(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、二次電池と電力制御ユニットとの間に設けられたリレーが閉じられるまでに要する時間を短縮する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータと、二次電池と、電源制御装置とを備える。当該燃料電池システムにおいて、制御方法は、コンバータに設けられた第１コンデンサの電圧と、電源制御装置に設けられた第２コンデンサの電圧との差が閾値を超える場合、二次電池と電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じることにより第２コンデンサの電圧を上昇させるステップと、第２コンデンサの電圧の昇圧により、上記差が閾値以下となったときに、コンバータと、電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じるステップとを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータと、二次電池と、電源制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて実施される制御方法であって、
前記コンバータに設けられた第１コンデンサの電圧と、前記電源制御装置に設けられた第２コンデンサの電圧との差が閾値を超える場合、前記二次電池と前記電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じることにより前記第２コンデンサの電圧を上昇させるステップと、
前記第２コンデンサの電圧の前記昇圧により、前記差が前記閾値以下となったときに、前記コンバータと、前記電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じるステップと
を有する制御方法。
【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】
近年、燃料電池及び二次電池（バッテリ）を電源として使用する燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が注目されている。当該燃料電池システムから供給される電力は、電力制御ユニットの制御により、走行用モータ及び補機（例えば、ラジエータファン、冷却水ポンプ、電灯など）を含む電気負荷に供給される。特許文献１には、燃料電池システムについて開示されている。
【０００３】
上記のような燃料電池システムにおいて、二次電池と電力制御ユニットとの間に設けられたリレーを開状態から閉状態へ切り換える際に、電源回路に大きな突入電流が流れることを防ぐために、二次電池の出力電圧の昇圧コンバータ及び電力制御ユニットのそれぞれに設けられたコンデンサがプリチャージされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２０４３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の燃料電池システムにおいて、上記リレーが閉じられることが要求されたときに、昇圧コンバータと電力制御ユニットの間の電圧差が予め設定された最大値を超えている場合、部品の故障を回避するため、リレーは閉じられないように制御される。自然放電により電力制御ユニットの電圧が降下し、電圧差が低下した後、リレーは閉じられる。そのため、リレーが閉じられるまでに時間を要する場合がある。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、燃料電池システムにおいて、二次電池と電力制御ユニットとの間に設けられたリレーが閉じられるまでに要する時間を短縮する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る制御方法は、燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータと、二次電池と、電源制御装置とを備えた燃料電池システムにおいて実施される。前記制御方法は、前記コンバータに設けられた第１コンデンサの電圧と、前記電源制御装置に設けられた第２コンデンサの電圧との差が閾値を超える場合、前記二次電池と前記電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じることにより前記第２コンデンサの電圧を上昇させるステップと、前記第２コンデンサの電圧の前記昇圧により、前記差が前記閾値以下となったときに、前記コンバータと、前記電源制御装置との間に設けられたリレーを閉じるステップとを有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、二次電池と電力制御ユニットとの間に設けられたリレーが閉じられるまでに要する時間を短縮する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】一実施形態に係る燃料電池システムにおけるリレーの制御の例を示すフローチャートである。
【図３】一実施形態に係る燃料電池システムにおける各リレーの制御とコンデンサの電圧の変化の例を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。
【００１１】
１．燃料電池システムの構成
図１を参照して、本発明の一実施形態における燃料電池システムの概略構成の例を説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０、ＦＣ昇圧コンバータ２０、ＦＣリレー回路３０、パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）４０、二次電池５０、制御装置６０、二次電池用リレー回路７０、補機バッテリー１０５、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２を備える。
【００１２】
燃料電池１０は、反応ガスである水素と酸素とを反応させて発電する電池である。燃料電池システム１００を搭載した車両は、反応ガスとしての水素を貯留した水素タンク(図示しない)を有し、当該水素タンクから燃料電池１０へ水素が供給される。エアコンプレッサＭＧ１により大気中の空気が圧縮され、反応ガスとしての酸素がエアコンプレッサＭＧ１から燃料電池１０へ供給される。
【００１３】
ＦＣ昇圧コンバータ２０は、燃料電池１０が出力する電圧を、エアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２の駆動電圧まで昇圧させる昇圧コンバーターである。ＦＣ昇圧コンバータ２０は、電荷を蓄えることができる第１コンデンサ２１を有している。第１コンデンサ２１には、第１コンデンサ２１の電圧を測定するための第１電圧計Ｖ１が並列に接続されている。トラクションモーターＭＧ２は、燃料電池システム１００を搭載している車両のタイヤを駆動させて、車両を走行させるモーターである。トラクションモーターＭＧ２は、燃料電池１０または二次電池５０から供給された電力によつて駆動される。
【００１４】
ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間の電気的な接続と遮断とを切り替える回路である。図１に示すように、ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ昇圧コンバータ２０とＰＣＵ４０との間に配置されている。ＦＣリレー回路３０は、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢと対を成すＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧに並列に接続されているＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰを有する。ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰは、極性を有しており、ＰＣＵ４０側の電位がＦＣ昇圧コンバータ２０側の電位よりも高い場合に、通電可能である。
【００１５】
ＦＣリレー回路３０における回路の開閉のタイミングの詳細については後述するが、燃料電池システム１００の起動時には、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢが閉じられた後に、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰが閉じられ、第２コンデンサ４１が充電された後に、ＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧが閉じられる。燃料電池システム１００の燃料電池１０の発電の終了時には、ＦＣリレー回路３０において、起動時に各リレーが閉じる順序と逆の順序で各リレーが開いていく。
【００１６】
ＰＣＵ４０は、制御装置６０から送信された制御信号に基づいて、燃料電池システム１００における各部へ送電する電力量を制御する。ＰＣＵ４０は、第２コンデンサ４１、昇圧ＩＰＭ（Intelligent Power Module）４５、及びＩＰＭ４８を有している。第２コンデンサ４１は、平滑用蓄電部である。第２コンデンサ４１には、第２コンデンサ４１の電圧を測定するための第２電圧計Ｖ２が並列に接続されている。昇圧ＩＰＭ４５は、二次電池５０から供給される電力の電圧を昇圧させるコンバータである。ＩＰＭ４８は、電気負荷であるエアコンプレッサＭＧ１及びトラクションモーターＭＧ２に接続されたパワーモジュールである。
【００１７】
二次電池５０は、燃料電池１０の発電によつて得られた電力やトラクションモーターＭＧ２の回生電力を一時的に蓄える電池である。二次電池５０に蓄えられた電力は、燃料電池システム１００が備える各構成の駆動電力として使用される。
【００１８】
制御装置６０は、制御信号を送信することにより、燃料電池システム１００が有する各構成の動作を制御する。例えば、制御装置６０は、第１コンデンサ２１の電圧と、第２コンデンサ４１の電圧との差を特定し、特定された電圧差に基づいて、ＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉を制御することができる。例えば、制御装置６０は、電圧差が所定の閾値を超える場合、二次電池用リレー回路７０を閉じるように制御し、その結果、第２コンデンサ４１の電圧を上昇させるように制御することができる。また、制御装置６０は、電圧差が閾値以下の場合、ＦＣリレー回路３０を閉じるように制御することができる。ＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉の制御の詳細については後述する。
【００１９】
二次電池用リレー回路７０は、二次電池５０とＰＣＵ４０との電気的な接続と遮断とを切り替えるリレー回路である。二次電池用リレー回路７０は、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢと対を成す二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧ、及び二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧと並列に接続されている二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰを有する。
【００２０】
燃料電池システム１００の起動時には、制御装置６０は、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢを閉じた後に、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰを閉じて、昇圧ＩＰＭ４５に含まれる昇圧ＩＰＭコンデンサＶＬを充電させた後に、二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧを閉じる。燃料電池システム１００の燃料電池１０の発電の終了時には、制御装置６０は、二次電池用リレー回路７０において、起動時と逆の順序で各リレーを開いていく。
【００２１】
補機バッテリー１０５は、二次電池５０から供給された電力を一時的に蓄える補機用の電池である。補機バッテリー１０５に蓄えられた電力は、補機を駆動させるために用いられる。
【００２２】
２．リレーの開閉の制御
図２を参照して、燃料電池システム１００におけるＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉の制御装置６０による制御の処理を説明する。この処理は、燃料電池システム１００の起動時に開始する。
【００２３】
まず、制御装置６０は、第２コンデンサ４１をディスチャージし、第２コンデンサ４１の電圧値ＶＨを０Ｖにするように制御する（ステップＳ１１）。その後、制御装置６０は、第１コンデンサ２１の電圧値ＦＶＨを取得し、電圧値ＶＨと電圧値ＦＶＨの差（ＦＶＨ−ＦＶ）を算出し（ステップＳ１２）、当該差が所定の閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１３）。当該閾値には、ＦＣリレー回路３０が閉じたときに流れる電流が大きな突入電流とならないような電圧の値が設定される。閾値を超えると判断された場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、処理はステップＳ１４へ進み、他の場合、処理はステップＳ１７へ進む。
【００２４】
ステップＳ１４において、制御装置６０は、二次電池用リレー回路７０（ＳＭＲ）を閉じるように制御する。これにより、二次電池５０から昇圧ＩＰＭ４５に電力が供給され、昇圧ＩＰＭコンデンサＶＬの電圧値が上昇する。その後、制御装置６０は、電圧値ＶＨと電圧値ＦＶＨの差（ＦＶＨ−ＦＶ）が閾値を超えるか否かを判定する（ステップＳ１５）。この閾値は、ステップＳ１３の判断で使用された閾値と同じ値を使用できる。
【００２５】
制御装置６０は、その後、ＦＶＨ−ＦＶが閾値以下となるまでＦＶＨ−ＦＶを計測し、閾値以下となったときに（ステップＳ１５のＮｏ）、ＦＣリレー回路３０（ＦＣＲ）を閉じるように制御する（ステップＳ１６）。
【００２６】
また、ステップＳ１３において、閾値を超えると判断されなかった場合（ステップＳ１３のＮｏ）、制御装置６０は、ＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０を同時に閉じるように制御する。
【００２７】
以上のように本実施形態によれば、制御装置６０は、第１コンデンサ２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサ４１の電圧値ＶＨとの差を求め、求められた電圧差が閾値を超えるか否かに基づいて、ＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉を制御する。電圧差が閾値を超える場合、制御装置６０は、二次電池用リレー回路７０を閉じるように制御し、その結果、第２コンデンサ４１の電圧を上昇させるように制御する。その後、第２コンデンサ４１の電圧の上昇により上記電圧差が閾値以下となったときに、制御装置６０は、ＦＣリレー回路３０を閉じるように制御する。
【００２８】
上記のような方法でＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉を制御することにより、第１コンデンサ２１の電圧値ＦＶＨと、第２コンデンサ４１の電圧値ＶＨとの間の電圧差が高いときには、ＦＣリレー回路３０を閉じないため、突入電流による回路への負担を軽減することができる。さらに、電圧値ＦＶＨと、電圧値ＶＨとの間の電圧差が高いときは、電圧値ＶＨを上昇させることにより上記電圧差を低下させる。その結果、自然放電により電圧値ＦＶＨが下がるまで待ってからＦＣリレー回路３０を閉じるのに要する時間と比較して、短時間でＦＣリレー回路３０を閉じることができる。すなわち、本実施形態によれば、ＦＣリレー回路３０が閉じられるまでに要する時間を短縮することができる。
【００２９】
図３を参照して、燃料電池システム１００の起動時における制御装置６０によるＦＣリレー回路３０及び二次電池用リレー回路７０の開閉の制御の具体例を説明する。図３には、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰ、二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧのそれぞれのオン及びオフ（接続及び遮断）の状態の変化が時系列に示されている。さらに、電圧値ＶＨ、電圧値ＦＶＨ、及び電圧値ＶＨと電圧値ＦＶＨとの電圧差（ＦＶＨ−ＦＶ）に関して、時系列の変化が示されている。
【００３０】
この例において、制御の開始の時点（時間が０のとき）において、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢ、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰ、二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧ、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧは全て遮断状態であり、電圧値ＶＨは０Ｖであり、電圧差（ＦＶＨ−ＦＶ）は閾値（接続可判定閾値）を越えている。
【００３１】
その後、制御装置６０は、二次電池用第１メインリレーＳＭＲＢを接続し、次いで二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰを接続する。これにより、電圧値ＶＨが上昇し、ＦＶＨ−ＦＶが低下する。その後、制御装置６０により二次電池用第２メインリレーＳＭＲＧが接続され、二次電池用プリチャージリレーＳＭＲＰが遮断されると、電圧値ＶＨがさらに上昇し、ＦＶＨ−ＦＶがさらに低下する。これにより、この例において、ＦＶＨ−ＦＶの値が閾値以下となる。ＦＶＨ−ＦＶの値が閾値以下となったことに応じて、その後、制御装置６０は、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧを順次接続する。
【００３２】
また、図３には、電圧値ＦＶＨが自然放電により低下する前に、ＦＣ第１メインリレーＦＣＲＢ、ＦＣプリチャージリレーＦＣＲＰ、及びＦＣ第２メインリレーＦＣＲＧが接続されている（すなわち、ＦＣリレー回路３０が閉じられている）ことが示されている。
【００３３】
従って、本実施形態によれば、ＦＣリレー回路３０が閉じられるまでに要する時間を短縮することができる。
【００３４】
以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【００３５】
１０    燃料電池
２０    ＦＣ昇圧コンバータ
２１    第１コンデンサ
３０    ＦＣリレー回路
４０    パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
４１    第２コンデンサ
４５    昇圧ＩＰＭ
５０    二次電池
６０    制御装置
７０    二次電池用リレー回路
１００  燃料電池システム
１０５  補機バッテリー
ＭＧ１  エアコンプレッサ
ＭＧ２  トラクションモーター
ＳＭＲＢ  二次電池用第１メインリレー
ＳＭＲＧ  二次電池用第２メインリレー
ＳＭＲＰ  二次電池用プリチャージリレー
ＦＣＲＢ  ＦＣ第１メインリレー
ＦＣＲＧ  ＦＣ第２メインリレー
ＦＣＲＰ  ＦＣプリチャージリレー
【図１】
2018055782.tif 000003
【図２】
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【図３】
2018055782.tif 000005