JP2022124286A

JP2022124286A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2022124286A
Application number: JP2021021964A
Authority: JP
Inventors: 良輔大矢; Ryosuke Oya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2021-02-15
Publication date: 2022-08-25

Abstract

【課題】燃料電池側の昇圧コンバータが昇圧不能となった場合に、その後、当該昇圧コンバータの入力電圧及び出力電圧に電圧比を再度生じさせることに関する技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、エアコンプレッサと、前記燃料電池と前記エアコンプレッサを接続する第１昇圧コンバータと、前記二次電池と前記エアコンプレッサを接続する第２昇圧コンバータと、制御装置とを備える。前記制御装置は、前記第２昇圧コンバータの故障発生時に、前記第２昇圧コンバータを導通状態にし、前記二次電池の電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧より低い場合に、前記第２昇圧コンバータを遮断し、前記エアコンプレッサのモータの回転数に基づいて算出される前記モータに生じる逆起電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧を超えるまで、前記モータの回転数を上昇させるように制御する。【選択図】図２

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。

反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、二次電池と、当該燃料電池の出力側に設けられた昇圧コンバータと、当該二次電池の出力側に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）。

特開２０１８－１８１８３４号公報

燃料電池システム（例えば、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム）は、動作中に二次電池側の昇圧コンバータに異常が生じた場合、昇圧できないが通電可能な状態となるように当該昇圧コンバータを制御する場合がある。このような制御下において、二次電池側の昇圧コンバータの異常時に二次電池電圧の出力電圧が燃料電池の昇圧コンバータの昇圧可能電圧よりも低くなった場合、燃料電池の電流が低下し、その結果、燃料電池の出力電圧が上昇し、燃料電池側の昇圧コンバータが昇圧不能となる場合がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、燃料電池側の昇圧コンバータが昇圧不能となった場合に、その後、当該昇圧コンバータの入力電圧及び出力電圧に電圧比を再度生じさせることに関する技術を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、エアコンプレッサと、前記燃料電池と前記エアコンプレッサを接続する第１昇圧コンバータと、前記二次電池と前記エアコンプレッサを接続する第２昇圧コンバータと、制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第２昇圧コンバータの故障発生時に、前記第２昇圧コンバータを導通状態にし、前記二次電池の電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧より低い場合に、前記第２昇圧コンバータを遮断し、前記エアコンプレッサのモータの回転数に基づいて算出される前記モータに生じる逆起電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧を超えるまで、前記モータの回転数を上昇させるように制御する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、燃料電池側の昇圧コンバータが昇圧不能となった場合に、その後、当該昇圧コンバータの入力電圧及び出力電圧に電圧比を再度生じさせることに関する技術を提供することができる。

一実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成を示す図である。一実施形態に係る燃料電池システムの制御を示すフローチャートである。

以下、一実施形態に係る燃料電池システムについて図面を参照しながら説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

図１は、一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、ＦＣ昇圧コンバータ（第１昇圧コンバータ）２０、ＦＣリレー回路３０、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）４０、二次電池５０、制御装置６０、二次電池用リレー回路７０、補機バッテリ１０５、エアコンプレッサ（負荷）ＭＧ１及びトラクションモータ（負荷）ＭＧ２を備える。

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、当該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から燃料電池１０へ供給される。

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。このＦＣ昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧、言い換えれば、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧を一定に制御可能なコンバータである。

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または／および二次電池５０から供給される電力によって駆動される。

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。

ＰＣＵ４０は、制御装置６０から送信された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、第２コンデンサ４１、二次電池昇圧コンバータ（第２昇圧コンバータ）４５、及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４８を有している。第２コンデンサ４１は、平滑用蓄電部である。

二次電池昇圧コンバータ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。二次電池昇圧コンバータ４５は、所定の故障モードであるときに、通電可能であるが昇圧できない状態（導通状態）となるように制御されてもよい。

例えば、ＦＣ昇圧コンバータ２０および二次電池昇圧コンバータ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、二次電池昇圧コンバータ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（図示略）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。故障モードは、二次電池昇圧コンバータ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。

ＩＰＭ４８は、電気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に接続されたパワーモジュールである。

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が備える各構成の駆動電力として使用される。
二次電池用リレー回路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。

補機消費可能デバイス９０は、燃料電池１０で発電した電力を消費可能な装置であり、補機モータ２５，２６と、補機インバータ２３，２４と、水加熱ヒーター２７とを有する。補機モータ２５は、燃料電池１０の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池１０に還流させるための水素ポンプを駆動するモータである。補機モータ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ための冷却水ポンプを駆動するモータである。

補機インバータ２３，２４は、それぞれ直流電流を三相交流に変換して補機モータ２５，２６に供給する。また、燃料電池システム１００は、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、補機モータ２５、２６、補機インバータ２３，２４、水加熱ヒーター２７、補機インバータ２８、エアコン２９の例に限定されず、その他の電力消費可能な装置を含む。

補機バッテリ１０５は、二次電池５０から供給された電力を一時的に蓄える補機用の電池であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６を介して二次電池５０の回路に接続されている。補機バッテリ１０５に蓄えられた電力は、補機を駆動させるために用いられる。

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ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御装置６０は、例えば、ＲＡＭなどの記憶部に記憶されたプログラムを実行することにより、各種の処理及び制御を実現する。また、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等を含む負荷全体の要求電力を算出する。

次に、図２を参照して本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御装置６０による制御の一例について説明する。

まず、ステップＳ１１において、制御装置６０は、二次電池昇圧コンバータ４５（ＢＤＣ）に故障が生じたときに、当該故障の発生を検知する。二次電池昇圧コンバータ４５の故障は、例えば、二次電池昇圧コンバータ４５の出力側の高電圧回路の結線異常、及び二次電池昇圧コンバータ４５の入出力電圧を測定するセンサ（図示略）の特性の異常を含む。本実施形態において、二次電池昇圧コンバータ４５の故障は、二次電池昇圧コンバータ４５に関する何らかの異常の発生を含み、二次電池昇圧コンバータ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して定義してもよい。

ステップＳ１２において、制御装置６０は、ステップＳ１１で二次電池昇圧コンバータ４５の故障の発生を検知したことに応じて、二次電池昇圧コンバータ４５を導通状態にするように制御する。導通状態とは、昇圧できないが通電可能な状態である。その後、ステップＳ１３において、ＦＣ昇圧コンバータ２０（ＦＤＣ）の昇圧後電圧が二次電池５０の電圧と等しくなる。

次に、ステップＳ１４において、制御装置６０は、二次電池５０の電圧がＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より低いか否かを判定する。ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧は、所定の値が設定されてもよいし、予め設定された方法により算出されてもよい。例えば、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧（換言すれば、燃料電池１０の出力電圧）に所定の値を乗じることで算出される。二次電池５０の電圧がＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より低いと判定された場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）、処理はステップＳ１５へ進む。二次電池５０の電圧がＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧以上であると判定された場合（ステップＳ１４のＮｏ）、処理はステップＳ１２へ進む。

なお、二次電池５０の電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より低い場合（ステップＳ１４のＹｅｓ）において、燃料電池１０の電流が低下しており、その結果、燃料電池１０の出力電圧が上昇し、ＦＣ昇圧コンバータ２０は昇圧不能となる。

ステップＳ１５において、制御装置６０は、二次電池昇圧コンバータ４５を二次電池５０から遮断するように制御する。その後、二次電池昇圧コンバータ４５に帯電された電流は、二次電池昇圧コンバータ４５の出力側から放電される。

次に、ステップＳ１６において、制御装置６０は、エアコンプレッサＭＧ１（ＡＣＰ）のエアバイパスバルブを全開し、二次電池昇圧コンバータ４５の放電電力によりエアコンプレッサＭＧ１のモータ（図示略）を駆動し、回転数を上昇させる。なお、エアバイパスバルブを全開することにより、エアコンプレッサＭＧ１から放出される空気が燃料電池１０に供給されずに、燃料電池システム１００の外部に放出される。これにより、燃料電池１０に不必要な空気が供給されることによる劣化を防ぐことができる。

次に、ステップＳ１７において、制御装置６０は、エアコンプレッサＭＧ１のモータの回転数に基づいて、当該モータに生じる逆起電圧を算出し、算出された逆起電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より高いか否かを判定する。ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より高いと判定された場合（ステップＳ１７のＹｅｓ）、処理はステップＳ１８へ進む。ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧以下であると判定された場合（ステップＳ１７のＮｏ）、処理はステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１８において、制御装置６０は、エアコンプレッサＭＧ１のインバータを遮断するように制御する。これにより、エアコンプレッサＭＧ１のモータの回転により生じた逆起電圧がエアコンプレッサＭＧ１から出力され、第２コンデンサ４１の電圧が上昇する。その結果、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧と出力電圧との間に電圧差（昇圧比）が生じる。

ステップＳ１９において、制御装置６０は、ステップＳ１８においてＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧と出力電圧との間に電圧差が生じたことに応じて、ＦＣ昇圧コンバータ２０による昇圧を再開するように制御する。ＦＣ昇圧コンバータ２０による昇圧が再開されると、燃料電池１０に燃料ガス等が供給されていないことなどを条件に、燃料電池１０の出力電圧が低下する。その結果、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比が高くなり、ＦＣ昇圧コンバータ２０は、昇圧を継続することが可能となる。

以上のように本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池１０とエアコンプレッサＭＧ１を接続するＦＣ昇圧コンバータ２０と、二次電池５０とエアコンプレッサＭＧ１を接続する二次電池昇圧コンバータ４５と、制御装置６０とを備える。制御装置６０は、二次電池昇圧コンバータ４５の故障発生時に、二次電池昇圧コンバータ４５を導通状態にし、二次電池５０の電圧がＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧より低い場合に、二次電池昇圧コンバータ４５を遮断する。これにより、エアコンプレッサＭＧ１のモータの回転数が上昇し、制御装置６０は、当該モータの回転数に基づいて算出される逆起電圧がＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧可能電圧を超えるまで、上記モータの回転数を上昇させるように制御する。

その結果、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧比を生じさせることができ、ＦＣ昇圧コンバータ２０による昇圧を再開させることが可能となる。すなわち、二次電池昇圧コンバータ４５の故障によりＦＣ昇圧コンバータ２０が昇圧不能となった場合であっても、その後、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧及び出力電圧に電圧比（昇圧比）を再度生じさせることが可能となる。

１０燃料電池
２０ＦＣ昇圧コンバータ（第１昇圧コンバータ）
４５二次電池昇圧コンバータ（第２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（検知部）
６２二次電池電圧計測部（計測部）
６３最低電圧算出部（算出部）
６４昇圧コンバータ制御部
６５燃料制御部
１００燃料電池システム
ＭＧ１エアコンプレッサ（負荷）
ＭＧ２トラクションモータ（負荷）

Claims

燃料電池と、
二次電池と、
エアコンプレッサと、
前記燃料電池と前記エアコンプレッサを接続する第１昇圧コンバータと、
前記二次電池と前記エアコンプレッサを接続する第２昇圧コンバータと、
制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記第２昇圧コンバータの故障発生時に、
前記第２昇圧コンバータを導通状態にし、
前記二次電池の電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧より低い場合に、前記第２昇圧コンバータを遮断し、前記エアコンプレッサのモータの回転数に基づいて算出される前記モータに生じる逆起電圧が前記第１昇圧コンバータの昇圧可能電圧を超えるまで、前記モータの回転数を上昇させるように制御する、燃料電池システム。