JP4982576B2 - 燃料電池車両 - Google Patents
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Description
この車両では、主電源の電圧変動範囲と副電源の電圧変動範囲とに重なりが存在し、主電源の電圧が副電源の電圧よりも高くなる場合と、主電源の電圧が副電源の電圧よりも低くなる場合とが生じる。そして、DC/DCコンバータは、1次側に副電源が接続され、2次側に車両駆動用電動機の駆動装置が接続されて、双方向で昇降圧可能、つまり1次側から2次側に向かう方向および2次側から1次側に向かう方向の両方向の通電において電圧の昇圧および降圧が可能となるように、4つの動作毎に対応した4つのスイッチング素子(例えば、IGBTなど)を備えて構成されている。
本実施の形態による燃料電池車両1は、例えば図1,図2に示すように、電源装置10として、主電源をなす燃料電池スタック(FC)11と、副電源をなすバッテリ12と、第1DC−DCコンバータ13と、エアポンプインバータ(API)14とを備え、燃料電池スタック11とバッテリ12とは直列に接続されて電池回路10aが形成されている。
そして、燃料電池車両1は、電源装置10と、駆動モータインバータ15と、エアポンプ(AP)21と、駆動モータ22と、第2DC−DCコンバータ23と、空調機器24と、制御装置25と、出力電流センサ27と、相電流センサ28と、角度センサ29とを備えて構成されている。
そして、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。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
3相のチョークコイル32は、各チョークコイル32の一端がブリッジ回路31の各相毎のコレクタ−エミッタ間、つまり各トランジスタAH,ALのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタBH,BLのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタCH,CLのコレクタ−エミッタ間のそれぞれに接続され、各チョークコイル32の他端は互いに1次側正極端子P1に接続されている。
そして、3相のうち何れか1相のチョークコイル32は、矩形のコア41をなす2対の対辺のうち一方の1対の対辺41aに分散して巻回され、3相のうち他の2相のチョークコイル32は、矩形のコア41をなす2対の対辺のうち他方の1対の対辺41bにぞれぞれ集中して巻回されている。
なお、3相の各チョークコイル32は、例えば図4に示すように、矩形のコア41をなす4辺のうち何れか3辺にぞれぞれ集中して巻回されてもよいし、他の巻線構造であってもよい。
そして、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHがオンかつローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLがオフとされ、チョークコイル32に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてチョークコイル32の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生し、チョークコイル32に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が1次側の入力電圧に上積みされて1次側の入力電圧よりも高い昇圧電圧が2次側に印加される。この切換動作に伴って発生する電圧変動は第1および第2平滑コンデンサ33a,33bにより平滑化され、昇圧電圧が2次側から出力される。
そして、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHがオンかつローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLがオフとされ、チョークコイル32に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてチョークコイル32の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生する。このチョークコイル32に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHのオン/オフの比率に応じて2次側の入力電圧が降圧された降圧電圧となり、降圧電圧が1次側に印加される。
なお、スイッチングデューティー(DUTY)は、例えば、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHのオン時間THonとローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLのオン時間TLonとにより、DUTY=THon/(THon+TLon)とされる。
また、ハイサイドアームの各トランジスタAH,BH,CHと、ローサイドアームの各トランジスタAL,BL,CLとは、オン/オフの切り換え時に、同時にオンとなることが禁止され、同時にオフとなる適宜のデッドタイムが設けられている。
バッテリ12は、正極側および負極側に配置されて制御装置25により断接(オン/オフ)が切り換えられるコンタクタ12aと、正極側に配置されて制御装置25により動作が制御される電流制限回路12bとを介して、第1ラインL1と第2ラインL2とに接続されている。
そして、第2ラインL2および第3ラインL3から負荷である駆動モータ22などに電力が出力されるようにして第2ラインL2と第3ラインL3とは駆動モータインバータ15に接続されている。
また、エアポンプ21の駆動回路であるエアポンプインバータ14は第1ラインL1と第2ラインL2とに接続されている。
第2DC−DCコンバータ23は、第1ラインL1と第2ラインL2とに接続され、制御装置25から出力される制御指令に応じたチョッピング動作により、第1ラインL1と第2ラインL2との間に印加される電圧を降圧して、第2DC−DCコンバータ23に接続された負荷に供給する。
空調機器24は、第1ラインL1と第2ラインL2とに接続され、第1ラインL1および第2ラインL2から電力が供給される。
制御装置25には、例えば、燃料電池スタック11の出力電流Ifcを検出する出力電流センサ27と、駆動モータインバータ15と駆動モータ22との間において3相の各相電流を検出する相電流センサ28と、駆動モータ22の回転子の回転角(つまり、所定の基準回転位置からの回転子の磁極の回転角度であって、駆動モータ22の回転軸の回転位置)を検出する角度センサ29との各センサから出力される検出信号が入力されている。
これにより、例えば図6に示すように、燃料電池スタック11の動作点(例えば、電圧または電流または電力)とバッテリ12の動作点(例えば、電圧または電流または電力)との比がスイッチングデューティー(DUTY)により連続的に変化するように記述される。
なお、図5,図6に示すように、本発明においては、燃料電池スタック11の電流電圧特性とバッテリ12の電流電圧特性とは交差し、燃料電池スタック11の電圧(VFC)とバッテリ12の電圧(VB)との大小関係が変化(つまり反転)するように設定されている。
つまり、燃料電池スタック11の電圧(VFC)とバッテリ12の電圧(VB)との大小関係が変化(つまり反転)しても、燃料電池スタック11の動作点(例えば、電圧または電流または電力)とバッテリ12の動作点(例えば、電圧または電流または電力)との比がスイッチングデューティー(DUTY)により連続的に変化するようになっている。
そして、第1DC−DCコンバータ13のスイッチングデューティーの複数の値毎に対して設定された対応関係では、スイッチングデューティーに応じた比率で燃料電池スタック11の動作点の増大に伴いバッテリ12の動作点が増大傾向に変化するように設定されている。
また、負荷の総消費電力の複数の値毎に対して設定された燃料電池スタック11の動作点とバッテリ12の動作点との対応関係では、燃料電池スタック11の動作点に応じた電力とバッテリ12の動作点に応じた電力との和が負荷の総消費電力と等しくなるような動作点の組み合わせが設定されている。
デューティー制御部64は、例えば、電流偏差算出部71と、フィードバック処理部72と、PWM信号生成部73とを備えて構成されている。
フィードバック処理部72は、例えばPID(比例積分微分)動作により、電流偏差算出部71から出力される電流偏差を制御増幅して電圧指令値を算出する。
第1の(FC+バッテリ)モードでは、バッテリ12の出力が駆動モータインバータ15およびエアポンプインバータ14に供給されると共に燃料電池スタック11の出力が駆動モータインバータ15に供給されてバッテリ12の電流(Ib)が燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)よりも大きくなる。
第2の(FC+バッテリ)モードでは、バッテリ12の出力が駆動モータインバータ15およびエアポンプインバータ14に供給されると共に燃料電池スタック11の出力が駆動モータインバータ15に供給されてバッテリ12の電流(Ib)が燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)とエアポンプインバータ14に通電される電流(IAP)との和に等しくなる。
第3の(FC+バッテリ)モードでは、バッテリ12および燃料電池スタック11の出力が駆動モータインバータ15およびエアポンプインバータ14に供給されてバッテリ12の電流(Ib)が燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)よりも小さくなる。
第1のFCモードでは、燃料電池スタック11の出力のみが駆動モータインバータ15およびエアポンプインバータ14に供給される。
第2のFCモードでは、燃料電池スタック11の出力のみが駆動モータインバータ15およびエアポンプインバータ14およびバッテリ12に供給されてバッテリ12が充電される。
これに伴い、例えば図8に示すように、バッテリ12の電流(Ib)が零から負の値へと減少傾向に変化し、燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)及び目標電流は増大傾向に変化する。そして、駆動モータインバータ15の1次側の入力電圧はほぼ一定に維持されつつ、バッテリ12の電圧(VB)は増大傾向に変化し、燃料電池スタック11の電圧(VFC)は減少傾向に変化する。
例えば燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)の目標電流が零とされる電源装置10の動作モードは、例えば図15(A),(B)に示すように、駆動モータインバータ15の回生電力によりバッテリ12が充電される回生モードとなる。
また、例えば燃料電池スタック11の電流(出力電流Ifc)の目標電流が正の値とされる電源装置10の動作モードは、例えば図16(A),(B)に示すように、駆動モータインバータ15の回生電力および燃料電池スタック11の出力がエアポンプインバータ14およびバッテリ12に供給されてバッテリ12が充電される(回生+FCによるバッテリ充電)モードとなる。
また、制御装置25は、バッテリ12の残容量SOCなどに応じてコンタクタ12aおよび電流制限回路12bのオン/オフを切り換え、バッテリ12と第1ラインL1および第2ラインL2との接続を制御する。
次に、ステップS02においては、燃料電池スタック11の状態(例えば、発電指令に応じた燃料電池スタック11の状態変化の変化率など)と、バッテリ12の残容量SOCとなどに基づき、電源装置10の電池回路10aを形成する燃料電池スタック11とバッテリ12との電力配分を設定する。この電力配分は、負荷の総消費電力を燃料電池スタック11から出力される電力とバッテリ12から出力される電力とを加算して得た値とする際の配分であって、第1DC−DCコンバータ13のスイッチングデューティーに応じた値となる。
次に、ステップS05においては、出力電流センサ27から出力される燃料電池スタック11の出力電流Ifcの検出値と目標電流との電流偏差を、例えばPID(比例積分微分)動作などにより制御増幅して電圧指令値を算出する。
また、燃料電池スタック11に反応ガスを供給するポンプ(例えば、エアポンプ21など)および冷媒を供給するポンプ(図示略)のうち少なくとも1つのポンプの駆動回路が、第1ラインL1と第2ラインL2とに接続されてもよいし、第2ラインL2と第3ラインL3に接続されてもよいし、第1ラインL1と第3ラインL3に接続されてもよい。
また、電流の代わりに、燃料電池スタック11の電圧(VFC)またはバッテリ12の電圧(VB)の検出値が目標値に一致するようにしてフィードバック制御をおこなってもよいし、燃料電池スタック11とバッテリ12との出力比が目標値に一致するようにしてスイッチングデューティーをフィードバック制御してもよい。
10 電源装置
10a 電池回路
11 燃料電池スタック(主電源)
12 バッテリ(副電源)
13 第1DC−DCコンバータ(DC−DCコンバータ)
14 エアポンプインバータ
15 駆動モータインバータ
21 エアポンプ
22 駆動モータ(走行用モータ)
23 第2DC−DCコンバータ
24 空調機器
25 制御装置
Claims (1)
- 電位の異なる第1ラインおよび第2ラインおよび第3ラインと、
主電源と副電源とが直列に接続されてなる電池回路と、
DC−DCコンバータと、走行用モータと、該走行用モータの駆動装置とを備え、
前記電池回路の両端は前記第1ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記電池回路の前記主電源と前記副電源との接続点は前記第2ラインに接続され、
前記DC−DCコンバータの1次側は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記DC−DCコンバータの2次側は前記第1ラインと前記第3ラインとに接続され、
前記主電源の電流電圧特性と前記副電源の電流電圧特性とは交差し、
前記駆動装置は前記第2ラインと前記第3ラインとに接続されていることを特徴とする燃料電池車両。
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