JP6729700B2 - 車両システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両システムに関する。
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、高効率、長時間の安定性等の観点から車両に搭載すべき燃料電池として期待されている。固体酸化物型燃料電池を車両に搭載する場合には、発電した電力をモータ駆動用の高電圧バッテリに充電し、充電が完了したら発電を停止する構成となる。ところで、固体酸化物型燃料電池では、停止制御をする際にアノード電極を保護するための保護電圧を外部から当該燃料電池に印加する必要がある（特表２０１４−５２３０８１参照）。車両においては、前述の高電圧バッテリや車両の補機等を駆動させる低電圧バッテリを保護電圧の電源することが考えられる。
ところで、高電圧バッテリは、車両停止時、システムエラー時、低充電量時など様々なシーンでモータ駆動側、すなわち燃料電池と電気的に切り離される。このとき、低電圧バッテリが保護電圧の印加を行う場合が生じる。しかし、アノード電極保護用電圧の印加時間は長いため、低電圧バッテリで保護電圧の印加を行う場合には大容量の充電性能が必要となり、その分高価なものとなる。
本発明は、低電圧バッテリにより燃料電池に保護電圧を印加する場合において、低電圧バッテリの大容量化を回避可能な車両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車両システムは、車両を駆動するモータに電力を供給する高電圧蓄電装置と、これを充電する燃料電池と、が、燃料電池または高電圧蓄電装置の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第１電圧変換器により接続され、燃料電池と、低電圧蓄電装置と、が、低電圧蓄電装置の電圧を調整し、燃料電池に調整した電圧を印加する第２電圧変換器により接続された構成を有している。そして、高電圧蓄電装置または低電圧蓄電装置の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第３電圧変換器が、高電圧蓄電装置と低電圧蓄電装置との間に介装されていることを特徴とする。
図１は、本実施形態の車両システムの主要構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態の車両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、本実施形態の車両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、本実施形態の車両システムの車両駆動中において燃料電池スタックを停止制御させる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。
［車両システムの構成］
図１は、本実施形態における車両システム１０の主要構成を示すブロック図である。本実施形態の車両システム１０は、車両を駆動するモータ２８と、モータ２８にインバータ２６を介して電力を供給する高電圧バッテリ回路１４（高電圧蓄電装置）とが高電圧ライン１２（例えば２４０Ｖ−４００Ｖ）により接続されている。そして、この高電圧ライン１２に接続ライン３４が接続され、接続ライン３４に燃料電池スタック３６が電気的に接続された構成を有している。そして、燃料電池スタック３６に接続する入出力ライン４０と低電圧バッテリ５０（低電圧蓄電装置）に接続する低電圧ライン５２が第２電圧変換器５４を介して電気的に接続されている。さらに、低電圧ライン５２と接続ライン３４とが第３電圧変換器６４を介して電気的に接続されている。車両システム１０は、コントローラ７０（制御部）により全ての構成要素の制御が行われる。
高電圧ライン１２は、一方の端部が高電圧バッテリ回路１４に接続され、他方の端部がインバータ２６に接続されている。また、高電圧ライン１２にはＩＲセンサ３２が接続されている。さらに高電圧ライン１２には、第１分岐ライン１２Ａ（配線）が接続され、第１分岐ライン１２Ａは接続ライン３４に電気的に接続されている。
高電圧バッテリ回路１４は、高電圧ライン１２に電気的に接続される主電源１６（例えば２４０Ｖ−４００Ｖ）と、主電源１６のプラス極側に接続された第１リレー１８Ａと、主電源１６のマイナス極側に接続された第２リレー１８Ｂと、を有する。第１リレー１８Ａは、一方が主電源１６のプラス極に接続する内部配線２０Ａに接続され、他方が高電圧ライン１２のプラス側に接続する内部配線２０Ｂに接続されている。第２リレー１８Ｂは、一方が主電源１６のマイナス極に接続する内部配線２０Ｃに接続され、他方が高電圧ライン１２のマイナス側に接続する内部配線２０Ｄに接続されている。
高電圧バッテリ回路１４は、第１リレー１８Ａと並列に接続された第１充電回路２２を備えている。第１充電回路２２は、第３リレー１８Ｃと第１充電抵抗２２Ａの直列回路となっており、一方の端部が内部配線２０Ａに接続され、他方が内部配線２０Ｂに接続されている。また、高電圧バッテリ回路１４は、高電圧ライン１２のプラス側とマイナス側とを接続する第２充電回路２４を備えている。第２充電回路２４は、第４リレー１８Ｄと第２充電抵抗２４Ａとの直列回路となっており、一方の端部が内部配線２０Ｂに接続され、他方の端部が内部配線２０Ｄに接続されている。
第１充電回路２２、第２充電回路２４は、高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２に電気的に接続する際に一時的に使用してインバータ２６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高電圧バッテリ回路１４やインバータ２６等の破損を回避する。
インバータ２６は、高電圧ライン１２（プラス側、マイナス側）に接続され、高電圧バッテリ回路１４または燃料電池スタック３６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、これをモータ２８に供給してモータ２８を回転させるものである。また、インバータ２６は、車両のブレーキ時にモータ２８が発生する回生電力を直流電圧の電力に変換して高電圧バッテリ回路１４の主電源１６に充電することができる。
車両システム１０を停止させる場合等では、高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２から遮断するが、このとき、インバータ２６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、遮断後においても高電圧ライン１２は高い電圧を維持している。しかし、漏電防止のため、高電圧ライン１２の電圧を所定電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧させる必要がある。そこで、インバータ２６には、キャパシタが蓄えた電荷を放電して高電圧ライン１２の電圧を降圧させるための第１放電回路３０が取り付けられている。
ＩＲセンサ３２は、高電圧ライン１２のマイナス側と車両のボディ（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。そして、この浮遊容量から高電圧ライン１２のボディに対する絶縁抵抗を換算する。よって、絶縁抵抗の大きさから高電圧ライン１２の漏電の有無を判別することができる。このとき、絶縁抵抗の大きさが所定の抵抗値よりも大きければ絶縁状態は良好であると判断し、当該抵抗値よりも低ければ絶縁異常があると判断することができる。
燃料電池スタック３６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（アノードガス）が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化ガス（カソードガス）として酸素を含む空気が供給されるカソード電極（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３６は、入出力ライン４０に接続され、第１電圧変換器４２を介して接続ライン３４に接続されている。なお、燃料電池スタック３６には、燃料電池スタック３６内の温度を測定する温度センサ３８が取り付けられている。
第１電圧変換器４２は、一方が接続ライン３４に接続され他方が入出力ライン４０を介して燃料電池スタック３６に接続されている。第１電圧変換器４２は、例えば、燃料電池スタック３６を電流源（電圧源）とし、高電圧バッテリ回路１４を電圧源とする双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであり、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御や、ＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）制御により直流電圧の変換を行う。
第１電圧変換器４２は、燃料電池スタック３６の発電中は、燃料電池スタック３６（入出力ライン４０）の電圧を昇圧（調整）し、昇圧後の電圧（電力）（調整した電圧（電力））を接続ライン３４及び高電圧ライン１２を介して高電圧バッテリ回路１４に供給する出力電圧制御（出力電力制御）を行う。逆に、燃料電池スタック３６に電圧（後述の保護電圧）を印加する場合には、高電圧バッテリ回路１４（高電圧ライン１２、接続ライン３４）の電圧を降圧して降圧後の電圧を、燃料電池スタック３６に入出力ライン４０を介して印加する出力電圧制御を行う。
入出力ライン４０からは第２分岐ライン４０Ａが分岐し、低電圧ライン５２からは第３分岐ライン５２Ａが分岐している。そして、第２分岐ライン４０Ａと第３分岐ライン５２Ａは第２電圧変換器５４を介して接続されている。
第２電圧変換器５４は、低電圧バッテリ５０を電圧源とした一方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。第２電圧変換器５４は、低電圧バッテリ５０（第３分岐ライン５２Ａ）の電圧を昇圧（調整）して昇圧後の電圧（調整した電圧）を燃料電池スタック３６に入出力ライン４０を介して印加する出力電圧制御を行う。
第３電圧変換器６４は、一方がバイパスライン６２に接続され他方が低電圧ライン５２を介して低電圧バッテリ５０に接続されている。第３電圧変換器６４は、一方の電圧源を高電圧バッテリ回路１４（または燃料電池スタック３６）とし、他方の電圧源を低電圧バッテリ５０とした双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。
第３電圧変換器６４は、低電圧バッテリ５０を充電する場合は、高電圧バッテリ回路１４（バイパスライン６２）の電圧を降圧（調整）して降圧後の電圧（調整した電圧）を低電圧バッテリ５０に低電圧ライン５２を介して印加する出力電圧制御を行う。逆に、低電圧バッテリ５０がバイパスライン６２側に放電する場合は、低電圧バッテリ５０（低電圧ライン５２）の電圧を昇圧して昇圧後の電圧をバイパスライン６２側に印加する出力電圧制御を行う。
接続ライン３４と第１分岐ライン１２Ａとの間には、接続ライン３４の導通のオンオフを行う第５リレー４６Ａ（遮断回路）、第６リレー４６Ｂ（遮断回路）が設けられている。第５リレー４６Ａは、一方が第１分岐ライン１２Ａのプラス側に接続され、他方が接続ライン３４のプラス側に接続されている。第６リレー４６Ｂは、一方が第１分岐ライン１２Ａのマイナス側に接続され、他方が接続ライン３４のマイナス側に接続されている。第５リレー４６Ａ及び第６リレー４６Ｂは、車両駆動中（所謂アイドリングストップ（一時停止）状態を含む）は導通状態（ＯＮ状態）となっている。しかし、車両停止中は高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２から遮断して高電圧ライン１２を降圧するので、第５リレー４６Ａ及び第６リレー４６Ｂの導通は遮断される（ＯＦＦ状態となる）。
第５リレー４６Ａを跨ぐように第３充電回路４８が設けられている。第３充電回路４８は、第７リレー４６Ｃと第３充電抵抗４８Ａとの直列回路となっており、一方が第１分岐ライン１２Ａのプラス側に接続され、他方が接続ライン３４のプラス側に接続されている。
第３充電回路４８は、第１分岐ライン１２Ａと接続ライン３４とを電気的に接続する際に一時的に使用して第１電圧変換器４２の接続ライン３４側のキャパシタ及び第３電圧変換器６４のバイパスライン６２側のキャパシタに電荷を充電させるものである。これにより、第１分岐ライン１２Ａと接続ライン３４との電気的接続時の突入電流を回避して高電圧バッテリ回路１４、第１電圧変換器４２、第３電圧変換器６４の破損を回避する。
第１電圧変換器４２には、第２放電回路４４が設けられている。第２放電回路４４は、第５リレー４６Ａ及び第６リレー４６ＢがＯＦＦの状態のときに動作させるものであり、第１電圧変換器４２の接続ライン３４側のキャパシタを放電して接続ライン３４を降圧するものである。また、接続ライン３４は、バイパスライン６２に接続されているため、第２放電回路４４をＯＮにすると第１電圧変換器４２の接続ライン３４側のキャパシタのみならず、第３電圧変換器６４のバイパスライン６２側のキャパシタも放電させることができる。よって、第２放電回路４４をＯＮにすると接続ライン３４及びバイパスライン６２を降圧させることができる。
第２分岐ライン４０Ａには、電圧センサ５６（故障検出部）、電流センサ５８（故障検出部）が取り付けられている。電圧センサ５６及び電流センサ５８は、第２電圧変換器５４の出力側の電圧、電流を計測する。また、第２分岐ライン４０Ａには第８リレー６０が取り付けられている。第８リレー６０は通常第２分岐ライン４０Ａを導通状態にしているが、後述のように、第２電圧変換器５４が故障した場合には第２分岐ライン４０Ａの導通を遮断する。
なお、電圧センサ５６、電流センサ５８は、入出力ライン４０の燃料電池スタック３６近傍となる位置の電圧、電流を検出できるように配置してもよい。そして、コントローラ７０は、それらの電圧、電流が、第２電圧変換器５４の設定電圧、設定電流より低い場合に第２電圧変換器５４が故障していると判断してもよい。
第３分岐ライン５２Ａには、第４電圧変換器６６を介して燃料電池用補機６８が接続されている。図示を省略するが、燃料電池用補機６８としては、燃料電池スタック３６に燃料ガスを供給する燃料ポンプ、燃料電池スタック３６に酸化ガスを供給するコンプレッサ、燃料電池スタック３６に供給する燃料ガスや酸化ガスの流量を調整するバルブ、燃料電池スタック３６を起動する起動燃焼器等がある。その他、第３分岐ライン５２Ａには車両に付属する機器類が電気的に接続される。
コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。コントローラ７０は、上記車両システム１０を構成する構成要素に接続され、以下に示す起動制御、通常発電制御、停止制御を行うことができる。
ここで、コントローラ７０は、高電圧バッテリ回路１４（主電源１６）の充電量（状態）を検出する高電圧蓄電装置状態検出手段と、低電圧バッテリ５０の充電量（状態）を検出する低電圧蓄電装置状態検出手段を兼ねているが、これらの検出手段を独立に設けてもよい。また、コントローラ７０は、第１電圧変換器４２、第２電圧変換器５４、第３電圧変換器６４を制御対象としているが、各電圧変換器が個別の制御部により制御できるようにしてもよい。さらに、コントローラ７０は、故障検出部として、第２電圧変換器５４がＰＷＭ信号やＰＦＭ信号を正常に発しているか否か判断するようにしてもよい。
［車両システムの起動制御の手順］
本実施形態の車両システム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。車両システム１０の起動制御としては、燃料電池スタック３６を発電させるための起動制御を行いつつ高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２に接続し、低電圧バッテリ５０の充電量が所定値よりも低い場合は高電圧バッテリ回路１４で低電圧バッテリ５０を充電する制御を行う。初期状態において、第１リレー１８Ａ乃至第４リレー１８ＤはＯＦＦ状態、第５リレー４６Ａ乃至第７リレー４６ＣはＯＦＦ、第８リレー６０はＯＮ状態に、高電圧ライン１２及び接続ライン３４は所定の電圧（例えば６０Ｖ）以下に降圧されている。また、高電圧バッテリ回路１４の主電源１６は、その充電量が所定値以上に充電されているものとする。
システムが起動制御を開始すると、ステップＳ１０１において、コントローラ７０は、第４電圧変換器６６を駆動させて、補機（コンプレッサ、ポンプ、起動燃焼器等）を起動させて燃料電池スタック３６に対する起動制御を開始する。その際、補機は、低電圧バッテリ５０からの電力により駆動する。起動制御においては、起動燃焼器に起動用の燃料と空気を供給し、これらを混合させた混合ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成し、これを酸化ガスの代わりに燃料電池スタック３６のカソードに供給して燃料電池スタック３６を発電に必要になる温度（電解質層が酸素イオンを伝導可能となる温度）になるまで加熱する。
ステップＳ１０２において、コントローラ７０は、ＩＲセンサ３２を用いて高電圧ライン１２の絶縁検査を実施する。ここで、絶縁抵抗が良好であれば次のステップＳ１０３に移行するが、万が一不良と判断されれば、コントローラ７０は絶縁異常を発報して起動制御を中止する。
ステップＳ１０３において、コントローラ７０は、第２リレー１８Ｂ、第３リレー１８ＣをＯＮにする。これにより、高電圧バッテリ回路１４を、第１充電回路２２を介して高電圧ライン１２に接続し、高電圧ライン１２、インバータ２６を所定の電圧（例えば２４０−４００Ｖ）にまで昇圧する。このとき、コントローラ７０は第４リレー１８ＤもＯＮにしてインバータ２６に並列に接続された第２充電回路２４にも通電する。
ステップＳ１０３の所定時間後に、ステップＳ１０４において、コントローラ７０は、第１リレー１８ＡをＯＮにし、その後第３リレー１８ＣをＯＦＦにし、第１充電回路２２を遮断して高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２に直接接続する。また、このとき、コントローラ７０は、第４リレー１８ＤもＯＦＦにして第２充電回路２４を遮断する。これによりモータ２８は、高電圧バッテリ回路１４から電力供給を受け、ドライバーのアクセル操作に基づいて任意の回転速度で回転することができる。
ステップＳ１０５において、コントローラ７０は、第６リレー４６Ｂ、第７リレー４６ＣをＯＮにし、第３充電回路４８を介して第１電圧変換器４２（キャパシタ）の接続ライン３４に接続する側、及び第３電圧変換器６４（キャパシタ）のバイパスライン６２に接続する側を高電圧ライン１２に電気的に接続し高電圧ライン１２の電圧まで昇圧（充電）する。
ステップＳ１０５の所定時間経過後に、ステップＳ１０６において、コントローラ７０は第５リレー４６ＡをＯＮにし、第７リレー４６ＣをＯＦＦにして高電圧ライン１２を接続ライン３４に直接接続する。
ステップＳ１０７において、コントローラ７０は、低電圧バッテリ５０の充電量を検出し、検出された充電量が所定値以上であるか否か判断する。そして、ＹＥＳ（是）と判断した場合、すなわち、充電量が所定値以上である場合は、後述のステップＳ１０９に移行し、ＮＯ（否）の場合、すなわち充電量が所定量よりも低い場合には、後述のステップＳ１０８に移行する。
ステップＳ１０８において、コントローラ７０は、第３電圧変換器６４をＯＮにし、低電圧ライン５２に所定の電圧（例えば２４Ｖ）を印加する。このとき、第３電圧変換器６４は低電圧ライン５２に接続する側の出力電圧制御となっている。これにより、低電圧バッテリ５０は、高電圧バッテリ回路１４から第３電圧変換器６４を介して充電される。また、燃料電池スタック３６を発電させるための補機は、低電圧バッテリ５０及び第３電圧変換器６４から電力供給を受けて駆動することができる。
ステップＳ１０９において、コントローラ７０は、温度センサ３８が測定する温度により、燃料電池スタック３６が発電に必要な動作温度に到達したか否か判断する。コントローラがＮＯ（否）と判断する場合は、ステップＳ１０７またはステップＳ１０８までの状態を継続する。一方、コントローラ７０がＹＥＳ（是）と判断すると、ステップＳ１１０において、コントローラ７０は、起動燃焼器への燃料と空気の供給、起動燃焼器の動作を停止させて燃料電池スタック３６に対する起動制御を停止する。その後、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６のアノードに燃料ガス（改質ガス）を供給しカソードに酸化ガス（空気）を供給して電気化学反応により燃料電池スタック３６を発電させる。
ステップＳ１１１において、コントローラ７０は、第１電圧変換器４２をＯＮにし、接続ライン３４に接続する側の出力電圧制御状態にする。これにより、燃料電池スタック３６は、発電した電力を、第１電圧変換器４２を介して高電圧バッテリ回路１４に供給し、第３電圧変換器６４を介して低電圧ライン５２に供給できるようになる。以上より、車両システム１０の起動制御が終了する。
［車両システムの通常発電制御］
モータ２８は、高電圧バッテリ回路１４及び燃料電池スタック３６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、モータ２８は、ブレーキ時に回生電力を発生させるが、これがインバータ２６を介して高電圧バッテリ回路１４に充電される。
高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値よりも低い場合は、燃料電池スタック３６が第１電圧変換器４２を介して高電圧バッテリ回路１４を充電する。また、車両が所謂アイドリングストップ（一時停止）している場合でも、高電圧バッテリ回路１４が充電を必要している限り、高電圧バッテリ回路１４は燃料電池スタック３６により充電される。そして、高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値以上となった場合は、後述のように燃料電池スタック３６の停止制御を行う。
低電圧バッテリ５０は、第３電圧変換器６４を介して高電圧バッテリ回路１４、及び／若しくは、燃料電池スタック３６からの電力供給を受けて充電される。そして、低電圧バッテリ５０の充電量が所定値以上となったら第３電圧変換器６４を介した低電圧バッテリ５０への充電を停止する。これらの動作は、コントローラ７０の通常発電制御として実行される。
［燃料電池スタックの停止制御］
本実施形態において、燃料電池スタック３６の停止制御を行う場面としては、車両を停止させてシステム全体を停止させる場合や、車両が駆動中であっても、高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値以上の状態であって燃料電池スタック３６の発電が不要な場合、漏電等のシステムエラーが発生して高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２から遮断する必要がある場合等に行われる。
燃料電池スタック３６の停止制御においては、ポンプを停止して燃料ガスの供給を停止し、コンプレッサを引き続き動作させて酸化ガスを冷却ガスとして供給し、アノード電極の酸化を回避できる所定温度にまで低下させる。その際、燃料電池スタック３６にはアノード電極を酸化から保護するための保護電圧を印加する必要がある。この保護電圧は燃料電池スタック３６の発電時の開放電圧相当の電圧値（例えば６０Ｖ）となっている。
このとき、コントローラ７０は、車両の運転（駆動、停止）状態に基づいて、第１電圧変換器４２及び第３電圧変換器６４に対して電圧の変換方向の切替制御を行うことで、保護電圧の供給源を高電圧バッテリ回路１４及び低電圧バッテリ５０から選択し、以下に述べるように保護電圧の供給経路を切り替えるようにしている。特に、第２電圧変換器５４が何らかの原因で故障した場合であっても、保護電圧の経路を変更できるようになっている。
［車両システムの停止制御の手順］
本実施形態において、車両停止に伴う車両システム１０の停止制御としては、高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２から遮断する制御をしつつ燃料電池スタック３６の停止制御を行う。
本実施形態の車両システム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、コントローラ７０は、第１リレー１８Ａ、第２リレー１８ＢをＯＦＦにして、高電圧バッテリ回路１４を高電圧ライン１２から遮断する。
ステップＳ２０２において、コントローラ７０は、第５リレー４６Ａ、第６リレー４６ＢをＯＦＦにして接続ライン３４を高電圧ライン１２から遮断し、第１放電回路３０をＯＮにして高電圧ライン１２を降圧する。これにより、高電圧ライン１２は降圧されるが、接続ライン３４及びバイパスライン６２は遮断前の電圧が維持され、第１電圧変換器４２の接続ライン３４に接続する側のキャパシタの充電状態、及び第３電圧変換器６４のバイパスライン６２に接続する側のキャパシタの充電状態がそれぞれ維持される。
ステップＳ２０３において、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を開始する。その際、コントローラ７０は、第２電圧変換器５４をＯＮにする。これにより、低電圧バッテリ５０が第２電圧変換器５４を介して保護電圧を燃料電池スタック３６に印加する。
ステップＳ２０４において、コントローラ７０は、電圧センサ５６が検出する電圧値または電流センサ５８が検出する電流値がそれぞれ所定の値以上であるか否か判断する。
ステップＳ２０４において、コントローラ７０がＹＥＳ（是）と判断する、すなわち電圧値または電流値がそれぞれ所定の値以上と判断した場合、後述のステップＳ２０７に移行する。一方、コントローラ７０がＮＯ（否）と判断する、すなわち電圧値や電流値がそれぞれ所定の値より小さい場合、第２電圧変換器５４の燃料電池スタック３６に対する悪影響を回避するため、ステップＳ２０５において、コントローラ７０は第８リレー６０をＯＦＦ（遮断）にする。なお、第２電圧変換器５４の故障の有無は、ＰＷＭ信号やＰＦＭ信号に異常が有るか否か（例えば発振していない場合）によっても判断することができる。そして、以下に示すように、低電圧バッテリ５０が第３電圧変換器６４、第１電圧変換器４２を介して保護電圧を燃料電池スタック３６に印加するための手順を行う。
ステップＳ２０６において、コントローラ７０は、第１電圧変換器４２を入出力ライン４０に接続する側の出力電圧制御に切り替え、第３電圧変換器６４をバイパスライン６２に接続する側の出力電圧制御に切り替える。これにより、低電圧バッテリ５０から出力される保護電圧は、低電圧ライン５２、第３電圧変換器６４、バイパスライン６２、接続ライン３４、第１電圧変換器４２、入出力ライン４０を介して燃料電池スタック３６に印加される。
その際、バイパスライン６２及び接続ライン３４は、第５リレー４６Ａ及び第６リレー４６Ｂを遮断する前の電圧にほぼ維持されているので、バイパスライン６２及び接続ライン３４を昇圧させる必要がほとんどなく、その分、低電圧バッテリ５０の電力消費を低減することができる。
ステップＳ２０７において、コントローラ７０は、温度センサ３８が検出する温度に基づいて、燃料電池スタック３６の温度がアノード電極の酸化を回避できる所定温度にまで低下したか否か判断する。そして、コントローラ７０がＮＯ（否）と判断した場合は、ステップＳ２０４に戻る。
一方、コントローラ７０がＹＥＳ（是）と判断した場合は、ステップＳ２０８において、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を終了する。このとき、コントローラ７０は、コンプレッサ、第１電圧変換器４２、第２電圧変換器５４、第３電圧変換器６４をＯＦＦにする。これにより、燃料電池スタック３６に対する冷却ガスの供給、及び保護電圧の印加は停止する。
ステップＳ２０９において、コントローラ７０は、第２放電回路４４をＯＮにして、接続ライン３４及びバイパスライン６２を降圧する。以上により、車両システム１０の停止制御は終了する。
図３に示すように、ステップＳ２０２の後は、ステップＳ２０３〜ステップＳ２０７の代わりに、ステップＳ２０３Ａ及びステップＳ２０７Ａを実行することもできる。ステップＳ２０３Ａにおいて、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を開始する。その際、第２電圧変換器５４をＯＮにせず、第１電圧変換器４２を入出力ライン４０に接続する側の出力電圧制御に切替制御し、第３電圧変換器６４をバイパスライン６２に接続する側の出力電圧制御に切り替える。
ステップＳ２０７Ａにおいて、コントローラ７０は、温度センサ３８が検出する温度に基づいて、燃料電池スタック３６の温度がアノード電極の酸化を回避できる所定温度にまで低下したか否か判断する。そして、コントローラ７０がＮＯ（否）と判断した場合は、ステップＳ２０３Ａ後の状態を維持し、ＹＥＳ（是）の場合は、前述のステップＳ２０８に移行する。この手順は、燃料電池スタック３６の停止制御前に、ＰＭＷ信号、ＰＦＭ信号の有無や不調等により第２電圧変換器５４が故障していることが予めわかっている（第８リレー６０を遮断している）ときに好適な手順となる。
［車両駆動中の燃料電池スタックの停止制御の手順］
本実施形態の車両システム１０の車両駆動中において燃料電池スタック３６を停止制御させる手順を図４に示すフローチャートを用いて説明する。ここでは、高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値以上である場合は、高電圧バッテリ回路１４が燃料電池スタック３６に保護電圧を印加するが、当該充電量が所定値よりも低い場合は低電圧バッテリ５０が燃料電池スタック３６に保護電圧を印加する。
ステップＳ３０１において、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を開始する。このとき、コントローラ７０は、第１リレー１８Ａ、第２リレー１８Ｂ、第５リレー４６Ａ、第６リレー４６ＢのＯＮ状態を維持する。なお、第３電圧変換器６４はＯＮ状態でもＯＦＦ状態でもよい。
ステップＳ３０２において、コントローラ７０は、高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値以上であるか否か判断する。そして、ＹＥＳ（是）と判断した場合、すなわち当該充電量が所定値以上である場合は次のステップＳ３０３に移行し、逆にＮＯ（否）と判断した場合、すなわち当該充電量が所定値よりも低い場合は後述のステップＳ３０６に移行する。
ステップＳ３０３において、コントローラ７０は、第１電圧変換器４２を入出力ライン４０に接続する側の出力電圧制御に切り替える。これにより、高電圧バッテリ回路１４は第１電圧変換器４２を介して燃料電池スタック３６に保護電圧を印加する。
ステップＳ３０４において、コントローラ７０は、高電圧バッテリ回路１４が燃料電池スタック３６に保護電圧を印加している状態で、高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値よりも高い状態を維持しているか否か判断する。そしてＹＥＳ（是）と判断した場合は、次のステップＳ３０５に移行し、ＮＯ（否）と判断した場合は、後述のステップＳ３０６に移行する。
ステップＳ３０５において、コントローラ７０は、温度センサ３８が検出する温度に基づいて、燃料電池スタック３６の温度がアノード電極の酸化を回避できる所定温度にまで低下したか否か判断する。そして、コントローラ７０がＮＯ（否）と判断した場合は、ステップＳ３０２に戻り、ＹＥＳ（是）と判断した場合は、次のステップＳ３０７に移行する。
ステップＳ３０７において、コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を終了する。このとき、コントローラ７０は、コンプレッサ、第１電圧変換器４２をＯＦＦにする。これにより、燃料電池スタック３６に対する冷却ガスの供給、及び保護電圧の印加が停止する。一方、コントローラ７０は第３電圧変換器６４がＯＮ状態であれば、その状態を引き続き維持することができる。これにより、高電圧バッテリ回路１４は、引き続き第３電圧変換器６４を介して低電圧バッテリ５０を充電することができる。
ステップＳ３０２またはステップＳ３０４でＮＯ（否）と判断した場合、ステップＳ３０６において、コントローラ７０は、第５リレー４６Ａ及び第６リレー４６ＢをＯＦＦにして接続ライン３４を高電圧ライン１２から遮断する。これにより、高電圧バッテリ回路１４が接続ライン３４側に電力を供給することを回避できる。またコントローラ７０は、第２電圧変換器５４をＯＮにする。これにより、低電圧バッテリ５０は第２電圧変換器５４を介して燃料電池スタック３６に保護電圧を印加することができる。
その後コントローラ７０は、前述のステップＳ２０４〜ステップＳ２０７を実行し、その後ステップＳ３０７を実行する。なお、車両駆動中は、高電圧バッテリ回路１４は高電圧ライン１２に接続された状態を維持している。よって、車両駆動中に燃料電池スタック３６の発電を再開する場合は、図２のステップＳ１０５以降を順に実行すればよい。
［本実施形態の効果］
本実施形態に係る車両システム１０は、車両を駆動するモータ２８と、モータ２８に接続され、モータ２８に電力を供給する高電圧バッテリ回路１４と、高電圧バッテリ回路１４と接続されこれを充電する燃料電池スタック３６と、燃料電池スタック３６に接続される低電圧バッテリ５０と、を備える。また、燃料電池スタック３６と高電圧バッテリ回路１４との間に介装され、燃料電池スタック３６または高電圧バッテリ回路１４の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第１電圧変換器４２と、燃料電池スタック３６と低電圧バッテリ５０との間に介装され、低電圧バッテリ５０の電圧を調整し、燃料電池スタック３６に調整した電圧を印加する第２電圧変換器５４と、を備える車両システム１０である。この車両システム１０は、高電圧バッテリ回路１４と低電圧バッテリ５０との間に介装され、高電圧バッテリ回路１４または低電圧バッテリ５０の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第３電圧変換器６４を備えることを特徴とする。
これにより、車両駆動中（燃料電池スタック３６発電時）において、低電圧バッテリ５０は第３電圧変換器６４を介して高電圧バッテリ回路１４及び燃料電池スタック３６から電力供給を受けて充電される。よって、燃料電池スタック３６の停止制御を行う前までに予め低電圧バッテリ５０を十分に充電させておくことができる。従って、低電圧バッテリ５０の容量を大型化する必要がなく、システム全体を小型化することができる。また、低電圧バッテリ５０から燃料電池スタック３６に電圧（保護電圧）を印加する場合は、第２電圧変換器５４から電圧を印加する供給経路のみならず、第３電圧変換器６４、第１電圧変換器４２を介して電圧を印加する供給経路も選択できるので、システムの信頼性を高めることができる。
第１電圧変換器４２及び第３電圧変換器６４を制御するコントローラ７０と、低電圧バッテリ５０の状態（充電量）を検出する低電圧蓄電装置状態検出手段（コントローラ７０）と、を備える。コントローラ７０は、低電圧バッテリ５０の状態に基づいて、高電圧バッテリ回路１４から第３電圧変換器６４を介し、及び／または、燃料電池スタック３６から第１電圧変換器４２及び第３電圧変換器６４を介して低電圧バッテリ５０を充電する制御を行うことを特徴とする。これにより、低電圧バッテリ５０への充電を高電圧バッテリ回路１４、及び／または、燃料電池スタック３６を用いて効率よく行い、燃料電池スタック３６の停止制御前において低電圧バッテリ５０の充電量を確保できる。
高電圧バッテリ回路１４の状態（充電量）を検出する高電圧蓄電装置状態検出手段（コントローラ７０）を備える。コントローラ７０は、さらに第２電圧変換器５４を制御し、燃料電池スタック３６の停止制御を行う際に、高電圧バッテリ回路１４がオフ状態、またはオン状態でかつ高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値より小さい場合、低電圧バッテリ５０から第２電圧変換器５４を介し、または、低電圧バッテリ５０から第３電圧変換器６４及び第１電圧変換器４２を介して、燃料電池スタック３６へ電圧（保護電圧）を印加する制御を行うことを特徴とする。これにより、電圧（保護電圧）の供給源及び供給経路を複数備えることで、システム全体の信頼性を高めることができる。
高電圧バッテリ回路１４の状態を検出する高電圧蓄電装置状態検出手段（コントローラ７０）を備える。コントローラ７０は、さらに第２電圧変換器５４を制御し、燃料電池スタック３６の停止制御を行う際に、高電圧バッテリ回路１４がオフ状態、または高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値より小さい場合、低電圧バッテリ５０から第２電圧変換器５４を介して、燃料電池スタック３６へ電圧（保護電圧）を印加する制御を行うことを特徴とする。これにより、低電圧バッテリ５０は、高電圧バッテリ回路１４が燃料電池スタック３６に電圧を印加することができない状態にある場合に限り燃料電池スタック３６に電圧を印加することになるので、その分、低電圧バッテリ５０の電力消費を削減することができる。
第２電圧変換器５４の故障の有無を検出する故障検出部（電圧センサ５６、電流センサ５８、コントローラ７０）を備える。コントローラ７０は、低電圧バッテリ５０から第２電圧変換器５４を介して燃料電池スタック３６へ電圧（保護電圧）を印加している際に故障を検出した場合に、第２電圧変換器５４の駆動を停止させ、低電圧バッテリ５０から第３電圧変換器６４及び第１電圧変換器４２を介して燃料電池スタック３６に電圧（保護電圧）を印加する制御を行うことを特徴とする。これにより、第２電圧変換器５４が故障しても、低電圧バッテリ５０は第３電圧変換器６４及び第１電圧変換器４２を介して燃料電池スタック３６に保護電圧を引き続き印加することができる。
コントローラ７０は、故障を検出した場合に、第１電圧変換器４２の高電圧バッテリ回路１４に接続する側の出力電圧制御から燃料電池スタック３６に接続する側の出力電圧制御に切り替え、第３電圧変換器６４の低電圧バッテリ５０に接続する側の出力電圧制御から第１電圧変換器４２に接続する側の出力電圧制御に切り替える制御を行うことを特徴とする。これにより、第１電圧変換器４２及び第３電圧変換器６４に対する制御を変更するのみで低電圧バッテリ５０が第３電圧変換器６４及び第１電圧変換器４２を介して燃料電池スタック３６に保護電圧を印加することができる。
第２電圧変換器５４と燃料電池スタック３６とは、第８リレー６０を介して接続され、コントローラ７０は、故障を検出すると第８リレー６０の導通を遮断する制御を行うことを特徴とする。これにより、第２電圧変換器５４が故障した場合に、故障した第２電圧変換器５４を介した燃料電池スタック３６の短絡等を回避して、システム全体の安全性を確保することができる。
故障検出部（電圧センサ５６、電流センサ５８）は、第２電圧変換器５４と燃料電池スタック３６の間の電圧または電流を検出し、当該電圧または当該電流が所定の値より小さい場合に故障があると判断することを特徴とする。これにより、第２電圧変換器５４の故障を簡易な方法で確実に検出することができる。
コントローラ７０は、燃料電池スタック３６の停止制御を行う際に、高電圧バッテリ回路１４がオン状態かつ高電圧バッテリ回路１４の充電量が所定値以上である場合、高電圧バッテリ回路１４から第１電圧変換器４２を介して燃料電池スタック３６に電圧（保護電圧）を印加する制御を行うことを特徴とする。これにより、車両駆動中は高電圧バッテリ回路１４が保護電圧を燃料電池スタック３６に印加するので、その分、低電圧バッテリ５０の電力消費を削減することができる。
コントローラ７０は、第１電圧変換器４２の高電圧バッテリ回路１４に接続する側の出力電圧制御から燃料電池スタック３６に接続する側の出力電圧制御に切り替える制御を行うことを特徴とする。これにより、第１電圧変換器４２に対する制御を変更するのみで第１電圧変換器４２を介して保護電圧を燃料電池スタック３６に印加することができる。

Claims (10)

  1. 車両を駆動するモータと、
    前記モータに接続され、前記モータに電力を供給する高電圧蓄電装置と、
    前記高電圧蓄電装置と接続されこれを充電する燃料電池と、
    前記燃料電池に接続される低電圧蓄電装置と、を備え、
    前記燃料電池と前記高電圧蓄電装置との間に介装され、前記燃料電池または前記高電圧蓄電装置の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第１電圧変換器と、
    前記燃料電池と前記低電圧蓄電装置との間に介装され、前記低電圧蓄電装置の電圧を調整し、前記燃料電池に調整した電圧を印加する第２電圧変換器と、
    前記高電圧蓄電装置と前記低電圧蓄電装置との間に介装され、前記高電圧蓄電装置または前記低電圧蓄電装置の電圧を調整し、他方に電力を供給する双方向型の第３電圧変換器と、
    前記第１電圧変換器、前記第２電圧変換器、及び前記第３電圧変換器を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記燃料電池の停止制御を行う際に、前記低電圧蓄電装置から前記第２電圧変換器を介し、または、前記低電圧蓄電装置から前記第３電圧変換器及び前記第１電圧変換器を介して、前記燃料電池へ電圧を印加する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  2. 請求項１に記載の車両システムにおいて、
    前記低電圧蓄電装置の状態を検出する低電圧蓄電装置状態検出手段、を備え、
    前記制御部は、前記低電圧蓄電装置の状態に基づいて、前記高電圧蓄電装置から前記第３電圧変換器を介し、及び／または、前記燃料電池から前記第１電圧変換器及び前記第３電圧変換器を介して前記低電圧蓄電装置を充電する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  3. 請求項２に記載の車両システムにおいて、
    前記高電圧蓄電装置の状態を検出する高電圧蓄電装置状態検出手段を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池の停止制御を行う際に、前記高電圧蓄電装置がオフ状態、またはオン状態でかつ前記高電圧蓄電装置の充電量が所定値より小さい場合、前記低電圧蓄電装置から前記第２電圧変換器を介し、または、前記低電圧蓄電装置から前記第３電圧変換器及び前記第１電圧変換器を介して、前記燃料電池へ電圧を印加する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  4. 請求項２に記載の車両システムにおいて、
    前記高電圧蓄電装置の状態を検出する高電圧蓄電装置状態検出手段を備え、
    前記制御部は、前記燃料電池の停止制御を行う際に、前記高電圧蓄電装置がオフ状態、または前記高電圧蓄電装置の充電量が所定値より小さい場合、前記低電圧蓄電装置から前記第２電圧変換器を介して、前記燃料電池へ電圧を印加する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  5. 請求項４に記載の車両システムにおいて、
    前記第２電圧変換器の故障の有無を検出する故障検出部を備え、
    前記制御部は、前記低電圧蓄電装置から前記第２電圧変換器を介して前記燃料電池へ電圧を印加している際に故障を検出した場合に、前記第２電圧変換器の駆動を停止させ、前記低電圧蓄電装置から前記第３電圧変換器及び前記第１電圧変換器を介して前記燃料電池に電圧を印加する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  6. 請求項５に記載の車両システムにおいて、
    前記制御部は、故障を検出した場合に、前記第１電圧変換器の前記高電圧蓄電装置に接続する側の出力電圧制御から前記燃料電池に接続する側の出力電圧制御に切り替え、前記第３電圧変換器の前記低電圧蓄電装置に接続する側の出力電圧制御から前記第１電圧変換器に接続する側の出力電圧制御に切り替える制御を行うことを特徴とする車両システム。
  7. 請求項５または６に記載の車両システムにおいて、
    前記第２電圧変換器と前記燃料電池とは、リレーを介して接続され、
    前記制御部は、故障を検出すると前記リレーの導通を遮断する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の車両システムにおいて、
    前記故障検出部は、前記第２電圧変換器と前記燃料電池の間の電圧または電流を検出し、前記電圧または前記電流が所定の値より小さい場合に故障があると判断することを特徴とする車両システム。
  9. 請求項３に記載の車両システムにおいて、
    前記制御部は、前記燃料電池の停止制御を行う際に、前記高電圧蓄電装置がオン状態かつ前記高電圧蓄電装置の充電量が所定値以上である場合、前記高電圧蓄電装置から前記第１電圧変換器を介して前記燃料電池に電圧を印加する制御を行うことを特徴とする車両システム。
  10. 請求項９に記載の車両システムにおいて、
    前記制御部は、前記第１電圧変換器の前記高電圧蓄電装置に接続する側の出力電圧制御から前記燃料電池に接続する側の出力電圧制御に切り替える制御を行うことを特徴とする車両システム。
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