JP4451056B2 - 燃料電池車両の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタを備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池車両において、キャパシタは、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばチョッパ型電力変換回路を備えて構成される出力制御器のチョッピング動作等は、例えば燃料電池車両や燃料電池やキャパシタの状態に応じて制御されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５７８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池車両において、走行用モータを含む負荷に対しては、例えば負荷に具備される平滑コンデンサの耐電圧等に応じて、負荷に印加可能な所定の上限電圧（負荷保護電圧）が設定されている。
また、キャパシタは所定電圧（キャパシタ保護電圧）以上に充電されないように保護する必要があり、さらに、キャパシタの温度が相対的に高いときにはキャパシタ内部に充填された電解液が変性しやすくなる等の現象が発生することが知られているため、例えばキャパシタ保護電圧を固定値に設定すると、高温時にキャパシタを保護することができなくなるという問題が生じる。
このため、負荷保護電圧やキャパシタ保護電圧が適切な値に設定されていないと、負荷およびキャパシタを確実に保護することができなくなる虞があると共に、例えば負荷およびキャパシタに燃料電池の発電電力や走行用モータの回生電力が供給される場合には、燃料電池に不必要な発電を実行させたり、走行用モータに不必要な回生を実行させることで燃料電池車両のエネルギー効率が低下する虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池車両の作動時に、燃料電池車両に具備される負荷およびキャパシタを確実に保護することが可能な燃料電池車両の制御装置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】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置は、車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段（例えば、実施の形態での電流・電圧制御器１２）とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、前記燃料電池は前記出力制御手段の１次側に接続され、前記キャパシタは前記出力制御手段の２次側に接続され、前記燃料電池および前記キャパシタは、前記走行用モータを含む負荷に並列に接続され、前記出力制御手段は、スイッチング素子を有するチョッパ型電力変換回路を備え、前記スイッチング素子のオン／オフ動作によって、前記燃料電池の前記出力電流を制御し、インバータを具備して前記走行用モータの駆動および回生動作を制御するモータ制御手段と、前記チョッパ型電力変換回路の前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御パルスを出力すると共に、前記モータ制御手段の前記インバータの電力変換動作を制御する制御指令を出力する制御手段と、前記走行用モータを含む前記負荷（例えば、実施の形態での電気機器つまり出力制御器１４および走行用モータ１５および負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７）に対する所定の負荷保護電圧を設定する負荷保護電圧設定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０２）と、前記キャパシタの温度を検出するキャパシタ温度検出手段（例えば、実施の形態でのキャパシタ温度センサ２４）と、前記キャパシタの端子間電圧に対するキャパシタ保護電圧を前記キャパシタの温度に応じて設定するキャパシタ保護電圧設定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０３）と、前記キャパシタの端子間電圧と同等である前記出力制御手段から出力される電圧を２次側電圧として検出するキャパシタ電圧センサとを備え、前記制御手段は、前記走行用モータの駆動時には、前記キャパシタ電圧センサにより検出される前記２次側電圧を前記負荷保護電圧または前記キャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下とするように前記出力制御手段により前記燃料電池の前記出力電流を制限し、前記走行用モータの回生作動時においては、前記キャパシタ電圧センサにより検出される前記２次側電圧を前記負荷保護電圧または前記キャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように前記モータ制御手段の電力変換動作により前記モータ制御手段から前記キャパシタに供給される直流電力を制御することを特徴としている。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置では、前記燃料電池車両の作動時に、前記キャパシタ保護電圧と前記負荷保護電圧との相対的な上下関係は前記キャパシタの温度に応じて変化し、前記キャパシタ保護電圧は、前記キャパシタの温度の増大に伴い、低下傾向に変化する。
【０００６】
上記構成の燃料電池車両の制御装置によれば、燃料電池車両の作動時にキャパシタ保護電圧と負荷保護電圧との相対的な上下関係がキャパシタの温度に応じて変化する場合であっても、走行用モータの駆動時には出力制御手段により燃料電池の出力電流を制限し、走行用モータの回生作動時においてはモータ制御手段の電力変換動作により制御することで、キャパシタ電圧センサにより検出される２次側電圧をキャパシタ保護電圧と負荷保護電圧との何れか小さい方の値以下に設定することで、燃料電池車両に具備される負荷およびキャパシタを確実に保護することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置では、前記燃料電池車両の作動時に、前記キャパシタ保護電圧と前記負荷保護電圧との相対的な上下関係は前記キャパシタの温度に応じて変化することを特徴としている。
さらに、前記キャパシタ保護電圧は、前記キャパシタの温度の増大に伴い、低下傾向に変化することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、電流・電圧制御器１２と、キャパシタ１３と、出力制御器１４と、走行用モータ１５と、負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、燃料電池セル電圧センサ２１と、出力電流センサ２２と、キャパシタ電圧センサ２３と、キャパシタ温度センサ２４と、アクセル開度センサ３１と、ＩＧスイッチ３２とを備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００９】
燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は電流・電圧制御器１２に入力されており、この電流・電圧制御器１２には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ１３が接続されている。
そして、燃料電池１１および電流・電圧制御器１２とキャパシタ１３は、出力制御器１４を介して走行用モータ１５と、例えば燃料電池１１やキャパシタ１３の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７を介してエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８とに対して並列に接続されている。
【００１０】
電流・電圧制御器１２は、例えばチョッパ型電力変換回路等を備えて構成され、例えばチョッパ型電力変換回路のチョッピング動作つまりチョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置２０から入力される制御パルスのデューティ、つまりオン／オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、チョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１とキャパシタ１３とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１とキャパシタ１３とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１３の端子間電圧とが同等の値となる。
また、制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜値に設定されると、電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
【００１１】
出力制御器１４は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えており、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用モータ１５の駆動および回生動作を制御する。例えば走行用モータ１５の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、電流・電圧制御器１２およびキャパシタ１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して走行用モータ１５へ供給する。一方、走行用モータ１５の回生時には、走行用モータ１５から出力される３相交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１３へ供給し、キャパシタ１３を充電する。
なお、走行用モータ１５は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器１４から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側から走行用モータ１５側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１５は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１２】
また、エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器１７によって制御されている。
【００１３】
制御装置２０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
【００１４】
また、制御装置２０は、出力制御器１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１５の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令を出力制御器１４に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流が走行用モータ１５の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、キャパシタ１３の状態、例えばキャパシタ１３の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ１３の端子間電圧の検出値等に基づき、走行用モータ１５の回生動作を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子間電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ２１から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ（図示略）から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２２から出力される検出信号と、キャパシタ１３の端子間電圧を検出するキャパシタ電圧センサ２３から出力される検出信号と、キャパシタ１３の温度を検出するキャパシタ温度センサ２４から出力される検出信号と、アクセル開度センサ３１から出力される検出信号と、車両の作動開始を指示するＩＧスイッチ３２から出力される信号とが入力されている。
【００１５】
さらに、制御装置２０は、後述するように、燃料電池１１およびキャパシタ１３から電力が供給される電気機器に印加可能な電圧、つまり出力制御器１４および走行用モータ１５および負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７等に対して設定された所定の負荷保護電圧（例えば、出力制御器１４等に具備される平滑コンデンサの耐電圧等）と、キャパシタ１３の端子間電圧に対してキャパシタ１３の過充電を防止するために設定された所定のキャパシタ保護電圧とに対して、電流・電圧制御器１２から出力される電圧（２次側電圧）が負荷保護電圧またはキャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように電流・電圧制御器１２を制御する。
【００１６】
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池車両の制御装置１０の動作、特に、電流・電圧制御器１２を制御する動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
先ず、図２に示すステップＳ０１においては、例えば運転者のアクセル操作量に係るアクセル開度等に応じた発電指令をＳ／Ｃ出力制御器１７へ入力して燃料電池１１へ反応ガスを供給すると共に、アクセル開度等に応じたトルク指令を出力制御器１４へ出力し、燃料電池１１からの電力供給によって走行用モータ１５を駆動する。
なお、走行用モータ１５の駆動時においては、例えば電流・電圧制御器１２へ入力する制御パルスのデューティを１００％として燃料電池１１とキャパシタ１３とを直結状態とし、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１３の端子間電圧とが同等の値とされている。
【００１８】
次に、ステップＳ０２においては、燃料電池１１およびキャパシタ１３から電力が供給される電気機器、つまり出力制御器１４および走行用モータ１５および負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７等に対して予め設定された所定の負荷保護電圧（例えば、図３に示す負荷保護電圧ＶＡＣ）を取得する。
次に、ステップＳ０３においては、キャパシタ１３の端子間電圧に対してキャパシタ１３の過充電を防止するために設定されたキャパシタ保護電圧とキャパシタ１３の温度との関係を示す所定のテーブル、例えば図３に示すように、キャパシタ１３の温度ＴＣＡＰの増大に伴い低下傾向に変化するキャパシタ保護電圧ＶＣＡＰのテーブル等に基づき、キャパシタ温度センサ２４によって検出したキャパシタ１３の温度に対応するキャパシタ保護電圧を算出する。
【００１９】
次に、ステップＳ０４においては、電流・電圧制御器１２から出力される電圧が負荷保護電圧またはキャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値を超えたか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
なお、走行用モータ１５の駆動時等において、電流・電圧制御器１２により燃料電池１１とキャパシタ１３とが直結状態とされている場合には、電流・電圧制御器１２から出力される電圧は燃料電池１１の出力電圧およびキャパシタ１３の端子間電圧と同等であり、電流・電圧制御器１２により燃料電池１１の出力電流が適宜に制限されている場合には、電流・電圧制御器１２から出力される電圧（２次側電圧）はキャパシタ１３の端子間電圧と同等である。
【００２０】
ステップＳ０５においては、電流・電圧制御器１２から出力される電圧（２次側電圧）が負荷保護電圧またはキャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように（例えば、図３に示す領域Ａでの電圧値となるように）、電流・電圧制御器１２へ入力する制御パルスのデューティを０％〜１００％の間の適宜値に設定し、この制御パルスのデューティに応じて１次側電流である燃料電池１１の出力電流を適宜に制限し、制限した電流を２次側電流としてキャパシタ１３側へ出力し、一連の処理を終了する。
【００２１】
上述したように、本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０によれば、例えば図３に示すように、燃料電池車両の作動時にキャパシタ保護電圧と負荷保護電圧との相対的な上下関係がキャパシタ１３の温度に応じて変化する場合であっても、燃料電池１１およびキャパシタ１３から電力が供給される電気機器、つまり出力制御器１４および走行用モータ１５および負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７等と、キャパシタ１３とを確実に保護することができる。
【００２２】
なお、上述した本実施の形態においては、走行用モータ１５の駆動時において、電流・電圧制御器１２から出力される電圧（２次側電圧）が負荷保護電圧またはキャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように、電流・電圧制御器１２において燃料電池１１の出力電流を制限するとしたが、例えば走行用モータ１５の回生作動時においては、さらに、キャパシタ１３の端子間電圧（本実施の形態では電流・電圧制御器１２の２次側電圧と同等）が負荷保護電圧またはキャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように、出力制御器１４の電力変換動作を制御する。
これにより、キャパシタ１３に対して燃料電池１１および走行用モータ１５からキャパシタ保護電圧を超えるような充電が行われてしまうことを確実に防止することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置によれば、燃料電池車両の作動時にキャパシタ保護電圧と負荷保護電圧との相対的な上下関係がキャパシタの温度に応じて変化する場合であっても、燃料電池車両に具備される負荷およびキャパシタを確実に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成図である。
【図２】 図１に示す燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】 キャパシタの温度ＴＣＡＰに応じて変化するキャパシタ保護電圧ＶＣＡＰと負荷保護電圧ＶＡＣとの相対的な上下関係の一例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池車両の制御装置
１２ 電流・電圧制御器（出力制御手段）
１３ キャパシタ
１４ 出力制御器（負荷）
１５ 走行用モータ（負荷）
１６ 負荷
１７ Ｓ／Ｃ出力制御器（負荷）
２４ キャパシタ温度センサ（キャパシタ温度検出手段）
ステップＳ０２ 負荷保護電圧設定手段
ステップＳ０３ キャパシタ保護電圧設定手段

Claims (2)

1. 車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、
   前記燃料電池は前記出力制御手段の１次側に接続され、
   前記キャパシタは前記出力制御手段の２次側に接続され、
   前記燃料電池および前記キャパシタは、前記走行用モータを含む負荷に並列に接続され、
   前記出力制御手段は、スイッチング素子を有するチョッパ型電力変換回路を備え、前記スイッチング素子のオン／オフ動作によって、前記燃料電池の前記出力電流を制御し、
   インバータを具備して前記走行用モータの駆動および回生動作を制御するモータ制御手段と、
   前記チョッパ型電力変換回路の前記スイッチング素子のオン／オフ動作を制御する制御パルスを出力すると共に、前記モータ制御手段の前記インバータの電力変換動作を制御する制御指令を出力する制御手段と、
   前記走行用モータを含む前記負荷に対する所定の負荷保護電圧を設定する負荷保護電圧設定手段と、
   前記キャパシタの温度を検出するキャパシタ温度検出手段と、
   前記キャパシタの端子間電圧に対するキャパシタ保護電圧を前記キャパシタの温度に応じて設定するキャパシタ保護電圧設定手段と、
   前記キャパシタの端子間電圧と同等である前記出力制御手段から出力される電圧を２次側電圧として検出するキャパシタ電圧センサとを備え、
   前記制御手段は、
   前記走行用モータの駆動時には、前記キャパシタ電圧センサにより検出される前記２次側電圧を前記負荷保護電圧または前記キャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下とするように前記出力制御手段により前記燃料電池の前記出力電流を制限し、
   前記走行用モータの回生作動時においては、前記キャパシタ電圧センサにより検出される前記２次側電圧を前記負荷保護電圧または前記キャパシタ保護電圧の何れか小さい方の値以下となるように前記モータ制御手段の電力変換動作により前記モータ制御手段から前記キャパシタに供給される直流電力を制御することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
2. 前記燃料電池車両の作動時に、前記キャパシタ保護電圧と前記負荷保護電圧との相対的な上下関係は前記キャパシタの温度に応じて変化し、
   前記キャパシタ保護電圧は、前記キャパシタの温度の増大に伴い、低下傾向に変化することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。

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