JP2015035840A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池の劣化や出力低下を回避しつつ運転状況の変化に対応して高効率を維持できる燃料電池車両を提供する。
【解決手段】燃料電池1と蓄電池3がDC−DCコンバータ2,4を介して走行用インバータモータ6に対して並列に接続された燃料電池車両10において、前記DC−DCコンバータ2,4をバイパスして前記燃料電池側と前記蓄電池側のそれぞれにおいて前記インバータモータと直結可能な燃料電池側および蓄電池側直結回路(12,14)と、前記DC−DCコンバータおよび前記各側直結回路の開閉を制御する制御手段(11,13)と、を備え、運転状況に応じて、前記燃料電池と前記蓄電池の何れか一方を、前記各側直結回路を介して前記インバータモータと選択的に直結し、かつ、前記燃料電池と前記蓄電池の他方を、定電流制御で動作する前記DC−DCコンバータを介して接続するかまたは停止できるように構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池車両に関し、さらに詳しくは、燃料電池と蓄電池を備えた電動車両の制御システムに関するものである。
燃料電池車両は、電力の利用効率を高めるために燃料電池と共に蓄電池が搭載されることが有利である。例えば、燃料電池とインバータモータは直結され、燃料電池に過電圧が印加されるのを防止するためにダイオードが設けられる一方、蓄電池はDC−DCコンバータを介してインバータモータと接続される(特許文献1,2参照)。
このような燃料電池車両では、高負荷時や負荷変動時には蓄電池からも電力供給を行うとともに、車両減速時にはモータからの回生電力を蓄電池に充電することが有利であるが、セル電圧が高いと触媒の酸化が進行して活性が低下し燃料電池の出力が低下する問題があり、また、セル電圧が変化すると触媒の酸化還元の反復により溶解が進行し燃料電池が劣化する問題がある。そのため、これらの問題を回避できかつ運転状況の変化に対応して高効率を維持できるような効率的な制御システムが検討されている。
特開2006−286305号公報 特開2010−259276号公報
本発明は従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の劣化や出力低下を回避しつつ運転状況の変化に対応して高効率を維持できる燃料電池車両を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池と蓄電池がDC−DCコンバータを介して走行用インバータモータに対して並列に接続された燃料電池車両において、
前記DC−DCコンバータをバイパスして前記燃料電池側と前記蓄電池側のそれぞれにおいて前記インバータモータと直結可能な燃料電池側および蓄電池側直結回路と、前記DC−DCコンバータおよび前記各側直結回路の開閉を制御する制御手段と、を備え、
運転状況に応じて、前記燃料電池と前記蓄電池の何れか一方を、前記各側直結回路を介して前記インバータモータと選択的に直結し、かつ、前記燃料電池と前記蓄電池の他方を、定電流制御で動作する前記DC−DCコンバータを介して接続するかまたは停止できるように構成されていることを特徴とする。
すなわち、燃料電池側と蓄電池側のそれぞれにDC−DCコンバータと、それをバイパスする直結回路とを設け、それらを運転状況に応じて選択的に切り替えることで、燃料電池を高効率に維持することを特徴としており、この構成は以下のような燃料電池の特性を考慮したものである。
図8(a)は燃料電池の電流−電圧曲線を示すグラフであり、電流が大きくなるに従って電圧が下がる特性となっている。図8(b)は燃料電池の電流と効率の関係を示しており、セル電圧が0.7V付近が最も効率が高く、0.64〜0.75Vの範囲であれば最大の効率が得られる。したがって、この範囲にセル電圧が維持されるような制御を行うことで高効率が得られると共に、燃料電池の劣化を防止することが可能となる。
具体的には、燃料電池側においてセル電圧が高い領域(図8(a)の左上側)にある場合には、DC−DCコンバータを定電流制御でダウンコンバート動作させて、セル電圧を降下させる。逆に、セル電圧が低い領域(図8(a)の右下側)にある場合、燃料電池側は直結してDC−DCコンバータを通過することに伴う効率低下を回避するとともに、蓄電池から補助電力を供給してセル電圧を上昇させる。また、極低温状態となった場合や燃料電池が劣化した場合には、DC−DCコンバータを定電流制御でアップコンバート動作させて、セル電圧の上昇すなわち回復を行う。
本発明に係る燃料電池車両は、上記構成により、以下のような効果を有する。
第1に、燃料電池と蓄電池の何れか一方は常にインバータモータと直結され、DC−DCコンバータを介さずに電力供給または蓄電池への回生電力の充電が可能であるため、DC−DCコンバータによる効率低下を回避できる。
第2に、燃料電池と蓄電池の他方は、定電流制御で動作するDC−DCコンバータを介して接続することで、起動時や回生時における燃料電池の電圧上昇防止、高出力時における蓄電池の過充電防止および補助電力供給が可能となり、燃料電池の劣化や出力低下を回避しつつ運転状況の変化に対応して高効率を維持する上で有利である。また、通常走行時や蓄電池の故障時には蓄電池を遮断することもできる。
第3に、燃料電池と蓄電池の何れか一方は常にインバータモータと直結されるので、燃料電池側および蓄電池側での定電流制御を1つのDC−DCコンバータで実施可能となり、比較的大型の部品であるインダクタ(チョークコイル)を1つにすることができ、機器搭載スペースの制約が大きい電動二輪車や三輪車への実施に有利である。
以上述べたような各運転状況に応じた動作モードを予め制御手段(制御手段に付設の記憶装置)に格納しておき、運転操作に応じたモード選択により、燃料電池、蓄電池、DC−DCコンバータ、および各側直結回路が切り替わるような構成が有利である。
すなわち、本発明は、燃料電池と蓄電池がDC−DCコンバータを介して走行用インバータモータに対して並列に接続された燃料電池車両において、
前記DC−DCコンバータをバイパスして前記燃料電池側と前記蓄電池側のそれぞれにおいて前記インバータモータと直結可能な燃料電池側および蓄電池側直結回路と、前記DC−DCコンバータおよび前記各側直結回路の開閉を制御する制御手段と、を備え、
前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給すると共に、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる起動モード、
前記燃料電池を前記インバータモータと直結して前記燃料電池から前記インバータモータに電力供給すると共に、前記蓄電池側直結回路を開く通常走行モード、
制動操作時に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池に回生電力を充電すると共に、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる回生モード、
を含む各モードで選択的に動作可能に構成されている燃料電池車両にもある。
上記構成によれば、起動モードでは、蓄電池から直結でインバータモータに電力供給することで、EVとして直ちに走行可能となる一方、燃料電池をDC−DCコンバータを介して接続することで、セル電圧の上昇を回避しながら通常走行に必要な出力になるまで電流値を上昇させることができる。
また、通常走行モードでは、燃料電池から直結でインバータモータに電力供給することで、DC−DCコンバータによる効率低下を回避でき、さらに、制動操作時には、DC−DCコンバータによる効率低下を回避しながら蓄電池に回生電力を効率良く充電できるとともに、燃料電池はDC−DCコンバータを介して接続することで、セル電圧の上昇を回避し高効率状態を維持したまま通常走行に復帰できる。
本発明のさらに好適な態様では、前記通常走行モードにおいて、前記蓄電池側で前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させ、前記蓄電池から、前記DC−DCコンバータを介して前記インバータモータに電力供給する高出力走行モードを含む。
上記構成によれば、高出力時に、蓄電池から過充電を防止しながら補助電力を供給可能となり、燃料電池の出力不足やセル電圧低下を回避しつつ高効率を維持できる。
本発明のさらに好適な態様では、
前記燃料電池の異常が検出された場合に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる燃料電池劣化モード、
前記燃料電池が故障した場合に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記DC−DCコンバータを停止する燃料電池故障モード、
前記蓄電池が故障した場合に、前記燃料電池を前記インバータモータと直結して前記燃料電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記DC−DCコンバータを停止する蓄電池故障モード、をさらに含む。
上記構成によれば、燃料電池と蓄電池の何れか一方の故障が検出された場合には故障した電源を遮断するとともに、他方を直結にすることで効率良く走行を続けることが可能である。また、長期間の不使用等により燃料電池が劣化している場合には、燃料電池を定電流制御で動作するDC−DCコンバータを介して接続することで、蓄電池の電力で走行を続けながら、燃料電池を回復させることができる。
本発明のさらに好適な態様では、前記DC−DCコンバータが、前記燃料電池側と前記蓄電池側とで共用される1つのインダクタと、前記燃料電池側と前記蓄電池側とで選択的に動作する個別のスイッチング素子を含む1つの双方向DC−DCコンバータからなる。
上記構成によれば、以上述べたような種々の利点を得ながらも、比較的大型の部品であるインダクタ(チョークコイル)を1つにすることでコスト削減および小型軽量化が図れ、機器搭載スペースの制約が大きい電動二輪車や三輪車への実施に有利であるうえ、電源回路および制御回路も簡素化される利点もある。
本発明第1実施形態に係る燃料電池車を示す基本構成図である。 本発明に係る燃料電池車の運転モードを示すブロック図である。 本発明に係る燃料電池車の起動モードでの制御を示す流れ図である。 本発明に係る燃料電池車の各運転モード、(a)起動モード、(b)通常走行モード、(c)回生モード、(d)高出力走行モードを示すブロック構成図である。 本発明に係る燃料電池車の各非常モード、(a)FC劣化モード、(b)LiB故障モード、(c)FC故障モードを示すブロック構成図である。 本発明第2実施形態に係る燃料電池車を示す基本構成図である。 本発明第2実施形態に係る燃料電池車のDC−DCコンバータを示す回路図である。 (a)は燃料電池の電流−電圧曲線を示すグラフ、(b)は電流−効率曲線を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1において、本発明第1実施形態に係る燃料電池車10は、燃料電池1と蓄電池3がDC−DCコンバータ2,4を介してインバータ5およびモータ6に対して並列に接続され、かつ、各側のDC−DCコンバータ2,4をバイパスする直結回路12,14と、それらを遮断するスイッチング手段11,13とを備えている。
燃料電池1は、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC)が好適に用いられる。図中において、燃料電池1は単にFCと記載される場合がある。蓄電池3は、リチウムイオン二次電池(LiB)が好適に用いられる。モータ6は、発電機としての機能をも有するモータ・ジェネレータ(回転電機)である。
DC−DCコンバータ2,4は、後述するように、インダクタ(チョークコイル)とその両側に接続されたスイッチング素子などから構成され、スイッチング素子のパルス幅変調(PWM)により定電流制御を行い、昇降圧コンバータとして動作させる。以下の説明において、単に定電流モードと記載する場合がある。蓄電池3側のDC−DCコンバータ4は、充放電に使用可能な双方向DC−DCコンバータとして構成される必要がある。DC−DCコンバータ2,4のスイッチング素子、および、直結回路12,14のスイッチング手段11,13としては、パワーMOSFETが好適に使用されるが、他のスイッチング素子を用いることもできる。
本発明に係る燃料電池車10は、燃料電池1側(または蓄電池3側)のスイッチング手段11(13)を閉じて直結にするとともに、蓄電池3側(または燃料電池1側)のスイッチング手段13(11)は開いて、DC−DCコンバータ4(2)を定電流制御で動作させるかまたは停止することによる各モードを、図示しない制御手段(CPU)により、運転状況に応じて切り替えるものである。図2における左側の4つが本発明に係る燃料電池車1の基本的な運転モード40(41〜44)であり、右側の3つが非常モード50(51〜53)である。以下、各モードについて説明する。
図4(a)は、起動モード41での基本動作を示し、図3は、起動モードを中心とした制御を示すフローチャートである。燃料電池車10のスイッチをONにすると、この起動モード41になる。起動時は、燃料電池1、蓄電池3、インバータ5共にOFFの状態からスタートし、その後、直ぐに起動可能な蓄電池3とインバータ5がONになり、EVモードで走行可能となる。その際、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4はOFFのまま直結回路14のスイッチング手段13を閉じて直通モードで起動する。
次に、燃料電池1をスタートさせる(蓄電池3と同時でも問題はない)。その際、燃料電池1側の直結回路12のスイッチング手段11は開いたまま、DC−DCコンバータ2を定電流モードで起動させる。この定電流の設定値は、燃料電池1の状態(各セルの発電電圧、セル温度、内部抵抗)をモニタしながら徐々に上昇させ、必要な出力になるまで電流値を上昇させる。
その過程で燃料電池1の状態に異常が検知された場合(低温時も含まれる)は、後述するFC劣化モード51や、FC故障モード53での運転に移行する。燃料電池1に問題がない場合には通常走行モード42に移行していく。また、通常走行モード42に移行後も、モータ6が停止した場合や、モータ6の出力が低下した場合には、起動モード41に戻る。
図4(b)は、通常走行モード42を示している。通常走行モード42では、燃料電池1側のDC−DCコンバータ2はOFFのまま、直結回路12のスイッチング手段11を閉じて直結モードとし、基本的に燃料電池1からの出力のみで走行する。これにより、燃料電池1側ではDC−DCコンバータ2での電力ロスが回避され、電費が良好に維持される。
この状態において、モータ6の出力が増大し、燃料電池1の出力電圧が低下した場合や、フラッディングの危険性が高まった場合には、後述する高出力モード44に移行する。また、通常走行モード42では、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4は通常OFFの状態となっているが、蓄電池3の充電量が閾値以下に低下した場合、例えば30%以下になった場合には、DC−DCコンバータ4を起動し、蓄電池3の充電を行う。
図4(c)は、回生モード43を示している。先述した起動モード41、通常走行モード42、あるいは後述する高出力モード44、FC劣化モード51での走行中に、エンジンブレーキが必要となった場合やブレーキペダルを操作した場合には、回生モード43となり、ブレーキカに応じてインバータ5が蓄電池3に充電動作をする。
その際、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4はOFFの状態で直結回路14のスイッチング手段13を閉じて直通モードとなり、充電効率を高め、電力損失を最小限に抑えることができる。一方、燃料電池1は出力ゼロとすると劣化につながってしまうので、劣化にならない程度の電流を蓄電池3への充電電流として流す。その際、燃料電池1側のDC−DCコンバータ2は電流を制御する定電流モードで動作する。
図4(d)は、高出力走行モード44を示している。通常走行モード42において、モータ6が高出力の場合はこのモードに移行する。この高出力走行モード44では、通常走行モード42において、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4を定電流モードで起動し、燃料電池1出力不足や電圧の異常低下を抑える動作を行う。また、燃料電池1中にフラッディングの発生が懸念される場合もこの高出力走行モード44に移行する。但し、先にも述べた通り、蓄電池3の充電量が閾値以下に低下した場合には、高出力走行モード44には移行しない。
図5(a)は、FC劣化モード51(燃料電池劣化モード)を示している。先述した起動モード41において、内部抵抗の増大など、燃料電池1の異常が検知された場合にこのモード51を起動する。燃料電池1の異常は低温、抵抗Rの劣化、燃料電池1の故障などが考えられるが、燃料電池1の出力電圧が異常低下した場合は、燃料電池1の故障と判断し、運転者に異常を知らせ、EVモードでの走行に移行する。
燃料電池1の劣化時は、燃料電池1の内部抵抗は大きいが燃料電池1の温度が低温でない場合であり、走行は蓄電池3を直結にしてEVモード、燃料電池1側のDC−DCコンバータ2は定電流モードでの運転とし、燃料電池1の出力の回復を待つ。燃料電池1の内部抵抗が大きく、燃料電池1の温度が低温である場合は、低温による出力低下と判断し、燃料電池1を定電流で動作させながら温度上昇を待つ。燃料電池1の劣化時および燃料電池1の低温時は、燃料電池1の出力上昇が認められた場合には、起動モード41に復帰する。
図5(b)は、バッテリー故障モード52(蓄電池故障モード)を示している。蓄電池3(リチウムイオン電池)が故障した場合、エマージェンシーモード50としてこのモード52に移行する。その際、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4はOFFにし、燃料電池1側のDC−DCコンバータ2はOFFのまま直結回路11のスイッチング手段12を閉じて直通モードとする。また、回生モード43においても、燃料電池1側のDC−DCコンバータ2をOFFにし、回生は受け付けない。あくまでもエマージェンシーモードとなっている。
図5(c)は、FC故障モード53(燃料電池故障モード)を示している。このモードもエマージェンシーモード50である。この場合は燃料電池1側のDC−DCコンバータ2はOFF、蓄電池3側のDC−DCコンバータ4はOFFにして直結回路14のスイッチング手段13を閉じて直通モードとし、EVモードでの走行に移行する。この場合、回生は可能であるが、蓄電池3の充電量がなくなれば走行不可能になるので、それまでの間に修理工場に行く要がある。
次に、図6および図7は、本発明第2実施形態に係る燃料電池車20とその電源回路の主要部分を示している。第1実施形態の燃料電池車10との違いは、燃料電池車20では燃料電池1側と蓄電池3側とで1つのDC−DCコンバータ8を共用する構成にある。
図7において、インダクタL1(チョークコイル)と4つのスイッチング素子M1,M2,M3,M4(パワーMOSFET)が第1実施形態の蓄電池側DC−DCコンバータ4に相当し、インダクタL1(チョークコイル)と1つのスイッチング素子M1の代わりにM5を加えた4つのスイッチング素子M5,M2,M3,M4が第1実施形態の燃料電池側DC−DCコンバータ2に相当する。
燃料電池1側と蓄電池3側のそれぞれにおいてDC−DCコンバータ8をバイパスする直結回路22,24は第1実施形態と同様であり、蓄電池3側の直結回路24には放電(電力供給)および充電(電力回生)の双方向に対応すべく2つのスイッチング素子M7,M8(パワーMOSFET)がスイッチング手段23として接続されている。
この第2実施形態の燃料電池車20では、構成部品中では比較的大型で重量物のインダクタは1つ搭載すればよいので、軽量化および小型化に有利な構成となっており、機器搭載スペースの制約が大きい二輪車や三輪車に最適である。
以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。例えば、第1実施形態または第3実施形態に係る重み付け処理と、第2実施形態に係る重み付け処理を併せて実施することもできる。
1 燃料電池
2,4,8 DC−DCコンバータ
3 蓄電池
5 インバータ
6 モータ
10,20 燃料電池車
11,13,21,23 スイッチング手段
12,14,22,24 直結回路
41 起動モード
42 通常走行モード
43 回生モード
44 高出力走行モード
51 FC劣化モード(燃料電池劣化モード)
52 バッテリー故障モード(蓄電池故障モード)
53 FC故障モード(燃料電池故障モード)

Claims (5)

  1. 燃料電池と蓄電池がDC−DCコンバータを介して走行用インバータモータに対して並列に接続された燃料電池車両において、
    前記DC−DCコンバータをバイパスして前記燃料電池側と前記蓄電池側のそれぞれにおいて前記インバータモータと直結可能な燃料電池側および蓄電池側直結回路と、前記DC−DCコンバータおよび前記各側直結回路の開閉を制御する制御手段と、を備え、
    運転状況に応じて、前記燃料電池と前記蓄電池の何れか一方を、前記各側直結回路を介して前記インバータモータと選択的に直結し、かつ、前記燃料電池と前記蓄電池の他方を、定電流制御で動作する前記DC−DCコンバータを介して接続するかまたは停止できるように構成されていることを特徴とする燃料電池車両。
  2. 燃料電池と蓄電池がDC−DCコンバータを介して走行用インバータモータに対して並列に接続された燃料電池車両において、
    前記DC−DCコンバータをバイパスして前記燃料電池側と前記蓄電池側のそれぞれにおいて前記インバータモータと直結可能な燃料電池側および蓄電池側直結回路と、前記DC−DCコンバータおよび前記各側直結回路の開閉を制御する制御手段と、を備え、
    前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給すると共に、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる起動モード、
    前記燃料電池を前記インバータモータと直結して前記燃料電池から前記インバータモータに電力供給すると共に、前記蓄電池側直結回路を開く通常走行モード、
    制動操作時に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池に回生電力を充電すると共に、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる回生モード、
    を含む各モードで選択的に動作可能に構成されていることを特徴とする燃料電池車両。
  3. 前記通常走行モードにおいて、前記蓄電池側で前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させ、前記蓄電池から、前記DC−DCコンバータを介して前記インバータモータに電力供給する高出力走行モードをさらに含むことを特徴とする請求項2記載の燃料電池車両。
  4. 前記燃料電池の異常が検出された場合に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記燃料電池側直結回路を開いて前記DC−DCコンバータを定電流制御で動作させる燃料電池劣化モード、
    前記燃料電池が故障した場合に、前記蓄電池を前記インバータモータに直結して前記蓄電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記DC−DCコンバータを停止する燃料電池故障モード、
    前記蓄電池が故障した場合に、前記燃料電池を前記インバータモータと直結して前記燃料電池から前記インバータモータに電力供給する一方、前記DC−DCコンバータを停止する蓄電池故障モード、をさらに含むことを特徴とする請求項2または3記載の燃料電池車両。
  5. 前記DC−DCコンバータが、前記燃料電池側と前記蓄電池側とで共用される1つのインダクタと、前記燃料電池側と前記蓄電池側とで選択的に動作する個別のスイッチング素子を含む1つの双方向DC−DCコンバータからなることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項記載の燃料電池車両。
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