JP5407577B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの制御技術に関する。

一般に、車輌等に搭載される燃料電池システムは、アノードガス（例えば水素ガス）と、カソードガス（例えば空気）との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備える。

通常、このような燃料電池システムにおいて、モータ等の負荷への電力や燃料電池の発電に必要な補機への電力は、燃料電池から供給される。しかし、熱等によって、燃料電池と補機との間に設けられるコンバータに制限が掛かった場合、補機への電力は二次電池から供給されることとなる。

そして、このような状態で、燃料電池に大きな電力が要求されると、燃料電池の出力が大きくなると共に、燃料電池の発電に必要な補機が消費する電力も大きくなるため、二次電池への負担が増大する。したがって、上記状態が継続すると、二次電池のＳＯＣが早期に低下してしまうという問題がある。

なお、特許文献１には、車輌に搭載される燃料電池システムにおいて、二次電池のＳＯＣを適正に制御する技術が開示されている。

特開２００５−３０４１７９号公報

本発明は、熱によってコンバータに電力制限が掛かった状態で、燃料電池に大きな電力が要求される場合でも、二次電池の負担を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動する補機と、前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、前記電圧変換器を通過する通過可能電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記燃料電池に要求される電力を制限する制限手段と、を備える。

また、前記燃料電池システムは、前記制御手段により、前記燃料電池に要求される電力は、前記電圧変換器を通過する通過可能電力／前記補機が消費する最大電力で求められる制限率に前記燃料電池に要求される電力値を乗じた値に制限されることが好ましい。

本発明によれば、熱によってコンバータに電力制限が掛かった状態で、燃料電池に大きな電力が要求される場合でも、二次電池の負担を低減することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 （Ａ）は、コンバータのリアクトル温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図であり、（Ｂ）は、コンバータのＩＰＭ温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池システムの状態を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作の他の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適な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構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成されている二次電池１２と、補機１４と、燃料電池１０と補機１４との間に設けられ、燃料電池１０（又は二次電池１２）の電圧を昇降圧するコンバータ１６と、燃料電池１０（又は二次電池１２）の直流電力を交流電力に変換してモータ等の負荷１８に供給するインバータ２０と、ＥＣＵ２２（制御手段）と、を備えている。

コンバータ１６は、複数のスイッチング素子、リアクトル、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって、主に燃料電池１０から供給された電圧を補機１４が駆動する電圧に昇降圧するものである。コンバータ１６の第１電路２４は二次電池側の電路及び補機側の電路に接続され、コンバータ１６の第２電路２６は燃料電池側の電路及びインバータ側の電路に接続されている。具体的には後述するが、通常、コンバータ１６は、リアクトル温度、ＩＰＭ温度等が所定値を超えると、コンバータ１６を通過することができる通過可能電力に制限が掛かり、コンバータ１６を通過することができる電力が減少又は零になる特性を有する。

燃料電池１０は、アノードガス（例えば水素ガス）とカソードガス（例えば空気）が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンクや水素ポンプから燃料極（アノード）に供給され、空気はエアコンプレッサによって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１０の発電電力の一部は、コンバータ１６により昇降圧された二次電池１２の電力と共にインバータ２０を介して負荷１８（例えば、車輌等では、車輪を回転させる走行用モータ）に供給される。

また、燃料電池１０の発電電力の一部は、コンバータ１６を通過して、エアコンプレッサ、冷却水ポンプ、水素ポンプ等の燃料電池１０の運転に使用される補機（１４）、エアコンディショナー、ヒータ等のその他高圧補機（１４）に供給される。従来の燃料電池システムでは、通常、コンバータ加熱による影響等で、コンバータを通過する通過可能電力に制限が掛かると、燃料電池から補機への電力供給が制限されるため、補機への電力は二次電池から供給される。その結果、二次電池１２に負担が掛かり、二次電池のＳＯＣの早期低下に繋がることとなる。しかし、本実施形態ではコンバータ１６の通過可能電力に制限が掛かる場合でも、燃料電池１０に要求される電力を制限することにより、間接的に補機１４の消費電力を減少させ、二次電池１２の負担を軽減する制御を行っている。なお、本実施形態の具体的な制御については後述する。また、上記でも説明したように、本実施形態では、補機１４への電力は、主に燃料電池１０の発電電力でまかなうが、燃料電池１０が発電していないときは二次電池１２で補完される。

ＥＣＵ２２は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池１０、二次電池１２、補機１４、コンバータ１６、負荷１８、インバータ２０はＥＣＵ２２に接続され、ＥＣＵ２２の指令によって動作するよう構成されている。

ＥＣＵ２２には、コンバータ１６の通過可能電力と、補機１４が消費する最大電力とを比較して、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満である場合、燃料電池１０に要求される電力を制限する手段を備えている。

ここで、コンバータ１６の通過可能電力について説明する。図２（Ａ）は、コンバータのリアクトル温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図であり、図２（Ｂ）は、コンバータのＩＰＭ温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図である。図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、コンバータ１６のリアクトル温度やＩＰＭ温度が所定温度（Ｓ１，Ｓ３）を超えると、コンバータ１６の通過可能電力の制限率が減少し、コンバータ１６の通過可能電力が制限（減少）される（図２のコンバータ電力制限率×コンバータ通過可能電力＝制限されたコンバータ通過可能電力）。そして、コンバータ１６のリアクトル温度やＩＰＭ温度が所定温度（Ｓ２，Ｓ４）に達すると、コンバータ１６の通過可能電力の制限率は零になり、コンバータ１６の通過可能電力は完全に制限され、コンバータを通過する電力は零となる。そして、このようなコンバータ１６の通過可能電力のデータがＥＣＵ２２に送信されることとなる。なお、補機１４が消費する最大電力は、使用する補機１４の種類、数、容量等によって決定される定数であって、予めＥＣＵ２２に記録される。

本実施形態において、ＥＣＵ２２により、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満であると判断された場合、燃料電池１０に要求される電力は、コンバータ１６の通過可能電力／補機１４が消費する最大電力で求められる制限率に燃料電池１０に要求される電力値を乗じた値に制限される。本実施形態では、必ずしもこれに制限されるものではなく、ＥＣＵ２２により、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満であると判断された場合、燃料電池１０に要求される電力は、予め設定した値となるように制限されるものであってもよい。なお、燃料電池１０に要求される電力には、負荷１８が消費する電力、補機１４が消費する電力、コンバータ１６の損失電力等が含まれている。

本実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態に係る燃料電池システムの状態を示す図である。

図３に示すように、まず、ステップＳ１０では、ＥＣＵ２２にコンバータ１６の通過可能電力値の信号が入力され、ＥＣＵ２２により、コンバータ１６の通過可能電力と補機１４が消費する最大電力とが比較される。ここで、図４に示すように、リアクタ温度、ＩＰＭ温度等が所定値（Ｓ３）を超えると、コンバータ１６の通過可能電力が減少し、さらに所定値（Ｓ３’）を超えるとコンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力より低くなる。

そして、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満の場合、図３に示すステップＳ１２で、ＥＣＵ２２により、コンバータ１６の通過可能電力／補機１４が消費する最大電力で求められる制限率が算出される。そして、ステップＳ１４で、ＥＣＵ２２により、燃料電池１０に要求される電力は、算出された制限率に燃料電池１０に要求される電力値を乗じた値に制限され、ステップＳ１６では、該制限値に基づいて燃料電池１０から電力が出力される。ここで、図４に示すように、リアクタ温度、ＩＰＭ温度等が上昇していき、コンバータ１６の通過可能電力と補機１４が消費する最大電力との差が大きくなればなるほど、燃料電池１０に要求される電力は制限されていくこととなる。

このように、燃料電池１０に要求される電力を制限することにより、間接的に燃料電池１０の運転等に使用される補機１４の消費電力を減少させることができるため、二次電池１２から補機１４への電力供給量を減少させ、二次電池１２の負担を抑制することができる。また、上記のように補機１４の消費電力が減少することにより、コンバータ１６を通過する電力も減少するため、コンバータ１６の更なる加熱を抑制することができる。

一方、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力以上である場合、ステップＳ１６で、燃料電池１０に要求される電力が制限されることなく、そのまま出力される。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作の他の一例を説明する。ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１のＥＣＵ２２には、コンバータ１６の通過可能電力と、補機１４が消費する最大電力とを比較して、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満である場合、補機１４が消費する電力をコンバータ１６を通過する通過可能電力以下に制限する手段を備えている。

上記でも説明したように、補機１４はＥＣＵ２２に接続され、ＥＣＵ２２の指令によって動作するよう構成されている。そこで、ＥＣＵ２２による補機１４の消費電力の制御は、例えば、水素ポンプ、冷却水ポンプ、エアコンプレッサ等の補機については、その補機の回転数を制限する指令をＥＣＵ２２から出力することにより行われ、例えば、エアコンディショナー、ヒータ等の補機については、その補機の電力を制限又は停止する指令をＥＣＵ２２から出力することにより行われる。

図５は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の他の一例を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず、ステップＳ２０では、ＥＣＵ２２にコンバータ１６の通過可能電力値の信号が入力され、ＥＣＵ２２により、コンバータ１６の通過可能電力と補機１４が消費する最大電力とが比較される。

そして、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力未満の場合、ステップＳ２２で、ＥＣＵ２２により、補機１４が消費する電力がコンバータ１６を通過する通過可能電力以下に制限される。そして、ステップＳ２４では、燃料電池１０に要求される電力が出力される。

このように、補機１４が消費する電力を直接制限することにより、二次電池１２から補機１４への電力供給量を減少させ、二次電池１２の負担を抑制することができる。また、上記のように補機１４の消費電力が減少することにより、間接的に燃料電池１０に要求される電力が減少するため、コンバータ１６を通過する電力も減少し、コンバータ１６の更なる加熱を抑制することができる。

一方、コンバータ１６の通過可能電力が、補機１４が消費する最大電力以上である場合、補機１４が消費する電力が制限されることなく、ステップＳ２４に進み、燃料電池１０に要求される電力が出力される。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンバータの通過可能電力が、補機が消費する最大電力未満である場合、燃料電池に要求される電力を制限して間接的に補機が消費する電力を制限すること、又は補機が消費する電力を直接制限することにより、二次電池から補機への電力供給量を減少させ、二次電池の負担を抑制することができる。

１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ 二次電池、１４ 補機、１６ コンバータ、１８ 負荷、２０ インバータ、２４，２６ 電路。

Claims (1)

1. アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   充放電可能な二次電池と、
   前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動するものであって、前記燃料電池の運転に使用される補機と、
   前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、
   前記電圧変換器を通過する通過可能な電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記燃料電池に要求される電力を制限する制限手段と、を備え、
   前記制御手段により、前記制限された燃料電池の電力は、前記電圧変換器を通過する通過可能電力／前記補機が消費する最大電力で求められる制限率に前記燃料電池に要求される電力値を乗じた値であることを特徴とする燃料電池システム。

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