JP2005149920A - 燃料電池電源装置および燃料電池電源装置のキャパシタ充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷が要求する電力量を安定して供給することを目的とする。
【解決手段】 クルージング走行中などのモータ１１が低負荷状態である場合に、電力制御部２３は第１スイッチ６をオフにして、キャパシタ４からモータ１１への電力供給を切り離して燃料電池２の電力のみでモータ１１を駆動し、さらに燃料電池２からの電力によってキャパシタ４を充電させる。これによってモータ１１による回生電力が発生する前でもキャパシタ４の充電を行うことができ、車両が加速を行うためにモータ１１を大電流で駆動する際に、燃料電池２の電力に加えてキャパシタ４の電力をモータ１１へ供給し、モータ１１を高トルクで駆動することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、負荷を駆動する電源として燃料電池を用いた燃料電池電源装置および燃料電池電源装置のキャパシタ充電方法に関する。

従来、燃料電池を電源としてモータ等の負荷を駆動する電源装置において、負荷の要求電流が急激に増加した場合に、応答遅れによって燃料電池の出力電流が不足していた。これを防止するために、燃料電池と並列にキャパシタを接続し、上述のように負荷の要求電流が急激に増加した場合には、キャパシタから負荷へ電力を供給することによって、燃料電池の電力供給の応答遅れを防止していた。
また、負荷としてモータを用いた場合には、モータと燃料電池との間に逆接防止用ダイオードを設けることで、モータによる回生電力が燃料電池に印加されることを防ぎながら、該回生電力によってキャパシタの充電を行っていた。
特開２００３−３０５０１１号公報

しかしながら、このような従来の燃料電池を用いた電源装置においては、モータの回生電力によってキャパシタの充電を行うので、たとえば燃料電池を起動してからモータの回生電力が発生していない状態において、モータから大電流の電力要求があった場合には、キャパシタは未充電のため、燃料電池の応答遅れによってモータへ要求された電力を供給することができないといった問題があった。

そこで本発明はこのような問題点に鑑み、負荷が要求する電力量を安定して供給することを目的とする。

本発明は、車両の負荷に燃料電池から電力を供給する燃料電池電源装置において、燃料電池の電力によってキャパシタ充電部によって充電されるキャパシタが燃料電池に並列に接続され、ダイオードが燃料電池の出力端子の一端にアノード側が、前記キャパシタの一端にカソード側が接続され、第１スイッチが負荷とキャパシタとの接続を開閉し、負荷が低負荷状態であるかどうかを判断する低負荷状態判断手段と、第１スイッチと、キャパシタ充電部の制御を行う電力制御部とを備え、低負荷状態判断手段によって負荷が低負荷状態であると判定された場合に、電力制御部は、第１スイッチを開き、さらにキャパシタ充電部を駆動してキャパシタの充電を行うものとした。

本発明によれば、低負荷状態判断手段によって負荷が低負荷状態であると判定された場合に、第１スイッチを開きキャパシタから負荷への電力供給を停止してキャパシタの充電を行い、さらに負荷を燃料電池の電力で駆動させる。
したがって、負荷が低負荷状態から高負荷状態となり、負荷を大電流で駆動する際に、燃料電池の電力量に加えてキャパシタに充電された電力を負荷に供給することができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
本実施例は、車両を駆動するモータの電力源として燃料電池電源装置を用いたものである。
図１に本実施例における燃料電池電源装置を示す。
車両を駆動する負荷１０が燃料電池電源装置１に接続され、燃料電池電源装置１からの電力供給によって負荷１０内のモータ１１が駆動する。
燃料電池電源装置１は、水素と酸素とを反応ガスとして電気化学反応を生じさせて電力を出力する燃料電池２と、燃料電池２と並列に接続されたキャパシタ４と、燃料電池２の電力を用いてキャパシタ４を充電するためのＤＣ／ＤＣコンバータ３と、負荷１０からの回生電力が燃料電池２へ流れ込むことを防止する逆接防止用のダイオード５とを備える。

また燃料電池電源装置１は、燃料電池２と負荷１０との回路を遮断する第２スイッチ７を、ダイオード５のアノード端子と燃料電池２の一方の端子との間に備えている。さらに、キャパシタ４の一方の端子とダイオード５のカソード端子との間に第１スイッチ６を備え、該第１スイッチ６によって、キャパシタ４と負荷１０との回路の遮断が可能となる。
なお第２スイッチ７がオフの状態においても、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を駆動させることによって燃料電池２の電力をキャパシタ４に供給可能である。
また、第１スイッチ６および第２スイッチ７は半導体スイッチを用いる。

負荷１０は、内部にモータ１１とインバータ１２とを備え、燃料電池電源装置１より供給された電力はインバータ１２によって直流電流から交流電流に変換されてモータ１１に供給される。
モータ１１の駆動力は、図示しない車両のトランスミッションを介して駆動輪に伝達される。

図示しないセンサによって計測された車両のアクセルペダル踏込み量および車両速度とがエネルギ制御部２１に入力され、エネルギ制御部２１は入力されたアクセルペダル踏込み量と車両速度をもとにモータ１１のトルク指令値を算出する。
エネルギ制御部２１は、算出したトルク指令値を負荷１０のモータ１１を制御するモータ制御部２２と燃料電池電源装置１の出力電力を制御する電力制御部２３に出力する。

モータ制御部２２は、モータ１１のロータ電気角を検知して該電気角に応じた３相の交流電流を、インバータ１２を制御することによって図示しないモータ１１の電機子に出力するものであり、エネルギ制御部２１から出力されるトルク指令値に応じて、モータ１１の電機子に流れる電流を制御する。

電力制御部２３は入力されたトルク指令値にもとづいて、燃料電池電源装置１が負荷１０へ供給する目標供給電力を算出し、燃料電池制御部２４へ出力する。
また電力制御部２３は、第２スイッチ７、第１スイッチ６、ＤＣ／ＤＣコンバータ３に接続され、各部のオンオフまたは起動停止の制御を行う。

燃料電池制御部２４は、入力された目標供給電力にもとづいて、該目標供給電力を発生させるために必要な燃料電池２のガス供給指令値を算出し、反応ガス供給部２５へ出力する。
反応ガス供給部２５はエアーコンプレッサ等で構成され、入力されたガス供給指令値に応じて燃料電池２に反応ガスを供給する。
燃料電池電源装置１の電力は、ダイオード５のカソード側の端子Ａから反応ガス供給部２５や、エアコン、その他図示しない１２Ｖ系負荷に供給される。

次に燃料電池電源装置１の駆動時に電力制御部２３が行う処理について説明する。
図２は燃料電池電源装置１の駆動時に電力制御部２３が行う処理の流れを示すフローチャートである。
エネルギ制御部２１からトルク指令値が出力されると、電力制御部２３は燃料電池電源装置１を起動させるため、ステップ２００において、第１スイッチ６をオン、第２スイッチ７をオフにする。
ステップ２０１において、キャパシタ４に蓄えられた電力を用いて、燃料電池２に反応ガスを供給する反応ガス供給部２５などの補記類を駆動し、燃料電池電源装置１を起動させる。

ステップ２０２において電力制御部２３は、燃料電池電源装置１の起動が完了したかどうかを判断する。起動が完了していない場合にはステップ２０１へ戻り、燃料電池２の起動処理を繰り返す。
電力制御部２３は、燃料電池２の起動が完了したと判断するとステップ２０３において、キャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池２の開放電圧Ｖｆ０以上であるかどうかを判断する。
ここでキャパシタ電圧Ｖｃは図３に示すように、キャパシタ４の端子間の電圧を示す。また燃料電池出力電流ｉｆは燃料電池２の出力電流を示し、燃料電池出力電圧Ｖｆは燃料電池２の出力端子間の電圧を示す。

ステップ２０３において、キャパシタ電圧Ｖｃが開放電圧Ｖｆ０以上でない場合には、ステップ２１０において電力制御部２３はＤＣ／ＤＣコンバータ３を起動させてキャパシタ４を燃料電池２の開放電圧Ｖｆ０まで充電する。

一方、キャパシタ電圧Ｖｃが開放電圧Ｖｆ０以上である場合には、ステップ２０４において電力制御部２３はＤＣ／ＤＣコンバータ３が起動している場合にはＤＣ／ＤＣコンバータ３を停止させ、ステップ２０５において第２スイッチ７および第１スイッチ６をオンにする。
これにより、燃料電池２とキャパシタ４とが並列に接続された状態となる。通常時の車両の加速、減速、定速走行はこの状態で行う。
この場合、車両の減速によるモータ１１の回生発電によって、キャパシタ４はキャパシタ電圧Ｖｃがキャパシタ許容電圧に至るまで充電可能となる。

ステップ２０６において電力制御部２３は、車両が高速道路を走行中の場合などクルージング走行を行っているかどうか、またはそれに準ずる走行状態であるかどうかを判断する。
このクルージング走行を行っているかどうかの判断は、エネルギ制御部２１で演算されるトルク指令値が所定値以下であり、かつその変化量が所定値以下の場合に、クルージング走行状態であると判断するものである。
クルージング走行状態でないと判断されると、ステップ２０５へ戻り、現状を維持する。

クルージング走行状態であると判断されると、電力制御部２３はステップ２０７において、キャパシタ電圧Ｖｃがあらかじめ定められた所定電圧Ｖ１以下であるかどうかを判断し、所定電圧Ｖ１以下である場合には、ステップ２０８へ進む。所定電圧Ｖ１以下でない場合にはステップ２０６へ戻りクルージング走行状態であるかどうかの判定を行う。
なお所定電圧Ｖ１は、次式を満たすように設定する。
キャパシタ許容電圧＞所定電圧Ｖ１＞燃料電池開放電圧Ｖｆ０ （１）

ステップ２０８において電力制御部２３は第１スイッチ６をオフ、第２スイッチ７をオンにする。
ステップ２０９において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を起動させて、燃料電池２の発電電力によって、キャパシタ４を充電する。
なお電力制御部２３がどのステップの処理を行っている場合でも、電力制御部２３は燃料電池電源装置１を停止させることができる。

次に、燃料電池電源装置１の駆動時における出力電流と、出力電圧の変化について、図４を用いて説明する。
図４の（ａ）は燃料電池２の出力電流ｉｆの変化を示し、（ｂ）は燃料電池２の出力電圧Ｖｆの変化を示す。
時刻ｔ０において、車両はクルージング走行状態であるものとする。
この状態において、燃料電池出力電流ｉｆ＝ｉ０とし、燃料電池出力電圧Ｖｆ＝Ｖ０とする。この状態は定常状態であり、キャパシタ電圧Ｖｃ＝Ｖ０、キャパシタ電流ｉｃ＝０である。

時刻ｔ１において、上述のステップ２０６でクルージング走行状態であると判断される。ステップ２０７においてキャパシタ電圧Ｖｃがあらかじめ定められた所定電圧Ｖ１以下であると判断し、ステップ２０８において電力制御部２３は、第１スイッチ６をオフ、第２スイッチ７をオンにして、ステップ２０９でキャパシタ４の充電を開始する。
これによって時刻ｔ１以降、燃料電池出力電流ｉｆはｉ１に増加し、キャパシタ電圧Ｖｃも増加を始める。

時刻ｔ２において、キャパシタ電圧ＶｃがＶ１となると、再びステップ２０７の判断により、キャパシタ４の充電を停止して、現状を維持する。このとき燃料電池出力電流ｉｆはｉ０となる。
時刻ｔ３において車両が加速状態となると、電力制御部２３はステップ２０６においてクルージング走行状態でないと判断し、ステップ２０５において第２スイッチ７、第１スイッチ６をオンにする。
この加速に伴う負荷電流の増大により、燃料電池出力電圧ｉｆは増加し、燃料電池出力電圧Ｖｆおよび、キャパシタ電圧Ｖｃは時刻ｔ３以降減少を始める。

このとき、燃料電池出力電圧Ｖｆの減少勾配は、図４の（ｂ）に示すキャパシタ充電を行わない状態で車両が加速を行った場合の燃料電池出力電圧Ｖｆ’の減少勾配に比べ、緩やかな減少勾配となるので、車両が加速状態にある場合の燃料電池出力電圧の降下を抑えることができる。
なお本実施例において、ステップ２０６が本発明における低負荷状態判断手段を構成する。

本実施例は以上のように構成され、クルージング走行中などのモータ１１が低負荷状態である場合に、電力制御部２３は第１スイッチ６をオフにして、キャパシタ４からモータ１１への電力供給を切り離して燃料電池２の電力のみでモータ１１を駆動し、さらに燃料電池２からの電力によってキャパシタ４を充電させる。
このようにモータ１１が低負荷状態である場合にキャパシタ４の充電を行うので、モータ１１による回生電力が発生する前でもキャパシタ４の充電を行うことができる。よって、車両が加速を行うためにモータ１１を大電流で駆動する際に、燃料電池２の電力に加えてキャパシタ４の電力をモータ１１へ供給し、モータ１１を高トルクで駆動することができる。

キャパシタ４を充電する際に、燃料電池２の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３によって上昇させることにより、キャパシタ４の電圧を高くすることができ、モータ１１に高い電圧を供給し、モータ１１を高トルクで駆動することができる。
またキャパシタ４を充電する際に、キャパシタ電圧Ｖｃが、キャパシタの最大許容電圧よりも低い所定電圧Ｖ１以上となった場合に、充電を停止することにより、低負荷状態から車両が減速して回生電力が発生した場合にも、発生した電力を有効にキャパシタ４に充電することができる。

また電力制御部２３は、第１スイッチ６をオン、第２スイッチ７をオフにして燃料電池２を起動し、キャパシタ４の電圧Ｖｃが燃料電池２の開放電圧Ｖｆ０以上となった場合に第２スイッチ７をオンにして、燃料電池２の電力を負荷１０へ供給することにより、燃料電池２の起動時に電圧が低下したキャパシタ４へ燃料電池２からの大電流が流れ込むことを防ぐことができる。

第１スイッチ６および第２スイッチ７を半導体スイッチで構成したことにより、回路に電流を流している状態、すなわち活線状態でも回路開閉動作をすばやく行うことができ、さらに活線状態で機械式スイッチを開閉させる場合に生じる接点溶着を回避することができる。

本実施例における燃料電池電源装置を示す図である。 電力制御部が行う処理の流れを示す図である。 燃料電池出力電圧、燃料電池出力電流、キャパシタ電圧を示す図である。 燃料電池出力電流と燃料電池出力電圧を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池電源装置
２ 燃料電池
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ キャパシタ
５ ダイオード
６ 第１スイッチ
７ 第２スイッチ
１０ 負荷
１１ モータ
１２ インバータ
２１ エネルギ制御部
２２ モータ制御部
２３ 電力制御部
２４ 燃料電池制御部
２５ 反応ガス供給部
Ａ 端子

Claims (7)

1. 車両の負荷に燃料電池から電力を供給する燃料電池電源装置において、
   前記燃料電池に並列に接続されるキャパシタと、
   前記燃料電池の電力で前記キャパシタを充電するキャパシタ充電部と、
   前記燃料電池の出力端子の一端にアノード側が、前記キャパシタの一端にカソード側が接続されるダイオードと、
   前記負荷と前記キャパシタとの接続を開閉する第１スイッチと、
   前記負荷が低負荷状態であるかどうかを判断する低負荷状態判断手段と、
   前記第１スイッチおよび前記キャパシタ充電部の制御を行う電力制御部とを備え、
   前記低負荷状態判断手段によって前記負荷が低負荷状態であると判定された場合に、前記電力制御部は、前記第１スイッチを開き、さらに前記キャパシタ充電部を駆動してキャパシタの充電を行うことを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記キャパシタ充電部はＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池の電圧を昇圧させてキャパシタの充電を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
3. 前記ダイオードと前記燃料電池との接続を開閉する第２スイッチを備え、
   前記電力制御部は、前記第１スイッチをオン、前記第２スイッチをオフにして前記燃料電池を起動させて前記キャパシタの充電を行い、前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧値以上となった場合に、前記第２スイッチをオンすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池電源装置。
4. 前記負荷はモータであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池電源装置。
5. 前記電力制御部は、前記キャパシタの電圧がキャパシタの最大許容電圧よりも低いしきい値電圧よりも大きくなった場合に、前記燃料電池によるキャパシタの充電を停止することを特徴とする請求項４記載の燃料電池電源装置。
6. 前記スイッチは、半導体スイッチであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の燃料電池電源装置。
7. 燃料電池から電力が供給される車両の負荷が低負荷状態であると判定されると、キャパシタ充電部が前記燃料電池の電力を用いてキャパシタの充電を行うことを特徴とする燃料電池電源装置のキャパシタ充電方法。

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