JP3729792B2

JP3729792B2 - Power unit and driving method of power unit

Info

Publication number: JP3729792B2
Application number: JP2002162420A
Authority: JP
Inventors: 浩杉浦; 哲浩石川; 正夫安藤; 憲二加藤; 宗久堀口
Original assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2002-06-04
Publication date: 2005-12-21
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: JP2004014160A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池とキャパシタとを備える電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を備える電源装置の利用方法としては、例えば、電気自動車の駆動用電源として用いる方法が提案されている。燃料電池が発電する電力を、電気自動車の駆動モータに供給することで、車両の駆動力を得ることができる。特開平８−１９１１５号公報では、このような電源装置として、燃料電池に加えてキャパシタを備えるものが開示されている。この電源装置は、電気自動車の制動時には電動機で回生を行って、その電力をキャパシタに蓄える。キャパシタは、その後、燃料電池に代わって、または燃料電池と共に、電動機に電力を供給する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気自動車の加速時など、キャパシタから電動機に電力を供給する必要があるときには、できるだけキャパシタの残存電荷が多く、必要なだけの電力を供給できることが望ましい。一方、電動機の回生によって得られる電力がキャパシタに供給される際の電圧には、事実上、上限があるため、キャパシタに蓄えることができるエネルギーにも事実上の上限がある。よって、制動時には、キャパシタに十分な空き容量があることが好ましい。そこで、燃料電池とキャパシタを備える電源装置においては、このような相反する要請を満たし、キャパシタに効率的に電力を蓄えられる構成が望まれていた。
【０００４】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と蓄電器を備える電源装置において、蓄電器に効率的に電力を蓄えられる技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、回転出力を供給する動力装置において、所定の処理を行う。この動力装置は、発電器としても機能することができる電動機と、電動機に電力を供給し電動機から供給される電力を伝える配線に対して、並列に接続された燃料電池および蓄電器と、燃料電池と配線との間の接続を入り切りするスイッチと、電動機、燃料電池およびスイッチを制御する制御部と、を備える。
【０００６】
このような構成の動力装置において、スイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とするモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、電動機によって発電された電力を効率的に蓄電器に蓄積することができる。
【０００７】
また、スイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とする指示を出力するとともに、燃料電池を待機状態とする指示を出力するモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、電動機が発電を行うときに、燃料電池の発電に利用されずに排出されてしまう燃料ガスを低減することができる。
【０００８】
なお、電動機が電力を消費しているときに、蓄電器の電圧に応じてスイッチを閉状態または開状態とするモードを有することが好ましい。このような態様とすれば、蓄電器に蓄えられている残存電荷に応じて動力装置の運転状態を変えることができる。なお、このような動力装置は、蓄電器の電圧を検出する電圧計を備えることが好ましい。
【０００９】
また、スイッチが開状態のときに、電動機が電力を消費しており、かつ、蓄電器の電圧が第１の基準電圧より低いときに、スイッチを閉状態とし、燃料電池を定常運転するモードを有することが好ましい。そして、スイッチが閉状態であって、電動機が電力を消費しており、かつ、蓄電器の電圧が、第１の基準電圧より高い第２の基準電圧より高いときに、スイッチを開状態とし、燃料電池を待機状態とするモードとを有することが好ましい。このような態様とすれば、蓄電器に蓄えられている残存電荷が少なくなったときには、燃料電池を使用し、燃料電池の運転効率の低い領域では、蓄電器を使用して、動力を供給することができる。
【００１０】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、電源装置の運転方法や、電源装置を備える電気自動車などの形態で実現することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．燃料電池、二次電池、キャパシタの動作：
Ｂ１．燃料電池の運転：
Ｂ２．二次電池の充放電：
Ｂ３．キャパシタの充放電：
Ｃ．定常運転モードと間欠運転モード：
Ｃ１．定常運転モードと間欠運転モードの切り換え：
Ｃ２．比較例における定常運転モードと間欠運転モードに切り換え：
Ｄ．変形例：
【００１２】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車１０は、電源装置１５を備えており、電源装置１５から電力を供給される負荷として、高圧補機４０と、駆動インバータ３０を介して電源装置１５に接続される駆動モータ３２とを備えている。これら電源装置１５と負荷との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源装置１５と負荷との間で電力がやり取りされる。
【００１３】
燃料電池システム２２、キャパシタ２４、２次電池２６からモータ３２に供給される電流を測定するために、配線５０には、駆動インバータ３０と、キャパシタ２４や高圧補機４０などの他の構成要素との間に電流計５４が設けられている。なお、電流計５４は、モータ３２を動かすための電流量を測定できる箇所であれば、配線５０の他の箇所に配されていてもよい。
【００１４】
電源装置１５は、燃料電池システム２２と、キャパシタ２４と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２２は、後述するように発電の本体である燃料電池を備えている。この燃料電池システム２２が備える燃料電池とキャパシタ２４とは、上記配線５０に対して並列に接続されている。この配線５０には、燃料電池へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード４２がさらに設けられている。さらに、配線５０には、この配線５０に対する燃料電池の接続状態を入り切りするスイッチ２０が設けられている。また、配線５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続しており、このＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０に接続している。また、このような電源装置１５における電圧を測定するために、配線５０には、電圧計５２がさらに設けられている。
【００１５】
電気自動車１０の動きを制御するための制御部４８への入力装置としては、アクセル、ブレーキなどがある。図１では、ブレーキ５６を示している。また、電気自動車１０には、制御部４８にデータを入力するものとしては、速度センサ、加速度センサなども備えられている。これらの電気自動車１０の走行状態を把握するための各種センサについては、図１では図示を省略する。
【００１６】
図２は、燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２２は、燃料電池（ＦＣ）６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４と、水素循環ポンプ６７と、を備えている。本実施例では、燃料電池６０として、固体高分子型燃料電池を用いた。燃料ガス供給部６１は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池６０に供給する装置である。燃料ガス供給部６１は、例えば、バルブ６１ｂを備える水素ボンベとすることができる。あるいは、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとし、上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵することとしてもよい。このような燃料ガス供給部６１が貯蔵する水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、電気化学反応に供される。電気化学反応で利用されなかった残りの水素ガスは、水素ガス排出路６３に排出される。水素ガス排出路６３は、水素ガス供給路６２に接続している。水素ガス排出路６３には水素循環ポンプ６７が設けられている。残余の水素ガスは水素循環ポンプ６７によって水素ガス供給路６２に送られ、再び電気化学反応に供される。また、ブロワ６４が取り込んだ圧縮空気は、酸化ガス供給路６５によって、酸化ガスとして燃料電池６０のカソードに供給される。燃料電池６０から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、燃料電池システム２２において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器を、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５にさらに設けることとしても良い。
【００１７】
図１の２次電池２６としては、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。この２次電池２６は、燃料電池システム２２の始動時に、燃料電池システム２２の各部を駆動するための電力を供給したり、燃料電池システム２２の暖機運転が完了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。また、燃料電池６０が定常状態で発電を行なうときにも、負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、２次電池２６によって電力を補う。
【００１８】
また、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって２次電池２６の残存容量を検出することができる。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、目標電圧値を設定することによって、燃料電池６０からの出力電圧を調節し、燃料電池６０の発電量を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を開放する。
【００２０】
電源装置１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して配線５０に接続し、電源装置１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記モータの各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００２１】
本実施例の動力装置１７は、高圧補機４０を含む電源装置１５、モータ３２、駆動インバータ３０、および回転出力を供給するための出力軸３６を含む。図１において、出力軸３６よりも左側に描かれている各構成要素が、動力装置１７の構成要素である。
【００２２】
また、他の負荷である高圧補機４０は、燃料電池６０による発電を行なうために用いる補機類である。これらの高圧補機４０は、電源装置１５から供給される電力を、３００Ｖ以上の電圧のまま利用する装置である。高圧補機４０としては、例えば、燃料電池６０に空気を供給するためのブロワ６４や、水素ガス排出路６３と水素ガス供給路６２との間で水素ガスを循環させるための水素循環ポンプ６７が挙げられる（図２参照）。さらに、燃料電池６０を冷却するために、燃料電池６０内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ（図示せず）も、高圧補機４０に含まれる。これらの装置は、燃料電池システム２２に含まれる装置であるが、図１においては、電源装置１５の外側に、高圧補機４０として示した。
【００２３】
また、電気自動車１０は、制御部４８をさらに備えている。制御部４８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、残存容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、車両の運転に関して入力される指示信号を取得する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池システム２２、駆動インバータ３０、高圧補機４０などに駆動信号を出力する。
【００２４】
Ｂ．燃料電池、二次電池、キャパシタの動作：
Ｂ１．燃料電池の運転：
電気自動車１０の運転時には、制御部４８が、車両における車速やアクセル開度に基づいて、所望の走行状態を実現するために必要な電力を算出する。電気自動車１０が、燃料電池によって必要なエネルギーを得る「定常運転モード」にあるときには、制御部４８は、上記必要な電力に加えて、高圧補機４０が要求する電力や、２次電池２６の残存容量にさらに基づいて、燃料電池６０が出力すべき電力を算出する。以下で、燃料電池、二次電池、キャパシタの動作について説明する。
【００２５】
図３は、燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示すグラフである。図３に示すように、燃料電池６０から出力すべき電力Ｐ_FCが定まれば、燃料電池６０の出力電力の特性を表す曲線より、そのときの燃料電池６０の出力電流の大きさＩ_FCが定まる。出力電流Ｉ_FCが定まれば、燃料電池６０の電流−電圧の特性を表す曲線（以下、この曲線を燃料電池の「特性曲線」と呼ぶことがある。）より、そのときの燃料電池６０の出力電圧Ｖ_FCが定まる。このようにして求めた出力電圧Ｖ_FCを、制御部４８が目標電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ２８に対して指令することによって、燃料電池６０の発電量が所望量となるように制御される。
【００２６】
なお、図３に示したような、燃料電池６０の出力電流に対する出力電圧の値、あるいは出力電力の値は、燃料電池６０の内部温度によって変化する。したがって、上記のように燃料電池６０の出力電圧（目標電圧）Ｖ_FCを定めるときには、燃料電池６０の内部温度をさらに考慮することが望ましい。
【００２７】
Ｂ２．二次電池の充放電：
本実施例の電気自動車１０では、負荷の大きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量が充分に大きい場合には、２次電池２６からも負荷に対して電力が供給される。このような場合には、制御部４８は、２次電池２６からも電力が供給されることを考慮して、燃料電池６０が出力すべき電力を決定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧を設定する。図３に示すように、燃料電池６０の出力電圧は、負荷が大きく出力電流が大きいほど低くなる。また、２次電池２６は、残存容量が大きいほど、その出力電圧が高くなるという性質を有している。そのため、負荷の大きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量が充分に大きい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧、すなわち、燃料電池６０の出力電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも低い値となる。これによって、燃料電池６０からだけでなく、２次電池２６からも高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給されるようになる。
【００２８】
これに対して、２次電池２６の残存容量が所定の値以下になると、２次電池２６を充電する必要が生じる。このとき、負荷の大きさがある程度小さく、燃料電池６０の出力に余裕がある場合には、燃料電池６０によって２次電池２６の充電が行なわれる。２次電池２６の充電を行なう場合には、負荷に対して供給すべき電力に加えて、この２次電池２６を充電するための電力が得られるように、燃料電池６０が出力すべき電力、すなわち燃料電池６０の運転状態が決定される（図３参照）。２次電池２６は、残存容量が少ないほど、その出力電圧が低くなるという性質を有している。そのため、２次電池２６の残存容量が所定の値以下の場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８において設定される目標電圧、すなわち燃料電池６０の出力電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも高い値となる。これによって、燃料電池６０は、高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給するだけでなく、２次電池２６の充電を行なうようになる。
【００２９】
Ｂ３．キャパシタの充放電：
また、本実施例の電気自動車１０では、キャパシタ２４も充放電を繰り返す。キャパシタ２４は、これに残存する電荷量と出力電圧とが１対１に対応しており、残存する電荷量が多いときほど出力電圧が高く、少ないときほど出力電圧が低くなる。キャパシタ２４は、図１に示すように、配線５０に対して燃料電池６０と並列に接続されている。そのため、燃料電池６０の発電時に負荷の大きさが変動して配線５０における電圧（電圧計５２によって測定可能である）が変動すると、キャパシタ２４の電荷量は、配線５０の電圧に応じて変化する。配線５０の電圧が上昇するときには、キャパシタ２４は、燃料電池６０から電力の供給を受け、キャパシタ電圧が配線５０の電圧に等しくなるまで残存電荷量を増す。また、配線５０の電圧が低下するときには、キャパシタ２４は、燃料電池６０と共に負荷に対して電力を供給し、キャパシタ電圧が配線５０の電圧に等しくなるまで残存電荷量を減らす。すなわち、キャパシタ２４は、配線５０の電圧に応じて充放電を行なう。
【００３０】
電気自動車１０では、制動時（車両の走行時に運転者がブレーキ５６を踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３２を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これを回収する。本実施例では、このような回生において電力として回収されるエネルギは、キャパシタ２４によって吸収される。キャパシタ２４は、上記２次電池２６に比べてパワー密度の高い蓄電手段であり、充放電効率も高い蓄電手段である。すなわち、短時間のうちに充放電可能な電力量が多い。したがって、キャパシタ２４を用いることで、車両の運転者がブレーキ５６を踏み込むような短い制動時間に回生運転モードを実行する際に、回生によって生じた電力を効率よく回収することができる。
【００３１】
電気自動車１０において、駆動モータ３２が発電し回生が行われると、駆動モータ３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対して電力が供給される。本実施例では、このような回生時に駆動モータ３２から配線５０に対して電力が供給されるときの電圧（以下、説明を簡単にするために「駆動モータ３２からの出力電圧Ｖ_g」という）は、駆動モータの回転数や加速度の大きさによって変動するが、定常運転モード時に燃料電池６０から電力が供給される際の配線５０の電圧の上限よりも高くなりうるように設定されている。このため、キャパシタ２４の端子間電圧が燃料電池の開放電圧ＯＣＶを上回ることもある。回路５０には、ダイオード４２が設けられているので、キャパシタ２４の端子間電圧が燃料電池の開放電圧ＯＣＶを上回っても、キャパシタ２４から燃料電池システム２２に向けて電流が流れることはない。
【００３２】
Ｃ．定常運転モードと間欠運転モード：
Ｃ１．定常運転モードと間欠運転モードの切り換え：
図４は、燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図４（Ａ）は、燃料電池６０の効率および燃料電池の補機類が要する動力と、燃料電池６０の出力との関係を示す。図４（Ａ）に示すように、燃料電池６０の出力が大きくなるほど、燃料電池６０単体での発電効率は次第に低下する。一方で、燃料電池６０の出力が小さくなっても、燃料電池の補機類を駆動するために消費する動力は、それに比例して小さくなるわけではない。したがって、燃料電池６０の出力が小さくなると、燃料電池６０の出力に対する燃料電池の補機類が消費する動力は相対的に大きくなる。
【００３３】
図４（Ｂ）は、燃料電池６０の出力と、燃料電池システム２２全体の効率との関係を示す。図４（Ａ）に示した燃料電池６０単体の効率と燃料電池の補機類の消費する動力に基づいて、燃料電池システム２２全体の効率を求めると、図４（Ｂ）に示すようになる。すなわち、システム効率は、燃料電池６０の出力が所定の値のときに最も高くなり、燃料電池６０の出力が小さいときには、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が低くなる。例えば出力がＰ₀以下の領域では、図４に示すように、システム効率は最大効率の６割以下の値となり、極端に低くなる。
【００３４】
本実施例の電気自動車１０では、燃料電池システム２２全体の効率が悪くなる低負荷時には、燃料電池システム２２を回路５０から切り離し、燃料電池６０によるモータ３２への電力の供給を停止する。これにより、システム全体のエネルギ効率が低下するのを防止する。燃料電池システム２２が回路に接続され、燃料電池６０が負荷の大きさに応じた電力をモータ３２に供給するような運転状態を、「定常運転モード」と呼ぶ。これに対して、モータ３２が必要とする電力はキャパシタ２４によって供給され、燃料電池６０は負荷の大きさに応じた電力をモータ３２に供給しない運転状態を「間欠運転モード」と呼ぶ。
【００３５】
図５および図６は、電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャートである。本ルーチンは、定常運転モードにおいて開始される。定常運転モードにおいては、燃料電池６０の高圧補機４０は、負荷に応じて燃料電池６０がモータ３２に電力を供給できるように、運転される。このような運転を、高圧補機４０の「定常運転」と呼ぶ。本ルーチンが実行されると、制御部４８は、まず、電圧計５２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cを読み込む（ステップＳ１１０）。そして、この電圧値Ｖ_Cと、あらかじめ定めた所定の基準電圧値Ｖ₂とを比較する（ステップＳ１２０）。
【００３６】
基準電圧値Ｖ₂とは、定常運転モードから間欠運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶されているものである。配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂よりも小さい場合に、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が許容できる程度となるように、基準電圧値Ｖ₂は定められる。基準電圧値Ｖ₂は燃料電池６０の開放電圧ＯＣＶよりもある程度低い値に設定される。図３に示すように、燃料電池６０の電圧は、開放電圧ＯＣＶより低い値しかとりえず、また、図３および図４（Ａ），図４（Ｂ）に示すように、燃料電池６０の電圧が高く出力電力が低い状態では、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が低くなるためである。基準電圧値Ｖ₂は、たとえば、燃料電池の開放電圧の８０〜９０％の値とすることができる。
【００３７】
ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以上であると判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＹｅｓとされると、処理は、ステップＳ１３０に移行する。
【００３８】
一方、ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂よりも小さいと判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１２２に移行する。ステップＳ１２２では、制御部４８は、電流計５４が検出する配線５０の電流値Ｉ_mを読み込む。そして、ステップＳ１２４で、電流値Ｉ_mが負であるか否かを判断する。なお、電流値Ｉ_mの正負については、水平な地面の上において、電気自動車１０がモータ３２の力で加速しており、かつ、ブレーキ５６が踏まれていないときの配線５０中の電流の向きを「正」とする。すなわち、電流値Ｉ_mが「正」であるときには、モータ３２が電力を消費しており、電流値Ｉ_mが「負」であるときには、モータ３２は発電機として機能し、発電を行っている。
【００３９】
モータ３２が仕事をしており、電力を消費しているときには、ステップＳ１２４において、電流値Ｉ_mが０以上であると判断され、ステップＳ１２４の判断結果がＮｏとなる。その場合には、処理は、ステップＳ１１０に戻る。すなわち、定常運転モードが維持される。一方、モータが発電を行っているときには、ステップＳ１２４において、電流値Ｉ_mが負であると判断され、ステップＳ１２４の判断結果がＹｅｓとなる。その場合には、処理は、ステップＳ１３０に移行する。
【００４０】
すなわち、定常運転モードにおいて、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以上となるか（ステップＳ１２０）、または、電流値Ｉ_mが負となる（ステップＳ１２４）まで、ステップＳ１１０からステップＳ１２４の動作が繰り返される。その間、電気自動車１０は、定常運転モードを維持する。
【００４１】
ステップＳ１３０において、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを開状態とする。このようにスイッチ２０を開状態とすると、燃料電池６０の回路５０に対する接続が開放されるため（図１参照）、燃料電池６０からモータ３２への電力の供給は停止される。モータ３２へは、キャパシタ２４から電力が供給されるようになり、電気自動車１０は、間欠運転モードに移行する。キャパシタ２４は、既述したようにパワー密度が高く、充放電効率も高い。このため、キャパシタ２４は、スイッチ２０が開状態とされたときに、速やかに負荷が要求する電力を出力することができる。
【００４２】
燃料電池６０の高圧補機４０は、ステップＳ１３０以降では、一定の低出力で運転される。この間欠運転モードにおける一定の低出力での高圧補機４０の運転を「待機運転」と呼ぶ。「待機運転」とは、その補機の単位時間当たりの消費電力が「定常運転」における最低の単位時間当たりの消費電力以下となるような、運転状態である。そして、間欠運転モードにおいては、キャパシタ電圧Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₀₁₂を上回っている間は、高圧補機４０の運転は停止される。高圧補機４０の運転の「停止」とは、各補機が供給または循環させるべきガスや液体を、供給および循環させていない状態をいう。電気自動車１０の定常運転モードにおいて燃料電池の発電のために運転される燃料電池の補機類のうち、少なくとも一部の補機の運転状態が待機運転とされ、または、少なくとも一部の補機の運転が停止されている状態を、「燃料電池の待機状態」という。すべての補機の運転状態が待機運転とされ、または、すべての補機の運転が停止されている状態も、「燃料電池の待機状態」に含まれる。
【００４３】
間欠運転モードに移行すると、制御部４８は、再び電圧計５２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cの読み込みを行なう（図６のステップＳ１４０）。次に、読み込んだ電圧値Ｖ_Cと、基準電圧値Ｖ₁とを比較する（ステップＳ１５０）。ここで、基準電圧値Ｖ₁とは、間欠運転モードから通常運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶されているものである。基準電圧値Ｖ₁は、既述した基準電圧値Ｖ₂の近傍の値であるが基準電圧値Ｖ₂よりも低い値として設定されている。基準電圧値Ｖ₁は、基準電圧値Ｖ₂の近傍の値であるため、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下である場合には、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率は許容できる程度となる。なお、基準電圧値Ｖ₂は、基準電圧値Ｖ₂の８０％以上１００％未満の値とすることができる。この基準電圧値Ｖ₁は、基準電圧値Ｖ₂の９０％以上であることが好ましく、さらに、基準電圧値Ｖ₂の９５％以上であることが好ましい。
【００４４】
ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁より大きいと判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１４０に戻る。すなわち、間欠運転モードが維持される。一方、ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＹｅｓとなるときには、処理は、ステップＳ１５２に移行する。
【００４５】
ステップＳ１５２では、制御部４８は、ステップＳ１２２と同様、電流計５４が検出する配線５０の電流値Ｉ_mを読み込む。そして、ステップＳ１５４で、電流値Ｉ_mが０以上であるか否かを判断する。
【００４６】
モータ３２が発電を行っているときには、ステップＳ１５４において、電流値Ｉ_mが負であると判断され、ステップＳ１５４の判断結果がＮｏとなる。この場合には、処理は、ステップＳ１４０に戻る。すなわち、間欠運転モードが維持される。一方、モータ３２が電力を消費している場合には、ステップＳ１５４において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＹｅｓとなる。その場合には、処理はステップＳ１７０に移行する。
【００４７】
すなわち、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下となり（ステップＳ１５０）、かつ、電流値Ｉ_mが０以上となる（ステップＳ１５４）まで、ステップＳ１４０からステップＳ１５４の動作が繰り返される。その間、電気自動車１０は、間欠運転モードを維持する。その間、制御部４８は、燃料電池６０の高圧補機４０について待機運転を行うか、または高圧補機４０の運転を停止する。
【００４８】
ステップＳ１７０において、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを閉状態とし、燃料電池システム２２を、負荷に応じてモータ３２に電力を供給するように運転する。すなわち、燃料電池６０の高圧補機４０の運転を定常運転に切り換える。ステップＳ１７０の処理によって、燃料電池６０によるモータ３２への電力の供給が再開される。そして、電気自動車１０は定常運転モードに移行する。その後、制御部４８は、処理を終了する。
【００４９】
図７は、定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。図５のステップＳ１３０においてスイッチ２０を開状態とし、定常運転モードから間欠運転モードに切り替わったときを、図７に「ＯＦＦ」と記載して示す。そして、図６のステップＳ１７０においてスイッチ２０を閉状態とし、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わったときを、図７に「ＯＮ」と記載して示す。
【００５０】
たとえば、グラフ中の状態ｐ１において、一旦、キャパシタ電圧Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁に達しているので（図６のステップＳ１５０参照）、電気自動車１０は間欠運転モードから定常運転モードに移行している。定常運転モードにおいては、燃料電池システム２２とキャパシタ２４は並列に接続されるので、図７においても、キャパシタ電圧と燃料電池の電圧とは一致している。その後、状態ｐ２を経て、状態ｐ３において、ブレーキ５６が踏まれ、その結果、電流値Ｉ_mが負になったと判断されて（図５ステップＳ１２４参照）、電気自動車１０は定常運転モードから間欠運転モードに移行している。
【００５１】
間欠運転モードにおいては、燃料電池システム２２が回路５０から切り離される。そして、制御部４８は、燃料電池６０を待機状態する。このため、間欠運転モードにおいては、キャパシタ電圧が電気自動車の運転状態に応じて変化するのに対して、燃料電池６０の電圧は、高圧補機４０が待機運転されることによって一定値となる。待機運転は低出力の運転であるため、間欠運転モードにおいては、燃料電池６０の端子間電圧はＯＣＶ近辺の値となる。図７において、燃料電池６０の端子間電圧を一点鎖線で示す。キャパシタ電圧Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₀₁₂を上回った場合には、高圧補機４０は停止される
【００５２】
間欠運転モードにおいては、キャパシタ２４がモータ３２に電力を供給するので、時間の経過とともにキャパシタ電圧は低下するはずである。しかし、図７中、間欠運転モードにおいてもキャパシタ電圧が上昇している場合がある。これは、そのときに回生が行われているためである。回生が行われる結果、状態ｐ５において、キャパシタ電圧は、燃料電池の開放電圧ＯＣＶを超える値となっている。
【００５３】
一方、定常運転モードにおいては、燃料電池６０が電力を供給しているため、燃料電池６０の出力電圧の指令値が燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧となる。よって、図３に示した燃料電池の特性より、燃料電池６０が比較的多くの電力を供給する場合は、燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧は低くなり、燃料電池６０が比較的少ない電力を供給する場合は、燃料電池６０およびキャパシタ２４の電圧は高くなる。
【００５４】
なお、間欠運転モード時には、上記のようにキャパシタ２４から負荷に対して電力を供給するだけでなく、さらに２次電池からも負荷に対して電力を供給することとしても良い。間欠運転モードとすべき低負荷状態が長く続くときや、２次電池２６の残存容量が充分に多いときには、キャパシタ２４に加えて、さらに２次電池２６を用いることとしてもよい。
【００５５】
キャパシタ２４の電圧Ｖ_Cが、駆動インバータ３０が供給しうる上限の電圧Ｖｍａｘに等しくなったとき、キャパシタ２４には、それ以上電荷を蓄えることができなくなる。その後、さらにブレーキ５６が踏まれた場合には、減殺すべき電気自動車１０の運動エネルギーは、例えば、電気自動車１０のブレーキディスクとブレーキパッド（図示せず）との摩擦によって熱に変換され、大気中に放出される。また、高圧補機４０等を運転して、モータ３２が発電した電力を消費する場合もある。
【００５６】
上記実施例では、モータ３２が発電を行っているときには、燃料電池６０の回路５０への接続を切っている（図５のステップＳ１２４、および図６のステップＳ１５４参照）。このため、キャパシタ２４を事実上の上限、すなわち、キャパシタ電圧がＶ_CがＶｍａｘになるまで充電した場合、キャパシタが蓄えているエネルギーのうちの燃料電池６０の発電によるエネルギーを少なくすることができる。そして、キャパシタが蓄えているエネルギーのうちのモータ３２の発電によるエネルギーを多くすることができる。つまり、モータ３２の発電によるエネルギーをより多く回収することができる。よって、第１実施例のような動力供給装置は、電気自動車１０の全体としての効率を高めることができる。
【００５７】
Ｃ２．比較例における定常運転モードと間欠運転モードに切り換え：
図８は、比較例における電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャートである。図８の比較例においては、図５のステップＳ１２２およびＳ１２４の処理を行わない。そして、ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂よりも小さいと判断され、ステップＳ１２０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１１０に戻る。また、図８の比較例においては、図６のステップＳ１５２およびＳ１５４の処理を行わない。そして、ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下であると判断され、ステップＳ１５０の判定結果がＮｏとなるときには、処理は、ステップＳ１７０に移行する。他の処理は、図５および図６のフローチャートと同様である。
【００５８】
図９は、比較例における、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。比較例においては、定常運転モード中の状態ｐ３において、ブレーキが踏まれモータ３２が発電を行って電流値Ｉ_mが負となっても、間欠運転モードには移行しない。そして、状態ｐ６において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂に達すると、間欠運転モードに移行する（図５のステップＳ１２０参照）。
【００５９】
比較例においては、図９の状態ｐ３から状態ｐ６に至るまでの区間Ｐｒｃだけ、第１実施例に比べて間欠運転モードに移行するのが遅い。対応する区間Ｐｒｃを図７においても示す。その結果、比較例においては、区間Ｐｒｃにおいて、すなわち、キャパシタ電圧が状態ｐ３のときの値Ｖ_p3からＶ₂になるまでの間、燃料電池６０からキャパシタ２４に電荷が供給され続ける。キャパシタ２４の電圧Ｖ_Cが、駆動インバータ３０が供給しうる上限の電圧Ｖｍａｘに等しくなったとき、実施例の場合に比べて、区間Ｐｒｃにおいて燃料電池から供給された電荷の分だけ、モータが作り出したエネルギーの蓄積量が少なくなる。
【００６０】
Ｄ．変形例：
この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
上記実施例では、電流計５４の測定値に基づいてモータ３２が発電を行っているか電力を消費しているかを判断し、スイッチ２０の開閉を制御した。しかし、モータ３２が発電を行っているか電力を消費しているかの判断は、他の要素に基づいて行ってもよい。たとえば、制御部４８によるモータ３２の出力指令値が負であるか否かに基づいて行ってもよい。モータ３２の出力指令値は、モータ３２が、単位時間当たりに行うべき仕事の量を表す数値である。制御部４８によるモータ３２の出力指令値が負である場合には、モータ３２が発電を行っていると判断できる。モータ３２の出力指令値は、電気自動車１０のアクセル（図示せず）、ブレーキ５６等からの入力をもとに制御部４８が決定する。
【００６２】
さらに、ブレーキ５６のＯＮ／ＯＦＦに基づいて、モータ３２が発電を行っているか否かを判断することとしてもよい。ブレーキ５６がＯＮである場合には、モータ３２が発電を行っていると判断される。すなわち、モータ３２の駆動インバータ３０の運転状態を表す測定値、または駆動インバータ３０の運転状態を決定する入力値のうちのいずれかに基づいて、モータ３２が発電を行っているか、電力を消費しているかを判断することができる。
【００６３】
上記の第１実施例では、電気自動車１０の動力装置は２次電池２６を備えていた。しかし、電気自動車の動力装置は、２次電池２６を備えない態様とすることもできる。
【００６４】
さらに、上記実施例では、燃料電池と並列に回路に接続される蓄電器はキャパシタであった。しかし、他の種類の蓄電器が燃料電池と平行に回路に接続されている態様とすることもできる。蓄電器としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。
【００６５】
上記実施例においては、キャパシタ２４の電圧Ｖ_Cの値と、回路５０の電流Ｉ_mの値に基づいて、スイッチ２０の開閉を決定していた。しかし、他の要素をも考慮してスイッチ２０の開閉を決定する態様とすることもできる。そのような場合には、例えば、定常運転モードにおいて、キャパシタ２４の電圧Ｖ_Cの値が基準電圧値Ｖ₂以上であり、または電流Ｉ_mの値が負であっても、スイッチ２０が開状態とされないこともある。
【００６６】
すなわち、キャパシタと燃料電池を含む動力装置は、燃料電池と回路とをつなぐスイッチが閉状態であって電動機が発電を行うときに、スイッチを開状態とするモードを有するものであればよい。そして、電動機が電力を消費しているときに、蓄電器の電圧に応じてスイッチを閉状態または開状態とするモードを有するものであればよい。
【００６７】
また、第１実施例では、配線５０に対する燃料電池６０の接続を入り切りするスイッチ２０は、燃料電池６０の２つの端子のそれぞれに対して設けたが、どちらか一方だけにスイッチを設けることとしても良い。間欠運転モードにおいて、燃料電池６０からの出力を、停止させることができればよい。
【００６８】
さらに、上記実施例では、間欠運転モードにおいて、キャパシタ電圧が所定値以上である場合には、高圧補機４０の運転を停止していた。すなわち、高圧補機４０の運転の停止と再開を同じ基準電圧で行っていた。しかし、高圧補機を停止するか否かの判断基準となる基準電圧と、高圧補機の運転を再開するか否かの判断基準となる基準電圧とを異なる値とすることもできる。たとえば、高圧補機を停止するための基準電圧を、高圧補機の運転を再開ための基準電圧よりも高くすることが好ましい。そのような態様とすれば、高圧補機４０の運転の停止および再開を安定して行うことができる。
【００６９】
既述した実施例では、燃料電池システム２２は、燃料ガスとして水素ガスを用いることとした。これに対して、燃料ガスとして、改質ガスを用いる構成も可能である。このような場合には、図２に示した燃料電池システム２２において、燃料ガス供給部６１として、水素を貯蔵する装置に代えて、改質ガスを生成する装置を備えることとすればよい。具体的には、改質反応に供する改質燃料および水を貯蔵するタンクや、改質触媒を備える改質器、さらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための反応を促進する触媒を備える反応部などを備えることとすればよい。
【００７０】
そして、燃料ガスとして改質ガスを用いる構成においては、スイッチ２０が閉状態であってモータ３２が発電を行うときに、スイッチ２０を開状態とするとともに、燃料電池を待機状態とすることが特に好ましい（図５のステップＳ１３０参照）。このような構成とすることで、モータ３２が発電を行うときに、燃料電池の発電に利用されずに排出されてしまう燃料ガスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図。
【図２】燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図。
【図３】燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図。
【図４】燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図。
【図５】運転モードの切り換えルーチンを表わすフローチャート。
【図６】運転モードの切り換えルーチンを表わすフローチャート。
【図７】定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図。
【図８】比較例における電気自動車１０の運転モードの切換え手順を表わすフローチャート。
【図９】比較例における、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図。
【符号の説明】
１０…電気自動車
１５…電源装置
１７…動力装置
２０…スイッチ
２２…燃料電池システム
２４…キャパシタ
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…モータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…高圧補機
４２…ダイオード
４８…制御部
５０…配線（回路）
５２…電圧計
５４…電流計
５６…ブレーキ
６０…燃料電池
６１…燃料ガス供給部
６１ｂ…バルブ
６２…水素ガス供給路
６３…水素ガス排出路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路
６７…水素循環ポンプ
Ｉ_FC…出力電流
Ｉ_m…駆動インバータ３０に流れる電流
ＯＣＶ…燃料電池の開放電圧
Ｐ_FC…燃料電池が供給する電力
Ｐｒｃ…比較例において燃料電池が配線に接続されている区間
Ｖ_C…キャパシタ電圧
Ｖ_FC…出力電圧
Ｖ_g…出力電圧
Ｖｍａｘ…駆動インバータ３０が供給しうる最高の電圧値
ｐ１〜ｐ３，ｐ５，ｐ６…燃料電池の運転状態[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device including a fuel cell and a capacitor.
[0002]
[Prior art]
As a method for using a power supply device including a fuel cell, for example, a method of using it as a power source for driving an electric vehicle has been proposed. The driving force of the vehicle can be obtained by supplying the electric power generated by the fuel cell to the drive motor of the electric vehicle. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-19115 discloses a power supply device that includes a capacitor in addition to a fuel cell. This power supply device regenerates with an electric motor during braking of an electric vehicle and stores the electric power in a capacitor. The capacitor then supplies power to the motor on behalf of or in conjunction with the fuel cell.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
When it is necessary to supply electric power from the capacitor to the electric motor, such as during acceleration of an electric vehicle, it is desirable that the remaining charge of the capacitor is as much as possible and that it is possible to supply as much electric power as necessary. On the other hand, since the voltage at the time when electric power obtained by regeneration of the electric motor is supplied to the capacitor has an upper limit in effect, there is also an actual upper limit on the energy that can be stored in the capacitor. Therefore, it is preferable that the capacitor has a sufficient free capacity during braking. Therefore, a power supply device including a fuel cell and a capacitor has been desired to satisfy such conflicting requirements and to efficiently store power in the capacitor.
[0004]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a technology capable of efficiently storing electric power in a capacitor in a power supply device including a fuel cell and a capacitor.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a predetermined process is performed in a power unit that supplies rotational output. This power unit includes a motor that can also function as a power generator, a fuel cell and a capacitor connected in parallel to a wiring that supplies power to the motor and transmits power supplied from the motor, and a fuel cell. A switch for turning on and off the connection with the wiring; and a control unit for controlling the electric motor, the fuel cell, and the switch.
[0006]
The power unit configured as described above preferably has a mode in which the switch is in an open state when the switch is in a closed state and the electric motor generates power. If it is set as such an aspect, the electric power generated with the electric motor can be efficiently accumulate | stored in an electrical storage device.
[0007]
In addition, when the switch is closed and the electric motor generates power, it is preferable to have a mode for outputting an instruction for opening the switch and outputting an instruction for setting the fuel cell in a standby state. If it is set as such an aspect, when an electric motor produces electric power, the fuel gas discharged | emitted without being utilized for the electric power generation of a fuel cell can be reduced.
[0008]
Note that it is preferable to have a mode in which the switch is closed or opened in accordance with the voltage of the battery when the electric motor is consuming power. If it is set as such an aspect, the driving | running state of a power plant can be changed according to the residual charge stored in the electrical storage device. Such a power unit preferably includes a voltmeter for detecting the voltage of the battery.
[0009]
In addition, when the switch is open, the motor is consuming electric power, and when the voltage of the battery is lower than the first reference voltage, the switch is closed and the fuel cell is in a steady operation mode. It is preferable. When the switch is closed, the motor is consuming electric power, and the voltage of the battery is higher than the second reference voltage higher than the first reference voltage, the switch is opened, and the fuel is It is preferable to have a mode in which the battery is in a standby state. According to such an aspect, when the remaining charge stored in the capacitor decreases, the fuel cell is used, and in the region where the operating efficiency of the fuel cell is low, the capacitor can be used to supply power. it can.
[0010]
The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of an operation method of a power supply device, an electric vehicle including the power supply device, or the like.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Overall configuration of the device:
B. Operation of fuel cell, secondary battery and capacitor:
B1. Fuel cell operation:
B2. Charge / discharge of secondary battery:
B3. Capacitor charge / discharge:
C. Steady operation mode and intermittent operation mode:
C1. Switching between steady operation mode and intermittent operation mode:
C2. Switching between the steady operation mode and intermittent operation mode in the comparative example:
D. Variation:
[0012]
A. Overall configuration of the device:
FIG. 1 is a block diagram showing an outline of the configuration of an electric vehicle 10 according to a first embodiment of the present invention. The electric vehicle 10 includes a power supply device 15, and includes a high-voltage auxiliary machine 40 and a drive motor 32 connected to the power supply device 15 via a drive inverter 30 as a load to which power is supplied from the power supply device 15. ing. A wiring 50 is provided between the power supply device 15 and the load, and power is exchanged between the power supply device 15 and the load via the wiring 50.
[0013]
In order to measure the current supplied from the fuel cell system 22, the capacitor 24, and the secondary battery 26 to the motor 32, the wiring 50 includes a drive inverter 30 and other components such as the capacitor 24 and the high-voltage auxiliary machine 40. An ammeter 54 is provided between the two. It should be noted that the ammeter 54 may be disposed in another part of the wiring 50 as long as the current amount for moving the motor 32 can be measured.
[0014]
The power supply device 15 includes a fuel cell system 22, a capacitor 24, and a secondary battery 26. The fuel cell system 22 includes a fuel cell that is a main body of power generation as will be described later. The fuel cell and the capacitor 24 included in the fuel cell system 22 are connected in parallel to the wiring 50. The wiring 50 is further provided with a diode 42 for preventing a current from flowing back to the fuel cell. Furthermore, the wiring 50 is provided with a switch 20 that turns on and off the connection state of the fuel cell to the wiring 50. Further, the wiring 50 is connected to the DC / DC converter 28, and the secondary battery 26 is connected to the wiring 50 through the DC / DC converter 28. In addition, in order to measure the voltage in the power supply device 15, a voltmeter 52 is further provided in the wiring 50.
[0015]
Examples of the input device to the control unit 48 for controlling the movement of the electric vehicle 10 include an accelerator and a brake. In FIG. 1, the brake 56 is shown. The electric vehicle 10 is also provided with a speed sensor, an acceleration sensor, and the like for inputting data to the control unit 48. The various sensors for grasping the traveling state of the electric vehicle 10 are not shown in FIG.
[0016]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of the fuel cell system 22. The fuel cell system 22 includes a fuel cell (FC) 60, a fuel gas supply unit 61, a blower 64, and a hydrogen circulation pump 67. In this example, a solid polymer fuel cell was used as the fuel cell 60. The fuel gas supply unit 61 is a device that stores hydrogen therein and supplies the hydrogen gas to the fuel cell 60 as fuel gas. The fuel gas supply unit 61 may be a hydrogen cylinder provided with a valve 61b, for example. Or it is good also as providing the hydrogen tank which has a hydrogen storage alloy inside, and storing hydrogen by making the said hydrogen storage alloy occlude hydrogen. The hydrogen gas stored in the fuel gas supply unit 61 is supplied to the anode of the fuel cell 60 through the hydrogen gas supply path 62 and is subjected to an electrochemical reaction. The remaining hydrogen gas not used in the electrochemical reaction is discharged to the hydrogen gas discharge path 63. The hydrogen gas discharge path 63 is connected to the hydrogen gas supply path 62. A hydrogen circulation pump 67 is provided in the hydrogen gas discharge path 63. The remaining hydrogen gas is sent to the hydrogen gas supply path 62 by the hydrogen circulation pump 67 and again subjected to the electrochemical reaction. The compressed air taken in by the blower 64 is supplied as an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 60 through the oxidizing gas supply path 65. The cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 60 is guided to the cathode exhaust gas channel 66 and discharged to the outside. In the fuel cell system 22, a humidifier that humidifies hydrogen gas or air may be further provided in the hydrogen gas supply path 62 and the oxidizing gas supply path 65.
[0017]
As the secondary battery 26 in FIG. 1, various secondary batteries such as a lead storage battery, a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, and a lithium secondary battery can be used. The secondary battery 26 supplies power for driving each part of the fuel cell system 22 at the time of starting the fuel cell system 22, or until each warm-up operation of the fuel cell system 22 is completed. In contrast, power is supplied. Even when the fuel cell 60 generates power in a steady state, if the load exceeds a predetermined value, the secondary battery 26 supplements the power.
[0018]
The secondary battery 26 is also provided with a remaining capacity monitor 27 for detecting the remaining capacity (SOC) of the secondary battery 26. In the present embodiment, the remaining capacity monitor 27 is configured as an SOC meter that integrates the charging / discharging current value and time in the secondary battery 26. Alternatively, the remaining capacity monitor 27 may be configured by a voltage sensor instead of the SOC meter. Since the secondary battery 26 has the property that the voltage value decreases as the remaining capacity thereof decreases, the remaining capacity of the secondary battery 26 can be detected by measuring the voltage.
[0019]
The DC / DC converter 28 adjusts the output voltage from the fuel cell 60 by setting the target voltage value, and controls the power generation amount of the fuel cell 60. The DC / DC converter 28 also serves as a switch for controlling the connection state between the secondary battery 26 and the wiring 50, and when the secondary battery 26 does not need to be charged / discharged, The connection with the wiring 50 is released.
[0020]
The drive motor 32 that is one of the loads that receive power supply from the power supply device 15 is a synchronous motor and includes a three-phase coil for forming a rotating magnetic field. The drive motor 32 is connected to the wiring 50 via the drive inverter 30 and receives supply of power from the power supply device 15. The drive inverter 30 is a transistor inverter provided with a transistor as a switching element corresponding to each phase of the motor. An output shaft 36 of the drive motor 32 is connected to a vehicle drive shaft 38 via a reduction gear 34. The reduction gear 34 transmits the power output from the drive motor 32 to the vehicle drive shaft 38 after adjusting the rotational speed.
[0021]
The power unit 17 of the present embodiment includes a power supply device 15 including a high-voltage auxiliary machine 40, a motor 32, a drive inverter 30, and an output shaft 36 for supplying rotational output. In FIG. 1, each component drawn on the left side of the output shaft 36 is a component of the power unit 17.
[0022]
The high-voltage auxiliary machine 40 that is another load is an auxiliary machine used to generate power by the fuel cell 60. These high-voltage auxiliary machines 40 are devices that use the power supplied from the power supply device 15 with a voltage of 300 V or higher. Examples of the high-pressure auxiliary machine 40 include a blower 64 for supplying air to the fuel cell 60 and a hydrogen circulation pump 67 for circulating hydrogen gas between the hydrogen gas discharge path 63 and the hydrogen gas supply path 62. (See FIG. 2). Further, a cooling pump (not shown) for circulating cooling water inside the fuel cell 60 in order to cool the fuel cell 60 is also included in the high-pressure auxiliary machine 40. These devices are devices included in the fuel cell system 22. In FIG. 1, these devices are shown as the high-voltage auxiliary machine 40 outside the power supply device 15.
[0023]
The electric vehicle 10 further includes a control unit 48. The control unit 48 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes a predetermined calculation according to a preset control program, and a control necessary for executing various arithmetic processes by the CPU. A ROM in which programs and control data are stored in advance, a RAM in which various data necessary for performing various arithmetic processes in the CPU are temporarily read and written, an input / output port for inputting and outputting various signals, and the like . The control unit 48 acquires a detection signal from the voltmeter 52 described above, a signal output from the remaining capacity monitor 27, or an instruction signal input regarding the operation of the vehicle. In addition, a drive signal is output to the DC / DC converter 28, the switch 20, the fuel cell system 22, the drive inverter 30, the high voltage auxiliary machine 40, and the like.
[0024]
B. Operation of fuel cell, secondary battery and capacitor:
B1. Fuel cell operation:
When the electric vehicle 10 is in operation, the control unit 48 calculates electric power necessary to realize a desired traveling state based on the vehicle speed and the accelerator opening degree in the vehicle. When the electric vehicle 10 is in the “steady operation mode” in which the fuel cell obtains necessary energy, the control unit 48 adds the power required by the high-voltage auxiliary machine 40 and the secondary battery 26 in addition to the necessary power. Based on the remaining capacity, the power to be output by the fuel cell 60 is calculated. Hereinafter, operations of the fuel cell, the secondary battery, and the capacitor will be described.
[0025]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the output current in the fuel cell 60 and the output voltage or output power. As shown in FIG. 3, the electric power P to be output from the fuel cell 60 _FC Is determined, from the curve representing the output power characteristics of the fuel cell 60, the magnitude I of the output current of the fuel cell 60 at that time _FC Is determined. Output current I _FC Is determined from a curve representing the current-voltage characteristics of the fuel cell 60 (hereinafter, this curve may be referred to as a “characteristic curve” of the fuel cell), the output voltage V of the fuel cell 60 at that time. _FC Is determined. The output voltage V obtained in this way _FC Is controlled by the control unit 48 as a target voltage to the DC / DC converter 28 so that the power generation amount of the fuel cell 60 becomes a desired amount.
[0026]
Note that the output voltage value or the output power value with respect to the output current of the fuel cell 60 as shown in FIG. 3 varies depending on the internal temperature of the fuel cell 60. Therefore, the output voltage (target voltage) V of the fuel cell 60 as described above. _FC It is desirable to further consider the internal temperature of the fuel cell 60 when determining
[0027]
B2. Charge / discharge of secondary battery:
In the electric vehicle 10 of this embodiment, when the load is equal to or greater than a predetermined value and the remaining capacity of the secondary battery 26 is sufficiently large, power is also supplied from the secondary battery 26 to the load. Is done. In such a case, the control unit 48 determines the power to be output from the fuel cell 60 in consideration that the power is also supplied from the secondary battery 26, and sets the target voltage in the DC / DC converter 28. Set. As shown in FIG. 3, the output voltage of the fuel cell 60 decreases as the load increases and the output current increases. Further, the secondary battery 26 has a property that its output voltage increases as the remaining capacity increases. Therefore, when the magnitude of the load is equal to or greater than a predetermined value and the remaining capacity of the secondary battery 26 is sufficiently large, the target voltage in the DC / DC converter 28, that is, the output voltage of the fuel cell 60 is 2 The value is lower than the output voltage of the secondary battery 26. As a result, power is supplied not only from the fuel cell 60 but also from the secondary battery 26 to the high-voltage auxiliary machine 40 or the drive motor 32.
[0028]
On the other hand, when the remaining capacity of the secondary battery 26 becomes a predetermined value or less, the secondary battery 26 needs to be charged. At this time, when the load is small to some extent and the output of the fuel cell 60 has a margin, the secondary battery 26 is charged by the fuel cell 60. When charging the secondary battery 26, in addition to the power to be supplied to the load, the power to be output from the fuel cell 60 so that the power for charging the secondary battery 26 is obtained. That is, the operating state of the fuel cell 60 is determined (see FIG. 3). The secondary battery 26 has a property that its output voltage decreases as the remaining capacity decreases. Therefore, when the remaining capacity of the secondary battery 26 is equal to or less than a predetermined value, the target voltage set in the DC / DC converter 28, that is, the output voltage of the fuel cell 60 is higher than the output voltage of the secondary battery 26. Value. As a result, the fuel cell 60 not only supplies power to the high-voltage auxiliary machine 40 or the drive motor 32 but also charges the secondary battery 26.
[0029]
B3. Capacitor charge / discharge:
Further, in the electric vehicle 10 of the present embodiment, the capacitor 24 is repeatedly charged and discharged. The capacitor 24 has a one-to-one correspondence between the remaining charge amount and the output voltage. The larger the remaining charge amount, the higher the output voltage, and the smaller the amount, the lower the output voltage. As shown in FIG. 1, the capacitor 24 is connected in parallel to the fuel cell 60 with respect to the wiring 50. Therefore, when the load varies during power generation of the fuel cell 60 and the voltage in the wiring 50 (which can be measured by the voltmeter 52) varies, the charge amount of the capacitor 24 changes according to the voltage of the wiring 50. . When the voltage of the wiring 50 rises, the capacitor 24 is supplied with electric power from the fuel cell 60 and increases the remaining charge amount until the capacitor voltage becomes equal to the voltage of the wiring 50. Further, when the voltage of the wiring 50 decreases, the capacitor 24 supplies power to the load together with the fuel cell 60, and reduces the remaining charge amount until the capacitor voltage becomes equal to the voltage of the wiring 50. That is, the capacitor 24 performs charge / discharge according to the voltage of the wiring 50.
[0030]
In the electric vehicle 10, during braking (when the driver depresses the brake 56 while the vehicle is running), the kinetic energy of the axle is converted into electric energy by using the drive motor 32 as a generator. Collect this. In the present embodiment, energy recovered as electric power in such regeneration is absorbed by the capacitor 24. The capacitor 24 is a power storage unit having a higher power density than the secondary battery 26 and also has a high charge / discharge efficiency. That is, there is much electric energy which can be charged / discharged within a short time. Therefore, by using the capacitor 24, when the regenerative operation mode is executed in a short braking time when the driver of the vehicle depresses the brake 56, the electric power generated by the regeneration can be efficiently recovered.
[0031]
In the electric vehicle 10, when the drive motor 32 generates power and regeneration is performed, electric power is supplied from the drive motor 32 side to the wiring 50 via the drive inverter 30. In the present embodiment, the voltage when power is supplied from the drive motor 32 to the wiring 50 during such regeneration (hereinafter referred to as “output voltage V from the drive motor 32 for the sake of simplicity). _g Is set to be higher than the upper limit of the voltage of the wiring 50 when electric power is supplied from the fuel cell 60 in the steady operation mode. ing. For this reason, the voltage between the terminals of the capacitor 24 may exceed the open circuit voltage OCV of the fuel cell. Since the circuit 50 includes the diode 42, no current flows from the capacitor 24 toward the fuel cell system 22 even when the voltage across the capacitor 24 exceeds the open voltage OCV of the fuel cell.
[0032]
C. Steady operation mode and intermittent operation mode:
C1. Switching between steady operation mode and intermittent operation mode:
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the output level of the fuel cell 60 and the energy efficiency. FIG. 4A shows the relationship between the efficiency of the fuel cell 60 and the power required by the fuel cell accessories and the output of the fuel cell 60. As shown in FIG. 4A, the power generation efficiency of the single fuel cell 60 gradually decreases as the output of the fuel cell 60 increases. On the other hand, even if the output of the fuel cell 60 decreases, the power consumed to drive the fuel cell accessories does not decrease proportionally. Accordingly, when the output of the fuel cell 60 is reduced, the power consumed by the fuel cell auxiliary devices relative to the output of the fuel cell 60 is relatively increased.
[0033]
FIG. 4B shows the relationship between the output of the fuel cell 60 and the efficiency of the entire fuel cell system 22. When the efficiency of the entire fuel cell system 22 is obtained based on the efficiency of the single fuel cell 60 shown in FIG. 4 (A) and the power consumed by the auxiliary devices of the fuel cell, the result is as shown in FIG. 4 (B). . That is, the system efficiency is highest when the output of the fuel cell 60 is a predetermined value, and the energy efficiency of the entire fuel cell system 22 is low when the output of the fuel cell 60 is small. For example, the output is P ₀ In the following area, as shown in FIG. 4, the system efficiency is 60% or less of the maximum efficiency, which is extremely low.
[0034]
In the electric vehicle 10 of the present embodiment, the fuel cell system 22 is disconnected from the circuit 50 and the supply of power to the motor 32 by the fuel cell 60 is stopped at a low load when the efficiency of the entire fuel cell system 22 deteriorates. This prevents a reduction in energy efficiency of the entire system. An operation state in which the fuel cell system 22 is connected to a circuit and the fuel cell 60 supplies power corresponding to the magnitude of the load to the motor 32 is referred to as a “steady operation mode”. On the other hand, the electric power required by the motor 32 is supplied by the capacitor 24, and the operation state in which the fuel cell 60 does not supply electric power corresponding to the magnitude of the load to the motor 32 is referred to as “intermittent operation mode”.
[0035]
FIG. 5 and FIG. 6 are flowcharts showing the procedure for switching the operation mode of the electric vehicle 10. This routine is started in the steady operation mode. In the steady operation mode, the high-pressure auxiliary machine 40 of the fuel cell 60 is operated so that the fuel cell 60 can supply power to the motor 32 according to the load. Such an operation is called “steady operation” of the high-pressure auxiliary machine 40. When this routine is executed, the control unit 48 first determines the voltage value V of the wiring 50 detected by the voltmeter 52. _C Is read (step S110). And this voltage value V _C And a predetermined reference voltage value V determined in advance. ₂ Are compared (step S120).
[0036]
Reference voltage value V ₂ Is stored in the control unit 48 in advance as a reference for determining whether to switch from the steady operation mode to the intermittent operation mode. Voltage value V of wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ The reference voltage value V so that the energy efficiency of the entire fuel cell system 22 is acceptable. ₂ Is determined. Reference voltage value V ₂ Is set to a value somewhat lower than the open circuit voltage OCV of the fuel cell 60. As shown in FIG. 3, the voltage of the fuel cell 60 can only take a value lower than the open circuit voltage OCV, and as shown in FIGS. 3, 4 (A), and 4 (B), This is because the energy efficiency of the entire fuel cell system 22 is low when the voltage is high and the output power is low. Reference voltage value V ₂ Can be, for example, 80 to 90% of the open voltage of the fuel cell.
[0037]
In step S120, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ If it is determined as described above and the determination result in step S120 is Yes, the process proceeds to step S130.
[0038]
On the other hand, in step S120, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ If the determination result in step S120 is No, the process proceeds to step S122. In step S122, the control unit 48 determines the current value I of the wiring 50 detected by the ammeter 54. _m Is read. In step S124, the current value I _m Whether or not is negative. The current value I _m As for positive and negative, the direction of the current in the wiring 50 when the electric vehicle 10 is accelerated by the power of the motor 32 and the brake 56 is not stepped on the horizontal ground is “positive”. . That is, the current value I _m Is positive, the motor 32 is consuming power and the current value I _m Is negative, the motor 32 functions as a generator and is generating electricity.
[0039]
When the motor 32 is working and consuming electric power, in step S124, the current value I _m Is determined to be 0 or more, and the determination result in step S124 is No. In that case, the process returns to step S110. That is, the steady operation mode is maintained. On the other hand, when the motor is generating power, in step S124, the current value I _m Is negative, and the determination result in step S124 is Yes. In that case, the process proceeds to step S130.
[0040]
That is, in the steady operation mode, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ (S120) or current value I _m Until S becomes negative (step S124), the operations from step S110 to step S124 are repeated. Meanwhile, the electric vehicle 10 maintains the steady operation mode.
[0041]
In step S130, the control unit 48 outputs a drive signal to the switch 20 to open it. When the switch 20 is thus opened, since the connection of the fuel cell 60 to the circuit 50 is released (see FIG. 1), the supply of power from the fuel cell 60 to the motor 32 is stopped. Electric power is supplied from the capacitor 24 to the motor 32, and the electric vehicle 10 shifts to the intermittent operation mode. As described above, the capacitor 24 has a high power density and high charge / discharge efficiency. For this reason, the capacitor 24 can quickly output the power required by the load when the switch 20 is opened.
[0042]
The high-pressure auxiliary machine 40 of the fuel cell 60 is operated at a constant low output after step S130. The operation of the high-pressure auxiliary machine 40 at a constant low output in the intermittent operation mode is referred to as “standby operation”. The “standby operation” is an operation state in which the power consumption per unit time of the auxiliary machine is equal to or lower than the lowest power consumption per unit time in the “steady operation”. In the intermittent operation mode, the capacitor voltage V _C Is the reference voltage value V ₀₁₂ Is exceeded, the operation of the high-pressure auxiliary machine 40 is stopped. The “stop” of the operation of the high-pressure auxiliary machine 40 means a state where the gas or liquid to be supplied or circulated by each auxiliary machine is not supplied or circulated. Of the fuel cell auxiliaries that are operated to generate power from the fuel cell in the steady operation mode of the electric vehicle 10, at least some of the auxiliaries are in standby operation, or at least some auxiliaries. The state where the operation is stopped is referred to as a “fuel cell standby state”. The operation state of all the auxiliary machines is set as the standby operation, or the state where the operation of all the auxiliary machines is stopped is also included in the “fuel cell standby state”.
[0043]
When shifting to the intermittent operation mode, the control unit 48 again detects the voltage value V of the wiring 50 detected by the voltmeter 52. _C Is read (step S140 in FIG. 6). Next, the read voltage value V _C And the reference voltage value V ₁ Are compared (step S150). Here, the reference voltage value V ₁ Is previously stored in the control unit 48 as a reference for determining whether to switch from the intermittent operation mode to the normal operation mode. Reference voltage value V ₁ Is the reference voltage value V described above ₂ Is a reference voltage value V ₂ Is set as a lower value. Reference voltage value V ₁ Is the reference voltage value V ₂ Is a voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₁ In the following cases, the energy efficiency of the entire fuel cell system 22 is acceptable. Reference voltage value V ₂ Is the reference voltage value V ₂ Of 80% or more and less than 100%. This reference voltage value V ₁ Is the reference voltage value V ₂ Is preferably 90% or more of the reference voltage value V. ₂ Is preferably 95% or more.
[0044]
In step S150, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₁ When it is determined that the value is larger and the determination result in step S150 is No, the process returns to step S140. That is, the intermittent operation mode is maintained. On the other hand, in step S150, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₁ If it is determined that the result is “Yes” and the determination result in Step S150 is Yes, the process proceeds to Step S152.
[0045]
In step S152, the controller 48 determines the current value I of the wiring 50 detected by the ammeter 54, as in step S122. _m Is read. In step S154, the current value I _m Whether or not is greater than or equal to 0 is determined.
[0046]
When the motor 32 is generating power, in step S154, the current value I _m Is negative, and the result of determination in step S154 is No. In this case, the process returns to step S140. That is, the intermittent operation mode is maintained. On the other hand, when the motor 32 is consuming electric power, the voltage value V of the wiring 50 is determined in step S154. _C Is the reference voltage value V ₁ It is determined as follows, and the determination result of step S150 is Yes. In that case, the process proceeds to step S170.
[0047]
That is, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₁ (Step S150) and the current value I _m Until S becomes 0 or more (step S154), the operations from step S140 to step S154 are repeated. Meanwhile, the electric vehicle 10 maintains the intermittent operation mode. Meanwhile, the control unit 48 performs a standby operation for the high-pressure auxiliary machine 40 of the fuel cell 60 or stops the operation of the high-pressure auxiliary machine 40.
[0048]
In step S170, the control unit 48 outputs a drive signal to the switch 20 to close it, and operates the fuel cell system 22 to supply power to the motor 32 according to the load. That is, the operation of the high-pressure auxiliary machine 40 of the fuel cell 60 is switched to the steady operation. The supply of electric power to the motor 32 by the fuel cell 60 is resumed by the process of step S170. And the electric vehicle 10 transfers to steady operation mode. Thereafter, the control unit 48 ends the process.
[0049]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the output voltage of the fuel cell 60 and the voltage of the capacitor 24 when the steady operation mode and the intermittent operation mode are alternately switched. When the switch 20 is opened in step S130 in FIG. 5 and the operation mode is switched from the steady operation mode to the intermittent operation mode, “OFF” is shown in FIG. Then, when the switch 20 is closed in step S170 of FIG. 6 and switched from the intermittent operation mode to the steady operation mode, “ON” is shown in FIG.
[0050]
For example, in the state p1 in the graph, once the capacitor voltage V _C Is the reference voltage value V ₁ (See step S150 in FIG. 6), the electric vehicle 10 has shifted from the intermittent operation mode to the steady operation mode. In the steady operation mode, since the fuel cell system 22 and the capacitor 24 are connected in parallel, the capacitor voltage and the fuel cell voltage also match in FIG. Thereafter, after the state p2, the brake 56 is depressed in the state p3, and as a result, the current value I _m Is determined to have become negative (see step S124 in FIG. 5), the electric vehicle 10 has shifted from the steady operation mode to the intermittent operation mode.
[0051]
In the intermittent operation mode, the fuel cell system 22 is disconnected from the circuit 50. Then, the control unit 48 puts the fuel cell 60 in a standby state. For this reason, in the intermittent operation mode, the capacitor voltage changes according to the operating state of the electric vehicle, whereas the voltage of the fuel cell 60 becomes a constant value when the high-voltage auxiliary machine 40 is in standby operation. Since the standby operation is a low output operation, the voltage between the terminals of the fuel cell 60 becomes a value near the OCV in the intermittent operation mode. In FIG. 7, the voltage between the terminals of the fuel cell 60 is indicated by a one-dot chain line. Capacitor voltage V _C Is the reference voltage value V ₀₁₂ Is exceeded, the high pressure auxiliary machine 40 is stopped.
[0052]
In the intermittent operation mode, since the capacitor 24 supplies electric power to the motor 32, the capacitor voltage should decrease with time. However, in FIG. 7, the capacitor voltage may increase even in the intermittent operation mode. This is because regeneration is performed at that time. As a result of the regeneration, in the state p5, the capacitor voltage has a value exceeding the open voltage OCV of the fuel cell.
[0053]
On the other hand, in the steady operation mode, since the fuel cell 60 supplies power, the command value of the output voltage of the fuel cell 60 becomes the voltage of the fuel cell 60 and the capacitor 24. Therefore, from the characteristics of the fuel cell shown in FIG. 3, when the fuel cell 60 supplies a relatively large amount of power, the voltages of the fuel cell 60 and the capacitor 24 become low and the fuel cell 60 supplies a relatively small amount of power. When doing so, the voltage of the fuel cell 60 and the capacitor 24 becomes high.
[0054]
In the intermittent operation mode, not only power is supplied from the capacitor 24 to the load as described above, but also power may be supplied from the secondary battery to the load. When the low load state to be in the intermittent operation mode continues for a long time or when the remaining capacity of the secondary battery 26 is sufficiently large, the secondary battery 26 may be used in addition to the capacitor 24.
[0055]
The voltage V of the capacitor 24 _C However, when it becomes equal to the upper limit voltage Vmax that can be supplied by the drive inverter 30, the capacitor 24 can no longer store electric charges. Thereafter, when the brake 56 is further stepped on, the kinetic energy of the electric vehicle 10 to be reduced is converted into heat by friction between a brake disk and a brake pad (not shown) of the electric vehicle 10, for example, Released into. In some cases, the high-voltage auxiliary machine 40 or the like is operated and the electric power generated by the motor 32 is consumed.
[0056]
In the above embodiment, when the motor 32 is generating power, the fuel cell 60 is disconnected from the circuit 50 (see step S124 in FIG. 5 and step S154 in FIG. 6). For this reason, the capacitor 24 has a practical upper limit, that is, the capacitor voltage is V _C When charging is performed until Vmax reaches Vmax, the energy generated by the fuel cell 60 among the energy stored in the capacitor can be reduced. And the energy by the electric power generation of the motor 32 among the energy which the capacitor has stored can be increased. That is, more energy from the power generation of the motor 32 can be recovered. Therefore, the power supply device as in the first embodiment can increase the efficiency of the electric vehicle 10 as a whole.
[0057]
C2. Switching between the steady operation mode and intermittent operation mode in the comparative example:
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for switching the operation mode of electric vehicle 10 in the comparative example. In the comparative example of FIG. 8, the processes of steps S122 and S124 of FIG. 5 are not performed. In step S120, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ If the determination result in step S120 is No, the process returns to step S110. Moreover, in the comparative example of FIG. 8, the process of step S152 and S154 of FIG. 6 is not performed. In step S150, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₁ If it is determined that the result is “No” and the determination result in step S150 is No, the process proceeds to step S170. Other processes are the same as those in the flowcharts of FIGS.
[0058]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the output voltage of the fuel cell 60 and the voltage of the capacitor 24 in the comparative example. In the comparative example, in the state p3 in the steady operation mode, the brake is stepped on and the motor 32 generates power and the current value I _m Even if becomes negative, it does not shift to the intermittent operation mode. In the state p6, the voltage value V of the wiring 50 _C Is the reference voltage value V ₂ Is reached, the mode is shifted to the intermittent operation mode (see step S120 in FIG. 5).
[0059]
In the comparative example, the transition to the intermittent operation mode is slower than the first embodiment only in the section Prc from the state p3 to the state p6 in FIG. The corresponding section Prc is also shown in FIG. As a result, in the comparative example, in the section Prc, that is, the value V when the capacitor voltage is in the state p3. _p3 To V ₂ Until the electric charge is reached, the electric charge continues to be supplied from the fuel cell 60 to the capacitor 24. The voltage V of the capacitor 24 _C However, when the upper limit voltage Vmax that can be supplied by the drive inverter 30 becomes equal to the upper limit voltage Vmax, the amount of energy generated by the motor is equal to the amount of charge supplied from the fuel cell in the section Prc compared to the case of the embodiment. Less.
[0060]
D. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be carried out in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0061]
In the above embodiment, whether the motor 32 is generating power or consuming electric power is determined based on the measured value of the ammeter 54, and the opening / closing of the switch 20 is controlled. However, whether the motor 32 is generating power or consuming electric power may be determined based on other factors. For example, you may perform based on whether the output command value of the motor 32 by the control part 48 is negative. The output command value of the motor 32 is a numerical value that represents the amount of work that the motor 32 should perform per unit time. When the output command value of the motor 32 by the control unit 48 is negative, it can be determined that the motor 32 is generating power. The output command value of the motor 32 is determined by the control unit 48 based on inputs from an accelerator (not shown) of the electric vehicle 10, a brake 56, and the like.
[0062]
Further, it may be determined whether the motor 32 is generating electric power based on ON / OFF of the brake 56. When the brake 56 is ON, it is determined that the motor 32 is generating power. That is, the motor 32 is generating power or consuming electric power based on either a measured value representing the operating state of the drive inverter 30 of the motor 32 or an input value that determines the operating state of the drive inverter 30. Can be determined.
[0063]
In the first embodiment, the power unit of the electric vehicle 10 includes the secondary battery 26. However, the power device of the electric vehicle may be configured not to include the secondary battery 26.
[0064]
Further, in the above embodiment, the capacitor connected to the circuit in parallel with the fuel cell is a capacitor. However, it is also possible to adopt a mode in which other types of capacitors are connected to the circuit in parallel with the fuel cell. As the battery, various secondary batteries such as a lead storage battery, a nickel-cadmium storage battery, a nickel-hydrogen storage battery, and a lithium secondary battery can be used.
[0065]
In the above embodiment, the voltage V of the capacitor 24 _C And the current I of the circuit 50 _m The opening / closing of the switch 20 is determined based on the value of. However, it is also possible to adopt a mode in which opening / closing of the switch 20 is determined in consideration of other factors. In such a case, for example, in the steady operation mode, the voltage V of the capacitor 24 _C Is the reference voltage value V ₂ Or current I _m Even if the value of is negative, the switch 20 may not be opened.
[0066]
That is, the power unit including the capacitor and the fuel cell only needs to have a mode for opening the switch when the switch connecting the fuel cell and the circuit is closed and the electric motor generates power. And what is necessary is just to have a mode which makes a switch a closed state or an open state according to the voltage of a capacitor | condenser, when the electric motor is consuming electric power.
[0067]
Further, in the first embodiment, the switch 20 for turning on and off the connection of the fuel cell 60 to the wiring 50 is provided for each of the two terminals of the fuel cell 60. However, a switch may be provided for only one of them. good. It is only necessary that the output from the fuel cell 60 can be stopped in the intermittent operation mode.
[0068]
Further, in the above embodiment, in the intermittent operation mode, when the capacitor voltage is equal to or higher than the predetermined value, the operation of the high-voltage auxiliary machine 40 is stopped. That is, the operation of the high-voltage auxiliary machine 40 is stopped and restarted at the same reference voltage. However, the reference voltage that is a criterion for determining whether to stop the high-voltage auxiliary machine and the reference voltage that is a criterion for determining whether to restart the operation of the high-voltage auxiliary machine can be set to different values. For example, it is preferable that the reference voltage for stopping the high-voltage auxiliary machine is higher than the reference voltage for restarting the operation of the high-voltage auxiliary machine. With such an aspect, it is possible to stably stop and restart the operation of the high-pressure auxiliary machine 40.
[0069]
In the embodiment described above, the fuel cell system 22 uses hydrogen gas as the fuel gas. On the other hand, the structure which uses reformed gas as fuel gas is also possible. In such a case, in the fuel cell system 22 shown in FIG. 2, the fuel gas supply unit 61 may be provided with a device for generating reformed gas instead of a device for storing hydrogen. Specifically, a tank for storing reformed fuel and water used for the reforming reaction, a reformer equipped with a reforming catalyst, and a reaction for reducing the carbon monoxide concentration in the reformed gas are promoted. What is necessary is just to provide the reaction part provided with a catalyst.
[0070]
In the configuration using the reformed gas as the fuel gas, when the switch 20 is in the closed state and the motor 32 generates electric power, the switch 20 is opened and the fuel cell is set in the standby state. It is preferable (see step S130 in FIG. 5). With such a configuration, it is possible to reduce fuel gas that is discharged without being used for power generation of the fuel cell when the motor 32 generates power.
[Brief description of the drawings]
1 is a block diagram showing an outline of the configuration of an electric vehicle 10;
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of a fuel cell system 22;
3 is an explanatory diagram showing a relationship between an output current and output voltage or output power in the fuel cell 60. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the relationship between the magnitude of the output of the fuel cell 60 and the energy efficiency.
FIG. 5 is a flowchart showing an operation mode switching routine.
FIG. 6 is a flowchart showing an operation mode switching routine.
7 is an explanatory diagram showing an output voltage of a fuel cell 60 and a voltage of a capacitor 24 when a steady operation mode and an intermittent operation mode are alternately switched. FIG.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure for switching operation modes of electric vehicle 10 in a comparative example.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an output voltage of a fuel cell 60 and a voltage of a capacitor 24 in a comparative example.
[Explanation of symbols]
10 ... Electric car
15 ... Power supply
17 ... Power unit
20 ... Switch
22 ... Fuel cell system
24 ... Capacitor
27 ... Remaining capacity monitor
28 ... DC / DC converter
30 ... Drive inverter
32 ... Motor
32 ... Drive motor
34 ... Reduction gear
36 ... Output shaft
38 ... Vehicle drive shaft
40 ... High pressure auxiliary machine
42 ... Diode
48 ... Control unit
50 ... Wiring (circuit)
52 ... Voltmeter
54 ... Ammeter
56 ... Brake
60 ... Fuel cell
61 ... Fuel gas supply section
61b ... Valve
62 ... Hydrogen gas supply path
63 ... Hydrogen gas discharge passage
64 ... Blower
65. Oxidizing gas supply path
66 ... Cathode exhaust path
67 ... Hydrogen circulation pump
I _FC ... Output current
I _m ... Current flowing in drive inverter 30
OCV: Open voltage of the fuel cell
P _FC ... power supplied by fuel cells
Prc: section where the fuel cell is connected to the wiring in the comparative example
V _C ... Capacitor voltage
V _FC ... Output voltage
V _g ... Output voltage
Vmax: Maximum voltage value that can be supplied by the drive inverter 30
p1 to p3, p5, p6 ... operating state of the fuel cell

Claims

A power unit for supplying rotational output,
An electric motor that can also function as a generator;
A fuel cell and a capacitor connected in parallel to the wiring for supplying electric power to the electric motor and transmitting electric power supplied from the electric motor,
A switch for turning on and off the connection between the fuel cell and the wiring;
A controller for controlling the electric motor, the fuel cell, and the switch,
The said control part is a motive power apparatus which has a mode which outputs the instruction | indication which makes the said switch open state, when the said switch is a closed state and the said electric motor produces electric power.

The power plant according to claim 1,
The controller is
The operating state of the fuel cell includes a steady state and a standby state in which the power consumption per unit time of the auxiliary unit of the fuel cell is equal to or lower than the lowest power consumption per unit time in the steady state. ,
In the mode of outputting the instruction to open the switch when the switch is in a closed state and the motor is generating power, when the switch is in the closed state and the motor is generating power, Furthermore, it outputs an instruction to the fuel cell and the standby state, the power unit.

The power plant according to claim 1, further comprising:
A voltmeter for detecting the voltage of the capacitor;
The control unit further includes:
A power plant having a mode for outputting an instruction to close or open the switch according to a voltage of the battery when the electric motor is consuming electric power.

The power plant according to claim 1, further comprising:
A voltmeter for detecting the voltage of the capacitor;
The control unit further includes:
When the switch is in an open state, the motor is consuming electric power, and when the voltage of the battery is lower than a first reference voltage, an instruction to close the switch is output, and the fuel A mode for outputting instructions for steady operation of the battery;
The switch is open when the switch is closed, the motor is consuming power, and the voltage of the capacitor is higher than a second reference voltage higher than the first reference voltage. And a mode for outputting an instruction to place the fuel cell in a standby state.

A method of operating a power plant that supplies rotational output,
(A) A motive power comprising an electric motor that can also function as a generator, and a fuel cell and a capacitor connected in parallel to a wiring that supplies electric power to the electric motor and transmits electric power supplied from the electric motor. Preparing the device;
(B) a method of operating a power plant comprising: a step of opening a connection of the fuel cell to the wiring when the fuel cell is connected to the wiring and the electric motor generates power. .

A method of operating a power plant according to claim 5,
The fuel cell has, as operating states, a steady state and a standby state in which the power consumption per unit time of the fuel cell auxiliary machine is equal to or lower than the lowest power consumption per unit time in the steady state. And
The step (b) includes a step of bringing the fuel cell into the standby state.

A method for operating a power plant according to claim 5, further comprising:
(C) A method of operating a power plant, comprising a step of connecting the fuel cell to the wiring or releasing the connection according to a voltage of the battery when the electric motor is consuming electric power.

A method for operating a power plant according to claim 5, further comprising:
(C) When the connection of the fuel cell to the wiring is open, the electric motor is consuming electric power, and the voltage of the capacitor is lower than a first reference voltage, Reconnecting the fuel cell to the wiring and operating the fuel cell in a steady state;
(D) a second reference voltage in which the fuel cell is connected to the wiring, the electric motor consumes power, and the voltage of the capacitor is higher than the first reference voltage. Opening the connection of the fuel cell to the wiring and placing the fuel cell in a standby state when the power is higher.