(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の駆動力を発し、かつ、前記移動体の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する駆動モータと、
前記駆動モータに駆動電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池による発電に使用される補機と、
前記駆動モータ及び前記補機に駆動電力を供給する二次電池と、
前記二次電池の温度を計測する温度センサと、
前記二次電池の放電電流を計測する電流センサと、
前記移動体の速度の計測値を取得する速度センサと、
前記温度センサにより計測された温度が所定値未満の場合、前記駆動モータ又は前記補機を駆動させることによる前記二次電池の放電、及び、前記燃料電池の発電又は前記駆動モータの回生による前記二次電池の充電を少なくとも１回実施するように制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記電流センサにより計測された放電電流の積算値が所定の上限値未満であり、かつ、前記放電が実施されているときに、その後前記積算値が前記所定の上限値に達した場合、前記放電を停止して前記充電を実施し、
前記電流センサにより計測された放電電流の積算値が所定の下限値を超えており、かつ、前記充電が実施されているときに、その後前記積算値が所定の下限値に達した場合、前記充電を停止して前記放電を実施するように制御し、
前記速度センサにより計測された速度が高いほど、前記放電及び前記充電の単位時間当たりの量が小さくなるように前記放電及び前記充電の実施を制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記温度センサにより計測された前記二次電池の温度に応じて前記放電及び前記充電の単位時間当たりの量を決定し、前記放電及び前記充電の実施を制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【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、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。
【０００３】
また、二次電池は、温度が低下すると充放電特性が低下する。例えば、リチウムイオン電池においては、低温時に充電されると負極においてリチウム（Ｌｉ）の析出が発生し、その結果、電池の容量が低下する等の性能劣化が起こる。そこで、電池の温度が低い場合には、速やかに電池を昇温する必要がある。
【０００４】
特許文献１には、電圧変換機と、電圧変換機の入力側に接続された二次電池と、電圧変換機の入力側に接続されたコンデンサとを備えた二次電池の昇圧システムについて開示されている。当該システムにおいて、二次電池とコンデンサとの間で電力の充放電が繰り返えされ、充放電に伴って発生する熱により二次電池の昇温が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１３５０８５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、コンデンサに蓄電可能な電力は小さいため、上記のように二次電池とコンデンサとの間の電力の充放電により発生する発熱量は小さい。従って、上記のような二次電池の昇温方法では、好ましい昇温スピードが得られない場合がある。
【０００７】
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より速く二次電池を昇温させ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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、駆動モータと、燃料電池と、補機と、二次電池と、温度センサと、電流センサと、制御部とを備える。駆動モータは、移動体の駆動力を発し、かつ、前記移動体の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する。燃料電池は、駆動モータに駆動電力を供給する。補機は、燃料電池による発電に使用される。二次電池は、駆動モータ及び補機に駆動電力を供給する。温度センサは、二次電池の温度を計測する。電流センサは、二次電池の放電電流を計測する。制御部は、温度センサにより計測された温度が所定値未満の場合、駆動モータ又は補機を駆動させることによる二次電池の放電と、燃料電池の発電又は駆動モータの回生による二次電池の充電とを実施するように制御する。また、制御部は、電流センサにより計測された放電電流の積算値が所定の上限値未満であり、かつ、上記放電が実施されているときに、その後上記積算値が所定の上限値に達した場合、上記放電を停止して上記充電を実施する。さらに、制御部は、電流センサにより計測された放電電流の積算値が所定の下限値を超えており、かつ、上記充電が実施されているときに、その後上記積算値が所定の下限値に達した場合、上記充電を停止して上記放電を実施するように制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて、制御部は、モータ又は補機を駆動させることによる二次電池の放電と、燃料電池の発電又はモータの回生による二次電池の充電とを少なくとも１回実施するように制御する。その結果、二次電池とコンデンサとの間の電力の充放電により発生する発熱量よりも多い発熱量を発生することができ、燃料電池システムにおいてより速く二次電池を昇温させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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二次電池の要求パワーと充放電の変化を示すグラフである。
【図３】一実施形態に係る燃料電池システムにおける二次電池の要求パワーと充放電の変化を示すグラフである。
【図４】一実施形態に係る燃料電池システムにおける二次電池の充放電の制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
［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１は、主な構成として、制御部１１、二次電池１２、昇圧コンバータ１３、燃料電池１４、昇圧コンバータ１５、インバータ１６、モータ１７、補機１８、及び速度センサＳを備える。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池自動車（ＦＣＶ）などの車両（移動体）に搭載可能なシステムである。なお、図１は、燃料電池システム１が備える主要な構成を示しているにすぎず、燃料電池システム１は、移動体に搭載される周知な燃料電池システムが備える他の構成を含むことができる。
【００１４】
二次電池１２は、充放電可能な蓄電部である。二次電池１２は、例えば、リチウムイオン電池などにより構成される。二次電池１２は、燃料電池１４の放電経路に介挿され、インバータ１６に対して燃料電池１４と並列に接続されている。二次電池１２は、モータ１７及び補機１８を含む電気負荷の要求電力のうち、予め設定された燃料電池の目標出力を差し引いた電力を電気負荷の駆動電力として出力する。すなわち、二次電池１２は、モータ１７及び補機１８に駆動電力を供給する。また、二次電池１２は、モータ１７から回生により得られた電力を蓄電する。
【００１５】
また、二次電池１２は、温度センサＴ及び電流センサＩＢを含む。温度センサＴは、二次電池１２の温度を計測し、計測結果を出力するセンサである。電流センサＩＢは、二次電池１２の放電電流を計測するセンサである。
【００１６】
昇圧コンバータ１３は、二次電池１２とインバータ１６との間に設けられたＤＣ（直流）電圧のコンバータである。昇圧コンバータ１３は、例えば、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）を使用して構成される。昇圧コンバータ１３は、二次電池１２から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧してインバータ１６側に出力する。
【００１７】
燃料電池１４は、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックを含んで構成される。燃料電池１４による通常の発電時の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池１４全体としては（３）式の起電反応が生じることにより、電力を発生する。
Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                      （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ      （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ              （３）
【００１８】
昇圧コンバータ１５は、燃料電池１４とインバータ１６との間に設けられたＤＣ電圧のコンバータである。昇圧コンバータ１５は、燃料電池１４から供給された電力のＤＣ電圧を昇圧してインバータ１６に出力する。昇圧コンバータ１５は、例えば、ＩＰＭ等により構成される。
【００１９】
インバータ１６は、昇圧コンバータ１３及び昇圧コンバータ１５とモータ１７との間に設けられたインバータである。インバータ１６は、燃料電池１４又は二次電池１２から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１７に供給する。インバータ１６は、例えばＩＰＭにより構成される。
【００２０】
モータ１７は、燃料電池システム１を搭載する移動体の車輪等を駆動するための駆動力を発生する駆動モータである。モータ１７は、燃料電池１４又は二次電池１２からインバータ１６を介して供給された電力を駆動電力として使用する。また、モータ１７は、燃料電池システム１を搭載する移動体の運動エネルギーを（例えば、モータ１７の回転に応じで）電気エネルギーに回生する。回生により発生した電力は二次電池１２に充電される。
【００２１】
補機１８は、燃料電池１４による発電に使用される補機を含む補機群である。補機１８は、例えば、燃料電池の水素ポンプ及び冷却水ポンプ等を含む。補機１８は、二次電池１２から供給された電力を駆動電力として使用する。
【００２２】
速度センサＳは、燃料電池システム１を搭載する移動体の移動速度の計測値を取得するセンサである。当該移動速度は、例えば、モータ１７の回転数等に基づいて算出される。
【００２３】
制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を備えたコンピュータにより構成される。制御部１１は、他の構成から入力した信号、及びＲＡＭなどの記憶部に記憶されたプログラムになどに基づいて、燃料電池システム１が備える各構成の処理及び動作を制御し、また、当該制御に必要な各種演算を実行する。
【００２４】
例えば、制御部１１は、二次電池１２の温度が所定値未満の場合に、二次電池１２の温度を昇温するために、二次電池１２の充電及び放電を制御する。具体的には、制御部１１は、温度センサＴから取得した温度が所定値（温度閾値）未満の場合、少なくともモータ１７又は補機１８を駆動させることによる二次電池１２の放電と、少なくとも燃料電池１４の発電又はモータ１７の回生による二次電池１２の充電とを実施するように制御する。なお、上記の温度閾値は、温度の低下により二次電池１２の充放電特性の低下が開始する温度よりも高い温度（例えば、充放電特性の低下が開始する温度よりも３度高い温度）が設定される。また、制御部１１は、速度センサＳから取得された速度に応じて二次電池１２の充電及び放電を制御することができる。
【００２５】
このような方法で二次電池１２の温度を昇温させることにより、燃料電池システム１においてより速く二次電池１２を昇温させることができる。すなわち、従来においては、二次電池とコンデンサとの間で電力の充放電を繰り返し、当該充放電に伴って発生する熱により二次電池の昇温を行われていた。コンデンサに蓄電可能な電力は小さいため、二次電池とコンデンサとの間の電力の充放電により発生する発熱量は小さい。これに対し、本実施形態において、制御部１１は、モータ１７又は補機１８を駆動させることによる二次電池１２の放電と、燃料電池１４の発電又はモータ１７の回生による二次電池１２の充電とを少なくとも１回実施するように制御する。その結果、二次電池とコンデンサとの間の電力の充放電により発生する発熱量よりも多い発熱量を発生することができ、燃料電池システム１においてより速く二次電池１２を昇温させることができる。
【００２６】
図２及び図３を参照して、制御部１１による二次電池１２の充電及び放電の制御の例についてさらに詳しく説明する。
【００２７】
まず、図２を参照して、速度センサＳから取得された速度が低速（例えば、３０ｋｍ／ｈ）であるときにおける二次電池１２の充放電の制御の例を説明する。同図の上のグラフは、二次電池１２の要求パワーの変化を実線Ｂａｔ＿Ｐｏｗにより時系列に示している。また、横軸は、二次電池１２の温度の昇温のための二次電池１２の充放電の開始のとき（すなわち、温度センサＴから取得された温度が温度閾値未満となったとき）の時間を０として、時間の経過を示している。縦軸は、要求パワーを示している。この例において、要求パワーの増減は、二次電池１２の過充電のパワー閾値Ｗｏｕｔ（１０ｋＷ）と、過放電のパワー閾値Ｗｉｎ（−１０ｋＷ）の間となるように制御されている。
【００２８】
図２の下のグラフは、上のグラフの時間の経過と対応付けて、電流センサＩＢにより計測された二次電池１２の放電電流の積算値の変化を時系列に示している。横軸は時間の経過を示している。縦軸は、電流センサＩＢにより計測された二次電池１２の放電電流の積算値を示している。このグラフに示される放電電流の積算値の変化は、制御部１１により制御される。
【００２９】
本実施形態において、二次電池１２の要求パワーの値と、二次電池１２の放電電流の単位時間当たりの量（すなわち、図２の下のグラフにおける電流積算値の変化の傾き）との間の関係は、予め実施された実験等の結果に基づいて対応付けられている。
【００３０】
制御部１１は、二次電池１２の要求パワーがパワー閾値Ｗｏｕｔ（すなわち、１０ｋＷ）であるとき、当該要求パワーに応じた単位時間当たりの放電量で二次電池１２の放電を実施する。上述のとおり、当該放電は、少なくともモータ１７又は補機１８を駆動させることにより実施される。
【００３１】
また、その後、二次電池１２の放電電流の積算値が上側閾値（１４０Ｃ）に達したとき、制御部１１は、二次電池１２を放電から充電に切り替えるように制御する。二次電池１２の要求パワーがパワー閾値Ｗｉｎ（すなわち、−１０ｋＷ）であるとき、制御部１１は、当該要求パワーに応じた単位時間当たりの充電量で二次電池１２の充電を実施する。上述のとおり、当該充電は、少なくとも燃料電池１４の発電又はモータ１７の回生により実施される。その後、二次電池１２の放電電流の積算値が下側閾値（−１４０Ｃ）に達したとき、制御部１１は、二次電池１２を充電から放電に切り替えるように制御する。
【００３２】
次に、図３を参照して速度センサＳから取得された速度が高速（例えば、１００ｋｍ／ｈ）であるときにおける二次電池１２の充放電の制御の例を説明する。同図の上のグラフは、二次電池１２の要求パワーの変化を実線Ｂａｔ＿Ｐｏｗにより時系列に示している。図２と同様に、図３の上のグラフの横軸は、二次電池１２の温度の昇温のための二次電池１２の充放電の開始のときの時間を０として、時間の経過を示している。縦軸は、要求パワーを示している。この例において、要求パワーの増減は、二次電池１２の過充電のパワー閾値Ｗｏｕｔよりも低い値である５ｋＷと、過放電のパワー閾値Ｗｉｎよりも高い値である−５ｋＷの間となるように制御されている。
【００３３】
すなわち、二次電池１２の温度の昇温のための二次電池１２の充放電の制御において、移動体の速度がより高速であるとき、二次電池１２の要求パワーの変動量がより小さくなるように設定される。一般に、二次電池１２の要求パワーは、モータ１７の回転数にトルクを乗じた値に基づいて決まる。そのため、トルクの変動量が同じ場合でも移動体が高速で移動しているときほど、二次電池１２の要求パワーは変更されやすい。このような点を考慮して、上記のように本実施形態では、高速移動時は、二次電池１２の過充電のパワー閾値Ｗｏｕｔと過放電のパワー閾値Ｗｉｎとの間の幅よりも狭い変動幅で二次電池１２の温度の昇温のための二次電池１２の要求パワーの変動を制御する。その結果、他の要因により要求パワーが変動しても、要求パワーが過充電のパワー閾値Ｗｏｕｔを超える、又は過放電のパワー閾値Ｗｉｎを下回るリスクを抑えることができる。
【００３４】
図３の下のグラフは、上のグラフの時間の経過と対応付けて、電流センサＩＢにより計測された二次電池１２の放電電流の積算値の変化を時系列に示している。図２の例と同様に、このグラフに示される放電電流の積算値の変化は、制御部１１により制御される。
【００３５】
制御部１１は、二次電池１２の要求パワーが５ｋＷであるとき、当該要求パワーに応じた単位時間当たりの放電量で二次電池１２の放電を実施する。図２における低速の例と比較して要求パワーが小さいため、図３の下のグラフは、図２の例における単位時間当たりの放電量よりも少ない放電量で放電が実施されていること（すなわち、電流積算値の変化の傾きが小さいこと）が示されている。
【００３６】
また、その後、二次電池１２の放電電流の積算値が上側閾値（１４０Ｃ）に達したとき、制御部１１は、二次電池１２を放電から充電に切り替えるように制御する。二次電池１２の要求パワーが−５ｋＷであるとき、制御部１１は、当該要求パワーに応じた単位時間当たりの充電量で二次電池１２の充電を実施する。図３の下のグラフは、図２の低速の例における充電の要求パワー（すなわち、１０ｋＷ）と比較して充電の要求パワー（すなわち、５ｋＷ）が少ない。そのため、図３の下のグラフは、図２の例における単位時間当たりの充電量よりも少ない充電量で実施されていることが示されている。その後、二次電池１２の放電電流の積算値が下側閾値（−１４０Ｃ）に達したとき、制御部１１は、図２の例と同様に、二次電池１２を充電から放電に切り替えるように制御する。
【００３７】
以上のように本実施形態によれば、制御部１１は、速度センサＳにより計測された速度が高いほど、二次電池１２の放電及び充電の単位時間当たりの量が小さくなるように、二次電池１２の温度の昇温のための放電及び充電の実施を制御する。その結果、上述したように、他の要因により要求パワーが変動しても、要求パワーが過充電のパワー閾値Ｗｏｕｔを超える、又は過放電のパワー閾値Ｗｉｎを下回る可能性を低減することができる。
【００３８】
なお、本実施形態において、制御部１１は、温度センサＴから取得される二次電池１２の温度に応じて二次電池１２の充電及び放電を制御することができる。例えば、二次電池１２の温度が高いほど、又は低いほど、変動幅が小さくなるように二次電池１２の要求パワーを設定することができる。その結果、制御部１１は、二次電池１２の温度が高いほど、又は低いほど、二次電池１２の単位時間当たりの充放電量がより小さくなるように（すなわち、電流積算値の変化の傾きがより小さくなるように）二次電池１２の充放電を実施するように制御する。すなわち、制御部１１は、温度センサＴにより計測された二次電池１２の温度に応じて二次電池１２の放電及び充電の単位時間当たりの量を決定し、当該決定した量に基づいて放電及び充電の実施を制御する。
【００３９】
［二次電池の放電及び充電の制御フロー］
図４を参照して、二次電池１２の温度の昇温のための放電及び充電の制御フローを説明する。この処理は、制御部１１により制御により実行される。
【００４０】
まず、ステップＳ１１において、制御部１１は、温度センサＴから取得した二次電池１２の温度が所定値未満であるか否かを判定する。当該温度の所定値は、温度の低下により二次電池１２の充放電特性の低下が開始する温度よりも高い温度（例えば、充放電特性の低下が始まる温度よりも３度高い温度）が設定される。所定値未満であると判断された場合、処理はステップＳ１２へ進み、他の場合、図４に示す処理は終了する。
【００４１】
ステップＳ１２において、制御部１１は、二次電池１２が充電中であるか否かを判定する。充電中である場合、処理はステップＳ１３へ進み、他の場合、処理はステップＳ１５へ進む。
【００４２】
ステップＳ１３において、制御部１１は、電流センサＩＢにより計測された二次電池１２の放電電流の積算値が下側閾値以下であるか否かを判定する。下側閾値以下である場合、処理はステップＳ１４へ進み、他の場合、処理はステップＳ１１へ進む。
【００４３】
ステップＳ１４において、制御部１１は、二次電池１２の動作を充電から放電に切り替える。すなわち、制御部１１は、電流センサＩＢにより計測された放電電流の積算値が下側閾値（所定の下限値）を超えており、かつ、二次電池１２の充電が実施されている状態において、その後二次電池１２の放電電流の積算値が下側閾値（所定の下限値）に達した場合、二次電池１２の充電を停止して放電を実施するように制御する。二次電池１２の放電は、少なくともモータ１７又は補機１８を駆動させることに行われる。その後処理はステップＳ１１へ進む。
【００４４】
ステップＳ１５において、制御部１１は、電流センサＩＢにより計測された二次電池１２の放電電流の積算値が上側閾値以上であるか否かを判定する。上側閾値以上である場合、処理はステップＳ１６へ進み、他の場合、処理はステップＳ１１へ進む。
【００４５】
ステップＳ１６において、制御部１１は、二次電池１２の動作を放電から充電に切り替える。すなわち、制御部１１は、電流センサＩＢにより計測された放電電流の積算値が上側閾値（所定の上限値）未満であり、かつ、二次電池１２の放電が実施されている状態において、その後二次電池１２の放電電流の積算値が上側閾値（所定の上限値）に達した場合、二次電池１２の放電を停止して充電を実施するように制御する。二次電池１２の充電は、少なくとも燃料電池１４の発電又はモータ１７の回生により行われる。その後処理はステップＳ１１へ進む。
【００４６】
以上のように本実施形態によれば、制御部１１は、少なくともモータ１７又は補機１８を駆動させることによる二次電池１２の放電と、少なくとも燃料電池１４の発電又はモータ１７の回生による二次電池１２の充電とを実施するように制御する。その結果、二次電池とコンデンサとの間の電力の充放電により発生する発熱量よりも多い発熱量を発生することができ、燃料電池システム１においてより速く二次電池１２を昇温させることができる。
【００４７】
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】
【００４８】
１    燃料電池システム
１１  制御部
１２  二次電池
１３  昇圧コンバータ
１４  燃料電池
１５  昇圧コンバータ
１６  インバータ
１７  モータ
１８  補機
Ｓ  速度センサ
ＩＢ  電流センサ
Ｔ  温度センサ
【図１】
0006432561.tif 000002
【図２】
0006432561.tif 000003
【図３】
0006432561.tif 000004
【図４】
0006432561.tif 000005