JP6361686B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
この形態において、高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高い場合は、通常の動作であり、制御部は、DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を低電圧二次電池の電圧よりも高い電圧に設定して、低電圧二次電池に充電を行うことができる。この場合、高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高いので、高電圧二次電池に過度の負荷が掛からない。一方、高電圧二次電池の温度が判定値以下の場合は、DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を低電圧二次電池の電圧よりも低い電圧に設定するので、高電圧二次電池からDC−DCコンバータを介して低電圧二次電池に電力が充電されない状態で燃料電池システムが起動される。従って、起動時における高電圧二次電池の負荷を軽減できる。
この形態によれば、低電圧二次電池の電圧や電流を測定しなくても、低電圧二次電池に充電を行うことができる。
この形態によれば、低電圧二次電池の電圧や電流を測定しなくても、低電圧二次電池に充電をさせないようにできる。
この形態によれば、DC−DCコンバータの低電圧二次電池側の出力電圧を低電圧二次電池への充電が行われない程度に上げることができるので、高電圧二次電池の負荷を軽減できる。
この形態によれば、燃料電池の発電が開始された後は、燃料電池から低電圧二次電池に充電できるので、高電圧二次電池の負荷を増加させることなく低電圧二次電池の充電を行うことが可能である。
この形態において、高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高い場合は、通常の動作であり、制御部は、DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を低電圧二次電池の電圧よりも高い電圧に設定して、低電圧二次電池に充電を行うことができる。この場合、高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高いので、高電圧二次電池に過度の負荷が掛からない。一方、高電圧二次電池の温度が判定値以下の場合は、DC−DCコンバータの動作を停止状態に維持し、またはリレーによりDC−DCコンバータを低電圧二次電池から切り離すので、高電圧二次電池からDC−DCコンバータを介して低電圧二次電池に電力が充電されない状態で燃料電池システムが起動される。従って起動時における高電圧二次電池の負荷を軽減できる。
この形態によれば、低電圧二次電池の電圧や電流を測定しなくても、低電圧二次電池に充電を行うことができる。
この形態によれば、燃料電池システム停止時の低電圧二次電池の電圧を十分に高くできるので、その後に燃料電池システムが起動されるときにも、低電圧二次電池の電圧が高くなる。従って、DC−DCコンバータが動作する場合でも、低電圧二次電池に充電される電力を小さく抑えることができるので、高電圧二次電池の負荷を小さくできる。
図1は、燃料電池システム10の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム10は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム10は、燃料電池100(「FC100」とも呼ぶ。)と、高電圧配線110と、低電圧配線120と、高電圧二次電池200と、低電圧二次電池210と、DC−DCコンバータ220(「DDC220」とも呼ぶ。)と、インバータ300と、駆動モータ310と、FC補機320と、制御部400と、スタートスイッチ410と、負荷装置600と、を備える。高電圧配線110には、燃料電池100と、高電圧二次電池200と、DC−DCコンバータ220と、インバータ300と、FC補機320とが接続されている。低電圧配線120には、DC−DCコンバータ220と、低電圧二次電池210と、制御部400と、負荷装置600と、が接続されている。また、低電圧配線120のDC−DCコンバータ220と低電圧二次電池210との間には、リレー122が設けられている。なお、制御部400と負荷装置600とは、低電圧配線120のリレー122よりも低電圧二次電池210側に配置されている。但し、リレー122は省略可能である。
DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを、電圧センサ520で測定される低電圧二次電池210の電圧Vlbよりも低く設定する。
DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを、低電圧二次電池210の許容電圧範囲の最小値である最小許容電圧Vlbmin(図2)よりも低い電圧に設定する。通常の場合、低電圧二次電池210の電圧Vlbは、最小許容電圧Vlbmin以上に維持される。従って、Vout<Vlbminに設定すれば、DC−DCコンバータ220からの電力が低電圧二次電池210に充電されることが無い。また、低電圧二次電池210の最小許容電圧Vlbminは既知なので、この方法130−2は、現在の低電圧二次電池210の電圧Vlbを測定することなくステップS130を実行することができ、この点で上述した方法130−1よりも好ましい。
低電圧二次電池210の電流Ilbを測定してフィードバックし、低電圧二次電池210への充電電流が発生しないように、DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを制御する。
DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを、電圧センサ520で測定される低電圧二次電池210の電圧Vlbよりも高く設定する。
DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを、低電圧二次電池210の電圧Vlbの許容範囲の最大値である最大許容電圧Vlbmax(図2)以上の電圧に設定する。この方法135−2では、低電圧二次電池210への充電を確実に実行することができる。なお、「低電圧二次電池210の最大許容電圧Vlbmax以上の電圧」としては、例えば、低電圧二次電池210の満充電時の電圧」(SOCが100%のときの電圧)を採用可能である。
低電圧二次電池210の電流Ilbを測定してフィードバックし、低電圧二次電池210への充電電流が発生するように、DC−DCコンバータ220の降圧側の出力電圧Voutを制御する。
図4は、第2の実施形態における起動時の制御フローチャートである。図3に示す第1の実施形態の制御フローチャートとの違いは、ステップS130の次にステップS134と、ステップS140を備え、ステップS135の後にステップS151を備える点である。ステップS134では、制御部400は、ステップS150(図3)と同様に、高電圧二次電池200からの電力を用いてFC補機320を起動し、燃料電池100に酸化剤ガスや燃料ガスを供給させる。これにより燃料電池100は、発電を開始または継続する。なお、ステップS134を1回実行した後に、ステップS134を再度実行する場合には、FC補機320の動作を継続する。ステップS140では、制御部400は、燃料電池100からの電流Ifcが予め定められた判定値Ith1よりも大きいか否かを判断する。燃料電池100からの電流Ifcが判定値Ith1よりも大きい場合には、制御部400は、燃料電池100の発電が開始され、燃料電池100から十分な電力(電流)を供給可能であると判断できるので、ステップS135に移行する。一方、電流Ifcが判定値Ith1以下の場合、すなわち、燃料電池100の発電が開始されて十分な電力(電流)を供給可能であると判断される前は、ステップS130に戻る。そして、ステップS140で燃料電池100からの電流Ifcが判定値Ith1よりも大きくなるまで、ステップS130〜S140を繰り返す。なお、判定値Ith1は、燃料電池100が十分な電力を供給可能か否か、を判断するための値であり、実験的または経験的に決定される。ステップS151では、制御部400は、ステップS150と同様に、高電圧二次電池200からの電力を用いてFC補機320を起動し、燃料電池100に酸化剤ガスや燃料ガスを供給させる。但し、ステップS140からステップS135に移行した場合には、ステップS134においてFC補機320が起動されているため、ステップS151では、FC補機320の動作が継続される。ステップS151以降の処理は、第1の実施形態のステップS150以降の処理とほぼ同様であるので、説明を省略する。
図6は、第3の実施形態における起動時の制御フローチャートである。図3に示す第1の実施形態の制御フローチャートとの違いは、ステップS130の代わりにステップS138を備える点である。ステップS138では、制御部400は、DC−DCコンバータ220のスイッチ222を開放してDC−DCコンバータ220の動作を停止状態に維持させる。その結果、DC−DCコンバータ220から低電圧二次電池210あるいは制御部400に電流が流れないので、高電圧二次電池200の負荷を軽減できる。なお、DC−DCコンバータ220のスイッチ222を開放する代わりに、リレー122を開放してDC−DCコンバータ220を低電圧二次電池210から切り離しても良い。なお、ステップS138の後に、第2の実施形態のステップS140(図4)を追加し、ステップS140の条件が成立した場合には、ステップS135に移行するようにしても良い。この場合、燃料電池100からDC−DCコンバータ220に十分な電流を供給できるまでDC−DCコンバータ220の動作が停止されるので、高電圧二次電池200の負荷を軽減できる。
図7は、第4の実施形態における起動時の制御フローチャートである。図3に示す第1の実施形態の制御フローチャートとの違いは、ステップS130の後にステップS134、S136、S137を追加した点である。ステップS134では、第2の実施形態のステップS134と同様に、制御部400は、FC補機320を起動しまたは動作を継続させる。ステップS136では、制御部400は、高電圧二次電池200の電圧Vhbが予め定められた判定値Vth3より低くなったか否かを判断する。ここで、高電圧二次電池200の電圧Vhbが低くなる理由は、以下の通りである。
(a)ステップS134でFC補機320が動作を開始すると、高電圧二次電池200の電力がFC補機320により消費される。
(b)DC−DCコンバータ220が動作すると、DC−DCコンバータ220により、高電圧二次電池200の電力が消費される。
図8は、第5の実施形態における停止時の制御フローチャートである。第1〜第4の実施形態の制御は、燃料電池システム10の起動時の制御であるが、第5の実施形態は、燃料電池システム10の停止時の制御である。第1〜第4の実施形態において、燃料電池システム10の起動時に、低電圧二次電池210の電圧が十分に高ければ、DC−DCコンバータ220が動作して低電圧二次電池210に充電する必要が無く、仮に充電を行う場合にも、高電圧二次電池200の負荷が小さくなる。そこで、第5の実施形態では、燃料電池システム10の停止時に、低電圧二次電池210に対して十分に充電を行っておくことで、DC−DCコンバータ220が動作して低電圧二次電池210に充電する際の高電圧二次電池200の負荷を軽減する。
図9は、変形例の燃料電池システム12の概略構成を示す説明図である。図1に示す燃料電池システム10では、燃料電池100と、高電圧二次電池200とが高電圧配線110を介して直接接続される構成であったが、図9では、燃料電池システム12は、燃料電池100と、高電圧二次電池200との間に、燃料電池用DC−DCコンバータ230とバッテリ用DC−DCコンバータ240を備える。従って高電圧配線は、より電圧の低い第1の高電圧配線110と、より電圧の高い第2の高電圧配線111に分かれている。燃料電池システム12では、燃料電池用DC−DCコンバータ230とバッテリ用DC−DCコンバータ240との間の第2の高電圧配線111に、インバータ300と、FC補機320とが接続される。燃料電池用DC−DCコンバータ230は、燃料電池100の電圧を昇圧して第2の高電圧配線111に出力する。バッテリ用DC−DCコンバータ240は、第1の高電圧配線110と第2の高電圧配線111との間の電圧変換を行う双方向のDC−DCコンバータである。例えば、第1の高電圧配線110は200V〜400Vであり、好ましくは240V〜350Vであり、さらに好ましくは260V〜300Vの電圧で運用され、第2の高電圧配線111は、500V〜700V、より好ましくは、600V〜650Vの電圧で運用される。また、低電圧配線120は、100V未満(通常は30V未満)で運用される。なお、2つの高電圧配線110、111は、低電圧配線120と比べて電圧が高いので、これらを区別せずに「高電圧配線」と呼ぶことも可能である。燃料電池システム12の制御フローとしては、上述した図3、図4、図6〜図8のいずれを採用しても良い。なお、燃料電池用DC−DCコンバータ230とバッテリ用DC−DCコンバータ240は、いずれか一方を備える構成であってもよい。
12…燃料電池システム
100…燃料電池
110…高電圧配線(第1の高電圧配線)
111…第2の高電圧配線
120…低電圧配線
122…リレー
200…高電圧二次電池
210…低電圧二次電池
220…DC−DCコンバータ
222…スイッチ
224…コイル(リアクトル)
226…ダイオード
228…平滑コンデンサ
230…燃料電池用DC−DCコンバータ
240…バッテリ用DC−DCコンバータ
300…インバータ
310…駆動モータ
320…FC補機
400…制御部
410…スタートスイッチ
420…DDC目標電圧設定部
430…FC電流判定部
440…PID制御部
442…減算器
450…スイッチ
460…加算器
500…温度センサ
510…高電圧二次電池の電圧センサ
520…低電圧二次電池の電圧センサ
530…低電圧二次電池の電流センサ
540…FC電圧センサ
550…FC電流センサ
560…外気温センサ
600…負荷装置
Ifc…燃料電池の電流
Ilb…低電圧二次電池の電流
It…目標電流
Ith1…判定値
SOCmax…SOCの許容範囲の最大値
SOCmin…SOCの許容範囲の最小値
Ta…外気温
Thb…高電圧二次電池の温度
Tth1…判定値
Tth2…判定値
Vfc…燃料電池の電圧
Vhb…高電圧二次電池の電圧
Vlb…低電圧二次電池の電圧
Vlbmax…最大許容電圧
Vlbmin…最小許容電圧
Vout…DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧
Vtar1…電圧指令値
Vtar2…電圧指令値
Vth3…判定値
ΔV…差分値(出力)
Claims (8)
- 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に発電を実行させるために用いられるFC補機と、
前記FC補機に電力を供給する高電圧二次電池と、
前記高電圧二次電池よりも出力電圧の低い低電圧二次電池と、
前記高電圧二次電池の電圧を降圧して前記低電圧二次電池に供給するDC−DCコンバータと、
前記低電圧二次電池と前記DC−DCコンバータの間に接続された負荷装置と、
前記高電圧二次電池の温度を測定する温度センサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムを起動させるとき、
(i)前記温度センサから取得した前記高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高い場合には、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を前記低電圧二次電池の電圧よりも高い電圧に設定した後に、前記高電圧二次電池からの電力を用いて前記FC補機を起動し、
(ii)前記温度センサから取得した前記高電圧二次電池の温度が前記判定値以下の場合には、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を、前記低電圧二次電池の電圧よりも低い電圧に設定した後に、前記高電圧二次電池からの電力を用いて前記FC補機を起動する、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記(i)を実行する場合、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を、前記低電圧二次電池の許容電圧範囲の最大値よりも高い電圧に設定する、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記(ii)を実行する場合、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を、前記低電圧二次電池の許容電圧範囲の最小値よりも低い電圧に設定する、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記低電圧二次電池の電流または電圧を測定するセンサを備え、
前記制御部は、前記(ii)を実行する場合、前記センサから得られる前記低電圧二次電池の電流または電圧に基づいて、前記低電圧二次電池への充電が行われないように、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を制御する、燃料電池システム。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の電流を測定するFC電流センサを備え、
前記制御部は、前記(ii)を実行する場合、前記FC補機を起動した後に、前記FC電流センサの測定値に基づいて、前記燃料電池の発電が開始されたと判断された後は、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を前記低電圧二次電池の許容電圧範囲の最大値より高い電圧に設定する、
燃料電池システム。 - 燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に発電を実行させるために用いられるFC補機と、
前記FC補機に電力を供給する高電圧二次電池と、
前記高電圧二次電池よりも出力電圧の低い低電圧二次電池と、
前記高電圧二次電池の電圧を降圧して前記低電圧二次電池に供給するDC−DCコンバータと、
前記低電圧二次電池と前記DC−DCコンバータの間に接続された負荷装置と、
前記高電圧二次電池の温度を取得する温度センサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムを起動させるとき、
(i)前記温度センサから取得した前記高電圧二次電池の温度が予め定めた判定値よりも高い場合には、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を前記低電圧二次電池の電圧よりも高い電圧に設定した後に、前記高電圧二次電池からの電力を用いて前記FC補機を起動し、
(ii)前記温度センサから取得した前記高電圧二次電池の温度が前記判定値以下の場合には、前記DC−DCコンバータの動作を停止状態に維持するか、又はリレーにより前記DC−DCコンバータを前記低電圧二次電池から切り離した後に、前記高電圧二次電池からの電力を用いて前記FC補機を起動する、
燃料電池システム。 - 請求項6に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記(i)を実行する場合、前記DC−DCコンバータの降圧側の出力電圧を、前記低電圧二次電池の許容電圧範囲の最大値よりも高い電圧に設定する、燃料電池システム。 - 請求項1〜7のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
外気温を測定する外気温センサを備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムを停止させるときに、前記外気温が予め定められた温度よりも低い場合、前記低電圧二次電池の電圧が前記低電圧二次電池の許容電圧範囲の最大値になるまで充電を行った後、前記燃料電池システムを停止させる、
燃料電池システム。
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