(57)【要約】  電源システムは、蓄電装置１と、蓄電装置１に接続される燃料電池２と、燃料電池の出力電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機４と、燃料電池２と蓄電装置１との間の第１経路に介装される電圧変換装置３とを備える。さらに電源システムは、電圧変換装置３と蓄電装置１との間に介装され、燃料電池２及び蓄電装置１のうち少なくとも一方の電力を補機４に供給する補機給電装置５と、燃料電池２と補機４との間において前記第１経路とは異なる第２経路に介装され、補機４に電力を供給可能なスイッチ６とを備える。
2019035169.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、
前記蓄電装置に接続される燃料電池と、
前記燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、
前記燃料電池と前記蓄電装置との間の第一経路に介装される電圧変換装置と、
前記電圧変換装置と前記蓄電装置との間に介装され、前記燃料電池及び前記蓄電装置のうち少なくとも一方の電力を前記補機に供給する補機給電装置と、
前記燃料電池と前記補機との間において前記第一経路と異なる第二経路に介装され、前記補機に電力を供給可能なスイッチと、
を含む電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムであって、
前記燃料電池の発電状態を検出するセンサと、
前記センサを用いて前記スイッチの状態を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記センサから出力される検出信号に応じて、前記スイッチにより前記燃料電池と前記補機との間を接続又は遮断する、
電源システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧又は電流を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される電圧又は電流に基づいて、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超える場合に前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項４】
請求項３に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超えない場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項５】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の温度を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値以上である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値未満である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項７】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電流及び電圧を検出し、
前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態に基づいて前記燃料電池のＩＶ特性を求め、当該ＩＶ特性が所定の基準特性よりも良好であるか否かを判断し、前記良好であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記ＩＶ特性が前記基準特性よりも良好でないと判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項９】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧を検出し、
前記コントローラは、前記補機が動作する電圧の前記範囲内に、前記センサにより検出される電圧がある場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記燃料電池は、燃料の供給を受けて発電する固体酸化型の燃料電池を含み、
前記燃料電池の上限電圧は、６０Ｖ未満である、
電源システム。
【請求項１１】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池と前記補機との間を接続した場合には、前記燃料電池から出力される電力が一定となるように前記電圧変換装置の出力を下げる、
電源システム。
【請求項１２】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機の作動状態を検出する補機センサをさらに含み、
前記コントローラは、前記補機センサから出力される検出信号に応じて、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機の温度を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される温度に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１４】
請求項１２又は請求項１３に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機に供給される電流を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される電流に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１５】
請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機は、前記燃料電池に対して発電に必要となるガスを供給するアクチュエータを含み、
前記補機センサは、前記アクチュエータを駆動するモータの作動状態を検出する、
電源システム。
【請求項１６】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記蓄電装置は、前記燃料電池の電圧よりも高い電圧を出力する高電圧バッテリと、前記高電圧バッテリの電圧よりも低い電圧を出力する低電圧バッテリと、を含み、
前記高電圧バッテリは、車両を駆動するモータに接続され、前記低電圧バッテリは、前記補機給電装置に接続される、
電源システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記補機給電装置が故障状態であるか否かを判断し、前記故障状態であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１８】
蓄電装置と、前記蓄電装置に接続される燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、前記燃料電池と前記蓄電装置との間に介装される電圧変換装置と、前記電圧変換装置と前記蓄電装置との間の電圧を変換して当該電圧を前記補機に供給する補機給電装置と、を備える電源システムの制御方法であって、
前記補機給電装置から前記補機に供給される電力を、前記燃料電池と前記補機との間を接続して前記燃料電池から出力される電力に切り替える電源システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、蓄電装置を用いて燃料電池の補機に電力を供給する電源システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ２０１４／０１３６０６Ａには、燃料電池に付属する補機への給電装置として、二次電池の電圧を変換して補機に電力を供給する第１コンバータと燃料電池の電圧を昇圧して補機に電力を供給する第２コンバータとを備えるシステムが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
上述のようなシステムにおいては、燃料電池の起動時に第１コンバータを介して補機に電力が供給され、起動後は第２コンバータを介して補機に電力が供給される。このため、補機に電力が供給される際には、第１コンバータや第２コンバータでの電圧変換に伴い電力損失が生じる。この電力損失により燃料電池の燃料が無駄に消費されることになるため、車両における燃費が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、燃料電池の起動を確保しつつ車両における燃費の低下を抑制する電源システム及びその制御方法を提供することにある。
【０００５】
本発明のある態様によれば、電源システムは、蓄電装置と、前記蓄電装置に接続される燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、前記燃料電池と前記蓄電装置との間の第１経路に介装される電圧変換装置とを含む。さらに電源システムは、前記電圧変換装置と前記蓄電装置との間に介装されて前記燃料電池及び前記蓄電装置のうち少なくとも一方の電力を前記補機に供給する補機給電装置と、前記燃料電池と前記補機との間において前記第１経路とは異なる第２経路に介装され、前記補機に電力を供給可能なスイッチとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における車両システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、車両システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、本発明の第２実施形態における車両システムの構成例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、燃料電池の起動を開始した場合にバッテリからコンバータを介して燃料電池の補機に電力が供給される第１補機給電状態を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、燃料電池の発電を開始した場合にコンバータを介して燃料電池及びバッテリの双方から補機に電力が供給される第２補機給電状態を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、燃料電池の温度上昇に伴いコンバータを介して燃料電池から補機に電力が供給される第３補機給電状態を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、燃料電池が定格運転可能な状態になった場合に燃料電池の電力が補機及び他の装置に分配される第４補機給電状態を示す図である。
【図４Ｅ】図４Ｅは、燃料電池の電圧が補機の動作電圧範囲内にある場合に燃料電池の出力電力が補機に直接的に供給されるとともにコンバータを介して他の装置に間接的に供給される第５補機給電状態を示す図である。
【図５】図５は、車両システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、燃料電池の出力特性と補機の動作電圧範囲との関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第３実施形態における車両システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、添付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。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における車両システム１００の構成の一例を示す構成図である。
【０００９】
車両システム１００は、車両に搭載される補機及び蓄電装置に電力を供給する電源システムである。車両としては、例えば、ハイブリッド車を含む電気自動車や電車などが挙げられる。本実施形態の車両システム１００は、直流電力を交流電力に変換するインバータ１１を用いて、車両を駆動するモータ１２に電力を供給する。
【００１０】
車両システム１００は、蓄電装置１と、燃料電池２と、電圧変換装置３と、ＦＣ補機４と、補機給電装置５と、スイッチ６と、コントローラ７と、インバータ１１と、モータ１２とを備える。なお、燃料電池２、電圧変換装置３、ＦＣ補機４及び補機給電装置５は、燃料電池システムを構成する。
【００１１】
蓄電装置１は、ＦＣ補機４及びモータ１２の少なくとも一方に電力を供給する電源である。例えば、蓄電装置１は、数百ボルト（Ｖ）の直流電圧により電力を出力する。蓄電装置１は、リチウムイオンバッテリや鉛バッテリなどにより実現される。
【００１２】
燃料電池２は、第１経路Ｌ１を介して蓄電装置１に接続される。さらに燃料電池２は、第１経路Ｌ１と異なる第２経路Ｌ２を介してＦＣ補機４に接続される。燃料電池２は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料電池２は、固体酸化型燃料電池や固体高分子型燃料電池などにより実現される。燃料電池２の出力電圧は、燃料電池２に供給される燃料ガスの流量や、酸化剤ガスの流量、燃料電池２の温度などの運転状態に応じて変化する。
【００１３】
燃料電池２は、蓄電装置１、ＦＣ補機４及びモータ１２のうち少なくともひとつに電力を供給可能な電源である。燃料電池２は、複数のセルにより積層されており、蓄電装置１の出力電圧に比して異なる大きさの電圧を出力する。例えば、燃料電池２は、蓄電装置１の出力電圧の値よりも低い数十Ｖの直流電圧を出力する。この例では、燃料電池２が蓄電装置１の出力を補助するための電源として用いられる。
【００１４】
電圧変換装置３は、燃料電池２と蓄電装置１との間の第１経路Ｌ１に介装され、燃料電池２から出力される電力の電圧を、当該電圧の値とは異なる電圧値に変換する。例えば、電圧変換装置３は、入力電力の電圧を昇圧又は降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータにより構成される。
【００１５】
ＦＣ補機４は、燃料電池２の発電に必要となる付属機器である。ＦＣ補機４としては、例えば、燃料電池２に酸化剤ガス又は燃料ガスを供給するアクチュエータや、燃料電池２に冷媒を導入しその冷媒を燃料電池２の導入口に戻して循環させるアクチュエータなどにより実現される。ＦＣ補機４の一例としては、大気からの空気を酸化剤ガスとして燃料電池２に供給するブロア又はコンプレッサが挙げられる。
【００１６】
ＦＣ補機４は、燃料電池２の出力電圧に相当する電圧値の範囲内で動作する。すなわち、ＦＣ補機４は、燃料電池２から出力される電圧値の範囲内で駆動するように設計される。また、ＦＣ補機４の定格出力は、燃料電池２の定格出力を考慮して決められる。例えば、燃料電池２の定格出力が小さくなるほど、ＦＣ補機４の定格出力は小さな値に定められる。
【００１７】
補機給電装置５は、電圧変換装置３と蓄電装置１との間に介装される。補機給電装置５は、蓄電装置１及び燃料電池２のうちの少なくとも一方の出力電力をＦＣ補機４に供給する。例えば、補機給電装置５は、電圧変換装置３と蓄電装置１との間の電圧をＦＣ補機４の動作電圧範囲内の値に変換するＤＣ／ＤＣコンバータにより実現される。この例では補機給電装置５の動作はコントローラ７により制御される。
【００１８】
なお、電圧変換装置３と蓄電装置１との間の電圧を変換する必要がない場合には、補機給電装置５を省略し、電圧変換装置３と蓄電装置１との間の第１経路Ｌ１から分岐してＦＣ補機４に直接接続する電源線（ライン）を配設してもよい。この場合には電源線（ライン）を補機給電装置５として捉えることができる。
【００１９】
スイッチ６は、燃料電池２とＦＣ補機４との間の第２経路Ｌ２を直接的に接続又は遮断する。スイッチ６は、機械式のスイッチにより構成されてもよく、半導体スイッチやダイオードなどの電気デバイスにより構成されてもよい。スイッチ６により、補機給電装置５からＦＣ補機４への供給電力を燃料電池２の出力電力に切り替えることが可能になる。このようにスイッチ６は、ＦＣ補機４への電力供給装置を補機給電装置５又は燃料電池２に切り替える。スイッチ６の接続状態はコントローラ７により制御される。
【００２０】
コントローラ７は、車両システム１００の動作を制御する制御装置である。コントローラ７は、電圧変換装置３、ＦＣ補機４、補機給電装置５及びスイッチ６の各々を制御する。コントローラ７は、ドライバにより車両の始動キーがＯＦＦからＯＮへと切り替えられる切替操作を検出すると、燃料電池２の起動処理を実行する。
【００２１】
上述の起動処理においてコントローラ７は、燃料電池２とＦＣ補機４との間の接続を遮断するとともに蓄電装置１からＦＣ補機４に電力が供給されるよう補機給電装置５の動作を制御する。本実施形態におけるコントローラ７は、スイッチ６の状態を遮断状態に設定するとともに、蓄電装置１の出力電圧値をＦＣ補機４の動作電圧値まで降圧する。これにより、ＦＣ補機４が駆動するので、燃料電池２に酸化剤ガスや燃料ガスの供給が行われたり、燃料電池２の暖機が行われたりする。
【００２２】
そして燃料電池２の電力がＦＣ補機４の駆動に必要となる要求電力を上回る場合には、コントローラ７は、燃料電池２とＦＣ補機４との間を接続するようにスイッチ６の状態を制御する。そしてコントローラ７は、補機給電装置５からＦＣ補機４への電力供給を停止するよう補機給電装置５の動作を制御する。
【００２３】
なお、本実施形態では始動キーの切替操作を検出した場合に燃料電池２の起動処理を実行する例について説明したが、蓄電装置１の蓄電量が所定の閾値よりも低下した場合にコントローラ７が燃料電池２の起動処理を実行するようにしてもよい。蓄電装置１の蓄電量としては例えばＳＯＣ（State Of Charge）が用いられる。
【００２４】
図２は、本実施形態のコントローラ７による車両システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００２５】
ステップＳ１においてコントローラ７は、燃料電池２の起動要求を受け付けたか否か、すなわち燃料電池２を起動するか否かを判断する。例えば、車両の始動キーがＯＮに操作されたことや、蓄電装置１のＳＯＣが所定の閾値よりも低下したことなどが検出された場合にコントローラ７は、その検出信号を燃料電池２の起動要求として受け付ける。
【００２６】
ステップＳ２においてコントローラ７は、燃料電池２を起動する場合に、蓄電装置１からＦＣ補機４に電力が供給されるよう補機給電装置５の動作を制御する。例えば、コントローラ７は、蓄電装置１のＳＯＣが所定の閾値よりも低下した場合に、蓄電装置１の出力電圧をＦＣ補機４が動作可能な電圧範囲内の値に変換する。
【００２７】
ステップＳ３においてコントローラ７は、燃料電池２から電力が取り出されるよう電圧変換装置３の動作を制御する。例えば、コントローラ７は、燃料電池２の温度や起動開始後の経過時間などを計測し、計測した値が燃料電池２の発電可能な状態を示す所定の閾値を上回った場合に、燃料電池２の出力電圧を変換して蓄電装置１に供給する。
【００２８】
あるいは、コントローラ７は、燃料電池２への燃料ガスや酸化剤ガスの供給量に基づき燃料電池２の発電量を求め、その発電量が特定の値を上回った場合に電圧変換装置３を介して燃料電池２の電力を蓄電装置１に充電するようにしてもよい。
【００２９】
ステップＳ４においてコントローラ７は、燃料電池２の運転状態に応じて、燃料電池２とＦＣ補機４との間を接続するようスイッチ６の状態を制御する。
【００３０】
例えば、コントローラ７は、燃料電池２の温度や電力、電圧などの検出値又は推定値を取得し、取得した値が特定の閾値を上回るか否かを判断する。特定の閾値は、ＦＣ補機４の要求電力を燃料電池２の出力電力で賄うことが可能な燃料電池２の温度や電力、電圧などの状態を示す。コントローラ７は、取得した値が特定の閾値を上回った場合には、スイッチ６を遮断状態（非導通状態）から接続状態（導通状態）に切り替える。
【００３１】
ステップＳ５においてコントローラ７は、燃料電池２の停止要求を受け付けたか否か、すなわち燃料電池２の発電を停止するか否かを判断する。例えば、車両の始動キーがＯＦＦに操作されたことや、燃料電池２の温度が下限温度よりも低下したこと、蓄電装置１のＳＯＣが蓄電装置１の満充電状態を示す所定の閾値まで上昇したことなどが検出された場合にコントローラ７は、その検出信号を燃料電池２の停止要求として受け付ける。
【００３２】
そして、コントローラ７は、燃料電池２の発電を停止した後にスイッチ６を接続状態から遮断状態に切り替えて、車両システム１００の制御方法についての一連の処理手順を終了する。
【００３３】
本発明の第１実施形態によれば、車両システム１００は、車両に搭載される蓄電装置１と、蓄電装置１に接続される燃料電池２と、燃料電池２の出力電圧相当の範囲で動作するＦＣ補機４と、燃料電池２と蓄電装置１との間の第１経路Ｌ１に介装される電圧変換装置３とを含む。この車両システム１００は、電圧変換装置３と蓄電装置１との間に介装されて燃料電池２及び蓄電装置１のうち少なくとも一方の電源からの電力をＦＣ補機４に供給する補機給電装置５とを含む。そして車両システム１００は、燃料電池２とＦＣ補機４との間の第２経路Ｌ２に介装され、ＦＣ補機４に電力を供給可能なスイッチ６を含み、燃料電池２とＦＣ補機４とを接続して補機給電装置５からＦＣ補機４に供給される電力を、燃料電池２から出力される電力に切り替える。
【００３４】
このように、蓄電装置１と電圧変換装置３との間に補機給電装置５を配置することで、燃料電池２の発電状態に関わらず、蓄電装置１からＦＣ補機４に電力を供給でき、燃料電池２の起動時にＦＣ補機４を確実に作動させることができる。
【００３５】
さらに、燃料電池２の出力電圧相当で作動するＦＣ補機４を用いることにより、スイッチ６を介して燃料電池２からＦＣ補機４に電力を直接供給することが可能になる。このため、電圧変換装置３を介してＦＣ補機４に電力が供給されるような状況において燃料電池２とＦＣ補機４との間を接続することで、電圧変換装置３での電圧変換処理に伴う電力損失を低減することができる。
【００３６】
したがって、燃料電池２の発電に用いられる燃料ガスが車両システム１００の電圧変換処理で消費されるのを抑えられるので、車両における燃費の低下を抑制することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態における車両システム１０１の構成の一例を示す構成図である。
【００３８】
車両システム１０１は、高電圧バッテリ１Ａと、ＳＯＦＣ２Ａと、ＦＣ出力センサ２Ｂと、ＦＣ温度センサ２Ｃと、ＦＣコンバータ３Ａとを含む。さらに車両システム１０１は、ＦＣブロア４Ａと、温度センサ４Ｂと、補機コンバータ５Ａと、給電スイッチ５Ｂと、スイッチ６と、コントローラ７とを備える。なお、スイッチ６については、図１に示した車両システム１００の構成と同一であるため同じ符号を付して説明を省略する。
【００３９】
高電圧バッテリ１Ａは、図１に示した蓄電装置１に対応する。高電圧バッテリ１Ａは、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧よりも高い電圧を出力する。本実施形態の高電圧バッテリ１Ａは、６０Ｖよりも高い直流の電圧を出力する。例えば、高電圧バッテリ１Ａは、４００Ｖ程度の直流電圧を出力する。
【００４０】
ＳＯＦＣ２Ａは、図１に示した燃料電池２に対応する。ＳＯＦＣ２Ａは、固体酸化型の燃料電池である。本実施形態のＳＯＦＣ２Ａは、数十Ｖの直流電圧を出力する。
【００４１】
ＳＯＦＣ２Ａの上限電圧は６０Ｖ未満であることが好ましい。その理由は、直接接触（感電）を防止するための安全規定を考慮すると、ＳＯＦＣ２Ａの上限電圧が６０Ｖ以上である場合は、ＳＯＦＣ２Ａの正極端子及び負極端子の双方を車両のシャシからフローティングさせることが必要になる。
【００４２】
これに対して、ＳＯＦＣ２Ａの上限電圧が６０Ｖ未満である場合は、ＳＯＦＣ２Ａの負極端子をシャシに接地（アース）させることができる。したがって、ＳＯＦＣ２Ａの負極端子をシャシに接続することでシャシを電気の通り道として使えるので、ＳＯＦＣ２Ａをシャシから浮かせる回路構成に比べて、車両システム１０１の回路構成を簡素化することができる。
【００４３】
ＦＣ出力センサ２Ｂは、ＳＯＦＣ２Ａから出力される電圧及び電流を検出する。ＦＣ出力センサ２Ｂは、検出した出力電圧及び出力電流の各々を示す検出信号をコントローラ７に出力する。
【００４４】
ＦＣ温度センサ２Ｃは、ＳＯＦＣ２Ａの温度を検出する。例えば、ＦＣ温度センサ２Ｃは、燃料電池２に供給されるガスの温度や、燃料電池２から排出されるガスの温度などを検出する。ＦＣ温度センサ２Ｃは、検出した温度を示す検出信号をコントローラ７に出力する。
【００４５】
ＦＣコンバータ３Ａは、図１に示した電圧変換装置３に対応する。ＦＣコンバータ３Ａは、ＳＯＦＣ２Ａから出力される電力の電圧を用いてＦＣコンバータ３Ａと高電圧バッテリ１Ａとの間の２次側電圧を昇圧又は降圧する。ＦＣコンバータ３Ａは、例えば、一方向のＤＣ／ＤＣコンバータにより構成される。これにより、ＦＣコンバータ３Ａを簡素にすることができる。
【００４６】
ＦＣブロア４Ａは、図１に示したＦＣ補機４に対応する。ＦＣブロア４Ａは、ＳＯＦＣ２Ａに酸化剤ガスとして空気を供給するアクチュエータである。また、ＦＣブロア４Ａが作動する電圧値の範囲は、例えば、３０Ｖから５０Ｖまでの範囲となるように設計される。
【００４７】
温度センサ４Ｂは、ＦＣブロア４Ａの温度を検出する。本実施形態の温度センサ４Ｂは、ＦＣブロア４Ａを構成する駆動モータの温度を検出する。温度センサ４Ｂは、検出した温度を示す検出信号をコントローラ７に出力する。
【００４８】
補機コンバータ５Ａは、図１に示した補機給電装置５に対応する。補機コンバータ５Ａは、高電圧バッテリ１ＡとＦＣコンバータ３Ａとの間の電圧をＦＣブロア４Ａの動作可能な電圧範囲内の値に変換するＤＣ／ＤＣコンバータである。例えば、補機コンバータ５Ａは、高電圧バッテリ１ＡとＦＣコンバータ３Ａとの間に生じる４００Ｖ程度の電圧を４８Ｖに降圧する。
【００４９】
給電スイッチ５Ｂは、ＦＣブロア４Ａと補機コンバータ５Ａとの間を接続又は遮断する。給電スイッチ５Ｂの接続状態はコントローラ７により制御される。例えば、スイッチ６の状態が遮断状態から接続状態に切り替えられた場合には給電スイッチ５Ｂの状態は接続状態から遮断状態に切り替えられ、スイッチ６の状態が接続状態から遮断状態に切り替えられた場合には給電スイッチ５Ｂの状態は遮断状態から切断状態に切り替えられる。給電スイッチ５Ｂは、スイッチ６と同様、機械式のスイッチにより構成されてもよく、半導体スイッチやダイオードなどの電気デバイスにより構成されてもよい。
【００５０】
次に、車両システム１０１におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給手法について図４Ａ乃至図４Ｅを参照して説明する。図４Ａ乃至図４Ｅにおいては、便宜上、給電スイッチ５Ｂは省略されている。
【００５１】
図４Ａは、ＳＯＦＣ２Ａの起動を開始した場合におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給状態を説明する図である。
【００５２】
図４Ａにおいては、車両の始動キーがＯＮに設定されて燃料電池の起動処理が実行される。これに伴って、補機コンバータ５Ａにより高電圧バッテリ１Ａの出力電圧がＦＣブロア４Ａの動作電圧、例えば４８Ｖに降圧される。これにより、高電圧バッテリ１Ａの出力電力が補機コンバータ５Ａを介してＦＣブロア４Ａに供給されてＦＣブロア４Ａが駆動し、ＳＯＦＣ２Ａに空気が供給される。
【００５３】
図４Ｂは、ＳＯＦＣ２Ａの電力を取り出した場合におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給状態を説明する図である。
【００５４】
図４Ｂにおいては、コントローラ７によりＳＯＦＣ２Ａが発電可能な状態になったとの判断がなされてＦＣコンバータ３Ａが作動する。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧、例えば３０Ｖから５０Ｖまでの範囲内の電圧値が高電圧バッテリ１Ａの充電に必要となる電圧値まで昇圧されるので、ＳＯＦＣ２Ａの電力がＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａを介してＦＣブロア４Ａに供給される。
【００５５】
ＳＯＦＣ２Ａの発電可否については、例えばＳＯＦＣ２Ａの温度が発電に適した温度まで上昇し、かつ、ＳＯＦＣ２Ａへの酸化剤ガス及び燃料ガスの供給流量の各々が発電に必要な流量に達した場合に、ＳＯＦＣ２Ａが発電可能な状態になったとの判断がなされる。
【００５６】
図４Ｃは、ＳＯＦＣ２Ａの発電可能電力がＦＣブロア４Ａの要求電力を上回った場合におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給状態を説明する図である。
【００５７】
図４Ｃにおいては、ＦＣブロア４Ａへの供給電力がＳＯＦＣ２Ａの電力だけで賄うことが可能な状態になり、高電圧バッテリ１Ａの電力を用いることなくＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣコンバータ３Ａと補機コンバータ５Ａを介してＦＣブロア４Ａに供給される。
【００５８】
図４Ｄは、燃料電池システムを構成するＦＣブロア４Ａとは異なる外部の負荷装置によってＳＯＦＣ２Ａに要求される外部要求電力が０よりも大きくなった場合におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給状態を説明する図である。
【００５９】
図４Ｄにおいては、外部の負荷装置である高電圧バッテリ１Ａ及びモータ１２の双方の要求電力が０よりも大きくなり、ＦＣコンバータ３Ａにより取り出されるＳＯＦＣ２Ａの出力電力が増加する。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力が、ＦＣブロア４Ａに供給されるとともに、インバータ１１及び高電圧バッテリ１Ａに対しても分配される。
【００６０】
例えば、車両が一定の速度で走行する状況でＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣブロア４Ａだけでなく、高電圧バッテリ１Ａやモータ１２に供給される。
【００６１】
なお、負荷装置への電力供給の可否については、ＳＯＦＣ２Ａの温度やＩＶ特性などを用いて判断がなされる。ＳＯＦＣ２ＡのＩＶ特性の取得にあたり、コントローラ７は、例えばＦＣブロア４Ａを制御してＳＯＦＣ２Ａの出力電流を段階的に変化させるたびにＳＯＦＣ２Ａの電流値及び電圧値を取得し、少なくとも２組の電流値及び電圧値を所定の近似式に適用してＩＶ特性を推定する。あるいは、コントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの温度ごとに異なるＩＶ特性を記憶しておき、ＦＣ温度センサ２Ｃにより検出される温度に対応するＩＶ特性を選択するものであってもよい。
【００６２】
図４Ｅは、ＳＯＦＣ２Ａが定格運転可能な状態になった場合におけるＦＣブロア４Ａへの電力供給状態を説明する図である。
【００６３】
図４Ｅにおいては、コントローラ７により、ＳＯＦＣ２Ａの温度やＩＶ特性などを用いてＳＯＦＣ２Ａが定格運転可能な状態になったとの判断がなされてスイッチ６が遮断状態から接続状態に切り替えられる。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力が直接ＦＣブロア４Ａに供給される。
【００６４】
そして、補機コンバータ５Ａが停止されるとともにＦＣコンバータ３Ａが作動する。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力からＦＣブロア４Ａの要求電力を差し引いた外部要求電力がＦＣコンバータ３ＡによりＳＯＦＣ２Ａから取り出されて高電圧バッテリ１Ａとモータ１２に供給される。
【００６５】
このように、スイッチ６を用いてＳＯＦＣ２ＡをＦＣブロア４Ａに直接接続することにより、図４Ｄに示したようにＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａを経由してＦＣブロア４Ａに電力を供給する時間を短縮することができる。このため、ＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの各々で生じる電圧変換処理に伴う電力損失を削減することができ、電圧変換処理により消費される燃料ガスの消費量を削減することができる。したがって、車両システム１０１の燃費を向上させることができる。
【００６６】
図５は、本実施形態におけるコントローラ７による車両システム１０１の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
【００６７】
本実施形態の制御方法は、図２に示したステップＳ１乃至Ｓ５のうちステップＳ４の処理に代えてステップＳ４１乃至Ｓ４７の処理を備えている。ステップＳ４以外の処理については図２に示した処理と同様であるため、ステップＳ４１乃至Ｓ４７の処理についてのみ詳細に説明する。
【００６８】
ステップＳ４１においてコントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力の大きさを示すＦＣ電力がＦＣブロア４Ａの要求電力の大きさを示すブロア要求電力を上回るか否かを判断する。そしてＦＣ電力がブロア要求電力よりも大きくなるまでコントローラ７は、ステップＳ３の処理を繰り返す。
【００６９】
なお、ＦＣ電力は、例えばＦＣ出力センサ２Ｂにより検出される電流及び電圧の少なくとも一方の値を用いて算出される。ブロア要求電力は、ＳＯＦＣ２Ａの目標発電電力に基づいて算出される。例えば、アクセルペダルの操作量が増加するほど、モータ１２の要求電力が増加するためＳＯＦＣ２Ａの目標発電電力が大きくなる。これに伴ってＳＯＦＣ２Ａに供給すべき空気の流量が増加するのでＦＣブロア４Ａの要求電力は大きくなる。
【００７０】
ステップＳ４２においてコントローラ７は、燃料電池システムの外部要求電力が０よりも大きいか否かを判断する。外部要求電力とは、燃料電池システムを構成するＦＣブロア４Ａ以外の負荷装置によってＳＯＦＣ２Ａに要求される電力のことである。本実施形態の外部要求電力は、高電圧バッテリ１Ａを充電するのに必要となる電力と、モータ１２の要求電力との総和である。
【００７１】
ステップＳ４３においてコントローラ７は、外部要求電力が０よりも大きくなった場合には、ＳＯＦＣ２Ａの温度の大きさを示すＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆ以上であるか否かを判断する。ＦＣ温度は、例えばＦＣ温度センサ２Ｃにより検出される。温度閾値Ｔｈ_ｆは、実験データやシミュレーション結果などを用いてあらかじめ定められる。本実施形態の温度閾値Ｔｈ_ｆは、ＳＯＦＣ２Ａが定格運転可能な状態となるＳＯＦＣ２Ａの温度に設定される。
【００７２】
なお、コントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの運転状態がブロア要求電力に加えて外部要求電力までＳＯＦＣ２Ａから出力できる状態となるＳＯＦＣ２Ａの温度を温度閾値Ｔｈ_ｆに設定するものであってもよい。このようにコントローラ７が温度閾値Ｔｈ_ｆを外部要求電力の大きさに応じて変更することにより、早期にＳＯＦＣ２Ａの出力端子をＦＣブロア４Ａの電源端子に直接接続することが可能になる。
【００７３】
ステップＳ４３でＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆよりも低い場合には、コントローラ７はＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆに達するまでＦＣ温度を監視し、ＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆに達した場合にコントローラ７は、ステップＳ４４の処理に進む。また、ステップＳ４２で外部要求電力が０であるとの判断がなされた場合にも、コントローラ７はステップＳ４４の処理に進む。
【００７４】
ステップＳ４４においてコントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧の大きさを示すＦＣ電圧値がＦＣブロア４Ａの動作電圧範囲Ｒ１内か否かを判断する。ＦＣ電圧値は、例えばＦＣ出力センサ２Ｂにより検出される。動作電圧範囲Ｒ１は、ＳＯＦＣ２Ａの補機を構成するＦＣブロア４Ａを駆動させることが可能な電圧値の範囲を示す。動作電圧範囲Ｒ１については次図を参照して後述する。
【００７５】
ＦＣ電圧値が動作電圧範囲Ｒ１内にない場合には、ＦＣ電圧値が動作電圧範囲Ｒ１内に納まるまでコントローラ７は、ステップＳ４２の処理に戻ってステップＳ４２乃至Ｓ４４の各処理を繰り返す。
【００７６】
ステップＳ４５においてコントローラ７は、ＦＣ電圧値が動作電圧範囲Ｒ１内にある場合には、ＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を接続するようにスイッチ６の状態を制御する。これにより、図４Ｅに示したようにＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣブロア４Ａに直接供給されるので、図４Ｄに示したようにＳＯＦＣ２Ａの電力がＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａを経由することを回避できる。それゆえ、ＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの電圧変換処理によって失われる電力の損失量を低減することができる。
【００７７】
そしてコントローラ７は、補機コンバータ５Ａの動作を停止するとともに、補機コンバータ５Ａとスイッチ６との間に配置された給電スイッチ５Ｂを遮断状態に切り替える。このように給電スイッチ５Ｂを配置することにより、仮に補機コンバータ５Ａにおける平滑コンデンサの電圧がＳＯＦＣ２Ａの電圧よりも高い状況でスイッチ６が接続状態に切り替えられたとしても、ＳＯＦＣ２Ａに電流が逆流するという事態を回避することができる。
【００７８】
ステップＳ４６においてコントローラ７は、ＦＣブロア４Ａを構成する駆動モータの温度の大きさを示すブロア温度が補機温度閾値Ｔｈ_ａ以下であるか否かを判断する。ブロア温度は、例えば温度センサ４Ｂにより検出される。
【００７９】
上述の補機温度閾値Ｔｈ_ａは、ＦＣブロア４Ａの駆動モータが劣化したり、運転効率が低下したりするような駆動モータの温度、すなわちＦＣブロア４Ａの負荷が大き過ぎる状態における駆動モータの温度に基づいてあらかじめ定められる。このように、ＦＣブロア４Ａのうち駆動モータの温度を検出することにより、ＦＣブロア４Ａの過負荷状態を精度良く推定することができる。したがって、駆動モータの磁石特性の劣化や運転効率の低下を抑制することができる。
【００８０】
ステップＳ４７においてコントローラ７は、ブロア温度が補機温度閾値Ｔｈ_ａを上回る場合には、ＦＣブロア４Ａが過負荷状態であると判断し、ＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの接続を遮断するようにスイッチ６の状態を制御する。そしてコントローラ７は、ＦＣブロア４Ａへの供給電力が確保されるようにＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの双方を制御する。これにより、ＦＣブロア４Ａが故障するという事態を回避することができる。
【００８１】
ステップＳ４６でブロア温度が補機温度閾値Ｔｈ_ａ以下である場合、又は、ステップＳ４７でスイッチ６が接続状態から遮断状態に切り替えられた場合には、コントローラ７はステップＳ５の処理に進む。そしてＳＯＦＣ２Ａの停止要求を受け付けるまでコントローラ７は、ステップＳ４２乃至Ｓ４７の処理及びステップＳ５の処理を繰り返す。
【００８２】
図６は、ＳＯＦＣ２ＡのＩＶ特性とＦＣブロア４Ａの電圧範囲との関係を示す図である。
【００８３】
図６には、ＳＯＦＣ２Ａの定格運転可能なＩＶ特性の基準となる基準出力特性Ｆｂが実線により示され、ＳＯＦＣ２Ａの基準出力特性Ｆｂに比して不良である出力特性Ｆ０が点線により示されている。
【００８４】
さらに図６には、ＦＣブロア４Ａの電圧範囲として動作電圧範囲Ｒ１と性能保証電圧範囲Ｒ２が示されている。動作電圧範囲Ｒ１は、ＦＣブロア４Ａが動作可能な電圧値の範囲を示す。なお、開回路電圧ＯＣＶは例えば５０Ｖであり、動作下限電圧Ｖ０は３０Ｖである。性能保証電圧範囲Ｒ２は、ＦＣブロア４Ａが定格運転可能な電圧値の範囲を示す。
【００８５】
基準出力特性Ｆｂにおいては、ＳＯＦＣ２Ａの出力電流が大きくなるほど、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧が低下する。そしてＳＯＦＣ２Ａの定格運転点ＰｒにおいてＦＣブロア４Ａが定格で動作する。すなわち、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力がスイッチ６を介してＦＣブロア４Ａに供給される場合において、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧が定格電圧値Ｖ１になり、かつ、ＳＯＦＣ２Ａの出力電流が定格電流値Ｉ２になる場合に、ＦＣブロア４Ａの定格運転が行われる。
【００８６】
なお、出力特性Ｆ０は基準出力特性Ｆｂに比して不良であるため、この状態ではＳＯＦＣ２Ａは定格運転を行えない。例えば、ＳＯＦＣ２Ａの温度が発電に適した温度よりも低い場合に、ＳＯＦＣ２ＡのＩＶ特性が基準出力特性Ｆｂよりも低下する。
【００８７】
このように、ＦＣブロア４Ａの動作電圧範囲Ｒ１は、ＳＯＦＣ２ＡをＦＣブロア４Ａに直接接続した場合にＦＣブロア４Ａが動作するように、ＳＯＦＣ２ＡのＩＶ特性を考慮してあらかじめ定められる。
【００８８】
本発明の第２実施形態によれば、車両システム１０１は、燃料ガスの供給を受けて発電する固体酸化型燃料電池であるＳＯＦＣ２Ａを備える。ＳＯＦＣ２Ａは、主にセラミックスで形成されることから、固体高分子型燃料電池などに比して較差が大きくなる。そのため、ＳＯＦＣ２Ａに積層される燃料電池セルの積層数を増やすほど、ＳＯＦＣ２Ａ全体の較差が大きくなって燃料電池セル同士の密着性が低下し、ＳＯＦＣ２Ａ内部の電気抵抗が大きくなってしまう。
【００８９】
この対策としてＳＯＦＣ２Ａの積層数が制限されることから、ＳＯＦＣ２Ａの定格出力は高電圧バッテリ１Ａの定格出力よりも小さくなる。これに伴って、ＳＯＦＣ２Ａの補機として用いられるＦＣブロア４Ａの定格出力についても小さくできるので、ＦＣブロア４Ａの動作可能な電圧範囲をＳＯＦＣ２Ａの出力電圧に設定しやすくなる。したがって、簡素な構成により、ＳＯＦＣ２Ａの燃費が低下するのを抑制することができる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、車両システム１０１は、ＳＯＦＣ２Ａの発電状態を検出するセンサとして、ＳＯＦＣ２Ａの電流及び電圧を検出するＦＣ出力センサ２Ｂと、ＳＯＦＣ２Ａの温度を検出するＦＣ温度センサ２Ｃとを備える。さらに車両システム１０１は、ＦＣ出力センサ２Ｂ又はＦＣ温度センサ２Ｃを用いてスイッチ６の接続状態を制御するコントローラ７を備える。コントローラ７は、ＦＣ出力センサ２Ｂ又はＦＣ温度センサ２Ｃの検出信号に応じてスイッチ６を制御することにより、燃料電池の補機を構成するＦＣブロア４ＡとＳＯＦＣ２Ａとの間を接続又は遮断する。
【００９１】
これにより、ＳＯＦＣ２Ａの発電状態に応じてＳＯＦＣ２Ａの出力電力をＦＣブロア４Ａに直接供給することが可能になるので、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの電圧変換処理で消費される電力を削減することができる。
【００９２】
本実施形態によれば、ＦＣ出力センサ２Ｂは、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧又は出力電流をＳＯＦＣ２Ａの発電状態として検出する。そしてコントローラ７は、ＦＣ出力センサ２Ｂにより検出される電圧値又は電流値に基づいて、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣブロア４Ａの要求電力を超える場合にＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を接続する。
【００９３】
例えば、コントローラ７は、図５に示したステップＳ４１乃至Ｓ４５のうちステップＳ４２乃至Ｓ４４を省略し、ＦＣ電力がブロア要求電力よりも大きいと判断した場合にスイッチ６を遮断状態から接続状態に切り替えるものであってもよい。あるいは、ＳＯＦＣ２Ａの出力電流の検出値がブロア要求電力を確保するのに必要となる電流値を上回る場合、又は、ＳＯＦＣ２Ａの出力電圧の検出値がブロア要求電力を確保するのに必要となる電圧値を上回る場合にスイッチ６を接続状態に切り替えるようにしてもよい。
【００９４】
このように、ＳＯＦＣ２Ａから出力される電流又は電圧の検出値を用いることにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力電流又は出力電圧の推定値を用いる場合に比べて、的確にスイッチ６を接続状態に切り替えることが可能になる。したがって、ＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの電力損失を低減することができる。
【００９５】
一方、ＦＣ電力がブロア要求電力以下であるとの判断がなされた場合に、コントローラ７はスイッチ６を遮断状態に切り替える。このように、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力がＦＣブロア４Ａの要求電力に満たない場合にＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断することにより、ＦＣブロア４Ａに供給すべき電力を確保しつつ、ＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの電力損失を低減することができる。
【００９６】
また、本実施形態によれば、ＦＣ温度センサ２Ｃは、ＳＯＦＣ２Ａの温度をＳＯＦＣ２Ａの発電状態として検出し、コントローラ７は、ＦＣ温度センサ２Ｃにより検出される温度が所定の温度閾値Ｔｈ_ｆ以上であるか否かを判断する。例えば、コントローラ７は、図５に示したステップＳ４３乃至Ｓ４５のうちステップＳ４４の処理を省略し、ＦＣ温度センサ２Ｃにより検出される温度を示すＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆ以上である場合にＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を接続するようにしてもよい。
【００９７】
このように、ＳＯＦＣ２Ａの温度を検出することにより、ＳＯＦＣ２Ａが定格出力で運転できる状態か否かを判断することが可能になるので、ＳＯＦＣ２Ａが定格運転可能な状態でスイッチ６を接続状態に設定することが可能になる。したがって、スイッチ６を接続状態に設定した後に蓄電装置１又はモータ１２の要求電力の増加に伴ってＳＯＦＣ２Ａの出力電力が不足するという事態を回避することができる。
【００９８】
一方、コントローラ７は、ＦＣ温度が温度閾値Ｔｈ_ｆ未満である場合にＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断する。これにより、ＦＣブロア４Ａに供給すべき電力を確保することができる。
【００９９】
なお、コントローラ７は、ＦＣ出力センサ２Ｂにより検出される電圧値及び電流値に基づいてＳＯＦＣ２Ａの出力電流に対する出力電圧の出力特性を示すＩＶ特性を求め、そのＩＶ特性が所定の基準出力特性Ｆｂに比して良好であるか否かを判断するものであってもよい。
【０１００】
例えば、コントローラ７は、ＦＣコンバータ３Ａを制御してＳＯＦＣ２Ａから取り出される電力をＦＣブロア４Ａに供給しつつ、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力を段階的に変化させる。そしてコントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力を段階的に変化させるたびにＦＣ出力センサ２Ｂから１組の電圧値及び電流値を取得し、少なくとも２組の電圧値及び電流値を所定の近似式に適用してＩＶ特性を推定する。
【０１０１】
さらにコントローラ７は、推定したＩＶ特性が良好であると判断した場合には、ＳＯＦＣとＦＣブロア４Ａとの間を接続する。このようにＳＯＦＣ２ＡのＩＶ特性を推定することにより、ＳＯＦＣ２Ａが定格出力で運転できる状態か否かを正確に判断することが可能になるので、ＳＯＦＣ２Ａが定格運転可能な状態でスイッチ６を接続状態に設定することができる。したがって、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力が不足するという事態を回避することができる。
【０１０２】
一方、コントローラ７は、推定したＩＶ特性が良好でないと判断した場合にはＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断する。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの出力不足を回避し、高電圧バッテリ１ＡからＦＣブロア４Ａに供給すべき電力を確保することができる。
【０１０３】
また、本実施形態によれば、コントローラ７は、図５に示したステップＳ４４の処理のように、ＦＣ出力センサ２Ｂにより検出される電圧値がＦＣブロア４Ａの動作電圧範囲Ｒ１内に収まる場合には、ＳＯＦＣとＦＣブロア４Ａとの間を接続する。これにより、ＦＣブロア４Ａに供給される電圧値が低くＦＣブロア４Ａが過負荷状態になるのを回避することができる。
【０１０４】
また、本実施形態によれば、ＳＯＦＣ２Ａの上限電圧が６０Ｖ未満である燃料電池が用いられる。これにより、ＳＯＦＣ２Ａの負極端子を接地するのにシャシを用いることが可能となり、ＳＯＦＣ２Ａをシャシから絶縁する必要性が低くなるので、車両システム１０１の製造コスト及びサイズを低減することができる。
【０１０５】
また、本実施形態によれば、図４Ｅに示したように、スイッチ６を用いてＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間が接続された場合には、コントローラ７は、ＳＯＦＣ２Ａの出力電力が一定となるようＦＣコンバータ３Ａの出力を下げる。
【０１０６】
例えば、コントローラ７は、ＦＣ出力センサ２Ｂにより検出されるＳＯＦＣ２Ａの出力電力が一定となるようＦＣコンバータ３Ａから出力される電力を減らすとともに、補機コンバータ５Ａの動作を停止する。あるいは、コントローラ７は、ＦＣコンバータ３Ａ及び補機コンバータ５Ａの電力損失の総和にＦＣブロア４Ａの消費電力を加えた分だけ、ＦＣコンバータ３Ａの出力電力を下げるようにしてもよい。
【０１０７】
これにより、スイッチ６の遮断状態から接続状態への切替えに伴いＳＯＦＣ２Ａから電力が過剰に取り出されてＳＯＦＣ２Ａを構成する燃料電池セルが劣化したり、ＳＯＦＣ２Ａの発電状態が不安定になったりするのを回避することができる。
【０１０８】
また、本実施形態によれば、車両システム１０１は、補機の作動状態を検出する補機センサとして、ＦＣブロア４Ａの温度を検出する温度センサ４Ｂを備える。そしてコントローラ７は、温度センサ４Ｂから出力される検出信号に応じてＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断する。これにより、ＦＣブロア４Ａが動作不良を起しうる状態であるか否かを判断することが可能になるので、スイッチ６における接続状態への切替えに伴ってＦＣブロア４Ａが故障するという事態を抑制することができる。
【０１０９】
特に、コントローラ７は、温度センサ４Ｂにより検出される温度に基づいてＦＣブロア４Ａの負荷が過剰であるか否かを判断する。そしてコントローラ７は、負荷が過剰であると判断した場合にはＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断する。これにより、ＦＣブロア４Ａの温度が高くなりすぎ、ＦＣブロア４Ａの出力が低下してり、緊急停止したりするという事態を回避することができる。
【０１１０】
本実施形態によれば、車両システム１０１は、ＳＯＦＣ２Ａの発電に必要となるガスをＳＯＦＣ２Ａに供給するアクチュエータとしてＦＣブロア４Ａを備え、温度センサ４ＢがＦＣブロア４Ａを駆動する駆動モータの温度状態を検出する。ＦＣブロア４Ａの負荷が高くなるほど駆動モータの温度が上昇するため、コントローラ７は、ＦＣブロア４Ａの過負荷状態を推定することが可能になる。
【０１１１】
なお、車両システム１０１には、ＦＣブロア４Ａの作動状態を検出するセンサとして、温度センサ４Ｂに代えて、例えばＦＣブロア４Ａに供給される電流の大きさを検出する電流センサが備えられてもよい。このような場合には、コントローラ７は、その電流センサにより検出される電流に基づいてＦＣブロア４Ａの負荷が過剰であるか否かを判断し、負荷が過剰であると判断した場合には、ＳＯＦＣ２ＡとＦＣブロア４Ａとの間を遮断する。これにより、温度センサ４Ｂを用いる場合に比べて、ＦＣブロア４Ａの故障を精度よく推定することができる。
【０１１２】
（第３実施形態）
図７は、本発明の第３実施形態における車両システム１０２の構成例を示す図である。
【０１１３】
車両システム１０２は、図１に示した車両システム１００の蓄電装置１として、高電圧バッテリ１Ａ及び低電圧バッテリ１Ｂを備えている。他の構成については、車両システム１００の構成と同じであり、同一符号を付して説明を省略する。
【０１１４】
高電圧バッテリ１Ａは、図２で述べたように、燃料電池２の出力電圧よりも高い電圧を出力するバッテリである。本実施形態の高電圧バッテリ１Ａは、車両を駆動するモータ１２に対して電力を供給する。例えば、高電圧バッテリ１Ａは、４００Ｖ程度の直流電圧を出力する。
【０１１５】
低電圧バッテリ１Ｂは、高電圧バッテリ１Ａの出力電圧よりも低い電圧を出力する。例えば、低電圧バッテリ１Ｂは、十数Ｖの電圧を出力する。低電圧バッテリ１Ｂは、リチウムイオンバッテリや鉛バッテリなどにより実現される。
【０１１６】
本実施形態では、図３に示した接続構成とは異なり、高電圧バッテリ１Ａが、補機給電装置５に対して接続されることなく、インバータ１１を介してモータ１２に接続される。そして補機給電装置５には低電圧バッテリ１Ｂが接続される。
【０１１７】
これにより、１つの高電圧バッテリ１Ａを用いてＦＣ補機４及びモータ１２の双方に電力を供給する構成に比べて、モータ１２の要求電力が急峻に増加した場合に、ＦＣ補機４への供給電力が不足するという事態を回避することができる。
【０１１８】
また、本実施形態では、補機給電装置５には自己の故障の有無を診断するための診断センサが備えられており、コントローラ７は、診断センサの検出信号に応じて、スイッチ６の状態を遮断状態から接続状態に切り替える。
【０１１９】
例えば、診断センサとしては、補機給電装置５を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ内の半導体素子の温度や、１次側及び２次側の電圧及び電流などを検出するセンサが挙げられる。コントローラ７は、補機給電装置５の電圧や電流、温度などの検出値が所定の閾値を超える場合に、補機給電装置５が故障していると判断し、スイッチ６を遮断状態から接続状態に切り替える。
【０１２０】
これにより、燃料電池２からＦＣ補機４に電力が供給されるので、補機給電装置５の故障が原因で燃料電池２の発電を停止する必要がなくなり、燃料電池２から高電圧バッテリ１Ａ又はモータ１２への電力供給を継続することができる。
【０１２１】
さらに、蓄電装置１には、低電圧バッテリ１Ｂの電圧や電流、温度などを検出するセンサが備えられている。そしてコントローラ７は、低電圧バッテリ１Ｂの電圧や電流、温度などが特定の閾値を超えた場合に、低電圧バッテリ１Ｂが故障していると判断し、スイッチ６を遮断状態から接続状態に切り替える。これにより、低電圧バッテリ１Ｂの故障が原因で燃料電池２の発電を停止する必要がなくなり、燃料電池２から高電圧バッテリ１Ａ又はモータ１２への電力供給を継続することができる。
【０１２２】
本発明の第３実施形態によれば、高電圧バッテリ１Ａがモータ１２に接続されるとともに低電圧バッテリ１Ｂが補機給電装置５に接続される。これにより、モータ１２の要求電力の急増に伴ってＦＣ補機４に供給される電力が不足するという事態を回避することができる。
【０１２３】
また、本実施形態によれば、コントローラ７は、補機給電装置５の作動状態を検出して補機給電装置５が故障状態であるか否かを判断する。そしてコントローラ７は、補機給電装置５が故障状態であると判断した場合には、燃料電池２とＦＣ補機４との間を接続する。
【０１２４】
これにより、補機給電装置５が故障した場合であっても燃料電池２からＦＣ補機４に電力が供給されるので、燃料電池２の発電を停止することなく燃料電池２の電力をモータ１２及び高電圧バッテリ１Ａに供給することができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
例えば、第２実施形態では燃料電池２に空気を供給するブロアをＦＣ補機４として用いる例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、ＦＣ補機４は、燃料電池の発電に用いられる水素やエタノールなどを供給するブロアであってもよく、燃料電池２が固体高分子型の燃料電池である場合は燃料電池２に冷媒を供給するポンプであってもよい。このような装置であっても上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１２７】
また、上記実施形態では図１に記載した電源システムを車両に搭載したが、車両以外の航空機や船舶などに搭載してもよく、移動体ではない電源設備に設けるようにしてもよい。
【０１２８】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【図１】
2019035169.tif 000003
【図２】
2019035169.tif 000004
【図３】
2019035169.tif 000005
【図４Ａ】
2019035169.tif 000006
【図４Ｂ】
2019035169.tif 000007
【図４Ｃ】
2019035169.tif 000008
【図４Ｄ】
2019035169.tif 000009
【図４Ｅ】
2019035169.tif 000010
【図５】
2019035169.tif 000011
【図６】
2019035169.tif 000012
【図７】
2019035169.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月8日(2018.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、
前記蓄電装置に接続される燃料電池と、
前記燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、
前記燃料電池と前記蓄電装置との間の第一経路に介装される電圧変換装置と、
前記電圧変換装置と前記蓄電装置とに接続され、前記燃料電池及び前記蓄電装置のうち少なくとも一方の電力を前記補機に供給する補機給電装置と、
前記燃料電池と前記補機との間において前記第一経路と異なる第二経路に介装され、前記補機に電力を供給可能なスイッチと、
を含む電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムであって、
前記燃料電池の発電状態を検出するセンサと、
前記センサを用いて前記スイッチの状態を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記センサから出力される検出信号に応じて、前記スイッチにより前記燃料電池と前記補機との間を接続又は遮断する、
電源システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧又は電流を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される電圧又は電流に基づいて、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超える場合に前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項４】
請求項３に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超えない場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項５】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の温度を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値以上である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値未満である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項７】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電流及び電圧を検出し、
前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態に基づいて前記燃料電池のＩＶ特性を求め、当該ＩＶ特性が所定の基準特性よりも良好であるか否かを判断し、前記良好であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記ＩＶ特性が前記基準特性よりも良好でないと判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項９】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧を検出し、
前記コントローラは、前記補機が動作する電圧の前記範囲内に、前記センサにより検出される電圧がある場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記燃料電池は、燃料の供給を受けて発電する固体酸化型の燃料電池を含み、
前記燃料電池の上限電圧は、６０Ｖ未満である、
電源システム。
【請求項１１】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池と前記補機との間を接続した場合には、前記燃料電池から出力される電力が一定となるように前記電圧変換装置の出力を下げる、
電源システム。
【請求項１２】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機の作動状態を検出する補機センサをさらに含み、
前記コントローラは、前記補機センサから出力される検出信号に応じて、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機の温度を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される温度に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１４】
請求項１２又は請求項１３に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機に供給される電流を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される電流に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１５】
請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機は、前記燃料電池に対して発電に必要となるガスを供給するアクチュエータを含み、
前記補機センサは、前記アクチュエータを駆動するモータの作動状態を検出する、
電源システム。
【請求項１６】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記蓄電装置は、前記燃料電池の電圧よりも高い電圧を出力する高電圧バッテリと、前記高電圧バッテリの電圧よりも低い電圧を出力する低電圧バッテリと、を含み、
前記高電圧バッテリは、車両を駆動するモータに接続され、前記低電圧バッテリは、前記補機給電装置に接続される、
電源システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記補機給電装置が故障状態であるか否かを判断し、前記故障状態であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１８】
蓄電装置と、前記蓄電装置に接続される燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、前記燃料電池と前記蓄電装置との間に介装される電圧変換装置と、前記電圧変換装置と前記蓄電装置との間の電圧を変換して当該電圧を前記補機に供給する補機給電装置と、を備える電源システムの制御方法であって、
前記補機給電装置から前記補機に供給される電力を、前記燃料電池と前記補機との間を接続して前記燃料電池から出力される電力に切り替える電源システムの制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月22日(2018.8.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電装置と、
前記蓄電装置に接続され、前記蓄電装置よりも出力電力が低い燃料電池と、
前記燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、
前記燃料電池と前記蓄電装置との間の第一経路に介装される電圧変換装置と、
前記電圧変換装置と前記蓄電装置とに接続され、前記燃料電池及び前記蓄電装置のうち少なくとも一方の電力を前記補機に供給する補機給電装置と、
前記燃料電池と前記補機との間において前記第一経路と異なる第二経路に介装され、前記補機に電力を供給可能なスイッチと、
を含む電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムであって、
前記燃料電池の発電状態を検出するセンサと、
前記センサを用いて前記スイッチの状態を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記センサから出力される検出信号に応じて、前記スイッチにより前記燃料電池と前記補機との間を接続又は遮断する、
電源システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧又は電流を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される電圧又は電流に基づいて、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超える場合に前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項４】
請求項３に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池の出力電力が前記補機の要求電力を超えない場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項５】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の温度を検出し、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値以上である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記センサにより検出される温度が所定の閾値未満である場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項７】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電流及び電圧を検出し、
前記コントローラは、前記燃料電池の発電状態に基づいて前記燃料電池のＩＶ特性を求め、当該ＩＶ特性が所定の基準特性よりも良好であるか否かを判断し、前記良好であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記ＩＶ特性が前記基準特性よりも良好でないと判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項９】
請求項２に記載の電源システムであって、
前記センサは、前記発電状態として前記燃料電池の電圧を検出し、
前記コントローラは、前記補機が動作する電圧の前記範囲内に、前記センサにより検出される電圧がある場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記燃料電池は、燃料の供給を受けて発電する固体酸化型の燃料電池を含み、
前記燃料電池の上限電圧は、６０Ｖ未満である、
電源システム。
【請求項１１】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記燃料電池と前記補機との間を接続した場合には、前記燃料電池から出力される電力が一定となるように前記電圧変換装置の出力を下げる、
電源システム。
【請求項１２】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機の作動状態を検出する補機センサをさらに含み、
前記コントローラは、前記補機センサから出力される検出信号に応じて、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機の温度を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される温度に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１４】
請求項１２又は請求項１３に記載の電源システムであって、
前記補機センサは、前記作動状態として前記補機に供給される電流を検出し、
前記コントローラは、前記補機センサにより検出される電流に基づいて前記補機の負荷が過剰であるか否かを判断し、前記負荷が過剰であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を遮断する、
電源システム。
【請求項１５】
請求項１２から請求項１４までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記補機は、前記燃料電池に対して発電に必要となるガスを供給するアクチュエータを含み、
前記補機センサは、前記アクチュエータを駆動するモータの作動状態を検出する、
電源システム。
【請求項１６】
請求項２から請求項９までのいずれか１項に記載の電源システムであって、
前記蓄電装置は、前記燃料電池の電圧よりも高い電圧を出力する高電圧バッテリと、前記高電圧バッテリの電圧よりも低い電圧を出力する低電圧バッテリと、を含み、
前記高電圧バッテリは、車両を駆動するモータに接続され、前記低電圧バッテリは、前記補機給電装置に接続される、
電源システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電源システムであって、
前記コントローラは、前記補機給電装置が故障状態であるか否かを判断し、前記故障状態であると判断した場合には、前記燃料電池と前記補機との間を接続する、
電源システム。
【請求項１８】
蓄電装置と、前記蓄電装置に接続され前記蓄電装置よりも出力電力が低い燃料電池の電圧相当の範囲で動作する燃料電池の補機と、前記燃料電池と前記蓄電装置との間に介装される電圧変換装置と、前記電圧変換装置と前記蓄電装置との間の電圧を変換して当該電圧を前記補機に供給する補機給電装置と、を備える電源システムの制御方法であって、
前記補機給電装置から前記補機に供給される電力を、前記燃料電池と前記補機との間を接続して前記燃料電池から出力される電力に切り替える電源システムの制御方法。
【国際調査報告】
2019035169.tif 000014
2019035169.tif 000015
2019035169.tif 000016
2019035169.tif 000017