JP2021177473A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両が停止中であっても効率のよい運転が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と蓄電装置と制御装置とを備え、制御装置は発電制御部とＳＯＣ取得部と放電可能電力取得部と車両状態判定部とを有し、発電制御部は、車両の状態が停止中である場合は蓄電装置のＳＯＣが所定値１以上、かつ、放電可能電力が所定値２以上である場合に燃料電池の発電を停止し、車両の状態が停止中でない場合は蓄電装置のＳＯＣが所定値３以上、かつ、放電可能電力が所定値４以上である場合に燃料電池の発電を停止し、所定値１と所定値３とは所定値１＜所定値３の関係を満足し、所定値２と所定値４とは所定値２＜所定値４の関係を満足することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本願は燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）及び蓄電装置を備える燃料電池車両において、搭載される燃料電池の発電・停止を間欠的に切り替えることにより、運転効率や燃費を向上させる試みが行われている。

例えば、特許文献１には、充電切れにより走行が困難になる不具合を抑制するために、二次電池（蓄電手段）の充電量が所定値以上となった場合に燃料電池の発電を停止し二次電池からの電力のみで運転し、二次電池の充電量が所定値より低い値となった場合に燃料電池の発電を開始し二次電池への充電が行われるように制御することが記載されている。

特許文献２には、アイドルストップ（燃料電池で発電に必要な機器の動作を停止して、燃料電池での発電を停止した状態）による運転性への影響を軽減するために、アイドルストップ中の予想消費電力とバッテリ（蓄電装置）の蓄電量とに基づいて、アイドルストップ中に蓄電装置から電力供給可能な時間を算出し、算出された時間が所定時間以上のときアイドルストップを許可し、所定時間未満のときはアイドルストップを禁止することが記載されている。

特開２００５−４４５３１号公報 特開２００７−７３４７３号公報

ところで、燃料電池の発電・停止の制御は蓄電装置の充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）だけではなく、蓄電装置の放電可能電力を考慮して行われる場合がある。かかる場合において、燃料電池システムが低温環境下に置かれ、蓄電装置の温度が低温になると、放電可能電力は常温時よりも低くなるため、燃料電池の発電停止が行われ難くなる。そうすると、消費電力の小さい停止中においても燃料電池の発電停止が行われ難くなり、燃料電池の発電が継続する頻度が増加し効率が悪いという問題がある。

そこで、本願の目的は、上記実情を鑑み、車両が停止中であっても効率のよい運転が可能な燃料電池システムを提供することである。

上記問題を解決するために、本発明者が鋭意検討した結果、蓄電装置の容量特性（ＳＯＣ、放電可能電力）に基づく燃料電池の発電・停止の制御を、車両の状態（走行中、停止中）に応じて閾値を切り替えることにより、高効率の運転が可能であることを見出し、本開示の燃料電池システムを完成させた。以下、本開示の燃料電池システムについて説明する。

本願は、上記課題を解決するための一つの手段として、車両に搭載される燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池により充電可能な蓄電装置と、燃料電池システムを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の発電を制御する発電制御部と、蓄電装置のＳＯＣを取得するＳＯＣ取得部と、蓄電装置の放電可能電力を取得する放電可能電力取得部と、車両の状態を判断する車両状態判定部と、を有し、発電制御部は、車両状態判定部から取得した車両の状態が停止中である場合は、ＳＯＣ取得部から取得した蓄電装置のＳＯＣが所定値１以上、かつ、放電可能電力取得部から取得した蓄電装置の放電可能電力が所定値２以上である場合、燃料電池の発電を停止し、車両状態判定部から取得した車両の状態が停止中でない場合は、ＳＯＣ取得部から取得した蓄電装置のＳＯＣが所定値３以上、かつ、放電可能電力取得部から取得した蓄電装置の放電可能電力が所定値４以上である場合、燃料電池の発電を停止し、所定値１と所定値３とは所定値１＜所定値３の関係を満足し、所定値２と所定値４とは所定値２＜所定値４の関係を満足することを特徴とする、燃料電池システムを開示する。

本開示の燃料電池システムによれば、車両が停止中であっても効率のよい運転が可能となる。

燃料電池システム１００のブロック図である。 燃料電池１０の発電・停止の制御方法のフローチャートである。

本開示の燃料電池システムについて、一実施形態である燃料電池システム１００を用いて説明する。図１は燃料電池システム１００のブロック図である。

燃料電池システム１００は車両に搭載されるものであり、図１に示す通り、燃料電池１０と、燃料電池１０により充電可能な蓄電装置２０と、燃料電池システム１００を制御する制御装置４０と、を備えている。また、図１の通り、燃料電池１０と蓄電装置２０とから供給される電力の分配制御を行う電力分配装置３０を備えていても良い。さらに、その他燃料電池システムに必要な部材を適宜備えていても良い。

＜燃料電池１０＞
燃料電池１０は特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、燃料電池１０は酸化ガス（空気）及び水素ガスの供給を受けて発電する固体高分子系燃料電池を挙げることができる。燃料電池１０は複数の単セルが積層された積層構造を有していてもよい。酸化ガスはコンプレッサ１１により燃料電池１０に供給される。水素ガスは車両内に設置されている水素ガスタンク１２に高圧で充填されており、適宜調圧されて燃料電池１０に供給される。燃料電池１０の発電・停止は後述の制御部４０により制御されている。

＜蓄電装置２０＞
蓄電装置２０は燃料電池１０により充電可能な二次電池である。このような蓄電装置は公知のものを使用することができる。また蓄電装置２０は、車両が減速した場合や下り坂を走行した場合に、モータが回生発電を行うことにより発生する回生電流により充電される形態であっても良い。

＜電力分配装置３０＞
電力分配装置３０は燃料電池１０と蓄電装置２０との間に配置され、燃料電池１０と蓄電装置２０とから供給される電力の分配制御を行うものである。電力分配装置３０は、燃電電池１０が発電した直流電力を交流電力（例えば、三相交流電力）に変換して電力負荷に供給するインバータと、燃料電池１０の出力電力を調整して、燃料電池１０及び蓄電装置２０の電力供給を分配制御するＤＣ／ＤＣコンバータを備えている。インバータとＤＣ／ＤＣコンバータは燃料電池１０の出力端子に対していずれも並列に接続されている。電力負荷としては、図１に示した車両走行用モータＭ１及びコンプレッサ１１を駆動するモータＭ２を挙げることができる。ただし、これに限定されるものではない。

＜制御装置４０＞
制御装置４０は燃料電池１０の発電・停止の制御を行うものである。図１のように、電力分配装置３０の制御等を行う形態としても良い。制御装置４０はＣＰＵ、内部メモリ、入力インターフェース、出力インターフェース等を含むコンピュータシステムであり、各種制御を行う装置に接続されている。燃料電池システム１００全体の制御を行っても良い。

制御装置４０による燃料電池１０の発電・停止の制御はＭ１、Ｍ２等の電力負荷を考慮して行われ、燃料電池１０の発電を停止するためには当該電力負荷に必要な蓄電装置２０の容量特性（ＳＯＣ、放電可能電力）を十分に確保しておく必要がある。すなわち、燃料電池１０の発電・停止は蓄電装置２０の容量特性（ＳＯＣ、放電可能電力）に基づいて判断される。

ところで、燃料電池システム１００が低温環境下に置かれ、蓄電装置２０の温度が低温になると、放電可能電力は常温時よりも制限される。そのため、蓄電装置２０の放電可能電力が燃料電池の発電制御に関する閾値を満たし難くなり、燃料電池１０の発電停止が行われ難くなる。そうすると、消費電力の小さい停止中においても燃料電池１０の発電停止が行われ難くなり、燃料電池１０の発電が継続する頻度が増加し、効率が悪いという問題がある。

そこで、制御装置４０は蓄電装置２０の容量特性（ＳＯＣ、放電可能電力）に基づく燃料電池１０の発電・停止の制御を、車両の状態（走行中、停止中）に応じて閾値を切り替えることとした。これにより、消費電力の小さい停止中においても燃料電池１０の発電停止が行われやすくなり、効率のよい運転が可能となる。

上記の目的を達成するために、制御装置４０は少なくとも次の構成を備える。すなわち、制御装置４０は、燃料電池１０の発電を制御する発電制御部４１と、蓄電装置２０のＳＯＣを取得するＳＯＣ取得部４２と、蓄電装置２０の放電可能電力を取得する放電可能電力取得部４３と、車両の状態を判断する車両状態判定部４４と、を少なくとも有する。

そして発電制御部４１は、車両状態判定部４４から取得した車両の状態が停止中である場合は、ＳＯＣ取得部４２から取得した蓄電装置２０のＳＯＣが所定値１以上、かつ、放電可能電力取得部４３から取得した蓄電装置２０の放電可能電力が所定値２以上である場合、燃料電池１０の発電を停止する。また、車両状態判定部４４から取得した車両の状態が停止中でない場合（走行中の場合）は、ＳＯＣ取得部４２から取得した蓄電装置２０のＳＯＣが所定値３以上、かつ、放電可能電力取得部４３から取得した蓄電装置２０の放電可能電力が所定値４以上である場合、燃料電池１０の発電を停止する。

このとき、上記した所定値１と所定値３とは所定値１＜所定値３の関係を満足し、所定値２と所定値４とは所定値２＜所定値４の関係を満足するように設定する。車両の停止中は走行中に比べて消費電力が少ないため、走行中に比べてＳＯＣ、放電可能電力の閾値を小さくする。

ここで、「車両の状態が停止中」とは車両が停止している状態であり、車両が停止中であるか否かは車両走行用モータＭ１の回転数、又は車速情報、シフト情報、ブレーキ情報の何れか又はこれらの組み合わせから判断することができる。
所定値１〜４は、車両が停止中であっても効率のよい運転が可能となるように、蓄電装置２０の仕様に応じて適宜設定する。ただし、容量特性の閾値が停止状態≦停止していない状態（走行中）となるように設定する。

発電制御部４１による燃料電池１０の発電・停止の制御について、図２のフローチャートを用いてさらに詳しく説明する。図２の通り、発電制御部４１により行われる燃燃料電池１０の発電・停止の制御は工程Ｓ１（処理Ｓ１）〜工程Ｓ８（処理Ｓ８）を備えている。

工程Ｓ１は、車両で消費される見込みの電力合計値と、蓄電装置２０への充放電目標値に基づいて、燃料電池２０の発電量目標値を算出する工程である。

工程Ｓ２は、工程Ｓ１により算出された燃料電池発電量目標値が発電停止許可閾値以上であるか否かを判断する工程である。燃料電池発電量目標値≧発電停止許可閾値の場合、工程Ｓ３を実行する。燃料電池発電量目標値＜発電停止許可閾値の場合、工程Ｓ７を実行する。発電停止許可閾値は、燃料電池１０の発電を停止すると燃料電池システム１００の効率が悪化する領域に基づいて算出される。

工程Ｓ３、車両の状態が停止中であるか否かを判断する工程である。車両の状態が停止中である場合、工程Ｓ４を実行する。車両の状態が停止中でない場合（走行中である場合）、工程Ｓ５を実行する。

工程Ｓ４は、工程Ｓ３により車両の状態が停止中であると判断された場合に行う処理であり、蓄電装置２０のＳＯＣが所定値１以上、かつ、蓄電装置２０の放電可能電力が所定値２以上であることを判断する工程である。かかる条件（容量特性条件１）を満たす場合、工程Ｓ６を実行する。かかる条件を満たさない場合、工程Ｓ７を実行する。

工程Ｓ５は、工程Ｓ３により車両の状態が停止中でないと判断された場合に行われる処理であり、蓄電装置２０のＳＯＣが所定値３以上、かつ、蓄電装置２０の放電可能電力が所定値４以上であることを判断する工程である。かかる条件（容量特性条件２）を満たす場合、工程Ｓ６を実行する。かかる条件を満たさない場合、工程Ｓ７を実行する。

このとき、上記した所定値１と所定値３とは所定値１＜所定値３の関係を満足し、所定値２と所定値４とは所定値２＜所定値４の関係を満足するように設定する。

工程Ｓ６は、工程Ｓ４又は工程Ｓ５における所定の条件を満たした場合に行われる処理であり、燃料電池１０の発電を停止する工程である。

工程Ｓ７は、工程Ｓ２、工程Ｓ４又は工程Ｓ５における所定の条件を満たさない場合に行われる処理であり、燃料電池１０の発電量目標値がＳ２の条件を満たすように燃料電池システム１００及び車両を制御する工程である。

工程Ｓ８は、ユーザ操作によりシステム停止の要求があるまで再度工程Ｓ１〜工程Ｓ７を繰り返し、システム停止の要求があったら燃料電池システム１００を停止する工程である。

本開示の燃料電池システムによれば、消費電力の小さい停止中においても燃料電池１０の発電停止が行われやすく効率のよい運転が可能となる。よって、本開示の燃料電池システムは、燃料電池車両の分野においてきわめて優良な技術である。

１０ 燃料電池
１１ コンプレッサ
１２ 水素タンク
２０ 蓄電装置
３０ 電力分配装置
４０ 制御装置
４１ 発電制御部
４２ ＳＯＣ取得部
４３ 放電可能電力取得部
４４ 車両状態判定部
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池と、前記燃料電池により充電可能な蓄電装置と、前記燃料電池システムを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記燃料電池の発電を制御する発電制御部と、前記蓄電装置のＳＯＣを取得するＳＯＣ取得部と、前記蓄電装置の放電可能電力を取得する放電可能電力取得部と、前記車両の状態を判断する車両状態判定部と、を有し、
   前記発電制御部は、
   前記車両状態判定部から取得した前記車両の状態が停止中である場合は、前記ＳＯＣ取得部から取得した前記蓄電装置のＳＯＣが所定値１以上、かつ、前記放電可能電力取得部から取得した前記蓄電装置の放電可能電力が所定値２以上である場合、前記燃料電池の発電を停止し、
   前記車両状態判定部から取得した前記車両の状態が停止中でない場合は、前記ＳＯＣ取得部から取得した前記蓄電装置のＳＯＣが所定値３以上、かつ、前記放電可能電力取得部から取得した前記蓄電装置の放電可能電力が所定値４以上である場合、前記燃料電池の発電を停止し、
   前記所定値１と前記所定値３とは所定値１＜所定値３の関係を満足し、
   前記所定値２と前記所定値４とは所定値２＜所定値４の関係を満足することを特徴とする、
   燃料電池システム。

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