JP2013176213A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムにおける燃料電池電圧の制御技術に関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a technique for controlling a fuel cell voltage in a fuel cell system.
一般に、駆動用のエネルギー源として燃料電池を用いる車両の制御においては、ユーザ(運転者、操作者)のアクセル操作に従って駆動用モータが出力すべきトルク(平均要求トルク)が計算される。また、その平均要求トルクに基づいて、燃料電池システムが供給すべき電力(システム要求電力)が算出され、そのシステム要求電力に応じて、燃料電池システムの発電制御が行われる。その際、アクセル操作に伴うシステム要求電力の変動に起因して、燃料電池の発電時に電圧変動が生じるため、燃料電池の出力性能(特性)が低下してしまう傾向にある。 In general, in the control of a vehicle using a fuel cell as a driving energy source, the torque (average required torque) that the driving motor should output is calculated in accordance with the accelerator operation of the user (driver, operator). Further, based on the average required torque, power to be supplied by the fuel cell system (system required power) is calculated, and power generation control of the fuel cell system is performed according to the system required power. At this time, voltage fluctuation occurs during power generation of the fuel cell due to fluctuations in system power demand accompanying the accelerator operation, and the output performance (characteristics) of the fuel cell tends to decrease.
このような燃料電池の出力性能の低下を抑止するべく、本出願人は、システム要求電力が変動してしまうときに、燃料電池による発電電力の変化量を制限する(出力電圧の制限)一方で、制限された燃料電池の発電電力の変化量(制限電圧)に相当する電力を二次電池(バッテリ)等の蓄電器によって補うように構成した燃料電池システムを提案している(例えば特許文献1参照)。 In order to suppress such a decrease in the output performance of the fuel cell, the present applicant limits the amount of change in the power generated by the fuel cell when the system required power fluctuates (limit of the output voltage). A fuel cell system is proposed in which power corresponding to the amount of change (limited voltage) in the generated power of a restricted fuel cell is supplemented by a secondary battery (battery) or the like (see, for example, Patent Document 1). ).
ところで、上述したような燃料電池の発電電力の変動が生じる際の燃料電池の電圧上昇幅(電位変動幅)や電圧上昇発生頻度(電位変動発生頻度)は、その燃料電池を含む燃料電池システムを搭載した車両が走行する状況や道路環境(まとめて「走行状態」ともいう)によって異なる傾向にある。例えば、高速路を走行するときの電圧上昇幅や電圧上昇発生頻度は、市街地を走行するときのそれらよりも、比較的多くなり得る。このような道路環境等の相違に拘らず、上記従来の燃料電池システムの如く燃料電池の出力を一律に制限する場合、その制限された電力を補うバッテリ及び補機への負荷が非常に高くなってしまうとともに、車両の燃費が悪化するおそれもある。 By the way, the voltage rise width (potential fluctuation width) and the voltage rise occurrence frequency (potential fluctuation occurrence frequency) of the fuel cell when the generated power fluctuation of the fuel cell as described above occurs are determined by the fuel cell system including the fuel cell. There is a tendency to vary depending on the situation in which the mounted vehicle travels and the road environment (collectively referred to as “running state”). For example, the voltage rise width and voltage rise occurrence frequency when traveling on a highway can be relatively greater than those when traveling in an urban area. Regardless of the difference in road environment and the like, when the output of the fuel cell is uniformly limited as in the conventional fuel cell system described above, the load on the battery and the auxiliary machine that supplements the limited power becomes very high. In addition, the fuel consumption of the vehicle may be deteriorated.
そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池による発電電力の変動を制限して性能低下を防止しつつ、バッテリ及び補機への負荷を軽減し、且つ、車両の燃費悪化を抑止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。 Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to reduce the load on the battery and the auxiliary machine while limiting the fluctuation of the power generated by the fuel cell to prevent the performance from being reduced, and to reduce the fuel consumption of the vehicle. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing deterioration.
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、その燃料電池の出力電圧を制御する制御手段とを備え、制御手段が、車両のアクセル開度に応じて燃料電池システムのシステム要求電力を算出し、そのシステム要求電力に基づいて燃料電池の必要電力を算出し、その必要電力に基づいて燃料電池の目標電圧及び/又は目標電位変動頻度を設定し、車両の走行状態に基づいて目標電圧及び/又は目標電位変動頻度を所定の範囲内に制限するように変更する制御を行うものである。なお、「アクセル開度」とは、アクセルを踏んでいない時を0%とし、 最大限踏み込んだとき100%とした時の踏み込み率を示す。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell and a control unit that controls an output voltage of the fuel cell, and the control unit is a fuel cell system according to the accelerator opening of the vehicle. The required power of the fuel cell is calculated based on the required system power, the target voltage and / or target potential fluctuation frequency of the fuel cell is set based on the required power, and the vehicle running state Based on the above, control is performed to change the target voltage and / or target potential fluctuation frequency so as to be limited within a predetermined range. “Accelerator opening” indicates the depression rate when 0% is not depressed and 100% when the accelerator is depressed to the maximum.
このように構成された燃料電池システムにおいては、ユーザのアクセル操作に従ってアクセル開度が変化し、制御手段によって、そのアクセル開度に応じて燃料電池システムのシステム要求電力が算出される。制御手段は、また、燃料電池システムのシステム要求電力が変動する際に、燃料電池による発電電力の変動量を制限して燃料電池の性能低下を防止するべく、システム要求電力を燃料電池と、例えば車両に備わるバッテリとに振り分け、その比率に応じて燃料電池の必要電力を算出する。さらに、制御手段は、その必要電力を出力するための燃料電池の目標電圧及び/又は目標電位変動頻度を設定する。そして、本発明においては、それに留まらず、その設定された目標電圧及び/又は目標電位変動頻度が、制御手段によって、車両の走行状態に基づいて所定の範囲内に制限される。 In the fuel cell system configured as described above, the accelerator opening changes according to the accelerator operation of the user, and the system required power of the fuel cell system is calculated according to the accelerator opening by the control means. The control means also controls the system required power with the fuel cell in order to limit the fluctuation amount of the power generated by the fuel cell when the system required power of the fuel cell system fluctuates to prevent the fuel cell from degrading, for example, The power is allocated to the battery provided in the vehicle, and the required power of the fuel cell is calculated according to the ratio. Further, the control means sets the target voltage and / or target potential fluctuation frequency of the fuel cell for outputting the necessary power. In the present invention, the set target voltage and / or target potential fluctuation frequency is not limited to the predetermined range based on the running state of the vehicle.
したがって、本発明によれば、燃料電池システムのシステム要求電力が変動するときに、燃料電池による発電電力の変動量が制限されるので、燃料電池の性能低下を有効に防止することができる。また、車両が走行する状況や道路環境に依存する車両の走行状態に基づいて、燃料電池が出力すべき目標電圧及び/又は目標電位変動頻度を必要に応じて適正に制限することができる。 Therefore, according to the present invention, when the system required power of the fuel cell system fluctuates, the amount of fluctuation of the power generated by the fuel cell is limited, so that the performance degradation of the fuel cell can be effectively prevented. Further, the target voltage and / or target potential fluctuation frequency to be output by the fuel cell can be appropriately limited as necessary based on the traveling state of the vehicle and the traveling state of the vehicle depending on the road environment.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. The present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
(第1実施形態)
図1は、本発明の燃料電池システムの好適な第1実施形態を備える車両の概略構成図(システム構成図)であり、図2は、そのシステム制御ブロック図であって、図1に示す燃料電池システムの制御信号及び電力の流れに着目してその構成を示す概略図である。車両100は、電源システム20及び負荷部30、並びに、それらの電源システム20と負荷部30の双方を制御する制御部50(制御手段)を備える。電源システム20は、車両100の動力源としての電力を供給するものであり、負荷部30は、その供給された電力を、車両100を駆動するための機械的動力に変換するものである。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram (system configuration diagram) of a vehicle including a first preferred embodiment of the fuel cell system of the present invention, and FIG. 2 is a system control block diagram of the fuel shown in FIG. It is the schematic which shows the structure paying attention to the control signal and electric power flow of a battery system. The
電源システム20は、燃料電池システム200、二次電池26(バッテリ)、DC−DCコンバータ64、燃料電池システム200の出力電圧及び出力電流をそれぞれ計測するための電圧計69及び電流計67、並びに、二次電池26の残存量を計測するための残存容量モニタ28を有している。
The
燃料電池システム200は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックを有する燃料電池(FC)を備えている。この燃料電池は、高分子電解質膜等を2つの電極(アノード極及びカソード極)で挟み込んだ膜電極接合体(MEA)が、燃料ガスと酸化ガスとを供給するためのセパレータで挟持された構造を有する単位セルを複数備えている。一般に、アノード極は、アノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであって、水素の酸化反応を生じ、一方、カソード極は、カソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであって、酸素の還元反応を生じる結果、燃料電池全体として起電反応(電池反応)が生起される。
The
また、燃料電池には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び、冷却液を提供する系統(いずれも図示せず)が設けられており、制御部50からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御され、これにより、燃料電池システム200から所望の電力が出力されるように構成されている。
In addition, the fuel cell is provided with a system for supplying fuel gas to the anode electrode, a system for supplying oxidizing gas to the cathode electrode, and a system for supplying coolant (none of which is shown), and a control unit In accordance with the control signal from 50, the supply amount of the fuel gas and the supply amount of the oxidizing gas are controlled, whereby the desired electric power is output from the
また、二次電池26は、負荷部30に対して燃料電池システム200と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファ等として機能する。この二次電池26としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池を好ましく用いることができる。
Further, the
一方、負荷部30は、アクセル37、アクセル37の開度(アクセル開度Wt:踏み込み量)を計測するアクセルセンサ35を有しており、また、トラクションモータ31と、それにギヤ機構32を介して接続された車輪34、及び、トラクションモータ31に電気的に接続されている駆動回路36を備えている。トラクションモータ31は、その駆動回路36を介して電源システム20に接続されており、トラクションモータ31で発生した動力が、ギヤ機構32を介して車輪34に伝達されるように構成されている。
On the other hand, the
駆動回路36は、電源システム20から供給される電力を用いてトラクションモータ31を駆動するための回路であり、その回路構成は特に制限されず、例えば、昇圧と電圧変換機能を有するPCU(パワーコントロールユニット)、パワー素子(スイッチング素子)、インバータ等から構成することができる。具体的には、駆動回路36は、例えば、電源システム20から送出された直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータ31に供給する。その際、供給される三相交流電力の大きさは、アクセルセンサ35からの入力(アクセル開度Wt)に基づいて制御部50が制御する駆動回路36によって決定される。このようにして、電源システム20の出力電圧が、トラクションモータ31に供給される電源システム20からの三相交流電力の大きさそのものに依存しないように、車両システムが構築されている。
The
また、制御部50は、燃料電池システム200、DC−DCコンバータ64、及び駆動回路36の他、車両100に設けられたモード設定スイッチ51(後述)、車速センサ52、及びナビゲーションシステム53等に電気的に接続されており、それらに対する各種の制御(回路制御を含む)、及び、種々の入出力制御を実行する。なお、制御部50による各種の制御動作は、制御部50に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを制御部50における例えばECU(エンジンコントロールユニット)等が実行することによって実現される。また、そのメモリとしては、特に制限されず、例えばROMやハードディスク等の種々の記録媒体を利用することが可能である。
In addition to the
ここで、車両100における制御部50による制御動作の一例について更に説明する。図3は、第1実施形態において、制御部50により燃料電池システム200に備わる燃料電池の出力を調節制御する手順の一例を示すフロー図である。
Here, an example of the control operation by the
本実施形態では、まず、車両100のユーザ(運転者、操作者)がアクセル37を踏み込むと、その踏み込み量、つまりアクセル開度Wtをアクセルセンサ35が計測し、その計測信号が制御部50に送出される。制御部50は、そのアクセル開度Wtに応じた燃料電池システム200のシステム要求電力を算出する(ステップS11)。
In the present embodiment, first, when a user (driver or operator) of the
次に、制御部50は、算出された燃料電池システム200のシステム要求電力に基づいて燃料電池の必要電力Aを算出するとともに、二次電池26から供給するべき電力すなわち、二次電池26の必要電力Bを算出する(ステップS12)。換言すれば、燃料電池システム200のシステム要求電力に対して燃料電池システム200からの電力を必要電力Aに制限し、残りの必要電力Bを二次電池26から補うようにする。さらに、制御部50は、算出された燃料電池の必要電力Aに基づいて、燃料電池の目標電圧αを算出・設定する(ステップS13)。車両の走行状態に基づいて目標電圧及び/又は目標電位変動頻度(回数)を所定の範囲内に制限するように変更する制御を行うものである。
Next, the
それから、制御部50は、その算出された燃料電池の目標電圧αが所定の電圧上限値βより大きい(α>β)か否かを判断し、且つ、目標電圧αが所定の電圧下限値γよりも小さい(α<γ)か否かを判断する(ステップS14)。このとき、電圧上限値β及び電圧下限値γは、燃料電池の性能低下が比較的生じ難い電位帯の上限及び下限として、例えば、経験的、試験的、又はシミュレーション等によって予め設定又は予測することができる。
Then, the
ステップS14において、燃料電池の目標電圧αが電圧上限値βよりも大きいと判定された場合には、制御部50により、燃料電池の目標電圧が、目標電圧αから目標電圧βへ変更され(ステップS151)、制御部50は、その時の燃料電池電圧を目標電圧βに制御する(ステップS152)。あるいは、ステップS14において、燃料電池の目標電圧αが電圧下限値γよりも小さいと判定された場合には、制御部50により、燃料電池の目標電圧が、目標電圧αから目標電圧γへ変更され(ステップS171)、制御部50は、その時の燃料電池電圧を目標電圧γに制御する(ステップS172)。
When it is determined in step S14 that the target voltage α of the fuel cell is larger than the voltage upper limit value β, the
一方、ステップS14において、燃料電池の目標電圧αが電圧上限値βよりも大きくない、且つ、燃料電池の目標電圧αが電圧下限値γよりも小さくない、つまり、目標電圧αが電圧下限値γ以上で且つ電圧上限値β以下(γ≦α≦β)であると判定された場合には、制御部50により、燃料電池の目標電圧が、目標電圧αから目標電圧θへ変更される(ステップS161)。そして、制御部50は、その時の燃料電池電圧を目標電圧θに制御する(ステップS162)。ここで、目標電圧θは、電圧下限値γよりも大きく、且つ、電圧上限値βよりも小さい(つまり、γ<θ<β)値である。すなわち、この場合、初期の目標電圧αに所定の「制限率R」が乗ぜられ、その結果、燃料電池の出力が目標電圧θとなるように制限される。
On the other hand, in step S14, the target voltage α of the fuel cell is not larger than the voltage upper limit value β, and the target voltage α of the fuel cell is not smaller than the voltage lower limit value γ, that is, the target voltage α is lower than the voltage lower limit value γ. When it is determined that the voltage is equal to or lower than the voltage upper limit value β (γ ≦ α ≦ β), the
ここで、図4は、車両100におけるアクセル開度Wtと燃料電池の総電圧との関係を模式的に示す図であり、また、図5は、アクセル開度Wtに対して設定される、燃料電池の初期の目標電圧αに乗ぜられる上述した制限率Rの一例を示すグラフである。さらに、図6は、車両100の走行状態による燃料電池の電圧上昇幅(電位変動幅)及び電圧上昇発生頻度(電位変動発生頻度)の関係を示す模式図(いわゆるマップ)である。
Here, FIG. 4 is a diagram schematically showing a relationship between the accelerator opening Wt and the total voltage of the fuel cell in the
図4の「操作」と記された上段に示す如く、車両100の運転中には、アクセル37の操作によりアクセル開度Wtが経時的に刻々と変化する。そのときの燃料電池システム200における燃料電池の総電圧は、図4の「従来技術」と記された中段に記載されているとおり、アクセル開度Wtに応じて変動する。
As shown in the upper row labeled “Operation” in FIG. 4, during the operation of the
より具体的には、アクセル37が踏み込まれてアクセル開度Wtが大きいときには、燃料電池の総電圧は比較的低くなり、アクセル37の踏み込み量が更に大きくアクセル開度Wtが100%に近づくと、必要電力が急激に増大し、燃料電池の総電圧は極めて低く(高電位に)なる。一方、アクセル37が然程踏み込まれておらずアクセル開度Wtが小さいときには、燃料電池の総電圧は比較的高くなり、アクセル37が殆ど踏み込まれずアクセル開度Wtが0%に近づくと、必要電力が急激に減少し、燃料電池の総電圧は極めて高く(高電位に)なる。
More specifically, when the
その際、図4の中段に示す「従来技術」においては、先述した燃料電池の性能低下が比較的生じ難い電位帯の上限である電圧上限値βを超えるような電位変動、及び、下限である電圧下限値γを下回るような電位変動が生じても、上記図3のフローを用いて説明したような燃料電池の目標電圧の調節・制御は行われない。これに対し、本発明による本実施形態によれば、図4の下段に「本発明」として示すとおり、前述した燃料電池の初期の目標電圧αが、目標電圧β,γ,θに変更され、その上で、燃料電池電圧がそれらの目標電圧β,γ,θに制御される。したがって、燃料電池システム200の性能低下を十分に抑止することができる。
At that time, in the “prior art” shown in the middle of FIG. 4, the above-described potential fluctuation and the lower limit exceed the voltage upper limit β that is the upper limit of the potential band in which the performance degradation of the fuel cell is relatively difficult to occur. Even if a potential fluctuation that falls below the voltage lower limit γ occurs, the target voltage of the fuel cell as described with reference to the flow of FIG. 3 is not adjusted or controlled. On the other hand, according to the present embodiment of the present invention, the initial target voltage α of the fuel cell described above is changed to the target voltages β, γ, θ as shown as “present invention” in the lower part of FIG. In addition, the fuel cell voltages are controlled to their target voltages β, γ, θ. Therefore, the performance degradation of the
また、図6に示す如く、燃料電池の電圧上昇幅(図4に示す燃料電池の総電圧の上下幅)及び電圧上昇発生頻度(図4に示す燃料電池の総電圧の上下動の変動回数)は、車両100の走行状態に依存して異なる挙動を示す。燃料電池の性能低下は、その電圧上昇幅及び/又は電圧上昇発生頻度が大きくなるにつれて顕著となる傾向にあり、図6に示す内容から、燃料電池の性能低下の程度は、車両100の道路環境(市街地、郊外、高速路、登坂等)の相違に依存する走行状態によって異なる傾向にある。
Further, as shown in FIG. 6, the voltage rise width of the fuel cell (up and down width of the total voltage of the fuel cell shown in FIG. 4) and the frequency of occurrence of voltage rise (the number of fluctuations in the vertical movement of the total voltage of the fuel cell shown in FIG. 4). Shows different behavior depending on the traveling state of the
そして、かかる車両100の走行状態の違いにより、アクセル操作の程度、つまりアクセル開度Wtは自ずと異なることになるから、本実施形態においては、図3の説明で述べた燃料電池の初期の目標電圧αに乗ぜられる制限率Rを、例えば図5に示す如く、アクセル開度Wtに対して変化させるように設定するようにしても好適である。言い換えると、制御部50が、アクセル開度Wtに応じて燃料電池の電圧上昇及び/又は電圧上昇発生頻度が小さくなるような制御(電位の変動幅を狭めつつ、その変動回数を低減する制御)を行う。
Since the degree of the accelerator operation, that is, the accelerator opening Wt naturally varies depending on the difference in the traveling state of the
これにより、燃料電池の電圧上昇幅及び/又は電圧上昇発生頻度を抑えて、燃料電池の性能低下を更に抑制することができるとともに、車両100の走行状態に応じて、燃料電池の出力電圧を調節・制御することができる。 As a result, it is possible to further suppress the performance degradation of the fuel cell by suppressing the voltage rise width and / or frequency of occurrence of the voltage rise of the fuel cell, and to adjust the output voltage of the fuel cell according to the running state of the vehicle 100.・ It can be controlled.
(第2実施形態)
図7は、本発明の燃料電池システムの第2実施形態において、制御部50により燃料電池システム200に備わる燃料電池の出力を調節制御する手順の一例を示すフロー図である。なお、第2実施形態の燃料電池システムを備える車両の構成は、図1及び図2に示す第1実施形態と同等であるので、ここでの重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a procedure for adjusting and controlling the output of the fuel cell provided in the
本実施形態は、例えば図5に示すアクセル開度Wtに対して設定される制限率Rの関係を、燃料電池の電圧制御に直接的に適用する一例であり、言わば、ユーザの操作によるアクセルパターンに応じて燃料電池の電圧の変動を抑制するための制御(電位変動抑制制御)を行うように構成されたものである。 The present embodiment is an example in which, for example, the relationship of the limiting rate R set with respect to the accelerator opening degree Wt shown in FIG. 5 is directly applied to the voltage control of the fuel cell. Accordingly, control for suppressing fluctuations in the voltage of the fuel cell (potential fluctuation suppression control) is performed.
制御部50は、まず、アクセル開度Wtに応じた燃料電池システム200のシステム要求電力を算出し(ステップS11)、そのシステム要求電力に基づいて燃料電池の必要電力Aを算出するとともに、二次電池26から供給するべき必要電力Bを算出する(ステップS12)。そして、制御部50は、算出された燃料電池の必要電力Aに基づいて、燃料電池の目標電圧αを算出・設定する(ステップS13)。なお、ここまでは、図3に示す第1実施形態における手順と同じである。
First, the
さらに、制御部50は、燃料電池の電位変動抑制モードであるか否かを判断する(ステップS24)。この電位変動制御モードであるか否かの判定は、例えば、アクセル開度Wtが予め設定した所定の範囲内にある場合に、電位変動制御モードであると判断し、アクセル開度Wtがその所定の範囲内にない場合(一例として、アクセル開度Wtが一定値以上になったとき)に、電位変動制御モードではないと判断することができる。このようにすれば、ユーザによる車両100の使用方法・運転方法に応じた電圧制御が可能となる。
Further, the
そして、ステップS24において、電位変動抑制モードではないと判定された場合(例えば、上述の如く、アクセル開度Wtが一定値以上になった場合)には、燃料電池の初期の目標電圧αを変更することなく、制御部50は、燃料電池電圧をその目標電圧αに制御する(ステップS36)。一方、ステップS24において、電位変動抑制モードであると判定された場合には、制御部50により、燃料電池の初期の目標電圧αに、例えば図5に示すその時のアクセル開度Wtに対応する制限率Rが乗算され、制御部50は、燃料電池電圧をその目標電圧α×Rに制御する(ステップS26)。この図5の例では、アクセル開度Wtが一定値以上及び一定値以下になった場合には、制限率Rを小さくして燃料電池の電位変動の抑制を緩和するような制御が実行される。
If it is determined in step S24 that the current mode is not the potential fluctuation suppression mode (for example, when the accelerator opening Wt is equal to or greater than a certain value as described above), the initial target voltage α of the fuel cell is changed. Without doing so, the
このような制御を実行する制御部50を備える第2実施形態においても、車両100の走行状態を反映したアクセル開度Wtに応じて燃料電池電圧が適正に制御されるので、燃料電池システム200の性能低下を十分に抑止しつつ、燃料電池システム200の制限電力を補う二次電池26への負荷を低減して、車両100の燃費が悪化してしまうことを防止することができる。また、電位変動抑制モードを実行して燃料電池の電圧を制限する必要がないような場合には、そのような電圧変動抑制制御を行わないので、この点においても、車両100の燃費の悪化を更に抑制することが可能となる。
Even in the second embodiment including the
(第3実施形態)
図8は、本発明の燃料電池システムの第3実施形態において、制御部50により燃料電池システム200に備わる燃料電池の出力を調節制御する手順の一例を示すフロー図である。なお、第3実施形態の燃料電池システムを備える車両の構成も、図1及び図2に示す第1実施形態と同等であるので、ここでの重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a flowchart showing an example of a procedure for adjusting and controlling the output of the fuel cell provided in the
本実施形態は、道路環境等の車両100の走行状態に依存するアクセル操作に応じて、燃料電池の電圧制御をより詳細に実施する一例であり、特に道路環境を直接的に判断し、その判定結果を燃料電池の電圧制御にフィードバックするように構成されたものである。
The present embodiment is an example in which the voltage control of the fuel cell is performed in more detail in accordance with the accelerator operation depending on the traveling state of the
制御部50は、まず、アクセル開度Wtに応じた燃料電池システム200のシステム要求電力を算出し(ステップS11)、そのシステム要求電力に基づいて燃料電池の必要電力Aを算出するとともに、二次電池26から供給するべき必要電力Bを算出する(ステップS12)。そして、制御部50は、算出された燃料電池の必要電力Aに基づいて、燃料電池の目標電圧αを算出・設定する(ステップS13)。なお、ここまでは、図3に示す第1実施形態における手順と同じである。
First, the
さらに、制御部50は、道路環境による燃料電池の電位変動抑制モードであるか否かを判断する(ステップS34)。具体的には、例えば、燃料電池のモード設定スイッチ51に、以下の3つのモードを設定して、車両100のユーザが各モードを自由に選択して切り替えられるように構成する。
Furthermore, the
・スポーツモード:燃料電池の性能を最大限使用するモード(電位変動抑制制御なし)
・オートモード:ユーザによる車両100の使用方法・運転方法に応じて燃料電池の電圧抑制の有無及び程度を制御するモード(電位変動抑制制御の有無を自動で切り替え)
・ソフトモード:燃料電池にかかる負荷を低減して使用するモード(電位変動抑制制御あり)
・ Sport mode: Mode that uses the maximum performance of the fuel cell (no potential fluctuation suppression control)
Auto mode: A mode that controls the presence or absence and degree of voltage suppression of the fuel cell according to the user's usage and driving method of the vehicle 100 (automatic switching of presence or absence of potential fluctuation suppression control)
・ Soft mode: A mode that reduces the load applied to the fuel cell (with potential fluctuation suppression control)
そして、燃料電池のモード設定スイッチ51で「スポーツモード」が選択されている場合、又は、「オートモード」が選択され且つアクセル開度Wtが予め設定した所定の範囲外である場合、制御部50により、電位変動抑制モードではないと判定され、制御部50は、燃料電池の初期の目標電圧αを変更することなく、燃料電池電圧をその目標電圧αに制御する(ステップS36)。一方、モード設定スイッチ51で「オートモード」が選択され且つアクセル開度Wtが予め設定した所定の範囲内である場合、又は、「ソフトモード」が選択されている場合、制御部50により、電位変動抑制モードであると判定される。
When the “sport mode” is selected by the
電位変動抑制モードであると判定された場合には、制御部50は、道路環境を判断する処理を実行する(ステップS35)。道路環境の判定は、例えば、車速センサ52から制御部50へ送出される車速変化から算出した平均車速等、ナビゲーションシステム53から制御部50に送出される地図データ等の外部環境に関する情報、ステップS11で算出されるシステム要求電力(要求される平均トルクに相当)の情報等に基づいて行われる。なお、それらの情報は、それぞれを単独で、又は、複数組み合わせて用いることができる。
When it is determined that the potential fluctuation suppression mode is set, the
道路環境の種類としては、例えば、図6に示す市街地、郊外、高速路、登坂、さらには、降坂等が挙げられる。表1に、道路環境判定の一例を示す。 Examples of the road environment include urban areas, suburbs, highways, uphills, and downhills shown in FIG. Table 1 shows an example of road environment determination.
ここで、図9は、道路環境に応じて、アクセル開度Wtに対して設定される、燃料電池の初期の目標電圧αに乗ぜられる制限率Rの一例を示すグラフである。同図に示す如く、本実施形態では、道路環境の相違によって、アクセル開度Wtに対する燃料電池の電圧の制限率Rが異なるように設定されている。この例では、道路環境が市街地、郊外、及び高速路の場合、制限率Rとして、それぞれ制限率Ra,Rb,Rcを採用する。それらの大小関係は、概ね、制限率Ra<制限率Rb<制限率Rcとされている。 Here, FIG. 9 is a graph showing an example of the limiting rate R multiplied by the initial target voltage α of the fuel cell, which is set for the accelerator opening Wt according to the road environment. As shown in the figure, in this embodiment, the limiting rate R of the fuel cell voltage with respect to the accelerator opening Wt is set to be different depending on the road environment. In this example, when the road environment is an urban area, a suburb, and a highway, the limiting rates Ra, Rb, and Rc are adopted as the limiting rate R, respectively. The magnitude relationship between them is generally such that the limiting rate Ra <the limiting rate Rb <the limiting rate Rc.
すなわち、道路環境が市街地の場合(制限率Ra)には、電位抑制による電圧上昇(変動)幅と電圧上昇(変動)発生頻度を抑える制御の程度を比較的弱くする。一方、道路環境が郊外の場合(制限率Rb)には、電位抑制による電圧上昇幅と電圧上昇発生頻度を抑える制御の強弱を中程度とする。他方、道路環境が高速路の場合(制限率Rc)には、電位抑制による電圧上昇幅と電圧上昇発生頻度を抑える制御の程度を比較的強くする。 That is, when the road environment is an urban area (limitation rate Ra), the degree of control for suppressing the voltage rise (fluctuation) width and the voltage rise (fluctuation) occurrence frequency due to potential suppression is made relatively weak. On the other hand, when the road environment is a suburb (limitation rate Rb), the level of voltage increase due to potential suppression and the strength of control for suppressing the frequency of voltage increase are set to medium. On the other hand, when the road environment is a highway (restriction rate Rc), the degree of control for suppressing the voltage increase width due to potential suppression and the frequency of occurrence of voltage increase is made relatively strong.
このような制御を実現するべく、ステップS35において、道路環境が市街地であると判定された場合には、制御部50により、燃料電池の初期の目標電圧αに制限率Raが乗算され、制御部50は、燃料電池電圧をその目標電圧α×Raに制御する(ステップS37)。一方、ステップS35において、道路環境が郊外であると判定された場合には、制御部50により、燃料電池の初期の目標電圧αに制限率Rbが乗算され、制御部50は、燃料電池電圧をその目標電圧α×Rbに制御する(ステップS37)。他方、ステップS35において、道路環境が高速路であると判定された場合には、制御部50により、燃料電池の初期の目標電圧αに制限率Rcが乗算され、制御部50は、燃料電池電圧をその目標電圧α×Rcに制御する(ステップS38)。
In order to realize such control, when it is determined in step S35 that the road environment is an urban area, the
このような制御を実行する制御部50を備える第3実施形態においても、車両100の走行状態を反映して燃料電池電圧が適正に制御されるので、燃料電池システム200の性能低下を十分に抑止することができる。
Also in the third embodiment including the
さらに、燃料電池のモード設定スイッチ51を設けて、燃料電池の電圧制御ひいては車両100の出力に関する多くの選択肢をユーザに提供することができ、これにより、車両100の走行性能及び燃費が最適となる電位変動抑制制御をユーザが自ら選択することが可能となる。
Further, the fuel cell
なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、上述の各実施形態における制御部50による制御が適用可能な電源システムは、図1に例示したものに限らない。また、第3実施形態のステップS35における道路環境の判定に、大気圧センサ等によって計測した高度(標高)データ等を更に用いてもよい。さらに、各実施形態において、燃料電池システム200に供給される反応ガスの流量を操作して燃料電池出力を調節する制御を組み合わせてもよく、その場合、制御部50がその制御を実行するように構成してもよい。
In addition, as above-mentioned, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the limit which does not change the summary. For example, the power supply system to which the control by the
またさらに、電位変動抑制制御の程度を弱めたりキャンセルしたりできるように構成してもよい。燃料電池の電位変動を抑制する制御は、ユーザのアクセル操作に対して燃料電池出力を抑えることになるため、ユーザがパワー不足を感じる可能性がある。したがって、ユーザのアクセル操作により、又は、道路環境等により、電位変動抑制制御の程度を弱めたりキャンセルしたりできるようにすれば、ユーザの嗜好により一層応えることができる。 Furthermore, the configuration may be such that the degree of potential fluctuation suppression control can be weakened or canceled. Since the control for suppressing the potential fluctuation of the fuel cell suppresses the fuel cell output in response to the user's accelerator operation, the user may feel insufficient power. Therefore, if the degree of potential fluctuation suppression control can be weakened or canceled by the user's accelerator operation or the road environment, the user's preference can be further met.
さらに、燃料電池のモード設定スイッチ51の他に、例えば、ECO(エコ)モードスイッチを付加してもよい。かかるECOモードスイッチとしては、例えば、車両100の燃費向上を実現できる種々公知の制御を、その強弱の程度を変えて設定可能なものが挙げられる。ここで、表2に、第3実施形態で説明したモード設定スイッチ51による電位変動抑制制御と、ECOモードスイッチに設定された複数のモードによる制御とを組み合わせたときの燃費向上効果の一例を示す。
Further, in addition to the fuel cell
以上説明したとおり、本発明によれば、燃料電池による発電電力の変化量を制限して性能低下を防止しつつ、バッテリ及び補機への負荷を軽減し、且つ、車両の燃費悪化を抑止することが可能になる。よって、本発明は、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができる。 As described above, according to the present invention, the load on the battery and the auxiliary equipment is reduced and the deterioration of the fuel consumption of the vehicle is suppressed while limiting the amount of change in the power generated by the fuel cell to prevent performance degradation. It becomes possible. Therefore, the present invention can be widely and effectively used for fuel cells in general, vehicles including fuel cells, equipment, systems, facilities, and the like, and the production thereof.
20 電源システム
26 二次電池(バッテリ)
28 残存容量モニタ
30 負荷部
31 トラクションモータ
32 ギヤ機構
34 車輪
35 アクセルセンサ
36 駆動回路
37 アクセル
50 制御部(制御手段)
51 モード設定スイッチ51
52 車速センサ
53 ナビゲーションシステム53
64 DC−DCコンバータ
67 電流計
69 電圧計
100 車両
200 燃料電池システム
A 燃料電池の必要電力
B 二次電池の必要電力
R 制限率
Ra,Rb,Rc 制限率
Wt アクセル開度
α,θ 目標電圧
β 電圧上限値
γ 電圧下限値
20
28 Remaining capacity monitor 30
51
52
64 DC-
Claims (1)
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記車両のアクセル開度に応じて当該燃料電池システムのシステム要求電力を算出し、該システム要求電力に基づいて前記燃料電池の必要電力を算出し、該必要電力に基づいて前記燃料電池の目標電圧及び/又は目標電位変動頻度を設定し、前記車両の走行状態に基づいて前記目標電圧及び/又は前記目標電位変動頻度を所定の範囲内に制限するように変更する制御を行うものである、
燃料電池システム。 The present invention is a fuel cell system mounted on a vehicle,
A fuel cell;
Control means for controlling the output voltage of the fuel cell;
With
The control means calculates a system required power of the fuel cell system according to the accelerator opening of the vehicle, calculates a required power of the fuel cell based on the system required power, and based on the required power A target voltage and / or target potential fluctuation frequency of the fuel cell is set, and control is performed to change the target voltage and / or the target potential fluctuation frequency to be limited within a predetermined range based on the running state of the vehicle. Is,
Fuel cell system.
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