(57)【要約】【課題】  燃料電池を搭載した車両の走行中に燃料電池の故障が発生しても、走行を安全に続行する。【解決手段】  ＦＣユニット２０において、燃料電池の基本単位であるセルＶ１〜Ｖ４は直列に接続される。セルＶ１〜Ｖ４にはそれぞれ保護ダイオードＤ１〜Ｄ４が並列に接続されている。保護ダイオードＤ１〜Ｄ４は、それぞれ、順方向の電流の流れが、セルＶ１〜Ｖ４で構成されるセルスタックの電流の流れの方向と一致するよう配置される。保護ダイオードＤ１〜Ｄ４には、それぞれ保護用トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｍ１〜Ｍ４が並列に接続されている。ＦＣユニット２０の出力電流は電流センサ４０により検知される。保護ダイオードＤ１〜Ｄ４の出力電流はそれぞれ電流センサＧ１〜Ｇ４により検知される。電流センサ４０の検知結果と電流センサＧ１〜Ｇ４の検知結果に基づいて、セルＶ１〜Ｖ４の故障発生が検出される。【選択図】  図１
2015011865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが直列に接続された燃料電池を管理する装置であって、
前記複数のセルにそれぞれダイオードが並列に接続され、該ダイオードは、順方向の電流の流れが前記燃料電池の電流の流れる方向と一致するよう配置され、
前記燃料電池の出力電流値を検知する第１の電流センサが前記燃料電池に接続され、
前記ダイオードの出力電流値を検知する第２の電流センサが前記ダイオード毎に接続され、
前記複数のセルのうち故障が発生したセルに接続された前記ダイオードに電流が流れる結果、前記燃料電池の出力電流値と前記ダイオードの出力電流値の差分に変化が生じることに基づいて、前記故障が発生したセルを判定する燃料電池管理装置。
【請求項２】
ＭＯＳＦＥＴが前記ダイオードのそれぞれに並列に接続されると共に前記複数のセルのそれぞれに並列に接続され、
前記複数のセルのいずれかに故障が発生したと判定されると、故障発生が判定されたセルに接続されている前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに電圧が印加される請求項１に記載の燃料電池管理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載される燃料電池の故障検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動二輪車、自動四輪車等の車両の分野では、地球環境に配慮して、動力源として燃料電池を搭載した車両が知られている。このような車両において燃料電池が故障すると車両の走行に影響を及ぼす。そこで、燃料電池の故障を検知し、故障の発生を運転者に報知する故障報知システムが提案されている。例えば、燃料電池の各セルの電圧、電流、温度を測定し、これらの測定結果に基づいて故障の発生を検出するというシステムが知られている。セルの電圧検知としては、電池ユニットに組み込んだダイオードで電圧を検知するものがある。
【０００３】
このようなシステムでは、ダイオードの出力結果に基づいて異常発生の有無を判定し、異常が検出されたコンタクタを動作させ、電源供給を停止するという処理が一般的に行われている。しかし、異常検出からコンタクタの動作まではタイムラグがある。従って、電池が断線故障の場合には電流が断線箇所に流され続ける結果、高電圧が発生してしまうという問題があった。また、従来のシステムではセルに故障が発生すると電池ユニットからの電力の供給が停止されるため、車両が走行できなくなってしまう。すなわち、このようなシステムでは、異常検出はできるものの車両の走行が突然できなくなるという不都合もあった。
【０００４】
特許文献１では、複数の電源を並列に接続し、通常は相対的に電圧の高い電源から負荷設備に電源を供給し、当該電源に故障が発生したら他の電源に切り替えるという、負荷駆動システムが提案されている。また、特許文献２の組電池システムでは、リチウムイオン電池である単電池を複数直列に接続して単組電池を構成し、複数の単組電池を並列に接続して、組電池を構成している。そして、各単組電池の電流値を測定し、その測定結果に基づいて単組電池の異常発生を判定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−４３７６４号公報
【特許文献２】特開２０１２−８８０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の負荷駆動システムは、予備用も含め複数の電源を用意しなければならない。従って、配置スペースに制約がある自動二輪車や自動四輪車等の車両に搭載するには適していない。また、特許文献２の組電池システムの単組電池は負荷設備のバックアップ電源であり、通常はフロート充電で運用され、停電発生時に単組電池から放電するよう構成されている。従って、走行する車両に搭載するには適していない。さらに、仮に特許文献１及び特許文献２のシステムを車両に搭載したとしても、並列に接続された複数の電源、あるいは複数の単組電池の全てに故障が発生した場合、システムからの電力供給は停止してしまう。従って、このような場合には車両の走行を続行することはできない。
【０００７】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を搭載した車両の走行中に燃料電池の故障が発生しても、走行を安全に続行することができる燃料電池管理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、複数のセルが直列に接続された燃料電池を管理する装置であって、前記複数のセルにそれぞれダイオードが並列に接続され、該ダイオードは、順方向の電流の流れが前記燃料電池の電流の流れる方向と一致するよう配置され、前記燃料電池の出力電流値を検知する第１の電流センサが前記燃料電池に接続され、前記ダイオードの出力電流値を検知する第２の電流センサが前記ダイオード毎に接続され、前記複数のセルのうち故障が発生したセルに接続された前記ダイオードに電流が流れる結果、前記燃料電池の出力電流値と前記ダイオードの出力電流値の差分に変化が生じることに基づいて、前記故障が発生したセルを判定するよう構成される。
【０００９】
また、ＭＯＳＦＥＴが前記ダイオードのそれぞれに並列に接続されると共に前記複数のセルのそれぞれに並列に接続され、前記複数のセルのいずれかに故障が発生したと判定されると、故障発生が判定されたセルに接続されている前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに電圧が印加されるよう構成してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
上述のように、本発明に係る燃料電池管理システムは、複数のセルにそれぞれダイオードが並列に接続され、各ダイオードは、順方向の電流の流れが燃料電池の電流の流れる方向と一致するよう配置されているため、複数のセルのいずれかに故障が発生しても、故障発生のセルに接続されたダイオードに電流が流れる。従って、車両の駆動系を構成するモータ等への電流の供給が停止することがなく、車両の運転継続が可能となる。
【００１１】
また、セルに故障が発生した場合、並列に接続されたダイオードに遅延なく電流を迂回することができるため、故障したセルに電流が流され続けることが回避され、異常電圧が発生することがない。
【００１２】
さらに、燃料電池の出力電流値とダイオードの出力電流値の差分に変化が生じることに基づいて、故障が発生したセルを判定することにより、燃料電池の故障の発生、並びに故障したセルを運転者に報知することができる。
【００１３】
ＭＯＳＦＥＴがダイオードのそれぞれに並列に接続されると共に複数のセルのそれぞれに並列に接続され、複数のセルのいずれかに故障が発生したと判定されると、故障発生が判定されたセルに接続されているＭＯＳＦＥＴのゲートに電圧が印加される構成とすることにより、セルの故障発生時、ＭＯＳＦＥＴがＯＮとなる。その結果、セルの故障時、ダイオードに流れる電流がＭＯＳＦＥＴへ流れるため、ダイオードに電流を流した場合の電圧降下がなく、電力損失を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用燃料電池の劣化検出システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る車両用燃料電池の管理装置のブロック図である。コントローラ１０は管理装置１全体を制御する例えばマイクロコンピュータである。ＦＣ（燃料電池）ユニット２０は、燃料電池の基本単位であるセルＶ１〜Ｖ４を備える。セルＶ１〜Ｖ４は高分子膜を間にしてアノード極とカソード極が貼り合された構成を備えている。アノード極及びカソード極は白金微粒子をカーボン担体上に担持した触媒と電解質から構成され、アノード極に水素が導入されると、水素はイオン化して高分子膜を通してカソード極へ移動し、同時にイオン化した時放出される電子は，高分子膜を通らずに導線を伝って外部へ抜け出し電流となる。図１では、セルＶ１〜Ｖ４はそれぞれ電極のみが示されている。セルＶ１〜Ｖ４は直列に接続され、セルスタックを構成している。尚、図１では説明の都合上、４セルのみ記載しているが、通常は５０〜１００セルが直列に接続されてセルスタックが構成されている。
【００１６】
セルＶ１〜Ｖ４にはそれぞれ保護ダイオードＤ１〜Ｄ４が並列に接続されている。保護ダイオードＤ１〜Ｄ４は、それぞれ、アノード極がＦＣユニット２０の入力側に位置、カソード極がＦＣユニット２０の出力側に位置するよう配置される。すなわち、保護ダイオードＤ１〜Ｄ４の順方向の電流の流れは、ＦＣユニット２０の電流の流れの方向と一致している。セルＶ１〜Ｖ４にオープンモードの故障が発生すると、保護ダイオードＤ１〜Ｄ４に電流がバイパスされる。また、保護ダイオードＤ１〜Ｄ４は、後述するモータの駆動電流を流すことが可能な容量を有している。保護ダイオードＤ１〜Ｄ４のカソード極には、それぞれ電流センサＧ１〜Ｇ４が接続されている。電流センサＧ１は、セルＶ１にオープンモードの故障が発生した場合に、保護ダイオードＤ１に流れる電流の大きさを検知する。同様に、電流センサＧ２〜Ｇ４も、それぞれ接続されている保護ダイオードＤ２〜Ｄ４から出力される電流の大きさを検知する。
【００１７】
また、保護ダイオードＤ１〜Ｄ４には、それぞれ電界効果トランジスタの一種であるＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下「保護用トランジスタ」と称する）Ｍ１〜Ｍ４が並列に接続されている。保護用トランジスタＭ１〜Ｍ４の各ゲートはシステムコントローラ１０に接続されている。システムコントローラ１０から出力される制御信号に応じて保護用トランジスタＭ１〜Ｍ４のＯＮ／ＯＦＦが制御される。
【００１８】
ＦＣユニット２０の出力側には、電流センサ４０を介してモータ３０が接続されている。ＦＣユニット２０の出力電流は電流センサ４０により検知される。電流センサ４０には差動増幅器５０が接続され、差動増幅器５０はコントローラ１０に接続されている。電流センサ４０で検知されたＦＣユニット２０の出力電流値は差動増幅器５０で増幅され、ＦＣユニット２０の出力電流検知出力としてコントローラ１０に入力される。上述の電流センサＧ１〜Ｇ４には、それぞれ差動増幅器６１〜６４が接続され、差動増幅器６１〜６４はコントローラ１０に接続されている。電流センサＧ１〜Ｇ４で検知された保護ダイオードＤ１〜Ｄ４の出力電流値は、それぞれ差動増幅器６１〜６４で増幅され、セルＶ１〜Ｖ４の故障出力１〜４としてコントローラ１０に入力される。
【００１９】
次に、本実施形態の管理装置１の動作について説明する。ＦＣユニット２０が正常に動作している場合、セルＶ１〜Ｖ４の出力電流はそのまま電流センサ４０に流れていき、保護ダイオードＤ１〜Ｄ４、保護用トランジスタＭ１〜Ｍ４、電流センサＧ１〜Ｇ４には電流は流れない。従って、電流センサ４０により検知され差動増幅器５０を介してシステムコントローラ１０に入力される出力電流検知出力の値（電流値）と、電流センサＧ１〜Ｇ４により検知され差動増幅器６１〜６４を介してシステムコントローラ１０に入力される故障出力１〜４の値（電流値）は大きく異なる。
【００２０】
ＦＣユニット２０にオープンモードの故障が発生した場合、例えばセルＶ３がオープンモードで故障した場合、セルＶ３に流れる電流は略すべて保護ダイオードＤ３及び電流センサＧ３に流れる。従って、電流センサ４０により検知され差動増幅器５０を介してシステムコントローラ１０に入力される出力電流検知出力の値と、電流センサＧ３により検知され差動増幅器６３を介してシステムコントローラ１０に入力される故障出力３の値が、略等しくなる。すなわち、正常動作時に比べ、出力電流検知出力の値と故障出力３の値との差分に変化が生じる。システムコントローラ１０では、出力電流検知出力の値と故障出力３の値が略等しくなり、その差分が正常動作時に比べ変動したことに基づいて、セルＶ３に故障が発生していると判定する。
【００２１】
セルＶ３にオープンモードの故障が発生すると、モータ３０の駆動電流と同じ電流がセルＶ３に流れることにより、セルＶ３の両端にはＦＣユニット２０の全電圧に相当する電圧が発生することになる。しかし、本実施形態によれば、オープンモードの故障時、セルＶ３に流れる電流は略すべて保護ダイオードＤ３及び電流センサＧ３に流れるため、セルＶ３がオープンモードで故障しても異常電圧は発生しない。セルＶ３は燃料電池の基本単位であり、その構造上、上述のように水素が供給される。もし、オープンモードの故障時、セルＶ３に異常電圧が加わり火花が発生すると、水素と反応し極めて危険である。しかし、本実施形態によればこのような危険は回避される。また、セルＶ３に流れるはずの電流が保護ダイオードＤ３及び電流センサＧ３へバイパスされるため、セルＶ３の故障後も引き続きモータ３０へ電力が供給される。従って、車両の運転を続行することが可能である。
【００２２】
さらに、本実施形態において、差動増幅器６３から故障出力３が入力され、セルＶ３におけるオープンモードの故障の発生が検知されたら、システムコントローラ１０から保護用トランジスタＭ３をＯＮする制御信号（ゲートに電圧を印加する信号）を出力してもよい。これにより、次のような効果が得られる。セルＶ３にオープンモードの故障が発生すると、保護ダイオードＤ３にモータ３０の駆動電流と同じ電流が流れるため、保護ダイオードＤ３には順方向の０．７Ｖ程度の電圧降下が発生する。この場合、車両の運転を続行すると、すなわちモータ３０の駆動を続行すると、保護ダイオードＤ３の電圧降下により電力損失（０．７×モータ駆動電流）が発生する。このとき、保護ダイオードＤ３と並列に接続された保護用トランジスタＭ３をＯＮすることにより、電流が保護用トランジスタＭ３に流れ、保護ダイオードＤ３の電圧を０Ｖ近くまで下げることができる。従って、保護ダイオードＤ３の電圧降下による上述の電力損失を低下させることができる。さらに、保護ダイオードＤ３の電圧が０Ｖ近くまで下がることにより、Ｖ３の故障発生時における保護ダイオードＤ３の発火を確実に抑えることができる。その結果、セルＶ３の水素との反応を確実に回避し、より高い安全性を確保することができる。
【００２３】
以上、セルＶ３に故障が発生した場合を例にとって説明したが、セルＶ１、Ｖ２、Ｖ４に故障が発生した場合も同様の動作が行われる。
【００２４】
尚、いずれかのセルに故障が検知された場合、システムコントローラ１０が、ＦＣユニット２０に故障が発生した旨を音声若しくは画像（例えば、ダッシュボードパネルのモニタへのメッセージ表示）等により運転者に報知するよう、構成することもできる。これにより、車両の走行は継続しつつ、早急に故障に対応する必要があることを運転者に促すことができる。
【００２５】
尚、本実施形態の燃料電池管理装置１はオープンモードの故障発生に対応しているが、図１に示す回路に各セルの電圧検知による通常の故障検知回路を組み込むことにより、オープンモード以外の内部短絡等の故障にも対応することができる。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  コントローラ
２０  ＦＣユニット
３０  負荷
４０  電流センサ
５０、６１〜６４  差動増幅器
Ｖ１〜Ｖ４  燃料電池
Ｄ１〜Ｄ４  保護ダイオード
Ｍ１〜Ｍ４  保護用ＭＯＳＦＥＴ
Ｇ１〜Ｇ４  電流センサ
【図１】
2015011865.tif 000003