JP6508360B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特開２０１４−６８４９０号公報は、モータ駆動用バッテリと駆動モータとを接続するラインに燃料電池を接続した構成において、前記ラインに電圧変換器を介して低電圧バッテリを接続し、この低電圧バッテリを車両制御装置の電力供給源とする構成を開示している。また、車載用の燃料電池として、従来の固体高分子型燃料電池よりも変換効率の高い固体酸化物型燃料電池を用いることが提案されている。

しかし、固体酸化物型燃料電池の駆動には補機が必要となるが、燃料電池の起動制御時及び停止制御時は発電できないので、外部から補機用の電力を供給する必要がある。この場合、当該補機を前述の電圧変換器に接続する構成が考えられるが、電圧変換器に対する負担が増加する。

本発明は、モータ駆動用バッテリに電気的に接続する電圧変換器に対する負担を軽減しつつ燃料電池の自立運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様における燃料電池システムは、モータ駆動用バッテリに燃料電池が接続されるとともに第１電圧変換器を介して車両用補機が接続された燃料電池システムであって、前記第１電圧変換器に接続された燃料電池用補機と、前記燃料電池用補機と前記燃料電池とを接続する第２電圧変換器と、を備える。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態の燃料電池システムの起動制御の手順を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態の燃料電池システムの停止制御の手順を示すフローチャートである。 図４は、本実施形態の燃料電池システムの低速充電制御の手順を示すフローチャートである。 図５は、本実施形態の燃料電池システムの急速充電制御の手順を示すフローチャートである。 図６は、本実施形態の燃料電池システムの通常発電時における外部機器接続制御の手順を示すフローチャートである。 図７は、本実施形態の燃料電池システムの車両停止時における外部機器接続制御の手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［本実施形態の燃料電池システムの構成］
図１は、本実施形態における燃料電池システム１０の主要構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、制御部８４により全体が制御されるものである。そして、モータ駆動用バッテリ１４と駆動モータ２６（モータ駆動用インバータ２４）とを接続する電力供給ライン１２（例えば３６０Ｖ）に、燃料電池スタック５２（燃料電池）等が接続ライン５０を介して接続されたものである。また、電力供給ライン１２に接続するＤＣ−ＤＣコンバータ３０（第１電圧変換器）と補機用バッテリ７４とを接続する低電圧ライン７２（例えば１２Ｖ）に燃料電池用補機８０等が接続されたものである。さらに、接続ライン５０と低電圧ライン７２とがＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換器）により接続されたものである。

電力供給ライン１２には、モータ駆動用バッテリ１４、モータ駆動用インバータ２４（駆動モータ２６）、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、低速充電端子３２、急速充電端子３６、外部接続端子４０、ＩＲセンサ４６、エアコンインバータ４８が接続されている。

接続ライン５０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６（燃料電池スタック５２）、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８（コンプレッサー６０、コンプレッサー用バッテリ６２）、スイッチ６６Ａ（切替スイッチ）、スイッチ６６Ｂ、抵抗素子７０及びスイッチ６６Ｃの直列回路からなる充電回路６８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が接続されている。

低電圧ライン７２には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、補機用バッテリ７４、車両用補機７８、燃料電池用補機８０、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が接続されている。

モータ駆動用バッテリ１４は、電力供給ライン１２に接続された主電源１６（例えば３６０Ｖ）と、主電源１６のプラス極側に接続されたスイッチ２２Ｃと、主電源１６のマイナス極側に接続されたスイッチ２２Ｄと、を有する。スイッチ２２Ｃは、一方が主電源１６のプラス極側に接続され、他方が電力供給ライン１２のプラス極側に接続されている。スイッチ２２Ｄは、一方が主電源１６のマイナス極側に接続され、他方が電力供給ライン１２のマイナス極側に接続されている。また、主電源１６のプラス極側において、抵抗素子２０Ａとスイッチ２２Ａの直列回路である充電回路１８Ａがスイッチ２２Ｃと並列に接続されている。さらに、抵抗素子２０Ｂとスイッチ２２Ｂとの直列回路である充電回路１８Ｂがスイッチ２２Ｃの電力供給ライン１２側とスイッチ２２Ｄの電力供給ライン１２側とに接続されている。充電回路１８Ａ，１８Ｂは、モータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２に接続する際に一時的に使用してモータ駆動用インバータ２４内のキャパシタ等に電荷を充電させるものであり、接続時の突入電流を回避してモータ駆動用バッテリ１４やモータ駆動用インバータ２４等の破損を回避する。

モータ駆動用インバータ２４は、電力供給ライン１２（プラス極側、マイナス極側）に接続され、モータ駆動用バッテリ１４または燃料電池スタック５２から供給される電力（直流電圧）を三相交流の電力に変換し、これを駆動モータ２６に供給して駆動モータ２６を回転させるものである。また、モータ駆動用インバータ２４は、車両のブレーキ時に駆動モータ２６が発生する回生電力を直流電圧の電力に変換してモータ駆動用バッテリ１４に供給するものである。

燃料電池システム１０を停止させる場合は、モータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２から遮断するが、このとき、モータ駆動用インバータ２４が備えるキャパシタには電荷が蓄えられたままであるので、遮断後においても電力供給ライン１２は高い電圧を維持している。しかし、漏電防止のため、電力供給ライン１２の電圧を所定電圧（例えば６０Ｖ）以下に低下させる必要がある。そこで、モータ駆動用インバータ２４には、キャパシタが蓄えた電荷を放電して電力供給ライン１２の電圧を降圧させるための放電回路２８が取り付けられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３０（第１電圧変換回路）は、電力供給ライン１２に接続され、電力供給ライン１２の直流電圧を降圧して直流の低電圧による電力を低電圧ライン７２に供給するものである。

低速充電端子３２は、例えば家庭用電源等の交流電圧の外部交流電源に接続してモータ駆動用バッテリ１４を充電するものである。低速充電端子３２は、交流電圧を電力供給ライン１２に印加する直流電圧に変換する充電器３４を介して電力供給ライン１２に接続されている。また、低速充電端子３２にはリミットスイッチ（不図示）が取り付けられ、低速充電端子３２が外部交流電源に接続されると制御部８４に検知信号を出力する。

急速充電端子３６は、例えばガソリンスタンドと同様に設置され直流電圧を供給するスタンド等の外部直流電源に接続され、当該直流電圧を電力供給ライン１２に出力してモータ駆動用バッテリ１４を急速充電するものである。急速充電端子３６は、スイッチ３８Ａ，３８Ｂを介して電力供給ライン１２に接続されている。また、急速充電端子３６にもリミットスイッチ（不図示）が取り付けられ、急速充電端子３６が外部直流電源に接続されると制御部８４に検知信号を出力する。

外部接続端子４０は、家庭用機器等の外部機器に接続され、モータ駆動用バッテリ１４または燃料電池スタック５２からの電力により外部機器を駆動させるものである。外部接続端子４０は、外部接続インバータ４２及びスイッチ４４Ａ，４４Ｂを介して電力供給ライン１２に接続されている。なお、外部接続端子４０にもリミットスイッチ（不図示）が取り付けられ、外部接続端子４０が外部機器に接続されるとリミットスイッチが制御部８４に検知信号を出力する。

ＩＲセンサ４６は、電力供給ライン１２のマイナス極側と車両のボディ（不図示）に接続され、両者の間に一定の電圧を印加して両者間の浮遊容量を測定するものである。この浮遊容量から電力供給ライン１２のボディに対する絶縁抵抗を測定し、その大きさから電力供給ライン２１の漏電の有無を判別することができる。

その他、電力供給ライン１２には、車内のエアコン用のエアコンインバータ４８等が接続されている。

燃料電池スタック５２は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、改質器により改質された燃料ガスが供給されるアノード（燃料極）と、酸化ガスとして酸素を含む空気が供給されるカソード（空気極）により挟み込んで得られるセルを積層したものである。燃料電池スタック５２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６を介して接続ライン５０に接続される。なお、燃料電池スタック５２には、燃料電池スタック５２内の温度を測定する温度センサ５４が取り付けられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５６は、入力側が燃料電池スタック５２に接続され、出力側（昇圧側）が接続ライン５０に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック５２の出力電圧（例えば６０Ｖ，若しくはそれ以下の電圧）を電力供給ライン１２の電圧に昇圧して接続ライン５０に供給するものである。これにより、燃料電池スタック５２から接続ライン５０及び電力供給ライン１２を介してモータ駆動用バッテリ１４または駆動モータ２６（モータ駆動用インバータ２４）に電力が供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ５８は、入力側が接続ライン５０に接続され出力側（例えば４２Ｖ）がコンプレッサー６０に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５８の降圧側にはコンプレッサー６０とコンプレッサー用バッテリ６２が並列に接続されている。コンプレッサー６０は、燃料電池スタック５２に対して酸化ガス（空気）等を供給するものである。なお、コンプレッサー用バッテリ６２には、その充電量を測定する充電チェッカー６４が接続されている。

スイッチ６６Ａ（切替スイッチ）は、接続ライン５０のプラス極側に設けられ、一方が電力供給ライン１２のプラス極側に接続し、他方がＤＣ−ＤＣコンバータ５６等に接続されている。同様にスイッチ６６Ｂは接続ライン５０のマイナス極側に設けられ、一方が電力供給ライン１２のマイナス極側に接続し、他方がＤＣ−ＤＣコンバータ５６等に接続されている。スイッチ６６Ａ及びスイッチ６６Ｂは、接続ライン５０の遮断（ＯＦＦ）及び接続（ＯＮ）の切り替えを行う。接続ライン５０のプラス極側には、抵抗素子７０とスイッチ６６Ｃとの直列回路である充電回路６８がスイッチ６６Ａと並列に接続されている。充電回路６８は、モータ駆動用バッテリ１４をＤＣ−ＤＣコンバータ５６等に接続する際に一時的に使用されＤＣ−ＤＣコンバータ５６等に付属するキャパシタに電荷を充電させるものであり、接続時の突入電流を回避してモータ駆動用バッテリ１４及びＤＣ−ＤＣコンバータ５６等の破損を回避する。

補機用バッテリ７４は、モータ駆動用バッテリ１４よりも低電圧な出力のバッテリである。補機用バッテリ７４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０（第１電圧変換器）、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換器）からの電力供給により充電されるとともに、車両用補機７８及び燃料電池用補機８０に電力を供給するものである。また補機用バッテリ７４には、その充電量を測定する充電チェッカー７６が接続されている。

車両用補機７８は、例えば、車両の照明やカーナビゲーションシステム等であって、駆動モータ２６よりも電圧範囲が低く低電流な電力（小電力）によって作動する機器である。

燃料電池用補機８０は、例えば燃料電池スタック５２に燃料を供給する燃料供給部（ポンプ、インジェクタ）がある。また燃料電池用補機８０としては、燃料ガスや酸化ガスを流通させる経路の開閉を行う弁（不図示）、起動制御中に燃料電池スタック５２に供給する加熱用の燃焼ガスを生成する拡散燃焼器（不図示）、停止制御中に燃料電池スタック５２にアノード極保護用の逆バイアスを印加する回路（不図示）等であって、前述同様に小電力で作動する機器である。

燃料電池スタック５２の起動制御においては、拡散燃焼器等を用いて、起動用の燃料と空気を混合して燃焼させた燃焼ガスを生成し、これを酸化ガスの代わりに燃料電池スタック５２に供給して燃料電池スタック５２を発電に必要になる温度になるまで加熱する。

燃料電池スタック５２の停止制御においては、酸化ガスを引き続き冷却ガスとして供給してアノードの酸化を回避できる温度にまで低下させ、その後燃料電池用補機８０、コンプレッサー６０を停止させる。その際、アノードの酸化を防止するために、使用後のアノードオフガスの経路にある弁を閉止して酸素の逆流を防止する制御や、燃料電池スタック５２の極性とは逆の起電力を燃料電池スタック５２に印加する制御を行う。また、他の停止制御として、燃料ガスの流量を低下させてコンプレッサー６０や燃料電池用補機８０を駆動できる程度の発電量を維持しながら燃料電池スタック５２の温度を低下させていくという方法もある。よって、コンプレッサー６０及び燃料電池用補機８０は、燃料電池スタック５２の起動制御時のみならず停止制御時においても使用するため、そのための電力が必要となる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換回路）は、入力側が接続ライン５０に接続され、出力側（降圧側）が低電圧ライン７２に接続され、接続ライン５０の電圧を降圧して低電圧ライン７２に電力を供給するものである。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２は、接続ライン５０において、スイッチ６６Ａ，６６Ｂ及び充電回路６８よりも燃料電池スタック５２側に接続されている。これにより、スイッチ６６Ａ，６６Ｂが接続ライン５０を遮断してもＤＣ−ＤＣコンバータ８２は燃料電池スタック５２からの電力を低電圧ライン７２に供給することができる。なお、図示は省略するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２の接続ライン５０側にも放電回路（不図示）が取り付けられている。

制御部８４は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１０を制御するための処理を実行する。その際、制御部８４は、上記各構成要素を駆動・停止させるＯＮ・ＯＦＦ制御を行うことができる。

［燃料電池システムの起動制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の起動制御の手順を図２のフローチャートに従って説明する。初期状態において、スイッチ２２Ａ〜２２Ｄ，３８Ａ，３８Ｂ，４４Ａ，４４Ｂ，６６Ａ〜６６Ｃは全てＯＦＦになっており、電力供給ライン１２及び接続ライン５０は所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧されている。また、モータ駆動用バッテリ１４、補機用バッテリ７４、コンプレッサー用バッテリ６２は、それぞれ所定の充電量に達しているものとする。

システムが起動制御を開始すると、ステップＳ１０１において、制御部８４は、燃料電池用補機８０及びコンプレッサー６０をＯＮにし、燃料電池スタック５２に対する起動制御を開始する。その際、燃料電池用補機８０は、補機用バッテリ７４からの電力により駆動し、コンプレッサー６０は、コンプレッサー用バッテリ６２からの電力により駆動する。これにより、燃料電池スタック５２には発電に必要な温度に到達するまで燃料電池スタック５２の起動制御が行われる。

ステップＳ１０２において、制御部８４は、スイッチ２２Ａ、スイッチ２２ＤをＯＮにしてモータ駆動用バッテリ１４を、充電回路１８Ａ，１８Ｂを介して電力供給ライン１２に接続し、電力供給ライン１２、モータ駆動用インバータ２４、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、エアコンインバータ４８に所定の電圧（例えば３６０Ｖ）を印加する。このとき、制御部８４は、スイッチ２２ＢもＯＮにして電力供給ライン１２に並列に接続した充電回路１８Ｂにも電圧を印加する。また、ステップＳ１０２の所定時間後に、ステップＳ１０３において、制御部８４は、スイッチ２２ＣをＯＮにし、その後スイッチ２２ＡをＯＦＦにし、充電回路１８Ａを遮断してモータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２に直接接続する。このとき、制御部８４は、スイッチ２２ＢもＯＦＦにして充電回路１８Ｂを遮断する。これにより、ドライバーのアクセル操作に基づいて駆動モータ２６を任意の回転速度で回転させることができる。

ステップＳ１０４において、制御部８４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０をＯＮにし、低電圧ライン７２に所定の電圧（例えば１２Ｖ）を印加する。これにより、車両用補機７８及び燃料電池用補機８０は、補機用バッテリ７４及びＤＣ−ＤＣコンバータ３０から電力供給を受けて駆動することができる。このとき、補機用バッテリ７４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０により充電される。また、このとき、制御部８４は、エアコンインバータ４８をＯＮにし、車内用のエアコンを使用可能な状態にする。

ステップＳ１０５において、制御部８４は、スイッチ６６Ｂ、スイッチ６６ＣをＯＮにし、充電回路６８を介して接続ライン５０（ＤＣ−ＤＣコンバータ５６等）に所定の電圧を印加する。そしてステップＳ１０５の所定時間後、ステップＳ１０６において、制御部８４は、スイッチ６６ＡをＯＮにし、その後スイッチ６６ＣをＯＦＦにして、充電回路６８を遮断して電力供給ライン１２と接続ライン５０（ＤＣ−ＤＣコンバータ５６等）を直接接続する。

ステップＳ１０７において、制御部８４は、温度センサ５４が測定する温度により、燃料電池スタック５２が発電に必要な作動温度に到達したか否か判断する。燃料電池スタック５２が作動温度に到達したのち、ステップＳ１０８において、制御部８４は、燃料電池スタック５２に対する起動制御を終了し、燃料電池スタック５２に燃料ガス（改質ガス）と酸化ガスを供給して電気化学反応により発電させる。

ステップＳ１０９において、制御部８４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２をＯＮにする。これにより、燃料電池スタック５２は、発電した電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５６を介して電力供給ライン１２に供給し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６及びＤＣ−ＤＣコンバータ８２を介して低電圧ライン７２に供給するようになる。また、燃料電池スタック５２は、発電した電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５６及びＤＣ−ＤＣコンバータ５８を介してコンプレッサー６０及びコンプレッサー用バッテリ６２に供給する。以上より、燃料電池システム１０の起動制御が終了する。

［燃料電池システムの通常発電時の動作］
駆動モータ２６は、モータ駆動用バッテリ１４及び燃料電池スタック５２から電力供給を受け、ドライバーのアクセル操作により任意の回転数で回転している。また、駆動モータ２６は、ブレーキ時に回生電力を発生させるが、これがモータ駆動用インバータ２４を介してモータ駆動用バッテリ１４に充電される。また、モータ駆動用バッテリ１４は、一定の充電量以下になったら燃料電池スタック５２からの電力供給により充電される。補機用バッテリ７４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０及びＤＣ−ＤＣコンバータ８２からの電力供給により充電され、また車両用補機７８及び燃料電池用補機８０に電力供給する。さらに、車両用補機７８及び燃料電池用補機８０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２、補機用バッテリ７４からの電力供給により駆動することができる。コンプレッサー６０は、コンプレッサー用バッテリ６２及びＤＣ−ＤＣコンバータ５８から電力供給を受けて駆動され、コンプレッサー用バッテリ６２はＤＣ−ＤＣコンバータ５８からの電力供給を受けて充電される。このように、通常発電時において、制御部８４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０とＤＣ−ＤＣコンバータ８２を協調制御している。これにより、モータ駆動用バッテリ１４から電力を供給し、かつ燃料電池スタック５２が運転している状況で、燃料電池スタック５２から前述の燃料供給部（ポンプ、インジェクタ）に電力を供給するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の負荷を減らしつつ、燃料電池スタック５２への燃料の供給を維持することができる。

［燃料電池システムの停止制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の停止制御の手順を図３に示すフローチャートに従って説明する。ステップＳ２０１において、制御部８４は、スイッチ２２Ｃ、スイッチ２２ＤをＯＦＦにして、モータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２から遮断し、スイッチ６６Ａ、スイッチ６６ＢをＯＦＦにして接続ライン５０を電力供給ライン１２から遮断する。これにより、モータ駆動用インバータ２４及びＤＣ−ＤＣコンバータ３０に対する電力供給は停止する。また、これと同時にモータ駆動用インバータ２４、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０、エアコンインバータ４８をＯＦＦにする。このとき、低電圧ライン７２において、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０からの電力供給は停止するが、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２を介して燃料電池スタック５２からの電力供給は維持される。

ステップＳ２０２において、制御部８４は、放電回路２８をＯＮにし、電力供給ライン１２の電圧を所定電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧させその後放電回路２８をＯＦＦにする。その際、すでにスイッチ６６Ａ、スイッチ６６ＢがＯＦＦになっているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が保持する電荷が放電回路２８に流れ込むことはない。

ステップＳ２０３において、制御部８４は、燃料電池スタック５２に対する停止制御を行う。停止制御としては、前述のように燃料ガスの供給を停止して燃料電池スタック５２の発電を停止させて燃料電池スタック５２の冷却を行う場合や、燃料ガスの供給を最小限にして燃料電池スタック５２がコンプレッサー６０や燃料電池用補機８０を駆動できる程度、さらには補機用バッテリ７４に対する充電が可能な程度の発電を行いながら燃料電池スタック５２の冷却を行う場合がある。燃料電池スタック５２に発電を継続させる場合は、燃料電池スタック５２が発電した電力が引き続き、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８を介してコンプレッサー６０に供給され、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２を介して燃料電池用補機８０に供給され、さらには補機用バッテリ７４にも供給される。

ステップＳ２０４において、制御部８４は、温度センサ５４が測定する温度により、アノードが酸化しない所定温度にまで燃料電池スタック５２の温度が低下したか否か判断する。ステップＳ２０５において、制御部８４は、充電チェッカー７６が測定する補機用バッテリ７４の充電量、及び充電チェッカー６４が測定するコンプレッサー用バッテリ６２の充電量がそれぞれ所定量に到達しているか否か判断する。

ステップＳ２０６において、制御部８４は、燃料電池スタック５２が所定温度にまで低下したこと、補機用バッテリ７４及びコンプレッサー用バッテリ６２が所定の充電量に達していることを条件に燃料電池用補機８０及びコンプレッサー６０をＯＦＦにして、燃料電池スタック５２の停止制御を終了する。

ステップＳ２０７において、制御部８４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２をＯＦＦにするとともに、これらの放電回路（不図示）をＯＮにし、接続ライン５０を所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧させ、その後放電回路をＯＦＦにする。以上より、燃料電池システム１０の停止制御が終了する。なお、ステップＳ２０２とステップＳ２０３は順番が逆でもよいし、同時に行ってもよい。

［燃料電池システムの低速充電制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の低速充電制御の手順を図４に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップＳ３０１において、低速充電端子３２が外部交流電源に接続されるとリミットスイッチ（不図示）が検知信号を制御部８４に出力する。ステップＳ３０２において、制御部８４は、検知信号が入力されると、充電器３４、スイッチ２２Ｃ、スイッチ２２ＤをＯＮにする。これにより、電力供給ライン１２が所定の電圧（例えば３６０Ｖ）に昇圧され、モータ駆動用バッテリ１４が外部交流電源の電力供給により充電される。このとき、制御部８４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０をＯＮにして補機用バッテリ７４を充電してもよい。

ステップＳ３０３において、検知信号が途絶える、すなわち低速充電端子３２が外部交流電源から遮断されると、ステップＳ３０４において、制御部８４は、充電器３４、スイッチ２２Ｃ、スイッチ２２ＤをＯＦＦにする。ステップＳ３０５において、制御部８４は、放電回路２８をＯＮにして電力供給ライン１２を所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に低下させその後放電回路２８をＯＦＦにする。

［燃料電池システムの急速充電制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の急速充電制御の手順を図５に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップＳ４０１において、急速充電端子３６が外部直流電源に接続されるとリミットスイッチ（不図示）が検知信号を制御部８４に出力する。ステップＳ４０２において、制御部８４は、検知信号が入力されると、ＩＲセンサ４６をＯＮにして、電力供給ライン１２とボディ（不図示）との間の絶縁抵抗の値の計測を開始する。

ステップＳ４０３において、制御部８４は、前述の絶縁抵抗が所定の値以上になっているか否か判断する。ステップＳ４０４において、前述の絶縁抵抗が所定の値以上である場合に、制御部８４は、スイッチ３８Ａ，３８Ｂ、スイッチ２２Ｃ，２２ＤをＯＮにする。これにより、急速充電端子３６が電力供給ライン１２に接続されて電力供給ライン１２が所定の電圧（例えば３６０Ｖ）に昇圧され、モータ駆動用バッテリ１４（及びモータ駆動用インバータ２４等）が外部直流電源により急速充電される。このとき、制御部８４はＤＣ−ＤＣコンバータ３０をＯＮにして補機用バッテリ７４を充電してもよい。また、制御部８４はＩＲセンサ４６をＯＦＦにし、前述の絶縁抵抗の値の計測を終了する。

ステップＳ４０５において、検知信号が途絶える、すなわち急速充電端子３６が外部直流電源から遮断されると、ステップＳ４０６において、制御部８４は、スイッチ２２Ｃ，２２Ｄ、スイッチ３８Ａ，３８ＢをＯＦＦにして、電力供給ライン１２からモータ駆動用バッテリ１４及び急速充電端子３６を遮断する。ステップＳ４０７において、制御部８４は、放電回路２８をＯＮにして電力供給ライン１２を所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に低下させその後放電回路２８をＯＦＦにする。

［燃料電池システムの通常発電時における外部機器接続制御の手順］
本実施形態の燃料電池システム１０の通常発電時における外部機器接続制御の手順を図６に示すフローチャートに従って説明する。ステップＳ５０１において、外部接続端子４０が外部機器に接続されるとリミットスイッチ（不図示）が検知信号を制御部８４に出力する。ステップＳ５０２において、制御部８４は、外部接続インバータ４２、スイッチ４４Ａ，４４ＢをＯＮにし、外部接続端子４０を電力供給ライン１２に接続する。これにより、外部機器をモータ駆動用バッテリ１４または燃料電池スタック５２からの電力により駆動することができる。

ステップＳ５０３において、検知信号が途絶える、すなわち外部接続端子４０が外部機器から遮断されると、ステップＳ５０４において、制御部８４は、外部接続インバータ４２、スイッチ４４Ａ，４４ＢをＯＦＦにし、外部接続端子４０を電力供給ライン１２から遮断する。なお、上記手順は、低速充電時及び急速充電時においても可能である。低速充電時においては、モータ駆動用バッテリ１４または外部交流電源からの電力により外部機器を駆動できる。急速充電時においては、モータ駆動用バッテリ１４または外部直流電源からの電力により外部機器を駆動できる。

［燃料電池システムの車両停止時における外部機器接続制御の動作］
本実施形態の燃料電池システム１０の車両停止時における外部機器接続制御の手順を図７に示すフローチャートに従って説明する。ステップＳ６０１において、外部接続端子４０が外部機器に接続されるとリミットスイッチ（不図示）が検知信号を制御部８４に出力する。ステップＳ６０２において、制御部８４は、スイッチ２２Ａ、スイッチ２２ＤをＯＮにし、充電回路１８Ａを介してモータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２に接続し、電力供給ライン１２（及びモータ駆動用インバータ２４等）に所定の電圧（例えば３６０Ｖ）を印加する。このとき、制御部８４は、スイッチ２２ＢもＯＮにし、充電回路１８Ｂを導通させる。また、ステップＳ６０２の所定時間後に、ステップＳ６０３として、制御部８４は、スイッチ２２ＣをＯＮにし、その後スイッチ２２ＡをＯＦＦにし、充電回路１８Ａを遮断してモータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２に直接接続する。このとき、制御部８４はスイッチ２２ＢもＯＦＦにし、充電回路１８Ｂを遮断する。

ステップＳ６０４において、制御部８４は、外部接続インバータ４２、スイッチ４４Ａ，４４ＢをＯＮにし、外部接続端子４０を電力供給ライン１２に接続する。これにより、外部機器はモータ駆動用バッテリ１４からの電力により駆動することができる。ステップＳ６０５において、検知信号が途絶える、すなわち外部接続端子４０が外部機器から遮断されると、制御部８４は、ステップＳ６０６において、外部接続インバータ４２、スイッチ４４Ａ，４４Ｂ、スイッチ２２Ｃ，２２ＤをＯＦＦにし、電力供給ライン１２からモータ駆動用バッテリ１４及び外部接続端子４０を遮断する。ステップＳ６０７において、制御部８４は、放電回路２８をＯＮにして電力供給ライン１２を所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧させ、その後放電回路２８をＯＦＦにする。

［本実施形態の燃料電池システムの効果］
本実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、燃料電池用補機８０は、車両用補機７８に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ３０（第１電圧変換器）と、燃料電池スタック５２に接続したＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換器）と、に接続され、それぞれから電力供給を受けることができる。よって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の負担を軽減することができ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の電力容量を小さく設計することができる。

燃料電池スタック５２の停止制御としては、燃料ガスの供給を最小限にして燃料電池スタック５２がコンプレッサー６０や燃料電池用補機８０を駆動できる程度の発電を行いながら燃料電池スタック５２の冷却を行う場合がある。このような場合であっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、８２を介して燃料電池用補機８０に電力を供給することができ、またＤＣ−ＤＣコンバータ５６，５８を介してコンプレッサー６０に電力を供給することができるので、燃料電池スタック５２の自立運転が可能となる。

燃料電池用補機８０は、車両用補機７８に電力を供給する補機用バッテリ７４からも電力供給を受けることができる。しかし、補機用バッテリ７４もＤＣ−ＤＣコンバータ３０（第１電圧変換器）及びＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換器）に接続され、それぞれから電力供給を受けることができる。よって、補機用バッテリ７４の充電を容易に補うことができる。

制御部８４は、燃料電池スタック５２の停止制御の際に、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２（第２電圧変換器）を介して充電される補機用バッテリ７４が所定の充電量に達したときに燃料電池用補機８０の駆動を停止させる制御を行っている。これにより、次の起動時において車両用補機７８及び燃料電池用補機８０を確実に作動させるための補機用バッテリ７４の充電量を確保できる。

制御部８４は、モータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２から遮断する際に接続ライン５０を遮断する制御をスイッチ６６Ａ（切替スイッチ），６６Ｂに行っている。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６、ＤＣ−ＤＣコンバータ５８、ＤＣ−ＤＣコンバータ８２が有する電荷（接続ライン５０が有する電荷）がモータ駆動用インバータ２４（駆動モータ２６）に流れ込むことを回避し、モータ駆動用インバータ２４に接続する放電回路２８が過大電流で破損することを回避することができる。

また、モータ駆動用バッテリ１４の遮断後においても、燃料電池スタック５２からＤＣ−ＤＣコンバータ８２への接続、及びＤＣ−ＤＣコンバータ５８への接続は維持される。よって、モータ駆動用バッテリ１４の遮断後であっても燃料電池用補機８０及びコンプレッサー６０に燃料電池スタック５２から電力を供給することができ、たとえ補機用バッテリ７４の電力が枯渇しても燃料電池スタック５２の自立運転が可能となる。さらに、燃料電池スタック５２が、停止制御中において、燃料電池用補機８０及びコンプレッサー６０への電力の供給のみならず、補機用バッテリ７４を充電できる程度に発電している場合は、燃料電池用補機８０用の電力を補機用バッテリ７４で賄うことができるので、次の停止処理に必要な電力をコンプレッサー用バッテリ６２に頼らず確実に賄うことができる。

制御部８４は、モータ駆動用バッテリ１４を電力供給ライン１２に接続する際に、充電回路６８を導通させ、所定時間後にスイッチ６６Ａ（切替スイッチ）を導通させる制御を行っている。これにより、接続ライン５０に対する突入電流を回避し、接続ライン５０に接続するＤＣ−ＤＣコンバータ５６等の構成要素及びモータ駆動用バッテリ１４の破損を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本願は、２０１５年１２月１５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５−２４３８３７に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

1. モータ駆動用バッテリに燃料電池が接続されるとともに第１電圧変換器を介して車両用補機が接続された燃料電池システムであって、
   前記第１電圧変換器に接続された燃料電池用補機と、
   前記燃料電池用補機と前記燃料電池とを接続する第２電圧変換器と、
   を備え、
   前記燃料電池用補機には、前記第１電圧変換器と前記第２電圧変換器が並列に接続されている燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記第１電圧変換器に接続され前記モータ駆動用バッテリよりも低電圧な補機用バッテリをさらに含み、
   前記燃料電池用補機及び前記第２電圧変換器は、前記補機用バッテリに接続されている燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の停止制御の際に、前記補機用バッテリが所定の充電量に達するまで前記燃料電池の発電を継続する燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池用補機は、前記燃料電池へ燃料を供給する燃料供給部である燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、前記モータ駆動用バッテリと駆動モータとを接続する電力供給ラインに接続され、
   前記燃料電池を前記電力供給ラインに接続する接続ラインの遮断及び導通の切り替えを行う切替スイッチと、
   前記切替スイッチを制御する制御部と、をさらに含み、
   前記第２電圧変換器は、
   前記接続ラインにおいて前記切替スイッチよりも前記燃料電池側に接続され、
   前記制御部は、
   前記モータ駆動用バッテリを前記電力供給ラインから遮断する制御を行う際に前記接続ラインを遮断する制御を前記切替スイッチに行う燃料電池システム。

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