WO2008114758A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

バッテリから出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能な燃料電池システムを提供する。制御ユニット８０は、ＥＶ走行すべき旨の指令が入力されたと判断するとリレー２０をＯＦＦにし、燃料電池４０とインバータ５０との間の接続を切断する。そして、制御ユニット８０は、ＳＯＣセンサ６５から供給されるＳＯＣ情報に基づき、バッテリ６０の出力電圧を検出する。そして、制御ユニット８０は、検出したバッテリ６０の出力電圧をもとに、コンバータ効率とインバータ効率とを考慮して当該時点における最適な動作電圧を決定する。

Description

明細書 燃料電池システム 技術分野

本発明は、 燃料電池システムに関する。 背景技術

水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスの電気化学反応を利用して発電 を行う燃料電池システムが知られている。 かかる燃料電池システムは高効率、 クリーンな発電手段であるため、 二輪車や自動車などの駆動動力源として大 きな期待を集めている。

この燃料電池は出力電力の応答性が低くなる場合があるため、 かかる弊害 を防止する手段として燃料電池とバッテリとを並列に接続して電源を構成す る技術が提案されている。 例えば下記特許文献 1には、 燃料電池に対してト ラタシヨンモータなどの負荷をィンバータを介して接続するとともに、 該燃 料電池に対して並列に、 バッテリを DCZDCコンバータを介して接続する 構成が開示されている。 [特許文献 1] 特開 2002— 118981号公報 発明の開示

しかしながら、 上記構成では、 EV走行などバッテリのみを利用して負荷 を駆動する場合であっても、 常にインバータの効率が最大となるように、 D CZDCコンバータの出力電圧 （すなわちシステムの動作電圧） を制御し、

DCZDCコンバータの効率は何ら考慮されていなかった。 このため、 ノくッ テリから出力される電力が負荷に対して最も効率よく伝達されているとは言 い難い状況にあった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、 バッテリなどの 蓄電装置から出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能な' 燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、 本発明に係る燃料電池システムは、 燃料電 池と、 電圧変換装置と、 前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接 続された蓄電装置と、 少なくとも前記燃料電池または前記蓄電装置から出力 される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置と、 前記 電圧変換装置の電圧変換効率と前記電力変換装置の電力変換効率とに基づい て、 当該システムの動作電圧を決定する決定手段とを具備することを特徴と する。

かかる構成によれば、 電力変換装置 （インバータなど） による電力変換効 率だけでなく、 電圧変換装置 （D CZD Cコンバータなど） による電圧変換 効率をも考慮して、 当該システムの動作電圧を決定するため、 蓄電装置 （バ ッテリなど） から出力される電力を負荷に対して効率よく電圧することが可 能となる。

ここで、 上記構成にあっては、 前記決定手段は、 前記蓄電装置のみを電力 源とすべき指令を受けた場合に当該システムの動作電圧を決定し、 決定され た動作電圧に応じて前記電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変 換制御手段をさらに具備する態様が好ましい。

また、 上記構成にあっては、 前記蓄電装置の蓄電状態を検出するセンサを さらに備え、 前記決定手段は、 検出された前記蓄電装置の蓄電状態と、 前記 電圧変換装置の電圧変換効率と、 前記電力変換装置の電力変換効率とに基づ いて、 当該システムの動作電圧を決定する態様がさらに好ましい。

さらに、 上記構成にあっては、 前記燃料電池と前記電力変換装置との接続 経路に介挿されたスィツチング素子と、 前記蓄電装置のみを電力源とすべき 指令を受けた場合に、 前記スィツチング素子によって前記燃料電池と前記電 力変換装置との間の電気的接続を切断するスィツチング制御手段とをさらに 具備する態様が好ましい。

以上説明したように、 本発明によれば、 バッテリなどの蓄電装置から出力 される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。 図面の簡単な説明

図 1は、 本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

図 2は、 動作電圧とインバータ効率との関係を例示した図である。

図 3は、 入出力電圧差とコンバータ効率との関係を例示した図である。 図 4は、 従来における E V走行時の ¾作電圧の決定方法を説明するための 図である。

図 5は、 本発明における E V走行時の動作電圧の決定方法を説明するため の図である。

図 6は、 走行制御処理を示すフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 A . 本実施形態

( 1 ) 実施形態の構成

図 1は、 本実施形態に係る燃料電池システム 1 0 0を搭載した車両の概略 構成である。

なお、 以下の説明では、 車両の一例として燃料電池自動車 （F C H V ; Fuel Cell Hybrid Vehicle) を想定するが、 電気自動車やハイブリッド自動 車にも適用可能である。 また、 車両のみならず各種移動体 （例えば、 船舶や 飛行機、 ロボットなど） にも適用可能である。

この車両は、 車輪 9 5 L、 9 5 Rに連結されたトラクシヨンモータ 9 0を 駆動力源として走行する。 トラクシヨンモータ 9 0の電源は、 電源システム 1である。 電源システム 1から出力される直流は、 インバータ 5 0で三相交 流に変換され、 トラクシヨンモータ 9 0に供給される。 トラクシヨンモータ 9 0は制動時に発電機としても機能することができる。

電源システム 1は、 燃料電池 4 0 、 ノく ッテリ 6 0、 D C ZD Cコンバータ 3 0、 インバータ 5 0などから構成される。

燃料電池 4 0は、 供給される反応ガス （燃料ガス及び酸化ガス） から電力 を発生する手段であり、 固体高分子型、 燐酸型、 熔融炭酸塩型など種々のタ イブの燃料電池を利用することができる。 燃料電池 4 0は、 M E Aなどを備 えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。 この燃料電 池 4 0の出力電圧 （以下、 F C電圧） 及び出力電流 （以下、 F C電流） は、 それぞれ電圧センサ及び電流センサ （いずれも図示略） によって検出される。 燃料電池 4 0の燃料極 （アノード） には、 燃料ガス供給源 1 0から水素ガス などの燃料ガスが供給される一方、 酸素極 （力ソード） には、 酸化ガス供給 源 7 0から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源 1 0は、 例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、 弁開度や〇Ν/θ F F時間などを調整することにより、 燃料電池 4 0に供給 する燃料ガス量を制御する。

酸化ガス供給源 7 0は、 例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆 動するモータ、 インバータなどから構成され、 該モータの回転数などを調整 することにより、 燃料電池 4 0に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ （蓄電装置） 6 0は、 充放電可能な二次電池であり、 例えばニッ ケル水素バッテリなどにより構成されている。 もちろん、 ノく ッテリ 6 0の代 わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器 （例えばキャパシタ） を設けても 良い。 このバッテリ 60は、 DCZDCコンバータ 30を介して燃料電池 4 0と並列に接続されている。 バッテリ 60には、 当該バッテリの充電状態を 検出する S OCセンサ （センサ） 65が設けられている。 SOCセンサ 65 は、 制御ュニット 80から与えられる指示に従ってバッテリ 60の充電状態 を検出し、 検出結果を SO C情報として制御ユニット 80に出力する。

D C ZD Cコンバータ （電圧変換装置） 30は、 例えば 4つのパワー - ト ランジスタと専用のドライブ回路 （いずれも図示略） によって構成されたフ ルブリッジ · コンバータである。 DCZDCコンバータ 30は、 バッテリ 6 0から入力された DC電圧を昇圧または降圧してインバータ 50側に出力す る機能、 燃料電池 40またはトラクシヨンモータ 90から入力された DC電 圧を昇圧または降圧してバッテリ 60側に出力する機能を備えている。 この DC/DCコンバータ 30の機能により、 バッテリ 60の充放電が実現され る。 なお、 ノくッテリ 60と DCZDCコンバータ 30の間には、 車両補機 (例えば照明機器） や FC補機 （例えば燃料ガス用のポンプ） などの補機類 が接続されている。

インバータ （電力変換装置） 50は、 例えばパルス幅変調方式の PWMィ ンバータであり、 制御ュニッ ト 80から与えられる制御指令に応じて燃料電 池 40またはバッテリ 60から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、 トラクションモータ 90へ供給する。 ィンバータ 50と燃料電池 40との間 には、 リ レー （スイッチング素子） 20が介挿ざれている。 制御ユニッ ト (スイッチング制御手段） 80は、 リ レー 20の ON、 OFFを切り換える ことで、 インバータ 50と燃料電池 40との間の接続、 切断を制御する。

トラクシヨンモータ （負荷） 90は、 車輪 95 L、 95 Rを駆動するため のモータ （すなわち移動体の動力源） であり、 かかるモータの回転数はイン バータ 50によって制御される。 本実施形態では、 インバータ 50に接続さ れる負荷としてトラクションモータ 90を例示したが、 これに限定する趣旨 ではなく、 あらゆる電子機器 （負荷） に適用可能である。

制御ユニット 80は、 CPU、 ROM, RAMなどにより構成され、 SO Cセンサ 65や、 燃料電池 40の出力電圧、 出力電流を検出する電圧センサ、 電流センサ、 ァクセルペダルなどから入力される各センサ信号に基づき当該 システム各部を中枢的に制御する。

また、 制御ユニット （決定手段） 80は、 EV走行をする際、 燃料電池シ ステム 100の効率が最適となるように、 インバータ 50の電力変換効率 (以下、 インバータ効率） と DC/DCコンバータ 30の電圧変換効率 （以 下、 コンバータ効率） に基づいて当該システムの動作点 （=動作電圧） を決 定する。 そして、 制御ユニット （電圧変換制御手段） 80は、 DC/DCコ ンバータ 30の出力電圧が決定した動作電圧に一致するように DCZDCコ ンバータ 30の動作を制御する。 このように、 インバータ効率だけでなく、 コンバータ効率をも考慮して動作電圧を決定することで、 バッテリ 60から 出力される電力を負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。 以下、 その理由を説明する。

図 2は、 動作電圧とインバータ効率との関係を例示した図であり、 図 3は、 入出力電圧差とコンバータ効率との関係を例示した図である。 なお、 図 3に 示す入出力電圧差とは、 DC/DCコンバータ 30の入力電圧と出力電圧と の間の電圧差をいう。

図 2に示すように、 インバータ効率は、 設定される動作電圧が大きくなる につれ、 高くなる （図 2に示す動作電圧 V 1、 V2参照）。 これに対し、 コ ンバータ効率は、 図 3に示すように、 入出力電圧差が大きくなるにつれ、 低 くなる （図 3に示す入出力電圧差 Vd i f 1、 Vd i f 2参照）。

ここで、 図 4及び図 5は、 EV走行時における動作電圧の決定方法を説明 するための図であり、 図 4は従来技術に係る構成、 図 5は本実施形態に係る 構成を示す。 なお、 図 4及び図 5に示す燃料電池システムについて、 図 1と 対応する構成要素には同一符号を付し、 詳細な説明を省略する。

図 4及び図 5に示すように、 E V走行の際には、 バッテリ 6 0の出力電力 が D C/D Cコンバータ 3 0を介してィンバータ 5 0に供給される。

従来技術においては、 インバータ効率のみを考慮して動作電圧を決定して いたため、 必ずしもバッテリ 6 0の出力電力が最も効率よく トラクシヨンモ ータ 9 0に伝達されるとは限らなかった。 具体的には、 図 2に示すように設 定される動作電圧が大きければ大きいほど、 インバータ効率は高くなるため、 従来は動作電圧を燃料電池 4 0の O C V (Open Circuit Voltage) 近傍 （例 えば 4 0 0 V) に設定していた。 しかしながら、 コンバータ効率は、 図 3に 示すように D C ZD Cコンバータ 3 0の入出力電圧差が大きくなるにつれ、 低くなる。 コンバータ効率の観点からは、 D C ZD Cコンバータ 3 0の入出 力電圧はできるだけ小さいほうが望ましいが、 ィンバータ効率のみを考慮し て動作電圧を決定すると、 図 4に示すようにインバータ 5 0での電力損失は 小さくなるものの （図 4に示す電力損失； 「 1」）、 D C /D Cコンバータ 3 0での電力損失は大きくなつてしまい （図 4に示す電力損失； 「4」）、 最終 的にはシステム効率 （=到達電力 出力電力） が低下してしまう場合があつ た （図 4に示す到達電力； 「5」）。

これに対し、 本実施形態では、 インバータ効率のみならず、 コンバータ効 率をも考慮して動作電圧を決定する。 この結果、 図 5に示すように、 インバ —タ 5 0での電力損失は従来よりも大きくなるものの （図 5に示す電力損 失； 「2」）、 D C /D Cコンバータ 3 0での電力損失は従来よりも小さくな り （図 5に示す電力損失； 「2」）、 最終的にはシステム効率を向上させるこ とが可能となる （図 5に示す到達電力 ； 「6」）。 なお、 決定した動作電圧が 燃料電池 4 0の O C V近傍 （例えば 4 0 0 V ) よりも低い場合 （例えば 3 5 0 V)、 燃料電池 4 0とインバータ 5 0とを接続したままでは （図 4参照）、 残留ガスの影響などにより燃料電池 4 0が発電し、 動作電圧が上昇してしま うおそれがある。 そこで、 本実施形態では、 燃料電池 40とインバータ 50 との間にリレー 20を設け、 リレー 20を OF Fすることで燃料電池 40の 不要な発電を防止している。

以下、 本実施形態の動作について説明する。

(2) 実施形態の動作

図 6は、 制御ュニット 80によって間欠的に実行される走行制御処理を示 すフローチヤ一トである。

制御ュニット 80は、 各種センサなどから入力されるセンサ信号に基づき、 EV走行すべき旨の指令 （バッテリ 60のみを電力源とすべき旨の指令） が 入力されたか否かを判断する （ステップ S 10)。 制御ユニッ ト 80は、 か かる指令が入力されたと判断すると （ステップ S 10 ； YE S), 制御ュニ ット 80は、 リレー 20を OF Fにし、 燃料電池 40とインバータ 50との 間の接続を切断する （ステップ S 20)。 そして、 制御ユニッ ト 80は、 S OCセンサ 65から供給される SOC情報に基づき、 当該時点におけるバッ テリ 60の充電状態 （出力電圧） を検出する （ステップ S 30)。 周知のと おり、 バッテリ 60の出力電圧は、 使用状況 （使用時間など） に応じて時々 刻々と変化する。 最適な動作電圧は、 バッテリ 60の出力電圧に応じて変化 するため、 ここでは当該時点におけるバッテリ 60の充電状態 （出力電圧） を検出する。

そして、 制御ユニット 80は、 検出したバッテリ 60の出力電圧をもとに、 コンバータ効率とインバータ効率とを考慮して当該時点における最適な （す なわちシステム効率のもっとも高い） 動作電圧を決定する （ステップ S 4 0)。 制御ユニット 80は、 このように決定した動作電圧に基づき、 DC/ DCコンバータ 30の昇降圧動作を制御する （ステップ S 50)。 以上説明 した一連の処理が行われることにより、 バッテリ 60から出力される電力を 負荷に対して効率よく伝達することが可能となる。 B. 変形例

<変形例 1 >

上述した本実施形態では、 燃料電池 40とインバータ 50との間にリ レー 20を設け、 EV走行の際にはリレー 20を OFFすることで燃料電池 40 の不要な発電を防止したが、 該発電を防止することができるのであればどの ような方法を採用しても良い。

<変形例 2 >

また、 本実施形態では、 電力源としてバッテリ 60のみを利用する場合 (EV走行時） について説明したが、 電力源としてバッテリ 60と他の電滬 (燃料電池 40を含 ） を利用する場合にも適用可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と、

電圧変換装置と、

前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、 少なくとも前記燃料電池または前記蓄電装置から出力される直流電力を交 流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置と、

前記電圧変換装置の電圧変換効率と前記電力変換装置の電力変換効率とに 基づいて、 当該システムの動作電圧を決定する決定手段と

を具備することを特徴とする燃料電池システム。

2 . 前記決定手段は、 前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場 合に当該システムの動作電圧を決定し、.

決定された動作電圧に応じて前記電圧変換装置による電圧変換動作を制御 する電圧変換制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項 1に記載の 燃料電池システム。

3 . 前記蓄電装置の蓄電状態を検出するセンサをさらに備え、

前記決定手段は、 検出された前記蓄電装置の蓄電状態と、 前記電圧変換装 置の電圧変換効率と、 前記電力変換装置の電力変換効率とに基づいて、 当該 システムの動作電圧を決定することを特徴とする請求項 1または 2に記載の 燃料電池システム。

4 . 前記燃料電池と前記電力変換装置との接続経路に介挿されたスィツチ ング素子と、

前記蓄電装置のみを電力源とすべき指令を受けた場合に、 前記スィッチン グ素子によつて前記燃料電池と前記電力変換装置との間の電気的接続を切断 するスィッチング制御手段と

をさらに具備することを特徴とする請求項 3に記載の燃料電池システム。