JP5339195B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell.

近年、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。   In recent years, a fuel cell system that uses a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction of reaction gases (fuel gas and oxidizing gas) as an energy source has attracted attention. The fuel cell system supplies high-pressure fuel gas from the fuel tank to the anode of the fuel cell, and also supplies air as the oxidizing gas to the cathode, and generates an electromotive force by electrochemically reacting these fuel gas and oxidizing gas. It is what

この種の燃料電池システムには、複数の区分に分けられた二次電池の残容量と、複数の区分に分けられたシステム要求電力とから燃料電池の目標発電電力値を導出するマトリクス状のデータテーブルを具備し、各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値が、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定されており、制御ユニットが、データテーブルの各区分に画定された目標発電電力値に基づいて燃料電池の発電量を制御する制御部を含んでいるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。   This type of fuel cell system has matrix data for deriving the target generated power value of the fuel cell from the remaining capacity of the secondary battery divided into a plurality of sections and the system required power divided into the plurality of sections. And the upper limit value and the lower limit value of the system required power in each section and the remaining capacity of the secondary battery are set so as to overlap each other between adjacent sections. One that includes a control unit that controls the power generation amount of the fuel cell based on the target power generation value defined for each section is known (for example, see Patent Document 1).

特開2008−84769号公報JP 2008-84769 A

ところで、燃料電池システムの許容パワーは、駆動モータ等の駆動部での消費パワー、バッテリに充電できるパワー、高圧補機での消費パワー、コンバータでの損失パワー、その他の損失を加算して求められるが、バッテリの残存容量であるSOC(State Of Charge)の過度の上昇を防止してバッテリの劣化を抑えるためには、SOCの状態に応じて燃料電池での出力を絞る(制限する)必要がある。
しかし、システム許容パワーをSOCによって一様に制限してしまうと、不具合を生ずることがある。例えば、低温環境下ではバッテリに充電できるパワーが制限されてしまうため、氷点下始動時のように燃料電池を急速に暖機したい状況下であっても、システム許容パワーの範囲内で燃料電池の発電量を制限してしまうと、それだけ燃料電池の暖機が遅れ、始動性の悪化を招く。
By the way, the allowable power of the fuel cell system is obtained by adding the power consumed by the drive unit such as the drive motor, the power that can be charged to the battery, the power consumed by the high-voltage auxiliary machine, the power lost by the converter, and other losses. However, in order to prevent an excessive increase in SOC (State Of Charge), which is the remaining capacity of the battery, and to suppress deterioration of the battery, it is necessary to reduce (limit) the output in the fuel cell according to the state of the SOC. is there.
However, if the system allowable power is uniformly limited by the SOC, a malfunction may occur. For example, the power that can be charged to the battery is limited in a low-temperature environment, so even if you want to quickly warm up the fuel cell, such as when starting below freezing point, If the amount is limited, the warm-up of the fuel cell is delayed and the startability is deteriorated.

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、二次電池の充電状態に基づく制御と二次電池の充電状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御とを互いに干渉させることなく行うことが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the prior art, and needs to be preferentially performed without depending on the control based on the charged state of the secondary battery and the charged state of the secondary battery. An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of performing control without interfering with each other.

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力の充電あるいは負荷への電力の供給を行う二次電池と、前記燃料電池に対する発電指令パワーを算出して該発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、少なくとも前記二次電池が過充電とならない当該二次電池に充電可能なパワーに依存して設定されるシステム許容パワーの範囲内にて発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する連続定格制御と、所定の要求に対応するために前記二次電池に充電可能なパワーを超えて設定される優先的に行うべき制御を可能にする発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する短時間定格制御と、を選択的に行うものである。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that receives supply of a reaction gas and generates electric power through an electrochemical reaction of the reaction gas, and charging of electric power supplied from the fuel cell. Alternatively, a fuel cell system comprising: a secondary battery that supplies power to a load; and a control unit that calculates power generation command power for the fuel cell and controls power generation of the fuel cell based on the power generation command power The control unit calculates a power generation command power within a range of system allowable power that is set depending on power that can be charged to the secondary battery at least so that the secondary battery is not overcharged , is set beyond the rechargeable power to said rechargeable battery to corresponding to the continuous and rated control, predetermined request for controlling the power generation of the fuel cell based on the power command power Calculating a power generation command power that enables previously controlled to be performed, and the short-time rating control for controlling the power generation of the fuel cell based on the power command power, in which selectively perform.

かかる構成の燃料電池システムによれば、二次電池の充電状態に基づく制御と、二次電池の充電状態がどうであれ優先的に行わなければならない制御とを互いに干渉させることなく行うことができる。   According to the fuel cell system having such a configuration, the control based on the state of charge of the secondary battery and the control that should be preferentially performed regardless of the state of charge of the secondary battery can be performed without interfering with each other. .

例えば、平常時は、二次電池のSOCの状態に基づいて算出した発電指令パワーにて燃料電池の発電を制御することにより、二次電池への過充電を予防して二次電池の劣化を抑制することができる一方で、例えば、燃料電池内の含水量測定のためのインピーダンス計測時や、燃料電池の急速暖機が必要な低温環境下(例えば、氷点下)での始動時などのように、イレギュラーな要求が発生した場合には、かかる要求に対応可能な発電指令パワーを算出し、仮にこの発電指令パワーがシステム許容パワーを上回っていたとしても、二次電池のSOCの状態を考慮せずに優先的に行うべき制御の実施を選択することができる。   For example, during normal times, by controlling the power generation of the fuel cell with the power generation command power calculated based on the SOC state of the secondary battery, the secondary battery is prevented from being overcharged and the secondary battery is deteriorated. While it can be suppressed, for example, when measuring impedance for measuring the moisture content in a fuel cell, or when starting in a low-temperature environment (for example, below freezing) where rapid warm-up of the fuel cell is required When an irregular request occurs, the power generation command power that can meet such a request is calculated, and even if this power generation command power exceeds the system allowable power, the SOC state of the secondary battery is taken into consideration. It is possible to select the execution of the control that should be preferentially performed.

本発明によれば、二次電池の状態に基づく制御と二次電池の状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御とを互いに干渉させることなく行うことができる。   According to the present invention, the control based on the state of the secondary battery and the control that needs to be preferentially performed without depending on the state of the secondary battery can be performed without interfering with each other.

本発明の一実施形態における燃料電池システムを概略的に示した構成図である。1 is a configuration diagram schematically illustrating a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. バッテリのSOCに基づくシステム許容パワーによってFCパワーに一定の制限を加える連続定格制御でのSOC、システム許容パワー及び燃料電池の電圧の相互関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the correlation of SOC in the continuous rated control which adds a fixed restriction | limiting to FC power by the system permissible power based on battery SOC, a system permissible power, and the voltage of a fuel cell. バッテリのSOCに基づく連続定格制御中に割り込み的に短時間定格制御が行われた場合における燃料電池のFCパワー、バッテリパワー及び燃料電池の発電電力の相互関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the interrelationship of FC power of a fuel cell, battery power, and generated power of a fuel cell when short-time rating control is performed interruptively during continuous rating control based on battery SOC. 制御部による制御内容を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the control content by a control part. 制御部による制御内容の変形例を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the modification of the control content by a control part. バッテリのSOC、システム許容パワー及び一時拡大要求の有無の相互関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the correlation of SOC of a battery, system allowable power, and the presence or absence of a temporary expansion request | requirement. 制御部による制御内容の他の変形例を説明する制御ブロック図である。It is a control block diagram explaining the other modification of the control content by a control part.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)の車載発電システムとして用いた場合について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. This embodiment demonstrates the case where the fuel cell system which concerns on this invention is used as a vehicle-mounted power generation system of a fuel cell vehicle (FCHV; Fuel Cell Hybrid Vehicle).

まず、図1を参照して、本実施形態に係る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、燃料電池システム1は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池2を備えており、この燃料電池2の発電状態は制御部11によって制御される。
First, the configuration of the fuel cell system according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power by an electrochemical reaction between an oxidizing gas, which is a reaction gas, and the fuel gas. The power generation state of the fuel cell 2 is controlled by a control unit 11. Controlled by.

燃料電池2は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。   The fuel cell 2 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell, and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked. The single cell has an air electrode on one surface of an electrolyte composed of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a structure having a pair of separators so as to sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. It has become. In this case, hydrogen gas is supplied to the hydrogen gas flow path of one separator, and air, which is an oxidizing gas, is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and electric power is generated by the chemical reaction of these reaction gases. .

この燃料電池2には、FC昇圧コンバータ3が接続されており、このFC昇圧コンバータ3に、それぞれインバータ4,5を介して駆動モータ6及びエアコンプレッサ7が接続されている。
また、FC昇圧コンバータ3には、バッテリ昇圧コンバータ8を介して、二次電池であるバッテリ9及び各種の補機10が接続されている。
An FC boost converter 3 is connected to the fuel cell 2, and a drive motor 6 and an air compressor 7 are connected to the FC boost converter 3 via inverters 4 and 5, respectively.
The FC boost converter 3 is connected to a battery 9 as a secondary battery and various auxiliary machines 10 via a battery boost converter 8.

バッテリ昇圧コンバータ8は、直流の電圧変換器であり、バッテリ9から入力された直流電圧を調整してインバータ4,5側に出力する機能と、燃料電池2または駆動モータ6から入力された直流電圧を調整してバッテリ9に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ8の機能により、バッテリ9の充放電が実現される。また、バッテリ昇圧コンバータ8により、燃料電池2の出力電圧が制御される。   The battery boost converter 8 is a DC voltage converter, and adjusts the DC voltage input from the battery 9 and outputs it to the inverters 4 and 5 side, and the DC voltage input from the fuel cell 2 or the drive motor 6. And adjusting the output to the battery 9. By such a function of the battery boost converter 8, charging / discharging of the battery 9 is realized. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the battery boost converter 8.

バッテリ9は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって、燃料電池2の発電電力のうち駆動モータ6を含む負荷全体で消費される電力等を指し引いた余剰電力を充電したり、駆動モータ6に対して補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。   The battery 9 refers to the power consumed by the entire load including the drive motor 6 out of the generated power of the fuel cell 2 under the control of a battery computer (not shown) with battery cells stacked and a constant high voltage as a terminal voltage. It is possible to charge the surplus power drawn or to supply power to the drive motor 6 in an auxiliary manner.

駆動モータ6は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム1が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。駆動モータ6が接続されたインバータ4は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ6に供給する。   The drive motor 6 is a three-phase AC motor, for example, and constitutes a main power source of a fuel cell vehicle on which the fuel cell system 1 is mounted. The inverter 4 to which the drive motor 6 is connected converts a direct current into a three-phase alternating current and supplies it to the drive motor 6.

エアコンプレッサ7は、燃料電池2へ酸化剤である空気を送り込むコンプレッサである。エアコンプレッサ7が接続されたインバータ5は、エアコンプレッサ7の駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換してエアコンプレッサ7のモータに供給する。インバータ5は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御部11からの制御指令に従って燃料電池2またはバッテリ9から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、エアコンプレッサ7のモータで発生する回転トルクを制御する。   The air compressor 7 is a compressor that sends air, which is an oxidant, to the fuel cell 2. The inverter 5 to which the air compressor 7 is connected is an electric motor control unit that controls driving of the air compressor 7, converts a direct current into a three-phase alternating current, and supplies it to the motor of the air compressor 7. The inverter 5 is, for example, a pulse width modulation type PWM inverter, which converts a DC voltage output from the fuel cell 2 or the battery 9 into a three-phase AC voltage in accordance with a control command from the control unit 11, and a motor for the air compressor 7. To control the rotational torque generated at.

制御部11は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材(アクセル等)の操作量を検出し、加速要求値(例えば、駆動モータ6等の電力消費装置からの要求発電量)等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、駆動モータ6の他に、例えば、燃料電池2を作動させるために必要な補機装置(例えばエアコンプレッサ7や他の各種の補機10のモータ等)、車両の走行に関与する各種装置(変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置(エアコン)、照明、オーディオ等が含まれる。   The control unit 11 detects an operation amount of an acceleration operation member (accelerator or the like) provided in the fuel cell vehicle, and controls information such as an acceleration request value (for example, a required power generation amount from a power consuming device such as the drive motor 6). In response, the operation of various devices in the system is controlled. In addition to the drive motor 6, the power consuming device includes, for example, auxiliary equipment required to operate the fuel cell 2 (for example, motors of the air compressor 7 and other various auxiliary machines 10), vehicle This includes actuators used in various devices (transmissions, wheel control devices, steering devices, suspension devices, etc.) involved in traveling, air conditioning devices (air conditioners) for passenger spaces, lighting, audio, and the like.

ところで、燃料電池2の発電電力であるFCパワーPfcは、燃料電池システム1の運転に必要とされるシステム要求パワーPrと、過充電とならないようにバッテリ9に充電可能なパワーP2とからなる。また、システム要求パワーPrは、駆動モータ6及びエアコンプレッサ7でのモータ消費パワーP1と、各種の補機10で消費される高圧補機消費パワーP3と、FC昇圧コンバータ3やバッテリ昇圧コンバータ8における損失パワーP4とからなる。   By the way, the FC power Pfc that is the generated power of the fuel cell 2 is composed of a system required power Pr required for operation of the fuel cell system 1 and a power P2 that can charge the battery 9 so as not to be overcharged. The system required power Pr is the motor consumption power P1 in the drive motor 6 and the air compressor 7, the high-voltage auxiliary machine consumption power P3 consumed in various auxiliary machines 10, the FC boost converter 3 and the battery boost converter 8. It consists of loss power P4.

バッテリ9は、バッテリ9の残存容量であるSOC(State Of Charge)が極端に高い領域あるいは低い領域で使用され続けると、劣化が進んでしまうおそれがある。このため、バッテリ9は、SOCの極端に高い領域と極端に低い領域とを除いた中間領域にて使用されることが望ましい。   If the battery 9 continues to be used in a region where the SOC (State Of Charge), which is the remaining capacity of the battery 9, is extremely high or low, the battery 9 may deteriorate. For this reason, it is desirable that the battery 9 be used in an intermediate region excluding an extremely high region and an extremely low region of SOC.

したがって、バッテリ9の残存容量であるSOCの過度の上昇を防止するためには、SOCの状態(充電状態)に応じて、燃料電池2のFCパワーPfcを絞る(制限する)必要がある。例えば、長時間にわたって燃料電池2での発電を継続して高電位状態を回避する高電位回避制御が行われているときは、バッテリ9のSOCを監視してSOCの上昇を抑える必要がある。   Therefore, in order to prevent an excessive increase in the SOC, which is the remaining capacity of the battery 9, it is necessary to reduce (limit) the FC power Pfc of the fuel cell 2 in accordance with the SOC state (charge state). For example, when high potential avoidance control is performed in which power generation in the fuel cell 2 is continued for a long time to avoid a high potential state, it is necessary to monitor the SOC of the battery 9 to suppress the increase in SOC.

つまり、本実施形態の燃料電池システム1では、バッテリ9のSOCに基づいてシステム許容パワーPsを求め、FCパワーPfcがこのシステム許容パワーPsの範囲内となるように必要に応じて当該FCパワーPfcに一定の制限を加えて燃料電池2の発電を制御する連続定格制御を行う。   That is, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, the system allowable power Ps is obtained based on the SOC of the battery 9, and the FC power Pfc is necessary as necessary so that the FC power Pfc is within the range of the system allowable power Ps. A continuous rating control for controlling the power generation of the fuel cell 2 is performed by adding a certain limitation to the above.

図2は、連続定格制御におけるバッテリ9のSOC、システム許容パワーPs及び燃料電池2の電圧の相互関係を示すグラフ図である。
図2に示す高電位回避制御中のように、長時間にわたって燃料電池2の発電状態が継続すると、FCパワーPfcとシステム許容パワーPsとの差分の一部がバッテリ9に充電されるので、バッテリ9のSOCが次第に上昇する。
FIG. 2 is a graph showing a correlation between the SOC of the battery 9, the system allowable power Ps, and the voltage of the fuel cell 2 in the continuous rating control.
When the power generation state of the fuel cell 2 continues for a long time as in the high potential avoidance control shown in FIG. 2, a part of the difference between the FC power Pfc and the system allowable power Ps is charged to the battery 9. The SOC of 9 gradually increases.

このため、バッテリ9のSOCを監視し、当該SOCが所定値に到達したところでシステム許容パワーPsを減少させ、バッテリ9のSOCの上昇を抑える。そして、高電位回避制御停止後も、バッテリ9のSOCが減らない間は、システム許容パワーPsを一定値になるまで漸減させる。なお、燃料電池2の出力電圧であるFC電圧Vは、高電位回避制御停止後は、開放電圧OCVに近づくこととなる。   For this reason, the SOC of the battery 9 is monitored, and when the SOC reaches a predetermined value, the system allowable power Ps is decreased, and the increase in the SOC of the battery 9 is suppressed. Even after the high potential avoidance control is stopped, the system allowable power Ps is gradually decreased until the SOC of the battery 9 does not decrease until it reaches a constant value. Note that the FC voltage V that is the output voltage of the fuel cell 2 approaches the open circuit voltage OCV after the high potential avoidance control is stopped.

また、燃料電池システム1では、燃料電池2内の含水量を測定すべくインピーダンス計測を行う場合があり、この場合には、燃料電池2のFCパワーPfcを一時的に増加させる必要がある。かかるインピーダンス計測時に行なうシステム許容パワーPsの短時間定格制御は、当該制御の開始時に記憶したバッテリ9の制御開始時電力に対して、その制御開始時電力を充電方向に超えた電力の積算値が、予め設定した電力量閾値に達するまで行われる。   In the fuel cell system 1, impedance measurement may be performed to measure the water content in the fuel cell 2. In this case, it is necessary to temporarily increase the FC power Pfc of the fuel cell 2. In the short-time rated control of the system allowable power Ps performed at the time of impedance measurement, the integrated value of the power exceeding the control start power in the charging direction with respect to the control start power of the battery 9 stored at the start of the control. This is performed until a preset power amount threshold is reached.

一方、氷点下などの低温環境下においては、バッテリ9が充電可能なパワーP2も制限されることとなるので、そのような場合にバッテリ9のSOCに基づく連続定格制御によってシステム許容パワーPsが制限されてFCパワーPfcに一定の制限が加えられていると、燃料電池2の昇温制御が制限されて燃料電池システム1が長時間起動しない状態となり、市場適応性が悪化することとなる。   On the other hand, in a low temperature environment such as below freezing point, the power P2 that can be charged by the battery 9 is also limited. In such a case, the system allowable power Ps is limited by continuous rating control based on the SOC of the battery 9. If a certain restriction is applied to the FC power Pfc, the temperature rise control of the fuel cell 2 is restricted and the fuel cell system 1 does not start for a long time, and the market adaptability deteriorates.

よって、このような場合には、バッテリ9の寿命への影響が許容できる範囲内においてシステム許容パワーPsを一時的に拡大する短時間定格制御を実施する。また、このとき、必要であれば、バッテリ9で充電可能なパワーP2も一時的に拡大する。   Therefore, in such a case, short-time rating control is performed to temporarily increase the system allowable power Ps within a range in which the influence on the life of the battery 9 can be allowed. At this time, if necessary, the power P2 that can be charged by the battery 9 is also temporarily expanded.

以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム1では、例えばインピーダンス計測時や低温始動時のように、バッテリ9のSOCに基づく連続定格制御の実施よりも優先すべき要求がある場合には、一時的に燃料電池2のFCパワーPfcを増加させるべく、システム許容パワーPsを増加させる短時間定格制御を行う。   As described above, in the fuel cell system 1 of the present embodiment, for example, when there is a request that should be prioritized over the continuous rating control based on the SOC of the battery 9, such as during impedance measurement or cold start, In order to increase the FC power Pfc of the fuel cell 2, the short-time rating control is performed to increase the system allowable power Ps.

図3は、SOCに基づくシステム許容パワーPsの連続定格制御中に、割り込み的に短時間定格制御が行われた場合における燃料電池2のFCパワーPfc、バッテリパワーPb及び燃料電池2の発電電力の相互関係を示すグラフ図である。
図3に示すように、連続定格制御の状態から、割り込みによって短時間定格制御が行われると(図3におけるt1の時点)、燃料電池2のFCパワーPfcが上昇し、バッテリパワーPbが低下する。
FIG. 3 shows the FC power Pfc, the battery power Pb, and the generated power of the fuel cell 2 when the short-time rated control is interrupted during the continuous rated control of the system allowable power Ps based on the SOC. It is a graph which shows a mutual relationship.
As shown in FIG. 3, when short-time rating control is performed by interruption from the state of continuous rating control (at time t1 in FIG. 3), the FC power Pfc of the fuel cell 2 increases and the battery power Pb decreases. .

そして、上記インピーダンス計測時における短時間定格制御の場合は、当該制御の開始時に記憶したバッテリ9の制御開始時電力に対して、その制御開始時電力を充電方向に超えた電力超え量積算値が、予め設定した電力量閾値に達したとき(図3におけるt2)に、また、上記低温始動時における短時間定格制御の場合は、燃料電池2が所定温度にまで昇温して暖気運転が終了したとき(図3におけるt2)に、短時間定格制御が終了する。すると、燃料電池2のFC(発電)パワーPfcが、連続定格制御時のパワーに低下し、バッテリパワーPbが連続定格制御時のパワーに上昇する。   In the case of short-time rated control at the time of impedance measurement, the power excess amount integrated value that exceeds the control start power in the charge direction is the control start power of the battery 9 stored at the start of the control. When the preset electric energy threshold is reached (t2 in FIG. 3), and in the case of the short-time rated control at the time of low temperature start, the fuel cell 2 is heated to a predetermined temperature and the warm-up operation is finished. When this is done (t2 in FIG. 3), the short-time rating control ends. Then, the FC (power generation) power Pfc of the fuel cell 2 decreases to the power at the time of continuous rating control, and the battery power Pb increases to the power at the time of continuous rating control.

次に、上記の連続定格制御及び短時間定格制御を考慮した制御部11による制御内容の一実施例について詳細に説明する。
図4は制御部による制御内容を説明するブロック図、図5は制御部による制御内容の一実施例を示すブロック図である。
Next, an example of control contents by the control unit 11 in consideration of the continuous rating control and the short-time rating control will be described in detail.
FIG. 4 is a block diagram for explaining the control contents by the control unit, and FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of the control contents by the control unit.

制御部11は、駆動モータ6及びエアコンプレッサ7でのモータ消費パワーP1、各種の補機10で消費される高圧補機消費パワーP3、FC昇圧コンバータ3やバッテリ昇圧コンバータ8における損失パワーP4を加算し(図4中符号a参照)、システム要求パワーPrを求める。
そして、制御部11は、システム要求パワーPrとバッテリ9で充電可能なパワーP2とを加算したシステム許容パワーを算出し、これを前述した短時間定格制御時に用いる短時間定格時システム許容パワーPs2とする。
The control unit 11 adds the motor consumption power P1 in the drive motor 6 and the air compressor 7, the high-voltage auxiliary machine consumption power P3 consumed in various auxiliary machines 10, and the loss power P4 in the FC boost converter 3 and the battery boost converter 8. Then, the system required power Pr is obtained (see symbol a in FIG. 4).
Then, the control unit 11 calculates a system allowable power obtained by adding the system required power Pr and the power P2 that can be charged by the battery 9, and uses the short-time rated system allowable power Ps2 used in the short-time rated control described above. To do.

また、制御部11は、バッテリ9のSOCと制限率との関係を対応付けたマップMを保有しており、このマップMに基づきバッテリ9のSOCから制限率を求め、この制限率を上記システム許容パワー(システム要求パワーPrとバッテリ9で充電可能なパワーP2との加算値)に掛け合わせたシステム許容パワー(図4中符号b参照)を算出し、これをバッテリ9のSOCに依存した連続定格制御を行うための連続定格時システム許容パワーPs1とする。   Further, the control unit 11 has a map M in which the relationship between the SOC of the battery 9 and the limiting rate is associated, obtains the limiting rate from the SOC of the battery 9 based on the map M, and obtains the limiting rate from the system. The system allowable power (see symbol b in FIG. 4) multiplied by the allowable power (added value of the system required power Pr and the power P2 that can be charged by the battery 9) is calculated, and this is continuously determined depending on the SOC of the battery 9. It is assumed that the system allowable power Ps1 at the time of continuous rating for performing rating control.

以上説明したように、上記実施形態に係る燃料電池システム1によれば、バッテリ9の状態に基づく制御とバッテリ9の状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御との切り替えが可能であるため、両制御を互いに干渉させることなく行うことが可能となる。   As described above, according to the fuel cell system 1 according to the embodiment, it is possible to switch between the control based on the state of the battery 9 and the control that needs to be performed preferentially without depending on the state of the battery 9. Therefore, both controls can be performed without interfering with each other.

これにより、バッテリ9のSOCの状態に基づいて算出したFC指令パワーPfcoにて燃料電池2を制御する連続定格制御を行うことで、バッテリ9の劣化を抑制することができる。
また、含水量測定のためのインピーダンス計測時や低温環境下での暖機運転時などの制御が必要なときには、このような制御を可能にするFC指令パワーPfcoによる短時間定格制御を連続定格制御に対して優先的に行うことができる。
Thereby, deterioration of the battery 9 can be suppressed by performing the continuous rating control for controlling the fuel cell 2 with the FC command power Pfco calculated based on the SOC state of the battery 9.
In addition, when impedance measurement for moisture content measurement or warm-up operation in a low temperature environment is necessary, short-time rating control using FC command power Pfco that enables such control is performed. Can be preferentially performed.

次に、上記実施形態の変形例について説明する。
図5に示す制御は、連続定格時システム許容パワーPs1あるいは短時間定格時システム許容パワーPs2のいずれかを切り替えて選択するものである。
Next, a modification of the above embodiment will be described.
The control shown in FIG. 5 switches between and selects either the continuous rated system allowable power Ps1 or the short-time rated system allowable power Ps2.

この制御では、バッテリ9のSOCが上昇してシステム許容パワーPsの制限を要する場合に、連続定格時システム許容パワーPs1を選択し(図5中符号c参照)、システム要求パワーPrから割り出したFC要求パワーPfcrをシステム許容パワーPs1によって制限し(図5中符号d参照)、更にその制限されたFC要求パワーPfcrとシステム要求パワーPrとを比較し(図5中符号e参照)、いずれか大きい方を燃料電池2へのFC指令パワーPfcoとする。   In this control, when the SOC of the battery 9 rises and the system allowable power Ps needs to be limited, the system allowable power Ps1 at the time of continuous rating is selected (see symbol c in FIG. 5), and the FC calculated from the system required power Pr The required power Pfcr is limited by the system allowable power Ps1 (see symbol d in FIG. 5), and the limited FC required power Pfcr is compared with the system required power Pr (see symbol e in FIG. 5), whichever is greater Is the FC command power Pfco to the fuel cell 2.

これに対して、一時拡大要求(例えば、インピーダンス計測時や低温環境下での運転時などの制御が必要なとき)が発生すると、制御部11は、システム要求パワーPrに基づいて算出した短時間定格制御時システム許容パワーPs2を選択し(図5中符号c参照)、短時間定格制御の実施に伴い増加させたFC要求パワーPfcrをシステム許容パワーPs2によって制限し(図5中符号d参照)、更にその制限されたFC要求パワーPfcrとシステム要求パワーPrとを比較し(図5中符号e参照)、いずれか大きい方を燃料電池2へのFC指令パワーPfcoとする。   On the other hand, when a temporary enlargement request (for example, when control such as impedance measurement or operation in a low temperature environment is required) occurs, the control unit 11 calculates the short time calculated based on the system required power Pr. The system allowable power Ps2 at the time of rated control is selected (see symbol c in FIG. 5), and the FC required power Pfcr increased with the implementation of the short-time rated control is limited by the system allowable power Ps2 (see symbol d in FIG. 5). Further, the limited FC required power Pfcr and the system required power Pr are compared (see symbol e in FIG. 5), and the larger one is set as the FC command power Pfco to the fuel cell 2.

図6は、バッテリのSOC、システム許容パワー及び一時拡大要求の有無の相互関係を示すグラフ図であり、図5に示す制御に対応するものである。
図6に示すように、バッテリ9のSOCの上昇を抑えるべく連続定格制御が開始されると、この連続定格制御では、システム許容パワーPsが連続定格時システム許容パワーPs1とされ、次第に減少する(図6におけるシステム許容パワーの実線参照)。
FIG. 6 is a graph showing the interrelationship between the SOC of the battery, the system allowable power, and whether or not there is a temporary expansion request, and corresponds to the control shown in FIG.
As shown in FIG. 6, when the continuous rating control is started to suppress the increase in the SOC of the battery 9, the system allowable power Ps is set to the system allowable power Ps1 at the time of continuous rating in the continuous rating control and gradually decreases ( (See the solid line of system allowable power in FIG. 6).

また、この連続定格制御中において、システム許容パワーPsの一時拡大要求が発生し、かかる要求に応じて短時間定格制御を割り込み的に実行する時には、システム許容パワーPsが短時間定格時システム許容パワーPs2とされる(図6におけるシステム許容パワーの破線参照)。   Also, during this continuous rating control, a request for temporarily expanding the system allowable power Ps is generated, and when the short-time rating control is executed in an interrupted manner in response to such a request, the system allowable power Ps is set to the system allowable power at the short-time rating. Ps2 (see the broken line of the system allowable power in FIG. 6).

つまり、一時拡大要求が生じてそのフラグがONになると、システム許容パワーPsが、連続定格時システム許容パワーPs1から短時間定格時システム許容パワーPs2に変更される。また、この状態から一時拡大要求が消滅してそのフラグがOFFになると、システム許容パワーPsが、短時間定格時システム許容パワーPs2から連続定格時システム許容パワーPs1に変更される(戻る)。   That is, when a temporary enlargement request is generated and the flag is turned ON, the system allowable power Ps is changed from the continuous rated system allowable power Ps1 to the short-time rated system allowable power Ps2. When the temporary enlargement request disappears from this state and the flag is turned OFF, the system allowable power Ps is changed from the short-time rated system allowable power Ps2 to the continuous rated system allowable power Ps1 (return).

なお、上記実施形態では、連続定格時システム許容パワーPs1の算出に、バッテリ9のSOCと制限率との関係を対応付けたマップMを用い、このマップMから制限率を割り出して当該制限率をシステム要求パワーPrに掛け合わせたが、図7に示すように、バッテリ9のSOCとシステム許容パワーとの関係を対応付けたマップM2を保有しておき、このマップM2を用いるようにしても良い。   In the embodiment described above, the map M in which the relationship between the SOC of the battery 9 and the limiting rate is associated is used for calculating the system allowable power Ps1 at the time of continuous rating, and the limiting rate is calculated from the map M and the limiting rate is calculated. Although multiplied by the system required power Pr, as shown in FIG. 7, a map M2 in which the relationship between the SOC of the battery 9 and the system allowable power is associated is held, and this map M2 may be used. .

この場合、制御部11では、連続定格時において、バッテリ9のSOCに基づいてマップM2からシステム許容パワーを直接割り出し、このシステム許容パワーによってシステム要求パワーPrを制限し(図7中符号f参照)、連続定格時システム許容パワーPs1を算出する。   In this case, the control unit 11 directly calculates the system allowable power from the map M2 based on the SOC of the battery 9 at the time of continuous rating, and limits the system required power Pr by this system allowable power (see symbol f in FIG. 7). Then, the system allowable power Ps1 at the time of continuous rating is calculated.

なお、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。   In the above-described embodiment, the case where the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle is described. However, the present invention is also applied to various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. The fuel cell system according to the invention can be applied. Moreover, the fuel cell system according to the present invention can also be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for buildings (houses, buildings, etc.).

1…燃料電池システム、2…燃料電池、9…バッテリ(二次電池)、11…制御部、Pfco…FC指令パワー(指令パワー)、Ps…システム許容パワー、Ps1…連続定格時システム許容パワー(システム許容パワー)、Ps2…短時間定格時システム許容パワー(システム許容パワー)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 9 ... Battery (secondary battery), 11 ... Control part, Pfco ... FC command power (command power), Ps ... System permissible power, Ps1 ... System permissible power at continuous rating ( System allowable power), Ps2: System allowable power at short-time rating (system allowable power).

Claims (1)

反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力の充電あるいは負荷への電力の供給を行う二次電池と、前記燃料電池に対する発電指令パワーを算出して該発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、少なくとも前記二次電池が過充電とならない当該二次電池に充電可能なパワーに依存して設定されるシステム許容パワーの範囲内にて発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する連続定格制御と、所定の要求に対応するために前記二次電池に充電可能なパワーを超えて設定される優先的に行うべき制御を可能にする発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する短時間定格制御と、を選択的に行う燃料電池システム。
A fuel cell that receives supply of a reactive gas and generates electric power by an electrochemical reaction of the reactive gas, a secondary battery that charges electric power supplied from the fuel cell or supplies electric power to a load, and the fuel cell A fuel cell system comprising: a control unit that calculates power generation command power with respect to and controls power generation of the fuel cell based on the power generation command power;
The control unit calculates a power generation command power within a system allowable power range that is set depending on power that can be charged to the secondary battery at least so that the secondary battery is not overcharged. And continuous power control for controlling the power generation of the fuel cell based on the above, and power generation that enables control to be performed preferentially set beyond the power that can be charged to the secondary battery in order to meet a predetermined requirement A fuel cell system that selectively performs short-time rating control that calculates command power and controls power generation of the fuel cell based on the power generation command power.
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