JP2017103003A

JP2017103003A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2017103003A
Application number: JP2015232948A
Authority: JP
Inventors: 義明鶴田; Yoshiaki Tsuruta
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-08

Abstract

【課題】回生初期の電力損失を小さくする。【解決手段】燃料電池システムは、高電圧配線と、前記高電圧配線に接続される燃料電池と、前記高電圧配線に接続され、回生動作が可能な駆動モータと、前記高電圧配線及び低電圧配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記低電圧配線に接続される二次電池と、前記二次電池の電圧を検知するバッテリセンサと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記駆動モータの回生動作をする場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を開始して、前記駆動モータからの回生電力及び前記燃料電池からの電力を前記二次電池に充電させ、その後、前記駆動モータの回生動作中に前記二次電池の電圧が予め定められた閾値以上となった場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を停止させて前記回生電力のみを二次電池に充電させる。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池と、二次電池と、ＤＣ−ＤＣコンバータ（バッテリ昇圧コンバータ）を備える燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータの高電圧側に燃料電池と負荷が接続され、低電圧側に二次電池が接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータは双方向に電圧を変換可能である。エネルギーを回生する場合、負荷により生じた回生電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータにより降圧され、二次電池に充電される。なお、回生時には、燃費向上のため、燃料電池の発電を止めることが一般的である。

特開２０１３−０９９０２５号公報

一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力損失は、降圧させる電位差が大きいほど大きい。従来は、二次電池への電流が小さく二次電池の電圧が徐々にしか上昇しないと、降圧時の電位差が徐々にしか小さくならず、回生初期のＤＣ−ＤＣコンバータの電力損失が大きいという課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、高電圧配線と、前記高電圧配線に接続される燃料電池と、前記高電圧配線に接続され、回生動作が可能な駆動モータと、前記高電圧配線及び低電圧配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、前記低電圧配線に接続される二次電池と、前記二次電池の電圧を検知するバッテリセンサと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記駆動モータの回生動作をする場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を開始して、前記駆動モータからの回生電力及び前記燃料電池からの電力を前記二次電池に充電させ、その後、前記駆動モータの回生動作中に前記二次電池の電圧が予め定められた閾値以上となった場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を停止させて前記回生電力のみを二次電池に充電させる。
この形態によれば、回生初期には、回生電力と共に燃料電池の電力を二次電池に充電させるため、回生電力のみを充電する場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータの降圧後の電圧を上昇させることができる。その結果、ＤＣ−ＤＣコンバータの電力損失を小さくできる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム他、燃料電池システムを備えた車両、移動体や、二次電池の充電方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す説明図。燃料電池システムの制御フローチャート。回生動作における電圧、電流、損失を示すグラフ。回生開始時の二次電池のＳＯＣと、燃料電池の発電電力と、の関係を示すグラフ。

図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、高電圧配線１１０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、モータ用インバータ１３０と、駆動モータ１４０と、モータセンサ１５０と、二次電池２００と、低電圧配線２１０と、補機用インバータ２３０と、補機２４０と、バッテリセンサ２５０と、制御部３００と、アクセルペダルセンサ３１０と、アクセルペダル３１５と、ブレーキペダルセンサ３２０と、ブレーキペダル３２５と、車速センサ３３０と、を備える。燃料電池１００と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、モータ用インバータ１３０と、モータセンサ１５０は、高電圧配線１１０に接続されている。モータセンサ１５０は、駆動モータ１４０の電圧と電流を検知する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、二次電池２００と、補機用インバータ２３０と、バッテリセンサ２５０とは、低電圧配線２１０に接続されている。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて直流の電力を発生させる発電装置である。燃料電池１００が発生させた電力は、高電圧配線１１０を介してモータ用インバータ１３０に供給される。モータ用インバータ１３０は、燃料電池１００から供給された直流の電力を、例えば３相交流に変換し、駆動モータ１４０に供給する。駆動モータ１４０は、移動体の車輪を駆動するモータである。

二次電池２００は、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などで構成されている。二次電池２００の電力は、補機用インバータ２３０を介して補機２４０に供給される。補機２４０は、例えば、燃料電池１００に燃料ガスを供給するためのポンプ，燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するためのポンプ，燃料電池１００に冷却液を供給するためのポンプ，車両の空調装置等を含む。なお、補機２４０の一部は、補機用インバータ２３０を介さずに、低電圧配線２１０に直接接続されていてもよい。バッテリセンサ２５０は、二次電池２００の電圧と、電流を検知する。二次電池２００には、図示しない充放電制御回路が設けられている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０は、上述したように、高電圧配線１１０と、低電圧配線２１０とに接続されており、双方向の電圧変換を行う。したがって、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池１００の電力をモータ用インバータ１３０に供給して、駆動モータ１４０を駆動することに加え、二次電池２００から供給された電力の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１２０を用いて昇圧し、モータ用インバータ１３０に供給して、駆動モータ１４０を駆動することも可能である。また、燃料電池１００の電力の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１２０を用いて降圧して二次電池２００に充電することや、駆動モータ１４０の回生電力の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ１２０を用いて降圧して二次電池２００に充電することが可能である。

アクセルペダルセンサ３１０は、車両のアクセルペダル３１５の踏み込み量を検知する。アクセルペダル３１５が踏み込まれると、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０と、モータ用インバータ１３０と、補機用インバータ２３０を制御して、車両を加速させる。ブレーキペダルセンサ３２０は、車両のブレーキペダル３２５の踏み込み量を検知する。ブレーキペダル３２５が踏み込まれると、制御部３００は、ブレーキペダル３２５の踏み込み量に応じて、車両を減速または停止させる。車速センサ３３０は、燃料電池システム１０が搭載されている車両の速度を取得する。

一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧動作では、降圧後の電圧が低いほど（降圧時の電圧差が大きいほど）、損失が大きい。この特性は、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータで顕著であり、チョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータで特に顕著である。したがって、二次電池２００の充電時には、低電圧配線２１０の電圧（二次電池２００の充電電圧）を高くする方が、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０における損失を少なくできる。

図２は、燃料電池システム１０の制御フローチャートである。ステップＳ１００では、車両が通常走行しており、回生動作が行われていない状態である。このステップでは、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量に基づいて、燃料電池１００と二次電池２００の少なくとも一方の電力を用いて、駆動モータ１４０を駆動させる。

ステップＳ１１０では、回生による二次電池２００の充電を開始するか否かを判断する。この判断は、車速センサ３３０で検知される車速と、アクセルペダル３１５の踏み込み量の減少量と、ブレーキペダル３２５の踏み込みの有無と、二次電池２００のＳＯＣに基づいて行われる。ここで、アクセルペダル３１５の踏み込み量が減少される動作を「アクセルオフ」と呼ぶ。特に、アクセルペダル３１５の踏み込み量がゼロまで減少される動作を「アクセル全オフ」と呼ぶ。また、ブレーキペダル３２５が踏み込まれることを「ブレーキオン」と呼ぶ。アクセルオフされると、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量の減少量に応じて、駆動モータ１４０への電力供給を減少させ、または、ゼロとする。一般に、アクセルペダル３１５とブレーキペダル３２５は、右足で踏まれ、同時には踏まれないため、ブレーキが踏まれると、アクセル全オフされ、上述したように、駆動モータ１４０への電力供給は、減少され、または、ゼロとされる。また、車両がある程度の走行速度以上で通常走行している状態でアクセルオフまたはブレーキオンされると、制御部３００は、回生による二次電池２００の充電を開始する。但し、二次電池２００のＳＯＣが、予め定められた閾値よりも多い場合には、制御部３００は、回生による充電を実行せずに通常走行を継続する。このとき、ブレーキオンされている場合には、機械的ブレーキを用いた減速を実行する。

ステップＳ１３０では、制御部３００は、駆動モータ１４０からの回生電力と、燃料電池１００からの電力との両方を二次電池２００に充電させる。なお、ステップＳ１３０の前に燃料電池１００から高電圧配線１１０に給電していない場合には、ステップＳ１３０において燃料電池１００からの給電を開始させる。燃料電池１００からの給電の開始は、例えば、燃料電池１００と高電圧配線１１０との間に設けられたリレー（図示省略）をオフからオンに切り換えることにより行われる。また、ステップＳ１３０の前に燃料電池１００から高電圧配線１１０に給電を実行している場合には、燃料電池１００からの給電量を増加させても良い。このように、回生電力と燃料電池１００の電力とを二次電池２００に充電するようにすれば、回生電力のみを二次電池２００に充電する場合に比べて二次電池２００の端子電圧（すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧側電圧）を高くすることができる。従って、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の電力損失を小さくすることができる。

図２のステップＳ１４０では、制御部３００は、バッテリセンサ２５０で検出された二次電池２００の端子電圧が予め定められた判定閾値Ｖｔ以上となったか否かを判断する。二次電池２００の端子電圧が予め定められた判定閾値Ｖｔ未満の場合には、ステップＳ１３０の処理を続行する。一方、二次電池２００の端子電圧が予め定められた判定閾値Ｖｔ以上となった場合には、ステップＳ１５０に移行する。判定閾値Ｖｔは、二次電池２００のＳＯＣの許容範囲内の特定のＳＯＣに対応する電圧から設定される。例えば、判定閾値Ｖｔは、二次電池２００のＳＯＣの許容範囲の中間より少し高い特定のＳＯＣに対応する二次電池２００の端子電圧としても良い。なお、二次電池２００の端子電圧を測定する場合には、二次電池２００と低電圧配線２１０との間に設けられたリレー（図示省略）を一時的にオフしても良い。

ステップＳ１５０では、制御部３００は、燃料電池１００のからの給電を停止させ、駆動モータ１４０からの回生電力のみを二次電池２００に充電させる。燃料電池１００からの給電の停止は、例えば、燃料電池１００と高電圧配線１１０との間に設けられたリレー（図示省略）をオンからオフに切り換えることにより行われる。

ステップＳ１６０では、制御部３００は、二次電池２００のＳＯＣが判定閾値ＳＯＣｔ以上となったか否かを判断する。二次電池２００のＳＯＣが判定閾値ＳＯＣｔ以上となった場合には、制御部３００は、ステップＳ１７０に移行し、二次電池２００の回生による充電を終了させる。二次電池２００の回生による充電の終了は、例えば、二次電池２００に備えられている充放電切替回路により行うことが可能である。

なお、本実施形態では、ステップＳ１７０において回生による充電を終了させる場合を例にとって説明したが、制御部３００は、どのステップを実行中であっても、車両の運転手によりアクセルペダル３１５が踏み込まれた場合には、制御部３００は、回生による充電を終了させることができる。

二次電池２００への充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧後の電圧ＶＬ（二次電池２００の端子電圧に等しい）は、以下の式（１）で示される。
ＶＬ＝ＶＢ＋Ｒ×Ｉ …（１）
ここで、ＶＢは、二次電池２００の起電力であり、Ｒは、二次電池２００の内部抵抗である。ここでは、二次電池２００の各種の過電圧を抵抗Ｒとして表現している。なお、充電時には、ＶＬ＞ＶＢである。また、充電時における、二次電池２００の損失は、Ｉ^２Ｒである。

二次電池２００は、充電時に瞬間的に流入するエネルギー量が増えると、その電圧がＳＯＣに相当する値よりも高くなるという特性を有する。また、二次電池２００に供給されるエネルギー（ＶＬ×Ｉ）を一定と仮定すると、二次電池２００の端子電圧ＶＬを高くするほど、二次電池２００に供給される電流Ｉが減少し、二次電池の損失（Ｉ^２Ｒ）が減少する。ここで、二次電池２００の端子電圧ＶＬを高くするためには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧後の電圧を上げればよい。

本実施形態では、二次電池２００に回生電力を充電するときに、回生初期（図２のステップＳ１３０）に燃料電池１００の電力を利用して、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧後の電圧（二次電池２００の端子電圧）を上げ、二次電池２００へ供給する電流Iを少なくする。この場合、回生電力のみを充電する場合に比べてＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧後の電圧が高くなるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の損失を低減出来る。さらに、二次電池２００に供給される電流を少なくできるので、二次電池２００の損失Ｉ^２Ｒを少なく出来る。

図３は、回生動作における電圧、電流、損失を示すグラフである。実線は、回生初期に回生電力と燃料電池２００の電力を充電させる実施形態の動作を示し、破線は、回生による電力のみを充電させて、燃料電池２００の電力を充電させない比較例の動作を示す。実施形態では、時刻ｔ０で回生による充電を開始すると、燃料電池１００からの給電を開始して回生電力と共に二次電池２００を充電する。この結果、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の降圧後の電圧ＶＬ（二次電池２００の端子電圧ＶＬ）は、比較例に比べてより早期に上昇するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の損失を少なく出来る。また、制御部３００は、二次電池２００の端子電圧ＶＬを早期に上昇させることにより、二次電池２００へ供給する電流Ｉを少なくできるので、比較例に比べて、二次電池２００の内部抵抗Ｒによるジュール損失を少なくできる。時刻ｔ１では、二次電池２００の端子電圧ＶＬが判定閾値Ｖｔ（図２のステップＳ１４０）に達しているので、その後、燃料電池１００からの給電が停止されている。

以上、本実施形態によれば、回生初期に燃料電池１００の電力を回生電力と共に二次電池２００に充電するので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０の損失を少なくすることができる。また、二次電池２００の内部抵抗Ｒによる損失を少なくできる。

・変形例：
図４は、回生開始時の二次電池２００のＳＯＣと、燃料電池１００の発電電力と、の関係を示すグラフである。本実施形態では、制御部３００は、図２のステップＳ１３０において、燃料電池１００の電力を二次電池２００に充電させている。このとき、制御部３００は、燃料電池１００の発電電力を、回生開始時の二次電池２００のＳＯＣに応じて、変動させても良い。具体的には、制御部３００は、回生開始時のＳＯＣが高いほど、燃料電池１００の発電電力を小さくするようにしてもよい。二次電池２００への充電後のＳＯＣが、許容範囲の上限を超えると、二次電池２００の寿命を縮める可能性がある。ＳＯＣが高い状態で燃料電池１００の発電電力を小さくしないと、二次電池２００への充電後のＳＯＣが、許容範囲の上限を直ちに超える可能性がある。従って、回生開始時のＳＯＣが高いほど、燃料電池１００の発電電力を小さくすることが好ましい。

上記実施形態では、制御部３００は、図２のステップＳ１３０で燃料電池１００からの給電を開始し、ステップＳ１４０で燃料電池１００からの給電を停止しているが、回生開始時にステップＳ１４０の要件を満たす場合には、燃料電池１００からの給電を行わなくても良い。

上記実施形態では、車両を例にとって説明したが、移動体が車両以外の移動体、例えば電車であってもよい。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…高電圧配線
１２０…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３０…モータ用インバータ
１４０…駆動モータ
１５０…モータセンサ
２００…二次電池
２１０…低電圧配線
２３０…補機用インバータ
２４０…補機
２５０…バッテリセンサ
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３１５…アクセルペダル
３２０…ブレーキペダルセンサ
３２５…ブレーキペダル
３３０…車速センサ

Claims

燃料電池システムであって、
高電圧配線と、
前記高電圧配線に接続される燃料電池と、
前記高電圧配線に接続され、回生動作が可能な駆動モータと、
前記高電圧配線及び低電圧配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記低電圧配線に接続される二次電池と、
前記二次電池の電圧を検知するバッテリセンサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記駆動モータの回生動作をする場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を開始して、前記駆動モータからの回生電力及び前記燃料電池からの電力を前記二次電池に充電させ、
その後、前記駆動モータの回生動作中に前記二次電池の電圧が予め定められた閾値以上となった場合に、前記燃料電池から前記高電圧配線への給電を停止させて前記回生電力のみを二次電池に充電させる、
燃料電池システム。