JP2014166103A - 電力システム及び燃料電池車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】FC車両10又は電力システム12の制御装置30は、モータ14の負荷が負荷閾値を下回るとき、DC/DCコンバータ24の昇圧動作を停止させて、FC50からモータ14に電力を供給させ、モータ14の負荷が負荷閾値を上回るとき、DC/DCコンバータ24に昇圧動作を実行させ、FC50の出力電圧Vfcに応じて負荷閾値を変化させる。
【選択図】図1
Description
[1−1.全体構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両10(以下「FC車両10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。FC車両10は、燃料電池システム12(以下「FCシステム12」という。)と、走行モータ14(以下「モータ14」という。)と、インバータ16とを有する。
本実施形態のモータ14は、3相交流ブラシレス式である。モータ14は、FCユニット20及びバッテリ22から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション32を通じて車輪34を回転させる。また、モータ14は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ22等に出力する。モータ14の各相(U相、V相、W相)の電流は、電流センサ36u、36v、36wにより検出される。或いは、3相のうち2相のみ電流を検出し、これらの電流から残りの1相の電流を検出してもよい。
FCユニット20は、燃料電池スタック50(以下「FCスタック50」又は「FC50」という。)と、その周辺部品とを備える。FCスタック50は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セルを積層した構造を有する。前記周辺部品には、FCスタック50のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、FCスタック50のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、FCスタック50を冷却する冷却系と、セル電圧モニタとが含まれる。後述するように、前記周辺部品の一部は、補機28にも含まれる。なお、図1に示すように、FCユニット20(FC50)とインバータ16の間において昇圧コンバータ24と並列に、逆流防止ダイオード52が配置されている。
バッテリ22は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ22の出力電圧(以下「バッテリ電圧Vbat」という。)[V]は、電圧センサ60により検出され、バッテリ22の出力電流(以下「バッテリ電流Ibat」という。)[A]は、電流センサ62により検出され、それぞれECU30に出力される。ECU30は、バッテリ電圧Vbatとバッテリ電流Ibatとに基づいて、バッテリ22の残容量(SOC)[%]を算出する。
昇圧コンバータ24は、FC50の出力電圧(FC電圧Vfc)を昇圧してインバータ16に供給する昇圧チョッパ型の電圧変換装置(DC/DCコンバータ)である。昇圧コンバータ24は、FC50とインバータ16との間に配置される。換言すると、昇圧コンバータ24は、一方がFC50のある1次側1Sfに接続され、他方がバッテリ22と負荷40との接続点である2次側2Sに接続されている。以下では、昇圧コンバータ24を、FC50用電圧制御ユニットの意味で「FC−VCU24」とも称する。
昇降圧コンバータ26は、昇降圧チョッパ型の電圧変換装置(DC/DCコンバータ)である。すなわち、昇降圧コンバータ26は、バッテリ22の出力電圧(バッテリ電圧Vbat)を昇圧してインバータ16に供給すると共に、モータ14の回生電圧(以下「回生電圧Vreg」という。)又はFC電圧Vfcとしてのインバータ入力端電圧Vinvを降圧してバッテリ22に供給することが可能である。昇降圧コンバータ26は、バッテリ22とインバータ16との間に配置される。換言すると、昇降圧コンバータ26は、一方がバッテリ22のある1次側1Sbに接続され、他方がFC50と負荷40との接続点である2次側2Sに接続されている。以下では、昇降圧コンバータ26を、バッテリ22用電圧制御ユニットの意味で「BAT−VCU26」とも称する。
補機28としては、例えば、エアポンプ、ウォータポンプ、エアコンディショナ、降圧型DC−DCコンバータ、低電圧バッテリ、アクセサリ、ラジエータファン及びECU30の少なくとも1つを含むことができる。
ECU30は、通信線106(図1)を介して、モータ14、インバータ16、FCユニット20、バッテリ22、昇圧コンバータ24、昇降圧コンバータ26及び補機28を制御する。当該制御に際しては、ECU30は、記憶部に記憶されたプログラムを実行する。また、ECU30は、電圧センサ54、60、78、電流センサ36u、36v、36w、56、62、80、104等の各種センサの検出値を用いる。
次に、ECU30における制御について説明する。
図4には、ECU30における基本的な制御のフローチャートが示されている。メインSW116がオンでない場合(S1:NO)、ECU30は起動しない。メインSW116がオンである場合(S1:YES)、ECU30が起動し、ステップS2に進む。ステップS2において、ECU30は、FCシステム12に要求される負荷(システム負荷Psys)[W]を計算する。
図5には、システム負荷Psysを計算するフローチャート(図4のS2の詳細)が示されている。ステップS11において、ECU30は、開度センサ110からアクセルペダル114の開度θpを読み込む。ステップS12において、ECU30は、回転数センサ112からモータ14の回転数Nmotを読み込む。
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、FCシステム12の各部の動作制御を行う。以下では、特に車両10が力行中である場合に絞って説明する。
エネルギマネジメントの一環として、ECU30は、昇圧コンバータ24(FC−VCU24)及び昇降圧コンバータ26(BAT−VCU26)のいずれを作動させるかを選択する。例えば、寒冷地においてメインSW116がオンにされた直後には、FC50を暖機させるため、バッテリ22のみから電力供給する。この場合、BAT−VCU26のみを作動させる。また、車両10の加速時(特に急加速時)には、バッテリ22及びFC50の両方から電力供給する。この場合、FC−VCU24及びBAT−VCU26の両方を作動させる。さらに、車両10の巡航時には、FC50のみから電力供給する。この場合、FC−VCU24のみを作動させる。
本実施形態では、車両10の力行時には、インバータ入力端電圧Vinvを制御対象としてFC−VCU24及びBAT−VCU26の少なくとも一方を作動させる。すなわち、入力端電圧Vinvの目標値(以下「目標入力端電圧Vinv_tar」という。)を設定し、入力端電圧Vinvが目標入力端電圧Vinv_tarと等しくなるように、FC−VCU24及びBAT−VCU26を制御する。
次に、目標電圧マップ150の基本的な考え方について説明する。
図8は、モータ回転数Nmot及びモータトルクTmotの組合せと要求モータ電圧Vmot_reqとの関係を規定した参考マップ140の一例を示す。ここにいうモータ回転数Nmot及びモータトルクTmotは、実測値又は要求値のいずれであってもよい。また、要求モータ電圧Vmot_reqは、例えば、アクセルペダル114の開度θpに応じて特定されるモータ14の目標入力電圧であり、モータ14の電力効率(以下「電力効率Emot」という。)を考慮して設定される。本実施形態の要求モータ電圧Vmot_reqは、モータ14の電力効率Emotに加え、インバータ16の電力効率(以下「電力効率Einv」という。)も考慮して設定される。要求モータ電圧Vmot_reqをモータ14の目標入力電圧としてそのまま用いた場合、要求モータ電圧Vmot_reqは、目標入力端電圧Vinv_tarと同じ値となる。
図9は、モータ回転数Nmot及びモータトルクTmotの組合せとインバータ入力端電圧Vinvの目標値(目標入力端電圧Vinv_tar)との関係を規定した目標電圧マップ150の一例を示す。マップ150は、参考マップ140に基づいて設定されるものであり、本実施形態において実際に用いられるマップである。ここにいうモータ回転数Nmot及びモータトルクTmotは、実測値又は目標値のいずれであってもよい。
FC50のみから電力を供給している場合、FCシステム12全体の電力効率Etotalには、モータ14、インバータ16の電力効率Emot、Einv又は電力損失(以下「電力損失Lmot、Linv」という。)に加え、FC−VCU24の電力効率Efcvcu又は電力損失(以下「電力損失Lfcvcu」という。)が影響する。以下では、FC−VCU24の電力損失Lfcvcuについて述べる。
本実施形態では、FCシステム12全体の電力効率Etotalを考慮して第1〜第4領域A1〜A4(図9)を設定する。説明の都合上、以下では第4領域A4、第3領域A3、第2領域A2及び第1領域A1の順に説明する。
第3領域A3は、モータ出力Pmotが比較的低い状態(低負荷状態)であり且つモータ回転数Nmotが比較的高い状態に用いる領域である。第4領域A4に関連して説明したように、モータ14が低負荷であっても、高いモータ回転数Nmotを維持するため又は回転数Nmotを過度に低下させないためには、インバータ入力端電圧Vinvを高くする必要が生じる(図8の参考マップ140参照)。高いモータ回転数Nmotを維持するため又は回転数Nmotを過度に低下させないために、入力端電圧Vinvを高くする場合、FC−VCU24の電力効率Efcvcuと比較してモータ14の電力効率Emotも無視できなくなる。さらに、低負荷状態且つ高回転状態の場合、モータトルクTmotは低くなる。そこで、FC−VCU24を直結状態とはせず、FC−VCU24による昇圧を行う。
第2領域A2は、モータ出力Pmotが比較的高い状態(高負荷状態)であり且つモータトルクTmotが比較的低い状態(低トルク状態)に用いる領域である。上記のように、モータ14が高負荷状態であれば、FC−VCU24の通過電力Pfcvcuは大きくなり、FC−VCU24の電力効率EfcvcuがFCシステム12の電力効率Etotalに与える影響が大きくなる。
第1領域A1は、モータ出力Pmotが比較的高い状態(高負荷状態)であり且つモータトルクTmotが比較的高い状態(高トルク状態)に用いる領域である。第1領域A1では、参考マップ140の特性をそのまま用いる。これは、高負荷且つ高トルク状態では、モータ14及びインバータ16の電力効率Emot、Einvが、FCシステム12の電力効率Etotalにおいて支配的となるためである。
図11は、目標電圧マップ150における各領域(第1〜第4領域A1〜A4)の設定方法を示すフローチャートである。本実施形態において、図11は、ECU30が実際に実行する処理ではなく、ECU30が用いるマップ150を設定する際の基準又は指標であることに留意されたい。但し、ECU30が実行する処理として図11の内容を用いてもよい。
図13は、本実施形態に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの一例を示す。図13の時点t1〜t2の間は、車両10が相対的に低車速で巡航状態であり、モータ出力Pmot、モータ回転数Nmot、目標入力端電圧Vinv_tar及びFC−VCU24の電力損失Lfcvcuはいずれも略一定である。ここでは、FC−VCU24が直結状態(目標入力端電圧Vinv_tar=FC電圧Vfc)であり、モータ回転数Nmot及びモータトルクTmotから特定される目標入力端電圧Vinv_tarは第4領域A4に属する(図11のS37参照)。
図4のFC発電制御(S4)について説明する。上記のように、FC発電制御として、ECU30は、FCスタック50の周辺機器を制御する。具体的には、ECU30は、エネルギマネジメント(図4のS3)で算出したこれらの機器の指令値を用いてこれらの機器を制御する。
図14を参照して、図4のモータトルク制御(S5)について説明する。図14には、モータトルク制御のフローチャート(図4のS5の詳細)が示されている。ステップS41において、ECU30は、回転数センサ112からモータ回転数Nmotを読み込む。ステップS42において、ECU30は、開度センサ110からアクセルペダル114の開度θpを読み込む。
以上説明したように、本実施形態によれば、モータ出力Pmot(モータ14の負荷)が閾値THpmot2(負荷閾値)を下回るとき(すなわち、モータ14が低負荷状態であるとき)(図11のS31:YES)、FC−VCU24(DC/DCコンバータ)の昇圧動作を停止させて、FC50からモータ14に電力を供給させる、すなわち、直結処理を行う(図11のS37及び図9の第4領域A4参照)。従って、低負荷時におけるFC−VCU24の電力損失Lfcvcu(スイッチング損失)を低減することが可能となる。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、FCシステム12をFC車両10に搭載したが、これに限らず、例えば、FC電圧Vfcを昇圧してモータ14に供給するFC−VCU24(DC/DCコンバータ)を利用する観点からすれば、FCシステム12を別の対象に搭載してもよい。例えば、FCシステム12を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、FCシステム12を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。
上記実施形態では、FC50と高電圧バッテリ22を並列に配置し、FC50の手前に昇圧コンバータ24を配置し、バッテリ22の手前に昇降圧コンバータ26を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、バッテリ22の手前に配置するDC/DCコンバータを昇降圧式ではなく、昇圧式としてもよい。或いは、図15に示すように、FC50とバッテリ22を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ170をFC50の手前に配置する構成であってもよい。或いは、FC50とDC/DCコンバータ170のみを用い、バッテリ22及び昇降圧コンバータ26を用いない構成も可能である。
上記実施形態では、目標電圧マップ150の領域を主として4つに分けたが、その他の特徴(例えば、第4領域A4をFC電圧Vfcに応じて変化させる点)に着目すれば、これに限らない。例えば、第1〜第4領域A1〜A4のうちいずれか2つ又は3つのみを用いてもよい。例えば、第1・第2・第4領域A1、A2、A4のみの組合せ、第1・第3・第4領域A1、A3、A4のみの組合せ、第1・第4領域A1、A4のみの組合せ又は第2・第4領域A2、A4のみの組合せも可能である。或いは、第1〜第4領域A1〜A4に加え、その他の領域を設定することも可能である。
14…モータ 16…インバータ
24…昇圧コンバータ(DC/DCコンバータ)
26…昇降圧コンバータ 30…ECU(制御装置)
50…燃料電池スタック(燃料電池) 170…DC/DCコンバータ
Emot…モータの電力効率 Lfcvcu…昇圧コンバータの電力損失
Lmot…モータの電力損失 Nmot…モータ回転数
Pmot…モータ出力(モータの負荷) THnmot…モータ回転数閾値
THpmot2…第2モータ出力閾値(負荷閾値)
THtmot…トルク閾値 Tmot_req…要求モータトルク
Vfc…FC電圧(燃料電池の出力電圧)
Vinv_tar…目標入力端電圧(DC/DCコンバータの目標出力電圧)
Vmot_req…要求モータ電圧
Claims (4)
- 燃料電池と、
モータと、
前記燃料電池と前記モータの間に配置され、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給するインバータと、
前記燃料電池と前記インバータの間に配置され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータを制御する制御装置と
を備える電力システムであって、
前記制御装置は、
前記モータの負荷が負荷閾値を下回るとき、前記DC/DCコンバータの昇圧動作を停止させて、前記燃料電池から前記モータに電力を供給させ、
前記モータの負荷が前記負荷閾値を上回るとき、前記DC/DCコンバータに昇圧動作を実行させ、
前記燃料電池の出力電圧に応じて前記負荷閾値を変化させる
ことを特徴とする電力システム。 - 請求項1記載の電力システムにおいて、
前記制御装置は、
モータ回転数の閾値である回転数閾値を設定し、
前記モータの負荷が前記負荷閾値を下回り且つ前記モータ回転数が前記回転数閾値を上回る場合、前記DC/DCコンバータでの電力損失と前記モータでの電力損失の合算値を低下させることを基準として前記DC/DCコンバータの昇圧率を算出する
ことを特徴とする電力システム。 - 請求項1又は2記載の電力システムにおいて、
前記モータの電力効率を考慮して要求モータトルク及び前記モータ回転数に基づいて特定される前記モータへの目標入力電圧を要求モータ電圧と定義するとき、
前記制御装置は、
前記モータの負荷が前記負荷閾値を上回り且つ前記要求モータトルクがトルク閾値を上回る場合、前記DC/DCコンバータの目標出力電圧として前記要求モータ電圧を設定し、
前記モータの負荷が前記負荷閾値を上回り且つ前記要求モータトルクが前記トルク閾値を下回る場合、前記DC/DCコンバータの目標出力電圧として前記要求モータ電圧より小さい値を設定する
ことを特徴とする電力システム。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力システムを有し、
前記モータが走行用モータである
ことを特徴とする燃料電池車両。
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