JP5229697B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は車両に搭載される燃料電池システムに関し、特に、車両を駆動するモーターに燃料電池とバッテリーとから電力を供給する、ハイブリッド型の燃料電池システムに関する。
車両に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池および蓄電装置からモーターに電力を供給するためのインバーターを備えている。例えば、特開2005−348530号公報には、インバーターの他に2つのDC−DCコンバーターを備えた燃料電池システムが開示されている。これらは、燃料電池の出力電圧を制御しながらインバーターに電力を供給する第1のDC−DCコンバーター、および、インバーターの入力電圧を制御しながら、蓄電装置の電力を供給する第2のDC−DCコンバーターである(特許文献1)。
特許文献1に記載の発明によれば、第1のDC−DCコンバーターを制御して、燃料電池の出力電圧値を蓄電装置の回路電圧の最大値と最小値との間の範囲内に設定することで、電圧変換動作の実行頻度を低減し、もって電力損失の増大を抑制することができていた(段落0012)。
また、インバーターの電力変換制御に関しては、特許文献1には、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令が算出され、このトルク指令がインバーターに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流がモーターの各相へと出力されると記載されていた(段落0023)。
しかしながら、モーターの駆動電圧が低い場合にはモーターが発生可能なトルクに上限が存在する。特許文献1のように、アクセル開度に基づいてトルク指令を算出し、そのトルク指令をモーターに指令したとしても、駆動電圧が低い場合には、トルク指令どおりのトルクで駆動できないことになる。そして、モーターで消費されるパワーは、実際に発生されているトルクに対応したパワーとなる。
ここで、燃料電池システムにおいて、アクセル開度に基づいてトルク指令を算出するのと並行して、このトルク指令に対応して増加するモーターの要求パワーを補えるだけの発電パワーが出力されるように、燃料電池についての発電要求パワーも算出される。例えば、上記特許文献1に記載の燃料電池システムでは、モーターがトルク指令どおりのトルクで駆動できるか否かに拘わらず、トルク指令どおりのトルクで駆動されている場合を想定した電力を燃料電池は発電する。
ところが、上述したようにモーターがトルク指令どおりのトルクで駆動できない場合には、トルク指令どおりにモーターが駆動された場合に比べ、実際にモーターで消費されるパワーが少なくなるので、収支のバランスが崩れて、燃料電池の発電パワーに余剰が発生する。このような発電パワーの余剰分は、蓄電装置の過充電をもたらし、蓄電装置の破損や、電力分配のバランスを損なうことに繋がる。
そこで、上記問題点を解決するために、本願発明の好ましい態様では、モーターの駆動電圧が低く、発生可能なトルクに制限がある場合でも、電力収支を適切に制御することにより、過剰な電力による不都合が発生することを抑制可能な燃料電池システムおよびその制御方法を提供する。
上記課題を解決する燃料電池システムの一態様は、燃料電池と、前記燃料電池からの発電パワーを供給可能に接続されるモーターと、モーターに接続されたインバーターと、インバーターの入力電圧を設定するコンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、出力要求に基づいて出力要求トルクを演算する出力要求トルク演算手段と、モーターが発生可能なトルク上限値を演算するトルク上限値演算手段と、出力要求トルクとトルク上限値とを比較し、出力要求トルクがトルク上限値以下である場合は出力要求トルクをモーター要求トルクとして演算し、出力要求トルクがトルク上限値を超える場合はトルク上限値をモーター要求トルクとして演算するモーター要求トルク演算手段と、モーター要求トルクに基づいてモーター要求パワーを演算するモーター要求パワー演算手段と、モーター要求パワーに基づいて燃料電池の発電要求パワーを演算する発電要求パワー演算手段と、を備え、トルク上限値演算手段は、インバーターの入力電圧にコンバーターの電圧制御応答性に基づくオフセット電圧を加算した加算値に基づいてトルク上限値を演算することを特徴とする。
上記課題を解決する燃料電池システムの制御方法の一態様は、燃料電池と、燃料電池の発電パワーを供給可能に接続されるモーターと、モーターに接続されたインバーターと、インバーターの入力電圧を設定するコンバーターと、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、出力要求に基づいて出力要求トルクを演算するステップと、モーターが発生可能なトルク上限値を演算するステップと、出力要求トルクとトルク上限値とを比較し、出力要求トルクがトルク上限値以下である場合は出力要求トルクをモーター要求トルクとして演算し、出力要求トルクがトルク上限値を超える場合はトルク上限値をモーター要求トルクとして演算するステップと、モーター要求トルクに基づいてモーター要求パワーを演算するステップと、モーター要求パワーに基づいて燃料電池の発電要求パワーを演算するステップと、を備え、インバーターの入力電圧にコンバーターの電圧制御応答性に基づくオフセット電圧を加算した加算値に基づいてトルク上限値を演算することを特徴とする。
モーターには、駆動電圧に応じて、特に駆動電圧が低い場合には、発生可能なトルクに限界(上限)が存在する。モーターで消費されるパワーはこのトルク上限値で駆動される場合の回転数に応じて定まる。本願発明の構成によれば、入力された出力要求に基づいて出力要求トルクを演算する場合に、モーターの駆動電圧に基づいてトルク上限値が演算され、このトルク上限値を超えないようにモーター要求トルクが演算される。そして、燃料電池の発電要求パワーは、このトルク上限値で上限処理がされたモーター要求トルクに基づき演算される。このため、トルク上限値以上のトルクを要求する出力要求が入力された場合であっても、トルク上限値でしかモーターを駆動できない状況下では、トルク上限値で駆動されるモーターで消費可能なパワーに見合った発電要求パワーが演算される。よって、モーターで消費し切れない過剰なパワーを発電してしまうことから生じる不都合を回避可能である。
本発明は、所望により以下のような要素を選択的に付加することが可能である。
(1)トルク上限値演算手段は、加算値とモーターの回転数とに基づいてトルク上限値を演算するようにしてもよい。
(1)トルク上限値演算手段は、加算値とモーターの回転数とに基づいてトルク上限値を演算するようにしてもよい。
(2)出力要求トルク演算手段は、アクセル開度とモーターの回転数とに基づいて出力要求トルクを演算するようにしてもよい。本願発明では、「出力要求」は、燃料電池システムに対する入力値であるが、燃料電池システムが移動体(例えば自動車)に搭載される場合には、この「出力要求」はアクセル(ガスペダル)開度となる。よって、この場合の出力要求トルクは、アクセル開度とモーターの回転数とに基づき演算される。
(3)発電要求パワー演算手段は、モーター要求パワーとモーター以外の負荷装置の要求パワーとを合計して燃料電池の発電要求パワーを演算するように構成してもよい。かかる構成によれば、発電要求パワーがモーター以外の負荷装置の要求パワーも含めて演算されるので、このような負荷装置の要求パワーが大きい場合や、負荷装置の数が大きく合計される要求パワーが大きくなるような場合に、正確な収支演算に基づく燃料電池の発電要求パワーを決定することが可能である。
かかる発明によれば、発生可能なトルク上限値を超えないようにモーター要求トルクが演算され、発電要求パワーが演算されるので、モーターで消費し切れない過剰なパワーを発電してしまうことから生じる不都合を回避可能である。
次に本発明を実施するための好適な参考例および実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の参考例および実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の参考例および実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
(参考例)
本参考例は、インバーターの入力電圧に応じて定められるトルク上限値に基づいてモーター要求トルクに上限を設ける態様に関する。
本参考例は、インバーターの入力電圧に応じて定められるトルク上限値に基づいてモーター要求トルクに上限を設ける態様に関する。
(システム構成)
図1は、参考例および本実施形態に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
図1は、参考例および本実施形態に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
燃料電池システム100は、燃料電池10、第1コンバーター11、第2コンバーター12、バッテリー13、インバーター14、モーター15、補機インバーター18、高電圧補機19、および制御装置20を備えて構成されている。
燃料電池10は、複数の単位セルを直列に積層して構成される発電手段である。単位セルは、高分子電解質膜等のイオン交換膜をアノード極およびカソード極で狭み込んだ膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)をセパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。各単位セルのアノード極には、セパレータを介して、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス(例えば水素ガス)が供給されるようになっている。各単位セルのカソード極には、セパレータを介して、図示しない酸化ガス供給系から酸化ガス(例えば空気)が供給されるようになっている。セパレータには、冷却液の流路が形成されており、図示しない冷却液供給系から、冷却液が供給されるようになっている。燃料電池10においては、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じ、燃料電池10全体としては(3)式の起電反応が生じる。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力電圧VFCを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力電圧VFCの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力電圧VFCを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力電圧VFCの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
第1コンバーター11は、電圧変換器であり、DC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第1コンバーター11は、三相運転方式が用いられている場合には、例えば三相ブリッジ形コンバーター等の回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバーターは、リアクトル、整流用のダイオード、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなるスイッチング素子を備えている。これらの素子を組み合わせることにより、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ−類似の回路部分と、その交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが形成される。なお、第1コンバーター11の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、燃料電池10の出力電圧VFCの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
第1コンバーター11は、一次側に燃料電池10の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第1コンバーター11は、制御装置20からのコマンドCVFCに従って、一次側の端子電圧(燃料電池10の出力電圧VFC)を制御するように構成されている。すなわち、この第1コンバーター11により、燃料電池10の出力電圧VFCが目標出力に応じた電圧(すなわち、目標出力電圧VFC)となるように制御される。また第1コンバーター11は、燃料電池10の出力電圧VFCとインバーター14の入力電圧VINVとを整合させるように電圧を変換するように構成されている。
バッテリー13は、蓄電装置であり、燃料電池10で発電された電力のうち、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリー13としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。バッテリー13の出力電圧VBATが、第2コンバーター12の入力電圧となる。
第2コンバーター12は、電圧変換器であり、第1コンバーター11と同様のDC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第2コンバーター12は、一次側にバッテリー13の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第2コンバーター12は、制御装置20からのコマンドCVINVに従って、二次側の端子電圧(インバーター14の入力電圧VINV)を制御するように構成されている。例えば、モーター15の要求電力が急激に変化した場合(以下では、増加した場合を想定)、第2コンバーター12は、設定された目標入力電圧(要求電圧)となるまでインバーター14の入力電圧VINVを制御する。なお、第2コンバーター12の回路構成は、インバーター14の入力電圧VINVの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
インバーター14は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流入力電圧を交流電圧に変換してモーター15に供給するように構成されている。インバーター14の回路構成は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータ回路を備えている。インバーター14は、第2コンバーター12が制御する入力電圧VINVに対応する三相交流電圧をモーター15に供給するように構成されている。また、現時点で出力している駆動電圧(インバーター出力電圧)Vdを駆動電圧信号SVdとして制御装置20に出力するように構成されている。
モーター15は、車両走行用のトラクションモータであり、駆動電力が供給される場合には本車両に推進力を与え、減速された場合には回生電力を発生するようになっている。ディファレンシャル16は、減速装置であり、モーター15の高速回転を所定の比率で減速し、タイヤ17が設けられたシャフトを回転させるように構成されている。シャフトには図示せぬ車輪速センサ等が設けられ、車両の車速を検知可能になっている。回転数センサ23は、モーター15の回転数を検出して回転数信号SNを制御装置20に出力するようになっている。
補機インバーター18は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換して高電圧補機19に供給するように構成されている。補機インバーター18の回路構成は、上記インバーター14と同じである。補機インバーター18は、2コンバーター12が制御する入力電圧VINVに対応する三相交流電圧を高電圧補機19に供給するように構成されている。なお、高電圧補機19は、本燃料電池システム100を機能させるための、図示しない加湿器、エアーコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の総称である。
制御装置20は、燃料電池システム100を制御するコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を備えている。制御装置20は、アクセル開度センサー21からアクセル開度Accに応じたアクセル開度信号SACCを入力する。また、センサ群22からの各種信号を入力し、制御に必要な各種演算を実施するようになっている。センサ群22としては、燃料電池10の出力電流を検出する電流センサ、出力電圧を検出する電圧センサ、燃料電池10の冷却液温度を検出する温度センサ、エアーコンプレッサーや水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の回転数を検出する回転数センサ等を含む。また、制御装置20は、モーター15の回転数Nを検出する回転数センサ23からの回転数信号SNを入力する。
制御装置20は、これらの信号を参照して、システム全体を制御する。概略説明すると、アクセル開度Accおよびモーター回転数Nに基づいて出力要求トルクTACCを演算し、次いでモーター要求トルクTREQを演算する。そして、モーター要求トルクTREQとモーター回転数Nとに基づいてモーター要求パワーPMを演算し、モーター要求パワーPMと高電圧補機パワーPAUXとに基づいて発電要求パワーPFCを演算する。そして、発電要求パワーPFCを出力させるために必要な燃料電池10の出力電圧VFCを燃料電池10の電流−電圧(I−V)特性から演算する。必要に応じて、制御装置20は、燃料電池10とバッテリー13とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた燃料電池10の要求電力が得られるように、第1コンバーター11にコマンドCVFCを出力して、燃料電池10の出力電圧VFCを制御する。また、求められたバッテリー13の要求電力が取り出せるように、第2コンバーター12にコマンドCVINVを出力して、インバーター14の入力電圧VINVを制御する。インバーター14の入力電圧VINVは、モーター15に与えられるモーター要求トルクTREQに対応している。
(機能ブロック)
図2に、本参考例において、制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100を制御するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、制御処理(図6参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
図2に、本参考例において、制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100を制御するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、制御処理(図6参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
なお、図2に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図2のとおりに機能分離していることを要しない。図2に列記した入力に基づいて燃料電池10の出力電圧VFCを制御できる構成であれば、図2とは異なる機能ブロックを備えていてもよい。
図2に示すように、制御装置20は、機能ブロックとして、出力要求トルク演算手段201、トルク上限値演算手段202、モーター要求トルク演算手段203、モーター要求パワー演算手段204、および発電要求パワー演算手段205を備えて構成されている。
出力要求トルク演算手段201は、アクセル開度信号SACCから取得されたアクセル開度Acc、および、回転数信号SNから取得されたモーター15の回転数Nに基づき、出力要求トルクTACCを演算する機能ブロックである。この出力要求トルクは、アクセル開度Accに鑑み、本来的に要求されているモーター15の要求トルクTREQである。
図3に、通常のインバーター入力電圧VINVにおける、アクセル開度に応じた回転数N−出力要求トルクTACCの特性図を示す。モーターにおける一般的な特性として、図3に示すように、モーターの回転数が定まると、回転数に応じて発生可能なトルクが所定の回転数−トルク特性(以下「N−T特性」という。)に基づき定まる。このようなN−T特性は、インバーターの入力電圧VINV(すなわちモーターの駆動電圧Vdに対応)が十分に高い場合(VINV=V0)に妥当する。出力要求の大きさ、例えば、アクセル開度が変化すると、このN−T特性も変化する。
図3に示す例では、アクセル開度Accが開度aであるときのN−T特性TACC(a)、アクセル開度Accが開度bであるときのN−T特性TACC(b)、およびアクセル開度Accが開度cであるときのN−T特性TACC(c)が例示されている。図3に示すように、モーター15の回転数NがNreqである場合、アクセル開度Accが開度aであるときには、N−T特性TACC(a)から、出力要求トルクTACCがTnaとして算出可能である。アクセル開度Accが開度bであるときには、N−T特性TACC(b)から、出力要求トルクTACCがTnbとして算出可能である。アクセル開度Accが開度cであるときには、N−T特性TACC(c)から、出力要求トルクTACCがTncとして算出可能である。出力要求トルク演算手段201は、図3に示すようなN−T特性をデータテーブルの形態で、または、関係式の形態で記憶し、出力要求トルクTACCの演算に利用するようになっている。
本参考例では、インバーター14の入力電圧VINV、すなわち第2コンバーター12の出力要求電圧に鑑み、本来要求されているトルクTREQをモーター15が発生不可能な場合には、それに応じて燃料電池10の発電量を制限するよう構成されている。その処理を行う機能ブロックが、次に説明するトルク上限値演算手段202およびモーター要求トルク演算手段203である。
トルク上限値演算手段202は、インバーター14の入力電圧VINVに基づいて、モーター15が発生可能なトルク上限値TLIMを演算する機能ブロックである。
図4に、相対的に低いインバーター入力電圧VINVにおけるアクセル開度に応じた回転数N−出力要求トルクTACCの特性図を示す。インバーター14の入力電圧(すなわちモーターの駆動電圧Vdに対応)が十分に高い図3の場合とは異なり、インバーター14の入力電圧VINVが相対的に低い(VINV=Vl(<V0))領域では、図3に示すようなN−T特性どおりにトルクを発生させることが不可能になる。図4に示すように、モーターの回転数Nに応じて発生可能なトルクが定まるN−T特性となっているが、これはそのインバーター14の入力電圧VINVにおいて発生可能なモーター15のトルクTの最大値を示している。このようなトルクの上限を規定するトルク上限値TLIMは、出力要求の大きさ、例えば、アクセル開度が変化すると、アクセル開度に応じて変化する。図4に示すようなN−T特性は、インバーター14の入力電圧VINVに対応して変化するため、入力電圧VINVに対応させて、複数種類のN−T特性を予め用意しておくことが好ましい。
図4に示す例では、アクセル開度Accが開度aであるときのトルク上限値特性TLIM(a)、アクセル開度Accが開度bであるときのトルク上限値特性TLIM(b)、およびアクセル開度Accが開度cであるときのトルク上限値特性TLIM(c)が例示されている。図4に示すように、モーター15の回転数NがNreqである場合、アクセル開度Accが開度aであるときには、トルク上限値特性TLIM(a)から、トルク上限値TLIMがTlaとして算出可能である。アクセル開度Accが開度bであるときには、トルク上限値特性TLIM(b)から、トルク上限値TLIMがTlbとして算出可能である。アクセル開度Accが開度cであるときには、トルク上限値特性TLIM(c)から、トルク上限値TLIMがTlcとして算出可能である。トルク上限値演算手段202は、図4に示すようなトルク上限値特性をデータテーブルの形態で、または、関係式の形態で記憶し、トルク上限値TLIMの演算に利用するようになっている。
モーター要求トルク演算手段203は、演算された出力要求トルクTACCとトルク上限値TLIMとに基づいて、モーター要求トルクTREQを演算する機能ブロックである。具体的には、モーター要求トルク演算手段203は、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIM以下である場合は出力要求トルクTACCをモーター要求トルクTREQ(=TACC)として算出する。また、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIMを超える場合はトルク上限値TLIMをモーター要求トルクTREQ(=TLIM)として算出する。トルク上限値TLIMで出力要求トルクTACCを上限処理しているのである。
モーター要求パワー演算手段204は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーを演算する機能ブロックである。モーター要求パワーPMは、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値となる(PM=NXTREQ)。
発電要求パワー演算手段205は、モーター要求パワーPMに基づいて燃料電池の発電要求パワーPFCを演算する機能ブロックである。発電要求パワーPFCは、演算されたモーター要求パワーPMに加えて、モーター以外の負荷装置の要求パワーを合計して演算する。具体的には、高電圧補機19において必要とされる高電圧補機パワーPAUXをモーター要求パワーPMに合計した値を発電要求パワーPFCとして算出する。
以上の処理では、出力要求トルク演算手段201が図3に示すようなN−T特性に基づいて出力要求トルクTACCを決定し、トルク上限値演算手段202が図4に示すようなN−T特性に基づいてトルク上限値TLIMを決定した。そして、モーター要求トルク演算手段203が両者を比較し、モーター要求トルクTREQを決定していた。これらの処理は、図5に示すような、アクセル開度Acc毎に決定される、インバーター14の入力電圧VINVに応じた回転数N−モーター要求トルクTREQのN−T特性からも理解することが可能である。
アクセル開度Accが定まると、図5に示すような、インバーター14の入力電圧VINVに応じた回転数N−モーター要求トルクTREQのN−T特性が定まる。図5では、インバーター入力電圧VINVがVaであるときのモーター要求トルク特性tV(Va)、インバーター入力電圧VINVがVbであるときのモーター要求トルク特性tV(Vb)、およびインバーター入力電圧VINVがVcであるときのモーター要求トルク特性tV(Vc)が例示されている。図5に示すように、モーター15の回転数NがNreqである場合、駆動電圧がVaであるときにはモーター要求トルク特性tV(Va)から、モーター要求トルクTREQがTraとして算出可能である。駆動電圧がVbであるときにはモーター要求トルク特性tV(Vb)から、モーター要求トルクTREQがTrbとして算出可能である。駆動電圧がVcであるときにはモーター要求トルク特性tV(Vc)から、モーター要求トルクTREQがTrcとして算出可能である。
ここで、図5に示すように、インバーター入力電圧VINVがVaである場合、トルク上限値TLIMによる制限が無いと仮定した場合には、図3に示すようなN−T特性に基づいて、TACCがモーター要求トルクTREQとして決定される。しかし、現実には、モーター15には図4に示されるようなトルク上限特性が存在する。このため、インバーター入力電圧VINVがVaである場合、トルク上限値TLIMで制限されたTraがモーター要求トルクTREQとして決定される。トルク制限が無いと仮定した場合のモーター要求トルクTACCとトルク制限を含めて決定したモーター要求トルクTraとの差分ΔT(=TACC−Tra)に対応するパワーΔP(=Nreq×ΔT)が、トルク制限をしないことによる余剰な発電パワーである。本発明によれば、適切なトルク制限処理により、電力収支上余剰なパワーΔPの発電を禁止することで、余剰電力の発生を抑制することに成功している。
なお、出力要求トルク演算手段201、トルク上限値演算手段202、およびモーター要求トルク演算手段203の処理は、図5のような、インバーター14の入力電圧VINVに応じた回転数N−モーター要求トルクTREQのN−T特性を利用することで簡素化できる。例えば、予め、図5のようなN−T特性をアクセル開度Accごとに測定し、その特性をデータテーブルの形態で、または、関係式の形態で記憶しておく。そして、アクセル開度Acc、モーター15の回転数N、およびインバーター14の入力電圧VINVを入力値として、このデータテーブルまたは関係式を参照してモーター要求トルクTREQを特定する。このような処理により、トルク上限値TLIMに対応して制限されたモーター要求トルクTREQを一回のデータテーブルまたは関係式の参照より決定できることになる。
(動作)
次に図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本参考例の燃料電池システム100の制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理セットとなっている。例えば、本参考例では、所定の制御周期Tint毎に、図6に示すような制御処理を実行するプログラムが制御装置20内で呼び出される(コールされる)ものとする。
次に図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本参考例の燃料電池システム100の制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理セットとなっている。例えば、本参考例では、所定の制御周期Tint毎に、図6に示すような制御処理を実行するプログラムが制御装置20内で呼び出される(コールされる)ものとする。
ステップS10において、制御装置20は、制御周期Tint毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合(YES)、ステップS11に移行し、図2に示す出力要求トルク演算手段201は、アクセル開度センサー21からアクセル開度信号SACCを読み込み、回転数センサ23から回転数信号SNを読み込む。そしてアクセル開度信号SACCが示すアクセル開度Accと、回転数信号SNが示すモーター回転数Nと、に基づいて、出力要求トルクTACCを演算する。すなわち、図3に示すようなN−T特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照して、アクセル開度Accに対応した回転数N−出力要求トルク特性TACC(Acc)を特定し、当該N−T特性からモーター回転数Nに応じた出力要求トルクTACCを演算する。
次いでステップS12に移行し、図2に示すトルク上限値演算手段202は、現時点におけるインバーター14の入力電圧VINVを取得する。そして、取得されたにインバーター入力電圧VINVに対応する、図4に示すようなN−T特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照する。そして、アクセル開度Accに応じたトルク上限値特性TLIM(Acc)を特定し、当該N−T特性からモーター回転数Nに応じたトルク上限値TLIMを演算する。
次いでステップS13において、図2に示すモーター要求トルク演算手段203は、演算された出力要求トルクTACCとトルク上限値TLIMとを比較する。比較の結果、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIM以下である場合(YES)は、ステップS14に移行し、モーター要求トルク演算手段203は、出力要求トルクTACCをモーター要求トルクTREQ(=TACC)として算出する。一方、上記比較の結果、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIMを超える場合(NO)は、ステップS15に移行し、モーター要求トルク演算手段203は、トルク上限値TLIMをモーター要求トルクTREQ(=TLIM)として算出する。
次いでステップS16に移行し、図2に示すモーター要求パワー演算手段204は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーを演算する。具体的には、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値をモーター要求パワーPM(=NXTREQ)として演算する。
次いでステップS17に移行し、発電要求パワー演算手段205は、モーター要求パワーPMに基づいて燃料電池の発電要求パワーPFCを演算する。具体的には、発電要求パワーPFCは、演算されたモーター要求パワーPMと、高電圧補機19において必要とされる高電圧補機パワーPAUXとを合計した値を発電要求パワーPFCとして算出する。
なお、ステップS10において、制御タイミングでないと判断された場合には(NO)、当該制御処理は実行されずに終了する。
その後、制御装置20は、発電要求パワーを燃料電池10に出力させるための出力電圧VFCを燃料電池10のI−V特性に基づいて決定し、この出力電圧VFCに制御させるためのコマンドCVFCを第1コンバーター11に出力する。この処理により、発電要求パワーPFCに対応した過不足の無い発電パワーが燃料電池10から出力される。この発電パワーは、トルクの上限処理がされたモーター15で消費する電力と等しいため、過剰な電力が生じることが抑制される。
(本参考例における利点)
本参考例によれば、以下のような利点を有する。
(1)本参考例によれば、入力された出力要求であるアクセル開度に基づいて出力要求トルクTACCを演算する場合に、インバーター入力電圧VINVに基づいてトルク上限値TLIMが演算され、このトルク上限値TLIMを超えないようにモーター要求トルクTACCが演算される。そして、燃料電池10の発電要求パワーPFCは、このトルク上限値TLIMで上限処理がされたモーター要求トルクTREQに基づき演算される。このため、アクセル開度Accがトルク上限値TLIM以上のトルクを要求していたとしても、トルク上限値TLIMまでしかモーター15を駆動できない状況下では、トルク上限値TLIMで駆動されるモーター15で消費可能なパワーに見合った発電要求パワーPFCが演算される。よって、モーター15で消費し切れない過剰なパワーを発電してしまうことから生じる不都合を回避可能である。
本参考例によれば、以下のような利点を有する。
(1)本参考例によれば、入力された出力要求であるアクセル開度に基づいて出力要求トルクTACCを演算する場合に、インバーター入力電圧VINVに基づいてトルク上限値TLIMが演算され、このトルク上限値TLIMを超えないようにモーター要求トルクTACCが演算される。そして、燃料電池10の発電要求パワーPFCは、このトルク上限値TLIMで上限処理がされたモーター要求トルクTREQに基づき演算される。このため、アクセル開度Accがトルク上限値TLIM以上のトルクを要求していたとしても、トルク上限値TLIMまでしかモーター15を駆動できない状況下では、トルク上限値TLIMで駆動されるモーター15で消費可能なパワーに見合った発電要求パワーPFCが演算される。よって、モーター15で消費し切れない過剰なパワーを発電してしまうことから生じる不都合を回避可能である。
(2)本参考例によれば、アクセル開度Accとモーター15の回転数Nとに基づき出力要求トルクTACCを演算するように構成したので、車両に搭載する燃料電池システム100に適している。
(3)本参考例によれば、トルク上限値TLIMをインバーター入力電圧VINV、モーター回転数N、およびアクセル開度Accに対応させて記憶するように構成したので、適切なトルク上限値TLIMを決定可能である。
(4)本参考例によれば、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIMを超える場合には、トルク上限値TLIMがモーター要求トルクTREQとなるように演算されるので、モーター要求トルクTREQを実際にモーター15が発生するトルクに適合させることができる。
(5)本参考例によれば、モーター要求パワーPMに、高電圧補機19で消費される高電圧補機パワーPAUXを加えて発電要求パワーPFCが決定されるので、適切な電力収支を反映した発電要求パワーPFCを演算可能である。
(実施形態)
本実施形態は、インバーター14における電圧制御応答特性を考慮した燃料電池システム100の制御方法に関する。
本実施形態は、インバーター14における電圧制御応答特性を考慮した燃料電池システム100の制御方法に関する。
本実施形態において、燃料電池システム100の構成については、図1に基づき説明した上記参考例と同様であるため、同じ符号を使用することとし、その説明を省略する。
図7に、本実施形態において、制御装置20により機能的に実現される燃料電池10を制御するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理(図9参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
なお、図7に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図7のとおりに機能分離していることを要しない。図7に列記した入力に基づいて燃料電池10の出力電圧VFCを制御できる構成であれば、図7とは異なる機能ブロックを備えていてもよい。
図7に示すように、制御装置20は、機能ブロックとして、出力要求トルク演算手段201、トルク上限値演算手段202、モーター要求トルク演算手段203、モーター要求パワー演算手段204、発電要求パワー演算手段205、および加算手段206を備えて構成されている。出力要求トルク演算手段201、トルク上限値演算手段202、モーター要求トルク演算手段203、モーター要求パワー演算手段204、および発電要求パワー演算手段205については、上記参考例で説明したとおりであるため、その説明を省略する。
特に本実施形態では、加算手段206を備える点で、上記参考例と異なる。この加算手段206は、インバーター14の入力電圧VINVと、第2コンバーター12の電圧制御応答特性から導かれた電圧オフセットΔVと、を加算する機能ブロックである。すなわち、トルク上限値演算手段202には、インバーター入力電圧VINVとオフセット電圧ΔVとの加算値(=VINV+ΔV)が入力される点が特徴となっている。第2コンバーター12の電圧制御応答特性に基づくオフセット電圧ΔVをインバーター入力電圧VINVに加算する技術的意義について、以下、図8に基づき説明する。
図8に、アクセル開度Acc、インバーター入力電圧VINV、およびモーター要求トルクTREQの応答特性を説明するタイミングチャートを示す。図8は、燃料電池システム100の制御に関する制御周期Tintが時刻t1、t2、t3といった順で到来している場合の制御特性を示している。
時刻t1までは、アクセル開度AccとしてAcc1が入力されているものとする。これに対応して、第2コンバーター12からはインバーター入力電圧VINVとしてVINV1が出力され、モーター要求トルクTREQとしてTREQ1が出力されている。
いま、時刻t2において、アクセルが踏み込まれ、アクセル開度AccがAcc1からAcc2に変化したものとする。上記参考例で説明したように、アクセル開度Accが変化した場合には、図7に示す出力要求トルク演算手段201が出力要求トルクTACCを変化させ、モーター要求トルク演算手段203がモーター要求トルクTREQを変化させる。
ここで、現実の装置としての第2コンバーター12は、要求されたインバーター入力電圧VINVを出力させる指令値であるコマンドCVINVが指定されてから、その指令値を出力電圧に反映させるまでに所定の出力応答特性に対応した制御遅れを生ずる。例えば、図8に示す例では、アクセル開度AccがAcc1からAcc2に変化したことを受けて、インバーター入力電圧VINVをVINV1からVINV2に変化させるようなコマンドCVINVが、時刻t2に第2コンバーター12に指令されている。このコマンドを受けた第2コンバーター12は、時刻t2からその出力電圧を変化させていく。この出力電圧の応答特性は、例えば線形的な変化である。ここで、第2コンバーター12の出力応答特性V0(t)は、時刻t2を起点とすると、例えば、式(4)という関係式で近似可能である。
V0(t)=ΔV・t/Tint+VINV1 …(4)
式(4)に示す出力応答特性V0(t)は、制御周期Tintが経過した時にΔVだけ電圧が変化していくような応答特性である。すなわち、制御周期Tintに相当する時間が経過するたびにΔVだけインバーター14の入力電圧が上昇していく。そして、要求されたインバーター入力電圧であるVINV2に達すると、インバーター14の入力電圧VINVは一定値(VINV2)となる。
式(4)に示す出力応答特性V0(t)は、制御周期Tintが経過した時にΔVだけ電圧が変化していくような応答特性である。すなわち、制御周期Tintに相当する時間が経過するたびにΔVだけインバーター14の入力電圧が上昇していく。そして、要求されたインバーター入力電圧であるVINV2に達すると、インバーター14の入力電圧VINVは一定値(VINV2)となる。
上記のような出力応答特性が第2コンバーター12に存在するため、アクセル開度Accの変化に応じて第2コンバーター12の要求出力電圧(=VINV)を変化させるコマンドCVINVを送信しても、インバーター14の入力電圧は即時に変化は生じない。よって、トルク上限値TLIMを演算するために、図7のトルク上限値演算手段202に入力されるインバーター入力電圧VINVは、直前の制御タイミングにおけるインバーター14の入力電圧VINVと変わらない。すなわち、図8に示すように、時刻t2において、トルク上限値演算手段202に入力されるインバーター14の入力電圧は、ほぼVINV1(=V0(t2))のままである。
ここで、上記第2コンバーター12の出力応答特性V0(t)や燃料電池10の発電応答特性による遅延のため、時刻t2において制御装置20により算出された発電要求パワーPFCが実際に反映されるのは、時刻t3のタイミングとなる。よって、時刻t2において演算すべき発電要求パワーPFCは、時刻t3の時点において想定されるトルク上限値TLIMに基づいて演算されていなければならない。このため、時刻t3において正しいトルク上限値TLIMを求めるために、時刻t3において入力されているインバーター14の入力電圧(=V0(t3)=VINV1+ΔV)が、時刻t2の時点で、トルク上限値演算手段202に入力されていなければならない。
そこで、本実施形態では、図7の加算手段206により、第2コンバーター12の応答特性V0(t)から制御周期Tint経過後に生じていると推測されるオフセット電圧ΔVを予めインバーター14の入力電圧VINVに加算してから、トルク上限値演算手段202に入力しているのである。トルク上限値演算手段202に入力される電圧は、式(5)のV1(t)に対応したものとなる。
V1(t)=V0(t)+ΔV …(5)
このような処理を実行しない場合、モーター要求トルク演算手段203で演算されるモーター要求トルクTREQは、図8のT0(t)に示すように変化していく。この点、本実施形態では、上述したように、制御周期Tint経過後に生じていると推測される出力電圧のオフセットΔVに基づいて、モーター要求トルクTREQが演算されるので、演算値としては、図8のT1(t)で示すようにモーター要求トルクTREQが演算されることになる。なお、TACCは出力応答特性による遅延が生じないと仮定した場合のモーター要求トルクTREQである。
次に図9のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態の燃料電池システム100の制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理セットとなっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期Tint毎に、図9に示すような制御処理を実行するプログラムが制御装置20内で呼び出される(コールされる)ものとする。
ステップS20において、制御装置20は、制御周期Tint毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合(YES)、図7に示す出力要求トルク演算手段201は、ステップS21に移行し、図6のステップS11と同様にして、アクセル開度信号SACCが示すアクセル開度Accと、回転数信号SNが示すモーター回転数Nと、に基づいて、出力要求トルクTACCを演算する。
次いでステップS22に移行し、図7に示す加算手段206は、インバーター14の入力電圧VINVを入力する。また、予め測定された第2コンバーター12等の出力応答特性V0(t)(式(4)参照)によって定まるオフセット電圧ΔVを入力する。そして検出されたインバーター14の入力電圧VINVと推測されるオフセット電圧ΔVとを加算した電圧値をトルク上限値演算手段202に出力する。
次いで、ステップS23に移行し、図7に示すトルク上限値演算手段202は、図6のステップS12と同様にして、図4に示すようなN−T特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照する。そして、アクセル開度Accに応じたトルク上限値特性TLIM(Acc)を特定し、当該N−T特性からモーター回転数Nに応じたトルク上限値TLIMを演算する。このとき、参照されるN−T特性は、インバーター入力電圧がVINV+ΔVである場合のN−T特性となる。
次いでステップS24において、図7に示すモーター要求トルク演算手段203は、図6のステップS13と同様にして、演算された出力要求トルクTACCとトルク上限値TLIMとを比較する。比較の結果、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIM以下である場合(YES)は、ステップS25に移行し、モーター要求トルク演算手段203は、出力要求トルクTACCをモーター要求トルクTREQ(=TACC)として算出する。一方、上記比較の結果、出力要求トルクTACCがトルク上限値TLIMを超える場合(NO)は、ステップS26に移行し、モーター要求トルク演算手段203は、トルク上限値TLIMをモーター要求トルクTREQ(=TLIM)として算出する。
次いでステップS27に移行し、図7に示すモーター要求パワー演算手段204は、図6のステップS16と同様にして、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーを演算する。
次いでステップS28に移行し、図7に示す発電要求パワー演算手段205は、図6のステップS17と同様にして、モーター要求パワーPMに基づいて燃料電池の発電要求パワーPFCを演算する。
なお、ステップS20において、制御タイミングでないと判断された場合には(NO)、当該制御処理は実行されずに終了する。
その後、制御装置20は、発電要求パワーを燃料電池10に出力させるための出力電圧VFCを燃料電池10のI−V特性に基づいて決定し、この出力電圧VFCに制御させるためのコマンドCVFCを第1コンバーター11に出力する。
以上、本実施形態によれば、第2コンバーター12等に出力応答特性に由来する遅延が発生する場合であっても、発電要求パワーPFCに対応した過不足の無い発電パワーが燃料電池10から出力される。この発電パワーは、トルクの上限処理がされたモーター15で消費する電力と等しいため、過剰な電力が生じることが抑制される。
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、これに限定されることはない。DC−DCコンバーターを一つ、または3つ以上備える燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、これに限定されることはない。DC−DCコンバーターを一つ、または3つ以上備える燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
また、モーター15が直流駆動可能であって、インバーター14を必要としない燃料電池システムに対しても本発明を適用可能である。このような燃料電池システムでは、インバーターの入力電圧に代えて、モーター15の入力電圧を検出して利用すればよい。
また、モーター15は、必ずしも車両走行用のモーターであることを要しない。駆動電圧に対応して発生するトルクに上限を生じるようなモーターであれば、本発明を適用可能である。
また、上記実施形態では、出力要求としてアクセル(ガスペダル)開度Accを入力していたがこれに限定されない。例えば、載置型の燃料電池システムでは、アクセルに相当する操作手段が存在しない場合がある。このようなシステムでは、アクセル以外の出力要求に関する情報を利用するように構成すればよい。
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、車両に限らず、他の移動体に搭載して適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。また、車両のような移動体に限らず、定置型電源システム、携帯型電源システムにも適用可能である。
10…燃料電池、11…第1コンバーター、12…第2コンバーター、13…バッテリー、14…インバーター、15…モーター、16…ディファレンシャル、17…タイヤ、18…補機インバーター、19…高電圧補機、20…制御装置、21…アクセル開度センサー、22…センサ群、23…回転数センサ、100…燃料電池システム、201…出力要求トルク演算手段、202…トルク上限値演算手段、203…モーター要求トルク演算手段、204…モーター要求パワー演算手段、205…発電要求パワー演算手段、206…加算手段、Acc…アクセル開度、N…モーター回転数、PAUX…高電圧補機パワー、PFC…発電要求パワー、PM…モーター要求パワー、SACC…アクセル開度信号、SN…回転数信号、SVd…駆動電圧信号、T…トルク、TACC…出力要求トルク、Tint…制御周期、TLIM…トルク上限値、TREQ…モーター要求トルク、VBAT…出力電圧、Vd…駆動電圧、Vd2…駆動電圧、VFC…出力電圧、VFC…目標出力電圧、VINV…インバーター14の入力電圧、ΔV…オフセット電圧
Claims (5)
- 燃料電池と、
前記燃料電池からの発電パワーを供給可能に接続されるモーターと、
前記モーターに接続されたインバーターと、
前記インバーターの入力電圧を設定するコンバーターと、
を備えた燃料電池システムであって、
出力要求に基づいて出力要求トルクを演算する出力要求トルク演算手段と、
前記モーターが発生可能なトルク上限値を演算するトルク上限値演算手段と、
前記出力要求トルクと前記トルク上限値とを比較し、前記出力要求トルクが前記トルク上限値以下である場合は前記出力要求トルクをモーター要求トルクとして演算し、前記出力要求トルクが前記トルク上限値を超える場合は前記トルク上限値を前記モーター要求トルクとして演算するモーター要求トルク演算手段と、
前記モーター要求トルクに基づいてモーター要求パワーを演算するモーター要求パワー演算手段と、
前記モーター要求パワーに基づいて前記燃料電池の発電要求パワーを演算する発電要求パワー演算手段と、を備え、
前記トルク上限値演算手段は、前記インバーターの入力電圧に前記コンバーターの電圧制御応答性に基づくオフセット電圧を加算した加算値に基づいて前記トルク上限値を演算する、
燃料電池システム。 - 前記トルク上限値演算手段は、前記加算値と前記モーターの回転数とに基づいて前記トルク上限値を演算する、
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記出力要求トルク演算手段は、アクセル開度と前記モーターの回転数とに基づいて前記出力要求トルクを演算する、
請求項1または2に記載の燃料電池システム。 - 前記発電要求パワー演算手段は、前記モーター要求パワーと前記モーター以外の負荷装置の要求パワーとを合計して前記燃料電池の発電要求パワーを演算する、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池と、
前記燃料電池からの発電パワーを供給可能に接続されるモーターと、
前記モーターに接続されたインバーターと、
前記インバーターの入力電圧を設定するコンバーターと、
を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
出力要求に基づいて出力要求トルクを演算するステップと、
前記モーターが発生可能なトルク上限値を演算するステップと、
前記出力要求トルクと前記トルク上限値とを比較し、前記出力要求トルクが前記トルク上限値以下である場合は前記出力要求トルクをモーター要求トルクとして演算し、前記出力要求トルクが前記トルク上限値を超える場合は前記トルク上限値を前記モーター要求トルクとして演算するステップと、
前記モーター要求トルクに基づいてモーター要求パワーを演算するステップと、
前記モーター要求パワーに基づいて前記燃料電池の発電要求パワーを演算するステップと、を備え、
前記インバーターの入力電圧に前記コンバーターの電圧制御応答性に基づくオフセット電圧を加算した加算値に基づいて前記トルク上限値を演算する、
燃料電池システムの制御方法。
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