JP2004187332A

JP2004187332A - 燃料電池車両の制御装置

Info

Publication number: JP2004187332A
Application number: JP2002347665A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hasuka; 芳信蓮香; Akira Okawa; 晃大川; Hibiki Saeki; 響佐伯; Akira Aoyanagi; 暁青柳
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-07-02

Abstract

【課題】燃料電池の出力電流及び出力電圧を制御する出力制御器を保護する。
【解決手段】制御装置２０は、燃料電池車両の始動時に電流・電圧制御器１２により燃料電池１１から取り出す出力電流（電流・電圧制御器１２の１次側電流Ｉ_１）の電流値を制限し、制限した電流（電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２）によってキャパシタ１３を充電する状態にて、電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２に対して所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕを設定する。制御装置２０は、燃料電池１１の出力電圧（電流・電圧制御器１２の１次側電圧Ｖ_１）およびキャパシタ１３の端子間電圧（電流・電圧制御器１２の２次側電圧Ｖ_２）の各検出値と、設定した所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕとに基づき、２次側上限電流Ｉ_２Ｕに対応した１次側電流Ｉ_１の１次側上限電流Ｉ_１Ｕを算出し、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕ以下となるように電流・電圧制御器１２を制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタを備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池車両において、キャパシタは、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばチョッパ型電力変換回路を備えて構成される出力制御器のチョッピング動作等は、例えば燃料電池車両や燃料電池やキャパシタの状態に応じて制御されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５７８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池車両の始動時において、燃料電池へ反応ガスを供給するエアーコンプレッサー等はキャパシタからの電力供給によって駆動される。このため、放電によって端子間電圧が低下したキャパシタに対して燃料電池を直接的に接続することで、燃料電池からキャパシタに急激に過大な電流が流入し、燃料電池の端子間電圧が過剰に低下してしまうことを防止するために、燃料電池の端子間電圧とキャパシタの端子間電圧との電圧差がゼロを含む所定の電圧差以下になるまでは、出力制御器によって燃料電池から取り出される出力電流の電流値が所定値以下となるように制限されている。
しかしながら、出力制御器の作動状態が所定状態に設定されている場合、例えばチョッパ型電力変換回路を備えて構成される出力制御器のチョッピング動作によって出力電流を制御する際に、チョッピング動作の制御用に入力される制御パルスのデューティ、つまりオン／オフの比率が所定の値に設定されている状態で、例えばキャパシタの端子間電圧が過剰に低下すると、予め出力制御器に設定されている所定の定格電流を超える電流が燃料電池からキャパシタに流入する虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を保護することが可能な燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置は、車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段（例えば、実施の形態での電流・電圧制御器１２）とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、前記出力制御手段の１次側電圧とされる前記燃料電池の出力電圧を検出する１次側電圧検出手段（例えば、実施の形態での出力電圧センサ２３）と、前記出力制御手段の１次側電流とされる前記燃料電池の出力電流を検出する１次側電流検出手段（例えば、実施の形態での出力電流センサ２２）と、前記出力制御手段の２次側電圧とされる前記キャパシタの端子間電圧を検出する２次側電圧検出手段（例えば、実施の形態でのキャパシタ電圧センサ２４）と、検出される前記１次側電圧および前記２次側電圧と、前記出力制御手段の２次側電流に対して予め設定された所定の２次側上限電流とに基づき、前記２次側上限電流に対応した前記１次側電流である１次側上限電流を算出する１次側電流算出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４）とを備え、前記出力制御手段は、検出される前記１次側電流が前記１次側上限電流以下となるように前記１次側電流を制御することを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池車両の制御装置によれば、例えば、出力制御器の作動状態が所定状態に設定されている状態で、キャパシタの端子間電圧が過剰に低下したり、燃料電池の端子間電圧が過剰に増大した場合等であっても、予め出力制御器に設定されている所定の定格電流つまり２次側上限電流を超える電流が出力制御器に通電されてしまうことを防止し、出力制御器を確実に保護することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、電流・電圧制御器１２と、キャパシタ１３と、出力制御器１４と、走行用モータ１５と、負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、燃料電池セル電圧センサ２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、キャパシタ電圧センサ２４と、アクセル開度センサ３１と、ＩＧスイッチ３２とを備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００９】
燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は電流・電圧制御器１２に入力されており、この電流・電圧制御器１２には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ１３が接続されている。
そして、燃料電池１１および電流・電圧制御器１２とキャパシタ１３は、出力制御器１４を介して走行用モータ１５と、例えば燃料電池１１やキャパシタ１３の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７を介してエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８とに対して並列に接続されている。
【００１０】
電流・電圧制御器１２は、例えば図２に示すように、入力側平滑コンデンサ４１と、出力側平滑コンデンサ４２と、ＮＰＮトランジスタ４３と、ダイオード４４と、直流リアクトル４５とを具備するチョッパ型電力変換回路とされている。
入力側平滑コンデンサ４１は燃料電池１１の出力端子間に並列に接続されており、さらに、入力側平滑コンデンサ４１には、ＮＰＮトランジスタ４３を介してダイオード４４が並列に接続され、さらに、ダイオード４４には直流リアクトル４５を介して出力側平滑コンデンサ４２が並列に接続されている。
ここで、ＮＰＮトランジスタ４３のコレクタは燃料電池１１の出力端子に接続され、エミッタはダイオード４４のカソードに接続されている。さらに、ダイオード４４のカソードには直流リアクトル４５が接続されている。
【００１１】
ここで、チョッパ型電力変換回路のチョッピング動作つまりチョッパ型電力変換回路に具備されるＮＰＮトランジスタ４３のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値が制御されており、このチョッピング動作は制御装置２０からＮＰＮトランジスタ４３のベースに入力される制御パルスのデューティ、つまりオン／オフの比率に応じて制御されている。つまり、制御装置２０から論理「ハイ」レベルの制御パルスが入力されると、ＮＰＮトランジスタ４３がオン状態に設定され、論理「ロー」レベルの制御パルスが入力されると、ＮＰＮトランジスタ４３がオフ状態に設定される。
ここで、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、チョッパ型電力変換回路に具備されるＮＰＮトランジスタ４３がオフ状態に固定され、燃料電池１１とキャパシタ１３とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、ＮＰＮトランジスタ４３がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１とキャパシタ１３とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１３の端子間電圧とが同等の値となる。
また、制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜値に設定されると、電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
【００１２】
出力制御器１４は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えており、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用モータ１５の駆動および回生動作を制御する。例えば走行用モータ１５の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、電流・電圧制御器１２およびキャパシタ１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して走行用モータ１５へ供給する。一方、走行用モータ１５の回生時には、走行用モータ１５から出力される３相交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１３へ供給し、キャパシタ１３を充電する。
なお、走行用モータ１５は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器１４から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側から走行用モータ１５側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１５は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１３】
また、エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器１７によって制御されている。
【００１４】
制御装置２０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
【００１５】
また、制御装置２０は、出力制御器１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１５の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令を出力制御器１４に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流が走行用モータ１５の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、キャパシタ１３の状態、例えばキャパシタ１３の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ１３の端子間電圧の検出値等に基づき、走行用モータ１５の回生動作を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子間電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ２１から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、キャパシタ１３の端子間電圧を検出するキャパシタ電圧センサ２４から出力される検出信号と、キャパシタ１３の温度を検出するキャパシタ温度センサ（図示略）から出力される検出信号と、アクセル開度センサ３１から出力される検出信号と、車両の作動開始を指示するＩＧスイッチ３２から出力される信号とが入力されている。
【００１６】
さらに、制御装置２０は、後述するように、燃料電池車両の始動時におけるアイドル充電状態、つまり燃料電池１１の発電を実行しつつ、電流・電圧制御器１２によって燃料電池１１から取り出される出力電流（電流・電圧制御器１２の１次側電流Ｉ_１）の電流値を所定値に制限し、制限した電流（電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２）によってキャパシタ１３を充電している状態において、電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２に対して所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕを設定する。ここで、所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕは、例えば電流・電圧制御器１２に通電可能な所定の定格電流等とされている。
そして、制御装置２０は、燃料電池１１の出力電圧（電流・電圧制御器１２の１次側電圧Ｖ_１）およびキャパシタ１３の端子間電圧（電流・電圧制御器１２の２次側電圧Ｖ_２）の各検出値と、設定された所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕとに基づき、２次側上限電流Ｉ_２Ｕに対応した１次側電流Ｉ_１である１次側上限電流Ｉ_１Ｕを算出し、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕ以下となるように電流・電圧制御器１２を制御する。
例えば、制御装置２０は、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕを超える場合には、ＮＰＮトランジスタ４３のベースに入力する制御パルスのデューティを低減する。
【００１７】
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池車両の制御装置１０の動作、特に、電流・電圧制御器１２を制御する動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
先ず、運転者によって車両の作動開始を指示するＩＧスイッチ３２がオン状態に設定されると、例えば図３に示すステップＳ０１において、燃料電池１１へ反応ガスの供給を開始する。ここでは、例えば水素供給弁１９ｂを開弁状態に設定し、水素タンク１９ａから燃料電池１１のアノードに水素を供給すると共に、キャパシタ１３からの電力供給によってエアーコンプレッサ１８を駆動し、酸素を含む空気を燃料電池１１のカソードに供給する。さらに、ここでは、電流・電圧制御器１２へ入力する制御パルスのデューティを０％に設定し、燃料電池１１とキャパシタ１３とを電気的に遮断している。
【００１９】
次に、ステップＳ０２においては、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子間電圧が所定の電力供給開始電圧以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０２に戻り、燃料電池１１とキャパシタ１３との遮断状態を継続する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
【００２０】
ステップＳ０３においては、電流・電圧制御器１２へ入力する制御パルスのデューティを０％〜１００％の間の所定値に設定し、キャパシタ１３を充電する電流つまり電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２が所定電流となるように、１次側電流Ｉ_１である燃料電池１１の出力電流を制限する。
【００２１】
次に、ステップＳ０４においては、検出される１次側電圧Ｖ_１および２次側電圧Ｖ_２と、電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２に対して予め設定された所定の２次側上限電流Ｉ_２Ｕとに基づき、例えば下記数式（１）に示すように、２次側上限電流Ｉ_２Ｕに対応した１次側電流Ｉ_１の１次側上限電流Ｉ_１Ｕを算出する。
なお、下記数式（１）において、ηは所定の係数である。
【００２２】
【数１】

【００２３】
次に、ステップＳ０５においては、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
ステップＳ０６においては、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕ以下となるようにＮＰＮトランジスタ４３のベースに入力する制御パルスのデューティを低減し、一連の処理を終了する。
【００２４】
上述したように、本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０によれば、例えば、電流・電圧制御器１２の作動状態が所定状態に設定されている状態で、キャパシタ１３の端子間電圧が過剰に低下したり、燃料電池１１の端子間電圧が過剰に増大した場合等であっても、予め電流・電圧制御器１２に設定されている所定の定格電流つまり２次側上限電流Ｉ_２Ｕを超える電流が電流・電圧制御器１２に通電されてしまうことを防止し、電流・電圧制御器１２を確実に保護することができる。
しかも、電流・電圧制御器１２の２次側電流Ｉ_２を検出する電流センサを設ける必要無しに、２次側電流Ｉ_２が２次側上限電流Ｉ_２Ｕ以下となるように設定することができ、装置の構成に要する費用を削減することができる。
【００２５】
なお、上述した本実施の形態においては、燃料電池車両の始動時において、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕ以下となるように電流・電圧制御器１２を制御するとしたが、これに限定されず、電流・電圧制御器１２へ入力する制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の所定値に設定されている状態であれば、１次側電流Ｉ_１の検出値が１次側上限電流Ｉ_１Ｕ以下となるように電流・電圧制御器１２を制御してよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置によれば、予め出力制御器に設定されている所定の定格電流つまり２次側上限電流を超える電流が出力制御器に通電されてしまうことを防止し、出力制御器を確実に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成図である。
【図２】図１に示す電流・電圧制御器の構成図である。
【図３】図１に示す燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０燃料電池車両の制御装置
１２電流・電圧制御器（出力制御手段）
１３キャパシタ
２２出力電流センサ（１次側電流検出手段）
２３出力電圧センサ（１次側電圧検出手段）
２４キャパシタ電圧センサ（２次側電圧検出手段）
ステップＳ０４１次側電流算出手段

Claims

車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、
前記出力制御手段の１次側電圧とされる前記燃料電池の出力電圧を検出する１次側電圧検出手段と、
前記出力制御手段の１次側電流とされる前記燃料電池の出力電流を検出する１次側電流検出手段と、
前記出力制御手段の２次側電圧とされる前記キャパシタの端子間電圧を検出する２次側電圧検出手段と、
検出される前記１次側電圧および前記２次側電圧と、前記出力制御手段の２次側電流に対して予め設定された所定の２次側上限電流とに基づき、前記２次側上限電流に対応した前記１次側電流である１次側上限電流を算出する１次側電流算出手段とを備え、
前記出力制御手段は、検出される前記１次側電流が前記１次側上限電流以下となるように前記１次側電流を制御することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。