JP4686842B2 - 燃料電池装置の制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置の制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【0003】
そして、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、前記燃料電池を車両用の動力源として使用する場合には、バッテリ(蓄電池又は二次電池)を併用したハイブリッドとすることが一般的である。
【0004】
図2は従来の燃料電池装置を示す図である。
【0005】
図において、101は燃料電池であり、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般的である。
【0006】
また、102は充電によって放電を繰り返すことができるバッテリであり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。
【0007】
さらに、103はインバータ(INV)であり、前記燃料電池101又はバッテリ102からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。なお、前記駆動源が直流モータである場合は、前記燃料電池101又はバッテリ102からの直流電流は、前記インバータ103を介さずに駆動源に直接供給される。
【0008】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池101及びバッテリ102が並列に接続されて、前記インバータ103に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池101が停止した場合、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池101からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ102からインバータ103に電流が自動的に供給される。
【0009】
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がバッテリ102に供給され、該バッテリ102が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ102が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池101が発生する電流が自動的に前記バッテリ102に供給される。
【0010】
このように、前記燃料電池装置においては、前記バッテリ102が常時充電され、前記燃料電池101からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ102からインバータ103に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池101及びバッテリ102が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池101及びバッテリ102に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池101及びバッテリ102の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量が決まってしまう。
【0012】
図3は従来の燃料電池装置における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図において、横軸に電流を、縦軸に電圧及び電力を採ってある。
【0013】
図において、105は燃料電池101(図2)の電圧−電流特性を示す曲線、106はバッテリ102の電圧−電流特性を示す曲線、107は燃料電池101及びバッテリ102を合計した場合の本来の電圧−電流特性を示す曲線、108は燃料電池101及びバッテリ102を合計した場合の本来の電力特性を示す曲線である。
【0014】
例えば、車両の定負荷運転時には、前記燃料電池101からの電流だけで要求電流を満たしているので、本来、前記バッテリ102からインバータ103に電流が供給される必要がないにも関わらず、曲線106が示すように、前記バッテリ102は低電流領域から出力を開始するので、前記バッテリ102からも前記インバータ103に電流が供給されてしまう。このように、前記バッテリ102から常時電流が流れるようになっているので、前記バッテリ102の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ102の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
【0015】
また、前記燃料電池101及びバッテリ102のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ102が放電して端子電圧が低下した時であっても、曲線106が示すように、前記燃料電池101からの電流が前記バッテリ102に流れにくく、該バッテリ102の充電に時間がかかってしまう。このため、車両の走行が制限され、最悪の場合には、曲線106が示すように、前記バッテリ102が上がってしまう。
【0016】
逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、大電流が前記燃料電池101からバッテリ102に流れるので、該バッテリ102が過充電されることによって破壊されてしまう。
【0017】
さらに、通常、前記燃料電池101を作動させるためには、水素ガス、酸素ガス等の燃料ガスや水分等の排出物を供給又は排出したり燃料電池を冷却するためのファン、ポンプ等の補機類を駆動させる必要がある。ここで、前記補機類には、前記燃料電池101から供給される電流量に応じて駆動させるためのエネルギーが変動するものと、変動しないものとがあるが、前記燃料電池101から供給される電流量が少ない範囲においては、駆動させるためのエネルギーが変動しないものの割合が大きくなっている。したがって、前記補機類を駆動させるために必要なエネルギーは、前記燃料電池101から供給される電流量が少なくなってもあまり低下しない。そのため、前記燃料電池101から供給される電流量がごく少ない範囲においては、前記燃料電池101から供給される電流の相当程度の割合を前記補機類に供給することになり、該補機類を含めた燃料電池101のシステムとしての効率が極めて低くなってしまう。
【0018】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持して、燃料電池装置全体として効率ができるだけ高くなるように燃料電池及びバッテリを作動させることができる燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び2次電池を含み、前記燃料電池に並列に接続された2次電池回路とを備える燃料電池装置の前記燃料電池から前記負荷に供給される電流を、下記の式(1)で表される前記燃料電池のシステムとしての効率がその最高値の95〔%〕以上となるように、あらかじめ求められた前記燃料電池の水素燃焼エネルギー換算効率−出力電力特性を示す曲線と前記2次電池の効率−出力電力特性を示す曲線とに基づいて、前記燃料電池からの出力と、前記2次電池からの出力とを制御することにより分配する。
燃料電池のシステムとしての効率=(燃料電池の出力電力−補機類駆動エネルギー)÷(水素消費量×単位量当たりの水素の保有する燃焼エネルギー量) ・・・式(1)
【0022】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池のシステムとしての効率が一定値以上のときにのみ前記2次電池に充電する。
【0023】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記2次電池のSOCが一定値以下のときにのみ前記2次電池に充電する。
【0024】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記負荷に供給される電流が一定値以下のとき、前記燃料電池を停止する。
【0025】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池を停止するとき、前記燃料電池の補機類の少なくとも一部を停止する。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0027】
図1は本発明の第1の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【0028】
図1において、10は燃料電池(FC)回路であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池11とバッテリ12とを併用して使用する。
【0029】
そして、11は燃料電池であり、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
【0030】
なお、更に望ましくは、水素を燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(proton exchange membrance fuel cell)型燃料電池、又はPEM(proton exchange membrance)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する高分子膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(fuel cell)を複数直列に結合したスタック(stack)から成る(特開平11−317236号公報等参照)。
【0031】
例えば、本実施の形態においては、1例として、PEM型燃料電池であり、400枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は300〔cm 2〕であり、開放端子電圧は約350〔V〕、出力は約50〔kW〕である。そして、定常動作時の温度は50〜90〔℃〕程度である。
【0032】
なお、燃料である水素は、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した水素を燃料電池に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等に貯蔵した水素を供給することが望ましい。これにより、水素がほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池11は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【0033】
この場合、前記燃料電池11の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
【0034】
また、12は充電によって放電を繰り返すことができる2次電池としてのバッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が望ましい。
【0035】
例えば、本実施の形態においては、1例として、高性能鉛蓄電池を使用する。この場合、開放端子電圧は約210〔V〕であり、約10〔kW〕の電流を5〜20分程度供給することができる程度の容量を有する。
【0036】
さらに、13は負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池11又はバッテリ12からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータとしてのモータ14に供給する。ここで、前記モータ14は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記モータ14は車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、後述されるように、前記回生電流がバッテリ12に供給されて該バッテリ12が充電される。
【0037】
また、15はバッテリ充電制御回路であり、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)15aとサイリスタ15bとの並列回路である。ここで、前記IGBT15aは200〔A〕程度の電流を許容するものである。
【0038】
一方、16は昇圧制御回路としてのバッテリ放電制御回路であり、前記バッテリ充電制御回路と同様に、昇圧用スイッチング素子としてのIGBT16aとサイリスタ16bの並列回路である。ここで、前記IGBT16aは200〔A〕程度の電流を許容するものである。
【0039】
そして、17は200〔A〕程度の電流を許容するリアクトルであり、前記バッテリ放電制御回路16と共に昇圧回路を構成し、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
【0040】
ここで、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aは所定周期(例えば、20〔kHz〕程度)のスイッチング信号によってオンオフされる。前記IGBT16aをオンにしたときには、前記バッテリ12から出力された直流電流がリアクトル17に流れてエネルギーが蓄積され、前記IGBT16aをオフにしたときには、前記リアクトル17に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ12の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧された前記バッテリ12の出力電圧は前記スイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ前記燃料電池11の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
【0041】
また、前記バッテリ放電制御回路16におけるサイリスタ16bは、前記IGBT16aをオフにしたときに該IGBT16aのエミッタとコレクタとの間に発生する逆起電力によって、前記エミッタとコレクタとの間の絶縁が破壊されることを防止する。
【0042】
そして、18は回路を流れる電流値を測定する電流センサであり、19は、負荷又は2次電池からの電流が燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子としての、サイリスタである。
【0043】
また、20はハイブリッド回路電子制御ユニットであり、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路10における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16の動作を制御する。さらに、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット21、燃料電池電子制御ユニット22、イグニッション制御装置24等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路10の動作を統括的に制御する。
【0044】
なお、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット21等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
【0045】
ここで、例えば、本実施の形態においては、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、2つの電流センサ18との入出力インターフェイス、電圧計測用の2つの入出力インターフェイス、バッテリ充電制御回路15用の入出力インターフェイス、バッテリ放電制御回路16用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット21用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット22用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置24用の入出力インターフェイスを備える。また、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、電源としての電源バッテリ23に接続される電源インターフェイスも備える。
【0046】
次に、車両用電子制御ユニット21は、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。
【0047】
また、燃料電池電子制御ユニット22は、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池11に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して前記燃料電池11の動作を制御する。
【0048】
そして、前記電源バッテリ23は、充電によって放電を繰り返すことができる鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のバッテリから成り、12〔V〕の直流電流を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20に供給する。なお、前記電源バッテリ23は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
【0049】
また、前記イグニッション制御装置24は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20やその他の装置に伝達する。
【0050】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【0051】
図4は本発明の第1の実施の形態における燃料電池の特性を示す図、図5は本発明の第1の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図4において、横軸に電流値Aを、縦軸に電圧V、電力kW及び効率%を採ってあり、図5において、横軸に電力kWを、縦軸に効率%及び水素量L/minを採ってある。
【0052】
図4において、31は燃料電池11(図1)の電圧−電流特性を示す曲線である。前記燃料電池11の電圧−電流特性を示す曲線31は、通常のPEM型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。なお、前述されたように、前記燃料電池11は出力インピーダンスがほぼ0の電源である。
【0053】
そして、前記電圧−電流特性を示す曲線31から、次式(1)に基づいて、前記燃料電池11単体としての効率であるスタック効率を示す曲線32を得ることができる。
【0054】
スタック効率=燃料電池11の出力電力÷(水素消費量×単位量当たりの水素の保有する燃焼エネルギー量)・・・(1)
また、前記電圧−電流特性を示す曲線31から、次式(2)に基づいて、前記燃料電池11のシステムとしての効率であるシステム効率を示す曲線33を得ることができる。
【0055】
システム効率=(燃料電池11の出力電力−補機類駆動エネルギー)÷(水素消費量×単位量当たりの水素の保有する燃焼エネルギー量)・・・(2)
ここで、前記補機類駆動エネルギーは、前記燃料電池11を作動させるために使用される補機類を駆動させるために必要なエネルギーである。なお、前記補機類は、例えば、水素、酸素等の燃料ガスや水分等の排出物を供給又は排出したり、燃料電池11を冷却するためのバルブ、ファン、ポンプ等である。
【0056】
さらに、前記電圧−電流特性を示す曲線31から、前記燃料電池11の出力電流−出力電力特性を示す曲線34を得ることができる。
【0057】
そして、前記システム効率を示す曲線33から、前記燃料電池11のシステムとしての効率は、前記燃料電池11の出力電力が10〜20〔A〕程度をピークとし、それ以上の範囲において、出力電力の増加に伴って、緩やかに低下していくが、前記ピーク以下の範囲において、出力電力の減少に伴って、急激に低下していくことがわかる。
【0058】
このことから、図において前記燃料電池11のシステム効率の前記ピーク付近よりも左側の範囲、すなわち、前記燃料電池11の出力電力が10〜20〔A〕程度より低い場合には、前記燃料電池11のシステムとしての効率が極めて低いので、前記燃料電池11を使用しないほうがよいことがわかる。
【0059】
次に、図5において、41は燃料電池11の水素燃焼エネルギー換算効率−出力電力特性を示す曲線であり、図4に示される燃料電池11の電圧−電流特性を示す曲線31に基づいて得ることができる。
【0060】
そして、42は、燃料電池11から8〔kW〕の充電を行う場合の、バッテリ12の効率−出力電力特性を示す曲線である。なお、前記バッテリ12の効率は水素燃焼エネルギーに換算して示されている。
【0061】
また、43は燃料電池11における水素消費量−出力電力特性を示す曲線である。
【0062】
ここで、前記図4において前記燃料電池11のシステム効率の前記ピーク付近よりも左側の範囲に対応する範囲である、図5において点Aよりも左側の範囲においては、前記燃料電池11のシステムとしての効率が極めて低い。そのため、前記点Aより左側の範囲、すなわち、要求電力の値がA未満の範囲においては、前記燃料電池11を使用せずに、前記バッテリ12のみから電流が供給されるようにすればよいことがわかる。この場合、曲線42から、要求電力の値がA未満の範囲において、前記バッテリ12の効率が高いことが分かる。
【0063】
また、前記バッテリ12の効率が最も高いのは、出力電力が0である時であって、その効率は図5におけるBの点である。一方、図5において点Aよりも右側の範囲において、前記燃料電池11のシステムとしての効率は出力電力の増加に伴って緩やかに低下してゆき、点Cにおいて、前記点Bと同一の値になる。
【0064】
このことから、図5において点Aよりも右側の範囲であって、前記点Cに対応する点Dまでの範囲においては、前記バッテリ12を使用せずに、前記燃料電池11のみから電流が供給されるようにすればよいことがわかる。
【0065】
そして、図5において点Dよりも右側の範囲では、前記燃料電池11とバッテリ12の効率が等しくなるように、かつ、前記燃料電池11の出力電力とバッテリ12の出力電力との和が要求電力に等しくなるように、前記燃料電池11とバッテリ12との出力を、前記曲線41及び42に基づいて、それぞれ制御すればよいことが分かる。従って、燃料電池の制御装置は、前記燃料電池11のシステムとしての効率とバッテリ12の効率が等しくなるように、及び/または然料電池の出力電力とバッテリ12の出力電力の和が要求電力に等しくなるようにそれぞれの効率特性に基づいて制御する。
【0066】
本実施の形態においては、ハイブリッド回路電子制御ユニット20の記憶手段には、図4及び5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット21から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ14に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力の値が、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいて見い出される。
【0067】
なお、前記図4及び5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性は、グラフの形態で記憶手段に格納されていてもよいし、マップの形態で記憶手段に格納されていてもよいし、また、テーブルの形態で記憶手段に格納されていてもよい。さらに、前記図4及び5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性をあらかじめ関数にして記憶手段に格納し、必要に応じて前記関数を読み出して、数値を代入して、必要な値を算出するようにすることもできる。
【0068】
そこで、ここでは、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいた燃料電池回路10の基本的な動作について説明する。
【0069】
まず、要求電力の値が図5におけるA未満の場合は、前記バッテリ12だけから電流を供給する。この場合には、前記バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a、16aをオフの状態とする。このため、要求電力の値が変動しても、前記バッテリ12からは要求電力の値に応じた値の電流が自動的に供給される。
【0070】
一方、前記燃料電池11を作動させるための補機類を停止させるので、前記燃料電池11には燃料である水素及び酸化剤である酸素又は空気が供給されず、前記燃料電池11からは電流が供給されない。なお、前記燃料電池11をいつでも作動させることができる状態を保つ、すなわちスタンバイさせておくために、最低限度の補機類、例えば、水素供給用バルブ、空気ファン等は最低限の能力で作動を継続させる。この場合、作動を継続する補機類には、前記バッテリ12又は電源バッテリ23から電力が供給される。
【0071】
なお、前記バッテリ12から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって測定される。そして、前記電流及び電圧の値に基づいて、前記バッテリ12が供給する電力の値がA未満であるか否かが、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって、常時検出される。
【0072】
次に、要求電力の値が図5におけるA以上となった場合であって、前記要求電力の値が図5におけるD未満の場合には、前記燃料電池11のシステムとしての効率が前記バッテリ12の効率よりも高いので、前記バッテリ12を使用せずに、前記燃料電池11のみから電流が供給されるようにする。
【0073】
そして、前記燃料電池11だけから電流を供給する場合には、前記燃料電池11を作動させるための補機類をすべて作動させるとともに、前記バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a、16aをオフの状態とする。ここで、前記燃料電池11の開放端子電圧のほうが前記バッテリ12の開放端子電圧よりも高いので、前記バッテリ12からは電流が供給されず、自動的に、前記燃料電池11だけから電流が供給される。
【0074】
この場合、前記燃料電池11には燃料である水素及び酸化剤である酸素又は空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、前記燃料電池11からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、前記燃料電池11の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、前記燃料電池11から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって測定される。そして、前記電流及び電圧の値に基づいて、前記燃料電池11が供給する電力の値がA以上であってD未満であるか否かが、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって、常時検出される。
【0075】
次に、要求電力の値が図5におけるD以上となった場合、前記燃料電池11のシステムとしての効率は、出力が0の場合の前記バッテリの効率よりも低くなるので、前記バッテリ12を併用して、前記燃料電池11からの出力に加えて前記バッテリ12からも電流が供給されるようにする。
【0076】
ここで、前記バッテリ12からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期(例えば、20〔kHz〕程度)のスイッチング信号によってオンオフする。前記IGBT16aをオンにしたときには、前記バッテリ12から出力された直流電流がリアクトル17に流れてエネルギーが蓄積され、前記IGBT16aをオフにしたときには、前記リアクトル17に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ12の出力電圧に加算され、その合計が前記燃料電池11の出力電圧とほぼ等しくなる。
【0077】
このようにして、前記バッテリ12の出力電圧を前記記燃料電池11の端子電圧にまで昇圧させて、前記燃料電池11及びバッテリ12からの電流を併せて出力させる。
【0078】
ただし、図5における曲線42から分かるように、前記バッテリ12の効率は、出力する電力の増加に伴って緩やかにではあるが減少する。そのため、図5における曲線42から求められる前記バッテリ12の効率が、図5における曲線41から求められる前記燃料電池11のシステムとしての効率に等しくなるように、前記IGBT16aの作動を制御する。この場合、曲線41及び42から求められる前記燃料電池11の出力電力とバッテリ12の出力電力との和が要求電力に等しくなるように、前記IGBT16aの作動を制御する。
【0079】
これにより、要求電力がいかなる値であっても、前記燃料電池11は、図5においてできる限り左方に近い範囲、すなわち、システムとしての効率ができる限り高い範囲で、作動させられるので、いかなる運転条件においても、燃料電池装置の効率が向上する。
【0080】
次に、前記バッテリ12のSOC(state of charge:残存容量)が低下したために前記バッテリ12を充電する場合の燃料電池回路10の基本的な動作について説明する。
【0081】
まず、車両の減速運転時に前記モータ14が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ13によって直流の回生電流に変換される。この時、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記IGBT15aを通って前記バッテリ12に供給されるので、該バッテリ12は充電される。
【0082】
なお、前記回生電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記IGBT15aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記IGBT15aを流れる電流の値を制御する。
【0083】
したがって、前記バッテリ12のSOCが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ12に供給したりすることがないので、該バッテリ12が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
【0084】
また、前記バッテリ12のSOCが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、前記燃料電池11から電流を供給してバッテリ12を充電する。この場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記IGBT15aを通ってバッテリ12に供給される。したがって、該バッテリ12は充電される。
【0085】
なお、前記燃料電池11からの電流の値及び前記バッテリ12に供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ12のSOCが十分に上昇した場合、前記燃料電池11から供給される電流の値が前記電流値Aとなった場合、及び前記インバータ13を介してモータ14に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記IGBT15aはオフにされる。また、前記バッテリ12に供給される電流の値が過大である場合は、前記IGBT15aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記IGBT15aを流れる電流の値を制御する。
【0086】
したがって、前記バッテリ12のSOCが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ12に供給したりすることがないので、該バッテリ12が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、前記燃料電池11に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
【0087】
次に、本実施の形態における車両の状態に対応する燃料電池回路10の制御方法について詳細に説明する。
【0088】
図6は本発明の第1の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャート、図7は図6のフローチャートのサブルーチンを示すフローチャート、図8は図7のフローチャートのサブルーチンを示すフローチャートである。
【0089】
本実施の形態においては、前記燃料電池11をシステムとしての効率が可能な限り高い範囲で作動させて、いかなる運転条件においても、燃料電池装置の効率が所定の高い範囲となるように、燃料電池回路10(図1)を制御する。
【0090】
まず、車両用電子制御ユニット21は、図6に示されるように、運転者が踏み込んだ車両のアクセルの開度、すなわち、アクセル開度を検出(ステップS1)し、続いて、車両の速度、すなわち、車両速度を検出(ステップS2)して、ハイブリッド回路電子制御ユニット20に送信する。
【0091】
すると、該ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記アクセル開度及び車両速度に基づいて、モータ14の発生すべき出力、すなわち、モータ出力を算出(ステップS3)し、続いて、該モータ出力を発生するのに必要な電力、すなわち、要求電力を算出(ステップS4)する。
【0092】
次に、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記要求電力を出力する場合に最適な燃料電池11の出力及びバッテリ12の出力を算出(ステップS5)する。
【0093】
ここで、前記燃料電池11の出力及びバッテリ12の出力の算出は、図7に示されるようなサブルーチンにしたがって、行われる。
【0094】
まず、電流センサ18はバッテリ12の充電電流を検出(ステップS7)してハイブリッド回路電子制御ユニット20に送信すると、前記充電電流の値は、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20の記憶手段に格納される。
【0095】
次に、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記バッテリ12における出力と効率の関係を算出(ステップS8)する。
【0096】
次に、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記要求電力を出力する場合に効率が最大となるような燃料電池11の出力及びバッテリ12の出力を算出(ステップS9)する。
【0097】
このようにして、最適な燃料電池11の出力及びバッテリ12の出力が算出されると、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20はそれに基づいて、燃料電池11の出力及びバッテリ12から電流が出力されるように各種制御装置の操作を制御(ステップS6)する。
【0098】
ここで、ステップS9において、前記燃料電池11の出力及びバッテリ12の出力を算出する1例を、図8に示されるようなサブルーチンにしたがって、説明する。
【0099】
まず、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記要求電力が図5における点Dの値、例えば20〔kW〕、未満か否かを判定(ステップS10)する。
【0100】
そして、前記要求電力が図5における点Dの値未満の場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a、16aをオフの状態とする。これにより、前記燃料電池11の開放端子電圧のほうが前記バッテリ12の開放端子電圧よりも高いので、前記バッテリ12からは電流が供給されず、自動的に、前記燃料電池11だけから電流が供給(ステップS12)される。
【0101】
一方、前記要求電力が図5における点Dの値未満でない場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期(例えば、20〔kHz〕程度)のスイッチング信号によってオンオフする。すると、前記IGBT16aをオンにしたときには、前記バッテリ12から出力された直流電流がリアクトル17に流れてエネルギーが蓄積され、前記IGBT16aをオフにしたときには、前記リアクトル17に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ12の出力電圧に加算され、その合計が前記燃料電池11の出力電圧とほぼ等しくなる。
【0102】
このようにして、前記バッテリ12の出力電圧を前記記燃料電池11の端子電圧にまで昇圧させて、前記燃料電池11及びバッテリ12からの電流を併せて出力(ステップS11)させる。
【0103】
この場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、図5における曲線42から求められる前記バッテリ12の効率が、曲線41から求められる前記燃料電池11のシステムとしての効率に等しくなるように、前記IGBT16aの作動を制御する。なお、曲線41及び42から求められる前記燃料電池11の出力電力とバッテリ12の出力電力との和が要求電力に等しくなるように、前記IGBT16aの作動を制御する。
【0104】
例えば、前記要求電力が35〔kW〕である場合、前記燃料電池11の出力電力を22.5〔kW〕程度とし、前記バッテリ12の出力電力を12.5〔kW〕程度とすると、前記燃料電池11のシステムとしての効率と前記バッテリ12の効率がほぼ等しくなることが、図5から分かる。
【0105】
なお、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20の記憶手段には、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性があらかじめ格納されている。この場合、前記燃料電池11及びバッテリ12の特性は、グラフの形態で記憶手段に格納されていてもよいし、マップの形態で記憶手段に格納されていてもよいし、また、テーブルの形態で記憶手段に格納されていてもよい。
【0106】
また、前記燃料電池11及びバッテリ12の特性をあらかじめ関数にして記憶手段に格納し、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20の演算手段が、必要に応じて前記関数を記憶手段から読み出して、数値を代入して、必要な値を算出するようにすることもできる。さらに、前記バッテリ12のSOCの値に応じて前記燃料電池11及びバッテリ12の出力電力を決定するようにしてもよい。
【0107】
このように、本実施の形態においては、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいて、バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aの作動を制御して、前記燃料電池11をシステムとしての効率が所定の高い範囲で作動させるように、かつ、前記燃料電池11の出力電力とバッテリ12の出力電力との和が要求電力に等しくなるように前記燃料電池11及びバッテリ12の出力電力を制御する。
【0108】
したがって、いかなる運転条件においても、燃料電池装置の効率を可能な限り高くすることができる。
【0109】
次に、本発明の第2の実施の形態における車両の状態に対応する燃料電池回路10の制御方法について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【0110】
図9は本発明の第2の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【0111】
まず、ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ12の開放端子電圧に基づいて、前記バッテリ12のSOCの値を算出する。続いて、算出した前記SOCが所定の割合、例えば、50〔%〕、より大きいか否かを判定(ステップS101)する。
【0112】
そして、前記SOCが前記所定の割合(50〔%〕)より大きい場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は現在の制御を引き続き継続する。
【0113】
一方、前記SOCが前記所定の割合値(50〔%〕)より大きくない場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記第1の実施の形態と同様に、車両用電子制御ユニット21が検出したアクセル開度及び車両速度に基づいて、要求電力を算出する。そして、該要求電力が所定の出力、例えば、6〔kW〕、より大きいか否かを判定(ステップS102)する。ここで、前記所定の出力は、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点に対応する出力である。
【0114】
そして、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きい場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は現在の制御を引き続き継続する。
【0115】
一方、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きくない場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aの作動を制御して、前記所定の出力と要求電力との差分に対応する電流を前記バッテリ12に供給して、前記バッテリ12の充電を行う(ステップS103)。
【0116】
なお、本実施の形態において、前記所定の出力を、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点の95〔%〕に対応する出力とすることもできる。この場合、比較的広範囲な車両の走行状況下において、バッテリ12の充電を行うことができる。
【0117】
このように、本実施の形態においては、バッテリ12のSOCが所定の割合以下の時であり、かつ、燃料電池11のシステムとしての効率が一定の範囲内にある時にだけバッテリ12の充電を行うようにしているので、バッテリ12のSOCを常に適切な範囲に維持することができ、かつ、燃料電池装置の効率を可能な限り高くすることができる。
【0118】
次に、本発明の第3の実施の形態における車両の状態に対応する燃料電池回路10の制御方法について説明する。なお、第1及び第2の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【0119】
図10は本発明の第3の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【0120】
まず、ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記第1及び第2の実施の形態と同様に、車両用電子制御ユニット21が検出したアクセル開度及び車両速度に基づいて、要求電力を算出する。そして、該要求電力が所定の出力、例えば、6〔kW〕、より大きいか否かを判定(ステップS201)する。ここで、前記所定の出力は、前記第2の実施の形態と同様に、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点に対応する出力である。
【0121】
そして、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きい場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、燃料電池11の補機類を作動させ(ステップS202)、続いて、前記燃料電池11を作動させる(ステップS203)。
【0122】
一方、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きくない場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記燃料電池11を停止させ(ステップS204)、続いて、前記燃料電池11を作動させるための補機類を停止させる(ステップS205)。
【0123】
なお、本実施の形態においても、前記第2の実施の形態と同様に、前記所定の出力を、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点の95〔%〕に対応する出力とすることもできる。この場合、比較的広範囲な車両の走行状況下において、バッテリ12の充電を行うことができる。
【0124】
このように、本実施の形態においては、燃料電池11のシステムとしての効率が低い範囲にある時は、前記燃料電池11を停止して、バッテリ12だけから電流が供給されるようにしている。
【0125】
したがって、いかなる運転条件においても燃料電池装置の効率が向上する。
【0126】
次に、本発明の第4の実施の形態における車両の状態に対応する燃料電池回路10の制御方法について説明する。なお、第1〜第3の実施の形態と同じ構造を有するもの及び同じ動作については、その説明を省略する。
【0127】
図11は本発明の第4の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【0128】
まず、ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記第1〜第3の実施の形態と同様に、車両用電子制御ユニット21が検出したアクセル開度及び車両速度に基づいて、要求電力を算出する。そして、該要求電力が所定の出力、例えば、6〔kW〕より大きいか否かを判定(ステップS301)する。ここで、前記所定の出力は、前記第2及び第3の実施の形態と同様に、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点に対応する出力である。
【0129】
そして、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きい場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、燃料電池11の補機類をすべて作動させ(ステップS302)、続いて、前記燃料電池11を作動させる(ステップS303)。
【0130】
一方、前記要求電力が前記所定の出力(6〔kW〕)より大きくない場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記燃料電池11を停止させ(ステップS304)、続いて、前記燃料電池11を作動させるための補機類を停止させる(ステップS305)。この場合、前記燃料電池11をスタンバイさせておくために、最低限度の補機類、例えば、水素供給用バルブ、空気ファン等は最低限の能力で作動を継続させる。なお、作動を継続する補機類には、前記バッテリ12又は電源バッテリ23から電力が供給される。
【0131】
なお、本実施の形態においても、前記第2及び第3の実施の形態と同様に、前記所定の出力を、図4においてシステム効率を示す曲線33の最高点の95〔%〕に対応する出力とすることもできる。この場合、比較的広範囲な車両の走行状況下において、バッテリ12の充電を行うことができる。
【0132】
このように、本実施の形態においては、燃料電池11のシステムとしての効率が低い範囲にある時は、前記燃料電池11を停止して、バッテリ12だけから電流が供給されるようにしている。
【0133】
したがって、いかなる運転条件においても燃料電池装置の効率が向上する。
【0134】
しかも、前記燃料電池11が停止している時も、最低限度の補機類が作動しているので、前記燃料電池11をいつでも作動させることができるようにスタンバイさせておくことができる。
【0135】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0136】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び2次電池を含み、前記燃料電池に並列に接続された2次電池回路とを備える燃料電池装置の前記燃料電池から前記負荷に供給される電流を、下記の式(1)で表される前記燃料電池のシステムとしての効率がその最高値の95〔%〕以上となるように、あらかじめ求められた前記燃料電池の水素燃焼エネルギー換算効率−出力電力特性を示す曲線と前記2次電池の効率−出力電力特性を示す曲線とに基づいて、前記燃料電池からの出力と、前記2次電池からの出力とを制御することにより分配する。
燃料電池のシステムとしての効率=(燃料電池の出力電力−補機類駆動エネルギー)÷(水素消費量×単位量当たりの水素の保有する燃焼エネルギー量) ・・・式(1)
【0137】
この場合、いかなる運転条件においても、燃料電池装置の効率が向上する。したがって、燃料電池装置を高効率で運転することになるので、燃料使用量が少なくて済む。
【0139】
この場合、前記燃料電池のシステムとしての効率を常に高く維持することができる。
【0141】
この場合、前記燃料電池のシステムとしての効率と前記2次電池の効率とを常に高く維持することができる。
【0142】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池のシステムとしての効率が一定値以上のときにのみ前記2次電池に充電する。
【0143】
この場合、前記燃料電池のシステムとしての効率を高く維持した状態で、前記2次電池の充電状態を適切に制御することができる。
【0144】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記2次電池のSOCが一定値以下のときにのみ前記2次電池に充電する。
【0145】
この場合、前記2次電池が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、前記燃料電池に過大な負荷をかけることも、前記負荷に供給される電流に対応することができなくなってしまうこともない。
【0146】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記負荷に供給される電流が一定値以下のとき、前記燃料電池を停止する。
【0147】
この場合、前記燃料電池のシステムとしての効率が低い範囲で前記燃料電池を停止するので、燃料電池装置の効率が低下することがない。
【0148】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記燃料電池を停止するとき、前記燃料電池の補機類の少なくとも一部を停止する。
【0149】
この場合、前記燃料電池が停止しているとき、補機類の消費する電力を節約することができるので、燃料電池装置の効率が低下することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図2】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図3】従来の燃料電池装置における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態における燃料電池の特性を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
【図6】本発明の第2の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図7】図6のフローチャートのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図8】図7のフローチャートのサブルーチンを示すフローチャートである。
【図9】本発明の第2の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図10】本発明の第3の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図11】本発明の第4の実施の形態における燃料電池装置の制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
11 燃料電池
Claims (5)
- 両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び2次電池を含み、前記燃料電池に並列に接続された2次電池回路とを備える燃料電池装置の前記燃料電池から前記負荷に供給される電流を、下記の式(1)で表される前記燃料電池のシステムとしての効率がその最高値の95〔%〕以上となるように、あらかじめ求められた前記燃料電池の水素燃焼エネルギー換算効率−出力電力特性を示す曲線と前記2次電池の効率−出力電力特性を示す曲線とに基づいて、前記燃料電池からの出力と、前記2次電池からの出力とを制御することにより分配することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
燃料電池のシステムとしての効率=(燃料電池の出力電力−補機類駆動エネルギー)÷(水素消費量×単位量当たりの水素の保有する燃焼エネルギー量) ・・・式(1) - 前記燃料電池のシステムとしての効率が一定値以上のときにのみ前記2次電池に充電する請求項1に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記2次電池のSOCが一定値以下のときにのみ前記2次電池に充電する請求項2に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記負荷に供給される電流が一定値以下のとき、前記燃料電池を停止する請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記燃料電池を停止するとき、前記燃料電池の補機類の少なくとも一部を停止する請求項4に記載の燃料電池装置の制御方法。
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