JP7452396B2 - 電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、電池を冷却する電池システムに関するものである。
従来、燃料電池の冷却液が漏洩している場合に、それを精度よく検出可能な燃料電池システムが提案されている(特許文献1)。特許文献1の燃料電池システムでは、冷却液の漏れを検出する際、冷却液排出経路に流れる冷却液をラジエータ流路側に流して、冷却液ポンプの消費電力を測定し、消費電力に基づいて漏れを検出する。このように冷却液をラジエータ流路に流すことで、冷却液に混入する気泡を微粒化し、消費電力の脈動を抑制しつつ、精度よく冷却液の漏れを検出することができる。
特開2018-41688号公報
しかしながら、特許文献1の燃料電池システムでは、冷却液の漏れを検出する際、冷却液排出経路に流れる冷却液をラジエータ流路側に流す必要がある。このため、冷却液の温度調整の観点からラジエータ流路側に流すことが不要であっても、冷却液の漏れを検出するためにラジエータ流路側に流す必要があり、その場合、ラジエータ流路側に流すことによって冷却水の温度調整が適切にできなくなる虞がある。また、気温が氷点下である場合やラジエータ流路側に冷却液を流すためのバルブの開度が全開となる前など、ラジエータ流路側に冷却液を流すことができないときには、冷却液の漏れを検出できないという不都合もある。また、バイパス流路で冷却液が漏れている場合など、冷却液検出時にラジエータ流路側に流す際、冷却液が通過しない箇所においては、漏れを検出することができないという問題もある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、異常を常時監視可能な電池システムを提供することを主たる目的とする。
上記課題を解決するための手段は、電池装置へ冷媒を供給することにより、電池装置を冷却する電池システムにおいて、前記冷媒が循環する冷媒通路と、前記冷媒通路を通過する前記冷媒の流れを制御して、前記電池装置と前記冷媒通路との間で前記冷媒を循環させる冷媒ポンプと、前記冷媒通路から前記電池装置への冷媒供給口を通過する前記冷媒の圧力と、前記電池装置から前記冷媒通路への冷媒排出口を通過する前記冷媒の圧力との差圧を検出する差圧センサと、前記差圧センサから取得した差圧と、予め記憶されている推定値との比較に基づいて前記冷媒の漏れを判定する判定部と、を備えた。
冷媒供給口及び冷媒排出口では、全量の冷媒が通過する。そこで、上記構成では、差圧センサは、冷媒供給口を通過する冷媒の圧力と、冷媒排出口を通過する冷媒の圧力との差圧を検出し、判定部は、その差圧と推定値との比較に基づいて冷媒の漏れを判定するようにしている。このため、常時、冷媒の漏れ、つまり、電池システムの異常を判定することができる。
燃料電池システムの構成図。 検出処理のフローチャート。 冷媒流量と差圧との関係を示す図。 (a)は、差圧の変化を示すタイムチャート、(b)は、回転数及び消費電力の変化を示すタイムチャート、(c)は、冷媒の漏れ量を示すタイムチャート。 第2実施形態における燃料電池システムの構成図。 第2実施形態における検出処理のフローチャート。 冷媒流量と冷媒圧力との関係を示す図。 第3実施形態における燃料電池システムの構成図。 第3実施形態における検出処理のフローチャート。 第4実施形態における燃料電池システムの構成図。 第4実施形態における検出処理のフローチャート。 第5実施形態における燃料電池システムの構成図。 第5実施形態における検出処理のフローチャート。
以下、各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態及び変形例相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
(第1実施形態)
図1に、第1実施形態の電池システムとしての燃料電池システム10の構成図を示す。燃料電池システム10は、電池装置としての燃料電池20と、冷媒が流れ、燃料電池20に接続されている冷媒通路30と、冷媒通路30に配置され、冷媒を循環させる冷媒ポンプ40と、燃料電池システム10を制御する制御装置50と、を備える。冷媒は、例えば、エチレングリコールを含む水溶液である。
燃料電池20は、例えば、車両の発電源であり、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うFCスタック(Fuel Cell Stack)を有する。詳しくは、水素を充填した水素タンクから水素を取り入れ、大気中から酸素を取り入れて発電する。燃料電池20は、内部に冷媒が通過する電池内流路21が設けられており、当該冷媒により発電に際し発生した熱を冷却するように構成されている。
冷媒通路30は、例えば、管状に形成されている。そして、冷媒通路30は、燃料電池20の冷媒供給口21aに接続される冷媒供給流路31と、燃料電池20の冷媒排出口21bに接続される冷媒排出流路32と、冷媒供給流路31と冷媒排出流路32とを接続するラジエータ流路33と、ラジエータ流路33に対して並列となるバイパス流路34と、を備える。
冷媒供給流路31は、燃料電池20に冷媒を供給する流路である。冷媒供給流路31の一端は、燃料電池20へ冷媒を供給するための冷媒供給口21aに接続されている。また、冷媒供給流路31の他端は、ラジエータ流路33の一端33a及びバイパス流路34の一端34aに接続されている。また、冷媒供給流路31の途中には、冷媒ポンプ40が配置されている。
冷媒ポンプ40は、冷媒通路30と燃料電池20との間で冷媒を循環させるポンプである。冷媒ポンプ40の流入口及び流出口は冷媒供給流路31に接続されており、流入口を介して冷媒供給流路31から流入した冷媒を、流出口から冷媒供給流路31へ送り出すように構成されている。冷媒ポンプ40は、制御装置50により制御される。また、冷媒ポンプ40には、ポンプセンサ41が取り付けられている。ポンプセンサ41は、冷媒ポンプ40の回転数及び消費電力に関する情報を取得し、制御装置50に出力するように構成されている。
冷媒排出流路32は、燃料電池20から冷媒が排出される流路である。冷媒排出流路32の一端は、燃料電池20からの冷媒が排出される冷媒排出口21bに接続されている。また、冷媒排出流路32の他端は、ロータリーバルブ70を介してラジエータ流路33及びバイパス流路34に接続されている。冷媒排出流路32において、冷媒排出口21bの付近には、冷媒排出口21bを通過する冷媒の温度(以下、第1冷媒温度と示す)を検出する第1温度センサ42が設けられている。第1温度センサ42は、制御装置50に接続され、検出した第1冷媒温度を、制御装置50に出力する。
ラジエータ流路33は、ラジエータ60に供給される冷媒若しくはラジエータ60から供給(排出)された冷媒が流れる流路である。ラジエータ流路33の一端33aは、冷媒供給流路31に接続され、他端は、ロータリーバルブ70を介して冷媒排出流路32に接続されている。また、ラジエータ流路33の途中には、ラジエータ60が配置されている。ラジエータ流路33において、ラジエータ60よりも冷媒供給流路31の側の付近には、ラジエータ60から供給(排出)された冷媒の温度(以下、第2冷媒温度と示す)を検出する第2温度センサ43が設けられている。第2温度センサ43は、制御装置50に接続され、検出した第2冷媒温度を、制御装置50に出力する。
ラジエータ60は、ラジエータ流路33を流れる冷媒と、外気との間で熱交換する熱交換器である。具体的には、ラジエータ60は、冷媒がラジエータ流路33から流入すると、外気に対して、流入した冷媒の熱を放出して冷却し、冷却後の冷媒を、ラジエータ流路33に流出させる(戻す)ように構成されている。
ラジエータ60は、内部を流れる冷媒と外気とが接触する表面積を大きくするために、多数の細管内に冷媒を流す構造や、蛇行した管内に冷媒を流す構造などを有する。また、ラジエータ60は、ラジエータファン61を備え、ラジエータファン61によりラジエータ60に対して外気が送風されるように構成されている。ラジエータファン61は、制御装置50により制御される。なお、図1に示すように、ラジエータ流路33に対して並列となるサブラジエータ62が設けられていてもよいし、設けていなくてもよい。
バイパス流路34は、ラジエータ流路33に対して並列に設けられている。バイパス流路34の一端34aは、冷媒供給流路31に接続され、他端は、ロータリーバルブ70を介して冷媒排出流路32に接続されている。バイパス流路34には、冷媒中の不純物イオンを除去するイオン交換機44が接続されている。なお、イオン交換機44は、設けられていなくてもよい。
ロータリーバルブ70は、冷媒排出流路32に流れる冷媒をバイパス流路34又はラジエータ流路33に振り分ける弁装置である。ロータリーバルブ70は、制御装置50により制御される。例えば、このロータリーバルブ70を、バイパス流路34の側に全開にした場合には、冷媒排出流路32からラジエータ流路33の側に冷媒が流れず、バイパス流路34の側に全量の冷媒が供給される。一方、このロータリーバルブ70を、ラジエータ流路33の側に全開にした場合には、冷媒排出流路32からバイパス流路34の側に冷媒が流れず、ラジエータ流路33の側に全量の冷媒が供給される。また、ロータリーバルブ70の開度を調整して、冷媒排出流路32を通過する冷媒の一部をバイパス流路34に流し、残りをラジエータ流路33に流すことも可能となっている。また、どのように冷媒を分配するかも、ロータリーバルブ70の開度を調整することにより可能となっている。
また、冷媒通路30には、差圧センサ80が設けられている。この差圧センサ80は、冷媒供給流路31から燃料電池20への冷媒供給口21aを通過する冷媒の圧力と、燃料電池20から冷媒排出流路32への冷媒排出口21bを通過する冷媒の圧力との差圧を検出するものである。差圧センサ80が検出した差圧は、制御装置50に出力される。
制御装置50は、図示しないCPU、ROMおよびRAM等を有するマイクロコンピュータで構成されている。RAMには、ポンプセンサ41や、温度センサ42,43などから取得された各種情報が記憶される。そして、制御装置50は、ROM等に記憶されているプログラムに基づいて燃料電池システム10を制御するための各種機能を実施する。
例えば、制御装置50は、冷媒ポンプ40を制御することにより、冷媒を燃料電池20と冷媒通路30との間で循環させる。また、冷媒を循環させる際、制御装置50は、第1温度センサ42及び第2温度センサ43から取得した第1冷媒温度及び第2冷媒温度に基づいて、ロータリーバルブ70の開度などを制御する。これにより、燃料電池20から排出された冷媒を適切に冷却し、燃料電池20へ供給される冷媒の冷媒温度を調整する。また、制御装置50は、冷媒ポンプ40を制御することにより、燃料電池20の発熱量に応じて、燃料電池20へ供給される冷媒流量を調整する。これにより、燃料電池20は、発電時に発生する熱を放出して冷却され、適切な発電を継続することが可能となる。
また、制御装置50は、冷媒の漏れを判定(検出)する判定部としての機能を有する。この冷媒の漏れを検出するための検出処理について図2に基づいて説明する。制御装置50は、検出処理を予め決められた実行周期ごとに実行する。
制御装置50は、差圧センサ80から、差圧を取得する(ステップS101)。また、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を取得するとともに、第1温度センサ42から第1冷媒温度を取得する(ステップS102)。
制御装置50は、回転数及び第1冷媒温度に基づいて、差圧推定値を特定する(ステップS103)。具体的には、制御装置50は、回転数から冷媒通路30を循環する全冷媒の流量(冷媒流量[L/m])を推定する。制御装置50のROM等には、図3に示すような冷媒流量と差圧推定値との関係L1~L3を示すマップが記憶されている。このマップは、実験などにより取得され、予め記憶されている。なお、第1冷媒温度によって、冷媒流量と差圧推定値との関係は変化するため、第1冷媒温度毎に冷媒流量と差圧推定値との関係が記憶されている。図3では、第1冷媒温度がT1であるときの関係L1を破線で示し、第1冷媒温度がT2(>T1)であるときの関係L2を一点鎖線で示し、第1冷媒温度がT3(>T2)であるときの関係L3を実線で示す。なお、図3では、冷媒温度の種類は3種類としているが、任意に変更してもよい。
制御装置50は、取得された第1冷媒温度に基づいて、マップから冷媒流量と差圧推定値との関係L1~L3を特定する。そして、制御装置50は、特定した関係L1~L3を参照して、推定された冷媒流量から、差圧推定値を特定する。
そして、制御装置50は、差圧センサ80から取得した差圧と、ステップS103で特定された差圧推定値とを比較して、冷媒の漏れがあるか否かを判定する(ステップS104)。具体的には、ステップS104において、制御装置50は、差圧と、差圧推定値とを比較して、その差分を算出し、当該差分が第1閾値以上であるか否かを判定することにより、冷媒の漏れがあるか否かを判定することとなる。つまり、差分が第1閾値以上である場合、制御装置50は、冷媒の漏れがあると判定する。
なお、ステップS104において、制御装置50は、予め決められた検査期間中、所定周期ごとに差圧と差圧推定値とを比較し、その差分を積算して差分積算値を算出し、その差分積算値が、第2閾値以上であるか否かを判定し、その結果に基づいて冷媒の漏れがあると判定してもよい。
また、ステップS104において、制御装置50は、予め決められた検査期間中、取得した差分の極小値を1又は複数を取得し、それらの極小値と差圧推定値とを比較して判定してもよい。
また、ステップS104において、制御装置50は、検査期間中、単位時間ごとに差分の最小値を取得し、最小値と差圧推定値とを比較して判定してもよい。その際、前述同様に、その差分を積算して差分積算値を算出し、その差分積算値に基づいて判定してもよい。
冷媒の漏れがあると判定された場合(ステップS104:YES)、制御装置50は、警告灯を点灯させて冷媒に漏れがある旨を報知するなど、冷媒の漏れに対処するためのエラー処理を実行する(ステップS105)。そして、検出処理を終了する。一方、冷媒の漏れがないと判定された場合(ステップS104:NO)、制御装置50は、検出処理を終了する。
図4を参照して、冷媒の漏れが生じたときに、差圧などにどのように変化が生じ、どの時点で冷媒の漏れを検出することができるかについて説明する。図4(a)では、実線で差圧を示す。図4(b)では、一点鎖線で冷媒ポンプ40の回転数を示し、実線で消費電力を示す。図4(c)では、漏れている冷媒の量を示す。図4において横軸は、いずれも時間である。
図4(b)に示すように、時点t0以降、回転数は一定である。図4(c)に示すように、時点t1において冷媒の漏れが発生すると、それに伴い、図4(a)に示すように、差圧が大きく低下する。一方、時点t1では、消費電力がわずかに低下する。
その後、差圧は脈動しつつ、徐々に低下していく。つまり、単位時間ごとの最小値、又は極小値が、徐々に低下していく。同様に消費電力も脈動しつつ、徐々に低下していく。なお、回転数もわずかに脈動する。
以上のように、冷媒の漏れが発生した場合において、消費電力は、最初大きく低下することなく、遅れて徐々に低下していく。その際、消費電力の脈動が発生しつつ、徐々に低下していくため、判定しにくい。一方、差圧は、冷媒の漏れが発生すると、比較的早く、かつ、大きく低下することがわかる。そして、差圧が大きく低下してから、遅れて差圧の脈動が開始される。このため、制御装置50は、冷媒の漏れが発生すると、差圧に基づいて素早くその漏れを検出することができる。
第1実施形態によれば、以下の優れた効果を奏する。
ラジエータ流路33とバイパス流路34に、冷媒がどのように振り分けられていたとしても、冷媒供給口21aを通過する冷媒の圧力と、冷媒排出口21bを通過する冷媒の圧力とには、関係ない。つまり、ラジエータ流路33とバイパス流路34に、冷媒がどのように振り分けられていたとしても、冷媒供給口21a及び冷媒排出口21bでは、全量の冷媒が通過する。
そこで、差圧センサ80は、冷媒供給口21aを通過する冷媒の圧力と、冷媒排出口21bを通過する冷媒の圧力との差圧を検出し、制御装置50は、その差圧と、差圧推定値との比較に基づいて冷媒の漏れを判定するようにしている。このため、常時、冷媒の漏れ、つまり、燃料電池システム10の異常を判定することができる。また、図4に示すように、差圧は、消費電力に比較して、冷媒の漏れが発生すると、素早く低下する。このため、冷媒の漏れを素早く検出することが可能となる。
なお、図4に示すように、冷媒の漏れが発生した場合、差圧は、脈動しつつ低下する。このため、差圧の検出タイミングによっては、差圧が高いときに取得し、誤判定する可能性がある。そこで、ステップS104において、制御装置50は、検査期間中、所定周期ごとに差圧と差圧推定値とを比較し、その差分を積算して差分積算値を算出し、その差分積算値が、第2閾値以上であるか否かを判定し、その結果に基づいて冷媒の漏れがあると判定してもよい。
あるいは、ステップS104において、制御装置50は、検査期間中、取得した差分の極小値を1又は複数を取得し、それらの極小値と差圧推定値とを比較して判定してもよい。または、ステップS104において、制御装置50は、検査期間中、単位時間ごとに差分の最小値を取得し、最小値と差圧推定値とを比較して判定してもよい。その際、前述同様に、その差分を積算して差分積算値を算出し、その差分積算値に基づいて判定してもよい。これらのいずれかの方法をステップS104において実施することにより、冷媒の漏れが発生したときに差圧が脈動しつつ低下しても、判定精度が低下することを抑制することができる。
差圧推定値は、第1冷媒温度及び回転数に応じて設定される。具体的には、制御装置50は、回転数から冷媒流量を推定するとともに、第1冷媒温度に基づいて、図3に示すマップから冷媒流量と差圧推定値との関係L1~L3を特定する。そして、制御装置50は、特定した関係L1~L3を参照して、推定された冷媒流量から、差圧推定値を特定する。このため、第1冷媒温度や回転数が変化しても、それに応じた差圧推定値を用いて、冷媒の漏れを判定するため、誤判定を抑制することができる。また、回転数を変化させても、それに応じた差圧推定値を用いるため、検査するために、回転数を所定回数に設定する必要がない。つまり、常時、冷媒の漏れを判定することができる。
差圧と差圧推定値との差分に基づいて判定している。このため、冷媒の漏れを判定するために、差圧と差圧推定値の大小関係を判断する必要がなく、処理が簡単となる。また、冷媒通路30の内部に、冷媒流量を計測する流量センサを設ける場合に比較して、圧損を少なくすることができる。また、冷媒流量の変化を検出するよりも冷媒圧力の変化のほうが早く検出することができるので、冷媒の漏れを素早く検出することができる。
(第2実施形態)
第1実施形態では、燃料電池20の冷媒供給口21aを通過する冷媒と、冷媒排出口21bを通過する冷媒との差圧に基づいて冷媒の漏れを検出していた。第2実施形態では、冷媒通路30のいずれかの箇所における冷媒の圧力を検出し、その冷媒圧力に基づいて冷媒の漏れを検出している。以下、詳しく説明する。
図5に示すように、冷媒通路30の冷媒供給流路31には、第1圧力センサ91が設けられている。第1圧力センサ91は、冷媒供給流路31において、冷媒ポンプ40の流入口付近を通過する第1冷媒圧力を検出するように構成されている。第1圧力センサ91が検出した第1冷媒圧力は、制御装置50に出力される。
第2実施形態における検出処理について図6に基づいて説明する。制御装置50は、検出処理を予め決められた実行周期ごとに実行する。制御装置50は、第1圧力センサ91から、第1冷媒圧力を取得する(ステップS201)。また、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を取得するとともに、第2温度センサ43から冷媒供給流路31における冷媒の温度(以下、第2冷媒温度)を取得する(ステップS202)。
制御装置50は、回転数及び第2冷媒温度に基づいて、冷媒ポンプ40の流入口付近を通過する第1冷媒圧力の圧力推定値(以下、第1圧力推定値)を特定する(ステップS203)。具体的には、制御装置50は、回転数から冷媒流量を推定する。そして、制御装置50のROM等には、図7に示すような冷媒流量と第1圧力推定値との関係L11~L13を示すマップが記憶されている。このマップは、実験などにより取得され、予め記憶されている。なお、第2冷媒温度によって、冷媒流量と第1圧力推定値との関係は変化するため、第2冷媒温度毎に冷媒流量と第1圧力推定値との関係が記憶されている。図7では、第2冷媒温度がT11であるときの関係L11を破線で示し、第2冷媒温度がT12(>T11)であるときの関係L12を一点鎖線で示し、第2冷媒温度がT13(>T12)であるときの関係L13を実線で示す。なお、図7では、冷媒温度の種類が3種類であったが、任意に変更してもよい。
制御装置50は、取得された第2冷媒温度から、マップから冷媒流量と第1圧力推定値との関係L11~L13を特定する。そして、制御装置50は、特定した関係L11~L13を参照して、推定された冷媒流量から、第1圧力推定値を特定する。
そして、制御装置50は、第1圧力センサ91から取得した第1冷媒圧力と、ステップS203で特定された第1圧力推定値とを比較して、異常があるか否かを判定する(ステップS204)。なお、第1冷媒圧力と差圧の違い、及び第1圧力推定値と差圧推定値の違いがあるものの、判定方法は、前述したステップS104における説明とほぼ同じであるため、ステップS104における説明で代用し、詳細な説明を省略する。
異常があると判定された場合(ステップS204:YES)、制御装置50は、第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも低いか否かを判定する(ステップS205)。第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも低いと判定された場合(ステップS204:YES)、制御装置50は、冷媒の漏れが発生していると判定し、冷媒の漏れに対処するためのエラー処理を実行する(ステップS206)。そして、検出処理を終了する。なお、ステップS206において、制御装置50は、第1冷媒圧力が負圧である場合、負圧の大きさから漏れ箇所を推定してもよい。すなわち、漏れ箇所において圧力は大気圧と同じ(通常、0kPa)となり、漏れ箇所から第1圧力センサ91までの距離が長いほど、負圧が大きくなる。このため、負圧の大きさから漏れ箇所までの距離を推定して、漏れ箇所の位置を推定してもよい。
一方、第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも高いと判定された場合(ステップS205:NO)、制御装置50は、何らかの異常が発生していると判断し、エラー処理を実行する(ステップS207)。そして、検出処理を終了する。なお、何らかの異常としては、冷媒通路30がいずれかの箇所で閉塞されているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常、若しくはキャビテーションが発生しているという異常などが発生していると考えられる。異常がないと判定された場合(ステップS204:NO)、制御装置50は、検出処理を終了する。
第2実施形態によれば、以下の優れた効果を奏する。
ラジエータ流路33とバイパス流路34に、冷媒がどのように振り分けられていたとしても、全ての冷媒が冷媒ポンプ40の流入口を通過する。そこで、制御装置50は、冷媒ポンプ40の流入口付近を通過する第1冷媒圧力を検出し、第1冷媒圧力に基づいて異常を判定するようにしている。このため、常時、冷媒が正常に燃料電池20に供給されているか否かを判定することができる。また、第1冷媒圧力だけを検出するため、差圧を検出する場合に比較して、構成を簡単にすることが可能となる。
また、ステップS204では、ステップS104と同様に、差分積算値、最小値又は極小値を利用することにより、冷媒の漏れが発生したときに第1冷媒圧力が脈動しつつ低下しても、判定精度が低下することを抑制することができる。
また、第1圧力推定値は、第2冷媒温度及び回転数に応じて設定される。このため、第2冷媒温度や回転数が変化しても、それに応じた第1圧力推定値を用いて誤判定を抑制することができる。また、回転数を変化させても、それに応じた第1圧力推定値を用いるため、検査するために、回転数を所定回数に設定する必要がない。つまり、常時、冷媒の漏れを判定することができる。
ステップS206において、冷媒ポンプ40の流入口付近を通過する第1冷媒圧力が、負圧である場合、負圧の大きさにより、漏れ箇所を推定することが可能となる。このため、冷媒の漏れが発生したとき、修理を容易に行うことができる。また、第1冷媒圧力が、第1圧力推定値よりも高いと判定された場合、冷媒通路30がいずれかの箇所で閉塞されているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常、若しくはキャビテーションが発生しているという異常のいずれかが発生している可能性があると推定できる。このため、異常個所の特定が容易となる。
(第3実施形態)
第3実施形態では、第2実施形態と異なり、冷媒ポンプ40の流出口付近を通過する冷媒圧力を検出する。以下、第2実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
図8に示すように、冷媒通路30の冷媒供給流路31には、第2圧力センサ92が設けられている。第2圧力センサ92は、冷媒供給流路31において、冷媒ポンプ40の流出口付近を通過する第2冷媒圧力を検出するように構成されている。第2圧力センサ92が検出した第2冷媒圧力は、制御装置50に出力される。
第3実施形態における検出処理について図9に基づいて説明する。ステップS301~ステップS304までは、第1冷媒圧力と第2冷媒圧力の違い、及び第1圧力推定値と第2圧力推定値との違いがあるが、そのほかの説明は、第2実施形態とほぼ同じであるため、説明を省略する。なお、第2圧力推定値は、冷媒ポンプ40の流出口付近を通過する第2冷媒圧力の圧力推定値のことである。
異常があると判定された場合(ステップS304:YES)、制御装置50は、第2冷媒圧力が第2圧力推定値よりも低いか否かを判定する(ステップS305)。第2冷媒圧力が第2圧力推定値よりも低いと判定された場合(ステップS305:YES)、制御装置50は、冷媒の漏れ、若しくは冷媒ポンプ40の故障が発生していると判定し、それらの異常に対処するためのエラー処理を実行する(ステップS306)。
一方、第2冷媒圧力が第2圧力推定値よりも高いと判定された場合(ステップS305:NO)、制御装置50は、何らかの異常が発生していると判断し、エラー処理を実行する(ステップS307)。なお、何らかの異常としては、冷媒通路30がいずれかにおいて詰まっているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常が発生していると考えられる。異常がないと判定された場合(ステップS304:NO)、制御装置50は、検出処理を終了する。
第3実施形態によれば、以下の優れた効果を奏する。
ラジエータ流路33とバイパス流路34に、冷媒がどのように振り分けられていたとしても、全ての冷媒が冷媒ポンプ40の流出口を通過する。そこで、制御装置50は、冷媒ポンプ40の流出口付近を通過する第2冷媒圧力を検出し、第2冷媒圧力に基づいて異常を判定するようにしている。このため、常時、冷媒が正常に燃料電池20に供給されているか否かを判定することができる。また、第2冷媒圧力だけを検出するため、差圧を検出する場合に比較して、構成を簡単にすることが可能となる。
また、ステップS304では、ステップS104と同様に、差分積算値、最小値又は極小値を利用することにより、冷媒の漏れが発生したときに第2冷媒圧力が脈動しつつ低下しても、判定精度が低下することを抑制することができる。
また、第2圧力推定値は、第2冷媒温度及び回転数に応じて設定される。このため、第2冷媒温度や回転数が変化しても、それに応じた第2圧力推定値を用いて誤判定を抑制することができる。また、回転数を変化させても、それに応じた第2圧力推定値を用いるため、検査するために、回転数を所定回数に設定する必要がない。つまり、常時、冷媒の漏れを判定することができる。
第2冷媒圧力が、第2圧力推定値よりも高いと判定された場合、冷媒通路30がいずれかの箇所で詰まっているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常が発生している可能性があると推定できる。このため、異常個所の特定が容易となる。
(第4実施形態)
第4実施形態では、第2実施形態と異なり、燃料電池20の冷媒供給口21a付近を通過する冷媒圧力を検出する。以下、第2実施形態と異なる箇所を中心に説明する。
図10に示すように、冷媒通路30の冷媒供給流路31には、第3圧力センサ93が設けられている。第3圧力センサ93は、冷媒供給流路31において、燃料電池20の冷媒供給口21a付近を通過する冷媒の圧力(以下、第3冷媒圧力と示す)を検出するように構成されている。第3圧力センサ93が検出した第3冷媒圧力は、制御装置50に出力される。
第4実施形態における検出処理について図11に基づいて説明する。ステップS401~ステップS404までは、第1冷媒圧力と第3冷媒圧力の違い、及び第1圧力推定値と第3圧力推定値との違いがあるが、そのほかの説明は、第2実施形態とほぼ同じであるため、説明を省略する。なお、第3圧力推定値は、燃料電池20の冷媒供給口21a付近を通過する第3冷媒圧力の圧力推定値のことである。
異常があると判定された場合(ステップS404:YES)、制御装置50は、第3冷媒圧力が第3圧力推定値よりも低いか否かを判定する(ステップS405)。第3冷媒圧力が第3圧力推定値よりも低いと判定された場合(ステップS405:YES)、制御装置50は、冷媒の漏れが発生していると判定し、冷媒の漏れに対処するためのエラー処理を実行する(ステップS406)。また、この場合、冷媒ポンプ40の流出口から燃料電池20の冷媒供給口21aまでの間で、冷媒の漏れが発生している可能性があることを特定できる。また、燃料電池20に供給される冷媒の流量が少ないことを推定できる。
一方、第3冷媒圧力が第3圧力推定値よりも高いと判定された場合(ステップS405:NO)、制御装置50は、何らかの異常が発生していると判断し、エラー処理を実行する(ステップS407)。なお、何らかの異常としては、冷媒通路30がいずれかにおいて詰まっているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常が発生していると考えられる。異常がないと判定された場合(ステップS404:NO)、制御装置50は、検出処理を終了する。
第4実施形態によれば、第3実施形態と同様の優れた効果を奏する。また、第4実施形態では、第3冷媒圧力が第3圧力推定値よりも低いと判定された場合、制御装置50は、冷媒ポンプ40の流出口から燃料電池20の冷媒供給口21aまでの間で、冷媒の漏れが発生している可能性があることを特定できる。また、燃料電池20に供給される冷媒の流量が少ないことを推定できる。
(第5実施形態)
第1実施形態では、燃料電池20の冷媒供給口21aを通過する冷媒と、冷媒排出口21bを通過する冷媒との差圧に基づいて冷媒の漏れを検出していた。第5実施形態では、冷媒通路30の3か所における冷媒の圧力を検出し、その冷媒圧力に基づいて冷媒の漏れを検出している。以下、詳しく説明する。
図12に示すように、冷媒通路30の冷媒供給流路31には、第1圧力センサ91が設けられている。第1圧力センサ91は、冷媒供給流路31において、冷媒ポンプ40の流入口付近を通過する第1冷媒圧力を検出するように構成されている。ラジエータ流路33には、第4圧力センサ94が設けられている。第4圧力センサ94は、ラジエータ流路33において、ラジエータ60よりも冷媒供給流路31側の端部付近を通過する冷媒の圧力(以下、第4冷媒圧力と示す)を検出するように構成されている。
バイパス流路34には、第5圧力センサ95が設けられている。第5圧力センサ95は、バイパス流路34において、冷媒供給流路31側の端部(ロータリーバルブ70とは反対側の端部)付近を通過する冷媒の圧力(以下、第5冷媒圧力と示す)を検出するように構成されている。検出された各冷媒圧力は、制御装置50に出力される。
第5実施形態における検出処理について図13に基づいて説明する。制御装置50は、検出処理を予め決められた実行周期ごとに実行する。
制御装置50は、第1圧力センサ91、第4圧力センサ94、及び第5圧力センサ95から、各冷媒圧力を取得する(ステップS501)。また、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を取得するとともに、第2冷媒温度を取得する(ステップS502)。
制御装置50は、第2実施形態におけるステップS203と同様にして、回転数及び第2冷媒温度に基づいて、第1圧力推定値を特定する(ステップS503)。そして、制御装置50は、ステップS204と同様にして、第1冷媒圧力と第1圧力推定値とを比較して、異常があるか否かを判定する(ステップS504)。
異常があると判定された場合(ステップS504:YES)、制御装置50は、第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも低いか否かを判定する(ステップS505)。第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも低いと判定された場合(ステップS505:YES)、制御装置50は、冷媒の漏れが発生していると判定し、それとともにステップS501で取得した各冷媒圧力相互間の差圧を算出し、差圧に基づいて、冷媒の漏れ箇所を推定する(ステップS506)。ステップS506において、制御装置50は、第1冷媒圧力と第4冷媒圧力との差圧と、第1冷媒圧力と第5冷媒圧力との差圧とを比較して、ラジエータ流路33を通過する冷媒の流量と、バイパス流路34を通過する冷媒の流量との分配量(推定分配量)を推定する。また、制御装置50は、ロータリーバルブ70の開度から、実際の分配量を特定する。
そして、制御装置50は、推定分配量と、実際の分配量とを比較して、ラジエータ流路33を通過する冷媒の流量の割合が低い場合には、ラジエータ流路33の何れかの箇所で漏れが発生していると推定する。一方、制御装置50は、バイパス流路34を通過する冷媒の流量の割合が低い場合には、バイパス流路34の何れかの箇所で漏れが発生していると推定する。また、制御装置50は、推定分配量と、実際の分配量とが変わらないのであれば、冷媒供給流路31、冷媒排出流路32、又は電池内流路21のいずれかで漏れが発生していると推定する。推定箇所は、外部装置などに報知される、若しくは記憶される。なお、ステップS506において、制御装置50は、第1冷媒圧力が負圧である場合、ステップS206と同様にして、負圧の大きさから漏れ箇所までの距離を推定してもよい。その後、冷媒の漏れに対処するためのエラー処理を実行する(ステップS507)。
一方、第1冷媒圧力が第1圧力推定値よりも高いと判定された場合(ステップS505:NO)、制御装置50は、何らかの異常が発生していると判断し、エラー処理を実行する(ステップS508)。なお、何らかの異常としては、冷媒通路30がいずれかの箇所で閉塞されているという異常、若しくはロータリーバルブ70が固着しているという異常、若しくはキャビテーションが発生しているという異常などが発生していると考えられる。異常がないと判定された場合(ステップS504:NO)、制御装置50は、検出処理を終了する。
第5実施形態では、第2実施形態と同様の効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。すなわち、冷媒の漏れが発生していると判定された場合、第1冷媒圧力と第4冷媒圧力との差圧と、第1冷媒圧力と第5冷媒圧力との差圧に基づいて、冷媒通路30のうちいずれかの箇所で冷媒の漏れが発生しているかを推定することができる。これにより、修理する際の手間を小さくすることができる。また、負圧の大きさから漏れ箇所までの距離を推定する場合には、さらに漏れ箇所の特定を容易に行うことができる。
(他の実施形態)
・上記実施形態において、回転数が変更されると、それに伴い冷媒の圧力が変化する。このため、差圧や冷媒圧力に基づいて冷媒の漏れなどの異常を判定する場合において、回転数の変更タイミングと判定タイミングが重なると、判定精度が低下する可能性がある。そこで、上記実施形態において、冷媒の漏れなどを含む異常が発生していると判定された場合、回転数を一定にした検査期間を設定し、当該検査期間において、再度異常が発生しているか否かを判定してもよい。これにより、判定精度を向上させることができる。
・上記第1実施形態において、冷媒通路30を流れる冷媒流量がゼロに近い場合、差圧もゼロに近くなる。この場合、冷媒の漏れが発生していなくても、冷媒の漏れが発生していると誤判定する可能性がある。そこで、第1実施形態において、差圧が所定値以下のときに、冷媒の漏れが発生していると判定された場合、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を一時的に上げて、再度差圧を取得し、冷媒の漏れが発生しているか否かを判定してもよい。つまり、回転数を上げることにより、冷媒流量が多くなり、差圧も大きくなる。このため、判定精度を向上させることができる。
・上記第1実施形態において、回転数が所定数以下の場合、すなわち、冷媒流量が所定量以下の場合、図3等に示すように、差圧の値そのものが小さくなり、冷媒の漏れが発生していても、差圧との差が小さくなる。つまり、誤判定する可能性が高くなる。このため、第1実施形態において、回転数が所定数以下のときに、冷媒の漏れが発生していると判定された場合、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を一時的に上げて、再度差圧を取得し、冷媒の漏れが発生しているか否かを判定してもよい。つまり、回転数を上げることにより、冷媒流量が多くなり、差圧も大きくなる。このため、判定精度を向上させることができる。
・上記第1実施形態において、回転数が所定数以下の場合、すなわち、冷媒流量が所定量以下の場合、図3等に示すように、差圧の値そのものが小さくなり、冷媒の漏れが発生していても、差圧との差が小さくなる。つまり、誤判定する可能性が高くなる。そこで、ステップS104において、回転数に応じて、各種閾値(第1閾値や第2閾値)を補正してもよい。つまり、回転数が小さい場合ほど、各種閾値を小さくするように補正してもよい。これにより、判定精度を向上させることができる。
・上記第1実施形態のステップS104において、第1冷媒温度に応じて、各種閾値(第1閾値や第2閾値)を補正してもよい。これにより、第1冷媒温度の違いによる誤判定を抑制できる。
・上記第2実施形態~第5実施形態において、回転数が所定数以下の場合、すなわち、冷媒流量が所定量以下の場合、図7等に示すように、冷媒圧力の値そのものが小さくなり、異常が発生していても、冷媒圧力との差が小さくなる。つまり、誤判定する可能性が高くなる。このため、回転数が所定数以下のときに、異常が発生していると判定された場合、制御装置50は、冷媒ポンプ40の回転数を一時的に上げて、再度冷媒圧力を取得し、異常が発生しているか否かを判定してもよい。つまり、回転数を上げることにより、冷媒流量が多くなり、冷媒圧力も大きくなる。このため、判定精度を向上させることができる。
・上記第2実施形態~第5実施形態において、回転数が所定数以下の場合、すなわち、冷媒流量が所定量以下の場合、図7等に示すように、冷媒圧力の値そのものが小さくなり、異常が発生していても、冷媒圧力との差が小さくなる。つまり、誤判定する可能性が高くなる。そこで、ステップS204,ステップS304,ステップS404,及びステップS504において、回転数に応じて、各種閾値(第1閾値や第2閾値)を補正してもよい。つまり、回転数が小さい場合ほど、各種閾値を小さくするように補正してもよい。これにより、判定精度を向上させることができる。
・上記第2実施形態~第5実施形態のステップS204,ステップS304,ステップS404,及びステップS504において、第2冷媒温度に応じて、各種閾値(第1閾値や第2閾値)を補正してもよい。これにより、第2冷媒温度の違いによる誤判定を抑制できる。
・上記実施形態のステップS104,ステップS204,ステップS304,ステップS404,及びステップS504において、極小値は、微分により特定してもよい。
・上記第1実施形態において、異常が発生していない場合、冷媒排出流路32を通過する冷媒の圧力は、一般的にはほぼ変動せず、安定した状態となっている。そこで、圧力センサなどにより、冷媒排出流路32を通過する冷媒の圧力を検出する。そして、制御装置50は、冷媒排出流路32を通過する冷媒圧力が冷媒流量に伴って変動する場合、若しくは大気圧付近(所定範囲内)であることが継続する場合、差圧センサ80の異常(故障や外れ)が発生していると推定してもよい。なお、このような場合、制御装置50は、回転数を上げて、差圧センサ80の異常が発生しているか否かをより精度よく判定してもよい。
・上記実施形態において、第1圧力センサ91及び第2圧力センサ92により、冷媒ポンプ40の流入口を通過する第1冷媒圧力と、流出口を通過する第2冷媒圧力とを取得し、第1冷媒圧力と第2冷媒圧力との差圧を算出して、その差圧に基づいて冷媒ポンプ40の故障を判定してもよい。また、その差圧に基づいて燃料電池20へ供給する冷媒の流量が十分であるか否かを判定してもよい。
・上記第1実施形態において、差圧と差圧推定値との比較に基づいて判定したが、この別例として、回転数が同じにもかかわらず、差圧が判定用閾値以上急落した場合、漏れが生じたと判定してもよい。なお、判定用閾値は、回転数や冷媒温度に応じて設定されることが望ましい。
・上記第2実施形態において、冷媒圧力と圧力推定値との比較に基づいて判定したが、この別例として、回転数が同じにもかかわらず、冷媒圧力が判定用閾値以上急落した場合、漏れが生じたと判定してもよい。なお、判定用閾値は、回転数や冷媒温度に応じて設定されることが望ましい。
・上記第5実施形態において、4か所以上の冷媒圧力を検出して、相互間の差圧を算出し、冷媒の漏れ箇所を推定してもよい。
・上記第5実施形態において、推定された漏れ箇所が、ラジエータ流路33若しくはバイパス流路34のいずれか一方の流路に生じたと推定された場合、制御装置50は、漏れ箇所が発生していないと推定される他方の流路に、すべての冷媒を流すように、ロータリーバルブ70を制御してもよい。これにより、燃料電池20の異常処理(発電制限など)を遅延させることができる。
・上記第5実施形態において、冷媒の漏れが発生していると判定された場合、制御装置50は、冷媒温度のずれ(設定値と実際の温度のずれ)、及び漏れに基づく分配量の不足に基づいて、分配量を補正して、ロータリーバルブ70を制御してもよい。例えば、ラジエータ流路33で漏れが発生しており、ラジエータ流路33を流れる冷媒の流量が少ないために、冷媒温度が設定値よりも上昇している場合には、ラジエータ流路33への分配量を多くするように補正してもよい。これにより、燃料電池20の異常処理(発電制限など)を遅延させることができる。
10…燃料電池システム、20…燃料電池、21a…冷媒供給口、21b…冷媒排出口、30…冷媒通路、40…冷媒ポンプ、50…制御装置、80…差圧センサ、91…第1圧力センサ、92…第2圧力センサ、93…第3圧力センサ。

Claims (11)

  1. 電池装置(20)へ冷媒を供給することにより、電池装置を冷却する電池システム(10)において、
    前記冷媒が循環する冷媒通路(30)と、
    前記冷媒通路を通過する前記冷媒の流れを制御して、前記電池装置と前記冷媒通路との間で前記冷媒を循環させる冷媒ポンプ(40)と、
    前記冷媒通路から前記電池装置への冷媒供給口(21a)を通過する前記冷媒の圧力と、前記電池装置から前記冷媒通路への冷媒排出口(21b)を通過する前記冷媒の圧力との差圧を検出する差圧センサ(80)と、
    前記差圧センサから取得した差圧と、予め記憶されている推定値との比較に基づいて前記冷媒の漏れを判定する判定部(50)と、を備え
    前記判定部は、予め決められた単位時間ごとに、前記差圧センサから取得した差圧と、予め記憶されている推定値とを比較して、差圧と推定値との差分の最小値を算出するとともに、予め決められた検査期間内における前記差分の最小値を積算して差分積算値を算出し、当該差分積算値に基づいて前記冷媒の漏れを判定する電池システム。
  2. 電池装置(20)へ冷媒を供給することにより、電池装置を冷却する電池システム(10)において、
    前記冷媒が循環する冷媒通路(30)と、
    前記冷媒通路を通過する前記冷媒の流れを制御して、前記電池装置と前記冷媒通路との間で前記冷媒を循環させる冷媒ポンプ(40)と、
    前記冷媒通路から前記電池装置への冷媒供給口(21a)を通過する前記冷媒の圧力と、前記電池装置から前記冷媒通路への冷媒排出口(21b)を通過する前記冷媒の圧力との差圧を検出する差圧センサ(80)と、
    前記差圧センサから取得した差圧と、予め記憶されている推定値との比較に基づいて前記冷媒の漏れを判定する判定部(50)と、を備え、
    前記判定部は、前記差圧と前記推定値との差分が予め決められた値以下のときに、前記冷媒の漏れを判定した場合、前記冷媒ポンプの回転数を向上させた後、改めて前記冷媒の漏れを判定する電池システム。
  3. 前記冷媒の冷媒温度を検出する温度センサ(42)を備え、
    前記推定値は、前記冷媒温度及び前記冷媒ポンプの回転数に応じて設定される請求項1又は2に記載の電池システム。
  4. 電池装置(20)へ冷媒を供給することにより、電池装置を冷却する電池システム(10)において、
    前記冷媒が循環する冷媒通路(30)と、
    前記冷媒通路を通過する前記冷媒の流れを制御して、前記電池装置と前記冷媒通路との間で前記冷媒を循環させる冷媒ポンプ(40)と、
    前記冷媒通路を通過する前記冷媒の圧力を検出する圧力センサ(91,92,93)と、
    前記圧力センサから取得した圧力に基づいて異常を判定する判定部(50)と、を備え
    前記判定部は、予め決められた単位時間ごとに、前記圧力センサから取得した圧力と、予め記憶されている推定値とを比較して、圧力と推定値との差分の最小値を算出するとともに、予め決められた検査期間内における前記差分の最小値を積算して差分積算値を算出し、当該差分積算値に基づいて前記冷媒の漏れを判定する電池システム。
  5. 前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒ポンプの出口を通過する前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、前記冷媒ポンプの出口を通過する前記冷媒の圧力に基づいて、前記冷媒の漏れ、及び前記冷媒ポンプにおける異常を判定する請求項に記載の電池システム。
  6. 前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒通路から前記電池装置への冷媒供給口を通過する前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、前記冷媒供給口を通過する前記冷媒の圧力に基づいて、前記冷媒の漏れ、及び前記電池装置に供給される冷媒流量が適切か否かを請求項4又は5に記載の電池システム。
  7. 前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒ポンプの入口を通過する前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、前記冷媒ポンプの入口を通過する前記冷媒の圧力に基づいて、前記冷媒の漏れ、及び漏れ箇所を推定する請求項4~6のうちいずれか1項に記載の電池システム。
  8. 前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒ポンプの入口を通過する前記冷媒の圧力と、出口を通過する前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、入口を通過する前記冷媒の圧力と出口を通過する前記冷媒の圧力に基づいて、前記冷媒ポンプの異常を特定する請求項4~7のうちいずれか1項に記載の電池システム。
  9. 前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒通路の3か所以上の検出地点において、前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、検出された圧力に基づいて、前記検出地点相互間の差圧を算出し、前記検出地点相互間の差圧に基づいて、漏れ箇所を推定する請求項4~8のうちいずれか1項に記載の電池システム。
  10. 前記冷媒通路は、ラジエータ(60)が配置されたラジエータ流路(33)と、前記ラジエータ流路に並列に設けられたバイパス流路(34)と、を有し、
    前記電池装置から排出された冷媒を、前記ラジエータ流路及び前記バイパス流路に分配する弁装置(70)と、
    前記弁装置を制御する制御装置(50)と、を備え、
    上記漏れ箇所が、前記電池装置内の経路でなく、前記ラジエータ流路若しくは前記バイパス流路のいずれか一方の流路に生じたと推定された場合、前記制御装置は、上記漏れ箇所が発生していないと推定される他方の流路に、すべての冷媒を流すように、前記弁装置を制御する請求項に記載の電池システム。
  11. 前記冷媒通路は、ラジエータが配置されたラジエータ流路と、前記ラジエータ流路に並列に設けられたバイパス流路と、を有し、
    前記電池装置から排出された冷媒を、前記ラジエータ流路及び前記バイパス流路に分配する弁装置と、
    前記弁装置を制御する制御装置と、を備え、
    前記圧力センサは、少なくとも前記冷媒通路の3か所以上の検出地点において、前記冷媒の圧力を検出し、
    前記判定部は、検出された圧力に基づいて、前記検出地点相互間の差圧を算出し、前記検出地点相互間の差圧に基づいて、前記ラジエータ流路及び前記バイパス流路を流れる冷媒の分配量を推定し、
    前記制御装置は、冷媒温度のずれ、及び漏れに基づく冷媒流量の不足に基づいて、分配量を補正して、前記弁装置を制御する請求項4~10のうちいずれか1項に記載の電池システム。
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