(57)【要約】  電池システムは、複数の電池セルが積層された積層電池と、積層電池の正極に接続され、前記正極との接続を遮断状態に切り替える第１スイッチと、積層電池の負極に接続され、前記負極との接続を遮断状態に切り替える第２スイッチとを含む。そして電池システムは、第１スイッチと積層電池の正極との間、及び、第２スイッチと積層電池の負極との間のうち少なくとも一方に接続される回路と、前記正極と前記負極との間に生じる電気容量に応じて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを遮断状態から接続状態に制御するタイミングをずらす制御手段とを含む。
2016006036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電池セルが積層された積層電池と、
前記積層電池の正極に接続され、前記正極との接続を遮断状態に切り替える第１スイッチと、
前記積層電池の負極に接続され、前記負極との接続を遮断状態に切り替える第２スイッチと、
前記正極と前記第１スイッチとの間、及び、前記負極と前記第２スイッチとの間のうち少なくとも一方に接続される回路と、
前記正極と前記負極との間に生じる電気容量に応じて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを遮断状態から接続状態に制御するタイミングをずらす制御手段と、
を含む電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電池システムであって、
前記制御手段は、前記回路が動作する際の基準となる電位の変動が小さくなるように、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち一方のスイッチを接続状態にした後に、他方のスイッチを遮断状態から接続状態に設定する、
電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の電池システムであって、
前記制御手段は、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのうち、前記回路との間に形成される前記電気容量が小さい方のスイッチから先に接続状態に切り替える、
電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電池システムであって、
当該電池システムは、前記電池セルである燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給して前記燃料電池を発電させる燃料電池システムであり、
前記制御手段は、前記燃料電池システムが起動された場合において前記積層電池の電圧が所定の閾値よりも低いときには、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを同時に接続状態に切り替える、
電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の電池システムであって、
前記回路は、前記積層電池の電圧を検出する検出回路を含み、
前記制御手段は、前記燃料電池システムが起動された場合において前記積層電池の電圧が前記所定の閾値を超えたときには、前記一方のスイッチを前記他方のスイッチよりも先に接続状態に切り替える、
電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の電池システムであって、
前記回路は、当該回路が動作する際の基準となる電位を供給する基準線に接続され、
前記制御手段は、前記一方のスイッチを接続状態に切り替えてから、前記基準線と前記一方のスイッチとの間の前記電気容量の大きさに基づいて定められた時間の経過後に、前記他方のスイッチを接続状態に切り替える、
電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の電池システムであって、
前記回路は、
前記積層電池の前記正極及び前記負極を絶縁する絶縁回路と、
前記絶縁回路によって前記正極及び前記負極と絶縁され、前記正極及び前記負極からの信号を処理する処理回路と、を含み、
前記処理回路は、前記基準線と接続され、
前記制御手段は、前記基準線と前記第１スイッチとの間に形成される前記電気容量と、前記基準線と前記第２スイッチとの間に形成される前記電気容量とのうち、小さい方のスイッチを接続状態に切り替えた後に、大きい方のスイッチを接続状態に切り替える、
電池システム。
【請求項８】
複数の電池セルが積層された積層電池と、前記積層電池の正極に接続された第１スイッチと、前記積層電池の負極に接続された第２スイッチと、前記正極と前記第１スイッチとの間、及び、前記負極と前記第２スイッチとの間のうち少なくとも一方に接続される回路と、を含む電池システムの制御方法であって、
前記第１スイッチにより前記正極との接続を遮断状態に切り替えるステップと、
前記第２スイッチにより前記負極との接続を遮断状態に切り替えるステップと、
前記正極と前記負極との間に生じる電気容量に応じて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを遮断状態から接続状態に制御するタイミングをずらすステップと、
を含む電池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、積層電池と接続される回路を備える電池システム及び電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ４７４６５９３Ｂには、燃料電池と負荷との間をつなぐ正極及び負極の各々の電力線に設けられたスイッチに対して、２つのスイッチが接続される順番をシステムの起動時に入れ替えることが記載されている。
【発明の概要】
【０００３】
上述のような電池システムにおいて、例えば燃料電池の状態を検出する回路が電力線に接続されている状態では、電力線間に浮遊する電気容量によって回路にノイズが混入してしまうことがある。
【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、電池システムと接続される回路に混入するノイズを抑制する電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明のある態様によれば、電池システムは、複数の電池セルが積層された積層電池と、前記積層電池の正極に接続され、前記正極との接続を遮断状態に切り替える第１スイッチと、前記積層電池の負極に接続され、前記負極との接続を遮断状態に切り替える第２スイッチとを含む。また電池システムは、前記第１スイッチと前記正極との間、及び、前記第２スイッチと前記負極との間のうち少なくとも一方に接続される回路と、前記正極と前記負極との間に生じる電気容量に応じて、前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを遮断状態から接続状態に制御するタイミングをずらす制御手段とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す等価回路図である。
【図２】図２は、正極スイッチ及び負極スイッチを同時にＯＮしたときに、燃料電池スタックの電源線間に浮遊する浮遊容量によって生じる電荷の移動を示す参考図である。
【図３】図３は、本実施形態における正極スイッチ及び負極スイッチを切り替える手法を示すタイムチャートである。
【図４】図４は、電気回路の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、燃料電池システムを制御する制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す等価回路図である。
【図７】図７は、負極スイッチをＯＮした後に正極スイッチをＯＮしたときの電荷の流れを示す図である。
【図８】図８は、本実施形態における正極スイッチ及び負極スイッチを切り替える手法を示すタイムチャートである。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す等価回路図である。
【図１０】図１０は、燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【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実施形態における燃料電池システムの構成を示す等価回路図である。
【０００９】
燃料電池システム１は、燃料電池にアノードガス（燃料ガス）及びカソードガス（酸化剤ガス）を供給して燃料電池を発電させる電池システムである。燃料電池システム１は、例えば電動自動車に搭載される。
【００１０】
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、電気回路２０と、遮断器３０とを含む。遮断器３０は、正極スイッチ３１と負極スイッチ３２とを含む。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、複数の電池セルとして数百枚の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１０の正極側の最上段に正極端子１１が設けられ、負極側の最下段に負極端子１２が設けられている。燃料電池スタック１０の正極端子１１は電源線１０１に接続されるとともに、負極端子１２は電源線１０２に接続される。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、積層された燃料電池にアノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池は、電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガスと、カソード電極に酸素を含有するカソードガスとを外部から受けることによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応（発電反応）は以下の通りである。
【００１３】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-                 …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ         …(２)
【００１４】
燃料電池スタック１０は、例えば、遮断器３０を介して電気負荷（不図示）に接続される。電気負荷としては、電動モータや、電動モータが接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ、燃料電池スタック１０の補機などが挙げられる。燃料電池スタック１０の補機は、燃料電池スタック１０を発電させるために設けられた部品であり、例えば、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するコンプレッサなどが挙げられる。
【００１５】
電気回路２０は、燃料電池スタック１０に接続される回路である。電気回路２０は、例えば、燃料電池スタック１０の電圧や電流などの運転状態を検出する。本実施形態では、電気回路２０は、燃料電池スタック１０が有する内部抵抗を測定する。
【００１６】
電気回路２０は、燃料電池スタック１０と遮断器３０との間に並列に接続される。具体的には、電気回路２０は、燃料電池スタック１０の正極端子１１と正極スイッチ３１との間に配線された電源線１０１に接続され、負極端子１２と負極スイッチ３２との間に配線された電源線１０２に接続される。
【００１７】
また、電気回路２０は、シャシなどでアース（ＧＮＤ）された接地線２１に接続される。接地線２１は、電気回路２０が動作する際の基準となる０（ゼロ）Ｖの接地電位を供給するための基準線である。すなわち、接地線２１は、電気回路２０に依存しない燃料電池システム１内の共通の信号線である。
【００１８】
本実施形態では、電気回路２０は、燃料電池スタック１０と絶縁された内部回路を有する。電気回路２０では、燃料電池スタック１０の正極端子１１及び負極端子１２から出力される直流信号を遮断する素子によって内部回路が燃料電池スタック１０に対して絶縁されている。内部回路は、接地線２１と接続され、接地線２１から内部回路の動作の基準となる０Ｖの接地電位が供給される。
【００１９】
遮断器３０は、燃料電池スタック１０から出力される電力を遮断する。遮断器３０は、燃料電池スタック１０と電気負荷との間の接続を、接続状態から遮断状態に切り替える。遮断器３０は、正極スイッチ３１と負極スイッチ３２とを含む。
【００２０】
正極スイッチ３１は、燃料電池スタック１０の正極端子１１と電気負荷の正極端子との間に配線された電源線１０１に接続される。本実施形態では、正極スイッチ３１は、燃料電池スタック１０の正極端子１１と電気負荷の正極端子との間を接続状態又は遮断状態に切り替える第１スイッチを構成する。
【００２１】
負極スイッチ３２は、燃料電池スタック１０の負極端子１２と、電気負荷の負極端子との間に配線された電源線１０１に接続される。本実施形態では、負極スイッチ３２は、燃料電池スタック１０の負極端子１２と電気負荷の負極端子との間を接続状態又は遮断状態に切り替える第２スイッチを構成する。
【００２２】
以下では、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２の接続について、接続状態（導通状態）のことを「ＯＮ」と称し、遮断状態（非導通状態）のことを「ＯＦＦ」と称する。正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２は、コントローラ４０によって制御される。
【００２３】
コントローラ４０は、燃料電池スタック１０の運転状態を制御する制御手段である。コントローラ４０は、燃料電池システム１が起動された場合に、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２の両者をＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、燃料電池スタック１０から電気負荷に発電電力が供給されることになる。
【００２４】
また、燃料電池システム１が停止された場合には、コントローラ４０は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２の両者をＯＮからＯＦＦに切り替える。これにより、燃料電池スタック１０から電気負荷が切り離される。
【００２５】
燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０と遮断器３０との間、及び、遮断器３０と電気負荷との間には、それぞれ電気容量（以下、「浮遊容量」という。）が形成される。
【００２６】
具体的には、正極スイッチ３１よりも電気回路２０側に配線された電源線１０１と接地線（ＧＮＤ）との間に浮遊容量Ｃｉｐが形成されるとともに、負極スイッチ３２よりも電気回路２０側に配線された電源線１０２と接地線（ＧＮＤ）との間に浮遊容量Ｃｉｎが形成される。
【００２７】
なお、浮遊容量Ｃｉｐと浮遊容量Ｃｉｎとの間には、等価的に、電気回路２０に接続された接地線２１と共通の接地線（ＧＮＤ）が接続される構成となる。
【００２８】
また、正極スイッチ３１よりも電気負荷側に配線された電源線１０１と接地線との間に浮遊容量Ｃｏｐが形成されるとともに、負極スイッチ３２よりも電気負荷側に配線された電源線１０２と接地線との間に浮遊容量Ｃｏｎが形成される。
【００２９】
このため、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２が同時にＯＦＦからＯＮに切り替えられたときには、これらの浮遊容量Ｃｉｐ、Ｃｉｎ、Ｃｏｐ及びＣｏｎに電荷が充放電されるため、接地線２１を介して電気回路２０にサージ電流が流れ込んでしまう。
【００３０】
図２は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時にＯＦＦからＯＮに切り替えたときに、浮遊容量Ｃｉｐ、Ｃｉｎ、Ｃｏｐ及びＣｏｎの充放電によって移動する電荷の流れの一例を示す図である。
【００３１】
燃料電池スタック１０が電圧を出力すると、接地線（ＧＮＤ）に生じる接地電位を基準として分割された電圧（分圧）によって、浮遊容量Ｃｉｐと浮遊容量Ｃｉｎとには電荷がチャージ（充電）される。
【００３２】
例えば、燃料電池システム１の正極側と負極側の形状が共に対称であり、ＧＮＤに対する正極側及び負極側の浮遊容量が互いに等しい場合において、燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが「４５０Ｖ（ボルト）」のときには、正極側の浮遊容量Ｃｉｐには「２２５Ｖ」の電圧によって電荷が充電され、負極側の浮遊容量Ｃｉｎには「−２２５Ｖ」の電圧によって電荷が充電される。
【００３３】
このような状態で、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２が同時にＯＦＦからＯＮに切り替えられると、破線で示すように、浮遊容量Ｃｉｐから浮遊容量Ｃｏｐへ電荷が移動するとともに、浮遊容量Ｃｏｎから浮遊容量Ｃｉｎへも電荷が移動する。
【００３４】
このとき、浮遊容量Ｃｉｎから浮遊容量Ｃｉｐへ電荷が移動するため、浮遊容量Ｃｉｐへ移動する電荷のうち一部は、浮遊容量Ｃｉｎから接地線（ＧＮＤ）へ移動し、接地線２１に接続された電気回路２０へサージ電流Ｉｓとして流れてしまう。
【００３５】
このように、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２が同時にＯＮされることにより、浮遊容量Ｃｉｐ、Ｃｉｎ、Ｃｏｐ及びＣｏｎにチャージされた電荷が移動するので、接地線２１を介して電気回路２０にサージ電流Ｉｓが混入する。このとき、サージ電流Ｉｓによって接地線２１の電位が変動する。
【００３６】
サージ電流Ｉｓについては、燃料電池システム１の停止後における燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが高いほど、浮遊容量Ｃｉｐと浮遊容量Ｃｉｎとにチャージされる電荷が増えるため、接地線２１を介して電気回路２０に流れ込むサージ電流Ｉｓが大きくなる。複数の燃料電池（電池セル）を積層した燃料電池スタック１０では、出力電圧が大きいため、停止後の残電圧Ｖｓが大きい状態で維持されることもある。
【００３７】
例えば、残電圧Ｖｓが大きなまま起動された場合には、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓは大きくなってしまう。
【００３８】
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１０を接続するときに、正極スイッチ３１を接続するタイミングと、負極スイッチ３２を接続するタイミングとを互いにずらすことにより、接地線２１を介して電気回路２０に流れる込むサージ電流を抑制する。
【００３９】
図３は、本実施形態における遮断器３０を制御する制御手法を示すタイムチャートである。図３（ａ）は、正極スイッチ３１の接続状態を示す図である。図３（ｂ）は、負極スイッチ３２の接続状態を示す図である。図３（ｃ）は、接地線２１を介して電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓを示す図である。
【００４０】
まず、時刻ｔ０よりも前では、燃料電池システム１が停止状態にあり、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２は共にＯＦＦに設定されている。
【００４１】
時刻ｔ０において、燃料電池システム１の操作スイッチがＯＮに設定され、燃料電池スタック１０が起動される。これにより、燃料電池スタック１０にカソードガス及びアノードガスが供給される。
【００４２】
時刻ｔ１において、コントローラ４０は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、正極スイッチ３１をＯＮせずに負極スイッチ３２のみをＯＮに設定する。
【００４３】
これにより、負極側の浮遊容量Ｃｏｎと浮遊容量Ｃｉｎとが接続され、浮遊容量Ｃｏｎと浮遊容量Ｃｉｎと間で充放電が行われるため、浮遊容量Ｃｏｎから浮遊容量Ｃｉｎへ電荷が移動する（放電される）。
【００４４】
これに伴い、燃料電池システム１の負極側の浮遊容量Ｃｉｎから正極側の浮遊容量Ｃｉｐへ電荷が移動するので、図３（ｃ）に示すように、接地線２１を介して電気回路２０にサージ電流Ｉｓが流れる。また、負極側の浮遊容量Ｃｉｎから正極側の浮遊容量Ｃｉｐへ電荷が移動することに伴い、浮遊容量Ｃｉｐにチャージされた電気容量は少なくなる。
【００４５】
このときには、正極スイッチ３１はＯＦＦのままでありＯＮに切り替えられていないため、正極側の浮遊容量Ｃｏｐと浮遊容量Ｃｉｐとの間では電荷が移動しない。このため、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時にＯＮに設定した場合に比べて、負極側の浮遊容量Ｃｉｎと正極側の浮遊容量Ｃｉｐとの間で電荷の移動が少なくなるので、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓを低減することができる。
【００４６】
その後、コントローラ４０は、負極スイッチ３２をＯＮに切り替えてからの経過時間が、待機時間Ｔｓを経過したかどうかを確認する。
【００４７】
待機時間Ｔｓは、燃料電池システム１の負極側の浮遊容量Ｃｉｎに基づいて、実験適合や設計で予め定められた期間である。これにより、負極スイッチ３２のＯＮによるサージ電流Ｉｓが小さくなる前に正極スイッチ３１がＯＮされるのを回避することが可能となる。このため、ずらす時間が短くなり過ぎてサージ電流Ｉｓが大きくなり、電気回路２０が動作不良を起こすことを防ぐことができる。
【００４８】
時刻ｔ２において経過時間が待機時間Ｔｓを経過すると、コントローラ４０は、図３（ａ）に示すように、正極スイッチ３１をＯＦＦからＯＮに切り替える。
【００４９】
これにより、正極側の浮遊容量Ｃｏｐと浮遊容量Ｃｉｐとが接続されるため、正極側の浮遊容量Ｃｉｐから浮遊容量Ｃｏｐへ電荷が移動する。これに伴い、燃料電池システム１の負極側の浮遊容量Ｃｉｎと正極側の浮遊容量Ｃｉｐとの間で電荷が移動するので、図３（ｃ）に示すように、接地線２１を介して電気回路２０にサージ電流Ｉｓが流れる。
【００５０】
このときには、正極側の浮遊容量Ｃｏｐと浮遊容量Ｃｉｐとで行われる充放電によってのみ負極側の浮遊容量Ｃｉｎから正極側の浮遊容量Ｃｉｐへ電荷が移動する。また、時刻ｔ１において既に負極側の浮遊容量Ｃｏｎと浮遊容量Ｃｉｎとで充放電が行われた後であることから、浮遊容量Ｃｉｐに充電された電気容量は少なくなっている。このため、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時にＯＮに設定した場合に比べて、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓを低減することができる。
【００５１】
このように、正極スイッチ３１を接続するタイミングと、負極スイッチ３２を接続するタイミングとをずらすことにより、接地線２１を介して電気回路２０に流れ込むサージ電流量が時間的に分散されるので、サージ電流Ｉｓのピーク値を半分に減らすことができる。このため、電気回路２０の動作に与える影響を小さくすることができる。
【００５２】
図４は、本実施形態における電気回路２０の構成の一例を示す回路図である。
【００５３】
電気回路２０は、接続回路２０Ａと、絶縁結合回路２０Ｂと、処理回路２０Ｃとを含む。
【００５４】
接続回路２０Ａは、燃料電池スタック１０の正極端子１１と負極端子１２とにそれぞれ接続される。接続回路２０Ａは、正極端子１１から出力される信号を、絶縁結合回路２０Ｂを介して処理回路２０Ｃに出力するとともに、負極端子１２から出力される信号を、絶縁結合回路２０Ｂを介して処理回路２０Ｃに出力する。
【００５５】
絶縁結合回路２０Ｂは、接続回路２０Ａと処理回路２０Ｃとの間を電気的に絶縁しつつ、接続回路２０Ａから出力される信号を処理回路２０Ｃに伝播させる絶縁回路である。絶縁結合回路２０Ｂは、コンデンサやトランスなどにより実現される。
【００５６】
本実施形態では、絶縁結合回路２０Ｂは、燃料電池スタック１０の正極端子１１と処理回路２０Ｃとの間に接続されるコンデンサと、燃料電池スタック１０の負極端子１２と処理回路２０Ｃとの間に接続されるコンデンサとを備える。
【００５７】
処理回路２０Ｃは、絶縁結合回路２０Ｂから出力される信号を処理する。すなわち、処理回路２０Ｃは、絶縁結合回路２０Ｂを介して正極端子１１及び負極端子１２から出力される信号を処理する内部回路である。
【００５８】
図５は、本実施形態における正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を制御する制御方法を示すフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ９０１においてコントローラ４０は、燃料電池システム１の操作スイッチが停止状態から起動状態に設定されたか否かを判断する。コントローラ４０は、操作スイッチが起動状態に設定された場合には、燃料電池システム１が起動されたと判断する。
【００６０】
ステップＳ９０２においてコントローラ４０は、燃料電池システム１が起動された場合には、正極スイッチ３１を制御せずに負極スイッチ３２のみをＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、燃料電池システム１の負極側に形成された浮遊容量Ｃｉｎが放電されるだけなので、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時にＯＮに設定したときに比べて、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓを低減することができる。
【００６１】
ステップＳ９０３においてコントローラ４０は、負極スイッチ３２をＯＮにしてからの経過時間が、所定の待機時間Ｔｓを超えたか否かを判断する。そしてコントローラ４０は、経過時間が待機時間Ｔｓを超えるまで、正極スイッチ３１をＯＮに設定するのを待機する。
【００６２】
ステップＳ９０４においてコントローラ４０は、経過時間が待機時間Ｔｓを超えた場合には、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓがほとんどゼロになったと判断し、正極スイッチ３１をＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、燃料電池システム１の正極側に形成された浮遊容量Ｃｉｐが放電されるだけなので、浮遊容量Ｃｉｐ及び浮遊容量Ｃｉｎが同時に放電されるときに比べて、サージ電流Ｉｓを低減することができる。
【００６３】
正極スイッチ３１がＯＮに切り替えられた後、燃料電池システム１の制御方法を終了する。
【００６４】
本発明の第１実施形態によれば、積層電池である燃料電池スタック１０の正極端子１１と負極端子１２との間に接続された電気回路２０を備える燃料電池システム１は、正極端子１１に接続された正極スイッチ３１と、負極端子１２に接続された負極スイッチ３２とを含む。電気回路２０は、燃料電池スタック１０の正極端子１１と正極スイッチ３１との間に接続され、負極端子１２と負極スイッチ３２との間に接続される。
【００６５】
そしてコントローラ４０は、燃料電池スタック１０の正極端子１１と負極端子１２との間に生じる電気容量（浮遊容量）の有無や大きさに応じて、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を互いに遮断状態（ＯＦＦ）から接続状態（ＯＮ）に切り替えるタイミングをずらす。本実施形態では、燃料電池スタック１０の正極端子１１と電気回路２０との間に浮遊容量Ｃｉｐが生じ、負極端子１２と電気回路２０との間に浮遊容量Ｃｉｎが生じるため、コントローラ４０は、負極スイッチ３２に対して正極スイッチ３１を切り替えるタイミングをずらす。
【００６６】
これにより、図１に示したように、正極側の浮遊容量Ｃｉｐと負極側の浮遊容量Ｃｉｎとに蓄積された電荷が互いに異なるタイミングで放電されるので、電気回路２０に流れ込むサージ電流Ｉｓのピークレベルを低減することができる。
【００６７】
すなわち、コントローラ４０は、電気回路２０が動作する際の基準となる０Ｖの接地電位の変動が小さくなるように、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２のうち一方のスイッチをＯＮにした後に、他方のスイッチをＯＦＦからＯＮに設定する。本実施形態では、コントローラ４０は、負極スイッチ３２をＯＮに切り替えてから正極スイッチ３１をＯＮに切り替える。
【００６８】
これにより、接地線（ＧＮＤ）に対して、負極側の浮遊容量Ｃｉｎから電荷が放電された後に、正極側の浮遊容量Ｃｉｐから電荷が放電されるので、電気回路２０に流れ込むサージ電流Ｉｓを分散させることができる。したがって、電気回路２０に供給される基準となる接地電位の変動幅を抑制することができる。
【００６９】
また本実施形態では、電気回路２０は、０Ｖの接地電位が供給される接地線（基準線）２１に接続される。そしてコントローラ４０は、一方の負極スイッチ３２をＯＮに切り替えてから待機時間Ｔｓを経過した後に、他方の正極スイッチ３１をＯＮに切り替える。待機時間Ｔｓは、先にＯＮに切り替えられる負極スイッチ３２と接地線２１との間に存在する浮遊容量Ｃｉｎに基づいて定められた時間である。
【００７０】
これにより、正極スイッチ３１をＯＮした際のサージ電流Ｉｓと、負極スイッチ３２をＯＮした際のサージ電流Ｉｓとが互いに異なる期間において接地線２１を介して電気回路２０に流れ込むことになるので、確実にサージ電流Ｉｓのピークレベルを低減できる。
【００７１】
（第２実施形態）
図６は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す等価回路である。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１と基本的に同じ構成である。以下では、図１に示した燃料電池システムと同じ構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７２】
本実施形態では、燃料電池システム１に形成された正極側の浮遊容量Ｃｉｐと負極側の浮遊容量Ｃｉｎとの大きさが互いに異なっており、正極側の浮遊容量Ｃｉｐの方が負極側の浮遊容量Ｃｉｎよりも２倍だけ大きい。
【００７３】
例えば、燃料電池スタック１０の残電圧が「４５０Ｖ」のときには、正極側の浮遊容量Ｃｉｐには「１５０Ｖ」の電圧によって電荷がチャージされ、負極側の浮遊容量Ｃｉｎには「−３００Ｖ」の電圧によって電荷がチャージされる。このように、浮遊容量Ｃｉｎが小さいほど、浮遊容量Ｃｉｎにチャージされる電圧は大きくなる。
【００７４】
このような状態で燃料電池システム１が起動されたときには、コントローラ４０は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２のうち、正極側の浮遊容量Ｃｉｐよりも小さな負極側の浮遊容量Ｃｉｎの方に配置された負極スイッチ３２を先にＯＮに設定する。
【００７５】
これに伴い、負極側の浮遊容量Ｃｉｎと浮遊容量Ｃｏｎとが接続され、負極側の浮遊容量Ｃｉｎと浮遊容量Ｃｏｎとの充放電によって、接地線２１から電気回路２０にサージ電流Ｉｓが流れる。
【００７６】
この場合においては、負極側の浮遊容量Ｃｉｎは正極側の浮遊容量Ｃｉｐよりも小さいので、負極側の浮遊容量Ｃｉｎから電荷が放電される時間は、正極側の浮遊容量Ｃｉｐでの放電時間に比べて短くなる。したがって、電気回路２０にサージ電流Ｉｓが流れる込む時間が短くなるので、負極スイッチ３２をＯＮにしてから正極スイッチ３１をＯＮに切り替えるまでの切替え時間を短縮することができる。
【００７７】
図７は、正極スイッチ３１をＯＦＦからＯＮに設定したときの電荷の流れを示す図である。
【００７８】
コントローラ４０は、負極スイッチ３２をＯＮに切り替えた後に正極スイッチ３１をＯＮに設定する。これに伴い、正極側の浮遊容量Ｃｉｐと浮遊容量Ｃｏｐとが接続され、正極側の浮遊容量Ｃｉｐと浮遊容量Ｃｏｐとの充放電によって、接地線（ＧＮＤ）を介して電気回路２０にサージ電流Ｉｓが流れ込む。
【００７９】
この場合においては、正極側の浮遊容量Ｃｉｐは負極側の浮遊容量Ｃｉｎよりも大きいため、浮遊容量Ｃｉｐから電荷が緩やかに放電されることになるので、電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓのピーク値は小さくなる。
【００８０】
また、正極スイッチ３１がＯＮに設定されることにより、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２の両者が接続状態となって閉ループが形成される。閉ループが形成されたときには、他の浮遊容量からも電荷が放電されて閉ループに流れる電流が大きくなる可能性がある。このため、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２のうち、サージ電流Ｉｓのピーク値が小さくなる方の正極スイッチ３１を最後にＯＮに切り替えることにより、電気回路２０に過大なサージ電流Ｉｓが混入することを防ぐことができる。
【００８１】
図８は、本実施形態における正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を制御する制御手法を示すタイムチャートである。
【００８２】
図８（ａ）は、正極スイッチ３１の接続状態を示す図である。図８（ｂ）は、負極スイッチ３２の接続状態を示す図である。図８（ｃ）は、接地線２１を介して電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓを示す図である。なお、図８（ｃ）については、サージ電流Ｉｓの変動の違いを明確にするため、図３（ｃ）に比べて変動幅を拡大している。
【００８３】
時刻ｔ１０において、燃料電池システム１の操作スイッチがＯＮに設定され、燃料電池スタック１０が起動される。
【００８４】
時刻ｔ１においてコントローラ４０は、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、正極スイッチ３１をＯＦＦにした状態で負極スイッチ３２のみをＯＮに設定する。これにより、負極側の浮遊容量Ｃｏｎと浮遊容量Ｃｉｎとが接続され、負極側の浮遊容量Ｃｏｎから浮遊容量Ｃｉｎへ電荷が移動する。
【００８５】
このとき、負極側の浮遊容量Ｃｉｎは正極側の浮遊容量Ｃｉｐよりも大きいため、図８（ｃ）に示すように、サージ電流Ｉｓのピーク値は大きくなるものの、サージ電流Ｉｓが流れ込む時間を短くすることができる。
【００８６】
その後、コントローラ４０は、負極スイッチ３２をＯＮに設定してからの経過時間が、待機時間Ｔｓを経過したかどうかを確認する。
【００８７】
待機時間Ｔｓは、燃料電池システム１に形成される浮遊容量Ｃｉｎ及び浮遊容量Ｃｉｎのうち小さい方の浮遊容量Ｃｉｎに基づいて予め定められた時間である。これにより、負極スイッチ３２のＯＮによるサージ電流Ｉｓが小さくなる前に正極スイッチ３１がＯＮされるのを回避することが可能となる。
【００８８】
時刻ｔ２において経過時間が待機時間Ｔｓを経過すると、コントローラ４０は、図８（ａ）に示すように、正極スイッチ３１をＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、正極側の浮遊容量Ｃｏｐと浮遊容量Ｃｉｐとが接続されるため、正極側の浮遊容量Ｃｉｐから浮遊容量Ｃｏｐへ電荷が移動し、これに伴い、負極側の浮遊容量Ｃｉｎから正極側の浮遊容量Ｃｉｐへ電荷が流れ、一部の電荷が接地線（ＧＮＤ）を介して電気回路２０にサージ電流Ｉｓとして流れ込む。
【００８９】
正極側の浮遊容量Ｃｉｐは負極側の浮遊容量Ｃｉｎよりも大きいため、図８（ｃ）に示すように、サージ電流Ｉｓのピーク値が小さくなるので、サージ電流Ｉｓによって電気回路２０に与える影響を軽減することができる。
【００９０】
本発明の第２実施形態によれば、コントローラ４０は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２と電気回路２０との間に存在する電気容量Ｃｉｐ及びＣｉｎのうち電気容量が小さい方のスイッチから先にＯＮに設定する。本実施形態では、負極側の浮遊容量Ｃｉｎが正極側の浮遊容量Ｃｉｐよりも小さいため、負極スイッチ３２から先にＯＮに切り替える。
【００９１】
これにより、１回目の浮遊容量Ｃｉｎの放電によって電気回路２０にサージ電流Ｉｓが混入する時間が短くなるので、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２の切替え時間を短縮することができる。
【００９２】
また本実施形態では、電気回路２０は、燃料電池スタック１０の正極端子１１及び負極端子１２を絶縁する絶縁結合回路２０Ｂと、絶縁結合回路２０Ｂにより正極端子１１及び負極端子１２に対して絶縁され、正極端子１１及び負極端子１２からの信号を処理する処理回路２０Ｃとを含む。処理回路２０Ｃは、電気回路２０が動作する際の基準となる電位を供給するための接地線（基準線）２１と接続される。
【００９３】
そしてコントローラ４０は、接地線２１と正極スイッチ３１との間に形成された正極側の浮遊容量Ｃｉｐと、接地線２１と負極スイッチ３２との間に形成された負極側の浮遊容量Ｃｉｎとのうち、小さい方の負極スイッチ３２をＯＦＦからＯＮに切り替える。その後、コントローラ４０は、電気容量が大きい方の正極スイッチ３１をＯＦＦからＯＮに切り替える。
【００９４】
これにより、閉ループが形成される２回目の浮遊容量Ｃｉｐの放電によって電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓのピーク値は小さくなるので、電気回路２０の動作不良を抑制することができる。また、燃料電池システム１の浮遊容量Ｃｉｎ及びＣｉｐ以外の浮遊容量の放電によって閉ループ内の放電電流が大きくなったとしても、事前にサージ電流Ｉｓのピーク値を小さくしているので、電気回路２０や他の回路に与える影響を軽減できる。
【００９５】
（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【００９６】
燃料電池システム１は、図１に示した燃料電池システムの電気回路２０として、検出回路２０１を備えている。ここでは、図１に示した燃料電池システムの構成と同じものについては、同一符号を付している。
【００９７】
検出回路２０１は、燃料電池スタック１０から出力される電圧Ｖｓを検出する。検出回路２０１は、燃料電池スタック１０に対して並列に接続される。検出回路２０１は、燃料電池スタック１０の出力電圧Ｖｓを検出した検出信号をコントローラ４０に出力する。
【００９８】
コントローラ４０は、検出回路２０１から出力される検出信号に基づいて、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を切り替えるタイミングを制御する。
【００９９】
図１０は、本実施形態におけるコントローラ４０が正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を制御する制御方法の処理手順を示すフローチャートである。
【０１００】
まず、コントローラ４０は、燃料電池システム１の操作スイッチが起動状態に設定されたことを検出すると、検出回路２０１に電源電圧を供給し、燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓを示す検出信号を検出回路２０１から取得する。すなわち、コントローラ４０は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２をＯＮに切り替える直前の燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓを検出する。
【０１０１】
ステップＳ９１１においてコントローラ４０は、検出信号により示された残電圧Ｖｓが所定の閾値Ｔｈ以下であるか否かを判断する。閾値Ｔｈは、検出回路２０１においてサージ電流Ｉｓを許容できる値に基づいて定められる。具体的には、浮遊容量Ｃｉｐ及びＣｉｎの放電によって電気回路２０に混入するサージ電流Ｉｓが許容値を超えないように、閾値Ｔｈが設定される。
【０１０２】
ステップＳ９１２においてコントローラ４０は、燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが閾値Ｔｈ以下である場合には、浮遊容量Ｃｉｐ及びＣｉｎにチャージされた電荷が少ないと判断し、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時にＯＦＦからＯＮに設定する。
【０１０３】
これにより、正極スイッチ３１と負極スイッチ３２との両者をＯＮに設定する時間が短くなるので、燃料電池スタック１０の起動時間を短縮することができる。
【０１０４】
ステップＳ９１３においてコントローラ４０は、燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが閾値Ｔｈよりも大きい場合には、浮遊容量Ｃｉｐ及びＣｉｎにチャージされた電荷が多いと判断し、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２をＯＮに設定するタイミングをずらす。
【０１０５】
例えば、コントローラ４０は、第２実施形態と同様に、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２のうち、接地線２１との間の浮遊容量が小さい方のスイッチを先にＯＮにしてから、もう一方のスイッチをＯＦＦからＯＮに切り替える。
【０１０６】
ステップＳ９１２及びＳ９１３の処理が完了すると、燃料電池システム１の制御方法の一連の処理手順が終了する。
【０１０７】
本発明の第３実施形態によれば、コントローラ４０は、燃料電池システム１が起動されたときに燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが所定の閾値Ｔｈよりも低い場合には、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を同時に接続状態に切り替える。閾値Ｔｈは、燃料電池システム１の電源線１０１及び１０２の間に形成される浮遊容量Ｃｉｐ及びＣｉｎに基づいて定められる。
【０１０８】
これにより、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２を接続するタイミングを無用にずらすことを回避できるので、サージ電流Ｉｓのピーク値を抑制しつつ、燃料電池システム１の起動時間を短縮することができる。
【０１０９】
また本実施形態では、電気回路２０として、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓを検出する検出回路２０１が燃料電池システム１に設けられている。そしてコントローラ４０は、燃料電池システム１が起動されたときに燃料電池スタック１０の残電圧Ｖｓが閾値Ｔｈを超えた場合には、一方の負極スイッチ３２を他方の正極スイッチ３１よりも先に接続状態に切り替える。
【０１１０】
これにより、接地線２１を介して検出回路２０１に混入するサージ電流Ｉｓのピーク値を低減することができる。したがって、燃料電池システム１の起動時において燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓの検出精度が低下するのを抑制できる。
【０１１１】
（第４実施形態）
図１１は、本発明の第４実施形態における燃料電池システム１の構成の一例を示す図である。
【０１１２】
燃料電池システム１は、図１に示した構成に加えて、駆動モータ２と、駆動インバータ３と、補機インバータ４と、補機モータ５と、逆流防止ダイオード５０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と、遮断器７０と、強電バッテリ８０と、を含む。
【０１１３】
駆動モータ２は、車両を駆動する電動モータである。駆動モータ２は、例えば３相交流のモータである。
【０１１４】
駆動インバータ３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０によって燃料電池スタック１０から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を駆動モータ２に供給する。
【０１１５】
逆流防止ダイオード５０は、正極スイッチ３１とＤＣ／ＤＣコンバータ６０との間に接続される。逆流防止ダイオード５０は、燃料電池スタック１０から出力される電流を通し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０から燃料電池スタック１０に出力される電流を遮断する。
【０１１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、燃料電池スタック１０から出力される直流電圧と、強電バッテリ８０から出力される直流電圧とのうち少なくとも一方を昇圧する。
【０１１７】
遮断器７０は、強電バッテリ８０を、補機インバータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ６０から機械的に遮断する。遮断器７０は、コントローラ４０によって制御される。
【０１１８】
例えば、遮断器７０は、燃料電池システム１の停止時に、強電バッテリ８０を補機インバータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ６０から遮断し、燃料電池システム１の起動時に、強電バッテリ８０を補機インバータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ６０に接続する。
【０１１９】
強電バッテリ８０は、例えば、３００Ｖ（ボルト）のリチウムイオンバッテリである。強電バッテリ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０によって駆動モータ２で生成される回生電力を蓄える。強電バッテリ８０は、遮断器７０によって補機インバータ４及びＤＣ／ＤＣコンバータ６０にそれぞれ接続される。
【０１２０】
補機インバータ４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０によって燃料電池スタック１０から供給される直流電圧を交流電圧に変換し、その交流電圧を補機モータ５に供給する。
【０１２１】
補機モータ５は、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するコンプレッサ２１２を駆動する。
【０１２２】
コントローラ４０は、燃料電池システム１が起動された場合に、遮断器７０を接続状態にし、強電バッテリ８０から出力される電圧によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０における燃料電池スタック１０側の電圧を、燃料電池スタック１０の電圧Ｖｓよりも上昇させる。
【０１２３】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０から燃料電池スタック１０へ電流は流れなくなる。一方、逆流防止ダイオード５０によってＤＣ／ＤＣコンバータ６０から燃料電池スタック１０へ流れる電流は遮断される。このため、遮断器３０を接続する時に生じるアーク放電を防ぐことができる。
【０１２４】
その後、コントローラ４０は、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２のうち、一方のスイッチをＯＦＦからＯＮに切り替えた後に、他方のスイッチをＯＦＦからＯＮに切り替える。これにより、接地線２１を介して電気回路２０に混入するサージ電流が時間的に分散されるので、サージ電流のピークレベルを低減することができる。
【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、上記実施形態では、複数の電池セルが積層された積層電池として、燃料電池スタック１０を用いる例について説明したが、例えば積層型のリチウムバッテリーであってもよい。リチウムバッテリーに接続された電気回路を有する電池システムであっても、上記実施形態と同じように本願発明の効果を得ることができる。
【０１２７】
また上記実施形態では、コントローラ４０によって、正極スイッチ３１をＯＮに設定するための制御信号と負極スイッチ３２をＯＮに設定するための制御信号の送信タイミングをずらして、両者のスイッチを切り替えるタイミングをずらすように構成されている。これに限ることなく、コントローラ４０から正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２に送信するタイミングを同時にし、コントローラ４０と正極スイッチ３１又は負極スイッチ３２との間に遅延回路を設けるようにしてもよい。
【０１２８】
また上記実施形態では、電気回路２０として燃料電池スタック１０の電圧を検出する検出回路２０１が設けられる例について説明したが、電気回路２０として燃料電池スタック１０の正極端子１１に接続され、燃料電池スタック１０から出力される電流を検出する電流検出回路が設けられてもよい。例えば、電流検出回路には、燃料電池スタック１０の正極端子１１と正極スイッチ３１との間に接続された検出抵抗と、この検出抵抗の両端に生じる電圧を、接地線２１の電位を基準として検出する内部回路とが設けられている。このような電流検出回路であっても、正極スイッチ３１及び負極スイッチ３２をＯＮするタイミングをずらすことにより、接地線２１を介して混入するサージ電流Ｉｓを低減することができる。
【０１２９】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【図１】
2016006036.tif 000003
【図２】
2016006036.tif 000004
【図３】
2016006036.tif 000005
【図４】
2016006036.tif 000006
【図５】
2016006036.tif 000007
【図６】
2016006036.tif 000008
【図７】
2016006036.tif 000009
【図８】
2016006036.tif 000010
【図９】
2016006036.tif 000011
【図１０】
2016006036.tif 000012
【図１１】
2016006036.tif 000013
【国際調査報告】
2016006036.tif 000014
2016006036.tif 000015
2016006036.tif 000016
2016006036.tif 000017