JP5234386B2 - 燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法に係り、更に詳しくは、キーオフ時にシステムを構成している各部品のオフおよび終了順序を運転モード別に最適化し、高電圧単品を安定的にパワーダウンさせることができる燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法に関する。
一般的に燃料電池は既存の発電方式と比較すると、発電効率が高いだけでなく発電による公害物質の排出が全くないため未来の発電技術として評価されており、エネルギー節約と環境公害問題、そして最近注目されている地球温暖化問題などを解決するための車両の動力源として活発に研究されている。
燃料電池は水素などの活性を有する物質、例えばLNG、LPG、メタノールなどを電気化学反応を通して酸化させ、その過程で放出される化学エネルギーを電気に変換させるものであり、主に天然ガスから容易に生産することができる水素と大気中の酸素が使用される。
しかし、環境親和的な燃料電池のみを電気車両の動力源として使用する場合、電気車両を構成している負荷全てを燃料電池が担当するようになるため、燃料電池の効率が低い運転領域にて性能が低下するという短所がある。
そして、高い電圧を要求する高速運転領域で出力電圧が急激に減少する特性により駆動モータが要求する充分な電圧を供給できないため、車両の加速性能を低下させるという問題点がある。
また、車両に急激な負荷が印加される場合、燃料電池の出力電圧が瞬間的に急降下して駆動モータに充分な電力を供給できず、車両性能が低下するという短所がある(化学反応による電気を発生させるため急激な負荷変動に対しては燃料電池に無理がかかる)。
また、燃料電池は単方向性出力特性を有するため、車両制動時に駆動モータから印入されるエネルギーを回収することができず、車両システムの効率性を低下させるという短所がある。
前記短所を補完するための方案として、燃料電池車両において、高電圧バッテリーまたはスーパーコンデンサ(super capacitor)を別途に車両動力源として追加搭載した燃料電池バッテリーハイブリッドまたは燃料電池のスーパーコンデンサシステムが開発されている。
ここで、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムは、小型車両だけでなくバスなどの大型車両の主動力源である燃料電池の他に、モータ駆動に必要なパワーを提供するための別途の動力源としてスーパーコンデンサを搭載したシステムであり、図1は燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーネットの構成図である。
燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムの基本的なパワーネット構成は、モータ30駆動に必要なパワーを提供する燃料電池10およびスーパーコンデンサ20、モータの作動を制御するモータ制御装置(以下、MCUと称する)31、半導体スイッチ(IGBT)のスイッチング動作を通してマルチ機能を具現するためのチョッパー40、補助制動に係る制動抵抗器50を含む。
また、各種補機類部品および燃料電池駆動関連付属部品などの付属負荷(Parasitic Load)60には、車両に装着された各種部品に対してパワーを提供するための12Vおよび24V補助バッテリー61,62、低電圧DC−DCコンバーター(Low Voltage DC−DC Converter、LV DCDC)63,64および高電圧DC−DCコンバーター(High Voltage DC−DC Converter、HV DCDC)66、インバーター67、燃料電池システム駆動に必要なBOP(Balance Of Plant)部品(空気供給装置(APS)、水素供給装置(FPS)、冷却装置(TMS)などの装置全体を指す)65、高電圧部品および燃料電池冷却のための冷却ポンプ(高電圧部品冷却および燃料電池冷却用)68a、エアコン68b、パワーステアリング68cなどの部品が含まれる。
図示した燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムのパワーネットの構成において、燃料電池10が提供するパワーのみでモータ30が駆動されるモードである燃料電池モードと、燃料電池10と合わせてスーパーコンデンサ20が提供するパワーでモータ30が駆動されるモードのハイブリッドモードでは、モータ駆動に必要なパワー以外に、低電圧DC−DCコンバータであるLV DCDC(14V)63およびLV DCDC(28V)64、高電圧DC−DCコンバータであるHV DCDC(350V)66、インバータ67を通して各々12V、24V補助バッテリー61,62、燃料電池駆動関連BOP部品65、冷却ポンプ68a、エアコン68b、パワーステアリング68cに高電圧パワーの供給のために図2の矢印で表わすような方向に補機類電流が流れる。
一方、図示した通り、12Vおよび24Vの2個の補助バッテリー61,62が装着された燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両において、パワーアップ(Key On)とその動作モードに対しては一部、研究されたところがあるが、未だパワーダウン(Key Off)時のシーケンス制御に対する技術開発は提案されたことがない。
従って、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワー運転モードでキーオフをする際、安定的に高電圧単品をパワーダウンさせることのできるシーケンス制御技術の開発は切実な問題となっている。
特開2005−218221号公報
本発明は前記のような点を考慮してなされたものであり、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワー運転モードにおいて、キーオフ時に安定的に高電圧単品をパワーダウンさせることのできるシーケンス制御技術を提供することにその目的がある。
本発明は、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワー運転モードにおいて、キーオフ時に安定的に高電圧単品をパワーダウンさせる制御方法であって、
キーオフ入力時、現在の運転モードを判断する段階と、
現在の運転モードが燃料電池モードの場合、補助バッテリーに連結された低電圧DC−DCコンバーターを昇圧モードに転換させる段階と、
前記補助バッテリーから供給されて前記低電圧DC−DCコンバーターにより昇圧された電圧が高電圧単品に供給されて前記高電圧単品の駆動状態が維持される段階と、
スタックPDUをオフにさせて燃料電池スタックのパワーを遮断する段階と、
燃料電池の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達して前記高電圧単品をオフにさせると同時に燃料電池の作動を終了させる段階と、
を含み、
キーオフ入力時、現在の運転モードがハイブリッドモードの場合、スーパーコンデンサが提供するパワーにより高電圧単品の駆動状態が維持されるようにして、スタックPDUをオフにさせて燃料電池スタックのパワーを遮断する段階と、
次いで、燃料電池の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達して前記高電圧単品をオフにさせると同時に燃料電池の作動を終了させる段階と、
DC−DCコンバーターをオフにさせる段階と、
メインPDUをオフにさせてスーパーコンデンサのパワーを遮断する段階と
を含み、何れの場合も上記の順に制御を行うことを特徴とする。
前記高電圧単品は、燃料電池システム駆動に必要な空気供給装置(APS)、水素供給装置(FPS)、冷却装置(TMS)を含むBOP部品であることを特徴とする。
前記高電圧単品に連結された高電圧DC−DCコンバーターは、低電圧DC−DCコンバーターが昇圧モードに転換されながらオフにさせることを特徴とする。
前記低電圧DC−DCコンバーターが昇圧モードに転換されて高電圧単品が昇圧により
駆動される状態となると、燃料電池スタックのパワーを遮断するまで各冷却装置に供給し
、モータ、モータ制御装置、コンバーターインバーターを含む高電圧電装部品を冷
却させることを特徴とする。
現在の運転モードがハイブリッドモードの場合、燃料電池スタックのパワーを各冷却装置に供給して、モータ、モータ制御装置、コンバーターインバーターを含む高電圧電装部品を冷却させた後、前記燃料電池スタックのパワー遮断段階を行うことを特徴とする。
本発明による燃料電池スーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法によると、キーオフ時に運転モード別にシステムを構成している各備品のオフおよび終了順序を最適化することで、高電圧単品を安定的にパワーダウンさせることができる。
特に、キーオフを入力する際、運転モード状態に従って、燃料電池が正常に終了するまで燃料電池システム駆動のためのBOP部品を安定的に運転させることのできる方案が準備されることで、BOP部品に電圧が供給されていない時にも発生する燃料電池および各単品の非正常的なパワーダウンを予防することができ、各単品の致命的な損傷などの問題を防止することができる。
以下、図面を参照にして本発明を更に詳しく説明する。
本発明は燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法に関し、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワー運転モードにおいて、キーオフ時に安定的に高電圧単品をパワーダウンさせるシーケンス制御方法を提供する。
特に、本発明は燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両において、ハイブ
リッドモードまたは燃料電池モードで運転中、車両を駐車しようとする際、構成品である
LV DCDC、HV DCDC、メインPDU(Power Disconnect Unit)、スタックPDU、インバーターを利用して車両を安定的にパワーダウンさせる制御方法を提供する。
燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両(例えば、燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドバス)では、12V、24V補助バッテリーのパワーを使用する単品があり、また、350Vを使用する高電圧単品、例えば、空気供給装置(APS)、水素供給装置(FPS)、冷却装置(TMS)を含めて燃料電子システムの駆動に必要なBOP部品(これらの部品は燃料電池が正常にストップするまでは駆動されていなければならない)が搭載されているため、特化されたパワーダウン制御ロジックが必要である。
電源供給部にてスーパーコンデンサを使用することのできない燃料電池モードでは、キーオフ時に燃料電池の作動が終了するまでBOP部品に電圧が供給されなければ、燃料電池および各単品に非正常的なパワーダウンが発生し、各単品の致命的な損傷が発生する。
また、燃料電池のスーパーコンデンサ電気車両では、燃料電池およびスーパーコンデンサが同時に運用されるハイブリッドモードがあるが、運転中にスーパーコンデンサシステムの安定性に異常が発生した場合、車両の安全のために燃料電池のみで運用される燃料電池モードに移行し、各場合に対してパワーダウンシーケンスを最適化する必要がある。
これは図1に示すパワーネット構成に起因したものであり、以下各モードに対するパワーダウンシーケンス制御過程を図を参照にして詳しく説明する。
図2は本発明において、補助バッテリーに連結されたDC−DCコンバーターの昇圧モードを遂行した際のBOP部品への電流の流れ図である。これは本発明で後述する通り、燃料電池モード中、キーオフを行う際に燃料電池の作動が正常に終了するまでBOP部品を駆動させるための電流の流れ状態を表したものである。
図3と図4は燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムにおいて、運転モードによるパワー供給状態の図として、各運転モードを説明するための参考図であり、特に燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両の各運転モードによる電気の流れ状態を表したもので、図3はハイブリッドモード時を、図4は燃料電池モード時を表す。
図3と図4では図2に表した各種補機類部品68a、68b、68cおよび燃料電池駆動関連BOP部品65、そして各部品に連結されたLV DCDC63,64、HV DCDC66、インバーター67などを含む付属負荷を符号60として簡略化して示した。
また、図5は本発明によるキーオフ時の制御過程を簡略に表した順序図であり、図6は本発明によるハイブリッドモードでのキーオフ時のキーオフシーケンス制御過程を、図7は本発明による燃料電池モードでのキーオフ時のキーオフシーケンス制御過程を更に詳しく説明した順序図である。
従来技術で述べた通り、燃料電池10が提供するパワーのみでモータ30が駆動されるモードである燃料電池モードと、燃料電池10と合わせてスーパーコンデンサ20が提供するパワーでモータ30が駆動されるモードであるハイブリッドモードで、燃料電池10とスーパーコンデンサ20からはモータ駆動に必要なパワー以外に、低電圧DC−DCコンバーターであるLV DCDC(14V)63およびLV DCDC(28V)64、高電圧DC−DCコンバーターであるHV DCDC(350V)66、インバーター67を通して各々12V、24V補助バッテリー61,62、燃料電池駆動関連BOP部品65、冷却ポンプ68a、エアコン68b、パワーステアリング68cに高電圧パワー供給のために、図2の矢印で表わす方向に補機類電流が流れる。
このような状態でのキーオフ時には高電圧部品の冷却のためにインバーター67および冷却ポンプ68aは一定時間動作されなければならず、特にパワーダウン制御過程で燃料電池10の作動が正常に終了するまでは燃料電池システム駆動に必要なBOP部品65が電力の供給を受け続けながら運転されなければならない。
図3に示す通り、図3のハイブリッドモードでは燃料電池スタック11とスーパーコンデンサ20がスタックPDU(Stack Power Disconnect Unit)12およびメインPDU13のオン状態(電気的に連結された状態)でモータ30駆動のためのパワーとBOP部品など付属負荷60の駆動のためのパワーを供給する。
図示はしていないが、通常のスタックPDU12とメインPDU13とリレーを含む構成にて構成され、ハイブリッド制御装置(以下、HCUと略称する)により内部リレーの駆動が制御されながら電気的連結を断続するようになってい
る。
図4の燃料電池モードでは、燃料電池スタック11がスタックPDU12のオン状態でモータ駆動のためのパワーと付属負荷60の駆動のためのパワーを供給するようになり、この時、スーパーコンデンサ20の電源はメインPDU13(関連リレーオフ)により遮断される。
また、前記のような各モードの運転中にキーオフ命令が入力されると図5に示す通り、ハイブリッドモードと燃料電池モードで、現在のモード状態に従ってオフシーケンス制御が行われる。
以下に、このような制御過程を各モード別に図6と図7を参照して詳しく説明する。
キーオフ命令を入力する際、運転モードの判断に従って、図3のようなハイブリッドモード状態の場合、図6のようなキーオフシーケンス制御を行い、図4のような燃料電池モード状態の場合、図7のようなキーオフシーケンス制御を行う。
まず、キーオフ命令を入力する際、ハイブリッドモード状態の場合、キーオフ入力により燃料電池およびスーパーコンデンサのパワーを遮断する前に、第1制御装置、例えば、車両制御装置(VCU)が運転中に温度が上昇した各種高電圧電装部品、即ち、モータ、モータ制御装置、コンバーター類、インバーター類などの高電圧電装部品を冷却させるための冷却制御を行う。
前記した高電圧電装部品の温度を下げるための冷却過程は、各部品別に既装着された冷却装置を制御することで行われ、各高電圧電装部品別に冷却を行う冷却装置は電気車両の基本的な構成要素である。これらの関連技術は、先行特許などを含め公知技術であるため詳しい説明は省略する。
前記のように高電圧電装部品の冷却が完了すると、第2制御装置、例えば、ハイブリッド制御装置(HCU)はスタックPDU12をオフにさせて燃料電子スタック11のパワーを遮断し、この時、スーパーコンデンサ20のパワーのみが全高電圧電装品に供給されるため、BOP部品65はスーパーコンデンサ20が提供するパワーにより駆動状態を維持する。
以後、第2制御装置は燃料電池10の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達し、これに燃料電池制御装置が燃料電池10の動作に必要であった全BOP部品65をオフにさせて燃料電池10の動作を終了させる。
そして、第2制御装置がDC−DCコンバーター63,64,66類の作動を停止(LV DCDC(14V)、LV DCDC(28V)、HV DCDC(350V)などのコンバーターオフ)させた後、メインPDU13をオフにさせてスーパーコンデンサ20のパワーを遮断する。
第2制御装置はスーパーコンデンサ20のパワーを遮断した後、オフにされ、第2制御装置がオフになりながらキーオフ全ての過程が終了するとシステムはシャットダウン状態となる。
一方、キーオフ命令を入力する際、燃料電池モード状態の場合、スーパーコンデンサ20のパワーは既に切断されているため、その後、燃料電池動作終了までBOP部品65の駆動は補助バッテリー61の電源により行われる。
即ち、第2制御装置(例、HCU)が12V補助バッテリー61に連結された低電圧DC−DCコンバーター(14V)63を昇圧モードに転換させるための制御を行い、これと同時にBOP部品65に直結された高電圧DC−DCコンバーター(350V)66は低電圧DC−DCコンバーター63の昇圧モードを支援するためにオフさせる。
この時、補助バッテリー61から出力された14V電圧は低電圧DC−DCコンバーター(14V)63の昇圧モード作動によりBOP部品65を作動させるための高電圧350Vに昇圧され、BOP部品65は補助バッテリー61で低電圧DC−DCコンバーター(14V)63を通して供給される350V電圧で駆動状態を維持する。
その後、ハイブリッドモードと同様に、第1制御装置(例、VCU)により高電圧電装部品の冷却が行われ、高電圧電装部品の冷却が完了すると第2制御装置は24V補助バッテリー62に連結された低電圧DC−DCコンバーター(28V)64をオフにさせた後、スタックPDU12をオフにさせて燃料電池スタック11のパワーを遮断する。
この時、BOP部品65は12V補助バッテリー61にて低電圧DC−DCコンバーター63を通して供給される350V電圧にて駆動状態を維持し続ける。
その後、第2制御装置は燃料電池10の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達した後、燃料電池制御装置が燃料電池10の動作に必要であった全てのBOP部品65をオフにさせ、燃料電池10の動作を終了させる。
そして、第2制御装置は残りの低電圧DC−DCコンバーター(14V)63をオフにさせて、最後に第2制御装置がオフになりながらキーオフの全過程が終了し、システムがシャットダウン状態になる。
燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワーネット構成図である。 本発明で補助バッテリーに連結されたDC−DCコンバーターの昇圧モード遂行時の電流の流れ図である。 燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムにおいて、ハイブリッドモードによるパワー供給状態図である。 燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッドシステムにおいて、燃料電池モードによるパワー供給状態図である。 本発明によるキーオフ時の制御過程を簡略に表した順序図である。 ハイブリッドモードにおいて、本発明によるキーオフ時のキーオフシーケンス制御過程を表す詳細図である。 燃料モードにおいて、本発明によるキーオフ時のキーオフシーケンス制御過程を表す詳細図である。
符号の説明
10 燃料電池
11 燃料電池スタック
12 スタックPDU
13 メインPDU
20 スーパーコンデンサ
30 駆動モータ
31 MCU
60 付属負荷
61 12V補助バッテリー
62 24V補助バッテリー
63,64 低電圧DC−DCコンバーター
65 BOP部品
66 高電圧DC−DCコンバーター
68a 冷却ポンプ

Claims (5)

  1. 燃料電池のスーパーコンデンサハイブリッド電気車両のパワー運転モードにおいて、キーオフ時に安定的に高電圧単品をパワーダウンさせる制御方法であって、
    キーオフ入力時、現在の運転モードを判断する段階と、
    現在の運転モードが燃料電池モードの場合、補助バッテリーに連結された低電圧DC−DCコンバーターを昇圧モードに転換させる段階と、
    前記補助バッテリーから供給されて前記低電圧DC−DCコンバーターにより昇圧された電圧が高電圧単品に供給されて前記高電圧単品の駆動状態が維持される段階と、
    スタックPDUをオフにさせて燃料電池スタックのパワーを遮断する段階と、
    燃料電池の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達して前記高電圧単品をオフにさせると同時に燃料電池の作動を終了させる段階と、
    を含み、
    キーオフ入力時、現在の運転モードがハイブリッドモードの場合、スーパーコンデンサが提供するパワーにより高電圧単品の駆動状態が維持されるようにして、スタックPDUをオフにさせて燃料電池スタックのパワーを遮断する段階と、
    次いで、燃料電池の作動を終了するための停止命令を燃料電池制御装置に伝達して前記高電圧単品をオフにさせると同時に燃料電池の作動を終了させる段階と、
    DC−DCコンバーターをオフにさせる段階と、
    メインPDUをオフにさせてスーパーコンデンサのパワーを遮断する段階と
    を含み、何れの場合も上記の順に制御を行うことを特徴とする燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法。
  2. 前記高電圧単品は、燃料電池システム駆動に必要な空気供給装置(APS)、水素供給
    装置(FPS)、冷却装置(TMS)を含むBOP部品であることを特徴とする請求項1
    記載の燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法。
  3. 前記高電圧単品に連結された高電圧DC−DCコンバーターは低電圧DC−DCコンバ
    ーターが昇圧モードに転換されながらオフにさせることを特徴とする請求項1または2記
    載の燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法。
  4. 前記低電圧DC−DCコンバーターが昇圧モードに転換されて高電圧単品が昇圧により
    駆動される状態となると、燃料電池スタックのパワーを遮断するまで各冷却装置に供給し
    、モータ、モータ制御装置、コンバーターインバーターを含む高電圧電装部品を冷
    却させることを特徴とする請求項1記載の燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン
    制御方法。
  5. 現在の運転モードがハイブリッドモードの場合、燃料電池スタックのパワーを各冷却装
    置に供給して、モータ、モータ制御装置、コンバーターインバーターを含む高電圧
    電装部品を冷却させた後、前記燃料電池スタックのパワー遮断段階を行うことを特徴とす
    請求項1記載の燃料電池ハイブリッド電気車両のパワーダウン制御方法。
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