JP4147757B2

JP4147757B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4147757B2
Application number: JP2001263950A
Authority: JP
Inventors: 浩杉浦; 隆史太田; 哲浩石川; 康則中脇
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: JP2003077514A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池と、この燃料電池から電力の供給を受けるモータとを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の駆動エネルギを供給するために、燃料電池と２次電池とを搭載する車両が知られている（例えば、特開平１１−１６４４０２号公報）。燃料電池を稼働させるためには、燃料電池にガスを供給するためのポンプなどの燃料電池補機およびこの燃料電池補機を駆動するためのモータを、燃料電池と同時に稼働させる必要がある。また、車両停止時において、車両補機を稼働させるための電力を必要とするときには、燃料電池の稼働が必要な場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池補機を駆動するために専用のモータを用いる場合には、燃料電池補機に対して充分な動力を供給するためにはモータが大型化し、コストも増大するという問題があった。特に燃料電池を車載する場合には、スペース上の大きな制約があり、燃料電池補機用のモータの小型化、燃料電池用補機の駆動系の簡略化が望まれていた。また、燃料電池を用いる際に、車両停止時における効率の低下を防止することも望まれている。
【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、燃料電池用補機の駆動系を小型化する技術を提供すると共に、車両停止時の燃費を向上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、ガスの供給を受けて電気化学反応により発電を行なう燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池から電力の供給を受けて駆動され、少なくとも所定の主負荷に対して第１の出力軸から動力を出力する第１のモータと、
前記燃料電池を稼働させるために用いられる燃料電池補機と、
前記燃料電池から電力の供給を受けて、前記燃料電池補機を駆動するための動力を出力する第２のモータと、
前記燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部を、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達するエネルギ分配機構と、
前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を停止させる第１の停止モードを有することを要旨とする。
【０００６】
このような構成によれば、燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部が、前記第１の出力軸を介して前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達されるので、燃料電池補機を駆動するために第２のモータが出力する動力をより小さくすることができる。したがって、第２のモータをより小型化し、燃料電池用補機の駆動系をより小型化することができる。
【０００７】
さらに、本発明では、主負荷への動力供給が要求されていないときには、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働を停止させるという特徴を有している。燃料電池を運転するときには、燃料電池補機を駆動するために要するエネルギの一部が、前記第１のモータから前記燃料電池補機に伝達されるため、主負荷が動力を要求しないときに、第１のモータを停止させない場合には、第１のモータがエネルギを消費することになる。本発明は、上記各部の稼働を停止させることで、主負荷が動力を要求しないときに第１のモータがエネルギを消費することがなくなり、システム全体のエネルギ効率が低下するのを抑えることができる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の稼働状態の停止は、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一方の供給を止めることによって行なうこととしても良い。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、
前記エネルギ分配機構は、サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤとを備えるプラネタリギヤであり、
前記第１のモータが有する前記第１の出力軸と、前記第２のモータが動力を出力する第２の出力軸と、前記燃料電池補機を駆動するための動力が前記燃料電池補機に伝えられる駆動軸とが、前記サンギヤとプラネタリキャリアとリングギヤの回転軸のうちのいずれか一つとそれぞれ接続されていることとしても良い。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池補機は、前記燃料電池に対して前記電気化学反応に供するガスを供給するポンプであることとしても良い。
【００１１】
ガスを供給するポンプを駆動するための第２のモータは、一般的に、主負荷に対して動力を出力するための第１のモータに比べて小さい。したがって、ポンプを駆動するために要するエネルギの一部を第１のモータから得て、第２のモータを小さくすることによる効果を、より顕著に得ることができる。また、電気化学反応に供するガスを供給するポンプの動作は、燃料電池における発電とほぼ同期させることができるため、上記制御を容易に行なうことができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池によって充電可能であって、前記燃料電池と共に所定の副負荷に対して電力を供給可能である２次電池をさらに備え、
前記燃料電池の稼働状態を停止させたときには、前記２次電池によって前記副負荷に対して電力を供給することとしても良い。
【００１３】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、さらに、前記主負荷への動力供給が要求されていないときに、前記２次電池の残存容量が所定の値以下である場合には、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとを稼働させて、前記燃料電池を用いて前記２次電池の充電を行なう第２の停止モードを有することとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、２次電池の残存容量を適正な範囲に維持することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、電気自動車に搭載されており、
前記主負荷は、前記電気自動車の駆動軸の負荷であって、
前記副負荷は、前記電気自動車が搭載する電気機器による負荷であることとしても良い。
【００１６】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記主負荷への動力供給が要求されていないときとは、前記電気自動車において、シフトポジションが、非走行レンジとなっているときであることとしても良い。
【００１７】
このような本発明の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記シフトポジションがＮポジションのときには、前記２次電池の残存容量に関わらず、前記燃料電池と前記第１のモータと前記第２のモータとの稼働状態を停止させ、
前記シフトポジションがＰポジションであって、前記２次電池の残存容量が所定の値以下であるときには、前記燃料電池を用いて前記２次電池の充電を行なうこととしても良い。
【００１８】
このような構成とすれば、第１のモータと電気自動車の駆動軸とが接続されていないときには、上記各部の稼働状態は停止される。また、第１のモータと電気自動車の駆動軸とが接続されているときには、２次電池の残存容量が不足する場合には２次電池の充電が行なわれて、２次電池の残存容量を適正な範囲に回復可能となる。
【００１９】
本発明は、例えば、燃料電池システムにおける運転制御方法や、燃料電池システムを搭載する電気自動車等、種々の形態で実現することが可能である。
【００２０】
【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．プラネタリギヤの働き：
Ｃ．走行レンジにおける制御：
Ｄ．非走行レンジにおける制御：
Ｅ．変形例：
【００２１】
Ａ．装置の構成：
図１は、本実施例の電気自動車１０の構成を表わす説明図である。電気自動車１０は、電源として燃料電池部１５と２次電池４０とを備えている。
【００２２】
図２は、燃料電池部１５の構成を示す説明図である。燃料電池部１５は、改質燃料を貯蔵する燃料タンク６２と、水を貯蔵する水タンク６３と、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・混合部６４と、改質反応を促進する改質触媒を備える改質器６５と、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するＣＯ低減部６６と、燃料電池２０と、エアコンプレッサ４２とを備えている。
【００２３】
燃料タンク６２が貯蔵する改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。蒸発・混合部６４は、燃料タンク６２から供給される改質燃料および水タンク６３から供給される水を気化・昇温させると共に両者を混合するためのものである。
【００２４】
蒸発・混合部６４から排出された改質燃料と水との混合ガスは、改質器６５において改質反応に供されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここで、改質器６５には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、改質器６５の内部温度が制御される。また、改質器６５で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器６５内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。
【００２５】
改質器６５で生成された改質ガスは、ＣＯ低減部６６において一酸化炭素濃度が低減されて、燃料電池２０のアノード側に対して燃料ガスとして供給される。ＣＯ低減部６６は、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素とを生じるシフト反応を促進する触媒を備え、シフト反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減するシフト部とすることができる。あるいは、水素に優先して一酸化炭素を酸化する選択酸化反応を促進する触媒を備え、一酸化炭素選択酸化反応によって水素リッチガス中の一酸化炭素濃度を低減する一酸化炭素選択酸化部とすることができる。また、これらの両方を備えることとしても良い。
【００２６】
燃料電池２０のカソード側に対しては、エアコンプレッサ４２から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。これら燃料ガスおよび酸化ガスを利用して、燃料電池２０では電気化学反応によって起電力が生じる。
【００２７】
燃料電池２０は、本実施例では、固体高分子型燃料電池を用いており、単セルを複数積層したスタック構造を有している。なお、図１には、図示の便宜上、エアコンプレッサ４２が燃料電池部１５の外に描かれている。燃料電池部１５の各部の駆動状態は、制御ユニット２５（図１）によって制御される。
【００２８】
２次電池４０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。なお、２次電池４０には、２次電池４０の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ４１が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ４１は、２次電池４０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。残存容量モニタ４１は、制御ユニット２５に接続されており、制御ユニット２５は、上記ＳＯＣメータから得られた値に基づいて、２次電池４０の残存容量を算出する。ここで残存容量モニタ４１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４０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ため、この性質を利用して電圧を測定することによって２次電池４０の残存容量を検出することができる。このような場合には、電圧値と残存容量との関係を予め制御ユニット２５に記憶しておくこととすれば、電圧センサから入力される測定値を基に制御ユニット２５は２次電池４０の残存容量を求めることができる。あるいは、残存容量モニタ４１は、２次電池４０の電解液の比重を測定して残存容量を検出する構成としてもよい。
【００２９】
燃料電池２０および２次電池４０の負荷としては、車両の駆動力を発生する駆動モータ３２と、燃料電池２０に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ４２を駆動するための補機モータ３８と、車両に搭載されて車両の駆動状態とは独立して動作する電気機器である車両補機７０（エアコンやカーオーディオ等）とが存在する。
【００３０】
駆動モータ３２と補機モータ３８と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それぞれ備えている。これら駆動モータ３２および補機モータ３８は、それぞれ、駆動モータインバータ３０あるいは補機モータインバータ３６を介して燃料電池２０および／または２次電池４０から電力の供給を受ける。駆動モータインバータ３０および補機モータインバータ３６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って、制御ユニット２５に接続されている。
【００３１】
駆動モータ３２の出力軸は、減速ギヤ４６を介して車両駆動軸４７に接続している。減速ギヤ４６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４７に伝える。車両駆動軸４７は、左右の車輪の回転数の差を吸収するための差動ギヤ４８を介して、各車輪に接続されている。
【００３２】
電気自動車１０には、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３４が設けられている。このＤＣ／ＤＣコンバータ３４は、燃料電池２０からの出力電圧を調節するためのものである。制御ユニット２５は、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。制御ユニット２５は、また、車両補機７０が要求する電力や、２次電池４０の残存容量にさらに基づいて、燃料電池２０が出力すべき電力を算出する。図３に、燃料電池２０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。図３に示すように、燃料電池２０から出力すべき電力Ｐ₁が定まれば、そのときの燃料電池２０の出力電流の大きさＣ₁が定まる。燃料電池２０の出力特性より、出力電流Ｃ₁が定まれば、そのときの燃料電池２０の出力電圧Ｖ₁が定まる。後述する制御ユニット２５からＤＣ／ＤＣコンバータ３４に対して、このようにして求めた出力電圧Ｖ₁を目標電圧として指令することによって、燃料電池２０の発電量を所望量とすることができる。
【００３３】
制御ユニット２５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、各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵでの演算結果に応じて信号を出力する入出力ポート等を備える。
【００３４】
なお、駆動モータ３２と、補機モータ３８と、エアコンプレッサ４２とは、プラネタリギヤ５０を介して機械的に結合されている。プラネタリギヤ５０は、遊星歯車とも呼ばれ、以下に示すそれぞれのギヤに結合された３つの回転軸を有している。プラネタリギヤ５０を構成するギヤは、中心で回転するサンギヤ５２、サンギヤ５２の外周で自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ５４、さらにその外周で回転するリングギヤ５６である。プラネタリピニオンギヤ５４は、プラネタリキャリア５５に軸支されている。図１の電気自動車１０では、車両の駆動力を出力する駆動モータ３２の出力軸は、プラネタリキャリア５５の回転軸と結合して、プラネタリキャリア軸５８を形成している。また、補機モータ３８の出力軸は、サンギヤ５２の回転軸に結合してサンギヤ軸５７を形成し、エアコンプレッサ４２の駆動軸は、リングギヤ５６の回転軸に結合してリングギヤ軸５９を形成する。
【００３５】
Ｂ．プラネタリギヤの働き：
プラネタリギヤ５０は、３つの回転軸のうち、２つの回転軸の回転数および一つの回転軸のトルク（以下、所定の回転軸における回転数とトルクとを合わせて回転状態と呼ぶ）が決定されると、すべての回転軸の回転状態が決まるという性質を有している。
【００３６】
本実施例では、燃料電池２０に対する要求発電量に従ってリングギヤ軸５９の目標トルクＴr＊が定まることにより、プラネタリキャリア軸５８の目標トルクＴc＊およびサンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊が求められる。プラネタリギヤ５０は、サンギヤ軸５７に作用するトルクをＴs 、プラネタリキャリア軸５８に作用するトルクをＴc 、リングギヤ軸５９に作用するトルクをＴr とすると、以下の式（１）、（２）に示す関係が成り立つという性質を有している。
【００３７】
Ｔs ＝−ρ／（１＋ρ）×Ｔc …（１）
Ｔr ＝−１／（１＋ρ）×Ｔc …（２）
なお、ここで、ρ＝（サンギヤ５２の歯数）／（リングギヤ５６の歯数）を表わす。
【００３８】
電気自動車１０において、燃料電池２０に対する要求発電量が定まると、発電に必要な量の空気を供給するために、エアコンプレッサ４２、すなわちリングギヤ軸５９の目標回転状態（目標トルクＴr＊および目標回転数Ｎr＊）が定まる。リングギヤ軸５９の目標回転状態が定まると、上記リングギヤ軸５９の目標トルクＴr＊を（２）式に代入することで、以下の（３）式のように、プラネタリキャリア軸５８の目標トルクＴc＊が求められる。
Ｔc＊＝−（１＋ρ）×Ｔr＊ …（３）
【００３９】
さらに、この結果を（１）式に代入することで、以下の（４）式のように、サンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊が求められる。なお、サンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊によって、補機モータ３８の目標トルクが定まる。
Ｔs＊＝ρＴr＊ …（４）
【００４０】
リングギヤ軸５９の目標回転数Ｎr＊は、上記のように燃料電池２０に対する要求発電量に基づいて定まる。また、プラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc は、電気自動車の車速に基づいて定まる。すなわち、電気自動車の車速に対応した車両駆動軸４７の回転数に応じて、駆動モータ３２の回転数が定まるため、駆動モータ３２と接続するプラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc は、車速に応じて定まる。これらリングギヤ軸５９の目標回転数Ｎr＊と、プラネタリキャリア軸５８の回転数Ｎc とに基づいて、補機モータ３８に接続するサンギヤ軸５７の目標トルクＴs＊を求める式を、以下に（５）式として示す。
【００４１】
Ｎs＊＝（１＋ρ）／ρ×Ｎc −１／ρ×Ｎr …（５）
【００４２】
Ｃ．走行レンジにおける制御：
本実施例の電気自動車においては、図１に示すように、シフトレバー７２で選択可能なシフトポジションとして、パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブポジション（Ｄ）、４ポジション（４）、３ポジション（３）、２ポジション（２）およびローポジション（Ｌ）が設けられている。ＰポジションとＮポジションは、非走行レンジであって、それ以外は走行レンジである。
【００４３】
シフトポジションとして走行レンジが選択されているときには、制御ユニット２５は、図示しない車速センサが検出する車速と、アクセルポジションセンサ７４が検出するアクセル開度（アクセルペダルの踏み込み量）とに基づいて、車両の要求動力を算出する。さらに、そのときの車両補機７０の消費電力量や、２次電池４０のＳＯＣに基づいて、燃料電池２０に対する要求電力が定められる。燃料電池２０に対する要求電力が定まると、これに応じてエアコンプレッサ４２の運転状態、すなわちリングギヤ軸５９の目標回転状態が定まる。また、車速に基づいて、プラネタリキャリア軸５８の回転数が定まる。したがって、上述したように、プラネタリギヤ５０に接続する各ギヤ軸の目標回転状態が定まる。
【００４４】
補機モータ３８の目標回転状態は、既述したようにして求めたサンギヤ軸５７の目標回転状態に基づいて定まる。駆動モータ３２の回転数は、車軸４７の回転数に基づいて定まる。また、駆動モータ３２は、プラネタリキャリア軸５８に出力すべき動力（プラネタリキャリア軸５８の目標回転状態に基づいて定まる）と、車両駆動軸４７に出力すべき車両の要求動力との両方を合わせた合計動力を出力できるように駆動される。したがって、駆動モータ３２の目標回転状態は、上記合計動力と車速とに基づいて定められる。
【００４５】
燃料電池２０が要求電力を発電するよう燃料電池部１５の各部を稼働させると共に、各モータの回転状態が上記目標回転状態となるように駆動モータインバータ３０および補機モータインバータ３６に対して駆動信号を出力する。これによって、燃料電池２０から上記要求電力を得ることができると共に、所望の走行状態を実現できる。
【００４６】
Ｄ．非走行レンジにおける制御：
図４は、本実施例の電気自動車１０の制御ユニット２５で実行されるシフトポジション判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、通常のガソリン自動車のイグニションスイッチに対応する所定のスタートスイッチがオンとなったときに、所定の時間ごとに実行される。
【００４７】
非走行レンジ処理ルーチンが開始されると、制御ユニット２５はまず、シフトポジションセンサより信号を読み込んで（ステップＳ１００）、シフトポジションを判断する（ステップＳ１１０）。シフトポジションがＮポジションのときには、燃料電池２０の運転を停止させると共に、駆動モータインバータ３０をシャットダウンして（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。
【００４８】
ここで、燃料電池２０の運転の停止とは、燃料電池２０へのガスの供給を停止することによって行なわれる。具体的には、ステップＳ１５０において、補機モータインバータ３６をシャットダウンしてエアコンプレッサ４２を停止させることによって、酸化ガスの供給を停止して、燃料電池２０の運転を停止させる。なお、このように燃料電池２０の運転を停止させたときには、車両補機７０に対しては、２次電池４０から電力が供給される。
【００４９】
ステップＳ１１０においてシフトポジションがＰポジションであると判断されたときには、制御ユニット２５は、残存容量モニタ４１から２次電池４０の残存容量（ＳＯＣ）を入力する（ステップＳ１２０）。入力した２次電池４０のＳＯＣを、予め設定した所定の値Ｓ₀と比較して（ステップＳ１３０）、所定の値Ｓ₀よりも小さいと判断されるときには、２次電池４０を充電するために、燃料電池２０の発電を続けて駆動モータインバータ３０を作動させる（ステップＳ１４０）。
【００５０】
その後再びステップＳ１２０に戻り、２次電池４０のＳＯＣが上記所定の値Ｓ₀以上となるまで上記動作を繰り返して、２次電池４０を充電する。
【００５１】
ステップＳ１３０において、２次電池４０のＳＯＣが上記所定の値Ｓ₀以上であると判断されると、ステップＳ１５０に移行して本ルーチンを終了する。ステップＳ１５０では、既述したように、燃料電池２０の運転を停止すると共に、駆動モータインバータ３０をシャットダウンする。
【００５２】
ステップＳ１１０において、シフトポジションが走行レンジにあると判断されたときには、通常走行処理ルーチンに移行して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。通常走行処理ルーチンでは、燃料電池２０が稼働されると共に、プラネタリギヤ５０の性質に従って、既述した各部の稼働状態が制御されて、所望の走行状態が実現される。
【００５３】
以上のように構成した本実施例の電気自動車１０によれば、エアコンプレッサ４２を駆動するために要する動力を、すべて補機モータ３８によって出力するのではなく、その一部を、駆動モータ３２によって出力している。したがって、補機であるエアコンプレッサ４２を駆動するために設ける補機モータ３８を、エアコンプレッサ４２が要求する動力を単独で供給する場合に比べて、より小型化することが可能となる。
【００５４】
ただし、車両駆動用の駆動モータ３２は、補機モータ３８を補うためのトルクを出力させるために、やや大型化する必要がある。しかしながら、駆動モータ３２は、本来、車両を駆動するために充分な大きさのトルクを出力可能な大きさを有している。このように元々大きなモータにおいて、さらに補機動力を補うトルクを出させるとしても、その大型化の程度は充分に許容できる程度である。これに対して、駆動軸よりもはるかに要求動力が小さい補機を駆動するための補機モータ３８では、動力が補われることによって小型化できる効果は非常に大きいものとなる。補機モータ３８を小型化できることは、燃料電池システムを車載する場合のように、搭載可能なスペースに制約がある場合には特に有利である。小型化によって、軽量化も同時に図ることができ、また、製造コストの引き下げも可能となる。
【００５５】
また、本実施例の電気自動車１０は、車両のシフトポジションが非走行レンジにあるときには、燃料電池２０の運転を停止するとともに、駆動モータインバータ３０をシャットダウンする。したがって、車両が走行しないときに、駆動モータ３２がトルクを出力する必要が無く、エネルギ効率の低下を抑えることができる。車両が停止しており車両補機７０が動力を要求しているときに、燃料電池２０から車両補機７０に電力を供給する場合には、駆動モータ３２に接続するプラネタリキャリア軸５８は、回転はしないが、所定の大きさのトルクを出力する必要がある（（３）式参照）。したがって、このような場合には、駆動モータインバータ３０において電力を消費してしまう。これに対して、本実施例のように、停車時には燃料電池２０の運転を停止して駆動モータインバータ３０をシャットダウンすれば、停車時に、駆動モータインバータ３０を介して駆動モータ３２で電力を消費してしまうことがなく、システム全体のエネルギ効率の低下を抑えることができる。
【００５６】
本実施例の電気自動車１０では、上記のように停車時（主要な負荷である駆動軸が動力を要求しないとき）に燃料電池２０の運転を停止するときには、車両補機７０に対しては、２次電池４０から電力を供給する。このような制御を行なう際には、２次電池４０の残存容量を検出し、残存容量が、予め定めた所定の値を下回るときには、燃料電池２０による発電を行なわせて２次電池４０を充電する。すなわち、駆動モータ３２，補機モータ３８，エアコンプレッサ４２を駆動して、２次電池４０を充電する。したがって、停車時に燃料電池２０の運転を停止する上記制御を行なう際にも、２次電池４０の残存容量を適正な値に維持することができる。
【００５７】
図５は、燃料電池２０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５（Ａ）は、燃料電池２０の出力と、燃料電池２０の効率および燃料電池補機の動力の関係を示す。図５（Ｂ）は、燃料電池２０の出力と、燃料電池システム全体の効率との関係を示す。図５（Ａ）に示すように、燃料電池２０の出力が大きくなるほど、燃料電池２０の効率は次第に低下する。また、燃料電池２０の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち補機を駆動するために消費するエネルギが大きくなる。図５（Ａ）に示した燃料電池２０の効率と補機動力に基づいて、燃料電池システム全体の効率を求めると、図５（Ｂ）に示すように、システム効率は、燃料電池２０の出力が所定の値のときにピークとなる。
【００５８】
車両補機７０の消費電力の大きさは駆動軸４７に比べてはるかに小さい。したがって、車両が停止しているときに、燃料電池２０によって車両補機７０に電力を供給する場合には、燃料電池２０は、図５（Ｂ）に点αとして示すように、システム効率の低い運転ポイントで発電を行なうことになる。これに対して、燃料電池２０によって、車両補機７０に電力を供給すると共に、２次電池４０の充電も行なう場合には、燃料電池２０は、図５（Ｂ）に示す点βのように、システム効率がより高くなる運転ポイントで発電を行なうことができる。したがって、２次電池４０の残存容量が充分であるときには２次電池から車両補機７０に電力を供給し、２次電池４０の残存容量が少なくなると燃料電池２０によって充電することで、燃料電池２０を用いる際のシステム全体の効率を高く維持することができる。
【００５９】
なお、シフトポジションがＮポジションのときには、駆動軸４７と駆動モータ３２の出力軸とは接続されない状態となり、本実施例では、駆動モータ３２からプラネタリギヤ５０を介してトルクが伝達されることがない。したがって、本実施例では、シフトポジションがＮポジションのときには、２次電池４０の残存容量に関わらず、燃料電池２０の運転を停止している。
【００６０】
Ｅ．変形例：
なお、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】
Ｅ１．変形例１：
上記実施例では、駆動モータ３２はプラネタリキャリア軸５８と、補機モータ３８はサンギヤ軸５７と、エアコンプレッサ４２はリングギヤ軸５９と接続することとしたが、異なる構成としても良い。プラネタリキャリア軸とサンギヤ軸とリングギヤ軸とを、駆動モータ３２と補機モータ３８とエアコンプレッサ４２とのうちのいずれかとそれぞれ接続させることで、同様の効果を奏することができる。図６から図８は、上記実施例の変形例としての電気自動車１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃをそれぞれ表わす。これらの図では、図１に示した電気自動車と共通する部分には同じ参照番号を付しており、詳しい説明は省略する。
【００６２】
図６に示す電気自動車１０Ａでは、駆動モータ３２の出力軸はプラネタリキャリア軸５８と、補機モータ３８の出力軸はリングギヤ軸５９と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はサンギヤ軸５７と、それぞれ接続している。図７に示す電気自動車１０Ｂでは、駆動モータ３２の出力軸はサンギヤ軸５７と、補機モータ３８の出力軸はリングギヤ軸５９と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はプラネタリキャリア軸５８と、それぞれ接続している。図８に示す電気自動車１０Ｃでは、駆動モータ３２の出力軸はリングギヤ軸５９と、補機モータ３８の出力軸はサンギヤ軸５７と、エアコンプレッサ４２の駆動軸はプラネタリキャリア軸５８と、それぞれ接続している。駆動モータ３２、補機モータ３８、およびエアコンプレッサ４２と、対応する各ギヤとの間は、直接接続する他、回転数を調節するための変速ギヤを介在させることとしても良い。
【００６３】
駆動モータ３２、補機モータ３８、およびエアコンプレッサ４２と、プラネタリギヤを構成する各ギヤとの間の接続関係は、各部の具体的な条件を考慮して適宜設定すればよい。例えば、エアコンプレッサ４２が流すべき空気流量に基づくエアコンプレッサ４２の回転数の範囲や、車両の運転状態から考えられるギヤの回転数の範囲や、ギヤの回転数の機械的な限界、種々の運転状態での各モータの回転数などを考慮すればよい。その上で、補機モータ３８を最も小さくできるように接続状態を設定すれば、既述した小型化の効果をより充分に得ることができる。
【００６４】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、プラネタリギヤ５０を介して駆動モータ３２から駆動エネルギの一部を補われる燃料電池補機として、エアコンプレッサ４２を用いたが、異なる燃料電池補機を用いることとしても良い。エアコンプレッサ４２は、燃料電池補機の中でも特に大きく、小型化による効果を顕著に得ることができるが、例えば、水素ポンプや冷却水ポンプを用いることとしても良い。
【００６５】
水素ポンプとは、燃料ガスとして水素ガスを用いる場合に、アノードオフガスとして排出される水素ガスを再び燃料ガスとして用いるために、燃料電池の出口部から入り口部へと水素ガスを循環させるためのポンプである。既述した実施例では、燃料電池２０は、図２に示したように燃料ガスとして改質ガスを用いたが、水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベに貯蔵した水素を、燃料ガスとして用いる場合には、このような水素ポンプを設けて水素の利用率の向上を図る場合がある。
【００６６】
冷却水ポンプとは、燃料電池２０の内部に冷却水を循環させるためのポンプである。燃料電池２０では、発電に伴って熱が生じるため、燃料電池の内部温度を所定の範囲に保つために、このように内部に冷却水を循環させる。
【００６７】
このような水素ポンプあるいは冷却水ポンプを、エアコンプレッサ４２に代えてプラネタリギヤ５０に接続することで、水素ポンプあるいは冷却水ポンプを小型化してエネルギ効率の低下を抑える同様の効果を得ることができる。なお、プラネタリギヤに接続する燃料電池補機として、エアコンプレッサや水素ポンプのように、燃料電池へのガス供給に関わる補機を用いれば、その動作が燃料電池とほぼ同期するため、特に好ましい。また、プラネタリギヤと接続する燃料電池補機は、一つである必要はなく、さらにギヤを介するなどして複数の燃料電池補機を接続し、動作を連動させることとしても良い。
【００６８】
Ｅ３．変形例３：
主要な負荷である駆動軸４７が動力を要求しないときに燃料電池２０の運転を停止する際には、上記実施例では、エアコンプレッサ４２を停止して酸化ガスの供給を停止することとしたが、燃料ガスの供給を停止することとしても良い。燃料ガスとして水素ガスを用いる場合には、水素ガスの供給を止めることによっても燃料電池２０の運転を停止することができ、少なくともいずれか一方のガスの供給を停止すればよい。
【００６９】
Ｅ４．変形例４：
また、既述した実施例では、車両補機７０は、燃料電池２０と２次電池４０との両方から電力を供給可能としたが、燃料電池２０からは電力の供給を受けず、２次電池４０からのみ電力の供給を受けることとしても良い。このような場合にも、燃料電池２０によって２次電池４０を充電することで、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
Ｅ５．変形例５：
また、既述した実施例では、エアコンプレッサ４２で要するエネルギを駆動モータ３２によって補うためにプラネタリギヤ５０を用いたが、異なるエネルギ分配機構を用いることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池部１５の構成を表わす説明図である。
【図３】燃料電池２０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である。
【図４】シフトポジション判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】燃料電池２０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６】電気自動車１０Ａの構成を表わす説明図である。
【図７】電子自動車１０Ｂの構成を表わす説明図である。
【図８】電気自動車１０Ｃの構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…燃料電池システム
１５…燃料電池部
２０…燃料電池
２５…制御ユニット
３０…駆動モータインバータ
３２…駆動モータ
３４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３６…補機モータインバータ
３８…補機モータ
４１…残存容量モニタ
４２…エアコンプレッサ
４６…減速ギヤ
４７…駆動軸
４８…差動ギヤ
５０…プラネタリギヤ
５２…サンギヤ
５４…プラネタリピニオンギヤ
５５…プラネタリキャリア
５６…リングギヤ
５７…サンギヤ軸
５８…プラネタリキャリア軸
５９…リングギヤ軸
６２…燃料タンク
６３…水タンク
６４…混合部
６５…改質器
６６…ＣＯ低減部
７０…車両補機
７４…アクセルポジションセンサ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell and a motor that receives supply of electric power from the fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A vehicle equipped with a fuel cell and a secondary battery in order to supply driving energy for an electric vehicle is known (for example, JP-A-11-164402). In order to operate the fuel cell, it is necessary to operate a fuel cell auxiliary device such as a pump for supplying gas to the fuel cell and a motor for driving the fuel cell auxiliary device simultaneously with the fuel cell. In addition, when the vehicle is stopped, the fuel cell may be required to be operated when electric power for operating the vehicle auxiliary machine is required.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a dedicated motor is used to drive the fuel cell auxiliary machine, there is a problem that the motor becomes larger and costs increase in order to supply sufficient power to the fuel cell auxiliary machine. . In particular, when a fuel cell is mounted on a vehicle, there is a large space limitation, and it has been desired to reduce the size of the motor for the fuel cell auxiliary machine and to simplify the drive system of the fuel cell auxiliary machine. In addition, when using a fuel cell, it is also desired to prevent a decrease in efficiency when the vehicle is stopped.
[0004]
The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and provides a technique for downsizing a drive system of a fuel cell auxiliary machine and an object of improving fuel consumption when the vehicle is stopped. To do.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell system including a fuel cell that receives a gas supply and generates power by an electrochemical reaction,
A first motor driven by receiving power from the fuel cell and outputting power from a first output shaft to at least a predetermined main load;
A fuel cell auxiliary machine used for operating the fuel cell;
A second motor that receives power supplied from the fuel cell and outputs power for driving the fuel cell auxiliary device;
An energy distribution mechanism for transmitting a part of energy required to drive the fuel cell auxiliary device from the first motor to the fuel cell auxiliary device via the first output shaft;
A control unit that controls operating states of the fuel cell, the first motor, and the second motor;
With
The control unit has a first stop mode for stopping operating states of the fuel cell, the first motor, and the second motor when power supply to the main load is not requested. Is the gist.
[0006]
According to such a configuration, a part of the energy required to drive the fuel cell auxiliary machine is transmitted from the first motor to the fuel cell auxiliary machine via the first output shaft. The power output from the second motor for driving the fuel cell auxiliary device can be further reduced. Therefore, the second motor can be further downsized, and the drive system of the fuel cell auxiliary machine can be further downsized.
[0007]
Furthermore, in the present invention, when the power supply to the main load is not required, the operation of the fuel cell, the first motor, and the second motor is stopped. When operating the fuel cell, a part of the energy required to drive the fuel cell auxiliary device is transmitted from the first motor to the fuel cell auxiliary device, so when the main load does not require power, If the first motor is not stopped, the first motor consumes energy. In the present invention, by stopping the operation of each of the above parts, the first motor does not consume energy when the main load does not require power, and the energy efficiency of the entire system can be prevented from being lowered. .
[0008]
In the fuel cell system of the present invention, the operation state of the fuel cell may be stopped by stopping the supply of at least one of the fuel gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell.
[0009]
In the fuel cell system of the present invention,
The energy distribution mechanism is a planetary gear including a sun gear, a planetary carrier, and a ring gear,
The first output shaft of the first motor, the second output shaft from which the second motor outputs power, and the power for driving the fuel cell auxiliary device are supplied to the fuel cell auxiliary device. The transmitted drive shaft may be connected to any one of the sun gear, the planetary carrier, and the rotation shaft of the ring gear.
[0010]
In the fuel cell system of the present invention, the fuel cell auxiliary device may be a pump that supplies a gas for the electrochemical reaction to the fuel cell.
[0011]
The second motor for driving the pump for supplying gas is generally smaller than the first motor for outputting power to the main load. Therefore, a part of the energy required for driving the pump is obtained from the first motor, and the effect of reducing the second motor can be obtained more remarkably. Further, the operation of the pump that supplies the gas used for the electrochemical reaction can be substantially synchronized with the power generation in the fuel cell, so that the above control can be easily performed.
[0012]
In the fuel cell system of the present invention,
A secondary battery that can be charged by the fuel cell and can supply power to a predetermined sub-load together with the fuel cell;
When the operating state of the fuel cell is stopped, power may be supplied to the subload by the secondary battery.
[0013]
In such a fuel cell system of the present invention,
When the remaining capacity of the secondary battery is less than or equal to a predetermined value when power supply to the main load is not requested, the control unit further includes the fuel cell and the first motor. It is good also as having a 2nd stop mode which operates the 2nd motor and charges the secondary battery using the fuel cell.
[0014]
With such a configuration, the remaining capacity of the secondary battery can be maintained in an appropriate range.
[0015]
In the fuel cell system of the present invention,
The fuel cell system is mounted on an electric vehicle,
The main load is a load on the drive shaft of the electric vehicle,
The sub load may be a load caused by an electric device mounted on the electric vehicle.
[0016]
In such a fuel cell system of the present invention,
The time when the power supply to the main load is not required may be a time when the shift position is in a non-traveling range in the electric vehicle.
[0017]
In such a fuel cell system of the present invention,
The controller is
When the shift position is the N position, regardless of the remaining capacity of the secondary battery, the operating state of the fuel cell, the first motor, and the second motor is stopped,
When the shift position is the P position and the remaining capacity of the secondary battery is less than or equal to a predetermined value, the secondary battery may be charged using the fuel cell.
[0018]
With such a configuration, when the first motor and the drive shaft of the electric vehicle are not connected, the operating states of the respective parts are stopped. In addition, when the first motor and the drive shaft of the electric vehicle are connected, if the remaining capacity of the secondary battery is insufficient, the secondary battery is charged and the remaining capacity of the secondary battery is set appropriately. It becomes possible to recover to the range.
[0019]
The present invention can be realized in various forms such as an operation control method in a fuel cell system and an electric vehicle equipped with the fuel cell system.
[0020]
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. Planetary gear functions:
C. Control in the driving range:
D. Control in non-traveling range:
E. Variation:
[0021]
A. Device configuration:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of an electric vehicle 10 according to the present embodiment. The electric vehicle 10 includes a fuel cell unit 15 and a secondary battery 40 as a power source.
[0022]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the fuel cell unit 15. The fuel cell unit 15 promotes a reforming reaction by a fuel tank 62 that stores reformed fuel, a water tank 63 that stores water, an evaporation / mixing unit 64 that raises and mixes reformed fuel and water, and A reformer 65 including a reforming catalyst, a CO reduction unit 66 that reduces the concentration of carbon monoxide in the reformed gas, the fuel cell 20, and an air compressor 42.
[0023]
As the reformed fuel stored in the fuel tank 62, various hydrocarbon fuels capable of generating hydrogen by reforming reaction such as liquid hydrocarbons such as gasoline, alcohols and aldehydes such as methanol, or natural gas are selected. can do. The evaporation / mixing unit 64 is for evaporating and raising the temperature of the reformed fuel supplied from the fuel tank 62 and the water supplied from the water tank 63 and mixing the two.
[0024]
The mixed gas of reformed fuel and water discharged from the evaporation / mixing unit 64 is subjected to a reforming reaction in the reformer 65 to generate a reformed gas (hydrogen-rich gas). Here, the reformer 65 is provided with a reforming catalyst corresponding to the reformed fuel to be used, and the reformer 65 has an internal temperature so as to have a temperature suitable for the reaction for reforming the reformed fuel. The temperature is controlled. The reforming reaction proceeding in the reformer 65 can be selected from various modes such as a steam reforming reaction, a partial oxidation reaction, or a combination of both, and the reforming catalyst can be reformed in this way. What is necessary is just to select the thing according to the reforming reaction advanced in the vessel 65.
[0025]
The reformed gas generated by the reformer 65 is reduced in carbon monoxide concentration in the CO reduction unit 66 and supplied as fuel gas to the anode side of the fuel cell 20. The CO reduction unit 66 includes a catalyst that promotes a shift reaction that generates carbon dioxide and hydrogen from carbon monoxide and water vapor, and can be a shift unit that reduces the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas by the shift reaction. . Alternatively, a carbon monoxide selective oxidation unit that includes a catalyst that promotes a selective oxidation reaction that oxidizes carbon monoxide in preference to hydrogen and that reduces the carbon monoxide concentration in the hydrogen-rich gas by the carbon monoxide selective oxidation reaction. Can do. Moreover, it is good also as providing both of these.
[0026]
Compressed air is supplied as an oxidizing gas from the air compressor 42 to the cathode side of the fuel cell 20. Using these fuel gas and oxidizing gas, an electromotive force is generated in the fuel cell 20 by an electrochemical reaction.
[0027]
In this embodiment, the fuel cell 20 uses a polymer electrolyte fuel cell and has a stack structure in which a plurality of single cells are stacked. In FIG. 1, for convenience of illustration, an air compressor 42 is drawn outside the fuel cell unit 15. The drive state of each part of the fuel cell unit 15 is controlled by the control unit 25 (FIG. 1).
[0028]
As the secondary battery 40, 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 40 is provided with a remaining capacity monitor 41 for detecting the remaining capacity (SOC) of the secondary battery 40. In the present embodiment, the remaining capacity monitor 41 is configured as an SOC meter that integrates the charge / discharge current value and time in the secondary battery 40. The remaining capacity monitor 41 is connected to the control unit 25, and the control unit 25 calculates the remaining capacity of the secondary battery 40 based on the value obtained from the SOC meter. Here, the remaining capacity monitor 41 may be configured by a voltage sensor instead of the SOC meter. Since the voltage value of the secondary battery 40 decreases as its remaining capacity decreases, the remaining capacity of the secondary battery 40 can be detected by measuring the voltage using this property. In such a case, if the relationship between the voltage value and the remaining capacity is stored in advance in the control unit 25, the control unit 25 determines whether or not the secondary battery 40 has the measured value input from the voltage sensor. The remaining capacity can be determined. Alternatively, the remaining capacity monitor 41 may be configured to detect the remaining capacity by measuring the specific gravity of the electrolyte solution of the secondary battery 40.
[0029]
The load of the fuel cell 20 and the secondary battery 40 includes a drive motor 32 that generates a driving force for the vehicle, an auxiliary motor 38 for driving an air compressor 42 that supplies an oxidizing gas to the fuel cell 20, and a vehicle. There is a vehicle auxiliary device 70 (such as an air conditioner or a car audio) that is an electric device that is mounted and operates independently of the driving state of the vehicle.
[0030]
The drive motor 32 and the auxiliary motor 38 are synchronous motors, each having a three-phase coil for forming a rotating magnetic field. The drive motor 32 and the auxiliary motor 38 are supplied with electric power from the fuel cell 20 and / or the secondary battery 40 via the drive motor inverter 30 or the auxiliary motor inverter 36, respectively. The drive motor inverter 30 and the auxiliary motor inverter 36 are transistor inverters each including a transistor as a switching element corresponding to each phase of the motor, and are connected to the control unit 25.
[0031]
The output shaft of the drive motor 32 is connected to the vehicle drive shaft 47 via the reduction gear 46. The reduction gear 46 transmits the power output from the drive motor 32 to the vehicle drive shaft 47 after adjusting the rotational speed. The vehicle drive shaft 47 is connected to each wheel via a differential gear 48 for absorbing the difference in rotation speed between the left and right wheels.
[0032]
The electric vehicle 10 is further provided with a DC / DC converter 34. The DC / DC converter 34 is for adjusting the output voltage from the fuel cell 20. The control unit 25 calculates electric power necessary for realizing a desired traveling state based on the vehicle speed and the accelerator opening degree in the vehicle. The control unit 25 also calculates the power that the fuel cell 20 should output based on the power required by the vehicle auxiliary device 70 and the remaining capacity of the secondary battery 40. FIG. 3 shows the relationship between the output current in the fuel cell 20 and the output voltage or output power. As shown in FIG. 3, the electric power P to be output from the fuel cell 20 ₁ Is determined, the magnitude C of the output current of the fuel cell 20 at that time ₁ Is determined. From the output characteristics of the fuel cell 20, the output current C ₁ Is determined, the output voltage V of the fuel cell 20 at that time ₁ Is determined. The output voltage V obtained in this way from the control unit 25 described later to the DC / DC converter 34. ₁ Is set as the target voltage, so that the power generation amount of the fuel cell 20 can be set to a desired amount.
[0033]
The control unit 25 is configured as a logic circuit centered on a microcomputer, and more specifically, a CPU that executes predetermined calculations in accordance with a preset control program, a control program necessary for executing various arithmetic processes by the CPU, ROM in which control data and the like are stored in advance, RAM in which various data necessary for performing various arithmetic processes by the CPU are temporarily read and written, detection signals from various sensors are input, and arithmetic results in the CPU Input / output ports that output signals according to the conditions.
[0034]
The drive motor 32, the auxiliary motor 38, and the air compressor 42 are mechanically coupled via a planetary gear 50. The planetary gear 50 is also called a planetary gear and has three rotating shafts coupled to the gears shown below. The gears constituting the planetary gear 50 are a sun gear 52 that rotates at the center, a planetary pinion gear 54 that revolves while rotating on the outer periphery of the sun gear 52, and a ring gear 56 that rotates on the outer periphery thereof. The planetary pinion gear 54 is pivotally supported by the planetary carrier 55. In the electric vehicle 10 of FIG. 1, the output shaft of the drive motor 32 that outputs the driving force of the vehicle is coupled to the rotation shaft of the planetary carrier 55 to form a planetary carrier shaft 58. The output shaft of the auxiliary motor 38 is coupled to the rotation shaft of the sun gear 52 to form a sun gear shaft 57, and the drive shaft of the air compressor 42 is coupled to the rotation shaft of the ring gear 56 to form a ring gear shaft 59. .
[0035]
B. Planetary gear functions:
The planetary gear 50 determines the rotation speed of two rotation shafts and the torque of one rotation shaft (hereinafter referred to as a rotation state by combining the rotation speed and torque of a predetermined rotation shaft) among the three rotation shafts. And the rotation state of all the rotation shafts is determined.
[0036]
In the present embodiment, the target torque Tr * of the ring gear shaft 59 is determined according to the required power generation amount for the fuel cell 20, whereby the target torque Tc * of the planetary carrier shaft 58 and the target torque Ts * of the sun gear shaft 57 are obtained. The planetary gear 50 has a relationship expressed by the following equations (1) and (2), where Ts is a torque acting on the sun gear shaft 57, Tc is a torque acting on the planetary carrier shaft 58, and Tr is a torque acting on the ring gear shaft 59. Has the property that holds.
[0037]
Ts = −ρ / (1 + ρ) × Tc (1)
Tr = −1 / (1 + ρ) × Tc (2)
Here, ρ = (number of teeth of sun gear 52) / (number of teeth of ring gear 56).
[0038]
When the required power generation amount for the fuel cell 20 is determined in the electric vehicle 10, the air compressor 42, that is, the target rotation state of the ring gear shaft 59 (the target torque Tr * and the target rotation speed) is supplied in order to supply the amount of air necessary for power generation. Nr *) is determined. When the target rotational state of the ring gear shaft 59 is determined, by substituting the target torque Tr * of the ring gear shaft 59 into the equation (2), the target torque Tc * of the planetary carrier shaft 58 is obtained as in the following equation (3). Is required.
Tc * = − (1 + ρ) × Tr * (3)
[0039]
Further, by substituting this result into the equation (1), the target torque Ts * of the sun gear shaft 57 is obtained as in the following equation (4). The target torque of the auxiliary motor 38 is determined by the target torque Ts * of the sun gear shaft 57.
Ts * = ρTr * (4)
[0040]
The target rotational speed Nr * of the ring gear shaft 59 is determined based on the required power generation amount for the fuel cell 20 as described above. The rotational speed Nc of the planetary carrier shaft 58 is determined based on the vehicle speed of the electric vehicle. That is, since the rotation speed of the drive motor 32 is determined according to the rotation speed of the vehicle drive shaft 47 corresponding to the vehicle speed of the electric vehicle, the rotation speed Nc of the planetary carrier shaft 58 connected to the drive motor 32 is determined according to the vehicle speed. Determined. Based on the target rotational speed Nr * of the ring gear shaft 59 and the rotational speed Nc of the planetary carrier shaft 58, an equation for obtaining the target torque Ts * of the sun gear shaft 57 connected to the auxiliary motor 38 is given by (5) Shown as an expression.
[0041]
Ns * = (1 + ρ) / ρ × Nc −1 / ρ × Nr (5)
[0042]
C. Control in the driving range:
In the electric vehicle of the present embodiment, as shown in FIG. 1, as the shift positions selectable by the shift lever 72, parking (P), reverse (R), neutral (N), drive position (D), 4 positions (4) Three positions (3), two positions (2), and a low position (L) are provided. The P position and the N position are non-traveling ranges, and the rest are traveling ranges.
[0043]
When the travel range is selected as the shift position, the control unit 25 detects the vehicle based on the vehicle speed detected by a vehicle speed sensor (not shown) and the accelerator opening (depressed amount of the accelerator pedal) detected by the accelerator position sensor 74. The required power is calculated. Further, the required power for the fuel cell 20 is determined based on the power consumption of the vehicle auxiliary device 70 at that time and the SOC of the secondary battery 40. When the required power for the fuel cell 20 is determined, the operating state of the air compressor 42, that is, the target rotational state of the ring gear shaft 59 is determined accordingly. Further, the rotational speed of the planetary carrier shaft 58 is determined based on the vehicle speed. Therefore, as described above, the target rotation state of each gear shaft connected to the planetary gear 50 is determined.
[0044]
The target rotational state of the auxiliary motor 38 is determined based on the target rotational state of the sun gear shaft 57 obtained as described above. The rotational speed of the drive motor 32 is determined based on the rotational speed of the axle 47. The drive motor 32 combines both the power to be output to the planetary carrier shaft 58 (determined based on the target rotational state of the planetary carrier shaft 58) and the required power of the vehicle to be output to the vehicle drive shaft 47. Driven to output total power. Therefore, the target rotational state of the drive motor 32 is determined based on the total power and the vehicle speed.
[0045]
The fuel cell 20 operates each part of the fuel cell unit 15 so as to generate the required power, and the drive signal to the drive motor inverter 30 and the auxiliary motor inverter 36 so that the rotation state of each motor becomes the target rotation state. Is output. Thus, the required power can be obtained from the fuel cell 20 and a desired traveling state can be realized.
[0046]
D. Control in non-traveling range:
FIG. 4 is a flowchart showing a shift position determination processing routine executed by the control unit 25 of the electric vehicle 10 of this embodiment. This routine is executed every predetermined time when a predetermined start switch corresponding to an ignition switch of a normal gasoline vehicle is turned on.
[0047]
When the non-traveling range processing routine is started, the control unit 25 first reads a signal from the shift position sensor (step S100) and determines the shift position (step S110). When the shift position is the N position, the operation of the fuel cell 20 is stopped, the drive motor inverter 30 is shut down (step S150), and this routine is terminated.
[0048]
Here, the stop of the operation of the fuel cell 20 is performed by stopping the supply of gas to the fuel cell 20. Specifically, in step S150, the auxiliary motor inverter 36 is shut down to stop the air compressor 42, whereby the supply of oxidizing gas is stopped and the operation of the fuel cell 20 is stopped. When the operation of the fuel cell 20 is stopped in this way, electric power is supplied from the secondary battery 40 to the vehicle auxiliary device 70.
[0049]
When it is determined in step S110 that the shift position is the P position, the control unit 25 inputs the remaining capacity (SOC) of the secondary battery 40 from the remaining capacity monitor 41 (step S120). The SOC of the input secondary battery 40 is set to a predetermined value S set in advance. ₀ (Step S130) and a predetermined value S ₀ When it is determined that the value is smaller than that, the drive motor inverter 30 is operated by continuing the power generation of the fuel cell 20 in order to charge the secondary battery 40 (step S140).
[0050]
Thereafter, the process returns to step S120 again, and the SOC of the secondary battery 40 is the predetermined value S. ₀ The above operation is repeated until the above is reached, and the secondary battery 40 is charged.
[0051]
In step S130, the SOC of the secondary battery 40 is the predetermined value S. ₀ If it is determined that the above is true, the routine proceeds to step S150 and this routine is terminated. In step S150, as described above, the operation of the fuel cell 20 is stopped and the drive motor inverter 30 is shut down.
[0052]
When it is determined in step S110 that the shift position is in the travel range, the routine proceeds to a normal travel processing routine (step S160), and this routine is terminated. In the normal travel processing routine, the fuel cell 20 is operated, and the operation states of the respective parts described above are controlled according to the nature of the planetary gear 50 to realize a desired travel state.
[0053]
According to the electric vehicle 10 of the present embodiment configured as described above, not all the power required for driving the air compressor 42 is output by the auxiliary motor 38, but a part of the power is output by the drive motor 32. Output. Therefore, it is possible to reduce the size of the auxiliary motor 38 provided to drive the air compressor 42, which is an auxiliary machine, as compared with the case where the power required by the air compressor 42 is supplied alone.
[0054]
However, the drive motor 32 for driving the vehicle needs to be slightly enlarged in order to output torque for supplementing the auxiliary motor 38. However, the drive motor 32 originally has a size capable of outputting a torque that is large enough to drive the vehicle. Even if a torque that supplements the motive power of the auxiliary machine is generated in such an originally large motor, the degree of enlargement is sufficiently acceptable. On the other hand, in the auxiliary machine motor 38 for driving an auxiliary machine whose required power is much smaller than that of the drive shaft, the effect of reducing the size by supplementing the power becomes very large. The ability to reduce the size of the auxiliary motor 38 is particularly advantageous when there is a restriction in the space where the fuel cell system can be mounted, such as when the fuel cell system is mounted on the vehicle. By reducing the size, the weight can be reduced at the same time, and the manufacturing cost can be reduced.
[0055]
Moreover, the electric vehicle 10 of the present embodiment stops the operation of the fuel cell 20 and shuts down the drive motor inverter 30 when the shift position of the vehicle is in the non-traveling range. Therefore, when the vehicle does not travel, it is not necessary for the drive motor 32 to output torque, and a decrease in energy efficiency can be suppressed. When power is supplied from the fuel cell 20 to the vehicle auxiliary device 70 when the vehicle is stopped and the vehicle auxiliary device 70 is requesting power, the planetary carrier shaft 58 connected to the drive motor 32 rotates. However, it is necessary to output a predetermined magnitude of torque (see equation (3)). Therefore, in such a case, power is consumed in the drive motor inverter 30. On the other hand, if the operation of the fuel cell 20 is stopped and the drive motor inverter 30 is shut down when the vehicle is stopped as in this embodiment, power is consumed by the drive motor 32 via the drive motor inverter 30 when the vehicle is stopped. It is possible to suppress a decrease in energy efficiency of the entire system.
[0056]
In the electric vehicle 10 of the present embodiment, when the operation of the fuel cell 20 is stopped when the vehicle is stopped as described above (when the drive shaft as a main load does not require power), Electric power is supplied from the secondary battery 40. When performing such control, the remaining capacity of the secondary battery 40 is detected, and when the remaining capacity falls below a predetermined value, the fuel cell 20 generates power and charges the secondary battery 40. To do. That is, the drive motor 32, the auxiliary motor 38, and the air compressor 42 are driven to charge the secondary battery 40. Therefore, the remaining capacity of the secondary battery 40 can be maintained at an appropriate value even when the above control for stopping the operation of the fuel cell 20 is performed when the vehicle is stopped.
[0057]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the magnitude of the output of the fuel cell 20 and the energy efficiency. FIG. 5A shows the relationship between the output of the fuel cell 20, the efficiency of the fuel cell 20, and the power of the fuel cell auxiliary machine. FIG. 5B shows the relationship between the output of the fuel cell 20 and the efficiency of the entire fuel cell system. As shown in FIG. 5A, the efficiency of the fuel cell 20 gradually decreases as the output of the fuel cell 20 increases. Further, as the output of the fuel cell 20 increases, the power of auxiliary machinery, that is, the energy consumed for driving the auxiliary machinery increases. When the efficiency of the entire fuel cell system is obtained based on the efficiency of the fuel cell 20 and the auxiliary power shown in FIG. 5A, the system efficiency is the output of the fuel cell 20 as shown in FIG. A peak occurs when is a predetermined value.
[0058]
The power consumption of the vehicle accessory 70 is much smaller than that of the drive shaft 47. Therefore, when electric power is supplied to the vehicle accessory 70 by the fuel cell 20 when the vehicle is stopped, the fuel cell 20 has a low system efficiency as shown by a point α in FIG. Electricity is generated at the operating point. On the other hand, when the fuel cell 20 supplies electric power to the vehicle accessory 70 and also charges the secondary battery 40, the fuel cell 20 is as shown by a point β shown in FIG. Therefore, power generation can be performed at an operating point where the system efficiency is higher. Therefore, when the remaining capacity of the secondary battery 40 is sufficient, electric power is supplied from the secondary battery to the vehicle auxiliary machine 70, and when the remaining capacity of the secondary battery 40 is reduced, the fuel cell 20 is charged. The efficiency of the entire system when using the can be maintained high.
[0059]
When the shift position is the N position, the drive shaft 47 and the output shaft of the drive motor 32 are not connected, and in this embodiment, torque is not transmitted from the drive motor 32 via the planetary gear 50. Therefore, in this embodiment, when the shift position is the N position, the operation of the fuel cell 20 is stopped regardless of the remaining capacity of the secondary battery 40.
[0060]
E. Variation:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0061]
E1. Modification 1:
In the above embodiment, the drive motor 32 is connected to the planetary carrier shaft 58, the auxiliary motor 38 is connected to the sun gear shaft 57, and the air compressor 42 is connected to the ring gear shaft 59. However, different configurations may be used. By connecting the planetary carrier shaft, the sun gear shaft, and the ring gear shaft to any one of the drive motor 32, the auxiliary motor 38, and the air compressor 42, the same effect can be obtained. 6 to 8 show electric vehicles 10A, 10B, and 10C as modifications of the above-described embodiment. In these drawings, the same reference numerals are assigned to the parts common to the electric vehicle shown in FIG. 1, and detailed description thereof is omitted.
[0062]
In the electric vehicle 10A shown in FIG. 6, the output shaft of the drive motor 32 is connected to the planetary carrier shaft 58, the output shaft of the auxiliary motor 38 is connected to the ring gear shaft 59, and the drive shaft of the air compressor 42 is connected to the sun gear shaft 57. ing. In the electric vehicle 10B shown in FIG. 7, the output shaft of the drive motor 32 is connected to the sun gear shaft 57, the output shaft of the auxiliary motor 38 is connected to the ring gear shaft 59, and the drive shaft of the air compressor 42 is connected to the planetary carrier shaft 58. ing. In the electric vehicle 10C shown in FIG. 8, the output shaft of the drive motor 32 is connected to the ring gear shaft 59, the output shaft of the auxiliary motor 38 is connected to the sun gear shaft 57, and the drive shaft of the air compressor 42 is connected to the planetary carrier shaft 58. ing. The drive motor 32, the auxiliary motor 38, the air compressor 42, and the corresponding gears may be directly connected, and a transmission gear for adjusting the rotational speed may be interposed.
[0063]
The connection relationship among the drive motor 32, the auxiliary motor 38, the air compressor 42, and each gear constituting the planetary gear may be appropriately set in consideration of specific conditions of each part. For example, the range of the rotational speed of the air compressor 42 based on the air flow rate that the air compressor 42 should flow, the range of the rotational speed of the gear considered from the driving state of the vehicle, the mechanical limit of the rotational speed of the gear, various operations The number of rotations of each motor in the state may be taken into consideration. In addition, if the connection state is set so that the auxiliary motor 38 can be minimized, the above-described downsizing effect can be more sufficiently obtained.
[0064]
E2. Modification 2:
In the above-described embodiment, the air compressor 42 is used as a fuel cell auxiliary device that supplements part of the driving energy from the drive motor 32 via the planetary gear 50. However, a different fuel cell auxiliary device may be used. The air compressor 42 is particularly large among fuel cell auxiliary machines, and the effect of downsizing can be remarkably obtained. For example, a hydrogen pump or a cooling water pump may be used.
[0065]
A hydrogen pump is a pump for circulating hydrogen gas from the outlet portion to the inlet portion of the fuel cell in order to use again the hydrogen gas discharged as the anode off-gas as the fuel gas when hydrogen gas is used as the fuel gas. It is. In the embodiment described above, the fuel cell 20 uses the reformed gas as the fuel gas as shown in FIG. 2, but uses hydrogen stored in a hydrogen tank or a hydrogen cylinder having a hydrogen storage alloy as the fuel gas. In some cases, such a hydrogen pump may be provided to improve the utilization rate of hydrogen.
[0066]
The cooling water pump is a pump for circulating cooling water inside the fuel cell 20. In the fuel cell 20, heat is generated along with power generation. Therefore, in order to keep the internal temperature of the fuel cell in a predetermined range, the cooling water is circulated in this way.
[0067]
By connecting such a hydrogen pump or a cooling water pump to the planetary gear 50 instead of the air compressor 42, the same effect can be obtained that the hydrogen pump or the cooling water pump is miniaturized and the reduction in energy efficiency is suppressed. Note that it is particularly preferable to use an auxiliary device related to gas supply to the fuel cell, such as an air compressor or a hydrogen pump, as the fuel cell auxiliary device connected to the planetary gear because the operation is almost synchronized with the fuel cell. The number of fuel cell auxiliary devices connected to the planetary gear need not be one, and a plurality of fuel cell auxiliary devices may be connected via gears or the like to link the operations.
[0068]
E3. Modification 3:
When the operation of the fuel cell 20 is stopped when the drive shaft 47 as the main load does not require power, in the above embodiment, the air compressor 42 is stopped and the supply of the oxidizing gas is stopped. The supply of fuel gas may be stopped. When hydrogen gas is used as the fuel gas, the operation of the fuel cell 20 can be stopped also by stopping the supply of the hydrogen gas, and the supply of at least one of the gases may be stopped.
[0069]
E4. Modification 4:
In the embodiment described above, the vehicle auxiliary machine 70 can supply power from both the fuel cell 20 and the secondary battery 40, but the secondary battery is not supplied with power from the fuel cell 20. It is good also as receiving supply of electric power only from 40. Even in such a case, the same effect can be obtained by charging the secondary battery 40 with the fuel cell 20.
[0070]
E5. Modification 5:
In the above-described embodiment, the planetary gear 50 is used to supplement the energy required by the air compressor 42 by the drive motor 32. However, a different energy distribution mechanism may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an electric vehicle 10;
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration of a fuel cell unit 15;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a relationship between an output current and output voltage or output power in the fuel cell 20;
FIG. 4 is a flowchart showing a shift position determination processing routine.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the magnitude of the output of the fuel cell 20 and the energy efficiency.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a configuration of an electric vehicle 10A.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a configuration of an electronic vehicle 10B.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a configuration of an electric vehicle 10C.
[Explanation of symbols]
10, 10A, 10B, 10C ... Fuel cell system
15 ... Fuel cell section
20 ... Fuel cell
25 ... Control unit
30 ... Drive motor inverter
32 ... Drive motor
34 ... DC / DC converter
36 ... Auxiliary motor inverter
38 ... Auxiliary motor
41 ... Remaining capacity monitor
42 ... Air compressor
46 ... Reduction gear
47 ... Drive shaft
48 ... differential gear
50 ... Planetary gear
52 ... Sungear
54 ... Planetary pinion gear
55 ... Planetary Carrier
56 ... Ring gear
57 ... Sun gear shaft
58 ... Planetary carrier axis
59 ... Ring gear shaft
62 ... Fuel tank
63 ... Water tank
64 ... Mixing section
65 ... reformer
66 ... CO reduction part
70 ... Vehicle auxiliary equipment
74 ... Accelerator position sensor

Claims

A fuel cell system comprising a fuel cell that receives a gas supply and generates power by an electrochemical reaction,
A first motor driven by receiving power from the fuel cell and outputting power from a first output shaft to at least a predetermined main load;
A fuel cell auxiliary machine used for operating the fuel cell;
A second motor that receives power supplied from the fuel cell and outputs power for driving the fuel cell auxiliary device;
As power required to drive the fuel cell auxiliary machine, power output from the first motor via the first output shaft is used together with power output from the second motor. An energy distribution mechanism that transmits to the machine;
A secondary battery capable of supplying power to the first motor;
A fuel cell system comprising:

A fuel cell system comprising a fuel cell that receives a gas supply and generates power by an electrochemical reaction,
A first motor driven by receiving power from the fuel cell and outputting power from a first output shaft to at least a predetermined main load;
A fuel cell auxiliary machine used for operating the fuel cell;
A second motor that receives power supplied from the fuel cell and outputs power for driving the fuel cell auxiliary device;
An energy distribution mechanism for transmitting a part of energy required to drive the fuel cell auxiliary device from the first motor to the fuel cell auxiliary device via the first output shaft;
A control unit that controls operating states of the fuel cell, the first motor, and the second motor;
A secondary battery capable of supplying power to the first motor;
With
According to the magnitude of the predetermined main load, the control unit controls the operating state of the first motor and the second motor, so that the first motor outputs the predetermined main load. And a fuel cell system in which an amount of energy transmitted from the first motor to the fuel cell auxiliary machine is changed by the energy distribution mechanism .

The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
  A control unit for controlling operating states of the fuel cell, the first motor, and the second motor;
The secondary battery can be charged by the fuel cell, and can supply power to the predetermined subload together with the fuel cell,
  The energy distribution mechanism transmits power to the fuel cell auxiliary device to drive the first output shaft, a second output shaft from which the second motor outputs power, and the fuel cell auxiliary device. And connecting the first output shaft, the second output shaft, and the drive shaft while establishing a predetermined relationship between the rotation state of the drive shaft and the drive shaft,
  The control unit stops operating states of the fuel cell, the first motor, and the second motor when power supply to the main load is not requested, and the secondary battery performs the operation. A first stop mode for supplying power to the secondary load;
  Fuel cell system.

The fuel cell system according to claim 3 , wherein
When the remaining capacity of the secondary battery is less than or equal to a predetermined value when power supply to the main load is not requested, the control unit further includes the fuel cell and the first motor. A fuel cell system having a second stop mode in which the second motor is operated to charge the secondary battery using the fuel cell.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 4 ,
The energy distribution mechanism is a planetary gear including a sun gear, a planetary carrier, and a ring gear,
The first output shaft of the first motor, the second output shaft from which the second motor outputs power, and the power for driving the fuel cell auxiliary device are supplied to the fuel cell auxiliary device. A drive shaft to be transmitted is connected to any one of the sun gear, the planetary carrier, and the rotating shaft of the ring gear, respectively.