JP4847043B2 - 燃料電池車両の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、反応ガスの電気化学反応により発電して回転負荷に電力を出力可能な燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池と前記回転負荷及び前記蓄電装置とを電気的に開閉するスイッチング機構と、前記蓄電装置に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータとを備える燃料電池車両の制御方法に関する。
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この種の燃料電池の用途としては、自動車等の車両に搭載した燃料電池車両が注目されている。発電効率が高く、しかも排気がクリーンであるという利点があるからである。
燃料電池車両では、燃料電池の出力応答性等を補うために、バッテリやキャパシタ（電気二重層コンデンサ）等の蓄電装置を併用するハイブリッド電源システムが採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池を有する直流電源では、図１０に示すように、燃料電池１とバッテリ２とが並列してインバータ３に接続されている。インバータ３に供給される電流は、三相交流に変換されて同期モータ４に供給され、この同期モータ４に連結されている車輪５Ｌ、５Ｒが回転駆動される。
バッテリ２とインバータ３との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ６が設けられている。ＤＣ−ＤＣコンバータ６は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２から入力されたＤＣ電圧を調整してインバータ３側に出力する機能、及び燃料電池１又は同期モータ４から入力されたＤＣ電圧を調整して前記バッテリ２に出力する機能を有している。
このような構成において、燃料電池１とバッテリ２との最大出力比は、前者が全体出力の６５％〜８０％になる範囲で設定される。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ６での損失を抑制し、高いエネルギ効率を実現することができる、としている。
特開２００２−１１８９８１号公報（図１）
上記の特許文献１では、バッテリ２を放電（走行）する場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ６の該バッテリ２側を入力、インバータ３側を出力とし、出力電圧ＶPINを燃料電池１の出力電圧ＶFCに一致させている。
一方、図１１に示すように、バッテリ２を充電（回生）する場合、燃料電池１の出力電流ＩFCが下がるため、燃料電池１の出力電圧ＶFCが昇圧するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ６のインバータ３側の入力電圧ＶPINも昇圧している。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ６では、バッテリ２側の出力電圧ＶBATTと入力電圧ＶPINとが一定の電圧差を維持するように、回生発電中、スイッチングが継続して行われている。
これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ６におけるスイッチング損失が発生し、回生エネルギの一部が失われて燃費が悪化するという問題が指摘されている。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、ＤＣ−ＤＣコンバータでの損失を減少させて燃費の向上を図ることが可能な燃料電池車両の制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、反応ガスの電気化学反応により発電して回転負荷に電力を出力可能な燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池と前記回転負荷及び前記蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング機構と、一端に前記蓄電装置が接続され且つ他端に前記回転負荷が接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、コントロールユニットとを備え、前記回転負荷は、モータとインバータとを含む燃料電池車両の制御方法である。そして、回転負荷による回生が行われると判断された際、前記回転負荷から前記蓄電装置に回生電力を直接充電するために、ＤＣ−ＤＣコンバータが直結される。
さらに、スイッチング機構を介して燃料電池と蓄電装置とを電気的に遮断する前に、燃料電池電流を基準値以下に制御することが好ましい。
また、回転負荷による回生が終了した後、ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧制御した後、スイッチング機構を介して燃料電池から回転負荷に電力を出力可能にすることが好ましい。
本発明によれば、回転負荷による回生が行われる際、蓄電装置に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータは、直結されており、前記ＤＣ−ＤＣコンバータによる電圧調整、すなわち、スイッチングを行う必要がない。このため、回生時にＤＣ−ＤＣコンバータでのスイッチング損失を有効に減少させることができ、簡単且つ経済的な構成で、回生エネルギを効率的に回収することが可能になり、燃費の向上が確実に図られる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池車両１０の概略構成説明図である。
燃料電池車両１０は、燃料電池１２を備えており、この燃料電池１２には、燃料ガス供給部１４と、酸化剤ガス供給部１６と、必要に応じて冷却媒体供給部（図示せず）とが接続される。燃料電池１２は、図示していないが、例えば、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持する発電セルを積層したスタックとして構成されている。
燃料ガス供給部１４は、燃料電池１２のアノード側電極に水素含有ガス等の燃料ガスを供給する一方、酸化剤ガス供給部１６は、前記燃料電池１２のカソード側電極に空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガスを供給する。
燃料電池１２は、スイッチング機構、例えば、コンタクタ１８を介して回転負荷２０に接続可能であり、この回転負荷２０は、両車輪２２に駆動力を伝達するモータ２４とインバータ２６とを備える。このインバータ２６は、燃料電池１２及び後述する蓄電装置３０から出力される直流電力を、三相交流電力に変換して前記モータ２４に供給する。
コンタクタ１８とインバータ２６との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が接続された蓄電装置３０が接続される。この蓄電装置３０は、バッテリやキャパシタ等により構成される。燃料電池車両１０は、コントロールユニット３２により駆動制御されるとともに、このコントロールユニット３２には、アクセルペダル３４からアクセル信号が入力される。
コントロールユニット３２は、種々の機能を有しており、回転負荷２０による回生が行われるか否かを判断する回生判定機構３６と、前記回生が行われると判断された際、モータ２４から蓄電装置３０に回生電力を直接充電するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８を直結させる直結制御機構３８としての機能を備える。
コントロールユニット３２は、さらにＤＣ−ＤＣコンバータ２８を直結させる前に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２８を降圧制御する直結準備機構４０と、回生が行われると判断された際、コンタクタ１８を介して燃料電池１２と蓄電装置３０とを電気的に遮断する遮断制御機構４２と、前記コンタクタ１８を介して前記燃料電池１２と前記蓄電装置３０とを電気的に遮断する前に、燃料電池電流を基準値以下に制御する電流制御機構４４と、回転負荷２０による回生が終了した後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２８を昇圧制御する昇圧制御機構４６と、前記コンタクタ１８を介して前記燃料電池１２から前記モータ２４に電力を出力可能にする接続制御機構４８としての機能を備える。
このように構成される燃料電池車両１０の制御方法について、図２に示すフローチャート及び図３〜図６に示すタイミングチャートに沿って以下に説明する。
燃料電池車両１０は、図３及び図４に示すように、通常走行時に燃料電池１２からモータ２４には燃料電池電流ＩＦＣが供給されるとともに、蓄電装置３０から前記モータ２４には蓄電電流ＩＢＡＴＴが供給されている。このため、モータ２４は、モータ電流ＩＭＯＴ（ＩＦＣ＋ＩＢＡＴＴ）による走行が行われている。その際、コンタクタ１８は閉じられており、燃料電池１２の燃料電池電圧ＶＦＣと、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の電圧指令値であるインバータ電圧ＶＰＩＮとの電圧差が、所定値に維持されている。なお、蓄電装置３０では、図３に示すように、開回路電圧（open circuit voltage ＯＣＶ）ＶＢＡＴＴ−ＯＣＶよりも低いときに放電が行われている一方、この開回路電圧ＶＢＡＴＴ−ＯＣＶよりも高いときに充電が行われている。すなわち、蓄電装置３０は、開回路電圧ＶＢＡＴＴ−ＯＣＶを基準にして充放電の切り替えが行われている。
一方、コントロールユニット３２では、予めモータ２４の目標トルクが設定されており、回生判定機構３６は、この目標トルクが負となるか否かによって回転負荷２０による回生が行われるか否かを判断する（ステップＳ１）。そして、回生判定機構３６により目標トルクが負であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、電流制御機構４４を介して燃料電池電流ＩFCを減少させるための制御が行われる。
燃料電池１２では、燃料電池電流ＩFCが減少するのに伴って、燃料電池電圧ＶFCが上昇するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８を昇圧制御（スイッチング）することにより、インバータ電圧ＶPINを昇圧させる。ここで、燃料電池電流ＩFCを減少させると、所望のモータ電流ＩMOTを維持するために、蓄電装置３０では、アシスト電流としての蓄電電流ＩBATTが増加する。従って、蓄電電圧ＶBATTが一旦降圧する。
次いで、燃料電池電流ＩFCが基準電流値ＩPD以下であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、遮断制御機構４２の作用下にコンタクタ１８が開放されて、燃料電池１２と蓄電装置３０とが電気的に遮断される。このため、燃料電池電流ＩFCの供給が停止されて燃料電池電圧ＶFCが上昇するとともに、蓄電電流ＩBATTが一旦増加する。そして、この蓄電電流ＩBATTは、モータ電流ＩMOTの低下に伴って低下する。
一方、コンタクタ１８の開制御が終了すると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、直結準備機構４０を介してＤＣ−ＤＣコンバータ２８が降圧制御（スイッチング）され、インバータ電圧ＶPINが降圧される。蓄電電圧ＶBATTは、蓄電電流ＩBATTの低下に伴って上昇し、回生発電が開始された後（ステップＳ６）、インバータ電圧ＶPINが前記蓄電電圧ＶBATTと略一致する時点で、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、直結制御機構３８の作用下に、常時ＯＮとなるように直結される（ステップＳ７）。このため、モータ２４の回生電力は、インバータ２６により蓄電装置３０の蓄電電圧ＶBATTに調整されてこの蓄電装置３０に充電される。
上記の回生処理後、燃料電池車両１０の運転が継続される際（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１に戻って目標トルクが負であるか否かが判断される。そして、目標トルクが正である、すなわち、回生が終了したと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、コンタクタ１８が開であるか否かが判断される（ステップＳ９）。コンタクタ１８が開であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、昇圧制御機構４６を介してＤＣ−ＤＣコンバータ２８が昇圧制御される（ステップＳ１０）。
図５及び図６に示すように、昇圧制御によりインバータ電圧ＶPINが昇圧され、このインバータ電圧ＶPINと燃料電池電圧ＶFCとの電圧差が規定値ＶPD以下となると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、接続制御機構４８の作用下にコンタクタ１８が閉じられる。その際、燃料電池電流ＩFCが立ち上がるため、蓄電電流ＩBATTが減少する。
さらに、コンタクタ１８の閉処理が完了して、燃料電池１２とモータ２４とが電気的に接続されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ）、前記燃料電池１２から前記モータ２４に電力が出力可能となる。
この場合、第１の実施形態では、モータ２４の回生電力を蓄電装置３０に充電する際、前記蓄電装置３０に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータ２８が直結されている。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８で電圧調整（スイッチング）を行う必要がなく、モータ２４のインバータ２６によって回生電力の電圧が蓄電装置３０と同一に調整され、前記蓄電装置３０に回生電力が直接充電されている。従って、回生時にＤＣ−ＤＣコンバータ２８での電圧調整に伴うスイッチング損失を有効に減少をさせることができる。
これにより、第１の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、回生エネルギを効率的に回収することが可能になり、燃費の向上が確実に図られるという効果が得られる。
さらに、コンタクタ１８を開放する際には、予めＤＣ−ＤＣコンバータ２８を介してインバータ電圧ＶPINを昇圧制御することにより、燃料電池電流ＩFCを基準電流値ＩPD以下に設定している（図４参照）。従って、コンタクタ１８の開放時に、このコンタクタ１８に流れる電流を抑制することができ、前記コンタクタ１８に過度の負荷を与えることがなく、長期間にわたって良好に使用することが可能になるという利点がある。
さらにまた、蓄電装置３０による回生電力の充電が終了した後、通常運転に切り換わる際、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が昇圧制御されて燃料電池電圧ＶFCとインバータ電圧ＶPINとの電圧差が規定値ＶPD以内に制御されている（図５参照）。このため、コンタクタ１８を閉じる際に、このコンタクタ１８への突入電流を抑えることができ、前記コンタクタ１８を長期間にわたって良好に使用することが可能になる。
なお、第１の実施形態では、スイッチング機構としてコンタクタ１８を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやＩＧＢＴ等を使用することもできる。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートであり、図８は、回生開始時の電圧変化を示すタイミングチャートであり、図９は、前記回生開始時の電流変化を示すタイミングチャートである。なお、第１の実施形態に係る制御方法と同様の工程については、その詳細な説明を省略する。
この第２の実施形態では、回生判定機構３６により目標トルクが負であると判断されると（ステップＳ２１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２２に進んで、電流制御機構４４を介して燃料電池電流ＩFCを減少させるための制御が行われるとともに、回生発電が開始される。従って、モータ２４の回生電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の開閉制御により蓄電装置３０に充電される。
次いで、燃料電池電流ＩFCが基準電流値ＩPD以下であると判断されると（ステップＳ２３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２４以降に進む。このため、コンタクタ１８の開制御が行われた後、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、直結制御機構３８の作用下に、常時ＯＮとなるように直結される（ステップＳ２６）。
これにより、第２の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が直結された状態で、モータ２４の回生電力を蓄電装置３０に充電することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
本発明の第１の施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池車両の概略構成説明図である。 前記制御方法を説明するフローチャートである。 回生開始時の電圧変化を示すタイミングチャートである。 回生開始時の電流変化を示すタイミングチャートである。 回生後に復帰する際の電圧変化を示すタイミングチャートである。 回生後の復帰する際の電流変化を示すタイミングチャートである。 本発明の第２の施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。 回生開始時の電圧変化を示すタイミングチャートである。 回生開始時の電流変化を示すタイミングチャートである。 特許文献１の燃料電池を有する直流電源の構成説明図である。 従来の回生開始時の電圧変化を示すタイミングチャートである。
符号の説明
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池
１８…コンタクタ ２０…回転負荷
２４…モータ ２６…インバータ
２８…ＤＣ−ＤＣコンバータ ３０…蓄電装置
３６…回生判定機構 ３８…直結制御機構
４０…直結準備機構 ４２…遮断制御機構
４４…電流制御機構 ４６…昇圧制御機構
４８…接続制御機構

Claims (4)

  1. 反応ガスの電気化学反応により発電して回転負荷に電力を出力可能な燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池と前記回転負荷及び前記蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング機構と、一端に前記蓄電装置が接続され且つ他端に前記回転負荷が接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、コントロールユニットとを備え、前記回転負荷は、モータとインバータとを含む燃料電池車両の制御方法であって、
    前記コントロールユニットは、前記回転負荷による回生が行われるか否かを判断する工程と、
    前記回生が行われると判断された際、前記スイッチング機構を介して前記燃料電池と前記蓄電装置とを電気的に遮断する工程と、
    前記燃料電池と前記蓄電装置とが電気的に遮断された後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが降圧制御されて前記インバータの電圧が降圧される工程と、
    前記インバータの電圧が前記蓄電装置の蓄電電圧と略一致する時点で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが常時ＯＮとなることにより、前記回転負荷から前記蓄電装置に回生電力を直接充電する工程と、
    を営むことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  2. 請求項１記載の制御方法において、前記コントロールユニットは、前記スイッチング機構を介して前記燃料電池と前記蓄電装置とを電気的に遮断する前に、燃料電池電流を基準値以下に制御することを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  3. 請求項１又は２記載の制御方法において、前記コントロールユニットは、前記回転負荷による回生が終了した後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを昇圧制御する工程と、
    前記スイッチング機構を介して前記燃料電池から前記回転負荷に電力を出力可能にする工程と、
    を営むことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  4. 反応ガスの電気化学反応により発電して回転負荷に電力を出力可能な燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池と前記回転負荷及び前記蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング機構と、一端に前記蓄電装置が接続され且つ他端に前記回転負荷が接続されるＤＣ−ＤＣコンバータと、コントロールユニットとを備え、前記回転負荷は、モータとインバータとを含む燃料電池車両の制御方法であって、
    前記コントロールユニットは、前記回転負荷による回生が行われる際、前記インバータの電圧が前記蓄電装置の蓄電電圧と略一致する時点で、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが常時ＯＮとなることにより、前記回転負荷から前記蓄電装置に回生電力を直接充電する工程と、
    前記回生が終了したと判断した際、前記スイッチング機構を介して前記燃料電池と前記蓄電装置とが電気的に遮断されているか否かを判断する工程と、
    前記燃料電池と前記蓄電装置とが電気的に遮断されていると判断された際、前記ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧制御されて前記インバータの電圧が昇圧される工程と、
    前記インバータの電圧と前記燃料電池の電圧との電圧差が所定値以下になる際、前記スイッチング機構を介して前記燃料電池と前記蓄電装置とを電気的に接続する工程と、
    を営むことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
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