JP6048163B2 - Fuel cell system for electric vehicles - Google Patents
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Description
本発明は、電動車両が備えるモータを動作させると同時に二次電池を充電するための電力供給を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that supplies electric power for charging a secondary battery at the same time as operating a motor included in an electric vehicle.
燃料電池(以下、FCと称する)を用いて発電し、その電気エネルギーを用いてモータを駆動し走行するようにした燃料電池自動車が既に存在する。 There are already fuel cell vehicles that use a fuel cell (hereinafter referred to as FC) to generate electric power and drive the motor using the electric energy.
一般的な燃料電池自動車は、FCと共に小容量の2次電池を搭載するが、基本的には走行に必要なエネルギの大部分をFCからの出力に頼る。そしてこの燃料電池自動車は、アクセル全開加速等で瞬時的にエネルギが不足する場合に、2次電池からの出力を利用する。また2次電池への充電は、基本的に減速時の回生エネルギーで賄われる。 A general fuel cell vehicle is equipped with a small-capacity secondary battery along with the FC, but basically relies on the output from the FC for most of the energy required for traveling. The fuel cell vehicle uses the output from the secondary battery when energy is instantaneously insufficient due to acceleration of the accelerator fully open. In addition, the rechargeable battery is basically charged with regenerative energy during deceleration.
一方で、大容量のバッテリを備えるとともに、このバッテリへの交流商業電源からの充電(Plug-in)機能を有して、基本的に電気自動車(EV)として走行し、FCをレンジエクステンダとして使用する自動車が想定される。つまり、一般的な燃料電池自動車に搭載されるFCに対して低出力なFCを搭載し、このFCをバッテリのSOC(State Of Charge)が低下している時にのみ起動/発電してバッテリの充電およびモータへの走行エネルギの供給の少なくともいずれか一方を行う。 On the other hand, it has a large-capacity battery, and has a function of charging (plug-in) from an AC commercial power supply to this battery. It basically runs as an electric vehicle (EV) and uses FC as a range extender. A car is expected. In other words, a low-power FC is mounted on the FC mounted on a general fuel cell vehicle, and this FC is activated / power-generated only when the battery SOC (State Of Charge) is lowered to charge the battery. And / or supply of running energy to the motor.
なお、FCとバッテリとを併用するシステムに関しては、例えば特許文献1や特許文献2に開示されている。
For example,
FCは、大きな出力変動に伴う電位変動によって、触媒粒子の粗大化/溶出が進行し、出力性能が低下する。 In FC, the coarsening / elution of catalyst particles proceeds due to the potential fluctuation accompanying the large fluctuation in output, and the output performance deteriorates.
つまり、FCの出力電圧の急速かつ過大な変動が繰り返されると、FCが所期の性能を維持できる期間が短くなるという課題があった。 In other words, when rapid and excessive fluctuations in the output voltage of the FC are repeated, there is a problem that the period during which the FC can maintain the expected performance is shortened.
本発明は、燃料電池(FC)の所期の性能を維持できる期間を延長する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。 An object of this invention is to provide the fuel cell system which can extend the period which can maintain the expected performance of a fuel cell (FC).
請求項1に記載される発明の燃料電池システムは、駆動力を発生するモータと、燃料電池と、二次電池とを備えた電動車両に搭載されるものであって、前記燃料電池の出力電力を用いて前記モータを動作させると同時に前記二次電池を充電する動作状態において、前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて前記燃料電池の出力電力を制御する制御手段とを備える。 A fuel cell system according to a first aspect of the present invention is mounted on an electric vehicle including a motor that generates a driving force, a fuel cell, and a secondary battery, and the output power of the fuel cell. In the operation state in which the secondary battery is charged at the same time when the motor is operated using the output of the fuel cell, the output power of the fuel cell is calculated based on the change amount and change rate of the output voltage of the fuel cell due to the output fluctuation of the motor Control means for controlling.
請求項1に記載される発明の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記動作状態において、かつ前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量が第1の既定値以上となり、かつ前記出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化速度が第2の既定値以上となる期間に前記燃料電池の出力電力を制御する。
In the fuel cell system of the invention set forth in
請求項1に記載される発明の燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記期間において、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することができない可能性があり、かつ前記二次電池の残量が第3の既定値以上である場合には、前記燃料電池からの電力出力を休止とするように前記燃料電池を制御する。
In the fuel cell system of the invention set forth in
請求項2に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項1の記載において、前記制御手段は、前記二次電池から前記モータへ電力を出力し、前記モータの出力変動に伴って要求される前記燃料電池の出力電圧の変化量よりも前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が小さくなるように前記燃料電池を制御する。 The fuel cell system according to a second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect , wherein the control means outputs power from the secondary battery to the motor, and is requested in accordance with output fluctuations of the motor. controlling the actual of the fuel cell amounts to so that a small change in the output voltage of the fuel cell than the amount of change in the output voltage of the fuel cell.
請求項3に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項1または2の記載において、前記制御手段は、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満である状態と前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御する。 A fuel cell system according to a third aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first or second aspect , wherein the control means is in a state where the actual output voltage change amount of the fuel cell is less than the first predetermined value. controlling the actual of the fuel cell so that to establish at least one is of the state change speed is lower than said second predetermined value of the output voltage of the fuel cell.
請求項4に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項1〜3のいずれか一項の記載において、前記制御手段は、前記燃料電池からの電力出力を前記休止とした前記期間が終了したのちには、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満となる状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満となる状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池からの電力出力を上昇するように前記燃料電池を制御する。 A fuel cell system according to a fourth aspect of the present invention is the fuel cell system according to any one of the first to third aspects, wherein the control means has completed the period in which the power output from the fuel cell is the pause. Thereafter, a state in which the actual output voltage change amount of the fuel cell is less than the first predetermined value, and a state in which the actual output voltage change rate of the fuel cell is less than the second predetermined value. The fuel cell is controlled to increase the power output from the fuel cell so that at least one of the above is established.
本発明によれば、FCの所期の性能を維持できる期間を延長することが可能な燃料電池システムを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can extend the period which can maintain desired performance of FC can be provided.
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム(以下、FCシステムと称する)を搭載した電動車両を、図1〜9を用いて説明する。なお、電動車両は、典型的には自動車である。 An electric vehicle equipped with a fuel cell system (hereinafter referred to as an FC system) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The electric vehicle is typically an automobile.
図1は電動車両100のブロック図である。なお図1では、電動車両100を構成する要素のうちの本発明に拘わる一部の要素のみを示している。電動車両100は、既存の電動車両が備える周知の各種の要素を適宜に備える。
FIG. 1 is a block diagram of the
電動車両100は、FCシステム1、二次電池(以下、バッテリと称する)2、インバータ3、モータ4、制御ユニット5、統合制御ユニット6、アクセルポジションセンサ(以下、APSと称する)7、AC−DCコンバータ8、電源プラグ9およびダイオード10を含む。
The
FCシステム1は、燃料タンク11、燃料電池(以下、FCと称する)12、DC−DCコンバータ13、ダイオード14および制御ユニット15を含む。
The
燃料タンク11は、燃料としての水素ガスを収容する。 The fuel tank 11 stores hydrogen gas as fuel.
FC12は、水素ガスを用いた電気化学反応によって直流電力を発生する。FC12としては、既知の様々な構造のものを適宜に利用できる。FC12は典型的には、それぞれが電気化学反応を起こす多数のセルを電気的に直列接続となる状態で積層したスタックを備える。このスタックとしての出力電力がFC12の出力電力である。なお以下においては、FC12が出力する電力、電圧および電流を、それぞれFC電力、FC電圧およびFC電流と称することとする。
The FC 12 generates DC power by an electrochemical reaction using hydrogen gas. As FC12, various known structures can be used as appropriate. The FC 12 typically includes a stack in which a number of cells each causing an electrochemical reaction are stacked in an electrically connected state. The output power as this stack is the output power of FC12. In the following description, the power, voltage, and current output by the
DC−DCコンバータ13は、FC12の出力電圧を昇圧もしくは降圧する。
The DC-
ダイオード14は、DC−DCコンバータ13への電流の逆流を阻止する。
The
制御ユニット15は、統合制御ユニット6からの指示の下に、FCシステム1の出力電力が所要の電力となるようにFC12およびDC−DCコンバータ13を制御する。
Under the instruction from the
バッテリ2は、化学反応により直流電力を発生するものであり、充電可能である。バッテリ2としては、既知の様々なタイプのものを適宜に利用できるが、典型的にはリチウムイオン電池が利用される。なお以下においては、バッテリ2が出力する電力および電圧を、それぞれバッテリ電力およびバッテリ電圧と称することとする。
The
インバータ3は、FCシステム1およびバッテリ2の少なくとも一方から供給される直流電力を、モータ4を動作させるのに適する交流電力に変換する。
The
モータ4は、インバータ3から供給される交流電力によって動作し、電動車両100を走行させるための駆動力を発生する。
The motor 4 is operated by AC power supplied from the
制御ユニット5は、統合制御ユニット6から指示される所要駆動力をモータ4が発生するようにインバータ3を制御する。
The
統合制御ユニット6は、APS7などの各種センサで検出される車両状態の情報に基づいて所要駆動力を判定する。統合制御ユニット6は、APS7が出力するAPS値の通知を伴って、FC電力および昇圧比の調整を制御ユニット15に指示する。また統合制御ユニット6は、所要駆動力を得るためのインバータ3の制御を制御ユニット5に指示する。
The integrated
APS7は、図示しないアクセルペダルの位置を検出し、アクセル開度を表す値をAPS値として出力する。
The
AC−DCコンバータ8は、電源プラグ9を介して交流商業電源から供給される交流電力を直流電力に変換する。このAC−DCコンバータ8で得られた直流電力は、バッテリ2を充電するために利用される。
The AC-DC
ダイオード10は、AC−DCコンバータ8への電流の逆流を阻止する。
The
次に以上のように構成された電動車両100の動作について説明する。
Next, the operation of the
電動車両100は、モータ4により駆動力を発生する走行状態として、次の3つの状態を持つ。これら3つの状態は、制御ユニット15の制御の下に、DC−DCコンバータ13の2次電圧を変化させることにより切り換える。
The
なお図1において、Vfc_bはFC12の出力電圧、VfcはDC−DCコンバータ13の2次電圧、Vboはバッテリ2の無負荷時電圧、PfcはFCシステム1の出力電力量、Pbcはバッテリ2の充電電力、Pbdcはバッテリ2の出力電力Pmはモータ要求電力をそれぞれ表す。
In FIG. 1, Vfc_b is the output voltage of the
(第1の状態)
VfcをVboよりも小さくし、かつPmがPbdcの最大値よりも小さい状態である。この場合、PbdcがPmと等しくなり、Pfcは0になる。つまり、モータ4で必要とされるエネルギの全てがバッテリ2から供給される状態である。
(First state)
This is a state where Vfc is smaller than Vbo and Pm is smaller than the maximum value of Pbdc. In this case, Pbdc is equal to Pm, and Pfc is 0. That is, all the energy required by the motor 4 is supplied from the
(第2の状態)
VfcをVboよりも大きくし、かつPmがPfcの最大値よりも小さい状態である。この場合、PfcがPmとPdcとの和と等しくなる。つまり、モータ4で必要とされるエネルギの全てがFC12から供給されるとともに、FC12からの供給エネルギによってバッテリ2が充電される状態である。
(Second state)
This is a state in which Vfc is larger than Vbo and Pm is smaller than the maximum value of Pfc. In this case, Pfc is equal to the sum of Pm and Pdc. That is, all the energy required by the motor 4 is supplied from the
(第3の状態)
VfcをVboよりも大きくし、かつPmがPfcの最大値よりも大きい状態である。この場合、PfcとPbdcとの和がPmと等しくなる。つまり、モータ4で必要とされるエネルギがバッテリ2およびFC12の双方から供給される状態である。
(Third state)
This is a state where Vfc is larger than Vbo and Pm is larger than the maximum value of Pfc. In this case, the sum of Pfc and Pbdc is equal to Pm. That is, the energy required by the motor 4 is supplied from both the
つまり電動車両100は、基本的に電気自動車(EV)として走行し、FC12をレンジエクステンダとして使用する。
That is, the
図2はFC12の出力特性の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of output characteristics of the
図2に示すように、FC電流(正味電流)の増加に伴ってFC電圧が低下するが、FC電力(正味電力)は増加する。 As shown in FIG. 2, the FC voltage decreases as the FC current (net current) increases, but the FC power (net power) increases.
統合制御ユニット6は、予め定められた単位時間dtの間隔で、APS7などの各種センサで検出される車両状態の情報に基づく所要駆動力の判定を繰り返し行う。そして統合制御ユニット6は、所要駆動力を判定する毎に、APS7が出力するAPS値の通知を伴って、FC電力および昇圧比の調整を制御ユニット15に指示する。かくして当該指示は、単位時間dtの間隔で繰り返し行われる。
The
電動車両が第2の状態にあるとき、制御ユニット15は、統合制御ユニット6から上記のように指示が行われる毎に図3に示す処理を開始する。なお、以下に説明する処理の内容は一例であって、同様な結果を得ることが可能な様々な処理を適宜に利用できる。
When the electric vehicle is in the second state, the
ステップSa1において制御ユニット15は、統合制御ユニット6から通知されるAPS値を変数Pcの値として設定する。なお変数Pcは、現在のAPS値を表すものである。
In step Sa1, the
ステップSa2において制御ユニット15は、変数Fの値がゼロであるか否かを確認する。変数Fは、後述する充電休止状態にあるか否かを表すフラグであり、その値は、充電休止状態ではない場合にゼロである。変数Fの値がゼロであるためにYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa3へと進む。
In step Sa2, the
ステップSa3において制御ユニット15は、アクセル開度の変化量ΔAPSと変化速度ΔAPS/dtとを算出する。ΔAPSは、変数Pcと、後述するように更新される変数Ppの値との差の絶対値として算出する。変化速度ΔAPS/dtは、ΔAPSを単位時間dtで除することにより算出する。なお、変数Ppの値は、現在よりも単位時間dtだけ過去におけるAPS値を表す。
In step Sa3, the
ステップSa4において制御ユニット15は、変数Pcの値に基づいてFC電力の目標値(以下、FC目標出力と称する)を算出する。FC目標出力は、モータ要求電力Pmと充電電力量Pbcの規準値Mとの和に相当する電力がDC−DCコンバータ13により昇圧されたのちの出力電力量Pfcとして得られるようなFC12の出力電力量として算出する。なお、モータ要求電力Pmは、例えば図4に示すように予め定められたアクセル開度とモータ要求電力Pmとの関係に基づいて、変数Pcの値が表すアクセル開度に応じたモータ要求電力Pmを得ることにより定まる。規準値Mは、バッテリ2の特性を考慮した上で、例えば一定の値として設計者などによって予め定められる。
In step Sa4, the
ステップSa5において制御ユニット15は、FC電圧Vfc_bの変化量ΔVと変化速度ΔV/dtとを推定する。変化量ΔVは、FC目標出力を得るべくFC12を動作させた場合における単位時間当たりのFC電圧の変化量である。FC12は、制御ユニット15による制御に対してFC電力の変化に遅れを生じる。そしてこの遅れは、APS値の変化速度(アクセル開度の変化速度)に応じて例えば図5に示すように変化する。そこで、制御ユニット15は、この遅れを考慮して、現時点から単位時間dtが経過するまでの期間におけるFC電圧の変化量ΔVを推定する。また、このように推定した変化量ΔVを単位時間dtで除した値として変化速度ΔV/dtを推定する。
In step Sa5, the
ステップSa6において制御ユニット15は、変化量ΔVが既定値X以上であり、かつ変化速度ΔV/dtが既定値Y以上であるか否かを確認する。既定値Xは、FC電圧の変化量とPt表面積との関係を考慮して設計者などによって予め定められる。
In step Sa6, the
Pt表面積は、FC12に内蔵された白金(Pt)触媒の表面積である。FC電圧の変化に伴って酸化・還元が生じることに起因して触媒粒子の粗大化/溶出が生じることで、Pt触媒が劣化し、Pt表面積が減少する。そしてPt表面積の減少は、変化量ΔVが大きいほどに大きくなるのであり、その関係は例えば図6に示すような特性となる。そこで例えば、この図6に示すような特性を試験などによって求めて、Pt表面積が許容値ALとなる変化量ΔVの値として既定値Xを定める。許容値ALは、FC12の所期の性能を維持したい期間に応じて、実験、シミュレーション、あるいは経験則などに基づいて設計者などにより任意に定められて良い。またPt表面積の減少は、変化速度ΔV/dtが大きいほどに大きくなるのであり、その関係は例えば図7に示すような特性となる。そこで例えば、この図7に示すような特性を試験などによって求めて、Pt表面積が許容値ALとなる変化速度ΔV/dtの値として既定値Yを定める。
The Pt surface area is the surface area of a platinum (Pt) catalyst incorporated in FC12. The catalyst particles are coarsened / eluted due to the oxidation / reduction caused by the change in the FC voltage, so that the Pt catalyst is deteriorated and the Pt surface area is reduced. The decrease in the Pt surface area increases as the amount of change ΔV increases, and the relationship has characteristics as shown in FIG. 6, for example. Therefore, for example, the characteristics shown in FIG. 6 are obtained by a test or the like, and the predetermined value X is determined as the value of the change ΔV at which the Pt surface area becomes the allowable value AL. The allowable value AL may be arbitrarily determined by a designer or the like based on experiments, simulations, empirical rules, or the like according to a period in which the desired performance of the
上記の条件が成立しないためにステップSa6にてNOと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa7へと進む。
If it is determined NO in step Sa6 because the above condition is not satisfied, the
ステップSa7にて制御ユニット15は、ステップSa4にて算出したFC目標出力が得られるようにFC12を制御する。
In step Sa7, the
ステップSa8にて制御ユニット15は、変数Pcの値を変数Ppの値としてセットする。これにより、単位時間dtが経過した後に次に図3の処理を実行するときには、現在のAPS値を過去のAPS値として参照可能とする。
In step Sa8, the
そしてステップSa8を終えたならば制御ユニット15は、今回の図3の処理を終了する。
When step Sa8 is completed, the
ところで、ステップSa6にて上記の条件が成立するためにYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa9へと進む。
By the way, if it determines with YES in said step Sa6 because said conditions are satisfied, the
ステップSa9において制御ユニット15は、変数Pcの値から変数Ppの値を減じて求まるAPS増加量が既定値Z以上であるか否かを確認する。なお、既定値Zについては後述する。そして、APS増加量が既定値Z未満であるためにNOと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa10へと進む。
In step Sa9, the
ステップSa10において制御ユニット15は、FC補正出力を算出する。FC補正出力は、FC目標出力よりもΔVまたはΔV/dtが小さくなるように求めたFC電力である。FC補正出力は、より好ましくは、ΔVが既定値X未満となるか、またはΔV/dtが既定値Y未満となるようにFC目標出力を補正して求めたFC電力とする。
In step Sa10, the
ステップSa11において制御ユニット15は、FC補正出力が得られるようにFC12を制御する。そしてこの後に制御ユニット15は、ステップSa8を経て今回の図3の処理を終了する。
In step Sa11, the
図8(a)はAPS値の変化の一例を示す。 FIG. 8A shows an example of changes in the APS value.
図8(b)は図8(a)に示すAPS値の変化に応じたFC目標出力の一例を示す。図8(b)に示すようにFC目標出力は、充電電力量Pbcの規準値Mに、APS値の変化に応じて変化するモータ要求電力Pmが重畳されたものとなる。 FIG. 8B shows an example of the FC target output corresponding to the change in the APS value shown in FIG. As shown in FIG. 8B, the FC target output is obtained by superimposing the required motor power Pm that changes in accordance with the change of the APS value on the reference value M of the charge power amount Pbc.
図8(c)の実線は図8(a)に示すAPS値の変化に応じたFC補正出力の一例を示す。そして図8(c)のうちで期間PAにおけるFC補正出力が、上記のステップSa10での算出されたものを示し、破線で示すFC目標出力に比して減じられている。 The solid line in FIG. 8C shows an example of the FC correction output corresponding to the change in the APS value shown in FIG. In FIG. 8C, the FC correction output in the period PA shows the value calculated in Step Sa10 described above, and is reduced compared to the FC target output indicated by the broken line.
期間PAにおいては、電力量Pfcは充電電力量Pbcの規準値Mとモータ要求電力Pmとの和よりも小さくなっているが、モータ要求電力Pmは変化していない。従って、充電電力量PbcがFC補正出力からモータ要求電力Pmを減じた値となり、図8(c)に一点鎖線で示すように規準値Mよりも小さくなる。 In the period PA, the electric energy Pfc is smaller than the sum of the reference value M of the charging electric energy Pbc and the motor required power Pm, but the motor required power Pm is not changed. Accordingly, the charging power amount Pbc is a value obtained by subtracting the motor required power Pm from the FC correction output, and becomes smaller than the reference value M as shown by a one-dot chain line in FIG.
つまりこのときに制御ユニット15は、充電電力量Pbcを低減することによってFC電力の低減を図るのである。
That is, at this time, the
図8(d)の実線はFC補正出力が得られるようにFC12を制御した場合のFC電圧の変化の一例を示す。期間PAにおいてはFC電力が減じられていることによって、FC目標出力とする場合における破線で示したFC電圧に比して変化が小さくなっている。
A solid line in FIG. 8D shows an example of a change in the FC voltage when the
ところで、アクセルが急激かつ大量に踏み込まれた場合には、充電電力量Pbcをゼロとして電力量Pfcをモータ要求電力Pmのみとしても、変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y未満とならない恐れがある。 By the way, when the accelerator is stepped on rapidly and in large quantities, the change amount ΔV and the change speed ΔV / dt are less than the predetermined values X and Y even if the charge power amount Pbc is zero and the power amount Pfc is only the motor required power Pm. There is a risk of not becoming.
APS値が急峻に増大するような状況においては上記の状況となる恐れがある。そこで変数Pcの値から変数Ppの値を減じて求まるAPS増加量が既定値J以上であるためにステップSa9にてYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa12へ進む。既定値Jは、小さい程に変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y以上となることを防止できる可能性が高まる反面、バッテリ2のSOCが低下してしまう恐れが高まる。そこで既定値Jは、FC12の劣化防止とバッテリ2のSOCの安定性とのバランスを考慮して設計者などによって予め定められれば良い。
In a situation where the APS value increases sharply, the above situation may occur. Therefore, if the APS increase obtained by subtracting the value of the variable Pp from the value of the variable Pc is equal to or greater than the predetermined value J, if the determination is YES in Step Sa9, the
ステップSa12において制御ユニット15は、バッテリ2のSOC(State Of Charge)が既定値K以上であるか否かを確認する。そしてここでYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa13へ進む。
In step Sa12, the
ステップSa13において制御ユニット15は、FC補正出力をゼロとする。
In step Sa13, the
ステップSa14において制御ユニット15は、変数Fに1をセットする。
In step Sa14, the
こののちに制御ユニット15は、ステップSa11およびステップSa8を前述と同様にして行う。これにより、電力量Pfcはゼロとされ、バッテリ2の出力電力Pbdcがモータ要求電力Pmと等しくなる。つまり、モータ要求電力Pmの全てがバッテリ2からの出力電力により賄われる状態となり、充電休止状態が開始される。そしてこのように充電休止状態が開始されたことに応じて、変数Fの値が1とされる。ただし、充電休止状態における電力量Pfcは必ずしもゼロでなくとも良く、極微少の電力量となる「ほぼゼロ」の状態としても良い。
Thereafter, the
なお、バッテリ2のSOCが既定値K以上ではないならば、制御ユニット15はステップSa12からステップSa10へ進み、ステップSa10以降を前述と同様にして行う。つまり、APS値が急激に増大していても、バッテリ2のSOCが既定値K未満にまで低下した状態にあっては、ステップSa10において前述したように算出されるFC補正出力を得るようにする。
If the SOC of the
このように、モータ要求電力Pmの全てがバッテリ2からの出力電力により賄われている状態において図3に示す処理を開始した場合には、変数Fが1であるから、制御ユニット15はステップSa2でNOと判定し、ステップSa15へと進む。
As described above, when the process shown in FIG. 3 is started in a state where all of the motor required power Pm is covered by the output power from the
ステップSa15において制御ユニット15は、変数Pcの値が変数Ppの値未満であるか否かを確認する。つまり、アクセル開度が低下しているか否かを確認する。そしてアクセル開度が低下していて変数Pcの値が変数Ppの値未満であるためにYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa16へ進む。
In step Sa15, the
ステップSa16において制御ユニット15は、図3に示す処理を前回行った際に決定したFC補正出力から一定量を増加した値を新たなFC補正出力として決定する。ここでのFC補正出力の増加分は、この増加による変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y未満となる値であるとともに、標準値Mの整数分の1の値として定めておく。標準値Mは、出力電力量Pfcが充電電力量Pbcと等しくなるときのFC電力とする。
In step Sa16, the
ステップSa17において制御ユニット15は、FC補正出力が標準値Mと一致するか否かを確認する。そしてFC補正出力が標準値Mと一致するためにYESと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa18へ進む。
In step Sa17, the
ステップSa18において制御ユニット15は、変数Fにゼロをセットする。そしてこののちに制御ユニット15は、ステップSa11へ進む。なお、FC補正出力が標準値Mと一致しないためにステップSa17にてNOと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa18を実行することなしにステップSa11へ進む。また、変数Pcの値が変数Ppの値以上であるためにステップSa15にてNOと判定したならば制御ユニット15は、ステップSa16〜18を実行することなしにステップSa11へ進む。かくして、ステップSa13にてFC補正出力をゼロとしたのちには、アクセル開度が低下するに連れてFC補正出力が一定量ずつ標準値Mまで増加されてゆく。
In step Sa18, the
こののちに制御ユニット15は、ステップSa11以降を前述と同様にして行う。かくして、モータ要求電力Pmの全てをバッテリ2からの出力電力により賄う状態からは、アクセル開度が低下するに連れて出力電力量Pfcが一定量ずつ充電電力量Pbcに相当する大きさまで徐々に増加されてゆく。そして出力電力量Pfcが充電電力量Pbcと等しくなると、変数Fがゼロとなり第2の状態に戻る。これにより、充電休止状態が終了する。
Thereafter, the
図8(c)のうちで実線で示した期間PBにおけるFC補正出力の変化が、上記のステップSa13でゼロとされたのち、ステップSa16を繰り返すことによって緩やかに上昇される様子を示す。 In FIG. 8C, the change in the FC correction output during the period PB indicated by the solid line is set to zero in the above step Sa13 and then gradually increased by repeating step Sa16.
期間PBにおいては、FC電力は充電電力量Pbcの規準値よりも小さくなっていて、破線で示すようなエネルギの全てが不足する。そしてこの破線で示すようなエネルギが、バッテリ2からの出力電力により賄われる。
In the period PB, the FC power is smaller than the reference value of the charging power amount Pbc, and all of the energy shown by the broken line is insufficient. The energy as indicated by the broken line is covered by the output power from the
図8(d)に実線で示したFC電圧の変化は、期間PBにおいてはFC電力が減じられていることによって、FC目標出力とする場合における破線で示したFC電圧に比して変化が小さくなっている。 The change in the FC voltage indicated by the solid line in FIG. 8D is smaller than the FC voltage indicated by the broken line when the FC target output is obtained because the FC power is reduced in the period PB. It has become.
このようにFCシステム1によれば、以下の条件<A><B><C>のいずれもが成立する状況においては、バッテリ2の充電のためのFC12の出力エネルギを低減する。
<A> バッテリ2を充電している。
<B> FC12の出力電圧の変化量ΔVが既定値X以上である。
<C> FC12の出力電圧の変化速度ΔV/dtが既定値Y以上である。
そしてこれによってFCシステム1では、FC電圧の変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtの最大値の低下が図られることとなり、FC12が搭載する触媒の劣化を抑えて、FC12の所期の性能を維持できる期間を延長することが可能となる。
As described above, according to the
<A>
<B> The change amount ΔV of the output voltage of the
<C> The change rate ΔV / dt of the output voltage of the
As a result, in the
またFCシステム1によれば、変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y以上とならないようにバッテリ2の充電のためのFC12の出力エネルギ量を調整するので、予め想定した期間にわたりFC12の所期の性能を維持できるとともに、バッテリ2の充電のためのエネルギを可能な範囲で最大限に供給すること
またFCシステム1によれば、上記の条件<A><B><C>に加えて以下の条件<D>が成立する状況においては、変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y未満とすることができない恐れがある。
<D> アクセル開度の単位時間における増加量が規定量以上(ΔAPSが規定値J以上)である。
そこで、以下の<E>の条件がさらに成立することを条件として、FC電力をゼロとする。
<E> SOCが規定値K以上である。
これによって、変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y以上となってしまうことを確実に防止できる。なお、アクセル開度の単位時間における増加量が規定量以上となるのは、急加速の場合であり、その継続時間は短く、かつそのような状況が発生する頻度も一般的な走行状況においては少ない。このため、SOCが既定値K以上であれば、モータ要求電力Pmの全てをバッテリ2からの出力電力により賄うことが可能である。
Further, according to the
<D> The amount of increase in the accelerator opening per unit time is equal to or greater than a specified amount (ΔAPS is equal to or greater than a specified value J).
Therefore, the FC power is set to zero on condition that the following condition <E> is further satisfied.
<E> The SOC is not less than the specified value K.
Thus, it is possible to reliably prevent the change amount ΔV and the change speed ΔV / dt from exceeding the predetermined values X and Y. It should be noted that the amount of increase in the accelerator opening per unit time exceeds the specified amount in the case of rapid acceleration, its duration is short, and the frequency of occurrence of such situations is also common in general driving situations Few. For this reason, if the SOC is equal to or greater than the predetermined value K, it is possible to cover all of the motor required power Pm with the output power from the
モータ要求電力Pmの全てをバッテリ2からの出力電力により賄う状態を解除するに際してFC電力を急激に上昇すると、変化量ΔVおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y以上となってしまう恐れがある。しかしながらFCシステム1によれば、単位時間dt毎に一定量ずつ増加させることによって、すなわちいわゆるテーリングによってFC電力を上昇する。この結果、変化量Δおよび変化速度ΔV/dtが既定値X,Y以上となってしまうことがなく、このときのFC電力の上昇に伴う触媒の劣化を防止できる。
If the FC power is suddenly increased when releasing the state where all of the motor required power Pm is covered by the output power from the
このようにFCシステム1によれば、図9にハッチングに示すような触媒の劣化が特に促進される領域での出力電圧の変化が生じないようにFC12が動作することとなり、FC12の性能を維持できる。
As described above, according to the
一般に、FC12における初期触媒量あるいは電極面積×積層数などは、想定される使用条件・期間において目標とする性能を維持できるように設定される。FCシステム1のように出力変動に伴う触媒の劣化を抑制することができれば、初期触媒量あるいは電極面積×積層数を削減することができ、これは性能を維持した状態でのコスト削減につながる。
In general, the initial catalyst amount or the electrode area × the number of stacked layers in the
この実施形態は、次のような種々の変形実施が可能である。 This embodiment can be variously modified as follows.
FC補正出力は、FC目標出力よりもΔVまたはΔV/dtが小さくなるのであれば、FC目標出力をFC電力とする場合に比べてFC補正出力をFC電力とする場合の触媒の劣化を減少することができる。従って、FC補正出力は、ΔVが既定値X未満となるか、またはΔV/dtが既定値Y未満となるまで小さな値としなくても良い。 If the FC correction output is smaller than the FC target output by ΔV or ΔV / dt, the deterioration of the catalyst when the FC correction output is FC power is reduced compared to the case where the FC target output is FC power. be able to. Therefore, the FC correction output does not have to be a small value until ΔV becomes less than the predetermined value X or ΔV / dt becomes less than the predetermined value Y.
この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。
以下に、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1]
駆動力を発生するモータと、燃料電池と、二次電池とを備えた電動車両に搭載される燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電力を用いて前記モータを動作させると同時に前記二次電池を充電する動作状態において、前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて前記燃料電池の出力電力を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする燃料電池システム。
[2]
前記制御手段は、前記動作状態において、かつ前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量が第1の既定値以上となり、かつ前記出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化速度が第2の既定値以上となる期間に前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする[1]に記載の燃料電池システム。
[3]
前記制御手段は、前記二次電池から前記モータへ電力を出力し、前記モータの出力変動に伴って要求される前記燃料電池の出力電圧の変化量よりも前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が小さくなるように前記燃料電池を制御することを特徴とする[2]に記載の燃料電池システム。
[4]
前記制御手段は、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することを特徴とする[2]または[3]に記載の燃料電池システム。
[5]
前記制御手段は、前記期間において、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することができない可能性があり、かつ前記二次電池の残量が第3の既定値以上である場合には、前記燃料電池からの電力出力を休止とするように前記燃料電池を制御することを特徴とする[2]〜[4]のいずれか一に記載の燃料電池システム。
[6]
前記制御手段は、前記燃料電池からの電力出力を前記休止とした前記期間が終了したのちには、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満となる状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満となる状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池からの電力出力を上昇するように前記燃料電池を制御することを特徴とする[5]に記載の燃料電池システム。
The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above-described embodiments. For example, you may delete some components from all the components shown by embodiment mentioned above. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.
The invention described in the scope of claims at the beginning of the filing of the present application will be appended.
[1]
A fuel cell system mounted on an electric vehicle including a motor that generates a driving force, a fuel cell, and a secondary battery, wherein the motor is operated using output power of the fuel cell and the second And a control means for controlling the output power of the fuel cell based on a change amount and a change speed of the output voltage of the fuel cell in accordance with an output fluctuation of the motor in an operation state in which the secondary battery is charged. Fuel cell system.
[2]
The control means has a change amount of the output voltage of the fuel cell that is equal to or greater than a first predetermined value in the operating state and that accompanies the output fluctuation of the motor, and a change in the output voltage of the fuel cell that accompanies the output fluctuation. The fuel cell system according to [1], wherein the output power of the fuel cell is controlled during a period when the speed is equal to or higher than a second predetermined value.
[3]
The control means outputs electric power from the secondary battery to the motor, and the change in the actual output voltage of the fuel cell is more than the amount of change in the output voltage of the fuel cell required in accordance with the output fluctuation of the motor. The fuel cell system according to [2], wherein the fuel cell is controlled so as to reduce the amount.
[4]
The control means includes a state in which the change amount of the actual output voltage of the fuel cell is less than the first predetermined value, and a change speed of the actual output voltage of the fuel cell is less than the second predetermined value. The fuel cell system according to [2] or [3], wherein the fuel cell is controlled so that at least one of the states is established.
[5]
In the period, the control means has a state in which the change amount of the actual output voltage of the fuel cell is less than the first predetermined value, and the change rate of the actual output voltage of the fuel cell is the second predetermined value. When it is possible that the fuel cell cannot be controlled so that at least one of a state of less than the value is satisfied and the remaining amount of the secondary battery is equal to or greater than a third predetermined value The fuel cell system according to any one of [2] to [4], wherein the fuel cell is controlled to stop power output from the fuel cell.
[6]
The control means has a state in which the change amount of the actual output voltage of the fuel cell becomes less than the first predetermined value after the period when the power output from the fuel cell is stopped is completed. The fuel cell so as to increase the power output from the fuel cell so that at least one of the change rate of the actual output voltage of the fuel cell is less than the second predetermined value is established. The fuel cell system according to [5], wherein the fuel cell system is controlled.
1…燃料電池(FC)システム、2…二次電池(バッテリ)、3…インバータ、4…モータ、5…制御ユニット、6…統合制御ユニット、7…アクセルポジションセンサ(APS)、11…燃料タンク、12…燃料電池(FC)、13…DC−DCコンバータ、14…ダイオード、15…制御ユニット、100…電動車両。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
燃料電池と、
二次電池とを備えた電動車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電力を用いて前記モータを動作させると同時に前記二次電池を充電する動作状態において、前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて前記燃料電池の出力電力を制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
前記動作状態において、かつ前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量が第1の既定値以上となり、かつ前記出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化速度が第2の既定値以上となる期間に前記燃料電池の出力電力を制御し、
前記期間において、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第1の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第2の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することができない可能性があり、かつ前記二次電池の残量が第3の既定値以上である場合には、前記燃料電池からの電力出力を休止とするように前記燃料電池を制御することを特徴とする燃料電池システム。 A motor that generates driving force;
A fuel cell;
A fuel cell system mounted on an electric vehicle equipped with a secondary battery,
In an operation state in which the motor is operated using the output power of the fuel cell and the secondary battery is charged at the same time, based on the change amount and the change speed of the output voltage of the fuel cell due to the output fluctuation of the motor. Control means for controlling the output power of the fuel cell ,
The control means includes
In the operating state, the amount of change in the output voltage of the fuel cell due to the output fluctuation of the motor is equal to or greater than a first predetermined value, and the rate of change in the output voltage of the fuel cell due to the output fluctuation is a second value. Controlling the output power of the fuel cell during a period exceeding the predetermined value;
A state in which the amount of change in the actual output voltage of the fuel cell is less than the first predetermined value and a state in which the change rate of the actual output voltage of the fuel cell is less than the second predetermined value during the period If the fuel cell may not be controlled so that at least one of the above is established, and the remaining amount of the secondary battery is greater than or equal to a third predetermined value, the fuel A fuel cell system , wherein the fuel cell is controlled to stop power output from the battery.
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