JP2010273496A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】モータの要求電圧を確保する。
【解決手段】燃料電池2とトラクションモータ7との間に配置され、燃料電池2からの出力電圧を昇圧してトラクションモータ7に出力するFC用コンバータ3と、バッテリ4とトラクションモータ7との間に配置され、バッテリ4からの出力電圧を昇圧してトラクションモータ7に出力するBat用コンバータ5と、トラクションモータ7の要求電圧が、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、トラクションモータ7への出力電圧としてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定する制御部8と、を備える燃料電池システム1。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
動力源として燃料電池とバッテリを搭載する燃料電池システムでは、運転状態に応じて燃料電池とバッテリからの出力を制御することで運転効率の向上を図っている。下記特許文献1には、燃料電池用コンバータとバッテリ用コンバータとを備えた燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、電力消費装置であるモータに安定して電力を供給するために、二つのコンバータを協調して動作させている。
特開2007−209161号公報
ところで、燃料電池システムに設けられるバッテリ用コンバータには、バッテリ電圧を昇圧する際に、バッテリ電圧から所定電圧までの間は昇圧状態を安定して制御することが難しいため、その間を昇圧不可能な領域として設定するものがある。このようなバッテリ用コンバータを有する燃料電池システムでは、モータの要求電圧が昇圧不可能な領域にあるときには、燃料電池用コンバータの昇圧動作を停止させ、モータへの出力電圧をバッテリ電圧に低下させる制御を行う。このような制御を行うと、モータの要求電圧を充足することができなくなるため、動力性能が低下してしまいドラビリ悪化の要因となる。
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、電力消費装置の要求電圧を確保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。
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置され、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、前記電力消費装置の要求電圧が、前記畜電部の出力電圧よりも高い場合に、前記電力消費装置への出力電圧の下限値に、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定する負荷電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、電力消費装置の要求電圧が畜電部の出力電圧よりも高い場合には、電力消費装置への出力電圧の下限値として第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定することができる。これにより、仮に電力消費装置の要求電圧が第二の電圧変換部では昇圧できない領域に含まれていたとしても、第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を電力消費装置への出力電圧として出力させることができるため、畜電部の出力電圧を電力消費装置の要求電圧以上に確実に昇圧させることができる。
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第一の電圧変換部と、前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置され、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、前記電力消費装置の要求電圧が、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、前記電力消費装置への出力電圧として前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定する負荷電圧制御手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、電力消費装置の要求電圧が第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧よりも低い場合には、電力消費装置への出力電圧として第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定することができる。これにより、仮に電力消費装置の要求電圧が第二の電圧変換部では昇圧できない領域に含まれている場合であっても、第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を電力消費装置への出力電圧として出力させることができるため、確実に畜電部の出力電圧を電力消費装置の要求電圧以上に昇圧させることができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記負荷電圧制御手段は、前記電力消費装置の要求電圧が、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧よりも低く、かつ、前記電力消費装置の要求電圧が、前記畜電部の出力電圧よりも高い場合に、前記電力消費装置への出力電圧として前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定することとしてもよい。
このようにすることで、電力消費装置の要求電圧が畜電部の出力電圧以下である場合、すなわち、第二の電圧変換部による昇圧が不要な場合には、第二の電圧変換部の駆動を停止させることができるため、不要な電力損失を抑制することができる。
上記燃料電池システムにおいて、加速操作部材の操作量に応じて前記燃料電池への要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、前記電力消費装置への出力電圧に対応する前記電力消費装置の消費電力量を算出する消費電力量算出手段と、前記要求発電量算出手段によって算出された前記要求発電量が、前記消費電力量算出手段によって算出された前記消費電力量よりも大きい場合に、前記燃料電池への要求発電量として、当該消費電力を設定する要求発電量制御手段と、をさらに備えることとしてもよい。
このようにすることで、燃料電池の発電量を、電力消費装置の消費電力量に抑えることができるため、燃料電池の余剰電力に起因する過電圧や過電流の発生を抑制することができる。
本発明によれば、電力消費装置の要求電圧を確保することができる。
実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 実施形態におけるトラクションモータへの出力電圧の推移状態を説明するための図である。 実施形態におけるトラクションモータへの出力電圧制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。 変形例におけるトラクションモータへの出力電圧の推移状態を説明するための図である。 変形例におけるトラクションモータへの出力電圧制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも適用することができ、さらに、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムにも適用することができる。
まず、図1を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図1は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。
同図に示すように、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池2、燃料電池用のDC/DCコンバータ3(第一の電圧変換部、以下「FC用コンバータ」という。)、二次電池としてのバッテリ4(蓄電部)、バッテリ用のDC/DCコンバータ5(第二の電圧変換部、以下「Bat用コンバータ」という。)、負荷としてのトラクションインバータ6およびトラクションモータ7(電力消費装置)、システム全体を統括制御する制御部8(制御手段)とを有する。燃料電池2およびFC用コンバータ3の組と、バッテリ4およびBat用コンバータ5の組は、トラクションインバータ6およびトラクションモータ7に対して並列に接続されている。
燃料電池2は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス通路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
FC用コンバータ3は、直流の電圧変換器であり、燃料電池2から出力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ6に出力する機能を有する。このFC用コンバータ3によって燃料電池2の出力電圧が制御される。FC用コンバータ3の入力側には、燃料電池2の出力電圧を検出する電圧センサV1が設けられ、FC用コンバータ3の出力側には、FC用コンバータ3の出力電圧を検出する電圧センサV2が設けられている。
バッテリ4は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって燃料電池2の余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。バッテリ4とBat用コンバータ5との間には、バッテリ4の出力電圧を検出する電圧センサV3が設けられている。
Bat用コンバータ5は、直流の電圧変換器であり、バッテリ4から出力される直流電圧(以下、「バッテリ電圧」という。)を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ6に出力する機能と、燃料電池2またはトラクションモータ7側から出力される直流電圧を降圧してバッテリ4に出力する機能と、を有する。このようなBat用コンバータ5の機能により、バッテリ4の充放電が実現される。
Bat用コンバータ5は、バッテリ電圧から所定電圧までの間は昇圧動作を停止する特性を有する。これは、バッテリ電圧から所定電圧までの間は、昇圧状態を安定して制御することが難しいためである。つまり、Bat用コンバータ5は、バッテリ電圧を昇圧する際に、その時点のバッテリ電圧に所定電圧を加算した電圧(以下、「昇圧可能な最低電圧」という。)以上の電圧に昇圧可能な電圧変換器である。
トラクションインバータ6は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ7に供給する。トラクションモータ7は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。
制御部8は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(例えば、アクセル)の操作量を検出し、加速要求値(例えば、トラクションモータ7等の電力消費装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ7の他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。
制御部8は、負荷であるトラクションモータ7への出力電圧を制御する負荷電圧制御手段としての機能を有する。具体的に、制御部8は、トラクションモータ7の要求電圧が、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低いか否かを判定する。制御部8は、トラクションモータ7の要求電圧が、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、トラクションモータ7への出力電圧としてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定する。制御部8は、トラクションモータ7の要求電圧が、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧以上である場合には、トラクションモータ7への出力電圧としてトラクションモータ7の要求電圧を設定する。
図2を参照して、本実施形態におけるトラクションモータ7への出力電圧の推移状態について説明する。図2に示す横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図2に示すMVはトラクションモータ7への出力電圧を示し、BVはバッテリ電圧を示し、CVはBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を示す。トラクションモータ7への出力電圧MVは、トラクションモータ7の要求電圧に従って推移させると、時間t1から時間t2までの間は、点線で示すように推移することになる。これに対して、本実施形態における燃料電池システムによると、時間t1から時間t2までの間におけるトラクションモータ7の要求電圧は、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVよりも低いと判定され、時間t1から時間t2までの間のトラクションモータ7への出力電圧MVは、実線で示すようにBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVに設定される。つまり、時間t1から時間t2までの間は、トラクションモータ7への出力電圧MVの下限値として、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVを設定したときと同じ状態で推移することになる。
図1に示す制御部8は、アクセルの操作量を検出するアクセルセンサ(不図示)の検出値に応じて燃料電池2への要求発電量を算出する要求発電量算出手段としての機能を有する。具体的に、制御部8は、アクセルの操作量とトラクションモータ7のトルクとの対応関係を記憶するマップを参照して、アクセルセンサの検出値に対応するトルクを算出し、この算出したトルクを発生させるために要する電圧を算出する。そして、制御部8は、トラクションモータ7に付与する電圧とトラクションモータ7の消費電力量との対応関係を記憶するマップを参照して、算出した電圧に対応するトラクションモータ7の消費電力量を算出することで、燃料電池2への要求発電量を算出する。なお、上記各マップは後述するメモリに格納され、各マップに記憶される各値は実験等により求められる。
制御部8は、トラクションモータ7への出力電圧に対応するトラクションモータ7の消費電力量を算出する消費電力量算出手段としての機能を有する。具体的に、制御部8は、電圧センサV2で検出された電圧を用い、この電圧が入力されたトラクションモータ7で消費可能な最大の消費電力量を算出する。
制御部8は、上記算出した燃料電池2への要求発電量が、上記算出したトラクションモータ7の消費電力量よりも大きい場合に、燃料電池2への要求発電量に、上記算出したトラクションモータ7の消費電力量を設定する要求発電量制御手段としての機能を有する。これにより、燃料電池2の発電量を、トラクションモータ7の消費電力量に抑えることができるため、燃料電池2の余剰電力に起因する過電圧や過電流の発生を抑制することができる。
ここで、制御部8は、物理的には、例えば、CPUと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、CPUで処理される制御プログラムや制御データを記憶するROMと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるRAMとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサやアクセルセンサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ7等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
CPUは、ROMに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、RAM内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システム1における各種制御処理を実行する。また、CPUは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム1全体を制御する。
次に、図3に示すフローチャートを用いて、本実施形態におけるトラクションモータ7への出力電圧を制御する際の処理について説明する。この処理は、例えば、イグニッションキーがONされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。
最初に、制御部8は、トラクションモータ7の要求電圧を算出する(ステップS101)。具体的に、制御部8は、アクセルの操作量とトラクションモータ7のトルクとの対応関係を記憶するマップを参照して、アクセルセンサの検出値に対応するトルクを算出し、この算出したトルクを発生させるために要する電圧を算出することで、トラクションモータ7の要求電圧を算出する。
続いて、制御部8は、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を算出する(ステップS102)。具体的に、制御部8は、電圧センサV3で検出された電圧を用い、この電圧に上述した所定電圧を加算してBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を算出する。
続いて、制御部8は、上記ステップS101で算出したトラクションモータ7の要求電圧が、上記ステップS102で算出したBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低いか否かを判定する(ステップS103)。この判定がYESである場合(ステップS103;YES)に、制御部8は、トラクションモータ7への出力電圧としてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定する(ステップS104)。
一方、ステップS103の判定において、トラクションモータ7の要求電圧がBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧以上であると判定された場合(ステップS103;NO)に、制御部8は、トラクションモータ7への出力電圧としてトラクションモータ7の要求電圧を設定する(ステップS105)。
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム1によれば、トラクションモータ7の要求電圧がBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合には、トラクションモータ7への出力電圧としてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定することができる。これにより、仮にトラクションモータ7の要求電圧がBat用コンバータ5では昇圧できない領域に含まれている場合であっても、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧をトラクションモータ7への出力電圧として出力させることができるため、確実にバッテリ電圧をトラクションモータ7の要求電圧以上に昇圧させることができる。
なお、上述した実施形態における制御部8は、トラクションモータ7の要求電圧がBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、トラクションモータ7への出力電圧にBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定しているが、トラクションモータ7への出力電圧にBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定する条件はこれに限定されない。例えば、トラクションモータ7の要求電圧がBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低く、かつ、トラクションモータ7の要求電圧がバッテリ電圧よりも高い場合に、トラクションモータ7への出力電圧にBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定することとしてもよい。
図4を参照して、本変形例におけるトラクションモータ7への出力電圧の推移状態について説明する。図4に示す横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図4に示すMVはトラクションモータ7への出力電圧を示し、BVはバッテリ電圧を示し、CVはBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を示す。トラクションモータ7への出力電圧MVは、トラクションモータ7の要求電圧に従って推移させると、時間t1から時間t2までの間および時間t3から時間t4までの間は、点線で示すように推移することになる。これに対して、本変形例における燃料電池システムによると、時間t1から時間t2までの間および時間t3から時間t4までの間におけるトラクションモータ7の要求電圧は、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVよりも低く、かつ、バッテリ電圧BVよりも高いと判定され、時間t1から時間t2までの間および時間t3から時間t4までの間におけるトラクションモータ7への出力電圧MVは、実線で示すようにBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVに設定される。つまり、時間t1から時間t2までの間および時間t3から時間t4までの間は、トラクションモータ7への出力電圧MVの下限値として、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧CVを設定したときと同様の状態で推移することになる。
一方、時間t2から時間t3までの間は、トラクションモータ7の要求電圧がバッテリ電圧BVよりも低くなるため、トラクションモータ7への出力電圧MVは、トラクションモータ7の要求電圧に従って推移することになる。つまり、この間は、Bat用コンバータ5の出力を停止させ、FC用コンバータ3の出力のみでトラクションモータ7を駆動させることとなる。
これにより、トラクションモータ7の要求電圧がバッテリ電圧BV以下である場合、すなわち、Bat用コンバータ5による昇圧が不要な場合には、Bat用コンバータ5の駆動を停止させることができるため、不要な電力損失を抑制することができる。
次に、図5に示すフローチャートを用いて、本変形例におけるトラクションモータ7への出力電圧を制御する際の処理について説明する。この処理は、例えば、イグニッションキーがONされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。なお、図5に示すステップS201およびS202の各処理は、上述した実施形態において説明した図3に示すステップS101およびS102の各処理とそれぞれ同一であるため、ここでは、図3に示す処理とは異なるステップS203以降の処理について説明することとする。
まず、ステップS201においてトラクションモータ7の要求電圧が算出され、ステップS202においてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧が算出された後に、制御部8は、上記ステップS201で算出したトラクションモータ7の要求電圧が、上記ステップS202で算出したBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧よりも低く、かつ、電圧センサV3で検出されたバッテリ電圧よりも高いか否かを判定する(ステップS203)。この判定がYESである場合(ステップS203;YES)に、制御部8は、トラクションモータ7への出力電圧としてBat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧を設定する(ステップS204)。
一方、ステップS203の判定において、トラクションモータ7の要求電圧が、Bat用コンバータ5で昇圧可能な最低電圧以上またはバッテリ電圧以下であると判定された場合(ステップS203;NO)に、制御部8は、トラクションモータ7への出力電圧としてトラクションモータ7の要求電圧を設定する(ステップS205)。
1…燃料電池システム、2…燃料電池、3…FC用DC−DCコンバータ、4…バッテリ、5…Bat用DC−DCコンバータ、6…トラクションインバータ、7…トラクションモータ、8…制御部、V1,V2,V3…電圧センサ。

Claims (4)

  1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、
    前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、
    前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第一の電圧変換部と、
    前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置され、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、
    前記電力消費装置の要求電圧が、前記畜電部の出力電圧よりも高い場合に、前記電力消費装置への出力電圧の下限値に、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定する負荷電圧制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の発電電力を充電可能な畜電部と、
    前記燃料電池および前記畜電部からの電力を消費する電力消費装置と、
    前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第一の電圧変換部と、
    前記畜電部と前記電力消費装置との間に配置され、前記畜電部からの出力電圧を昇圧して前記電力消費装置に出力する第二の電圧変換部と、
    前記電力消費装置の要求電圧が、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧よりも低い場合に、前記電力消費装置への出力電圧として前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定する負荷電圧制御手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記負荷電圧制御手段は、前記電力消費装置の要求電圧が、前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧よりも低く、かつ、前記電力消費装置の要求電圧が、前記畜電部の出力電圧よりも高い場合に、前記電力消費装置への出力電圧として前記第二の電圧変換部により昇圧可能な最低電圧を設定することを特徴とする請求項2記載の燃料電池システム。
  4. 加速操作部材の操作量に応じて前記燃料電池への要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
    前記電力消費装置への出力電圧に対応する前記電力消費装置の消費電力量を算出する消費電力量算出手段と、
    前記要求発電量算出手段によって算出された前記要求発電量が、前記消費電力量算出手段によって算出された前記消費電力量よりも大きい場合に、前記燃料電池への要求発電量として、当該消費電力を設定する要求発電量制御手段と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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