JP4240234B1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】モータの制御誤差拡大を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の発電電力によって駆動されるモータ６１と、燃料電池４０の発電状態を制御する制御部１０とを備え、制御部１０が、燃料電池４０の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、モータ６１の制御切換が生じる車速領域では前記高電位化回避制御を禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の発電電圧にてモータを駆動する燃料電池システムに関する。
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化促進を抑制するために、所定の条件下において燃料電池の電圧が所定の閾値以上になることを抑制する制御（以下、「高電位回避制御」という。）を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１０９５６９号公報
ところで、燃料電池システムにおいて、これを車両の車載用発電システムとして用いる場合には、トラクションモータ（走行モータ）の制御方式（例えば、ＰＷＭ電流制御、矩形波電圧制御、過変調電流制御）を車速（あるいは、モータ回転数）、および、当該トラクションモータを制御するインバータ電圧に応じて切り換えることになる。
このような燃料電池システムに、上記した高電位回避制御を適用した場合には、この高電位回避制御のオン・オフの切り換えによって燃料電池の出力電圧が変動し、それに伴いトラクションモータを制御するインバータ電圧も変動してしまう。そして、インバータ電圧の変動に伴いトラクションモータの制御方式が切り換わると、トラクションモータの制御誤差が大きくなってしまう。
かかる場合において、高電位回避制御中における燃料電池の発電電力を補機にて消費し切れないときの余剰電力を二次電池に充電する構成を採用したときは、二次電池の過充電を招く可能性がある。特に、二次電池への電力回生中は過充電を招き易い。さらには、上記制御誤差は、二次電池の過放電を招く可能性もある。
そこで、本発明は、モータの制御誤差拡大を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を充電する蓄電部と、前記燃料電池の発電電力と前記蓄電部に充電されている電力との少なくとも一方によって駆動されるモータと、所定の条件下で切り換わる複数の制御方式にて前記モータを制御するインバータと、前記蓄電部から入力された電圧を昇圧して前記インバータを介して前記モータに出力可能、かつ、前記燃料電池から入力された電圧を降圧して前記蓄電部に出力可能なコンバータと、コンバータ指令電圧およびインバータ指令電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記コンバータ指令電圧を前記燃料電池の開放電圧よりも低い高電位回避電圧に維持することにより前記燃料電池の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行う一方で、前記モータの制御方式が切り換わる条件下では前記高電位化回避制御を禁止する。
かかる構成によれば、モータの制御方式に切換が生じる条件下でも、高電位化回避制御の実施が強制的に禁止される結果、高電位回避制御のオン・オフ動作に伴う燃料電池の出力電圧の変動が抑制されるようになる。よって、その影響でモータの制御方式が切り換わってしまうことがなくなり、モータの制御誤差拡大を抑制することができる。
前記モータの制御方式は、例えば、前記モータの回転数やトルク、さらには前記インバータ指令電圧に応じて切り換わるように構成されていてもよい。
かかる場合には、前記制御部は、モータの回転数が所定の回転数以上（ただし、この所定の回転数はインバータ指令電圧に応じて変動する。）で前記高電位化回避制御を禁止してもよい。また、当該燃料電池システムが車載された場合には、前記制御部は、所定の車速以上であるときに前記高電位化回避制御を禁止してもよい。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電電圧にて駆動されるモータの制御誤差拡大を抑制できる。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ（蓄電部）２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）３０などから構成される。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２及び電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されており、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力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６１へと供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
そして、制御装置１０は、インバータ６０の制御方式を図２乃至図４に示すように、インバータ指令電圧とトラクションモータ６１の回転数およびトルクとに応じて、トラクションモータ６１の回転数が高くなるに従い、ＰＷＭ制御から過変調制御へと、また、過変調制御から矩形制御へと切り換える。
より具体的には、インバータ指令電圧が同じであれば、トラクションモータ６１の回転数が所定以上、言い換えれば、車速が所定以上になると、制御方式は、低車速側の第１領域Ｚ１であるＰＷＭ制御から、これよりも高車速側の第２領域Ｚ２である過変調制御、及びこれよりもさらに高車速側の第３領域Ｚ３である矩形制御へと、この順に切り換わる。
また、トラクションモータ６１の回転数及びトルクが同じであっても（図２，３における動作点（Ｎ１，Ｔ１）参照）、インバータ指令電圧が所定以上になると、制御方式はＰＷＭ制御から過変調制御及び矩形制御へと、この順に切り換わる。
そして、図４（ａ）に示すようなインバータ指令電圧の上昇に伴い、制御方式が図４（ｂ）のように切り換わると、制御方式が切り換わる度に制御誤差が拡大してしまうので、バッテリーパワーが図４（ｃ）に示すように過度に上昇・下降することになり、過充放電を招いてしまう。かかる不具合を回避する具体的方法については、後に詳述する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
本実施形態では、バッテリ２０の充電量が制限されている場合であっても、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を上昇させ、該ＤＣ／ＤＣコンバータでのエネルギー損失を増大させることで、確実に燃料電池４０の電圧が当該燃料電池４０の開放電圧よりも所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを回避する。
次に、制御装置１０によって間欠的に実行される高電位化回避制御処理について説明する。
制御装置１０は、燃料電池４０に対する要求電力を算出する。要求電力としては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。そして、制御装置１０は、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定値しても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。
そして、制御装置１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する。具体的には、制御装置１０は、出力電圧と高電位化回避目標閾値電圧（以下、閾値電圧Ｖｔｈ）とを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。
この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。
制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、当該処理を終了する。
一方、制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。そして、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力をバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。
制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できると判断した場合には、余剰電力をバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。一方、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させることで余剰電力Ｐを吸収した後、処理を終了する。
ところで、トラクションモータ６１のバッテリ２０への電力回生中に、高電位化回避制御がオンからオフあるいはオフからオンに切り換わると、燃料電池４０の出力電圧が変動し、その影響でトラクションモータ６１の制御方式が切り換わってしまうことがある。かかる場合には、トラクションモータ６１の制御誤差ひいては力行回生電力誤差が大きくなり、バッテリ２０が過充放電になってしまう可能性がある。
このため、制御装置１０は、トラクションモータ６１の制御切換が生じる条件、例えば所定の車速領域では高電位化回避制御を禁止する。具体的には、図２において、第１領域Ｚ１に車速があって、第２領域Ｚ２に近い所定車速Ｖに対応する回転数Ｎ１以上の高車速領域については予め高電位化回避制御を禁止するものとする。他方、所定車速Ｖ未満の低中車速領域については、高電位化回避制御を許可する。トラクションモータ６１の電力回生中に、このような高電位化回避制御の許可判断を行うことで、バッテリ２０の過充電を抑制することができる。
以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、トラクションモータ６１の制御切換が生じる所定車速Ｖ以上の車速領域について高電位化回避制御を禁止するため、トラクションモータ６１の制御切換が生じる車速領域においては、高電位化回避制御を禁止することで燃料電池４０の出力電圧の変動を抑制でき、その影響でトラクションモータ６１の制御方式が切り換わってしまうことがなくなる。
これにより、トラクションモータ６１の制御誤差拡大を抑制し得て、バッテリ２０の過充電、特に電力回生時におけるバッテリ２０の過充電を防止することができる。なお、高電位化回避制御を禁止する所定車速Ｖは、インバータ指令電圧に応じて変動させてもよい。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示したシステム構成図である。 同燃料電池システムのトラクションモータの制御切換用の制御マップ図である。 同燃料電池システムのトラクションモータの制御切換用の制御マップ図である。 同燃料電池システムのインバータ指令電圧と、モータ制御方式と、バッテリーパワーとの関係を示すタイムチャートである。
符号の説明
１０…制御装置（制御部）、２０…バッテリ（蓄電部）、３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）、４０…燃料電池、６０…インバータ、６１…トラクションモータ（モータ）、１００…燃料電池システム。

Claims (5)

  1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の発電電力を充電する蓄電部と、
    前記燃料電池の発電電力と前記蓄電部に充電されている電力との少なくとも一方によって駆動されるモータと、
    所定の条件下で切り換わる複数の制御方式にて前記モータを制御するインバータと、
    前記蓄電部から入力された電圧を昇圧して前記インバータを介して前記モータに出力可能、かつ、前記燃料電池から入力された電圧を降圧して前記蓄電部に出力可能なコンバータと、
    コンバータ指令電圧およびインバータ指令電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記コンバータ指令電圧を前記燃料電池の開放電圧よりも低い高電位回避電圧に維持することにより前記燃料電池の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行う一方で、前記モータの制御方式が切り換わる条件下では前記高電位化回避制御を禁止する燃料電池システム。
  2. 前記モータの制御方式は、前記モータの回転数およびトルクに応じて切り換わる請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記モータの制御方式は、さらに前記インバータ指令電圧に応じて切り換わる請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記モータの回転数が所定回転数以上であるときは前記高電位化回避制御を禁止する請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 請求項１から４のいずれかに記載の車載燃料電池システムであって、
    前記制御部は、所定の車速以上であるときに前記高電位化回避制御を禁止する燃料電池システム。
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