JP7396262B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池の出力電圧を昇圧するＦＣ昇圧コンバータと、二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータとを備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。この燃料電池システムでは、二次電池昇圧コンバータが故障して二次電池の電圧を昇圧できない場合に、燃料電池からの出力電圧が二次電池昇圧コンバータの出力側の電圧よりも低くなるように制御することによって、燃料電池から負荷に電力が供給される。
特開２０１８－１８１８３４号公報
二次電池昇圧コンバータが故障して昇圧できない状態において、燃料電池の出力電圧が正常時よりも低くなることにより、ユーザが所望の出力を得られないことがある。
本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、入力側が前記燃料電池と接続されているＦＣ昇圧コンバータと、二次電池と、入力側が前記二次電池と接続され、出力側が前記ＦＣ昇圧コンバータの出力側と接続されている二次電池昇圧コンバータと、
少なくとも前記ＦＣ昇圧コンバータおよび前記二次電池昇圧コンバータを動作させて前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記二次電池からの入力電圧を昇圧せずに出力するように前記二次電池昇圧コンバータを動作させる導通制御の実行時において、前記導通制御における前記二次電池の出力よりも大きい出力が要求される場合に、前記燃料電池システムと前記二次電池との電気的な接続を遮断する遮断制御を実行してよい。この形態の燃料電池システムによれば、導通制御時において、二次電池と、燃料電池システムとの電気的な接続を遮断する遮断制御を実行することにより、燃料電池からの出力電圧を、遮断制御を実行しない導通制御における二次電池の出力電圧よりも高い出力電圧にまで昇圧することができる。したがって、導通制御を実行中において、ユーザからの要求出力が二次電池の出力よりも高い場合であっても、ユーザは所望の出力を得ることができる。
（２）上記実施形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電池の残容量が予め定められた閾値以下である場合には、前記遮断制御を実行しなくてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の残容量が低い場合には、遮断制御による高い電圧の出力よりも導通制御を優先することにより、二次電池が故障することを低減または防止することができる。
（３）上記実施形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記遮断制御において、前記二次電池昇圧コンバータのスイッチング素子のオフ制御により、前記燃料電池システムと前記二次電池との電気的な接続を遮断してよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池昇圧コンバータが有する既存の構成を利用した簡易な制御により遮断制御を実行することができる。
（４）上記実施形態の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記二次電池の残容量が予め定められた閾値以下である場合に、前記燃料電池の発電電力を用いて、前記燃料電池を発電させるための補機を駆動してよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の残容量が低い場合には、燃料電池の発電に用いられる補機の駆動には二次電池の電力は用いられない。したがって、遮断制御の実行時において二次電池の電力の消費を低減または抑制することができるとともに、二次電池の残容量が低い場合であっても、ユーザは、二次電池の出力よりも高い出力を得ることができる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載した車両、燃料電池システムの制御方法、導通制御時における燃料電池の出力電圧を昇圧する方法、これらの方法を実現するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記憶した記憶媒体等の形態で実現可能である。
燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 燃料電池システムの制御方法を示すフローチャート。 第２実施形態としての燃料電池システムの制御方法を示すフローチャート。
Ａ．第１実施形態：
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。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池ユニット１００と、燃料電池用昇圧コンバータユニット１１０（以下、「ＦＣ昇圧コンバータ１１０」とも呼ぶ。）と、ＦＣリレーユニット１２０（以下、「ＦＣリレー１２０」とも呼ぶ。）と、インテリジェントパワーモジュールユニット１３０（以下、「ＩＰＭ１３０」とも呼ぶ。）と、エアコンディショナユニット１５０と、分岐ユニット１６０と、ウォータポンプユニット１７０と、水素ポンプユニット１８０と、二次電池ユニット１９０と、制御装置４００と、を備えている。ＩＰＭ１３０は、エアコンプレッサユニット１３５と、駆動モータユニット１３７と、ＤＣ－ＤＣコンバータユニット１４０（以下、「二次電池昇圧コンバータ１４０」とも呼ぶ。）と、を備えている。燃料電池システム１０は、燃料電池車両のほか、家庭用電源や定置発電などに用いられてもよい。
ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、燃料電池１０４の出力電圧をエアコンプレッサ１３６及び駆動モータユニット１３７の駆動電圧まで昇圧させる。ＦＣ昇圧コンバータ１１０の入力側は、燃料電池ユニット１００に接続され、ＦＣ昇圧コンバータ１１０の出力側は、ＦＣリレー１２０を介してＩＰＭ１３０に接続されている。ＩＰＭ１３０には、エアコンディショナユニット１５０と分岐ユニット１６０とが接続されている。分岐ユニット１６０には、ウォータポンプユニット１７０、水素ポンプユニット１８０、ならびに二次電池ユニット１９０が接続されている。
燃料電池ユニット１００は、高電圧配線１０２Ｂ、１０２Ｇと、燃料電池１０４と、電圧センサ１０６と、コネクタＣＮ１と、を備えている。高電圧配線１０２Ｂ、１０２Ｇの符号の末尾に示す「Ｂ」は、プラス側、「Ｇ」は、マイナス側を意味する。符号の末尾に示す「Ｂ」、「Ｇ」の意味は、以下で説明する他の配線やリレーや配線の符号において共通する。燃料電池１０４は、水素ガスおよび空気が反応ガスとして供給されて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０４は、電解質膜の両側にアノードとカソードとの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を有する複数の燃料電池セルを積層したスタック構造を有する。燃料電池１０４は、固体高分子形に限らず、りん酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形などの種々の方式の燃料電池であってよい。電圧センサ１０６は、燃料電池１０４から出力される電圧Ｖｆｃを取得する。燃料電池１０４の出力は、コネクタＣＮ１を介してＦＣ昇圧コンバータ１１０に出力される。
ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、高電圧配線１１２Ｂ，１１２Ｇと、サービスプラグ１１４Ｂ，１１４Ｇと、リアクトルＬ１と、スイッチングトランジスタＴＲ１と、ダイオードＤ１，Ｄ４と、平滑コンデンサＣ１と、入力側のコネクタＣＮ２と、出力側のコネクタＣＮ３と、を備えている。入力側のコネクタＣＮ２のプラス側にリアクトルＬ１の一方の端子が接続され、リアクトルＬ１の他方の端子は、ダイオードＤ１のアノードに接続されている。ダイオードＤ１のカソードは、高電圧配線１１２Ｂを介して、プラス側のサービスプラグ１１４Ｂに接続されている。入力側のコネクタＣＮ２のマイナス側は、高電圧配線１１２Ｇを介して、マイナス側のサービスプラグ１１４Ｇに接続されている。ダイオードＤ１のアノードと、高電圧配線１１２Ｇとの間には、スイッチングトランジスタＴＲ１が設けられている。ダイオードＤ４は、スイッチングトランジスタＴＲ１と並列に設けられている。ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、スイッチングトランジスタＴＲ１がオン・オフすることで、入力側のコネクタＣＮ２から入力された電圧を昇圧して、出力側のコネクタＣＮ３から出力する。
ＦＣリレー１２０は、高電圧配線１２２Ｂ，１２２Ｇと、プラス側の接点（以下、「ＦＣリレーＦＣＲＢ」とも呼ぶ。）と、マイナス側の接点（以下、「ＦＣリレーＦＣＲＧ」とも呼ぶ。）と、プリチャージ用の接点（以下、「プリチャージ用のリレーＦＣＲＰ」とも呼ぶ。）と、抵抗器Ｒ１と、を備える。プラス側のＦＣリレーＦＣＲＢは、プラス側の高電圧配線１２２Ｂに設けられ、マイナス側のＦＣリレーＦＣＲＧは、マイナス側の高電圧配線１２２Ｇに設けられている。プリチャージ用のリレーＦＣＲＰおよび抵抗器Ｒ１は、互いに直列に接続されており、マイナス側のＦＣリレーＦＣＲＧと並列に設けられている。ＦＣリレーＦＣＲＧをオンにする前に、リレーＦＣＲＰをオンにすることにより、リレーＦＣＲＰには、抵抗器Ｒ１により制限された電流しか流れないので、リレーＦＣＲＰがオンにされる際に溶着することを低減または防止することができる。ＦＣリレーＦＣＲＧを挟んだ両側の電圧の差が小さくなってからＦＣリレーＦＣＲＧをオンにすることにより、ＦＣリレーＦＣＲＧがオンにされるときに大きなアーク電流は流れない。この結果、ＦＣリレーＦＣＲＧの溶着を低減または防止することができる。
ＩＰＭ１３０は、高電圧配線１３２Ｂ，１３２Ｇ，１４２Ｂ，１４２Ｇと、インバータ１３４と、二次電池昇圧コンバータ１４０と、放電機構１４４と、電圧センサ１３３，１４３と、コネクタＣＮ４～ＣＮ７を備える。インバータ１３４は、２系統のＨ型ブリッジ回路を備えており、高電圧配線１３２Ｂ，１３２Ｇに供給される直流電力を、２つの３相交流に変換し、コネクタＣＮ５、ＣＮ６に出力する。コネクタＣＮ５、ＣＮ６には、それぞれ、エアコンプレッサ１３６、駆動モータ１３８が接続されている。エアコンプレッサ１３６は、燃料電池１０４のカソードに空気を供給する。駆動モータ１３８は、燃料電池車両の駆動輪を駆動する。駆動モータ１３８は、燃料電池車両の減速時には、回生モータとして機能する。インバータ１３４の一方の系統のＨ型ブリッジ回路と、コネクタＣＮ５と、エアコンプレッサ１３６は、エアコンプレッサユニット１３５を構成し、インバータ１３４の他方の系統のＨ型ブリッジ回路と、コネクタＣＮ６と、駆動モータ１３８は、駆動モータユニット１３７を構成している。
二次電池昇圧コンバータ１４０は、コネクタＣＮ４から高電圧配線１３２Ｂ、１３２Ｇに入力された電圧を降圧してコネクタＣＮ７に出力することができ、また、コネクタＣＮ７に入力された電圧を昇圧して高電圧配線１３２Ｂ，１３２Ｇに出力することができる双方向のＤＣ－ＤＣコンバータである。二次電池昇圧コンバータ１４０は、高電圧配線１４２Ｂ，１４２Ｇと、リアクトルＬ２と、スイッチングトランジスタＴＲ２，ＴＲ３と、ダイオードＤ２，Ｄ３と、平滑コンデンサＣ２，Ｃ３を備える。スイッチングトランジスタＴＲ２，ＴＲ３は、プラス側の高電圧配線１３２Ｂとマイナス側の高電圧配線１３２Ｇとの間に直列に設けられている。スイッチングトランジスタＴＲ２，ＴＲ３は、後述する遮断制御を実行する際に用いられるスイッチング素子の一態様である。ダイオードＤ２は、スイッチングトランジスタＴＲ２と並列に設けられ、ダイオードＤ３は、スイッチングトランジスタＴＲ３と並列に設けられている。リアクトルＬ２は、スイッチングトランジスタＴＲ２とスイッチングトランジスタＴＲ３との中間ノードと、プラス側の高電圧配線１４２Ｂとの間に設けられている。高電圧配線１４２Ｂは、コネクタＣＮ７のプラス側に接続されており、高電圧配線１４２Ｇは、コネクタＣＮ７のマイナス側に接続されている。
高電圧配線１４２Ｂは、プラス側の高電圧配線１３２Ｂと電気的に接続されており、同一の電位である。高電圧配線１４２Ｇは、マイナス側の高電圧配線１３２Ｇと電気的に接続されており、同一の電位である。平滑コンデンサＣ２は、プラス側の高電圧配線１４２Ｂと、マイナス側の高電圧配線１４２Ｇとの間に設けられている。平滑コンデンサＣ３は、プラス側の高電圧配線１３２Ｂと、マイナス側の高電圧配線１３２Ｇとの間に設けられている。電圧センサ１３３は、高電圧配線１３２Ｂと、高電圧配線１３２Ｇとの間の電圧ＶＨを取得する。電圧センサ１４３は、高電圧配線１４２Ｂと、高電圧配線１４２Ｇとの間の電圧ＶＬを取得する。
放電機構１４４は、回生電力を消費する。燃料電池車両の減速時には、駆動モータ１３８は、回生モータとして機能し、電力を回生するとともに回生ブレーキを掛ける。回生電力は、二次電池１９４に充電される。二次電池１９４が満充電状態になると、二次電池１９４に充電できなくなるため、駆動モータ１３８で回生ブレーキを掛けることができなくなる。放電機構１４４は、二次電池１９４が満充電状態である場合に、回生電力を消費することで、駆動モータ１３８を回生ブレーキとして機能させる。
エアコンディショナユニット１５０は、インバータ１５２と、エアコンディショナ１５４と、コネクタＣＮ８とを備える。エアコンディショナ１５４は、燃料電池車両内の空調を行う。コネクタＣＮ８は、ＩＰＭ１３０の高電圧配線１４２Ｂ、１４２Ｇに接続されている。コネクタＣＮ８と高電圧配線１４２Ｂとの間には、フューズＦｚが設けられている。
ＩＰＭ１３０の高電圧配線１４２Ｂ，１４２Ｇには、降圧コンバータ１５６が接続されている。降圧コンバータ１５６には、鉛蓄電池１５８が接続されている。降圧コンバータ１５６は、高電圧配線１４２Ｂ，１４２Ｇの電圧を鉛蓄電池１５８の電圧まで降圧し、鉛蓄電池１５８に供給する。鉛蓄電池１５８は、制御装置４００や、ウインカ、ヘッドライト、ワイパー、パワーウィンドなどの燃料電池車両の低電圧補機の電源として用いられる。
分岐ユニット１６０は、コネクタＣＮ９またはコネクタＣＮ１０に供給された電力を分配する装置である。分岐ユニット１６０は、高電圧配線１６２Ｂ，１６２Ｇと、コネクタＣＮ９，ＣＮ１０を備えている。分岐ユニット１６０には、ヒータ１６４と、ウォータポンプユニット１７０と、水素ポンプユニット１８０とが接続されている。ウォータポンプユニット１７０および水素ポンプユニット１８０は、燃料電池１０４の発電に用いられる補機である。ウォータポンプユニット１７０は、インバータ１７２と、ウォータポンプ１７４とを備えている。ウォータポンプ１７４は、燃料電池１０４に供給される冷却液を循環させる。燃料電池１０４に供給される冷却液の一部は、冷却流路から分岐され、ヒータ１６４によって加熱され、燃料電池車両内の暖房に用いられる。水素ポンプユニット１８０は、インバータ１８２と、水素ポンプ１８４を備える。水素ポンプ１８４は、燃料電池１０４から排出された排ガス中の水素を燃料電池１０４に循環させる。
二次電池ユニット１９０は、高電圧配線１９２Ｂ，１９２Ｇと、二次電池１９４と、システムメインリレー１９５と、電圧センサ１９６と、電流センサ１９８と、サービスプラグＳＰとを備える。二次電池１９４は、例えば、２００Ｖ～４００Ｖの出力電圧を有する高電圧二次電池である。二次電池１９４は、燃料電池１０４とともにエアコンプレッサ１３６や駆動モータ１３８に対する電力源として機能する。二次電池１９４としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などを用いることができる。
電圧センサ１９６は、二次電池１９４から出力される電圧Ｖｂを取得する。電流センサ１９８は、二次電池１９４からの出力電流Ｉｂを取得する。システムメインリレー１９５は、プラス側の接点（以下、「システムメインリレーＳＭＲＢ」とも呼ぶ。）と、マイナス側の接点（以下、「システムメインリレーＳＭＲＧ」とも呼ぶ。）と、プリチャージ用の接点（以下、「プリチャージ用のリレーＳＭＲＰ」とも呼ぶ。）と、抵抗器Ｒ２と、を備える。プラス側のシステムメインリレーＳＭＲＢは、プラス側の高電圧配線１９２Ｂに設けられ、マイナス側のシステムメインリレーＳＭＲＧは、マイナス側の高電圧配線１９２Ｇに設けられている。プリチャージ用のリレーＳＭＲＰと、抵抗器Ｒ２は、直列に接続され、マイナス側のシステムメインリレーＳＭＲＧと並列に設けられている。サービスプラグＳＰは、二次電池１９４の中に設けられている。二次電池昇圧コンバータ１４０から二次電池１９４までの間の高電圧配線１４２Ｂ，１６２Ｂ，１９２Ｂは、互いに同電位であり、高電圧配線１４２Ｇ，１６２Ｇ，１９２Ｇは、互いに同電位である。
制御装置４００は、マイクロプロセッサとメモリとを備え、ＦＣ昇圧コンバータ１１０および二次電池昇圧コンバータ１４０の動作を含む燃料電池システム１０の各部の動作を制御する。燃料電池システム１０の各部の動作には、燃料電池１０４の電圧Ｖｆｃ、二次電池１９４の電圧Ｖｂ、二次電池昇圧コンバータ１４０の両側の電圧ＶＨ，ＶＬの取得、ＦＣ昇圧コンバータ１１０ならびに二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ１～ＴＲ３の動作、インバータ１３４、１８２、１７２の動作等が含まれる。ＦＣ昇圧コンバータ１１０の動作を制御するＦＤＣコントローラ、二次電池１９４の動作を制御するＢＡＴコントローラ、二次電池昇圧コンバータ１４０の動作を制御するＢＤＣコントローラが備えられる場合には、制御装置４００は、ＦＤＣコントローラを介して電圧センサ１０６から電圧Ｖｆｃを取得し、ＢＡＴコントローラを介して電圧センサ１９６から電圧Ｖｂを取得し、ＢＤＣコントローラを介して電圧センサ１３３、１４３からそれぞれ電圧ＶＨ、ＶＬを取得してもよい。ＢＤＣコントローラは、駆動モータ１３８あるいは、駆動モータ１３８のインバータ１３４を制御するＭＧコントローラを含んでよい。
図２は、制御装置４００が実行する燃料電池システム１０の制御方法を示すフローチャートである。本フローは、例えば、二次電池昇圧コンバータ１４０が故障し、二次電池昇圧コンバータ１４０が導通制御を実行したことにより開始する。本フローは、例えば、数ｓｅｃ．や数ミリｓｅｃ．ごとなどの予め定められた期間ごとに繰り返し実行されてよい。「二次電池昇圧コンバータ１４０の故障」とは、二次電池昇圧コンバータ１４０がコネクタＣＮ７側を入力側として昇圧動作を実行するときに、入力側の電圧ＶＬに対し、出力側の電圧ＶＨを予め定められた値以上に昇圧できない状態を意味する。二次電池昇圧コンバータ１４０の故障には、例えば、電圧センサ１３３や電圧センサ１４３の故障などにより制御装置４００が電圧ＶＨ，ＶＬを取得できない状態や、予め定められたデューティ比を生成するためのスイッチング素子の動作を実行できない状態、ならびに高電圧配線１４２Ｂ，１６２Ｂ，１９２Ｂ，１４２Ｇ，１６２Ｇ，１９２Ｇの結線異常などが含まれ、スイッチングトランジスタＴＲ２，ＴＲ３などのスイッチング素子のオン・オフ制御ができない状態は含まれない。制御装置４００は、電圧センサ１３３、１４３を用いて二次電池昇圧コンバータ１４０の両側の電圧ＶＨ、ＶＬをモニタしている。制御装置４００は、二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ３をオン・オフする昇圧動作を実行しても、出力側の電圧ＶＨが予め定められた電圧以上にならないと判定した場合、すなわち、入力側の電圧ＶＬに対して十分に昇圧された電圧にならない場合に、二次電池昇圧コンバータ１４０が故障したと判定する。「二次電池昇圧コンバータ１４０の導通制御」とは、制御装置４００によって実行される二次電池昇圧コンバータ１４０故障時の通電制御を意味する。本実施形態では、導通制御として、二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ２をオンで固定し、スイッチングトランジスタＴＲ３をオフで固定する制御を実行する。この結果、二次電池１９４から出力される電圧Ｖｂと、二次電池昇圧コンバータ１４０に入力される電圧ＶＬと、二次電池昇圧コンバータ１４０から出力される電圧ＶＨとは、ほぼ等しくなる。制御装置４００は、二次電池昇圧コンバータ１４０の導通制御を実行すると同時に、例えば燃料電池車両のドライバなど、燃料電池システム１０のユーザや管理者に、二次電池昇圧コンバータ１４０に異常がある旨や燃料電池車両の退避走行を促す旨を報知してもよい。
ステップＳ１０では、制御装置４００は、燃料電池システム１０のユーザからの出力要求を受け付ける。ユーザからの出力要求には、例えば、図示しないアクセル開度センサから取得した燃料電池車両のアクセル開度、アクセル開度から算出される駆動モータ１３８の要求トルク、ならびに駆動モータ１３８の要求トルクを出力するために必要な駆動モータ１３８への出力電力が含まれる。本実施形態において、図示しないＥＣＵ等によって別途に演算された駆動モータ１３８への出力電力をユーザからの出力要求として取得する。制御装置４００は、燃料電池車両のアクセル開度または駆動モータ１３８の要求トルクを取得して、駆動モータ１３８への出力電力を演算してもよい。
ステップＳ２０では、制御装置４００は、ユーザからの要求出力が導通制御における二次電池１９４の出力より大きいか否かを判定する。導通制御における二次電池１９４の出力とは、例えば、導通制御における電圧ＶＬ、電圧ＶＨ、もしくは電圧Ｖｂに、高電圧配線１４２Ｂ，１６２Ｂ，１９２Ｂ，１４２Ｇ，１６２Ｇ，１９２Ｇ等の各配線の許容電流を乗じて得られた電力値である。ユーザからの要求出力が二次電池１９４の出力よりも大きい場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、制御装置４００は、ステップＳ３０に移行する。ユーザからの要求出力が二次電池１９４の出力以下である場合（Ｓ２０：ＮＯ）、ステップＳ７０に移行する。
ステップＳ７０では、制御装置４００は、燃料電池システム１０の各部を制御して、導通制御時での通常出力、すなわち、二次電池１９４の出力電圧に各配線の許容電流を乗じて得られる電力を出力する。ステップＳ７０の導通制御において、二次電池１９４は、駆動モータ１３８からの回生電力、ならびに燃料電池１０４からの出力電力によって充電されることが可能である。また、ステップＳ７０において、制御装置４００は、ＦＣ昇圧コンバータ１１０の昇圧比を確保できる場合には、燃料電池１０４からの出力電圧を昇圧して出力してもよい。ＦＣ昇圧コンバータ１１０の昇圧比とは、（ＦＣ昇圧コンバータ１１０の出力電圧）／（ＦＣ昇圧コンバータ１１０の入力電圧）を意味する。導通制御において、ＦＣ昇圧コンバータ１１０の出力電圧は、電圧ＶＨとほぼ等しく、電圧Ｖｂともほぼ等しいことから、制御装置４００は、導通制御でのＦＣ昇圧コンバータ１１０の昇圧比に変えて、Ｖｂ／Ｖｆｃの算出結果を用いてもよい。昇圧比が確保できる場合、ＦＣ昇圧コンバータ１１０のスイッチングトランジスタＴＲ１のオン・オフ制御により、ＦＣ昇圧コンバータ１１０の入力側の電圧を下げることができ、ＦＣ昇圧コンバータ１１０の出力側に電力を供給できる。その結果、燃料電池１０４の出力電圧を昇圧し、燃料電池１０４の電力を車両の走行に利用できる。
ステップＳ３０では、制御装置４００は、二次電池１９４の残容量を閾値と比較する。二次電池１９４の残容量とは、二次電池１９４が完全に充電された満充電容量から、放電した電気量を除いた残りの電気量の割合（以下、「ＳＯＣ：state of charge」とも呼ぶ。）を意味する。制御装置４００は、例えば、電流センサ１９８によって検出された二次電池１９４の出力電流Ｉｂを用いて、二次電池１９４のＳＯＣを算出する。制御装置４００は、二次電池１９４の残りの電気量の割合と閾値との比較には限らず、二次電池１９４の残りの電気量と、予め定められた閾値とを比較してもよい。ＳＯＣの検出方法は、二次電池１９４の出力電流Ｉｂを用いて算出されるものに限定されず、電圧センサ１９６から取得する電圧Ｖｂを用いてもよく、二次電池１９４の電解液比重センサ、セル電圧センサ、バッテリ端子電圧センサ等に基づいて算出してもよく、例えば充電可能量等の他のパラメータを用いて蓄電状態を検出してもよい。ステップＳ３０で用いられる閾値とは、二次電池１９４の故障を回避するために設定される閾値を意味し、二次電池１９４の放電を許可できるＳＯＣの下限値である。閾値は、二次電池１９４の故障を確実に回避する観点から、二次電池１９４に故障が発生し得るＳＯＣよりも充分に大きいことが好ましい。制御装置４００は、二次電池１９４の残容量が閾値以下である場合（Ｓ３０：ＮＯ）、ステップＳ７０に移行し、二次電池１９４の残容量が閾値より大きい場合（Ｓ３０：ＹＥＳ）、制御装置４００は、ステップＳ４０に移行する。
ステップＳ４０では、制御装置４００は、燃料電池システム１０と二次電池１９４との電気的な接続を遮断する遮断制御を実行する。本実施形態において、制御装置４００は、遮断制御として、導通制御によりすでにオフにされている二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ３に加え、さらに、スイッチングトランジスタＴＲ２をオフにする。この結果、二次電池ユニット１９０、水素ポンプユニット１８０、ならびにウォータポンプユニット１７０等は、燃料電池システム１０との電気的な接続を遮断される。遮断制御によって、二次電池１９４からのエアコンプレッサ１３６や駆動モータ１３８への電力供給は停止されるとともに、回生電力や燃料電池１０４からの出力電力による二次電池１９４への充電は停止される。
ステップＳ５０では、制御装置４００は、燃料電池１０４を発電させる。より具体的には、制御装置４００は、エアコンプレッサ１３６および補機を駆動させて、燃料電池１０４に燃料ガスと空気とを供給することによって、燃料電池１０４を発電させる。燃料電池１０４の発電に用いられる補機であるウォータポンプユニット１７０および水素ポンプユニット１８０は、二次電池１９４からの出力電力を用いて起動され駆動される。
ステップＳ５２では、制御装置４００は、ＦＣ昇圧コンバータ１１０のスイッチングトランジスタＴＲ１のオン・オフ制御を実行して、燃料電池１０４から出力される電圧Ｖｆｃを、ユーザの要求出力に対応する電圧まで昇圧する。この結果、ユーザの要求出力に対応する電圧がＦＣ昇圧コンバータ１１０から出力される。導通制御において、遮断制御を実行することなく、ＦＣ昇圧コンバータ１１０からの出力電圧を、導通制御における二次電池１９４の出力電圧よりも高くする場合には、燃料電池１０４からの出力電力は、二次電池１９４に供給されることになる。これに対して、ステップＳ５２では、二次電池１９４と、燃料電池システム１０との電気的な接続が遮断されているので、燃料電池１０４からの出力電圧を、遮断制御を実行しない通常の導通制御における二次電池１９４の出力よりも高い出力電圧にまで昇圧することができる。燃料電池１０４からの電力供給を開始してから予め定められた期間が経過することにより、制御装置４００は、ステップＳ５２の終了条件を満たしたとして、ステップＳ６０に移行する。ステップＳ５２の終了条件は、予め定められた期間の経過のほか、例えば、二次電池１９４のＳＯＣが閾値以下となった場合、ユーザからの要求出力が二次電池１９４の出力以下に変更された場合であってもよい。
ステップＳ６０では、制御装置４００は、スイッチングトランジスタＴＲ２をオンに切り替えて遮断制御を終了し、通常の導通制御に移行して処理を終了する。この結果、二次電池ユニット１９０等は、再び燃料電池システム１０に電気的に接続される。
以上、説明したように、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御装置４００は、二次電池昇圧コンバータ１４０に二次電池１９４からの入力電圧を昇圧することなく出力させる導通制御を実行時において、ユーザからの出力要求が、二次電池１９４の出力よりも大きい場合に、燃料電池システム１０と二次電池１９４との電気的な接続を遮断する遮断制御を実行する。本実施形態の燃料電池システム１０は、導通制御時に遮断制御を実行することにより、燃料電池１０４からの出力電圧を、遮断制御を実行しない通常の導通制御における二次電池１９４の出力電圧よりも高い出力電圧にまで昇圧することができる。したがって、二次電池昇圧コンバータ１４０の故障に基づく導通制御を実行中において、ユーザからの要求出力が通常の導通制御における二次電池１９４の出力よりも高い場合であっても、ユーザは所望の出力を得ることができる。
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御装置４００は、二次電池１９４の残容量が予め定められた閾値以下である場合には、遮断制御を実行しない。本実施形態の燃料電池システム１０は、二次電池１９４のＳＯＣが低い場合には、遮断制御による高い電圧の出力よりも、二次電池１９４への回生電力の供給や燃料電池１０４からの出力電力による充電を行うことが可能な通常の導通制御を優先する。したがって、二次電池１９４の残容量が過剰に低下することを低減または防止し、二次電池１９４が故障することを低減または防止することができる。
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御装置４００は、遮断制御において、二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ２のオフ制御により、燃料電池システム１０と二次電池１９４との電気的な接続を遮断する。したがって、二次電池昇圧コンバータ１４０が有する既存の構成を利用した簡易な制御により遮断制御を実行することができる。
Ｂ．第２実施形態：
図３は、本開示の第２実施形態としての燃料電池システム１０の制御方法を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システム１０の制御方法は、ステップＳ３０で二次電池１９４のＳＯＣが閾値以下である場合に、ステップＳ７０に代えてステップＳ３２～Ｓ３８が実行される点において、第１実施形態の燃料電池システム１０の制御方法とは相違する。また、第１実施形態の燃料電池システム１０では、遮断制御の実行中において、二次電池１９４からのみ補機としての水素ポンプユニット１８０およびウォータポンプユニット１７０へ電力供給される。これに対して、第２実施形態の燃料電池システム１０では、二次電池１９４に加え、さらに燃料電池１０４から水素ポンプユニット１８０およびウォータポンプユニット１７０へ電力が供給される点において、第１実施形態の燃料電池システム１０とは相違する。遮断制御の実行中における燃料電池１０４から水素ポンプユニット１８０およびウォータポンプユニット１７０への電力の供給は、例えば、燃料電池ユニット１００と、水素ポンプユニット１８０およびウォータポンプユニット１７０とを、リレー回路や、スイッチング素子を有する高圧配線等を介して電気的に接続することによって実現することができる。第２実施形態の燃料電池システム１０のその他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０の構成と同様である。ステップＳ１０からステップＳ５０、ならびにステップＳ７０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ３２では、制御装置４００は、二次電池１９４の電力を用いてエアコンプレッサ１３６、補機としての水素ポンプ１８４、ウォータポンプ１７４を起動することにより、燃料電池１０４を起動する。燃料電池１０４がすでに起動している場合には、ステップＳ３２は省略されてよい。ステップＳ３４では、制御装置４００は、燃料電池システム１０と、二次電池１９４との電気的な接続を遮断する遮断制御を実行する。ステップＳ３４における遮断制御では、第１実施形態にて説明したステップＳ４０での遮断制御とは異なり、二次電池ユニット１９０のシステムメインリレー１９５をオフにすることによって、燃料電池システム１０と二次電池１９４との電気的な接続を遮断する。この結果、二次電池ユニット１９０は、燃料電池システム１０との電気的な接続を遮断されるとともに、補機としての水素ポンプ１８４、ウォータポンプ１７４との電気的な接続を遮断される。制御装置４００は、さらに、二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ２をオフとしてもよい。
ステップＳ３６では、制御装置４００は、燃料電池１０４の発電を行う。具体的には、第１実施形態にて説明したステップＳ５０とは異なり、制御装置４００は、燃料電池１０４の発電電力を用いて、エアコンプレッサ１３６に加え、さらに補機としての水素ポンプ１８４、ウォータポンプ１７４を駆動して燃料電池１０４の発電を行う。ステップＳ３６を終えると、第１実施形態と同様にステップＳ５２を実行する。ステップＳ６０では、制御装置４００は、二次電池ユニット１９０のシステムメインリレー１９５をオンに切り替えて遮断制御を終了し、導通制御に移行して本フローを終了する。
本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御装置４００は、二次電池１９４の残容量が予め定められた閾値以下である場合に、二次電池１９４の電力を用いて燃料電池１０４を起動した後に、遮断制御を実行し、燃料電池１０４の発電電力を用いて、燃料電池１０４を発電させるための補機を駆動する。二次電池１９４のＳＯＣが低い場合には、燃料電池１０４の発電に用いられる補機の始動のみ二次電池１９４の電力が用いられ、その後の補機の駆動には二次電池１９４の電力は用いられない。したがって、遮断制御中の二次電池１９４の電力の消費を低減または抑制することができるとともに、二次電池１９４のＳＯＣが低い場合であっても、ユーザは、二次電池１９４の出力よりも高い出力を得ることができる。
Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）上記第１実施形態では、遮断制御の例として、二次電池昇圧コンバータ１４０のスイッチングトランジスタＴＲ２をオフにする例を示し、上記第２実施形態では、システムメインリレー１９５をオフにする例を示した。これに対して、例えば、二次電池ユニット１９０，分岐ユニット１６０，ＤＣ－ＤＣコンバータユニット１４０，インテリジェントパワーモジュールユニット１３０に他のスイッチング素子が設けられてもよく、他のスイッチング素子のオン・オフ制御によって、二次電池１９４と燃料電池システム１０との電気的な接続を遮断してもよい。また、スイッチング素子としては、トランジスタには限らず、ダイオード、サイリスタ、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ等の種々のスイッチング素子が用いられてよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池システム、１００…燃料電池ユニット、１０２Ｂ…高電圧配線、１０４…燃料電池、１０６…電圧センサ、１１０…燃料電池用昇圧コンバータユニット、１１２Ｂ，１１２Ｇ，１２２Ｂ，１２２Ｇ，１３２Ｂ，１３２Ｇ，１４２Ｂ，１４２Ｇ，１６２Ｂ，１６２Ｇ，１９２Ｂ，１９２Ｇ…高電圧配線、１１４Ｂ，１１４Ｇ…サービスプラグ、１２０…ＦＣリレーユニット、１３０…インテリジェントパワーモジュールユニット、１３３，１４３，１９６…電圧センサ、１３４…インバータ、１３５…エアコンプレッサユニット、１３６…エアコンプレッサ、１３７…駆動モータユニット、１３８…駆動モータ、１４０…ＤＣ－ＤＣコンバータユニット、１４４…放電機構、１５０…エアコンディショナユニット、１５２…インバータ、１５４…エアコンディショナ、１５６…降圧コンバータ、１５８…鉛蓄電池、１６０…分岐ユニット、１６４…ヒータ、１７０…ウォータポンプユニット、１７２…インバータ、１７４…ウォータポンプ、１８０…水素ポンプユニット、１８２…インバータ、１８４…水素ポンプ、１９０…二次電池ユニット、１９４…二次電池、１９５…システムメインリレー、１９８…電流センサ、４００…制御装置、Ｃ１～Ｃ３…平滑コンデンサ、ＣＮ１～ＣＮ１０…コネクタ、Ｄ１～Ｄ４…ダイオード、ＦＣＲＢ，ＦＣＲＧ…ＦＣリレー、ＦＣＲＰ…リレー、Ｆｚ…フューズ、Ｌ１，Ｌ２…リアクトル、Ｒ１，Ｒ２…抵抗器、ＳＭＲＢ，ＳＭＲＧ…システムメインリレー、ＳＭＲＰ…リレー、ＳＰ…サービスプラグ、ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３…スイッチングトランジスタ

Claims (5)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    入力側が前記燃料電池と接続されているＦＣ昇圧コンバータと、
    二次電池と、
    入力側が前記二次電池と接続され、出力側が前記ＦＣ昇圧コンバータの出力側と接続されている二次電池昇圧コンバータと、
    少なくとも前記ＦＣ昇圧コンバータおよび前記二次電池昇圧コンバータを動作させて前記燃料電池システムの動作を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記二次電池からの入力電圧を昇圧せずに出力するように前記二次電池昇圧コンバータを動作させる導通制御の実行時において、
    前記導通制御における前記二次電池の出力よりも大きい出力が要求される場合に、前記燃料電池システムと前記二次電池との電気的な接続を遮断する遮断制御を実行する、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記二次電池の残容量が予め定められた閾値以下である場合には、前記遮断制御を実行しない、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記遮断制御において、前記二次電池昇圧コンバータのスイッチング素子のオフ制御により、前記燃料電池システムと前記二次電池との電気的な接続を遮断する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、
    前記二次電池の残容量が予め定められた閾値以下である場合に、前記燃料電池の発電電力を用いて、前記燃料電池を発電させるための補機を駆動する、
    燃料電池システム。
  5. 燃料電池システムの制御方法であって、
    二次電池からの入力電圧を昇圧せずに出力するように二次電池昇圧コンバータを動作させる導通制御の実行時において、
    前記導通制御における前記二次電池の出力よりも大きい出力が要求される場合に、前記燃料電池システムと前記二次電池との電気的な接続を遮断し、
    燃料電池からの入力電圧をＦＣ昇圧コンバータによって昇圧する、
    燃料電池システムの制御方法。
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