JP4529429B2 - ハイブリッド燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に蓄電装置を併用するハイブリッド燃料電池システムにおける電力制御方法の改良に関する。

従来のハイブリッド型燃料電池システムでは、蓄電装置であるバッテリーの過放電や過充電を防止するために、バッテリーの残存電力容量を検出しそれに基づいて燃料電池の発電出力を調整して電力収支のバランスを取っていた。

例えば、特開昭６３―４５７６５号公報に記載されている燃料電池電源装置では、二次電池の残存電気量と燃料電池の出力電流とを検出し、二次電池の残存電気量に応じた設定信号と燃料電池の出力電流に応じた測定信号とに基づいて燃料電池の出力電流を帰還制御していた（特許文献１）。

特開昭６３―４５７６５号公報 特開２００２―３００７０３号公報 特開平２−３０９５６３号公報

しかし、上記公知技術では、燃料電池や二次電池に付随したセンサによって検出された出力電力や充電状態をそのまま制御の基礎情報としているため、センサの精度不足やばらつきによって実体とは異なる情報となっていた。このような誤差を含んだ情報に基づいて電力制御を行っていたため、時として燃料電池システム全体の電力収支に不均衡が生じてしまうことがあった。このような電力収支の不均衡は、二次電池の過放電や過充電の原因となったり、システム全体の最良な発電効率の維持が困難となったりしていた。

そこで本発明は、実測値の精度に影響を受けずに正確に電力収支のバランスを取ることが可能なハイブリッド燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のハイブリッド燃料電池システムは、燃料電池と蓄電装置とを備えたハイブリッド燃料電池システムにおいて、電力を消費する負荷部と、前記負荷部における電力消費量を制御する制御部と、を備え、制御部は、少なくとも、燃料電池に供給させる供給電力設定値と負荷部において消費させる消費電力設定値とに基づいて、蓄電装置に供給させる供給電力設定値を求め、蓄電装置に供給させる供給電力設定値と蓄電装置から実際に供給されている実供給電力値との差分を求め、差分が少なくなるように、負荷部における電力消費量を変更することを特徴とする。

上記構成によれば、燃料電池に発電させたい電力や負荷部に消費させたい電力が決まれば蓄電装置によって補わなければならない電力量、すなわち供給電力設定値が求められている。しかし、実際にはシステムの測定誤差やバラツキがあるため、予定通りに発電されなかったり消費されなかったりする。しかも、発電されたり消費されたりしている電力量を実測したとしても、センサのバラツキによりその値に誤差が含まれている場合があり、複数のセンサによる測定値を集積することで、誤差が増大する場合もある。つまり、システム各部の累積誤差等によりこの供給電力設定値が実際に蓄電装置から出力されている実供給電力値とずれる場合がある。この点、当該構成によれば、供給電力設定値が燃料電池に発電させるべき供給電力であり、消費電力設定値が負荷部に消費させるべき消費電力であるため、これら供給電力と消費電力との差が蓄電装置の補うべき電力、すなわち蓄電装置の供給電力設定値として求められる。そして蓄電装置の供給電力設定値と実供給電力値との差分、すなわちシステム各部のフィードバック系で生じた検出誤差等に基づく電力収支が求められ、供給電力設定値と実供給電力値の誤差が解消される方向に負荷部の駆動がフィードバック制御される。よって、システム各部の発電電力や消費電力をそれぞれ測定して集計するような場合に比べ、実測誤差を最小限に抑えることができる。

ここで「蓄電装置」には限定はなく、過放電や過充電が好ましくない電力供給手段であれば本発明を適用可能である。例えば、鉛蓄電池（バッテリ）やニッカド電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池、キャパシタが該当する。

「負荷部」とは、電力消費量を制御可能な電力消費源をいい、電力の力行や回生を行うことが可能な手段である。車載用燃料電池システムであれば、駆動用三相交流モータ、システム補機（ポンプ等）が該当する。

また「実供給電力値」とは実際に蓄電装置から供給されている電力値のことで、直接センサ等で測定される電力の他、間接的に他の物理量から把握されたり演算から得られる実際の供給電力相当値も含む。

例えば負荷部はシステム補機を含み、制御部は、負荷部において消費させる消費電力設定値として、システム補機において消費される消費電力を含めて、蓄電装置に供給させる供給電力設定値を求めることとしてもよい。上記構成によれば、ある程度の電力を消費するシステム補機における電力消費量が電力収支の演算に反映されるので、負荷部において調整させる電力量をより正確に制御することが可能である。

ここで「システム補機」とは、主たる電力消費源以外の電力消費機器の総称であり、例えばポンプ、コンプレッサ、弁類その他、電力を消費しうるものを含む。

ここでシステム補機において消費される消費電力は、設定し制御可能なものであれば消費電力設定値が好ましいが、複数の機器からなり動作状態が一定でなく消費電力を予測できないようなものであれば、各機器の実測値、少なくとも消費電力量の比較的大きいものの実測値の合計に基づいてもよい。システム補機における消費電力量の総計は相対的に小さいものと考えられ、センサの精度やバラツキによる誤差を含んでいても、消費電力全体に対する影響が少ないので、実測値を用いても誤差が少ないと考えられるからである。

例えば負荷部は駆動モータを含み、制御部は、差分に基づいて駆動モータにおける電力消費量を制御することとしてもよい。上記構成によれば、供給電力設定値と実供給電力値との差に基づいて消費電力の大きな駆動モータの駆動が制御されるので、電力収支の誤差分を駆動モータに解消させることができる。

ここで「駆動モータ」とは、力行や回生が可能な三相同期モータ等であり、特に常時動作する必要の無いものであることが好ましい。他への影響を考えずに電力収支解消のために即時に動作させることができるからである。なお、頻繁にまたは継続的に動作するモータであっても、そのモータの駆動休止時に動作させるように制御してもよい。蓄電装置に電力収支の誤差が影響を与えるのは蓄電装置が過充電や過放電にまで至ってしまう長期的な影響であるため、即時に対応しなくても間に合うからである。

また本発明は、燃料電池と蓄電装置とを備えたハイブリッド燃料電池システムにおいて、電力を消費する負荷部と、燃料電池に供給させる供給電力設定値と負荷部において消費させる消費電力設定値とに基づいて、蓄電装置に供給させる供給電力設定値を求める第１制御手段と、蓄電装置に供給させる供給電力設定値と当該蓄電装置から実際に供給されている実供給電力値との差分を求める演算手段と、差分が少なくなるように、負荷部における電力消費量を変更する第２制御手段と、を備えたことを特徴とする。

以上本発明によれば、蓄電装置の供給電力設定値と実供給電力値との差分、すなわちシステム各部のフィードバック系で生じた検出誤差等に基づく電力収支に基づいて負荷部における電力消費が調整されるので、システム各部の発電電力や消費電力をそれぞれ測定して集計するような場合に比べ、実測誤差を最小限に抑えることができる。すなわち、実測値の精度に影響を受けずに正確に電力収支のバランスを取ることが可能となり、電力収支のズレによってもたらされる蓄電装置の過充電や過放電を防止し、システムの信頼性を向上させることができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載するハイブリッド燃料電池システムに本発明を適用したものである。図１に本燃料電池システムのシステムブロック図を示す。以下の実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれに限定されずに適用可能である。

図１に示すように、本ハイブリッド燃料電池システム１００は、大きく、制御部１、燃料電池スタック２０を中心とする燃料電池制御系２、駆動モータ３０を中心とする負荷制御系３、及びバッテリ４０を中心とする蓄電装置制御系４を備えている。

制御部１は公知のコンピュータシステムであり、図示しないＲＯＭ等に格納されている本発明を実施させるソフトウェアプログラムを図示しないＣＰＵ（中央処理装置）が順次実行することにより、当該システムを本発明のハイブリッド燃料電池システムとして昨日することが可能になっており、機能ブロックとして、第１制御手段１１、第２制御手段１２、第３制御手段１３、前記第４制御手段１４、前記第５制御手段１５、演算手段１６〜１８等を備えている。

第３制御手段１３は、演算の基礎となる燃料電池制御系２のための供給電力設定値P＿fc＿ref及び負荷制御系３のための消費電力設定値P＿mot＿refを算出するようになっている。具体的に第３制御手段１３は、当該システムが搭載される車両の、図示しないアクセルの位置情報、シフトレバーの位置情報、ブレーキの位置情報等を参照し、必要とされる駆動モータ３０のトルクを計算し、このトルクを生じさせるための電力量を負荷制御系３に設定すべき消費電力設定値P＿mot＿refとして算出するようになっている。また、第３制御手段１３は、図示しないインバータやコンバータにおける電力損失、システム補機によって消費される消費電力予測値等を、駆動モータ３０の消費電力設定値P＿mot＿refに加算して、燃料電池スタック２０に発電させるべき電力量を計算し、供給電力設定値P＿fc＿refとして算出するようになっている。駆動モータ３０等で消費されるシステムの全負荷量が燃料電池スタック２０によって発電可能な電力量を上回らない限り、供給電力設定値P＿fc＿refに対応する発電量はシステム全体の負荷量に等しい。すなわち、計算上、電力収支を均衡させるように制御される。

なお具体的には、消費電力設定値P＿mot＿refはインバータに向けて出力される出力電力指示信号として出力される。また供給電力設定値P＿fc＿refは燃料電池スタック２０のＶ−Ｉ特性上でシステム全負荷量をまかなえる動作点が定められた際、その動作点に対応する電圧及び電流を供給可能な燃料ガスである水素ガスの循環量や圧力、酸素源である空気の流量や圧力としてシステム補機の制御量として提供される。

燃料電池制御系２は、燃料電池スタック２０の他に、平滑フィルタ２１、制御部１内の機能ブロックである第４制御手段１４、演算手段１６を備えている。

燃料電池スタック２０は、本発明の燃料電池に相当し、図示しないが、水素ガス、空気、冷却水の流路を有するセパレータと、一対のセパレータで挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）とから構成されるセルとが複数積層されており、ＭＥＡは高分子電解質膜を燃料極及び空気極の二つの電極を挟み込んだ構造をしている。当該燃料電池スタック２０に発電させるために、水素ガスを供給する系統と空気を供給する系統とが設けられている。当該燃料電池スタック２０は、制御部１から供給される供給電力設定値P＿fc＿refに対応して発電を行うようになっている。具体的に、この供給電力設定値P＿fc＿refは、燃料ガスである水素ガスの循環量と圧力、酸素源である空気の循環量と圧力等を制御部１が制御することによって調整されるものである。当該燃料電池スタック２０の実際の出力電力は図示しない電力センサや電圧センサ及び電流センサによって測定され、実供給電力値P＿fc＿mesとして出力されるものである。

平滑フィルタ２１は、燃料電池スタック２０からの実供給電力値P＿fc＿mesに含まれるノイズ成分（高周波成分）を除去し、制御部１に入力可能に出力するものである。この実供給電力値P＿fc＿mesは実際にはＡ／Ｄ変換されてデジタル値として制御部１に入力される。

第４制御手段１４は、現時点の実供給電力値P＿fc＿mesを参照し、システムの各種条件に応じて燃料電池スタック２０の発電量の電力補正を行う手段であり、その補正量を出力するようになっている。演算手段１６はこの燃料電池スタック２０の電力補正量に基づいて、供給電力設定値P＿fc＿refを補正する電力補正値を演算可能になっている。

負荷制御系３は、駆動モータ３０、平滑フィルタ３１、制御部１内の機能ブロックである第５制御手段１５、演算手段１８を備えている。

駆動モータ３０は、本発明の主要な負荷部に相当し、例えば三相同期モータである。駆動モータ３０は、第３制御手段１３の出力した消費電力設定値P＿mot＿refを第２制御手段１２の演算した消費電力制御値P＿mot＿crl及び第５制御手段１５の演算した電力補正値で補正した電力量に対応するトルクを発生させるようになっている。

平滑フィルタ３１は、駆動モータ３０における消費電力の測定値である消費電力実測値P＿mot＿mesに含まれるノイズ成分（高周波成分）を除去し、制御部１に入力可能に出力するものである。この消費電力実測値P＿mot＿mesは実際にはＡ／Ｄ変換されてデジタル値として制御部１に入力される。

第５制御手段１５は、現時点の消費電力実測値P＿mot＿mesを参照し、システムの各種条件に応じて駆動モータ３０に供給する電力を補正する手段であり、その補正量を出力するようになっている。演算手段１８はこの駆動モータ３０の電力補正量に基づいて、消費電力設定値P＿mot＿refを補正する電力補正値を演算可能になっている。

ここで、燃料電池システムの具体的な電力収支は、式（１）のようなものになる。
P＿bat ＝ P＿mot＋P＿aut−P＿fc …（１）
（燃料電池スタック２０によって供給される供給電力：P＿fc、駆動モータ３０によって消費される消費電力：P＿mot、システム補機によって消費される消費電力：P＿aux、バッテリー４０によって供給される供給電力：P＿bat）
もしも予想され設定される消費電力や供給電力と実際に測定される消費電力や供給電力に差が無いのであれば、上記式（１）に従って電力収支は常にバランスするはずである。しかし、実際にはセンサの精度やシステムの誤差によって、予想され設定しようとする値と実際に測定される値には開きが生ずる。この開きを是正しないと、電力収支に不均衡が生じ、長期的にはバッテリーの過充電や過放電を引き起こすことになる。そこで本実施形態では、蓄電装置制御系４においてこの誤差を是正する。

本発明に係る蓄電装置制御系４は、バッテリ４０、第１制御手段１１、差分手段４１、平滑フィルタ４２、第２制御手段１２、及び演算手段１７を備えている。

バッテリ４０は、鉛蓄電池等の一定電流容量を備えた本発明の蓄電装置であり、負荷量のうち、燃料電池スタック２０による電力供給で賄いきれない分を補うように接続されている。バッテリ４０の出力端子には電力センサまたは電圧センサ及び電流センサが設けられており、実際のバッテリ４０からの出力電力が実供給電力値P＿bat＿mesとして測定されるようになっている。本燃料電池システム１００は本発明に係る処理に基づき適正な電力収支が保たれるので、当該バッテリ４０の過充電や過放電が防止されるようになっている。

第１制御手段１１は、本発明の蓄電装置設定値P＿bat＿refを演算するものであり、具体的にはシステムの全負荷量である駆動モータ３０、システム補機の消費電力、その他システム損失を加えた全負荷量から燃料電池スタック２０から供給可能な電力を減算し、その残り分を補助電力源であるバッテリ４０で補わなければならない電力量として算出するものである。具体的には、負荷量として、第３制御手段１３によって演算された駆動モータ３０の消費電力設定値P＿mot＿refを主たる負荷として、さらにシステム補機の電力検出センサから供給された消費電力実測値P＿aux＿mesを従たる負荷として加算する。そして加算結果から、燃料電池スタック２０で供給可能な電力量である供給電力設定値P＿fc＿refを減算し、その演算結果をバッテリ４０で賄うべき電力量に相当する供給電力設定値P＿bat＿refとして算出する。

なお、ここではシステム補機の消費電力として実測値を用いたが、これはシステム補機の消費電力が駆動モータ３０による消費電力に比べ些少であり多少の誤差を含んでいても大きなズレを生じないからである。もしもシステム補機の消費電力が大きかったり変動の少ないものであったりするのであれば、予め想定される消費電力予測値をシステム補機の負荷量として使用してもよい。

差分手段４１は、上記バッテリ４０における出力電力の測定値である実供給電力値P＿bat＿mesと上記第１制御手段１１における供給電力設定値P＿bat＿refとの差分演算を行い、その差分を出力する。平滑フィルタ４２は、差分手段４１の差分値に含まれているノイズ成分（高周波成分）を除去し、制御部１に入力可能に出力する。この差分出力は実際にはＡ／Ｄ変換されてデジタル値として制御部１に入力される。

本発明に係る第２制御手段１２は、バッテリ４０の実供給電力値P＿bat＿mesと第１制御手段１１の供給電力設定値P＿bat＿refとの差分を入力して、電力収支のバランスが崩れていた場合にその不均衡を是正するような負荷量を計算し、駆動モータ３０に当該負荷量を増加または減少させるための電力補正値を消費電力制御値P＿mot＿crlとして出力するようになっている。

演算手段１７は、駆動モータ３０の消費電力設定値P＿mot＿refから当該消費電力制御値P＿mot＿crlの符号に応じた加算または減算を行い、バッテリ４０の実供給電力値P＿bat＿mesと第１制御手段１１の供給電力設定値P＿bat＿refとの差分量が存在する場合にその差分量をゼロにする方向に駆動モータ３０の消費電力を変化させる。

なお、上記構成において、平滑フィルタ２１、３１、４２はハードウェアとして設けるようにしたが、ソフトウェアプログラムにしたがう処理でフィルタ処理を行ってもよい。また差分手段４１もハードウェアの演算手段として図示したが、ソフトウェアプログラムに基づいた演算処理で差分を計算してもよい。

以上、上記実施形態によれば、燃料電池スタック２０に供給させるべき供給電力設定値P＿fc＿refと駆動モータ３０の負荷量に対応する消費電力設定値P＿mot＿ref及びシステム補機の負荷量に対応する消費電力実測値P＿aux＿mesに基づき、第１制御手段１１がバッテリ４０から供給すべき供給電力設定値P＿bat＿refを演算する。そして、差分手段４１がこの供給電力設定値P＿bat＿refと実際にバッテリ４０が出力している実供給電力値P＿bat＿mesとを差分し、第２制御手段１２がこの差分に応じた電力収支の不均衡を是正するような消費電力制御値P＿mot＿crlを出力するようになっている。

従って、上記構成によれば、電力収支の不均衡を負荷部である駆動モータで解消するように動作するので、バッテリの過放電に由来する電圧低下や過充電に由来する電圧上昇を効果的に防止することができる。

このとき、電力収支演算に用いられる値には、センサの精度等、システムの誤差が発生しうる実測値をなるべく用いないようにしているので、センサの精度やシステム誤差が相当量排除可能であるため、電力収支演算が正確であり、長期的に電力収支に不均衡が発生することがない。このため、確実にバッテリの過放電や過充電を防止することができ、ひいてはシステム効率の低下を防止することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して実施することが可能である。すなわち、上記実施形態では車載用の燃料電池システムに本発明を適用したが、燃料電池発電と蓄電装置とを併用させたシステム全般に本発明を適用可能である。例えば車両以外の輸送用機器システムや発電プラントに本発明を適用することが可能である。

本発明の実施形態を説明するブロック図。

符号の説明

P＿fc＿ref…燃料電池の供給電力設定値、P＿fc＿mes…燃料電池の実供給電力値、P＿mot＿ref…駆動モータの消費電力設定値、P＿mot＿mes…駆動モータの消費電力実測値、P＿aux＿mes…システム補機の消費電力実測値、P＿bat＿ref…バッテリーの供給電力設定値、P＿bat＿mes…バッテリーの実供給電力値、P＿mot＿crl…駆動モータのための消費電力制御値、１…制御部、２…燃料電池制御系、３…負荷制御系、４…蓄電装置制御系、１１…第１制御手段、１２…第２制御手段、１３…第３制御手段、１４…第４制御手段、１５…第５制御手段、１６〜１８…演算手段、ＦＣ、２０…燃料電池スタック、ｆ、２１、３１、４２…平滑フィルタ、Ｍ、３０…駆動モータ、ＢＡＴＴ、４０…バッテリー

Claims (4)

1. 燃料電池と蓄電装置とを備えたハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   電力を消費する負荷部と、
   前記負荷部における電力消費量を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   少なくとも、前記燃料電池に供給させる供給電力設定値と前記負荷部において消費させる消費電力設定値とに基づいて、前記蓄電装置に供給させる供給電力設定値を求め、
   前記蓄電装置に供給させる前記供給電力設定値と前記蓄電装置から実際に供給されている実供給電力値との差分を求め、
   前記差分が少なくなるように、前記負荷部における電力消費量を変更する、
   ことを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
2. 前記負荷部は、システム補機を含み、
   前記制御部は、前記負荷部において消費させる消費電力設定値として、前記システム補機において消費される消費電力を含めて、前記蓄電装置に供給させる前記供給電力設定値を求めること、を特徴とする請求項１に記載のハイブリッド燃料電池システム。
3. 前記負荷部は、駆動モータを含み、
   前記制御部は、前記差分に基づいて前記駆動モータにおける電力消費量を制御すること、を特徴とする請求項１または２に記載のハイブリッド燃料電池システム。
4. 燃料電池と蓄電装置とを備えたハイブリッド燃料電池システムにおいて、
   電力を消費する負荷部と、
   前記燃料電池に供給させる供給電力設定値と前記負荷部において消費させる消費電力設定値とに基づいて、前記蓄電装置に供給させる供給電力設定値を求める第１制御手段と、
   前記蓄電装置に供給させる前記供給電力設定値と前記蓄電装置から実際に供給されている実供給電力値との差分を求める演算手段と、
   前記差分が少なくなるように、前記負荷部における電力消費量を変更する第２制御手段と、
   を備えたことを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。

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