JP2006059685A - Fuel cell power supply device and control method for fuel cell power supply device - Google Patents

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賢一 石橋
Shigetoshi Daidoji
重俊 大道寺
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日産自動車株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell power supply device capable of suppressing wasteful power consumption and an excess or deficiency of a gas supplied to the fuel cell when the output power of the fuel cell is in a transient state. <P>SOLUTION: The fuel cell power supply device comprises a fuel cell 11 connected in parallel to a driving motor 3, an electric double layer capacitor 13, and a secondary battery 14 connected in parallel to the driving motor 3 via a DC/DC converter 15, and appropriately controls power generation performed by the fuel cell 1. Here, a torque-power converting section 41 computes required supply power P<SB>in</SB><SP>*</SP>that needs to be supplied to the driving motor 3, an adder 44 obtains differential power between the required supply power P<SB>in</SB><SP>*</SP>and outputtable power P<SB>in</SB>determined by adding fuel cell outputtable power P<SB>f</SB>to capacitor power P<SB>c</SB>, and a feedback compensator 45 determines fuel cell required generation power P<SB>f</SB><SP>*</SP>based on the differential power so as to perform feedback control to allow the fuel cell 11 to generate power in consideration of the capacitor power P<SB>c</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、例えば燃料電池、電気二重層キャパシタ及び二次電池を備えた燃料電池車両において、負荷への電力の供給及び負荷からの回生電力の回収を行う燃料電池電源装置及び燃料電池電源装置の制御方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell power supply device for supplying power to a load and recovering regenerative power from the load in a fuel cell vehicle including, for example, a fuel cell, an electric double layer capacitor, and a secondary battery. It relates to a control method.
従来より、燃料電池を搭載した燃料電池車両の動力源としては、燃料電池と電気二重層キャパシタと二次電池とを並列に組み合わせて使用するハイブリッド型の燃料電池電源装置が知られている。   Conventionally, as a power source of a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell, a hybrid fuel cell power supply device using a fuel cell, an electric double layer capacitor, and a secondary battery in parallel is known.
このような燃料電池電源装置は、電力供給先となる走行用モータに要求される電力が急増するような負荷変動時に、燃料電池の出力電力が不足する状態となると、電気二重層キャパシタ及び二次電池に充電しておいた電力を走行用モータに供給することにより、燃料電池の出力電力の不足分を補っている。これにより、従来では、走行用モータに要求される電力を安定して供給している。   Such a fuel cell power supply device has an electric double layer capacitor and a secondary battery when the output power of the fuel cell becomes insufficient during a load change such that the power required for the traveling motor as a power supply destination increases rapidly. By supplying the electric power charged in the battery to the driving motor, the shortage of the output power of the fuel cell is compensated. As a result, conventionally, electric power required for the traveling motor is stably supplied.
また、燃料電池電源装置は、燃料電池車両の減速時において、走行用モータの回生電力を電気二重層キャパシタ及び二次電池で回収させることにより、走行用モータを発電機として機能させる。この走行用モータの回生電力は、走行用モータのトルク出力軸が外力によって強制的に回転させられる場合に、走行用モータから発生する逆起電力である。したがって、燃料電池から走行用モータに電力供給している場合とは逆に、走行用モータから電気二重層キャパシタや二次電池に回生電力を充電させている期間では、走行用モータから燃料電池へ電流が流入することを防止するために、燃料電池と、走行用モータ、電気二重層キャパシタ及び二次電池とを電気的に切り離しておく必要がある。したがって、燃料電池電源装置は、燃料電池と、走行用モータ、電気二重層キャパシタ及び二次電池との間に、ダイオードを設けた電気回路構成としている。   Further, the fuel cell power supply device causes the traveling motor to function as a generator by collecting the regenerative power of the traveling motor with the electric double layer capacitor and the secondary battery during deceleration of the fuel cell vehicle. The regenerative power of the travel motor is a counter electromotive force generated from the travel motor when the torque output shaft of the travel motor is forcibly rotated by an external force. Therefore, contrary to the case where power is supplied from the fuel cell to the traveling motor, the traveling motor is transferred from the traveling motor to the fuel cell during the period when regenerative power is charged from the traveling motor to the electric double layer capacitor or the secondary battery. In order to prevent current from flowing in, it is necessary to electrically separate the fuel cell from the traveling motor, the electric double layer capacitor, and the secondary battery. Therefore, the fuel cell power supply device has an electric circuit configuration in which a diode is provided between the fuel cell and the traveling motor, the electric double layer capacitor, and the secondary battery.
このような燃料電池電源装置において、従来では、下記の特許文献1に記載された技術を使用して、燃料電池の発電を制御している。この特許文献1に記載された燃料電池電源装置は、予め燃料電池の電流−電圧特性及び電気二重層キャパシタの電流−電圧特性を決めておき、当該各電流−電圧特性を用いて、電気二重層キャパシタに流入又は流出する電力を考慮して燃料電池に対する発電要求を補正している。すなわち、この燃料電池電源装置では、燃料電池の電流−電圧特性及び電気二重層キャパシタの電流−電圧特性を一定であるものと見なして、フィードフォワード的に燃料電池に対する発電要求を補正していた。
特開2002−305011号公報
In such a fuel cell power supply device, conventionally, the power generation of the fuel cell is controlled using the technique described in Patent Document 1 below. In this fuel cell power supply device described in Patent Document 1, a current-voltage characteristic of a fuel cell and a current-voltage characteristic of an electric double layer capacitor are determined in advance, and the electric double layer is obtained using the current-voltage characteristics. The power generation request for the fuel cell is corrected in consideration of the power flowing into or out of the capacitor. That is, in this fuel cell power supply device, the current-voltage characteristic of the fuel cell and the current-voltage characteristic of the electric double layer capacitor are considered to be constant, and the power generation request for the fuel cell is corrected in a feedforward manner.
JP 2002-305011 A
しかしながら、上述した従来の燃料電池電源装置では、燃料電池や電気二重層キャパシタの電流−電圧特性等から求めた定常的な補正量によって、燃料電池に対する発電要求をフィードフォワード的に補正していたので、発電電力の要求に対して実際の燃料電池の出力電力が遅れ要素を持ち、走行用モータの負荷変動時において燃料電池の出力電力に遅れが発生している過渡期間中に、無駄な補機等の電力消費や、水素ガス等の供給ガスの過不足を完全に解消することができなかった。   However, in the conventional fuel cell power supply device described above, the power generation request for the fuel cell is corrected in a feed-forward manner by the steady correction amount obtained from the current-voltage characteristics of the fuel cell and the electric double layer capacitor. In the transient period when the output power of the actual fuel cell has a delay element with respect to the demand for generated power and the output power of the fuel cell is delayed when the load of the driving motor fluctuates, It was not possible to completely eliminate power consumption such as hydrogen gas and excess or deficiency of supply gas such as hydrogen gas.
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の出力電力が過渡状態にある時における無駄な消費電力及び燃料電池に対する供給ガスの過不足を抑制することができる燃料電池電源装置及び燃料電池電源装置の制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and can suppress wasteful power consumption and excess / shortage of supply gas to the fuel cell when the output power of the fuel cell is in a transient state. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power supply device and a control method for the fuel cell power supply device.
本発明は、負荷に対して並列に接続された燃料電池と、前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、DC/DCコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池電源装置の燃料電池の発電を適切に制御することによって、上述の課題を解決する。   The present invention relates to a fuel cell connected in parallel to a load, a capacitor connected in parallel to the load, and a secondary connected in parallel to the load via a DC / DC converter. The above-described problem is solved by appropriately controlling the power generation of the fuel cell of the fuel cell power supply device including the battery.
すなわち、本発明では、負荷に電力供給させるに際して、負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出し、当該要求供給電力と、燃料電池の出力可能電力とキャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を求め、当該差分電力に基づいて燃料電池の発電電力を制御することによって、キャパシタの充電電力を考慮した発電電力とするフィードバック制御を行う。   That is, in the present invention, when supplying power to the load, the required supply power that needs to be supplied to the load is calculated, and the required supply power, the output power of the fuel cell, and the charge power of the capacitor can be output. Feedback control is performed to obtain the generated power taking into account the charging power of the capacitor by obtaining the differential power from the power and controlling the generated power of the fuel cell based on the differential power.
本発明によれば、負荷に電力供給させるに際して、負荷に供給する必要がある要求供給電力と、燃料電池の出力可能電力とキャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を求め、当該差分電力に基づいて燃料電池の発電電力を制御するので、燃料電池の発電電力をキャパシタの充電電力を考慮した発電電力とすることができ、過渡状態における燃料電池の無駄な電力消費や燃料電池に対する反応ガスの過不足を解消することができる。   According to the present invention, when power is supplied to the load, the difference power between the required supply power that needs to be supplied to the load and the output power that is the sum of the output power of the fuel cell and the charging power of the capacitor is obtained, Since the generated power of the fuel cell is controlled based on the differential power, the generated power of the fuel cell can be set to the generated power taking into account the charging power of the capacitor. The excess or deficiency of the reaction gas with respect to can be eliminated.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明は、例えば燃料電池システムを備えた燃料電池車両の車両駆動システムに搭載され、当該燃料電池車両の走行トルクを発生させる駆動用電源として機能する燃料電池電源装置1に適用される。   The present invention is applied to, for example, a fuel cell power supply apparatus 1 that is mounted on a vehicle drive system of a fuel cell vehicle including a fuel cell system and functions as a drive power source that generates a running torque of the fuel cell vehicle.
[車両駆動システムの構成]
燃料電池電源装置1は、図1に示すように、モータ制御装置2を介して駆動モータ3に接続され、当該駆動モータ3に駆動電力の供給を行うと共に、駆動モータ3からの回生電力をモータ制御装置2を介して回収する。また、この燃料電池電源装置1は、電源制御装置4及び燃料電池制御装置5のフィードバック制御によって燃料電池11の発電電力が制御される。
[Configuration of vehicle drive system]
As shown in FIG. 1, the fuel cell power supply device 1 is connected to a drive motor 3 via a motor control device 2, supplies drive power to the drive motor 3, and regenerates power from the drive motor 3. It collects via the control device 2. Further, in the fuel cell power supply device 1, the generated power of the fuel cell 11 is controlled by feedback control of the power supply control device 4 and the fuel cell control device 5.
燃料電池電源装置1は、燃料電池11、ダイオード12、電気二重層キャパシタ13、二次電池14及びDC/DCコンバータ15からなる。この燃料電池電源装置1は、燃料電池11、電気二重層キャパシタ13及び二次電池14が駆動モータ3に対して並列に接続されている。これにより、燃料電池電源装置1は、燃料電池11と電気二重層キャパシタ13と二次電池14との合計電力を駆動電力として駆動モータ3に供給すると共に、駆動モータ3の回生電力を電気二重層キャパシタ13及び二次電池14に充電する。また、ダイオード12は、駆動モータ3の回生時において駆動モータ3から燃料電池11を電気的に切り離すために設けられ、駆動モータ3から燃料電池11に電流が流れ込むことを防止するために設けられている。   The fuel cell power supply device 1 includes a fuel cell 11, a diode 12, an electric double layer capacitor 13, a secondary battery 14, and a DC / DC converter 15. In the fuel cell power supply device 1, a fuel cell 11, an electric double layer capacitor 13, and a secondary battery 14 are connected in parallel to the drive motor 3. Thereby, the fuel cell power supply device 1 supplies the total power of the fuel cell 11, the electric double layer capacitor 13 and the secondary battery 14 to the drive motor 3 as drive power, and also uses the regenerative power of the drive motor 3 as an electric double layer. The capacitor 13 and the secondary battery 14 are charged. The diode 12 is provided to electrically disconnect the fuel cell 11 from the drive motor 3 during regeneration of the drive motor 3, and is provided to prevent current from flowing from the drive motor 3 to the fuel cell 11. Yes.
燃料電池11は、モータ制御装置2及び駆動モータ3に対して並列に接続されている。この燃料電池11は、例えば水素ガスを含む燃料ガスと酸素を含む空気である反応ガスが供給されることによって電気化学反応を行って発電する。この燃料電池11は、図示しない高圧水素タンクや配管等からなる水素供給系や、コンプレッサや配管等からなる空気供給系を備えた燃料電池システムと接続され、後述の燃料電池制御装置5で決定された燃料電池11に要求される発電電力に応じた水素圧力及び流量、空気圧力及び流量で反応ガスが供給される。   The fuel cell 11 is connected in parallel to the motor control device 2 and the drive motor 3. The fuel cell 11 generates an electric power by performing an electrochemical reaction by supplying, for example, a fuel gas containing hydrogen gas and a reaction gas which is air containing oxygen. The fuel cell 11 is connected to a fuel cell system including a hydrogen supply system including a high-pressure hydrogen tank and piping (not shown) and an air supply system including a compressor and piping, and is determined by a fuel cell control device 5 described later. The reaction gas is supplied at a hydrogen pressure and flow rate, an air pressure and a flow rate corresponding to the generated power required for the fuel cell 11.
また、この燃料電池11は、燃料電池制御装置5と接続され、燃料電池制御装置5によって燃料電池11の温度や反応ガス圧力及び流量等の燃料電池11の出力可能電力に関する情報が読み取られる。これによって、燃料電池制御装置5は、燃料電池11や燃料電池システムから読み取った現在の燃料電池11の状態に基づいて計算した出力可能電力を、燃料電池出力可能電力Pとして電源制御装置4に供給する。ここで、燃料電池制御装置5は、例えば燃料電池11の温度値及び反応ガス供給状態等に対する出力可能電力を記述したマップデータを参照して、燃料電池出力可能電力Pを計算する。 Further, the fuel cell 11 is connected to the fuel cell control device 5, and the fuel cell control device 5 reads information relating to the output power of the fuel cell 11 such as the temperature of the fuel cell 11, the reaction gas pressure and the flow rate. As a result, the fuel cell control device 5 gives the output power calculated based on the current state of the fuel cell 11 read from the fuel cell 11 or the fuel cell system to the power supply control device 4 as the fuel cell output possible power P f. Supply. Here, the fuel cell control device 5 calculates the fuel cell output possible power P f with reference to, for example, map data describing the output possible power with respect to the temperature value of the fuel cell 11, the reaction gas supply state, and the like.
電気二重層キャパシタ13は、モータ制御装置2及び駆動モータ3に対して並列に接続されている。この電気二重層キャパシタ13は、充電した電力を駆動モータ3側に放電すると共に、駆動モータ3側からの回生電力を回収する。また、電気二重層キャパシタ13は、充電電力であるキャパシタ電力Pが電源制御装置4によって読み取られる。 The electric double layer capacitor 13 is connected in parallel to the motor control device 2 and the drive motor 3. The electric double layer capacitor 13 discharges the charged power to the drive motor 3 side and collects regenerative power from the drive motor 3 side. Further, the electric power of the electric double layer capacitor 13 is read by the power supply control device 4 as the capacitor power Pc which is charging power.
二次電池14は、DC/DCコンバータ15を介して、モータ制御装置2及び駆動モータ3に並列に接続されている。この二次電池14は、DC/DCコンバータ15の出力電圧が調整されることによって充放電が制御され、駆動モータ3側に電力を放電すると共に、駆動モータ3側からの回生電力を回収する。   The secondary battery 14 is connected in parallel to the motor control device 2 and the drive motor 3 via the DC / DC converter 15. The secondary battery 14 is charged / discharged by adjusting the output voltage of the DC / DC converter 15, discharges power to the drive motor 3 side, and collects regenerative power from the drive motor 3 side.
DC/DCコンバータ15は、インバータ21の正端子と負端子との間のDC/DC出力電圧VDDを制御する。このDC/DCコンバータ15は、図2に示すように、負荷側、すなわちモータ制御装置2及び駆動モータ3側にスイッチング素子Tr1及びスイッチング素子Tr2が接続され、二次電池14側であってスイッチング素子Tr1とスイッチング素子Tr2との接続線にコイルL1が接続されている。 The DC / DC converter 15 controls the DC / DC output voltage V DD between the positive terminal and the negative terminal of the inverter 21. As shown in FIG. 2, the DC / DC converter 15 includes a switching element Tr1 and a switching element Tr2 connected to the load side, that is, the motor control device 2 and the drive motor 3 side. A coil L1 is connected to a connection line between Tr1 and switching element Tr2.
また、このDC/DCコンバータ15は、電源制御装置4の制御に従ってスイッチング素子Tr1及びスイッチング素子Tr2をPWM(Pulse Width Modulation)制御する制御回路(図示せず)を備えている。このようなDC/DCコンバータ15は、電源制御装置4からのDC/DC目標出力電圧VDD が供給され、当該DC/DC目標出力電圧VDD にDC/DC出力電圧VDDを一致させるようにスイッチング素子Tr1及びスイッチング素子Tr2の作動デューティ比をPWM制御する。 In addition, the DC / DC converter 15 includes a control circuit (not shown) that performs PWM (Pulse Width Modulation) control of the switching element Tr1 and the switching element Tr2 according to the control of the power supply control device 4. Such a DC / DC converter 15 is supplied with the DC / DC target output voltage V DD * from the power supply control device 4, and makes the DC / DC output voltage V DD coincide with the DC / DC target output voltage V DD * . As described above, the operation duty ratio of the switching element Tr1 and the switching element Tr2 is PWM-controlled.
モータ制御装置2は、燃料電池電源装置1及び駆動モータ3と接続されたインバータ21と、モータコントローラ22とから構成される。   The motor control device 2 includes an inverter 21 connected to the fuel cell power supply device 1 and the drive motor 3, and a motor controller 22.
インバータ21は、駆動モータ3が三相交流モータからなる場合、駆動モータ3の各相に電流を供給することによって、駆動モータ3を駆動させる。このインバータ21は、図示しない複数のスイッチング素子にDC/DCコンバータ15のDC/DC出力電圧VDDが印加され、モータコントローラ22によって各スイッチング素子のデューティ比が制御されることによって、駆動モータ3に供給する駆動電力を制御する。 When the drive motor 3 is a three-phase AC motor, the inverter 21 drives the drive motor 3 by supplying current to each phase of the drive motor 3. In the inverter 21, the DC / DC output voltage V DD of the DC / DC converter 15 is applied to a plurality of switching elements (not shown), and the duty ratio of each switching element is controlled by the motor controller 22. Controls the drive power to be supplied.
モータコントローラ22は、図示しない要求トルク算出装置から、燃料電池車両のアクセルペダル踏み込み量等に基づく駆動モータ3の要求トルクTが供給される。このモータコントローラ22は、要求トルクTが供給されると、当該要求トルクTを発生させるための駆動電力を駆動モータ3に供給するようにインバータ21を制御する。このとき、モータコントローラ22は、インバータ21との間で情報交換することによって、インバータ21の現在のデューティ比を、要求トルクTを発生させる駆動電力を供給するデューティ比とするようにインバータ21を制御する。また、このモータコントローラ22は、インバータ21から駆動モータ3に駆動電力の供給をさせているときに、駆動モータ3のモータ回転数Nを検出して、電源制御装置4に供給する。 The motor controller 22 is supplied with a required torque T * of the drive motor 3 based on an accelerator pedal depression amount of the fuel cell vehicle, etc., from a required torque calculation device (not shown). When the required torque T * is supplied, the motor controller 22 controls the inverter 21 so as to supply the drive motor 3 with driving power for generating the required torque T * . At this time, the motor controller 22 exchanges information with the inverter 21 so that the current duty ratio of the inverter 21 is set to a duty ratio for supplying driving power for generating the required torque T *. Control. Also, the motor controller 22, when it is allowed to supply drive power from the inverter 21 to the drive motor 3, to detect the motor rotational speed N m of the drive motor 3 is supplied to the power supply control unit 4.
電源制御装置4は、燃料電池電源装置1をフィードバック制御するための処理手順を記述したプログラムやパラメータを記憶するROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)及び当該ROMに記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等からなるマイクロコンピュータで構成されており、図1に示す各機能部41〜45を備える。この電源制御装置4は、モータ制御装置2と接続されたトルク−電力変換部41、燃料電池電源装置1と接続されたDC/DC制御部42及び出力可能電力算出部43、加算器44、燃料電池制御装置5と接続されたフィードバック補償器45を備える。   The power supply control device 4 includes a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and a program stored in the ROM for storing a program describing parameters for processing the feedback control of the fuel cell power supply device 1 and parameters. The microcomputer is composed of a CPU (Central Processing Unit) or the like to be executed, and includes the functional units 41 to 45 shown in FIG. The power supply control device 4 includes a torque-power conversion unit 41 connected to the motor control device 2, a DC / DC control unit 42 connected to the fuel cell power supply device 1, an outputable power calculation unit 43, an adder 44, a fuel A feedback compensator 45 connected to the battery control device 5 is provided.
トルク−電力変換部41は、モータコントローラ22からモータ回転数Nが供給されると共に、要求トルクTが供給され、当該要求トルクTを駆動モータ3で発生させるために燃料電池電源装置1から駆動モータ3に供給する必要がある要求供給電力Pin を演算する。 Torque - power conversion unit 41, the motor rotational speed N m is supplied from the motor controller 22, the required torque T * is supplied, the fuel cell power supply device 1 in order to generate the required torque T * by the drive motor 3 The required supply power P in * that needs to be supplied to the drive motor 3 is calculated.
出力可能電力算出部43は、キャパシタ電力P及び燃料電池出力可能電力Pが供給され、当該キャパシタ電力P及び燃料電池出力可能電力Pを用いて、燃料電池電源装置1から駆動モータ3に供給できる出力可能電力Pinを算出する。 Output power calculating section 43, the capacitor power P c and the fuel cell output power P f is supplied, the capacitor power P using the c and the fuel cell output power P f, driven from the fuel cell power supply device 1 motor 3 calculating a potential power output P in which can be supplied to.
また、出力可能電力算出部43は、燃料電池出力可能電力Pで燃料電池11を発電させた場合にインバータ21に印加される燃料電池出力可能電圧Vfを算出する。更に、出力可能電力算出部43は、キャパシタ電力Pに基づいて電気二重層キャパシタ13の両端電圧であるキャパシタ出力可能電圧Vcを算出する。なお、キャパシタ出力可能電圧Vcは、電気二重層キャパシタ13の両端に接続した電圧センサによる検出値を使用しても良く、電気回路を数式に置き換えた規範回路モデルの演算値を使用しても良い。更には、本例では、出力可能電力算出部43で演算する場合を説明するが、DC/DC制御部42で測定又は演算しても良い。 Also, the available output power calculating unit 43 calculates the fuel cell output can voltage Vf applied to the inverter 21 when obtained by the power generation of the fuel cell 11 in the fuel cell output power P f. Furthermore, the output possible power calculation unit 43 calculates a capacitor output possible voltage Vc that is a voltage across the electric double layer capacitor 13 based on the capacitor power P c . As the capacitor output possible voltage Vc, a detection value by a voltage sensor connected to both ends of the electric double layer capacitor 13 may be used, or an operation value of a reference circuit model in which the electric circuit is replaced with an equation may be used. . Further, in this example, a case where the outputable power calculation unit 43 performs calculation will be described, but the DC / DC control unit 42 may perform measurement or calculation.
DC/DC制御部42は、要求供給電力Pin 、燃料電池出力可能電圧Vf及びキャパシタ出力可能電圧Vcから、DC/DC出力電圧VDDの目標値であるDC/DC目標出力電圧VDD を演算して、DC/DCコンバータ15に供給する。 DC / DC controller 42 requests the supply power P in *, from the fuel cell can output voltage Vf and the capacitor can output voltage Vc, which is the target value of the DC / DC output voltage V DD DC / DC target output voltage V DD * Is supplied to the DC / DC converter 15.
フィードバック補償器45は、加算器44から供給された要求供給電力Pin と出力可能電力Pinとの差分から、当該差分をなくすような燃料電池要求発電電力P を演算する。これにより、燃料電池制御装置5は、燃料電池11に必要な反応ガス圧力及び流量を求めて、水素供給系及び空気供給系を制御することによって、以前に出力した燃料電池出力可能電力Pを燃料電池要求発電電力P に一致させるようなフィードバック制御を行う。 Feedback compensator 45, an adder from the difference between the output power P in supplied the required supply power P in * from 44 calculates a fuel cell required generated power P f * such as to eliminate the difference. Thus, the fuel cell control device 5 obtains the reaction gas pressure and flow rate necessary for the fuel cell 11 and controls the hydrogen supply system and the air supply system, thereby obtaining the fuel cell output possible power P f output previously. Feedback control is performed so as to match the fuel cell required generated power P f * .
このように、電源制御装置4は、駆動モータ3の力行時において、DC/DC出力電圧VDDを設定することによって、電気二重層キャパシタ13の電力を最優先で駆動モータ3に供給させる状態とし、駆動モータ3に供給する必要がある駆動電力のうち燃料電池11,電気二重層キャパシタ13,二次電池14から出力する電力の配分を算出する。そして、当該配分に従った燃料電池要求発電電力P を燃料電池11で発電させるフィードバック制御である電源制御処理を行う。また、電源制御装置4は、駆動モータ3の回生時において、電気二重層キャパシタ13に最優先で回生電力を充電させる電源制御処理を行う。 As described above, the power supply control device 4 sets the DC / DC output voltage V DD during powering of the drive motor 3 so that the power of the electric double layer capacitor 13 is supplied to the drive motor 3 with the highest priority. Of the drive power that needs to be supplied to the drive motor 3, the distribution of the power output from the fuel cell 11, the electric double layer capacitor 13, and the secondary battery 14 is calculated. Then, power supply control processing, which is feedback control for causing the fuel cell 11 to generate the fuel cell required generated power P f * according to the distribution, is performed. The power supply control device 4 performs power supply control processing for charging the electric double layer capacitor 13 with regenerative power with the highest priority during regeneration of the drive motor 3.
[車両駆動システムの電源制御処理]
つぎに、上述したように構成された車両駆動システムによって、燃料電池電源装置1の動作を制御する電源制御処理について図3乃至図5のフローチャートを参照して説明する。
[Power control processing of vehicle drive system]
Next, a power supply control process for controlling the operation of the fuel cell power supply device 1 by the vehicle drive system configured as described above will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
この電源制御処理は、駆動モータ3にトルクを発生させて燃料電池車両を走行させている時において、所定期間ごとに実行され、先ず図3のステップS1及びステップS2に示すように、要求供給電力Pin 及び出力可能電力Pinを算出する。 This power supply control process is executed for each predetermined period when the drive motor 3 generates torque and is running the fuel cell vehicle. First, as shown in steps S1 and S2 of FIG. P in * and output possible power P in are calculated.
このとき、トルク−電力変換部41は、要求トルクT及びモータ回転数Nを取得し、下記の式1に示す演算を行って、要求供給電力Pin を算出する(ステップS1)。 At this time, the torque - power conversion unit 41 obtains the required torque T * and motor rotation speed N m, performs an operation shown in Equation 1 below, calculates the required supply power P in * (step S1).
in =T×(N/η) (式1)
上記式1において、要求トルクTは、アクセルペダル踏み込み量に基づいた駆動モータ3に要求されるトルクであり、ηは、予め設定された駆動モータ3の効率である。
P in * = T * × (N m / η) (Formula 1)
In the above equation 1, the required torque T * is a torque required for the drive motor 3 based on the accelerator pedal depression amount, and η is a preset efficiency of the drive motor 3.
また、出力可能電力算出部43は、ステップS2において、燃料電池制御装置5から燃料電池出力可能電力Pを取得すると共に、電気二重層キャパシタ13のキャパシタ電力Pを読み取って、下記の式2に示す演算を行って、出力可能電力Pinを算出する。 Further, in step S2, the output power calculation unit 43 obtains the fuel cell output power P f from the fuel cell control device 5 and reads the capacitor power P c of the electric double layer capacitor 13 to obtain the following formula 2 The output possible electric power Pin is calculated by performing the calculation shown in FIG.
in=P+P+PDD (式2)
ここで、燃料電池出力可能電力P及びキャパシタ電力Pは、現在の燃料電池11から出力可能な電力及び電気二重層キャパシタ13から出力可能な電力であり、PDDは、DC/DCコンバータ15の出力可能な電力(DC/DC出力可能電力)である。ここで、後述するが、駆動モータ3の力行時には、燃料電池11及び二次電池14よりも電気二重層キャパシタ13を最優先に放電させて駆動モータ3に駆動電力の供給を行い、駆動モータ3の回生時には、二次電池14よりも電気二重層キャパシタ13を最優先に充電させるので、DC/DC出力可能電力PDDは、ステップS2において0[W]としておく。
P in = P f + P c + P DD (Formula 2)
Here, the fuel cell output possible power P f and the capacitor power P c are the power that can be output from the current fuel cell 11 and the power that can be output from the electric double layer capacitor 13, and P DD is the DC / DC converter 15. Is the power that can be output (DC / DC output possible power). Here, as will be described later, when the drive motor 3 is powered, the electric double layer capacitor 13 is discharged with the highest priority over the fuel cell 11 and the secondary battery 14 to supply drive power to the drive motor 3. At the time of regeneration, the electric double layer capacitor 13 is charged with the highest priority over the secondary battery 14, so that the DC / DC output possible power P DD is set to 0 [W] in step S2.
このように要求供給電力Pin 及び出力可能電力Pinが算出されると、加算器44によって電力差分が算出されてフィードバック補償器45に供給される。次に、ステップS3において、フィードバック補償器45は、加算器44から供給された電力差分を無くすような燃料電池要求発電電力P をPID演算等によって算出して、燃料電池制御装置5に供給する。 When the required supply power P in * and the output possible power P in are thus calculated, the power difference is calculated by the adder 44 and supplied to the feedback compensator 45. Next, in step S <b > 3 , the feedback compensator 45 calculates the fuel cell required generated power P f * that eliminates the power difference supplied from the adder 44 by PID calculation or the like, and supplies it to the fuel cell control device 5. To do.
ここで、出力可能電力Pinは、上記式2に示すように燃料電池出力可能電力Pにキャパシタ電力Pを加算した合計値であるので、燃料電池要求発電電力P は、要求供給電力Pin からキャパシタ電力Pを差し引いた要求電力となっている。また、上記式2においてDC/DC出力可能電力PDDは、0[W]としているので、燃料電池要求発電電力P は、二次電池14から放電させずに要求供給電力Pin を満たすような燃料電池11の発電電力となっている。これによりフィードバック補償器45は、要求供給電力Pin からキャパシタ電力Pを差し引いた電力を燃料電池要求発電電力P とし、燃料電池11と電気二重層キャパシタ13とで駆動モータ3に供給する駆動電力の配分を決定したことになる。 Here, since the output possible power P in is a total value obtained by adding the capacitor power P c to the fuel cell output possible power P f as shown in the above equation 2, the fuel cell required generated power P f * is the required supply. The required power is obtained by subtracting the capacitor power P c from the power P in * . Further, since the DC / DC output possible power P DD is 0 [W] in the above formula 2, the fuel cell required generated power P f * is the required supplied power P in * without discharging from the secondary battery 14. The generated power of the fuel cell 11 is satisfied. As a result, the feedback compensator 45 sets the power obtained by subtracting the capacitor power P c from the required supply power P in * as the fuel cell required generated power P f *, and supplies it to the drive motor 3 with the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor 13. The distribution of driving power to be determined is determined.
そして、燃料電池制御装置5は、燃料電池11の発電電力が燃料電池要求発電電力P となるように燃料電池11に供給する水素圧力及び流量、空気圧力及び流量を変更する制御を行う。その後、燃料電池制御装置5は、燃料電池11の発電電力を検出すると共に、燃料電池11の温度等を検出し、燃料電池出力可能電力Pを算出して電源制御装置4に供給する。 Then, the fuel cell control device 5 performs control to change the hydrogen pressure and flow rate, the air pressure and the flow rate supplied to the fuel cell 11 so that the generated power of the fuel cell 11 becomes the fuel cell required generated power P f * . Thereafter, the fuel cell control device 5 detects the generated power of the fuel cell 11, detects the temperature of the fuel cell 11, etc., calculates the fuel cell output possible power P f and supplies it to the power supply control device 4.
次にDC/DC制御部42は、ステップS1で演算した要求供給電力Pin が、0[W]以上か否かを判定することによって、駆動モータ3を力行させるか否かを判定し、力行させる場合には、ステップS5において力行時のDC/DCコンバータ15の制御を行い、力行させない回生時にはステップS6において、回生時のDC/DCコンバータ15の制御を行う。そして、ステップS5及びステップS6において、DC/DC制御部42は、DC/DC目標出力電圧VDD を決定して、ステップS7においてDC/DC出力電圧VDDをDC/DC目標出力電圧VDD となるように制御する。 Next, the DC / DC control unit 42 determines whether or not the drive motor 3 is to be powered by determining whether or not the required supply power P in * calculated in step S1 is 0 [W] or more. In the case of power running, the DC / DC converter 15 is controlled during power running in step S5, and during regeneration that is not powered, control of the DC / DC converter 15 during regeneration is performed in step S6. In step S5 and step S6, the DC / DC control unit 42 determines the DC / DC target output voltage V DD * , and in step S7, the DC / DC output voltage V DD is converted into the DC / DC target output voltage V DD. Control to become * .
ステップS5における力行時のDC/DCコンバータ15の制御は、図4に示すように、先ずステップS11において、出力可能電力算出部43によって、燃料電池出力可能電力Pを用いて燃料電池11の電流−電圧特性を参照して、燃料電池出力可能電圧Vfを算出する。次にステップS12において、出力可能電力算出部43は、ステップS11で算出した燃料電池出力可能電圧VfをDC/DC目標出力電圧VDD に設定する。これにより、ステップS7において、DC/DC目標出力電圧VDD をDC/DCコンバータ15に供給して、DC/DC出力電圧VDDと燃料電池出力可能電圧Vfとを一致させる。 As shown in FIG. 4, the control of the DC / DC converter 15 at the time of power running in step S5 is as follows. First, in step S11, the outputable power calculation unit 43 uses the fuel cell output possible power Pf to control the current of the fuel cell 11. -The fuel cell output possible voltage Vf is calculated with reference to the voltage characteristic. Next, in step S12, the output possible power calculation unit 43 sets the fuel cell output possible voltage Vf calculated in step S11 to the DC / DC target output voltage V DD * . Thereby, in step S7, the DC / DC target output voltage V DD * is supplied to the DC / DC converter 15, and the DC / DC output voltage V DD is matched with the fuel cell output possible voltage Vf.
このようにDC/DC出力電圧VDDと燃料電池出力可能電圧Vfとを一致させた状態において、DC/DC出力電圧VDD及び燃料電池出力可能電圧Vfよりもキャパシタ出力可能電圧Vcが高い場合には、燃料電池11及び二次電池14への駆動モータ3に対する電力供給に優先して、電気二重層キャパシタ13の放電が行われる。特に、燃料電池11の発電電力を上昇させる必要がある負荷変動時であって、燃料電池11の発電電力の立ち上がりに遅れが生じる過渡期間には、実際の燃料電池11の出力電圧よりもキャパシタ出力可能電圧Vcが高くなり、電気二重層キャパシタ13から放電される電力が高くなる。 When the capacitor output possible voltage Vc is higher than the DC / DC output voltage V DD and the fuel cell output possible voltage Vf in a state where the DC / DC output voltage V DD and the fuel cell output possible voltage Vf are matched with each other. The electric double layer capacitor 13 is discharged prior to the power supply to the drive motor 3 to the fuel cell 11 and the secondary battery 14. In particular, during a load change in which it is necessary to increase the power generated by the fuel cell 11 and during a transient period in which the rise of the power generated by the fuel cell 11 is delayed, the capacitor output is higher than the actual output voltage of the fuel cell 11. The possible voltage Vc increases and the electric power discharged from the electric double layer capacitor 13 increases.
このように燃料電池11の発電電力不足を電気二重層キャパシタ13で補い、電気二重層キャパシタ13のキャパシタ電力Pが低下した場合においては、DC/DC出力電圧VDDと燃料電池出力可能電圧Vfとを一致させていることによって、二次電池14の放電によって燃料電池11の発電電力不足を補う。 Thus, when the electric double layer capacitor 13 compensates for the shortage of power generated by the fuel cell 11 and the capacitor power P c of the electric double layer capacitor 13 decreases, the DC / DC output voltage V DD and the fuel cell output possible voltage Vf Is made to match the shortage of the generated power of the fuel cell 11 by the discharge of the secondary battery 14.
一方、ステップS6における回生時のDC/DCコンバータ15の制御は、図5に示すように、先ずステップS21において、出力可能電力算出部43によって、キャパシタ電力Pからキャパシタ出力可能電圧Vcを算出し、DC/DC制御部42は、ステップS21で算出されたキャパシタ出力可能電圧Vcと予め設定されたキャパシタ上限電圧Vcmaxとを比較する。 On the other hand, as shown in FIG. 5, the control of the DC / DC converter 15 at the time of regeneration in step S6 first calculates the capacitor output possible voltage Vc from the capacitor power Pc by the output possible power calculation unit 43 in step S21. The DC / DC control unit 42 compares the capacitor output possible voltage Vc calculated in step S21 with a preset capacitor upper limit voltage Vcmax .
そして、DC/DC制御部42は、キャパシタ出力可能電圧Vcがキャパシタ上限電圧Vcmax以下であると判定した場合には、ステップS22において、DC/DC目標出力電圧VDD をキャパシタ出力可能電圧Vcに設定し、キャパシタ出力可能電圧Vcがキャパシタ上限電圧Vcmaxと同値又は以上であると判定した場合には、ステップS23において、DC/DC目標出力電圧VDD をキャパシタ上限電圧Vcmaxに設定する。これによって、ステップS7において、DC/DC目標出力電圧VDD をDC/DCコンバータ15に供給して、DC/DC出力電圧VDDとキャパシタ出力可能電圧Vc又はキャパシタ上限電圧Vcmaxとを一致させる。 When the DC / DC control unit 42 determines that the capacitor output possible voltage Vc is equal to or lower than the capacitor upper limit voltage V cmax , the DC / DC target output voltage V DD * is converted into the capacitor output possible voltage Vc in step S22. When the capacitor output possible voltage Vc is determined to be equal to or higher than the capacitor upper limit voltage V cmax , the DC / DC target output voltage V DD * is set to the capacitor upper limit voltage V cmax in step S23. . Accordingly, in step S7, the DC / DC target output voltage V DD * is supplied to the DC / DC converter 15 so that the DC / DC output voltage V DD matches the capacitor output possible voltage Vc or the capacitor upper limit voltage V cmax . .
このように駆動モータ3の回生時にキャパシタ出力可能電圧VcとDC/DC出力電圧VDDとを一致させることによって、二次電池14よりも電気二重層キャパシタ13に優先して回生電力を充電させる。その後、キャパシタ出力可能電圧Vcがキャパシタ上限電圧Vcmaxとなった場合には、キャパシタ上限電圧VcmaxとDC/DC出力電圧VDDとを一致させて、電気二重層キャパシタ13に充電できない回生電力分を二次電池14に充電させる。 Thus, by making the capacitor output possible voltage Vc and the DC / DC output voltage V DD coincide with each other during regeneration of the drive motor 3, regenerative power is charged in preference to the electric double layer capacitor 13 over the secondary battery 14. Thereafter, when the capacitor output possible voltage Vc becomes the capacitor upper limit voltage V cmax , the capacitor upper limit voltage V cmax and the DC / DC output voltage V DD are made to coincide with each other so that the electric double layer capacitor 13 cannot be charged. Is charged in the secondary battery 14.
つぎに、このような電源制御処理を行った時の燃料電池要求発電電力P 、燃料電池11の発電電力、キャパシタ電力P、二次電池14の充放電電力の関係を図6乃至図8を参照して説明する。 Next, the relationship among the fuel cell required power generation P f * , the power generation power of the fuel cell 11, the capacitor power P c , and the charge / discharge power of the secondary battery 14 when such power supply control processing is performed is shown in FIGS. Explanation will be made with reference to FIG.
図6に示すように、燃料電池11が定常状態である時に、時刻t1において、最終的に燃料電池11の発電電力不足が発生しないような要求供給電力Pin まで増加させる要求トルクTが供給され、駆動モータ3を力行させる場合には、要求供給電力Pin まで燃料電池11の発電電力を増加させる必要がある。このとき、燃料電池電源装置1は、燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させることによって、燃料電池11の応答遅れに起因する発電電力の過渡期の電力不足をキャパシタ電力Pで補う。これに対し、図6において、燃料電池11の過渡期における発電電力と、キャパシタ電力Pとの合計が要求供給電力Pin に達しているので、二次電池14の放電電力をほぼ0[W]とすることができる。 As shown in FIG. 6, when the fuel cell 11 is in a steady state, the required torque T * that is increased to the required supply power P in * that does not eventually cause a shortage of the generated power of the fuel cell 11 at time t1. is supplied, in the case of power running of the drive motor 3, it is necessary to increase the generated power of the fuel cell 11 to the required supply power P in *. At this time, the fuel cell power supply device 1 matches the fuel cell output possible voltage Vf with the DC / DC output voltage V DD to reduce the power shortage of the generated power due to the response delay of the fuel cell 11 to the capacitor. It supplements with electric power Pc . In contrast, in FIG. 6, the electric power generated in the transient period of the fuel cell 11, since the sum of the capacitor power P c has reached to the required supply power P in *, substantially zero discharge power of the secondary battery 14 [ W].
また、この電源制御処理では、燃料電池出力可能電力Pとキャパシタ電力Pとを合計した出力可能電力Pinと、要求供給電力Pin との差分に基づく燃料電池要求発電電力P としているので、燃料電池11の発電電力の不足分をキャパシタ電力Pで補って、要求供給電力Pin の駆動電力を駆動モータ3に供給することになる。したがって、燃料電池11の過渡期において、燃料電池出力可能電力Pを超えた発電電力を発電させることをなくし、燃料電池11で無駄な発電を抑制する。 Further, in this power supply control process, the fuel cell required generated power P f * based on the difference between the output possible power P in that is the sum of the fuel cell output possible power P f and the capacitor power P c and the required supply power P in * . Therefore, the shortage of the power generated by the fuel cell 11 is supplemented by the capacitor power Pc , and the drive power of the required supply power P in * is supplied to the drive motor 3. Therefore, in the transition period of the fuel cell 11, the generated power exceeding the fuel cell output possible power P f is not generated, and unnecessary power generation is suppressed in the fuel cell 11.
図7に示すように、燃料電池11が定常状態である時に、時刻t11において、最終的に燃料電池11の発電電力不足が発生するような要求供給電力Pin まで増加させる要求トルクTが供給され、駆動モータ3を力行させる場合には、燃料電池11の燃料電池出力可能電力Pまで燃料電池11の発電電力を増加させる必要がある。このとき、燃料電池電源装置1は、図6の場合と同様に、燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させて、発電電力の過渡期の電力不足をキャパシタ電力Pで補う。 As shown in FIG. 7, when the fuel cell 11 is in a steady state, at time t11, the required torque T * to be increased to the required supply power P in * that will eventually cause a shortage of generated power of the fuel cell 11 is obtained. When the drive motor 3 is supplied and powered, it is necessary to increase the generated power of the fuel cell 11 to the fuel cell output possible power P f of the fuel cell 11. At this time, similarly to the case of FIG. 6, the fuel cell power supply device 1 matches the fuel cell output possible voltage Vf and the DC / DC output voltage V DD to reduce the power shortage of the generated power during the capacitor power P Complement with c .
その後の時刻t12において、キャパシタ電力Pが低下してキャパシタ下限電力PcLとなり、キャパシタ出力可能電圧Vcが低下したことをDC/DC制御部42で検出すると、要求供給電力Pin に対する燃料電池出力可能電力Pの電力不足分を二次電池14の放電で補うために、燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させた状態を継続する。これにより、二次電池14の電力がインバータ21に取り込まれ、燃料電池11及び電気二重層キャパシタ13から電力供給している状態から、二次電池14の電力と燃料電池11の発電電力との合計値を駆動モータ3の駆動電力とする状態に切り換えることができる。 Thereafter, at time t12, when the DC / DC control unit 42 detects that the capacitor power P c has decreased to the capacitor lower limit power P cL and the capacitor output possible voltage Vc has decreased, the fuel cell for the required supply power P in * In order to make up for the power shortage of the outputable power Pf by the discharge of the secondary battery 14, the state where the fuel cell output possible voltage Vf and the DC / DC output voltage VDD are matched is continued. Thereby, the electric power of the secondary battery 14 is taken into the inverter 21 and the electric power of the secondary battery 14 and the generated electric power of the fuel cell 11 are summed from the state where the electric power is supplied from the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor 13. The value can be switched to a state where the driving power of the driving motor 3 is used.
図8に示すように、時刻t21において、要求供給電力Pin が負となる要求トルクTが供給され、駆動モータ3から回生電力が発生する場合には、先ず、DC/DC出力電圧VDDとキャパシタ出力可能電圧Vcとを一致させて、駆動モータ3からの回生電力を優先的に電気二重層キャパシタ13に充電させる。その後、時刻t22付近において、キャパシタ出力可能電圧Vcがキャパシタ上限電圧Vcmaxに達したことをDC/DC制御部42で検出すると、DC/DC出力電圧VDDをキャパシタ上限電圧Vcmaxに一致させて、回生電力を二次電池14に充電させる。 As shown in FIG. 8, when the required torque T * at which the required supply power P in * becomes negative at time t21 and regenerative power is generated from the drive motor 3, first, the DC / DC output voltage V The electric double layer capacitor 13 is preferentially charged with the regenerative power from the drive motor 3 by matching the DD with the capacitor output possible voltage Vc. Thereafter, when the DC / DC control unit 42 detects that the capacitor output possible voltage Vc has reached the capacitor upper limit voltage V cmax near the time t22, the DC / DC output voltage V DD is made to coincide with the capacitor upper limit voltage V cmax. Then, the regenerative power is charged in the secondary battery 14.
[実施形態の効果]
以上詳細に説明したように、本発明を適用した車両駆動システムによれば、燃料電池11,電気二重層キャパシタ13,二次電池14を駆動モータ3等の負荷に対して並列に接続した構成において、要求供給電力Pin を算出し、当該要求供給電力Pin と、燃料電池出力可能電力Pとキャパシタ電力Pとを加算した出力可能電力Pinとの差分電力に基づいて、燃料電池要求発電電力P を決定するフィードバック制御を行うので、実際に燃料電池11に供給される水素圧力及び流量、空気圧力及び流量が直ちに変化しないために燃料電池11の応答遅れが発生し、要求供給電力Pin に対して燃料電池11の発電電力が不足する過渡期において、キャパシタ電力Pに応じて燃料電池11を発電させることができ、燃料電池11の発電電力を最適値とすることができる。
[Effect of the embodiment]
As described above in detail, according to the vehicle drive system to which the present invention is applied, in the configuration in which the fuel cell 11, the electric double layer capacitor 13, and the secondary battery 14 are connected in parallel to the load of the drive motor 3 and the like. The required supply power P in * is calculated, and based on the difference power between the required supply power P in * and the output possible power P in obtained by adding the fuel cell output possible power P f and the capacitor power P c. Since feedback control is performed to determine the battery required power generation power P f * , the hydrogen pressure and flow rate, the air pressure and the flow rate that are actually supplied to the fuel cell 11 do not change immediately, and therefore a response delay of the fuel cell 11 occurs. in the transition period the power generation of the fuel cell 11 to the request electric power supplied P in * is insufficient, it is possible to power the fuel cell 11 according to the capacitor power P c, The generated power of the charge battery 11 can be an optimum value.
すなわち、この車両駆動システムによれば、駆動モータ3に電力供給をするに際して、キャパシタ電力Pを考慮して燃料電池要求発電電力P を決定することによって、燃料電池11と電気二重層キャパシタ13との電力配分を決定することができるので、燃料電池11の発電電力が過渡的に増加する場合であっても、燃料電池11の発電電力を最適な値とすることができる。したがって、過渡状態における燃料電池11の無駄な電力消費や燃料電池11に対する反応ガスの過不足を解消することができる。 That is, according to this vehicle drive system, when the power is supplied to the drive motor 3, the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor are determined by determining the fuel cell required power generation Pf * in consideration of the capacitor power Pc. Therefore, even if the generated power of the fuel cell 11 increases transiently, the generated power of the fuel cell 11 can be set to an optimum value. Therefore, useless power consumption of the fuel cell 11 in the transient state and excess or deficiency of the reaction gas with respect to the fuel cell 11 can be solved.
これに対し、要求供給電力Pin と燃料電池要求発電電力P とを一致させて、当該燃料電池要求発電電力P を発電させた時の燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させた場合、要求供給電力Pin が増加する力行時では、図9に示すように、要求供給電力Pin が増加する直後において二次電池14から放電し、その後に二次電池14の充電が発生してしまう。この場合には、キャパシタ電力Pを考慮せずに燃料電池要求発電電力P を設定しているため、燃料電池11及び電気二重層キャパシタ13から駆動モータ3に供給される余剰電力を二次電池14で充電する必要が発生してしまい、更には、燃料電池11の発電電力が高すぎるために反応ガスが過剰な状態であるとも言える。 On the other hand, the fuel cell output possible voltage Vf and DC / DC when the required supply power P in * and the fuel cell required generated power P f * are matched to generate the fuel cell required generated power P f *. When the output voltage V DD is matched, at the time of powering in which the required supply power P in * increases, as shown in FIG. 9, the secondary battery 14 is discharged immediately after the increase in the required supply power P in * . Thereafter, the secondary battery 14 is charged. In this case, since the fuel cell required generation power P f * is set without considering the capacitor power P c , the surplus power supplied from the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor 13 to the drive motor 3 is reduced to two. The secondary battery 14 needs to be charged. Furthermore, it can be said that the reaction gas is in an excessive state because the power generated by the fuel cell 11 is too high.
また、この車両駆動システムによれば、駆動モータ3と二次電池14との間にDC/DCコンバータ15を設けているので、燃料電池11や電気二重層キャパシタ13と同様に、二次電池14がインバータ21に直接接続されている構成のように、負荷変動したときの過渡期における燃料電池11の出力変動に伴い、二次電池14の出力変動が起こってしまい、二次電池14が充放電を繰り返すことによって二次電池14の寿命が短くなることを抑制することができる。   Further, according to this vehicle drive system, since the DC / DC converter 15 is provided between the drive motor 3 and the secondary battery 14, the secondary battery 14 is similar to the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor 13. As in the configuration in which is directly connected to the inverter 21, the output fluctuation of the secondary battery 14 occurs due to the fluctuation of the output of the fuel cell 11 in the transition period when the load fluctuates, and the secondary battery 14 is charged / discharged. By repeating the above, it is possible to suppress the life of the secondary battery 14 from being shortened.
更に、この車両駆動システムによれば、電気二重層キャパシタ13の出力電圧が所定の電圧範囲に収まるように二次電池14で充放電を行う場合のように、負荷変動したときの過渡期における電気二重層キャパシタ13の出力変動が大きくなって二次電池14によって充放電を繰り返すことを無くし、二次電池14の寿命が短くなることを抑制することができる。   Furthermore, according to this vehicle drive system, the electric power in the transition period when the load fluctuates, as in the case where the secondary battery 14 is charged and discharged so that the output voltage of the electric double layer capacitor 13 falls within a predetermined voltage range. It can be prevented that the output fluctuation of the double layer capacitor 13 becomes large and the secondary battery 14 repeats charging and discharging, and the life of the secondary battery 14 is shortened.
更にまた、この車両駆動システムによれば、駆動モータ3の力行時には、燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させて、二次電池14よりも優先して電気二重層キャパシタ13から駆動モータ3に電力を供給させるので、燃料電池11の反応遅れに起因する発電電力の不足分をキャパシタ電力Pで補償することができる。また、過渡期における二次電池14の放電回数を最小限に削減させることができ、二次電池14の寿命を長くすることができる。 Furthermore, according to this vehicle drive system, when the drive motor 3 is powered, the fuel cell output possible voltage Vf and the DC / DC output voltage V DD are matched to each other, and the electric double layer is given priority over the secondary battery 14. Since electric power is supplied from the capacitor 13 to the drive motor 3, the shortage of the generated power caused by the reaction delay of the fuel cell 11 can be compensated by the capacitor power Pc . Further, the number of discharges of the secondary battery 14 in the transition period can be reduced to the minimum, and the life of the secondary battery 14 can be extended.
更にまた、この車両駆動システムによれば、燃料電池出力可能電圧VfとDC/DC出力電圧VDDとを一致させる状態を継続して、燃料電池11及び電気二重層キャパシタ13から電力供給する状態から、燃料電池11及び二次電池14から電力供給する状態に切り換えることができるので、要求供給電力Pin が燃料電池出力可能電力Pよりも高い場合のように定常的な電力不足を二次電池14で補うことができ、電気二重層キャパシタ13のみでは困難な定常的な電力不足も可能とすることができる。 Furthermore, according to this vehicle drive system, the state in which the fuel cell output possible voltage Vf and the DC / DC output voltage V DD are made to coincide with each other is continuously supplied from the fuel cell 11 and the electric double layer capacitor 13. Since the fuel cell 11 and the secondary battery 14 can be switched to a state where power is supplied, the secondary shortage of steady power is secondary as in the case where the required supply power P in * is higher than the fuel cell output possible power P f. It can be supplemented by the battery 14, and a steady power shortage that is difficult with only the electric double layer capacitor 13 can be made possible.
更にまた、この車両駆動システムによれば、駆動モータ3の回生時には、キャパシタ電力PとDC/DC出力電圧VDDとを一致させて、電気二重層キャパシタ13に優先して回生電力を充電させるので、回生電力の回収効率を向上させると共に次の力行時の電力不足を解消することができる。また、二次電池14の充電回数の増加を抑制して、二次電池14の寿命を長くすることができる。 Furthermore, according to this vehicle drive system, when the drive motor 3 is regenerated, the capacitor power Pc and the DC / DC output voltage V DD are matched to charge the regenerative power in preference to the electric double layer capacitor 13. Therefore, the recovery efficiency of regenerative power can be improved and the power shortage during the next powering can be solved. In addition, it is possible to extend the life of the secondary battery 14 by suppressing an increase in the number of times the secondary battery 14 is charged.
更にまた、この車両駆動システムによれば、キャパシタ電力Pがキャパシタ電力Pcmaxとなった場合には、当該キャパシタ電力PcmaxとDC/DC出力電圧VDDとを一致させて、回生電力を二次電池14に充電させるので、回生電力の回収効率を更に向上させることができる。 Furthermore, according to this vehicle drive system, when the capacitor power P c becomes the capacitor power P cmax , the capacitor power P cmax and the DC / DC output voltage V DD are matched so that the regenerative power is reduced. Since the secondary battery 14 is charged, the recovery efficiency of regenerative power can be further improved.
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。   The above-described embodiment is an example of the present invention. For this reason, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made depending on the design and the like as long as the technical idea according to the present invention is not deviated from this embodiment. Of course, it is possible to change.
すなわち、上述した一例では、電力供給先となる負荷が駆動モータ3である場合についてのみ説明したが、例えば燃料電池11に反応ガスを供給する補機や、その他車両に搭載された補機に対して電力供給を行う燃料電池電源装置1にも適用することができるのは勿論である。   That is, in the above-described example, only the case where the load as the power supply destination is the drive motor 3 has been described. However, for example, for an auxiliary device that supplies a reaction gas to the fuel cell 11 and other auxiliary devices mounted on a vehicle. Of course, the present invention can also be applied to the fuel cell power supply device 1 that supplies power.
また、特許請求の範囲における「燃料電池」は実施形態における「燃料電池11」に相当し、特許請求の範囲における「キャパシタ」は実施形態における「電気二重層キャパシタ13」に相当し、特許請求の範囲における「二次電池」は実施形態における「二次電池14」に相当し、特許請求の範囲における「制御手段」は実施形態における「電源制御装置4,燃料電池制御装置5」に相当する。   Further, the “fuel cell” in the claims corresponds to the “fuel cell 11” in the embodiment, and the “capacitor” in the claims corresponds to the “electric double layer capacitor 13” in the embodiment. “Secondary battery” in the range corresponds to “secondary battery 14” in the embodiment, and “control means” in the claims corresponds to “power supply control device 4, fuel cell control device 5” in the embodiment.
本発明を適用した車両駆動システムの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the vehicle drive system to which this invention is applied. 燃料電池電源装置のDC/DCコンバータの構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the DC / DC converter of a fuel cell power supply device. 本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理の処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence of the power supply control process by the vehicle drive system to which this invention is applied. 本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理において、力行時における処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence at the time of power running in the power supply control process by the vehicle drive system to which this invention is applied. 本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理において、回生時における処理手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process sequence at the time of regeneration in the power supply control process by the vehicle drive system to which this invention is applied. 本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの力行時であって、要求供給電力が燃料電池出力可能電力以下である場合の要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。In the vehicle drive system to which the present invention is applied, the required supply power when the drive motor is in powering and the required supply power is less than or equal to the fuel cell output possible power, the generated power of the fuel cell, the charge / discharge power of the capacitor, It is a figure which shows the relationship with the charging / discharging electric power of a secondary battery. 本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの力行時であって、要求供給電力が燃料電池出力可能電力より高い場合の要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。In the vehicle drive system to which the present invention is applied, the required supply power when the drive motor is in powering and the required supply power is higher than the fuel cell output possible power, the generated power of the fuel cell, the charge / discharge power of the capacitor, the secondary It is a figure which shows the relationship with the charging / discharging electric power of a battery. 本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの回生時での要求供給電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。In the vehicle drive system to which this invention is applied, it is a figure which shows the relationship between the required supply power at the time of regeneration of a drive motor, the charge / discharge power of a capacitor, and the charge / discharge power of a secondary battery. 本発明を適用した車両駆動システムに対する比較例での要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship with the required supply power in the comparative example with respect to the vehicle drive system to which this invention is applied, the generated power of a fuel cell, the charge / discharge power of a capacitor, and the charge / discharge power of a secondary battery.
符号の説明Explanation of symbols
1 燃料電池電源装置
2 モータ制御装置
3 駆動モータ
4 電源制御装置
5 燃料電池制御装置
11 燃料電池
12 ダイオード
13 電気二重層キャパシタ
14 二次電池
15 DC/DCコンバータ
21 インバータ
22 モータコントローラ
41 トルク−電力変換部
42 DC/DC制御部
43 出力可能電力算出部
44 加算器
45 フィードバック補償器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power supply device 2 Motor control device 3 Drive motor 4 Power supply control device 5 Fuel cell control device 11 Fuel cell 12 Diode 13 Electric double layer capacitor 14 Secondary battery 15 DC / DC converter 21 Inverter 22 Motor controller 41 Torque-power conversion Unit 42 DC / DC control unit 43 Output power calculation unit 44 Adder 45 Feedback compensator

Claims (6)

  1. 負荷に対して並列に接続された燃料電池と、
    前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、
    DC/DCコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池と、
    前記燃料電池、前記キャパシタ及び前記二次電池から前記負荷に電力供給させる制御を行う制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出し、当該要求供給電力と、前記燃料電池の出力可能電力と前記キャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池電源装置。
    A fuel cell connected in parallel to the load;
    A capacitor connected in parallel to the load;
    A secondary battery connected in parallel to the load via a DC / DC converter;
    Control means for performing control to supply power to the load from the fuel cell, the capacitor, and the secondary battery,
    The control means calculates the required supply power that needs to be supplied to the load, and the difference power between the required supply power and the output power that is the sum of the output power of the fuel cell and the charge power of the capacitor Based on the above, the fuel cell power supply device controls the power generated by the fuel cell.
  2. 前記制御手段は、前記要求供給電力が増加する力行時には、前記燃料電池の出力可能電力に基づく燃料電池出力可能電圧と、前記DC/DCコンバータの出力電圧とを一致させて、前記燃料電池及び前記キャパシタから前記負荷に電力を供給させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池電源装置。   The control means matches the fuel cell output possible voltage based on the output power of the fuel cell with the output voltage of the DC / DC converter at the time of powering when the required supply power increases, The fuel cell power supply device according to claim 1, wherein power is supplied from a capacitor to the load.
  3. 前記制御手段は、前記燃料電池の出力可能電力に基づく燃料電池出力可能電圧と前記DC/DCコンバータの出力電圧とを一致させる制御を継続して、前記燃料電池及び前記キャパシタから前記負荷に電力を供給する状態から、前記燃料電池及び前記二次電池から前記負荷に電力供給する状態に切り換えることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池電源装置。   The control means continues the control to match the fuel cell output possible voltage based on the fuel cell output possible power with the output voltage of the DC / DC converter, and supplies power from the fuel cell and the capacitor to the load. 3. The fuel cell power supply device according to claim 2, wherein the fuel cell power supply device is switched from a supply state to a state in which electric power is supplied from the fuel cell and the secondary battery to the load.
  4. 前記制御手段は、前記要求供給電力が低下する回生時には、前記キャパシタの電圧と前記DC/DCコンバータの出力電圧とを一致させて、前記キャパシタに前記負荷からの回生電力を充電させることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池電源装置。   The control means makes the capacitor charge the regenerative power from the load by matching the voltage of the capacitor and the output voltage of the DC / DC converter at the time of regeneration when the required supply power decreases. The fuel cell power supply device according to claim 1.
  5. 前記制御手段は、前記キャパシタの電圧と前記DC/DCコンバータの出力電圧とを一致させた後に、前記キャパシタの電圧が上限電圧となった場合には、当該上限電圧と前記DC/DCコンバータの出力電圧とを一致させて、前記負荷からの回生電力を前記二次電池に充電させることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池電源装置。   When the voltage of the capacitor becomes the upper limit voltage after matching the voltage of the capacitor and the output voltage of the DC / DC converter, the control means outputs the upper limit voltage and the output of the DC / DC converter. 5. The fuel cell power supply device according to claim 4, wherein the secondary battery is charged with regenerative power from the load by matching the voltage. 6.
  6. 負荷に対して並列に接続された燃料電池と、前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、DC/DCコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池電源装置の制御方法において、
    前記負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出するステップと、
    前記要求供給電力と、前記燃料電池の出力可能電力と前記キャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を算出するステップと、
    前記差分電力に基づいて前記燃料電池の発電を制御するステップと
    を有することを特徴とする燃料電池電源装置の制御方法。
    A fuel cell connected in parallel to the load; a capacitor connected in parallel to the load; and a secondary battery connected in parallel to the load via a DC / DC converter. In the control method of the fuel cell power supply device,
    Calculating a required supply power that needs to be supplied to the load;
    Calculating the difference power between the required supply power and the output power that is the sum of the output power of the fuel cell and the charge power of the capacitor;
    Controlling the power generation of the fuel cell based on the differential power. A control method for a fuel cell power supply device, comprising:
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