JP7021511B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
[形態1]燃料電池システムであって、負荷に電力を供給する燃料電池および二次電池と、前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと、前記燃料電池昇圧コンバータによる前記調整の制御と、前記二次電池昇圧コンバータにおける昇圧と昇圧停止とを切り替える制御と、を行なう制御部と、を備え、前記制御部は、前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止し、前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行し、前記制御部は、前記相関値として、前記二次電池の温度に基づく第1放電可能電力と、前記二次電池の蓄電量に基づく第2放電可能電力と、を求め、第1放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第1禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第1許可閾値電力と、が設定されており、第2放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第2禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第2許可閾値電力と、が設定されており、前記制御部は、前記第1放電可能電力が前記第1禁止閾値電力よりも小さいことと、前記第2放電可能電力が前記第2禁止閾値電力よりも小さいことと、のうちの少なくとも一方が成立する場合に、前記昇圧停止を禁止し、前記第1放電可能電力が前記第1許可閾値電力よりも大きいことと、前記第2放電可能電力が前記第2許可閾値電力よりも大きいことと、がいずれも成立する場合に、前記昇圧停止を実行する、燃料電池システム。
A-1.燃料電池システムの構成:
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。燃料電池システム10は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。
図2は、昇圧停止制御の手順を示すフローチャートである。昇圧停止制御は、燃料電池搭載車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム10が起動した後、繰り返し実行される。
図6は、比較例の燃料電池システムにおける二次電池の電圧降下の一例を示す説明図である。図6において、縦軸は、電圧(V)を示し、横軸は、時刻を示している。図6では、燃料電池電圧Vfcと二次電池電圧VLとを一点鎖線でそれぞれ示し、駆動モータを含む負荷の要求電圧を鎖線で示し、インバータ電圧VHを実線で示している。
C-1.他の実施形態1:
上記実施形態では、禁止閾値Wngと許可閾値Wokとを用いて判定を行なっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、禁止閾値Wngと許可閾値Wokとに代えて、図3および図4に示すようなMAPを参照して判定を行なう態様であってもよい。かかる態様においては、現在の放電可能電力値Woutが、図3および図4においてハッチングで示す昇圧停止を禁止する禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止してもよい。同様に、昇圧停止を許可する許可範囲内となったとき、昇圧停止の禁止を解除してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態では、禁止閾値Wngと、禁止閾値Wngよりも大きい許可閾値Wokとを用いて判定を行なっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、昇圧停止を許可する許可閾値Wokを省略し、昇圧停止が禁止されている状態において放電可能電力値Woutが増加した状況であっても、昇圧停止の禁止を継続させてもよい。また、例えば、禁止閾値Wngと許可閾値Wokとが等しい値であってもよい。換言すると、禁止閾値Wngと許可閾値Wokとを区別しない閾値を用いて昇圧停止制御の判定を行なってもよい。すなわち一般には、負荷70の要求電圧が二次電池40の出力電圧よりも小さく、且つ、放電可能電力値Woutが昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止し、要求電圧が二次電池40の出力電圧よりも小さく、且つ、放電可能電力値Woutが禁止範囲内でないとき、昇圧停止を実行してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態では、二次電池温度およびSOCを用いて放電可能電力値Woutを求めていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二次電池温度のみに基づく放電可能電力値Wout1と、SOCのみに基づく放電可能電力値Wout2とをそれぞれ求め、二次電池温度のみに基づく放電可能電力値Wout1の禁止閾値Wng1および許可閾値Wok1と、SOCのみに基づく放電可能電力値Wout2の禁止閾値Wng2および許可閾値Wok2とを用いて判定を行なう態様であってもよい。かかる態様においては、図2に示す昇圧停止制御のステップS260において、放電可能電力値Wout1、Wout2の少なくとも一方が、それぞれの禁止閾値Wng1、Wng2よりも小さいか否かを判定してもよく、ステップS280において、放電可能電力値Wout1、Wout2の両方が、それぞれの許可閾値Wok1、Wok2よりも大きいか否かを判定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態では、二次電池温度とSOCとを用いて図3および図4に示すようなMAPを参照することにより、放電可能電力値Woutを求めていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二次電池温度とSOCと放電可能電力値Woutとの関係を示す三次元MAPを参照することにより、放電可能電力値Woutを求めてもよい。また、例えば、二次電池温度とSOCとのいずれか一方のみを用いて放電可能電力値Woutを算出してもよい。この場合、二次電池温度とSOCとのうち、放電可能電力値Woutの算出に用いなかったパラメータについては、最悪条件として扱ってもよい。例えば、SOCのみを用いて放電可能電力値Woutを求める態様においては、二次電池温度が低温または高温であって放電可能電力値Woutが小さい場合を想定してもよい。すなわち一般には、制御部90は、検出された二次電池温度と検出されたSOCとのうちの少なくとも一方を用いて、二次電池40の放電可能電力と相関する相関値を求めてもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。また、例えば、二次電池温度とSOCとに加えて、または二次電池温度とSOCとに代えて、二次電池40の連続放電時間等の、放電可能電力値Woutに影響を及ぼす他の任意のパラメータを用いて放電可能電力値Woutを求めてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態では、放電可能電力値Woutを用いて判定を行なっていたが、放電可能電力値Woutに代えて、二次電池温度やSOCを用いて判定を行なってもよい。例えば、二次電池温度を用いて判定を行なう態様においては、図3に示すようなMAPに基づいて、昇圧停止を禁止する二次電池温度の禁止範囲および昇圧停止を許可する二次電池温度の許可範囲を予め主記憶装置に記憶させておき、かかる範囲と現在の二次電池温度とを比較して判定を行なってもよい。この場合の二次電池温度は、課題を解決するための手段における相関値の下位概念に相当する。また、例えば、SOCを用いて判定を行なう態様においては、図4に示すようなMAPに基づいて、昇圧停止を禁止するSOCの禁止範囲および昇圧停止を許可するSOCの許可範囲を予め主記憶装置に記憶させておき、かかる範囲と現在のSOCとを比較して判定を行なってもよい。この場合のSOCは、課題を解決するための手段における相関値の下位概念に相当する。例えば、昇圧停止を禁止する二次電池温度の禁止範囲としてマイナス10℃以下または50℃以上等に設定してもよく、昇圧停止を禁止するSOCの禁止範囲として30%以下等に設定してもよい。すなわち一般には、制御部90は、二次電池40の放電可能電力と相関する相関値を求め、負荷70の要求電圧が二次電池40の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた相関値が、昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
上記実施形態において、燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、車両に代えて船舶やロボット等の他の任意の移動体に搭載されてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
11…第1の配線
12…第2の配線
13…第3の配線
14…第4の配線
20…燃料電池
21…第1の電圧センサ
22…第2の電圧センサ
23…第3の電圧センサ
30…燃料電池昇圧コンバータ
40…二次電池
44…二次電池温度センサ
46…SOC検出部
50…二次電池昇圧コンバータ
51…上アーム
52…下アーム
60…インバータ
70…負荷
72…駆動モータ
74…エアコンプレッサ
80…補機
90…制御部
C1…コンデンサ
C2…コンデンサ
D1…第1のダイオード
D2…第2のダイオード
F…フラグ
L1…リアクトル
S1…第1のスイッチング素子
S2…第2のスイッチング素子
VH…インバータ電圧
VL…二次電池電圧
Vfc…燃料電池電圧
Wng…禁止閾値
Wok…許可閾値
Wout…放電可能電力値
Claims (3)
- 燃料電池システムであって、
負荷に電力を供給する燃料電池および二次電池と、
前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、
前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと、
前記燃料電池昇圧コンバータによる前記調整の制御と、前記二次電池昇圧コンバータにおける昇圧と昇圧停止とを切り替える制御と、を行なう制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、
前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止し、
前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行し、
前記制御部は、前記相関値として、前記二次電池の温度に基づく前記二次電池の第1放電可能電力と、前記二次電池の蓄電量に基づく前記二次電池の第2放電可能電力と、を求め、
前記第1放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第1禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第1許可閾値電力と、が設定されており、
前記第2放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第2禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第2許可閾値電力と、が設定されており、
前記制御部は、
前記第1放電可能電力が前記第1禁止閾値電力よりも小さいことと、前記第2放電可能電力が前記第2禁止閾値電力よりも小さいことと、のうちの少なくとも一方が成立する場合に、前記昇圧停止を禁止し、
前記第1放電可能電力が前記第1許可閾値電力よりも大きいことと、前記第2放電可能電力が前記第2許可閾値電力よりも大きいことと、がいずれも成立する場合に、前記昇圧停止を実行する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
前記二次電池の蓄電量を検出するSOC検出部と、
のうちの少なくとも一方をさらに備え、
前記制御部は、
検出された前記温度と検出された前記蓄電量とのうちの少なくとも一方を用いて、前記相関値を求める、
燃料電池システム。 - 燃料電池と負荷との間に接続されて前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
(a)前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求める工程と、
(b)前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記二次電池昇圧コンバータの昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止する工程と、
(c)前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行する工程と、
を備え、
前記工程(a)は、前記相関値として、前記二次電池の温度に基づく前記二次電池の第1放電可能電力と、前記二次電池の蓄電量に基づく前記二次電池の第2放電可能電力と、を求める工程を含み、
前記第1放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第1禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第1許可閾値電力と、が設定されており、
前記第2放電可能電力には、前記昇圧停止を禁止する際の閾値電力として第2禁止閾値電力と、前記昇圧停止を許可する際の閾値電力として第2許可閾値電力と、が設定されており、
前記工程(b)は、前記第1放電可能電力が前記第1禁止閾値電力よりも小さいことと、前記第2放電可能電力が前記第2禁止閾値電力よりも小さいことと、のうちの少なくとも一方が成立する場合に、前記昇圧停止を禁止する工程を含み、
前記工程(c)は、前記第1放電可能電力が前記第1許可閾値電力よりも大きいことと、前記第2放電可能電力が前記第2許可閾値電力よりも大きいことと、がいずれも成立する場合に、前記昇圧停止を実行する工程を含む、燃料電池システムの制御方法。
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