JP3850284B2

JP3850284B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3850284B2
Application number: JP2001387565A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤; 正夫安藤; 宗久堀口; 哲浩石川; 浩杉浦
Original assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: JP2003187841A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ駆動回路に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池およびコンデンサを備える燃料電池システムに関し、例えば電気自動車に好適な燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電気自動車等に用いられる燃料電池システムとして、燃料電池とコンデンサとを並列に接続して構成するものが提案されており、回生ブレーキにより制動時に発生する回生電力を当該コンデンサによって蓄電するとともに、加速時等の高負荷時に燃料電池から供給される電気エネルギだけでは不足する分を当該コンデンサにより蓄電された電気エネルギにより補うことを可能にしている。
【０００３】
そして、このようなコンデンサには、通常、大容量の電気二重層コンデンサ等が用いられており、燃料電池あるいはモータ駆動回路に対して並列にスイッチ等を介して接続されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように燃料電池あるいはモータ駆動回路に対して、大容量コンデンサを並列に接続すると、次に掲げるような問題が発生する。
コンデンサに蓄えられている電荷量が０％に近いような極度に減少している場合には、コンデンサと燃料電池との電位差が大きく、しかも満充電までにある程度の時間を要することから、コンデンサと燃料電池とを接続した直後には、燃料電池からコンデンサに向かって燃料電池の供給能力を超えた大電流が急激に流れるという現象が生じ得る。このとき、電気を発生させるための化学反応に必要な酸素の供給が不足し、電極で好ましくない化学反応（例えば水素が電極を構成するカーボンと反応してしまうなど）が生じて電極が劣化し、そのため、燃料電池の発電特性に悪影響を与え得るという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の発電特性に悪影響を与え難い燃料電池システムを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項１の燃料電池システムでは、
モータ駆動回路に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池およびコンデンサを備える燃料電池システムであって、
コンデンサの端子間電圧を検出し、該コンデンサの端子間電圧が第１の所定電圧値よりも低いとき、燃料電池から前記コンデンサに向かって該燃料電池の供給能力を超えた大電流が急激に流れるという現象が生じ得ると判断し、前記燃料電池から前記コンデンサに流れ込む充電電流値を、前記燃料電池の電極を劣化させない範囲で前記コンデンサの端子間電圧に基づいて変動する電流値として設定される第１の所定電流値に、抑制する電流制御手段を備えることを技術的特徴とする。
【０００８】
請求項１の発明では、コンデンサの端子間電圧を検出し、該コンデンサの端子間電圧が第１の所定電圧値よりも低いとき、燃料電池から前記コンデンサに向かって該燃料電池の供給能力を超えた大電流が急激に流れるという現象が生じ得ると判断し、燃料電池からコンデンサに流れ込む充電電流値を、前記燃料電池の電極を劣化させない範囲でコンデンサの端子間電圧に基づいて変動する電流値として設定される第１の所定電流値に、抑制する。これにより、モータ駆動回路に対し燃料電池およびコンデンサがそれぞれ並列に接続されていても、燃料電池からコンデンサに流れ込む充電電流値は、燃料電池の電極を劣化させない範囲でコンデンサの端子間電圧に基づいて変動する電流値として設定される第１の所定電流値に抑制される。そのため、例えば、コンデンサに蓄えられている電荷量が０％に近いような極度に減少している場合であっても、燃料電池からコンデンサに流れ込む充電電流を燃料電池の電極を劣化させない範囲に抑制することができる。したがって、燃料電池の発電特性に悪影響を与え難い効果がある。
【００１１】
さらに、請求項２の燃料電池システムでは、請求項１において、電流制御手段は、半導体素子からなること技術的を特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明では、電流制御手段は半導体素子からなることから、抵抗等の受動素子からなるものよりも、電流制御におけるエネルギ損失を抑制することができる。これにより、効率良く電流制御をすることができるので、燃料電池等で発生した電気エネルギを可能な限り無駄なくコンデンサに蓄えることができる。したがって、燃料電池の発電特性に悪影響を与え難い効果に加えて、クリーンエネルギの無駄な消費を抑制する効果もある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの実施形態について図を参照して説明する。なお、以下の各実施形態では、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用した例を挙げて説明する。
【００１６】
［実施形態］
図１には、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム２０の主な機能構成表す機能ブロック図が示されている。同図に示すように、燃料電池システム２０は、主に、燃料電池２１、出力制御用電流調整部２３、キャパシタ（コンデンサ）２５、保護用電流調整部２８、負荷２９、システムコントローラ３１等から構成されており、負荷２９に対し、それぞれ並列に接続された燃料電池２１およびキャパシタ２５を備える。そのため、本燃料電池システム２０のような構成はハイブリッド回路とも称される。なお、図１中に示す破線は、各機能ブロック間で授受される情報信号の流れを示している。
【００１７】
図２には、燃料電池システム２０の電気的構成を示す回路図が示されており、図１の機能ブロック図よりも燃料電池システム２０の構成内容が詳細に表されている。以下、図２を参照して燃料電池システム２０の構成を説明する。なお、図２中に示す破線は、各機能ブロックあるいは機能部品間で授受される情報信号の流れを示している。
【００１８】
燃料電池２１は、水素と酸素を反応させることにより電気エネルギを取り出し得るもので、モータで車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつである。このため、燃料電池２１には、水素および酸素（または空気）が供給されており、それらの供給量は、後述する燃料電池／モータコントローラ（以下「ＦＣ／Ｍコントローラ」という）３５により制御され、出力電力の制御が行われている。なお、燃料電池２１は、一般に、水素貯蔵や改質触媒等の方式によって種々のタイプに分類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するものであれば、本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。
【００１９】
燃料電池２１は、その端子間電圧（以下「ＦＣ電圧」という）Ｖfcを電圧センサ２２によって検出されている。即ち、燃料電池２１の出力端子間には、電圧センサ２２が接続されており、この電圧センサ２２により検出されたＦＣ電圧ＶfcはＦＣ／Ｍコントローラ３５に出力されている。これにより、ＦＣ／Ｍコントローラ３５によって燃料電池２１の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖfc）を適宜監視することができるので、これに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能にしている。
【００２０】
また、燃料電池２１の出力端子には、コンタクタCN-a、CN-bが接続されている。即ち、燃料電池２１の正極端子側にはコンタクタCN-aが、また燃料電池２１の負極端子側にはコンタクタCN-bが、それぞれ接続されている。これらのコンタクタCN-a、CN-bは、リレーのような機械的なスイッチ回路を有するもので、例えばイグニッションスイッチ等のシステムコントローラ３１の外部から入力される制御信号によりスイッチ回路を導通／遮断の各状態に制御することができるように構成されている。
【００２１】
これにより、コンタクタCN-a、CN-bのいずれか一方がスイッチ回路を遮断する動作をすることにより、燃料電池２１の入出力を遮断することができることに加えて、燃料電池２１の両端子にコンタクタが接続されているので、一方のコンタクタCN-a（またはコンタクタCN-b）が故障しても他方のコンタクタCN-b（またはコンタクタCN-a）によって、燃料電池２１の入出力を遮断することができる。したがって、燃料電池２１に異常が発生した場合や、本燃料電池システム２０を搭載した車両が衝突などによる大きな衝撃を検出した場合に、燃料電池２１を外部回路から電気的に切り離すことができる。
【００２２】
出力制御用電流調整部２３は、燃料電池２１から出力される電流量を制御するもので、図２においてはスイッチング素子２３Ａとして表されている。これには例えばＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor；絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)等の電力用半導体スイッチング素子が用いられ、そのベース端子あるいはゲート端子は、ＦＣ／Ｍコントローラ３５に接続されている。
【００２３】
これにより、燃料電池２１の入出力電流を測定し得る電流センサ２４により検出された燃料電池電流（以下「ＦＣ電流」という）Ｉfcに基づいてＦＣ／Ｍコントローラ３５によるスイッチング制御をスイッチング素子２３Ａに対して行うことができる。そのため、スイッチング素子２３Ａを介して出力される燃料電池２１のＦＣ電流Ｉfcが、電流センサ２４により検出されてＦＣ／Ｍコントローラ３５に入力され、そのＦＣ電流Ｉfcの値に基づいてスイッチング素子２３Ａのスイッチング制御が行われる。つまり、スイッチング素子２３Ａ、電流センサ２４およびＦＣ／Ｍコントローラ３５からなる閉ループによる負帰還制御系を構成できるので、所定電流値を目標とした燃料電池２１の出力制御をすることができる。
【００２４】
キャパシタ２５は、数Ｆ〜数百Ｆの電荷を蓄え得る大容量のコンデンサのことで、例えば電気二重層コンデンサが用いられている。そして、この燃料電池２１は、保護用電流調整部２８を介して、燃料電池２１やモータ駆動回路２９Ａに並列に接続されている。そのため、燃料電池２１により発生する電力による電気エネルギ（充電電流）やモータ駆動回路２９Ａにより発生する回生電力による電気エネルギ（回生電流）を蓄える、つまり充電することができる。
【００２５】
このキャパシタ２５も、燃料電池２１と同様に、その端子間電圧（以下「キャパシタ電圧」という）Ｖecを電圧センサ２６によって検出されている。即ち、キャパシタ２５の出力端子間には、電圧センサ２６が接続されており、この電圧センサ２６により検出されたキャパシタ電圧Ｖecは後述するハイブリッド回路コントローラ（以下「ＨＢＣコントローラ」という）３３に出力されている。これにより、ＨＢＣコントローラ３３によってキャパシタ２５の出力電圧（キャパシタ電圧Ｖec）が適宜監視されている。
【００２６】
また、キャパシタ２５の出力端子には、前述したコンタクタCN-a等と同様のコンタクタCN-c、CN-dが接続されている。即ち、キャパシタ２５の正極端子側にはコンタクタCN-cが、またキャパシタ２５の負極端子側にはコンタクタCN-dが、それぞれ接続されている。これらのコンタクタCN-c、CN-dも、イグニッションスイッチ等のシステムコントローラ３１の外部から入力される制御信号によりスイッチ回路を導通／遮断の各状態に制御することができるように構成されている。
【００２７】
これにより、コンタクタCN-c、CN-dのいずれか一方がスイッチ回路を遮断する動作をすることにより、キャパシタ２５の入出力を遮断することができることに加えて、キャパシタ２５の両端子にコンタクタが接続されているので、一方のコンタクタCN-c（またはコンタクタCN-d）が故障しても他方のコンタクタCN-d（またはコンタクタCN-c）によって、キャパシタ２５の入出力を遮断することができる。したがって、キャパシタ２５に異常が発生した場合や、本燃料電池システム２０を搭載した車両が衝突などによる大きな衝撃を検出した場合に、キャパシタ２５を外部回路から電気的に切り離すことができる。
【００２８】
コンタクタCN-cには、電流センサ２７が接続されている。この電流センサ２７は、キャパシタ２５に入力される電流、即ちキャパシタ２５に流れ込む充電電流や回生電流の電流量を検出したり、キャパシタ２５から出力される放電電流の電流量を検出するとともに、検出したキャパシタ電流ＩecをＨＢＣコントローラ３３に出力するものである。
【００２９】
保護用電流調整部２８は、燃料電池２１からキャパシタ２５に流れ込む充電電流を制御するとともにモータ駆動回路２９Ａからキャパシタ２５に流れ込む回生電流を制御するもので、図２においてはスイッチング素子２８Ａとして表されている。前述したスイッチング素子２３Ａと同様に、これには例えばＩＧＢＴ等の電力用半導体スイッチング素子が用いられ、そのベース端子あるいはゲート端子は、ＨＢＣコントローラ３３に接続されている。このスイッチング素子２８Ａは、ＨＢＣコントローラ３３によるキャパシタ管理制御処理によって、電流センサ２７のキャパシタ電流Ｉecに応じた電流制御がされる。
【００３０】
なお、保護用電流調整部２８（スイッチング素子２８Ａ）は、後述するＨＢＣコントローラ３３とともに、特許請求の範囲に記載の「電流制御手段」に相当する機能要素を構成するものである。
【００３１】
モータ駆動回路２９Ａは、燃料電池２１やキャパシタ２５に対して並列に接続される負荷の一部を構成するもので、例えば車両用の交流モータＭを駆動するインバータ回路が挙げられる。なお、負荷２９としては、モータ駆動回路２９Ａに駆動される車両用の交流モータＭのほかに、燃料電池２１に水素や酸素（空気）を供給する図示しないポンプやファン等の電動部品も当該負荷に含まれ得る。
【００３２】
システムコントローラ３１は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、ＨＢＣコントローラ３３およびＦＣ／Ｍコントローラ３５に接続されているとともに、前述したコンタクタCN-a、CN-b、CN-c、CN-dにも接続されている。これにより、ＨＢＣコントローラ３３やＦＣ／Ｍコントローラ３５による各種制御、処理等の本燃料電池システム２０全体の制御を行うことができるほか、ＨＢＣコントローラ３３やＦＣ／Ｍコントローラ３５から入力される情報に基づいて、コンタクタCN-a〜CN-dに対する導通／遮断の制御信号を出力することもできる。
【００３３】
ＨＢＣコントローラ３３も、システムコントローラ３１と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、システムコントローラ３１や、電圧センサ２６、電流センサ２７、スイッチング素子２８Ａにそれぞれ接続されている。これにより、システムコントローラ３１に対し所定情報の受け渡しをすることができるほか、電圧センサ２６から入力されるキャパシタ電圧Ｖecの情報や電流センサ２７から入力されるキャパシタ電流Ｉecの情報に基づいて、後述するキャパシタ管理制御処理、つまりスイッチング素子２８Ａのスイッチング制御を実行することができる。
【００３４】
ＦＣ／Ｍコントローラ３５も、システムコントローラ３１と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置で、システムコントローラ３１や、燃料電池２１、電圧センサ２２、スイッチング素子２３Ａ、電流センサ２４、モータ駆動回路２９Ａにそれぞれ接続されている。これにより、システムコントローラ３１に対し所定情報の受け渡しや、燃料電池２１に供給される水素等の供給量の制御、あるいはモータ駆動回路２９Ａの制御をすることができる。また電圧センサ２２から入力されるＦＣ電圧Ｖfcの情報や電流センサ２４から入力されるＦＣ電流Ｉfcの情報に基づいて、スイッチング素子２３Ａのスイッチング制御をすることもできる。
【００３５】
このように燃料電池システム２０を構成することにより、モータ駆動回路２９Ａに対し燃料電池２１およびキャパシタ２５がそれぞれ並列に接続されていても、燃料電池２１およびモータ駆動回路２９Ａからキャパシタ２５に流れ込む充電電流および回生電流を制限することができる。そのため、例えば、キャパシタ２５に蓄えられている電荷量が０％に近いような極度に減少している場合であっても、燃料電池２１からキャパシタ２５に流れ込む充電電流を抑制することができ、また燃料電池２１により発生する余剰電力あるいはモータ駆動回路２９Ａにより発生する回生電力がキャパシタ２５に供給される場合であっても、キャパシタ２５の予定された充電能力の範囲内でキャパシタ２５に流れ込む充電電流および回生電流を抑制することができる。したがって、燃料電池２１の発電特性およびキャパシタ２５の充放電特性に悪影響を与え難い効果がある。
【００３６】
また、図２に示すコンタクタCN-aを削除し、燃料電池２１とスイッチング素子２３Ａとを直接接続する構成を採っても、コンタクタCN-aによる機能をスイッチング素子２３Ａに代替させることにより、部品点数を削減することができる。即ち、スイッチング素子２３Ａのゲート制御により、その導通を遮断する制御を行うことによって、コンタクタCN-aによる回路の遮断機能をスイッチング素子２３Ａに代替させることができるので、コンタクタCN-aがなくても、燃料電池２１に異常が発生した場合や、本燃料電池システム２０を搭載した車両が衝突などによる大きな衝撃を検出した場合に、燃料電池２１を外部回路から電気的に切り離すことができる。またコンタクタCN-bをスイッチング素子２３Ａと同様のスイッチング素子で置き換えることも可能である。
【００３７】
次に、燃料電池システム２０を搭載した電気自動車の始動時の場合や、交流モータＭによる出力要求が低いときにキャパシタ２５に蓄えられた電気エネルギを主に交流モータＭに供給する場合等におけるＨＢＣコントローラ３３によるキャパシタ管理制御処理の流れを図３および図４に基づいて説明する。
【００３８】
図３に示すように、電気自動車の始動時等におけるキャパシタ管理制御処理は、まずステップＳ１０１によるキャパシタ電圧Ｖecを電圧センサ２６から読み込む処理を行う。そして、ステップＳ１０３により電圧センサ２６から読み込んだキャパシタ電圧Ｖecが、予め設定されている第１の所定電圧値Ｃ_LV0よりも低いか否かを判断する。
【００３９】
即ち、ステップＳ１０３では、キャパシタ２５に蓄えられている電荷量が０％に近いような極度に減少している状態にあるか否かを、キャパシタ２５の端子間電圧であるキャパシタ電圧Ｖecにより判断する処理を行う。
【００４０】
このステップＳ１０３により、キャパシタ電圧Ｖecが第１の所定電圧値Ｃ_LV0よりも低いと判断された場合（Ｓ１０３でＹｅｓ）には、キャパシタ２５に蓄えられている電荷量が極めて少なく、燃料電池２１の発電特性に悪影響を及ぼす可能性がある。つまり、入力インピーダンスが極めて低い状態にあるキャパシタ２５に直接、燃料電池２１を接続することにより、燃料電池２１から予定された以上に電気エネルギが取り出され得るので、その後の燃料電池２１の発電特性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、電圧センサ２６により読み込んだキャパシタ電圧Ｖecに対応して燃料電池２１の発電特性に悪影響を与え難い所定の充電電流値（第１の所定電流値）を設定する。この充電電流値の設定は、次のステップＳ１０５によるマップにより決定される。
【００４１】
ステップＳ１０５では、例えば図４に示すようなマップに従って、所定の充電電流値を読み込む処理を行う。当該マップには、電圧センサ２６により検出されたキャパシタ電圧の範囲に対応して所定の充電電流値が予めマッピングされている（Ｃ_LV0＞Ｃ_LV1＞Ｃ_LV2＞Ｃ_LV3、Ｃ_CC1＜Ｃ_CC2＜Ｃ_CC3）。例えば、キャパシタ電圧Ｃ_LV の範囲がＣ_LV0（例えば２９０Ｖ）≧Ｃ_LV ≧Ｃ_LV1（例えば２１０Ｖ）であれば充電電流はＣ_CC1（例えば７５Ａ）に設定され、またＣ_LV1（例えば２１０Ｖ）＞Ｃ_LV ≧Ｃ_LV2（例えば１９０Ｖ）であれば充電電流はＣ_CC2（例えば２４０Ａ）に設定される。さらにキャパシタ電圧Ｃ_LV の範囲がＣ_LV2（例えば１９０Ｖ）＞Ｃ_LV ≧Ｃ_LV3（例えば０Ｖ）であれば充電電流はＣ_CC3（例えば２７０Ａ）に設定される。
【００４２】
ステップＳ１０５により所定の充電電流値が設定されると、続くステップＳ１０７によりキャパシタ電流Ｉecを電流センサ２７から読み込む処理を行う。つまり、現在のキャパシタ２５に流れ込んでいる充電電流をキャパシタ電流Ｉecとして検出し、それに基づいて次のステップＳ１０９によるスイッチング素子２８Ａの制御処理を行うために、キャパシタ電流Ｉecを読み込む処理を行う。
【００４３】
ステップＳ１０９では、スイッチング素子２８Ａの電流制御処理を行う。即ち、ステップＳ１０７により読み込んだキャパシタ電流ＩecとステップＳ１０５により設定された充電電流とを比較し、両者が一致するようにスイッチング素子２８Ａのゲート制御を行う。そして、この処理が終わると、再びステップＳ１０１に処理を戻す。
【００４４】
一方、ステップＳ１０３により、キャパシタ電圧Ｖecが第１の所定電圧値Ｃ_LV0よりも低いと判断できない場合には（Ｓ１０３でＮｏ）、キャパシタ２５にはある程度、電荷量が蓄えられている可能性が高いので、ステップＳ１１１に処理を移行してスイッチング素子２８Ａを継続導通状態に制御する。つまり、キャパシタ２５に対する電流制御をすることなく、燃料電池２１から供給可能な電気エネルギをキャパシタ２５に与える。そして、ステップＳ１１３により定常運転制御を起動して、電気自動車の始動時における一連のキャパシタ管理制御処理を終了する。
【００４５】
このように本実施形態に係る燃料電池システム２０によると、スイッチング素子２８ＡおよびＨＢＣコントローラ３３により、キャパシタ２５のキャパシタ電圧Ｖecが第１の所定電圧値Ｃ_LV0よりも低いときには（Ｓ１０３でＹｅｓ）、燃料電池２１からキャパシタ２５に流れ込む充電電流を第１の所定電流値Ｃ_CC1以下に抑制する（Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９）。これにより、キャパシタ２５のキャパシタ電圧Ｖecに基づいて燃料電池２１の発電特性に悪影響を及ぼし得る条件が揃った場合には（Ｓ１０３でＹｅｓ）、燃料電池２１からキャパシタ２５に流れ込む充電電流を抑制し（Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０９）、それ以外の場合には（Ｓ１０３でＮｏ）、抑制しない（Ｓ１１１）、というキャパシタ２５の蓄電状態に応じた電流制御をすることができる。したがって、燃料電池２１の発電特性に悪影響を与え難い効果がある。
【００４６】
続いて、燃料電池システム２０を搭載した電気自動車の定常運転時におけるＨＢＣコントローラ３３によるキャパシタ管理制御処理の流れを図５および図６に基づいて説明する。
【００４７】
図５に示すように、電気自動車の定常運転時等におけるキャパシタ管理制御処理は、図３を参照して説明した始動時等におけるキャパシタ管理制御処理の流れを変形したものである。なお、図３に示すステップＳ１０１、Ｓ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１１は、図５に示すステップＳ２０１、Ｓ２０７、Ｓ２０９、Ｓ２１１にそれぞれ相当し、それぞれ同様の処理を行っている。
【００４８】
定常運転時等におけるキャパシタ管理制御処理では、まずステップＳ２０１によりキャパシタ電圧Ｖecを電圧センサ２６から読み込み、続いて読み込んだキャパシタ電圧Ｖecが予め設定されている第２の所定電圧値Ｃ_HV0よりも高いか否かの判断処理をステップＳ２０３により行う。
【００４９】
即ち、ステップＳ２０３では、キャパシタ２５にその予定された充電能力近くまで電荷が蓄えられているか否かを、キャパシタ２５の端子間電圧であるキャパシタ電圧Ｖecにより判断する処理を行う。
【００５０】
このステップＳ２０３により、キャパシタ電圧Ｖecが第２の所定電圧値Ｃ_HV0よりも高いと判断された場合（Ｓ２０３でＹｅｓ）には、キャパシタ２５にその充電能力に近づく程度に既に電荷が蓄えられているため、通常の充電電流を流すことによっては、キャパシタ２５の充放電特性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、電圧センサ２６により読み込んだキャパシタ電圧Ｖecに対応してキャパシタ２５の充放電特性に悪影響を与え難い所定の充電電流値（第２の所定電流値）を設定する。この充電電流値の設定は、次のステップＳ２０５によるマップにより決定される。
【００５１】
ステップＳ２０５では、例えば図６に示すようなマップに従って、所定の充電電流値を読み込む処理を行う。当該マップには、電圧センサ２６により検出されたキャパシタ電圧の範囲に対応して所定の充電電流値が予めマッピングされている（Ｃ_HV0＜Ｃ_HV1、Ｃ_CC4＜Ｃ_CC5）。例えば、キャパシタ電圧Ｃ_HV の範囲がＣ_HV0（例えば３６９Ｖ）≦Ｃ_HV ＜Ｃ_HV1（例えば４１０Ｖ）であれば充電電流はＣ_CC4（例えば５Ａ）に設定され、またＣ_HV1（例えば４１０Ｖ）≦Ｃ_HV であれば充電電流はＣ_CC5（例えば０Ａ）に設定される。
【００５２】
なお、上記説明中、具体的な数値の例の根拠は以下の通りである。単セルの積層構造を持つキャパシタの最大許容電圧値を４１０ＶとしてこれをＣ_HV1として設定した。キャパシタの最大許容電圧は通常、単セルの最大許容電圧（その電圧によってセル中の電解質が分解を起こさない最大値）×積層枚数で決定される。また、Ｃ_HV0はキャパシタへの電流の急激な流入に伴う、電圧の一時的局所的な偏りによってキャパシタ中の特定の単セルの電圧が最大許容電圧値を超える危険性のある値としてキャパシタの最大許容電圧値（Ｃ_HV1）の９０％の値とした。さらにこのＣ_HV0の電圧下で、キャパシタ内の各セル間で電圧の一時的局所的な偏りが生じない程度の電流流入量としてＣ_CC4の値を５Ａとした。キャパシタの電圧が最大許容電圧値Ｃ_HV1以上のときはそれ以上キャパシタに充電しようとするとキャパシタ内の全てのセルで電解質が分解されはじめ、キャパシタに重大なダメージが生じる可能性があるので電流値Ｃ_CC5は０Ａとした。
【００５３】
ステップＳ２０５により所定の充電電流値が設定されると、続くステップＳ２０７によりキャパシタ電流Ｉecを電流センサ２７から読み込む処理を行い、読み込んだキャパシタ電流ＩecとステップＳ２０５により設定された充電電流とを比較し、両者が一致するようにスイッチング素子２８Ａのゲート制御をステップＳ２０９により行う。
【００５４】
一方、ステップＳ２０３により、キャパシタ電圧Ｖecが第２の所定電圧値Ｃ_HV0よりも高いと判断できない場合には（Ｓ２０３でＮｏ）、キャパシタ２５にはまだ電荷量を蓄える余裕のある可能性が高いので、ステップＳ２１１に処理を移行してスイッチング素子２８Ａを継続導通状態に制御する。つまり、キャパシタ２５に対する電流制御をすることなく、燃料電池２１や回生制動時のモータ駆動回路２９Ａから供給可能な電気エネルギをキャパシタ２５に与える。
【００５５】
ステップＳ２０９またはステップＳ２１１による処理が終わると、一連のキャパシタ管理制御処理を終了する。
【００５６】
このように本実施形態に係る燃料電池システム２０によると、スイッチング素子２８ＡおよびＨＢＣコントローラ３３により、キャパシタ２５のキャパシタ電圧Ｖecが第２の所定電圧値Ｃ_HV0よりも高いときには（Ｓ２０３でＹｅｓ）、燃料電池２１からキャパシタ２５に流れ込む充電電流および／またはモータ駆動回路２９Ａからキャパシタ２５に流れ込む回生電流を、第２の所定電流値Ｃ_CC3以下に抑制する。これにより、キャパシタ２５のキャパシタ電圧Ｖecに基づいてキャパシタ２５の充放電特性に悪影響を及ぼし得る条件が揃った場合には（Ｓ２０３でＹｅｓ）、燃料電池２１および／またはモータ駆動回路２９Ａからキャパシタ２５に流れ込む充電電流および／または回生電流を抑制し、それ以外の場合には（Ｓ２０３でＮｏ）、抑制しない、というキャパシタ２５の蓄電状態に応じた電流制御をすることができる。したがって、キャパシタ２５の充放電特性にさらに悪影響を与え難い効果がある。
【００５７】
なお、本実施形態で説明した回路構成に対して例えば以下に示すような変更を施した回路とすることも好適である。
(1) 燃料電池２１の出力側に電流の逆流防止用のダイオードを付加する。この場合、ダイオードの方向は燃料電池２１からの出力される電流を通す向き（燃料電池２１側にアノード、キャパシタ２５、モータ駆動回路２９Ａ側にカソード）に配置する。この配置箇所は図２の回路においてスイッチング素子２３Ａのいずれかの端子に直接に、もしくはコンタクタCN-aと燃料電池２１との間に配置することが望ましい。このダイオードの配置によって、キャパシタ２５もしくはモータ駆動回路２９Ａから燃料電池２１への電流の流入を防ぐことが可能となる。
(2) キャパシタ２５からの放出電流を制御する電流調整部を設置する。配置箇所は、例えば図２の回路において、スイッチング素子２８Ａのいずれかの端子に直列に接続する。より具体的にはスイッチング素子２８Ａと同等の半導体素子を、スイッチング素子２８Ａとは逆方向の電流を制御する向きでスイッチング素子２８Ａのいずれかの端子に直列に配置する。
(3) なお、図２中のスイッチング素子２３Ａを配置しないことも好適である。このようにすることで回路構成を単純化でき、燃料電池システム２０全体のコストを低減する効果がある。
【００５８】
［参考例］
次に、本発明に関連する技術（参考例）として、燃料電池システム４０を図７〜図９に基づいて説明する。図７には、本参考例に係る燃料電池システム４０の電気的構成を示す回路図が示されており、前述した実施形態に係る燃料電池システム２０と実質的に同一の構成部分には、同一の符号が付してある。なお、図７中に示す破線は、各機能ブロック間で授受される情報信号の流れを示している。
【００５９】
本参考例に係る燃料電池システム４０は、電気自動車の制動時におけるモータ駆動回路２９Ａによる回生電力をキャパシタ２５に供給する場合の制御、つまり回生制動制御に特徴を有するものである。
したがって、図２と図７とを比較するとわかるように、本参考例に係る燃料電池システム４０は、放電抵抗４１とスイッチング素子４２とを直列に接続した回路要素をモータ駆動回路２９Ａと並列に接続し、さらに交流モータＭに設けられたブレーキ機構５３をブレーキコントローラ５１により制御するところが、前述の実施形態に係る燃料電池システム２０と相違する。よって、以下、これらの相異点に中心に燃料電池システム４０の構成および作動を説明する。
【００６０】
図７に示すように、燃料電池システム４０は、モータ駆動回路２９Ａに対して並列に、放電抵抗４１とスイッチング素子４２とを直列に接続した回路要素を接続しており、またモータ駆動回路２９Ａに並列に接続された電圧センサ４３によりモータ駆動回路２９Ａの入出力電圧（インバータ電圧）Ｖivを検出し得るように構成されている。またブレーキ機構５３をモータ駆動回路２９Ａに設けるとともに、システムコントローラ３１に接続されたブレーキコントローラ５１によって、ブレーキ機構５３を制御し得るように構成されている。なお、ブレーキコントローラ５１には、外部からブレーキ踏込み量情報が入力され得るように構成されている。
【００６１】
次に、このように構成した燃料電池システム４０における回生制動制御処理を図８および図９に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、この回生制動制御処理はシステムコントローラ３１により行われるものである。
なお、この回生制動制御処理は、踏込み量センサによりブレーキペダルの踏込みを検出すると、システムコントローラ３１に対して割り込み信号が発生し、これにより割り込み処理として起動される処理である。そのため、ブレーキペダルが踏込まれている間は、本回生制動制御処理が繰り返し実行され、踏込み量の変化に応じて、以下説明する要求制動力Ｂrqが更新される。また車速の減速とともに変化する交流モータＭの回転数に応じて回生制動力Ｂreも随時更新される。
【００６２】
図８に示すように、システムコントローラ３１による回生制動制御処理は、まずステップＳ３０１により、外部から入力されるブレーキ踏込み量情報に基づいて、ブレーキペダルの踏込みがあるか否かの判断を行う。なお、このブレーキ踏込み量情報は、ブレーキペダルに取り付けられた図示しない踏込み量センサにより検出されるものである。
【００６３】
ステップＳ３０１により、ブレーキペダルの踏込みがあると判断されると（Ｓ３０１でＹｅｓ）、続くステップＳ３０３により、入力されたブレーキ踏込み量情報から踏込み量を検出する処理を行う。一方、ステップＳ３０１により、ブレーキペダルの踏込みがあると判断されなければ（Ｓ３０１でＮｏ）、ブレーキによる制動発生しないので、本回生制動制御処理を終了する（ＲＥＴＵＲＮ）。
【００６４】
ステップＳ３０３により踏込み量を検出すると、次にステップＳ３０５によりブレーキペダルの踏込み量から実現すべき制動力、つまり要求制動力Ｂrqを算出する処理を行う。この要求制動力Ｂrqは、ブレーキペダルの踏込み量に比例した値でも良いし、またブレーキペダルの踏込み量を入力、要求制動力Ｂrqを出力とした所定の関数あるいはマップによって求めるものでも良い。例えば、踏込み量（入力）が大きい場合に比例関係によりそれに応じた要求制動力Ｂrqを出力するものである。またブレーキペダルの踏込み速度にも基づくものであっても良い。
【００６５】
続いてステップＳ３０７により、交流モータＭおよびモータ駆動回路２９Ａの諸特性から、現在のモータ回転数で生成さえる回生電力で達成できる制動力、つまり回生制動力Ｂreを算出する処理を行う。
ここで「回生電力」とは、電動モータがその出力軸を外力により強制的に回転させられる場合に、当該電動モータから発生する逆起電力のことをいう。またこの逆起電力により生じるトルクおよび当該電動モータの粘性抵抗の和によるものが回生制動力となる。またこれらは、電動モータやその駆動回路（インバータ回路等）の諸特性から算出することができる。
【００６６】
ステップＳ３０９では、機械式ブレーキで達成すべき制動力、つまり機械制動力Ｂmeを算出する処理を行う。なお、機械制動力Ｂmeは、要求制動力Ｂrqから回生制動力Ｂreを除いたもの（Ｂme＝Ｂrq−Ｂre）に相当する。
【００６７】
そして、ステップＳ３０９により算出した機械制動力Ｂmeを、ブレーキコントローラ５１への出力指令値として、ステップＳ３１１によりシステムコントローラ３１からブレーキコントローラ５１に出力し、一連の回生制動制御処理を終了する。これにより、ブレーキコントローラ５１から出力指令値Ｂmeを受けたブレーキ機構５３は、当該指令値に基づいて機械制動を実行する。
【００６８】
一方、これとほぼ同時に、図９に示す回生制動時のキャパシタ管理制御処理がＨＢＣコントローラ３３により実行されているので、このキャパシタ管理制御処理を図９に基づいて説明する。
この回生制動時のキャパシタ管理制御処理は、上述した回生制動制御処理と並行してＨＢＣコントローラ３３により常時実行されているもので、図９に示すように、まずステップＳ４０１によりサブルーチンとしてキャパシタ管理制御処理をコールする。即ち、前述の実施形態の図５において説明した定常運転時等におけるキャパシタ管理制御処理を実行する。
【００６９】
そして、ステップＳ４０３により、回生中は、電圧センサ４３により検出したモータ駆動回路２９Ａのインバータ電圧Ｖivが許容値以上であるか否かを監視している。そして、インバータ電圧Ｖivが許容値以上である場合には（Ｓ４０３でＹｅｓ）、ステップＳ４０５に処理を移行して放電抵抗４１を回生電力の余剰分を消費させるために、スイッチング素子４２を導通状態にさせる制御、即ち、スイッチング素子４２のゲートあるいはベースにトリガ信号を与える処理を行う。
【００７０】
一方、ステップＳ４０３により、インバータ電圧Ｖivが許容値以上であると判断されない場合には（Ｓ４０３でＮｏ）、一連のキャパシタ管理制御処理を終了して、再度、起動されるまで待機する。
【００７１】
このように本参考例に係る燃料電池システム４０によると、電圧センサ４３により検出したモータ駆動回路２９Ａのインバータ電圧Ｖivが許容値以上であるか否かを監視し、インバータ電圧Ｖivが許容値以上である場合には（Ｓ４０３でＹｅｓ）、ステップＳ４０５に処理を移行して放電抵抗４１を回生電力の余剰分を消費させる。これにより、キャパシタ２５では充電しきれない回生電力の余剰分を放電抵抗４１により消費させるので、キャパシタ２５の予定された充電能力以上に電気エネルギをキャパシタ２５に与えることを防止することができる。したがって、本参考例においてもキャパシタ２５の充放電特性にさらに悪影響を与え難い効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの主な機能構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本実施形態による燃料電池システムの電気的構成を示す回路図である。
【図３】本実施形態の燃料電池システムを搭載した電気自動車の始動時等におけるキャパシタ管理制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図３に示すキャパシタ管理制御処理に用いられる「キャパシタ電圧−充電電流マップ」の例を示す説明図である。
【図５】本実施形態の燃料電池システムを搭載した電気自動車の定常運転時等におけるキャパシタ管理制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】図５に示すキャパシタ管理制御処理に用いられる「キャパシタ電圧−充電電流マップ」の例を示す説明図である。
【図７】本発明の参考例に係る燃料電池システムの電気的構成を示す回路図である。
【図８】本参考例の燃料電池システムによる回生制動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図９】本参考例の燃料電池システムによるキャパシタ管理制御処理の流れを示すフローチャートである。

Claims

モータ駆動回路に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池およびコンデンサを備える燃料電池システムであって、
コンデンサの端子間電圧を検出し、該コンデンサの端子間電圧が第１の所定電圧値よりも低いとき、燃料電池から前記コンデンサに向かって該燃料電池の供給能力を超えた大電流が急激に流れるという現象が生じ得ると判断し、前記燃料電池から前記コンデンサに流れ込む充電電流値を、前記燃料電池の電極を劣化させない範囲で前記コンデンサの端子間電圧に基づいて変動する電流値として設定される第１の所定電流値に、抑制する電流制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記電流制御手段は、半導体素子からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。