JP2003168464A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
燃料電池システムの制御装置Info
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Abstract
低減し、燃料電池及びバッテリの過負荷を防止する。 【解決手段】 燃料電池システムのコントローラ6が備
える起動制御手段8は、バッテリ出力可能電力推定手段
9が推定したバッテリ7の出力可能電力と、発電可能電
力推定手段10が推定した燃料電池1の発電可能な電力
とに基づいて、システム起動時に電動補機5の動作量の
指令値の単位時間当たりの変化量を制限することによ
り、システム起動時の過渡的なピーク所要電力量を削減
している。
Description
に係り、特に、過負荷を避けるために出力電流を制限す
る燃料電池システムの制御装置に関する。
体に酸化剤ガスとしての空気を供給するコンプレッサ
や、空気及び燃料ガスを加湿するための加湿器に加湿用
純水を供給する純水ポンプ、燃料電池本体の温度を適温
に維持するための冷却水を循環させる冷却水ポンプ等の
電動補機を備えている。また、移動体用の燃料電池シス
テムでは、燃料電池起動時及び起動後定常の発電状態に
達するまでの低発電能力時に、これらの電動補機に電力
を供給するバッテリを備えている。
び空気の圧力が十分でなかったり、燃料電池本体の反応
膜温度が充分上昇していない等の理由により、その発電
能力が定格発電能力に達せず、低発電能力状態にある。
このような状態では、燃料電池の発電電力で補機類が必
要とする電力を賄えず、無理に燃料電池から電力を取り
出そうとすると、燃料電池に劣化を生じることがある。
報に開示されている従来技術によれば、図10に示すよ
うに、燃料電池1から補機5へ電力を供給する経路上の
DC/DCコンバータ4に入力電流制限機構を設け、D
C/DCコンバータ4の通過電流を制限することで、燃
料電池1から補機5への出力を制限していた。
時には、過渡的に消費電力が通常時よりも多くなる(以
下、起動時のピーク電力と称する)。これは所謂突入電
流の影響や、モータなどの回転機器の場合は回転数を定
格値まで上昇させるための加速に消費される電力の影響
による。従って、通常時の消費電力付近に許容最大電力
を設定しておくと、起動時に許容最大電力を超えてしま
うことが考えられる。
DCコンバータ4の通過電流を制限するだけで、補機5
の消費電力を制限していない構成となっていた。従って
通過電流を制限をしても補機5としては大きな電力を消
費し続けようとする。
過電流が制限された状態で補機5を動かそうとすると、
補機5に対する指令状態と補機5の動作状態との間にア
ンマッチが生じ、コントローラ6にリセットがかかった
りする不都合が生じるという問題点があった。
の制限をヒューズやブレーカーといった機械的な手段で
制限すると一旦制限を越えるとなると復帰するまでに絶
縁状態となる時間が発生してしまうという問題点が生じ
る。
判定して制限をかけるなどの電気的な方法では、判定に
ある程度時間がかかり起動時の瞬間的なピーク電力には
対応できないという問題点があった。
単な構成で補機類の起動時のピーク電力を低減し、燃料
電池及びバッテリの過負荷を防止することができる燃料
電池システムの制御装置を提供することである。
請求項1記載の発明は、燃料電池と、該燃料電池の運転
維持に必要な電動補機と、該電動補機の動作を制御する
制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記
制御装置は、システム起動時に前記電動補機の動作量の
指令値の単位時間当たりの変化量を制限する起動制御手
段を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装
置である。
明は、請求項1記載の燃料電池システムの制御装置にお
いて、前記燃料電池システムは、起動用バッテリと、該
起動用バッテリの出力可能電力を推定するバッテリ出力
可能電力推定手段と、を更に備え、前記電動補機は、燃
料電池に酸化体を供給するコンプレッサであり、前記起
動制御手段は、前記バッテリ出力可能電力推定手段が推
定した出力可能電力に基づいて、前記コンプレッサへの
指令値の単位時間当たりの変化量を制限することを要旨
とする。
明は、請求項1記載の燃料電池システムの制御装置にお
いて、前記燃料電池システムは、燃料電池の発電可能な
電力を推定する発電可能電力推定手段を更に備え、前記
電動補機は、燃料電池の冷却システムの冷却水ポンプで
あり、前記起動制御手段は、前記発電可能電力推定手段
が推定した燃料電池の発電可能電力に基づいて、前記冷
却水ポンプへの指令値の単位時間当たりの変化量を制限
することを要旨とする。
明は、請求項1記載の燃料電池システムの制御装置にお
いて、前記燃料電池システムは、前記電動補機を複数有
し、前記起動制御手段は、システム起動時に起動させる
電動補機の数を徐々に増加させることにより、電動補機
の動作量の指令値の単位時間当たりの変化量を制限する
ことを要旨とする。
明は、請求項4記載の燃料電池システムの制御装置にお
いて、前記燃料電池システムは、起動用バッテリと、該
起動用バッテリの出力可能電力を推定するバッテリ出力
可能電力推定手段と、を更に備え、前記起動制御手段
は、前記バッテリ出力可能電力推定手段が推定した出力
可能電力に基づいて、前記複数の電動補機を少なくとも
2群に分割し、各群の電源投入時期をずらすことを要旨
とする。
と、該燃料電池の運転維持に必要な電動補機と、該電動
補機の動作を制御する制御装置と、を備えた燃料電池シ
ステムにおいて、前記制御装置は、システム起動時に前
記電動補機の動作量の指令値の単位時間当たりの変化量
を制限する起動制御手段を備えたことにより、システム
起動時のピーク電力が小さくなり、突入電流の影響を抑
制して燃料電池及びバッテリの過負荷を回避することが
できるという効果がある。
載の燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電
池システムは、起動用バッテリと、該起動用バッテリの
出力可能電力を推定するバッテリ出力可能電力推定手段
と、を更に備え、前記電動補機は、燃料電池に酸化体を
供給するコンプレッサであり、前記起動制御手段は、前
記バッテリ出力可能電力推定手段が推定した出力可能電
力に基づいて、前記コンプレッサへの指令値の単位時間
当たりの変化量を制限するようにしたので、請求項1記
載の発明の効果に加えて、バッテリの能力を超えた電力
を取り出そうとすることを制御でき、必要以上に指令値
の変化量に制限を加えて起動時間を長引かせることがな
くなるという効果がある。
載の燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電
池システムは、燃料電池の発電可能な電力を推定する発
電可能電力推定手段を更に備え、前記電動補機は、燃料
電池の冷却システムの冷却水ポンプであり、前記起動制
御手段は、前記発電可能電力推定手段が推定した燃料電
池の発電可能電力に基づいて、前記冷却水ポンプへの指
令値の単位時間当たりの変化量を制限するようにしたの
で、請求項1記載の発明の効果に加えて、燃料電池の能
力を超えた電力を取り出そうとすることを制御できると
いう効果がある。
載の燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電
池システムは、前記電動補機を複数有し、前記起動制御
手段は、システム起動時に起動させる電動補機の数を徐
々に増加させることにより、電動補機の動作量の指令値
の単位時間当たりの変化量を制限するようにしたので、
請求項1記載の発明の効果に加えて、各電動補機に対す
る電力制限を緩和しながら全体として起動時のピーク電
力が分散して小さくなるという効果がある。
載の燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電
池システムは、起動用バッテリと、該起動用バッテリの
出力可能電力を推定するバッテリ出力可能電力推定手段
と、を更に備え、前記起動制御手段は、前記バッテリ出
力可能電力推定手段が推定した出力可能電力に基づい
て、前記複数の電動補機を少なくとも2群に分割し、各
群の電源投入時期をずらすようにしたので、請求項4記
載の発明の効果に加えて、バッテリの能力を超えた電力
を取り出そうとすることを抑制でき、必要以上に制限を
加えて起動時間を長引かせることがないという効果があ
る。
施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料
電池システムの制御装置の第1実施形態を備えた燃料電
池システムのシステム構成図である。
電池(本体)1と、駆動モータ等の主負荷3と、燃料電
池1と主負荷3との電気的接続を断続するジャンクショ
ンボックス2と、燃料電池1が発電した直流電圧をバッ
テリ7の電圧に変換するDC/DCコンバータ4と、電
動補機5と、燃料電池システムの制御装置であるコント
ローラ6と、バッテリ7とを備えている。
発電量を発電するように、水素と空気の圧力、流量など
が図示しない圧力調整弁、電動補機の一つであるコンプ
レッサ52で制御される。また、燃料電池1の発電に伴
う熱を取り除くために、冷却水が循環する。この冷却水
は、電動補機5の一つである冷却水ポンプ51により循
環され、冷却水流量はコントローラ6より指示される。
起動直後の低発電能力時にコントローラ6や電動補機5
の電力供給源となるとともに、燃料電池1の発電能力に
余裕があるときに燃料電池の発電電力で充電される。D
C/DCコンバータ4は、コントローラ6の指示により
起動し、燃料電池1で発電された電力を電動補機5やコ
ントローラ6、バッテリ7、に供給するために電圧を変
換する。ジャンクションボックス2はコントローラ6の
指示により、主負荷3と燃料電池1とを電気的に接続/
遮断する。
補機5の動作量の指令値の単位時間当たりの変化量を制
限する起動制御手段8を備えている。起動制御手段8
は、バッテリ7の出力可能電力を推定するバッテリ出力
可能電力推定手段9と、燃料電池1の発電可能な電力を
推定する発電可能電力推定手段10とを備えている。
可能電力推定手段9が推定したバッテリ7の出力可能電
力と、発電可能電力推定手段10が推定した燃料電池1
の発電可能な電力とに基づいて、システム起動時に電動
補機5の動作量の指令値の単位時間当たりの変化量を制
限することにより、システム起動時の過渡的なピーク所
要電力量を削減している。
ステムの制御装置であるコントローラ6の動作を説明す
るフローチャートであり、以下第1実施形態をこのフロ
ーチャートに沿って説明する。
ンサ類に電源が供給され、図示しないパワーリセット後
に、ステップS1以下の実行が開始される。ステップS
1では、燃料電池の起動に必要な空気流量が演算され
る。ステップS2では、ステップS1で演算された燃料
電池の起動に必要な空気流量応じた、コンプレッサ52
回転数基本値が演算される。
能な最大電力値に基づいて、コンプレッサ52の回転数
指令値の単位時間当たりの変化量を制限する、変化量リ
ミッタが演算される。バッテリ7から使用可能な最大電
力に関する値としては、外気温度やバッテリの開放電圧
などがある。一例として、図5に外気温度に対するバッ
テリから使用可能な最大電力の特性を示し、図6にバッ
テリから使用可能な最大電力に対する変化量制限値の1
設定例を示す。
値そのものを求めなくとも、これに相関する値、例えば
ここに示した外気温度等から直接変化量制限値を求める
ようにしても良い。
れたコンプレッサ回転数基本値の単位時間の変化量が、
ステップS3で演算した変化量制限値を越えないように
制限を行った、コンプレッサ回転数指令値が演算され、
コンプレッサ52の回転数を制御する。
ている空気流量や、水素流量などからDC/DCコンバ
ータ4が起動可能か否か、即ち燃料電池1から電力を取
り出して良いかが判定される。もし、まだDC/DCコ
ンバータ4が起動可能と判定されなかったら、Aに戻
り、ステップS1〜ステップS5までの処理が繰り返さ
れる。ステップS5でDC/DCコンバータ4が起動可
能と判定されれば、DC/DCコンバータ4を起動し、
ステップS6に進む。
などをもとに、燃料電池1を所定温度に保つために必要
な冷却水流量が演算される。
に、冷却水ポンプ51の回転数基本値が演算される。
電力をもとに、冷却水ポンプ51の回転数指令値の単位
時間当たりの変化量を制限する、変化量リミッタが演算
される。
れた冷却水ポンプ51の回転数基本値の単位時間の変化
量が、ステップS3で演算した変化量制限値を越えない
ように制限を行った、冷却水ポンプ回転数指令値が演算
され、冷却水ポンプ51の回転数を制御する。
クス2が接続可能か否か、即ち、主負荷3に燃料電池1
から電力を供給できるかどうかを、燃料電池1の発電可
能な電力をもとに判定される。ステップS10でまだ主
負荷3に電力を供給できないと判定されると、Aに戻り
ステップS1〜ステップS10までの処理が繰り返され
る。ステップS10で主負荷3に電力を供給できると判
定されると、ジャンクションボックス2を接続し、主負
荷3に電力を供給できるようにする。以上で起動終了と
なる。
ONにより図3(b)のコンプレッサ回転数基本値
(破線)が演算される。このコンプレッサ回転数基本値
を指示値としてコンプレッサを制御した場合、消費電力
は図3(a)の破線で示す電力Aのようになる。起動直
後に大きなピーク電力が出ているのは、コンプレッサを
加速するために、定常状態で必要な電力よりも多くの電
力が必要となるためである。このピーク電力が図3
(a)のバッテリ使用可能電力を超えると、急激にバッ
テリ電圧が低下し、その他の電動補機5やコントローラ
6などが動作できなくなり、最終的には起動不能になっ
てしまうことがである。
ように、バッテリ使用可能電力でコンプレッサ回転数指
令値の単位時間当たりの変化量を制限して制御する。こ
れにより、図3(a)の実線で示す電力Bのようにコン
プレッサを加速するために要する電力を削減し、バッテ
リ使用可能電力の範囲内に収めることができる。
り、燃料電池1から電力が取り出され始めると、燃料電
池1を冷却するために、冷却水ポンプ51の回転数基本
値(図4(b)グラフの破線)が演算される。この冷却
水ポンプ回転数基本値を指示値として冷却水ポンプ51
を制御した場合、消費電力は図4(a)の破線で示す電
力Aのようになる。起動直後に大きなピークが出ている
のは、冷却水ポンプ51を加速するために、定常状態で
必要な電力よりも多くの電力が必要となるためである。
このピークが図4(a)グラフの燃料電池(FC)発電
可能電力を超えると、急激に燃料電池1のセル電圧が低
下し、燃料電池1の性能劣化などの一因となることがあ
る。
うに、燃料電池発電可能電力を代表する値で、冷却水ポ
ンプ回転数指令値の単位時間当たりの変化量を制限し制
御する。これにより、図4(a)の実線で示す電力Bの
ように冷却水ポンプを加速するために要する電力を削減
し、燃料電池発電可能電力の範囲内に収めることができ
る。
においても、起動用のバッテリ7の大型化などの必要な
く、燃料電池システムを起動することができる。また、
起動に際し、燃料電池1への負担を軽減できることか
ら、システムの耐久性の向上が期待できる。
は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置を適用し
た第2実施形態のシステム構成図である。図7におい
て、複数の補機5は、燃料電池1の起動のために最初に
電源投入しなければならない補機群5a、DC/DCコ
ンバータ4の起動後に電源投入すればよい補機群5b、
システム起動後に電源投入すればよい補機群5c、の3
群に分けられ、それぞれの群毎にコントローラ6より電
源投入がなされる。それ以外の構成は、図1に示した第
1実施形態と同様であるので、重複する説明を省略す
る。
動作を説明するフローチャートであり、以下第2実施形
態をこのフローチャートに沿って説明する。
ンサ類に電源が供給され、図示しないパワーリセット後
に、バッテリ7の出力可能な電力を推定する。バッテリ
出力可能最大電力に関する値としては、外気温度やバッ
テリ7の開放電圧などがある。ここで、推定された値が
補機5全てを起動をするのに十分な値であれば、補機群
5a〜5c全てに電源を投入する。もし推定された値が
補機群の全てを起動をするのに不十分であった場合に、
ステップS21以降の手順に従って起動を行う。ここで
はその手順について説明する。
令を送り、補機群5aに電源が供給される。補機群5a
には、例えば燃料電池1の制御に必要な空気圧センサ、
水素流量センサ、コンプレッサモータ(図1のコンプレ
ッサ51に相当)などが含まれる。ステップS22で
は、燃料電池1に供給されている空気流量や、水素流量
などからDC/DCコンバータ4が起動可能か否か、即
ち燃料電池1から電力を取り出して良いか否かが判定さ
れる。
出し不可と判定されると、電力取り出し可能と判定され
るまで、ステップS22にとどまる。ステップS22で
電力取り出し可能と判定されれば、DC/DCコンバー
タ4を起動し、ステップS23で補機群5bに電源供給
指令を送り、補機群5bに電源が供給される。補機群5
bには、例えば燃料電池1が発電することに伴い、動作
しなければならない燃料電池冷却系のアクチュエータ
類、例えば図1の冷却水ポンプ51など、及び冷却系の
センサなどが含まれる。
クス2が接続可能か否か、即ち、燃料電池1から主負荷
3に電力を供給できるかどうかを、燃料電池1の発電可
能な電力をもとに判定される。ステップS24でまだ主
負荷3に電力を供給できないと判定されると、主負荷3
に電力を供給できると判定されるまで、ステップS24
にとどまる。
きると判定されると、ステップS25で補機群5cに電
源供給指令を送り、補機群5cに電源が供給される。補
機群5cには、例えば車が動くことにより、動作しなけ
ればならない、電動パワーステアリングのアクチュエー
タ、センサ、ブレーキブースタなどが含まれる。その
後、ジャンクションボックス2を接続して、主負荷3に
電力を供給できるようにする。以上で起動終了となる。
ONにより全ての補機類に電源を投入するような従来
技術の場合には、それらの突入電流により大きなピーク
電力が生じ、特に低温時などは図9(a)のようにバッ
テリ使用可能電力を超えることが起こりうる。すると、
急激にバッテリ電圧が低下し、その他の補機やコントロ
ーラなどが動作できなくなり、最終的には起動不能にな
ってしまう恐れがあった。
入を分割することで、図9(b)のように、突入電流の
影響を押さえピーク電力を小さいものとし、バッテリ使
用可能電力を超えることなくシステムを起動することが
できる。無論、第2実施形態中の補機類をさらに細かく
多数の群に分割し、各群毎に順次電源を投入すればさら
に効果がある。
1実施形態を適用した燃料電池システムのシステム構成
図である。
ートである。
示す図である。
化量制限値設定の一例を示す図である。
2実施形態を適用した燃料電池システムのシステム構成
図である。
である。
Claims (5)
- 【請求項1】 燃料電池と、該燃料電池の運転維持に必
要な電動補機と、該電動補機の動作を制御する制御装置
と、を備えた燃料電池システムにおいて、 前記制御装置は、システム起動時に前記電動補機の動作
量の指令値の単位時間当たりの変化量を制限する起動制
御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制
御装置。 - 【請求項2】 前記燃料電池システムは、起動用バッテ
リと、該起動用バッテリの出力可能電力を推定するバッ
テリ出力可能電力推定手段と、を更に備え、前記電動補
機は、燃料電池に酸化体を供給するコンプレッサであ
り、 前記起動制御手段は、前記バッテリ出力可能電力推定手
段が推定した出力可能電力に基づいて、前記コンプレッ
サへの指令値の単位時間当たりの変化量を制限すること
を特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御装
置。 - 【請求項3】 前記燃料電池システムは、燃料電池の発
電可能な電力を推定する発電可能電力推定手段を更に備
え、 前記電動補機は、燃料電池の冷却システムの冷却水ポン
プであり、前記起動制御手段は、前記発電可能電力推定
手段が推定した燃料電池の発電可能電力に基づいて、前
記冷却水ポンプへの指令値の単位時間当たりの変化量を
制限することを特徴とする請求項1記載の燃料電池シス
テムの制御装置。 - 【請求項4】 前記燃料電池システムは、前記電動補機
を複数有し、 前記起動制御手段は、システム起動時に起動させる電動
補機の数を徐々に増加させることにより、電動補機の動
作量の指令値の単位時間当たりの変化量を制限すること
を特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御装
置。 - 【請求項5】 前記燃料電池システムは、起動用バッテ
リと、該起動用バッテリの出力可能電力を推定するバッ
テリ出力可能電力推定手段と、を更に備え、 前記起動制御手段は、前記バッテリ出力可能電力推定手
段が推定した出力可能電力に基づいて、前記複数の電動
補機を少なくとも2群に分割し、各群の電源投入時期を
ずらすことを特徴とする請求項4記載の燃料電池システ
ムの制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001366478A JP3620496B2 (ja) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | 燃料電池システムの制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001366478A JP3620496B2 (ja) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | 燃料電池システムの制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003168464A true JP2003168464A (ja) | 2003-06-13 |
JP3620496B2 JP3620496B2 (ja) | 2005-02-16 |
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ID=19176368
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001366478A Expired - Lifetime JP3620496B2 (ja) | 2001-11-30 | 2001-11-30 | 燃料電池システムの制御装置 |
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