JP2016082678A - 燃料電池車の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】利用者の要求に応じた態様で外部機器に給電する。【解決手段】燃料電池からFC昇圧コンバータと昇圧コンバータと外部給電装置とを介して外部機器に給電する際(S170)、エコモードのときには、ノーマルモードのときよりもコンデンサの電圧VHが高くなるように昇圧コンバータの2つのトランジスタをスイッチング制御する(S200)。また、パワーモードのときには、ノーマルモードのときよりもコンデンサの電圧VHが低くなるように昇圧コンバータの2つのトランジスタをスイッチング制御する(S210)。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池車の制御装置に関し、詳しくは、走行用のモータと、燃料電池と、バッテリと、燃料電池が接続された第1電力ラインとモータが接続された第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第1昇圧コンバータと、バッテリが接続された第3電力ラインと第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第2昇圧コンバータと、第3電力ラインに接続され外部機器に給電可能な外部給電装置と、を備える燃料電池車の制御装置に関する。
従来、第1,第2モータと、第1,第2モータを駆動する第1,第2インバータと、第1,第2インバータを介して第1,第2モータと電力をやりとりする蓄電装置と、商用電源から蓄電装置への充電または蓄電装置から商用電源(電気負荷)への給電を利用者が指示するためのACスイッチと、を備える自動車が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この自動車では、停車中に、第1,第2モータの中性点に接続された車両コネクタと電力負荷に接続された外部コネクタとが接続され、ACスイッチにより蓄電装置から電気負荷への給電が指示されると、蓄電装置からの直流電力が交流電力に変換されて第1,第2モータの中性点を介して電気負荷に給電されるように第1,第2インバータを制御する。こうした制御により、停車中に蓄電装置から電気負荷への給電を行なっている。
特開2008−5659号公報
上述の自動車では、停車中に蓄電装置から電気負荷に給電する際に、外部機器に略一定の電力を給電する。このため、給電電力や給電時間を利用者の要求に応じたものとすることができない。近年、こうした自動車では、利用者の要求に応じた態様で外部機器に給電することが要請されている。
本発明の燃料電池車の制御装置は、利用者の要求に応じた態様で外部機器に給電することを主目的とする。
本発明の燃料電池車の制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の燃料電池車の制御装置は、
走行用のモータと、燃料電池と、バッテリと、前記燃料電池が接続された第1電力ラインと前記モータが接続された第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第1昇圧コンバータと、前記バッテリが接続された第3電力ラインと前記第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第2昇圧コンバータと、前記第3電力ラインに接続され、外部機器に給電可能な外部給電装置と、ノーマルモードと燃費を優先するエコモードとパワー出力を優先するパワーモードとを切り替えるためのモードスイッチと、を備える燃料電池車の制御装置であって、
前記燃料電池から前記第1昇圧コンバータと前記第2昇圧コンバータと前記外部給電装置とを介して前記外部機器に給電する外部給電時において、前記モードスイッチにより前記エコモードが選択されているときには、前記モードスイッチにより前記ノーマルモードが選択されているときよりも前記第2昇圧コンバータの前記第2電力ライン側のコンデンサの電圧が高くなるように前記第2昇圧コンバータを制御し、前記モードスイッチにより前記パワーモードが選択されているときには、前記モードスイッチにより前記ノーマルモードが選択されているときよりも前記コンデンサの電圧が低くなるように前記第2昇圧コンバータを制御する、
ことを特徴とする。
この本発明の燃料電池車の制御装置では、燃料電池から第1昇圧コンバータと第2昇圧コンバータと外部給電装置とを介して外部機器に給電する外部給電時において、モードスイッチによりエコモードが選択されているときには、モードスイッチによりノーマルモードが選択されているときよりも第2昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧が高くなるように第2昇圧コンバータを制御し、モードスイッチによりパワーモードが選択されているときには、モードスイッチによりノーマルモードが選択されているときよりもコンデンサの電圧が低くなるように第2昇圧コンバータを制御する。なお、外部給電時において、第1昇圧コンバータについては、第2電力ライン側のコンデンサの電圧が所定電圧(エコモードやノーマルモード,パワーモードが選択されているときの第2昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧よりも高い電圧)となるように制御する。こうした第2昇圧コンバータの制御により、外部給電時において、エコモードが選択されているときには、第1昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧と、第2昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧と、の電圧差を小さくして、外部機器への供給電力を小さくすることができる。この結果、外部機器の使用可能時間(燃料電池やバッテリからの電力を用いて外部機器を使用可能な時間)を長くすることができる。また、外部給電時において、パワーモードが選択されているときには、第1昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧と、第2昇圧コンバータの第2電力ライン側のコンデンサの電圧と、の電圧差を大きくして、外部機器への供給電力を大きくすることができる。これらの結果、利用者の要求に応じた態様で外部機器に給電することができる。そして、モードスイッチにより選択されたモードに応じた態様で外部機器に給電することにより、モードスイッチの他に、外部機器への給電の態様を切り替えるためのスイッチを設ける必要がないから、部品点数の増加を抑制することができる。
本発明の一実施例としての燃料電池車20の構成の概略を示す構成図である。 実施例のECU70により実行される昇圧コンバータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池車20の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池車20は、図示するように、モータ32と、インバータ34と、燃料電池(FC)40と、FC昇圧コンバータ42と、バッテリ50と、昇圧コンバータ52と、外部給電装置58と、電子制御ユニット(以下、「ECU」という)70と、を備える。
モータ32は、例えば同期発電電動機として構成されており、駆動輪22a,22bにデファレンシャルギヤ24を介して連結された駆動軸26に接続されている。このモータ32は、ECU70によってインバータ34の図示しないスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。
燃料電池40は、高圧水素タンクから供給されて燃料ポンプ(循環ポンプ)により循環される燃料ガスとしての水素と、酸素ポンプ(エアコンプレッサ)により供給されて加湿器によって加湿された空気中の酸素と、の電気化学反応により発電する燃料電池として構成されている。この燃料電池40は、ECU70によって運転制御されている。
FC昇圧コンバータ42は、インバータ34が接続されたインバータ側電力ライン60と、燃料電池40が接続された燃料電池側電力ライン61と、に接続されている。このFC昇圧コンバータ42は、昇圧部43と、コンデンサ44と、コンデンサ45と、を有する。昇圧部43は、2つのトランジスタと、2つのダイオードと、リアクトルと、を有する。コンデンサ44は、昇圧部43よりインバータ側電力ライン60側に取り付けられている。コンデンサ45は、昇圧部43より燃料電池側電力ライン61側に取り付けられている。このFC昇圧コンバータ42は、ECU70によって2つのトランジスタがスイッチング制御されることにより、燃料電池側電力ライン61の電力を昇圧してインバータ側電力ライン60に供給する。
バッテリ50は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されている。バッテリ50は、ECU70によって管理されている。
昇圧コンバータ52は、インバータ側電力ライン60と、バッテリ50が接続されバッテリ側電力ライン62と、に接続されている。この昇圧コンバータ52は、昇降圧部53と、コンデンサ54と、コンデンサ55と、を有する。昇降圧部53は、2つのトランジスタと、2つのダイオードと、リアクトルと、を有する。コンデンサ54は、昇降圧部53よりインバータ側電力ライン60側に取り付けられており、コンデンサ55は、昇降圧部53よりバッテリ側電力ライン62側に取り付けられている。この昇圧コンバータ52は、ECU70によって2つのトランジスタがスイッチング制御されることにより、バッテリ側電力ライン62の電力を昇圧してインバータ側電力ライン60に供給したり、インバータ側電力ライン60の電力を降圧してバッテリ側電力ライン62に供給したりする。
外部給電装置58は、バッテリ側電力ライン62と、外部負荷(例えば家庭用電化製品など)を接続するためのコンセント(ソケット)59と、に接続されている。この外部給電装置58は、コンセント59に外部負荷が接続されており且つ外部給電スイッチ92がオンのときに、ECU70によって制御されることにより、バッテリ側電力ライン62の直流電力を交流電力に変換して外部機器に給電する。外部給電スイッチ92は、外部機器への給電である外部給電を利用者が指示するためのスイッチである。
ECU70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。
ECU70には、モータ32を駆動制御するのに必要な各種センサからの信号、例えば、モータ32の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからの回転位置θm,モータ32の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Iu,Iv,Iwなどが入力ポートを介して入力されている。ECU70には、燃料電池40を運転制御するのに必要な各種センサからの信号、例えば、高圧水素タンク内の圧力を検出する圧力センサからのタンク内圧力Pt,燃料電池40の出力端子間に取り付けられた電圧センサからの電圧Vfc,燃料電池40の出力端子に取り付けられた電流センサからの電流Ifcなども入力ポートを介して入力されている。ECU70には、FC昇圧コンバータ42を駆動制御するのに必要な各種センサからの信号、例えば、コンデンサ44の端子間に取り付けられた電圧センサからのコンデンサ44の電圧VHfc,コンデンサ45の端子間に取り付けられた電圧センサからのコンデンサ45の電圧VLfcなども入力ポートを介して入力されている。ECU70には、昇圧コンバータ52を駆動制御するのに必要な各種センサからの信号、例えば、コンデンサ54の端子間に取り付けられた電圧センサからのコンデンサ54の電圧VH,コンデンサ55の端子間に取り付けられた電圧センサからのコンデンサ55の電圧VLなども入力ポートを介して入力されている。ECU70には、バッテリ50を管理するのに必要な信号、例えば、バッテリ50の端子間に設置された電圧センサからの電池電圧Vb,バッテリ50の出力端子に取り付けられた電流センサからの電池電流Ib,バッテリ50に取り付けられた温度センサからの電池温度Tbなども入力ポートを介して入力されている。ECU70には、その他の各種センサからの信号、例えば、イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号,シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSP,アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速V,モードスイッチ90からのモード信号,外部給電スイッチ92からの外部給電オンオフ信号なども入力ポートを介して入力されている。モードスイッチ90は、ノーマルモードと燃費を優先するエコモードとパワー出力を優先するパワーモードとの切替を利用者が指示するためのスイッチである。外部給電スイッチ92については上述した。
ECU70からは、インバータ34のスイッチング素子へのスイッチング制御信号,燃料電池40の運転用の補機(循環ポンプやエアコンプレッサなど)への運転制御信号,FC昇圧コンバータ42への制御信号,昇圧コンバータ52への制御信号,外部給電装置58への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
こうして構成された実施例の燃料電池車20では、ECU70は、走行する際には、アクセル開度Accと車速Vとに基づいて要求トルクTr*を設定し、要求トルクTr*が駆動軸26に出力されるように、燃料電池40とFC昇圧コンバータ42と昇圧コンバータ52とモータ32(インバータ34)とを制御する。
また、実施例の燃料電池車20では、ECU70は、停車中に、コンセント59に外部負荷が接続され、外部給電スイッチ92がオンとされたときには、外部機器に給電されるように、燃料電池40とFC昇圧コンバータ42と昇圧コンバータ52と外部給電装置58とを制御する。
次に、こうして構成された実施例の燃料電池車20の動作、特に、昇圧コンバータ52の制御について説明する。図2は、実施例のECU70により実行される昇圧コンバータ制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、イグニッションオンであることを条件として繰り返し実行される。
昇圧コンバータ制御ルーチンが実行されると、ECU70は、まず、外部給電スイッチ92からの外部給電オンオフ信号と、モードスイッチ90からのモード信号と、を入力する(ステップS100)。
続いて、入力した外部給電オンオフ信号を用いて外部給電スイッチ92がオンかオフかを判定し(ステップS110)、外部給電スイッチ92がオフのときには、車両走行モードを設定し(ステップS120)、モードスイッチ90からのモード信号MSを用いてノーマルモードかエコモードかパワーモードかを判定する(ステップS130)。
そして、ノーマルモードのときには、基本値VHtmpをコンデンサ54の目標電圧VH*に設定し(ステップS140)、エコモードのときには、基本値VHtmpから所定電圧ΔVHを減じた値(VHtmp−ΔVH)をコンデンサ54の目標電圧VH*に設定し(ステップS150)、パワーモードのときには、基本値VHtmpに所定電圧ΔVHを加えた値(VHtmp+ΔVH)をコンデンサ54の目標電圧VH*に設定する(ステップS160)。こうしてコンデンサ54の目標電圧VH*を設定すると、コンデンサ54の電圧VHが目標電圧VH*となるように昇圧コンバータ52の2つのトランジスタをスイッチング制御して(ステップS220)、本ルーチンを終了する。
ここで、車両走行モードのときの基本値VHtmpは、モータ32の回転Nmの絶対値やトルク指令Tm*の絶対値が大きいほど高くなる傾向に設定するものとした。また、所定電圧ΔVHは、例えば、20Vや30Vなどを用いることができる。なお、車両走行モードのときに、燃料電池40およびFC昇圧コンバータ42については、必要に応じて間欠運転する。燃料電池40およびFC昇圧コンバータ42の駆動時には、バッテリ50の蓄電割合SOCが目標割合SOC*を中心とする制御範囲内となると共に要求トルクTr*が駆動軸26に出力されるように、燃料電池40の要求出力Pfc*とコンデンサ44の目標電圧VHfc*とを設定し、燃料電池40から目標出力Pfc*が出力されるように燃料電池40を制御すると共にコンデンサ44の電圧VHfcが目標電圧VHfc*となるようにFC昇圧コンバータ42を制御する。目標割合SOC*は、例えば、50%や55%などとすることができる。制御範囲は、例えば、目標割合SOC*プラスマイナス5%や10%などの範囲とすることができる。
このように、車両走行モードのときにおいて、エコモードのときには、ノーマルモードやパワーモードのときよりコンデンサ54の電圧VHを低くすることにより、モータ32の駆動エネルギを制限することができ、燃費を向上させることができる。また、パワーモードのときには、ノーマルモードやエコモードのときよりコンデンサ54の電圧VHを高くすることにより、モータ32の消費エネルギを大きくすることができ、加速性能を向上させることができる。これらの結果、利用者の要求に応じた態様で走行することができる。
ステップS110で外部給電スイッチ92がオンのときには、外部給電モードを設定し(ステップS170)、モードスイッチ90からのモード信号MSを用いてノーマルモードかエコモードかパワーモードかを判定する(ステップS180)。
そして、ノーマルモードのときには、基本値VHtmpをコンデンサ54の目標電圧VH*に設定し(ステップS190)、エコモードのときには、基本値VHtmpに所定電圧ΔVHを加えた値(VHtmp+ΔVH)をコンデンサ54の目標電圧VH*に設定し(ステップS200)、パワーモードのときには、基本値VHtmpから所定電圧ΔVHを減じた値(VHtmp−ΔVH)をコンデンサ54の目標電圧VH*に設定する(ステップ210)。こうしてコンデンサ54の目標電圧VH*を設定すると、コンデンサ54の電圧VHが目標電圧VH*となるように昇圧コンバータ52の2つのトランジスタをスイッチング制御して(ステップS220)、本ルーチンを終了する。
ここで、外部給電モードのときの基本値VHtmpは、予め設定された電圧VH1、例えば、330Vや340Vなどとすることができる。また、所定電圧ΔVHは、上述したように、例えば、20Vや30Vなどとすることができる。なお、外部給電モードのときに、燃料電池40およびFC昇圧コンバータ42については、必要に応じて間欠運転する。燃料電池40およびFC昇圧コンバータ42の駆動時には、燃料電池40の要求出力Pfc*に所定値Pfc1を設定すると共にコンデンサ44の目標電圧VHfc*に所定値VHfc1を設定し、燃料電池40から目標出力Pfc*が出力されるように燃料電池40を制御すると共にコンデンサ44の電圧VHfcが目標電圧VHfc*となるようにFC昇圧コンバータ42を制御する。所定値Pfc1は、例えば、数kW〜十数kW程度を用いることができる。所定値VHfc1は、値(VHtmp+ΔVH)より若干大きい値、例えば、基本値VHtmpより40Vや50Vなど高い値とすることができる。
このように、燃料電池40からFC昇圧コンバータ42と昇圧コンバータ52と外部給電装置58とコンセント59とを介して外部機器に給電する際において、エコモードのときには、ノーマルモードやパワーモードのときよりコンデンサ54の電圧VHを高くすることにより、コンデンサ44の電圧VHfcとコンデンサ54の電圧VHとの電圧差(VHfc−VH)を小さくして、外部機器への供給電力を小さくすることができる。この結果、外部機器の使用可能時間(燃料電池40やバッテリ50からの電力を用いて外部機器を使用可能な時間)を長くすることができる。また、パワーモードのときには、ノーマルモードやエコモードのときよりコンデンサ54の電圧VHを低くすることにより、電圧差(VHfc−VH)を大きくして、外部機器への供給電力を大きくすることができる。なお、この場合、外部機器の使用可能時間は短くなる。これらの結果、災害時など比較的小さい電力を長時間に亘って外部機器に供給したいときや、催し物など短時間でよいが比較的多くの電力を外部機器に供給したいときに、その要求に応じた態様で外部機器に給電することができる。そして、モードスイッチ90により選択されたモードに応じた態様で外部機器に給電することにより、モードスイッチ90の他に、外部機器への給電の態様を切り替えるためのスイッチを設ける必要がないから、部品点数の増加を抑制することができる。また、車両走行モードでは、ノーマルモード,エコモード,パワーモードでコンデンサ54の目標電圧VH*に基本値VHtmp,値(VHtmp−ΔVH),値(VHtmp+ΔVH)を設定し、外部給電モードでは、ノーマルモード,エコモード,パワーモードでコンデンサ54の目標電圧VH*に基本値VHtmp,値(VHtmp+ΔVH),値(VHtmp−ΔVH)を設定する、即ち、車両走行モードのときと外部給電モードのときとでエコモードとパワーモードとの目標電圧VH*の定め方を入れ替えるだけであるから、制御が煩雑化するのを抑制することができる。
以上説明した実施例の燃料電池車20のECU70では、燃料電池40からFC昇圧コンバータ42と昇圧コンバータ52と外部給電装置58とコンセント59とを介して外部機器に給電する際、エコモードのときには、ノーマルモードのときよりコンデンサ54の電圧VHが高くなるように昇圧コンバータ52の2つのトランジスタをスイッチング制御し、パワーモードのときには、ノーマルモードのときよりコンデンサ54の電圧VHが低くなるように昇圧コンバータ52の2つのトランジスタをスイッチング制御する。これにより、エコモードのときには、コンデンサ44の電圧VHfcとコンデンサ54の電圧VHとの電圧差(VHfc−VH)を小さくして、外部機器への供給電力を小さくすることができ、外部機器の使用可能時間(燃料電池40やバッテリ50からの電力を用いて外部機器を使用可能な時間)を長くすることができる。また、パワーモードのときには、電圧差(VHfc−VH)を大きくして、外部機器への供給電力を大きくすることができる。これらの結果、利用者の要求に応じた態様で外部機器に給電することができる。そして、モードスイッチ90により選択されたモードに応じた態様で外部機器に給電することにより、モードスイッチ90の他に外部機器への給電の態様を切り替えるためのスイッチを設ける必要がないから、部品点数の増加を抑制することができる。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ32が「モータ」に相当し、燃料電池40が「燃料電池」に相当し、バッテリ50が「バッテリ」に相当し、FC昇圧コンバータ42が「第1昇圧コンバータ」に相当し、昇圧コンバータ52が「第2昇圧コンバータ」に相当し、外部給電装置58が「外部給電装置」に相当し、モードスイッチ90が「モードスイッチ」に相当し、ECU70が「制御手段」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、燃料電池車の製造産業などに利用可能である。
20 燃料電池車、22a,22b 駆動輪、24 デファレンシャルギヤ、26 駆動軸、32 モータ、34 インバータ、40 燃料電池、42 FC昇圧コンバータ、43 昇圧部、44,45 コンデンサ、50 バッテリ、52 昇圧コンバータ、53 昇降圧部、54,55 コンデンサ、58 外部給電装置、59 コンセント、60 インバータ側電力ライン、61 燃料電池側電力ライン、62 バッテリ側電力ライン、70 ECU、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、90 モードスイッチ、92 外部給電スイッチ。

Claims (1)

  1. 走行用のモータと、
    燃料電池と、
    バッテリと、
    前記燃料電池が接続された第1電力ラインと前記モータが接続された第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第1昇圧コンバータと、
    前記バッテリが接続された第3電力ラインと前記第2電力ラインとの間で電圧の調節を伴って電力をやりとりする第2昇圧コンバータと、
    前記第3電力ラインに接続され、外部機器に給電可能な外部給電装置と、
    ノーマルモードと燃費を優先するエコモードとパワー出力を優先するパワーモードとを切り替えるためのモードスイッチと、
    を備える燃料電池車の制御装置であって、
    前記燃料電池から前記第1昇圧コンバータと前記第2昇圧コンバータと前記外部給電装置とを介して前記外部機器に給電する外部給電時において、
    前記モードスイッチにより前記エコモードが選択されているときには、前記モードスイッチにより前記ノーマルモードが選択されているときよりも前記第2昇圧コンバータの前記第2電力ライン側のコンデンサの電圧が高くなるように前記第2昇圧コンバータを制御し、
    前記モードスイッチにより前記パワーモードが選択されているときには、前記モードスイッチにより前記ノーマルモードが選択されているときよりも前記コンデンサの電圧が低くなるように前記第2昇圧コンバータを制御する、
    ことを特徴とする燃料電池車の制御装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019046679A (ja) * 2017-09-04 2019-03-22 トヨタ自動車株式会社 外部給電システム

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