JP2018032580A - 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する。 The present invention relates to a fuel cell system.
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う燃料電池が注目されている。燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して駆動モータからの要求に応じた電力を出力するが、ガス供給量の応答遅れに起因して、出力電力の応答性が低くなる場合があり、その補償のために二次電池が搭載される場合がある。この二次電池は、駆動モータの減速時に発生する回生エネルギや、燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記燃料電池の応答性の低下の補償や、また燃料電池システム全体の出力の増加等の目的に、その蓄電エネルギを放電する。 A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas has attracted attention. The fuel cell controls the supply amount of fuel gas and outputs electric power according to the request from the drive motor, but due to the delay in response of the gas supply amount, the responsiveness of the output power may be low, A secondary battery may be mounted for compensation. This secondary battery stores the regenerative energy generated when the drive motor decelerates and the electric power generated by the fuel cell, compensates for a decrease in the responsiveness of the fuel cell, and increases the output of the entire fuel cell system. For this purpose, the stored energy is discharged.
上記燃料電池と二次電池とを並列に接続した構成の燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧や二次電池の出力電圧をそれぞれのコンバータで変換することにより、両者の併用を図っている。そして、コンバータの有するスイッチ素子のスイッチング動作で生じる損失、いわゆるスイッチング損失を軽減するために、該スイッチ素子に並列にスナバコンデンサ(以下、コンデンサと称する)が設けられる。 In the fuel cell system in which the fuel cell and the secondary battery are connected in parallel, the output voltage of the fuel cell and the output voltage of the secondary battery are converted by the respective converters, so that both are used together. A snubber capacitor (hereinafter referred to as a capacitor) is provided in parallel with the switch element in order to reduce the loss caused by the switching operation of the switch element of the converter, so-called switching loss.
ところで、上述した燃料電池システムにおいては、負荷の変動に対してバッファ的な役割を果たす二次電池用のコンバータがインバータへの入力電圧を制御するように構成されている。このため、二次電池に故障等の異常が発生して、二次電池とインバータとの間の電源経路が遮断されてしまうと、インバータへの入力電圧を制御することができなくなり、燃料電池のみで負荷を安定的に運転させることが困難になる。 By the way, in the fuel cell system described above, a converter for a secondary battery that plays a buffer role with respect to load fluctuations is configured to control the input voltage to the inverter. For this reason, if an abnormality such as a failure occurs in the secondary battery and the power supply path between the secondary battery and the inverter is interrupted, the input voltage to the inverter cannot be controlled, and only the fuel cell This makes it difficult to operate the load stably.
この問題を解決することを意図した技術が下記特許文献1に開示されている。すなわち、下記特許文献1には、二次電池の異常発生時には、燃料電池のみからでも2つのコンバータを制御して第1の負荷及び第2の負荷への安定的な電力供給を行うこと、すなわち、燃料電池の電力単独走行が可能であることが開示されている。また、このような二次電池の異常が発生して二次電池を切り離しているときは、モータ回生をしても蓄電できないため、回生電力を消費可能な場合のみモータ回生を許容することが下記特許文献1に開示されている。 A technique intended to solve this problem is disclosed in Patent Document 1 below. That is, in Patent Document 1 below, when an abnormality occurs in the secondary battery, the two converters are controlled even from the fuel cell alone to stably supply power to the first load and the second load. Further, it is disclosed that the electric power traveling of the fuel cell is possible. In addition, when such a secondary battery abnormality occurs and the secondary battery is disconnected, it is not possible to store power even if the motor is regenerated. It is disclosed in Patent Document 1.
ところで、二次電池を切り離している状態での登坂走行時に、モータが後退方向に回転する場合があり、この場合にモータの回生発電によって以下の問題が生じるおそれがある。すなわち、モータは回生発電をするが、燃料電池は放電のみしか行えないため、発電電力がコンデンサにたまり、過電圧が発生する。また、燃料電池は要求電力に応じて燃料供給量を調整するため、低車速時には燃料供給量が抑えられる結果、登坂走行性能が低下する。 By the way, during the uphill traveling with the secondary battery disconnected, the motor may rotate in the reverse direction, and in this case, the following problem may occur due to regenerative power generation of the motor. That is, the motor performs regenerative power generation, but the fuel cell can only perform discharge, so the generated power accumulates in the capacitor and an overvoltage occurs. In addition, since the fuel cell adjusts the fuel supply amount according to the required power, the fuel supply amount is suppressed at a low vehicle speed, and as a result, the climbing performance decreases.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次電池の異常発生時において燃料電池の電力単独で走行している場合に、過電圧を防止し、登坂性能を向上させることが可能な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 problems, and its purpose is to prevent overvoltage and improve climbing performance when the fuel cell is running alone when an abnormality occurs in the secondary battery. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can be made to operate.
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、車両を駆動する駆動モータへの電力供給源として燃料電池及び二次電池を備えた燃料電池システムであって、コンデンサを有し、前記燃料電池が出力する電圧を昇圧して前記燃料電池の補機及び前記駆動モータへ供給する第1昇圧コンバータと、コンデンサを有し、前記二次電池が出力する電圧を昇圧する第2昇圧コンバータと、前記駆動モータの回生動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、車両のアクセル開度が0より大きく、且つ前記駆動モータの進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きい場合に、前記駆動モータの回生発電を許可し、回生電力を前記補機へ供給する。 In order to solve the above problems, a fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system including a fuel cell and a secondary battery as a power supply source to a drive motor that drives a vehicle, and includes a capacitor, A first boost converter that boosts a voltage output from the fuel cell and supplies the boosted voltage to the auxiliary device of the fuel cell and the drive motor; a second boost converter that includes a capacitor and boosts the voltage output from the secondary battery; A control unit that controls the regenerative operation of the drive motor, wherein the control unit has an accelerator opening of the vehicle that is greater than 0, and the rotational speed on the opposite side of the traveling direction of the drive motor is lower than the rotational speed. Is larger, the regenerative power generation of the drive motor is permitted and the regenerative power is supplied to the auxiliary machine.
本発明に係る燃料電池システムでは、車両のずり下がりが起こるときには、モータの回生電力により燃料電池の補機を駆動して燃料電池が発電されるため、当該発電電力に基づき必要なトルクを出力して登坂を走行することができる。また回生電力は燃料電池の補機で消費されるため、コンデンサの過電圧を抑制することができる。 In the fuel cell system according to the present invention, when the vehicle slips, the fuel cell is generated by driving the auxiliary device of the fuel cell by the regenerative electric power of the motor. Therefore, a necessary torque is output based on the generated power. You can drive uphill. Further, since the regenerative power is consumed by the auxiliary device of the fuel cell, the overvoltage of the capacitor can be suppressed.
本発明によれば、二次電池の異常発生時において燃料電池の電力単独で走行している場合に、過電圧を防止し、登坂性能を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell system capable of preventing an overvoltage and improving a climbing performance when the fuel cell is traveling alone when an abnormality occurs in the secondary battery. .
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely an example, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
図1は、本実施形態における燃料電池システムの構成図である。本実施形態では、燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムとして用いた場合について説明する。 FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to the present embodiment. This embodiment demonstrates the case where a fuel cell system is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle.
図1に示すように、本実施形態に燃料電池システム11は、駆動モータ13、14の電力供給源として、燃料電池12及び二次電池20を備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池12は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。そして、一方のセパレータの水素ガス流路に燃料ガスとしての水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスとしての空気が供給され、これらのガスが電気化学反応することで電力が発生する。
The
燃料電池12と車両を走行させるための駆動モータ(第1の負荷)13とは、電力供給経路(燃料電池電力供給経路)Aを介して接続されている。この電力供給経路Aには、燃料電池12側から順に、FC昇圧コンバータ(第1のコンバータ)15及び駆動インバータ16が設けられている。
The
FC昇圧コンバータ15は直流の電圧変換器であり、燃料電池12から入力された直流電圧を調整して駆動インバータ16側へ出力する。駆動インバータ16は直流電流を三相交流に変換して駆動モータ13(例えば三相交流モータ)に供給する。FC昇圧コンバータ15、及び、駆動インバータ16は、それぞれ、図示しないコンデンサを備えている。
The
電力供給経路Aには、電力供給経路(第1の二次電池電力供給経路)Bが接続されている。電力供給経路Aと電力供給経路Bとの接続点Xは、FC昇圧コンバータ15と駆動インバータ16との間に位置する。電力供給経路Bの一端には二次電池20が接続されており、二次電池20と接続点Xとの間には、二次電池20側から順にリレー(回路遮断部)21及びバッテリ昇圧コンバータ(第2のコンバータ)22が設けられている。
A power supply path (first secondary battery power supply path) B is connected to the power supply path A. A connection point X between the power supply path A and the power supply path B is located between the
二次電池20は、制御部30からの制御信号に基づいて、燃料電池12の出力電力の余剰分や駆動モータ13の回生電力を充電したり、駆動モータ13,14の駆動に必要な電力に対して燃料電池12の出力電力では不足する場合にその不足分の電力を補給したり、後述する補機モータ25,26に電力を供給することが可能になっている。
The
バッテリ昇圧コンバータ22は直流の電圧変換器であり、二次電池20から入力された直流電圧を調整して駆動モータ13,14側へ出力する機能と、燃料電池12または駆動モータ13から入力された直流電圧を調整して二次電池20及び/又は補機モータ25,26に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ22の機能により、二次電池20の充放電が実現される。なお、バッテリ昇圧コンバータ22は、図示しないコンデンサを備えている。
The
また、このようなバッテリ昇圧コンバータ22の機能により、燃料電池システム11の通常運転時は、駆動インバータ16及び補機インバータ17への入力電圧が制御される一方で、後述するリレー21が何らかの原因で切断され、二次電池20が燃料電池システム11から切り離された状態になった場合(二次電池の異常発生時)には、燃料電池12から補機モータ25,26への給電が可能となる。
Further, the function of the
電力供給経路Bの高電圧側には、電力供給経路(燃料電池電力供給経路)Cが接続されている。電力供給経路Bと電力供給経路Cとの接続点Yは、接続点Xとバッテリ昇圧コンバータ22との間に位置する。電力供給経路Cの一端には、駆動モータ(第1の負荷)14が接続されている。駆動モータ14は、例えば三相交流モータであり、燃料電池12に空気(酸化ガス)を圧送するエアコンプレッサの駆動モータである。駆動モータ14と接続点Yとの間には、補機インバータ17が設けられている。補機インバータ17は、直流電流を三相交流に変換して駆動モータ14に供給する。
A power supply path (fuel cell power supply path) C is connected to the high voltage side of the power supply path B. A connection point Y between the power supply path B and the power supply path C is located between the connection point X and the
電力供給経路Bの低電圧側(二次電池20側)には、電力供給経路D(第2の二次電池電力供給経路)が接続されている。電力供給経路Bと電力供給経路Dとの接続点Zは、バッテリ昇圧コンバータ22とリレー21との間に位置する。電力供給経路Dは、二又に分岐しており、その分岐先にはそれぞれ補機インバータ23,24及び補機モータ25,26が設けられている。
A power supply path D (second secondary battery power supply path) is connected to the low voltage side (
補機モータ25は、燃料電池12の水素ガス流路から排出された水素オフガスを燃料電池12に還流させるための水素ポンプを駆動するモータである。補機モータ26は、燃料電池12の温調に使用される冷却水を循環させるための冷却水ポンプを駆動するモータである。補機インバータ23,24は、それぞれ直流電流を三相交流に変換して補機モータ25,26に供給する。
The
なお、図1に示す燃料電池システム11を搭載した車両には、車両のシフトポジションを検出するシフトポジションセンサ、アクセルの開度を検出するアクセル開度センサ、並びにブレーキの有無を検出するブレーキセンサ等が設けられている。
Note that a vehicle equipped with the
制御部30は、燃料電池システム11を統合制御するためのコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を有している。制御部30は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(アクセル)の操作量(例えば、アクセル開度)をセンサ(例えば、アクセル開度センサ)によって検出し、或いは、車両のシフトポジションをシフトポジションセンサによって検出し、加速要求値(例えば、トラクションモータの回転数、車輪回転数、コンプレッサや水素ポンプのモータの回転数等)の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。
The
なお、本実施形態の制御部30は、二次電池20あるいはその周辺に設けられたセンサ類から供給される信号に基づいて、二次電池20の故障等の異常の発生を検知することも可能である。
Note that the
駆動モータ13,14及び補機モータ25,26以外の負荷としては、車両走行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で消費される電力や、乗員空間内に配置される装置(空調装置、照明器具、オーディオ等)で消費される電力等がある。
As loads other than the
制御部30は、燃料電池12と二次電池20の各出力電力の配分を決定し、発電指令値を算出する。より具体的には、制御部30は、燃料電池12及び二次電池20に対する要求電力を算出すると、これらの要求電力が得られるようにFC昇圧コンバータ15及びバッテリ昇圧コンバータ22の動作を制御する。
The
制御部30は、二次電池20に異常が発生していない時を含む通常運転時においては、FC昇圧コンバータ15に燃料電池12の出力電圧を制御させると共に、バッテリ昇圧コンバータ22に駆動モータ13,14側への出力電圧、言い換えれば、駆動インバータ16及び補機インバータ17への入力電圧を制御させる。二次電池20の異常発生時における制御部30が行う動作については、図2を参照しながら詳細に説明する。
The
図2は、二次電池の異常発生時における制御部の一制御例を示すフローチャートである。制御部30が二次電池20の故障(異常)を検知すると、二次電池20のリレー21を切断する(バッテリ故障)。これにより、二次電池20が、燃料電池システム11から切り離される。
FIG. 2 is a flowchart illustrating one control example of the control unit when an abnormality occurs in the secondary battery. When the
(ステップS10)
まず、制御部30は、アクセル開度が0より大きく、且つ駆動モータ13,14の進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きいか否かを判定する。具体的には、車両に設けられたアクセル開度センサによってアクセル開度を検出し、アクセル開度が0より大きい場合にはユーザが前進方向へ進む意志があると判定する。また、シフトポジションセンサによって車両のシフトポジションを検出し、回転の前進方向を判定する(ドライブポジション(D)では正回転、リバース(R)では負回転)。モータ回転数が後退方向に進行している情報に基づき制御部30はずり下がりを判定する。判定の結果、アクセル開度が0より大きく、且つ駆動モータ13,14の進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きいと判定された場合には(ステップS10(YES))、ステップS30へ進み、そうでない場合には(ステップS10(NO))、ステップS20へ進む。
(Step S10)
First, the
(ステップS20)
ステップS10に示す条件(アクセル開度が0より大きく、且つ駆動モータ13,14の進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きい)を満たさない場合には、ステップS20において、駆動モータ13,14の必要電力に基づき、燃料電池12の発電電力を演算する。
(Step S20)
If the condition shown in step S10 (accelerator opening is larger than 0 and the rotational speed on the opposite side of the traveling direction of the
(ステップS30)
ステップS10に示す条件(アクセル開度が0より大きく、且つ駆動モータ13,14の進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きい)を満たす場合には、ステップS30において、モータに前進方向トルクをかけて回生発電を実施する。
(Step S30)
When the condition shown in step S10 (accelerator opening is greater than 0 and the rotational speed on the opposite side of the driving direction of the
(ステップS40、ステップS50)
次いで、回生電力を燃料電池の補機(エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水ポンプ等)で消費する(ステップS40)。補機が駆動されることによって、燃料電池12への燃料供給もすることができるため、燃料電池12の発電電力を利用し、正回転、正トルクのモータ制御に移行して登坂する(ステップS50)。
(Step S40, Step S50)
Next, the regenerative electric power is consumed by the auxiliary equipment of the fuel cell (air compressor, hydrogen pump, cooling water pump, etc.) (step S40). Since the auxiliary machine is driven, fuel can be supplied to the
以上のように本実施形態の燃料電池システムによれば、車両のアクセル開度が0より大きく、且つモータの進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きい場合に、モータの回生発電を許可し、回生電力を燃料電池の補機へ供給する。車両のずり下がりが起こるときには、モータの回生電力により燃料電池の補機を動かすため燃料電池が発電され、この燃料電池の発電電力に基づき必要なトルクを出力して登坂を走行することができる。また回生電力は燃料電池の補機で消費されるため、コンデンサの過電圧を抑制することができる。 As described above, according to the fuel cell system of the present embodiment, when the accelerator opening of the vehicle is greater than 0 and the rotational speed on the opposite side of the traveling direction of the motor is lower than the rotational speed, the motor regenerative power generation is performed. And supply regenerative power to the fuel cell auxiliaries. When the vehicle slips down, the fuel cell is generated to move the auxiliary device of the fuel cell by the regenerative power of the motor, and a necessary torque can be output based on the generated power of the fuel cell to travel uphill. Further, since the regenerative power is consumed by the auxiliary device of the fuel cell, the overvoltage of the capacitor can be suppressed.
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention.
11:燃料電池システム
12:燃料電池
13,14:駆動モータ
15:昇圧コンバータ(第1昇圧コンバータ)
16:駆動インバータ
17:補機インバータ
20:二次電池
21:リレー
22:バッテリ昇圧コンバータ(第2昇圧コンバータ)
23,24:補機インバータ
25,26:補機モータ
30:制御部
11: Fuel cell system 12:
16: Drive inverter 17: Auxiliary inverter 20: Secondary battery 21: Relay 22: Battery boost converter (second boost converter)
23, 24:
Claims (1)
コンデンサを有し、前記燃料電池が出力する電圧を昇圧して前記燃料電池の補機及び前記駆動モータへ供給する第1昇圧コンバータと、
コンデンサを有し、前記二次電池が出力する電圧を昇圧する第2昇圧コンバータと、
前記駆動モータの回生動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
車両のアクセル開度が0より大きく、且つ前記駆動モータの進行方向逆側の回転数がずり下がり回転数よりも大きい場合に、前記駆動モータの回生発電を許可し、回生電力を前記補機へ供給する、燃料電池システム。 A fuel cell system including a fuel cell and a secondary battery as a power supply source to a drive motor for driving a vehicle,
A first boost converter having a capacitor and boosting a voltage output from the fuel cell and supplying the boosted voltage to the auxiliary device of the fuel cell and the drive motor;
A second boost converter having a capacitor and boosting a voltage output from the secondary battery;
A control unit for controlling the regenerative operation of the drive motor,
The controller is
When the accelerator opening of the vehicle is greater than 0 and the rotational speed on the opposite side of the traveling direction of the drive motor is greater than the rotational speed, the regenerative power generation of the drive motor is permitted and the regenerative power is sent to the auxiliary machine. Supply fuel cell system.
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