JP5434197B2

JP5434197B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両

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Publication number: JP5434197B2
Application number: JP2009085112A
Authority: JP
Inventors: 道雄吉田; 敦志今井; 朋也小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: WO2010112995A1; DE112010001455T5; CN102379061B; CN102379061A; JP2010238532A; US20120013289A1

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両の起動時の制御に関する。

燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。

このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が高くなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。

特開２００７−２６８９１号公報

ところで、電動車両に搭載されている燃料電池システムでは、燃料電池とモータとの接続を入り切りするＦＣリレーが設けられており、燃料電池が停止している際には燃料電池を負荷系統から切り離し、燃料電池が始動したら燃料電池を負荷系統に接続するようにしている。しかし、ＦＣリレーを閉として燃料電池と負荷系統とを接続する際にＦＣリレーに大きな電流が流れてしまうとＦＣリレーが溶着したり損傷を受けたりする場合がある。

そこで、燃料電池の始動の際には、燃料電池の電圧を一端、開回路電圧まで上昇させ、燃料電池からの電流が流出しない状態としてＦＣリレーを接続する。

しかし、燃料電池の電圧を開回路電圧まで上昇させると高電圧によって燃料電池の耐久性を損なう場合があるため、燃料電池の電圧を開回路電圧より低下させることが望ましい。

その一方で、このように電圧を下げると、燃料電池が発電してしまう場合がある。この発電はコントロールして発電されたものではなく、電圧を下げたために出てくる計算外のパワーである。よって必ずしも、補機やモータで消費しきれるとは限らず、（ＥＶ始動等の）特殊な場合を除き、発電によるエネルギはほぼ二次電池に充電されてしまうため、二次電池の充電状態によっては、過充電となり、二次電池を劣化させる場合がある。

そこで、本発明は、燃料電池の始動の際に、二次電池を劣化させることなく燃料電池システムを始動させることを目的とする。

本発明は、充電可能な二次電池と、二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、二次電池及び電圧変換器と共通の電路を介する負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と該共通の電路との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、ＦＣリレーの開閉及び燃料電池の電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、電圧変換器からの電圧が開回路電圧にある状態でＦＣリレーを閉とし、二次電池が過充電になる場合には、電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて燃料電池を始動させ、二次電池が過充電でない場合には、ＦＣリレーの開指令から所定時間経過後に、電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧からこれより低い通常運転時電圧である運転電圧である高電位回避電圧に低下させ、この状態で燃料電池の電圧を始動電圧から高電位回避電圧まで上昇させて燃料電池を始動する始動手段を備える。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記二次電池が過充電にならないように充電を制限するための電力値に相当する充電電力制限値Ｗ_inを算出する充電電力制限値算出手段を備え、始動手段は、算出された充電電力制限値Ｗ_inが所定値以上であると、二次電池が過充電になると判断し、電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて燃料電池を始動させ、算出された充電電力制限値Ｗ_inが所定値未満であると、二次電池が過充電でないと判断し、ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、電圧変換器から供給される電圧を高電位回避電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から高電位回避電圧まで上昇させて燃料電池を始動させることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、二次電池の充電容量を算出するＳＯＣ算出手段を備え、始動手段は、算出された充電容量が所定値以上であると、二次電池か過充電になると判断し、電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて燃料電池を始動させ、算出された充電容量が所定値未満であると、二次電池が過充電でないと判断し、ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、電圧変換器から供給される電圧を高電位回避電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から高電位回避電圧まで上昇させて燃料電池を始動させることが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、二次電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、始動手段は、検出された電圧が所定値以上であると、二次電池か過充電になると判断し、電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて燃料電池を始動させ、検出された電圧が所定値未満であると、二次電池が過充電でないと判断し、ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、電圧変換器から供給される電圧を高電位回避電圧に設定し、燃料電池の電圧を始動電圧から高電位回避電圧まで上昇させて燃料電池を始動させることが好ましい。

本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載したものである。

本発明によれば、燃料電池の始動の際に、二次電池を劣化させることなく燃料電池システムを始動させることができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。本実施形態に係る燃料電池システムの始動の際の電圧制御の一例を示す図である。本実施形態に係る燃料電池システムの始動の際の電圧制御の他の一例を示す図である。二次電池の充電電力制限値Ｗ_ｉｎにおける２次側電圧Ｖ_Ｈの制御マップを示す図である。二次電池の充電容量における２次側電圧Ｖ_Ｈの制御マップを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。

二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、本実施形態においては、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、同等又は高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された低圧の電圧を走行用モータ駆動用の高圧に昇降圧するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、１次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、２次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。

燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続される。昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の１次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の１次側電力を昇圧した２次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は、基本的に燃料電池１１が発電した電圧でまかない、燃料電池１１が発電できないときは二次電池１２で補完する。

二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には２次側の電圧を平滑化する１次側コンデンサ２０が接続され、１次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には１次側の電圧を平滑にする２次側コンデンサ２１が設けられ、２次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。１次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である１次側電圧Ｖ_Ｌであり、２次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧Ｖ_Ｈである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられ、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からの出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。

制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。

制御部５０には、二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎを算出する充電電力制限値算出手段が設けられている。充電電力制限値は、例えば、以下に示す式（１），（２）を用いて算出される。

Ｗ_ｉｎ（ｔ）＝ＳＷ_ｉｎ（ｔ）−Ｋ_ｐ×｛ＩＢ（ｔ）−Ｉ_ｔａｇ１（ｔ）｝−Ｋ_ｉ×∫｛ＩＢ（ｔ）−Ｉ_ｔａｇ２（ｔ）｝ｄｔ・・・（１）
（式中、Ｗ_ｉｎ（ｔ）：時刻ｔにおける二次電池の充電電力制限値、ＳＷ_ｉｎ（ｔ）：予め設定された二次電池の充電電力制限既定値、Ｋ_ｐ：ｐ項フィードバックゲイン、Ｋ_ｉ：ｉ項フィードバックゲイン、Ｉ_ｔａｇ１（ｔ）：ｐ項フィードバック制御による電流制限目標値、ＩＢ（ｔ）：時間ｔにおける二次電池の電流値を示す。）

Ｉ_ｔａｇ１（ｔ）＝Ｆ_ｐ（Ｉ_ｌｉｍ’（ｔ））、及び、Ｉ_ｔａｇ２（ｔ）＝Ｆ_ｉ（Ｉ_ｌｉｍ’（ｔ））・・・（２）
（式中、Ｉ_ｌｉｍ’（ｔ）は、前回算出した前回算出許容充電電流値Ｉ_ｌｉｍ（ｔ−１）または初回のみ設定許容充電電流値Ｉ_ｌｉｍ（０）を基に算出される。）

制御部５０には、二次電池１２の充電容量を算出するＳＯＣ算出手段を備えている。二次電池１２の充電容量を算出するのに必要な信号、例えば、二次電池１２の端子間に設置された電圧センサ４１からの端子間電圧、二次電池１２の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた電流センサ（不図示）からの充放電容量、二次電池１２に取り付けられた温度センサ（不図示）からの電池温度等が入力される。そして、ＳＯＣ算出手段は、例えば、電力センサから実測される二次電池電流値ＩＢ（ｔ）を積算し、又は実測された二次電池の電圧、温度により補正された推定電流値を積算して、充電容量（ＳＯＣ）を算出する。

本実施形態に係る燃料電池システム１００の動作について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの始動の際の電圧制御の一例を示す図である。図２の実線は昇降圧コンバータ１３の指令電圧である２次側電圧Ｖ_Ｈを示し、点線は燃料電池１１の電圧であるＦＣ電圧Ｖ_Ｆを示している。

運転者がイグニッションキー３０をオンするとそのオン信号が制御部５０に入力され、制御部５０はシステムリレー２５を閉として二次電池１２を系統に接続する。二次電池１２が系統に接続されると二次電池１２から供給される電力によって１次側コンデンサ２０が充電される。１次側コンデンサが充電されたら制御部５０は昇降圧コンバータ１３の昇圧動作を開始して２次側コンデンサ２１を充電し、電圧センサ４２によって検出される２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶまで上昇させていく（図２の実線）。なお、２次側電圧Ｖ_Ｈが開回路電圧ＯＣＶに達したら２次側コンデンサ２１の充電は完了となる。

制御部５０は、水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁１８が開となり、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。水素が供給されると燃料電池１１の燃料極の圧力が上昇するが、まだ酸化剤極に空気が供給されていないので燃料電池１１の内部では電気化学反応は起きていない。なお、水素系統の加圧開始後に、水素漏れ検を行ってもよい。

次に、制御部５０の充電電力制限値算出手段が、二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎを算出する。また、制御部５０のＳＯＣ算出手段が、二次電池１２の充電容量を算出する。また、電圧センサ４１が、二次電池１２の電圧を検出する。

制御部５０は、算出した二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎが、制御部５０に予め設定された所定値以上であるかどうかを判断する。また、制御部５０は、算出した二次電池１２の充電容量が、制御部５０に予め設定された所定値以上であるかどうかを判断する。さらに、制御部５０は、検出した二次電池１２の電圧が、制御部５０に予め設定された所定値以上であるかどうかを判断する。そして、制御部５０は、二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎ、充電容量、電圧のうち少なくともいずれか１つが、所定値以上であれば、二次電池１２が電力を受けると過充電になると判断する。一方、二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎ、充電容量、電圧のうち少なくともいずれか１つが、所定値未満であれば、二次電池１２が電力を受けることが可能である、すなわち過充電でないと判断する。ここで、充電電力制限値Ｗ_ｉｎ、充電容量、電圧において設定される各所定値は、過充電であるか否かを判断するに当たり適宜設定されればよい。

図２に示すように、制御部５０は、過充電でないと判断した場合、ＦＣリレー２４を閉とする指令を出力し、この指令によってＦＣリレー２４が閉となる所定時間経過後に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから高電位回避電圧Ｖ_０へ低下させ、後述するように燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆを始動電圧から高電位回避電圧Ｖ_０へ上昇させる。一方、過充電であると判断した場合、制御部５０は、ＦＣリレー２４を閉とする指令を出力するが、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶのまま維持し、後述する燃料電池１１への水素及び酸素の供給を行い、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆを始動電圧から開回路電圧ＯＣＶへ上昇させる。図２では、燃料電池１１の始動電圧をゼロとしているが、燃料電池１１の始動電圧は、燃料電池１１の運転停止時間に応じて異なり、運転停止時間が長いほど、始動電圧はゼロに近くなり、運転停止時間が短いほど、始動電圧は高電圧となっている。また、高電位回避電圧Ｖ_０は、開回路電圧ＯＣＶより小さく、燃料電池１１の耐久性を担保するために、燃料電池１１からの発電が可能な予め定められた運転電圧を意味し、例えば、開回路電圧ＶＯＣの９０％程度の電圧に設定される。

燃料電池１１の始動の際に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから高電位回避電圧Ｖ_０へ低下させると、燃料電池１１が発電する場合がある。この発電はコントロールして発電されたものではなく、電圧を下げたために出てくる計算外のパワーである。よって必ずしも、補機やモータで消費しきれるとは限らず、（ＥＶ始動等の）特殊な場合を除き、発電によるエネルギはほぼ二次電池１２に充電されてしまう。そこで、本実施形態は、上記のように、二次電池１２が過充電の場合には、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶのまま維持し、燃料電池からの電流が流出しない状態とする。これにより、二次電池が過充電となることを防止することができるため、過充電による二次電池の劣化を抑制することができる。

また、燃料電池１１の始動の際に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから高電位回避電圧Ｖ_０へ低下させた後に、ＦＣリレー２４を閉として燃料電池１１と負荷系統とを接続すると、ＦＣリレー２４に大きな電流が流れてしまう場合がある。そうすると、ＦＣリレー２４が溶着したり損傷を受けたりする。そこで、本実施形態では、２次側電圧Ｖ_Ｈが燃料電池１１から電流が流出しない開回路電圧ＯＣＶの時に、ＦＣリレー２４を閉として燃料電池１１と負荷系統とを接続し、その後、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから高電位回避電圧Ｖ_０へ低下させている。これにより、ＦＣリレー２４の溶着及び損傷を防止することができる。

制御部５０は、水素系統の加圧開始、ＦＣリレー２４の接続、二次電池１２の充電状態に基づく２次側電圧Ｖ_Ｈの調整後、空気圧縮機１９の始動指令を出力する。この指令によって空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始される。なお、水素系統の加圧開始及び空気圧縮機１９の始動タイミングは、上記に制限されるものではなく、例えば、ＦＣリレー２４の接続、二次電池１２の充電状態に基づく２次側電圧Ｖ_Ｈの調整後に、水素系統の加圧開始及び空気圧縮機１９の始動を行ってもよい。

空気圧縮機１９が始動され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆは始動電圧から図２の点線に示すように次第に上昇していく。そして、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆは、二次電池１２が過充電でない場合には、高電位回避電圧Ｖ_０に達する。二次電池１２が過充電でない場合には、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧Ｖ_Ｈは、高電位回避電圧Ｖ_０に設定されているので、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆも高電位回避電圧Ｖ_０に保持され、開回路電圧ＯＣＶまで上昇しない。また、二次電池１２が過充電になる場合には、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧Ｖ_Ｈは、開回路電圧ＯＣＶのまま維持されているので、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆは、開回路電圧ＯＣＶまで上昇する。そして、制御部５０は、燃料電池１１の始動は完了したものとして通常運転に移行する。なお、燃料電池１１は、ＦＣ電圧Ｖ_Ｆが開回路電圧ＯＣＶまで上昇するに伴って、次第に出力電流が減少し、開回路電圧ＯＣＶに達すると出力電流がゼロとなる特性を持っている。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１００の動作の他の例を説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの始動の際の電圧制御の他の一例を示す図である。図４は、二次電池の充電電力制限値Ｗ_ｉｎにおける２次側電圧Ｖ_Ｈの制御マップを示す図である。図５は、二次電池の充電容量における２次側電圧Ｖ_Ｈの制御マップを示す図である。

上記でも説明したように、昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶまで上昇させた（図２上段の実線）後、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。

制御部５０は、図４に示す制御マップに、算出した二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎを当てはめ、２次側電圧Ｖ_Ｈを設定する。また、制御部５０は、図５に示す制御マップに、算出した二次電池１２の充電容量を当てはめ、２次側電圧Ｖ_Ｈを設定してもよい。さらに、制御部５０は、不図示である二次電池１２の電圧における２次側電圧Ｖ_Ｈの制御マップに、検出した二次電池１２の電圧を当てはめ、２次側電圧Ｖ_Ｈを設定してもよい。本実施形態では、二次電池１２の充電電力制限値Ｗ_ｉｎ、充電容量、電圧のうち少なくともいずれか１つの値に応じて、２次側電圧Ｖ_Ｈが設定されればよい。

そして、制御部５０は、ＦＣリレー２４を閉とする指令を出力し、この指令によってＦＣリレー２４が閉となる所定時間経過後に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから上記設定した値に変更する。例えば、充電電力制限値がＳ_２である場合、それを図４に示す制御マップに当てはめると、設定する２次側電圧Ｖ_ＨはＶ_２となる。制御部５０は、ＦＣリレー２４が閉となる所定時間経過後に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから設定したＶ_２に変更する。そして、後述するように燃料電池１１の電圧を始動電圧からＶ_２へ上昇させる。

燃料電池１１の始動の際に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから、二次電池１２の充電状態に応じた電圧まで低下させるため、燃料電池１１が発電する場合でも、二次電池１２が受けることが可能な電力しか、燃料電池１１からは発電されない。これにより、二次電池１２が過充電となることを防止することができるため、過充電による二次電池１２の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、ＦＣリレー２４を閉として燃料電池１１と負荷系統とを接続した後に、２次側電圧Ｖ_Ｈを開回路電圧ＯＣＶから二次電池１２の充電状態に応じて設定された電圧へ低下させるため、ＦＣリレー２４の溶着及び損傷を防止することができる。

制御部５０は、水素系統の加圧開始、ＦＣリレー２４の接続、二次電池１２の充電状態に基づく２次側電圧Ｖ_Ｈの調整後に、空気圧縮機１９の始動指令を出力する。この指令によって空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始される。なお、水素系統の加圧開始及び空気圧縮機１９の始動タイミングは、上記に制限されるものではなく、例えば、ＦＣリレー２４の接続、二次電池１２の充電状態に基づく２次側電圧Ｖ_Ｈの調整後に、水素系統の加圧開始及び空気圧縮機１９の始動を行ってもよい。

空気圧縮機１９が始動され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆは始動電圧から図３の点線に示すように次第に上昇していく。そして、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Ｆは、二次電池１２の充電状態に応じて設定された２次側電圧Ｖ_Ｈ（例えば図３に示すＶ_２）に達する。そして、制御部５０は、燃料電池１１の始動は完了したものとして通常運転に移行する。

以上説明したように、本実施形態では、燃料電池の始動の際、二次電池の充電状態に応じて、燃料電池の電圧を高電位回避電圧より高くし、燃料電池の出力電流を制限する。これにより、燃料電池の始動の際に、二次電池が燃料電池から供給される電力により、過充電になることが抑制されるため、過充電による二次電池の劣化を抑制することができる。

１１燃料電池、１２二次電池、１３昇降圧コンバータ、１４インバータ、１５走行用モータ、１６補機、１７水素タンク、１８水素供給弁、１９空気圧縮機、２０１次側コンデンサ、２１２次側コンデンサ、２３逆流防止ダイオード、２４ＦＣリレー、２５システムリレー、３０イグニッションキー、３１１次側電路、３２基準電路、３３，３６，３８プラス側電路、３４，３７，３９マイナス側電路、３５２次側電路、４１〜４３電圧センサ、４４電流センサ、５０制御部、６０車輪、１００燃料電池システム、２００電動車両。

Claims

充放電可能な二次電池と、
前記二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、前記二次電池及び前記電圧変換器と共通の電路を介する負荷に電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池と前記共通の電路との電気的な接続を入り切りするＦＣリレーと、
前記ＦＣリレーの開閉及び燃料電池の電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記電圧変換器からの電圧が開回路電圧にある状態で前記ＦＣリレーを閉とし、
前記二次電池が過充電になる場合には、前記電圧変換器から供給される電圧を前記燃料電池の開回路電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動させ、
前記二次電池が過充電でない場合には、前記ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、前記電圧変換器から供給される電圧を前記燃料電池の開回路電圧からこれより低い通常運転時電圧である高電位回避電圧に低下させ、この状態で前記燃料電池の電圧を始動電圧から前記高電位回避電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動する始動手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記二次電池が過充電にならないように充電を制限するための電力値に相当する充電電力制限値Ｗ_inを算出する充電電力制限値算出手段を備え、
前記始動手段は、
算出された充電電力制限値Ｗ_inが所定値以上であると、前記二次電池が過充電になると判断し、前記電圧変換器から供給される電圧を前記燃料電池の開回路電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動させ、
算出された充電電力制限値Ｗ_inが所定値未満であると、前記二次電池が過充電でないと判断し、前記ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、前記電圧変換器から供給される電圧を前記高電位回避電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から前記高電位回避電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２記載の燃料電池システムであって、前記二次電池の充電容量を算出するＳＯＣ算出手段を備え、
前記始動手段は、
算出された充電容量が所定値以上であると、前記二次電池が過充電になると判断し、前記電圧変換器から供給される電圧を燃料電池の開回路電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動させ、
算出された充電容量が所定値未満であると、前記二次電池が過充電でないと判断し、前記ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、前記電圧変換器から供給される電圧を前記高電位回避電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から前記高電位回避電圧まで上昇させて燃料電池を始動することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記二次電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記始動手段は、
検出された電圧が所定値以上であると、前記二次電池が過充電になると判断し、前記電圧変換器から供給される電圧を前記燃料電池の開回路電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動させ、
算出された電圧が所定値未満であると、前記二次電池が過充電でないと判断し、前記ＦＣリレーの閉指令から所定時間経過後に、前記電圧変換器から供給される電圧を前記高電位回避電圧に設定し、前記燃料電池の電圧を始動電圧から高電位回避電圧まで上昇させて前記燃料電池を始動することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。