JP2017027769A - Fuel battery system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.
従来、水素を含有するアノードガス(水素ガス)を燃料電池に送出する水素ポンプと、空気(カソードガス)を燃料電池に送出するエアコンプレッサと、これらを駆動する単一の駆動モータを備えた燃料電池ガス供給システムを有する燃料電池システムが知られている。 Conventionally, a hydrogen pump that sends an anode gas (hydrogen gas) containing hydrogen to a fuel cell, an air compressor that sends air (cathode gas) to the fuel cell, and a fuel that includes a single drive motor that drives them A fuel cell system having a battery gas supply system is known.
上述の燃料電池システムにおいては、駆動モータによる水素ポンプ及びエアコンプレッサの回転を制御するために、駆動モータの回転数、水素ポンプの回転数、及びエアコンプレッサの回転数を制御パラメータとして検出する必要がある。これら回転数は、各所に設けられる回転数センサにより行う。 In the fuel cell system described above, in order to control the rotation of the hydrogen pump and the air compressor by the drive motor, it is necessary to detect the rotation speed of the drive motor, the rotation speed of the hydrogen pump, and the rotation speed of the air compressor as control parameters. is there. These rotational speeds are measured by rotational speed sensors provided at various places.
特許文献1には、コンプレッサ羽根車等の回転検出物の回転数を検出する回転数センサが記載されている。特許文献1の回転数センサでは、回転検出対象に渦電流を発生させ、励磁に用いるコイルのインダクタンス変化に基づいて回転検出物の回転数を検出する。
上記燃料電池システムにおいて特許文献1に代表される従来の回転数センサを、駆動モータ、水素ポンプ、及びエアコンプレッサの各所に設置すると、部品点数の増加やコストアップが生じるという問題がある。一方で、この部品点数の増加やコストアップを防ぐために、回転数をパラメータとして用いるのではなく、燃料電池の出力電流やインピーダンス等の測定パラメータを制御パラメータとして代用することも考えられる。しかしながら、このような代用の制御パラメータを用いると、制御精度の低下や応答性の悪化が懸念される。
In the fuel cell system, when the conventional rotational speed sensor represented by
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品点数やコストの増加を抑制しつつ、駆動モータ、水素ポンプ、及びエアコンプレッサの回転数を高精度に取得することのできる燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to acquire the rotational speeds of the drive motor, the hydrogen pump, and the air compressor with high accuracy while suppressing an increase in the number of parts and cost. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can handle the above.
本発明のある態様による燃料電池システムは、水素ポンプと、エアコンプレッサと、該水素ポンプ及びエアコンプレッサの駆動装置と、該駆動装置を制御する制御装置と、水素ポンプから送出される水素ガス及びエアコンプレッサから送出される空気により発電する燃料電池と、を備える。また、駆動装置は、水素ポンプとエアコンプレッサを駆動する駆動モータと、駆動モータからの動力を水素ポンプとエアコンプレッサへ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構を有する。そして、制御装置は、エアコンプレッサの吸気流量及びエアコンプレッサから燃料電池に供給される空気の圧力である供給空気圧力からエアコンプレッサの回転数を算出する。さらに、駆動装置は、算出されたエアコンプレッサの回転数、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び動力分配機構の回転数分配比に基づいて、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数における他方の回転数を算出する。 A fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a hydrogen pump, an air compressor, a driving device for the hydrogen pump and the air compressor, a control device for controlling the driving device, and hydrogen gas and air sent from the hydrogen pump. And a fuel cell that generates electricity using air sent from the compressor. The drive device also includes a drive motor that drives the hydrogen pump and the air compressor, and a power distribution mechanism that distributes the power from the drive motor to the hydrogen pump and the air compressor at a predetermined rotation speed distribution ratio. Then, the control device calculates the rotation speed of the air compressor from the intake air flow rate of the air compressor and the supply air pressure that is the pressure of the air supplied from the air compressor to the fuel cell. Further, the drive device determines the drive motor based on the calculated value of the rotation speed of the air compressor, the detected value of the rotation speed of the drive motor or the rotation speed of the hydrogen pump, and the rotation speed distribution ratio of the power distribution mechanism. The other rotation number in the rotation number or the rotation number of the hydrogen pump is calculated.
上記燃料電池ガス供給システムによれば、エアコンプレッサの吸気流量及び供給空気圧力からエアコンプレッサの回転数を算出することができるので、エアコンプレッサの回転センサを省略することができる。そして、このように算出されたエアコンプレッサの回転数、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び動力分配機構の回転数分配比に基づいて、駆動モータの回転数又は水素ポンプの回転数の他方の回転数を算出するので、少なくとも駆動モータ又は水素ポンプの一方の回転センサを省略することができる。したがって、回転センサの多数設置による部品点数及びコストの増加を防止することができるとともに、上述の代用パラメータではなく要求されるパラメータそのものである回転数を取得することができるので、制御精度の低下や応答性の悪化も防止される。 According to the fuel cell gas supply system, since the rotation speed of the air compressor can be calculated from the intake air flow rate and supply air pressure of the air compressor, the rotation sensor of the air compressor can be omitted. Then, based on the calculated value of the rotation speed of the air compressor, the rotation speed of the drive motor or the rotation speed of the hydrogen pump, and the rotation speed distribution ratio of the power distribution mechanism, the rotation speed of the drive motor is calculated. Therefore, at least one rotation sensor of the drive motor or the hydrogen pump can be omitted. Therefore, it is possible to prevent an increase in the number of parts and the cost due to the installation of a large number of rotation sensors, and it is possible to acquire the rotation speed, which is the required parameter itself, instead of the above-described substitute parameter. Deterioration of responsiveness is also prevented.
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。 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よる車両用の燃料電池システム100の構成を説明する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a vehicle
図示のように、燃料電池システム100は、燃料電池10と、水素供給源12と、燃料電池ガス供給システム1と、コントローラ22と、吸気流量検出センサ90と、空気圧力センサ92と、を有している。
As illustrated, the
燃料電池10は、例えば複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックとして構成される。燃料電池10は、アノードガス(水素ガス)及びカソードガス(空気)の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、例えば燃料電池システム100を始動状態で作動する図示しない各種の補機や車輪駆動用モータで使用される。
The
水素供給源12は、燃料電池10にアノードガスを供給する供給源であり、アノードガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器として構成される。アノードガスは、アノードガス供給通路30に設けられた図示しないアノードガス調圧弁により水素供給源12から燃料電池10への供給量が調整される。
The
また、アノードガス供給通路30には、エゼクタ31が配置されている。エゼクタ31は、水素供給源12から供給されるアノードガスを該エゼクタ31内の図示しない絞り部により高速化して、循環アノードガス供給流路34を流れるアノードガスに巻き込み力を作用させる。
An
燃料電池ガス供給システム1は、水素ポンプ14と、エアコンプレッサ16と、駆動装置18と、を有している。
The fuel cell
水素ポンプ14は、燃料電池10において消費されずに排出されたアノードオフガスをアノードオフガス循環通路32を介して取り込み、循環アノードガス供給流路34を介してアノードガス供給通路30に供給する。すなわち、水素ポンプ14はアノードガスを燃料電池10に対して循環させる。
The
エアコンプレッサ16は、外気を吸入し、カソードガス供給通路36を介して燃料電池10に空気を圧送する。なお、カソードガス供給通路36には、必要により、エアコンプレッサ16から排出される空気中の異物をトラップするガスフィルタ、及びカソードガスを冷却するガスクーラ等が設けられる。
The
駆動装置18は、水素ポンプ14及びエアコンプレッサ16の駆動する装置である。駆動装置18の構成の詳細については後述する。
The
また、駆動装置18と水素ポンプ14の間には、水素ポンプ側クラッチ21が設けられている。さらに、駆動装置18とエアコンプレッサ16の間には、コンプレッサ側クラッチ23が設けられている。これにより、水素ポンプ側クラッチ21及びコンプレッサ側クラッチ23をそれぞれ締結・遮断することにより、駆動装置18から水素ポンプ14及びエアコンプレッサ16への動力の伝達・非伝達を切り替えることができる。
A hydrogen
コントローラ22は、例えばI/Oポート等の入出力手段、MPU等の演算・制御手段、及びメモリ等の記憶手段を有するマイクロコンピュータで構成され、水素ポンプ14及びエアコンプレッサ16の目標回転数に基づく回転数制御等の燃料電池システム100における各種制御を行う。また、コントローラ22は、水素ポンプ側クラッチ21及びコンプレッサ側クラッチ23の締結・遮断、及びコンプレッサ入力軸ブレーキ43、サーボブレーキ機構72、及び水素ポンプ入力軸ブレーキ82の制動に係る制御を行う。
The
吸気流量検出センサ90は、エアコンプレッサ16の外気取り込み口に設けられ、外気からエアコンプレッサ16に吸入される空気の流量を検出し、この検出値(以下では吸気流量検出値Qintとも記載する)をコントローラ22に出力する。空気圧力センサ92は、カソードガス供給通路36に設けられ、エアコンプレッサ16から燃料電池10に供給される圧縮空気の圧力を検出し、この検出値(以下では供給空気圧力検出値Pproとも記載する)をコントローラ22に出力する。
The intake flow
図2は、燃料電池ガス供給システム1の構成を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell
図示のように、燃料電池ガス供給システム1の駆動装置18は、主として、駆動モータ40と、この駆動モータ40に接続された変速用遊星歯車機構42と、変速用遊星歯車機構42に接続された動力分配機構としての動力分配用遊星歯車機構44と、を有する。そして、駆動装置18において、コンプレッサ16の入力軸であるコンプレッサ入力軸41が、駆動モータ40、変速用遊星歯車機構42、及び動力分配用遊星歯車機構44の中央部を貫くように伸長している。また、駆動装置18のコンプレッサ16寄り位置には、コンプレッサ入力軸41の回転速度を減速させる湿式多板ブレーキ等で構成されたコンプレッサ入力軸ブレーキ43が配置されている。
As shown in the figure, the
駆動モータ40は、図示しない巻線が巻回された円筒状のステータ45と、円筒状のステータ45の中央に配されるロータとしてのモータ出力軸46と、を有している。この駆動モータ40は、コントローラ22からの指令に基づいてインバータ49により回転数及び回転方向の制御が行われ、例えば燃料電池システム100内に設けられた図示しない強電バッテリにより駆動される。また、駆動モータ40のモータ出力軸46には、該モータ出力軸46の回転数であるモータ回転数を検出するモータ回転数センサ51が設けられている。
The
モータ出力軸46には、オイルポンプ47が設置されている。オイルポンプ47はモータ出力軸46の回転駆動力を受けて選択的に駆動され、モータ出力軸46にオイルを供給して回転の円滑化を図る。
An
また、モータ出力軸46は、その先端46aの外周側に正転ワンウェイクラッチ48が係合されており、先端46aの内周側に逆転ワンウェイクラッチ50が係合されている。
The
正転ワンウェイクラッチ48は、スプラグ式又はカム式等で構成される公知のワンウェイクラッチであり、モータ出力軸46の正転(ステータ45から見て反時計回り方向)時にのみ当該モータ出力軸46の動力を第1インターナルギア52に伝達する。すなわち、正転ワンウェイクラッチ48は、モータ出力軸46の逆転(ステータ45から見て時計回り方向)時には、モータ出力軸46から第1インターナルギア52への動力を伝達させない。
The forward rotation one-way clutch 48 is a well-known one-way clutch constituted by a sprag type or a cam type, and the
逆転ワンウェイクラッチ50は、スプラグ式又はカム式等で構成される公知のワンウェイクラッチであり、モータ出力軸46の内周面に係合するとともにコンプレッサ入力軸41の外周面に係合する。そして、逆転ワンウェイクラッチ50は、モータ出力軸46の逆転時にのみ当該モータ出力軸46の動力をコンプレッサ入力軸41に伝達する。すなわち、逆転ワンウェイクラッチ50は、モータ出力軸46の正転時には、モータ出力軸46からコンプレッサ入力軸41への動力を伝達させない。
The reverse one-way clutch 50 is a known one-way clutch constituted by a sprag type or a cam type, and engages with the inner peripheral surface of the
変速用遊星歯車機構42は、正転ワンウェイクラッチ48に内周側一端52aで係合する第1インターナルギア52と、第1インターナルギア52の他端52bの内周側で係合する第1プラネタリギア54と、第1プラネタリギア54の内周に噛合される第1サンギア56と、を有している。
The transmission
第1インターナルギア52は、その一端52aの内周側に噛合された正転ワンウェイクラッチ48の回転に従動する。これにより、正転ワンウェイクラッチ48から第1インターナルギア52に伝達される動力は、第1インターナルギア52の他端52bの内周側に噛合された第1プラネタリギア54に伝達される。
The first
第1プラネタリギア54は、第1インターナルギア52に従動して自転又は公転する。そして、この第1プラネタリギア54の動力は、第1プラネタリギア54に噛合されている第1サンギア56に伝達される。
The first
また、第1プラネタリギア54には第1プラネタリキャリア57が設けられている。さらに、第1プラネタリキャリア57には、当該第1プラネタリキャリア57の回転を制止して第1プラネタリギア54の公転を停止させる第1プラネタリキャリア用ブレーキ60が設けられている。すなわち、第1プラネタリキャリア用ブレーキ60により第1プラネタリキャリア57の回転が制止されると、第1プラネタリギア54の自転のみが許容されることとなる。
The first
なお、本実施形態では、基本的に、変速用遊星歯車機構42をモータ出力軸46の回転を増速させるために用いることを想定しており、この場合、第1プラネタリキャリア用ブレーキ60により第1プラネタリキャリア57の回転が固定された状態に維持され、第1プラネタリギア54の自転のみが許容された状態となる。
In the present embodiment, basically, it is assumed that the speed change
第1サンギア56は、その外周側に噛合された第1プラネタリギア54の自転及び公転に従動される。また、第1サンギア56は、その第1サンギア軸56aを介して後述する動力分配用遊星歯車機構44の第2インターナルギア70と一体化されている。したがって、第1プラネタリギア54から第1サンギア56に伝達される動力は、第1サンギア軸56aを介して第2インターナルギア70に伝達される。
The
なお、本実施形態において、変速用遊星歯車機構42の第1インターナルギア52、第1プラネタリギア54、及び第1サンギア56の歯数等に基づいて定まる変速比情報がコントローラ22の記憶領域に記憶されている。ここで、変速比情報とは、各ギア52、54、及び56の歯数等から算出される、変速用遊星歯車機構42への入力の回転数に対する出力の回転数の比である。
In the present embodiment, speed ratio information determined based on the number of teeth of the first
動力分配用遊星歯車機構44は、上述のように第1サンギア軸56aを介して第1サンギア56と一体化された第2インターナルギア70と、第2インターナルギア70の内周歯に噛合する第2プラネタリギア74と、第2プラネタリギア74に内周側で噛合する第2サンギア76と、を有する。
The power distribution
第2インターナルギア70は、上述のように第1サンギア56と第1サンギア軸56aを介した一体化されて構成されるので、第1サンギア56と同一の回転速度で駆動される。また、第2インターナルギア70の外周にはサーボブレーキ機構72が配置されている。サーボブレーキ機構72は、必要に応じて第2インターナルギア70の回転を制止し固定状態とする。
Since the second
第2プラネタリギア74は、上述のように第2インターナルギア70の内周歯に噛合されるので、第2インターナルギア70に従動して自転又は公転する。さらに、第2プラネタリギア74は、第2プラネタリキャリア78に支持されている。この第2プラネタリキャリア78は水素ポンプ14の水素ポンプ入力軸80と一体化されている。したがって、このように水素ポンプ入力軸80と一体化された第2プラネタリキャリア78が第2プラネタリギア74の公転に従動して回転されることで、水素ポンプ14に動力が伝達される。
Since the second
さらに、水素ポンプ入力軸80には、水素ポンプ入力軸ブレーキ82と、水素ポンプ側クラッチ21と、が配置されている。水素ポンプ入力軸ブレーキ82は例えば、多板湿式ブレーキで構成されており、第2プラネタリキャリア78の回転を制止する。水素ポンプ入力軸ブレーキ82により第2プラネタリキャリア78の回転が制止されると、上述した第2インターナルギア70から第2プラネタリギア74に伝達された動力は、第2プラネタリキャリア78に伝達されず、後述の第2サンギア76にのみ伝達されることとなる。また、水素ポンプ側クラッチ21は、締結・遮断により水素ポンプ14への動力の伝達状態・非伝達状態を切り替える。
Further, the hydrogen
本実施形態では第2サンギア76は、エアコンプレッサ16のコンプレッサ入力軸41の先端に一体形成されており、第2プラネタリギア74の内周側に噛合する。したがって、第2サンギア76が第2プラネタリギア74の自転又は公転に従動して回転することで、コンプレッサ入力軸41を介してエアコンプレッサ16に動力が伝達される。また、コンプレッサ入力軸41には、コンプレッサ入力軸ブレーキ43と、コンプレッサ側クラッチ23が設けられている。
In the present embodiment, the
コンプレッサ入力軸ブレーキ43は、例えば、多板湿式ブレーキで構成されており、コンプレッサ入力軸41の回転を制止する。コンプレッサ入力軸ブレーキ43によりコンプレッサ入力軸41の回転が制止されると、第2サンギア76の回転が固定されることとなり、上述した第2インターナルギア70から第2プラネタリギア74に伝達された動力は、第2サンギア76には伝達されず、第2プラネタリキャリア78のみに伝達されることとなる。なお、本実施形態では、コンプレッサ入力軸ブレーキ43は、コンプレッサ入力軸41の回転に対する制動力を連続的に調節可能であり、この制動力の調節により第2プラネタリギア74から第2サンギア76への動力伝達量及び第2プラネタリギア74から第2プラネタリキャリア78への動力伝達量を任意に調節することもできる。
The compressor
本実施形態において、燃料電池システム100の通常起動時又は起動後の通常運転時には、コントローラ22は駆動モータ40を正転させる。
In the present embodiment, the
駆動モータ40の正転時には、モータ40の動力は、モータ出力軸46、正転ワンウェイクラッチ48、第1インターナルギア52、第1プラネタリギア54、第1サンギア56、第1サンギア軸56a、第2インターナルギア70、第2プラネタリギア74、第2プラネタリキャリア78、及び水素ポンプ入力軸80を介して水素ポンプ14に伝達される。一方で、第2プラネタリギア74に伝達された動力は、第2サンギア76を介してコンプレッサ入力軸41にも伝達される。
During normal rotation of the
これにより、駆動モータ40の正転による回転は、正転ワンウェイクラッチ48を介して、第1インターナルギア52、第1プラネタリギア54、及び第1サンギア56から構成される変速用遊星歯車機構42で変速(増速)される。
As a result, rotation of the
そして、本実施形態において、動力分配用遊星歯車機構44の第2インターナルギア70、第2プラネタリギア74、及び第2サンギア76の歯数等に基づいて定まる回転数の分配比情報がコントローラ22の記憶領域に記憶されている。ここで、回転数の分配比情報とは、各ギア70、74、及び76の歯数等から算出される、動力分配用遊星歯車機構44への入力の回転数に対して、コンプレッサ入力軸41へ出力される動力の回転数(コンプレッサ回転数Ncに相当)と水素ポンプ入力軸80へ出力される動力の回転数(水素ポンプ回転数Nhに相当)の比率である。
In this embodiment, the distribution ratio information of the rotational speed determined based on the number of teeth of the second
特に、本実施形態では、コンプレッサ入力軸ブレーキ43によりコンプレッサ入力軸ブレーキ43の制動力の調整を行うことで、エアコンプレッサ16への動力伝達量を調整することできる。また、水素ポンプ入力軸ブレーキ82による水素ポンプ入力軸80の制止量を調節できるようにして、水素ポンプ14への動力伝達量を調節しても良い。
In particular, in the present embodiment, the amount of power transmitted to the
したがって、コンプレッサ入力軸ブレーキ43による制動力及び水素ポンプ入力軸ブレーキ82による制動力を適宜調節することで、第2プラネタリギア74から第2プラネタリキャリア78等を介して水素ポンプ14に伝達される動力の回転数と、第2プラネタリギア74から第2サンギア76等を介してエアコンプレッサ16に伝達される動力の回転数と、の配分を好適に調節することができる。
Therefore, the power transmitted from the second
なお、例えば水素ポンプ14内において生成水の凍結が認められる場合においては、この水素ポンプ14内の凍結を粉砕するために、駆動モータ40を逆転させる「冷凍粉砕運転モード」により燃料電池システム100を起動しても良い。この駆動モータ40の逆転時には、モータ40の動力は、モータ出力軸46、逆転ワンウェイクラッチ50、及びコンプレッサ入力軸41を介して第2サンギア76に伝達される。そして、第2サンギア76に伝達された動力は、第2プラネタリギア74、及び第2プラネタリキャリア78(水素ポンプ入力軸80)を介して水素ポンプ14に伝達される。
For example, when the generated water is frozen in the
上記構成を有する燃料電池ガス供給システム1では、コントローラ22及びインバータ49による駆動モータ40の回転制御及び動力分配用遊星歯車機構44による動力配分により、燃料電池システム100の作動状態に応じて適宜、水素ポンプ14とエアコンプレッサ16に伝達される動力(回転数及トルク)を調節することができる。したがって、水素ポンプ14とエアコンプレッサ16を駆動させるためのモータをそれぞれ個別に設けることなく、一つの駆動モータ40により水素ポンプ14とエアコンプレッサ16への動力伝達が可能となっている。
In the fuel cell
上記燃料電池ガス供給システム1においては、モータ回転数検出値Nmは取得されているが、これに加えてエアコンプレッサ16のコンプレッサ回転数Nc及び水素ポンプ14の水素ポンプ回転数Nhを、制御パラメータとして検出する必要がある。しかしながら、これら検出するために、エアコンプレッサ16及び水素ポンプ14にも回転数センサを設置すると、部品点数やコストの増加が懸念される。これに対して、本発明者は、エアコンプレッサ16及び水素ポンプ14に回転数センサの設置することなくこれらの回転数Nc及びNhを取得することのできる方法に想到した。以下では、その詳細について説明する。
In the fuel cell
図3は、本実施形態に係るコンプレッサ回転数Nc及び水素ポンプ回転数Nhを算出する流れを説明するフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart for explaining the flow of calculating the compressor rotation speed N c and the hydrogen pump rotation speed N h according to the present embodiment.
さらに、以下では燃料電池システム100は作動中であって、水素ポンプ側クラッチ21及びコンプレッサ側クラッチ23がともに締結されて、駆動モータ40が正転していることを想定する。なお、説明の簡略化のため、コンプレッサ入力軸ブレーキ43及び水素ポンプ入力軸80は双方とも非制動状態とされており、これらはエアコンプレッサ16及び水素ポンプ14の回転数の算出値に影響を与えないものとする。
Furthermore, in the following, it is assumed that the
ステップS101において、コントローラ22は、モータ回転数センサ51から駆動モータ40のモータ回転数検出値Nmを取得する。
In step S101, the
ステップS102において、コントローラ22は、吸気流量検出センサ90からエアコンプレッサ16の吸気流量検出値Qintを取得する。
In step S <b> 102, the
ステップS103において、コントローラ22は、エアコンプレッサ16から燃料電池10に供給される圧縮空気の供給空気圧力検出値Pproを空気圧力センサ92から取得する。
In step S <b> 103, the
ステップS104において、コントローラ22は、上記ステップS101〜ステップS103で取得したモータ回転数検出値Nm、吸気流量検出値Qint、及び供給空気圧力検出値Pproに基づいてエアコンプレッサ16のコンプレッサ回転数Ncを算出する。
In step S104, the
具体的には、吸気流量検出値Qint、及び供給空気圧力検出値Pproを流量、圧力、及びコンプレッサ回転数の関係を表す公知のコンプレッサ作動特性図(コンプレッサマップ)に適用してコンプレッサ回転数Ncを求める。 More specifically, the intake air flow rate detection value Q int and the supply air pressure detection value P pro are applied to a known compressor operation characteristic diagram (compressor map) representing the relationship between the flow rate, pressure, and compressor rotation speed, and the compressor rotation speed is applied. Nc is determined.
図4には、エアコンプレッサ16の特性に合致するコンプレッサマップの一例を示している。図から理解されるように、吸気流量検出値Qint、及び供給空気圧力検出値Pproが得られている場合には、当該吸気流量検出値Qintと、供給空気圧力検出値Pproを外気圧で除した給気圧力比と、を上記コンプレッサマップに適用すれば、コンプレッサ回転数Ncを求めることができる。
FIG. 4 shows an example of a compressor map that matches the characteristics of the
図3に戻り、ステップS105において、コントローラ22は、ステップS101において取得したモータ回転数検出値Nm、ステップS104において算出したコンプレッサ回転数Nc、変速用遊星歯車機構42の変速比情報、及び動力分配用遊星歯車機構44の回転数の分配比情報に基づいて水素ポンプ回転数Nhを算出する。
Returning to FIG. 3, in step S < b > 105, the
具体的に、コントローラ22は、先ず、モータ回転数検出値Nm及び変速用遊星歯車機構42の変速比情報を参照し、図2に示すモータ出力軸46から正転ワンウェイクラッチ48を介して第1インターナルギア52に入力される動力の回転数が、第1プラネタリギア54を介して第1サンギア56に出力される動力の回転数Nm´(=第2インターナルギア70に入力される動力の回転数)を算出する。
Specifically, the
本実施形態では、上述のように第1プラネタリキャリア57が第1プラネタリキャリア用ブレーキ60により固定されているので、遊星歯車機構における公知の変速比態様に基づいて計算すると、第1インターナルギア52からの動力は、Zc/Za倍に増速されて第1サンギア56に出力される。ただし、Zaは第1サンギア56の歯数を意味し、Zcは第1インターナルギア52の歯数を意味する。
In the present embodiment, since the first
したがって、駆動モータ40の動力は、変速用遊星歯車機構42を介して回転数がZc/Za倍されて第1サンギア56から出力され、動力分配用遊星歯車機構44の第2インターナルギア70に入力されることとなる。
Therefore, power of the driving
そして、コントローラ22は、算出した動力分配用遊星歯車機構44への入力動力の回転数Nm´、コンプレッサ回転数Nc、及び当該入力動力が動力分配用遊星歯車機構44の回転数の分配比情報から、第2プラネタリキャリア78(水素ポンプ入力軸80)に出力される動力の回転数、すなわち、水素ポンプ回転数Nhを算出する。
Then, the
本実施形態では特に、水素ポンプ回転数Nhが、動力分配用遊星歯車機構44の回転数の分配比情報、特に第2インターナルギア70、第2プラネタリギア74、及び第2サンギア76の歯数等に基づいて定まる遊星歯車機構の共線図を用いて算出される。
In the present embodiment, in particular, the hydrogen pump rotational speed N h is the distribution ratio information of the rotational speed of the power distribution
図5には、動力分配用遊星歯車機構44の特性に合致する遊星歯車機構の共線図の一例を示している。図から理解されるように、コンプレッサ回転数Nc(第2サンギア76の回転数)及び上記入力動力の回転数Nm´(第2インターナルギア70の回転数)が定まれば、水素ポンプ回転数Nh(第2プラネタリキャリア78の回転数)が定まることとなる。
FIG. 5 shows an example of a collinear diagram of a planetary gear mechanism that matches the characteristics of the power distribution
上記した本実施形態に係る燃料電池システム100によれば、以下の効果を得ることができる。
According to the
本実施形態に係る燃料電池システム100では、水素ポンプ14と、エアコンプレッサ16と、該水素ポンプ14及びエアコンプレッサ16の駆動装置18と、該駆動装置18を制御するコントローラ22と、水素ポンプ14から送出される水素ガス及びエアコンプレッサ16から送出される空気により発電する燃料電池10と、を備える。駆動装置18は、水素ポンプ14とエアコンプレッサ16を駆動する駆動モータ40と、駆動モータ40からの動力を水素ポンプ14とエアコンプレッサ16へ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構としての動力分配用遊星歯車機構44と、を有する。また、制御装置であるコントローラ22は、エアコンプレッサ16の吸気流量である吸気流量検出値Qint及びエアコンプレッサ16から燃料電池10に供給される空気の圧力である供給空気圧力(供給空気圧力検出値Ppro)からエアコンプレッサ16の回転数であるコンプレッサ回転数Ncを算出する(図3のステップS105)。さらに、コントローラ22は、算出されたコンプレッサ回転数Nc、駆動モータ40の回転数の検出値であるモータ回転数検出値Nm、及び動力分配用遊星歯車機構44の回転数分配比に基づいて、水素ポンプ14の回転数である水素ポンプ回転数Nhを算出する(ステップS106)。
In the
これによれば、エアコンプレッサ16の吸気流量検出値Qint及び供給空気圧力検出値Pproからコンプレッサ回転数Ncを算出することができるので、エアコンプレッサ16に設ける回転センサを省略することができる。そして、このように算出されたコンプレッサ回転数Nc、モータ回転数検出値Nm、及び動力分配用遊星歯車機構44の回転数分配比に基づいて、水素ポンプ回転数Nhを算出するので、水素ポンプ14の回転センサを省略することができる。したがって、回転センサの多数設置による部品点数及びコストの増加を防止することができるとともに、代用パラメータではなく要求されるパラメータそのものである回転数を取得することができるので、制御精度の低下や応答性の悪化も防止される。
According to this, since the compressor rotation speed N c can be calculated from the intake flow rate detection value Q int of the
また、本実施形態に係る燃料電池システム100では、駆動モータ40と動力分配用遊星歯車機構44の間には、駆動モータ40から入力される動力を変速して動力分配用遊星歯車機構44へ出力する変速機構としての変速用遊星歯車機構42が設けられ、コントローラ22は、上述の水素ポンプ回転数Nhの算出に、変速用遊星歯車機構42の変速比情報を用いる(ステップS106)。
In the
これによれば、駆動モータ40の動力を変速用遊星歯車機構42で変速することで駆動モータ40の出力回転数と水素ポンプ14やエアコンプレッサ16の要求目標回転数との差を好適に補償しつつも、変速用遊星歯車機構42の変速比情報を用いることで、モータ回転数検出値Nmから駆動モータ40の動力の変速後の動力(すなわち動力分配用遊星歯車機構44への入力動力)の回転数Nm´を求めることができるので、上述の水素ポンプ回転数Nhの算出精度も維持される。
According to this, the difference between the output rotational speed of the
なお、駆動モータ40の出力回転数に比して水素ポンプ14やエアコンプレッサ16の要求目標回転数が高い値であることが一般的であるので、本実施形態のように変速用遊星歯車機構42を駆動モータ40の動力の増速に用いることが好ましい。
Since the required target rotational speed of the
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム100では、コントローラ22は、吸気流量検出値Qint及び供給空気圧力検出値Pproをコンプレッサ作動特性図(図4)に適用してコンプレッサ回転数Ncを算出する(ステップS105)。
Further, in the
これにより、吸気流量検出値Qint及び供給空気圧力検出値Pproに基づくコンプレッサ回転数Ncの算出を、複雑な計算を行うことなく既存のコンプレッサ作動特性図を用いて容易に行うことができる。 Thereby, calculation of the compressor rotation speed Nc based on the intake flow rate detection value Q int and the supply air pressure detection value P pro can be easily performed using the existing compressor operation characteristic diagram without performing complicated calculation. .
また、本実施形態に係る燃料電池システム100では、動力分配用遊星歯車機構44が遊星歯車機構で構成されている。そして、コントローラ22は、駆動モータ40のモータ回転数検出値Nmから求められる動力分配用遊星歯車機構44への入力動力の回転数Nm´、及びコンプレッサ回転数Ncを遊星歯車機構の共線図(図5)に適用して、水素ポンプ回転数Nhを算出する(ステップS106)。
In the
これにより、動力分配用遊星歯車機構44への入力動力の回転数Nm´、及びコンプレッサ回転数Ncに基づく水素ポンプ回転数Nhの算出を、複雑な計算を行うことなく既存の遊星歯車機構の共線図を用いて容易に行うことができる。
Thus, the calculation of the rotation speed N m ′ of the input power to the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.
例えば、本実施形態では、水素ポンプ14に回転センサを設けることなく駆動モータ40にモータ回転数センサ51を設けてモータ回転数検出値Nmを取得し、このモータ回転数検出値Nm、コンプレッサ回転数Nc、変速用遊星歯車機構42の変速比情報、及び動力分配用遊星歯車機構44の回転数の分配比情報に基づいて水素ポンプ回転数Nhを算出している。
For example, in the present embodiment acquires the motor rotation speed detection value N m provided motor
しかしながら、駆動モータ40に回転センサ51を設けることに代えて、水素ポンプ14に回転センサを設けて水素ポンプ14の回転数を検出しても良い。この場合、上述のステップS106に代えて、コントローラ22は、水素ポンプ14の回転数の検出値、コンプレッサ回転数Nc、及び図5に示した遊星歯車機構の共線図に基づき、動力分配用遊星歯車機構44への入力動力の回転数Nm´を算出し、さらに変速用遊星歯車機構42の変速比情報を参照してモータ出力軸46の回転数(駆動モータ40の回転数)を算出する工程を行う。
However, instead of providing the
また、上記実施形態における変速用遊星歯車機構42を省略しても良い。すなわち、正転ワンウェイクラッチ48と第2インターナルギア70を、一体の回転伝達部材で構成し、駆動モータ40から正転ワンウェイクラッチ48に伝達される動力を、当該回転伝達部材を介して第2インターナルギア70に入力するようにしても良い。この場合、動力分配用遊星歯車機構44への入力動力の回転数が、駆動モータの回転数に一致することとなるので、変速用遊星歯車機構42の変速比情報を考慮する必要がなく、水素ポンプ回転数Nh又は駆動モータ40の回転数の算出がより容易になる。
Further, the shifting
さらに、変速用遊星歯車機構42や動力分配用遊星歯車機構44における各インターナルギア52、70、各プラネタリギア54、74、及び各サンギア56、76の歯数等は、各モードにおいて駆動モータ40のモータ回転数、水素ポンプ14及びエアコンプレッサ16で要求されるトルクや回転数に応じて適宜設定することができる。
Further, the number of teeth of each
また、本実施形態の変速用遊星歯車機構42に代えて、他の既存の変速機構を用いるようにしても良い。さらに、動力分配用遊星歯車機構44に代えて、他の既存の動力分配機構を用いるようにしても良い。
Further, instead of the shifting
1 燃料電池ガス供給システム
10 燃料電池
14 水素ポンプ
16 エアコンプレッサ
18 駆動装置
22 コントローラ(制御装置)
40 駆動モータ
41 コンプレッサ入力軸
42 変速機構
43 コンプレッサ入力軸ブレーキ
44 動力分配用遊星歯車機構44
46 モータ出力軸
51 モータ回転数センサ51
80 水素ポンプ入力軸
90 吸気流量検出センサ
92 空気圧力センサ
100 燃料電池システム
DESCRIPTION OF
40
46
80 Hydrogen
Claims (4)
前記駆動装置は、前記水素ポンプと前記エアコンプレッサを駆動する駆動モータと、前記駆動モータからの動力を前記水素ポンプと前記エアコンプレッサへ所定の回転数分配比で分配する動力分配機構と、を有し、
前記制御装置は、
前記エアコンプレッサの吸気流量及び前記エアコンプレッサから前記燃料電池に供給される空気の圧力である供給空気圧力から前記エアコンプレッサの回転数を算出し、
前記エアコンプレッサの回転数、前記駆動モータの回転数又は前記水素ポンプの回転数の何れか一方の検出値、及び前記動力分配機構の回転数分配比に基づいて、前記駆動モータの回転数又は前記水素ポンプの回転数における他方の回転数を算出する燃料電池システム。 Electricity is generated by a hydrogen pump, an air compressor, a drive device for the hydrogen pump and the air compressor, a control device for controlling the drive device, hydrogen gas sent from the hydrogen pump and air sent from the air compressor A fuel cell system comprising: a fuel cell;
The drive device includes a drive motor that drives the hydrogen pump and the air compressor, and a power distribution mechanism that distributes power from the drive motor to the hydrogen pump and the air compressor at a predetermined rotation speed distribution ratio. And
The control device includes:
Calculating the rotational speed of the air compressor from the intake air flow rate of the air compressor and the supply air pressure which is the pressure of the air supplied from the air compressor to the fuel cell;
Based on the detected value of the rotational speed of the air compressor, the rotational speed of the drive motor or the rotational speed of the hydrogen pump, and the rotational speed distribution ratio of the power distribution mechanism, the rotational speed of the drive motor or the The fuel cell system which calculates the other rotation speed in the rotation speed of a hydrogen pump.
前記駆動モータと前記動力分配機構の間には、前記駆動モータから入力される動力を変速して前記動力分配機構に出力する変速機構が設けられ、
前記制御装置は、前記他方の回転数の算出に、前記変速機構の変速比情報を用いる燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
Between the drive motor and the power distribution mechanism, there is provided a speed change mechanism that shifts the power input from the drive motor and outputs it to the power distribution mechanism.
The said control apparatus is a fuel cell system which uses the gear ratio information of the said transmission mechanism for calculation of said other rotation speed.
前記制御装置は、前記吸気流量及び前記供給空気圧力をコンプレッサ作動特性図に適用して前記エアコンプレッサの回転数を算出する燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2,
The said control apparatus is a fuel cell system which calculates the rotation speed of the said air compressor by applying the said intake air flow rate and the said supply air pressure to a compressor operation characteristic figure.
前記動力分配機構は、遊星歯車機構で構成され、
前記制御装置は、前記駆動モータの回転数の検出値から求められる前記動力分配機構への入力動力の回転数又は前記水素ポンプの回転数の検出値の何れか一方の値と、前記エアコンプレッサの回転数と、を遊星歯車機構の共線図に適用して、前記他方の回転数を算出する燃料電池システム。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The power distribution mechanism is composed of a planetary gear mechanism,
The control device is configured to detect either the rotation speed of the input power to the power distribution mechanism or the detection value of the rotation speed of the hydrogen pump, which is obtained from the detection value of the rotation speed of the drive motor, A fuel cell system for calculating the other rotational speed by applying the rotational speed to a collinear diagram of the planetary gear mechanism.
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