(57)【要約】  ＦＣコンバータの動作不良を検出する。目標電圧決定部８１は、燃料電池２の出力目標電圧を決定し、重畳信号生成部８２は、出力目標電圧に対して重畳する所定の基準信号を生成し、電圧指令信号生成部８３は、出力目標電圧に基準信号を重畳して電圧指令信号を生成し、周波数特性算出部８４は、燃料電池２の出力電圧に重畳されている基準信号成分の周波数特性を算出し、動作不良判定部８５は、算出された周波数特性が、基準特性に基づいて設定された許容範囲の下限閾値未満である場合に、ＦＣコンバータ３が動作不良であると判定し、ゲイン調節部８６は、周波数特性算出部８４によって算出される周波数特性が基準特性に合致するように、ＦＣコンバータ３におけるゲインを調節する。
2010143250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記燃料電池または前記蓄電部と前記電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、
前記燃料電池の出力目標信号に所定の基準信号を重畳して出力指令信号を生成する信号生成手段と、
前記信号生成手段によって生成された前記出力指令信号に従って前記燃料電池から出力された出力信号に含まれる前記基準信号成分の周波数特性を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された前記周波数特性が、前記基準信号の周波数特性である基準特性に基づいて設けられた許容範囲の下限閾値未満である場合に、前記電圧変換部が動作不良であると判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記算出手段によって算出された前記周波数特性が前記基準特性に合致するように、前記電圧変換部における利得を調節する調節手段を、さらに備えることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記周波数特性および前記基準特性は、振幅特性および／または位相特性であることを特徴とする請求項1または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記出力信号は、燃料電池の出力電圧を示す信号および／または燃料電池の出力電流を示す信号であ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。
【請求項５】
前記基準信号は、正弦波であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、電圧変換部であるＤＣ−ＤＣコンバータを使用して燃料電池の出力電圧に正弦波を重畳し、正弦波変動する電力変化を検出して交流インピーダンスを測定する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、ＤＣ−ＤＣコンバータが異常を示した場合に、インバータの出力電流を変化させて燃料電池の出力電圧に正弦波を重畳する方法に切り換える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５３１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１には、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作不良を検出する手段についてまでは開示されていない。【０００５】
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、電圧変換部の動作不良を検出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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、前記燃料電池または前記蓄電部と前記電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、前記燃料電池の出力目標信号に所定の基準信号を重畳して出力指令信号を生成する信号生成手段と、前記信号生成手段によって生成された前記出力指令信号に従って前記燃料電池から出力された出力信号に含まれる前記基準信号成分の周波数特性を算出する算出手段と、前記算出手段によって算出された前記周波数特性が、前記基準信号の周波数特性である基準特性に基づいて設けられた許容範囲の下限閾値未満である場合に、前記電圧変換部が動作不良であると判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。【０００７】
この発明によれば、燃料電池の出力目標信号に所定の基準信号を重畳することで、燃料電池から出力される出力信号に基準信号成分を含ませることができ、この基準信号成分に基づいて算出された周波数特性が、基準信号の周波数特性である基準特性に基づいて設けられた許容範囲の下限閾値よりも低下している場合には、特性劣化の要因が電圧変換部の動作不良にあると判定することができる。【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、上記算出手段によって算出された前記周波数特性が前記基準特性に合致するように、前記電圧変換部における利得を調節する調節手段を、さらに備えることとしてもよい。【０００９】
このようにすることで、電圧変換部を構成する部品の設計誤差や経時変化等の不確定な変動に対してシステム特性を最適な状態に維持させる能力、いわゆるロバスト性を向上させることが可能となる。【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、上記周波数特性および前記基準特性は、振幅特性および／または位相特性であることとしてもよい。また、上記燃料電池システムにおいて、上記出力信号は、燃料電池の出力電圧を示す信号および／または燃料電池の出力電流を示す信号であることとしてもよい。【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、上記基準信号は、正弦波であることとしてもよい。これにより、燃料電池システムにおける他の制御に影響を与えることがない信号を重畳させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電圧変換部の動作不良を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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。
【図２】実施形態におけるＦＣコンバータ動作不良判定処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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および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と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ３（電圧変換部、以下「ＦＣコンバータ」という。）と、二次電池としてのバッテリ４（蓄電部）と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５（電圧変換部、以下「Ｂａｔコンバータ」という。）と、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）と、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。燃料電池２およびＦＣコンバータ３の組と、バッテリ４およびＢａｔ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。
【００１７】
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。
【００１８】
ＦＣ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Ｖおよび燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡが設けられている。
【００１９】
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。
【００２０】
Ｂａｔコンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から入力される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に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ７側から入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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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Ｖや電流センサＡ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。
【００２４】
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。以下において、制御部８で実行される各種制御処理のうち、本実施形態に特有の処理であるＦＣコンバータ動作不良判定処理について説明する。
【００２５】
制御部８は、機能的には、目標電圧決定部８１と、重畳信号生成部８２と、電圧指令信号生成部８３と、周波数特性算出部８４（算出手段）と、動作不良判定部８５（判定手段）と、ゲイン調節部８６（調節手段）と、を有する。目標電圧決定部８１、重畳信号生成部８２および電圧指令信号生成部８３により信号生成手段が構成される。
【００２６】
目標電圧決定部８１は、アクセルペダルセンサ（不図示）等から入力される各センサ信号に基づいて燃料電池２の出力目標電圧を決定し、この出力目標電圧を電圧指令信号生成部８３に出力する。
【００２７】
重畳信号生成部８２は、出力目標電圧に対して重畳する所定の基準信号を生成し、この基準信号を電圧指令信号生成部８３に出力する。所定の基準信号としては、燃料電池システム１における他の制御に影響を与えることがない信号を用いることができる。具体的には、例えば、振幅値が数Ｖとなる特定周波数の正弦波信号が該当する。なお、基準信号の振幅値は、重畳信号振幅制御部（不図示）によって適宜変更することができる。また、出力目標電圧や基準信号の各パラメータ（波形の種類、周波数、振幅値）は、システム設計などに応じて適宜設定することができる。
【００２８】
電圧指令信号生成部８３は、出力目標電圧に基準信号を重畳し、電圧指令信号としてＦＣコンバータ３に出力する。ＦＣコンバータ３は、この電圧指令信号に従って燃料電池２の電圧制御を行う。
【００２９】
周波数特性算出部８４は、燃料電池２の出力電圧に重畳されている基準信号成分の周波数特性を算出する。周波数特性には、振幅特性と位相特性とが含まれる。周波数特性は、公知の周波数特性解析手法を用いて算出することができる。なお、周波数特性として、振幅特性および位相特性のうち、いずれか一方を採用することとしてもよい。
【００３０】
動作不良判定部８５は、周波数特性算出部８４によって算出された周波数特性が、基準信号の周波数特性である基準特性に基づいて設けられた許容範囲の下限閾値未満である場合に、ＦＣコンバータ３が動作不良であると判定する。上記許容範囲としては、例えば、ＦＣコンバータ３が良好であるときに、燃料電池２から出力される基準信号成分の振幅や位相が取り得る範囲を設定することができる。
【００３１】
具体的に、動作不良判定部８５は、例えば、算出された周波数特性に含まれる振幅が、基準信号の振幅に対応する許容範囲の下限閾値よりも小さい場合や、算出された周波数特性に含まれる位相が、基準信号の位相に対応する許容範囲の下限閾値よりも遅い場合に、ＦＣコンバータ３が動作不良であると判定する。なお、基準特性および許容範囲は、実験等により求められ、予めメモリに格納される。
【００３２】
動作不良判定部８５は、ＦＣコンバータ３が動作不良であると判定した場合に、動作不良であることを示す警告ランプを表示パネル上に点灯させる。なお、動作不良であることを運転者等に報知する方法は、これに限定されず、例えば、警告メッセージを表示画面上に表示させることとしてもよいし、警告音をスピーカから出力させることとしてもよい。
【００３３】
ゲイン調節部８６は、周波数特性算出部８４によって算出された周波数特性が、基準特性に合致するように、ＦＣコンバータ３におけるゲイン（利得）を調節する。これにより、ＦＣコンバータ３を構成する部品の設計誤差や経時変化等の不確定な変動に対してシステム特性を最適な状態に維持させる能力、いわゆるロバスト性を向上させることが可能となる。
【００３４】
次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態におけるＦＣコンバータ動作不良判定処理の流れについて説明する。このＦＣコンバータ動作不良判定処理は、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。
【００３５】
最初に、制御部８の目標電圧決定部８１は、アクセルペダルセンサ等から入力される各センサ信号に基づいて燃料電池２の出力目標電圧を決定する（ステップＳ１０１）。
【００３６】
続いて、制御部８の重畳信号生成部８２は、出力目標電圧に対して重畳する所定の基準信号を生成する（ステップＳ１０２）。
【００３７】
続いて、制御部８の電圧指令信号生成部８３は、出力目標電圧に基準信号を重畳して電圧指令信号を生成する（ステップＳ１０３）。ＦＣコンバータ３は、この電圧指令信号に従って燃料電池２の電圧制御を行う。
【００３８】
続いて、制御部８の周波数特性算出部８４は、燃料電池２の出力電圧に重畳されている基準信号成分の周波数特性を算出する（ステップＳ１０４）。
【００３９】
続いて、制御部８の動作不良判定部８５は、上記ステップＳ１０４で算出された周波数特性が、メモリに格納されている基準特性に基づいて設定された許容範囲の下限閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）に、制御部８は後述するステップＳ１０７に処理を移行する。
【００４０】
一方、ステップＳ１０５の判定において、算出された周波数特性が、許容範囲の下限閾値未満であると判定された場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御部８の動作不良判定部８５は、ＦＣコンバータ３が動作不良であると判定し（ステップＳ１０５）、動作不良であることを示す警告ランプを表示パネル上に点灯させる（ステップＳ１０６）。
【００４１】
続いて、制御部８のゲイン調節部８６は、周波数特性算出部８４によって算出される周波数特性が、基準特性に合致するように、ＦＣコンバータ３におけるゲインを調節する（ステップＳ１０７）。
【００４２】
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、燃料電池システム１における他の制御に影響を与えることがない所定の基準信号を、燃料電池２の出力目標電圧に重畳することで、燃料電池から出力される出力電圧に上記基準信号成分を含ませることができる。そして、この基準信号成分に基づいて算出された周波数特性が、基準信号の周波数特性である基準特性に基づいて設けられた許容範囲の下限閾値よりも低下している場合には、この特性劣化の要因がＦＣコンバータ３の動作不良にあると判定することができる。つまり、本実施形態における燃料電池システム１によれば、ＦＣコンバータ３の動作不良を検出することが可能となる。
【００４３】
なお、上述した実施形態では、燃料電池の出力電圧に関する信号を用いて各種処理を実行しているが、これに限定されず、燃料電池の出力電流に関する信号を用いて実行することとしてもよい。この場合に、制御部８は、例えば、出力目標電流に基準信号を重畳して電流指令信号を生成することとなり、燃料電池２の出力電流に重畳されている基準信号成分の周波数特性を算出することとなる。
【００４４】
また、上述した実施形態では、制御部８の機能として、目標電圧決定部８１、重畳信号生成部８２、電圧指令信号生成部８３、周波数特性算出部８４、動作不良判定部８５およびゲイン調節部８６を一体にして記載しているが、この記載は各機能が物理的に一の制御装置にのみ割り当てられていることに限定するものではない。つまり、各機能が複数の制御装置に分散して割り当てられていてもよい。また、一または複数の制御装置は、燃料電池システム１の各構成要素と別個独立に設けられていてもよいし、制御装置の一部または全部が、例えばＦＣコンバータ３等の燃料電池システム１のいずれかの構成要素に内蔵して設けられていてもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態における燃料電池システム１に、外部信号発生部および周波数応答解析部（ＦＲＡ）を設け、ＦＣコンバータ３の信号重畳能力を測定することとしてもよい。具体的には、電圧センサＶまたは電流センサＡの検出信号に、外部信号発生部からの外部信号を重畳させ、この重畳信号に対する応答特性を周波数応答解析部で解析することにより、ＦＣコンバータ３の信号重畳能力を測定することができる。なお、外部信号発生部および周波数応答解析部としては、周知の信号発生器および周波数応答解析器を用いることができる。
【００４６】
また、上述した実施形態では、本発明をＦＣコンバータ３に適用した場合について説明しているが、これに限定されず、本発明をＢａｔコンバータ５に適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る燃料電池システムは、電圧変換部の動作不良を検出させることに適している。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔ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、８１…目標電圧決定部、８２…重畳信号生成部、８３…電圧指令信号生成部、８４…周波数特性算出部、８５…動作不良判定部、８６…ゲイン調節部、Ｖ…電圧センサ、Ａ…電流センサ。
【図１】
2010143250.tif 000003
【図２】
2010143250.tif 000004
【国際調査報告】
2010143250.tif 000005
2010143250.tif 000006