JP4839586B2

JP4839586B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4839586B2
Application number: JP2004223912A
Authority: JP
Inventors: 竜昭横山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: JP2006048943A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池と２次電池（バッテリー）を有するシステムにおいて、特開平９−２３１９９１号公報には、燃料電池の暖機が終了するまでは２次電池からモータに電力を供給し、暖機終了後は燃料電池と２次電池の双方からモータに電力を供給する技術が開示されている。

特開平９−２３１９９１号公報

特開平９−２３１９９１号公報に開示された技術では、燃料電池の暖機終了後は、燃料電池と２次電池の双方から電力を供給している。しかしながら、２次電池は充放電に起因してその温度が上昇する性質を有しており、温度上昇によって寿命が低下するという問題が発生する。同公報に開示された技術では、２次電池の温度に関しては何ら考慮されていないため、２次電池の温度の上昇を抑えるために２次電池を冷却する手段を設けた場合は、冷却媒体を循環させるためのポンプ、冷却風を送るファン等を駆動するための電力が必要となり、消費電力が増大する虞がある。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池と２次電池とを備えたシステムにおいて、２次電池を冷却する手段の消費電力を増加させることなく、２次電池の温度上昇を抑制することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と２次電池の少なくとも一方の電力によって駆動負荷を駆動する燃料電池システムであって、前記２次電池を冷却する冷却手段と、前記２次電池のバッテリー温度を検出する温度検出手段と、前記２次電池のバッテリー温度が所定の第１判定値以上の場合に前記冷却手段により前記２次電池の冷却を行うように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と、前記２次電池のバッテリー温度が前記第１判定値より低い所定の第２判定値以上の場合に、前記２次電池の充放電量を制限する充放電量制御手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記２次電池の雰囲気温度を検出する手段を備え、前記充放電量制御手段は、前記２次電池の雰囲気温度が所定の判定値以上の場合に、前記２次電池の充放電量が０となるように制御を行うことを特徴とする。
前記２次電池の雰囲気温度を検出する手段としては、２次電池の温度を直接検出する２次電池温度検出手段、２次電池の温度に影響を与える外気温を検出する外気温検出手段、又は２次電池の充放電状態の履歴等に基づいて２次電池の温度を推定する２次電池温度推定手段であっても良い。

第１の発明によれば、２次電池のバッテリー温度が所定の判定値以上の場合は、２次電池の充放電量を制限するようにしたため、２次電池の内部抵抗による発熱を抑えることができる。これにより、２次電池の温度上昇を抑えることができ、２次電池の長寿命化を達成することができる。また、２次電池を冷却する冷却手段の駆動量を低減できるため、冷却手段の消費電力を最小限に抑えることが可能となる。さらに、充放電制御にかかる第２判定値を冷却制御にかかる第１判定値よりも低い値に設定しておくことで、冷却手段を駆動する以前に２次電池からの電力供給を制限させる制御が可能となり、オーバーシュートを確実に防止することができる。

第２の発明によれば、２次電池の雰囲気温度が所定の判定値以上の場合は、２次電池の充放電量が０となるように制御を行うことで、２次電池の温度上昇を確実に抑えることができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１０を示す模式図である。本実施形態の燃料電池システム１０は燃料電池自動車に搭載されるものであって、燃料電池１２とバッテリー１４を備えている。燃料電池システム１０は、燃料電池１２とバッテリー１４の一方又は双方から電力を供給することで燃料電池自動車を駆動する。

燃料電池１２は、例えば固体高分子電解質膜を備えた燃料電池（ＰＥＭＦＣ）から成り、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成される。

燃料電池１２は駆動負荷１６と接続されている。駆動負荷１６は燃料電池自動車を駆動するためのモータを含み、また、燃料電池１２にガスを供給するためのコンプレッサー、ランプなどの補機類を含むものである。

また、燃料電池システム１０はＤＣ／ＤＣコンバータ１８を備えており、バッテリー１４はＤＣ／ＤＣコンバータ１８を介して燃料電池１２および駆動負荷１４と接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、バッテリー１４からの放電、バッテリー１４への充電を制御する機能を有している。

バッテリー１４の近傍には、バッテリー１４を冷却するための冷却装置２０と、バッテリー１４の温度を検出するバッテリー温度センサ２２が設けられている。冷却装置２０は、外気を取り込んでバッテリー１４へ送風するファン、外気を取り込んで設定温度以下に冷却してバッテリー１４へ送るエアーコンディショナー等から構成されている。バッテリー温度センサ２２はバッテリー１４の温度を直接検出するものであるが、バッテリー温度センサ２２の代わりに、バッテリー１４の温度に影響を与える外気温を検出する外気温センサ、又はバッテリー１４の充放電状態の履歴等に基づいてバッテリー１４の温度を推定するバッテリー温度推定手段を設け、外気温センサ、バッテリー温度推定手段によってバッテリー１４の温度を間接的に求めても良い。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は制御装置２４を備えている。制御装置２４には、燃料電池１２、駆動負荷１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、冷却装置２０、バッテリー温度センサ２２の他、大気温度（外気温度）を検出する大気温度センサ２６などが接続されている。

燃料電池システム１０において、駆動負荷１６が必要とする電力（必要電力）が比較的大きい場合に、燃料電池１２のみから駆動負荷１６へ電力を供給すると、燃料電池１２へガスを供給するためのコンプレッサーの駆動量が増大するなどの要因からシステム全体としての効率が低下する場合がある。

このため、本実施形態の燃料電池システム１０では、駆動負荷１６の必要電力が所定値以下の場合は燃料電池１２のみから駆動負荷１６へ電力を供給し、駆動負荷１６の必要電力が所定値を超えた場合は燃料電池１２とバッテリー１４の双方から駆動負荷１６へ電力を供給するようにしている。これにより、駆動負荷１６の必要電力が大きい場合に燃料電池１２の発電量を抑えることができ、システムの効率が低下してしまうことを抑止できる。

ところで、燃料電池１２とバッテリー１４を併用して電力を供給する場合に、バッテリー１４から供給する電力量が多くなると、バッテリー１６を流れる電流が増大し、バッテリー１６の内部抵抗によって発熱が生じる場合がある。そして、バッテリー１６の温度上昇によってバッテリー１８の寿命が低下してしまう場合がある。

このため、本実施形態の燃料電池システム１０では、バッテリー温度センサ２２から検出したバッテリー１４の温度が所定値を超えている場合は、冷却装置２０を作動させてバッテリー１６を冷却するようにしている。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、バッテリー１４の温度上昇を抑えるため、所定の場合に、バッテリー１４による駆動負荷１６への電力供給を制限し、又はバッテリー１４による駆動負荷１６への電力供給を停止する制御を行う。具体的には、バッテリー温度センサ２２から検出したバッテリー１４の温度が所定値を超えている場合は、バッテリー１４から駆動負荷１６への電力供給を制限し、又は電力供給を停止する。また、大気温度センサ２６から検出した大気温度が所定値を超えている場合は、バッテリー１４の温度が上昇し易い環境下であると判断できるため、やはりバッテリー１６から駆動負荷１４への電力供給を制限又は停止する。

このように、バッテリー１４の温度又は大気温度に応じてバッテリー１４からの電力供給を制限又は停止することで、バッテリー１４の内部抵抗による発熱を抑えることができ、バッテリー１４の温度上昇を最小限に抑えることができる。これにより、冷却装置２０の駆動量、駆動時間を低減することができ、冷却装置２０の電力消費を低減することが可能となる。そして、バッテリー１４の温度上昇を抑えることで、バッテリー１４の寿命が低下してしまうことを確実に抑止できる。

なお、冷却装置２０が送風用のファンとエアーコンディショナーの双方を備えている場合、大気温度が比較的低くエアーコンディショナーを使用する必要がない場合（冬場など）は、冷却用のファンのみで冷却を行うことが好適である。これにより、消費電力を抑えることができる。そして、大気温度が比較的高い場合にエアーコンディショナーによる冷却を行うことが好適である。

次に、図２のフローチャートに基づいて、本実施形態の燃料電池システム１０における処理の手順を説明する。先ず。ステップＳ１では、駆動負荷１６の必要電力を算出する。駆動負荷の必要電力は、燃料電池自動車のアクセル開度、補機類の使用状況などから算出される。

次のステップＳ２では、大気温度センサ２６から検出した大気温度が第１の判定値以下であるか否かを判定する。大気温度が第１の判定値以下の場合は、バッテリー１４の温度が比較的上昇し難い状況であると判断できる。従って、この場合はバッテリー１４から電力供給を行う通常の制御が可能であるため、ステップＳ３へ進む。一方、大気温度が第１の判定値を越えている場合は、バッテリー１４の温度が上昇し易い状況にあり、冷却装置２０を作動させたとしても冷却装置２０の消費電力が大きくなることが想定される。従って、この場合はステップＳ６へ進み、バッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を０に設定する。

ステップＳ３では、バッテリー１４の温度が第２の判定値以下であるか否かを判定する。バッテリー１４の温度が第２の判定値以下の場合はステップＳ４へ進む。この場合、バッテリー１６から電力を供給する通常の制御が可能であるため、ステップＳ４ヘ進み。一方、バッテリー１４の温度が第２の判定値を超えている場合は、バッテリー１４からの電力供給を継続すると、温度が更に上昇してバッテリー１４の寿命が低下することが想定されるため、ステップＳ５以降でバッテリーの温度を低下させる処理を行う。

すなわち、ステップＳ５では、冷却装置２０を作動してバッテリー１４を冷却する。ステップＳ５の後はステップＳ６へ進み、バッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を０に設定する。これにより、バッテリー１８の温度上昇を確実に抑えることができる。また、バッテリー１４からの電力供給を停止することで、冷却装置２０の駆動量を最小限に抑えることができ、冷却装置２０の消費電力を最小限に抑えることができる。

ステップＳ３からステップＳ４へ進んだ場合は、大気温度が第１の判定値以下であり、且つバッテリー１４の温度も第２の判定値以下であるため、バッテリー１４から電力を供給する通常の制御を行うことができる。従って、ステップＳ４では、バッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を算出する。

図３は、ステップＳ４でバッテリー１４からの供給電力を求める際に用いるマップを示している。図３において、横軸は駆動負荷１６の必要電力を、縦軸は駆動負荷１６の必要電力のうちバッテリー１４から供給する電力量を示している。ステップＳ４でバッテリー１４の供給電力を求める際には、ステップＳ１で算出した必要電力を図３のマップの横軸に当てはめて、マップ特性３０から供給電力を算出する。

ここで、必要電力が図３中のＰ１以下の場合はバッテリー供給電力＝０となり、燃料電池１２のみから電力を供給する制御が行われる。また、Ｐ１＜必要電力＜Ｐ２の場合は、マップ特性３０に基づいてバッテリー供給電力が決定される。そして、Ｐ２≦必要電力の場合はバッテリー電力が一定値Ｐ３に設定され、必要電力が更に増加した場合は燃料電池１２からの供給電力が増加される。

このように、Ｐ１＜必要電力の場合は、必要電力の増加に応じてバッテリー１４からの供給電力を増加させるようにしているため、燃料電池１２の負担を低減することができ、システム効率の低下を抑えることができる。なお、図３のマップにおけるＰ３の値は、バッテリー１４の充電量又は温度等に応じて可変させることが好適である。

次のステップＳ７では、燃料電池１２から駆動負荷１４へ供給する電力量（燃料電池１２の発電量）を算出する。ここで、燃料電池１２の発電量は、駆動負荷１６の必要電力からステップＳ４で求めたバッテリー１４の供給電力を減算した値となる。

次のステップＳ８では、ステップＳ７で求めた燃料電池１２の発電量に基づいて燃料電池１２の運転を制御する。具体的には、ステップＳ７で求めた発電量に基づいて、燃料電池１２への燃料ガス、酸化ガス（空気）の供給量を制御する。

次のステップＳ９では、ステップＳ４で求めたバッテリー１４の電力が駆動負荷１６へ供給されるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御する。ステップＳ９の後は処理を終了する(RETURN)。

なお、図２の処理では、ステップＳ３で規定される１つの判定値（第２の判定値）に基づいて、ステップＳ５とステップＳ６の処理の双方を行うようにしているが、ステップＳ６の処理を行うための判定値とステップＳ５の処理を行うための判定値を個別に設定しても良い。この場合、ステップＳ６の処理を行うための判定値をステップＳ５の処理を行うための判定値よりも低い値に設定しておくことで、冷却装置２０を駆動する以前にバッテリー１４からの電力供給を停止させる制御が可能となり、オーバーシュートを確実に防止することができる。

また、ステップＳ６でバッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を０に設定した場合であっても、過渡運転時等には一時的にバッテリー１４から電力を供給する必要が生じる場合がある。この場合は、ステップＳ９でＤＣ／ＤＣコンバータ１８を適宜制御することで、バッテリー１４から駆動負荷１６へ電力を供給するようにする。これにより、過渡運転時における燃料電池１２からの供給電力不足をバッテリー１４によって補うことができ、加速のもたつき等の発生を抑止できる。

また、ステップＳ６では、バッテリー１４から駆動負荷１６への供給電力を０に設定しているが、供給電力を制限する処理を行っても良い。

以上説明したように実施の形態１によれば、大気温度又はバッテリー１４の温度が所定の判定値を超えた場合は、バッテリー１４から駆動負荷１６への電力の供給を停止するようにしたため、バッテリー１４の温度上昇を確実に抑えることができる。これにより、温度上昇に起因してバッテリー１４の寿命が低下してしまうことを抑止することができる。また、バッテリー１４から駆動負荷１６への電力の供給を停止することで、バッテリー１４を冷却する冷却装置２０の駆動量、駆動時間を最小限に抑えることができ、冷却装置２０の消費電力を最小限に抑えることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２に係る燃料電池システム１０の構成は、図１に示した実施の形態１の構成と同様である。実施の形態２は、バッテリー１４の温度Ｔに応じてバッテリー１４の作動量を可変するものであり、外気温が高い場合であってもバッテリー１４の充放電量が０とならない態様を示している。

図４は、実施の形態２の燃料電池システム１０における処理の手順を示すフローチャートである。先ず。ステップＳ１１では、駆動負荷１６の必要電力を算出する。駆動負荷の必要電力は、燃料電池自動車のアクセル開度、補機類の使用状況などから算出される。

次のステップＳ１２では、バッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を算出する。ここでは、図３のマップに基づいて、バッテリー１４から駆動負荷１６へ供給する電力を算出する。

次のステップＳ１３では、バッテリー１４の温度Ｔが低温側判定値（Ｔα）以下であるか否かを判定する。バッテリー１４の温度Ｔが低温側判定値（Ｔα）以下の場合は、ステップＳ１４へ進み、係数Ｋ＝１に設定する。一方、バッテリー１４の温度Ｔが低温側判定値（Ｔα）を越えている場合は、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、バッテリー１４の温度Ｔが高温側判定値（Ｔβ）以上であるか否かを判定する。バッテリー１４の温度Ｔが高温側判定値（Ｔβ）以上の場合は、ステップＳ１６へ進み、係数Ｋ＝０に設定する。一方、バッテリー１４の温度Ｔが高温側判定値（Ｔβ）未満の場合は、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では下式から係数Ｋを算出する。
Ｋ＝（Ｔβ−Ｔ）／（Ｔβ−Ｔα）

ステップＳ１４，Ｓ１６，Ｓ１７の後はステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８では、燃料電池１２から駆動負荷１４へ供給する電力量（燃料電池１２の発電量）を算出する。ここで、燃料電池１２の発電量は、下式から算出される。
（燃料電池発電量）＝（必要電力）−（バッテリー供給電力）*Ｋ

次のステップＳ１９では、ステップＳ１８で求めた燃料電池１２の発電量に基づいて燃料電池１２の運転を制御する。具体的には、ステップＳ１８で求めた発電量に基づいて、燃料電池１２への燃料ガス、酸化ガス（空気）の供給量を制御する。

次のステップＳ２０では、ステップＳ１２で求めたバッテリー１４の電力に係数Ｋを乗算して得られる電力がバッテリー１４から駆動負荷１６へ供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８を制御する。ステップＳ２０の後は処理を終了する(RETURN)。

図４の処理によれば、バッテリー１４の温度Ｔに応じて係数Ｋの値が決定される。図５は、図４の処理によって決定される係数Ｋの値と、バッテリー１４の温度Ｔとの関係を示す特性図である。そして、ステップＳ１２で求めた電力に係数Ｋを乗算した値がバッテリー１４からの供給電力とされる。このように、図４の処理では、バッテリー１４の温度Ｔが低温の場合（Ｔ≦Ｔα）にはＫ＝１として通常にバッテリー１４を作動させ、高温の場合（Ｔ≧Ｔβ）にはＫ＝０としてバッテリー１４の作動を停止し、中温の場合（Ｔα＜Ｔ＜Ｔβ）には温度Ｔに応じてバッテリー１４の作動量を可変する。従って、バッテリー１４の温度Ｔが高いほどバッテリー１４の作動量を低下させることができる。これにより、温度上昇によってバッテリーの寿命が低下してしまうことを抑止できる。

以上説明したように実施の形態２によれば、バッテリー１４の温度が高い場合ほどバッテリー１４の作動量を低下させるため、温度上昇に起因するバッテリー１４の寿命低下を抑止することが可能となる。また、バッテリー１４の温度が低い場合は、バッテリー１４の作動量を増加させるため、必要電力に対して燃料電池１２が負担する割合を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムを示す模式図である。本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。バッテリーからの供給電力を求める際に用いるマップを示す模式図である。本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの処理手順を示すフローチャートである。係数Ｋの値と、バッテリーの温度Ｔとの関係を示す特性図である。

符号の説明

１０燃料電池システム
１２燃料電池
１４バッテリー
１６駆動負荷
２０冷却装置
２２バッテリー温度センサ
２６大気温度センサ
２４制御装置

Claims

燃料電池と２次電池の少なくとも一方の電力によって駆動負荷を駆動する燃料電池システムであって、
前記２次電池を冷却する冷却手段と、
前記２次電池のバッテリー温度を検出する温度検出手段と、
前記２次電池のバッテリー温度が所定の第１判定値以上の場合に前記冷却手段により前記２次電池の冷却を行うように、前記冷却手段を制御する冷却制御手段と、
前記２次電池のバッテリー温度が前記第１判定値より低い所定の第２判定値以上の場合に、前記２次電池の充放電量を制限する充放電量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記２次電池の雰囲気温度を検出する手段を備え、
前記充放電量制御手段は、前記２次電池の雰囲気温度が所定の判定値以上の場合に、前記２次電池の充放電量が０となるように制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。