JP3709789B2 - 電力制御装置及び電力供給装置の制御方法 - Google Patents
電力制御装置及び電力供給装置の制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を駆動するために、電源からの電力を負荷回路に供給する制御をする電力制御装置及び電力供給装置の制御方法に関し、詳しくは、燃料電池で発電した電力を駆動モータ等に供給する制御をする電力制御装置及び電力供給装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給すると共に、酸素を含む空気を供給して燃料電池を発電させ、発電電力を用いて駆動モータ等を駆動する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
この燃料電池システムでは、例えば特開平７−５７７５３号公報で開示されてるように、燃料改質装置から燃料ガスが供給されると共に、空気供給装置から空気が供給される燃料電池と、この燃料電池で発電して出力された直流電力を定電圧制御して交流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、燃料改質装置及び空気供給装置から燃料電池に供給する燃料ガス及び空気の流量を制御するための流量演算制御部とを含んで構成されていることが多い。この燃料電池システムでは、外部から駆動モータ等の負荷を駆動することを命令する負荷指令を入力し、負荷命令に従って、発電する電力を設定し、設定した電力設定値によりＤＣ／ＤＣコンバータ及び流量演算制御部での処理を制御する。
【０００４】
また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池からの出力電流を検出することで負荷指令の急増を検知し、電力設定値の増加速度を抑制する。これにより、従来の燃料電池システムでは、過電流を防止する過電流防止手段としての機能を有すると共に、急激な燃料電池の電圧低下を防ぐ構成となっていた。
【０００５】
この過電流防止手段は、燃料電池の出力電力増加速度を監視する電流検出器を備え、この電流検出器の検出電流から燃料電池の出力電流の増加速度を求め、この電流増加速度が予め決定していた所定値を越えたときに、電流増加速度を所定値に保持するように電力設定値の制御する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池システムでは、過電流防止をする一方で、電力設定指令に対する遅れや、負荷回路に供給する電力の遅れが考慮されておらず、電力設定指令に従った電力を取り出せないことが多かった。すなわち、従来の燃料電池システムでは、電力設定値指令が急増したときに、負荷に指令を出しても、実際の負荷が指令に追従しないことがあった。
【０００７】
更に、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを安定動作させるために時間を要するために、負荷に対する燃料電池の動作が遅れて、遅れた時間分の電力をバッテリから負荷に供給する。このため、従来の燃料電池システムでは、車両の加速が繰り返されると、バッテリの充電量が次第に低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、バッテリの充電電力を有効に利用する電力制御装置及び電力供給装置の制御方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力制御装置において、上記燃料電池からの発電電力を入力して、上記負荷回路又は上記二次電池に電力供給をする発電電力入出力手段と、外部から指令電力値を示す信号が入力される信号入力手段と、上記二次電池又は上記発電電力入出力手段から上記負荷回路に供給された負荷電力量を演算する負荷電力量演算手段と、上記発電電力入出力手段から出力した動作電力量を演算する動作電力量演算手段と、上記負荷電力量演算手段で演算された負荷電力量と、上記動作電力量演算手段で演算された動作電力量との電力量差を演算する電力量差演算手段と、上記電力量差演算手段で演算された電力量差に相当する電力量に基づいて、上記発電電力入出力手段から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御する制御手段とを備え、上記負荷電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、上記動作電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記発電電力入出力手段が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、上記電力量差演算手段は、上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、上記制御手段は、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、上記信号入力手段は、所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、上記制御手段は、時間的に前に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値と、時間的に後に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする。
【００１１】
上述の課題を解決するために、請求項３に係る発明は、燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力供給装置の制御方法において、外部から指令電力値を示す信号を入力するステップと、上記電力供給装置から上記二次電池又は上記負荷回路に供給した負荷電力量を演算するステップと、上記電力制御装置から出力した動作電力量を演算するステップと、上記負荷電力量と、上記動作電力量との電力量差を演算するステップと、上記電力量差に相当する電力量に基づいて、上記電力供給装置から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するステップとを有し、上記負荷電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、上記動作電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記電力供給装置が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記電力供給装置を制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、時間的に前に入力した上記指令電力値と、時間的に後に入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電力量差に相当する電力量に基づいて、次回に発電電力入出力手段から出力する動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、電力量差に相当する電力量を次回の電力供給時に二次電池などに供給することができ、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池の充電電力を有効に利用することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、電力量差に相当する電力量に基づいて、次回に出力する動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、電力量差に相当する電力量を次回の電力供給時に二次電池などに供給することができ、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池の充電電力を有効に利用することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１８】
［燃料電池システムの構成］
図１に、燃料電池システムの構成を示す。この燃料電池システムは、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００１９】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ２、コンプレッサモータ３、コンプレッサモータインバータ４、コンプレッサモータインバータ制御部５を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、後述のコントローラ１４からコンプレッサモータインバータ制御部５に制御信号が供給されると共に、コンプレッサモータインバータ４及びコンプレッサモータ３に電力が供給される。これにより、燃料電池システムでは、コンプレッサモータインバータ制御部５によりコンプレッサモータインバータ４を制御し、コンプレッサモータ３の回転数を制御して、コンプレッサ２から燃料電池スタック１に供給する空気量を制御する。
【００２０】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵装置６を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電をするに際して、コントローラ１４から水素貯蔵装置６に制御信号が供給され、水素貯蔵装置６により燃料電池スタック１に供給する水素ガス量を制御する。
【００２１】
更に、燃料電池システムは、燃料電池スタック１で発電した電力を入力する強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７、燃料電池スタック１で発電した電力を蓄積する二次電池８、例えば１２［Ｖ］の電源電力を各部に供給する１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ９、１２［Ｖ］の電源電力となる電力を蓄積する１２Ｖバッテリ１０、負荷となる駆動モータ１１、駆動モータ１１に供給する電力を調整する駆動モータインバータ１２、駆動モータインバータ制御部１３を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からの発電電力を、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して二次電池８に蓄電すると共に、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して１２Ｖバッテリ１０に蓄電する。また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からの発電電力をコンプレッサモータインバータ４を介してコンプレッサモータ３に供給してコンプレッサモータ３を駆動すると共に、駆動モータインバータ１２を介して駆動モータ１１に供給して駆動モータ１１を駆動する。
【００２２】
更にまた、燃料電池システムは、外部のイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）センサ２１、アクセルセンサ２２及びインストメータ２３と接続され、上述した各部を制御するコントローラ１４を備える。このコントローラ１４は、イグニッションスイッチセンサ２１又はアクセルセンサ２２からのセンサ信号に従って、上述した各部に制御信号を出力し、インストメータ２３を用いて燃料電池システムの発電状態を車両利用者に提示する。
【００２３】
この燃料電池システムでは、コントローラ１４により強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作状態、駆動モータインバータ制御部１３の動作状態、コンプレッサモータインバータ制御部５の動作状態を示す信号が入力するように構成されている。
【００２４】
［強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの構成］
図２に、上述の燃料電池システムに含まれる強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の機能的な構成を示す。図２によれば、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、コントローラ１４との間で情報の送受信をする通信部３１と、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する交流電圧（電力量）を制御する動作定数演算部３２と、通信遅れ演算部３３と、動作電力値・動作電力量演算部３４と、負荷電力値・負荷電力量演算部３５と、電力量差演算部３６とを有する。
【００２５】
通信部３１は、コントローラ１４と接続されている。この通信部３１は、コントローラ１４から指令電力値が入力され、入力された指令電力値を動作定数演算部３２に出力する。
【００２６】
動作定数演算部３２は、通信部３１からの指令電力値に従って強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８又は駆動モータインバータ１２に供給するときの動作定数を決定する。
【００２７】
通信遅れ演算部３３は、内部にメモリを備え、予め内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄ、通信遅れ時間定数Ｔｔｄを格納している。通信遅れ演算部３３は、これらの定数Ｔｔｄ、Ｔｓｄに基づいて、時刻ｔ１で指令電力値が入力されたときの強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から電力を供給開始する時刻ｔ３を演算すると共に、駆動モータインバータ１２及びコンプレッサモータインバータ４に電力供給を開始する時刻ｔ２を演算する。通信遅れ演算部３３は演算した時刻ｔ３を動作電力値・動作電力量演算部３４に出力する。
【００２８】
動作電力値・動作電力量演算部３４は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する動作電力値、動作電力量を演算する。動作電力値・動作電力量演算部３４は、演算した動作電力量を電力量差演算部３６に出力する。
【００２９】
負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、内部に負荷の遅れ時間定数Ｔｓｄ１を格納しており、定数Ｔｓｄ１を用いて指令電力値が入力されてからコンプレッサモータインバータ４及び駆動モータインバータ１２が動作開始する時刻ｔ２を演算し、負荷電力値が指令電力値に達する時刻ｔ４を演算する。更に、この負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、時刻ｔ２から時刻ｔ４における負荷電力値及び負荷電力量を演算し、演算した負荷電力量を電力量差演算部３６に出力する。
【００３０】
電力量差演算部３６は、負荷電力値・負荷電力量演算部３５からの負荷電力量から、動作電力値・動作電力量演算部３４からの動作電力量を減算する演算をして、電力量差を得る。この電力量差は、二次電池８からコンプレッサモータインバータ４及び駆動モータインバータ１２に供給された充電電力量となる。電力量差演算部３６は、演算して得た電力量差をコントローラ１４に出力する。
【００３１】
［燃料電池システムの電力制御処理］
図３に、上述の燃料電池システムによる電力制御処理の処理手順を示す。
【００３２】
図３によれば、先ず、ステップＳ１において、車両運転者により操作キーが操作されることで、イグニッションスイッチセンサ２１からのセンサ信号によりイグニッションスイッチがオンとなっているか否かをコントローラ１４により判定する。イグニッションスイッチがオンとなっているときには処理をステップＳ２に進め、イグニッションスイッチがオンとなっていないときには処理を終了する。
【００３３】
ステップＳ２では、動作電力指令である指令電力値をコントローラ１４から通信部３１で受信して、ステップＳ３に進む。動作電力指令は、例えば、図４に示すように時刻ｔ１から電力を駆動モータ１１に供給することを示す制御信号であり、アクセルセンサ２２からのセンサ信号に基づくアクセルの操作量に応じてコントローラ１４で生成される。また、コントローラ１４は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に動作電力指令を出力すると共に、駆動モータインバータ制御部１３、コンプレッサモータインバータ制御部５及び水素貯蔵装置６に制御信号を出力する。ここで、コントローラ１４は、燃料電池スタック１から取り出す電力として、駆動モータ１１で消費する電力量と、コンプレッサ２で消費する電力量との合計値を示す指令電力値を強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に出力する。
【００３４】
ステップＳ３では、ステップＳ２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を動作定数演算部３２により行う。指令電力値が正の値であるときにはステップＳ４に処理を進め、動作電力指令が正の値でないときにはステップＳ２に処理を戻す。すなわち、ステップＳ３では、駆動モータ１１を駆動する命令が発生した場合にのみステップＳ３以降の処理を開始する。
【００３５】
ステップＳ４では、ステップＳ２で受信した動作電力指令を実行するための強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作定数を動作定数演算部３２で求め、決定した動作定数で燃料電池スタック１からの発電電力を取り出して、二次電池８又は駆動モータインバータ１２に供給してステップＳ５に処理を進める。この動作定数は、例えば、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８等に出力するときの電力制御をスイッチング素子で切り替える場合において、このスイッチング素子を動作させるためのデューティ比で表現される。
【００３６】
ステップＳ５では、通信遅れ演算部３３により強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が遅れて動作開始する時刻ｔ３を演算する。通信遅れ演算部３３内のメモリに予め格納された、コントローラ１４との間で行う通信の遅れを示す通信遅れ時間定数Ｔｔｄ、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７内の内部処理遅れ時間を示す内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄを読み出す。上記通信遅れ時間定数Ｔｔｄは燃料電池システム全体のシステム構成により決定され、上記内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄは燃料電池システム全体のシステム構成、ソフト構成により決定される。通信遅れ演算部３３は、読み出した定数Ｔｔｄ、Ｔｓｄに基づいて、後述の図６内の強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が動作する時刻ｔ３を演算して、ステップＳ６に処理を進める。
【００３７】
ステップＳ６では、コンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３の遅れ時間を負荷電力値・負荷電力量演算部３５により演算する。このとき、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、内部のメモリに予め格納された負荷遅れ時間定数Ｔｓｄ１を読み出し、この負荷遅れ時間定数Ｔｓｄ１に基づいて図５中の時刻ｔ２を求める。図５中の時刻ｔ２は、時刻ｔ１でコントローラ１４からコンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３に制御信号を出力して、駆動モータ１１が実際に駆動する時刻である。
【００３８】
ここで、動作電力が指令電力値にまで達するのに要する所要時間ΔＴ１は指令電力値の変化により決定される。所要時間ΔＴ１は指令電力値の変化ΔＰによりマップ若しくは計算式から算出する。計算式の一例としては、
所要時間ΔＴ１＝ΔＰ／ΔＰｔ１
で表現される。ΔＰｔ１は単位時間あたりの電力変化量であり、予めメモリに格納された定数である。
【００３９】
負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、上記の計算式又はマップを用いて所要時間ΔＴ１を求め、この所要時間ΔＴ１と時刻ｔ２とを加算して図５中の時刻ｔ４を求める。これにより、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、指令電力値が時刻ｔ１で通信部３１に入力されてから、駆動モータインバータ１２及びコンプレッサモータインバータ４が動作を開始する時刻ｔ２、時刻ｔ２から徐々に電力供給をして駆動モータ１１に指令電力値の電力が供給される時刻ｔ４を求める。
【００４０】
次のステップＳ７では、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の遅れを動作電力値・動作電力量演算部３４により演算する。強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する電力が指令電力値まで達するのに必要な所要時間ΔＴｄは、指令電力値の変化ΔＰによりマップ若しくは計算式から算出する。計算式の一例としては、
所要時間ΔＴｄ＝ΔＰ／ΔＰｔｄ
で表現される。ΔＰｔｄは単位時間あたりの電力変化量であり、予めメモリに格納された定数である。
【００４１】
動作電力値・動作電力量演算部３４は、上記の計算式又はマップを用いて所要時間ΔＴｄを求め、この所要時間ΔＴｄと時刻ｔ３とを加算して図６中の時刻ｔ５を求める。これにより、動作電力値・動作電力量演算部３４は、指令電力値が時刻ｔ１で通信部３１に入力されてから、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が時刻ｔ３で動作を開始して、指令電力値の電力を供給する時刻ｔ５を求める。
【００４２】
ここで、動作定数演算部３２は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７より先に駆動モータ１１が早く動作しなくするように、負荷電力値・負荷電力量演算部３５で求めた所要時間ΔＴ１より、動作電力値・動作電力量演算部３４で求めたΔＴｄが大きくなるように（ΔＴ１≦ΔＴｄ）、動作定数を決定する。
【００４３】
次のステップＳ８では、ステップＳ６で求めた時刻ｔ２から時刻ｔ４まで時間経過する度の負荷電力値及び負荷電力量を負荷電力値・負荷電力量演算部３５により演算してステップＳ９に処理を進める。このとき、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、単位時間毎の負荷電力値ΔＰ１を、
ΔＰ１＝ΔＰｔ１×経過時間
ΔＰｔ１：単位時間当たりの電力変化量
で表現される計算式で演算し、単位時間毎の負荷電力量ΔＷｈ１を、
ΔＷｈ１＝ΔＰ１／３６００
で表現される計算式で演算し、時刻ｔ２以降から積算した負荷電力量Ｗｈ１を、
Ｗｈ１＝Ｗｈ１＋ΔＷｈ１
で表現される演算式で演算する。
【００４４】
ステップＳ９では、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作電力値及び動作電力量を動作電力値・動作電力量演算部３４により演算して、ステップＳ１０に処理を進める。このとき、動作電力値・動作電力量演算部３４は、単位時間毎の動作電力値ΔＰｄを、
ΔＰｄ＝ΔＰｔｄ×経過時間
ΔＰｔｄ：単位時間当たりの電力変化量
で表現される計算式で演算し、単位時間毎の動作電力量ΔＷｈｄを、
ΔＷｈｄ＝ΔＰｄ／３６００
で表現される計算式で演算し、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの積算した動作電力量Ｗｈｄを、
Ｗｈｄ＝Ｗｈｄ＋ΔＷｈｄ
で表現される演算式で演算する。
【００４５】
ステップＳ１０では、ステップＳ８で求めた負荷電力量Ｗｈ１とステップＳ９で求めた動作電力量Ｗｈｄとの電力量差（Ｗｈ１−Ｗｈｄ）を電力量差演算部３６により求めて、ステップＳ１１に処理を進める。電力量差演算部３６は、電力量差を求めることで、二次電池８から駆動モータインバータ１２に出力して二次電池８で消費した電力を求める。
【００４６】
ステップＳ１１では、イグニッションスイッチセンサ２１からのセンサ信号によりイグニッションスイッチがオンとなっているか否かをコントローラ１４により判定する。イグニッションスイッチがオンとなっているときには処理をステップＳ１２に進め、イグニッションスイッチがオンとなっていないときには処理を終了する。
【００４７】
ステップＳ１２では、指令電力値をコントローラ１４から通信部３１で受信して、ステップＳ１３に処理を進める。
【００４８】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が定常状態であるか否かの判定をする。すなわち、通信部３１は、ステップＳ１２で受信した指令電力値とステップＳ２又は前回に受信した指令電力値との比較をし、今回の指令電力値と前回の指令電力値とが略同値であるときには定常状態にあると判定してステップＳ１５に処理を進め、略同値でないと判定したときには非定常状態であると判定してステップＳ１４に処理を進める。
【００４９】
ステップＳ１４では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を通信部３１で行い、正の値であるときには処理をステップＳ５に戻して再度ステップＳ５以降の処理を行い、正の値でないときには処理をステップＳ１２に戻し、現段階で決定されている動作定数で強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させておく。
【００５０】
ステップＳ１５では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を通信部３１で行い、正の値であるときには処理をステップＳ１６に進め、正の値でないときには処理をステップＳ１２に戻す。
【００５１】
ステップＳ１６では、定常状態になった時点、すなわち指令電力値に対するコンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３の負荷の動作が完了した時点で、次の指令電力値に変更するために、ステップＳ１２で受信した指令電力値に従った動作定数を動作定数演算部３２により求め、求めた動作定数で強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させて、処理をステップＳ８に戻す。
【００５２】
このとき、通信部３１ではステップＳ１０において電力量差演算部３６で算出した電力量差ΔＷｈをコントローラ１４に送信し、コントローラ１４では次回の指令電力値を通信部３１に出力するときに受信した最新の電力量差ΔＷｈを加算した動作電力値とする。これにより、コントローラ１４は、次回の指令電力値を出力して強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させるときに、前回の負荷電力値と強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作電力値とを同じにすることができ、例えば二次電池８で消費する電力を小さくすることができる。
【００５３】
したがって、このような処理を行う強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を備えた燃料電池システムでは、前回の指令電力値に強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力されずに不足する電力量ΔＷｈを加算して次回の指令電力値をコントローラ１４から強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に出力するので、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から多くの電力を駆動モータインバータ１２に供給するようにし、図７に示すように、負荷電力値と動作電力値との電力量差ΔＷｈを二次電池８に充電電力で補う電力量を少なくすることができる。すなわち、この燃料電池システムでは、電力量差ΔＷｈを強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８又は駆動モータインバータ１２に多く出力することで、二次電池８の充電電力の消費量を少なくすると共に、二次電池８の充電レベルを高く保つことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池８の充電電力を有効に利用することができる。
【００５４】
また、この燃料電池システムによれば、次回の負荷電力の変化を前回の電力量差から予測することにより、指令電力値に対する遅れや変動に対応することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、例えば強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７による二次電池８の電力収支を調整する制御などは勿論のこと、計算した電力供給の遅れから内部の各種定数を決定することで更に多くの場合に適用することができる。
【００５５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの処理手順を示すフローチャートである。
【図４】コントローラから通信部に供給される指令電力値の変化を示す図である。
【図５】負荷となる駆動モータ等を駆動するための駆動モータインバータやコンプレッサモータインバータに供給される負荷電力の変化を示す図である。
【図６】強電用ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される動作電力の変化を示す図である。
【図７】指令電力値の変化、負荷電力の変化、動作電力の変化より、二次電池から出力された電力を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コンプレッサ
３ コンプレッサモータ
４ コンプレッサモータインバータ
５ コンプレッサモータインバータ制御部
６ 水素貯蔵装置
７ 強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ 二次電池
９ １２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ １２Ｖバッテリ
１２ 駆動モータインバータ
１３ 駆動モータインバータ制御部
１４ コントローラ
３１ 通信部
３２ 動作定数演算部
３３ 通信遅れ演算部
３４ 動作電力値・動作電力量演算部
３５ 負荷電力値・負荷電力量演算部
３６ 電力量演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷を駆動するために、電源からの電力を負荷回路に供給する制御をする電力制御装置及び電力供給装置の制御方法に関し、詳しくは、燃料電池で発電した電力を駆動モータ等に供給する制御をする電力制御装置及び電力供給装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給すると共に、酸素を含む空気を供給して燃料電池を発電させ、発電電力を用いて駆動モータ等を駆動する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
この燃料電池システムでは、例えば特開平７−５７７５３号公報で開示されてるように、燃料改質装置から燃料ガスが供給されると共に、空気供給装置から空気が供給される燃料電池と、この燃料電池で発電して出力された直流電力を定電圧制御して交流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、燃料改質装置及び空気供給装置から燃料電池に供給する燃料ガス及び空気の流量を制御するための流量演算制御部とを含んで構成されていることが多い。この燃料電池システムでは、外部から駆動モータ等の負荷を駆動することを命令する負荷指令を入力し、負荷命令に従って、発電する電力を設定し、設定した電力設定値によりＤＣ／ＤＣコンバータ及び流量演算制御部での処理を制御する。
【０００４】
また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池からの出力電流を検出することで負荷指令の急増を検知し、電力設定値の増加速度を抑制する。これにより、従来の燃料電池システムでは、過電流を防止する過電流防止手段としての機能を有すると共に、急激な燃料電池の電圧低下を防ぐ構成となっていた。
【０００５】
この過電流防止手段は、燃料電池の出力電力増加速度を監視する電流検出器を備え、この電流検出器の検出電流から燃料電池の出力電流の増加速度を求め、この電流増加速度が予め決定していた所定値を越えたときに、電流増加速度を所定値に保持するように電力設定値の制御する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の燃料電池システムでは、過電流防止をする一方で、電力設定指令に対する遅れや、負荷回路に供給する電力の遅れが考慮されておらず、電力設定指令に従った電力を取り出せないことが多かった。すなわち、従来の燃料電池システムでは、電力設定値指令が急増したときに、負荷に指令を出しても、実際の負荷が指令に追従しないことがあった。
【０００７】
更に、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックを安定動作させるために時間を要するために、負荷に対する燃料電池の動作が遅れて、遅れた時間分の電力をバッテリから負荷に供給する。このため、従来の燃料電池システムでは、車両の加速が繰り返されると、バッテリの充電量が次第に低下してしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、バッテリの充電電力を有効に利用する電力制御装置及び電力供給装置の制御方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力制御装置において、上記燃料電池からの発電電力を入力して、上記負荷回路又は上記二次電池に電力供給をする発電電力入出力手段と、外部から指令電力値を示す信号が入力される信号入力手段と、上記二次電池又は上記発電電力入出力手段から上記負荷回路に供給された負荷電力量を演算する負荷電力量演算手段と、上記発電電力入出力手段から出力した動作電力量を演算する動作電力量演算手段と、上記負荷電力量演算手段で演算された負荷電力量と、上記動作電力量演算手段で演算された動作電力量との電力量差を演算する電力量差演算手段と、上記電力量差演算手段で演算された電力量差に相当する電力量に基づいて、上記発電電力入出力手段から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御する制御手段とを備え、上記負荷電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、上記動作電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記発電電力入出力手段が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、上記電力量差演算手段は、上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、上記制御手段は、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明では、上記信号入力手段は、所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、上記制御手段は、時間的に前に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値と、時間的に後に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする。
【００１１】
上述の課題を解決するために、請求項３に係る発明は、燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力供給装置の制御方法において、外部から指令電力値を示す信号を入力するステップと、上記電力供給装置から上記二次電池又は上記負荷回路に供給した負荷電力量を演算するステップと、上記電力制御装置から出力した動作電力量を演算するステップと、上記負荷電力量と、上記動作電力量との電力量差を演算するステップと、上記電力量差に相当する電力量に基づいて、上記電力供給装置から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するステップとを有し、上記負荷電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、上記動作電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記電力供給装置が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記電力供給装置を制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明では、所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、時間的に前に入力した上記指令電力値と、時間的に後に入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、電力量差に相当する電力量に基づいて、次回に発電電力入出力手段から出力する動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、電力量差に相当する電力量を次回の電力供給時に二次電池などに供給することができ、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池の充電電力を有効に利用することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。
【００１５】
請求項３に係る発明によれば、電力量差に相当する電力量に基づいて、次回に出力する動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、電力量差に相当する電力量を次回の電力供給時に二次電池などに供給することができ、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池の充電電力を有効に利用することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を負荷回路又は二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。また、負荷電力量より動作電力量を電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を二次電池に供給するので、前回の電力供給時に使用した二次電池の充電電力を次回の電力供給時に二次電池に供給することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１８】
［燃料電池システムの構成］
図１に、燃料電池システムの構成を示す。この燃料電池システムは、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００１９】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ２、コンプレッサモータ３、コンプレッサモータインバータ４、コンプレッサモータインバータ制御部５を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、後述のコントローラ１４からコンプレッサモータインバータ制御部５に制御信号が供給されると共に、コンプレッサモータインバータ４及びコンプレッサモータ３に電力が供給される。これにより、燃料電池システムでは、コンプレッサモータインバータ制御部５によりコンプレッサモータインバータ４を制御し、コンプレッサモータ３の回転数を制御して、コンプレッサ２から燃料電池スタック１に供給する空気量を制御する。
【００２０】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給する水素ガスを貯蔵する水素貯蔵装置６を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１で発電をするに際して、コントローラ１４から水素貯蔵装置６に制御信号が供給され、水素貯蔵装置６により燃料電池スタック１に供給する水素ガス量を制御する。
【００２１】
更に、燃料電池システムは、燃料電池スタック１で発電した電力を入力する強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７、燃料電池スタック１で発電した電力を蓄積する二次電池８、例えば１２［Ｖ］の電源電力を各部に供給する１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ９、１２［Ｖ］の電源電力となる電力を蓄積する１２Ｖバッテリ１０、負荷となる駆動モータ１１、駆動モータ１１に供給する電力を調整する駆動モータインバータ１２、駆動モータインバータ制御部１３を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からの発電電力を、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して二次電池８に蓄電すると共に、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ９を介して１２Ｖバッテリ１０に蓄電する。また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からの発電電力をコンプレッサモータインバータ４を介してコンプレッサモータ３に供給してコンプレッサモータ３を駆動すると共に、駆動モータインバータ１２を介して駆動モータ１１に供給して駆動モータ１１を駆動する。
【００２２】
更にまた、燃料電池システムは、外部のイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）センサ２１、アクセルセンサ２２及びインストメータ２３と接続され、上述した各部を制御するコントローラ１４を備える。このコントローラ１４は、イグニッションスイッチセンサ２１又はアクセルセンサ２２からのセンサ信号に従って、上述した各部に制御信号を出力し、インストメータ２３を用いて燃料電池システムの発電状態を車両利用者に提示する。
【００２３】
この燃料電池システムでは、コントローラ１４により強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作状態、駆動モータインバータ制御部１３の動作状態、コンプレッサモータインバータ制御部５の動作状態を示す信号が入力するように構成されている。
【００２４】
［強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの構成］
図２に、上述の燃料電池システムに含まれる強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の機能的な構成を示す。図２によれば、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、コントローラ１４との間で情報の送受信をする通信部３１と、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する交流電圧（電力量）を制御する動作定数演算部３２と、通信遅れ演算部３３と、動作電力値・動作電力量演算部３４と、負荷電力値・負荷電力量演算部３５と、電力量差演算部３６とを有する。
【００２５】
通信部３１は、コントローラ１４と接続されている。この通信部３１は、コントローラ１４から指令電力値が入力され、入力された指令電力値を動作定数演算部３２に出力する。
【００２６】
動作定数演算部３２は、通信部３１からの指令電力値に従って強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８又は駆動モータインバータ１２に供給するときの動作定数を決定する。
【００２７】
通信遅れ演算部３３は、内部にメモリを備え、予め内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄ、通信遅れ時間定数Ｔｔｄを格納している。通信遅れ演算部３３は、これらの定数Ｔｔｄ、Ｔｓｄに基づいて、時刻ｔ１で指令電力値が入力されたときの強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から電力を供給開始する時刻ｔ３を演算すると共に、駆動モータインバータ１２及びコンプレッサモータインバータ４に電力供給を開始する時刻ｔ２を演算する。通信遅れ演算部３３は演算した時刻ｔ３を動作電力値・動作電力量演算部３４に出力する。
【００２８】
動作電力値・動作電力量演算部３４は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する動作電力値、動作電力量を演算する。動作電力値・動作電力量演算部３４は、演算した動作電力量を電力量差演算部３６に出力する。
【００２９】
負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、内部に負荷の遅れ時間定数Ｔｓｄ１を格納しており、定数Ｔｓｄ１を用いて指令電力値が入力されてからコンプレッサモータインバータ４及び駆動モータインバータ１２が動作開始する時刻ｔ２を演算し、負荷電力値が指令電力値に達する時刻ｔ４を演算する。更に、この負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、時刻ｔ２から時刻ｔ４における負荷電力値及び負荷電力量を演算し、演算した負荷電力量を電力量差演算部３６に出力する。
【００３０】
電力量差演算部３６は、負荷電力値・負荷電力量演算部３５からの負荷電力量から、動作電力値・動作電力量演算部３４からの動作電力量を減算する演算をして、電力量差を得る。この電力量差は、二次電池８からコンプレッサモータインバータ４及び駆動モータインバータ１２に供給された充電電力量となる。電力量差演算部３６は、演算して得た電力量差をコントローラ１４に出力する。
【００３１】
［燃料電池システムの電力制御処理］
図３に、上述の燃料電池システムによる電力制御処理の処理手順を示す。
【００３２】
図３によれば、先ず、ステップＳ１において、車両運転者により操作キーが操作されることで、イグニッションスイッチセンサ２１からのセンサ信号によりイグニッションスイッチがオンとなっているか否かをコントローラ１４により判定する。イグニッションスイッチがオンとなっているときには処理をステップＳ２に進め、イグニッションスイッチがオンとなっていないときには処理を終了する。
【００３３】
ステップＳ２では、動作電力指令である指令電力値をコントローラ１４から通信部３１で受信して、ステップＳ３に進む。動作電力指令は、例えば、図４に示すように時刻ｔ１から電力を駆動モータ１１に供給することを示す制御信号であり、アクセルセンサ２２からのセンサ信号に基づくアクセルの操作量に応じてコントローラ１４で生成される。また、コントローラ１４は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に動作電力指令を出力すると共に、駆動モータインバータ制御部１３、コンプレッサモータインバータ制御部５及び水素貯蔵装置６に制御信号を出力する。ここで、コントローラ１４は、燃料電池スタック１から取り出す電力として、駆動モータ１１で消費する電力量と、コンプレッサ２で消費する電力量との合計値を示す指令電力値を強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に出力する。
【００３４】
ステップＳ３では、ステップＳ２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を動作定数演算部３２により行う。指令電力値が正の値であるときにはステップＳ４に処理を進め、動作電力指令が正の値でないときにはステップＳ２に処理を戻す。すなわち、ステップＳ３では、駆動モータ１１を駆動する命令が発生した場合にのみステップＳ３以降の処理を開始する。
【００３５】
ステップＳ４では、ステップＳ２で受信した動作電力指令を実行するための強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作定数を動作定数演算部３２で求め、決定した動作定数で燃料電池スタック１からの発電電力を取り出して、二次電池８又は駆動モータインバータ１２に供給してステップＳ５に処理を進める。この動作定数は、例えば、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８等に出力するときの電力制御をスイッチング素子で切り替える場合において、このスイッチング素子を動作させるためのデューティ比で表現される。
【００３６】
ステップＳ５では、通信遅れ演算部３３により強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が遅れて動作開始する時刻ｔ３を演算する。通信遅れ演算部３３内のメモリに予め格納された、コントローラ１４との間で行う通信の遅れを示す通信遅れ時間定数Ｔｔｄ、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７内の内部処理遅れ時間を示す内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄを読み出す。上記通信遅れ時間定数Ｔｔｄは燃料電池システム全体のシステム構成により決定され、上記内部処理遅れ時間定数Ｔｓｄは燃料電池システム全体のシステム構成、ソフト構成により決定される。通信遅れ演算部３３は、読み出した定数Ｔｔｄ、Ｔｓｄに基づいて、後述の図６内の強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が動作する時刻ｔ３を演算して、ステップＳ６に処理を進める。
【００３７】
ステップＳ６では、コンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３の遅れ時間を負荷電力値・負荷電力量演算部３５により演算する。このとき、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、内部のメモリに予め格納された負荷遅れ時間定数Ｔｓｄ１を読み出し、この負荷遅れ時間定数Ｔｓｄ１に基づいて図５中の時刻ｔ２を求める。図５中の時刻ｔ２は、時刻ｔ１でコントローラ１４からコンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３に制御信号を出力して、駆動モータ１１が実際に駆動する時刻である。
【００３８】
ここで、動作電力が指令電力値にまで達するのに要する所要時間ΔＴ１は指令電力値の変化により決定される。所要時間ΔＴ１は指令電力値の変化ΔＰによりマップ若しくは計算式から算出する。計算式の一例としては、
所要時間ΔＴ１＝ΔＰ／ΔＰｔ１
で表現される。ΔＰｔ１は単位時間あたりの電力変化量であり、予めメモリに格納された定数である。
【００３９】
負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、上記の計算式又はマップを用いて所要時間ΔＴ１を求め、この所要時間ΔＴ１と時刻ｔ２とを加算して図５中の時刻ｔ４を求める。これにより、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、指令電力値が時刻ｔ１で通信部３１に入力されてから、駆動モータインバータ１２及びコンプレッサモータインバータ４が動作を開始する時刻ｔ２、時刻ｔ２から徐々に電力供給をして駆動モータ１１に指令電力値の電力が供給される時刻ｔ４を求める。
【００４０】
次のステップＳ７では、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の遅れを動作電力値・動作電力量演算部３４により演算する。強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力する電力が指令電力値まで達するのに必要な所要時間ΔＴｄは、指令電力値の変化ΔＰによりマップ若しくは計算式から算出する。計算式の一例としては、
所要時間ΔＴｄ＝ΔＰ／ΔＰｔｄ
で表現される。ΔＰｔｄは単位時間あたりの電力変化量であり、予めメモリに格納された定数である。
【００４１】
動作電力値・動作電力量演算部３４は、上記の計算式又はマップを用いて所要時間ΔＴｄを求め、この所要時間ΔＴｄと時刻ｔ３とを加算して図６中の時刻ｔ５を求める。これにより、動作電力値・動作電力量演算部３４は、指令電力値が時刻ｔ１で通信部３１に入力されてから、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７が時刻ｔ３で動作を開始して、指令電力値の電力を供給する時刻ｔ５を求める。
【００４２】
ここで、動作定数演算部３２は、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７より先に駆動モータ１１が早く動作しなくするように、負荷電力値・負荷電力量演算部３５で求めた所要時間ΔＴ１より、動作電力値・動作電力量演算部３４で求めたΔＴｄが大きくなるように（ΔＴ１≦ΔＴｄ）、動作定数を決定する。
【００４３】
次のステップＳ８では、ステップＳ６で求めた時刻ｔ２から時刻ｔ４まで時間経過する度の負荷電力値及び負荷電力量を負荷電力値・負荷電力量演算部３５により演算してステップＳ９に処理を進める。このとき、負荷電力値・負荷電力量演算部３５は、単位時間毎の負荷電力値ΔＰ１を、
ΔＰ１＝ΔＰｔ１×経過時間
ΔＰｔ１：単位時間当たりの電力変化量
で表現される計算式で演算し、単位時間毎の負荷電力量ΔＷｈ１を、
ΔＷｈ１＝ΔＰ１／３６００
で表現される計算式で演算し、時刻ｔ２以降から積算した負荷電力量Ｗｈ１を、
Ｗｈ１＝Ｗｈ１＋ΔＷｈ１
で表現される演算式で演算する。
【００４４】
ステップＳ９では、時刻ｔ３から時刻ｔ５までの強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作電力値及び動作電力量を動作電力値・動作電力量演算部３４により演算して、ステップＳ１０に処理を進める。このとき、動作電力値・動作電力量演算部３４は、単位時間毎の動作電力値ΔＰｄを、
ΔＰｄ＝ΔＰｔｄ×経過時間
ΔＰｔｄ：単位時間当たりの電力変化量
で表現される計算式で演算し、単位時間毎の動作電力量ΔＷｈｄを、
ΔＷｈｄ＝ΔＰｄ／３６００
で表現される計算式で演算し、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの積算した動作電力量Ｗｈｄを、
Ｗｈｄ＝Ｗｈｄ＋ΔＷｈｄ
で表現される演算式で演算する。
【００４５】
ステップＳ１０では、ステップＳ８で求めた負荷電力量Ｗｈ１とステップＳ９で求めた動作電力量Ｗｈｄとの電力量差（Ｗｈ１−Ｗｈｄ）を電力量差演算部３６により求めて、ステップＳ１１に処理を進める。電力量差演算部３６は、電力量差を求めることで、二次電池８から駆動モータインバータ１２に出力して二次電池８で消費した電力を求める。
【００４６】
ステップＳ１１では、イグニッションスイッチセンサ２１からのセンサ信号によりイグニッションスイッチがオンとなっているか否かをコントローラ１４により判定する。イグニッションスイッチがオンとなっているときには処理をステップＳ１２に進め、イグニッションスイッチがオンとなっていないときには処理を終了する。
【００４７】
ステップＳ１２では、指令電力値をコントローラ１４から通信部３１で受信して、ステップＳ１３に処理を進める。
【００４８】
ステップＳ１３では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が定常状態であるか否かの判定をする。すなわち、通信部３１は、ステップＳ１２で受信した指令電力値とステップＳ２又は前回に受信した指令電力値との比較をし、今回の指令電力値と前回の指令電力値とが略同値であるときには定常状態にあると判定してステップＳ１５に処理を進め、略同値でないと判定したときには非定常状態であると判定してステップＳ１４に処理を進める。
【００４９】
ステップＳ１４では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を通信部３１で行い、正の値であるときには処理をステップＳ５に戻して再度ステップＳ５以降の処理を行い、正の値でないときには処理をステップＳ１２に戻し、現段階で決定されている動作定数で強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させておく。
【００５０】
ステップＳ１５では、ステップＳ１２で受信した指令電力値が正の値であるか否かの判定を通信部３１で行い、正の値であるときには処理をステップＳ１６に進め、正の値でないときには処理をステップＳ１２に戻す。
【００５１】
ステップＳ１６では、定常状態になった時点、すなわち指令電力値に対するコンプレッサモータインバータ制御部５及び駆動モータインバータ制御部１３の負荷の動作が完了した時点で、次の指令電力値に変更するために、ステップＳ１２で受信した指令電力値に従った動作定数を動作定数演算部３２により求め、求めた動作定数で強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させて、処理をステップＳ８に戻す。
【００５２】
このとき、通信部３１ではステップＳ１０において電力量差演算部３６で算出した電力量差ΔＷｈをコントローラ１４に送信し、コントローラ１４では次回の指令電力値を通信部３１に出力するときに受信した最新の電力量差ΔＷｈを加算した動作電力値とする。これにより、コントローラ１４は、次回の指令電力値を出力して強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を動作させるときに、前回の負荷電力値と強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作電力値とを同じにすることができ、例えば二次電池８で消費する電力を小さくすることができる。
【００５３】
したがって、このような処理を行う強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７を備えた燃料電池システムでは、前回の指令電力値に強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から出力されずに不足する電力量ΔＷｈを加算して次回の指令電力値をコントローラ１４から強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７に出力するので、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から多くの電力を駆動モータインバータ１２に供給するようにし、図７に示すように、負荷電力値と動作電力値との電力量差ΔＷｈを二次電池８に充電電力で補う電力量を少なくすることができる。すなわち、この燃料電池システムでは、電力量差ΔＷｈを強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７から二次電池８又は駆動モータインバータ１２に多く出力することで、二次電池８の充電電力の消費量を少なくすると共に、二次電池８の充電レベルを高く保つことができる。したがって、この燃料電池システムによれば、負荷に対する電力供給の遅れを少なくすると共に、二次電池８の充電電力を有効に利用することができる。
【００５４】
また、この燃料電池システムによれば、次回の負荷電力の変化を前回の電力量差から予測することにより、指令電力値に対する遅れや変動に対応することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、例えば強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ７による二次電池８の電力収支を調整する制御などは勿論のこと、計算した電力供給の遅れから内部の各種定数を決定することで更に多くの場合に適用することができる。
【００５５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】強電用ＤＣ／ＤＣコンバータの処理手順を示すフローチャートである。
【図４】コントローラから通信部に供給される指令電力値の変化を示す図である。
【図５】負荷となる駆動モータ等を駆動するための駆動モータインバータやコンプレッサモータインバータに供給される負荷電力の変化を示す図である。
【図６】強電用ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される動作電力の変化を示す図である。
【図７】指令電力値の変化、負荷電力の変化、動作電力の変化より、二次電池から出力された電力を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ コンプレッサ
３ コンプレッサモータ
４ コンプレッサモータインバータ
５ コンプレッサモータインバータ制御部
６ 水素貯蔵装置
７ 強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ 二次電池
９ １２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ １２Ｖバッテリ
１２ 駆動モータインバータ
１３ 駆動モータインバータ制御部
１４ コントローラ
３１ 通信部
３２ 動作定数演算部
３３ 通信遅れ演算部
３４ 動作電力値・動作電力量演算部
３５ 負荷電力値・負荷電力量演算部
３６ 電力量演算部
Claims (4)
- 燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力制御装置において、
上記燃料電池からの発電電力を入力して、上記負荷回路又は上記二次電池に電力供給をする発電電力入出力手段と、
外部から指令電力値を示す信号が入力される信号入力手段と、
上記二次電池又は上記発電電力入出力手段から上記負荷回路に供給された負荷電力量を演算する負荷電力量演算手段と、
上記発電電力入出力手段から出力した動作電力量を演算する動作電力量演算手段と、
上記負荷電力量演算手段で演算された負荷電力量と、上記動作電力量演算手段で演算された動作電力量との電力量差を演算する電力量差演算手段と、
上記電力量差演算手段で演算された電力量差に相当する電力量に基づいて、上記発電電力入出力手段から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御する制御手段とを備え、
上記負荷電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、
上記動作電力量演算手段は、上記信号入力手段が指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記発電電力入出力手段が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、
上記電力量差演算手段は、上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、
上記制御手段は、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記発電電力入出力手段を制御すること
を特徴とする電力制御装置。 - 上記信号入力手段は、所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、
上記制御手段は、時間的に前に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値と、時間的に後に上記信号入力手段で入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする電力制御装置。 - 燃料電池で発電した電力を負荷回路に供給するとともに二次電池に蓄積する電力供給装置の制御方法において、
外部から指令電力値を示す信号を入力するステップと、
上記電力供給装置から上記二次電池又は上記負荷回路に供給した負荷電力量を演算するステップと、
上記電力制御装置から出力した動作電力量を演算するステップと、
上記負荷電力量と、上記動作電力量との電力量差を演算するステップと、
上記電力量差に相当する電力量に基づいて、上記電力供給装置から出力する動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するステップとを有し、
上記負荷電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記負荷回路が遅れて動作開始する第２時刻を演算し、上記負荷回路に供給された負荷電力値が指令電力値に達するまでの所要時間と上記第２時刻とを加算して第３時刻を求め、当該第２時刻から第３時刻までの負荷電力量を演算し、
上記動作電力量を演算するステップでは、上記指令電力値を示す信号を入力した第１時刻から、上記電力供給装置が遅れて動作開始して上記負荷回路に電力供給開始する第４時刻を演算して、前記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を演算し、
上記第２時刻から第３時刻までの負荷電力量から、上記第４時刻から第３時刻までの動作電力量を減算した電力量差を演算し、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量 差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給するように上記電力供給装置を制御すること
を特徴とする電力供給装置の制御方法。 - 所定時刻毎に上記指令電力値を入力し、
時間的に前に入力した上記指令電力値と、時間的に後に入力した上記指令電力値から定常状態であると判定した時に、上記負荷電力量より上記動作電力量を上記電力量差だけ大きくした動作電力量を決定して、電力を上記負荷回路又は上記二次電池に供給させることを特徴とする電力供給装置の制御方法。
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