JP2021182529A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムのコンプレッサの過度な加減速を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池にエアを供給するためのコンプレッサと、コンプレッサを制御する制御部と、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素タンクと、バッテリと、駆動モータと、を備える。制御部は、コンプレッサの回転数の目標応答時定数を設定する設定手段を備える。制御部は、バッテリの充放電上限値、駆動モータのトルク指令値、水素タンクの水素残量、の少なくとも１つに基づいて目標応答時定数を補正する補正手段を備える。制御部は、補正された目標応答時定数を用いて、コンプレッサの回転数を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいてコンプレッサの回転数を制御する制御手段を備える。【選択図】図１

Description

本明細書は、燃料電池車などに用いられる燃料電池システムを開示する。

特許文献１には、燃料電池車の燃料電池システムの一例が開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池に空気を供給するコンプレッサの回転数を制御する際に、制御系の時定数を算出し、得られた時定数を用いてコンプレッサ回転数の応答を補正することが開示されている。

特開２００４−３５５８９０号公報

燃料電池システムにおいてコンプレッサが過度に加減速してしまうと、様々な不具合が発生する場合がある。例えば、燃料電池システムがバッテリを備える場合には、バッテリの過度な充放電が行われ、バッテリが劣化してしまう場合がある。またコンプレッサの過度な加減速は、コンプレッサの消費電力を増加させ、システムの効率を悪化させてしまう場合がある。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池にエアを供給するためのコンプレッサと、コンプレッサを制御する制御部と、燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素タンクと、バッテリと、駆動モータと、を備える。制御部は、コンプレッサの回転数の目標応答時定数を設定する設定手段を備える。制御部は、バッテリの充放電上限値、駆動モータのトルク指令値、水素タンクの水素残量、の少なくとも１つに基づいて目標応答時定数を補正する補正手段を備える。制御部は、補正された目標応答時定数を用いて、コンプレッサの回転数を制御する指令値を算出し、算出した指令値に基づいてコンプレッサの回転数を制御する制御手段を備える。

この燃料電池システムでは、バッテリの充放電上限値、駆動モータのトルク指令値、水素タンクの水素残量、の少なくとも１つに基づいて、コンプレッサの回転数の目標応答時定数を補正する。そして、補正後の目標応答時定数を用いて、コンプレッサの回転数を制御するため、コンプレッサの過度な加減速を抑制することができる。バッテリの過度な充放電や、システムの燃費悪化の発生を抑制することが可能となる。

燃料電池システム１の概略構成図である。 燃料電池システム１の動作を説明するフローチャートである。 コンプレッサ２０の回転数指令値ω_ｒｅｆの時間変化を示すグラフである。 補正率ｋ_ｂａｔを決定するためのマップ例である。 補正率ｋ_ａｃｃｌを決定するためのマップ例である。 補正率ｋ_ｆｕｅｌを決定するためのマップ例である。 コンプレッサ物理モデルを示す図である。

（燃料電池システム１の構成）
図１に、燃料電池システム１の概略構成図を示す。燃料電池システム１は、ＥＣＵ１０、コンプレッサ２０、回転数センサ２１、燃料電池スタック３０、水素タンク４０、水素ポンプ４１、バッテリ５０、車両モータ６０、調圧バルブ７０を備えている。図１において、実線はガスや電力の供給を示しており、点線は信号の流れを示している。

ＥＣＵ１０は、燃料電池システム１を構成する様々な要素を統括して制御するコンピュータである。燃料電池スタック３０は、水素とエアとを電気化学的に反応させて電力を取り出す発電装置である。コンプレッサ２０は、燃料電池スタック３０にエアを供給する。回転数センサ２１は、コンプレッサ２０の回転数現在値ω_ｍｅｓを測定し、ＥＣＵ１０へ入力する。ＥＣＵ１０は、コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆをコンプレッサ２０に入力する。コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆをプラスの値にすることで、回転数現在値ω_ｍｅｓは上昇する。一方、コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆをマイナスまたはゼロの値にすることで、回転数現在値ω_ｍｅｓは低下する。

水素タンク４０は、水素を蓄積する。水素ポンプ４１は、燃料電池スタック３０に水素を供給する。車両モータ６０は、車両を動かすための電動機である。バッテリ５０は、リチウムイオン電池である。バッテリ５０は、燃料電池スタック３０で発電された電気を充電したり、車両モータ６０を駆動する電力やコンプレッサ２０の加速に必要な電力を供給（放電）する。調圧バルブ７０は、燃料電池スタック３０に供給されるエアの圧力を制御する。

（動作）
図２のフローチャートを用いて、燃料電池システム１の動作を説明する。以下では、「ステップ１０」を「Ｓ１０」のように略記する。Ｓ１０において、ＥＣＵ１０は、コンプレッサ回転数の目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}を設定する。

目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}について説明する。コンプレッサ２０の回転数の目標値である回転数指令値ω_ｒｅｆは、燃料電池スタック３０に対する要求電力ＰＷが大きくなることに従って大きくなる。回転数指令値ω_ｒｅｆと回転数現在値ω_ｍｅｓとの差が大きいほど、コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆは大きくなる。コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆに従ってコンプレッサ２０にトルクが加えられることで、回転数現在値ω_ｍｅｓが回転数指令値ω_ｒｅｆに一致するように制御が行われる。このような制御を行う燃料電池システム１は、後述するように、線形一次遅れシステムである。従って、燃料電池システム１の応答性は、応答時定数を指標とすることができる。応答時定数が小さいほど、応答性が高い。すなわち目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}は、燃料電池システム１の応答性を高くするか低くするかを決定する指標である。

例として、図３に、コンプレッサ２０の回転数指令値ω_ｒｅｆの時間変化を示すグラフを示す。図３では、実線のグラフＧ１は、Ｓ１０で取得される、補正前の目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}に基づくグラフである。また点線のグラフＧ２は、Ｓ２０で取得される、補正後の目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}に基づくグラフである。図３の例では、時刻ｔ１において、不図示のアクセルの踏み込み量が増大した場合を示している。アクセル踏み込み量が増大すると、燃料電池スタック３０に要求される要求電力ＰＷが増大する。従って、回転数指令値ω_ｒｅｆは、指令値ω１から指令値ω２まで増加する。

Ｓ２０において、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔ、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}、の少なくとも１つに基づいて、Ｓ１０で設定した目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}を補正する。本実施例で用いた補正式を、下式（１）に示す。

ここで、各符号は以下の様である。α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}：補正後のコンプレッサ目標応答時定数、ｋ_ｂａｔ：バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔに応じた補正率、ｋ_ａｃｃｌ：車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}に応じた補正率、ｋ_ｆｕｅｌ：水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}に応じた補正率。

補正率ｋ_ｂａｔは、バッテリ５０のバッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔに応じて決定される値である。図４に、補正率ｋ_ｂａｔを決定するためのマップ例を示す。補正率ｋ_ｂａｔは、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔが第１しきい値ＴＨ１１を下回ると、１．０からリニアに増加し、第２しきい値ＴＨ１２を下回ると２．０の一定値となる。すなわち、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔが第１しきい値ＴＨ１１より小さい値に制限されることに応じて、コンプレッサ目標応答時定数は、大きくなるように補正される。これは、コンプレッサ２０が過度に加減速しないようにし、バッテリ５０の充放電量を抑えることで、過充電または過放電によるバッテリ５０の劣化を防止するためである。

補正率ｋ_ａｃｃｌは、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}に応じて決定される値である。図５に、補正率ｋ_ａｃｃｌを決定するためのマップ例を示す。補正率ｋ_ａｃｃｌは、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}が第１しきい値ＴＨ２１を下回ると、１．０からリニアに増加し、第２しきい値ＴＨ２２を下回ると１．５の一定値となる。すなわち、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}が第１しきい値ＴＨ２１より小さくなることに応じて、コンプレッサ目標応答時定数は、大きくなるように補正される。これは、コンプレッサ２０の加速を抑制することで、コンプレッサ２０の消費電力を低減し、燃費向上を図るためである。

補正率ｋ_ｆｕｅｌは、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}（すなわち水素タンク４０の水素残量）に応じて決定される値である。図６に、補正率ｋ_ｆｕｅｌを決定するためのマップ例を示す。補正率ｋ_ｆｕｅｌは、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}が第１しきい値ＴＨ３１を下回ると、１．０からリニアに増加し、第２しきい値ＴＨ３２を下回ると１．５の一定値となる。すなわち、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}が第１しきい値ＴＨ３１より減少することに応じて、コンプレッサ目標応答時定数は、大きくなるように補正される。これは、コンプレッサ２０の加速を抑制することで、コンプレッサ２０の消費電力を低減し、燃費向上を図るためである。

Ｓ３０において、補正後のコンプレッサ目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}、および、コンプレッサ物理モデルを用いて、コンプレッサ２０の回転数のＦＢ制御ゲインを算出する。本実施例では、「内部モデル制御」と呼ばれる制御理論を用いて、補正後のコンプレッサ目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}で目標値追従するＦＢ制御ゲインを、数学的に算出する。内部モデル制御の内容については既知であるため、説明は省略する。図７に、本実施例で用いたコンプレッサ物理モデルを示す。図７における各符号の内容は、以下の様である。Ｔ_ｃ：制御遅れ時定数、Ｉ：コンプレッサイナーシャ、Ｋ：コンプレッサ１次遅れモデル係数、Ｔ_ｓ：センサ遅れ時定数。

本実施例では、ＦＢ比例ゲインｋ_ｐおよびＦＢ積分ゲインｋ_Ｉは、それぞれ下式で求められる。

Ｓ４０において、コンプレッサ回転数のＦＢ制御指令値τ_{ＦＢ＿ｒｅｆ}を算出する。コンプレッサ回転数のＦＢ制御指令値τ_{ＦＢ＿ｒｅｆ}は、ＦＢ比例ゲインｋ_ｐおよびＦＢ積分ゲインｋ_ｐに基づいて、下式で求められる。

Ｓ５０において、コンプレッサ回転数のＦＦ制御指令値を算出する。具体的には、加速トルク項τ_{ａｃｃｌ＿ｒｅｆ}、および、定常トルク項を算出する。定常トルク項は、圧縮トルク項τ_{ｃｏｍｐ＿ｒｅｆ}、および、引きずりトルク項τ_{ｆｒｉｃ＿ｒｅｆ}、を備えている。加速トルク項τ_{ａｃｃｌ＿ｒｅｆ}は、下式で求められる。

圧縮トルク項τ_{ｃｏｍｐ＿ｒｅｆ}は、下式で求められる。

ここで、各符号は以下の様である。ｍ_ｒｅｆ：コンプレッサ流量指令値、Ｃ_ｐ：熱容量、Ｔ_ｉｎ：コンプレッサ入口温度現在値、Ｐ_{ｉｎ＿ｒｅｆ}：コンプレッサ入口圧力指令値、Ｐ_{ｏｕｔ＿ｒｅｆ}：コンプレッサ出口圧力指令値、γ：比熱比、η：コンプレッサ断熱圧縮効率。

引きずりトルク項τ_{ｆｒｉｃ＿ｒｅｆ}は、下式で求められる。

ここで、各符号は以下の様である。Ｃ_０〜Ｃ_３：コンプレッサ引きずりトルク係数。

Ｓ６０において、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔ、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}、の少なくとも１つに基づいて、Ｓ５０で求めたＦＦ制御指令値の加速トルク項τ_{ａｃｃｌ＿ｒｅｆ}を補正し、補正後の加速トルク項τ’_{ａｃｃｌ＿ｒｅｆ}を求める。本実施例で用いた補正式を、下式に示す。

補正率ｋ_ｂａｔ、ｋ_ａｃｃｌ、ｋ_ｆｕｅｌの内容は、前述した式（１）と同様である。すなわち、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔが第１しきい値ＴＨ１１より小さい値に制限されることに応じて、加速トルクが小さくなるように補正される。これは、コンプレッサ２０が過度に加減速しないようにし、バッテリ５０の充放電量を抑えるためである。また、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}が第１しきい値ＴＨ２１より小さくなること、および、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}が第１しきい値ＴＨ３１より減少することに応じて、加速トルクが小さくなるように補正される。これは、コンプレッサ２０の加速を抑制することで、コンプレッサ２０の消費電力を低減するためである。

Ｓ７０において、下式に基づいて、コンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆを算出する。

Ｓ７０で算出されたコンプレッサトルク指令値τ_ｒｅｆは、ＥＣＵ１０からコンプレッサ２０へ入力される。これにより、回転数現在値ω_ｍｅｓが回転数指令値ω_ｒｅｆに一致するように、コンプレッサ２０の回転数を制御することができる。

Ｓ１０で設定した補正前の目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}は、比較的小さい状態（すなわち応答性が高い状態）である。よって図３のグラフＧ１に示すように、回転数指令値ω_ｒｅｆは、比較的早い時間Ｔ１で指令値ω２まで増加する。一方、Ｓ２０で得られる補正後のコンプレッサ目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}は、補正により大きい状態（すなわち応答性が低い状態）とされている。よって図３のグラフＧ２に示すように、回転数指令値ω_ｒｅｆは、比較的遅い時間Ｔ２で指令値ω２まで増加する。これにより、目標応答時定数を補正することで、コンプレッサ２０の過度な加減速を抑制することができることが分かる。

（効果）
第１の課題を説明する。バッテリ５０がリチウムイオン電池である場合には、ニッケル水素電池を用いる場合に比して、低温環境等でバッテリ充放電量の上限値が大きく制限されることがある。このように、バッテリ５０の充放電の上限（Ｗｉｎ／Ｗｏｕｔ）が制限されているときに、コンプレッサ２０が過度に加減速した場合、バッテリ充放電量が増加してしまう。これは、コンプレッサ２０の加速に必要な電力を、バッテリ５０で賄うシステムのためである。するとバッテリ５０が過充電または過放電となる場合があり（Ｗｉｎ／Ｗｏｕｔ超過）、バッテリ５０が劣化してしまう。また、第２の課題を説明する。車両に高い加速性能が要求されない状況（例：低出力での運転時、水素タンク４０の水素がなくなる直前、など）において、コンプレッサ２０が過度に加減速した場合には、水素消費量が増加してしまう。その結果、燃費が悪化してしまう。

そこで本明細書に記載されている燃料電池システム１では、コンプレッサ回転数の目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}を設定する（Ｓ１０）。そして、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔ、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}、の少なくとも１つに基づいて、設定した目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}を補正することができる（Ｓ２０）。そして、補正後のコンプレッサ目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ}を用いて、コンプレッサ２０の回転数を制御する（Ｓ３０〜Ｓ７０）。これにより、コンプレッサ２０の過度な加減速を抑制することができるため、過度な充放電によるバッテリ５０の劣化を防止することや、燃料電池システム１の燃費悪化の発生を抑制することが可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
Ｓ２０では、バッテリ充放電上限値Ｗ_ｂａｔ、車両モータトルク指令値τ_{ｃａｒ＿ｒｅｆ}、水素タンク圧力Ｐ_{ｈ２ｔａｎｋ}、の少なくとも１つに基づいて、目標応答時定数α_{ＡＣＰ＿ｒｅｆ＿ｂａｓｅ}を補正してもよい。Ｓ６０においても同様である。

図２のフローチャートで示したステップの全てを必ずしも実行する必要はない。例えば、Ｓ２０やＳ６０の補正ステップは省略することが可能である。

図４〜図６の補正率を決定するためのマップは一例である。様々なマップが可能である。

燃料電池スタック３０は、燃料電池の一例である。ＥＣＵ１０は、制御部の一例である。車両モータ６０は、駆動モータの一例である。Ｓ１０を実行するＥＣＵ１０は、設定手段の一例である。Ｓ２０を実行するＥＣＵ１０は、補正手段の一例である。コンプレッサ回転数のＦＢ制御指令値τ_{ＦＢ＿ｒｅｆ}、および、ＦＦ制御指令値（加速トルク項τ_{ａｃｃｌ＿ｒｅｆ}、定常トルク項）は、指令値の一例である。Ｓ４０、Ｓ５０、Ｓ７０を実行するＥＣＵ１０は、制御手段の一例である。

１：燃料電池システム １０：ＥＣＵ ２０：コンプレッサ ２１：回転数センサ ３０：燃料電池スタック ４０：水素タンク ５０：バッテリ ６０：車両モータ

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池にエアを供給するためのコンプレッサと、
   前記コンプレッサを制御する制御部と、
   前記燃料電池に供給される水素を貯蔵する水素タンクと、
   バッテリと、
   駆動モータと、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記コンプレッサの回転数の目標応答時定数を設定する設定手段と、
   前記バッテリの充放電上限値、前記駆動モータのトルク指令値、前記水素タンクの水素残量、の少なくとも１つに基づいて前記目標応答時定数を補正する補正手段と、
   補正された前記目標応答時定数を用いて、前記コンプレッサの回転数を制御する指令値を算出し、算出した前記指令値に基づいて前記コンプレッサの回転数を制御する制御手段と、
   を備える、燃料電池システム。

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