JP5846542B2

JP5846542B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5846542B2
Application number: JP2011206132A
Authority: JP
Inventors: 智彦金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: JP2013069489A

Description

本発明は、燃料電池とその出力を昇圧する昇圧コンバータを備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池からの出力電圧に対するセンサ検出値と昇圧コンバータへの入力電圧に対するセンサ検出値との間の偏差の異常判定に関する。

反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）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は、燃料電池からの出力電圧を検出するセル電圧モニタが設けられており、制御部では、このセル電圧モニタの検出結果に基づいて、システムの各種制御を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２０９３５７号公報

上記燃料電池システムでは、セル電圧モニタにより検出されたセル電圧が、セル電圧モニタで検出可能な下限セル電圧以下であるか否かを判定する下限判定手段と、セル電圧モニタが検出したセル電圧が下限セル電圧以下であると下限判定手段によって判定された場合において、セル電圧モニタによって過去に検出され記憶手段に記憶されているセル電圧が判定セル電圧よりも大きいときに、セル電圧モニタは故障していると判定する故障判定出段を備えているので、セル電圧モニタの故障判定を行なうことができる。

しかしながら、燃料電池システムには、燃料電池の後段にその出力を昇圧する昇圧コンバータを備えたものもあり、かかる燃料電池システムにおいて、さらに昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサが設けられている場合に、この入力電圧センサの検出電圧値とセル電圧モニタの検出電圧値との異常偏差までも的確に把握することは困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池からの出力電圧を検出するセンサの検出値と昇圧コンバータへの入力電圧を検出するセンサの検出値との間の異常偏差を的確に把握することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力電力を昇圧する昇圧コンバータと、前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧センサと、前記昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサと、前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値を取得する判定部と、を備え、前記判定部は、前記出力電圧センサの検出レンジと前記入力電圧センサの検出レンジを揃える処理を行ない、且つ、前記出力電圧センサ及び前記入力電圧センサの各検出電圧値に対して所定の時定数によってフィルタをかけるなまし処理を行なった後、前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値との間の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合に、異常偏差であると判定し、前記所定の時定数として、前記出力電圧センサの検出電圧値の検出周期と、前記入力電圧センサの検出電圧値の検出周期との差に起因して各検出電圧値を取得する時間差が最大に生じている場合であっても、前記判定部が正常な判定を行うような値が設定されており、前記判定部、前記出力電圧センサ、及び前記入力電圧センサの異常が検出された場合には、前記判定部による判定を禁止する。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が複数の単セルが積層してなるスタック構造を有するものである場合には、前記出力電圧センサは、単セル毎又は複数セル毎の電圧を検出可能なセルモニタからなるものでもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記判定部は、前記出力電圧センサと前記入力電圧センサとの各検出電圧値の偏差の絶対値が前記所定の閾値以下である状態が前記所定時間以上継続した場合に、正常偏差であると判定してもよい。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池からの出力電圧を検出するセンサの検出値と昇圧コンバータへの入力電圧を検出するセンサの検出値との間の異常偏差を的確に把握することが可能になる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略回路図である。図１の制御ＥＣＵが実施する判定処理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、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

まず、図１を参照しながら、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池システム１１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池１２を備えている。

燃料電池１２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層しタスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

この燃料電池１２には、燃料電池スタックを構成している各セルの電圧を測定するセルモニタ（出力電圧センサ）１２ａを備えており、このセルモニタ１２ａによって全セルの総電圧はもとより、各セル毎の電圧あるいは複数セル毎の電圧を監視することが可能とされている。

この燃料電池１２は、車両を走行させるための駆動モータ（駆動源、負荷）１３に接続されており、駆動モータ１３へ電力を供給する。この燃料電池１２から駆動モータ１３への電力供給経路には、燃料電池１２側から順に、ＦＣ昇圧コンバータ（昇圧コンバータ）１４、コンデンサ１５及び駆動インバータ１６が接続されている。

このように、燃料電池システム１１では、燃料電池１２で発電された電力がＦＣ昇圧コンバータ１４で昇圧され、駆動インバータ１６を介して駆動モータ１３へ給電される。

ＦＣ昇圧コンバータ１４は、多相のコンバータであるマルチフェーズコンバータであり、複数（本例では４つ）のコンバート部３１ａ〜３１ｄを備えている。これらのコンバート部３１ａ〜３１ｄは、それぞれリアクトル３２，トランジスタ３３及びダイオード３４を備えている。

駆動モータ１３は、例えば三相交流モータであり、駆動モータ１３が接続された駆動インバータ１６は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ１３に供給する。

また、燃料電池システム１１は、駆動モータ１３へ電力を放電可能かつ燃料電池１２からの電力を充電可能なバッテリ２１を備えている。このバッテリ２１から駆動モータ１３への電力供給経路には、バッテリ昇圧コンバータ２３が接続されている。本発明に係る燃料電池システム１１は、このバッテリ昇圧コンバータ２３を備えていない構成であってもよい。

このバッテリ２１の電力供給経路は、燃料電池１２の電力供給経路に接続されており、バッテリ２１からの電力が駆動モータ１３へ供給可能とされている。

本実施形態のバッテリ昇圧コンバータ２３は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２１から入力された直流電圧を調整して駆動モータ１３側へ出力する機能と、燃料電池１２または駆動モータ１３から入力された直流電圧を調整してバッテリ２１に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ２３の機能により、バッテリ２１の充放電が実現される。

燃料電池システム１１は、揮発性メモリ４０を有する制御ＥＣＵ（以下、ＥＣＵ）４１を備えている。このＥＣＵ４１には、燃料電池１２、ＦＣ昇圧コンバータ１４、バッテリ２１、バッテリ昇圧コンバータ２３、駆動インバータ１６及び駆動モータ１３が接続されており、ＥＣＵ４１は、これらの燃料電池１２、ＦＣ昇圧コンバータ１４、バッテリ２１、バッテリ昇圧コンバータ２３、駆動インバータ１６及び駆動モータ１３を制御する。

図１に示すように、上記燃料電池システム１１には、ＦＣ昇圧コンバータ１４への入力電圧を検出する入力電圧センサ３５が、ＦＣ昇圧コンバータ１４の上流側に設けられている。この入力電圧センサ３５は、ＥＣＵ４１に接続されている。また、ＥＣＵ４１には、燃料電池１２に設けられたセルモニタ１２ａも接続されており、このセルモニタ１２ａの検出結果もＥＣＵ１４へ送信される。そして、ＥＣＵ１４は、セルモニタ１２ａや入力電圧センサ３５からの検出電圧値を用いて、燃料電池システム１１の各種制御を行う。

また、ＥＣＵ４１は、本発明に係る判定部としての機能も有しており、その具体的な機能として、図２のフローチャートに示す判定処理を行う。この処理では、まず、セルモニタ１２ａの検出電圧値Ｖ１（全セルの総電圧）と入力電圧センサ３５の検出電圧値Ｖ２とを取得する（ステップＳ１）。

なお、本実施形態のセルモニタ１２ａによる電圧検出は１００（ｍｓ）間隔で行なわれ、入力電圧センサ３５による電圧検出は１（ｍｓ）間隔で行なわれる。また、セルモニタ１２ａにおいて、セル数が３００の場合における全チャンネルの電圧検出には最大で約９０（ｍｓ）の時間が必要になる。そして、セルモニタ１２ａの検出電圧値は１００（ｍｓ）間隔でＥＣＵ４１に送信され、入力電圧センサ３５の検出電圧値は８（ｍｓ）間隔でＥＣＵ４１に送信される。

次に、これら検出電圧値Ｖ１，Ｖ２に対し、後に詳述する信号処理を行なう（ステップＳ３）。しかる後、信号処理された検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の偏差に基づき、異常偏差の有無を判定する（ステップＳ５）。

この異常偏差の判定ステップでは、ステップＳ３で信号処理された検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態になったかどうかと、そのような状態が所定時間以上継続したか否かが判定される（ステップＳ５）。その判定の結果、偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合（ステップＳ５で「Ｙｅｓ」）には、セルモニタ１２ａの検出電圧値Ｖ１と入力電圧センサ３５の検出電圧値Ｖ２との間に偏差異常があると判定され、異常カウンタをセットすると共に正常カウンタをクリアする（ステップＳ７）。

一方、ステップＳ５で「Ｎｏ」と判定された場合には、ステップＳ３で信号処理された検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の偏差の絶対値が所定の閾値以下の状態であるかどうかと、そのような状態が所定時間以上継続したか否かが判定される（ステップＳ１１）。その判定の結果、偏差の絶対値が所定の閾値以下である状態が所定時間以上継続した場合（ステップＳ１１で「Ｙｅｓ」）には、セルモニタ１２ａの検出電圧値Ｖ１と入力電圧センサ３５の検出電圧値Ｖ２との間に異常偏差は無い、言い換えれば、正常偏差であると判定され、正常カウンタをセットすると共に異常カウンタをクリアする（ステップＳ１３）。

次に、ステップＳ５，Ｓ１１で使用される「所定の閾値」と「所定時間」について、詳細に説明する。
所定の閾値Ｖｔｈは、下記式（１）によって求められる。すなわち、下記式（２）によって求められるΔＶｘと、下記式（３）によって求められるΔＶｙのうち、より大なる方の値によって定義付けられるセンサ誤差の偏差Ａ（式（４））と、セルモニタ１２ａと入力電圧センサ３５の各検出電圧値Ｖ１，Ｖ２に対して、ステップＳ３の信号処理を実施した場合に生じ得る偏差Ｂとの合計値（すなわち、Ｖｔｈ＝偏差Ａ＋偏差Ｂ）によって定義される。

Ｖｔｈ＝偏差Ａ＋偏差Ｂ …（１）
ΔＶｘ＝Ｖａ１−Ｖａ２ …（２）
ΔＶｙ＝Ｖａ１−Ｖｂ１ …（３）
偏差Ａ＝ｍａｘ（ΔＶｘ，ΔＶｙ） …（４）

上記式（２）のΔＶｘは、セルモニタ１２ａの検出電圧値（クランプ値）がＶａ１、そのときの実電圧がＶａｒ、この実電圧Ｖａｒに対する入力電圧センサ３５の検出電圧値がＶａ２であるときに、Ｖａ１からＶａ２を減算して得られる値である。
上記式（３）のΔＶｙは、入力電圧センサ３５の検出電圧値（クランプ値）が上記式（１）と同じＶａ１であり、そのときの実電圧がＶｂｒ、この実電圧Ｖｂｒに対するセルモニタ１２ａの検出電圧値がＶｂ１であるときに、Ｖａ１からＶｂ１を減算して得られる値である。

ステップＳ３の信号処理は、セルモニタ１２ａと入力電圧センサ３５の各検出電圧値の通信遅れや、急変、電圧リップルによる誤判定への影響を抑制するために、各検出電圧値に対して実施されるものであり、本実施形態ではクランプ処理となまし処理とからなる。

クランプ処理は、例えば、セルモニタ１２ａで計測する燃料電池１２の上下限電圧が１００Ｖ〜３６０Ｖのレンジであり、入力電圧センサ３５で計測する燃料電池１２の上下限電圧が８０Ｖ〜３２０Ｖのレンジである場合に、それらレンジの共通部分、すなわち、１００Ｖ〜３２０Ｖのレンジに統一することである。本実施形態では、セルモニタ１２ａ及び入力電圧センサ３５の検出電圧値を０Ｖ〜３６０Ｖにクランプする。

なまし処理は、前記クランプ処理によってそれぞれクランプされたセルモニタ１２ａの検出電圧値及び入力電圧センサ３５の検出電圧値に対し、所定の時定数によって一次フィルタをかけるものであり、これにより、各検出電圧値の一時的な急変動に起因する誤判定を回避することができる。

燃料電池１２の出力電圧は、通常運転時は１０（ｍｓ）程度のオーダーで変動するのに対し、本実施形態においては上述したとおり、セルモニタ１２ａの電圧検出は１００（ｍｓ）周期、入力電圧センサ３５の電圧検出は１（ｍｓ）周期で行なわれるため、なまし処理を行なわずに、セルモニタ１２ａと入力電圧センサ３５の各検出電圧値を比較してしまうと、異常偏差が発生していないにもかかわらず、瞬間的に検出電圧値間の偏差が大きくなって異常偏差が発生していると誤判定してしまう虞がある。

そこで、かかる誤判定を回避するため、本実施形態では、セルモニタ１２ａ及び入力電圧センサ３５の各検出電圧値に対し、前記なまし処理を実施する。
そして、本実施形態では、このなまし処理を実施することによって生じる各検出電圧値の検出遅れ（すなわち、実電圧と検出電圧値との偏差）を、例えば実験やシミュレーションの結果等に基づいて求め、その値を前記偏差Ｂに設定している。

なまし処理に使用する時定数は、セルモニタ１２ａからＥＣＵ４１への通信時間と、入力電圧センサ３５からＥＣＵ４１への通信時間との差を考慮し、かかる差が最大に生じている場合であっても前記誤判定を行うことのないような値が、例えば実験やシミュレーションの結果等に基づいて設定される。この設定の際には、時定数を大きくするほど、検出電圧値が一時的に大きく変動した場合の誤判定を回避することが可能になる一方で、大きくし過ぎると、異常判定の精度低下を招いてしまうという点も考慮される。

「所定時間」は、ステップＳ３で信号処理された検出電圧値Ｖ１，Ｖ２の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態や所定の閾値以下である状態が安定的に生じているかどうかを判断するための判定留保時間であり、一時的な異常偏差や正常偏差による誤判定を予防するための時間である。

「所定時間」は、例えば、セルモニタ１２ａにおける全チャンネルの電圧検出に必要な時間（本実施形態では、約９０（ｍｓ））の１００倍程度の時間に設定したり、前記時定数の値の１０倍程度の時間に設定することが可能であるが、これらの数値に限定されるものではなく、判定留保という趣旨から逸脱しない範囲で任意の時間に設定することが可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１１によれば、ＥＣＵ４１が行う判定処理によって、セルモニタ１２ａの検出電圧値と入力電圧センサ３５の検出電圧値との間に異常偏差があるか否かを的確に判定することができる。よって、かかる異常偏差が生じている状態でのセルモニタ１２ａ又は／及び入力電圧センサ３５の検出電圧値を用いたＦＣ昇圧コンバータ１４等の各部の不適切な制御の実施を抑制することができる。

なお、所定の判定禁止条件が成立する場合、すなわち、ＥＣＵ４１、セルモニタ１２ａ、及び入力電圧センサ３５の正常動作が保証されないような場合には、図２の判定処理の実施を禁止してもよい。

この判定禁止条件としては、例えば、ＥＣＵ４１や駆動インバータ１６の異常、ＥＣＵ４１やセルモニタ１２ａや入力電圧センサ３５に対する電力供給源の異常（例えば、電圧低下等）、及びセルモニタ１２ａや入力電圧センサ３５の信号異常を検出した場合や、ＥＣＵ４１の起動から所定時間（例えば、０．３秒）経過するまでの間が該当する。かかる場合に、図２の判定処理を禁止することにより、ＥＣＵ４１による誤判定を予防することができる。

１１…燃料電池システム、１２…燃料電池、１２ａ…セルモニタ（出力電圧センサ）、１４…ＦＣ昇圧コンバータ、３５…入力電圧センサ、４１…ＥＣＵ（判定部）

Claims

燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力を昇圧する昇圧コンバータと、
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧センサと、
前記昇圧コンバータへの入力電圧を検出する入力電圧センサと、
前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値を取得する判定部と、を備え、
前記判定部は、前記出力電圧センサの検出レンジと前記入力電圧センサの検出レンジを揃える処理を行ない、且つ、前記出力電圧センサ及び前記入力電圧センサの各検出電圧値に対して所定の時定数によってフィルタをかけるなまし処理を行なった後、前記出力電圧センサの検出電圧値と前記入力電圧センサの検出電圧値との間の偏差の絶対値が所定の閾値を上回った状態が所定時間以上継続した場合に、異常偏差であると判定し、
前記所定の時定数として、前記出力電圧センサの検出電圧値の検出周期と、前記入力電圧センサの検出電圧値の検出周期との差に起因して各検出電圧値を取得する時間差が最大に生じている場合であっても、前記判定部が正常な判定を行うような値が設定されており、
前記判定部、前記出力電圧センサ、及び前記入力電圧センサの異常が検出された場合には、前記判定部による判定を禁止する燃料電池システム。
前記燃料電池が複数の単セルが積層してなるスタック構造を有するものであり、
前記出力電圧センサは、単セル毎又は複数セル毎の電圧を検出可能なセルモニタからなる請求項１に記載の燃料電池システム。
前記判定部は、前記出力電圧センサと前記入力電圧センサとの各検出電圧値の偏差の絶対値が前記所定の閾値以下である状態が前記所定時間以上継続した場合に、正常偏差であると判定する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。