JP2002291112A - 加速ペダルの位置に依存した電流値を生成する方法および装置 - Google Patents
加速ペダルの位置に依存した電流値を生成する方法および装置Info
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Abstract
かす1つまたは複数の駆動装置のパワーを制御するため
に加速ペダルの位置に依存した電流値を生成する方法お
よび装置を提供する。 【解決手段】 1つまたは複数の駆動装置が、加速ペダ
ルの位置の関数として生成された所望電流値の変化に応
答するのに要する時間は、燃料電池の出力電圧が臨界値
を下回らないことを保証するに足る値に連続的に保持さ
れる所望のトルク値に変換可能な電流値を生成すること
により、可能な限り短く保たれる。
Description
駆動装置およびその他の電気的負荷にエネルギーを供給
する燃料電池を備えた移動装置を動かす1つまたは複数
の駆動装置のパワーを調節するために加速ペダルの位置
に依存した電流値を生成する方法および装置に関する。
的エネルギーの供給を受ける車両の電気駆動ユニットの
パワーを動的に制御する方法が存在している(DE43
22765C1)。駆動パワーは加速ペダルの位置と関
連している。この関連する所望パワーを提供するために
必要な空気の質量流量は、加速ペダルの位置の関数とし
て計算され、燃料電池の排気管路に設けられた速度制御
圧縮機によって設定される。駆動ユニットに送られる所
望パワー値は、燃料電池がその瞬間に生成しているパワ
ーより大きなパワーを駆動ユニットが必要としないよう
に補正される。駆動ユニットは、需要パワーを制限する
働きもすることができる。これらの既知の方法では、車
両を加速する際に、不感時間により応答時間が比較的長
くなる。
供給を受ける駆動ユニットを有する車両の燃料電池のパ
ワーを動的に調節する方法もある。燃料電池のパワーの
所望値は、加速ペダルにおける需要に関連して決定され
る。燃料電池の瞬時電圧の限界値以下では、燃料電池の
所望電流値は、その電流についての特性マップを用いて
駆動モータの瞬時速度から決定される。燃料電池の瞬時
電圧の限界値を超えると、所望パワー値は、その駆動モ
ータについてのパワー・マップを用いてその駆動モータ
の瞬時速度から決定され、この所望値を使用して、燃料
電池の電圧から燃料電池の所望電流値を決定する。各電
流は、その車両のその他の電気ユニットが必要とする電
流に関連して所定量だけ増大する(DE1954082
4A1)。
有する燃料電池システムは、その応答に一定の遅延があ
る。水素ガスを生成するシステムから燃料電池の燃料ガ
スが供給される場合にも遅延は起こる。所望電流値を生
成するときには、車両内の燃料電池システムの応答時間
を考慮に入れておかなければならない。それぞれ必要と
される所望電流値をあまり早く送出すると、燃料電池の
電圧が急落し、それにより誤作動を起こすことになる。
加速ペダルの特定の位置に関連する所望電流値をあまり
遅く送出すると、可能なはずの応答時間を活用すること
ができない。
因によって決まる。これらの要因としては、瞬時負荷レ
ベル、電流またはパワーの需要のタイプ、すなわちジャ
ンプやランプなどの需要の時間特性、ならびに燃料電池
システムの立ち上がり速度および瞬間的な状態などがあ
る。ここで、応答時間に影響を及ぼすパラメータは多数
存在する。電流の需要があったときに、その全てが分か
っているわけではない。高い費用をかけなければ、全て
のパラメータを決定することはできない。
避けるために、一定の伝達特性を制御回路の1要素に設
定することができる。例えば、x次の遅延を設けること
ができる。
題は、燃料電池の応答に影響を及ぼすパラメータを明確
に決定しなくても最適な動的応答が達成されるような、
移動装置を動かす1つまたは複数の駆動装置のパワーを
調節するために加速ペダルの位置に依存した電流値を生
成する方法を提示することである。
法において、本発明によれば、この課題は、加速ペダル
の位置に依存した所望電流値の変化中に燃料電池の出力
電圧を測定し、これを下限電圧値に関して監視するこ
と、加速ペダルの位置に依存した所望電流値が、その他
の電気的負荷が燃料電池から受ける電流の総計、および
加速ペダルの位置に依存した所望電流値に対応する駆動
パワーに燃料電池のパワーを調節するために必要な電流
の分だけ減らされること、および、1つまたは複数の駆
動装置が所望トルク値に従うパワーを放出している間
に、制限電圧値を仮に下回ったとしても1つまたは複数
の駆動装置およびその他の電流消費負荷の動作を損なう
程度には下回ることがないように、対応する所望トルク
値の生成のための利用可能電流として、加速ペダルの位
置に依存した所望電流値の残部が調節されることにより
解決される。本発明によれば、利用可能電流値を制限電
圧値に関して調節することで、燃料電池または駆動装置
およびその他の燃料電池システムの電気的負荷を望まし
くない動作状態におくことなく、1つまたは複数の駆動
装置によるトルク生成のためのこの電流値の最適な、す
なわち最短の立上り時間が達成される。加速ペダルの位
置が変化した場合には、燃料電池システム、すなわち燃
料電池およびそこから供給を受ける負荷の動的応答は、
燃料電池およびその補助ユニットの電流需要と、燃料電
池システムのその他の電気的負荷それぞれの動作状態に
よって決まる。本発明によれば、各動作状態における電
気的負荷の要件および/または依存性の全てを明確に決
定しなくても、最適な動的応答が達成される。要件また
は依存性は、本発明では自動的に見込まれており、その
結果として、燃料電池システムを設定しパラメータ化す
る費用が安くなる。
電気的負荷の定格電圧または動作電圧であることが好ま
しい。したがって、移動装置中の電気的負荷は、燃料電
池システムおよび駆動装置が異なる動作状態に遷移する
間も定格電圧または動作電圧を維持する。加速ペダルに
依存する所望電流値の変化中、利用可能電流の値は、1
つまたは複数の駆動装置も含めた燃料電池システム中の
負荷が満足に動作するのに必要な電流を受けることがで
きることを保証するに十分な値である。その結果とし
て、1つまたは複数の駆動装置は、可能な限り短い時間
で、変化後の加速ペダルの位置に依存した新しい動作状
態に変化する。ここで、手動部材など、駆動装置のパワ
ーを調節するその他の手段も、移動装置においては足で
操作する加速ペダルと同等であることを指摘しておく。
ダルの位置に依存した所望電流値の変化中には、閉ルー
プ制御によって利用可能電流を調節することによって、
燃料電池の出力電圧を1つまたは複数の駆動装置および
燃料電池システムの動作に対する影響の少ない値に保持
する。この方法により、燃料電池の出力電圧は、仮に低
下したとしても燃料電池システムの動作に望ましくない
ほどは臨界値を下回らないことが保証される。利用可能
駆動電流値は最適な方法で制御され、その結果として、
1つまたは複数の駆動装置は、可能な限り短い時間で新
しい動作状態、例えば新しい速度またはパワーに遷移す
る。
依存した所望電流値の変化中に、電流値に関する燃料電
池の出力電圧の一次導関数または二次導関数が変化しな
いように、利用可能電流値が調節される。この方法を用
いれば、加速ペダルの位置の変化が起こったときに所望
の駆動応答を達成することができる。利用可能電流値に
従って燃料電池の出力電圧の二次導関数を制御すること
により、例えば、新しい速度またはパワーの値に遷移し
ている間にジャークのないパワーまたは速度の調節を達
成することが可能となる。ここで、カスケード制御シス
テムを提供し、燃料電池の出力電圧の制御が外部制御回
路で行われると有利である。
明によれば、課題は、制御素子が、燃料電池の所定の下
限電圧値と測定出力電圧の差で構成された偏差を供給さ
れ、この偏差に比例し、かつ電流制限特性を有する電流
値が、コントローラにより、所定のパワーまたは速度に
関連した加速ペダルに依存した所望電流値と、このパワ
ーのために燃料電池の補助ユニットが必要とする電流お
よび負荷が受ける電流との差で構成された利用可能電流
値に正しい符号で重畳され、所望トルク値への変換に利
用可能な補正電流値を生成することによって解決され
る。本発明によるコントローラを用いれば、燃料電池シ
ステムからの最適な動的応答を達成することができる。
すなわち、動作点が変化した後の1つまたは複数の駆動
装置の応答時間が可能な限り短くなる。特に、下限電圧
値は電気的負荷および駆動装置の定格電圧または動作電
圧である。ここで言う「駆動装置」という言葉は、パワ
ー・コンバータとモータからなるユニットを意味するも
のとする。
がって、負の偏差に比例する電流値を、駆動装置のトル
クを形成するのに利用可能な電流値から引く。この電流
値のプロフィルが特定の特性を有していれば、多くの適
用分野で有利である。例えば、パワーまたは速度を安定
して変化させることが望ましいこともある。このような
場合には、制御または二次制御変数を、電流に関する燃
料電池の出力電圧の一次導関数にすることができる。利
用可能電流に関する燃料電池の出力電圧の二次導関数を
制御または二次制御変数として使用することにより、ジ
ャークのない挙動を達成することができる。
関連して本発明について詳細に説明するが、これにより
本発明の詳細、特徴、および利点はさらに明らかになる
であろう。
池を作動させる補助ユニットおよび燃料電池から供給を
受けるその他の負荷を備えた燃料電池システムとを有す
る移動装置を示すブロック図である。図2は、図1の装
置を詳細に示すブロック図である。移動装置1、好まし
くは自動車は、エネルギー源として燃料電池2を有す
る。この燃料電池は、個々のPEMモジュールを例えば
直列に接続して構成されるので、図1では燃料電池スタ
ック(BZスタック)として示す。装置1中には、装置
1を動かすための駆動装置3が少なくとも1つあり、こ
の駆動装置は、例えば、パワー・コンバータを入力側に
備えた電動モータを備え、装置の車輪を駆動する。パワ
ー・コンバータは、電動モータのタイプに応じて、例え
ば直流または交流を供給するようにコンバータまたはイ
ンバータとして設計される。パワー・コンバータは、そ
の電源入力で、図1では簡略に図示し、参照番号4で示
す電気的ネットワークに接続される。ネットワーク4
は、回路遮断器またはスイッチ断路器(図示せず)を介
して燃料電池の電気出力5に接続される。燃料電池2
は、移動装置1中の、図1では参照番号6で示す燃料電
池システムの一部である。燃料電池システム6は、燃料
電池2に空気を送り込む圧縮機7を含む。圧縮機7は駆
動装置8に接続され、この駆動装置は、入力側にパワー
・コンバータを備えた電動モータ(図示せず)を有し、
その電源入力は、駆動装置3と同様に回路遮断器または
スイッチ断路器を介して出力5に接続される。
を含み、これは、最も単純な場合には、水素が充填さ
れ、制御バルブ付きの管路を介して燃料電池2の入力に
接続されたタンクである。ただし、水素供給デバイス9
は、炭化水素から水素ガスを分離する改質システムであ
ってもよい。
に、燃料電池システム6は、ネットワーク4中に配列さ
れた、燃料電池2から電流の供給を受ける他の負荷も備
える。これらの負荷は例えば、冷却剤ポンプ、加熱回
路、または装置1の空調システムの電気構成部品の電気
駆動装置である。図1では、駆動装置3以外の燃料電池
2から供給を受ける電気的負荷を、まとめて参照番号1
0で示す。
を含み、その一方の出力は圧縮機駆動装置8の制御入力
(詳細には図示せず)に接続され、他方の出力は水素生
成システム9の制御入力(詳細には図示せず)に接続さ
れる。
送られる電流の電流センサ12と、その入力が加速ペダ
ル14の角度位置トランスデューサに接続された制御モ
ジュール13とに接続される。装置1の駆動モータの異
なるトルクは、加速ペダルの異なる角度位置に関連す
る。加速ペダルの位置およびモータ速度と関連するトル
クから、制御モジュール13は、記憶してある特性マッ
プを用いるかまたは計算によって所望電流ISollを
決定し、この所望電流を使用して、燃料電池2への空気
および燃料ガスの供給に関する各制御電流を特性マップ
中の所定値に従って決定する。この制御電流は、駆動装
置3が加速ペダルの各位置に関連するトルクを出力する
ために必要とするパワーを燃料電池が生成するように圧
縮機駆動装置8および水素生成デバイス9に影響を及ぼ
す。電流ISoll、燃料電池2を制御するために必要
な電流、および燃料電池2から負荷10に供給される電
流から、制御モジュール11は、駆動装置8が利用でき
る電流値Iverfuegb arを決定し、この値を制
御モジュール15に送る。
Iverfuegbarおよび加速ペダル14の角度位
置値から、制御モジュール15は制御モジュール16に
適用される所望トルク値MSollを計算し、制御モジ
ュール16は、この所望トルク値MSollおよび測定
した速度から所望モータ電流値Imot.Sollを計
算し、これが加速ペダルの各位置に関連するパワーを生
成するために駆動装置3に送られる。制御モジュール1
1、13、15、および16は制御ユニットの一部とな
ることができる。所定の所望トルク値から所望のモータ
電流値を生成すること自体は既知である。
3と燃料電池2の間の構成部品および燃料電池2自体の
固有の遅延により、新しい所望電流値ISollより遅
れる。より大きなトルクに対応する角度位置値が生成さ
れた直後にそれに対応する所望電流値I
mot.Sollで駆動装置3が作動すると、必要とさ
れる動作電圧レベルでは燃料電池2が出力することので
きないパワーが必要とされることになるので、これを避
けるために、加速ペダルの位置が変化した後の各位置に
対応する所望電流値Imot.Sollは、遅れて生成
されなければならない。この遅延は、下記のように引き
起こされる。
路は、所望値トランスミッタ18からは燃料電池の出力
電圧についての所定の制限電圧値Uminが供給され
(図2)、かつ図示しないトランスミッタからは燃料電
池の出力電圧UBZの値が供給される加算点17を有す
る。コンピュータ内のソフトウェアとして実装すること
ができる加算点17で、燃料電池の測定電圧UBZの値
を所望電圧値UBZから引く。所望電圧値UBZは、燃
料電池およびこれから供給を受ける負荷を満足に動作さ
せようとするなら仮に下回るとしても大幅には下回って
はならない、燃料電池の出力電圧の下限値に相当する。
偏差Umin−UBZは、やはりソフトウェアで実装す
ることができる制御モジュール15内のコントローラ1
9に供給される。このコントローラは比例動作を有し、
これをブロック19に文字Kで示す。このコントローラ
はさらに、制限素子20を有する。
電流値を生成し、これをやはりソフトウェアで実装する
ことができるもう1つの加算点21に送る。加算点21
には電流値Iverfuegbarも供給され、この値
からコントローラ19または20の出力電流を引く。こ
れにより、補正電流値I’verfuegbarが与え
られる。コントローラ10の出力電流値は、制限素子に
よって値0および電流Imaxに制限される。補正電流
値I’verfuegbarから、制御モジュール15
は所望のトルク値MSollを決定し、この値から、駆
動パワーの測度である所望電流値Imot.Sollを
生成する。
値IverfuegbarをUmi nのアンダシュート
に比例する電流分だけ低下させることにより、加速ペダ
ルの位置を介して駆動装置3からより大きなトルクが要
求されている間またはその後に、燃料電池の出力が下限
電圧値Uminを下回ることを防止する。下限値Um
inは、駆動モータのパワー・コンバータを含むネット
ワーク4上の電気的負荷の定格電圧または動作電圧に設
定され、制御モジュール15に記憶される。
がより大きなトルクまたはパワーを必要とする場合に
は、このパワーへの移行は、燃料電池の出力電圧の臨界
動作しきい値を下回らず、かつ動的応答が最適となるよ
うに行われる。影響のある全ての変数を測定によって明
確に決定する、または燃料電池システムの各動作点でモ
デル化する必要はない。その代わり、それらは自動的に
見込まれている。制御システムの設定およびパラメータ
化に必要な費用は安い。
せることが望ましい場合には、燃料電池の出力電圧の電
流Iverfuegbarに関する一次導関数を副次的
な制御変数としてカスケード制御システムに導入するこ
とができる。副次的な制御変数として二次導関数d2U
/DI2 verfuegbarを用いれば、ジャークの
ない遷移を達成することができる。
ニットおよび燃料電池から供給を受けるその他の負荷を
備えた燃料電池システムとを有する移動装置を示すブロ
ック図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 1つまたは複数の駆動装置およびその他
の電気的負荷にエネルギーを供給する燃料電池を備えた
移動装置の1つまたは複数の駆動装置のパワーを調節す
るために加速ペダルの位置に依存した電流値を生成する
方法であって、加速ペダルの位置に依存した所望電流値
の変化中に燃料電池の出力電圧を測定し、これを下限電
圧値に関して監視すること、加速ペダルの位置に依存し
た所望電流値が、その他の電気的負荷が燃料電池から受
ける電流の総計、および加速ペダルの位置に依存した所
望電流値に対応する駆動パワーに燃料電池のパワーを調
節するために必要な電流の分だけ減らされること、およ
び、1つまたは複数の駆動装置が所望トルク値に従うパ
ワーを放出している間に、制限電圧値を仮に下回ったと
しても1つまたは複数の駆動装置およびその他の電流消
費負荷の動作を損なう程度には下回ることがないよう
に、対応する所望トルク値の生成のための利用可能電流
として、加速ペダルの位置に依存した所望電流値の残部
が調節されることを特徴とする方法。 - 【請求項2】 下限電圧値が、燃料電池から供給を受け
る電気的負荷の定格電圧または動作電圧であることを特
徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 少なくとも加速ペダルの位置に依存した
所望電流値の変化中には、閉ループ制御によって利用可
能電流を調節することによって、燃料電池の出力電圧を
1つまたは複数の駆動装置および燃料電池システムの動
作に対する影響の少ない値に保持することを特徴とする
請求項1または2に記載の方法。 - 【請求項4】 加速ペダルに依存した所望電流値の変化
中に、電流値に関する燃料電池の出力電圧の一次導関数
または二次導関数が変化しないように、利用可能電流値
が調節されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか
に記載の方法。 - 【請求項5】 1つまたは複数の駆動装置およびその他
の電気的負荷にエネルギーを供給する燃料電池を備えた
移動装置を動かすための1つまたは複数の駆動装置のパ
ワーを調節するために加速ペダルの位置に依存した電流
値を生成する装置であって、制御素子(19)が、燃料
電池の下限電圧値(Umin)と測定出力電圧
(UBZ)の差で構成された偏差を供給され、この偏差
に比例し、かつ電流制限特性を有する電流値が、コント
ローラ(19)により、1つまたは複数の駆動装置の所
定のパワーまたは速度に関連した加速ペダルの位置に依
存した所望電流値と、このパワーのために燃料電池
(2)の補助ユニットが必要とする電流および負荷(1
0)が受ける残りの電流との差で構成された利用可能電
流値に正しい符号で重畳され、所望トルク値(M
Soll)への変換に利用可能な補正電流値(I’
verfuegbar)を生成することを特徴とする装
置。 - 【請求項6】 コントローラ(19)の出力値が、制限
素子(20)によってゼロおよび最大電流値
(Imax)に制限されることを特徴とする請求項5に
記載の装置。
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