JP2023017351A - 燃料電池車 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、電圧センサで異常が発生している場合には代替の電圧センサを使って走行を続けることができる燃料電池車を提供する。【解決手段】本明細書が開示する燃料電池車では、インバータの直流端に燃料電池スタックとバッテリが接続されており、交流端にモータジェネレータが接続されている。燃料電池車は、インバータの直流端の電圧を計測する電圧センサ、直流端に接続されている電力消費デバイスを備える。制御器は、電圧センサの計測値（電圧計測値）が過電圧閾値を超えており、かつ、バッテリが充電不可の場合には、電圧計測値が過電圧閾値を下回るまで電力消費デバイスを駆動する。制御器は、電圧計測値が過電圧閾値を超えており、かつ、バッテリが充電可能の場合には、燃料電池スタックまたはバッテリの出力電圧を計測する別の電圧センサを用いて直流端の電圧を推定し、走行を続ける。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池車に関する。

燃料電池車は、燃料電池のほかにバッテリを備えている。バッテリは、燃料電池の余剰電力やモータジェネレータが発電した回生電力を蓄える。ここで、モータジェネレータは、構造は通常のモータと同じであるが、燃料電池やバッテリの電力を使って走行用のトルクを出力することができるとともに車両の慣性エネルギを使って発電することができる。燃料電池とバッテリは、インバータを介してモータジェネレータに電力を供給する。

バッテリが吸収しきれないほどに電力が余ると、インバータと燃料電池の電力線の電圧が過電圧閾値を超えてしまう場合がある。特許文献１の技術では、過電圧が生じないように燃料電池スタックの出力を調整する。

特開２０１０－２７３４９６号公報

燃料電池車は、インバータの直流端の電圧を計測する電圧センサを備えている。燃料電池車の制御器は、電圧センサの計測値に基づいて過電圧が生じているか否かを判断する。しかし、電圧センサで異常が生じている場合、実際には過電圧が生じていないにも関わらず、電圧センサが過電圧閾値よりも高い計測値を出力してしまうことが生じ得る。その場合、制御器は過電圧発生と誤判断してしまうおそれがある。本明細書は、電圧センサの計測値が過電圧閾値を超えていた場合であっても、電圧センサで異常が発生している場合には代替の電圧センサを使って走行を続けることができる燃料電池車を提供する。

本明細書が開示する燃料電池車は、燃料電池スタック、バッテリ、モータジェネレータ、インバータ、電圧センサ、電力消費デバイス、制御器を備える。モータジェネレータは、燃料電池スタックとバッテリの電力を使って走行用のトルクを出力することができるとともに車両の慣性エネルギを使って発電することができる。インバータの直流端に燃料電池スタックとバッテリが接続されており、交流端にモータジェネレータが接続されている。電圧センサは、インバータの直流端の電圧を計測する。電力消費デバイスは、直流端に接続されている。電力消費デバイスの一例は、燃料電池スタックを運転するためのデバイス（燃料電池補機）である。

制御器は、電圧センサの計測値（電圧計測値）が過電圧閾値を超えており、かつ、バッテリが充電不可状態の場合には、電圧計測値が過電圧閾値を下回るまで電力消費デバイスを駆動する。制御器は、電圧計測値が過電圧閾値を超えており、かつ、バッテリが充電可能状態の場合には、電圧センサで異常が発生していると判断し、燃料電池スタックまたはバッテリの出力電圧を計測する別の電圧センサを用いて直流端の電圧を推定しつつモータジェネレータを駆動する。

バッテリが充電可能状態であれば、余剰の電力はバッテリに吸収されるので、過電圧は生じない。にもかかわらず、電圧センサの計測値が過電圧閾値を示している場合には、電圧センサで異常が発生していると判断できる。そのような場合には、制御器が、別の電圧センサを用いてインバータの直流端の電圧を推定しつつモータジェネレータを駆動する。すなわち、走行し続けることができる。一方、バッテリが充電不可状態の場合には、過電圧が生じ得るので、電圧センサの計測値は正しいと判断できる。その場合には、制御器は、電力消費デバイスを駆動して過電圧を解消する。

バッテリが充電不可状態である場合の典型は、バッテリがインバータの直流端から電気的に遮断されている場合である。また、制御器は、バッテリに出入りする電流を計測する電流センサの計測値がゼロを示しているときに、バッテリが充電不可状態であると判断するようにしてもよい。

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。

実施例の燃料電池車の電力系のブロック図である。 電圧センサの計測値が過電圧閾値を超えていた場合の処理の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車２を説明する。図１に、燃料電池車２の電力系のブロック図を示す。実施例の燃料電池車２は、燃料電池スタック３、昇圧コンバータ６、インバータ１０、走行用のモータジェネレータ１１、メインバッテリ１３、制御器３０を備える。燃料電池車２は、燃料電池スタック３とメインバッテリ１３の電力で走行用のモータジェネレータ１１を駆動して走行する。

モータジェネレータ１１は、燃料電池スタック３とメインバッテリ１３の電力を使って走行用のトルクを出力することができるだけでなく、車両の慣性エネルギを使って発電することができる。モータジェネレータ１１の構造は通常のモータの構造と変わりないが、通常のモータが逆駆動されると発電することはよく知られている。モータジェネレータ１１が発電した電力は、回生電力と呼ばれる。モータジェネレータ１１が生成した回生電力（交流）は、インバータ１０によって直流電力に変換され、メインバッテリ１３にチャージされる。

インバータ１０は、燃料電池スタック３とメインバッテリ１３の直流電力を、モータジェネレータ１１を駆動するための三相交流電力に変換する。先に述べたように、インバータ１０は、モータジェネレータ１１が発電した回生電力（交流）を直流電力に変換して直流端１０ａから出力する場合もある。インバータ１０の直流端１０ａにＦＣリレー７と昇圧コンバータ６を介して燃料電池スタック３が接続されている。昇圧コンバータ６は燃料電池スタック３の出力電力を昇圧してインバータ１０へ供給する。

ＦＣリレー７は、燃料電池車２のメインスイッチがオフのときに開かれ、燃料電池スタック３をインバータ１０から電気的に切り離す。ＦＣリレー７は制御器３０によって制御される。制御器３０は、燃料電池車２のメインスイッチが入れられると燃料電池スタック３を起動する。燃料電池スタック３の出力が所定の電圧（起動電圧）に達すると、制御器３０は、ＦＣリレー７を閉じ、燃料電池スタック３をインバータ１０に接続する。燃料電池スタック３を停止したとき、および、燃料電池スタック３で異常が生じたとき、制御器３０はＦＣリレー７を開き、燃料電池スタック３をインバータ１０から電気的に切り離す。インバータ１０の直流端１０ａと燃料電池スタック３とメインバッテリ１３は、電力線８で接続されている。

インバータ１０は、２セットのインバータ回路を備えている。２セットのインバータ回路は共通の直流端１０ａを有する。一方のインバータ回路の交流端はモータジェネレータ１１に接続されており、他方のインバータ回路の交流端はエアコンプレッサ１２に接続されている。エアコンプレッサ１２は、燃料電池スタック３に空気を送り込むためのデバイスである。インバータ１０は、制御器３０によって制御される。制御器３０は、アクセルペダル開度と車速からモータジェネレータ１１の目標出力を決定し、目標出力が実現されるように、インバータ１０の一方のインバータ回路を制御する。また、制御器３０は、燃料電池スタック３の目標出力を決定し、目標出力が実現されるように、他方のインバータ回路を制御する。

インバータ１０の直流端１０ａには、平滑コンデンサ３１と電圧センサ９が接続されている。平滑コンデンサ３１は、インバータ１０に入力される電力の脈動を抑える。電圧センサ９は、インバータ１０の直流端１０ａの電圧を計測する。電圧センサ９の計測値は制御器３０へ送られる。

燃料電池スタック３の出力端には電圧センサ４と電流センサ５が接続されている。電圧センサ４は燃料電池スタック３の出力電圧を計測し、電流センサ５は燃料電池スタック３の出力電流を計測する。電圧センサ４と電流センサ５の計測値は制御器３０に送られる。なお、図１では、計測値などのセンサ情報を伝達する通信線や、制御器３０からインバータ１０などへ送られる指令を伝達する信号線は図示を省略した。

インバータ１０の直流端１０ａには、システムメインリレー１７を介してメインバッテリ１３が接続されている。制御器３０は、燃料電池車２のメインスイッチが入れられると、システムメインリレー１７を閉じ、メインバッテリ１３をインバータ１０に接続する。メインスイッチがオフになると、制御器３０はシステムメインリレー１７を開き、メインバッテリ１３をインバータ１０（電力線８）から電気的に切り離す。

メインバッテリ１３は、再充電可能であり、典型的にはリチウムイオンバッテリである。メインバッテリ１３の応答速度は燃料電池スタック３の応答速度よりも速い。アクセルペダルが踏み込まれるとモータジェネレータ１１の目標トルクが急に大きくなる。目標トルクを実現するのに燃料電池スタック３の出力では足りない場合には、メインバッテリ１３の電力が使われる。

先に述べた回生電力はメインバッテリ１３にチャージされる。燃料電池スタック３の余剰電力もメインバッテリ１３にチャージされる。インバータ１０の直流端１０ａと燃料電池スタック３とメインバッテリ１３を接続する電力線８には他の電気デバイスも接続されている。余剰の電力とは、燃料電池スタック３が発電した電力と回生電力のうち、電力線８に接続されている電気デバイス（インバータ１０を含む）で消費されずに残った電力を意味する。

メインバッテリ１３には、電圧センサ１４、電流センサ１５も接続されている。電圧センサ１４はメインバッテリ１３の出力電圧を計測し、電流センサ１５はメインバッテリ１３に出入りする電流を計測する。電圧センサ１４と電流センサ１５の計測値も制御器３０へ送られる。メインバッテリ１３には、ヒューズ１８も備えられている。

電力線８に接続されている電気デバイスには、インバータ１０の他に、水素ポンプ２１、冷却器ポンプ２２、ヒータ２３、エアコンディショナ２４、電圧コンバータ２５などがある。水素ポンプ２１は、燃料電池スタック３に水素ガスを送るデバイスであり、冷却器ポンプ２２は燃料電池スタック３の冷却水を循環させるデバイスである。ヒータ２３は燃料電池スタック３の温度が低いときに燃料電池スタック３を温めるデバイスである。エアコンディショナ２４は燃料電池車２の車室内の温度を調整するデバイスである。

電圧コンバータ２５は、燃料電池スタック３あるいはメインバッテリ１３の電圧を降圧してオーディオ２７などの小電力デバイスに供給する。電圧コンバータ２５の出力でサブバッテリ２６がチャージされる。

図１では水素ポンプ２１、冷却器ポンプ２２、エアコンディショナ２４を一つの矩形で描いてあるが、これらのデバイスはポンプなどのアクチュエータと、アクチュエータを駆動するドライバを備えている。ドライバは、パワートランジスタと呼ばれるスイッチング素子を備えており、それらのスイッチング素子には耐電圧が定められている。電力線８を介して電力供給を受ける電圧コンバータ２５、および、燃料電池スタック３とインバータ１０の間に接続されている昇圧コンバータ６もスイッチング素子を備えており、それらのスイッチング素子にも耐電圧が定められている。それらのスイッチング素子に印加される電圧が耐電圧を超えるとスイッチング素子がダメージを受けるおそれがある。

そこで、制御器３０は、電力線８の電圧（別言すれば、インバータ１０の直流端１０ａの電圧）をモニタしており、直流端１０ａの電圧が所定の過電圧閾値を超えないように、燃料電池スタック３や昇圧コンバータ６を制御する。あるいは、制御器３０は、電力線８を介して燃料電池スタック３やインバータ１０（回生電力を出力するときのインバータ１０）から電力供給を受ける電気デバイスを駆動し、電力線８を通じて伝送される電力を消費して直流端１０ａの電圧を下げる。以下では、説明の都合上、電力線８を介して燃料電池スタック３やインバータ１０（回生電力を出力するときのインバータ１０）から電力供給を受ける電気デバイスを電力消費デバイス２０と総称する。電力消費デバイス２０には、水素ポンプ２１、冷却器ポンプ２２、ヒータ２３、エアコンディショナ２４、電圧コンバータ２５、昇圧コンバータ６が含まれる。

電力消費デバイス２０には、許可電圧上限値が定められている。許可電圧上限値は、燃料電池スタック３とインバータ１０（回生電力を出力するときのインバータ１０）の出力電圧上限値よりも高い値に設定されている。許可電圧上限値は、先の耐電圧よりは低く、電力消費デバイスに過電圧によるダメージを与えない値に設定されている。許可電圧上限値が先の過電圧閾値と同じであってもよい。

制御器３０は、電圧センサ９の計測値を用いて、インバータ１０の直流端１０ａ（電力線８）の電圧をモニタする。しかし、電圧センサ９で異常が生じていると、直流端１０ａの実際の電圧が過電圧閾値を超えていないにも関わらず、電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超える状態が生じ得る。制御器３０は、電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えている場合、電圧センサ９で異常が生じているか否かを判断し、異常の有無に応じて適切に対処することができる。

直流端１０ａとメインバッテリ１３が接続されているので、メインバッテリ１３が充電可能であれば、直流端１０ａの電圧は過電圧閾値を超えることはない。直流端１０ａにメインバッテリ１３が接続されているにもかかわらず、電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えている場合は、電圧センサ９で異常が発生していると判断できる。一方、メインバッテリ１３が充電不可の場合には、直流端１０ａの電圧は過電圧閾値を超える可能性がある。この場合、電圧センサ９の計測値は正しい蓋然性が高い。

そこで、制御器３０は、メインバッテリ１３が充電可能な状態であり、かつ、電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えている場合は、電圧センサ９で異常が発生していると判断する。この場合、制御器３０は、他の電圧センサ（例えば、燃料電池スタック３の電圧を計測する電圧センサ４、または、メインバッテリ１３の電圧を計測する電圧センサ１４）を利用し、直流端１０ａの電圧を推定する。

電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えている場合の処理を図２に示す。電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えている場合、制御器３０は、メインバッテリ１３の状態をチェックする（ステップＳ２）。メインバッテリ１３が充電不可状態の場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、制御器３０は、システムメインリレー１７を開く（ステップＳ３）。メインバッテリ１３が充電不可状態であることの一例は、メインバッテリ１３が燃料電池スタック３とインバータ１０から電気的に遮断されている場合である。例えば、ヒューズ１８が切れている場合、メインバッテリ１３は燃料電池スタック３とインバータ１０から遮断され、充電ができない。そのような場合でも、制御器３０は、予防的にシステムメインリレー１７を開く。なお、この場合、電圧センサ９は正常である蓋然性が高い。

次いで、制御器３０は、電圧センサ９の計測値（電圧計測値）が過電圧閾値を下回るまで、電力消費デバイス２０を駆動する（ステップＳ４）。

ステップＳ４以降、制御器３０は走行を継続する。なお、システムメインリレー１７が開いているので（ステップＳ３）、制御器３０は、メインバッテリ１３を使わずに走行を継続する。この場合、余剰電力を吸収することができないので、制御器３０は、燃料電池スタック３の出力を通常の場合よりも下げる。

一方、ステップＳ２にて、メインバッテリ１３が充電可能な状態の場合（ステップＳ２：ＮＯ）、制御器３０は、電圧センサ９で異常が発生していると判断する。この場合、制御器３０は、他の電圧センサ（例えば、燃料電池スタック３の電圧を計測する電圧センサ４、または、メインバッテリ１３の電圧を計測する電圧センサ１４）を用いて、インバータ１０の直流端１０ａの電圧を推定する（ステップＳ５）。電圧センサ４の計測値に昇圧コンバータ６の昇圧比を乗じれば、直流端１０ａの電圧推定値が得られる。また、電圧センサ１４の計測値（メインバッテリ１３の電圧）は、そのまま、直流端１０ａの電圧推定値として利用できる。

制御器３０は、電圧推定値を用いて走行を継続する。具体的には、制御器３０は、電圧推定値（直流端１０ａの電圧の推定値）が過電圧閾値を超えないように、燃料電池スタック３と昇圧コンバータ６を制御する。ステップＳ５より後は、制御器３０は、燃料電池スタック３またはメインバッテリ１３の出力電圧を計測する別の電圧センサを用いて直流端１０ａの電圧を推定しつつ、モータジェネレータ１１を駆動し、走行する。

なお、制御器３０は、次のいずれかを検知したら、メインバッテリ１３が充電不可であると判断する。（１）メインバッテリ１３が燃料電池スタック３とインバータ１０から電気的に切り離されている場合。ヒューズ１８が切れていること、あるいは、システムメインリレー１７が開いていること、が、この場合に相当する。

（２）メインバッテリ１３に流れる電流を計測する電流センサ１５の計測値がゼロを示している場合。電流センサ１５の計測値がゼロを示している場合も、メインバッテリ１３が燃料電池スタック３とインバータ１０から電気的に切り離されていることを示す。

（３）メインバッテリ１３の電圧が直流端１０ａの電圧を超えている場合。この場合、直流端１０ａに加わっている電力をメインバッテリ１３が吸収できない。

以上説明したように、実施例の燃料電池車２は、電圧センサ９の計測値が過電圧閾値を超えていた場合であっても、電圧センサ９で異常が発生している場合には代替の電圧センサ（電圧センサ４または電圧センサ１４）を使って走行を続けることができる。また、電圧センサ９が正常と判断できる場合には、直流端１０ａの電圧が過電圧閾値を下回るまで電力消費デバイス２０を駆動する。この処理により、過電圧状態が速やかに解消され、電力線８に接続されているデバイスが受けるダメージを抑えることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。制御器３０は、図２のステップＳ２において、メインバッテリ１３が直流端１０ａに接続されており、かつ、メインバッテリ１３の電圧が直流端１０ａの電圧と同じであれば、充電可能であると判断する。

実施例の燃料電池車２では、メインバッテリ１３とインバータ１０の間に電圧コンバータが接続されていない。別言すれば、インバータ１０の駆動電圧は、メインバッテリ１３の出力電圧にほぼ等しい。この場合、インバータ１０の直流端１０ａとメインバッテリ１３の間の電力線の抵抗値が小さい。従って、メインバッテリ１３の電圧が直流端１０ａの電圧と同じであれば、余剰電圧は速やかにメインバッテリ１３にチャージされる。

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：燃料電池車 ３：燃料電池スタック ４、９、１４：電圧センサ ５、１５：電流センサ ６：昇圧コンバータ ７：ＦＣリレー ８：電力線 １０：インバータ １１：モータジェネレータ １２：エアコンプレッサ １３：メインバッテリ １７：システムメインリレー １８：ヒューズ ２０：電力消費デバイス ２１：水素ポンプ ２２：冷却器ポンプ ２３：ヒータ ２４：エアコンディショナ ２５：電圧コンバータ ２６：サブバッテリ ２７：オーディオ ３０：制御器 ３１：平滑コンデンサ

Claims (4)

1. 燃料電池スタックと、
   バッテリと、
   前記燃料電池スタックと前記バッテリの電力を使って走行用のトルクを出力することができるとともに車両の慣性エネルギを使って発電することができるモータジェネレータと、
   直流端に前記燃料電池スタックと前記バッテリが接続されており、交流端に前記モータジェネレータが接続されているインバータと、
   前記直流端の電圧を計測する電圧センサと、
   前記直流端に接続されている電力消費デバイスと、
   制御器と、を備えており、
   前記制御器は、
   前記電圧センサの計測値が過電圧閾値を超えており、かつ、前記バッテリが充電不可状態の場合には、前記計測値が前記過電圧閾値を下回るまで前記電力消費デバイスを駆動し、
   前記計測値が前記過電圧閾値を超えており、かつ、前記バッテリが充電可能状態の場合には、前記燃料電池スタックまたは前記バッテリの出力電圧を計測する別の電圧センサを用いて前記直流端の電圧を推定しつつ前記モータジェネレータを駆動する、
   燃料電池車。
2. 前記制御器は、前記バッテリが前記直流端から電気的に遮断されている場合に前記バッテリが充電不可状態であると判断する、請求項１に記載の燃料電池車。
3. 前記バッテリに出入りする電流を計測する電流センサを備えており、
   前記制御器は、前記電流センサの計測値がゼロを示しているときに、前記バッテリが充電不可状態であると判断する、請求項１に記載の燃料電池車。
4. 前記電力消費デバイスに設定されている許可電圧上限値が、前記燃料電池スタックの出力電圧上限値よりも高い、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池車。

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