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

本発明は、燃料電池システムに関する。
従来から、燃料電池と二次電池とを駆動モータ等の負荷に互いに並列に接続し、燃料電池と駆動モータとの間および二次電池と駆動モータとの間に、昇圧コンバータをそれぞれ設けた燃料電池システムが知られている。特許文献1に記載の燃料電池システムでは、駆動モータの要求電圧が燃料電池電圧や二次電池電圧よりも低い場合に、各昇圧コンバータを停止させて損失を抑制し、消費電力を抑制している。
特開2016-092893号公報
燃料電池の出力電力の調整を、燃料電池昇圧コンバータが有するスイッチング素子のデューティ比を変更することにより実行する構成においては、二次電池昇圧コンバータを停止させた状態において駆動モータの要求電圧が急増した場合、燃料電池の出力電力の調整が追いつかないことがある。このときの不足分の電力が二次電池側から供給されるため、二次電池昇圧コンバータが停止している状態で二次電池から要求電圧が補われると、二次電池の過放電が発生して二次電池電圧が急降下することがある。燃料電池昇圧コンバータの二次側電圧と二次電池昇圧コンバータの二次側電圧とは等しいため、二次電池昇圧コンバータが停止している状態で二次電池電圧が燃料電池電圧よりも高い状態から燃料電池電圧まで降下すると、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧と二次側電圧とが等しくなる。このため、燃料電池昇圧コンバータによる昇圧動作を行わせることができず、燃料電池昇圧コンバータが停止する。燃料電池の出力電力の調整を、燃料電池昇圧コンバータにより実行する構成においては、燃料電池昇圧コンバータが停止すると出力電力の調整を実行することができず、負荷の要求電圧を供給しきれないおそれがある。また、不足分の電力を二次電池側から供給させることにより、二次電池の定格放電可能電力以上の電力を二次電池から供給させ続けると、二次電池が劣化するおそれがある。このため、燃料電池昇圧コンバータにより出力電力の調整を実行する燃料電池システムにおいて、燃料電池昇圧コンバータが停止して出力電力の調整が実行できなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる技術が求められていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
[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。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、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する。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、求められた相関値が昇圧停止を禁止する禁止範囲内であるときには、要求電圧が二次電池の出力電圧よりも小さくても昇圧停止を禁止するので、二次電池の過放電の可能性がある場合に昇圧停止を禁止できる。このため、負荷の要求電圧が急増した場合に、二次電池昇圧コンバータの昇圧停止に起因する二次電池の過放電によって二次電池電圧が急激に降下することを抑制できる。したがって、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧と二次側電圧とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータが停止することを抑制できる。このように上記形態の燃料電池システムによれば、燃料電池昇圧コンバータによる出力電力の調整が実行できなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる。
(2)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記昇圧停止が禁止されている状態において、求められた前記相関値が、前記禁止範囲とは異なる前記昇圧停止を許可する予め定められた許可範囲内となったとき、前記昇圧停止の禁止を解除してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、求められた相関値が許可範囲内となったとき、昇圧停止の禁止を解除するので、二次電池の過放電の可能性が低くなった場合に二次電池昇圧コンバータの昇圧停止を許可して二次電池昇圧コンバータの消費電力をより抑制でき、また、負荷等における損失をより抑制できるので、燃料電池システム全体の消費電力をより抑制できる。
(3)上記形態の燃料電池システムにおいて、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、前記相関値を求めてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、放電可能電力に大きな影響を及ぼす二次電池温度と蓄電量とのうちの少なくとも一方を用いて相関値を求めるので、相関値と二次電池の放電可能電力との相関性の低下を抑制できる。
(4)上記形態の燃料電池システムにおいて、前記相関値は、前記二次電池の放電可能電力値であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の過放電と直接関係する放電可能電力値を相関値として用いるので、二次電池の放電可能電力に精度よく即して昇圧停止の禁止を行なうことができる。
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。
燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。 昇圧停止制御の手順を示すフローチャートである。 二次電池温度と放電可能電力との関係の一例を示す説明図である。 SOCと放電可能電力との関係の一例を示す説明図である。 二次電池の電圧変化とフラグの変化との一例を示す説明図である。 比較例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。
A.第1実施形態:
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。
燃料電池システム10は、燃料電池20と、燃料電池昇圧コンバータ30と、二次電池40と、二次電池温度センサ44と、SOC検出部46と、二次電池昇圧コンバータ50と、インバータ60と、負荷70と、補機80と、制御部90とを備える。
燃料電池20は、燃料電池システム10の電力源であり、いわゆる固体高分子型燃料電池により構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する。なお、燃料電池20は、固体高分子型燃料電池に代えて、固体酸化物型燃料電池等の他の任意のタイプの燃料電池により構成されてもよい。燃料電池20は、第1の配線11を介して、燃料電池昇圧コンバータ30の入力端子に接続されている。燃料電池20の出力端子には、燃料電池20の出力電圧を測定する第1の電圧センサ21が配置されている。第1の電圧センサ21は、燃料電池20の出力電圧を示す信号を、制御部90に出力する。
燃料電池昇圧コンバータ30は、制御部90からの指令に応じて、燃料電池20の出力電圧を昇圧する。換言すると、燃料電池昇圧コンバータ30は、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧を二次側電圧に昇圧する。一次側とは、電力が供給される側、すなわち入力側を意味し、二次側とは、電力を供給する側、すなわち出力側を意味する。昇圧された電圧は、第2の配線12を介してインバータ60に供給される。また、燃料電池昇圧コンバータ30は、燃料電池20の出力電力の調整を実行する。より具体的には、燃料電池昇圧コンバータ30の有する図示しないスイッチング回路のデューティ比を変更することによって燃料電池昇圧コンバータ30の通過電流量を調整して、燃料電池20の出力電力の調整を実行する。これにより、燃料電池システム10の出力電力が調整される。
本実施形態において、燃料電池昇圧コンバータ30は、非絶縁型のDC-DCコンバータにより構成されている。燃料電池昇圧コンバータ30の出力端子は、第2の配線12を介してインバータ60の直流端子に接続されている。第2の配線12には、インバータ60に入力される電圧を測定する第2の電圧センサ22が配置されている。第2の電圧センサ22は、インバータ60に入力される電圧を示す信号を、制御部90に出力する。
二次電池40は、リチウムイオン電池によって構成され、燃料電池20とともに燃料電池システム10の電力源として機能する。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の二次電池により構成されてもよい。二次電池40は、第3の配線13を介して、二次電池昇圧コンバータ50の入力端子に接続されている。二次電池40の出力端子には、二次電池40の出力電圧を測定する第3の電圧センサ23が配置されている。第3の電圧センサ23は、二次電池40の出力電圧を示す信号を、制御部90に出力する。
本実施形態において、二次電池40の出力電圧は、通常の動作状態において燃料電池20の出力電圧よりも高い。ただし、二次電池40の出力電圧と燃料電池20の出力電圧とは、互いにそれぞれ変動し、変動電圧域の重なりを有する。なお、通常の動作状態とは、二次電池40の温度やSOCが所定範囲内であるとともに、燃料電池20の発電量が所定範囲内である場合の動作状態を意味する。
二次電池温度センサ44は、二次電池40に接続され、二次電池40の温度を検出する。二次電池温度センサ44は、二次電池40の温度を示す信号を、制御部90に出力する。
SOC検出部46は、二次電池40に接続され、二次電池40の蓄電量を示すSOC(State Of Charge)を検出し、制御部90に出力する。SOCは、二次電池40の蓄電容量に対する蓄電残量の比率で示される。本実施形態において、SOCは、蓄電電流及び放電電流を積算することにより求められるが、例えば、二次電池電解液比重と二次電池電圧とに基づいて求められてもよい。
二次電池昇圧コンバータ50は、制御部90からの指令に応じて、二次電池40の出力電圧を昇圧して第4の配線14に出力する。二次電池昇圧コンバータ50の出力端子は、第4の配線14を介して第2の配線12に接続されている。このため、二次電池昇圧コンバータ50の出力端子は、燃料電池昇圧コンバータ30の出力端子と電気的に接続されている。本実施形態において、二次電池昇圧コンバータ50は、非絶縁型のDC-DCコンバータにより構成されている。なお、二次電池昇圧コンバータ50は、第4の配線14から入力される電圧を降圧して第3の配線13を介して二次電池40に供給することも可能な双方向のDC-DCコンバータとして構成されていてもよい。
二次電池昇圧コンバータ50は、上アーム51と、下アーム52と、リアクトルL1と、コンデンサC1とを有する。上アーム51は、第1のスイッチング素子S1と、第1のダイオードD1とを含む。第1のスイッチング素子S1は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)により構成されている。なお、IGBTに代えて、バイポーラトランジスタやMOSFET等の他の任意のスイッチング素子により構成されていてもよい。第1のダイオードD1は、第1のスイッチング素子S1に逆並列に接続されている。下アーム52は、第2のスイッチング素子S2と、第2のダイオードD2とを含み、上アーム51と同様な構成を有する。上アーム51と下アーム52とは、直列に接続されている。リアクトルL1は、上アーム51と下アーム52との接続点に接続されている。コンデンサC1は、第3の配線13に配置され、正極側と負極側との間の電圧変動を低減する。
インバータ60は、第2の配線12を介して燃料電池20および二次電池40から供給される直流の電力を三相交流の電力に変換する。インバータ60は、変換した電力を負荷70に供給する。インバータ60と、第2の配線12および第4の配線14の接続点との間には、コンデンサC2が配置されている。コンデンサC2は、正極側と負極側との間の電圧変動を低減する。
負荷70は、駆動モータ72とエアコンプレッサ74とを含む。駆動モータ72は、燃料電池車両の図示しない車輪を駆動する。エアコンプレッサ74は、燃料電池20に酸化剤ガスを圧送する。駆動モータ72およびエアコンプレッサ74の有する同期モータの出力トルクの制御は、制御部90によってインバータ60が制御されることにより実行される。
補機80は、第3の配線13に接続されている。補機80は、図示しない水素ポンプや冷却水ポンプ等を含む。水素ポンプは、燃料電池20から排出されるオフガスを燃料ガス供給路に戻す。冷却水ポンプは、燃料電池20内を通る冷却水を循環させる。
制御部90は、中央処理装置(CPU:Central Processing Unit)と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータであり、電子制御ユニットとして構成されている。中央処理装置は、主記憶装置に予め記憶されているプログラムを実行する。制御部90は、各電圧センサ21、22、23の測定結果と、二次電池温度センサ44およびSOC検出部46の検出結果とを取得する。また、制御部90は、燃料電池昇圧コンバータ30、二次電池昇圧コンバータ50、およびインバータ60に対して、制御指令を出力する。制御部90は、負荷70の要求電力に対して、燃料電池昇圧コンバータ30の電流および電圧と、二次電池昇圧コンバータ50の電流および電圧とをそれぞれ決定し、燃料電池昇圧コンバータ30による燃料電池20の出力電力の調整を制御する。また、制御部90は、負荷70の要求電圧に基づいて二次電池昇圧コンバータ50の昇圧と昇圧停止とを切り替える制御を行なうとともに、後述する昇圧停止制御を行なう。
二次電池昇圧コンバータ50における昇圧は、上アーム51と下アーム52とをON/OFFさせることにより行なわれる。なお、ONは導通状態を意味し、OFFは非導通状態を意味する。また、二次電池昇圧コンバータ50に昇圧動作をさせずに第3の配線13と第4の配線14とを直結させることを「昇圧停止」とも呼ぶ。昇圧停止は、上アーム51をONさせて下アーム52をOFFさせることにより行なわれる。本実施形態では、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を、便宜的に「上アームON」とも呼ぶ。
制御部90は、通常の制御として、駆動モータ72を含む負荷70の要求電圧が二次電池40の出力電圧である二次電池電圧VLよりも小さい場合に、二次電池昇圧コンバータ50の上アームONを許可、すなわち、昇圧停止を許可する。二次電池昇圧コンバータ50の昇圧を停止させると、二次電池昇圧コンバータ50の消費電力が抑制されるとともに、負荷70や補機80における損失が抑制され、燃料電池システム10全体の消費電力が抑制される。二次電池昇圧コンバータ50の昇圧を停止させると、二次電池40の出力電圧とインバータ60に入力される電圧とが等しくなる。
ところで、燃料電池車両にスリップ/グリップ等が起こると、駆動モータ72等の負荷70の要求電圧が急激に増加することがある。このような要求電圧の急増が発生すると、燃料電池昇圧コンバータ30による燃料電池20の出力電力の調整が追いつかないことがある。このときの不足分の電力が二次電池40側から供給されるため、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧を停止させた状態で二次電池40から要求電圧が補われると、二次電池40の過放電が発生して二次電池40の出力電圧が急降下し、インバータ60に入力される電圧が急降下するおそれがある。
本システムにおいて、通常の動作状態における二次電池40の出力電圧は、燃料電池20の出力電圧よりも高い。このため、インバータ60に入力される電圧が急降下して燃料電池20の出力電圧と等しくなると、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧と二次側電圧とが等しくなる。このため、燃料電池昇圧コンバータ30による昇圧動作を行わせることができず、燃料電池昇圧コンバータ30が停止する。燃料電池昇圧コンバータ30の停止とは、図示しないスイッチング回路のデューティ比をゼロに固定することを意味する。燃料電池昇圧コンバータ30は、燃料電池システム10の出力電力制御に用いられるため、燃料電池昇圧コンバータ30が停止すると燃料電池20の出力電力の調整を実行することができず、負荷70の要求電圧を供給しきれないおそれがある。また、不足分の電力を二次電池40側から供給させることにより、二次電池40の定格放電可能電力以上の電力を二次電池40から供給させ続けると、二次電池40が劣化するおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム10では、以下に説明する昇圧停止制御を実行することにより、二次電池40の過放電による急激な電圧降下の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止し、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧と二次側電圧とが等しくなることを抑制し、燃料電池昇圧コンバータ30の停止を抑制する。
A-2.昇圧停止制御:
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。
制御部90は、二次電池温度センサ44により検出された二次電池温度と、SOC検出部46により検出されたSOCとを取得する(ステップS210)。制御部90は、二次電池温度およびSOCを用いて、二次電池40の現在の放電可能電力値Woutを求める(ステップS220)。放電可能電力値Woutは、二次電池温度やSOC等に依存する特性を有する。そこで、放電可能電力値Woutと二次電池温度との関係を予め実験等で求めてMAP化し、また、放電可能電力値WoutとSOCとの関係を予め実験等で求めてMAP化しておき、ステップS220では、これらのMAPを参照して、二次電池温度およびSOCに基づき放電可能電力値Woutを求める。
図3は、二次電池温度と放電可能電力値Woutとの関係の一例を示す説明図である。図3において、縦軸は、二次電池40の放電可能電力値Woutを示し、横軸は、二次電池温度を示している。放電可能電力値Woutは、二次電池温度が所定値よりも高い場合または所定値よりも低い場合に急激に低下する。
図4は、SOCと放電可能電力値Woutとの関係の一例を示す説明図である。図4において、縦軸は、二次電池40の放電可能電力値Woutを示し、横軸は、二次電池40のSOCを示している。放電可能電力値Woutは、SOCが所定値よりも低い場合に急激に低下する。
放電可能電力値Woutが低下している状態では、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止時に負荷70の要求電圧が急増した場合に、二次電池40の過放電が起こって急激な電圧降下が発生する可能性がある。このため、制御部90は、放電可能電力値Woutが低く二次電池40の過放電が発生する可能性がある場合に、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止する。
図3および図4では、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止する範囲の一例を、ハッチングで示している。このように、二次電池温度が所定値よりも高い場合または所定値よりも低い場合、および、SOCが所定値よりも低い場合には、放電可能電力値Woutが低いため、昇圧停止を禁止する。
制御部90の主記憶装置には、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止させるための放電可能電力値Woutの禁止閾値Wngと、昇圧停止を許可するための放電可能電力値Woutの許可閾値Wokとが、予め記憶されている。本実施形態において、許可閾値Wokは、ハンチングを抑制する観点から禁止閾値Wngよりも大きく設定されている。例えば、許可閾値Wokは、禁止閾値Wngよりも10kW程度大きく設定されてもよい。図3および図4に示す昇圧停止禁止範囲における放電可能電力値Woutは、禁止閾値Wngよりも小さい。
図2に示すように、制御部90は、主記憶装置から、昇圧停止の禁止閾値Wngと昇圧停止の許可閾値Wokとを取得する(ステップS230)。また、制御部90は、主記憶装置から、現在の昇圧停止のフラグFを取得する(ステップS240)。昇圧停止のフラグFには、「許可」と「禁止」とが存在する。昇圧停止のフラグFは、初期状態では「許可」に設定されており、後述するステップS270およびステップS290で再度設定される。
制御部90は、現在の昇圧停止のフラグFが、「許可」であるか否かを判定する(ステップS250)。現在の昇圧停止のフラグFが「許可」であると判定された場合(ステップS250:YES)、制御部90は、ステップS220で求められた放電可能電力値Woutが禁止閾値Wngよりも小さいか否かを判定する(ステップS260)。放電可能電力値Woutが禁止閾値Wngよりも小さくないと判定された場合(ステップS260:NO)、ステップS210に戻る。この場合、昇圧停止のフラグFは、「許可」のままとなる。
他方、ステップS260において、放電可能電力値Woutが禁止閾値Wngよりも小さいと判定された場合(ステップS260:YES)、制御部90は、昇圧停止のフラグFを「禁止」に設定し(ステップS270)、ステップS210に戻る。
ステップS250において、現在の昇圧停止のフラグFが「許可」でないと判定された場合(ステップS250:NO)、すなわち、フラグFが「禁止」である場合、制御部90は、ステップS220で求められた放電可能電力値Woutが許可閾値Wokよりも大きいか否かを判定する(ステップS280)。放電可能電力値Woutが許可閾値Wokよりも大きくないと判定された場合(ステップS280:NO)、ステップS210に戻る。この場合、昇圧停止のフラグFは、「禁止」のままとなる。
放電可能電力値Woutは、二次電池温度の上昇等に起因して増加することがある。このため、制御部90は、放電可能電力値Woutが増加して二次電池40の過放電による急激な電圧降下の可能性が低下した場合に、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止の禁止を解除する。
ステップS280において、放電可能電力値Woutが許可閾値Wokよりも大きいと判定された場合(ステップS280:YES)、制御部90は、昇圧停止のフラグFを「許可」に設定する(ステップS290)。すなわち、制御部90は、二次電池昇圧コンバータ50の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が許可閾値Wokよりも大きくなったとき、昇圧停止の禁止を解除する。ステップS290の後、ステップS210に戻る。
本実施形態において、放電可能電力値Wout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し、禁止閾値Wngよりも小さいことは、課題を解決するための手段における禁止範囲内の下位概念に相当し、許可閾値Wokよりも大きいことは、課題を解決するための手段における許可範囲内の下位概念に相当する。
図5は、二次電池40の電圧変化とフラグの変化との一例を示す説明図である。図5において、上のグラフの縦軸は電圧(V)を示し、下のグラフの縦軸は昇圧停止のフラグFを示し、横軸は、時刻を示している。図5では、燃料電池20の出力電圧を示す燃料電池電圧Vfcと、二次電池40の出力電圧を示す二次電池電圧VLとを一点鎖線でそれぞれ示し、駆動モータ72を含む負荷70の要求電圧を鎖線で示し、インバータ60に入力されるインバータ電圧VHを実線で示している。
図5の例では、要求電圧が、時刻t0と時刻t1との間で高くなった後、時間の経過とともに時刻t4に至るまで徐々に低下している。時刻t0から時刻t2までの間、要求電圧が二次電池電圧VLよりも高いので、制御部90は、二次電池昇圧コンバータ50を昇圧動作させることにより、二次電池電圧VLをインバータ電圧VHまで昇圧させている。なお、二次電池昇圧コンバータ50の一次側電圧と二次側電圧との差が小さいと昇圧動作が不安定となって昇圧精度が悪化するので、二次電池昇圧コンバータ50には、最小昇圧比が設定されている。時刻t1から時刻t2までの間は、要求電圧と二次電池電圧VLとの差が最小昇圧比よりも小さいため、二次電池昇圧コンバータ50は、最小昇圧比での昇圧を行なっている。
時刻t0から時刻t3までは、二次電池40の放電可能電力値Woutが昇圧停止の許可閾値Wokよりも大きいので(図2のステップS250:YES、かつ、ステップS260:NO)、昇圧停止のフラグFが、「許可」に設定されている。このため、時刻t2において、要求電圧が二次電池電圧VLよりも小さくなると、制御部90は、二次電池昇圧コンバータ50の上アームONを許可、すなわち、昇圧停止を許可する。これにより、インバータ電圧VHが二次電池電圧VLと等しくなる。
時刻t3において、SOCの低下や二次電池温度の低下または上昇等に起因して、二次電池40の放電可能電力値Woutが昇圧停止の禁止閾値Wngよりも小さくなると(図2のステップS260:YES)、昇圧停止のフラグFは、「禁止」に設定される(図2のステップS270)。これにより、要求電圧が二次電池電圧VLより低い状態であっても、二次電池昇圧コンバータ50の上アームONが禁止、すなわち、昇圧停止が禁止される。これにより、二次電池昇圧コンバータ50は、一次側電圧(VL)を最小昇圧比または最小昇圧比よりも大きい昇圧比で、二次側電圧(VH)へと昇圧する。したがって、インバータ電圧VHが二次電池電圧VLよりも大きくなる。
図5の例では、時刻t4において、燃料電池車両のスリップ/グリップ等に起因して、駆動モータ72等の負荷70の要求電圧が急増している。このように要求電圧が急増した場合、燃料電池昇圧コンバータ30による燃料電池20の出力電力の調整が追いつかずに、燃料電池20側から供給される電力が不足して、インバータ電圧VHが低下することがある。しかしながら、図5の例では、時刻t3において二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止が禁止され、時刻t3以降、時刻t4においても二次電池昇圧コンバータ50の昇圧動作が継続されている。このため、二次電池電圧VLが維持されるとともに、時刻t4からインバータ電圧VHが低下しても、インバータ電圧VHが燃料電池電圧Vfcと同値となるまで低下することが抑制されている。したがって、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧(Vfc)と二次側電圧(VH)とが等しくなることが抑制され、燃料電池昇圧コンバータ30が停止することが抑制される。
以上説明した本実施形態の燃料電池システム10によれば、制御部90は、駆動モータ72等の負荷70の要求電圧が二次電池電圧VLよりも小さく、且つ、二次電池40の放電可能電力値Woutが昇圧停止の禁止閾値Wngよりも小さいとき、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止する。すなわち、放電可能電力値Woutが禁止閾値Wngよりも小さいときには、要求電圧が二次電池電圧VLよりも小さくても昇圧停止を禁止する。このため、二次電池40の過放電の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止できる。したがって、負荷70の要求電圧が急増した場合に、二次電池昇圧コンバータ50の直結により二次電池40の過放電が発生して二次電池電圧VLおよびインバータ電圧VHが急激に降下することを抑制できる。このため、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧(Vfc)と二次側電圧(VH)とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータ30が停止することを抑制できる。したがって、燃料電池20の出力電力の調整ができなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる。また、燃料電池昇圧コンバータ30による出力電力の調整ができなくなって要求電圧を供給しきれなくなることを抑制でき、二次電池40の定格放電可能電力以上の電力を二次電池40から供給させ続けて二次電池40が劣化することを抑制できる。
また、制御部90は、二次電池昇圧コンバータ50の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が許可閾値Wokよりも大きくなったとき、昇圧停止の禁止を解除する。このため、例えば二次電池温度の上昇等に起因して放電可能電力値Woutが増加して二次電池40の過放電の可能性が低下した場合に、二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を許可して二次電池昇圧コンバータ50の消費電力をより抑制でき、負荷70や補機80における損失をより抑制できる。したがって、燃料電池システム10全体の消費電力をより抑制できる。
また、制御部90は、放電可能電力値Woutが禁止閾値Wngよりも小さいときに昇圧停止を禁止し、禁止閾値Wngよりも大きい許可閾値Wokよりも大きくなったときに昇圧停止の禁止を解除するので、禁止閾値Wngと許可閾値Wokとが同値である構成と比較して、ハンチングを抑制できる。
また、制御部90は、放電可能電力値Woutに大きな影響を及ぼす二次電池温度とSOCとを用いて放電可能電力値Woutを求めるので、放電可能電力値Woutの算出精度の低下を抑制できる。また、二次電池40の過放電と直接関係する放電可能電力値Woutを用いて昇圧停止の禁止と許可との判定を行なうので、二次電池40の放電可能電力に精度よく即して昇圧停止の禁止を行なうことができる。
B.比較例:
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。
比較例の燃料電池システムでは、二次電池昇圧コンバータの昇圧停止の禁止を行なわない。このため、比較例における制御部は、負荷の要求電圧が二次電池電圧VLよりも小さい場合に、二次電池昇圧コンバータの昇圧を必ず停止させる。図6では、負荷の要求電圧が二次電池電圧VLを下回る時刻t2において、二次電池昇圧コンバータの昇圧が停止されている。このため、時刻t2から時刻t4までの間、インバータ電圧VHと二次電池電圧VLとが等しくなっている。
時刻t4において、燃料電池車両のスリップ/グリップ等に起因して負荷の要求電圧が急増すると、二次電池昇圧コンバータが昇圧停止の状態であるため二次電池の過放電が発生し、二次電池電圧VLおよびインバータ電圧VHが急激に降下する。このため、時刻t5において、二次電池電圧VLおよびインバータ電圧VHが燃料電池電圧Vfcと同値となるまで低下すると、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧(Vfc)と二次側電圧(VH)とが等しくなり、燃料電池昇圧コンバータが停止する。
これに対し、上述した本実施形態の燃料電池システム10は、昇圧停止制御を実行することにより、二次電池40の過放電による急激な電圧降下の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ50の昇圧停止を禁止するので、燃料電池昇圧コンバータ30の一次側電圧(Vfc)と二次側電圧(VH)とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータ30が停止することを抑制できる。
C.他の実施形態:
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。
C-2.他の実施形態2:
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。
C-3.他の実施形態3:
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。
C-4.他の実施形態4:
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。
C-5.他の実施形態5:
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。
C-6.他の実施形態6:
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。
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池システム
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)

  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。
  2. 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。
  3. 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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