本発明は、複数の燃料電池ユニットを搭載した車両に関する。

従来、燃料電池と、この燃料電池を制御する制御部と、を含む燃料電池ユニットを、複数搭載した車両が知られている。具体的には、例えば、バスなどの大型車両の駆動用電源として燃料電池を用いる場合に、複数の燃料電池ユニットを搭載して、より大きな駆動力を確保する構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

特開2016−054599号公報

燃料電池車両は、例えば、車両が走行可能となる起動状態を含めて、複数の起動状態を取り得る。複数の燃料電池ユニットを備える燃料電池システムでは、いずれかの起動状態の開始を指示する起動信号が入力されたときには、複数の燃料電池ユニットの各々が、入力された起動信号に対応する起動状態が実現されるように協働して動作する。本願発明者等は、このような燃料電池システムにおいて、上記起動状態の開始を指示する起動信号の入力や、複数の燃料電池ユニット間での協働動作に何らかの異常が発生すると、車両の動作に支障を生じ得るという問題を見出した。このような異常の発生時において、異常に対処するために異常の種類を判別できる技術が望まれていた。

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。

本発明の一形態によれば、複数の燃料電池ユニットを搭載した車両が提供される。この車両は;第1燃料電池および前記第1燃料電池の発電制御を実行する第1制御部を備える第1燃料電池ユニットと;第2燃料電池および前記第2燃料電池の発電制御を実行する第2制御部を備える第2燃料電池ユニットと;前記第1制御部および前記第2制御部を統括する統括制御部と;情報を報知する報知部と;を備える。前記統括制御部は;前記第1制御部の起動状態である第1起動状態と、前記第2制御部の起動状態である第2起動状態とを取得し;前記第1起動状態と前記第2起動状態とが異なる場合において、前記第1起動状態と前記第2起動状態とが、同時に生じ得る起動状態であるか否かを判断し;前記第1起動状態と前記第2起動状態とが同時に生じ得る起動状態であると判断した場合には、前記報知部を用いて、前記第1制御部または前記第2制御部を起動させるための部品の異常であることを示す第1異常情報を報知し;前記第1起動状態と前記第2起動状態とが同時に生じ得る起動状態でないと判断した場合には、前記報知部を用いて、前記第1異常情報とは異なる第2異常情報を報知する。 この形態の車両によれば、第1燃料電池ユニットの第1起動状態と第2燃料電池ユニットの第2起動状態とが異なる場合に、第1起動状態と第2起動状態とが同時に生じ得る起動状態であるか否かに基づいて、異常の種類を容易に判別することができる。その結果、生じた異常の種類に応じた対処が可能になる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、複数の燃料電池ユニットを備える燃料電池システムの制御方法、複数の燃料電池ユニットを備える燃料電池システムを搭載する車両、燃料電池車両の制御方法、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ブロック図である。

起動状態に係る信号がやり取りされる様子を表わす説明図である。

報知判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。

起動状態の組み合わせの例を示す説明図である。

A.燃料電池システムの構成: 図1は、本発明の一実施形態における燃料電池システム10の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム10は、第1燃料電池ユニット100と、第2燃料電池ユニット200と、スタートスイッチ300と、報知部350と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム10は、燃料電池車両50に搭載されており、燃料電池車両50は、燃料電池システム10が備える燃料電池を、駆動用電源として用いる。

第1燃料電池ユニット100の構成と第2燃料電池ユニット200の構成とは互いにほぼ同一である。従って、以下においては、第1燃料電池ユニット100の構成について主に説明し、第2燃料電池ユニット200の構成については適宜説明を省略する。図1では、第1燃料電池ユニット100と第2燃料電池ユニット200との間で共通する構成要素には、同じ参照番号を付した。

第1燃料電池ユニット100は、燃料電池120と、第1コンバータ130と、第2コンバータ140と、インバータ160と、二次電池150と、モータ110と、第1制御部310と、を備える。なお、第2燃料電池ユニット200は、第1制御部310に代えて第2制御部320を有している。

燃料電池120は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスとを反応ガスとして供給されて発電する。図1では、反応ガスの供給に関連して、燃料ガスを供給するための水素タンク115のみを表わしており、他は記載を省略している。本実施形態の燃料電池120は、複数のセルが積層されたスタック構造を有しており、例えば、固体高分子形燃料電池とすることができる。各セルは、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する1組のセパレータと、を有する。なお、第1燃料電池ユニット100の燃料電池120は、第1燃料電池とも呼び、第2燃料電池ユニット200の燃料電池120は、第2燃料電池とも呼ぶ。

第1コンバータ130は、燃料電池120の出力電圧をモータ110で利用可能な高電圧に昇圧するDC/DCコンバータである。インバータ160は、第1コンバータ130で昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、モータ110に供給する。モータ110は、車両の車輪を駆動するモータであり、車両の減速時には回生して回生電力を発生させる。

第2コンバータ140は、第1コンバータ130で昇圧された電圧やモータ110の回生運転で生じた電圧を降圧して二次電池150に供給し、あるいは、二次電池150の電圧を昇圧してインバータ160に供給する双方向のDC/DCコンバータである。二次電池150は、燃料電池120が発電した電力や、モータ110からの回生電力によって充電されると共に、モータ110や図示しない補機類を駆動するための電源として機能する。二次電池150は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池で構成することができるが、充放電可能な蓄電装置であればよい。

第1制御部310は、第1燃料電池120の発電制御を行なうと共に、第1燃料電池ユニット100のモータ110の駆動制御等、燃料電池車両50の運転状態の制御を行なう。第1制御部310は、燃料電池車両50の各部に設けられたセンサ(第1燃料電池ユニット100の各部に設けたセンサ、アクセル開度センサ、ブレーキペダルセンサ、シフトポジションセンサ、および車速センサを含む)やスタートスイッチ300等からの出力信号を受信する。そして、第1制御部310は、燃料電池車両50における発電や走行等に係る各部に駆動信号を出力する。第1制御部310、および第2燃料電池ユニット200の第2制御部320については、後にさらに詳しく説明する。

スタートスイッチ300は、燃料電池システム10の起動を指示するために燃料電池車両50の使用者が行なう入力操作を受け付ける装置である。スタートスイッチ300の操作時に、スタートスイッチ300から信号線340を介して第1制御部310および第2制御部320の各々に対して出力される信号については、後に詳しく説明する。

報知部350は、後述する起動状態に係る判定結果を報知するための装置である。報知部350は、報知内容を認識可能であればよく、例えば、燃料電池車両50の使用者が視認可能な表示を行なう装置とすることができる。また、視認可能な表示に代えて、あるいは視認可能な表示に加えて、音声による報知を行なう装置としてもよい。

B.ECUの構成と起動状態について: 図2は、第1制御部310および第2制御部320の構成と、これらのECUの間で起動状態に係る信号がやり取りされる様子とを、模式的に表わす説明図である。

図2に示すように、第1制御部310は、FC−ECU312とHV−ECU314とを備えており、第2制御部320は、FC−ECU222とHV−ECU324とを備えている。これらFC−ECU312、HV−ECU314、FC−ECU222、およびHV−ECU324の各々は、マイクロコンピュータによって構成されており、CPUと、ROMと、RAMと、入出力ポートと、を有する。FC−ECU312とFC−ECU222とは、それぞれ、第1燃料電池ユニット100あるいは第2燃料電池ユニット200における燃料電池120の発電に係る制御を主として行なう。HV−ECU314とHV−ECU324とは、それぞれ、第1燃料電池ユニット100あるいは第2燃料電池ユニット200における燃料電池車両50の走行に係る制御(例えば、各々のモータ110の駆動制御を含む制御)を主として行なう。

本実施形態では、第1制御部310のHV−ECU314は、第1制御部310および第2制御部320を統括する統括制御部として機能する。すなわち、HV−ECU314は、第1制御部310および第2制御部320から情報を取得して、燃料電池システム10全体の状態を判断する。そして、判断結果に応じて、第1制御部310、第2制御部320、および燃料電池システム10の各部に、信号を出力する。FC−ECU312とHV−ECU314とは、信号線316によって接続されており、FC−ECU322とHV−ECU324とは、信号線326によって接続されている。また、第1制御部310と第2制御部320とは、信号線330によって接続されている。

燃料電池システム10の起動状態としては、複数の起動状態から選択されるいずれかの起動状態が設定可能となっている。燃料電池システム10では、いずれかの起動状態の開始を指示する信号である起動信号が入力されることにより、起動信号に応じた起動状態が設定される。また、起動状態の停止を指示する信号である停止信号が入力されることにより、設定された起動状態が解除される。燃料電池システム10に対して上記起動信号が入力されたときには、入力された起動信号は、第1制御部310および第2制御部320に伝えられる。これにより、第1制御部310および第2制御部320では、起動信号に応じた起動状態が設定される。第1制御部310および第2制御部320では、対応する停止信号が入力されるまで、上記起動状態が維持される。燃料電池システム10においていずれかの起動信号が入力されたときには、統括制御部は、第1制御部310の起動状態である第1起動状態と、第2制御部320の起動状態である第2起動状態とを取得する。そして、両者が一致したときに、一致した起動状態を燃料電池システム10の起動状態として設定し、設定した起動状態に応じた運転を行なう。

本実施形態では、燃料電池システム10において設定される起動状態(運転モード)として、「通常走行(通常走行モード)」と、「外部給電(外部給電モード)」と、「掃気処理(掃気処理モード)」と、を有する。また、第1制御部310および第2制御部320で設定される起動状態として、「通常走行」と、「外部給電」と、「掃気処理」と、に加えて、「起動信号無し」を有する。第1制御部310および第2制御部320にいずれかの起動信号が入力された後に、対応する停止信号が入力されると、その後さらにいずれかの起動信号が次回に入力されるまでの間、第1制御部310および第2制御部320では、「起動信号無し」という起動状態となる。

起動状態の「通常走行」とは、少なくとも燃料電池120を駆動用電源として用いた燃料電池車両50の走行が可能になる起動状態を指す。「通常走行」の開始を指示する起動信号は、燃料電池車両50の使用者がスタートスイッチ300をオンにする操作を行なうことにより、スタートスイッチ300から、信号線340を介して第1制御部310および第2制御部320に対して入力される。これにより、第1制御部310および第2制御部320は、「通常走行」という起動状態になる。スタートスイッチ300をオフにする操作がされたときには、「通常走行」の起動状態の停止を指示する停止信号が、スタートスイッチ300から、信号線340を介して第1制御部310および第2制御部320に対して入力される。本実施形態では、スタートスイッチ300は、信号線340を介して、第1制御部310および第2制御部320の双方に対して直接接続されている。

起動状態の「外部給電」とは、燃料電池システム10を発電装置として用いて、燃料電池システム10から、燃料電池車両50の外部に設けられた外部給電装置400に対して電力を供給可能となる起動状態を指す。「外部給電」の開始を指示する起動信号は、燃料電池システム10に対して外部給電装置400を接続することにより、外部給電装置400から、信号線410を介して入力される。これにより、第1制御部310および第2制御部320は、「外部給電」という起動状態になる。「外部給電」の起動状態の停止を指示する停止信号もまた、外部給電装置400から、信号線410を介して入力される。本実施形態では、信号線410は、統括制御部であるHV−ECU314に対して接続されており、「外部給電」に係る起動信号および停止信号は、HV−ECU314を介して、第1制御部310および第2制御部320へと伝えられる。

起動状態の「掃気処理」とは、燃料電池車両50および燃料電池システム10が停止状態であるときに、燃料電池システム10を一時的に起動させて掃気処理を実行する起動状態を指す。掃気処理とは、燃料電池120に接続されるガス流路(燃料ガス流路や酸化ガス流路)に燃料ガスや酸化ガスを供給して、ガス流路の配管を掃気する処理であり、ガス流路における液水の滞留を抑制して、ガス流路における結露や凍結を抑えるために実行される。掃気処理は、燃料電池車両50および燃料電池システム10が停止状態のときに行なわれるウェイクアップ処理の一つとして実行される。すなわち、本実施形態の統括制御部(HV−ECU314)では、燃料電池システム10が停止状態になると、ウェイクアップタイマがセットされる。そして、ウェイクアップタイマの計測時間に基づいて、予め定めた基準の時間間隔で統括制御部(HV−ECU314)が起動されて、掃気処理の要否を判断する。例えば、外気温やガス流路の配管温度が基準値以下である場合に、掃気処理が必要であると判断すればよい。統括制御部(HV−ECU314)は、掃気処理が必要と判断したときには、信号線316や信号線330を介して、FC−ECU312やFC−ECU322に対して、「掃気処理」の開始を指示する起動信号を出力する。これにより、第1制御部310および第2制御部320は、「掃気処理」という起動状態になる。第1燃料電池ユニット100および第2燃料電池ユニット200において掃気処理が終了したときには、FC−ECU312およびFC−ECU322から統括制御部(HV−ECU314)へと、掃気処理の終了を示す停止信号が送信される。なお、上記したウェイクアップ処理が実行される際には、燃料電池120の発電は停止されているため、第1制御部310および第2制御部320等で要する電力は、二次電池150から供給される。

C.起動状態に基づく判定: 上記のようにして起動状態を設定する際には、燃料電池システム10が2つの燃料電池ユニットを有するために何らかの異常が発生して、第1制御部310および第2制御部320から取得する起動状態が一致しない事態が生じ得る。以下では、このような異常が発生したときに、統括制御部が行なう動作について説明する。

図3は、報知判定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、報知部350を用いて異常を報知するための処理であり、統括制御部(HV−ECU314)に電源が投入されているときに、統括制御部において繰り返し実行される。

本ルーチンが起動されると、統括制御部は、第1制御部310および第2制御部320から取得した起動状態を比較する(ステップS100)。そして、双方の起動状態が一致するか否かを判定する(ステップS110)。

図4は、第1制御部310および第2制御部320における起動状態の組み合わせと、各組み合わせにおいて統括制御部が行なう判断の例を示す説明図である。本実施形態では、第1制御部310および第2制御部320で設定される起動状態として、既述したように4種の起動状態が存在する。すなわち、「起動信号無し」、「通常走行」、「外部給電」、および「掃気処理」である。

ステップS110において双方の起動状態が一致すると判断したときには(ステップS110:YES)、統括制御部は、一致した起動状態が、「起動信号無し」であるか否かを判断する(ステップS120)。「起動信号無し」で一致している場合には(ステップS120:YES)、統括制御部は、異常が生じていない第1状態、すなわち正常であると判断し(ステップS130)、何もせずに本ルーチンを終了する。

ステップS120において、「起動信号無し」以外の起動状態で一致している場合(ステップS120:NO)には、統括制御部は、確定時間経過後、異常が生じていない第1状態、すなわち正常であると判断し(ステップS140)、本ルーチンを終了する。ここで、確定時間とは、第1制御部310および第2制御部320の起動状態に基づいた判断を確定するために要する時間である。燃料電池システム10において起動信号が入力され、この起動信号が第1制御部310および第2制御部320に伝えられ、その後、上記各制御部の起動状態が統括制御部によって取得されるまでの間の時間は、第1制御部310と第2制御部320との間で、通信遅れ等に起因して若干ずれる場合がある。そのため、上記通信遅れが生じている間は、異常が生じていない場合であっても、ステップS110において起動状態が不一致であると判断される。そこで、本実施形態の統括制御部は、設定された確定時間が経過するまでは、第1制御部310および第2制御部320の起動状態に基づいた判断を保留し、当該報知判断処理の実行を繰り返す。そして、確定時間経過後、「起動信号無し」以外の起動状態で一致したときには、第1状態であるとの判断を確定する。そして、一致した起動状態に応じた起動状態を設定する。

ステップS110において双方の起動状態が一致しないと判断したときには(ステップS110:NO)、統括制御部は、第1制御部310および第2制御部320が、異なる起動信号を受けた起動状態であるか否かを判断する(ステップS150)。このステップS150は、第1制御部310の第1起動状態と、第2制御部320の起動状態第2起動状態とが、同時に生じ得ない起動状態であるか否か、を判断する工程である。すなわち、本実施形態のステップS150では、「第1起動状態と第2起動状態とが同時に生じ得ない起動状態」であるか否かの判断の例として、「第1制御部310および第2制御部320が、異なる起動信号を受けた起動状態」であるか否かを判断している。そして、本実施形態のステップS150では、「第1起動状態と第2起動状態とが同時に生じ得る起動状態(ステップS150:NO)」を、「第1制御部310および第2制御部320の一方の起動状態が『起動信号無し』の状態」として判断している。

ステップS150において、第1制御部310および第2制御部320の一方の起動状態が「起動信号無し」の状態である(同時に生じ得る起動状態である)と判断したときには(ステップS150:NO)、統括制御部は、確定時間経過後、第1制御部310または第2制御部320を起動させるための部品の異常が生じている第2状態であると判断し、報知部350を駆動して、第2状態であることを示す第1異常情報を報知させて(ステップS160)、本ルーチンを終了する。ここで、確定時間とは、ステップS140と同様であって、通信遅れ等に起因するずれ時間を考慮して設定された時間であり、設定された確定時間が経過するまで、互いに不一致であって同時に生じ得る起動状態が維持されたときには、第2状態であるとの判断を確定する。

上記した第1制御部310または第2制御部320を起動させるための部品の異常としては、例えば、スタートスイッチ300から第1制御部310および第2制御部320に分岐して接続される信号線の異常や、第1制御部310または第2制御部320を起動させるための電源を投入するための部品の異常や、第1制御部310または第2制御部320において起動状態を記憶するためのメモリの異常が挙げられる。信号線の異常とは、例えば、信号線の断線や、接触不良が挙げられる。第1制御部310および第2制御部320の一方でこのような異常が生じる場合であっても、他方の制御部からは正常に起動状態が出力される。そのため、第1制御部310の第1起動状態と、第2制御部320の第2起動状態とが異なる場合であって、一方の起動状態が「起動信号無し」のときには、同時に生じ得る起動状態であると判断している。

ステップS150において、第1制御部310および第2制御部320が、異なる起動信号を受けた起動状態である(同時に生じ得ない起動状態である)と判断した場合には(ステップS150:YES)、統括制御部は、確定時間経過後、燃料電池システム10が第2状態とは異なる第3状態であると判断する。そして、報知部350を駆動して、第3状態であることを示す第2異常情報を報知させて(ステップS170)、本ルーチンを終了する。ステップS170における確定時間も、ステップS140およびステップS160と同様に、通信遅れ等に起因するずれ時間を考慮して設定された時間であり、設定された確定時間が経過するまで、互いに不一致であって同時に生じ得ない起動状態が維持されたときには、第3状態であるとの判断を確定する。第3状態および第2異常情報の詳細については、後述する。

以上のように構成された本実施形態の燃料電池システム10によれば、第1制御部310および第2制御部320の各々における起動状態の組み合わせに基づき、燃料電池システム10の異常に係る判断を行なっている。すなわち、異常の有無を判定すると共に、異常が存在する場合には異常の種類を判別し、判別した異常の種類を報知する。したがって、ユーザは、異常の種類に応じた対処が可能になる。本実施形態において、第1異常情報によって報知される異常は、第1制御部310または第2制御部320を起動させるための部品の異常である。そのため、このような異常を他の異常と区別して報知することにより、部品の交換を適切に行なうことが可能になると共に、部品に異常が発生していない異常の発生時に、不要な部品交換を行なうことを抑えることができる。

報知部350における報知は、第1制御部310または第2制御部320を起動させるための部品の異常であるか否かを区別して報知可能であればよい。例えば、第1異常情報は、単に「部品交換が必要な異常が発生したこと」を示す情報としてもよく、「断線が生じたこと」を示す情報であってもよい。また、起動状態が「起動信号が無し」である制御部を特定して、「部品交換が必要な燃料電池ユニットがいずれであるか」を示す情報としてもよい。この場合には、部品交換が必要であることが報知された燃料電池ユニットの部品(例えば信号線)を交換すればよい。

また、第2異常情報は、単に、「部品交換が不要な異常が発生したこと」を示す情報としてもよく、「故障とは異なる通信状態異常が生じたこと」を示す情報としてもよい。また、燃料電池システム10の再起動を促す情報としてもよい。

以下に、第2異常情報が報知されるときの燃料電池システム10の状態(第3状態)について説明する。既述したように、複数の起動状態のうちのいずれかの設定は、起動状態の開始を指示する起動信号の入力により行なわれ、起動状態の停止を指示する停止信号の入力により解除される。しかしながら、起動信号や停止信号の入力時には、既述したように通信遅れが生じる。例えば、「通常走行」の起動状態を終了して直ちに「外部給電」の起動状態に移行する場合に、第1制御部310および第2制御部320のいずれか一方において、「通常走行」の停止を指示する停止信号の入力遅れ(通信遅れ)が生じると、上記一方の制御部では、「通常走行」の停止信号の入力に先立って、「外部給電」の開始を指示する起動信号が入力される場合が有り得る。このような場合には、上記一方の制御部では、「通常走行」の起動状態が終了されていないため、「外部給電」の開始を指示する起動信号を受け付けることができず、起動状態は「通常走行」が維持される。このとき、正しい順序にて、「通常走行」の停止信号を受信した後に「外部給電」の起動信号を取得した他方の制御部では、起動状態は「外部給電」となる。そのため、第1制御部310と第2制御部320との間で起動状態が一致せず、且つ、「第1制御部310および第2制御部320が異なる起動信号を受けた起動状態」となる。そして、このような起動状態の不一致は、既述した確定時間が経過しても解消されない。「通常走行」と「外部給電」以外の組み合わせであっても、同様のことが起こり得る。このような状態では、第1制御部310または第2制御部320を起動させるための部品に異常は発生していない。そのため、例えば第2異常情報において、ユーザに再起動を促し、燃料電池システム10を再起動させることにより、異常を解消可能になる。

D.他の実施形態: 上記した実施形態では、燃料電池システム10は2つの燃料電池ユニットを備えることとしたが、異なる構成としてもよい。例えば、3つ以上の燃料電池システムを備えることとしてもよい。このような場合には、例えば、ステップS110において、起動状態が全て一致するか否かを判定してもよい。また、ステップS150において、取得した起動状態のうち、少なくともいずれか一つの起動状態が、他の起動状態とは異なる起動信号を受けた起動状態であるか否かを判定してもよい。

燃料電池システム10において設定され、異常の判定の対象となる起動状態は、既述した「通常走行」と、「外部給電」と、「掃気処理」と、に限定されない。燃料電池システム10の起動状態として、いずれか一つが設定され得る起動状態を対象とすれば、同様の処理を行なうことができる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

10…燃料電池システム 50…燃料電池車両 100…第1燃料電池ユニット 110…モータ 115…水素タンク 120…燃料電池 130…第1コンバータ 140…第2コンバータ 150…二次電池 160…インバータ 200…第2燃料電池ユニット 300…スタートスイッチ 310…第1制御部 312,322…FC−ECU 314,324…HV−ECU 316,326,330,340,410…信号線 320…第2制御部 350…報知部 400…外部給電装置