JP5146898B2 - 燃料電池電源制御装置、燃料電池システム及び燃料電池電源制御方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電気自動車に搭載するハイブリッド型燃料電池システムに本発明の電源制御装置を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。
この実施形態1は、第1の発明に係り、実際に測定される実電圧に基づき基本I−V特性を学習するものである。
図2に、第1の発明に係る本ハイブリッド型燃料電池システムの機能ブロック図を示す。
図2に示すように、本ハイブリッド型燃料電池システムは、燃料電池100と、燃料電池100と相補的に電力供給が可能に構成された蓄電装置101と、電力を消費する総体としての負荷装置102とを備える。さらに、燃料電池100の出力電流Ifcを検出する電流検出装置103と、燃料電池100の出力電圧Vfcを検出する電圧検出装置104とを備え、検出された出力電流Ifcに対する出力電圧Vfcに基づいて、制御部5が本発明の電力制御方法を実施するようになっている。
1)燃料電池100の出力電流Ifcが、所定のステップ毎に予め定められている電流値であるかを判定する実電流判定手段501;
2)燃料電池100が予め定められたいずれかの電流値である場合に、この電流値に対応して検出された燃料電池100の電圧値Vfcをメモリ503に記録する実電圧記録手段502;
3)記録された電流値に対応する電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を基本電流−電圧特性としてメモリ505に更新する電流−電圧特性更新手段504;
4)動作状態に応じて、基本電流−電圧特性を補正する補正手段506;及び
5)補正された電流−電圧特性に基づいて燃料電池100の動作点を定め、蓄電装置101の充電または放電によりこのシステムに要求される要求電力に対する燃料電池100の出力電力の過不足を調整する電力制御手段507。
以下、これら機能ブロックを具体的に実現するためのハイブリッド型燃料電池システムの構成について説明する。
図1に示すように、本ハイブリッド型燃料電池システムは、燃料電池100に水素ガスであるアノードガスを供給するアノードガス供給系1、燃料電池100に酸素を含む空気であるカソードガスを供給するカソードガス供給系2、本発明の電源制御の制御対象である電力系3、及び本発明の電源制御装置である制御部5から構成されている。
H2 → 2H++2e- …(1)
2H++2e-+(1/2)O2 → H2O …(2)
まず、本発明の電源制御処理を実施するにあたり、燃料電池システムが定常運転中であるか否かが判定される(S1)。定常運転とは、燃料電池100のI−V特性が変動しないような運転をいい、負荷量(消費電力)が一定であるため、発電量が一定に維持されているような状態である。典型的には、この燃料電池システムが搭載されている電気自動車がアイドル状態であったり間欠運転状態であったりする場合が考えられる。但し、負荷変動をバッテリ30からの供給電流の調整のみで吸収でき、燃料電池100からの発電電流を一定に維持できる場合には、ここにいう定常状態であるとすることができる。
図5に、燃料ガスの供給圧力に対応してI−V特性がどのように変化するかの特性図を示す。図5に示すように、燃料電池のI−V特性は、供給されている燃料ガスの供給圧力に応じて若干の変動を示す。したがって、基本的なI−V特性が定められているとしても、電源制御時点における燃料ガスの供給圧力に応じて、I−V特性の補正が必要となる。この燃料ガスの供給圧力は、燃料電池システムの運転状態、例えば負荷条件の変動に応じ頻繁に変更する必要があるため、このような毎回の電力制御時における補正が必須のものとなる。
まず、燃料電池システムに対する要求電力値が算出される。要求電力値は、現在の操作状態等から燃料システム全体に出力することが要請されている電力値の総計である。
図7に、燃料電池の内部温度の変化に応じてI−V特性がどのように変化するかを示す。図7に示されるように、燃料電池のI−V特性は燃料電池の内部温度に依存する。燃料電池の内部温度は、緩慢な変化をするため、短いタイムスパンにおけるI−V特性の補正によって対応するよりは、温度ごとに対応するI−V特性を定めてから補正処理をすることが好ましい場合がある。そこで、温度センサ42からの温度検出信号Tfcを、上記の電圧値のサンプリング時に併せて記録しておき、そのサンプリングにより取得できるI−V特性を温度に応じて記録しておけば、より理論I−V特性に近似したI−V特性に基づく電力制御ができることとなり、好ましい。
以上、実施形態1によれば、電流値が所定の電流格子点に相当する場合にのみ電圧値の記録やI−V特性学習が実施されるので、更新処理の負荷を最低限におさえながら、応答性の良いI−V特性の更新が行える。このため、短時間の運転状態に応じた補正が必要であるとしても、補正処理による補正量が少なくて済み、速やかに補正値に収束させることが可能であり、高速な応答性を確保できる。
上記実施形態1では基本I−V特性を更新して電源制御をしていたが、第2の発明に係る実施形態2では内部抵抗の影響を排除した理論I−V特性を更新するように構成されている。
図8に示すように、本ハイブリッド型燃料電池システムは、燃料電池100と、燃料電池100と相補的に電力供給が可能に構成された蓄電装置101と、電力を消費する総体としての負荷装置102とを備える。さらに、燃料電池100の出力電流Ifcを検出する電流検出装置103と、燃料電池100の出力電圧Vfcを検出する電圧検出装置104とを備えている。さらに本実施形態2では、交流インピーダンスを測定するために、燃料電池100の出力に交流信号を重畳する交流信号印加装置105を備える。
2)燃料電池100の交流インピーダンスを算出する交流インピーダンス算出手段602;
3)燃料電池100が予め定められたいずれかの電流値である場合に、この電流値に対応して検出された燃料電池100の交流インピーダンスによる影響を除外した理論電圧値をメモリ604に記録する理論電圧記録手段603;
4)記録された電流値に対応する理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を理論電流−電圧特性としてメモリ606に更新する電流−電圧特性更新手段605;
5)動作状態に応じて、理論電流−電圧特性を補正する補正手段607;及び
6)補正された電流−電圧特性に基づいて燃料電池100の動作点を定め、蓄電装置101の充電または放電によりこのシステムに要求される要求電力に対する燃料電池100の出力電力の過不足を調整する電力制御手段608。
以下、これら機能ブロックを具体的に実現するためのハイブリッド型燃料電池システムについて説明する。
図8に示すように、本ハイブリッド型燃料電池システムは、実施形態1と同様に、燃料電池100に水素ガスであるアノードガスを供給するアノードガス供給系1、燃料電池100に酸素を含む空気であるカソードガスを供給するカソードガス供給系2、本発明の電源制御の制御対象である電力系3を備え、これらについては基本的には実施形態1と同様であるが、交流インピーダンス測定に係る制御部6の周辺の構成において異なる。以下、異なる構成について説明する。
フィルタ60及び61は、バンドパスフィルタであり、交流信号発生器67における発信周波数に対応した交流信号のみを通過させるものである。フィルタ60は、電流センサ40で検出された電流検出信号Ifcのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。フィルタ61は、電圧センサ41で検出された電圧検出信号Vfcのうち、交流インピーダンス測定に係る周波数成分のみを通過させる。
定常運転の判断(S21)、電流値検出(S22)、電流格子点上であるかの判断(S23)、実電圧値の検出(S24)までは、実施形態1と同様である。但し、本実施形態では、検出された実電圧をそのまま記録する代わりに、交流インピーダンスに対応する内部抵抗による電圧降下を排除したI−V特性(理論I−V特性)を取得する。
V1=V0−Ri・Ifc…(3)
この式(3)に基づいて、検出された電流値Ifc及び実電圧V1から、理論上の出力電圧V0を計算するのである。なお、この内部抵抗値は、ステップS25で毎回測定してもよいが、予め設定しておいて式(3)の演算に代入されるようにしてもよい。この電圧値V0は理論電圧値として記録される(S26)。
特に本実施形態2によれば、I−V特性としては交流インピーダンスの影響を排除した理論I−V特性が学習され、毎回内部抵抗が測定されるので、誤差の少ない電力制御が可能である。
第3の発明に係る実施形態3では理論I−V特性及び内部抵抗を共に更新するように構成されている。
図12に第3の発明に係る本ハイブリッド型燃料電池システムの機能ブロック図を示す。
図12に示すように、本ハイブリッド型燃料電池システムは、燃料電池100と、燃料電池100と相補的に電力供給が可能に構成された蓄電装置101と、電力を消費する総体としての負荷装置102とを備える。さらに、燃料電池100の出力電流Ifcを検出する電流検出装置103と、燃料電池100の出力電圧Vfcを検出する電圧検出装置104とを備えている。さらに本実施形態2では、交流インピーダンスを測定するために、燃料電池100の出力に交流信号を重畳する交流信号印加装置105を備える。
2)燃料電池100の交流インピーダンスを算出する交流インピーダンス算出手段702;
3)燃料電池100が予め定められたいずれかの電流値である場合に、この電流値に対応して検出された燃料電池の交流インピーダンスに基づいて内部抵抗を算出してメモリ707を更新する内部抵抗更新手段703;
4)この電流値に対応して検出された燃料電池100の電圧値から、算出された内部抵抗による電圧降下分を除外した電圧値をメモリ705に記録する理論電圧記録手段704;
5)記録された電流値に対応する理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を理論電流−電圧特性としてメモリ707を更新する電流−電圧特性更新手段706;
6)動作状態に応じて、理論電流−電圧特性を補正する補正手段708;及び
7)補正された電流−電圧特性に基づいて燃料電池100の動作点を定め、蓄電装置101の充電または放電によりこのシステムに要求される要求電力に対する燃料電池100の出力電力の過不足を調整する電力制御手段709。
特に本実施形態3によれば、I−V特性としては交流インピーダンスの影響を排除した理論I−V特性及び最新の内部抵抗が学習されるので、誤差の少ない電力制御が可能である。
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
上記実施形態では移動体である車両上に搭載されるハイブリッド型燃料電池システムを例示したが、本発明は、自動車のみならず、他の移動体、例えば、船舶、航空機等に搭載されるものであってもよい。また、定置型のハイブリッド燃料電池システムにおいて本発明の電源制御装置を適用しても無論よい。
Claims (10)
- 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御装置において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定する実電流判定手段と、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の電圧値を前記燃料電池の温度に対応付けて記録する実電圧記録手段と、
前記記録された電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された基本電流−電圧特性として記録する電流−電圧特性更新手段と、
前記燃料電池の温度に対応付けて更新された基本電流−電圧特性を補正する補正手段と、を備え、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記基本電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するように構成されており、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、
燃料電池電源制御装置。 - 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御装置において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定する実電流判定手段と、
前記燃料電池の交流インピーダンスを算出する交流インピーダンス算出手段と、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の交流インピーダンスによる影響を除外した理論電圧値を、更新された理論電圧値として前記燃料電池の温度に対応付けて記録する理論電圧記録手段と、
前記更新された理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性として記録する電流−電圧特性更新手段と、
前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性を補正する補正手段と、を備え、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記理論電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するように構成されており、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、
燃料電池電源制御装置。 - 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御装置において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定する実電流判定手段と、
前記燃料電池の交流インピーダンスを算出する交流インピーダンス算出手段と、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の交流インピーダンスに基づいて内部抵抗を算出して、更新された内部抵抗として記録する内部抵抗更新手段と、
当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の電圧値から、前記更新された内部抵抗による電圧降下分を除外した電圧値を、更新された理論電圧値として前記燃料電池の温度に対応付けて記録する理論電圧記録手段と、
前記更新された理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性として出力する電流−電圧特性更新手段と、
前記更新された内部抵抗に基づいて、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性を補正する補正手段と、を備え、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記理論電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するように構成されており、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、
燃料電池電源制御装置。 - 前記電流−電圧特性更新手段は、
前記電流値に対応して複数の前記電圧値が記録されている場合には、前記複数の電圧値を平準化処理してその電流値に対し更新すべき電圧値とする、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池電源制御装置。 - 前記電圧値は、前記燃料電池の定常運転時に記録されるものである、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池電源制御装置。 - 請求項1に記載の燃料電池制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出装置と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出装置と、
前記燃料電池と相補的に電力供給が可能に構成された蓄電装置と、
補正された前記電流−電圧特性に基づいて前記燃料電池の動作点を定め、前記蓄電装置の充電または放電により当該システムに要求される要求電力に対する前記燃料電池の出力電力の過不足を調整する電力制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項2または3に記載の燃料電池制御装置を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出装置と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出装置と、
前記燃料電池の出力に交流信号を重畳する交流信号印加装置と、
前記燃料電池と相補的に電力供給が可能に構成された蓄電装置と、
前記更新された電流−電圧特性に基づいて前記燃料電池の動作点を定め、前記蓄電装置の充電または放電により当該システムに要求される要求電力に対する前記燃料電池の出力電力の過不足を調整する電力制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御方法において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定し、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の電圧値を前記燃料電池の温度に対応付けて記録し、
前記記録された電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された基本電流−電圧特性として記録し、
前記燃料電池の温度に対応付けて更新された基本電流−電圧特性を補正し、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記基本電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するものであり、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、
燃料電池電源制御方法。 - 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御方法において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定し、
前記燃料電池の交流インピーダンスを算出し、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の交流インピーダンスによる影響を除外した理論電圧値を、更新された理論電圧値として前記燃料電池の温度に対応付けて記録し、
前記更新された理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性として記録し、
前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性を補正し、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記理論電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するものであり、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、燃料電池電源制御方法。 - 電流−電圧特性に基づいて燃料電池の電源制御を行う燃料電池電源制御方法において、
前記燃料電池の出力電流が、特定の間隔毎に予め定められている電流値であるかを判定し、
前記燃料電池の交流インピーダンスを算出し、
前記燃料電池の出力電流が予め定められたいずれかの電流値である場合に、当該電流値に対応して検出された該燃料電池の交流インピーダンスに基づいて内部抵抗を算出して、更新された内部抵抗として記録し、
当該電流値に対応して検出された前記燃料電池の電圧値から、前記更新された内部抵抗による電圧降下分を除外した電圧値を、更新された理論電圧値として前記燃料電池の温度に対応付けて記録し、
前記更新された理論電圧値の集合により特定される電流−電圧特性を、前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性として記録し、
前記燃料電池の温度に対応付けて更新された理論電流−電圧特性を補正し、
要求電力値に対応した等電力曲線と補正された前記理論電流−電圧特性との交点を前記燃料電池の動作点として電源制御を実施するものであり、
前記予め定められている電流値の間隔は、前記動作点の取り得る電流値の範囲において相対的に狭い間隔で密に設定されている、
燃料電池電源制御方法。
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