JP2020035661A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの出力電圧を昇圧するスイッチング素子の短絡時に、共連れ故障の発生を抑制する。【解決手段】燃料電池スタックとコンバータとリレーとコントローラを備えており、燃料電池スタックとリレーの間にコンバータが接続されている。コンバータは、リアクトルとスイッチング素子の直列回路の複数個を並列に接続した回路を備え、各直列回路が燃料電池スタックの高電位端子と低電位端子の間を接続している。コントローラは、複数個のスイッチング素子を個々に制御するとともに、いずれかのスイッチング素子に短絡異常が発生したことを検知した際には他のスイッチング素子を導通させる処理を実施する。これにより、他のスイッチング素子にも分散して短絡電流を流すことができる。【選択図】図１

Description

本明細書は、燃料電池スタックとコンバータを備えており、燃料電池スタックが出力する電圧をコンバータで変圧して負荷に供給する燃料電池システムを開示する。

従来の燃料電池システムは、燃料電池スタックとコンバータの間にリレーを接続している。特許文献１は、コンバータと負荷の間にリレーを接続する技術を開示している。前者では、コンバータの上流側にリレーが接続されており（以下では上流方式という）、後者ではコンバータの下流側にリレーが接続されている（以下では下流方式という）。特許文献１は、下流方式とすることによってリレーを小型化できるとしている。

特開２０１８−７３５５６号公報

上流方式の場合、コンバータのスイッチング素子が短絡故障したときに、上流側リレーによって燃料電池スタックからコンバータを切り離すことができる。これにより、燃料電池スタックからコンバータに短絡電流が流れ続けることを防ぐことができる。

下流方式の場合、コンバータのスイッチング素子が短絡故障したときに、リレーによって燃料電池スタックからコンバータを切り離すことができない。下流方式の場合、燃料電池スタックからコンバータに短絡電流が流れ続け、リアクタンス等のコンバータ部品が過熱し、短絡故障したスイッチング素子以外の電子部品まで損傷させてしまうことがある（以下では共連れ故障という）。

本明細書では、下流方式で問題となる共連れ故障の発生を抑制し、リレーの小型化といった下流方式の利点を享受可能とする技術を開示する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックとコンバータとリレーとコントローラを備えており、コンバータと負荷の間にリレーが接続されている。すなわち、下流方式であって、燃料電池スタックとリレーの間にコンバータが接続されている。
コンバータは、リアクトルとスイッチング素子の直列回路の複数個を並列に接続した回路を備えており、各直列回路が燃料電池スタックの高電位端子と低電位端子の間を接続している。
コントローラは、複数個の前記スイッチング素子を個々に制御するとともに、いずれかの前記スイッチング素子に短絡異常が発生したことを検知した際には他のスイッチング素子を導通させる処理を実施する。

上記したように、いずれかのスイッチング素子に短絡異常が発生した際に、コントローラが他のスイッチング素子を導通させると、短絡したスイッチング素子を経由する導通路のみに短絡電流が集中して流れることを防止し、他のスイッチング素子を経由する導通路にも分散して電流が流れるようにすることができる。下流方式で問題となる共連れ故障の発生を抑制することができる。共連れ故障の発生を抑制し、リレーの小型化といった下流方式の利点を享受可能とする。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車の駆動系のブロック図である。 実施例の燃料電池システムにおけるＦＣ昇圧コンバータの回路図である。 スイッチング素子に短絡異常が発生した場合にコントローラが実行する処理手順を示すフローチャートである。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。図１は、実施例の燃料電池システム２を搭載した燃料電池自動車１００の駆動系のブロック図である。燃料電池自動車１００は走行用モータ３２が発生する駆動力を利用して走行する。走行用モータ３２が発生した駆動力は、ドライブシャフトを介してディファレンシャルギア３４に入力して駆動輪３６、３８に伝達される。制動時は、走行用モータ３２が発電機として機能する。

燃料電池自動車１００は、走行用モータ３２に電力を供給する燃料電池スタック４とバッテリ１４を備えている。
燃料電池スタック４は、複数個の燃料電池セルを積層したスタックであり、不図示の水素タンクから供給される水素と外部から取り込まれる酸素との電気化学反応により直流電圧を出力する直流電源である。燃料電池スタック４は、ＦＣ（フューエルセル）と称される場合もある。
バッテリ１４は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池セルを直列及び並列に多数接続した電池スタックである。燃料電池スタック４とバッテリ１４は、いずれも、出力電圧が１００ボルト程度である。

これに対して、走行用モータ３２は、数１００ボルト以上の三相交流電力で駆動する。そのため、燃料電池自動車１００は、ＦＣ昇圧コンバータ６と双方向コンバータ１８を備えている。
ＦＣ昇圧コンバータ６は、燃料電池スタック４が出力する電圧を走行用モータ３２の駆動電圧に昇圧してインバータ３０に供給する。双方向コンバータ１８は、バッテリ１４が出力する電圧を走行用モータ３２の駆動電圧に昇圧し、インバータ３０に供給する。インバータ３０は、燃料電池スタック４またはバッテリ１４が出力する直流電力を３相交流に変換し、走行用モータ３２に供給する。制動時には、走行用モータ３２が発電した３相交流をインバータ３０によって直流電力に変換する。

双方向コンバータ１８は、バッテリ１４からシステムメインリレー１６を介して供給される直流電力の電圧を走行用モータ３２の駆動に適した電圧まで昇圧する機能と、走行用モータ３２が発電した電力の電圧をバッテリ１４の充電に適した電圧まで降圧する機能を有する。また双方向コンバータ１８は、燃料電池スタック４からＦＣ昇圧コンバータ６を介して供給される直流電力の電圧をバッテリ１４の充電に適した電圧まで降圧する機能も有する。双方向コンバータ１８は、主にリアクトルと２個のスイッチング素子で構成される既知の回路構成を有する。双方向コンバータ１８の回路構成の詳細な説明は省略する。

インバータ３０は、ＦＣ昇圧コンバータ６または双方向コンバータ１８から供給される直流電力をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相交流電力に変換して走行用モータ３２に供給したり、走行用モータ３２が発電した三相交流電力を直流電力に変換して双方向コンバータ１８へ供給したりする。インバータ３０は、主に２個のスイッチング素子の直列回路が３組並列に接続された既知の回路構成を有している。インバータ３０の回路構成の詳細な説明は省略する。

バッテリ１４と双方向コンバータ１８の間に、両者の電気的な接続をオン・オフ可能なシステムメインリレー１６が挿入されている。また、ＦＣ昇圧コンバータ６とインバータ３０の間に、両者の電気的な接続をオン・オフ可能なＦＣリレー８が挿入されている。即ち、燃料電池システム２は上述した下流方式であり、ＦＣ昇圧コンバータ６の下流側にＦＣリレー８が挿入されている。

ＦＣ昇圧コンバータ６は、燃料電池スタック４から供給される直流電力の電圧を走行用モータ３２の駆動に適した電圧まで昇圧する機能を有するものである。図２に、ＦＣ昇圧コンバータ６の回路図を示す。

ＦＣ昇圧コンバータ６は、燃料電池スタック４の高電位端子と低電位端子のそれぞれに接続されている入力側の高電位端子６ａと低電位端子６ｂを備えている。また、ＦＣ昇圧コンバータ６は、ＦＣリレー８を介してインバータ３０の高電位端子と低電位端子のそれぞれに接続されている出力側の高電位端子６ｃと低電位端子６ｄを備えている。低電位端子６ｂと低電位端子６ｄは、低電位線ＮＬで接続されている。高電位端子６ｃには高電位線ＰＬが接続されている。また、平滑コンデンサ７２は、高電位端子６ｃと低電位端子６ｄの間に接続されている。

ＦＣ昇圧コンバータ６は、いわゆる多相コンバータである。ＦＣ昇圧コンバータ６は、昇圧回路６１ａ〜６１ｄを４相分並列に接続している。図２では、参照番号６１ａのみを示し、参照番号６１ｂ〜６１ｄの図示を省略している。各昇圧回路６１ａ〜６１ｄは、同じ構成を有している。以下では、二点鎖線で示す昇圧回路６１ａの構成を代表して説明する。
昇圧回路６１ａは、リアクトル６２ａとスイッチング素子６６ａの直列回路を含んでおり、その直列回路は入力側の高電位端子６ａと低電位線ＮＬの間に接続されている。リアクトル６２ａの一端は、入力側の高電位端子６ａに接続され、他端はスイッチング素子６６ａのコレクタ端子に接続されている。スイッチング素子６６ａのエミッタ端子は、低電位線ＮＬに接続されている。なお、スイッチング素子６６ａは、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：IGBT）である。スイッチング素子６６ａは、パワーＭＯＳＦＥＴであってもよい。

昇圧回路６１ａは、さらに、ダイオード６８ａ、７０ａを含む。ダイオード６８ａは、スイッチング素子６６ａに逆並列に接続されている還流用のダイオードである。ダイオード７０ａは、出力側から入力側への電流の逆流を防ぐためのダイオードである。ダイオード７０ａのアノード電極は、リアクトル６２ａとスイッチング素子６６ａの接続点Ｍａに接続されており、ダイオード７０ａのカソード電極は、高電位線ＰＬを介して出力側の高電位端子６ｃに接続されている。なお、他の昇圧回路６１ｂ〜６１ｄのダイオード７０ｂ〜７０ｄのカソード電極も、高電位線ＰＬを介して出力側の高電位端子６ｃに接続されている。即ち、４相分の昇圧回路６１ａ〜６１ｄ内の接続点Ｍａ〜Ｍｄの全部が、高電位線ＰＬを介して出力側の高電位端子６ｃに接続されている。

ＦＣ昇圧コンバータ６は、電流センサ６４ａ〜６４ｄを備えている。電流センサ６４ａは、リアクトル６２ａを流れる電流Ｉａを計測する。電流センサ６４ａは、リアクトル６２ａと接続点Ｍａの間の配線に挿入して設けられる。また、電流センサ６４ｂ〜６４ｄも同様に、リアクトル６２ｂ〜６２ｄを流れる電流Ｉｂ〜Ｉｄを計測する。電流センサ６４ｂ〜６４ｄは、リアクトル６２ｂ〜６２ｄと接続点Ｍｂ〜Ｍｄの間の配線に挿入して設けられる。なお、電流センサ６４ａ〜６４ｄは、配線に隣接して設けられてもよい。

各電流センサ６４ａ〜６４ｄはコントローラ１０に接続されており、それぞれが計測した電流値をコントローラ１０に出力する。

コントローラ１０は、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々に制御するために、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄの各々のゲート端子と接続されている。コントローラ１０は、４相分のスイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々にオン・オフ制御するために、４種類のパルス信号を生成し、生成した４種類のパルス信号を対応するスイッチング素子６６ａ〜６６ｄの各々に供給し、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々に制御する。個々に制御するために、ＦＣ昇圧コンバータ６を自在に制御することができ、いわゆるソフトスイッチングが可能となる。

コントローラ１０は、上位コントローラ４０（図１参照）にも接続されている。コントローラ１０は、各電流センサ６４ａ〜６４ｄからの計測値と、上位コントローラ４０からの指令に基づいて、４相分のスイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々に制御する。なお、双方向コンバータ１８もコントローラ２０で制御され、そのコントローラ２０も上位コントローラ４０と通信するように構成されている。

上位コントローラ４０は、例えば、燃料電池自動車１００の運転席に設けられているスタートスイッチのオン信号を受けて、システムメインリレー１６、ＦＣリレー８をオンに切り換える。また、上位コントローラ４０は、燃料電池自動車１００の車速やアクセル開度などの運転操作情報に基づいて、駆動系が出力すべき走行トルクを算出する。その走行トルクに基づいてＦＣ昇圧コンバータ６が出力すべき電圧の指令値（以下では指令電圧値という）を算出し、算出した指令電圧値をコントローラ１０に供給する。また、双方向コンバータ１８が出力すべき電圧の指令値（以下では指令電圧値という）を算出し、算出した指令電圧値をコントローラ２０に供給する。さらに、必要な走行トルクに基づいてインバータ３０を制御する。上位コントローラ４０は、コントローラ１０を経由して各電流センサ６４ａ〜６４ｄの計測値を取得し、必要時に、システムメインリレー１６とＦＣリレー８をオフする。

コントローラ１０は、各電流センサ６４ａ〜６４ｄからの計測値と、上位コントローラ４０から供給された指令電圧値に基づいて、４相分のスイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々に制御する。指令電圧値が大きい場合には、４相分のスイッチング素子６６ａ〜６６ｄを同時に導通状態にすることもある。４相分のスイッチング素子６６ａ〜６６ｄのうちの１個または２個のみを導通状態にすることもある。

コントローラ１０は、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄの個々について、短絡異常の発生を検知している。その方法について説明する。先に述べたように、コントローラ１０は、電流センサ６４ａ〜６４ｄにより、各リアクトル６２ａ〜６２ｄを流れる電流Ｉａ〜Ｉｄを個々に計測している。ここで、例えばスイッチング素子６６ａについて短絡異常が発生した場合、スイッチング素子６６ａの抵抗（インピーダンス）は小さくなる。従って、スイッチング素子６６ａが導通状態か否かにかかわらず、電流Ｉａは、短絡異常が発生したスイッチング素子６６ａを通って低電位線ＮＬに流れる。短絡異常が発生したスイッチング素子６６ａの抵抗（インピーダンス）は小さいため、スイッチング素子６６ａに短絡異常が発生した場合における電流Ｉａは、通常時に流れる電流Ｉａよりも大きくなる。ここでは、通常時に流れる電流値より大きな電流値を、短絡電流値とする。コントローラ１０は、電流センサ６４ａが計測する電流Ｉａが短絡電流値以上となった場合に、スイッチング素子６６ａに短絡異常が発生したことを検知することができる。なお、この短絡電流値は、先に述べた指令電圧値等により異なる。

続いて、スイッチング素子６６ａについて短絡異常が発生した場合のコントローラ１０が実行する制御処理を、図３を用いて説明する。コントローラ１０は、電流センサ６４ａが上述した短絡電流値以上の電流Ｉａを検知したことによって、スイッチング素子６６ａに短絡異常が発生したことを検知する。短絡異常の発生を検知後、コントローラ１０は、下記に示す制御を実行する。まず、コントローラ１０は、短絡したスイッチング素子６６ａを遮断する（ステップＳ２）。ここで、スイッチング素子６６ａについての短絡異常は、スイッチング素子６６ａが導通状態か否かにかかわらず発生する。スイッチング素子６６ａが遮断されている状態でスイッチング素子６６ａの短絡異常が発生した場合は、コントローラ１０は、ステップＳ２においてスイッチング素子６６ａの遮断状態を保持する。

続いて、コントローラ１０は、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄを導通させる（ステップＳ３）。コントローラ１０は、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄを個々に制御しており、スイッチング素子６６ａに短絡異常が発生したときに、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄがオフされていることがある。ステップＳ３では、オフ状態にあるスイッチング素子をオンさせる。スイッチング素子６６ａに短絡異常が発生したときに、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄがすでにオンされていることがある。この場合は、ステップＳ３で、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄの導通状態を保持する。ステップＳ３によって、短絡したスイッチング素子６６ａを経由する導通路以外に、短絡電流が流れる導通路を作ることができる。別言すれば、短絡したスイッチング素子６６ａを経由する導通路のみに短絡電流が集中して流れることを防止し、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄを経由する導通路にも分散して電流が流れるようにすることができる。これによって、下流方式の問題である「共連れ故障」の発生を抑制することができる。

コントローラ１０は、電流センサ６４ａにより短絡したスイッチング素子６６ａに流れる電流Ｉａを計測する（ステップＳ４）。そして、コントローラ１０は、電流Ｉａを、所定の電流閾値Ｉｓと比較する（ステップＳ５）。この閾値Ｉｓは、短絡したスイッチング素子６６ａの発熱により、共連れ故障を発生させるおそれがある過大な電流値である。コントローラ１０は、電流Ｉａが閾値Ｉｓよりも高い場合は（ステップＳ５：ＮＯ）、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄの導通状態を保持する（ステップＳ３）。このように制御することで、電流Ｉａが閾値Ｉｓよりも大きい場合に、短絡したスイッチング素子６６ａを経由する導通路のみに過大な電流Ｉａが集中して流れることを防止し、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄを経由する導通路にも分散して電流が流れるようにすることができる。即ち、共連れ故障の発生を抑制することができる。なお、この閾値Ｉｓは、先に述べた指令電圧値や、スイッチング素子６６ａ〜６６ｄ等のＦＣ昇圧コンバータ６を構成する電子機器、及び各電子機器を接続する回路の耐熱性等により異なる。

また、上位コントローラ４０は、先に述べたように、コントローラ１０から、各電流センサ６４ａ〜６４ｄの計測値を取得している。従って、上位コントローラ４０は、電流センサ６４ａにより計測された電流Ｉａが短絡電流値以上となった場合、スイッチング素子６６ａが短絡したと判定することができる。上位コントローラ４０は、スイッチング素子６６ａが短絡したと判定した場合、燃料電池スタック４への水素供給を停止する。これにより、燃料電池スタック４の発電量は徐々に減少する。

コントローラ１０は、電流Ｉａが閾値Ｉｓよりも小さくなった場合に、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄを遮断する（ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｓ６）。ここで、電流Ｉａが閾値Ｉｓより小さくなるのは、上述した燃料電池スタック４の発電量が減少した場合に限られない。短絡がしたスイッチング素子６６ａが、短絡後に、短絡の影響でスイッチング素子６６ａを構成するボンディングワイヤ等が破断することで、スイッチング素子６６ａに流れる電流がゼロとなることも起こり得る。コントローラ１０は、電流Ｉａが閾値Ｉｓよりも小さくなったことで、過大な電流Ｉａで共連れ故障が発生するおそれがなくなったと判断し、短絡していない他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄを遮断する。

上位コントローラ４０は、ＦＣリレー８をオフし、燃料電池スタック４から、バッテリ１４に切り替える。これにより、燃料電池自動車１００は、バッテリ１４に充電されている電気を用いて走行を継続することができる。即ち、燃料電池システム２のスイッチング素子６６ａについて短絡異常が発生した場合においても、安全に運転を継続することができる。
上記では、電流Ｉａによってスイッチング素子６６ａに短絡異常が発生したことを検知する場合を説明した。同様な処理によって、電流Ｉｂによってスイッチング素子６６ｂに短絡異常が発生したことを検知でき、そのときは他のスイッチング素子６６ａ、６６ｃ、６６ｄをオンさせる。電流Ｉｃによってスイッチング素子６６ｃに短絡異常が発生したことを検知でき、そのときは他のスイッチング素子６６ａ、６６ｂ、６６ｄをオンさせる。電流Ｉｄによってスイッチング素子６６ｄに短絡異常が発生したことを検知でき、そのときは他のスイッチング素子６６ａ〜６６ｃをオンさせる。ここでいうオンさせるは、オフのものをオンさせ、オンのものはオンに維持することをいう。
上記では、短絡異常が発生したスイッチング素子を特定する実施例を説明した。それに代え、いずれかのスイッチング素子に短絡異常が発生したことを検知するものの、短絡異常が発生したスイッチング素子を特定しない実施例でもよい。この場合、ステップＳ２を省略し、ステップＳ３で全部のスイッチング素子を導通させる。短絡異常が発生したスイッチング素子はオフできないことからステップＳ２を省略しても同じことになり、全部のスイッチング素子をオンさせれば短絡異常が生じていない他のスイッチング素子をオンさせることになる。他のスイッチング素子をオンさせるには、短絡異常が生じていないスイッチング素子をオンさせるか、あるいは全部のスイッチング素子をオンさせればよい。

以上、スイッチング素子に短絡異常が発生した場合に、実施例の燃料電池システム２のコントローラ１０が実行する制御について説明した。しかし、上述した例における電流Ｉａを計測する処理（ステップＳ４）は、コントローラ１０が他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄの導通と遮断を判断する方法の一例にすぎない。別言すれば、電流Ｉａを計測する処理（ステップＳ４）は、本明細書に開示する技術において不可欠な処理ではない。他の短絡異常の検出技術を用いてもよい。例えば、スイッチング素子のゲート電圧により短絡異常を検知してもよい。また、ステップＳ６は省略可能である。燃料電池スタック４に対する水素の供給が停止され、発電が停止されることによって、他のスイッチング素子６６ｂ〜６６ｄをオフしなくても問題は生じなくなる。

また、本実施例では固体高分子形の燃料電池スタック４を用いているが、これに限らず種々のタイプを利用可能である。さらに、本実施例のＦＣ昇圧コンバータ６では、昇圧回路６１ａ〜６１ｄを４相分並列に接続していが、本明細書に開示する技術は、４相のＦＣ昇圧コンバータに限定されない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム
４：燃料電池スタック
６：ＦＣ昇圧コンバータ
６ａ：入力側高電位端子
６ｂ：入力側低電位端子
６ｃ：出力側高電位端子
６ｄ：出力側低電位端子
８：ＦＣリレー
１０：コントローラ
１４：バッテリ
１６：システムメインリレー
１８：双方向コンバータ
２０：コントローラ
３０：インバータ
３２：走行用モータ
３４：ディファレンシャルギア
３６、３８：駆動輪
４０：上位コントローラ
６１ａ〜６１ｄ：昇圧回路
６２ａ〜６２ｄ：リアクトル
６４ａ〜６４ｄ：電流センサ
６６ａ〜６６ｄ：スイッチング素子
６８ａ〜６８ｄ：ダイオード
７０ａ〜７０ｄ：ダイオード
７２：平滑コンデンサ
１００：燃料電池自動車
Ｉａ〜Ｉｄ：電流
Ｍａ〜Ｍｄ：接続点
ＮＬ：低電位線
ＰＬ：高電位線

Claims (1)

1. 燃料電池スタックとコンバータとリレーとコントローラを備えており、前記コンバータが前記燃料電池スタックと前記リレーの間に接続されている燃料電池システムであり、
   前記コンバータは、前記燃料電池スタックの高電位端子と低電位端子の間を接続するリアクトルとスイッチング素子の直列回路の複数個を並列に接続した回路を備えており、
   前記コントローラは、複数個の前記スイッチング素子を個々に制御するとともに、いずれかの前記スイッチング素子に短絡異常が発生したことを検知した際に他の前記スイッチング素子を導通させる処理を実施する、
   燃料電池システム。

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