JP6988605B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池と二次電池のそれぞれに昇圧コンバータが設けられた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system in which a boost converter is provided in each of a fuel cell and a secondary battery.

従来から、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、二次電池と、これらの燃料電池及び二次電池の出力側にそれぞれ設けられた昇圧コンバータとを備えた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a fuel cell system including a fuel cell that generates power by receiving a reaction gas supply, a secondary battery, and a boost converter provided on the output side of these fuel cells and the secondary battery has been known. (See, for example, Patent Document 1).

特開２０１６−１０２６８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-10268

この種の燃料電池システムでは、例えば車両に搭載された場合を例にとると、図７のフローチャートに示すように、ユーザ要求であるアクセル開度や、燃料電池にエアを供給するエアコンプレッサなどの高電圧補機の状態などからシステム要求出力を算出し、このシステム要求出力を燃料電池に対する要求出力と二次電池に対する要求出力とに分配し、それぞれに分配された要求出力に対応するよう燃料電池側の昇圧コンバータ（以下、ＦＤＣ）と二次電池側の昇圧コンバータ（以下、ＢＤＣ）とによって燃料電池と二次電池の各出力電圧がそれぞれ所定の電圧（例えば、６５０Ｖ）まで昇圧され、トラクションモータの出力や高電圧補機の出力で要求出力が消費される。 In this type of fuel cell system, for example, when mounted on a vehicle, as shown in the flowchart of FIG. 7, the accelerator opening required by the user, an air compressor that supplies air to the fuel cell, and the like are used. The system required output is calculated from the state of the high-voltage auxiliary equipment, etc., and this system required output is divided into the required output for the fuel cell and the required output for the secondary battery, and the fuel cell is designed to correspond to the required output distributed to each. Each output voltage of the fuel cell and the secondary battery is boosted to a predetermined voltage (for example, 650V) by the boost converter (hereinafter, FDC) on the side and the boost converter (hereinafter, BDC) on the secondary battery side, and the traction motor. The required output is consumed by the output of the battery and the output of the high-voltage auxiliary equipment.

このような燃料電池システムにおいて、例えばＦＤＣおよびＢＤＣと駆動モータおよび高電圧補機との間の高電圧回路に故障が生じたり、高電圧回路に結線異常が生じたり、ＢＤＣの入力電圧および出力電圧をそれぞれ測定するセンサの特性に異常が生じたりすると、ＢＤＣによる二次電池出力電圧の昇圧動作を制限し、ＢＤＣを直結状態、言い換えれば導通状態にする制御が行われることがある。 In such a fuel cell system, for example, a failure occurs in the high voltage circuit between the FDC and the BDC and the drive motor and the high voltage auxiliary machine, a connection abnormality occurs in the high voltage circuit, and the input voltage and the output voltage of the BDC occur. If an abnormality occurs in the characteristics of the sensors that measure the above, the BDC may limit the boosting operation of the secondary battery output voltage and control the BDC to be in a directly connected state, in other words, in a conductive state.

このように、ＢＤＣが通電可能ではあるがＢＤＣの入力電圧と出力電圧との比を所定値以上出力できない状態にある場合において、燃料電池の出力電圧をシステム要求出力に対応する電圧にまでＦＤＣによって昇圧してしまうと、ＢＤＣの入力側および出力側に過電圧異常を来してしまうため、燃料電池の出力電圧もＦＤＣで昇圧できない状態に陥ることがある。このような状態に陥ると、燃料電池の出力と二次電池の充放電とが交錯し、燃料電池の出力電流および出力電圧が成り行きの動作点になってしまうため、燃料電池の出力制御が困難となる。 In this way, when the BDC can be energized but the ratio of the input voltage to the output voltage of the BDC cannot be output more than a predetermined value, the output voltage of the fuel cell is reduced to the voltage corresponding to the system required output by the FDC. If the voltage is boosted, an overvoltage abnormality will occur on the input side and the output side of the BDC, so that the output voltage of the fuel cell may not be boosted by the FDC. In such a state, the output of the fuel cell and the charge / discharge of the secondary battery intersect, and the output current and output voltage of the fuel cell become the operating points, which makes it difficult to control the output of the fuel cell. Will be.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、二次電池側の昇圧コンバータが通電可能ではあるが入力電圧と出力電圧との比を所定値以上出力できない状態になった場合であっても、燃料電池の出力制御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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when the boost converter on the secondary battery side can be energized but the ratio of the input voltage to the output voltage cannot be output more than a predetermined value. , The purpose is to provide a fuel cell system capable of controlling the output of a fuel cell.

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、
負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧する第１昇圧コンバータと、
前記二次電池の出力電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、
前記第２昇圧コンバータの入力側および出力側の少なくとも一方の電圧を計測する計測部と、
前記燃料電池、前記第１昇圧コンバータ及び前記第２昇圧コンバータを制御する制御装置と、を備え、
前記第１昇圧コンバータの出力側と前記第２昇圧コンバータの出力側とが電気的に接続されており、
前記制御装置は、
前記第２昇圧コンバータの入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態にあることを検知する検知部と、
前記状態が検知された場合に、前記第２昇圧コンバータを導通状態とし、前記計測部で計測された電圧と、前記第１昇圧コンバータの入力電圧に対する出力電圧の比が前記第１昇圧コンバータの昇圧動作が保証される範囲で最小となる最小昇圧比以上である第１の値とを用いて前記燃料電池の目標出力電圧を算出する算出部と、を備え、
前記燃料電池の出力電圧が前記算出部で算出された目標出力電圧以下となるように前記燃料電池を制御するものである。 In order to achieve the above object, the fuel cell system of the present invention is used.
A fuel cell system equipped with a fuel cell and a secondary battery as a power supply source for a load.
The first boost converter that boosts the output voltage of the fuel cell,
A second boost converter that boosts the output voltage of the secondary battery,
A measuring unit that measures at least one voltage on the input side and the output side of the second boost converter, and
The fuel cell, the first boost converter, and a control device for controlling the second boost converter are provided.
The output side of the first boost converter and the output side of the second boost converter are electrically connected to each other.
The control device is
A detector that detects that the ratio of the output voltage to the input voltage of the second boost converter cannot be output more than a predetermined value, and
When the above state is detected, the second boost converter is set to the conduction state, and the ratio of the voltage measured by the measurement unit to the input voltage of the first boost converter is the boost of the first boost converter. A calculation unit that calculates the target output voltage of the fuel cell using a first value that is equal to or greater than the minimum boost ratio that is the minimum in the range in which operation is guaranteed is provided.
The fuel cell is controlled so that the output voltage of the fuel cell is equal to or less than the target output voltage calculated by the calculation unit.

前記第１の値は、前記第１昇圧コンバータの最小昇圧比でもよい。 The first value may be the minimum boost ratio of the first boost converter.

前記制御装置は、前記状態が検知された場合に、前記燃料電池の出力電圧が前記目標出力電圧以下の一定値となるように前記燃料電池を制御してもよい。 The control device may control the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell becomes a constant value equal to or lower than the target output voltage when the state is detected.

前記制御装置は、前記燃料電池へ供給する酸化ガスの供給量を調整して前記燃料電池から出力される電力を制御してもよい。 The control device may control the electric power output from the fuel cell by adjusting the supply amount of the oxide gas supplied to the fuel cell.

本発明の燃料電池システムによれば、第２昇圧コンバータでその入力電圧と出力電圧との比が所定値以上出力できない状態になった場合であっても、燃料電池の出力制御が可能となる。 According to the fuel cell system of the present invention, the output of the fuel cell can be controlled even when the ratio of the input voltage to the output voltage of the second boost converter cannot be output more than a predetermined value.

本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。It is a system block diagram of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention. 燃料電池システムの制御装置の構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the control device of a fuel cell system. 制御装置による制御の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of control by a control device. 正常時における燃料電池システムの電圧状態を説明するシステム構成図である。It is a system block diagram explaining the voltage state of the fuel cell system at the time of normal. 異常発生時における従来の燃料電池システムの電圧状態を説明するシステム構成図である。It is a system block diagram explaining the voltage state of the conventional fuel cell system at the time of an abnormality occurrence. 異常発生時における本発明の実施形態に係る燃料電池システムの電圧状態を説明するシステム構成図である。It is a system block diagram explaining the voltage state of the fuel cell system which concerns on embodiment of this invention at the time of abnormality occurrence. 制御装置による正常時の制御の一例を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining an example of the control in a normal state by a control device.

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１０、ＦＣ昇圧コンバータ（第１昇圧コンバータ）２０、ＦＣリレー回路３０、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）４０、二次電池５０、制御装置６０、二次電池用リレー回路７０、補機バッテリ１０５、エアコンプレッサ（負荷）ＭＧ１及びトラクションモータ（負荷）ＭＧ２を備える。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 100 includes a fuel cell 10, an FC boost converter (first boost converter) 20, an FC relay circuit 30, a power control unit (PCU) 40, a secondary battery 50, and a control device 60. It includes a relay circuit 70 for a secondary battery, an auxiliary battery 105, an air compressor (load) MG1, and a traction motor (load) MG2.

燃料電池１０は、反応ガスである水素と酸素とを反応させて発電する電池である。燃料電池システム１００を搭載した車両は、反応ガスとしての水素（燃料ガス）を貯留した水素タンク(図示略)を有し、当該水素タンクから燃料電池１０へ水素が供給される。エアコンプレッサＭＧ１により大気中の空気が圧縮され、反応ガスとしての酸素（酸化ガス）を含む空気がエアコンプレッサＭＧ１から燃料電池１０へ供給される。 The fuel cell 10 is a battery that generates electricity by reacting hydrogen, which is a reaction gas, with oxygen. The vehicle equipped with the fuel cell system 100 has a hydrogen tank (not shown) that stores hydrogen (fuel gas) as a reaction gas, and hydrogen is supplied from the hydrogen tank to the fuel cell 10. The air in the atmosphere is compressed by the air compressor MG1, and the air containing oxygen (oxidizing gas) as a reaction gas is supplied from the air compressor MG1 to the fuel cell 10.

ＦＣ昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０が出力する電圧を、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させる昇圧コンバータである。このＦＣ昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０の出力電圧、言い換えれば、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧を一定に制御可能なコンバータである。 The FC boost converter 20 is a boost converter that boosts the voltage output by the fuel cell 10 to the drive voltage of the air compressor MG1 and the traction motor MG2. The FC boost converter 20 is a converter capable of constantly controlling the output voltage of the fuel cell 10, in other words, the input voltage of the FC boost converter 20.

トラクションモータＭＧ２は、燃料電池システム１００を搭載している車両のタイヤを駆動させて、車両を走行させるモータである。トラクションモータＭＧ２は、燃料電池１０または／および二次電池５０から供給される電力によって駆動される。 The traction motor MG2 is a motor that drives the tires of a vehicle equipped with the fuel cell system 100 to drive the vehicle. The traction motor MG2 is driven by electric power supplied from the fuel cell 10 and / and the secondary battery 50.

ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間の電気的な接続と遮断とを切り替える回路である。ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間に配置されている。 The FC relay circuit 30 is a circuit that switches between electrical connection and disconnection between the FC boost converter 20 and the PCU 40. The FC relay circuit 30 is arranged between the FC boost converter 20 and the PCU 40.

ＰＣＵ４０は、制御装置６０から送信された制御信号に基づいて、燃料電池システム１００における各部へ送電する電力量を制御する。ＰＣＵ４０は、第２コンデンサ４１、二次電池昇圧コンバータ（第２昇圧コンバータ）４５、及びＩＰＭ（Intelligent Power Module）４８を有している。第２コンデンサ４１は、平滑用蓄電部である。 The PCU 40 controls the amount of electric power transmitted to each part of the fuel cell system 100 based on the control signal transmitted from the control device 60. The PCU 40 has a second capacitor 41, a secondary battery boost converter (second boost converter) 45, and an IPM (Intelligent Power Module) 48. The second capacitor 41 is a smoothing storage unit.

二次電池昇圧コンバータ４５は、二次電池５０が出力する電圧をエアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させるコンバータである。この二次電池昇圧コンバータ４５は、所定の故障モードである時は導通制御によって通電可能な昇圧コンバータである。 The secondary battery boost converter 45 is a converter that boosts the voltage output by the secondary battery 50 to the drive voltage of the air compressor MG1 and the traction motor MG2. The secondary battery boost converter 45 is a boost converter that can be energized by conduction control when it is in a predetermined failure mode.

例えば、ＦＣ昇圧コンバータ２０および二次電池昇圧コンバータ４５と、エアコンプレッサＭＧ１およびトラクションモータＭＧ２との間の高電圧回路に故障が生じている状態や、この高電圧回路に結線異常が生じている状態や、二次電池昇圧コンバータ４５の入力電圧および出力電圧をそれぞれ測定するセンサ（図示略）の特性に異常が生じている状態などが故障モードに該当する。故障モードは、二次電池昇圧コンバータ４５によってその入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態ということもできる。 For example, a state in which a high voltage circuit between the FC boost converter 20 and the secondary battery boost converter 45, the air compressor MG1 and the traction motor MG2 has a failure, or a state in which a connection abnormality has occurred in the high voltage circuit. The failure mode corresponds to a state in which an abnormality has occurred in the characteristics of a sensor (not shown) that measures the input voltage and the output voltage of the secondary battery boost converter 45, respectively. The failure mode can also be said to be a state in which the ratio of the output voltage to the input voltage cannot be output by the secondary battery boost converter 45 to a predetermined value or more.

ＩＰＭ４８は、電気負荷であるエアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモータＭＧ２に接続されたパワーモジュールである。 The IPM48 is a power module connected to an air compressor MG1 and a traction motor MG2, which are electric loads.

二次電池５０は、燃料電池１０の発電によって得られた電力やトラクションモータＭＧ２の回生電力を一時的に蓄える電池である。二次電池５０に蓄えられた電力は、燃料電池システム１００が備える各構成の駆動電力として使用される。
二次電池用リレー回路７０は、二次電池５０とＰＣＵ４０との電気的な接続と遮断とを切り替えるリレー回路である。 The secondary battery 50 is a battery that temporarily stores the electric power obtained by the power generation of the fuel cell 10 and the regenerated electric power of the traction motor MG2. The electric power stored in the secondary battery 50 is used as the driving electric power of each configuration included in the fuel cell system 100.
The secondary battery relay circuit 70 is a relay circuit that switches between electrical connection and disconnection between the secondary battery 50 and the PCU 40.

補機消費可能デバイス９０は、燃料電池１０で発電した電力を消費可能な装置であり、補機モータ２５，２６と、補機インバータ２３，２４と、水加熱ヒーター２７とを有する。補機モータ２５は、燃料電池１０の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池１０に還流させるための水素ポンプを駆動するモータである。補機モータ２６は、燃料電池１０の温調に使用される冷却水を循環させるための冷却水ポンプを駆動するモータである。 The auxiliary machine consumable device 90 is a device capable of consuming the electric power generated by the fuel cell 10, and includes auxiliary machine motors 25 and 26, auxiliary machine inverters 23 and 24, and a water heater 27. The auxiliary motor 25 is a motor that drives a hydrogen pump for returning the hydrogen off gas discharged from the hydrogen gas flow path of the fuel cell 10 to the fuel cell 10. The auxiliary motor 26 is a motor that drives a cooling water pump for circulating the cooling water used for controlling the temperature of the fuel cell 10.

補機インバータ２３，２４は、それぞれ直流電流を三相交流に変換して補機モータ２５，２６に供給する。また、燃料電池システム１００は、補機として補機インバータ２８及びエアコン２９を備えている。なお、本実施形態における電力を消費する「補機」は、補機モータ２５、２６、補機インバータ２３，２４、水加熱ヒーター２７、補機インバータ２８、エアコン２９の例に限定されず、その他の電力消費可能な装置を含む。 The auxiliary inverters 23 and 24 convert the direct current into three-phase alternating current and supply it to the auxiliary motors 25 and 26, respectively. Further, the fuel cell system 100 includes an auxiliary inverter 28 and an air conditioner 29 as auxiliary equipment. The "auxiliary machine" that consumes electric power in the present embodiment is not limited to the examples of the auxiliary machine motors 25 and 26, the auxiliary machine inverters 23 and 24, the water heater 27, the auxiliary machine inverter 28, and the air conditioner 29, and others. Includes power-consuming devices.

補機バッテリ１０５は、二次電池５０から供給された電力を一時的に蓄える補機用の電池であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６を介して二次電池５０の回路に接続されている。補機バッテリ１０５に蓄えられた電力は、補機を駆動させるために用いられる。 The auxiliary battery 105 is an auxiliary battery that temporarily stores the electric power supplied from the secondary battery 50, and is connected to the circuit of the secondary battery 50 via the DC / DC converter 106. The electric power stored in the auxiliary battery 105 is used to drive the auxiliary machine.

制御装置６０は、燃料電池システム１００の各種機器の動作を制御するコンピュータシステムである。制御装置６０は、燃料電池システム１００を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を有している。制御装置６０は、各種センサから供給される信号（例えば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を表す信号等）の入力を受けて、エアコンプレッサＭＧ１、トラクションモータＭＧ２等を含む負荷全体の要求電力を算出する。 The control device 60 is a computer system that controls the operation of various devices of the fuel cell system 100. The control device 60 is a computer system for integrated control of the fuel cell system 100, and includes, for example, a CPU, RAM, ROM, and the like. The control device 60 receives the input of signals supplied from various sensors (for example, a signal indicating the accelerator opening, a signal indicating the vehicle speed, a signal indicating the output current and the output voltage of the fuel cell 10, etc.), and the air compressor MG1 , The required power of the entire load including the traction motor MG2 and the like is calculated.

以上説明した燃料電池１０、二次電池５０、ＦＣ昇圧コンバータ２０、および二次電池昇圧コンバータ４５を備えた燃料電池システム１００において、前記故障モードであることが検知されると、二次電池５０だけでなく燃料電池１０の出力電圧も昇圧させることができない状態に陥り、燃料電池１０の出力を制御することが困難になることがある。 In the fuel cell system 100 including the fuel cell 10, the secondary battery 50, the FC boost converter 20, and the secondary battery boost converter 45 described above, when the failure mode is detected, only the secondary battery 50 is used. In addition, the output voltage of the fuel cell 10 may not be boosted, and it may be difficult to control the output of the fuel cell 10.

本実施形態に係る燃料電池システム１００は、制御装置６０が下記の構成を備えており、かかる故障モードに対応可能である。 In the fuel cell system 100 according to the present embodiment, the control device 60 has the following configuration, and can cope with such a failure mode.

図２は、制御装置６０の構成を説明するブロック図である。
図２に示すように、制御装置６０は、二次電池異常検知部（検知部）６１、二次電池電圧計測部（計測部）６２、目標電圧算出部（算出部）６３、昇圧コンバータ制御部６４、及び燃料制御部６５を備えている。なお、二次電池電圧計測部６２は、そこで測定された電圧が制御装置６０に入力されるようになっていれば、制御装置６０の外にあってもよい。 FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the control device 60.
As shown in FIG. 2, the control device 60 includes a secondary battery abnormality detection unit (detection unit) 61, a secondary battery voltage measurement unit (measurement unit) 62, a target voltage calculation unit (calculation unit) 63, and a boost converter control unit. 64 and a fuel control unit 65 are provided. The secondary battery voltage measuring unit 62 may be outside the control device 60 as long as the voltage measured there is input to the control device 60.

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御装置６０による故障モード時の制御と正常時の制御について、図３のフローチャートおよび図４から図６のシステム構成図を参照しながら説明する。 Next, the control in the failure mode and the control in the normal state by the control device 60 of the fuel cell system 100 according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. 3 and the system configuration diagrams of FIGS. 4 to 6.

図３は、制御装置６０による制御の一例を説明するフローチャートである。まず、二次電池昇圧コンバータ（ＢＤＣ）４５に異常があるかが判定される（ステップ００）。例えば、前記高電圧回路に故障が生じている状態、この高電圧回路に結線異常が生じている状態、二次電池昇圧コンバータ４５の入力電圧および出力電圧をそれぞれ測定するセンサの特性に異常が生じている状態のいずれかが生じると、二次電池異常検知部６１によって、二次電池昇圧コンバータ４５によってその入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態、つまり、二次電池５０側の出力異常が検知される（ステップＳ００で「ＹＥＳ」）。 FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of control by the control device 60. First, it is determined whether or not there is an abnormality in the secondary battery boost converter (BDC) 45 (step 00). For example, a state in which the high voltage circuit has a failure, a state in which a connection abnormality has occurred in this high voltage circuit, and a state in which the characteristics of the sensor for measuring the input voltage and the output voltage of the secondary battery boost converter 45 are abnormal have occurred. When any of these states occurs, the secondary battery abnormality detection unit 61 cannot output the ratio of the output voltage to the input voltage of the secondary battery boost converter 45 to a predetermined value or more, that is, the secondary battery. An output abnormality on the 50 side is detected (“YES” in step S00).

このとき、昇圧コンバータ制御部６４は、まず、二次電池昇圧コンバータ（ＢＤＣ）４５を通電可能ではあるが昇圧できない状態、つまり、二次電池昇圧コンバータ４５の入力側と出力側とを導通させるように制御する（ステップＳ０１）。すると、燃料電池システム１００の電圧状態は、図４に示す状態から図５に示す状態となる。 At this time, the boost converter control unit 64 first causes the secondary battery boost converter (BDC) 45 to be energized but not boosted, that is, to conduct the input side and the output side of the secondary battery boost converter 45. (Step S01). Then, the voltage state of the fuel cell system 100 changes from the state shown in FIG. 4 to the state shown in FIG.

図４（正常時）では、例えば、二次電池昇圧コンバータ４５の入力電圧（一点鎖線部分の電圧）が所定の電圧ＶＬ、二次電池昇圧コンバータ４５の出力電圧（実線部分の電圧）が所定の昇圧電圧ＶＨ、ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧（実線部分の電圧）が所定の昇圧電圧ＶＨ、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧（太い破線部分の電圧）が燃料電池１０の所定の常用電圧ＶＦＣであったのに対し、図５では、一点鎖線および破線で強調した部分の電圧、すなわち、二次電池昇圧コンバータ４５の入力電圧、二次電池昇圧コンバータ４５の出力電圧、及びＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧はいずれも二次電池５０の出力電圧ＶＢとなり、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧は所定の常用電圧ＶＦＣとなる。 In FIG. 4 (normal state), for example, the input voltage (voltage of the one-point chain line portion) of the secondary battery boost converter 45 is a predetermined voltage VL, and the output voltage (voltage of the solid line portion) of the secondary battery boost converter 45 is a predetermined voltage. The boost voltage VH, the output voltage of the FC boost converter 20 (voltage in the solid line portion) is the predetermined boost voltage VH, and the input voltage of the FC boost converter 20 (voltage in the thick broken line portion) is the predetermined normal voltage VFC of the fuel cell 10. On the other hand, in FIG. 5, the voltage of the portion highlighted by the one-point chain line and the broken line, that is, the input voltage of the secondary battery boost converter 45, the output voltage of the secondary battery boost converter 45, and the output voltage of the FC boost converter 20 Is the output voltage VB of the secondary battery 50, and the input voltage of the FC boost converter 20 is a predetermined normal voltage VFC.

図３に戻り、二次電池異常検知部６１が二次電池５０側の出力異常が検知され（ステップＳ００で「ＹＥＳ」）、二次電池昇圧コンバータ４５の入力側と出力側とが導通すると（ステップＳ０１）、二次電池電圧計測部６２によって二次電池５０の出力電圧（二次電池電圧）、つまり、第２昇圧コンバータ４５の入力側または出力側の電圧が計測される（ステップＳ０２）。二次電池電圧計測部６２は、第２昇圧コンバータ４５の入力側および出力側の電圧を測定してもよい。 Returning to FIG. 3, when the secondary battery abnormality detection unit 61 detects an output abnormality on the secondary battery 50 side (“YES” in step S00), the input side and the output side of the secondary battery boost converter 45 are electrically connected (". Step S01), the secondary battery voltage measuring unit 62 measures the output voltage of the secondary battery 50 (secondary battery voltage), that is, the voltage on the input side or the output side of the second booster converter 45 (step S02). The secondary battery voltage measuring unit 62 may measure the voltage on the input side and the output side of the second boost converter 45.

目標電圧算出部６３は、二次電池電圧計測部６２によって計測された第２昇圧コンバータ４５の入力側または出力側の電圧と、ＦＣ昇圧コンバータ（ＦＤＣ）２０の入力電圧に対する出力電圧の比が当該ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作が保証される範囲で最小となる比（以下、「最小昇圧比」と称する。）以上の値として最小昇圧比よりも大きい第１の値とを用いて、第２昇圧コンバータ４５の入力側または出力側の電圧に対してＦＣ昇圧コンバータ２０によって昇圧可能なＦＣ昇圧コンバータ２０の入力側の目標電圧、つまり、燃料電池（ＦＣ）１０の目標出力電圧を算出する（ステップＳ０３）。 In the target voltage calculation unit 63, the ratio of the voltage on the input side or the output side of the second boost converter 45 measured by the secondary battery voltage measurement unit 62 to the input voltage of the FC boost converter (FDC) 20 is the said. A second value is used as a value equal to or greater than the minimum ratio (hereinafter referred to as "minimum boost ratio") within the range in which the boost operation of the FC boost converter 20 is guaranteed, which is larger than the minimum boost ratio. The target voltage on the input side of the FC boost converter 20 that can be boosted by the FC boost converter 20 with respect to the voltage on the input side or the output side of the boost converter 45, that is, the target output voltage of the fuel cell (FC) 10 is calculated (step). S03).

具体的には、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧と第１の値との積がＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧となることから、このＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧が二次電池電圧計測部６２によって計測された第２昇圧コンバータ４５の入力側または出力側の電圧と同じになるようにＦＣ昇圧コンバータ２０の入力側の目標電圧、つまり、燃料電池１０の目標出力電圧が算出される。 Specifically, since the product of the input voltage of the FC boost converter 20 and the first value is the output voltage of the FC boost converter 20, the output voltage of the FC boost converter 20 is determined by the secondary battery voltage measuring unit 62. The target voltage on the input side of the FC boost converter 20, that is, the target output voltage of the fuel cell 10 is calculated so as to be the same as the measured voltage on the input side or the output side of the second boost converter 45.

ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作が保証される範囲とは、例えば、ＦＣ昇圧コンバータ２０の出力ハンチング（デューティ比が上下する現象）が起こるなどして制御が成立しなくなるといったことがないように動作が保証されている範囲をいう。
第１の値は、例えば最小昇圧比が１．３である場合は１．５に設定されるが、これに限定されることはない。 The range in which the boosting operation of the FC boost converter 20 is guaranteed is such that the control is not lost due to, for example, output hunting (a phenomenon in which the duty ratio fluctuates) of the FC boost converter 20. The guaranteed range.
The first value is set to, for example, 1.5 when the minimum boost ratio is 1.3, but is not limited thereto.

目標電圧算出部６３によってＦＣ昇圧コンバータ２０の入力側の目標電圧、つまり、燃料電池１０の目標出力電圧が算出されると（ステップＳ０３）、昇圧コンバータ制御部６４は、目標電圧算出部６３によって算出されたＦＣ昇圧コンバータ２０の入力側の目標電圧に対してＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧が一定となるようにＦＣ昇圧コンバータ２０を制御するとともに、燃料電池１０の出力電圧が目標出力電圧以下となるように燃料電池１０に負荷を与えて電流を掃引する（ステップＳ０４）。 When the target voltage on the input side of the FC boost converter 20, that is, the target output voltage of the fuel cell 10 is calculated by the target voltage calculation unit 63 (step S03), the boost converter control unit 64 is calculated by the target voltage calculation unit 63. The FC boost converter 20 is controlled so that the input voltage of the FC boost converter 20 is constant with respect to the target voltage on the input side of the FC boost converter 20, and the output voltage of the fuel cell 10 becomes equal to or lower than the target output voltage. A load is applied to the fuel cell 10 so as to sweep the current (step S04).

このとき、燃料電池システム１００の電圧状態は図６に示す状態となる。太い実線で強調した部分の電圧、すなわち、二次電池昇圧コンバータ４５の入力電圧、二次電池昇圧コンバータ４５の出力電圧、及びＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧はいずれも二次電池５０の出力電圧ＶＢとなる一方で、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧（太い破線部分の電圧）は、目標電圧算出部６３によって算出された目標電圧に固定される。 At this time, the voltage state of the fuel cell system 100 is the state shown in FIG. The voltage of the part highlighted by the thick solid line, that is, the input voltage of the secondary battery boost converter 45, the output voltage of the secondary battery boost converter 45, and the output voltage of the FC boost converter 20 are all the output voltage VB of the secondary battery 50. On the other hand, the input voltage of the FC boost converter 20 (voltage in the thick broken line portion) is fixed to the target voltage calculated by the target voltage calculation unit 63.

図３に戻り、昇圧コンバータ制御部６４によるＦＣ昇圧コンバータ２０の制御が行われると（ステップＳ０４）、燃料制御部６５は、燃料電池１０の発電量が必要な電力と整合するように、外気を燃料電池１０に供給する流路に配置されたエアコンプレッサＭＧ１や弁を制御することで、燃料電池１０への酸素の供給量を調整して燃料電池１０からトラクションモータＭＧ２などの負荷や二次電池５０への充電のために出力される電力を制御する（ステップＳ０５）。 Returning to FIG. 3, when the FC boost converter 20 is controlled by the boost converter control unit 64 (step S04), the fuel control unit 65 blows the outside air so that the amount of power generated by the fuel cell 10 matches the required power. By controlling the air compressor MG1 and the valve arranged in the flow path supplied to the fuel cell 10, the amount of oxygen supplied to the fuel cell 10 is adjusted to load the fuel cell 10 from the traction motor MG2 and the secondary battery. The power output for charging the 50 is controlled (step S05).

制御装置６０は、正常時、つまり、二次電池５０側の出力異常が検知されなかった場合（ステップＳ００で「ＮＯ」）、トラクションモータＭＧ２などの負荷の要求電圧を取得する（ステップＳ１１）。例えば、トラクションモータＭＧ２の回転数が高い場合や、トラクションモータＭＧ２の必要電力が大きい場合は、トラクションモータＭＧ２の要求電圧が上昇するからである。 The control device 60 acquires the required voltage of the load of the traction motor MG2 or the like in the normal state, that is, when the output abnormality on the secondary battery 50 side is not detected (“NO” in step S00) (step S11). For example, when the rotation speed of the traction motor MG2 is high or when the required power of the traction motor MG2 is large, the required voltage of the traction motor MG2 rises.

ステップＳ１１で取得された負荷の要求電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５の各出力電圧のうち小さい方の出力電圧（以下、「最小出力電圧」と称する。）よりも小さいかが判定される（ステップＳ１２）。最小出力電圧は、燃料電池１０の電圧、二次電池５０の電圧、ＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５の各最小昇圧比から算出される。 Whether the required load voltage acquired in step S11 is smaller than the smaller output voltage (hereinafter referred to as "minimum output voltage") of the output voltages of the FC boost converter 20 and the secondary battery boost converter 45. Is determined (step S12). The minimum output voltage is calculated from the voltage of the fuel cell 10, the voltage of the secondary battery 50, and the minimum boost ratios of the FC boost converter 20 and the secondary battery boost converter 45.

負荷の要求電圧が前記最小出力電圧よりも小さい場合（ステップＳ１２で「ＹＥＳ」）、ＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５の各出力側の電圧が前記最小出力電圧となるようにＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５を制御する（ステップＳ１３）。 When the required voltage of the load is smaller than the minimum output voltage (“YES” in step S12), FC boosting is performed so that the voltage on each output side of the FC boost converter 20 and the secondary battery boost converter 45 becomes the minimum output voltage. The converter 20 and the secondary battery boost converter 45 are controlled (step S13).

負荷の要求電圧が前記最小出力電圧以上の場合（ステップＳ１２で「ＮＯ」）、ＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５の各出力側の電圧が前記負荷の要求電圧となるようにＦＣ昇圧コンバータ２０と二次電池昇圧コンバータ４５を制御する（ステップＳ１４）。 When the required voltage of the load is equal to or higher than the minimum output voltage (“NO” in step S12), FC boosting is performed so that the voltage on each output side of the FC boost converter 20 and the secondary battery boost converter 45 becomes the required voltage of the load. The converter 20 and the secondary battery boost converter 45 are controlled (step S14).

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１００によれば、二次電池昇圧コンバータ４５でその入力電圧と出力電圧との比が所定値以上出力できない故障モードになった場合には、ＦＣ昇圧コンバータ２０の昇圧動作が保証される範囲でＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧に対する出力電圧の比が最小となる最小昇圧比以上である第１の値と、二次電池昇圧コンバータ４５の入力側または出力側の電圧（つまり、二次電池５０の出力電圧）とを用いて、燃料電池１０の目標出力電圧を算出し、この算出した目標出力電圧以下となるように燃料電池１０を制御する。 As described above, according to the fuel cell system 100 according to the present embodiment, when the secondary battery boost converter 45 enters a failure mode in which the ratio of the input voltage to the output voltage cannot be output by a predetermined value or more, the failure mode is set. The first value that is equal to or greater than the minimum boost ratio that minimizes the ratio of the output voltage to the input voltage of the FC boost converter 20 within the range in which the boost operation of the FC boost converter 20 is guaranteed, and the input side of the secondary battery boost converter 45. Alternatively, the target output voltage of the fuel cell 10 is calculated using the voltage on the output side (that is, the output voltage of the secondary battery 50), and the fuel cell 10 is controlled so as to be equal to or less than the calculated target output voltage.

よって、二次電池昇圧コンバータ４５が故障モードになった場合でも、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力電圧と第１の値との積で決まるＦＣ昇圧コンバータ２０の出力電圧が、二次電池昇圧コンバータ４５の出力側の電圧よりも高くなることを防止することができる。 Therefore, even when the secondary battery boost converter 45 is in the failure mode, the output voltage of the FC boost converter 20 determined by the product of the input voltage of the FC boost converter 20 and the first value is the output voltage of the secondary battery boost converter 45. It is possible to prevent the voltage from becoming higher than the voltage on the output side.

上記実施形態では、制御装置６０の燃料制御部６５が、昇圧コンバータ制御部６４によるＦＣ昇圧コンバータ２０の制御時に、燃料電池１０への空気供給量を調整して燃料電池１０からトラクションモータＭＧ２などの負荷に対して出力される電力を制御している。これにより、燃料電池１０の劣化を抑制しつつ、燃料電池１０の出力電力を制御することができる。 In the above embodiment, the fuel control unit 65 of the control device 60 adjusts the amount of air supplied to the fuel cell 10 when the boost converter control unit 64 controls the FC boost converter 20, and the fuel cell 10 to the traction motor MG2 or the like. It controls the power output to the load. Thereby, the output power of the fuel cell 10 can be controlled while suppressing the deterioration of the fuel cell 10.

本発明の他の実施形態として、燃料制御部６５は、図示しない水素タンクから燃料電池１０に水素を供給する流路に配置された調圧弁やインジェクタ、燃料電池１０から排出された水素オフガスを燃料電池１０に戻す流路に配置された水素ポンプ等を制御することによって、燃料電池１０への水素供給量を調整して燃料電池１０から出力される電力を制御してもよい。 As another embodiment of the present invention, the fuel control unit 65 fuels a pressure regulating valve or an injector arranged in a flow path for supplying hydrogen to the fuel cell 10 from a hydrogen tank (not shown), and hydrogen off gas discharged from the fuel cell 10. By controlling a hydrogen pump or the like arranged in the flow path for returning to the battery 10, the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10 may be adjusted to control the power output from the fuel cell 10.

上記実施形態では、燃料電池１０の目標出力電圧（つまり、ＦＣ昇圧コンバータ２０の入力側の目標電圧）を算出する際に、ＦＣ昇圧コンバータ２０の最小昇圧比以上の第１の値として最小昇圧比よりも大きい第１の値を用いているが、第１の値としてＦＣ昇圧コンバータ２０の最小昇圧比を用いてもよい。この場合には、二次電池昇圧コンバータ４５の出力側の電圧をＦＣ昇圧コンバータ２０の最小昇圧比で除すことによって算出される燃料電池１０の目標出力電圧をできるだけ高い電圧に設定することが可能になるため、燃料電池１０の発熱量を抑えることができる。 In the above embodiment, when calculating the target output voltage of the fuel cell 10 (that is, the target voltage on the input side of the FC boost converter 20), the minimum boost ratio is set as the first value equal to or higher than the minimum boost ratio of the FC boost converter 20. Although a first value larger than is used, the minimum boost ratio of the FC boost converter 20 may be used as the first value. In this case, the target output voltage of the fuel cell 10 calculated by dividing the voltage on the output side of the secondary battery boost converter 45 by the minimum boost ratio of the FC boost converter 20 can be set to the highest possible voltage. Therefore, the calorific value of the fuel cell 10 can be suppressed.

本発明の他の実施形態として、二次電池昇圧コンバータ４５が故障モードになった場合に、燃料電池１０の出力電圧が目標電圧以下の一定値となるように燃料電池１０を制御するようにしてもよい。このように、燃料電池１０の出力電圧が一定値となるように燃料電池１０を制御する場合には、燃料電池１０の出力電力を制御する際に、燃料電池１０から掃引する電流値のみを制御するだけでよくなるので、電力制御が容易になる。 As another embodiment of the present invention, when the secondary battery boost converter 45 enters the failure mode, the fuel cell 10 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 10 becomes a constant value equal to or lower than the target voltage. May be good. In this way, when the fuel cell 10 is controlled so that the output voltage of the fuel cell 10 becomes a constant value, when controlling the output power of the fuel cell 10, only the current value swept from the fuel cell 10 is controlled. Power control becomes easier because it is only necessary to do so.

１０ 燃料電池
２０ ＦＣ昇圧コンバータ（第１昇圧コンバータ）
４５ 二次電池昇圧コンバータ（第２昇圧コンバータ）
５０ 二次電池
６０ 制御装置
６１ 二次電池異常検知部（検知部）
６２ 二次電池電圧計測部（計測部）
６３ 最低電圧算出部（算出部）
６４ 昇圧コンバータ制御部
６５ 燃料制御部
１００ 燃料電池システム
ＭＧ１ エアコンプレッサ（負荷）
ＭＧ２ トラクションモータ（負荷） 10 Fuel cell 20 FC boost converter (first boost converter)
45 Secondary battery boost converter (second boost converter)
50 Secondary battery 60 Control device 61 Secondary battery abnormality detection unit (detection unit)
62 Secondary battery voltage measurement unit (measurement unit)
63 Minimum voltage calculation unit (calculation unit)
64 Boost converter control unit 65 Fuel control unit 100 Fuel cell system MG1 Air compressor (load)
MG2 traction motor (load)

Claims (4)

負荷への電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を昇圧する第１昇圧コンバータと、
前記二次電池の出力電圧を昇圧する第２昇圧コンバータと、
前記第２昇圧コンバータの入力側および出力側の少なくとも一方の電圧を計測する計測部と、
前記燃料電池、前記第１昇圧コンバータ及び前記第２昇圧コンバータを制御する制御装置と、を備え、
前記第１昇圧コンバータの出力側と前記第２昇圧コンバータの出力側とが電気的に接続されており、
前記制御装置は、
前記第２昇圧コンバータの入力電圧に対する出力電圧の比を所定値以上出力することができない状態にあることを検知する検知部と、
前記状態が検知された場合に、前記第２昇圧コンバータを導通状態とし、前記計測部で計測された電圧と、前記第１昇圧コンバータの入力電圧に対する出力電圧の比が前記第１昇圧コンバータの昇圧動作が保証される範囲で最小となる最小昇圧比以上である第１の値とを用いて前記燃料電池の目標出力電圧を算出する算出部と、を備え、
前記燃料電池の出力電圧が前記算出部で算出された目標出力電圧以下となるように前記燃料電池を制御する燃料電池システム。 A fuel cell system equipped with a fuel cell and a secondary battery as a power supply source for a load.
A first boost converter that boosts the output voltage of the fuel cell,
A second boost converter that boosts the output voltage of the secondary battery,
A measuring unit that measures at least one voltage on the input side and the output side of the second boost converter, and
The fuel cell, the first boost converter, and a control device for controlling the second boost converter are provided.
The output side of the first boost converter and the output side of the second boost converter are electrically connected to each other.
The control device is
A detector that detects that the ratio of the output voltage to the input voltage of the second boost converter cannot be output more than a predetermined value, and
When the above state is detected, the second boost converter is set to the conduction state, and the ratio of the voltage measured by the measurement unit to the input voltage of the first boost converter is the boost of the first boost converter. A calculation unit that calculates the target output voltage of the fuel cell using a first value that is equal to or greater than the minimum boost ratio that is the minimum in the range in which operation is guaranteed is provided.
A fuel cell system that controls the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell is equal to or less than the target output voltage calculated by the calculation unit. 前記第１の値は、前記第１昇圧コンバータの最小昇圧比である請求項１に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the first value is the minimum boost ratio of the first boost converter. 前記制御装置は、前記状態が検知された場合に、前記燃料電池の出力電圧が前記目標出力電圧以下の一定値となるように前記燃料電池を制御する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the control device controls the fuel cell so that the output voltage of the fuel cell becomes a constant value equal to or lower than the target output voltage when the state is detected. .. 前記制御装置は、前記燃料電池へ供給する酸化ガスの供給量を調整して前記燃料電池から出力される電力を制御する請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the control device adjusts the supply amount of the oxide gas supplied to the fuel cell to control the electric power output from the fuel cell.
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