JP4294884B2 - 燃料電池電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とキャパシタを並列に接続して構成された燃料電池電源装置に関し、特に燃料電池に対する反応ガスの供給量の制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、燃料電池とキャパシタを並列に接続することにより、負荷の要求電流が急激に増加して、燃料電池の応答遅れにより燃料電池の出力電流が不足する状態となった場合に、キャパシタからの放電電流により不足分の電流を補うようにしたハイブリッド型の燃料電池電源装置が知られている(特開平6−275296号等)。
【0003】
かかるハイブリッド型の燃料電池電源装置において、燃料電池に対する反応ガス(燃料となる水素等の還元性ガス及び/又は該還元性ガスと反応させて電子を取出すための空気等の酸化性ガス)の供給量は、負荷の要求電流に基づいて決定される目標供給電流に応じて制御されていた。しかし、本願発明者らは、燃料電池とキャパシタを並列に接続したハイブリッド型の燃料電池電源装置において、このように、燃料電池に対する反応ガスの供給量を負荷の要求電流に基づいて決定された目標決定される目標供給電流に応じて制御したときに、反応ガスの供給系の応答遅れに起因して、反応ガスを供給するコンプレッサが過剰に作動する場合や反応ガスの供給が不足する場合があることを知見した。
【0004】
そして、このようにコンプレッサが過剰に作動すると電力が無駄に消費されるという不都合があり、また、反応ガスの供給が不足すると、燃料電池の電解質膜の劣化等が生じて燃料電池の性能悪化を招くという不都合がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解消し、燃料電池とキャパシタを並列に接続して構成され、該燃料電池の出力電流を制御する際に無駄な電力消費や反応ガスの過不足が生じることを抑制した燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池を負荷と接続して該負荷に電流を供給する際に、該負荷の要求電流に応じて決定された目標供給電流に基づいて、該目標供給電流が該燃料電池から出力されるように、前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を調節して、前記燃料電池の出力電流を制御する燃料電池制御手段と、前記燃料電池により充電され、前記燃料電池制御手段により前記燃料電池の出力電流を制御する際に生じる、前記目標供給電流の増大に対する前記燃料電池の出力電流の応答遅れよりも短い時間で前記目標供給電流が増大して、前記要求電流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状態となるときに、放電が生じて前記要求電流の供給が確保されるように、前記燃料電池と並列に接続されたキャパシタとを備えた燃料電池電源装置の改良に関する。
【0007】
かかる電源装置によれば、前記目標供給電流が増加したときに前記遅れ時間が生じて負荷に対する前記燃料電池の供給電流が不足すると、前記キャパシタから不足分の電流が放電される。そして、この場合に、前記負荷の要求電流に基づいて決定された前記目標供給電流に応じて、前記反応ガス供給手段により反応ガスの供給量を制御すると、前記応答遅れが解消していく過程において、前記反応ガス供給手段が過剰に作動することになって、無駄なエネルギーが消費される。
【0008】
一方、前記目標供給電流が減少したときに前記応答遅れが生じて負荷に対する前記燃料電池の供給電流が過剰となると、前記キャパシタは過剰分の電流により充電される。そして、この場合に、前記負荷の要求電流に基づいて決定された前記目標供給電流に応じて、前記反応ガス供給手段による反応ガスの供給量を制御すると、前記応答遅れが解消していく過程において、前記キャパシタの充電に使用される分だけ、反応ガスの供給が不足する。
【0009】
そこで、本発明は、前記キャパシタの開放電圧又は前記キャパシタの入力若しくは出力電流である充放電電流を、前記キャパシタの充放電状態として把握する充放電状態把握手段と、前記応答遅れが生じる前記目標供給電流の変更があった場合に、該変更が前記目標供給電流を増加させるものであるときに、前記目標供給電流を、前記充放電状態把握手段により把握された充放電状態での前記キャパシタの放電電流の大きさに応じて減少させる第1の補正と、該変更が前記目標供給電流を減少させるものであるときに、前記目標供給電流を、前記充放電状態把握手段により把握された充放電状態での前記キャパシタの充電電流の大きさに応じて増加させる第2の補正とのうちの、少なくともいずれか一方を行なう目標供給電流補正手段とを備えたことを特徴とする。
【0010】
かかる本発明によれば、前記目標供給電流が増加する場合に、前記目標供給電流補正手段により該目標供給電流を減少させる前記第1の補正を行なうことによって、前記反応ガス供給手段が過剰に作動して無駄なエネルギーが消費されることを抑制することができる。また、前記目標供給電流が減少する場合には、前記目標供給電流補正手段により該目標供給電流を増加させる前記第2の補正を行なうことによって、前記キャパシタへの充電電流により、反応ガスの供給が不足することを抑制することができる。
【0011】
また、前記充放電状態把握手段は、前記充放電状態として前記キャパシタの開放電圧を把握し、前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データから把握される所定電圧に応じた前記燃料電池の出力電流に、前記充放電状態把握手段により把握された前記キャパシタの開放電圧に基づく前記キャパシタの電圧−電流特性データから把握された該所定電圧に応じた前記キャパシタの放電電流を加えた電流が、前記目標供給電流と一致するような該所定電圧を求め、前記目標供給電流から該所定電圧に応じた前記キャパシタの放電電流を減じることによって前記第1の補正を行なうことを特徴とする。
【0012】
かかる本発明によれば、前記第1の補正において、前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データと前記キャパシタの電圧−電流特性データとに基づいて、前記キャパシタの放電電流を前記燃料電池の出力電流に加えた電流が前記目標供給電流と一致する前記所定電圧を求める。そして、このように前記燃料電池と前記キャパシタの実際の電圧−電流特性に基づいて求めた前記所定電圧に応じた前記キャパシタの放電電流を前記目標供給電流から減じることにより、前記目標供給電流補正手段は、前記反応ガス供給手段の作動が過剰とならないように、精度良く前記目標供給電流を補正することができる。
【0013】
また、前記充放電状態把握手段は、前記充放電状態として前記キャパシタの開放電圧を把握し、前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データから把握される所定電圧に応じた前記燃料電池の出力電流から、前記充放電状態把握手段により把握された前記キャパシタの開放電圧に基づいて前記キャパシタの電圧−電流特性データから把握される該所定電圧に応じた前記キャパシタへの充電電流を減じた電流が、前記目標供給電流と一致するような該所定電圧を求め、前記目標供給電流に該所定電圧に応じた前記キャパシタの充電電流を加算することによって前記第2の補正を行なうことを特徴とする。
【0014】
かかる本発明によれば、前記第2の補正において、前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データと前記キャパシタの電圧−電流特性データとに基づいて、前記キャパシタへの充電電流を前記燃料電池の出力電流から減じた電流が前記目標供給電流と一致する前記所定電圧を求める。そして、このように前記燃料電池と前記キャパシタの実際の電圧−電流特性に基づいて求めた前記所定電圧に応じた前記キャパシタの充電電流を、前記目標供給電流に加えることにより、前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池に対する反応ガスの供給が不足しないように、精度良く前記目標供給電流を補正することができる。
【0015】
また、前記キャパシタの出力電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、前記キャパシタの内部抵抗の抵抗値データを記憶した記憶手段と、前記キャパシタへの充電電流と前記キャパシタからの放電電流とを検出するキャパシタ電流検出手段とを備え、前記充放電状態把握手段は、前記記憶手段に記憶された前記キャパシタの内部抵抗の抵抗値データと前記キャパシタ電流検出手段による検出された電流とに基づいて該内部抵抗における電圧降下を算出し、前記キャパシタ電圧検出手段による検出電圧と該電圧降下から、前記キャパシタの開放電圧を把握することを特徴とする。
【0016】
かかる本発明によれば、前記充放電状態把握手段は、前記キャパシタ電圧検出段の検出電圧と前記キャパシタ電流検出手段の検出電流に基づいて、前記キャパシタの開放電圧を精度良く把握することができる。そのため、前記目標供給電流補正手段は、前記充放電状態把握手段により把握された前記キャパシタの開放電圧に応じて、より精度良く前記目標供給電流を補正することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について、図1〜図6を参照して説明する。図1は本発明の燃料電池電源装置の構成図、図2は図1に示した燃料電池電源装置の等価回路、図3は燃料電池の電流出力に応答遅れが生じた場合のキャパシタの出力電流の推移を示したグラフ、図4は目標供給電流の補正量の算出方法を示したグラフ、図5は目標供給電流を補正するための制御ブロック図、図6は目標供給電流を補正するためのデータテーブルを示した図である。
【0018】
図1を参照して、本発明の燃料電池電源装置1は、車両に搭載されて該車両の駆動用電源として機能する。燃料電池電源装置1は、水素と空気を反応ガスとした電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池2と、電気二重層キャパシタ3(以下、単にキャパシタ3という)を並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料電池電源装置であり、その出力電力が、マイクロコンピュータ等により構成される電力管理手段4と燃料電池制御手段5により制御される。
【0019】
燃料電池電源装置1の出力電力は、モータ駆動ユニット6、エアコン7、及びDC/DCコンバータ8を介して12V負荷9に供給される。モータ駆動ユニット6は、角度センサ14によりモータ10のロータ(図示しない)の電気角を検知し、該電気角に応じた3相の交流電圧をモータ10の電機子(図示しない)に出力するものであり、電気自動車制御ユニット9から出力されるトルク指令(TRQ_CMD)に応じて、モータ10の電機子に流れる電流を制御する。そして、モータ10の駆動力はトランスミッション11を介して駆動輪12に伝達される。
【0020】
電気自動車制御ユニット9は、アクセルペダル13の踏込み量(Ap)、モータ10の回転数(Nm)、及びモータ10の電機子に印加される電圧(Vpdu)と該電機子に流れる電流(Ipdu)に基づいて、モータ駆動ユニット6で必要となる電力(PCMDMG)を知らせる信号を電力管理手段4に出力する。
【0021】
電力管理手段4には、モータ10以外の電装補機で消費される電力を把握するために、負荷電流センサ15により検出される負荷電流(I_load)の検出信号と、負荷電圧センサ16により検出される負荷電圧(V_load)の検出信号とが入力され、これらの検出信号により、電力管理手段4は、モータ10以外の電装補機で消費される電力を把握する。
【0022】
そして、電力管理手段4は、燃料電池制御手段5から出力される燃料電池2から供給可能な電流の上限値(Ifc_LMT)と、キャパシタ3を構成するキャパシタセル(図示しない)の個々の出力電圧(Vcap_indiv)と温度(Tcap_indiv)等を考慮して、モータ駆動ユニット6で消費される電力とモータ4以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じた目標供給電流(Ifc_REQ)を決定し、該目標供給電流(Ifc_REQ)を指示する信号を燃料電池制御手段5に出力する。また、電気自動車制御ユニット9に対して、供給可能な電力(PLD)を知らせる信号を出力する。
【0023】
なお、燃料電池制御手段5には、空気供給センサ部23から出力される燃料電池2の空気極に供給される空気の圧力(Pair)、量(Qair)、及び温度(Tair)の検出信号と、水素供給センサ部22から出力される燃料電池2の水素極に供給される水素の圧力(PH2)、量(QH2)、及び温度(TH2)の検出信号と、モニタユニット24から出力される燃料電池2のスタック(図示しない)を構成する燃料電池セル(図示しない)の個々の状態の検出信号とが入力され、燃料電池制御手段5は、これらの検出信号から把握される燃料電池2の状態を考慮して燃料電池3から供給可能な電流の上限値(Ifc_LMT)を決定する。
【0024】
また、電気自動車制御ユニット9は、電力管理手段4から知らされた供給可能な電力(PLD)を超えないように、モータ駆動ユニット6に対してトルク指令(TRQ_CMD)を出力し、モータ駆動ユニット6は、モータ10が該トルク指令(TRQ_CMD)に応じたトルクを発生するように、モータ10の電機子電流を制御する。
【0025】
また、燃料電池制御手段5は、電力管理手段4から出力された目標供給電流(Ifc_REQ)が燃料電池2から出力されるように、燃料電池2の空気極に空気を供給するエアコンプレッサ17のコンプレッサモータ(図示しない)の回転数を制御するエアコンプレッサ制御器18に対して、該コンプレッサモータの回転数指令値(SCN_CMD)を出力する。
【0026】
これにより、エアコンプレッサ制御器18によってエアコンプレッサモータの回転数が回転数指令値(SCN_CMD)に制御され、目標供給電流(Ifc_REQ)に応じた流量の空気が燃料電池2の空気極に供給される。そしてこのとき、エアコンプレッサ17からの空気の供給圧力に応じてその開度が変化する比例圧力レギュレータ19により、高圧水素タンク20から燃料電池2の水素極に供給される水素の圧力が調節され、燃料電池2に対する空気の供給量と水素の供給量とがバランスされる。
【0027】
なお、エアコンプレッサ制御器18、エアコンプレッサ17、高圧水素タンク20、及び比例圧力レギュレータ19により本発明の反応ガス供給手段が構成される。
【0028】
そして、比例圧力レギュレータ19により圧力調整された水素は、イジェクタ(図示しない)及び加湿器(図示しない)を経由して燃料電池2の水素極に供給され、空気極に供給される空気中の酸素と電気化学反応を生じて水となり、排気バルブ21を介して排出される。ここで、排気バルブ21の開度は、空気及び水素の供給圧に応じて燃料電池2内部の圧力勾配が一定に保たれるように、燃料電池制御手段21からの制御信号(DBW_CMD)により制御される。
【0029】
また、冷却器21は、ラジエータ(図示しない)によって放熱、冷却された冷却水を燃料電池2内を循環させるための冷却ポンプ(図示しない)と、冷却ファンとを有し、燃料電池制御手段5は、燃料電池2に給水される冷却水の温度(Tw_in)及び燃料電池2から排水される冷却水の温度(Tw_out)に応じて、冷却ポンプと冷却ファンの作動を制御する。
【0030】
また、燃料電池電源装置1には、燃料電池2の出力電流(Ifc)を検出する燃料電池電流センサ30、燃料電池2の出力電圧(Vfc)を検出する燃料電池電圧センサ31、及びキャパシタ3の充放電電流(Icap)を検出するキャパシタ電流センサ32が備えられ、これらのセンサの検出信号も電力管理手段4に供給される。
【0031】
次に、電力管理手段4から燃料電池制御手段5に出力される目標供給電流(Ifc_REQ)が変化した場合の燃料電池電源装置1の作動について、図2を参照して説明する。図2は燃料電池電源装置1の等価回路であり、燃料電池2を内部抵抗が0で開放電圧がVfc_Oの電圧源30と抵抗値がRfcである内部抵抗31とを直列接続した回路で表し、キャパシタ3を内部抵抗が0で開放電圧がVcap_Oのキャパシタ32と抵抗値がRcapである内部抵抗32とを直列接続した回路で表している。また、Ifcは燃料電池2の出力電流、Icapはキャパシタ3の出力電流、35は電流値I1の定電流源、36は電流値I2(>I1)の定電流源、Voutは燃料電池2の出力電圧(=キャパシタ3の出力電圧)である。
【0032】
図2に示した等価回路において、負荷電流(図1におけるモータ駆動ユニット6への供給電流と電装補機への供給電流との合計電流)がI1(スイッチ34の接点c−aが導通した状態)からI2(スイッチ34の接点c−bが導通した状態)へと増加すると、電力管理手段4は、負荷電流の増加分に応じて燃料電池制御手段5に出力する目標供給電流(Ifc_REQ)を増加させる。
【0033】
しかし、図1で説明したように、燃料電池2は、エアコンプレッサ17を駆動するエアコンプレッサ制御器18に対して負荷変動に応じた回転数指令値(SCN_CMD)が燃料電池制御装置5から出力され、これに応じてエアコンプレッサ17のコンプレッサモータの回転数が上がり、その結果、燃料電池2に対する空気と水素の供給量が増加し、その後、燃料電池2内における電気化学反応量が増大して初めて増加された目標供給電流(Ifc_REQ)に応じた電流出力が得られるものである。そのため、燃料電池2の出力電流が負荷変動に応じた電流となるまでにはある程度の応答遅れを生じる。
【0034】
そこで、燃料電池電源装置1においては、このような燃料電池2の応答遅れが生じる間、燃料電池2と並列に接続されたキャパシタ3から負荷に電流を供給することにより、負荷に対する電流供給の不足が生じないようにしている。
【0035】
図3(a)は、負荷電流が増加して燃料電池2の応答遅れが生じた場合のキャパシタ3の放電電流(Icap)変化を示した図であり、▲1▼が縦軸を目標供給電流(Ifc_REQ)とし横軸を時間としたグラフ、▲2▼が縦軸をキャパシタ3の放電電流(Icap)とし横軸を時間としたグラフである。
【0036】
t10〜t11は、目標供給電流(Ifc_REQ)がI1であり、燃料電池2の出力電流がI1に制御されている平衡状態を示しており、この場合はキャパシタ3からは電流は放電されない(Icap=0)。そして、t12で負荷電流がI1からI2にステップ応答的に増加し、それに応じて目標供給電流(Ifc_REQ)をI1からI2にステップ応答的に増加させても、上述した応答遅れが生じるため燃料電池2の出力電流は直ちにI2とはならない。
【0037】
そのため、▲2▼に示したように、キャパシタ3から負荷に対して放電電流(Icap)が流れ、この場合、図2に示した等価回路においては、以下の式(1),(2)の関係が成立する。
【0038】
I2 = Ifc + Icap ・・・・・(1)
Icap =(Vcap_O−Vout)/Rcap ・・・・・(2)
燃料電池2における電気化学反応量が増加して燃料電池2の出力電流(Ifc)が増加するにつれて、負荷電流(I2)は一定であるから上記式(1)より、図3(a)の▲2▼に示したように放電電流(Icap)は次第に減少する。
【0039】
このように、応答遅れ期間中(t11〜t12)は、キャパシタ3から放電電流(Icap)が出力されるため、燃料電池2はI2分の電流を出力する必要はなく、I2−Icap分の電流を出力すればよい。そのため、応答遅れ期間中(t11〜t12)にI2に応じた回転数指令(SCN_CMD)をエアコンプレッサ制御器18に出力すると、エアコンプレッサ17が必要以上に過剰に作動することになって、無駄な電力が消費されてしまう。
【0040】
そこで、燃料電池制御手段5は、図3(a)の▲1▼のs1に示したように、目標供給電流(Ifc_REQ)をキャパシタ3の放電電流(Icap)の大きさに応じて減少させる第1の補正を行い、これによりエアコンプレッサ17が必要以上に作動することを抑制している。
【0041】
次に、目標供給電流(Ifc_REQ)が減少する場合にも、上述した目標供給電流(Ifc_REQ)が増加する場合と同様に、燃料電池2における電気化学反応量が減少して燃料電池2の出力電流が目標供給電流に応じた電流まで減少する際には応答遅れが生じる。図3(b)は、負荷電流が減少して燃料電池2の応答遅れが生じた場合のキャパシタ3の充電電流(Icap)の変化を示した図であり、▲3▼が縦軸を目標供給電流(Ifc_REQ)とし横軸を時間としたグラフ、▲4▼が縦軸をキャパシタ3の充電電流(Icap)とし横軸を時間としたグラフである。
【0042】
t20〜t21は、目標供給電流(Ifc_REQ)がI2であって燃料電池2の出力電流がI2に制御されている平衡状態を示しており、この場合はキャパシタ3には充電電流は流れ込まない(Icap=0)。そして、t21で負荷電流がI2からI1にステップ応答的に減少し、それに応じて目標供給電流(Ifc_REQ)をI2からI1に減少させても、上述した応答遅れが生じるため燃料電池2の出力電流は直ちにI1とはならない。
【0043】
そのため、▲4▼に示したように、燃料電池2からキャパシタ3に充電電流(Icap)が流れ、この場合、図2に示した等価回路においては、以下の式(3),(4)の関係が成立する。
【0044】
I1 = Ifc − Icap ・・・・・(3)
Icap = (Vout−Vcap_O)/Rcap ・・・・・(4)
であるから、燃料電池2における電気化学反応量が減少して燃料電池2の出力電流(Ifc)が減少するにつれて、負荷電流(I1)は一定であるから上記式(3)より、図3(b)の▲4▼に示したように充電電流(Icap)は次第に減少する。
【0045】
このように、応答遅れ期間中(t21〜t22)は、燃料電池2の出力電流(Ifc)の一部がキャパシタ3の充電に使用されるため、燃料電池2からI1+Icap分の電流を出力する必要がある。そのため、応答遅れ期間中(t21〜t22)にI1に応じた回転数指令(SCN_CMD)をエアコンプレッサ制御器18に出力すると、エアコンプレッサ17のコンプレッサモータの回転数に応じて供給される空気と水素のうちの少なくともいずれか一方の供給量が不足するいわゆるガス欠状態となり、燃料電池2の劣化を生じるおそれがある。
【0046】
そこで、電力管理手段4(本発明の充放電状態把握手段と目標供給電流補正手段の機能を含む)は、図3(b)の▲3▼に示したように、目標供給電流(Ifc_REQ)をキャパシタ3の充電電流(Icap)の大きさに応じて増加させる第2の補正を行い、これにより燃料電池2がガス欠状態となることを抑制している。
【0047】
次に、図4を参照して、燃料電池3の応答遅れ期間中における目標供給電流(Ifc_REQ)の補正量を決定する具体的な手順について説明する。
【0048】
電力管理手段4は、先ず、燃料電池電圧センサ31により燃料電池2の出力電圧(Vout=キャパシタ3の出力電圧)を検出し、キャパシタ電流センサ32によりキャパシタ3の充放電電流(Icap)を検出する。そして、以下の式(5)により、キャパシタ3の開放電圧(Vcap_O、本発明のキャパシタの充放電状態に相当する)を算出する。
【0049】
Vcap_O = Vout + Icap・Rcap ・・・・・(5)
なお、キャパシタ3の内部抵抗(Rcap)は、電力管理手段4を構成するマイコンのデータメモリに記憶されている。
【0050】
そして、図4を参照して、I=F(V)は、燃料電池2の電流−電圧特性であり、I=G1(V)は、開放電圧V1(Vcap_O=V1)におけるキャパシタ3の電流−電圧特性である。燃料電池2の出力電圧Voutと出力電流Ifcが、Ifc=F(Vout)の関係を満たしていれば、燃料電池2に対する空気と水素の供給量が適切であり、Ifc>F(Vout)のときはガス欠の状態となる。そのため、Ifc≦F(Vout)の関係が保たれるように目標供給電流(Ifc_REQ)を設定することにより、燃料電池2に対する空気と水素の供給量を適切に設定して燃料電池2の出力電流(Ifc)制御することができる。
【0051】
先ず、目標供給電流(Ifc_REQ)が増加する場合の補正量の算出手順を説明するため、燃料電池2の出力電流が負荷電流I1に制御された平衡状態(P1)で、負荷電流がI1からI2へとステップ応答的に変化し、それに応じて目標供給電流(Ifc_REQ)がI1からI2に変更され、応答遅れを伴って燃料電池2の出力電流がI2に制御された状態(P2)まで移行していく場合を考える。P1においては、負荷電流が急激に増加し、燃料電池2の出力電流の不足分を補うようにキャパシタ3から放電電流が出力される。
【0052】
このとき、燃料電池2の出力電圧(Vout=キャパシタ3の出力電圧)がV1からVmまで低下したとすると、キャパシタ3の放電電流(Icap)は、
となり、一方、燃料電池2の出力電流(Ifc)は、
Ifc = f(Vm) ・・・・・(7)
となる。そのため、以下の式(8)に示したように、燃料電池2の出力電流(Ifc)にキャパシタ3の放電電流(Icap)を加えた電流が、目標供給電流であるI2となる出力電圧Vm(本発明の所定電圧に相当する)を求め、
F(Vm)+G1(Vm)= I2 ・・・・・(8)
このVmに応じたキャパシタ3の放電電流(図中Imc)を、目標供給電流I2から減じる補正を行なうことにより、エアコンプレッサ17が無駄に作動することを抑制して、燃料電池2の出力電流を制御することができる。
【0053】
そして、燃料電池2の応答遅れが解消されるまで、すなわち、キャパシタ3からの放電が終了して(Icap=0)、キャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)が目標供給電流I2に応じたV2となるまで、電力管理手段4は、所定のサンプリング間隔でキャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)を検知し、検知した該開放電圧(Vcap_O)に応じたキャパシタ3の電流−電圧特性を上記式(8)の電流−電圧特性(I=G1(V))に置き換えて出力電圧Vmを求め、該Vmに応じたキャパシタ3の放電電流を、目標供給電流(I2)から減じる補正を繰り返し実行する(この場合、キャパシタ3の電流−電流特性はI=G2(V)に向かってシフトしていく)。これにより、燃料電池2の応答遅れ期間中、キャパシタ3の放電電流(Ic ap)の大きさに応じて、燃料電池2の目標供給電流(Ifc_REQ)が適切に設定される。
【0054】
次に、目標供給電流(Ifc_REQ)が減少する場合の補正量の算出手順を説明するため、燃料電池2の出力電流(Ifc)が目標供給電流(I1)に制御された平衡状態(P1)で、負荷電流がI1からI3へとステップ応答的に変化し、それに応じて目標供給電流(Ifc_REQ)がI1からI3に変更され、応答遅れを伴って燃料電池2の出力電流がI3に制御された状態(P3)まで移行していく場合を考える。P1においては、負荷電流が急激に減少して燃料電池2の出力電圧(Vout)が上昇するため、燃料電池2からキャパシタ3に充電電流が流入する。
【0055】
このとき、燃料電池2の出力電圧(Vout=キャパシタ3の出力電圧)がV1からVnまで上昇したとすると、キャパシタ3の充電電流(Icap)は、
となり、一方、燃料電池2の出力電流(Ifc)は、
Ifc = F(Vn) ・・・・・(10)
となる。そのため、以下の式(11)に示したように、燃料電池2の出力電流(Ifc)からキャパシタ3の充電電流(Icap)を減じた電流が、目標供給電流であるI3となる出力電圧Vn(本発明の所定電圧に相当する)を求め、
F(Vn)−G1(Vn)= I3 ・・・・・(11)
このVnに応じたキャパシタ3の充電電流(図中Inc)を、目標供給電流I3に加える補正を行なうことにより、キャパシタ3に充電電流が流れ込むことにより燃料電池2がガス欠状態となることを抑制することができる。
【0056】
そして、燃料電池2の応答遅れ期間中、すなわち、キャパシタ3の充電が終了し(Icap=0)、キャパシタ3の開放電圧が目標供給電流I3に応じたV3となるまで、電力管理手段4は、所定のサンプリング間隔でキャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)を検知し、検知した該開放電圧(Vcap_O)に応じたキャパシタ3の電流−電圧特性を上記式(11)の電流−電圧特性(I=G1(V))に置き換えて出力電圧Vnを求め、該Vnに応じたキャパシタ3の充電電流を目標供給電流I3に加える補正を繰り返し実行する(この場合、キャパシタ3の電流−電圧特性はI=G3(V)に向かってシフトしていく)。これにより、燃料電池2の応答遅れ期間中、キャパシタ3の充電電流(Icap)の大きさに応じて、燃料電池2の目標供給電流(Ifc_REQ)が適切に設定される。
【0057】
以上説明した目標供給電流(Ifc_REQ)の第1の補正と第2の補正を行なうため、電力管理手段4は、図5に示した制御ブロック40(本発明の目標供給電流補正手段に相当する)の構成を備えている。制御ブロック40は、電気自動車制御ユニット9から出力されるモータ目標出力電力(PCMDMG)と、負荷電流センサ15と負荷電圧電圧センサ16の検出信号から算出された電装補機の消費電力(Eload)とを加算した総消費電力(P_TL)を出力する第1加算器41、該総消費電力(P_TL)を目標供給電流(Ifc_REQ)に変換する電力/電流変換部42、キャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)を上記式(5)により算出するキャパシタ開放電圧算出部43(本発明の充放電状態把握手段に相当する)、キャパシタ3の内部抵抗(Rcap)のデータが記憶されたデータメモリ44、キャパシタ3の開放電圧(Vout)と目標供給電流(Ifc_REQ)に応じて、目標供給電流(Ifc_REQ)の補正量(Ifc_AM)を算出する補正量算出部45、及び目標供給電流(Ifc_REQ)に補正量(Ifc_AM)を加算して、目標供給電流(Ifc_REQ)を補正する第2加算部46を有する。
【0058】
キャパシタ開放電圧算出部43は、キャパシタ電流センサ32からの検出信号によりキャパシタ3の充放電電流(Icap)を検出し、また、燃料電池電圧センサ31からの検出信号によりキャパシタ3の出力電圧(Vout)を検出する。そして、データメモリ44に記憶されたキャパシタ3の内部抵抗(Rcap)を取得し、キャパシタ3の充放電電流(Icap)とキャパシタ3の出力電圧(Vout)とキャパシタ3の内部抵抗(Rcap)から、上記式(5)によりキャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)を算出する。
【0059】
補正量算出部45は、キャパシタ開放電圧算出部43から出力されるキャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)と、電力/電流変換部42から出力される燃料電池2の目標供給電流(Ifc_REQ)と、データメモリ44から取得した燃料電池2の電流−電圧特性データ(図中Icap−Vcap,図4におけるI=F(V)に相当する)及びキャパシタ3の電流−電圧特性データ(図中Ifc−Vfc,図4におけるI=G1(V)に相当する)とから、図4を参照して上述した手順により、目標供給電流の補正量(Ifc_AM)を算出する。
【0060】
そして、第2加算器46により、目標供給電流(Ifc_REQ)に、補正量(Ifc_AMD)を加算することによって、目標供給電流(Ifc_REQ)が補正される。
【0061】
なお、図5の50の部分を図6に示したように予めマップ化しておくことにより、補正量(Ifc_AM)の算出に要する時間を短縮することができる。図6は、キャパシタ3の開放電圧(Vcap_O)と、総消費電力(P_TOTAL)を入力パラメータとして、図4を参照して上述した手順により算出した燃料電池2の目標供給電流(Ifc_REQ)を設定したマップである。例えば、Vcap_O=300(V)、P_TOTAL=20(kW)の入力に対する目標供給電流としては、Ifc_REQ=77(A)が即座に得られる。
【0062】
また、本実施の形態では、前記第1の補正と前記第2の補正の双方を行なって、キャパシタ3から放電される場合とキャパシタ3が充電される場合の双方について、燃料電池2の目標供給電流(Ifc_ REQ)を補正する処理を行なったが、いずれか一方の補正を行なう場合にも本発明の効果を得ることができる。
【0063】
また、本実施の形態では、予めデータメモリ44に記憶されたキャパシタ3の電流−電圧特性と、燃料電池2の電圧−電流特性とを使用して、燃料電池2の目標供給電流(Ifc_ REQ)を精度良く算出したが、これらの電流−電圧特性を用いずに、例えば、キャパシタ電流センサ32の検出電流値(この場合、本発明のキャパシタの充放電状態に相当する)に応じて、目標供給電流(Ifc_ REQ)を補正する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池電源装置の構成図。
【図2】図1に示した燃料電池電源装置の等価回路。
【図3】燃料電池の応答遅れが生じた場合のキャパシタの出力電流の推移を示したグラフ。
【図4】目標供給電流の補正量の算出方法を説明したグラフ。
【図5】目標供給電流を補正するための制御ブロック図。
【図6】目標供給電流を補正するためのデータテーブル。
【符号の説明】
1…燃料電池電源装置、2…燃料電池、3…キャパシタ、4…電力管理手段、5…燃料電池制御手段、6…モータ駆動ユニット、9…電気自動車制御ユニット、17…エアコンプレッサ、18…エアコンプレッサ制御器、19…比例圧力レギュレータ、20…高圧水素タンク、30…燃料電池電流センサ、31…燃料電池電圧センサ、32…キャパシタ電流センサ
Claims (4)
- 燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池を負荷と接続して該負荷に電流を供給する際に、該負荷の要求電流に応じて決定された目標供給電流に基づいて、該目標供給電流が該燃料電池から出力されるように、前記反応ガス供給手段から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を調節して、前記燃料電池の出力電流を制御する燃料電池制御手段と、
前記燃料電池により充電され、前記燃料電池制御手段により前記燃料電池の出力電流を制御する際に生じる、前記目標供給電流の増大に対する前記燃料電池の出力電流の応答遅れよりも短い時間で前記目標供給電流が増大して、前記要求電流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状態となるときに、放電が生じて前記要求電流の供給が確保されるように、前記燃料電池と並列に接続されたキャパシタとを備えた燃料電池電源装置において、
前記キャパシタの開放電圧又は前記キャパシタの入力若しくは出力電流である充放電電流を、前記キャパシタの充放電状態として把握する充放電状態把握手段と、
前記応答遅れが生じる前記目標供給電流の変更があった場合に、該変更が前記目標供給電流を増加させるものであるときに、前記目標供給電流を、前記充放電状態把握手段により把握された充放電状態での前記キャパシタの放電電流の大きさに応じて減少させる第1の補正と、該変更が前記目標供給電流を減少させるものであるときに、前記目標供給電流を、前記充放電状態把握手段により把握された充放電状態での前記キャパシタの充電電流の大きさに応じて増加させる第2の補正とのうちの、少なくともいずれか一方を行なう目標供給電流補正手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。 - 前記充放電状態把握手段は、前記充放電状態として前記キャパシタの開放電圧を把握し、
前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データから把握される所定電圧に応じた前記燃料電池の出力電流に、前記充放電状態把握手段により把握された前記キャパシタの開放電圧に基づく前記キャパシタの電圧−電流特性データから把握された該所定電圧に応じた前記キャパシタの放電電流を加えた電流が、前記目標供給電流と一致するような該所定電圧を求め、前記目標供給電流から該所定電圧に応じた前記キャパシタの放電電流を減じることによって前記第1の補正を行なうことを特徴とする請求項1記載の燃料電池電源装置。 - 前記充放電状態把握手段は、前記充放電状態として前記キャパシタの開放電圧を把握し、
前記目標供給電流補正手段は、前記燃料電池の電圧−電流特性データから把握される所定電圧に応じた前記燃料電池の出力電流から、前記充放電状態把握手段により把握された前記キャパシタの開放電圧に基づいて前記キャパシタの電圧−電流特性データから把握される該所定電圧に応じた前記キャパシタへの充電電流を減じた電流が、前記目標供給電流と一致するような該所定電圧を求め、前記目標供給電流に該所定電圧に応じた前記キャパシタの充電電流を加算することによって前記第2の補正を行なうことを特徴とする請求項1記載の燃料電池電源装置。 - 前記キャパシタの出力電圧を検出するキャパシタ電圧検出手段と、前記キャパシタの内部抵抗の抵抗値データを記憶した記憶手段と、前記キャパシタの充放電電流を検出するキャパシタ電流検出手段とを備え、
前記充放電状態把握手段は、前記記憶手段に記憶された前記キャパシタの内部抵抗の抵抗値データと前記キャパシタ電流検出手段による検出された電流とに基づいて該内部抵抗における電圧降下を算出し、前記キャパシタ電圧検出手段による検出電圧と該電圧降下から、前記キャパシタの開放電圧を把握することを特徴とする請求項2又は請求項3記載の燃料電池電源装置。
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