JP6520749B2

JP6520749B2 - 燃料電池システムの制御方法

Info

Publication number: JP6520749B2
Application number: JP2016025080A
Authority: JP
Inventors: 克浩松嶋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: JP2017143711A

Description

本発明は、燃料電池と燃料電池の補助電力となる二次電池とを有する燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池（ＦＣ：Fuel Cell）で駆動される車両の補助電力として二次電池が用いられる。ユーザのアクセル要求等に基づく電力要求に対して基本的には燃料電池で電力が供給される。そして、燃料電池の供給電力とシステム全体の消費電力に差が発生する場合の電力の過不足分は、二次電池の充放電によって調整される。特許文献１には、車両の駆動輪を駆動するモータに電力を供給する電源として燃料電池と二次電池とを併用する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、電源として燃料電池と二次電池とを有し、二次電池には、出力側に電圧を昇圧するための昇圧コンバータが設けられている。昇圧コンバータは、平滑コンデンサを有し、この燃料電池システムでは、二次電池から平滑コンデンサに充電された電荷による電力により、燃料電池から供給される電力を補っている。

特開２０１１−０１０５０８号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池の電力が不足した場合の補助電力の供給に際し、補助電力は、予め定められた平滑コンデンサの容量の設計値に基づいて算出される。従って、この燃料電池システムによると、平滑コンデンサの容量値が製造時のばらつき等の理由により設計値よりも小さい場合、二次電池の充放電が増加し二次電池の劣化が速まる虞がある。
本発明は、補助電力である二次電池の設けられた昇圧コンバータ内の平滑コンデンサの容量値にばらつきがある場合に補助電力への負担を低減することができる燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の１態様は、電力を供給する燃料電池と、補助電力を供給する二次電池とを有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記二次電池の出力側に接続された昇圧コンバータが有する平滑コンデンサにプリチャージするステップと、
前記プリチャージの際の前記平滑コンデンサの電圧変化に基づいて前記平滑コンデンサの容量値を推定するステップと、
前記容量値と予め定められた基準値とに基づいて前記燃料電池から供給する電力を供給するステップと、を有し、
前記電力を供給するステップは、推定した前記容量値が前記基準値より小さい場合、前記燃料電池から供給する電力を加速時に増加し、減速時には減少させる、
燃料電池システムの制御方法である。

本発明は、平滑コンデンサがプリチャージされる際に平滑コンデンサの容量値を推定することにより、平滑コンデンサの設計値と実際の容量値との誤差によって生じる二次電池の充放電の負担を軽減することができる。

燃料電池システムの制御方法において、補助電力である二次電池の設けられた昇圧コンバータ内の平滑コンデンサの容量値にばらつきがある場合に補助電力の負担を低減することができる。

本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示したブロック図である。燃料電池システムが有するリレーの構成を示した図である。燃料電池システムが有する高圧コンバータの構成を示した図である。燃料電池の供給電力を補助電源で補助する状態を示したグラフである。補助電源のコンデンサの容量が小さい場合の補助電力の変化を示したグラフである。コンデンサの容量の変化による電源電流の変化を示したグラフである。プリチャージ時のコンデンサの電圧の経時変化を示した図である。推定したコンデンサ容量を用いて燃料電池システムの要求電力を補正する状態を示したグラフである。燃料電池システムの要求電力の補正による二次電池の負担が軽減される状態を示したグラフである。燃料電池システムにおいて要求電力を補正する処理を示したフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明にかかる燃料電池システムの実施形態について説明する。

図１から図３に示されるように、燃料電池システム１は、主電源である燃料電池６でトラクションモータ８等を駆動し、補助電源として二次電池２を用いる。二次電池２には、二次電池２の電圧を昇圧する高圧（昇圧）コンバータ（ＢＤＣ）４が接続されている。二次電池２と高圧コンバータ４との間には、二次電池２と高圧コンバータ４とを電気的に接続するためのシステムメインリレー（ＳＭＲ）３が接続されている。

システムメインリレー３は、二次電池２の一方の電極に接続するリレーＳＭＲＢと、二次電池２の他方の電極に接続し高圧コンバータ４内のコンデンサ４Ａ，４ＢをプリチャージするためのリレーＳＭＲＰと、プリチャージ後に動作するリレーＳＭＲＧと、を有する（図２参照）。リレーＳＭＲＰには、制限抵抗Ｒが接続されている。制限抵抗Ｒの端子間には、端子間電圧を監視する電圧推定部Ｖが接続されている。システムメインリレー３は、リレー制御信号により、リレーＳＭＲＢと、リレーＳＭＲＧと、リレーＳＭＲＰと、のそれぞれのリレーを制御する（図２参照）。それぞれのリレーの動作については後述する。

高圧コンバータ４は、二次電池２の入力電圧を昇圧して高圧電圧を出力する。高圧コンバータ４には、二次電池２側（入力側）のコンデンサ（平滑コンデンサ）４Ａと出力側のコンデンサ（平滑コンデンサ）４Ｂとを有する（図３参照）。高圧コンバータ４の入力側には、ウォータポンプ等の高圧補器５が接続されている。

一方、主電源となる燃料電池６の出力側には、電圧を昇圧する高圧コンバータ７が接続されている。高圧コンバータ４と高圧コンバータ７の出力側には、直流電力を交流電力に変換するインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２を介してトラクションモータ８とエアコンプレッサ９等の負荷が接続されている。上記構成により、燃料電池システム１は、燃料電池６を主電源とし、二次電池２を補助電源として上述した各負荷を駆動することができる。

図４に示されるように、ユーザのアクセル操作等によって加速過渡時に燃料電池システム１に対して要求されるシステム消費電力と、燃料電池６の供給電力との間には差がある。この差を調整するために、先ず高圧コンバータ４内のコンデンサ４Ａ，４Ｂに蓄積された電力分が供給される（領域Ｘ）。コンデンサ４Ａ，４Ｂで供給しきれない電力分は、二次電池２によって供給される（領域Ｙ）。

図５及び図６に示されるように、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量が設計値よりも小さい場合、コンデンサ４Ａ，４Ｂで供給される電力が不足し（領域Ｘ）、二次電池２で供給すべき電力が増大する（領域Ｙ）。そして、減速過渡時には、燃料電池システム１に対して電力が回生され、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量の不足分の電力が二次電池２に充電される。一方、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量が設計値よりも大きい場合、コンデンサ４Ａ，４Ｂで供給される電力に余剰分が生じ、二次電池２で供給すべき電力は、この余剰分減少する。そして、減速過渡時には、燃料電池システム１に対して電力が回生され、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量の過剰分の電力が二次電池２に充電されることはない。

即ち、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量が設計値よりも小さい場合、二次電池２に対して設計値よりも充放電量が増加し、二次電池２の劣化が促進される。二次電池２の劣化は、二次電池２の上下限電圧が守られないことによるもの、あるいは、充放電する電荷積算量が増加して劣化が促進されることによる要因が挙げられる。従って、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量が設計値に対してどれだけ差があるか監視し、燃料電池６の供給電力を適切に制御することが必要である。

燃料電池システム１では、電圧推定部Ｖ（図２参照）がシステムメインリレー３起動時にプリチャージされるコンデンサ４Ａ，４Ｂの静電容量の変化を監視し、コンデンサ４Ａ，４Ｂの実際の静電容量値を推定する。具体的には、プリチャージ時のシステムメインリレー３のリレーＳＭＲＰに接続された制限抵抗Ｒの端子間電圧を電圧推定部Ｖで監視することによってコンデンサ４Ａ，４Ｂの実際の静電容量値を推定する。

図７に示されるように、始動時にシステムメインリレー３において、リレー制御信号がオンに設定されるとリレーＳＭＲＢが閉じられる。その後、リレーＳＭＲＰの接点が閉じられる。これにより、高圧コンバータ４のコンデンサ４Ａ，４Ｂがプリチャージされる。コンデンサ４Ａ，４Ｂがプリチャージされた後、リレーＳＭＲＧの接点が閉じられ、リレーＳＭＲＰの接点が開放される。これにより、二次電池２から高圧コンバータ４へ電力が供給される。

上記のコンデンサ４Ａ，４Ｂのプリチャージの際に、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量が推定される。リレーＳＭＲＰの接点が閉じられ、コンデンサ４Ａ，４Ｂに電荷が時間の経過に従って蓄えられる。その時、コンデンサ４Ａ，４Ｂにかかる電圧ＶＨ（Ｖ（ｔ））の波形の変化は、

で与えられる。ここで、ＶＢ：プリチャージ後の定常電圧、Ｃ：コンデンサ４Ａ，４Ｂの合成容量、Ｒ：制限抵抗値である。この波形が、制限抵抗値Ｒとコンデンサ容量Ｃに依存する時、定数Ｔ＝ＲＣとすると、時間Ｔ後にＶ（ｔ）＝ＶＢ×６３．２％となるはずである。即ち、Ｒを一定と考えるとＣ∝Ｔである。これにより、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量の推定値Ｃ_ｅｓｔが学習される。

図８に示されるように、コンデンサ４Ａ，４Ｂの合成容量の推定値Ｃ_ｅｓｔが学習されると、燃料電池システム１の要求電力Ｐ_１（ｔ）は、要求電力Ｐ_２（ｔ）に補正される。コンデンサ４Ａ，４Ｂの合成容量の設計値をＣ_ｂａｓｅとすると、補正項Ｐ_1ｒｎ（ｔ）は、

で与えられる。ここで、ａ：比例定数である。従って、補正後の要求電力Ｐ_２（ｔ）は、

で与えられる。従って、燃料電池システム１は、推定した容量値Ｃ_ｅｓｔが予め定められた設計値（基準値）Ｃ_ｂａｓｅより小さい場合、燃料電池６から供給する電力を加速時に増加し、減速時には減少させる。

図９に示されるように、二次電池２が供給する電力は、上記の補正の対応前に比して減少している。即ち、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量の誤差に起因する電力誤差を補正することによって二次電池２の充放電の負担が緩和され、二次電池２が保護される。

次に、燃料電池システム１の制御方法の処理について説明する。

図１０に示されるように、燃料電池システム１において、システムメインリレー３が起動すると（Ｓ１００）、コンデンサ４Ａ，４Ｂはプリチャージされる（Ｓ１０１）。このとき、電圧推定部Ｖは、制限抵抗Ｒの端子間電圧を計測し、コンデンサ４Ａ，４Ｂの容量の推定値Ｃ_ｅｓｔを推定する（Ｓ１０２）。コンデンサ４Ａ，４Ｂへのプリチャージが終了すると、高圧補器５等の高電圧部品が起動される（Ｓ１０３）。その後、燃料電池システム１が起動し（Ｓ１０４）、燃料電池システム１の起動処理が終了する。

上述したように、燃料電池システム１によると、コンデンサ４Ａ，４Ｂへのプリチャージの際にコンデンサ４Ａ，４Ｂの容量を推定することができる。これにより、燃料電池システム１の二次電池２が供給する電力が適切に補正され、二次電池２の充放電の負担を緩和することによって二次電池２を長寿命化することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、数式（数１）において、コンデンサ４Ａ，４Ｂの合成容量の設計値とＣ_ｂａｓｅ推定値Ｃ_ｅｓｔとの比を用いて補正項補正項Ｐ_1ｒｎ（ｔ）を算出してもよい。即ち、ｂ：比例定数として以下のようにＰ_1ｒｎ（ｔ）を算出してもよい。

１燃料電池システム
２二次電池
３システムメインリレー
４高圧コンバータ
４Ａ，４Ｂコンデンサ
５高圧補器
６燃料電池
７高圧コンバータ
８トラクションモータ
９エアコンプレッサ
ＩＮＶ１，ＩＮＶ２インバータ
Ｒ制限抵抗
ＳＭＲＢリレー
ＳＭＲＧリレー
ＳＭＲＰリレー
Ｖ電圧推定部

Claims

電力を供給する燃料電池と、補助電力を供給する二次電池とを有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記二次電池の出力側に接続された昇圧コンバータが有する平滑コンデンサにプリチャージするステップと、
前記プリチャージの際の前記平滑コンデンサの電圧変化に基づいて前記平滑コンデンサの容量値を推定するステップと、
前記容量値と予め定められた基準値とに基づいて前記燃料電池から供給する電力を供給するステップと、を有し、
前記電力を供給するステップは、推定した前記容量値が前記基準値より小さい場合、推定した前記容量値が前記基準値以上である場合に比較して、前記燃料電池から供給する電力を加速時に増加し、減速時には減少させる、
燃料電池システムの制御方法。