JP5948210B2 - Fuel cell system mounted on vehicle - Google Patents
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Description
この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system mounted on a vehicle.
燃料電池システムを搭載したフォークリフトや乗用車等の産業車両の実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、発電電力の変動は燃料電池スタックの劣化の原因となるため、燃料電池スタックの劣化を防ぐためには、発電電力の変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。例えば特許文献1には、燃料電池スタックの発電電力を連続的に変化させずに所定の3段階に制御する燃料電池システムが記載されている。このようなシステムでは、燃料電池スタックに接続される負荷と並列にキャパシタが接続されており、燃料電池スタックの発電電力が負荷の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタに充電され、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタから放電される。
Industrial vehicles such as forklifts and passenger cars equipped with fuel cell systems are being put to practical use. In a general fuel cell system, fluctuations in the generated power cause deterioration of the fuel cell stack. Therefore, in order to prevent the deterioration of the fuel cell stack, it is necessary to generate power at a constant power while minimizing fluctuations in the generated power. preferable. For example,
特許文献1のように燃料電池スタックの発電電力を3段階に制御するシステムにおいて、例えば燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から最大電力に切り替える場合、発電電力が中間電力から最大電力まで上昇するのには一定の時間を要する。そのため、負荷に対する安定した電力供給を維持するためには、この間に不足する電力をキャパシタからの放電電力で補わなくてはならない。理想的には、発電電力の切り替え時に不足する電力量とその際にキャパシタから放電可能な最大電力量とが等しければ、キャパシタの容量を最大限有効利用していることになり、キャパシタを小型化することができる。しかしながら、従来そのような技術は存在せず、余裕をもって過度に大容量のキャパシタを選択しているのが現状である。
In a system that controls the generated power of the fuel cell stack in three stages as in
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用することができる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 such a problem, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of making maximum use of the capacity of a capacitor when switching generated power.
上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムは、車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、車両負荷と並列に燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、キャパシタの開回路電圧に基づいて、燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の3段階に切り替える制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池スタックが所定の中間電力で発電している際に、キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、燃料電池スタックの発電電力を所定の中間電力から所定の最大電力に切り替え、所定の閾値は、所定の最大電力、所定の中間電力、キャパシタの容量、キャパシタの許容最低電圧および発電電力が所定の中間電力から所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a fuel cell system mounted on a vehicle according to the present invention includes a fuel cell stack electrically connected to a vehicle load, and an electrical connection to the fuel cell stack in parallel with the vehicle load. And a control means for switching the generated power of the fuel cell stack to three stages of a predetermined minimum power, a predetermined intermediate power and a predetermined maximum power based on the open circuit voltage of the capacitor, the control means comprising: When the open circuit voltage of the capacitor falls below a predetermined threshold when the fuel cell stack is generating with a predetermined intermediate power, the generated power of the fuel cell stack is switched from the predetermined intermediate power to a predetermined maximum power, The thresholds are: predetermined maximum power, predetermined intermediate power, capacitor capacity, allowable minimum voltage of capacitor, and generated power from predetermined intermediate power to predetermined maximum power Characterized in that it is determined based on the power increase rate at the time of raising.
好適には、上記所定の閾値は、当該所定の閾値をVTH1、所定の最大電力をPH、所定の中間電力をPM、キャパシタの容量をC、キャパシタの許容最低電圧をVmin、電力上昇率をαとすると、
所定の中間電力は、車両を所定期間に渡って使用することによって算出される当該車両の平均消費電力に設定することができる。 The predetermined intermediate power can be set to the average power consumption of the vehicle calculated by using the vehicle for a predetermined period.
この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムによれば、発電電力の切り替え時にキャパシタの容量を最大限有効利用することができる。 According to the fuel cell system mounted on the vehicle according to the present invention, the capacity of the capacitor can be utilized to the maximum extent when switching the generated power.
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態.
この発明の実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システム100の構成を図1に示す。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Embodiment.
FIG. 1 shows the configuration of a
燃料電池システム100は、燃料電池スタック1と、水素ガスを供給可能な水素タンク2と、酸素を含む空気を供給可能なコンプレッサ3とを備えており、水素タンク2から供給される水素とコンプレッサ3から供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック1内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。燃料電池スタック1と水素タンク2との間には、燃料電池スタック1に供給される水素ガス量を調整するための電磁弁4が設けられており、電磁弁4およびコンプレッサ3は後述する電子制御ユニット(ECU)8によって制御される。
The
燃料電池スタック1の出力は、DC/DCコンバータ5を介して車両負荷20に接続されており、燃料電池スタック1で発電された直流電力は、DC/DCコンバータ5によって所定の電圧まで降圧された後、車両負荷20に出力される。
The output of the
車両負荷20は、具体的には産業車両の荷役装置を駆動するための荷役モータや車軸を駆動するための走行モータ等であり、燃料電池システム100から供給される電力によって荷役モータや走行モータが駆動されることによって、車両の荷役動作や走行動作が行われる。
The
また、DC/DCコンバータ5の出力には、車両負荷20と並列にキャパシタ6が接続されている。燃料電池スタック1の発電電力PGが車両負荷20の要求電力PWを上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ6に充電され、発電電力PGが要求電力PWを下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ6から放電される。また、キャパシタ6には、電圧推定器7が取り付けられている。電圧推定器7は、キャパシタ6に入出力される電流を積算することによってキャパシタ6の充電量を求め、当該充電量に基づいてキャパシタ6の開回路電圧(OCV)を推定する。
A
さらに、燃料電池システム100は、マイクロコンピュータによって構成される電子制御ユニット(ECU)8を備えている。ECU8は、電圧推定器7によって推定されるキャパシタ6の開回路電圧VCに基づいて、電磁弁4の開度とコンプレッサ3の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック1に供給される水素と酸素の量を調整し、燃料電池スタック1の発電電力PGを制御する。
Furthermore, the
前述したように、燃料電池スタック1の劣化を防ぐためには、その発電電力PGの変動を最大限抑えて一定電力で発電することが好ましい。そのため、ECU8は、燃料電池スタック1の発電電力PGを、所定の最低電力PL、中間電力PM、最大電力PHの3段階に制御する。ここで、最大電力PHは、産業車両が最大高負荷で動作する際に車両負荷20が要求する電力の最大値として定義され、最低電力PLは、燃料電池スタック1が劣化を伴うことなく発電可能な電力の最低値として定義され、中間電力PMは、最大電力PHと最低電力PLとの間の所定値として定義される。
As described above, in order to prevent deterioration of the
ECU8は、電圧推定器7によって推定されるキャパシタ6の開回路電圧VCを常時監視し、図2に示されるように、キャパシタ6の開回路電圧VCが所定の第1閾値VTH1と第2閾値VTH2との間にある通常時には、燃料電池スタック1の発電電力PGを中間電力PMに設定する。また、ECU8は、車両負荷20の要求電力PWの増加等に起因してキャパシタ6の充電量が減少し、その開回路電圧VCが所定の第1閾値VTH1を下回ったことを検知すると、発電電力PGを中間電力PMから最大電力PHに切り替え、開回路電圧VCが上昇して第1閾値VTH1を上回ったことを検知すると、発電電力PGを再び中間電力PMに切り替える。また、ECU8は、キャパシタ6の充電量が増加してその開回路電圧VCが所定の第2閾値VTH2を上回ったことを検知すると、発電電力PGを中間電力PMから最低電力PLに切り替え、開回路電圧VCが低下して第2閾値VTH2を下回ったことを検知すると、発電電力PGを再び中間電力PMに切り替える。
The ECU 8 constantly monitors the open circuit voltage V C of the
ここで、上記所定の第1閾値VTH1の定め方について説明する。燃料電池スタック1の発電電力PGを中間電力PMから最大電力PHに切り替える際には、ECU8は、電磁弁4の開度とコンプレッサ3の吐出量を制御することによって、燃料電池スタック1に供給される水素と酸素の量を増加させ、発電電力PGを最大電力PHまで上昇させる。この際、図3に詳細に示されるように、時刻t0において切り替えを開始しても、発電電力PGが中間電力PMから最大電力PHまで上昇するのには一定時間τを要する。そのため、車両負荷20の要求電力PWが最大電力PHに等しいクリティカルケースにおいても車両負荷20に対する安定した電力供給を維持するためには、この一定時間τの間に不足する電力量(図中に斜線で示される領域)WAを、キャパシタ6からの放電電力で補わなくてはならない。
Here, how to determine the predetermined first threshold value V TH1 will be described. When switching the generated power P G of the
このとき、上記第1閾値VTH1の定義から、切り替え開始時t0におけるキャパシタ6の開回路電圧はVTH1であり、キャパシタ6の許容最低電圧をVmin、キャパシタ6の容量をCとすると、キャパシタ6が放電可能な電力量WCは
At this time, from the definition of the first threshold value V TH1 , the open circuit voltage of the
と表される。この放電可能電力量WCによって不足電力量WAを補うためには、 It is expressed. To compensate for the lack power amount W A by the dischargeable power amount W C,
の関係を満たす必要がある。さらに、背景技術の説明において述べたように、キャパシタ6の容量を最大限有効利用するためには、放電可能電力量WCと不足電力量WAとが等しくなり、
It is necessary to satisfy the relationship. Furthermore, as mentioned in the description of the background art, in order to maximize effective use of the capacity of the
の関係を満たすのが理想的である。 It is ideal to satisfy this relationship.
この式(3)に式(1)を代入し、VTH1について整理すると、 Substituting equation (1) into equation (3) and organizing V TH1 ,
の関係が得られる。 The relationship is obtained.
また、図3において、発電電力PGが中間電力PMから最大電力PHまで上昇する際の変化が直線的であると仮定すると、不足電力量WAは Further, in FIG. 3, the generated power P G is the change in time of rising from the intermediate power P M to the maximum power P H is assumed to be linear, the power shortage amount W A
によって近似することでき、この式(5)を式(4)に代入すると、 By substituting this equation (5) into equation (4),
の関係が得られる。さらに、発電電力PGが中間電力PMから最大電力PHまで上昇する際の電力上昇率αを The relationship is obtained. Moreover, the power increase rate α when generated power P G is increased from the intermediate power P M to the maximum power P H
の関係が得られる。すなわち、最大電力PH、中間電力PM、キャパシタ容量C、キャパシタ許容最低電圧Vmin、電力上昇率αが与えられた際に、式(8)に従って第1閾値VTH1を定めることによって、キャパシタ6の容量を最大限有効利用することができる。 The relationship is obtained. That is, when the maximum power P H , the intermediate power P M , the capacitor capacitance C, the capacitor allowable minimum voltage V min , and the power increase rate α are given, the first threshold value V TH1 is determined according to the equation (8). The capacity of 6 can be used as much as possible.
以上説明したように、この実施の形態に係る産業車両に搭載される燃料電池システム100では、ECU8は、燃料電池スタック1が所定の中間電力PMで発電している際に、キャパシタ6の開回路電圧VCが所定の第1閾値VTH1を下回ると、燃料電池スタック1の発電電力PGを中間電力PMから最大電力PHに切り替える制御を行い、当該所定の第1閾値VTH1は、上記式(8)に従って定められる。これにより、キャパシタ6の容量を最大限有効利用することができ、キャパシタ6を小型化することができる。
As described above, in the
その他の実施の形態.
上記の実施の形態において、燃料電池スタック1の劣化をさらに防ぐためには、発電電力PGの切り替え回数を最大限少なくすることが好ましい。本願の発明者による研究によれば、産業車両を例えば、1週間や1ヶ月など所定期間に渡って実際の作業に使用してその平均消費電力を算出し、上記所定の中間電力PMを算出された平均消費電力に設定することによって、発電電力PGの切り替え回数を大幅に少なくできることが分かっている。
なお、上記の実施の形態において、荷役装置を有する産業車両として説明したが、上記発明が適用可能である車両であれば特に限定されない。例えば、乗用車やフォークリフト、牽引車であってもよい。
Other embodiments.
In the above embodiment, in order to further prevent the deterioration of the
In the above-described embodiment, the industrial vehicle having the cargo handling device has been described. However, the vehicle is not particularly limited as long as the above-described invention is applicable. For example, a passenger car, a forklift, or a tow truck may be used.
100 燃料電池システム、1 燃料電池スタック、6 キャパシタ、8 ECU(制御手段)、PG 発電電力、PH 最大電力、PM 中間電力、PL 最低電力、VC キャパシタの開回路電圧、VTH1 第1閾値(閾値)、Vmin キャパシタの許容最低電圧、C キャパシタの容量、α 電力上昇率。 100 fuel cell system, first fuel cell stack, 6 capacitors, 8 ECU (control means), P G generated power, P H maximum power, P M intermediate power, P L minimum power, open circuit voltage V C capacitor, V TH1 First threshold (threshold), allowable minimum voltage of V min capacitor, capacity of C capacitor, α power increase rate.
Claims (3)
車両負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記車両負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
前記キャパシタの開回路電圧に基づいて、前記燃料電池スタックの発電電力を、所定の最低電力、所定の中間電力および所定の最大電力の3段階に切り替える制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックが前記所定の中間電力で発電している際に、前記キャパシタの開回路電圧が所定の閾値を下回ると、前記燃料電池スタックの発電電力を前記所定の中間電力から前記所定の最大電力に切り替え、
前記所定の閾値は、前記所定の最大電力、前記所定の中間電力、前記キャパシタの容量、前記キャパシタの許容最低電圧および前記発電電力が前記所定の中間電力から前記所定の最大電力まで上昇する際の電力上昇率に基づいて定められることを特徴とする、車両に搭載される燃料電池システム。 A fuel cell system mounted on a vehicle,
A fuel cell stack electrically connected to a vehicle load;
A capacitor electrically connected to the fuel cell stack in parallel with the vehicle load;
Control means for switching, based on the open circuit voltage of the capacitor, the generated power of the fuel cell stack into three stages of a predetermined minimum power, a predetermined intermediate power, and a predetermined maximum power;
When the fuel cell stack generates power with the predetermined intermediate power and the open circuit voltage of the capacitor falls below a predetermined threshold, the control means converts the generated power of the fuel cell stack to the predetermined intermediate power. Switch to the predetermined maximum power from
The predetermined threshold is determined when the predetermined maximum power, the predetermined intermediate power, the capacity of the capacitor, the allowable minimum voltage of the capacitor, and the generated power increase from the predetermined intermediate power to the predetermined maximum power. A fuel cell system mounted on a vehicle, characterized in that the fuel cell system is determined based on a power increase rate.
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