JP2021026936A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】第１昇圧コンバータの昇圧動作が停止とならないようにする。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇圧する第１昇圧コンバータと、二次電池の出力電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、燃料電池、第１昇圧コンバータ及び第２昇圧コンバータを制御する制御装置とを備える。第１昇圧コンバータの出力側と第２昇圧コンバータの出力側とが電気的に接続されている。制御装置は、第２昇圧コンバータの動作の異常を検知した場合に、第２昇圧コンバータを導通状態で動作させ、燃料電池システムに対する要求出力が予め定めた値よりも大きい場合に、要求出力に対する燃料電池の要求出力を増加させて二次電池の出力を制限することにより、二次電池の出力電圧と燃料電池の出力電圧との差が、第１昇圧コンバータの最小昇圧比による燃料電池の昇圧電圧よりも大きくなるように、燃料電池の出力電圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と二次電池のそれぞれに昇圧コンバータが設けられた燃料電池システムに関する。

従来から、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池（以下、「ＦＣ］とも呼ぶ）と、二次電池（以下、「ＢＡＴ］とも呼ぶ）と、ＦＣおよびＢＡＴの出力側にそれぞれ設けられた昇圧コンバータとを備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムでは、ＢＡＴ側の昇圧コンバータ（以下、「ＢＤＣ」とも呼ぶ）の昇圧動作に異常が生じた場合に、ＢＤＣを導通状態とし、ＦＣ側の昇圧コンバータ（以下、「ＦＤＣ」とも呼ぶ）の最小昇圧比以上である第１の値と、ＢＤＣの入力側および出力側の一方の電圧と、を用いてＦＣの目標出力電圧を求める。燃料電池システムは、ＦＣの出力電圧がその目標出力電圧以下となるようにＦＣを制御することにより、ＦＤＣを最小昇圧比以上の昇圧比で動作させてＦＤＣの昇圧動作の停止を防止しつつ、ＦＣを制御している。

特開２０１８−１８１８３４号公報

ここで、ＦＣの出力電圧を目標出力電圧以下に制御する手段としては、例えば、ＦＣから出力する電流量を増加させる手段あるいは燃料電池の発電効率を低下させる手段がある。しかしながら、電流量を増加させる手段では、増加させた電流の消費が問題となり、電流の増減を制御することが困難な場合がある。また、発電効率を低下させる手段では、発熱損失の増加や燃料電池のセルの電圧ばらつきが大きくなり動作に不具合が生じる可能性がある。従って、ＦＤＣの昇圧動作の停止を防止しつつ実行するＦＣの制御には、更なる改善が望まれている。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池及び二次電池を備えた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、前記燃料電池の出力電圧を昇圧する第１昇圧コンバータと、前記二次電池の出力電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、前記燃料電池、前記第１昇圧コンバータ及び前記第２昇圧コンバータを制御する制御装置と、を備える。前記第１昇圧コンバータの出力側と前記第２昇圧コンバータの出力側とが電気的に接続されている。前記制御装置は、前記第２昇圧コンバータの動作の異常を検知した場合に、前記第２昇圧コンバータを導通状態で動作させ、前記導通状態において、前記燃料電池システムに対する要求出力が予め定めた値よりも大きい場合に、前記要求出力に対する前記燃料電池の要求出力の割合を増加させて前記二次電池の出力を制限することにより、前記二次電池の出力電圧と前記燃料電池の出力電圧との差が、前記第１昇圧コンバータの最小昇圧比による前記燃料電池の昇圧電圧よりも大きくなるように、前記燃料電池の出力電圧を制御する。
上記形態の燃料電池システムによれば、第２昇圧コンバータの昇圧動作の異常を検知して、第２昇圧コンバータを導通状態とした場合に、要求出力に対する燃料電池の要求出力の割合を増加させて二次電池の出力を制限することにより、二次電池の出力電圧と燃料電池の出力電圧との差が、第１昇圧コンバータの最小昇圧比による燃料電池の昇圧電圧よりも大きくすることができる。これにより、第１昇圧コンバータに要求される昇圧比が最小昇圧比よりも小さくなって、第１昇圧コンバータの昇圧動作が停止とならないようにすることができる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池システムの制御装置の構成を説明するブロック図である。 制御装置による制御の一例を説明するフローチャートである。 正常時における燃料電池システムの電圧状態を示す説明図である。 異常時における比較例の燃料電池システムの電圧状態に発生し得る問題点を示す説明図である。 異常時における本発明の実施形態に係る燃料電池システムの電圧状態を示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成図である。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両で利用される電力を得るための発電システムとして用いられる。

燃料電池システム１００は、燃料電池（「ＦＣ」とも呼ぶ）１０と、ＦＣ昇圧コンバータ２０と、ＦＣリレー回路３０と、パワーコントロールユニット（「ＰＣＵ」とも呼ぶ）４０と、二次電池（以下、「ＢＡＴ」とも呼ぶ）５０と、制御装置６０と、ＢＡＴリレー回路７０と、補機９０と、補機インバータ２８と、エアコン２９と、補機バッテリ１０５と、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２と、を備える。なお、ＦＣ昇圧コンバータ２０が「第１昇圧コンバータ」に相当する。また、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２が負荷に相当する。

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（燃料ガス）を貯留した水素タンク(図示略)を有し、水素タンクから燃料電池１０へ水素が供給される。エアコンプレッサＭＧ１により大気中の空気が圧縮され、反応ガスとしての酸素（酸化ガス）を含む空気がエアコンプレッサＭＧ１からエア供給流路１１を介して燃料電池１０に供給される。エア供給流路１１にはバルブ１２が設けられており、エアコンプレッサＭＧ１から供給される空気のうち、バルブ１２によってバイパス流路１３に分岐させる空気の流量が調整されることにより、燃料電池１０に供給される空気の流量が調整される。

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ＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させる昇圧コンバータである。燃料電池１０の出力端には、燃料電池の出力電圧を計測するための電圧センサ１４が設けられている。

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。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。

トラクションモータ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である。トラクションモータＭＧ２は、燃料電池１０と二次電池５０の少なくとも一方から供給される電力によって駆動される。

二次電池５０は、燃料電池１０の発電によって得られた電力やトラクションモータ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が備える負荷としての各構成、例えば、エアコンプレッサＭＧ１やトラクションモータＭＧ２、補機９０の駆動電力として使用される。ＢＡＴ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。なお、ＢＡＴリレー回路７０とＰＣＵ４０との間の接続配線には、二次電池の出力電圧を計測するための電圧センサ４４が設けられている。

補機９０は、燃料電池１０で発電された電力あるいは二次電池５０から出力された電力を消費可能な装置である。補機９０は、水素ポンプ２５と、冷却水ポンプ２６と、補機インバータ２３，２４と、水加熱ヒータ２７と、を有する。水素ポンプ２５は、燃料電池１０から排出された水素オフガスを燃料電池１０に還流させる。冷却水ポンプ２６は、燃料電池１０の温調に使用される冷却水を循環させる。補機インバータ２３，２４は、それぞれ、直流電力を三相交流電力に変換して、対応する水素ポンプ２５と冷却水ポンプ２６とに供給し、駆動する。

また、燃料電池システム１００は、他の補機として補機インバータ２８及びエアコン２９を備えている。なお、本実施形態における電力を消費する「補機」は、補機９０に含まれる水素ポンプ２５、冷却水ポンプ２６、補機インバータ２３，２４、水加熱ヒータ２７、補機インバータ２８、及びエアコン２９に限定されず、その他の電力消費可能な装置も含む。

補機バッテリ１０５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６を介して二次電池５０の出力端子に並列に接続されている。補機バッテリ１０５には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６を介して二次電池５０から供給される電力が蓄えられる。補機バッテリ１０５は、車両の低電圧補機の電源として用いられる。

ＰＣＵ４０は、制御装置６０から送信される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、平滑コンデンサ４１と、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５と、インバータ４８と、を有している。ＢＡＴ昇圧コンバータが「第２昇圧コンバータ」に相当する。

インバータ４８は、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ＭＧ２に接続される。インバータ４８は、エアコンプレッサＭＧ１の動作を制御する。また、インバータ４８は、トラクションモータＭＧ２がモータとして動作する場合には、燃料電池１０や二次電池５０から供給される直流電力を三相交流電力に変換 し、トラクションモータＭＧ２に供給して、駆動する。これに対して、インバータ４８は、トラクションモータＭＧ２がジェネレータとして動作する場合には、トラクションモータＭＧ２から出力される回生電力としての三相交流電力を直流電力に変換して、二次電池５０に供給する。

ＢＡＴ昇圧コンバータ４５は、二次電池５０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ＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させるコンバータである。また、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５は、ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧やトラクションモータＭＧ２の回生により発生した電圧を二次電池５０に供給可能な電圧まで降圧させるコンバータである。また、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５は、後述する故障モードである場合に、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力側と出力側とを電気的に直結させて、通電可能ではあるが昇圧動作が制限される導通状態に制御される。

例えば、ＦＣ昇圧コンバータ２０およびＢＡＴ昇圧コンバータ４５と、エアコンプレッサＭＧ１およびトラクションモータＭＧ２との間の高電圧回路に故障が生じている状態や、この高電圧回路に結線異常が生じている状態や、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力電圧を測定する電圧センサ４４および出力電圧を測定する電圧センサ４２の特性に異常が生じている状態などが故障モードに該当する。なお、故障モードは、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５によってその入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態ということもできる。従って、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５によってその入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態となった場合に、ＢＡＴ昇圧コンバータの動作が異常であること、すなわち、故障モードであることを検知することができる。

制御装置６０は、燃料電池システム１００の各種機器の動作を制御するコンピュータシステムである。制御装置６０は、燃料電池システム１００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ＭＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御装置６０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１０の出力電流や出力電圧を表す信号、二次電池５０の入出力電流や出力電圧、温度を表す信号等）の入力を受けて、エアコンプレッサＭＧ１、トラクションモータＭＧ２、補記９０等の負荷全体からの燃料電池システムに対する要求出力を算出する。なお、単に「出力」は「電力」を示す。

以上説明した燃料電池１０と、二次電池５０と、ＦＣ昇圧コンバータ２０と、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５と、を備えた燃料電池システム１００において、故障モードであることが検知されると、二次電池５０だけでなく燃料電池１０の出力電圧も昇圧させることができない状態に陥り、燃料電池１０の出力を制御することが困難になることがある。

燃料電池システム１００は、制御装置６０が下記の構成を備えており、かかる故障モードに対応可能である。

図２は、制御装置６０の構成を説明するブロック図である。制御装置６０は、二次電池異常検知部６１と、二次電池計測部６２と、燃料電池計測部６３と、出力算出部６４と、昇圧コンバータ制御部６５と、燃料電池制御部６６と、を備えている。なお、二次電池計測部６２は、電圧センサ４２，４４や、不図示の電流センサ、温度センサの値によって測定された二次電池５０の電圧や電流、温度が、制御装置６０に入力されるようになっていれば、制御装置６０の外にあってもよい。燃料電池計測部６３も、電圧センサ１４，４２や、不図示の電流センサ、温度センサの値によって測定された燃料電池１０の電圧や電流、温度が、制御装置６０に入力されるようになっていれば、制御装置６０の外にあってもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御装置６０による故障モード時の制御と正常時の制御について、図３のフローチャートおよび図４から図６の説明図を用いて説明する。

図３は、制御装置６０による制御の一例を説明するフローチャートである。この制御は、制御装置６０によって一定の繰り返しタイミングで繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０において、ＢＡＴ昇圧コンバータ（以下、「ＢＤＣ」とも呼ぶ）４５の昇圧機能に異常があるか判定される。昇圧機能の異常は、上記したように、高電圧回路に故障が生じている状態、この高電圧回路に結線異常が生じている状態、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力電圧および出力電圧をそれぞれ測定するセンサの特性に異常が生じている状態のいずれかが生じた場合に発生する。この昇圧異常の検知は、上記したように、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５によってその入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態を二次電池異常検知部６１（図２参照）が検知することによって実行される。

昇圧機能の異常が検知されない正常時には（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ２０において、昇圧コンバータ制御部６５（図２参照）によって、ＦＣ昇圧コンバータ２０及びＢＡＴ昇圧コンバータ４５の昇圧動作が通常制御される。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ２０は燃料電池１０に分配される要求出力に対応するように昇圧動作し、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５は二次電池５０に分配される要求出力に対応するように昇圧動作する。また、燃料電池制御部６６は、燃料電池１０の発電量が要求出力に対応する電力と整合するように、エアコンプレッサＭＧ１やバルブ１２、水素ポンプ２５を制御することで、燃料電池１０への酸素供給量や水素供給量を調整して、燃料電池１０から出力される電力を制御する。

図４は、正常時における燃料電池システムの電圧状態を示す説明図である。正常時には、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力電圧、すなわち、二次電池５０の出力電圧は、二次電池５０の開回路電圧（「ＯＣＶ」と呼ばれる）Ｖｂａｔ＿ｏｃｖから電圧降下ｄＶｂａｔだけ降下した電圧Ｖｂａｔとなる。ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の出力電圧は、入力電圧ＶｂａｔがＢＡＴ昇圧コンバータ４５によって昇圧されて、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２の駆動要求に応じて設定された出電圧Ｖｏｕｔとなる。なお、電圧降下ｄＶｂａｔは、二次電池５０からの出力電流Ｉｂａｔと内部抵抗Ｒｂａｔの積（Ｉｂａｔ・Ｒｂａｔ）で表される。また、二次電池５０の開回路電圧Ｖｂａｔ＿ｏｃｖは、二次電池５０のＳＯＣ（残容量）から算出される。また、内部抵抗Ｒｂａｔは、予め設定された、二次電池５０のＳＯＣ及び温度Ｔｂａｔと内部抵抗Ｒｂａｔとの関係を示すマップから求められる。

また、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧、すなわち、燃料電池１０の出力電圧は、燃料電池１０の開回路電圧（「ＯＣＶ」と呼ばれる）Ｖｆｃ＿ｏｃｖから、燃料電池１０への出力要求に対応する出力電流Ｉｆｃに応じた電圧降下ｄＶｆｃだけ降下した出力電圧Ｖｆｃとなる。なお、燃料電池１０の出力電圧Ｖｆｃは、予め設定された燃料電池１０のＩＶ特性から、出力電流Ｉｆｃに対応する出力電圧が求められる。ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧は、出電圧Ｖｏｕｔとなるように、燃料電池１０の出力電圧ＶｆｃがＦＣ昇圧コンバータ２０によって昇圧される。なお、正常時のＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比Ｋ（＝Ｖｏｕｔ／Ｖｆｃ）は、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比として許容される最小昇圧比Ｋｍｉｎよりも大きくなっており、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧電圧Ｖｂｓｔ（＝（Ｋ−１）・Ｖｆｃ）は、最小昇圧電圧ｄＶｆｄｃ（＝（Ｋｍｉｎ−１）・Ｖｆｃ）よりも大きくなっている。

一方、昇圧機能の異常が検知された異常時には（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、図３のステップＳ３０において、昇圧コンバータ制御部６５によって、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５が、通電可能ではあるが昇圧できない状態、つまり、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力側と出力側とが導通状態となるように制御される。なお、ＦＣ昇圧コンバータ２０については、通常制御時（ステップＳ２０）と同様の昇圧動作が実行されるように、昇圧コンバータ制御部６５によって制御される。

ここで、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の導通制御が行なわれた場合（ステップＳ３０）において、後述するステップＳ４０〜Ｓ８０に示す実施形態の処理が行なわれない場合には、以下で説明する問題が発生し得る。

図５は、異常時における比較例の燃料電池システムの電圧状態に発生し得る問題点を示す説明図である。異常時において、昇圧コンバータ制御部６５によるＢＡＴ昇圧コンバータ４５の導通制御が行なわれた場合、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の出力電圧Ｖｏｕｔは入力電圧Ｖｂａｔに等しくなる。言い換えると、インバータ４８の入力電圧であるＢＡＴ昇圧コンバータ４５及びＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力電圧である二次電池５０の出力電圧Ｖｂａｔに制限される。

ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧、すなわち、燃料電池１０の出力電圧は、上記のように、燃料電池１０への出力要求に対応する出力電流Ｉｆｃに応じた電圧降下ｄＶｆｃだけ降下した出力電圧Ｖｆｃとなる。

ここで、正常時には（図４参照）、ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧Ｖｏｕｔは、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２の駆動要求に応じて設定された電圧となるように、入力電圧ＶｆｃがＦＣ昇圧コンバータ２０によって昇圧される。これに対して、異常時には、上記のように、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５、すなわち、ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧Ｖｏｕｔが二次電池５０の出力電圧Ｖｂａｔに制限されているので、ＦＣ昇圧コンバータ２０の動作に不具合が発生する場合がある。具体的には、図５に示すように、ＦＣ昇圧コンバータ２０に要求される昇圧比Ｋ（＝Ｖｏｕｔ／Ｖｆｃ）が、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比として許容される最小昇圧比Ｋｍｉｎよりも小さくなり、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧電圧Ｖｂｓｔ（＝（Ｋ−１）・Ｖｆｃ）が、最小昇圧電圧ｄＶｆｄｃ（＝（Ｋｍｉｎ−１）・Ｖｆｃ）よりも小さくなる場合がある。この場合、ＦＣ昇圧コンバータ２０は、正常な昇圧動作が不可となる。

そこで、本実施形態では、制御装置６０は、以下で説明する図３のステップＳ４０〜Ｓ８０に示す処理を実行することにより、上記したＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作の不具合が発生しないように制御している。

まず、ステップＳ３０でＢＡＴ昇圧コンバータ４５の導通制御が行なわれた後、ステップＳ４０において、制御装置６０は、燃料電池システムに対する要求出力Ｗｒｑの取得、燃料電池計測部６３による燃料電池の出力電圧Ｖｆｃの取得、二次電池計測部６２による二次電池のＳＯＣ及び温度の取得を行なう。燃料電池システムに対する要求出力Ｗｒｑは、出力算出部６４によって、ユーザ要求であるアクセル開度や、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサ等の高圧補機の状態、及びその他の補機の状態、から算出される。算出された要求出力Ｗｒｑは、出力算出部６４によって燃料電池１０に対する要求出力や二次電池５０に対する要求出力、補機９０等に対する要求出力に分配される。なお、以下では、補機９０等に対する要求出力を省略する。

次に、ステップＳ５０において、制御装置６０は、取得したシステムに対する要求出力Ｗｒｑが所定値よりも大きいか否か判断する。所定値は、後述するステップＳ８０において、二次電池５０への要求出力を制限していった場合に、ＦＣ昇圧コンバータ２０の最小昇圧比Ｋｍｉｎでの昇圧による最小昇圧電圧ｄＶｆｄｃを確保可能となる二次電池５０の出力を示す値に予め設定される。なお、具体的には、下式（１）が成立するか否かにより所定値よりも要求出力Ｗｒｑが大きいか否か判断することができる。

Ｖｆｃ＿ｏｃｖは燃料電池１０の開回路電圧であり。Ｖｆｃ＿ｍａｘは燃料電池１０が出力できる最大電圧であり、システムに対する要求出力と燃料電池１０のＩＶ特性から求められる。Ｖｔはマージンであり、本例ではＶｔ＝０である。

上式（１）が成立しない場合には、所定値よりも要求出力が小さいと判断される（ステップＳ５０：ＮＯ）。この場合、二次電池５０の要求出力を制限しても、ＦＣ昇圧コンバータ２０を正常に動作させること不可となる。

そこで、制御装置６０は、ステップＳ６０において燃料電池システムに対する負荷、すなわち、燃料電池システムに対する要求出力Ｗｒｑを増加させることにより、二次電池５０の要求出力を制限可能な状態とし、後述するステップＳ７０の処理を実行する。負荷の増加は、燃料電池制御部６６によって、バイパス流路１３へのエア供給量を増加させるとともにエアコンプレッサＭＧ１によるエア供給量を増加させることで実行可能である。また、水加熱ヒータ２７やエアコン２９等の補機の駆動量を増加させることでも実行可能である。

上式（１）が成立する場合には、所定値よりも要求出力が大きいと判断される（ステップＳ５０：ＹＥＳ）。この場合、二次電池５０の要求出力の制限により、ＦＣ昇圧コンバータ２０を正常に動作させることが可能である。そこで、制御装置６０は、ステップＳ７０において、出力算出部６４によって、（Ｖｂａｔ−Ｖｆｃ）＞ｄＶｆｄｃを満たすような二次電池５０の制限出力Ｗｌｉｍを算出する。なお、具体的には、下式（２）を満たす制限出力Ｗｌｉｍを算出する。

上式（２）において、（Ｖｆｃ＋ｄｖｆｄｃ）は、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作が最低限保証されるために要求されるＦＣ昇圧コンバータ２０およびＢＡＴ昇圧コンバータ４５の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。また、上式（２）において、｛Ｖｂａｔ−（Ｖｆｃ＋ｄＶｆｄｃ）｝／Ｒｂａｔは、ＦＣ昇圧コンバータ２０およびＢＡＴ昇圧コンバータ４５の出力電圧Ｖｏｕｔが（Ｖｆｃ＋ｄｖｆｄｃ）である場合における、二次電池５０の出力電流Ｉｂａｔの値を示している。すなわち、上式（２）の左辺は、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作が最低限保証されるために二次電池５０の要求出力Ｗｂａｔｒｑとして設定可能な出力の上限値を示している。

なお、制御装置６０は、出力算出部６４によって、さらに、算出した制限出力Ｗｌｉｍに二次電池５０の要求出力Ｗｂａｔｒｑを制限した場合に、要求出力Ｗｒｑに対する要求出力Ｗｂａｔｒｑの制限した割合に応じて、要求出力Ｗｒｑに対して増加させる燃料電池１０の要求出力Ｗｆｃｒｑを算出する。

そして、ステップＳ８０において、制御装置６０は、燃料電池制御部６６によって、燃料電池１０が、増加させた要求出力Ｗｆｃｒｑに対応する発電量で燃料電池１０が発電するように制御することで、二次電池５０の出力が制限出力Ｗｌｉｍに制限されるように制御する。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作を正常に動作させることが可能である。

図６は、ステップＳ７０及びＳ８０が実行された場合の燃料電池システムの電圧状態を示す説明図である。上記のように、二次電池５０の要求出力Ｗｂａｔｒｑが制限出力Ｗｌｉｍに制限されることにより、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の入力電圧Ｖｂａｔすなわち出力電圧Ｖｏｕｔは、制限されない場合の電圧（破線で示す）に比べて高くすることができる。また、ＦＣ昇圧コンバータの入力電圧Ｖｆｃは、燃料電池１０の要求出力Ｗｆｃｒｑが増加されることにより、増加されない場合の電圧(破線で示す）に比べて低くすることができる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ２０に要求される昇圧比Ｋ（＝Ｖｏｕｔ／Ｖｆｃ）が、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比として許容される最小昇圧比Ｋｍｉｎよりも大きくなり、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧電圧Ｖｂｓｔ（＝（Ｋ−１）・Ｖｆｃ）が、最小昇圧電圧ｄＶｆｄｃ（＝（Ｋｍｉｎ−１）・Ｖｆｃ）よりも大きくすることができる。この結果、ＦＣ昇圧コンバータ２０を、正常な昇圧動作が可能な状態とすることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の動作の異常が検知された場合に、二次電池５０の出力電圧と燃料電池１０の出力電圧との差が、ＦＣ昇圧コンバータ２０の最小昇圧比による燃料電池の昇圧電圧よりも大きくなるように、燃料電池システム１００に対する要求出力に対する二次電池５０の要求出力の割合を制限して、二次電池５０の出力電圧及び燃料電池１０の出力電圧を制御している。

これにより、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の動作の異常が検知された場合でも、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧と最小昇圧比との積で決まるＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧が、ＢＡＴ昇圧コンバータ４５の出力電圧よりも高くなって、ＦＣ昇圧コンバータ２０による昇圧動作が不可とならないようにすることができる。

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、１１…エア供給流路、１２…バルブ、１３…バイパス流路、２０…ＦＣ昇圧コンバータ、２３…補機インバータ、２４…補機インバータ、２５…補機モータ、２６…補機モータ、２７…水加熱ヒータ、２８…補機インバータ、２９…エアコン、３０…ＦＣリレー回路、４１…平滑コンデンサ、４５…ＢＡＴ昇圧コンバータ、５０…二次電池、６０…制御装置、６１…二次電池異常検知部、６２…二次電池計測部、６３…燃料電池計測部、６４…出力算出部、６５…昇圧コンバータ制御部、６６…燃料電池制御部、７０…ＢＡＴリレー回路、９０…補機消費可能デバイス、１００…燃料電池システム、１０５…補機バッテリ、１０６…ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＭＧ１…エアコンプレッサ、ＭＧ２…トラクションモータ

Claims (1)

1. 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、
   前記燃料電池の出力電圧を昇圧する第１昇圧コンバータと、
   前記二次電池の出力電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、
   前記燃料電池、前記第１昇圧コンバータ及び前記第２昇圧コンバータを制御する制御装置と、を備え、
   前記第１昇圧コンバータの出力側と前記第２昇圧コンバータの出力側とが電気的に接続されており、
   前記制御装置は、
   前記第２昇圧コンバータの動作の異常を検知した場合に、前記第２昇圧コンバータを導通状態で動作させ、
   前記導通状態において、前記燃料電池システムに対する要求出力が予め定めた値よりも大きい場合に、前記要求出力に対する前記燃料電池の要求出力の割合を増加させて前記二次電池の出力を制限することにより、前記二次電池の出力電圧と前記燃料電池の出力電圧との差が、前記第１昇圧コンバータの最小昇圧比による前記燃料電池の昇圧電圧よりも大きくなるように、前記燃料電池の出力電圧を制御する、
   燃料電池システム。

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