特許 6444669 燃料電池システムおよびその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6444669

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04007 20160101AFI20181217BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20181217BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20181217BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20181217BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04007

   H01M8/00 Z

   H01M8/04225

   H01M8/04302

   H02P27/06

【請求項の数】6

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2014-185389(P2014-185389)

(22)【出願日】2014年9月11日

(65)【公開番号】特開2016-1585(P2016-1585A)

(43)【公開日】2016年1月7日

【審査請求日】2017年4月21日

(31)【優先権主張番号】10-2014-0070967

(32)【優先日】2014年6月11日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】591251636

【氏名又は名称】現代自動車株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＨＹＵＮＤＡＩ ＭＯＴＯＲ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(72)【発明者】

【氏名】クォン、スン、ウ

(72)【発明者】

【氏名】イ、ジュン、ヨン

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２４７１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３９９８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０５９４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０２７２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３１７４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０８９６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２８６５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３０３４００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックの温度を上昇させるための誘導モーターの鉄損を最大にするために、誘導モーターの回転磁界の角速度を速く増加させる段階と、
回転磁界の増加した角速度が予め設定した速度に到達した場合に、誘導モーターの誘導電流の大きさを増加させるために、誘導モーターへの電流指令値を増加させる段階と、
前記角速度の増加に伴って生成された誘導モーターのトルクをトルク除去器によって除去する段階と、を含む、ことを特徴とする、燃料電池システムの動作制御方法。

【請求項2】

前記トルク除去器は、減速機または油圧ブレーキを含み、
前記方法は、車両の変速段がＰ段であるか否かを判断する段階をさらに含み、
前記車両の変速段がＰ段である場合、前記回転磁界の角速度を速く増加させ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の動作制御方法。

【請求項3】

前記変速段がＰ段ではない場合、Ｐ段への変更要請信号を出力することを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システムの動作制御方法。

【請求項4】

前記Ｐ段への変更要請信号に対応してＰ段に変速すると、前記回転磁界の角速度を速く増加させ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の動作制御方法。

【請求項5】

前記方法は、燃料電池車両の外部の温度が所定の温度以下である冷始動状況か否かを判断する段階をさらに含み、
前記誘導モーターの回転磁界の角速度を速く増加させる段階は、前記判断結果が冷始動状況である場合に行われ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の動作制御方法。

【請求項6】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックからパワーの供給を受けるインバータと、
前記インバータからの信号によって駆動される誘導モーターと、
前記燃料電池スタックの温度を上昇させるための誘導モーターの鉄損を最大にするために、前記誘導モーターの回転磁界の角速度を速く増加させ、回転磁界の増加した角速度が予め設定した速度に到達した場合に、誘導モーターの誘導電流の大きさを増加させるために、誘導モーターへの電流指令値を増加させる制御部と、
前記回転磁界の角速度の増加に伴って生成された前記誘導モーターのトルクを除去するトルク除去器と、を含む、ことを特徴とする、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、燃料電池システムおよびその制御方法に係り、さらに詳しくは、冷始動の状況で燃料電池スタックを速く昇温させることが可能な燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池車両は、動力源として用いる複数の燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックや、燃料電池スタックに燃料としての水素などを供給する燃料供給システム、電気化学反応に必要な酸化剤としての酸素を供給する空気供給システム、燃料電池スタックの温度を制御する水／熱管理システムなどを含む。

【0003】

燃料供給システムは、水素タンク内の圧縮水素を減圧してスタックの燃料極（アノード）へ供給し、空気供給システムは、空気ブロワーを作動させ、吸入した外部空気をスタックの空気極（カソード）へ供給する。

【0004】

スタックの燃料極に水素が供給され、空気極に酸素が供給されると、燃料極では触媒反応を介して水素イオンが分離される。分離された水素イオンは、電解質膜を介して空気極としての酸化極へ伝達される。酸化極では、燃料極で分離された水素イオン、電子および酸素が一緒に電気化学反応を起こすことにより、電気エネルギーを得ることができる。具体的に、燃料極では水素の電気化学的酸化が起こり、空気極では酸素の電気化学的還元が起こり、この際、生成される電子の移動により電気と熱が発生し、水素と酸素とが結合する化学作用によって水蒸気または水が生成される。

【0005】

燃料電池スタックの電気エネルギー生成過程で発生する水蒸気、水および熱などの副産物と反応しない水素および酸素などを排出するために排出装置が設けられる。水蒸気、水素および酸素などのガスは排気通路を介して大気中に排出される。

【0006】

一方、電流指令生成器で生成された電流指令は電流制御器（図示せず）へ出力される。電流制御器は、ｄ軸、ｑ軸電圧指令を生成し、その後、３相電圧指令を生成する。パルス幅の変調および３相電流の制御過程を介してモーターが制御される。

【0007】

一方、燃料電池車両停車の際に、運転中に生成された水の一部は燃料電池スタックの内部に残存する。車両の外部温度が非常に低い場合、このような残存水が凝結して氷に相変化し、その結果として燃料電池車両の始動が不可能となるという問題点がある。このような冷始動環境で冷始動性を確保するために、ヒーターを用いて冷却水を急速解凍させる方法や、空気供給システムラインにヒーターを設置して空気を昇温させる方法などがある。

【0008】

ところが、冷始動の際に空気ブロワーと加湿器との間の吸気ラインにヒーターを設置し、或いは燃料電池スタックを取り囲んでいるエンクロージャ内に燃料電池スタックからの暖かい空気を循環させて燃料電池スタックを加熱する方法などは、さらにヒーターを取り付けなければならず、燃料電池スタックの構造的な変更が要求されるので、構成部品の配置設計が複雑になり、製造コストを上昇させるという問題点がある。しかも、ヒーターを作動させて燃料電池スタックの温度を適正の水準に上昇させる時間が長くかかるという問題点がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明の目的は、（駆動モーターを誘導モーターとして用いる場合）誘導モーターを用いて燃料電池スタックを速く昇温させることが可能な燃料電池システムおよびその制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成するために、本発明のある観点によれば、燃料電池スタックの温度を上昇させるための誘導モーターの鉄損を増加させるために、誘導モーターの回転磁界の角速度を速く増加させる段階と、前記角速度の増加に伴って生成された駆動モーターのトルクをトルク除去器によって除去する段階とを含んでなる、 燃料電池システムの動作制御方法を提供する。

【0011】

前記トルク除去器は、減速機（Ｐ段の状態にある減速機）または油圧ブレーキを含み、前記方法は、車両の変速段がＰ段（パーキング段）であるか否かを判断する段階をさらに含み、前記車両の変速段がＰ段である場合、前記回転磁界の角速度を速く増加させることを特徴とする。

【0012】

前記変速段がＰ段ではない場合、Ｐ段への変更要請信号を出力することができる。

【0013】

前記Ｐ段への変更要請信号に対応してＰ段に変速すると、前記回転磁界の角速度を速く増加させることを特徴とする。

【0014】

前記方法は、燃料電池車両の外部の温度が所定の温度以下である冷始動状況か否かを判断する段階をさらに含み、前記駆動モーターの回転磁界の角速度を速く増加させる段階は、前記判断結果が冷始動状況である場合に行われることを特徴とする。

【0015】

前記回転磁界の角速度を速く増加させた後、前記誘導モーターの誘導電流を増加させるために前記モーターの電流指令値を増加させる段階をさらに含んでもよい。

【0016】

本発明の他の観点によれば、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックによってパワーの供給を受けるインバータと、前記インバータからの信号によって駆動される誘導モーターと、前記燃料電池スタックの温度を上昇させるための誘導モーターの鉄損を最大にするために、前記誘導モーターの回転磁界の角速度を速く増加させる制御部と、前記回転磁界の角速度の増加に伴って生成された前記誘導モーターのトルクを除去するトルク除去器とを含む、燃料電池システムを提供する。

【発明の効果】

【0017】

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムおよびその制御方法によれば、誘導モーターの鉄損を増加させて効率を低下させることにより、燃料電池スタックの電気化学反応を増加させることができ、それにより燃料電池スタックを速く昇温させることができるという効果がある。

【0018】

また、誘導モーターの発熱量を増加させながら、発生するトルクを除去して安定性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを簡略に示すブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を簡略に示すフローチャートである。

【図3】回転磁界の角速度の増加とこれによる生成トルクおよび損失パワーの変化を示すグラフである。

【図4】一定の回転磁界の角速度における電流指令値の変化による損失パワーの変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本明細書または出願に開示されている本発明の実施態様に対して、特定の構造的または機能的説明は単に本発明に係る実施態様を説明するために例示されたものに過ぎず、本発明に係る実施態様は、様々な形態で実施でき、本明細書または出願に説明された実施態様に限定されるものと解釈されてはならない。

【0021】

本発明に係る実施態様は、多様な変更を加えることができ、種々の形態を有することができるので、特定の実施形態を図面に例示して本明細書に詳細に説明する。しかし、これは本発明の概念による実施様態を特定の開示形態に限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物または代替物を含むと理解されるべきである。

【0022】

本明細書において、「第１」および／または「第２」等の用語は多様な構成要素の説明に使用できるが、これらの構成要素はこのような用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで使われる。例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱することなく、第１構成要素は第２構成要素と命名でき、同様に第２構成要素も第１構成要素とも命名できる。

【0023】

ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いる、或いは「接続されて」いると言及された場合には、該他の構成要素に直接連結または接続されていることも意味するが、それらの間に別の構成要素が介在する場合も含むと理解されるべきである。一方、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いる、或いは「直接接続されて」いると言及された場合には、それらの間に別の構成要素が介在しないと理解されるべきである。構成要素間の関係を説明する他の表現、すなわち「〜間に」と「すぐに〜間に」または「〜に隣り合う」と「〜に直接隣り合う」等も同様に解釈されるべきである。

【0024】

本明細書で使用した用語は、単に特定の実施形態を説明するために使用されたもので、本発明を限定するものではない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味ではない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は説示された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらの組み合わせが存在することを指定しようとするもので、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらの組み合わせの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

【0025】

また、別に定義しない限り、技術的或いは科学的用語を含んで、本明細書において使用される全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば一般的に理解されるのと同一の意味を有する。 一般に使用される辞典に定義されているような用語は、関連技術の文脈上において有する意味と一致する意味であると解釈されるべきであり、本明細書において明白に定義しない限りは、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。

【0026】

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施態様を説明することにより、本発明を詳細に説明する。各図面に提示された同一の参照符号は同一の部材を示す。

【0027】

図１は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを簡略に示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、燃料電池スタック１０によってパワーの供給を受けるインバータ２０と、インバータ２０からの信号によって駆動される誘導モーター３０と、回転磁界の角速度の増加に伴って生成された誘導モーター３０のトルクを除去するトルク除去器４０と、燃料電池スタック１０の温度を上昇させるための誘導モーター３０の鉄損を最大にするために誘導モーター３０の誘導モーター３０の回転磁界の角速度を速く増加させる制御部５０とを含むことができる。

【0028】

誘導モーター３０は、トラクションモーターまたは空気ブロワーモーターであってもよく、３相ＡＣモーターであってもよい。誘導モーター３０のステーターは３つのコイルを含む。このようなステーターコイルは、誘導モーター３０の回転速度とトルクを制御するために、互いに９０°の位相を有するｄ軸電流指令、およびｑ軸電流指令から変形した電流指令信号をそれぞれ受ける。正常動作の際に、誘導モーター３０は最高効率で動作する。そして、誘導モーター３０は、燃料電池スタック１０の動作温度を速く上昇させるための燃料電池スタック１０の負荷として使用できる。すなわち、誘導モーター３０の損失が大きくなると、燃料電池スタック１０から得られるパワーが熱として分散できる。誘導モーター３０の機能は、もともと電気エネルギーを回転機械エネルギーに変換することであるが、本願の場合、このようなエネルギーのうち熱で消耗するエネルギーを増加させることである。

【0029】

インバータ２０は、ＩＧＢＴのような複数の半導体スイッチング素子と燃料電池スタックのＤＣ電流をステーターコイル用ＡＣ電流に変換するための複数のダイオードを含むことができる。

【0030】

制御部５０は、誘導モーター３０の損失のうち鉄損（ヒステリシス損失）を最大にするために、誘導モーター３０の回転磁界の角速度を速く増加させることができる。図３は回転磁界の角速度の増加とそれに伴う生成トルクおよび損失パワーの変化を示すグラフである。図３に示すように、回転磁界の角速度が増加すると、誘導モーター３０で損失するパワーが増加し、誘導モーター３０で生成されるトルクは減少する。（但し、誘導モーター停止状態であり、一定のトルク指令が印加された場合）すなわち、回転磁界の速度、生成されるトルク、および誘導モーター３０で損失するパワーは従属的な関係を持っている。そして、誘導モーター３０で損失するパワーは、モーターの廃熱（ｗａｓｔｅ ｈｅａｔ）と比例する関係を持つ。このような鉄損は、誘導モーター３０で発生する損失であって、ヒステリシス損失であってもよい。ヒステリシス損失は、分子ダイポールが磁化力の変化に伴って動く過程において摩擦熱で消耗するエネルギーである。すなわち、回転磁界の角速度が速くなって磁化力の変化が大きければ鉄損を増加させることができる。

【0031】

したがって、制御部５０は、回転磁界の速度を増加させて誘導モーター３０の損失パワーを増加させることができる。回転磁界の速度が増加するにつれて生成されるトルクは、トルク除去器４０によって除去することができる。トルク除去器４０は、減速機（変速機）または油圧ブレーキなどであってもよいが、これに限定されない。

【0032】

トルク除去器４０が減速機である場合、制御部５０は、変速段がＰ段であるか否かを判断する。判断結果、現在変速段がＰ段ではない場合には、Ｐ段への変更後に回転磁界の速度を増加させる。また、制御部５０は、現在燃料電池車両の外部の温度が所定の温度未満であるか否かによって、冷始動状況か否かをまず判断する。冷始動状況ではない場合には、強いて誘導モーター３０の損失を増加させる必要がない。

【0033】

図２は本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を簡略に示すフローチャートである。

【0034】

図１および図２を参照すると、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、始動がオン状態になると（Ｓ２０１）、まず冷始動状況か否かを判断する（Ｓ２０３）。冷始動状況と判断されると、トルク除去器４０が減速機である場合、現在変速段の位置がＰ段であるか否かを判断する（Ｓ２０５）。変速段がＰ段ではない場合、制御部５０はＰ段への変更要請信号を出力し（Ｓ２０７）、Ｐ段に変更されたか否かを判断する（Ｓ２０９）。

【0035】

制御部５０は、変速段がＰ段である場合或いはＰ段に変更された場合に誘導モーター３０の回転磁界の速度を増加させる（Ｓ２１１）。制御部５０は、回転磁界の速度を増加させて所定の回転磁界の速度に到達するとき、一定の回転磁界の速度で誘導モーター３０の誘導電流の大きさを増加させるために、誘導モーター３０への電流指令値を増加させる（Ｓ２１３）。図４は一定の回転磁界の角速度における電流指令値の変化による損失パワーの変化を示すグラフである。図４を参照すると、回転磁界の角速度が３００００ｒｐｍである状態で、電流指令値の増加に伴ってトルク指令も増加し、誘導モーター３０の損失パワーも増加することが分かる。

【0036】

制御部５０は、トルク除去器４０を用いて、回転磁界の速度を増加させるにつれて生成されたトルクを除去するようにする。

【0037】

これにより、生成されるトルクと誘導モーター３０からの廃熱との関係が一定の部分従属的関係になれる。生成されるトルクをトルク除去器で除去することにより、燃料電池スタック１０の負荷を大幅増加させることができる。よって、燃料電池車両の冷始動時間を短縮させることができる。

【0038】

本発明は図示した一実施態様を参考として説明されたが、これらの実施態様は例示的なものに過ぎない。当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明は様々な変形および均等な他の実施が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の真正な技術的保護範囲は添付した特許請求の範囲の技術的思想によって定められるべきである。

【符号の説明】

【0039】

１０ 燃料電池スタック
２０ インバータ
３０ 誘導モーター
４０ トルク除去器
５０ 制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】