JP2007335151A - 燃料電池車両の電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転制御により燃料電池の発電を休止している期間中におけるＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失を低減する。
【解決手段】燃料電池車両１０の電力制御装置は、燃料電池２０と、二次電池１５の出力電圧を昇圧又は降圧するためのＤＣ／ＤＣコンバータ６０と、燃料電池２０の出力端子とＤＣ／ＤＣコンバータ６０との接続を開閉制御するリレー１００と、燃料電池２０の運転を制御するコントローラ８０とを備える。コントローラ８０は、燃料電池２０の負荷が低負荷であると判定すると、燃料電池２０の発電運転を一時休止するとともに、リレー１００を制御してＤＣ／ＤＣコンバータ６０と燃料電池２０との接続を切り離し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の作動を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池を電力源として搭載する燃料電池車両の電力系統を制御する電力制御装置に関する。

燃料電池は、燃料ガス及び酸化ガスを電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車両の電力源としての用途が期待されている。

ところで、燃料電池を電力源として搭載する燃料電池車両では、発電効率のよい高出力領域では、燃料電池を発電させて、燃料電池と二次電池の両方又は燃料電池のみからトラクションモータに電力を供給する一方、発電効率の悪い低出力領域では、燃料電池の発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモータに電力を供給する運転制御を行っている。このように燃料電池の負荷の大きさに応じて燃料電池の発電と発電休止とを交互に繰り返す運転方法を間欠運転と称する。燃料電池の発電効率が低下する低負荷領域では、燃料電池の運転を一時停止する間欠運転を実施することで、燃料電池をエネルギー変換効率のよい範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。

特開２００４−３２７１０２号公報には、燃料電池を間欠運転するときにＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、二次電池の出力電圧を昇圧させることで、燃料電池の出力端子電圧を開放端電圧（ＯＣＶ）に維持することが開示されている。燃料電池の出力端子電圧を開放端電圧に維持することで、間欠運転中に燃料電池から電流が流出しないように制御できる。
特開２００４−３２７１０２号公報

しかし、間欠運転制御により燃料電池の発電を休止している期間中は、ＤＣ／ＤＣコンバータを常時作動させて二次電池の出力電圧を昇圧させているので、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失が無駄に生じている。

そこで、本発明は、間欠運転制御により燃料電池の発電を休止している期間中における電力変換手段による電力損失を低減することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池車両の電力制御装置は、燃料電池と、蓄電装置の出力電圧を昇圧又は降圧するための電圧変換手段と、燃料電池の出力端子と電圧変換手段との接続を開閉制御する開閉手段と、燃料電池の負荷が低負荷であるか否かを判定する低負荷判定手段と、低負荷判定手段により燃料電池の負荷が低負荷であると判定された場合に、燃料電池の発電運転を一時休止するとともに開閉制御手段を制御して電力変換手段と燃料電池との接続を切り離し、電圧変換手段の作動を停止させる制御手段と、を備える。

かかる構成によれば、燃料電池に要求される負荷が低負荷にあるときに、燃料電池の運転を一時休止させるとともに、電力変換手段と燃料電池との接続を切り離し、更に電圧変換手段の作動を停止させるので、発電休止期間中における燃料電池からの電流の流出を抑制しつつ、電圧変換手段による無駄な電力損失を低減できる。

本発明の好適な態様において、制御手段は、低負荷判定手段により燃料電池の負荷が低負荷でないと判定された場合に、燃料電池の発電運転を再開させるとともに、開閉制御手段を制御して電力変換手段と燃料電池とを再接続し、電圧変換手段の作動を再開させる。

例えば、低負荷判定手段は、アクセルオフ且つブレーキオンを検出したとき、又はシフトポジションが非走行レンジに位置していることを検出したときに、燃料電池の負荷が低負荷であると判定する。また例えば、低負荷判定手段は、ブレーキオンからブレーキオフを検出したとき、又はシフトポジションが非走行レンジから走行レンジに位置したことを検出したときに、燃料電池の負荷が低負荷でないと判定する。

本発明によれば、間欠運転制御により燃料電池の発電を休止している期間中における電力変換手段による電力損失を低減できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池車両１０の電力系統を制御する電力制御装置の主要構成を示している。燃料電池車両１０は、主に、燃料電池２０、トラクションインバータ３０、トラクションモータ４０、二次電池５０、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０、車両補機７０、コントローラ８０、センサ類９０、リレー１００を備える。

燃料電池２０は、固体高分子電解質を挟んで一対の電極（アノード極、カソード極）を配置してなる複数のセルを直列に接続してなるスタック構造を有する発電装置である。触媒反応によりアノード極で発生した水素イオンは、固体高分子電解質膜を通過してカソード極まで移動し、カソード極において酸化ガスと電気化学反応を起こして発電する。ＦＣ補機２１は、燃料電池２０のアノード極に燃料ガス（水素リッチな改質ガス）を供給するための燃料ガス供給系統（水素貯蔵タンク、水素遮断弁、水素供給圧調整レギュレータなど）と、燃料電池２０のカソード極に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統（エアコンプレッサなど）と、その他の補機類（燃料ガス及び酸化ガスを加湿するための加湿モジュール、燃料電池冷却装置など）を備える。燃料電池２０は、ＦＣ補機２１から燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けることにより、電気化学反応を利用して電気エネルギーを出力する。

トラクションモータ４０は、走行推進力を得るための電動モータであり、例えば、三相同期モータから構成されている。トラクションインバータ３０は、例えば、６個のパワートランジスタにより構成される３相ブリッジ回路を備えており、燃料電池２０又は二次電池５０から供給される直流電力をパワートランジスタのスイッチング動作によって交流電力（三相交流）に変換し、トラクションモータ４０に供給する。コントローラ８０は、トラクションインバータ３０の電力変換動作を制御する機能を有しており、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ３０に出力し、トラクションモータ４０の出力トルク及び回転数を制御する。

二次電池５０は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１０の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池５０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。尚、二次電池５０に替えて、キャパシタ（電気二重層コンデンサ、電解コンデンサなど）の蓄電装置をＤＣ／ＤＣコンバータ６０の１次側に接続してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池２０又は二次電池５０の出力電圧を昇圧又は降圧するための電圧変換手段である。ここでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０として、１２個のＩＧＢＴ素子Ｔｒ１〜Ｔｒ１２と、１２個のダイオード素子Ｄ１〜Ｄ１２と、３個のリアクトルＬ１〜Ｌ３と、２個の平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とを有する三相フルブリッジコンバータを例示しているが、他のＤＣ／ＤＣコンバータでもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の１次側には、二次電池５０が接続される一方、その２次側には、燃料電池２０、トラクションインバータ３０、及び車両補機７０がそれぞれ並列に接続されている。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、二次電池５０の出力電圧を昇圧又は降圧することにより、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池車両１０がトラクションモータ４０により力行走行するときには、二次電池５０の出力電圧を昇圧してトラクションインバータ３０に直流電力を供給する一方、燃料電池車両１０がトラクションモータ４０により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧して二次電池５０を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池２０の余剰発電力を蓄電するために燃料電池２０の出力電圧を降圧して二次電池５０を充電する機能も有する。

尚、燃料電池２０の出力端子には、リレー１００が設置されており、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ６０との接続を、コントローラ８０の制御により開閉制御できるように構成されている。リレー１００は、コントローラ８０の制御により燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ６０との接続を開閉制御するための開閉手段である。このような開閉手段としては、例えば、電磁リレーが好適である。

車両補機７０は、例えば、酸化ガスを加圧するためのコンプレッサモータ、加湿モジュールに純水を供給するためのポンプ駆動モータ、燃料電池２０を冷却するための冷却水ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータなどの各種補機類である。

コントローラ（ＥＣＵ）８０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）等を備える制御手段である。コントローラ８０は、センサ類９０から出力される各種信号等を基に、燃料電池車両１０を制御する。例えば、燃料電池車両１０の要求電力値が所定値以上の場合には、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、二次電池５０の出力電圧を燃料電池２０の端子電圧まで昇圧させ、燃料電池２０及び二次電池５０のそれぞれからトラクションモータ４０に電力を供給する。燃料電池車両１０の要求電力値が所定値未満の場合には、コントローラ８０は、ＦＣ補機２１を制御して、燃料電池２０への反応ガスの供給を停止し、発電運転を一時休止する一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御して、二次電池５０のみからトラクションモータ４０に電力を供給する。

センサ類９０として、ブレーキセンサ９１、アクセルセンサ９２、車速センサ９３、イグニッションスイッチ９４、インヒビタスイッチ９５などが装備されている。ブレーキセンサ９１は、ブレーキペダルの踏み込み量をコントローラ８０に出力する。アクセルセンサ９２は、アクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）をコントローラ８０に出力する。車速センサ９３は、燃料電池車両１０の走行速度をコントローラ８０に出力する。イグニッションスイッチ９４は、システム起動／停止信号をコントローラ８０に出力する。インヒビタスイッチ９５は、シフトポジションが走行レンジ（Ｄレンジ又はＲレンジ）に位置しているか、又は非走行レンジ（Ｐレンジ又はＮレンジ）に位置しているかを示す信号をコントローラ８０に出力する。

コントローラ８０は、センサ類９０から得られる各種信号を基に、燃料電池２０に要求される電力量が所定値以下であるか否か（つまり、燃料電池２０に要求される負荷が低負荷であるか否か）を判定する低負荷判定手段として機能する。コントローラ８０は、例えば、アクセルオフ且つブレーキオンのとき、又はシフトポジションが非走行レンジ（Ｐレンジ又はＮレンジ）に位置しているときに低負荷であると判定する。この他にも例えば、コントローラ８０は、車速が所定値以下（例えば４ｋｍ／ｈ以下）でブレーキペダルが踏まれており、且つシフトポジションが非走行レンジに位置しているときに低負荷であると判定してもよい。コントローラ８０は、上記以外にも各種の条件判定を行い、例えば、燃料電池車両１０がほぼ停止状態にあって燃料電池２０の発電運転を要しないと考えられる場合や、アイドル停止状態と考えられる場合に、燃料電池２０に要求される負荷が低負荷であると判定してもよい。

さて、コントローラ８０は、燃料電池２０に要求される負荷が低負荷であるものと判定すると、ＦＣ補機２１を制御して燃料電池２０の発電運転を一時休止するとともにリレー１００を開いて、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ６０との接続を切り離す。更に、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の作動を停止させる。これにより、発電休止期間中における燃料電池２０からの電流の流出を抑制しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０による無駄な電力損失を低減できる。

その後、コントローラ８０は、例えば、ブレーキオフ（又はアクセルオン）や、シフトポジションが走行レンジ（Ｄレンジ又はＲレンジ）に位置したことを検出することにより、燃料電池２０に要求される負荷が低負荷でないものと判定すると、ＦＣ補機２１を制御して燃料電池２０の発電運転を再開するとともに、リレー１００を閉じて、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ６０とを再接続する。更に、コントローラ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の作動を再開させる。

本実施形態によれば、燃料電池２０に要求される負荷が低負荷にあるときに、燃料電池２０の運転を一時休止させるとともに、リレー１００を開放し、更にＤＣ／ＤＣコンバータ６０の作動を停止させるので、発電休止期間中における燃料電池２０からの電流の流出を抑制しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０による無駄な電力損失を低減できる。

本実施形態に係る燃料電池車両の電力系統を制御する電力制御装置の主要構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池車両 ２０…燃料電池 ３０…トラクションインバータ ４０…トラクションモータ ５０…二次電池 ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ ７０…車両補機 ８０…コントローラ ９０…センサ類

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   蓄電装置の出力電圧を昇圧又は降圧するための電圧変換手段と、
   前記燃料電池の出力端子と前記電圧変換手段との接続を開閉制御する開閉手段と、
   前記燃料電池の負荷が低負荷であるか否かを判定する低負荷判定手段と、
   前記低負荷判定手段により前記燃料電池の負荷が低負荷であると判定された場合に、前記燃料電池の発電運転を一時休止するとともに前記開閉制御手段を制御して前記電力変換手段と前記燃料電池との接続を切り離し、前記電圧変換手段の作動を停止させる制御手段と、
   を備える燃料電池車両の電力制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池車両の電力制御装置であって、
   前記制御手段は、前記低負荷判定手段により前記燃料電池の負荷が低負荷でないと判定された場合に、前記燃料電池の発電運転を再開させるとともに、前記開閉制御手段を制御して前記電力変換手段と前記燃料電池とを再接続し、前記電圧変換手段の作動を再開させる、燃料電池車両の電力制御装置。
3. 請求項１に記載の燃料電池車両の電力制御装置であって、
   前記低負荷判定手段は、アクセルオフ且つブレーキオンを検出したとき、又はシフトポジションが非走行レンジに位置していることを検出したときに、前記燃料電池の負荷が低負荷であると判定する、燃料電池車両の電力制御装置。
4. 請求項２に記載の燃料電池車両の電力制御装置であって、
   前記低負荷判定手段は、ブレーキオンからブレーキオフを検出したとき、又はシフトポジションが非走行レンジから走行レンジに位置したことを検出したときに、前記燃料電池の負荷が低負荷でないと判定する、燃料電池車両の電力制御装置。

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