JP5717004B2 - 移動体の運転方法及び移動体 - Google Patents

Description

本発明は、移動体の運転方法及び移動体に関する。

いわゆる燃料電池車両には、動力源として燃料電池と二次電池を併用したハイブリット型のものがある。

この種の燃料電池車両には、燃料電池とトラクションモータとの間に配置され、燃料電池の出力電圧を昇降圧するＦＣコンバータと、二次電池とトラクションモータとの間に配置され、二次電池の出力電圧を昇降圧するＢＴコンバータを有する２コンバータシステムを採用しているものがある（特許文献１参照）。

かかる燃料電池車両では、通常運転時に燃料電池の出力電圧をＦＣコンバータにより昇圧してトラクションモータに供給する。また、ＢＴコンバータは、トラクションモータの回生動作の電圧を降圧して二次電池に充電したり、二次電池の出力電圧を昇圧してトラクションモータに供給している。

ところで、運転中にＦＣコンバータの回路内の出力ダイオードが短絡するなど、ＦＣコンバータに短絡異常が生じることがある。この場合、従来から燃料電池の発電を直ちに停止し、二次電池からトラクションモータに電力を供給するようにしていた。

特開２００７−２０９１６１号公報

しかしながら、一般的に二次電池の容量は小さいため、二次電池の電力だけでは、車両を十分な距離を走行させることができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、コンバータに短絡異常が生じた場合の燃料電池車両などの移動体の走行距離を延ばすことをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料電池と負荷との間に接続され、燃料電池の出力電圧を昇降圧する第１のコンバータと、二次電池と負荷との間に接続され、二次電池の電圧を昇降圧する第２のコンバータとを有する移動体の運転方法であって、第１のコンバータの回路が短絡故障したとき、所定の条件
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧負荷の必要電圧Ｖ２ ・・・（１）
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧二次電池の出力電圧Ｖ３＋α ・・・（２）
（αは、正の定数）
を満たす場合に、当該燃料電池から負荷への電力の供給を継続する、移動体の運転方法である。

本発明によれば、第１のコンバータの回路が短絡故障した場合であっても、燃料電池から負荷への電力の供給と制御が可能となる所定の条件（１）及び（２）を満たす場合に燃料電池から負荷への電力の供給を継続するので、移動体の走行距離を延ばすことができる。

前記移動体の運転方法において、前記所定の条件が満たされているか否かを判断し、前記所定の条件を満たす場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続し、前記所定の条件を満たさない場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を停止し、前記二次電池から負荷への電力の供給を開始するようにしてもよい。

前記所定の条件を満たし、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続する場合に、前記第２のコンバータが前記負荷への入力電圧を制御するようにしてもよい。

別の観点による本発明は、燃料電池と負荷との間に接続され、燃料電池の出力電圧を昇降圧する第１のコンバータと、二次電池と負荷との間に接続され、二次電池の電圧を昇降圧する第２のコンバータとを有する移動体であって、第１のコンバータの回路が短絡故障したとき、所定の条件
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧負荷の必要電圧Ｖ２ ・・・（１）
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧二次電池の出力電圧Ｖ３＋α ・・・（２）
（αは、正の定数）
を満たす場合に、当該燃料電池から負荷への電力の供給を継続する手段を有する移動体である。

前記移動体は、前記所定の条件が満たされているか否かを判断する手段と、前記所定の条件を満たす場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続させ、前記所定の条件を満たさない場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を停止させ、前記二次電池から負荷への電力の供給を開始する手段と、を有していてもよい。

上記移動体において、前記所定の条件を満たし、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続する場合に、前記第２のコンバータが前記負荷への入力電圧を制御するようにしてもよい。

本発明によれば、燃料電池の出力電圧を昇降圧する第１のコンバータに短絡異常が生じた場合の移動体の走行距離を延ばすことができる。

燃料電池車両の電力系の構成を示すブロック図である。 第１のコンバータの回路構成の概略を示す説明図である。 燃料電池車両の運転方法の一例を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。図１は本実施形態に係る移動体としての燃料電池車両１の電力系の機能ブロックを示す。

燃料電池車両１は、例えば、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池（ＦＣ）２０と、燃料電池２０で発電された電力の出力電圧を昇降圧するＤＣ/ＤＣコンバータである第１のコンバータ（ＦＤＣ）３０と、充放電可能な補助電源となる二次電池（ＢＡＴＴ）４０と、二次電池４０の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータである第２のコンバータ（ＢＤＣ）５０と、直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、負荷であるトラクションモータ（Ｍ）６０に電力を供給するトラクションインバータ（ＩＮＶ）７０と、燃料電池車両１の各部の動作を制御するコントロールユニット（ＥＣＵ）８０を有している。

燃料電池２０は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。

第１のコンバータ３０は、燃料電池用の直流電圧変換器であり、燃料電池２０の出力電圧を所定の直流電圧に昇降圧して、トラクションインバータ７０に供給できる。第１のコンバータ３０は、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１を検出する電圧センサ３１を備えている。第１のコンバータ３０は、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の４相を有し、通過電力に応じて駆動相数を変えて運転を行う。

図２は、第１のコンバータ３０のチョッパ型電圧変化回路の概略を示す。第１のコンバータ３０は、各相の回路として、キャリア周波数に応じて周期的にオン／オフを繰り返すスイッチング素子としてのトランジスタＴｒと、リアクトルＬと、平滑用コンデンサＣと、整流素子としての出力ダイオードＤ等を備えている。

トランジスタＴｒがオンになると、燃料電池２０から供給されるエネルギーがリアクトルＬに蓄積され、その蓄積されたエネルギーは、トランジスタＴｒがオフになると、ダイオードＤを介して平滑用コンデンサＣに転送される。この過程が繰り返されることで、平滑用コンデンサＣに蓄積されるエネルギーが増大し、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１を目標電圧Ｖ_Hに昇圧することができる。

図１に示す二次電池４０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する蓄電装置であり、例えば、二次電池（ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）が好適である。

第２のコンバータ５０は、第１のコンバータ３０とトラクションインバータ７０の間に並列的に接続されている。第２のコンバータ５０は、燃料電池２０の余剰電力又はトラクションモータ６０が回収した回生電力を降圧して二次電池４０に充電できる。また、第２のコンバータ５０は、二次電池４０の出力電圧Ｖ３を所定の直流電圧に昇圧してトラクションインバータ７０に供給できる。第２のコンバータ５０は、第１のコンバータ３０の出力側（トラクションインバータ７０の入力側）の電圧を検出する電圧センサ５１を備えている。第２のコンバータ５０は、第１のコンバータ３０が停止した場合に、トラクションインバータ７０（トラクションモータ６０）の入力電圧を制御できる。

トラクションインバータ７０は、燃料電池２０とバッテリ４０との両方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力（例えば三相交流）に変換し、トラクションモータ６０の回転トルクを制御できる。トラクションモータ６０は、例えば車輪に連結された三相交流モータであり、車両走行時には走行推進力を生成する一方、車両制動時には、モータジェネレータとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を回収できる。

コントロールユニット８０は、いわゆるマイクロコンピュータであって、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースなどを備えている。コントロールユニット８０は、燃料電池２０、第１のコンバータ３０、二次電池４０、第２のコンバータ５０、トラクションインバータ７０、及び各種センサ、例えば電圧センサ３１、５１やモータ１６に設けられた回転数センサやアクセルペダルセンサなどに電気的に接続されている。コントロールユニット８０は、これらの動作を制御することによって燃料電池車両１の運転を制御する。

次に、以上のように構成された燃料電池車両１の運転方法について説明する。図３は、かかる運転方法のフローチャートを示す。

燃料電池車両１の運転時には、コントロールユニット８０により、例えばトラクションモータ１６のアクセルペダルセンサなどの各種センサにより検出された値に基づいて、燃料電池１０の目標発電量やトラクションモータ６０の必要電圧Ｖ２等が定められる。

通常運転時には、コントロールユニット８０からの指令により、燃料電池２０が稼働し、その燃料電池２０で生じた電力の出力電圧Ｖ１が、例えば第１のコンバータ３０により、トラクションモータ６０の必要電圧Ｖ２に昇圧され、トラクションインバータ７０に付加される。トラクションインバータ７０により、交流電力に変換され、トラクションモータ６０が駆動される。二次電池４０では、例えば燃料電池２０の余剰電力や、トラクションモータ６０により回収された回生電力が第２のコンバータ５０により昇降圧されて蓄電される。

例えば第１のコンバータ３０の回路の出力ダイオードＤが短絡異常を起こした場合には、先ず、燃料電池２０の運転の継続の有無を判定する（図３のＳ１）。これは、第１のコンバータ３０が停止しても、燃料電池２０からトラクションモータ６０への電力の供給が可能となる所定の条件を満たすか否かで判定される（図３のＳ２）。より具体的には、所定条件（１）及び（２）を満たすか否かで判定される。
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧トラクションモータの必要電圧Ｖ２ ・・・（１）
燃料電池の出力電圧Ｖ１≧二次電池の出力電圧Ｖ３＋α ・・・（２）
（αは、正の定数）

ここで、条件（１）、（２）について説明する。

短絡故障により第１のコンバータ３０が停止し、燃料電池２０とトラクションインバータ７０（トラクションモータ６０）が直結状態になる場合、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１が、直接トラクションインバータ７０の入力電圧、つまりトラクションモータ６０の必要電圧Ｖ２になり得る。よって、条件（１）は、第１のコンバータ３０による昇圧の必要がない、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１がトラクションモータ６０の必要電圧Ｖ２以上であることを要求している。

また、第１のコンバータ３０が停止し、直結状態になった場合、二次電池４０の出力電圧Ｖ３が燃料電池２０の出力電圧Ｖ１より高いと、第２のコンバータ５０によってトラクションインバータ７０の入力電圧を制御できなくなる。よって、条件（２）は、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１が二次電池４０の出力電圧Ｖ３より高いことを要求している。

また、第２のコンバータ５０の動作保証電圧差として、二次電池４０の出力電圧Ｖ３に正の定数αを加える。例えば第１のコンバータ３０が稼働している時には、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１を電圧センサ３１により検出してトラクションインバータ７０の入力電圧を制御しているが、第１のコンバータ３０が停止すると、燃料電池２０の出力電圧Ｖ１を電圧センサ５１により検出してトラクションインバータ７０の入力電圧を制御する必要がある。このように、センサが変わるため、条件（２）には、センサの個体差から生じる測定誤差等を考慮してαが加えられる。αの値として、例えば３０Ｖ〜５０Ｖ程度が好ましく、より好ましくは４０Ｖ程度である。

図３に示すように所定の条件（１）、（２）を満たす場合には、燃料電池２０の運転が継続され、燃料電池２０からトラクションモータ６０への電力の供給が継続される（図３のＳ３）。このとき、第２のコンバータ５０により、トラクションインバータ７０（トラクションモータ６０）の入力電圧が制御される。こうして、燃料電池２０の発電による燃料電池車両１の走行が継続される。

所定の条件（１）、（２）を満たさない場合には、燃料電池２０の運転が停止され、燃料電池２０からトラクションモータ６０への電力の供給が停止される。また、第２のコンバータ５０を通じて二次電池４０からトラクションモータ６０に電力の供給が行われる（図３のＳ４）。これにより、二次電池４０による燃料電池車両１の走行が継続される。

本実施の形態によれば、第１のコンバータ３０の回路が短絡故障した場合であっても、燃料電池２０からトラクションモータ６０への電力の供給及び制御が可能となる所定の条件（１）及び（２）を満たす場合に燃料電池２０からトラクションモータ６０への電力の供給を継続するので、燃料電池車両１の走行距離を延ばすことができる。

所定の条件（１）、（２）を満たした場合に第２のコンバータ５０がトラクションモータ６０への入力電圧を制御するので、第１のコンバータ３０が故障した場合の燃料電池２０による燃料電池車両１の走行が適切に実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば第１のコンバータ３０の短絡故障には、ダイオードＤの短絡故障のみならず、コンデンサＣの短絡故障なども含まれる。また、本発明は、上記実施の形態で記載した燃料電池車両１の他、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体にも適用できる。また、定置型電源等にも適用できる。

本発明は、燃料電池の出力電圧を調整する第１のコンバータに短絡故障が生じた場合の移動体の走行距離を延ばす際に有用である。

１ 燃料電池車両
２０ 燃料電池
３０ 第１のコンバータ
４０ 二次電池
５０ 第２のコンバータ
６０ トラクションモータ
７０ トラクションインバータ
８０ コントロールユニット

Claims (6)

1. 燃料電池と負荷との間に接続され、燃料電池の出力電圧を昇降圧する第１のコンバータと、二次電池と負荷との間に接続され、二次電池の電圧を昇降圧する第２のコンバータとを有する移動体の運転方法であって、
   第１のコンバータの回路が短絡故障して前記燃料電池と前記負荷とが直結状態になったとき、所定の条件
   燃料電池の出力電圧Ｖ１≧負荷の必要電圧Ｖ２ ・・・（１）
   燃料電池の出力電圧Ｖ１≧二次電池の出力電圧Ｖ３＋α ・・・（２）
   （αは、正の定数）
   を満たす場合に、当該燃料電池から負荷への電力の供給を継続する、移動体の運転方法。
2. 前記所定の条件が満たされているか否かを判断し、前記所定の条件を満たす場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続し、前記所定の条件を満たさない場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を停止し、前記二次電池から負荷への電力の供給を開始する、請求項１に記載の移動体の運転方法。
3. 前記所定の条件を満たし、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続する場合に、前記第２のコンバータが前記負荷への入力電圧を制御する、請求項１又は２に記載の移動体の運転方法。
4. 燃料電池と負荷との間に接続され、燃料電池の出力電圧を昇降圧する第１のコンバータと、二次電池と負荷との間に接続され、二次電池の電圧を昇降圧する第２のコンバータとを有する移動体であって、
   第１のコンバータの回路が短絡故障して前記燃料電池と前記負荷とが直結状態になったとき、所定の条件
   燃料電池の出力電圧Ｖ１≧負荷の必要電圧Ｖ２ ・・・（１）
   燃料電池の出力電圧Ｖ１≧二次電池の出力電圧Ｖ３＋α ・・・（２）
   （αは、正の定数）
   を満たす場合に、当該燃料電池から負荷への電力の供給を継続する手段を有する、移動体。
5. 前記所定の条件が満たされているか否かを判断する手段と、
   前記所定の条件を満たす場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続させ、前記所定の条件を満たさない場合に、前記燃料電池から負荷への電力の供給を停止させ、前記二次電池から負荷への電力の供給を開始する手段と、を有する、請求項４に記載の移動体。
6. 前記所定の条件を満たし、前記燃料電池から負荷への電力の供給を継続する場合に、前記第２のコンバータが前記負荷への入力電圧を制御する、請求項４又は５に記載の移動体。

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