JP2018073722A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle.
特許文献1には、電気自動車に搭載される電源装置が記載されている。この電源装置は、燃料電池と、燃料電池が出力した電力が蓄電される蓄電装置とが組み合わされたハイブリッド式の電源装置である。そして、電源装置の燃料電池出力制御手段は、検出された蓄電装置の充電残量に応じて、燃料電池による電力の出力を適宜変化させ、蓄電装置を効率よく充電する。具体的には、蓄電装置の充電残量が多ければ燃料電池による電力の出力を低出力の状態とし、充電残量が少なければ燃料電池による電力の出力を高出力の状態とする。
しかしながら、産業車両が荷物を持ったまま坂道を登る等、車両のモータに高い負荷がかかる状況において蓄電装置が過放電にならないようにするためには、蓄電装置の充電残量に関わらず、できるだけ早急に燃料電池による電力の出力を高出力とする必要がある。 However, in order to prevent the power storage device from being overdischarged in a situation where the vehicle motor is subjected to a high load, such as climbing a hill with luggage, the power storage device can be as much as possible regardless of the remaining charge of the power storage device. There is an urgent need to increase the power output of the fuel cell.
この発明は、このような問題を解決するためになされ、車両負荷が高負荷条件にある時に蓄電装置の過放電を防止しつつ、車両に必要な電力を供給することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a fuel cell system capable of supplying necessary electric power to a vehicle while preventing overdischarge of the power storage device when the vehicle load is in a high load condition. The purpose is to do.
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、酸素と燃料ガスとを反応させて発電を行い、車両負荷に電力を供給する燃料電池スタックと、燃料電池スタックからの電力を蓄電するとともに、車両負荷に電力を供給する蓄電装置と、蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、燃料電池スタック又は蓄電装置の少なくともいずれか一方から車両負荷に供給される電力の電流値を測定する電流測定部と、充電率及び電流値に基づいて燃料電池スタックの出力状態を制御する制御装置とを備え、制御装置は、充電率が所定の閾値を下回った場合、又は、電流値が所定時間以上継続して所定の高出力移行基準値以上となった場合は、燃料電池スタックを高出力状態とする。
これにより、制御装置は、車両負荷に特に高い負荷が係る状況においては、蓄電装置の充電率に関わらず、燃料電池スタックを高出力状態に移行することができる。
In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention reacts oxygen and fuel gas to generate electric power and supplies electric power to a vehicle load, and electric power from the fuel cell stack. A power storage device that stores power and supplies power to the vehicle load, a charge rate detection unit that detects a charge rate of the power storage device, and a current of power supplied to the vehicle load from at least one of the fuel cell stack and the power storage device A current measuring unit for measuring the value and a control device for controlling the output state of the fuel cell stack based on the charging rate and the current value, and the control device is configured so that the charging rate falls below a predetermined threshold or the current If the value continues for a predetermined time or longer and becomes equal to or higher than a predetermined high output transition reference value, the fuel cell stack is set to a high output state.
Thereby, the control device can shift the fuel cell stack to the high output state regardless of the charging rate of the power storage device in a situation where the vehicle load is particularly high.
また、この発明に係る燃料電池システムの電流測定部は、蓄電装置から車両負荷に供給される電力の電流値を測定してもよい。 Further, the current measuring unit of the fuel cell system according to the present invention may measure the current value of the electric power supplied from the power storage device to the vehicle load.
また、制御装置は、蓄電装置の充電率に応じて燃料電池スタックの出力状態を、高出力状態を含む少なくとも3つの出力段階のいずれかに移行させることもできる。 Further, the control device can shift the output state of the fuel cell stack to any of at least three output stages including the high output state according to the charging rate of the power storage device.
また、蓄電装置の充電率が高くなるのに伴い、高出力移行基準値も高くなってもよい。 Further, as the charging rate of the power storage device increases, the high-output transition reference value may also increase.
この発明に係る燃料電池システムによれば、車両負荷が高負荷条件にある時に蓄電装置の過放電を防止しつつ、車両に必要な電力を供給することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, when the vehicle load is in a high load condition, it is possible to supply necessary electric power to the vehicle while preventing over-discharge of the power storage device.
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100の構成を図1に示す。
燃料電池システム100は、複数のセル(図示せず)を有する燃料電池スタック1と、燃料電池スタック1に水素ガスを供給可能な水素タンク2と、燃料電池スタック1に酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ3とを備えている。燃料電池スタック1と水素タンク2との間には、燃料電池スタック1の各セルに供給される水素ガス量を調整するための電磁弁4が設けられる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
A configuration of a
The
さらに、燃料電池スタック1には、DC/DCコンバータ5が電気的に接続される。また、DC/DCコンバータ5には車両負荷としてのモータ20が電気的に接続される。すなわち、燃料電池スタック1にはDC/DCコンバータ5を介してモータ20が電気的に接続されている。さらに、DC/DCコンバータ5とモータ20との間には分岐点B1を介してキャパシタ6が接続される。ここで、キャパシタ6は、モータ20と並列になるように燃料電池スタック1及びDC/DCコンバータ5に電気的に接続されている。また、キャパシタ6には電圧推定器7が取り付けられる。さらに、電圧推定器7と分岐点B1との間、すなわちキャパシタ6の電力の受け渡しの入口には電流センサ9が設けられ、電圧推定器7と直列に配置される。また、コンプレッサ3、電磁弁4、電圧推定器7及び電流センサ9には、マイクロコンピュータによって構成されるECU8が電気的に接続される。
ここで、キャパシタ6は蓄電装置を構成する。また、ECU8は制御部を構成する。またさらに、ECU8は電圧推定器7によって推定されるキャパシタ6の電圧に基づいてキャパシタ6の充電率Vを算出することができるため、ECU8及び電圧推定器7は、キャパシタ6の充電率Vを検出する充電率検出部を構成する。さらにまた、電流センサ9は、キャパシタ6からモータ20に供給される電力の電流値を測定する電流測定部を構成する。
なお、モータ20は、車両を走行させる走行モータである。
Further, a DC /
Here, the
The
次に、燃料電池システム100の動作について説明する。
なお、以下の説明において、燃料電池スタック1の発電電力をPGとし、キャパシタ6から出力される電力をPcとする。また、燃料電池スタック1及びキャパシタ6からモータ20に供給される電力をP-wとする。ここで、電力Pwは、モータ20の要求電力でもある。
Next, the operation of the
In the following description, the generated power of the
まず、水素タンク2から水素が、コンプレッサ3から空気が、各々、燃料電池スタック1に供給される。そして、燃料電池スタック1の各々のセルでは、水素タンク2から供給される水素とコンプレッサ3から供給される空気中の酸素とが化学反応を起こし電気エネルギーが生成され、発電が行われる。ここで、ECU8は電磁弁4の開閉を制御して、水素タンク2から燃料電池スタック1に供給される水素の量を調整する。また同時に、ECU8は、コンプレッサ3を制御して燃料電池スタック1に供給される空気の量を調整する。これによって、ECU8は、燃料電池スタック1に供給される空気中の酸素及び水素の量を調整し、燃料電池スタック1の発電電力PGの出力状態を制御する。
First, hydrogen is supplied from the
また、燃料電池スタック1で発電された電力PGは、DC/DCコンバータ5によって所定の電圧まで降圧された後、要求電力Pw分がモータ20に供給される。また、余剰の電力は分岐点B1を介してキャパシタ6に供給され、蓄電される。一方、燃料電池スタック1で発電された電力PGがモータ20の要求電力PWを下回る場合には、不足分の電力Pcがキャパシタ6からモータ20に供給される。
The power P G generated by the
図2及び3を参照して、ECU8による燃料電池スタック1の発電電力PGの制御について詳細に説明する。
燃料電池スタック1の発電の出力状態には、図2に示すように、発電停止状態と、低出力状態と、中出力状態と、高出力状態との4段階の状態がある。
発電停止状態とは、燃料電池スタック1において発電が行われておらず、発電電力PG=0[Kw]である状態をいう。
また、低出力状態とは、セルの劣化を伴うことなく発電可能である最低値の発電電力PGを、燃料電池スタック1が出力している状態をいう。
さらに、高出力状態とは、車両が最大負荷で動作する際にモータ20の要求電力Pwの最大値としての発電電力を燃料電池スタック1が発電している状態をいう。
またさらに、中出力状態とは、低出力状態時の発電の電力値と高出力状態時の発電の電力値との間の所定値である発電電力を、燃料電池スタック1が出力している状態をいう。ここで、中出力状態における燃料電池スタック1の中出力である発電電力PGは、通常の使用条件において車両が動作する際のモータ20の要求電力Pwのほぼ平均的な値に設定される。
Referring to FIGS. 2 and 3, will be described in detail the control of the generated power P G of the
As shown in FIG. 2, the power generation output state of the
The power generation stop state refers to a state where power generation is not performed in the
Further, the low output state refers to a state in which the generated power P G of minimum possible power without degradation of the cell, the
Further, the high output state refers to a state in which the
Furthermore, the medium output state is a state in which the
通常時の燃料電池システム100では、図2に示すように、ECU8はキャパシタ6の充電率に応じて、燃料電池スタック1の発電の出力状態を切り替える。
具体的には、まず、燃料電池スタック1が発電停止状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが発電開始閾値50[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1は発電を開始して、出力状態は発電停止状態から低出力状態に移行する(切替段階S1)。次に、燃料電池スタック1が低出力状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが中出力切替閾値45[%]を下回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は低出力状態から中出力状態に移行する(切替段階S2)。さらに次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが高出力切替閾値を下回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は中出力状態から高出力状態に移行する(切替段階S3)。なお、高出力切替閾値は、車両が最も厳しい条件で使用された際に燃料電池システム100を保護するために最低限必要なキャパシタ6の充電率として設定される。
In the normal
Specifically, first, when the
また、燃料電池スタック1が高出力状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが中出力切替閾値45[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は高出力状態から中出力状態に移行する(切替段階S4)。次に、燃料電池スタック1が中出力状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが出力低減閾値60[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1の発電の出力状態は中出力状態から低出力状態に移行する(切替段階S5)。さらに次に、燃料電池スタック1が低出力状態にある時、キャパシタ6の充電率Vが発電停止閾値70[%]を上回った場合は、燃料電池スタック1は発電を停止して、出力状態は低出力状態から発電停止状態に移行する(切替段階S6)。
When the
一方、ECU8が、モータ20が高負荷条件にあると判断した場合、図2の矢印R1〜R3に示すように、キャパシタ6の充電率に関わらず、燃料電池スタック1の発電の出力状態を高出力状態に移行する。具体的には、ECU8は、電流センサ9によって測定される電力Pcの電流値、すなわちキャパシタ6からの持ち出し電流の電流値が2秒以上継続して高出力移行基準値h[A]以上となった時に、モータ20は高負荷条件にあると判断する。
なお、高負荷条件とは、車両が荷物を持ちながら坂道を登る等の厳しい状況で使用されてモータ20に所定以上の高い負荷がかかり、モータ20の要求電力Pwが最大値をとる時の条件である。また、高出力移行基準値hとはモータ20が高負荷条件にある時に、モータ20に供給される電力の電流値であるものとする。そして、この実施の形態に係る燃料電池システム100については、高出力移行基準値hはキャパシタ6からモータ20に供給される電力Pcについての電流値とされる。
On the other hand, when the
The high load condition is a condition when the
また、図3に示すように、高出力移行基準値hはキャパシタ6の充電率Vに応じて変化する。すなわち、キャパシタ6の充電率Vが100%の時の高出力移行基準値hの比率を1とすると、キャパシタ6の充電率Vが90%、80%、70%……と低下するのに伴い、高出力移行基準値hの比率も0.9、0.8、0.7……と低くなっていく。すなわち、キャパシタ6の充電率Vが高い程、燃料電池スタック1を高出力状態に移行させるための条件は厳しくなる。
Further, as shown in FIG. 3, the high output transition reference value h changes according to the charging rate V of the
以上より、この実施の形態1に係る燃料電池システム100では、ECU8は、キャパシタ6の充電率Vが高出力切替閾値を下回った場合のみならず、電力Pcの電流値が2秒以上継続して高出力移行基準値h以上となった場合に、燃料電池スタック1を高出力状態とする。このように、モータ20が高負荷条件にあると判断される時に、キャパシタ6の充電率Vに関わらず、即座に燃料電池スタック1を高出力状態とすることで、キャパシタ6の過放電が防止され、モータ20に安定的に必要な電力を供給することができる。
As described above, in the
また、電流センサ9が、キャパシタ6からモータ20に供給される電力Pcの電流値、すなわちキャパシタ6からの持ち出し電流値を直接測定しているため、キャパシタ6からの不必要な電力の出力が抑えられ、過放電をより確実に防止することができる。
Further, since the
また、モータ20が高負荷条件ではない通常の使用時において、ECU8は、キャパシタ6の充電率Vに応じて燃料電池スタック1の出力状態を、発電停止状態、低出力状態、中出力状態、高出力状態の4つの出力段階に適宜移行させる。これにより、キャパシタ6を効率よく充電しつつ、モータ20に必要な電力を供給することができる。
Further, during normal use when the
また、図3に示すように、キャパシタ6の充電率Vが高くなる程、高出力移行基準値hも高くなるため、キャパシタ6の充電残量に余裕がある間は燃料電池スタック1が高出力状態に切り替わるための条件は厳しくなる。これにより、燃料電池スタック1の出力状態の切替の回数が少なくなり、燃料電池スタック1のセルの劣化が防止される。
Further, as shown in FIG. 3, the higher the charging rate V of the
また、電流センサ9が設けられる位置は、この実施の形態の燃料電池システム100のように、キャパシタ6の電力の受け渡しの入口に限定されない。すなわち、図4に示す燃料電池システム200のように、分岐点B1とモータ20との間に電流センサ19が設けられていても良い。この場合、燃料電池システム200の電流センサ19は、燃料電池スタック1及びキャパシタ6からモータ20に供給される電力Pwの電流値を測定する。また、この燃料電池システム200においては、高出力移行基準値hも電力Pwの電流値に基づいて設定される。
Further, the position where the
また、モータ20が高負荷条件にあると判断される場合は、電流センサ9又は19が測定する電流値が2秒以上、高出力移行基準値h以上となる場合に限定されない。すなわち、電流値が高出力移行基準値h以上となる継続時間が2秒よりも長い又は短い時間であっても良い。
Further, when it is determined that the
また、燃料電池スタック1の出力状態は、発電停止状態、低出力状態、中出力状態及び高出力状態の4つの出力段階に設定される場合に限定されず、例えば、発電停止状態、低出力状態及び高出力状態の3つの出力段階に設定されていてもよい。また、燃料電池スタック1の出力状態が5つ以上の出力段階に設定されていても良い。
Further, the output state of the
1 燃料電池スタック、7 電圧推定器(充電率検出部)、8 ECU(制御部、充電率検出部)、9,19 電流センサ(電流測定部)、20 モータ(車両負荷)、100,200 燃料電池システム。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池スタックからの電力を蓄電するとともに、前記車両負荷に電力を供給する蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、
前記燃料電池スタック又は前記蓄電装置の少なくともいずれか一方から前記車両負荷に供給される電力の電流値を測定する電流測定部と、
前記充電率及び前記電流値に基づいて前記燃料電池スタックの出力状態を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記充電率が所定の閾値を下回った場合、又は、前記電流値が所定時間以上継続して所定の高出力移行基準値以上となった場合は、前記燃料電池スタックを高出力状態とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that reacts oxygen and fuel gas to generate electricity and supplies power to the vehicle load;
A power storage device that stores power from the fuel cell stack and supplies power to the vehicle load;
A charge rate detector for detecting a charge rate of the power storage device;
A current measuring unit for measuring a current value of electric power supplied to the vehicle load from at least one of the fuel cell stack and the power storage device;
A control device for controlling the output state of the fuel cell stack based on the charging rate and the current value;
When the charging rate falls below a predetermined threshold, or when the current value continues for a predetermined time or more and exceeds a predetermined high output transition reference value, the control device outputs the fuel cell stack to a high output Fuel cell system to be in a state.
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