(57)【要約】【課題】本発明の目的は、二次電池の電圧上昇を抑えながら、速やかにＦＣリレーを閉として燃料電池と回転電機とを接続することができる燃料電池システムを提供することにある。【解決手段】本発明は、充放電可能な二次電池と、前記二次電池の電圧変換を行う二次電池用電圧変換器と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧変換を行う燃料電池用電圧変換器と、前記燃料電池と前記回転電機との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、前記ＦＣリレーの開閉及び前記回転電機の駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記二次電池の電圧が所定の電圧値以上の場合には、前記回転電機の回生動作を禁止し、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差が所定の出力電圧値以下になるまで、前記ＦＣリレーを開とする。【選択図】図１
2011181227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池と、
前記二次電池と回転電機との間に設けられ、前記二次電池の電圧変換を行う二次電池用電圧変換器と、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池と前記回転電機との間に設けられ、前記燃料電池の電圧変換を行う燃料電池用電圧変換器と、
前記燃料電池と前記回転電機との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、
前記ＦＣリレーの開閉及び前記回転電機の駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記二次電池の電圧が所定の電圧値以上の場合には、前記回転電機の回生動作を禁止し、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差が所定の出力電圧値以下になるまで、前記ＦＣリレーを開とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記二次電池の電力により前記回転電機を駆動させ、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差を所定の出力電圧値以下とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差が所定の出力電圧値以下となって、前記ＦＣリレーを閉とすると共に前記回転電機の回生動作を許可した後、回転電機の回生パワーをレート処理により設定することを特徴とする燃料電池システム。
【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おけるリレー接続の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動車両に搭載されている燃料電池システムには、燃料電池と二次電池とを並列に接続し、電動車両に搭載された回転電機等に対してそれぞれから電力を供給できるようにしたものがある。そして、該燃料電池システムには、燃料電池と回転電機との接続を入り切りするＦＣリレーが設けられており、燃料電池が停止している際には燃料電池を回転電機から切り離し、燃料電池が始動したら燃料電池を回転電機に接続するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２６４０号公報
【特許文献２】特開２００３−５２１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常、二次電池の電圧が高い場合には、二次電池の開放電圧が燃料電池の開放電圧と近くなり、二次電池用電圧変換器が二次電池の電圧を昇圧することができなくなる。そうなると、ＦＣリレーの故障を回避するため、ＦＣリレーを閉として燃料電池と回転電機とを接続することができない場合があり、従来では、ＦＣリレーを閉とすることができる電圧まで、二次電池から回転電機へ電力を供給して、回転電機を駆動させることにより、二次電池の電荷を消費させ、二次電池の電圧を低下させている。
【０００５】
しかし、二次電池から回転電機へ電力を供給して、回転電機を駆動させる時に、回転電機の回生動作が実施されれば、二次電池が充電されて、二次電池の電圧が高いまま維持されてしまい、ＦＣリレーを閉とすることができない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、二次電池の電圧上昇を抑えながら、速やかにＦＣリレーを閉として燃料電池と回転電機とを接続することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、充放電可能な二次電池と、前記二次電池と回転電機との間に設けられ、前記二次電池の電圧変換を行う二次電池用電圧変換器と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池と前記回転電機との間に設けられ、前記燃料電池の電圧変換を行う燃料電池用電圧変換器と、前記燃料電池と前記回転電機との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、前記ＦＣリレーの開閉及び前記回転電機の駆動を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、前記二次電池の電圧が所定の電圧値以上の場合には、前記回転電機の回生動作を禁止し、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差が所定の出力電圧値以下になるまで、前記ＦＣリレーを開とする。
【０００８】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記二次電池の電力により前記回転電機を駆動させ、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差を所定の出力電圧値以下とすることが好ましい。
【０００９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池用電圧変換器の出力電圧と前記二次電池用電圧変換器の出力電圧との差が所定の出力電圧値以下となって、前記ＦＣリレーを閉とすると共に前記回転電機の回生動作を許可した後、回転電機の回生パワーをレート処理により設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、二次電池の電圧上昇を抑えながら、速やかにＦＣリレーを閉として燃料電池と回転電機とを接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】二次電池及び各昇降圧コンバータの出力電圧を示すタイムチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムにおける回生パワーレート処理のタイムチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの動作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】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように、電動車両等に搭載される燃料電池システム１は、充放電可能な二次電池１０と、二次電池１０の電圧変換を行う二次電池用昇降圧コンバータ１２と、燃料電池１４と、燃料電池１４の電圧変換を行う燃料電池用昇圧コンバータ１６と、各昇降圧コンバータの直流電力を交流電力に変換して回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）に供給するインバータ１８と、制御部３２と、を備えている。
【００１３】
二次電池１０は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成されており、二次電池用昇降圧コンバータ１２を介してインバータ１８に接続されている。二次電池用昇降圧コンバータ１２は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１０から供給された電圧を回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）が駆動する電圧に変換するものである。また、二次電池１０と二次電池用昇降圧コンバータ１２との間の電路には、二次電池１０と負荷系統（回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）、燃料電池用水素ポンプ、冷却水ポンプ、エアコンディショナ等）との電気的接続を入り切りするシステムリレー２０が設けられている。
【００１４】
燃料電池１４は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するものであり、燃料電池用昇圧コンバータ１６を介してインバータ１８に接続されている。燃料電池用昇圧コンバータ１６は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって燃料電池１４から供給された電圧を回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）が駆動する電圧に変換するものである。また、燃料電池１４とインバータ１８との間の電路には、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）と燃料電池１４との電気的接続を入り切りするＦＣリレー２２が設けられている。
【００１５】
二次電池用昇降圧コンバータ１２の入力側には、二次電池１０から出力される電圧を平滑化する１次側コンデンサ２４が設けられている。また、燃料電池用昇圧コンバータ１６の入力側には、燃料電池１４から出力される電圧を平滑化する１次側コンデンサ２６及び燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力側には、燃料電池用昇圧コンバータ１６により出力される電圧を平滑下する２次側コンデンサ２８が設けられている。また、インバータ１８の入力側には、各昇降圧コンバータにより出力された電圧を平滑化する２次側コンデンサ３０が設けられている。また、各コンデンサには、各コンデンサの電圧を検出する電圧センサ（不図示）がそれぞれ設けられている。
【００１６】
インバータ１８は、各昇降圧コンバータから与えられる直流電圧を交流電圧に変換して回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）に出力したり、回生動作に伴い回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）で発電された電力を二次電池１０側に戻すものである。
【００１７】
制御部３２は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池用昇圧コンバータ１６、二次電池用昇降圧コンバータ１２、インバータ１８、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）、ＦＣリレー２２、システムリレー２０は制御部３２に接続され、制御部３２の指令によって動作するよう構成されている。各電圧センサ（不図示）はそれぞれ制御部３２に接続され、各電圧センサの検出信号が制御部３２に入力されるよう構成されている。
【００１８】
図２は、二次電池及び各昇降圧コンバータの出力電圧を示すタイムチャートである。図２に示すように、二次電池１０の電圧がある一定値を超えた高い電圧であると、二次電池１０の開放電圧が燃料電池１４の開放電圧と近くなるため、二次電池用昇降圧コンバータ１２が二次電池１０の電圧を昇圧することができなくなる。そして、二次電池１０の電圧を昇圧せずに、ＦＣリレー２２を閉として燃料電池１４と回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）とを接続すると、ＦＣリレー２２に大量の電流が流れる等でＦＣリレー２２が故障する場合がある。そのため、図２に示すように、二次電池１０の電圧をある一定値以下にしてから、二次電池用昇降圧コンバータ１２により二次電池１０の電圧を昇圧する必要がある。そしてこの際に、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）の回生動作があると、二次電池１０が充電されて二次電池１０の電圧をある一定値以下にするまでに時間が掛かり、ＦＣリレー２２を閉にすることができなくなる。
【００１９】
そこで、本実施形態の制御部３２は、インバータ１８に対して回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）を駆動するための交流電圧に変換するための駆動指示と、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）で発電された交流電圧を直流電圧に変換して二次電池１０側に戻す回生指示とを出力するものであるが、二次電池１０の電圧を検出する電圧センサから入力された電圧値が所定電圧値以上の場合には、インバータ１８に対して回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）の回生動作を禁止する指示を出力する。ここで、所定電圧値は、二次電池１０の電圧がその設定した電圧値以上になると、二次電池１０の開放電圧が燃料電池１４の開放電圧と近くなるため、二次電池用昇降圧コンバータ１２が二次電池１０の電圧を昇圧することができなくなる電圧値又はＦＣリレー２２を閉として燃料電池１４と回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）とを接続することができなくなる電圧値に設定されていればよい。
【００２０】
また、制御部３２は、回生動作を禁止する指示が出力される場合には、燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力電圧を検出する電圧センサから入力された出力電圧値と二次電池用昇降圧コンバータ１２の出力電圧を検出する電圧センサから入力された出力電圧値との差を算出し、その算出した値が所定出力電圧値以下になるまで、ＦＣリレー２２に開の指示を出力する。ここで、所定出力電圧値は、ＦＣリレー２２を閉として燃料電池１４と回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）とを接続することができる出力電圧値に設定されていればよい。
【００２１】
このような制御部３２の動作により、ＦＣリレー２２を閉として燃料電池１４と回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）とを接続することができるようになるまで、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）の回生動作を禁止しているため、二次電池１０の電圧上昇を抑制することができる。
【００２２】
また、燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力電圧と二次電池用昇降圧コンバータ１２の出力電圧との差が所定出力電圧値を超えている場合には、制御部３２は、二次電池１０の電力によって回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）が駆動するように、インバータ１８及び二次電池用昇降圧コンバータ１２に、駆動指示を出力する。これにより、速やかに二次電池１０の電圧を所定電圧値以下まで低下させることができる。
【００２３】
また、燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力電圧と二次電池用昇降圧コンバータ１２の出力電圧との差が所定出力電圧値以下となった場合には、制御部３２は、ＦＣリレー２２に閉の指示を出力すると共に、回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）で発電された交流電圧を直流電圧に変換して二次電池１０側に戻す回生許可の指示を出力する。一般的に、ＦＣリレー２２の接続及び回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）で発電された電力の回生を許可した後に、回生動作が起こると、回生トルクが発生するため、回生禁止の際とは異なる感覚をユーザーに与えることになる（ドラビリ悪化の原因になる）。そこで、本実施形態では、図３に示すように、ＦＣリレー２２の接続及び回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）で発電された電力の回生を許可した後は、制御部３２によって回生パワーをレート処理によって設定し、徐々に回生パワーを増加させる。これにより、回生禁止の状態から回生許可への切替時に起こるドラビリの悪化を抑制することができる。なお、レート処理の回生パワーレートは、予め制御部３２に記憶されている。
【００２４】
図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作を説明するためのフローチャートである。
【００２５】
図４に示すように、ステップＳ１０では、二次電池１０の電圧を検出する電圧センサにより、二次電池１０の電圧が検出される。そして、制御部３２により、検出された二次電池１０の電圧値が所定電圧値以上であるか否かが判定される。二次電池１０の電圧値が所定電圧値以上の場合には、ステップＳ１２に進み、制御部３２によりインバータ１８に対して回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）の回生動作を禁止する指示及びＦＣリレー２２に開の指示が出力され、二次電池１０の電圧が所定電圧未満の場合には、ステップＳ１０に戻される。次に、ステップＳ１４では、制御部３２により二次電池用昇降圧コンバータ１２及び燃料電池用昇圧コンバータ１６に駆動指示が出力され、各コンバータの出力電圧（目標電圧）が設定される。次に、ステップＳ１６では、二次電池用昇降圧コンバータ１２の出力電圧を検出する電圧センサ及び燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力電圧を検出する電圧センサにより、各コンバータの出力電圧が検出される。そして、制御部３２により、燃料電池用昇圧コンバータ１６の出力電圧値と二次電池用昇降圧コンバータ１２の出力電圧値との差が算出され、その算出された値が所定出力電圧値以下であるか否かが判定される。
【００２６】
上記算出された値が所定出力電圧値を超える場合には、ステップＳ１８に進み、二次電池１０の電荷を回転電機（ＭＧ１，ＭＧ２）の駆動で消費するために、制御部３２により、インバータ１８及び二次電池用昇降圧コンバータ１２に、駆動指示が出力される。
【００２７】
上記算出された値が所定出力電圧値以下の場合には、ステップＳ２０に進み、制御部３２により、ＦＣリレー２２に開の指示が出力され、また、インバータ１８に対して回生許可の指示が出力される。
【００２８】
回生許可の指示が出力された後、ステップＳ２２では、制御部３２によって、徐々に回生パワーが増加するようにレート処理された回生パワーが設定される。
【００２９】
以上のように、本実施形態では、ＦＣリレーを閉として燃料電池と回転電機とを接続することができるようになるまで、回転電機の回生動作を禁止しているため、二次電池の電圧上昇を抑制することができる。また、二次電池の電力は、回転電機の駆動に使用されるため、速やかに二次電池の電圧を低下させることができる。さらに、回生動作の禁止から回生許可の切替後には、徐々に回生パワーが増加するようにレート処理された回生パワーが設定されるため、回生トルクの発生によるドラビリの悪化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池システム、１０  二次電池、１２  二次電池用昇降圧コンバータ、１４  燃料電池、１６  燃料電池用昇圧コンバータ、１８  インバータ、２０  システムリレー、２２  ＦＣリレー、２４，２６  １次側コンデンサ、２８，３０  ２次側コンデンサ、３２  制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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