃料電池への酸化ガスの供給が増加することにより上昇する場合の第１電圧推定値と、燃料電池の発電電流が減少することにより上昇する場合の第２電圧推定値と、駆動モータのモータトルクが減少することにより上昇する場合の第３電圧推定値のうちで最も大きい値を目標電圧の下限値とする。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池車両の燃料電池システムにおいて、ＥＣＵは、駆動モータ用インバータの入力端直流電圧、すなわち、燃料電池の発電電圧を昇圧させた後の電圧（以下「昇圧後電圧」と呼ぶ）と燃料電池の発電電圧との差が予め定められた許容電圧値（電圧センサの誤差電圧の和）以上である場合に、燃料電池昇圧コンバータに燃料電池の発電電圧を昇圧させる（例えば特許文献１）。

特開２０１６−０１５８５５号公報

燃料電池システムでは、燃料電池の発電電圧が昇圧後電圧よりも大きい場合に、燃料電池昇圧コンバータが昇圧停止状態になる。従来技術では、統合ＥＣＵは、燃料電池の発電電圧よりも大きな値を昇圧後電圧の目標値として、燃料電池昇圧コンバータの昇圧動作を制御する。しかしながら、異なるＥＣＵの間の通信遅れや燃料電池昇圧コンバータの応答遅れ等が存在するため、昇圧後電圧が目標値に達する前に燃料電池の発電電圧に急激な変動が起こった場合、例えば、発電電圧が急激に上昇して目標値以上になった場合に、燃料電池昇圧コンバータが昇圧停止状態になってしまい、駆動要求電流不足によるトルクショックが発生する虞がある。

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、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、前記燃料電池からの電力によって回転動力を発生可能な駆動モータと、前記駆動モータの駆動要求電圧に応じて前記燃料電池用コンバータに前記発電電圧を目標電圧に昇圧させて前記駆動モータに供給させる昇圧処理を実行可能な制御部と、を備える。前記制御部は、前記昇圧処理において、前記発電電圧が、前記燃料電池への酸化ガスの供給が増加することにより上昇する場合の第１電圧推定値と、前記燃料電池の発電電流が減少することにより上昇する場合の第２電圧推定値と、前記駆動モータのモータトルクが減少することにより上昇する場合の第３電圧推定値のうちで最も大きい値を前記目標電圧の下限値とする。
この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、第１電圧推定値と第２電圧推定値と第３電圧推定値のうちで最も大きい値を目標電圧の下限値とするので、燃料電池の発電電圧が昇圧処理の間に上昇しても、目標電圧を燃料電池の上昇後の発電電圧以上に設定することができ、発電電圧が目標電圧よりも大きくなり燃料電池用コンバータが昇圧停止状態になることを抑制できる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両等の形態で実現することができる。

一実施形態における燃料電池システムの電気系の概略構成を示す図。 昇圧処理の詳細を表すフローチャートの一例。 燃料電池の電流−電圧特性グラフと発電電力グラフを示す図。

図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０の電気系の概略構成を示す図である。燃料電池システム１０は、例えば動力源として車両に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、電流検出部１９０と、電圧検出部１８０と、燃料電池用コンバータ１１０と、バッテリコンバータ１２０と、駆動モータ（Ｍ）用インバータ１３０と、駆動モータ（Ｍ）１４０と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）用インバータ１６０と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）１７０と、二次電池２００と、ポンプインバータ２３０と、水素ポンプ（ＨＰ）２４０と、冷却水ポンプ（ＷＰ）２５０と、制御部３００と、アクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダルセンサ３２０と、回転速センサ３３０と、を備える。

燃料電池１００は、例えば固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１００は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応により発電する。燃料ガスは、例えば水素を採用可能であり、酸化ガスは、例えば空気を採用可能である。燃料電池１００は、図示しない複数の単セルが積層された燃料電池スタックによって構成される。

電流検出部１９０は、燃料電池１００の発電電流を検出する。電圧検出部１８０は、燃料電池１００の発電電圧を検出する。燃料電池用コンバータ１１０は、燃料電池１００の発電電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータである。燃料電池用コンバータ１１０は、制御部３００からの制御信号に応じて、燃料電池１００の発電電圧を駆動モータ１４０で利用可能な高電圧に昇圧する。また、燃料電池用コンバータ１１０は、制御部３００からの制御信号に応じて、燃料電池１００に対して電流の掃引を行う。「電流の掃引」とは、電流を燃料電池１００から引くことを意味している。

駆動モータ用インバータ１３０は、燃料電池用コンバータ１１０によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するものであり、制御部３００からの制御信号に応じて交流電圧の周波数と電圧を調整して駆動モータ１４０に供給し、駆動モータ１４０を制御する。駆動モータ１４０は、燃料電池１００からの電力によって回転動力を発生可能である。エアコンプレッサ用インバータ１６０は、燃料電池用コンバータ１１０によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するものであり、制御部３００からの制御信号に応じて交流電圧の周波数と電圧を調整してエアコンプレッサ１７０に供給し、エアコンプレッサ１７０を制御する。エアコンプレッサ１７０は、燃料電池１００に酸化ガスとしての空気を供給する。エアコンプレッサ１７０には、空気流量計１７５が設けられている。空気流量計１７５は、エアコンプレッサ１７０が燃料電池１００に供給する空気の流量を測定する。

バッテリコンバータ１２０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。すなわち、バッテリコンバータ１２０は、制御部３００からの制御信号に応じて、燃料電池用コンバータ１１０によって昇圧された直流電圧を降圧し、又は、二次電池２００の電圧を昇圧する。二次電池２００は、駆動モータ１４０やエアコンプレッサ１７０、水素ポンプ２４０、冷却水ポンプ２５０等の電源として機能する。二次電池２００は、燃料電池１００からの電力によって充電される。二次電池２００は、例えば、リチウムイオン二次電池や、ニッケル水素二次電池等を採用可能である。

ポンプインバータ２３０は、二次電池２００の電圧又はバッテリコンバータ１２０によって降圧された直流電圧を交流電圧に変換するものであり、制御部３００からの制御信号に応じて交流電圧の周波数と電圧を調整して水素ポンプ２４０と冷却水ポンプ２５０に供給し、水素ポンプ２４０と冷却水ポンプ２５０を制御する。水素ポンプ２４０は、燃料電池１００に燃料ガスとしての水素を供給する。冷却水ポンプ２５０は、冷却のために燃料電池１００に冷却水を供給する。

制御部３００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部３００は、図示しない互いに通信可能な燃料電池ＥＣＵや、燃料電池用コンバータＥＣＵ、電力制御ＥＣＵ等を備える統合ＥＣＵである。制御部３００には、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏込量を検出するアクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダル（図示せず）の踏込量を検出するブレーキペダルセンサ３２０と、駆動モータ１４０の回転速度を検出する回転速センサ３３０とが接続されている。制御部３００は、これら各センサからの検出信号に応じて、燃料電池システム１０内の各部の動作を制御する。また、制御部３００は、電圧検出部１８０によって検出された燃料電池１００の発電電圧と、電流検出部１９０によって検出された燃料電池１００の発電電流と、空気流量計１７５によって測定された空気流量とを取得する。なお、制御部３００は、駆動モータ１４０の駆動要求電圧に応じて燃料電池用コンバータ１１０に燃料電池１００の発電電圧を目標電圧に昇圧させて駆動モータ１４０に供給させる昇圧処理を実行可能である。

図２は、制御部３００の昇圧処理の詳細を表すフローチャートの一例である。図２に示す昇圧処理は、燃料電池システム１０の運転中に繰り返して実行される。なお、昇圧処理は、制御部３００が燃料電池１００の発電電圧を取得開始してから燃料電池用コンバータ１１０の出力電圧が目標電圧になるまで予め定められた時間（以下「昇圧完了時間」と呼ぶ）が必要である。昇圧完了時間は、例えば以下のいずれか二以上の時間の合計を採用可能である。
（１）制御部３００が燃料電池１００の発電電圧を取得するために必要な時間。
（２）制御部３００において、燃料電池１００の発電電圧を取得するＥＣＵと、目標電圧の下限値（後述）を決定するＥＣＵが異なる場合、これら二つのＥＣＵが通信するために必要な時間。
（３）制御部３００が目標電圧の下限値を決定する処理を行うために必要な時間。
（４）制御部３００において、目標電圧の下限値を決定するＥＣＵと、目標電圧を決定するＥＣＵが異なる場合、これら二つのＥＣＵが通信するために必要な時間。
（５）制御部３００が目標電圧を決定する処理を行うために必要な時間。

ステップＳ１１０において、制御部３００は、駆動モータ１４０の駆動要求電圧Ｖｍを決定する。「駆動要求電圧」とは、駆動モータ１４０に運転者の要求に見合った回転動力を発生させるための電圧である。駆動要求電圧Ｖｍは、例えば、アクセルペダルセンサ３１０とブレーキペダルセンサ３２０の検出信号や、回転速センサ３３０の検出信号を用いて決定することができる。ステップＳ１２０において、制御部３００は、駆動要求電圧Ｖｍが燃料電池１００の最大発電電圧よりも大きいか否かを判定する。燃料電池１００の最大発電電圧は、予め制御部３００に記憶されていてもよいし、他の記憶装置から取得してもよい。制御部３００は、駆動要求電圧Ｖｍが燃料電池１００の最大発電電圧以下である場合（ステップＳ１２０、Ｎｏ）には、ステップＳ１３０に移行する。

ステップＳ１３０において、制御部３００は、燃料電池１００の発電電圧Ｖｃｆｃを電圧検出部１８０から取得する。ステップＳ１４０において、制御部３００は、燃料電池１００の第１電圧推定値Ｖｅｓ１を計算する。「第１電圧推定値Ｖｅｓ１」は、仮に燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に燃料電池１００への酸化ガスの供給が増加することにより上昇する場合の上昇後推定発電電圧である。第１電圧推定値Ｖｅｓ１は、例えば以下の式（１）、（２）、（３）によって計算できる。
Ｑａｃｐ＝Ｔｄ×Ｒａｃｐ …（１）
Ｖａｃｐ＝Ｋａｃｐ×Ｑａｃｐ …（２）
Ｖｅｓ１＝Ｖｃｆｃ＋Ｖａｃｐ …（３）
Ｑａｃｐ：エアコンプレッサ１７０の空気流量増加量
Ｔｄ：昇圧完了時間
Ｒａｃｐ：エアコンプレッサ１７０の空気流量増加率
Ｖａｃｐ：空気流量が空気流量計１７５から取得した空気流量Ｑｃａｃｐから流量Ｑａｃｐだけ増加した場合の燃料電池１００の発電電圧の上昇量
Ｋａｃｐ：空気流量が空気流量計１７５から取得した空気流量Ｑｃａｃｐから流量Ｑａｃｐだけ増加した場合の燃料電池１００の発電電圧の上昇係数
Ｖｅｓ１：第１電圧推定値
Ｖｃｆｃ：燃料電池１００の発電電圧
なお、燃料電池１００の発電電圧の上昇量Ｖａｃｐは、式（２）によらず、空気流量計１７５から取得した空気流量Ｑｃａｃｐ及びエアコンプレッサ１７０の空気流量増加量Ｑａｃｐを用いて実験又は経験によって得ることができる。

ステップＳ１５０において、制御部３００は、燃料電池１００の第２電圧推定値Ｖｅｓ２を計算する。「第２電圧推定値Ｖｅｓ２」は、仮に燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に燃料電池１００の発電電流が減少することにより上昇する場合の上昇後推定発電電圧である。第２電圧推定値Ｖｅｓ２は、例えば以下の式（４）、（５）によって計算できる。なお、燃料電池１００の発電電流は、例えば、燃料電池用コンバータ１１０の電流掃引量が減少することによって減少する。
Ｉｆｄｃ＝Ｔｄ×Ｒｆｄｃ …（４）
Ｖｅｓ２＝Ｖｃｆｃ＋Ｖｆｄｃ …（５）
Ｉｆｄｃ：燃料電池１００の発電電流減少量
Ｔｄ：昇圧完了時間
Ｒｆｄｃ：燃料電池用コンバータ１１０の電流掃引減少率
Ｖｅｓ２：第２電圧推定値
Ｖｃｆｃ：燃料電池１００の発電電圧
Ｖｆｄｃ：燃料電池１００の発電電流が電流検出部１９０から取得した電流Ｉｃｆｃから電流Ｉｆｄｃだけ増加した場合の燃料電池１００の発電電圧の上昇量
なお、燃料電池１００の発電電圧の上昇量Ｖｆｄｃは、図３によって得られる。

図３は、燃料電池１００の電流−電圧特性グラフと電力グラフを示す図である。グラフＧ０は、燃料電池１００の電流−電圧特性を示すグラフである。グラフＧ１とグラフＧ２は、燃料電池１００の発電電圧と発電電流との積として算出される発電電力を示すグラフである。グラフＧ１とグラフＧ２については後述する。図３によれば、燃料電池１００の発電電流が電流Ｉｃｆｃから電流Ｉｆｄｃだけ増加した場合の燃料電池１００の発電電圧の上昇量Ｖｆｄｃを得られる。

図２に戻り、ステップＳ１６０において、制御部３００は、燃料電池１００の第３電圧推定値Ｖｅｓ３を計算する。「第３電圧推定値Ｖｅｓ３」は、仮に燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に駆動モータ１４０のモータトルクが減少することにより上昇する場合の上昇後推定発電電圧である。第３電圧推定値Ｖｅｓ３は、例えば以下の式（６）、（７）、（８）によって計算できる。
Ｔｍ＝Ｔｄ×Ｒｔｒｑ …（６）
Ｐｍ＝Ｎｍ×Ｔｍ …（７）
Ｖｅｓ３＝Ｖｃｆｃ＋Ｖｔｒｑ …（８）
Ｔｍ：モータトルクの減少量
Ｔｄ：昇圧完了時間
Ｒｔｒｑ：モータトルクの減少率
Ｐｍ：モータトルクの減少によるモータ動力の減少量
Ｎｍ：回転速センサ３３０から取得した駆動モータ１４０の回転速度
Ｖｅｓ３：第３電圧推定値
Ｖｃｆｃ：燃料電池１００の発電電圧
Ｖｔｒｑ：モータ動力の減少量Ｐｍに応じた燃料電池１００の発電電圧の上昇量
なお、燃料電池１００の発電電圧の上昇量Ｖｔｒｑは、図３によって得られる。

図３において、グラフＧ１は、駆動モータ１４０の回転速度Ｎｍに応じたモータ動力Ｐｍ０と対応する燃料電池１００の発電電力を示すグラフである。グラフＧ２は、モータ動力Ｐｍ０から動力Ｐｍだけ減少した場合の燃料電池１００の発電電圧を示すグラフである。グラフＧ１及びグラフＧ２のそれぞれのグラフＧ０との交差点は、燃料電池１００の動作点である。図３によれば、グラフＧ１からグラフＧ２に変化した場合の燃料電池１００の発電電圧の上昇量、すなわち、モータ動力の減少量Ｐｍに応じた燃料電池１００の発電電圧の上昇量Ｖｔｒｑを得られる。

図２に戻り、ステップＳ１７０において、制御部３００は、目標電圧の下限値を決定する。具体的には、制御部３００は、ステップＳ１４０〜ステップＳ１６０で算出された第１電圧推定値Ｖｅｓ１と、第２電圧推定値Ｖｅｓ２と、第３電圧推定値Ｖｅｓ３のうちで、最も大きい値を目標電圧の下限値とする。ここで、これまで説明したように、第１電圧推定値Ｖｅｓ１〜第３電圧推定値Ｖｅｓ３は、仮に燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に上昇する場合の上昇後推定発電電圧である。従って、これらの上昇後推定発電電圧のうちで最も大きい値を目標電圧の下限値とすれば、燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内にステップＳ１４０〜ステップＳ１６０のいずれかの理由によって上昇しても、目標電圧を燃料電池１００の上昇後発電電圧以上に設定することができるので、発電電圧が目標電圧よりも大きくなり燃料電池用コンバータ１１０が昇圧停止状態になることを抑制できる。なお、ステップＳ１４０〜ステップＳ１６０の順番は任意に変更してもよい。また、上述の電圧推定値は、制御部３００によって計算される代わりに、予め定められた値として制御部３００に記憶されていてもよい。

ステップＳ１８０において、制御部３００は、目標電圧を決定する。ここで、目標電圧の下限値が駆動要求電圧Ｖｍよりも大きい場合には、目標電圧の下限値以上の値を目標電圧とすることが好ましい。一方、目標電圧の下限値が駆動要求電圧Ｖｍ以下の場合には、駆動要求電圧Ｖｍを目標電圧としてもよい。ステップＳ１９０において、制御部３００は、目標電圧を用いて昇圧処理を実行し、その後昇圧処理を終了する。

ステップＳ１２０に戻り、制御部３００は、駆動要求電圧Ｖｍが燃料電池１００の最大発電電圧よりも大きい場合（ステップＳ１２０、Ｙｅｓ）には、ステップＳ１８０に移行する。ステップＳ１８０において、制御部３００は、目標電圧の下限値を考慮せず、駆動要求電圧Ｖｍを目標電圧としてもよい。この場合には、駆動要求電圧Ｖｍが燃料電池１００の最大発電電圧よりも大きいので、燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に上昇しても駆動要求電圧Ｖｍより大きくならず、燃料電池用コンバータ１１０が昇圧停止状態になる虞がない。

以上説明したように、本発明の一実施形態では、制御部３００は、燃料電池１００の上昇後推定発電電圧の第１電圧推定値Ｖｅｓ１と、第２電圧推定値Ｖｅｓ２と、第３電圧推定値Ｖｅｓ３のうちで最も大きい値を目標電圧の下限値とするので、燃料電池１００の発電電圧が昇圧完了時間内に上昇しても、目標電圧を燃料電池１００の上昇後の発電電圧以上に設定することができ、発電電圧が目標電圧よりも大きくなり燃料電池用コンバータ１１０が昇圧停止状態になることを抑制できる。

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
１００…燃料電池
１１０…燃料電池用コンバータ
１２０…バッテリコンバータ
１３０…駆動モータ用インバータ
１４０…駆動モータ
１６０…エアコンプレッサ用インバータ
１７０…エアコンプレッサ
１７５…空気流量計
１８０…電圧検出部
１９０…電流検出部
２００…二次電池
２３０…ポンプインバータ
２４０…水素ポンプ
２５０…冷却水ポンプ
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３２０…ブレーキペダルセンサ
３３０…回転速センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、
   前記燃料電池からの電力によって回転動力を発生可能な駆動モータと、
   前記駆動モータの駆動要求電圧に応じて前記燃料電池用コンバータに前記発電電圧を目標電圧に昇圧させて前記駆動モータに供給させる昇圧処理を実行可能な制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記昇圧処理において、前記発電電圧が、前記燃料電池への酸化ガスの供給が増加することにより上昇する場合の第１電圧推定値と、前記燃料電池の発電電流が減少することにより上昇する場合の第２電圧推定値と、前記駆動モータのモータトルクが減少することにより上昇する場合の第３電圧推定値のうちで最も大きい値を前記目標電圧の下限値とする、
   燃料電池システム。

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