JP6508360B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
特開2014−68490号公報は、モータ駆動用バッテリと駆動モータとを接続するラインに燃料電池を接続した構成において、前記ラインに電圧変換器を介して低電圧バッテリを接続し、この低電圧バッテリを車両制御装置の電力供給源とする構成を開示している。また、車載用の燃料電池として、従来の固体高分子型燃料電池よりも変換効率の高い固体酸化物型燃料電池を用いることが提案されている。
しかし、固体酸化物型燃料電池の駆動には補機が必要となるが、燃料電池の起動制御時及び停止制御時は発電できないので、外部から補機用の電力を供給する必要がある。この場合、当該補機を前述の電圧変換器に接続する構成が考えられるが、電圧変換器に対する負担が増加する。
本発明は、モータ駆動用バッテリに電気的に接続する電圧変換器に対する負担を軽減しつつ燃料電池の自立運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一態様における燃料電池システムは、モータ駆動用バッテリに燃料電池が接続されるとともに第1電圧変換器を介して車両用補機が接続された燃料電池システムであって、前記第1電圧変換器に接続された燃料電池用補機と、前記燃料電池用補機と前記燃料電池とを接続する第2電圧変換器と、を備える。
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。
[本実施形態の燃料電池システムの構成]
図1は、本実施形態における燃料電池システム10の主要構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム10は、制御部84により全体が制御されるものである。そして、モータ駆動用バッテリ14と駆動モータ26(モータ駆動用インバータ24)とを接続する電力供給ライン12(例えば360V)に、燃料電池スタック52(燃料電池)等が接続ライン50を介して接続されたものである。また、電力供給ライン12に接続するDC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)と補機用バッテリ74とを接続する低電圧ライン72(例えば12V)に燃料電池用補機80等が接続されたものである。さらに、接続ライン50と低電圧ライン72とがDC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)により接続されたものである。
図1は、本実施形態における燃料電池システム10の主要構成を示すブロック図である。本実施形態の燃料電池システム10は、制御部84により全体が制御されるものである。そして、モータ駆動用バッテリ14と駆動モータ26(モータ駆動用インバータ24)とを接続する電力供給ライン12(例えば360V)に、燃料電池スタック52(燃料電池)等が接続ライン50を介して接続されたものである。また、電力供給ライン12に接続するDC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)と補機用バッテリ74とを接続する低電圧ライン72(例えば12V)に燃料電池用補機80等が接続されたものである。さらに、接続ライン50と低電圧ライン72とがDC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)により接続されたものである。
電力供給ライン12には、モータ駆動用バッテリ14、モータ駆動用インバータ24(駆動モータ26)、DC−DCコンバータ30、低速充電端子32、急速充電端子36、外部接続端子40、IRセンサ46、エアコンインバータ48が接続されている。
接続ライン50には、DC−DCコンバータ56(燃料電池スタック52)、DC−DCコンバータ58(コンプレッサー60、コンプレッサー用バッテリ62)、スイッチ66A(切替スイッチ)、スイッチ66B、抵抗素子70及びスイッチ66Cの直列回路からなる充電回路68、DC−DCコンバータ82が接続されている。
低電圧ライン72には、DC−DCコンバータ30、補機用バッテリ74、車両用補機78、燃料電池用補機80、DC−DCコンバータ82が接続されている。
モータ駆動用バッテリ14は、電力供給ライン12に接続された主電源16(例えば360V)と、主電源16のプラス極側に接続されたスイッチ22Cと、主電源16のマイナス極側に接続されたスイッチ22Dと、を有する。スイッチ22Cは、一方が主電源16のプラス極側に接続され、他方が電力供給ライン12のプラス極側に接続されている。スイッチ22Dは、一方が主電源16のマイナス極側に接続され、他方が電力供給ライン12のマイナス極側に接続されている。また、主電源16のプラス極側において、抵抗素子20Aとスイッチ22Aの直列回路である充電回路18Aがスイッチ22Cと並列に接続されている。さらに、抵抗素子20Bとスイッチ22Bとの直列回路である充電回路18Bがスイッチ22Cの電力供給ライン12側とスイッチ22Dの電力供給ライン12側とに接続されている。充電回路18A,18Bは、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に接続する際に一時的に使用してモータ駆動用インバータ24内のキャパシタ等に電荷を充電させるものであり、接続時の突入電流を回避してモータ駆動用バッテリ14やモータ駆動用インバータ24等の破損を回避する。
モータ駆動用インバータ24は、電力供給ライン12(プラス極側、マイナス極側)に接続され、モータ駆動用バッテリ14または燃料電池スタック52から供給される電力(直流電圧)を三相交流の電力に変換し、これを駆動モータ26に供給して駆動モータ26を回転させるものである。また、モータ駆動用インバータ24は、車両のブレーキ時に駆動モータ26が発生する回生電力を直流電圧の電力に変換してモータ駆動用バッテリ14に供給するものである。
燃料電池システム10を停止させる場合は、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12から遮断するが、このとき、モータ駆動用インバータ24が備えるキャパシタには電荷が蓄えられたままであるので、遮断後においても電力供給ライン12は高い電圧を維持している。しかし、漏電防止のため、電力供給ライン12の電圧を所定電圧(例えば60V)以下に低下させる必要がある。そこで、モータ駆動用インバータ24には、キャパシタが蓄えた電荷を放電して電力供給ライン12の電圧を降圧させるための放電回路28が取り付けられている。
DC−DCコンバータ30(第1電圧変換回路)は、電力供給ライン12に接続され、電力供給ライン12の直流電圧を降圧して直流の低電圧による電力を低電圧ライン72に供給するものである。
低速充電端子32は、例えば家庭用電源等の交流電圧の外部交流電源に接続してモータ駆動用バッテリ14を充電するものである。低速充電端子32は、交流電圧を電力供給ライン12に印加する直流電圧に変換する充電器34を介して電力供給ライン12に接続されている。また、低速充電端子32にはリミットスイッチ(不図示)が取り付けられ、低速充電端子32が外部交流電源に接続されると制御部84に検知信号を出力する。
急速充電端子36は、例えばガソリンスタンドと同様に設置され直流電圧を供給するスタンド等の外部直流電源に接続され、当該直流電圧を電力供給ライン12に出力してモータ駆動用バッテリ14を急速充電するものである。急速充電端子36は、スイッチ38A,38Bを介して電力供給ライン12に接続されている。また、急速充電端子36にもリミットスイッチ(不図示)が取り付けられ、急速充電端子36が外部直流電源に接続されると制御部84に検知信号を出力する。
外部接続端子40は、家庭用機器等の外部機器に接続され、モータ駆動用バッテリ14または燃料電池スタック52からの電力により外部機器を駆動させるものである。外部接続端子40は、外部接続インバータ42及びスイッチ44A,44Bを介して電力供給ライン12に接続されている。なお、外部接続端子40にもリミットスイッチ(不図示)が取り付けられ、外部接続端子40が外部機器に接続されるとリミットスイッチが制御部84に検知信号を出力する。
IRセンサ46は、電力供給ライン12のマイナス極側と車両のボディ(不図示)に接続され、両者の間に一定の電圧を印加して両者間の浮遊容量を測定するものである。この浮遊容量から電力供給ライン12のボディに対する絶縁抵抗を測定し、その大きさから電力供給ライン21の漏電の有無を判別することができる。
その他、電力供給ライン12には、車内のエアコン用のエアコンインバータ48等が接続されている。
燃料電池スタック52は、固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)であり、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層を、改質器により改質された燃料ガスが供給されるアノード(燃料極)と、酸化ガスとして酸素を含む空気が供給されるカソード(空気極)により挟み込んで得られるセルを積層したものである。燃料電池スタック52は、DC−DCコンバータ56を介して接続ライン50に接続される。なお、燃料電池スタック52には、燃料電池スタック52内の温度を測定する温度センサ54が取り付けられている。
DC−DCコンバータ56は、入力側が燃料電池スタック52に接続され、出力側(昇圧側)が接続ライン50に接続されている。DC−DCコンバータ56は、燃料電池スタック52の出力電圧(例えば60V,若しくはそれ以下の電圧)を電力供給ライン12の電圧に昇圧して接続ライン50に供給するものである。これにより、燃料電池スタック52から接続ライン50及び電力供給ライン12を介してモータ駆動用バッテリ14または駆動モータ26(モータ駆動用インバータ24)に電力が供給される。
DC−DCコンバータ58は、入力側が接続ライン50に接続され出力側(例えば42V)がコンプレッサー60に接続されている。DC−DCコンバータ58の降圧側にはコンプレッサー60とコンプレッサー用バッテリ62が並列に接続されている。コンプレッサー60は、燃料電池スタック52に対して酸化ガス(空気)等を供給するものである。なお、コンプレッサー用バッテリ62には、その充電量を測定する充電チェッカー64が接続されている。
スイッチ66A(切替スイッチ)は、接続ライン50のプラス極側に設けられ、一方が電力供給ライン12のプラス極側に接続し、他方がDC−DCコンバータ56等に接続されている。同様にスイッチ66Bは接続ライン50のマイナス極側に設けられ、一方が電力供給ライン12のマイナス極側に接続し、他方がDC−DCコンバータ56等に接続されている。スイッチ66A及びスイッチ66Bは、接続ライン50の遮断(OFF)及び接続(ON)の切り替えを行う。接続ライン50のプラス極側には、抵抗素子70とスイッチ66Cとの直列回路である充電回路68がスイッチ66Aと並列に接続されている。充電回路68は、モータ駆動用バッテリ14をDC−DCコンバータ56等に接続する際に一時的に使用されDC−DCコンバータ56等に付属するキャパシタに電荷を充電させるものであり、接続時の突入電流を回避してモータ駆動用バッテリ14及びDC−DCコンバータ56等の破損を回避する。
補機用バッテリ74は、モータ駆動用バッテリ14よりも低電圧な出力のバッテリである。補機用バッテリ74は、DC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)、DC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)からの電力供給により充電されるとともに、車両用補機78及び燃料電池用補機80に電力を供給するものである。また補機用バッテリ74には、その充電量を測定する充電チェッカー76が接続されている。
車両用補機78は、例えば、車両の照明やカーナビゲーションシステム等であって、駆動モータ26よりも電圧範囲が低く低電流な電力(小電力)によって作動する機器である。
燃料電池用補機80は、例えば燃料電池スタック52に燃料を供給する燃料供給部(ポンプ、インジェクタ)がある。また燃料電池用補機80としては、燃料ガスや酸化ガスを流通させる経路の開閉を行う弁(不図示)、起動制御中に燃料電池スタック52に供給する加熱用の燃焼ガスを生成する拡散燃焼器(不図示)、停止制御中に燃料電池スタック52にアノード極保護用の逆バイアスを印加する回路(不図示)等であって、前述同様に小電力で作動する機器である。
燃料電池スタック52の起動制御においては、拡散燃焼器等を用いて、起動用の燃料と空気を混合して燃焼させた燃焼ガスを生成し、これを酸化ガスの代わりに燃料電池スタック52に供給して燃料電池スタック52を発電に必要になる温度になるまで加熱する。
燃料電池スタック52の停止制御においては、酸化ガスを引き続き冷却ガスとして供給してアノードの酸化を回避できる温度にまで低下させ、その後燃料電池用補機80、コンプレッサー60を停止させる。その際、アノードの酸化を防止するために、使用後のアノードオフガスの経路にある弁を閉止して酸素の逆流を防止する制御や、燃料電池スタック52の極性とは逆の起電力を燃料電池スタック52に印加する制御を行う。また、他の停止制御として、燃料ガスの流量を低下させてコンプレッサー60や燃料電池用補機80を駆動できる程度の発電量を維持しながら燃料電池スタック52の温度を低下させていくという方法もある。よって、コンプレッサー60及び燃料電池用補機80は、燃料電池スタック52の起動制御時のみならず停止制御時においても使用するため、そのための電力が必要となる。
DC−DCコンバータ82(第2電圧変換回路)は、入力側が接続ライン50に接続され、出力側(降圧側)が低電圧ライン72に接続され、接続ライン50の電圧を降圧して低電圧ライン72に電力を供給するものである。また、DC−DCコンバータ82は、接続ライン50において、スイッチ66A,66B及び充電回路68よりも燃料電池スタック52側に接続されている。これにより、スイッチ66A,66Bが接続ライン50を遮断してもDC−DCコンバータ82は燃料電池スタック52からの電力を低電圧ライン72に供給することができる。なお、図示は省略するが、DC−DCコンバータ56、DC−DCコンバータ58、DC−DCコンバータ82の接続ライン50側にも放電回路(不図示)が取り付けられている。
制御部84は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、CPUを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム10を制御するための処理を実行する。その際、制御部84は、上記各構成要素を駆動・停止させるON・OFF制御を行うことができる。
[燃料電池システムの起動制御の手順]
本実施形態の燃料電池システム10の起動制御の手順を図2のフローチャートに従って説明する。初期状態において、スイッチ22A〜22D,38A,38B,44A,44B,66A〜66Cは全てOFFになっており、電力供給ライン12及び接続ライン50は所定の電圧(例えば60V)以下に降圧されている。また、モータ駆動用バッテリ14、補機用バッテリ74、コンプレッサー用バッテリ62は、それぞれ所定の充電量に達しているものとする。
本実施形態の燃料電池システム10の起動制御の手順を図2のフローチャートに従って説明する。初期状態において、スイッチ22A〜22D,38A,38B,44A,44B,66A〜66Cは全てOFFになっており、電力供給ライン12及び接続ライン50は所定の電圧(例えば60V)以下に降圧されている。また、モータ駆動用バッテリ14、補機用バッテリ74、コンプレッサー用バッテリ62は、それぞれ所定の充電量に達しているものとする。
システムが起動制御を開始すると、ステップS101において、制御部84は、燃料電池用補機80及びコンプレッサー60をONにし、燃料電池スタック52に対する起動制御を開始する。その際、燃料電池用補機80は、補機用バッテリ74からの電力により駆動し、コンプレッサー60は、コンプレッサー用バッテリ62からの電力により駆動する。これにより、燃料電池スタック52には発電に必要な温度に到達するまで燃料電池スタック52の起動制御が行われる。
ステップS102において、制御部84は、スイッチ22A、スイッチ22DをONにしてモータ駆動用バッテリ14を、充電回路18A,18Bを介して電力供給ライン12に接続し、電力供給ライン12、モータ駆動用インバータ24、DC−DCコンバータ30、エアコンインバータ48に所定の電圧(例えば360V)を印加する。このとき、制御部84は、スイッチ22BもONにして電力供給ライン12に並列に接続した充電回路18Bにも電圧を印加する。また、ステップS102の所定時間後に、ステップS103において、制御部84は、スイッチ22CをONにし、その後スイッチ22AをOFFにし、充電回路18Aを遮断してモータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に直接接続する。このとき、制御部84は、スイッチ22BもOFFにして充電回路18Bを遮断する。これにより、ドライバーのアクセル操作に基づいて駆動モータ26を任意の回転速度で回転させることができる。
ステップS104において、制御部84は、DC−DCコンバータ30をONにし、低電圧ライン72に所定の電圧(例えば12V)を印加する。これにより、車両用補機78及び燃料電池用補機80は、補機用バッテリ74及びDC−DCコンバータ30から電力供給を受けて駆動することができる。このとき、補機用バッテリ74は、DC−DCコンバータ30により充電される。また、このとき、制御部84は、エアコンインバータ48をONにし、車内用のエアコンを使用可能な状態にする。
ステップS105において、制御部84は、スイッチ66B、スイッチ66CをONにし、充電回路68を介して接続ライン50(DC−DCコンバータ56等)に所定の電圧を印加する。そしてステップS105の所定時間後、ステップS106において、制御部84は、スイッチ66AをONにし、その後スイッチ66CをOFFにして、充電回路68を遮断して電力供給ライン12と接続ライン50(DC−DCコンバータ56等)を直接接続する。
ステップS107において、制御部84は、温度センサ54が測定する温度により、燃料電池スタック52が発電に必要な作動温度に到達したか否か判断する。燃料電池スタック52が作動温度に到達したのち、ステップS108において、制御部84は、燃料電池スタック52に対する起動制御を終了し、燃料電池スタック52に燃料ガス(改質ガス)と酸化ガスを供給して電気化学反応により発電させる。
ステップS109において、制御部84は、DC−DCコンバータ56、DC−DCコンバータ58、DC−DCコンバータ82をONにする。これにより、燃料電池スタック52は、発電した電力をDC−DCコンバータ56を介して電力供給ライン12に供給し、DC−DCコンバータ56及びDC−DCコンバータ82を介して低電圧ライン72に供給するようになる。また、燃料電池スタック52は、発電した電力をDC−DCコンバータ56及びDC−DCコンバータ58を介してコンプレッサー60及びコンプレッサー用バッテリ62に供給する。以上より、燃料電池システム10の起動制御が終了する。
[燃料電池システムの通常発電時の動作]
駆動モータ26は、モータ駆動用バッテリ14及び燃料電池スタック52から電力供給を受け、ドライバーのアクセル操作により任意の回転数で回転している。また、駆動モータ26は、ブレーキ時に回生電力を発生させるが、これがモータ駆動用インバータ24を介してモータ駆動用バッテリ14に充電される。また、モータ駆動用バッテリ14は、一定の充電量以下になったら燃料電池スタック52からの電力供給により充電される。補機用バッテリ74は、DC−DCコンバータ30及びDC−DCコンバータ82からの電力供給により充電され、また車両用補機78及び燃料電池用補機80に電力供給する。さらに、車両用補機78及び燃料電池用補機80は、DC−DCコンバータ30、DC−DCコンバータ82、補機用バッテリ74からの電力供給により駆動することができる。コンプレッサー60は、コンプレッサー用バッテリ62及びDC−DCコンバータ58から電力供給を受けて駆動され、コンプレッサー用バッテリ62はDC−DCコンバータ58からの電力供給を受けて充電される。このように、通常発電時において、制御部84は、DC−DCコンバータ30とDC−DCコンバータ82を協調制御している。これにより、モータ駆動用バッテリ14から電力を供給し、かつ燃料電池スタック52が運転している状況で、燃料電池スタック52から前述の燃料供給部(ポンプ、インジェクタ)に電力を供給するので、DC−DCコンバータ30の負荷を減らしつつ、燃料電池スタック52への燃料の供給を維持することができる。
駆動モータ26は、モータ駆動用バッテリ14及び燃料電池スタック52から電力供給を受け、ドライバーのアクセル操作により任意の回転数で回転している。また、駆動モータ26は、ブレーキ時に回生電力を発生させるが、これがモータ駆動用インバータ24を介してモータ駆動用バッテリ14に充電される。また、モータ駆動用バッテリ14は、一定の充電量以下になったら燃料電池スタック52からの電力供給により充電される。補機用バッテリ74は、DC−DCコンバータ30及びDC−DCコンバータ82からの電力供給により充電され、また車両用補機78及び燃料電池用補機80に電力供給する。さらに、車両用補機78及び燃料電池用補機80は、DC−DCコンバータ30、DC−DCコンバータ82、補機用バッテリ74からの電力供給により駆動することができる。コンプレッサー60は、コンプレッサー用バッテリ62及びDC−DCコンバータ58から電力供給を受けて駆動され、コンプレッサー用バッテリ62はDC−DCコンバータ58からの電力供給を受けて充電される。このように、通常発電時において、制御部84は、DC−DCコンバータ30とDC−DCコンバータ82を協調制御している。これにより、モータ駆動用バッテリ14から電力を供給し、かつ燃料電池スタック52が運転している状況で、燃料電池スタック52から前述の燃料供給部(ポンプ、インジェクタ)に電力を供給するので、DC−DCコンバータ30の負荷を減らしつつ、燃料電池スタック52への燃料の供給を維持することができる。
[燃料電池システムの停止制御の手順]
本実施形態の燃料電池システム10の停止制御の手順を図3に示すフローチャートに従って説明する。ステップS201において、制御部84は、スイッチ22C、スイッチ22DをOFFにして、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12から遮断し、スイッチ66A、スイッチ66BをOFFにして接続ライン50を電力供給ライン12から遮断する。これにより、モータ駆動用インバータ24及びDC−DCコンバータ30に対する電力供給は停止する。また、これと同時にモータ駆動用インバータ24、DC−DCコンバータ30、エアコンインバータ48をOFFにする。このとき、低電圧ライン72において、DC−DCコンバータ30からの電力供給は停止するが、DC−DCコンバータ82を介して燃料電池スタック52からの電力供給は維持される。
本実施形態の燃料電池システム10の停止制御の手順を図3に示すフローチャートに従って説明する。ステップS201において、制御部84は、スイッチ22C、スイッチ22DをOFFにして、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12から遮断し、スイッチ66A、スイッチ66BをOFFにして接続ライン50を電力供給ライン12から遮断する。これにより、モータ駆動用インバータ24及びDC−DCコンバータ30に対する電力供給は停止する。また、これと同時にモータ駆動用インバータ24、DC−DCコンバータ30、エアコンインバータ48をOFFにする。このとき、低電圧ライン72において、DC−DCコンバータ30からの電力供給は停止するが、DC−DCコンバータ82を介して燃料電池スタック52からの電力供給は維持される。
ステップS202において、制御部84は、放電回路28をONにし、電力供給ライン12の電圧を所定電圧(例えば60V)以下に降圧させその後放電回路28をOFFにする。その際、すでにスイッチ66A、スイッチ66BがOFFになっているので、DC−DCコンバータ56、DC−DCコンバータ58、DC−DCコンバータ82が保持する電荷が放電回路28に流れ込むことはない。
ステップS203において、制御部84は、燃料電池スタック52に対する停止制御を行う。停止制御としては、前述のように燃料ガスの供給を停止して燃料電池スタック52の発電を停止させて燃料電池スタック52の冷却を行う場合や、燃料ガスの供給を最小限にして燃料電池スタック52がコンプレッサー60や燃料電池用補機80を駆動できる程度、さらには補機用バッテリ74に対する充電が可能な程度の発電を行いながら燃料電池スタック52の冷却を行う場合がある。燃料電池スタック52に発電を継続させる場合は、燃料電池スタック52が発電した電力が引き続き、DC−DCコンバータ58を介してコンプレッサー60に供給され、DC−DCコンバータ82を介して燃料電池用補機80に供給され、さらには補機用バッテリ74にも供給される。
ステップS204において、制御部84は、温度センサ54が測定する温度により、アノードが酸化しない所定温度にまで燃料電池スタック52の温度が低下したか否か判断する。ステップS205において、制御部84は、充電チェッカー76が測定する補機用バッテリ74の充電量、及び充電チェッカー64が測定するコンプレッサー用バッテリ62の充電量がそれぞれ所定量に到達しているか否か判断する。
ステップS206において、制御部84は、燃料電池スタック52が所定温度にまで低下したこと、補機用バッテリ74及びコンプレッサー用バッテリ62が所定の充電量に達していることを条件に燃料電池用補機80及びコンプレッサー60をOFFにして、燃料電池スタック52の停止制御を終了する。
ステップS207において、制御部84は、DC−DCコンバータ56、DC−DCコンバータ58、DC−DCコンバータ82をOFFにするとともに、これらの放電回路(不図示)をONにし、接続ライン50を所定の電圧(例えば60V)以下に降圧させ、その後放電回路をOFFにする。以上より、燃料電池システム10の停止制御が終了する。なお、ステップS202とステップS203は順番が逆でもよいし、同時に行ってもよい。
[燃料電池システムの低速充電制御の手順]
本実施形態の燃料電池システム10の低速充電制御の手順を図4に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップS301において、低速充電端子32が外部交流電源に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS302において、制御部84は、検知信号が入力されると、充電器34、スイッチ22C、スイッチ22DをONにする。これにより、電力供給ライン12が所定の電圧(例えば360V)に昇圧され、モータ駆動用バッテリ14が外部交流電源の電力供給により充電される。このとき、制御部84は、DC−DCコンバータ30をONにして補機用バッテリ74を充電してもよい。
本実施形態の燃料電池システム10の低速充電制御の手順を図4に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップS301において、低速充電端子32が外部交流電源に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS302において、制御部84は、検知信号が入力されると、充電器34、スイッチ22C、スイッチ22DをONにする。これにより、電力供給ライン12が所定の電圧(例えば360V)に昇圧され、モータ駆動用バッテリ14が外部交流電源の電力供給により充電される。このとき、制御部84は、DC−DCコンバータ30をONにして補機用バッテリ74を充電してもよい。
ステップS303において、検知信号が途絶える、すなわち低速充電端子32が外部交流電源から遮断されると、ステップS304において、制御部84は、充電器34、スイッチ22C、スイッチ22DをOFFにする。ステップS305において、制御部84は、放電回路28をONにして電力供給ライン12を所定の電圧(例えば60V)以下に低下させその後放電回路28をOFFにする。
[燃料電池システムの急速充電制御の手順]
本実施形態の燃料電池システム10の急速充電制御の手順を図5に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップS401において、急速充電端子36が外部直流電源に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS402において、制御部84は、検知信号が入力されると、IRセンサ46をONにして、電力供給ライン12とボディ(不図示)との間の絶縁抵抗の値の計測を開始する。
本実施形態の燃料電池システム10の急速充電制御の手順を図5に示すフローチャートに従って説明する。初期状態は、前述の起動制御時の初期状態と同様である。ステップS401において、急速充電端子36が外部直流電源に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS402において、制御部84は、検知信号が入力されると、IRセンサ46をONにして、電力供給ライン12とボディ(不図示)との間の絶縁抵抗の値の計測を開始する。
ステップS403において、制御部84は、前述の絶縁抵抗が所定の値以上になっているか否か判断する。ステップS404において、前述の絶縁抵抗が所定の値以上である場合に、制御部84は、スイッチ38A,38B、スイッチ22C,22DをONにする。これにより、急速充電端子36が電力供給ライン12に接続されて電力供給ライン12が所定の電圧(例えば360V)に昇圧され、モータ駆動用バッテリ14(及びモータ駆動用インバータ24等)が外部直流電源により急速充電される。このとき、制御部84はDC−DCコンバータ30をONにして補機用バッテリ74を充電してもよい。また、制御部84はIRセンサ46をOFFにし、前述の絶縁抵抗の値の計測を終了する。
ステップS405において、検知信号が途絶える、すなわち急速充電端子36が外部直流電源から遮断されると、ステップS406において、制御部84は、スイッチ22C,22D、スイッチ38A,38BをOFFにして、電力供給ライン12からモータ駆動用バッテリ14及び急速充電端子36を遮断する。ステップS407において、制御部84は、放電回路28をONにして電力供給ライン12を所定の電圧(例えば60V)以下に低下させその後放電回路28をOFFにする。
[燃料電池システムの通常発電時における外部機器接続制御の手順]
本実施形態の燃料電池システム10の通常発電時における外部機器接続制御の手順を図6に示すフローチャートに従って説明する。ステップS501において、外部接続端子40が外部機器に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS502において、制御部84は、外部接続インバータ42、スイッチ44A,44BをONにし、外部接続端子40を電力供給ライン12に接続する。これにより、外部機器をモータ駆動用バッテリ14または燃料電池スタック52からの電力により駆動することができる。
本実施形態の燃料電池システム10の通常発電時における外部機器接続制御の手順を図6に示すフローチャートに従って説明する。ステップS501において、外部接続端子40が外部機器に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS502において、制御部84は、外部接続インバータ42、スイッチ44A,44BをONにし、外部接続端子40を電力供給ライン12に接続する。これにより、外部機器をモータ駆動用バッテリ14または燃料電池スタック52からの電力により駆動することができる。
ステップS503において、検知信号が途絶える、すなわち外部接続端子40が外部機器から遮断されると、ステップS504において、制御部84は、外部接続インバータ42、スイッチ44A,44BをOFFにし、外部接続端子40を電力供給ライン12から遮断する。なお、上記手順は、低速充電時及び急速充電時においても可能である。低速充電時においては、モータ駆動用バッテリ14または外部交流電源からの電力により外部機器を駆動できる。急速充電時においては、モータ駆動用バッテリ14または外部直流電源からの電力により外部機器を駆動できる。
[燃料電池システムの車両停止時における外部機器接続制御の動作]
本実施形態の燃料電池システム10の車両停止時における外部機器接続制御の手順を図7に示すフローチャートに従って説明する。ステップS601において、外部接続端子40が外部機器に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS602において、制御部84は、スイッチ22A、スイッチ22DをONにし、充電回路18Aを介してモータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に接続し、電力供給ライン12(及びモータ駆動用インバータ24等)に所定の電圧(例えば360V)を印加する。このとき、制御部84は、スイッチ22BもONにし、充電回路18Bを導通させる。また、ステップS602の所定時間後に、ステップS603として、制御部84は、スイッチ22CをONにし、その後スイッチ22AをOFFにし、充電回路18Aを遮断してモータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に直接接続する。このとき、制御部84はスイッチ22BもOFFにし、充電回路18Bを遮断する。
本実施形態の燃料電池システム10の車両停止時における外部機器接続制御の手順を図7に示すフローチャートに従って説明する。ステップS601において、外部接続端子40が外部機器に接続されるとリミットスイッチ(不図示)が検知信号を制御部84に出力する。ステップS602において、制御部84は、スイッチ22A、スイッチ22DをONにし、充電回路18Aを介してモータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に接続し、電力供給ライン12(及びモータ駆動用インバータ24等)に所定の電圧(例えば360V)を印加する。このとき、制御部84は、スイッチ22BもONにし、充電回路18Bを導通させる。また、ステップS602の所定時間後に、ステップS603として、制御部84は、スイッチ22CをONにし、その後スイッチ22AをOFFにし、充電回路18Aを遮断してモータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に直接接続する。このとき、制御部84はスイッチ22BもOFFにし、充電回路18Bを遮断する。
ステップS604において、制御部84は、外部接続インバータ42、スイッチ44A,44BをONにし、外部接続端子40を電力供給ライン12に接続する。これにより、外部機器はモータ駆動用バッテリ14からの電力により駆動することができる。ステップS605において、検知信号が途絶える、すなわち外部接続端子40が外部機器から遮断されると、制御部84は、ステップS606において、外部接続インバータ42、スイッチ44A,44B、スイッチ22C,22DをOFFにし、電力供給ライン12からモータ駆動用バッテリ14及び外部接続端子40を遮断する。ステップS607において、制御部84は、放電回路28をONにして電力供給ライン12を所定の電圧(例えば60V)以下に降圧させ、その後放電回路28をOFFにする。
[本実施形態の燃料電池システムの効果]
本実施形態に係る燃料電池システム10によれば、燃料電池用補機80は、車両用補機78に電力を供給するDC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)と、燃料電池スタック52に接続したDC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)と、に接続され、それぞれから電力供給を受けることができる。よって、DC−DCコンバータ30の負担を軽減することができ、DC−DCコンバータ30の電力容量を小さく設計することができる。
本実施形態に係る燃料電池システム10によれば、燃料電池用補機80は、車両用補機78に電力を供給するDC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)と、燃料電池スタック52に接続したDC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)と、に接続され、それぞれから電力供給を受けることができる。よって、DC−DCコンバータ30の負担を軽減することができ、DC−DCコンバータ30の電力容量を小さく設計することができる。
燃料電池スタック52の停止制御としては、燃料ガスの供給を最小限にして燃料電池スタック52がコンプレッサー60や燃料電池用補機80を駆動できる程度の発電を行いながら燃料電池スタック52の冷却を行う場合がある。このような場合であっても、DC−DCコンバータ56、82を介して燃料電池用補機80に電力を供給することができ、またDC−DCコンバータ56,58を介してコンプレッサー60に電力を供給することができるので、燃料電池スタック52の自立運転が可能となる。
燃料電池用補機80は、車両用補機78に電力を供給する補機用バッテリ74からも電力供給を受けることができる。しかし、補機用バッテリ74もDC−DCコンバータ30(第1電圧変換器)及びDC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)に接続され、それぞれから電力供給を受けることができる。よって、補機用バッテリ74の充電を容易に補うことができる。
制御部84は、燃料電池スタック52の停止制御の際に、DC−DCコンバータ82(第2電圧変換器)を介して充電される補機用バッテリ74が所定の充電量に達したときに燃料電池用補機80の駆動を停止させる制御を行っている。これにより、次の起動時において車両用補機78及び燃料電池用補機80を確実に作動させるための補機用バッテリ74の充電量を確保できる。
制御部84は、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12から遮断する際に接続ライン50を遮断する制御をスイッチ66A(切替スイッチ),66Bに行っている。これにより、DC−DCコンバータ56、DC−DCコンバータ58、DC−DCコンバータ82が有する電荷(接続ライン50が有する電荷)がモータ駆動用インバータ24(駆動モータ26)に流れ込むことを回避し、モータ駆動用インバータ24に接続する放電回路28が過大電流で破損することを回避することができる。
また、モータ駆動用バッテリ14の遮断後においても、燃料電池スタック52からDC−DCコンバータ82への接続、及びDC−DCコンバータ58への接続は維持される。よって、モータ駆動用バッテリ14の遮断後であっても燃料電池用補機80及びコンプレッサー60に燃料電池スタック52から電力を供給することができ、たとえ補機用バッテリ74の電力が枯渇しても燃料電池スタック52の自立運転が可能となる。さらに、燃料電池スタック52が、停止制御中において、燃料電池用補機80及びコンプレッサー60への電力の供給のみならず、補機用バッテリ74を充電できる程度に発電している場合は、燃料電池用補機80用の電力を補機用バッテリ74で賄うことができるので、次の停止処理に必要な電力をコンプレッサー用バッテリ62に頼らず確実に賄うことができる。
制御部84は、モータ駆動用バッテリ14を電力供給ライン12に接続する際に、充電回路68を導通させ、所定時間後にスイッチ66A(切替スイッチ)を導通させる制御を行っている。これにより、接続ライン50に対する突入電流を回避し、接続ライン50に接続するDC−DCコンバータ56等の構成要素及びモータ駆動用バッテリ14の破損を防止することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
本願は、2015年12月15日に日本国特許庁に出願された特願2015−243837に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
Claims (5)
- モータ駆動用バッテリに燃料電池が接続されるとともに第1電圧変換器を介して車両用補機が接続された燃料電池システムであって、
前記第1電圧変換器に接続された燃料電池用補機と、
前記燃料電池用補機と前記燃料電池とを接続する第2電圧変換器と、
を備え、
前記燃料電池用補機には、前記第1電圧変換器と前記第2電圧変換器が並列に接続されてい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であって、
前記第1電圧変換器に接続され前記モータ駆動用バッテリよりも低電圧な補機用バッテリをさらに含み、
前記燃料電池用補機及び前記第2電圧変換器は、前記補機用バッテリに接続されてい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であって、
前記燃料電池の停止制御の際に、前記補機用バッテリが所定の充電量に達するまで前記燃料電池の発電を継続する燃料電池システム。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池用補機は、前記燃料電池へ燃料を供給する燃料供給部である燃料電池システム。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記モータ駆動用バッテリと駆動モータとを接続する電力供給ラインに接続され、
前記燃料電池を前記電力供給ラインに接続する接続ラインの遮断及び導通の切り替えを行う切替スイッチと、
前記切替スイッチを制御する制御部と、をさらに含み、
前記第2電圧変換器は、
前記接続ラインにおいて前記切替スイッチよりも前記燃料電池側に接続され、
前記制御部は、
前記モータ駆動用バッテリを前記電力供給ラインから遮断する制御を行う際に前記接続ラインを遮断する制御を前記切替スイッチに行う燃料電池システム。
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