JP2010287534A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムの制御技術に関する。 The present invention relates to a control technique for a fuel cell system.
一般に、車輌等に搭載される燃料電池システムは、アノードガス(例えば水素ガス)と、カソードガス(例えば空気)との電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池とを備える。 2. Description of the Related Art Generally, a fuel cell system mounted on a vehicle or the like includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas (for example, hydrogen gas) and a cathode gas (for example, air), and a chargeable / dischargeable secondary battery. .
通常、このような燃料電池システムにおいて、モータ等の負荷への電力や燃料電池の発電に必要な補機への電力は、燃料電池から供給される。しかし、熱等によって、燃料電池と補機との間に設けられるコンバータに制限が掛かった場合、補機への電力は二次電池から供給されることとなる。 Usually, in such a fuel cell system, power to a load such as a motor and power to an auxiliary machine necessary for power generation of the fuel cell are supplied from the fuel cell. However, when the converter provided between the fuel cell and the auxiliary device is restricted due to heat or the like, power to the auxiliary device is supplied from the secondary battery.
そして、このような状態で、燃料電池に大きな電力が要求されると、燃料電池の出力が大きくなると共に、燃料電池の発電に必要な補機が消費する電力も大きくなるため、二次電池への負担が増大する。したがって、上記状態が継続すると、二次電池のSOCが早期に低下してしまうという問題がある。 In such a state, when a large amount of power is required for the fuel cell, the output of the fuel cell increases and the power consumed by the auxiliary equipment required for power generation of the fuel cell also increases. The burden of increases. Therefore, when the above state continues, there is a problem that the SOC of the secondary battery is quickly reduced.
なお、特許文献1には、車輌に搭載される燃料電池システムにおいて、二次電池のSOCを適正に制御する技術が開示されている。 Patent Document 1 discloses a technique for appropriately controlling the SOC of a secondary battery in a fuel cell system mounted on a vehicle.
本発明は、熱によってコンバータに電力制限が掛かった状態で、燃料電池に大きな電力が要求される場合でも、二次電池の負担を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of reducing the burden on a secondary battery even when a large amount of power is required for the fuel cell in a state where the power is limited to the converter by heat. .
本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動する補機と、前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、前記電圧変換器を通過する通過可能電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記燃料電池に要求される電力を制限する制限手段と、を備える。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, a chargeable / dischargeable secondary cell, and an auxiliary device that is driven by the fuel cell or power from the secondary cell. And a voltage converter provided between the fuel cell and the auxiliary machine, and a power that can pass through the voltage converter is less than the maximum power consumed by the auxiliary machine, the request is made to the fuel cell. Limiting means for limiting the power to be generated.
また、前記燃料電池システムは、前記制御手段により、前記燃料電池に要求される電力は、前記電圧変換器を通過する通過可能電力/前記補機が消費する最大電力で求められる制限率に前記燃料電池に要求される電力値を乗じた値に制限されることが好ましい。 In the fuel cell system, the power required for the fuel cell is controlled by the control unit so that the fuel is within a limiting rate obtained by passing power passing through the voltage converter / maximum power consumed by the auxiliary machine. It is preferably limited to a value obtained by multiplying the power value required for the battery.
また、本発明の燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動する補機と、前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、前記電圧変換器を通過する通過可能電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記補機が消費する電力を前記電圧変換器を通過する通過可能電力以下に制御する制御手段と、を備える。 The fuel cell system of the present invention is driven by a fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas, a chargeable / dischargeable secondary battery, and power from the fuel cell or the secondary battery. When the auxiliary machine, the voltage converter provided between the fuel cell and the auxiliary machine, and the passable power passing through the voltage converter are less than the maximum power consumed by the auxiliary machine, the auxiliary machine Control means for controlling the power consumed by the power to be equal to or lower than the passable power passing through the voltage converter.
本発明によれば、熱によってコンバータに電力制限が掛かった状態で、燃料電池に大きな電力が要求される場合でも、二次電池の負担を低減することができる。 According to the present invention, the burden on the secondary battery can be reduced even when a large amount of power is required for the fuel cell in a state where the power is limited to the converter by heat.
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図1に示すように、燃料電池システム1は、燃料電池10と、充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成されている二次電池12と、補機14と、燃料電池10と補機14との間に設けられ、燃料電池10(又は二次電池12)の電圧を昇降圧するコンバータ16と、燃料電池10(又は二次電池12)の直流電力を交流電力に変換してモータ等の負荷18に供給するインバータ20と、ECU22(制御手段)と、を備えている。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a
コンバータ16は、複数のスイッチング素子、リアクトル、IPM(Intelligent Power Module)を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって、主に燃料電池10から供給された電圧を補機14が駆動する電圧に昇降圧するものである。コンバータ16の第1電路24は二次電池側の電路及び補機側の電路に接続され、コンバータ16の第2電路26は燃料電池側の電路及びインバータ側の電路に接続されている。具体的には後述するが、通常、コンバータ16は、リアクトル温度、IPM温度等が所定値を超えると、コンバータ16を通過することができる通過可能電力に制限が掛かり、コンバータ16を通過することができる電力が減少又は零になる特性を有する。
The
燃料電池10は、アノードガス(例えば水素ガス)とカソードガス(例えば空気)が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンクや水素ポンプから燃料極(アノード)に供給され、空気はエアコンプレッサによって酸化剤極(カソード)に供給される。燃料電池10の発電電力の一部は、コンバータ16により昇降圧された二次電池12の電力と共にインバータ20を介して負荷18(例えば、車輌等では、車輪を回転させる走行用モータ)に供給される。
The
また、燃料電池10の発電電力の一部は、コンバータ16を通過して、エアコンプレッサ、冷却水ポンプ、水素ポンプ等の燃料電池10の運転に使用される補機(14)、エアコンディショナー、ヒータ等のその他高圧補機(14)に供給される。従来の燃料電池システムでは、通常、コンバータ加熱による影響等で、コンバータを通過する通過可能電力に制限が掛かると、燃料電池から補機への電力供給が制限されるため、補機への電力は二次電池から供給される。その結果、二次電池12に負担が掛かり、二次電池のSOCの早期低下に繋がることとなる。しかし、本実施形態ではコンバータ16の通過可能電力に制限が掛かる場合でも、燃料電池10に要求される電力を制限することにより、間接的に補機14の消費電力を減少させ、二次電池12の負担を軽減する制御を行っている。なお、本実施形態の具体的な制御については後述する。また、上記でも説明したように、本実施形態では、補機14への電力は、主に燃料電池10の発電電力でまかなうが、燃料電池10が発電していないときは二次電池12で補完される。
A part of the generated power of the
ECU22は、内部に信号処理を行うCPUとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池10、二次電池12、補機14、コンバータ16、負荷18、インバータ20はECU22に接続され、ECU22の指令によって動作するよう構成されている。
The ECU 22 is a computer that includes a CPU that performs signal processing and a storage unit that stores programs and control data. The
ECU22には、コンバータ16の通過可能電力と、補機14が消費する最大電力とを比較して、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満である場合、燃料電池10に要求される電力を制限する手段を備えている。
The ECU 22 compares the power that can be passed through the
ここで、コンバータ16の通過可能電力について説明する。図2(A)は、コンバータのリアクトル温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図であり、図2(B)は、コンバータのIPM温度と通過可能電力の制限率との関係を示す図である。図2(A),(B)に示すように、コンバータ16のリアクトル温度やIPM温度が所定温度(S1,S3)を超えると、コンバータ16の通過可能電力の制限率が減少し、コンバータ16の通過可能電力が制限(減少)される(図2のコンバータ電力制限率×コンバータ通過可能電力=制限されたコンバータ通過可能電力)。そして、コンバータ16のリアクトル温度やIPM温度が所定温度(S2,S4)に達すると、コンバータ16の通過可能電力の制限率は零になり、コンバータ16の通過可能電力は完全に制限され、コンバータを通過する電力は零となる。そして、このようなコンバータ16の通過可能電力のデータがECU22に送信されることとなる。なお、補機14が消費する最大電力は、使用する補機14の種類、数、容量等によって決定される定数であって、予めECU22に記録される。
Here, the electric power that can be passed through the
本実施形態において、ECU22により、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満であると判断された場合、燃料電池10に要求される電力は、コンバータ16の通過可能電力/補機14が消費する最大電力で求められる制限率に燃料電池10に要求される電力値を乗じた値に制限される。本実施形態では、必ずしもこれに制限されるものではなく、ECU22により、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満であると判断された場合、燃料電池10に要求される電力は、予め設定した値となるように制限されるものであってもよい。なお、燃料電池10に要求される電力には、負荷18が消費する電力、補機14が消費する電力、コンバータ16の損失電力等が含まれている。
In this embodiment, when the
本実施形態に係る燃料電池システム1の動作について説明する。図3は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。図4は、本実施形態に係る燃料電池システムの状態を示す図である。 The operation of the fuel cell system 1 according to this embodiment will be described. FIG. 3 is a flowchart showing an example of the operation of the fuel cell system according to the present embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a state of the fuel cell system according to the present embodiment.
図3に示すように、まず、ステップS10では、ECU22にコンバータ16の通過可能電力値の信号が入力され、ECU22により、コンバータ16の通過可能電力と補機14が消費する最大電力とが比較される。ここで、図4に示すように、リアクタ温度、IPM温度等が所定値(S3)を超えると、コンバータ16の通過可能電力が減少し、さらに所定値(S3’)を超えるとコンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力より低くなる。
As shown in FIG. 3, first, in step S <b> 10, a signal of the power that can be passed through the
そして、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満の場合、図3に示すステップS12で、ECU22により、コンバータ16の通過可能電力/補機14が消費する最大電力で求められる制限率が算出される。そして、ステップS14で、ECU22により、燃料電池10に要求される電力は、算出された制限率に燃料電池10に要求される電力値を乗じた値に制限され、ステップS16では、該制限値に基づいて燃料電池10から電力が出力される。ここで、図4に示すように、リアクタ温度、IPM温度等が上昇していき、コンバータ16の通過可能電力と補機14が消費する最大電力との差が大きくなればなるほど、燃料電池10に要求される電力は制限されていくこととなる。
When the passable power of the
このように、燃料電池10に要求される電力を制限することにより、間接的に燃料電池10の運転等に使用される補機14の消費電力を減少させることができるため、二次電池12から補機14への電力供給量を減少させ、二次電池12の負担を抑制することができる。また、上記のように補機14の消費電力が減少することにより、コンバータ16を通過する電力も減少するため、コンバータ16の更なる加熱を抑制することができる。
Thus, by limiting the power required for the
一方、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力以上である場合、ステップS16で、燃料電池10に要求される電力が制限されることなく、そのまま出力される。
On the other hand, when the passable power of the
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム1の動作の他の一例を説明する。ここで、本実施形態に係る燃料電池システム1のECU22には、コンバータ16の通過可能電力と、補機14が消費する最大電力とを比較して、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満である場合、補機14が消費する電力をコンバータ16を通過する通過可能電力以下に制限する手段を備えている。
Next, another example of the operation of the fuel cell system 1 according to the embodiment of the present invention will be described. Here, the
上記でも説明したように、補機14はECU22に接続され、ECU22の指令によって動作するよう構成されている。そこで、ECU22による補機14の消費電力の制御は、例えば、水素ポンプ、冷却水ポンプ、エアコンプレッサ等の補機については、その補機の回転数を制限する指令をECU22から出力することにより行われ、例えば、エアコンディショナー、ヒータ等の補機については、その補機の電力を制限又は停止する指令をECU22から出力することにより行われる。
As described above, the
図5は、本実施形態に係る燃料電池システム1の動作の他の一例を示すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing another example of the operation of the fuel cell system 1 according to the present embodiment.
図5に示すように、まず、ステップS20では、ECU22にコンバータ16の通過可能電力値の信号が入力され、ECU22により、コンバータ16の通過可能電力と補機14が消費する最大電力とが比較される。
As shown in FIG. 5, first, in step S20, a signal of the electric power value that can be passed through the
そして、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力未満の場合、ステップS22で、ECU22により、補機14が消費する電力がコンバータ16を通過する通過可能電力以下に制限される。そして、ステップS24では、燃料電池10に要求される電力が出力される。
When the passable power of the
このように、補機14が消費する電力を直接制限することにより、二次電池12から補機14への電力供給量を減少させ、二次電池12の負担を抑制することができる。また、上記のように補機14の消費電力が減少することにより、間接的に燃料電池10に要求される電力が減少するため、コンバータ16を通過する電力も減少し、コンバータ16の更なる加熱を抑制することができる。
In this way, by directly limiting the power consumed by the
一方、コンバータ16の通過可能電力が、補機14が消費する最大電力以上である場合、補機14が消費する電力が制限されることなく、ステップS24に進み、燃料電池10に要求される電力が出力される。
On the other hand, if the power that can be passed through the
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンバータの通過可能電力が、補機が消費する最大電力未満である場合、燃料電池に要求される電力を制限して間接的に補機が消費する電力を制限すること、又は補機が消費する電力を直接制限することにより、二次電池から補機への電力供給量を減少させ、二次電池の負担を抑制することができる。 As described above, in the fuel cell system of this embodiment, when the power that can be passed through the converter is less than the maximum power consumed by the auxiliary device, the auxiliary device is indirectly limited by limiting the power required for the fuel cell. By limiting the power consumed by the battery or directly limiting the power consumed by the auxiliary machine, the amount of power supplied from the secondary battery to the auxiliary machine can be reduced and the burden on the secondary battery can be suppressed.
1 燃料電池システム、10 燃料電池、12 二次電池、14 補機、16 コンバータ、18 負荷、20 インバータ、24,26 電路。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 10 Fuel cell, 12 Secondary battery, 14 Auxiliary machine, 16 Converter, 18 Load, 20 Inverter, 24, 26 Electric circuit.
Claims (3)
充放電可能な二次電池と、
前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動する補機と、
前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、
前記電圧変換器を通過する通過可能な電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記燃料電池に要求される電力を制限する制限手段と、を備える燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas;
A rechargeable secondary battery;
An auxiliary machine driven by electric power from the fuel cell or the secondary battery;
A voltage converter provided between the fuel cell and the auxiliary machine;
A fuel cell system comprising: limiting means for limiting power required for the fuel cell when the passable power passing through the voltage converter is less than the maximum power consumed by the auxiliary machine.
充放電可能な二次電池と、
前記燃料電池又は前記二次電池からの電力により駆動する補機と、
前記燃料電池と前記補機との間に設けられる電圧変換器と、
前記電圧変換器を通過する通過可能電力が、前記補機が消費する最大電力未満である場合、前記補機が消費する電力を前記電圧変換器を通過する通過可能電力以下に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between an anode gas and a cathode gas;
A rechargeable secondary battery;
An auxiliary machine driven by electric power from the fuel cell or the secondary battery;
A voltage converter provided between the fuel cell and the auxiliary machine;
Control means for controlling the power consumed by the auxiliary machine to be equal to or lower than the passable power passing through the voltage converter when the passable power passing through the voltage converter is less than the maximum power consumed by the auxiliary machine; A fuel cell system comprising:
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