JP2009110911A - 燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多様な条件で車両の円滑な起動を行うことができる燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池ハイブリッド車両のシーケンスの制御方法において、キーオン信号が入力された後、低電圧補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件であるかの可否を判断する段階、前記補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件である場合は、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧を補助動力源の電圧に合わせる段階、補助動力源の電圧遮断用リレーおよび初期充電装置のメインリレーをオンにさせる段階、および、電力変換機をオフにさせた後、補助動力源で燃料電池の補機類を駆動させて燃料電池の電圧を上昇させる段階、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法に係り、更に詳しくは、高電圧電力変換機を使用しない燃料電池−スーパーキャパシタ直結形ハイブリッドシステムにおいて、その起動時に燃料電池の保護および起動時間の短縮、運転者の便宜性を同時に図ることができる燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法に関する。

従来の燃料電池−バッテリーハイブリッド電気車両では、高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータが燃料電池とバッテリーとの間に位置し、燃料電池とバッテリーの電圧差を緩衝させ、バッテリーの充放電制御または燃料電池のパワー制御を行うため、燃料電池とバッテリー電圧を一致させるために別途の特化された起動制御戦略を必要としない。

高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド電気車両でも高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータを利用して能動（ａｃｔｉｖｅ）方式を通してスーパーキャパシタの初期充電および走行中の充放電を行うため、別途の特化された起動制御戦略を必要としない。

反面、高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しない燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド電気車両では、燃料電池とスーパーキャパシタの電圧と一致させるために別途のスーパーキャパシタの初期充電装置およびこれに相応する起動制御の開発が必須である。

スーパーキャパシタの初期充電装置としては、既存の一つのプリチャージ抵抗とプリチャージリレー（Ｐｒｅｃｈａｒｇｅ Ｒｅｌａｙ）を使用するタイプまたはインダクターと高電力スイッチ用半導体（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；以下、ＩＧＢＴとする）を使用するコンバータタイプなどが適用可能な装置である。

米国特許６，８１５，１００号公報には、車両起動時のスーパーキャパシタを通して燃料電池補機類の駆動およびモータ電圧を満たした後、燃料電池と電圧が下がったスーパーキャパシタを即時連結する前にＤＣ−ＤＣチョッパを使用して電流を制限することで、燃料電池の過度の電圧下降を防ぐことができる燃料電池車両の起動制御装置が開示されている。

大韓民国特開第２００６−０００３５４３号公報には、補助バッテリーを利用して燃料電池を起動させた後、スーパーキャパシタの初期充電装置のマルチ抵抗を通して燃料電池パワーをスーパーキャパシタに充電する燃料電池スーパーキャパシタハイブリッドおよびその起動制御方法が開示されている。

しかし、電力変換機を使用しない燃料電池−スーパーキャパシタ直結形ハイブリッドシステムにおいて、その起動と起動オフ時、燃料電池の保護および起動時間の短縮、運転者の便宜性を同時に図るためには適切な制御方法が必要である。
特に、燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド車両の場合、可溶した起動エネルギーが不足するため、冷起動のような悪条件でも円滑な起動が可能な制御方法が必須である。

即ち、燃料電池を起動するために、低電圧バッテリーとスーパーキャパシタの充電エネルギーを状況に合わせて適切に使用する法、燃料電池の電圧上昇後、燃料電池自体の出力にて補機類を駆動する法、燃料電池の起動完了後、スーパーキャパシタの初期充電方法などが必要である。
米国特許６，８１５，１００号公報 大韓民国特開第２００６−０００３５４３号公報

本発明の目的は、燃料電池起動時、補助動力源（スーパーキャパシタ）および低電圧バッテリーを選択的に使用し、燃料電池の起動が完了した後、初期充電装置（Ｂｕｃｋ Ｔｙｐｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を利用して補助動力源の電圧を上昇させることにより、多様な条件で車両の円滑な起動を行うことができる燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、燃料電池ハイブリッド車両のシーケンスの制御方法において、キーオン信号が入力された後、低電圧補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件であるかの可否を判断する段階、前記補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件である場合は、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧を補助動力源の電圧に合わせる段階、補助動力源の電圧遮断用リレーおよび初期充電装置のメインリレーをオンにさせる段階、および、電力変換機をオフにさせた後、補助動力源で燃料電池の補機類を駆動させて燃料電池の電圧を上昇させる段階、を含むことを特徴とする。

前記補助動力源で燃料電池の補機類を駆動させる段階は、補助動力源の電圧が燃料電池から補機類パワーを使用してもよい水準の燃料電池の電圧と補機類の駆動に必要な最小電圧中、大きい値（Ｖ_ＬＰ１）より小さいか、同じであるかを判断する段階、前記補助動力源の電圧がＶ_ＬＰ１より小さいか、同じ場合、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧をＶ_ＬＰ１に維持する段階、および、前記燃料電池の電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じである場合は、電力変換機および補助動力源のメインリレーをオフにさせる段階を含むことを特徴とする。

前記補助バッテリーが基準電圧を超過するか、冷起動条件ではない場合は、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧をＶ_ＬＰ１に合わせる段階、前記補助バッテリーで燃料電池の補機類を駆動させて燃料電池の電圧を上昇させる段階、および、前記燃料電池電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じである場合は電力変換機をオフにさせる段階を含むことを特徴とする。

前記燃料電池の電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じ場合は、電力変換機および補助動力源との連結を解除した後、燃料電池自体の出力で燃料電池の補機類を駆動し、燃料電池の起動を終了する段階を含むことを特徴とする。

前記燃料電池の起動を完了した後、電力変換機バックを通して補助バッテリーを充電させる段階、前記段階でＭＣＵの前端リレーの連結を通して車両駆動を準備する段階、前記段階で燃料電池単独モードに進入した後、車両を駆動させつつ補助動力源の初期充電を進行するために燃料電池と補助動力源を連結するメインリレーを直結する前にＩＧＢＴのデューティ比の調節を通して一定電流に制限して充電させる段階、前記燃料電池の電圧と補助動力源の電圧が同一であるかを判断する段階、および、前記燃料電池の電圧と補助動力源の電圧が同一の場合は初期充電装置のメインリレーをオンにさせる段階、
を含むことを特徴とする。

本発明による燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法によると、燃料電池を起動する際、スーパーキャパシタおよび低電圧補助バッテリーを選択的に使用することができ、起動完了後、初期充電装置を利用してスーパーキャパシタを電圧上昇させることにより、多様な条件で燃料電池−スーパーキャパシタ車両の円滑な起動が可能である。

以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明する。

図１は燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド車両のパワーネット構成図である。
図１に示す通り、本発明の実施例による燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド車両のパワーネットは、燃料電池スタック１０、補助動力源、低電圧電力変換機（ＬＤＣ）１２、１２Ｖ補助バッテリー１３を含む。補助動力源として、本発明の一実施例ではスーパーキャパシタ１１を使用する。

燃料電池スタック１０を起動させるために高電圧補機類１４（ＢＯＰ；空気ブロワー、水素再循環ブロワー、水ポンプなど）を作動させる必要があり、燃料電池スタック１０で発生する電圧と高電圧補機類１４の電圧レベルは２５０〜４５０Ｖで同一である。
また、１２Ｖ補助バッテリー１３の電源を使用する部品が車両運行中、継続してパワーを消耗するため、これを充電するために低電圧電力変換機１２が必要である。
低電圧電力変換機１２は、両方向に転換が可能であり、例えば、４００Ｖのパワーラインで４００Ｖの電圧を１２Ｖまでダウンさせ、１２Ｖ補助バッテリーを運行中に充電し、初期起動時、１２Ｖの電源を利用して４００Ｖまで昇圧させ、燃料電池スタック１０を起動させる役割を有する。

モータ１５およびインバータは、燃料電池スタック１０に直接連結されており、パワーアシストおよび回生制動のためにスーパーキャパシタ１１が初期充電装置１６を通して連結されている。
メインバスには電力遮断および連結を容易にするために、各種リレー１７，１８が設置されており、燃料電池に逆電流が流れないようにブロッキングダイオード（Ｂｌｏｃｋｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が設置されている。
初期充電装置１６は、バックタイプコンバータであり、燃料電池スタック１０とスーパーキャパシタ１１との間でメインリレー１９と別に電気的な回路を構成し、ＩＧＢＴ２０のデューティ比の調節を通して急激な電流の流れを防ぎ、メインリレー１９の固着現象を防止し、スーパーキャパシタ１１を充電する。

燃料電池スタック１０とスーパーキャパシタ１１の両端電圧が近くなる場合、ＩＧＢＴ２０の作動をとめ、メインリレー１９をオンにさせ、スーパーキャパシタ１１と直結する。２１はスーパーキャパシタの電圧遮断用リレーであり、内部キャパシタを保護する役割を有する。
図３〜図６は、本発明の一実施例による燃料電池−スーパーキャパシタハイブリッド車両の起動シーケンスを説明するためのパワーネットの構成図である。
図３において、補助バッテリー１３とスーパーキャパシタ１１のエネルギーを利用して燃料電池の起動に使用される補機類１４を作動させる。
図４において、燃料電池スタック１０の電圧がある程度上昇すると、燃料電池自体の出力により補機類１４を駆動する。この時、スーパーキャパシタ１１への充電を防ぐためにスーパーキャパシタの連結を解除し、補助バッテリー１３を充電モードに転換する。

図５において、燃料電池の起動が完了すると、ＭＣＵ２２の前端の第１リレー１７を作動して車両駆動が可能となる。同時に、初期充電装置１６を通してスーパーキャパシタ１１の充電を開始し、ＬＤＣ１２を通して補助バッテリー１３を充電する。
図６において、初期充電装置１６を通して充電が完了すると、スーパーキャパシタメインリレー１９を作動し、燃料電池スタック１０とスーパーキャパシタ１１を直結し、ハイブリッドモードで運行する。
図７は、本発明の一実施例による起動シーケンスの制御方法を示す順序図である。
本発明では、基本的に低電圧電力変換機１２（ＬＤＣ）ブーストを通して燃料電池を起動するが、補助バッテリー１３が異常であったり、冷起動のような初期起動エネルギーが多量に必要な場合はスーパーキャパシタで起動をかける。

スーパーキャパシタ１１の電圧は、状況によってエネルギーが急激に変わるパワーソースであるため、上のような制御が必要である。
まず、補助バッテリー１３が低かったり、冷起動または起動時間が長いと予測される条件であるかの可否を判断し、補助バッテリー１３が低かったり、冷起動または起動時間が長いと予測される条件である場合は、メインバスの電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＬＤＣブーストを通してスーパーキャパシタ１１の電圧に合わせた後、初期充電装置１６のスーパーキャパシタの電圧遮断用リレー２１およびメインリレー１９をオンにさせた後、ＬＤＣ１２をオフにさせ、スーパーキャパシタ１１に燃料電池の補機類１４を駆動し、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）を上昇させる。

Ｖ_ＬＰ１は、燃料電池から補機類パワーを使用してもよい水準の燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）と補機類１４の駆動に必要な最小電圧中、大きい値であり、状況によって変えることができる。
ここで、スーパーキャパシタの電圧（Ｖ_ＣＡＰ）がＶ_ＬＰ１より低い場合は、ＬＤＣブーストを通してメインバスの電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＶ_ＬＰ１に維持する。この時、燃料電池電圧（Ｖ_ＦＣ）がＶ_ＬＰ１より大きいかを判断し、大きい場合は、ＬＤＣ１２およびスーパーキャパシタのメインリレー１９をオフにさせる。

一方、補助バッテリ１３が高かったり、冷起動ではない場合は、ＬＤＣブーストを通してメインバスの電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＶ_ＬＰ１に維持し、補助バッテリー１３で燃料電池の補機類１４を駆動させ、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）を上昇させる。この時、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がＶＬＰ１より大きい場合は、ＬＤＣ１２をオフにさせて燃料電池から過度に出力されるのを防止する。
前記のように、スーパーキャパシタの放電またはＬＤＣブーストを通して燃料電池電圧を起動し、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がＣ_ＬＰ１より大きい場合は、ＬＤＣ１２とスーパーキャパシタ１１の連結を解除した後（スーパーキャパシタの充電防止）、燃料電池スタック１０自体の出力により補機類１４を駆動する。

更に、燃料電池が起動完了後（ＬＰ２）、補助バッテリーをＬＤＣバックを通して低電圧で充電し、ＭＣＵ２２前端リレー１７をオンにさせて車両駆動準備を行い、燃料電池単独モードに進入する。そしてスーパーキャパシタの電圧遮断用リレー２１をオンにさせる。
燃料電池単独モードで車両を駆動しつつ、スーパーキャパシタ１１に初期充電を進行する。即ち、初期充電装置１６のメインリレー１９を直結する前にＩＧＢＴ２０のデューティ比の調節を通して一定電流で充電する（電流制限を通して燃料電池の保護）。燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がスーパーキャパシタの電圧（Ｖ_ＣＡＰ）と近くなると、充電を完了した後、メインリレー１９を連結してＨＥＶモードで進行する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
また、燃料電池を除外した補助動力源は、スーパーキャパシタに限定せず、高電圧バッテリーを使用することができる。

本発明の一実施例による燃料電池・スーパーキャパシタハイブリッド車両のパワーネット構成図である。 図１のスーパーキャパシタの初期充電装置（Ｐｒｅｃｈａｒｇｅ ｕｎｉｔ）の回路構成図である。 図１の起動シーケンスを説明するためのパワーネット構成図である。 図１の起動シーケンスを説明するためのパワーネット構成図である。 図１の起動シーケンスを説明するためのパワーネット構成図である。 図１の起動シーケンスを説明するためのパワーネット構成図である。 図１の起動シーケンスを表す順序図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
１１ スーパーキャパシタ
１２ 低電圧電力変換機（ＬＤＣ）
１３ 補助バッテリー
１４ 高電圧補機類
１５ モータ
１６ 初期充電装置
１７ ＭＣＵリレー
１８ 燃料電池リレー
１９ メインリレー
２０ ＩＧＢＴ
２１ スーパーキャパシタ電圧遮断用リレー
２２ モーター制御装置（ＭＣＵ）
２３ ＶＬＤ

Claims (5)

1. 燃料電池ハイブリッド車両のシーケンスの制御方法において、
   キーオン信号が入力された後、低電圧補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件であるかの可否を判断する段階、
   前記補助バッテリーが基準電圧以下であるか、冷起動条件である場合は、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧を補助動力源の電圧に合わせる段階、
   補助動力源の電圧遮断用リレーおよび初期充電装置のメインリレーをオンにさせる段階、および
   電力変換機をオフにさせた後、補助動力源で燃料電池の補機類を駆動させて燃料電池の電圧を上昇させる段階、
   を含むことを特徴とする燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法。
2. 前記補助動力源で燃料電池の補機類を駆動させる段階は、補助動力源の電圧が燃料電池から補機類パワーを使用してもよい水準の燃料電池の電圧と補機類の駆動に必要な最小電圧中、大きい値（Ｖ_ＬＰ１）より小さいか、同じであるかを判断する段階、
   前記補助動力源の電圧がＶ_ＬＰ１より小さいか、同じ場合、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧をＶ_ＬＰ１に維持する段階、および、
   前記燃料電池の電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じである場合は、電力変換機および補助動力源のメインリレーをオフにさせる段階、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法。
3. 前記補助バッテリーが基準電圧を超過するか、冷起動条件ではない場合は、電力変換機ブーストを通してメインバスの電圧をＶ_ＬＰ１に合わせる段階、
   前記補助バッテリーで燃料電池の補機類を駆動させて燃料電池の電圧を上昇させる段階、および、
   前記燃料電池電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じである場合は電力変換機をオフにさせる段階、
   を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法。
4. 前記燃料電池の電圧がＶ_ＬＰ１より大きいか、同じ場合は、電力変換機および補助動力源との連結を解除した後、燃料電池自体の出力で燃料電池の補機類を駆動し、燃料電池の起動を終了する段階、
   を含むことを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法。
5. 前記燃料電池の起動を完了した後、電力変換機バックを通して補助バッテリーを充電させる段階、
   前記段階でＭＣＵの前端リレーの連結を通して車両駆動を準備する段階、
   前記段階で燃料電池単独モードに進入した後、車両を駆動させつつ補助動力源の初期充電を進行するために燃料電池と補助動力源を連結するメインリレーを直結する前にＩＧＢＴのデューティ比の調節を通して一定電流に制限して充電させる段階、
   前記燃料電池の電圧と補助動力源の電圧が同一であるかを判断する段階、および
   前記燃料電池の電圧と補助動力源の電圧が同一の場合は初期充電装置のメインリレーをオンにさせる段階、
   を含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池ハイブリッド車両のシーケンス制御方法。