JP5512423B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents
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Description
[全体構成]
図1は、この発明の一実施形態に係る燃料電池自動車10(以下「FC自動車10」という。)の概略全体構成図である。FC自動車10は、車両電源システム12(以下「電源システム12」ともいう。)と、走行用のモータ14と、インバータ16とを有する。
モータ14は、FCユニット18及びバッテリ20から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転する。また、モータ14は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ20に出力する。回生電力Pregは、図示しない補機に対して出力してもよい。
FCユニット18の燃料電池スタック32(以下「FCスタック32」という。)は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下「FCセル」という。)を積層した構造を有する。FCスタック32には、水素タンク34とエアポンプ36が経路38、40を通じて接続されており、水素タンク34からは一方の反応ガスである水素(燃料ガス)が、エアポンプ36からは他方の反応ガスである圧縮空気(酸化剤ガス)が供給される。水素タンク34及びエアポンプ36からFCスタック32に供給された水素と空気がFCスタック32内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力(FC電力Pfc)[W]がモータ14とバッテリ20に供給される。
バッテリ20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えばリチウムイオン2次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ20の出力電圧(以下「バッテリ電圧Vbat」という。)[V]は、電圧センサ70により検出され、バッテリ20の出力電流(以下「バッテリ電流Ibat」という。)[A]は、電流センサ72により検出され、それぞれECU24に出力される。さらに、バッテリ20の残容量(以下「SOC」という。)[%]は、SOCセンサ74により検出され、ECU24に出力される。
DC/DCコンバータ22は、FCユニット18からのFC電力Pfcと、バッテリ20から供給された電力(以下「バッテリ電力Pbat」という。)[W]と、モータ14からの回生電力Pregとの供給先を制御する。
ECU24は、通信線78を介して、モータ14、インバータ16、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22を制御する。当該制御に際しては、メモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、電圧センサ42、46、70、90,96、電流センサ44、72、94,100、圧力センサ64、66、SOCセンサ74等の各種センサの検出値を用いる。
次に、ECU24における制御について説明する。
図9には、ECU24が、電源システム12のエネルギマネジメント(図3のS3)を行うフローチャートが示されている。ステップS21において、ECU24は、ステップS2で計算したシステム負荷Lsが、直結動作下限電力値Pdir_low(以下「下限電力値Pdir_low」ともいう。)[W]以上であるかどうかを判定する。下限電力値Pdir_lowは、DC/DCコンバータ22に直結動作をさせたときにFCスタック32及びバッテリ20から供給可能な電力の下限値(例えば、10〜40kW)である。すなわち、DC/DCコンバータ22に直結動作をさせた状態でFCスタック32及びバッテリ20からモータ14に電力を供給するとき、2次電圧V2は、バッテリ電圧Vbatと等しくなるため、FCスタック32の発電電流(FC電流Ifc)は大きくなる。そこで、モータ14の出力が高くなったときのみ、DC/DCコンバータ22の直結動作が可能となる。
図15には、本実施形態における各種制御を用いた場合のタイムチャートの第1例が示されている。図15において、波形200は、システム負荷Lsを示し、波形202は、バッテリ20のSOCを示し、波形204は、FC目標電圧Vfc_tarを示し、波形206は、FC電圧Vfcを示し、波形208は、バッテリ電圧Vbatを示し、曲線210は、DC/DCコンバータ22における損失Lc[W]を示す。
以上説明したように、本実施形態によれば、FCスタック32の劣化を防止しつつ、DC/DCコンバータ22による変換損失を抑制することが可能となる。
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
14…モータ 20…バッテリ
22…DC/DCコンバータ
24…ECU(DC/DCコンバータの制御装置)
30…負荷 32…FCスタック
74…SOCセンサ(残容量演算部) Ls…システム負荷(負荷の必要電力値) Nfc…FCセルの直列接続数 Nbat…バッテリセルの直列接続数 Pdir_low…直結動作下限電力値
R3…白金酸化還元進行領域(セル劣化促進領域)
R5…カーボン酸化領域 SOC…バッテリの残容量
SOC_dir…直結動作開始残容量
Vbat…バッテリ電圧(蓄電装置の総電圧値)
Vfc…FC電圧(FCスタックの総電圧値)Vfc_dir…直結動作開始電圧
Vfc_tar_h…上側FC目標電圧 Vfc_tar_l…下側FC目標電圧
V1…電位(FCセルを使用可能な下限電圧値)
V2…電位(セル劣化促進領域の下限電圧値)
Claims (3)
- 走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給する燃料電池自動車であって、
前記車両電源システムは、
複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、
前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータの制御装置と
を備え、
前記DC/DCコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、
前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、
前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
前記制御装置は、
前記負荷の必要電力値を演算するシステム負荷演算部と、
前記DC/DCコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための直結動作判定電力閾値と、前記システム負荷演算部で演算された前記負荷の必要電力値とを比較し、前記負荷の必要電力値が、前記直結動作判定電力閾値を超えているとき、前記DC/DCコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部と
を有し、
前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、
前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給される
ことを特徴とする燃料電池自動車。 - 請求項1記載の燃料電池自動車において、
前記制御装置は、さらに、
前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、
前記DC/DCコンバータを介して前記燃料電池スタックの出力を切り替える燃料電池出力切替部と
を備え、
前記燃料電池出力切替部は、
前記残容量が使用下限値を下回ったとき、前記DC/DCコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記使用可能下限電圧値以上且つ前記スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された下側目標電圧値とし、
前記残容量が使用上限値を上回ったとき、前記DC/DCコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記スタック劣化促進領域の上限電圧値以上且つ第2スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された上側目標電圧値とし、
前記使用下限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の下限値として設定され、
前記使用上限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の上限値として設定され、
前記第2スタック劣化促進領域は、前記スタック劣化促進領域よりも高電位側にあり、酸化反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域である
ことを特徴とする燃料電池自動車。 - 走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給する燃料電池自動車であって、
前記車両電源システムは、
複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、
前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータの制御装置と
を備え、
前記DC/DCコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、
前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、
前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
前記制御装置は、
前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、
前記燃料電池スタックの発電電圧が、前記DC/DCコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための電圧閾値である直結動作開始電圧以下であると共に、前記蓄電装置の残容量が、前記DC/DCコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための残容量閾値である直結動作開始残容量以下であるとき、前記DC/DCコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部と
を有し、
前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、
前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給される
ことを特徴とする燃料電池自動車。
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