JP7543151B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、正常に動作させるために、燃料電池システムにかかわるセンサ値や、制御変数などのデータを収集して、情報収集端末へ送信する必要がある。情報収集端末では、送信されたデータを上位装置であるサーバへ送信して、異常解析や設計開発に使用される。

燃料電池システムにおいては、コンタクタ（リレー）の接点ＯＮ不良による電圧値異常や、燃料電池を構成する各セルの水詰まりによるセル電圧の低下など、起動直後に異常が発生する可能性がある。このため、燃料電池システムでは、起動直後からデータを収集して情報収集端末へ送信する必要がある。

例えば、燃料電池システムにおける各種計器による計測結果などを収集できる燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９－１８７８３０号公報

しかしながら、情報収集端末の起動には燃料電池システムの起動よりも時間がかかることがあるため、燃料電池システムが起動してから、情報収集端末が起動するまでの間に燃料電池システムから送信されるデータの取りこぼしが発生する場合もある。

また、軽量のＯＳ（Operating System）を実装するＣＡＮ／ＩＦなどハードウェア装置を設けた場合には、燃料電池システムが起動してから情報収集端末が起動されるまでのデータを収集することができる。しかしながら、別途ハードウェア装置を設けなければならず、ハードウェア構成が複雑化し筐体が巨大化するため好ましくない。

別の手段として、情報収集端末を常時起動させることにより、データの取りこぼしを防ぐことができる。しかし、燃料電池システムに搭載されているバッテリから情報収集端末へ電力を供給し続けなければならず、バッテリあがりが懸念されるとともにエネルギーコストに無駄が生じるため好ましくない。

本発明の一側面にかかる目的は、データの収集を確実に行うことができるとともに、ハードウェア構成の簡素化および制御の簡素化を図ることができる燃料電池システムを提供することである。

本発明に係る一つの態様の燃料電池システムは、燃料電池を含む燃料電池システムを制御する制御部と、前記燃料電池システムに関するデータを取得するセンサとを備える。前記制御部は、前記制御部よりも起動が遅い情報収集端末が起動するまで、前記センサにより取得される前記データをメモリに一時記憶し、前記情報収集端末が起動した後に、前記メモリに一時記憶した前記データを前記情報収集端末へ送信することを特徴とする。

以上の構成により、制御部は、制御部よりも起動が遅い情報収集端末が起動するまで、センサにより取得されるデータをメモリに一時記憶する。そして、情報収集端末が起動した後に、メモリに一時記憶したデータを情報収集端末へ送信することができる。

これにより、燃料電池システムが起動してから、情報収集端末が起動するまでの間に燃料電池システムの制御部から送信されるデータの取りこぼしを抑止することができる。

また、別途ＣＡＮ／ＩＦなどのハードウェア装置を設けずに、燃料電池システムの制御部から送信されるデータの取りこぼしを抑止できることから、ハードウェア構成の簡略化を図ることができ、筐体のコンパクト化を図ることができる。

さらに、情報収集端末を常時起動させることなく、燃料電池システムの制御部から送信されるデータの取りこぼしを抑止できることから、車両に採用した場合のバッテリあがりの問題を未然に防ぐことができる。

また、前記制御部は、前記燃料電池システムに関するエラーのエラーコードと、前記エラーが発生した経緯に関する記録を前記データとして記憶することを特徴とする。

これにより、燃料電池システムに異常が発生した場合に、異常の特定が容易になる。これにより、燃料電池システムの起動時に発生したエラーを容易に把握することができる。

また、前記情報収集端末は、前記制御部から送信された前記データの受信完了後に、前記データをサーバへアップロードすることを特徴とする。

これにより、燃料電池システムが起動してから、情報収集端末が起動するまでの間に生じたデータをサーバへアップロードすることで、現状異常解析や、設計開発のフィードバックに使用することができる。

本発明によれば、データの収集を確実に行うことができるとともに、ハードウェア構成の簡素化および制御の簡素化を図ることができる。

本発明の実施形態に係わる燃料電池ユニットの一例を示す図である。 燃料電池システムと、情報収集端末との接続関係の一例を示す図である。 燃料電池システムのＦＣＥＣＵと、情報収集端末の主制御基盤とのデジタル信号回路の一例を示す図である。 燃料電池システムと情報収集端末とにおけるコネクタ端子間の電圧レベルに基づくシーケンスチャートの一例を示す図である。 燃料電池システムのＦＣＥＣＵで実行されるデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。 情報収集端末の主制御基盤で実行されるデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係わる燃料電池ユニット１００の一例を示す図である。

図１に示す燃料電池ユニット１００は、フォークリフトなどの産業車両や電気自動車などの車両Ｖｅに搭載され、負荷に電力を供給する。なお、負荷は、走行用モータや荷役モータ、電装部品、コンピュータやメモリなどに電力を供給するための電源などである。

燃料電池ユニット１００は、燃料電池システム１０と、情報収集端末２０とを備える。燃料電池ユニット１００は、図１に示していない他の構成を備えていてもよい。燃料電池システム１０は、燃料電池１１と、蓄電装置１２と、センサ１３と、メモリ１４と、ＦＣＥＣＵ１５と、リレー１６とを備える。燃料電池システム１０は、図１に示していない他の構成を備えていてもよい。

燃料電池１１は、水素タンクから供給される水素と、大気中から供給される空気中の酸素との化学反応により、電気エネルギーを生成する。すなわち、燃料電池１１は、水素と酸素の化学反応により発電する。蓄電装置１２は、燃料電池１１により発電された電力を燃料電池１１の発電状況や負荷の状況に応じて蓄電する。

センサ１３は、燃料電池１１や蓄電装置１２に関するセンサ値を取得する。センサ１３は、ＦＣＥＣＵ１５が制御対象を制御する際に参照する参照情報を入力するセンサである。センサ１３が取得するセンサ値として、例えば、電圧、電流、温度、圧力などのセンサ値を取得する。センサ１３が取得するセンサ値には、例えば、燃料電池１１を構成するセルごとの電圧、温度、燃料電池１１の排気（オフガス）の温度、外気の温度などの各種情報が含まれる。なお、ＦＣＥＣＵ１５には、例えば、汎用のＯＳとは異なる専用のＯＳが搭載されている。

メモリ１４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）またはＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、プログラム、センサ１３により取得された各種センサ値、エラーコードなどのデータを記憶している。メモリ１４には、センサ値に対応する閾値を記憶してもよい。メモリ１４は、燃料電池システム１０の内部に備えられている。図１では、メモリ１４は、ＦＣＥＣＵ１５とは別に構成されているがこの限りではなく、ＦＣＥＣＵ１５の内部に構成されていてもよい。

ＦＣＥＣＵ１５は、燃料電池システム１０全体の処理および動作を制御するものである。ＦＣＥＣＵ１５は、制御部に対応する。ＦＣＥＣＵ１５は、たとえば、汎用なＩＣなどによって構成される。なお、ＦＣＥＣＵ１５は汎用なＩＣの代わりに、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、マルチコアＣＰＵ、またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device））などにより構成されていてもよい。ＦＣＥＣＵ１５には、制御対象として、燃料電池１１と、蓄電装置１２と、センサ１３と、メモリ１４とが、それぞれ電気的に接続されている。

ＦＣＥＣＵ１５は、センサ１３により取得したセンサ値を取得する。また、ＦＣＥＣＵ１５は、センサ１３により取得したセンサ値がエラーであるか否かを判定する。センサ値がエラーであるか否かの判定は、例えば、メモリ１４に記憶されている所定の閾値との比較により判定することができる。センサ値がエラーであるか否かの判定は、他の方法により実施してもよい。ＦＣＥＣＵ１５は、センサ値を含むデータを情報収集端末２０へ送信する。センサ値にエラーがある場合には、当該エラーに対応するエラーコードとセンサ値とを含むデータを情報収集端末２０へ送信する。

なお、汎用ＯＳが搭載されている情報収集端末２０は、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５よりも起動が遅い。このため、ＦＣＥＣＵ１５は、情報収集端末２０が起動していない場合には、情報収集端末２０が起動するまで、センサ１３により取得されるセンサ値を含むデータをメモリ１４に一時記憶する。その後、情報収集端末２０が起動した場合には、ＦＣＥＣＵ１５は、メモリ１４に一時記憶していたデータを情報収集端末２０へ送信する。情報収集端末２０へ送信されるデータは、エラーコードの他に、エラーが発生した直前の数秒間のデータが好ましい。エラーが発生した直前の数秒間のデータは、エラーが発生した経緯に関するデータに相当する。データの取得時間の長さは、必要に応じて適宜設定されてよい。

リレー１６は、ＦＣＥＣＵ１５の制御に基づき、蓄電装置１２から情報収集端末２０へ供給する１２Ｖの電力の供給を開始または停止を行う。キーＯＮされた場合には、ＦＣＥＣＵ１５は、リレー１６をＯＮにして情報収集端末２０への電力の供給を開始し、情報収集端末２０の稼働を開始させる。キーＯＦＦされた場合には、ＦＣＥＣＵ１５は、リレー１６をＯＦＦにして情報収集端末２０への電力の供給を停止し、情報収集端末２０の稼働を終了させる。

情報収集端末２０は、電源制御部２１と、主制御基盤２２と、携帯通信アンテナ２３とを備える。

電源制御部２１は、燃料電池システム１０と電気的に接続され、燃料電池システム１０から供給された１２Ｖの電力を主制御基盤２２へ供給する。

主制御基盤２２は、情報収集端末２０全体の処理および動作を制御するものである。主制御基盤２２は、たとえば、汎用なＩＣなどによって構成される。なお、主制御基盤２２は汎用なＩＣの代わりに、ＣＰＵ、マルチコアＣＰＵ、またはプログラマブルなデバイス（ＦＰＧＡやＰＬＤ）などにより構成されていてもよい。主制御基盤２２には、制御対象として、電源制御部２１と、携帯通信アンテナ２３とが、それぞれ電気的に接続されている。主制御基盤２２には、汎用のＯＳが搭載されているため、燃料電池システム１０よりも起動に時間がかかる。また、情報収集端末２０の主制御基盤２２は、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５と電気的に接続されている。

携帯通信アンテナ２３は、燃料電池システム１０から取得したデータを主制御基盤２２の制御に基づきサーバへアップロードする。

図２は、燃料電池システム１０と、情報収集端末２０との接続関係の一例を示す図である。図２に示すように、燃料電池システム１０（ＦＣＥＣＵ１５）と、情報収集端末２０（主制御基盤２２）との間で、バッテリ電圧、ＧＮＤおよびデジタル信号、ＣＡＮ通信のデータが通信可能に接続されている。

デジタル信号は、情報収集端末２０の主制御基盤２２から燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５に対し出力されるＯＮまたはＯＦＦの信号である。情報収集端末２０の電源がＯＮの状態、すなわち、情報収集端末２０のＣＡＮ通信が可能な状態である場合には、情報収集端末２０の主制御基盤２２は、燃料電池システム１０に対し出力するデジタル信号をＯＦＦからＯＮへ切り替える。情報収集端末２０の電源がＯＦＦの状態、すなわち、情報収集端末２０が終了状態である場合には、情報収集端末２０の主制御基盤２２は、燃料電池システム１０に対し出力するデジタル信号をＯＮからＯＦＦへ切り替える。

図３は、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５と、情報収集端末２０の主制御基盤２２とのデジタル信号回路の一例を示す図である。デジタル信号回路として、例えば、プルアップ回路を採用することができる。図３に示すように、デジタル信号回路は、コネクタ間の端子電圧により信号のＯＮ／ＯＦＦ（１２Ｖ／０Ｖ）により、電源がＯＦＦ状態であるのか、またはＯＮ状態でありＣＡＮ通信が可能な状態であるのかを判定することができる。

図４は、燃料電池システム１０と情報収集端末２０とにおけるコネクタ端子間の電圧レベルに基づくシーケンスチャートの一例を示す図である。図４（１）は、リレー１６の接続状態を示し、図４（２）は、情報収集端末２０の電源状態を示している。 ＦＣＥＣＵ１５の制御に基づき、リレー１６をＯＮにして蓄電装置１２が情報収集端末２０へ接続されると、Ｔ１において、情報収集端末２０に対する電源印加が開始され、情報収集端末２０の起動が開始される。但し、情報収集端末２０が起動するまでは、数十秒かかるので、この間に異常なセンサ値などデータがある場合には、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５は、データをメモリ１４に一時保存する。

Ｔ１から数十秒経過して、Ｔ２において、情報収集端末２０の電源がＯＮ（起動中）となると、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５は、一時保存しておいたデータをＣＡＮ通信により情報収集端末２０へ送信する。そして、ＦＣＥＣＵ１５の制御に基づき、リレー１６がＯＦＦに切り替えられると、Ｔ３において、情報収集端末２０に対する電源印加が終了となり、燃料電池システム１０から情報収集端末２０へのデータの送信も終了する。

図５は、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５で実行されるデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。

はじめに、ＦＣＥＣＵ１５は、情報収集端末２０から出力されているデジタル信号値の読み取りを行う（ステップＳ１１）。ＦＣＥＣＵ２１は、情報収集端末２０の起動が完了したか否かを判定する（ステップＳ１２）。

この処理では、情報収集端末２０から送信されたデジタル信号値がＯＮであるかＯＦＦであるかを判定する。情報収集端末２０から送信されたデジタル信号値がＯＮである場合には、情報収集端末２０の起動が完了していないと判定され（ステップＳ１２：Ｎｏ）、ＦＣＥＣＵ１５は、各種データをメモリ１４に保存し、処理はステップＳ１１へ戻る。

情報収集端末２０から送信されたデジタル信号値がＯＦＦである場合には、情報収集端末２０の起動は完了したと判定され（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１４へすすむ。ステップＳ１４において、ＦＣＥＣＵ１５は、メモリ１４へ保存したデータを情報収集端末２０へ送信する（ステップＳ１４）。

すなわち、ＦＣＥＣＵ１５は、情報収集端末２０の起動が完了するまでの間、各種データをメモリ１４へ保存するステップＳ１１～Ｓ１３の処理を繰り返し実行する。そして、情報収集端末２０の起動が完了したら、ＦＣＥＣＵ１５は、メモリ１４へ保存したデータを情報収集端末２０へ送信する（ステップＳ１４）。これにより、情報収集端末２０の起動が完了するまでの間のデータを確実に情報収集端末２０へ送信することができる。

ステップＳ１５において、ＦＣＥＣＵ１５は、燃料電池システム１０の稼働が終了したか否かを判定する。この処理では、例えば、ＦＣＥＣＵ１５は、キーＯＦＦされたか否かに基づき、燃料電池システム１０の稼働が終了したか否かを判定することができる。ＦＣＥＣＵ１５は、情報収集端末２０から送信されたデジタル信号値がＯＦＦであるか否かに基づいて、燃料電池システム１０の稼働が終了したか否かを判定してもよい。

燃料電池システム１０が稼働している場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）には、ＦＣＥＣＵ１５は、データを情報収集端末２０へ送信する（ステップＳ１６）。すなわち、燃料電池システム１０が稼働している場合には、ＦＣＥＣＵ１５は、データを情報収集端末２０へ送信し続ける。

そして、燃料電池システム１０の稼働が終了した場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）には、ＦＣＥＣＵ１５は、情報収集端末２０へのデータの送信は停止され、ＦＣＥＣＵ１５で実行されるデータ収集処理は終了となる。

図６は、情報収集端末２０の主制御基盤２２で実行されるデータ収集処理の一例を示すフローチャートである。図６の主制御基盤２２が実行するデータ収集処理は、例えば、燃料電池システム１０のリレー１６がＯＮされたことを契機として開始される。図６の主制御基盤２２が実行するデータ収集処理は、例えば、燃料電池システム１０からの電力の供給が開始されたことを契機として開始してもよい。

はじめに、主制御基盤２２は、情報収集端末２０の起動処理を行う（ステップＳ２１）。この処理では、主制御基盤２２は、情報収集端末２０を構成する各機器の初期化処理を行う。起動処理では、情報収集端末２０を起動するために必要な一連のプログラムが実行される。起動処理としては、例えば、情報収集端末２０と燃料電池システム１０との間のＣＡＮ通信が問題なく行われているか判断する処理などが実行される。

ステップＳ２１の起動処理が終了した場合には、主制御基盤２２は、燃料電池システム１０へ出力するデジタル信号をＯＦＦからＯＮへ切り替える（ステップＳ２２）。主制御基盤２２は、情報収集端末２０の稼働が終了しているか否かを判定する（ステップＳ２３）。情報収集端末２０の稼働が終了したか否かの判定は、例えば、燃料電池システム１０のリレー１６がＯＦＦされたか否かに基づいて、判定することができる。情報収集端末２０の稼働が終了したか否かの判定は、例えば、燃料電池システム１０からの電力の供給が停止されたことに基づいて、判定してもよい。

情報収集端末２０の稼働が終了している場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）には、主制御基盤２２は、燃料電池システム１０へ出力するデジタル信号をＯＮからＯＦＦへ切り替える（ステップＳ２６）。

情報収集端末２０の稼働が終了する場合には、これ以上ＣＡＮ通信によりデータを取得する必要がないことから、情報収集端末２０の主制御基盤２２で実行されるデータ収集処理は終了となる。

情報収集端末２０の稼働が終了していない、すなわち、情報収集端末２０が稼働中である場合（ステップＳ２３：Ｎｏ）には、主制御基盤２２は、燃料電池システム１０から送信されたデータをＣＡＮ通信により取得する（ステップＳ２４）。

主制御基盤２２は、ステップＳ２３で取得したデータを携帯通信アンテナ２３によりサーバへアップロードする（ステップＳ２５）。主制御基盤２２は、情報収集端末２０の稼働が終了するまでの間ステップＳ２３～Ｓ２５の処理を繰り返し実行することにより、燃料電池システム１０から送信されたデータの取得およびサーバへのアップロードをし続ける。そして、情報収集端末２０の稼働が終了した場合（ステップＳ２３：Ｙｅｓ）には、主制御基盤２２は、燃料電池システム１０へ出力するデジタル信号をＯＮからＯＦＦへ切り替える（ステップＳ２６）。この場合、これ以上ＣＡＮ通信によりデータを取得する必要がないことから、情報収集端末２０の主制御基盤２２で実行されるデータ収集処理は終了となる。

以上の構成により、ＦＣＥＣＵ１５は、ＦＣＥＣＵ１５よりも起動が遅い情報収集端末２０が起動するまで、センサ１３により取得されるデータをメモリ１４に一時記憶する。そして、情報収集端末２０が起動した後に、メモリ１４に一時記憶したデータを情報収集端末２０へ送信することができる。

これにより、燃料電池システム１０が起動してから、情報収集端末２０が起動するまでの間に燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５から送信されるデータの取りこぼしを抑止することができる。

また、別途ＣＡＮ／ＩＦなどのハードウェア装置を設けずに、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５から送信されるデータの取りこぼしを抑止できることから、ハードウェア構成の簡略化を図ることができ、筐体のコンパクト化を図ることができる。

さらに、情報収集端末２０を常時起動させることなく、燃料電池システム１０のＦＣＥＣＵ１５から送信されるデータの取りこぼしを抑止できることから、車両Ｖｅに採用した場合の蓄電装置１２のバッテリあがりの問題を未然に防ぐことができる。

また、ＦＣＥＣＵ１５は、燃料電池システム１０に関するエラーのエラーコードと、エラーが発生した経緯に関する記録をデータとして記憶する。

これにより、燃料電池システム１０が起動してから、情報収集端末２０が起動するまでの間に生じたエラーとエラーコードとを含むデータの取りこぼしを抑止することができる。これにより、燃料電池システム１０の起動時に発生したエラーを容易に把握することができる。

また、情報収集端末２０は、ＦＣＥＣＵ１５から送信されたデータの受信完了後に、データをサーバへアップロードとする。

これにより、燃料電池システム１０が起動してから、情報収集端末２０が起動するまでの間に生じたデータをサーバへアップロードすることで、現状異常解析や、設計開発のフィードバックに使用することができる。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

例えば、上述の実施形態においては、ＦＣＥＣＵ１５は、センサ１３により取得された素のデータをセンサ値として取得しているがこの限りではない。例えば、ＦＣＥＣＵ１５は、センサ１３により取得したデータの結果から算出される（すなわち、一義的に決まる）算出結果をセンサ値として取得してもよい。

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１２ 蓄電装置
１３ センサ
１４ メモリ
１５ ＦＣＥＣＵ
１６ リレー
２０ 情報収集端末
２１ 電源制御部
２２ 主制御基盤
２３ 携帯通信アンテナ
１００ 燃料電池ユニット
Ｖｅ 車両

Claims (3)

1. 燃料電池を含む燃料電池システムを制御する制御部と、前記燃料電池システムに関するデータを取得するセンサと、情報収集端末と、を備える燃料電池ユニットであって、
   前記制御部は、
   前記制御部よりも起動が遅い前記情報収集端末が起動するまで、前記センサにより取得される前記データをメモリに一時記憶し、
   前記情報収集端末が起動した後に、前記メモリに一時記憶した前記データを前記情報収集端末へ送信する
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 請求項１に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記制御部は、前記燃料電池システムに関するエラーのエラーコードと、前記エラーが発生した経緯に関する記録を前記データとして記憶する
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池ユニットであって、
   前記情報収集端末は、前記制御部から送信された前記データの受信完了後に、前記データをサーバへアップロードする
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。

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