JP6186344B2 - Control method for fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池と、蓄電装置と、1次側電圧としての蓄電装置電圧と2次側電圧としてのモータ駆動電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、前記蓄電装置電圧が印加されるエアポンプ駆動部を通じて駆動され前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアポンプと、を有する燃料電池システムの制御方法及び該制御方法を実施する燃料電池自動車に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a power storage device, a voltage conversion device that performs voltage conversion between a power storage device voltage as a primary side voltage and a motor drive voltage as a secondary side voltage, and the power storage device voltage is applied The present invention relates to a control method of a fuel cell system having an air pump that is driven through an air pump drive unit that supplies an oxidant gas to the fuel cell, and a fuel cell vehicle that implements the control method.
従来から、例えば特許文献1の図1に示されるように、駆動モータを駆動するインバータと燃料電池の出力端との間、及び前記インバータと蓄電装置の入出力端との間、にそれぞれ昇圧コンバータを設け、負荷(前記インバータと前記駆動モータ)を駆動するようにした燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が知られている。 Conventionally, as shown in FIG. 1 of Patent Document 1, for example, a boost converter is provided between an inverter that drives a drive motor and an output terminal of a fuel cell, and between the inverter and an input / output terminal of a power storage device. There is known a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell system in which a load (the inverter and the drive motor) is driven.
特許文献1には、負荷に所定の駆動力を発揮させるために前記2電源(前記燃料電池及び前記蓄電装置)から前記負荷に供給するモータ駆動必要電圧と燃料電池電圧との相関関係に基づいて、前記燃料電池電圧が前記モータ駆動必要電圧より高い場合には、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータによる昇圧を行わないで直結させ、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータのスイッチング損失を低減するようにした技術が開示されている(特許文献1の[0011]、[0012])。 In Patent Document 1, based on the correlation between the required motor drive voltage supplied to the load from the two power sources (the fuel cell and the power storage device) and the fuel cell voltage in order to cause the load to exert a predetermined driving force. When the fuel cell voltage is higher than the motor drive required voltage, the fuel cell side is directly connected without boosting by the boost converter on the fuel cell side so as to reduce the switching loss of the boost converter on the fuel cell side. Have been disclosed (Patent Document 1, [0011], [0012]).
ところで、前記燃料電池システムでは、常に、前記燃料電池システムの効率を向上させることが望まれている。 Incidentally, in the fuel cell system, it is always desired to improve the efficiency of the fuel cell system.
しかしながら、特許文献1には、前記蓄電装置側のコンバータのスイッチング損失を低減する技術については開示されていないので改良の余地がある。 However, since Patent Document 1 does not disclose a technique for reducing the switching loss of the converter on the power storage device side, there is room for improvement.
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、燃料電池システムの効率をより一層向上させることを可能とする燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and an object of the present invention is to provide a control method for a fuel cell system and a fuel cell vehicle that can further improve the efficiency of the fuel cell system. And
この発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電し燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、モータ駆動部を通じて駆動されるモータと、1次側電圧としての前記蓄電装置電圧と、前記モータ駆動部に印加が必要な2次側電圧としてのモータ必要電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、前記蓄電装置電圧が印加されるエアポンプ駆動部を通じて駆動され前記酸化剤ガスを燃料電池に供給するエアポンプと、を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記蓄電装置のSOC又は前記蓄電装置電圧を監視する監視工程と、前記監視工程にて、前記蓄電装置のSOCが所定値以上又は前記蓄電装置電圧が前記エアポンプの駆動が可能な所定電圧以上になった場合、前記エアポンプの消費電力を前記蓄電装置の蓄電電力で略賄うと共に、前記モータの消費電力を前記燃料電池の発電電力で略賄うことで、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との間の通流電流を略ゼロ値にする独立電力供給工程と、を備える。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power by reacting an oxidant gas and a fuel gas to output a fuel cell voltage, a power storage device that outputs a power storage device voltage, and a motor that is driven through a motor drive unit. A voltage converter that performs voltage conversion between the power storage device voltage as a primary side voltage and a motor required voltage as a secondary side voltage that needs to be applied to the motor drive unit, and the power storage device voltage An air pump that is driven through an applied air pump drive unit and supplies the oxidant gas to the fuel cell, and a monitoring method for monitoring the SOC of the power storage device or the voltage of the power storage device. In the monitoring step, when the SOC of the power storage device is equal to or higher than a predetermined value or the power storage device voltage is higher than a predetermined voltage at which the air pump can be driven, The power consumption of the pump is substantially covered by the power storage power of the power storage device, and the power consumption of the motor is substantially covered by the power generated by the fuel cell, so that the conduction current between the power storage device and the voltage conversion device is increased. And an independent power supply step for making the value substantially zero.
この発明によれば、蓄電装置のSOCが所定値以上又は蓄電装置電圧が所定電圧以上になった場合に、燃料電池でモータを、蓄電装置でエアポンプを、それぞれ独立に駆動するようにしたので、モータ駆動部の入力端と蓄電装置との間に配された電圧変換装置の通流電流を略ゼロ値(ゼロ値も含む)にでき、結果として、前記電圧変換装置での電力損失がゼロ値乃至略ゼロ値になることから、燃料電池システム全体でのシステム効率を一層向上できる。 According to this invention, when the SOC of the power storage device is equal to or higher than the predetermined value or the power storage device voltage is equal to or higher than the predetermined voltage, the motor is driven by the fuel cell, and the air pump is driven independently by the power storage device. The current flowing through the voltage converter arranged between the input terminal of the motor drive unit and the power storage device can be made substantially zero (including the zero value), resulting in zero power loss in the voltage converter. As a result, the system efficiency of the entire fuel cell system can be further improved.
この場合、前記監視工程の前工程に、前記燃料電池の目標発電電力に応じて前記エアポンプ駆動部に印加が必要なエアポンプ必要電圧を算出するエアポンプ必要電圧算出工程と、前記エアポンプ必要電圧を満足するように前記蓄電装置電圧を設定する蓄電装置電圧設定工程と、を備え、前記目標発電電力の一部により前記電圧変換装置を通じて前記蓄電装置を充電中に、前記蓄電装置電圧が前記エアポンプ必要電圧以上の前記所定電圧になった場合、前記独立電力供給工程を実施するようにすれば、独立電力供給工程の実施をより確実に行うことができる。 In this case, an air pump required voltage calculating step for calculating an air pump required voltage that needs to be applied to the air pump drive unit according to a target generated power of the fuel cell and a required air pump required voltage are satisfied before the monitoring step. A power storage device voltage setting step for setting the power storage device voltage as described above, and charging the power storage device through the voltage conversion device with a part of the target generated power, and the power storage device voltage exceeds the air pump required voltage. When the predetermined voltage is reached, the independent power supply process can be performed more reliably by performing the independent power supply process.
なお、前記蓄電装置電圧設定工程では、前記エアポンプ必要電圧が、前記エアポンプの最大回転数を確保することが可能なエアポンプ閾値電圧未満の電圧である場合には、前記エアポンプ閾値電圧以上の電圧となるように前記蓄電装置電圧を設定するようにすることが好ましい。 In the power storage device voltage setting step, if the required air pump voltage is less than the air pump threshold voltage that can ensure the maximum rotation speed of the air pump, the voltage is equal to or higher than the air pump threshold voltage. It is preferable to set the power storage device voltage as described above.
この発明によれば、エアポンプの最大回転数を賄えるエアポンプ閾値電圧に設定するので、FCの目標発電量が増減した場合でもドライバビリティが損なわれることがない。 According to the present invention, since the air pump threshold voltage that can cover the maximum number of revolutions of the air pump is set, drivability is not impaired even when the FC target power generation amount increases or decreases.
また、前記燃料電池システムは、前記燃料電池電圧を1次側電圧とし前記モータ必要電圧を2次側電圧とする他の電圧変換装置をさらに有し、前記独立電力供給工程では、前記モータ必要電圧と前記燃料電池電圧とを比較する電圧比較工程をさらに有し、前記電圧比較工程で前記モータ必要電圧よりも前記燃料電池電圧が高い電圧であると判定した場合には、前記他の電圧変換装置を直結状態に制御し前記燃料電池の発電電力を、前記直結状態の前記他の電圧変換装置及び前記モータ駆動部を通じて前記モータに供給し、前記モータ必要電圧よりも前記燃料電池電圧が低い電圧であると判定した場合には、前記燃料電池電圧を前記他の電圧変換装置で前記モータ必要電圧まで昇圧し、前記燃料電池の発電電力を、前記他の電圧変換装置及び前記モータ駆動部を通じて前記モータに供給するように構成することで、他の電圧変換装置の動作を適切に制御でき、燃料電池システム全体での効率を向上させることができる。 The fuel cell system further includes another voltage converter that uses the fuel cell voltage as a primary side voltage and the motor required voltage as a secondary side voltage. In the independent power supply step, the motor required voltage And a voltage comparison step for comparing the fuel cell voltage, and when the voltage comparison step determines that the fuel cell voltage is higher than the motor required voltage, the other voltage conversion device To the motor through the other voltage converter in the directly connected state and the motor drive unit, and the fuel cell voltage is lower than the required voltage of the motor. If it is determined that the fuel cell voltage is present, the fuel cell voltage is boosted to the required motor voltage by the other voltage conversion device, and the generated power of the fuel cell is increased to the other voltage conversion device and the previous voltage conversion device. With the configuration as to supply to the motor through the motor drive unit, can properly control the operation of the other voltage conversion device, it is possible to improve the efficiency of the entire fuel cell system.
上記の各発明は、燃料電池自動車で実施して好適である。 Each of the above inventions is suitable for implementation in a fuel cell vehicle.
この発明によれば、蓄電装置のSOCが所定値以上又は蓄電装置電圧が所定電圧以上になった場合に、燃料電池でモータを、蓄電装置でエアポンプを、それぞれ独立に駆動するようにしたので、モータ駆動部の入力端と蓄電装置との間に配された電圧変換装置の通流電流を略ゼロ値(ゼロ値も含む。)にでき、結果として、前記電圧変換装置での電力損失がゼロ値乃至略ゼロ値になることから、燃料電池システム全体でのシステム効率を一層向上できるという効果が達成される。 According to this invention, when the SOC of the power storage device is equal to or higher than the predetermined value or the power storage device voltage is equal to or higher than the predetermined voltage, the motor is driven by the fuel cell, and the air pump is driven independently by the power storage device. The conduction current of the voltage converter arranged between the input terminal of the motor drive unit and the power storage device can be made substantially zero (including zero value), resulting in zero power loss in the voltage converter. Since the value becomes substantially zero, the effect that the system efficiency of the entire fuel cell system can be further improved is achieved.
以下、この発明に係る燃料電池システムの制御方法について、これを実施する燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a control method for a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings by citing preferred embodiments in relation to a fuel cell vehicle that implements the control method.
図1は、この実施形態に係る燃料電池システム12(以下、「FCシステム12」という。)が適用された燃料電池自動車10(以下、「FC自動車10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。
FIG. 1 schematically shows a fuel cell vehicle 10 (hereinafter referred to as “FC
図2は、1次側1sfと2次側2s側との間に配置される燃料電池側コンバータであり第1電圧変換装置(昇圧器)としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ21(以下、SUC21という。SUC:Step Up Converter)、及び1次側1sbと2次側2s側との間に配置される蓄電装置側コンバータであり第2電圧変換装置(昇降圧器)としてのチョッパ方式の双方向の昇降圧コンバータ22(以下、SUDC22という。SUDC:Step Up/Down Converter)の一例の詳細構成を含むFC自動車10の模式的回路図である。
FIG. 2 is a fuel cell side converter disposed between the primary side 1sf and the
図1及び図2に示すように、FC自動車10は、FCシステム12と、車両走行用のモータ・ジェネレータである駆動モータ14と、駆動モータ14を駆動する負荷駆動回路(モータ駆動部)としてのインバータ16(以下、「INV16」という。INV:Inverter)と、を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the FC
FCシステム12は、基本的には、一方の1次側1sfに配置される燃料電池18(以下、「FC18」という。)と、他方の1次側1sbに配置される蓄電装置である高電圧バッテリ20(以下「BAT20」という。)と、前記SUC21と、前記SUDC22と、1次側電圧V1入力のエアポンプユニット40と、制御装置としての電子制御装置24(以下、「ECU24」という。ECU:Electronic Control Unit)と、を有する。
The
エアポンプユニット40は、FC18に空気を圧送するエアポンプ(A/P)31と、このエアポンプ31のファンを回転させるエアポンプモータ29と、エアポンプモータ29を通じてエアポンプ31を駆動するエアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23とから構成される。
The
FC18の出力端がSUC21の入力端(1次側1sf)に接続され、SUC21の出力端(2次側2s)がINV16及びSUDC22の一端(昇圧端側)側に接続される。
The output end of the FC 18 is connected to the input end (primary side 1sf) of the
SUDC22の他端側(降圧端側)に、ECU24によりオンとオフ(クローズとオープン)が切り替えられるスイッチとしてのコンタクタ33を介してエアポンプインバータ23の直流端側と、BAT20の入出力端とが接続される。1次側電圧V1、すなわち蓄電装置電圧(BAT電圧)Vbatがエアポンプ駆動電圧Vapとしてエアポンプインバータ23に印加される。
The DC end side of the
なお、BAT20の入出力端には、図示しない降圧コンバータを通じて、+12V等の低圧バッテリや、ECU24及びライト等の低圧補機が接続される。
The input / output terminal of the
駆動モータ14は、一般的には、FC18から供給されるFC発電電力(FC電力)Pfc(Pfc=Vfc×Ifc)とBAT20から供給される蓄電電力であるBAT放電電力Pbatd(Pbatd=Vbat×Ibd)の合成電力値(Pfc+Pbatd)がINV16を通じて供給されることで駆動力を生成し、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を回転させる。
The
後に詳述するように、この実施形態では、BAT20からSUDC22を通じてINV16に供給されるBAT放電電力Pbatdが、Pbatd=0[kW]となるように燃料電池システム12を制御する独立電力供給工程を設けている。
As will be described in detail later, in this embodiment, an independent power supply process is provided for controlling the
INV16は、例えば3相フルブリッジ型の構成とされて、直流/交流変換を行い、FC18からSUC21を介してFC電圧Vfcが昇圧された直流電圧である2次側電圧V2を3相の交流電圧に変換して駆動モータ14に供給する(力行時)。
The
この実施形態において、INV16と駆動モータ14とを合わせて負荷30という。実際上、負荷には、負荷30の他に、エアポンプユニット40、図示しない空調装置、及び前記した低圧補機が含まれる。
In this embodiment, the
一方、駆動モータ14の回生動作に伴う交流/直流変換後のINV16の入力端(直流端側)の2次側2sに発生する2次側電圧(直流端側電圧)V2は、降圧コンバータとして動作するSUDC22を通じてBAT電圧Vbatに降圧されてBAT20に供給され、あるいはSUDC22が直結状態(スイッチング素子22b:オフ、スイッチング素子22d:オン)にされてBAT20に供給され、BAT20を充電する。
On the other hand, the secondary side voltage (DC side voltage) V2 generated on the
また、BAT20には、BAT20の残容量であるSOC(State Of Charge)がSOC=40[%]程度(あるいは50[%]程度)の下側残容量閾値SOCth1を下回った場合には、SOCがSOC=50[%]程度(あるいは60[%]程度)の上側残容量閾値SOCth2になるまで、FC18による駆動モータ14の駆動用の電力の余剰電力が、SUC21及びSUDC22を通じて供給され、BAT20が充電される。
In addition, when the SOC (State Of Charge) that is the remaining capacity of the
エアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23は、エアポンプ駆動電圧Vapを3相の交流電圧に変換して、エアポンプモータ29を駆動する。エアポンプモータ29の出力により駆動されるエアポンプ31は、そのファンが回転されることによりFC18のカソード流路(不図示)に対して流路入口から酸素を含む圧縮した空気(酸化剤ガス)を供給する。
The
さらに、FC18の外部に、FC18のアノード流路(不図示)に対して水素(燃料ガス)を供給する水素タンク37を備える。なお、水素と酸化剤ガスをそれぞれ反応ガスという。
Furthermore, a
FC18は、例えば、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。)を積層したスタック構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスが、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧(FC電圧Vfc)を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して前記酸化剤ガス(酸素含有ガス)が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
The
水が生成されることで、前記電解質膜を湿潤な状態、すなわち膜含水率(膜湿度)を高い状態に保持することができ、前記反応を円滑に遂行することができる。 By generating water, the electrolyte membrane can be kept in a wet state, that is, a membrane moisture content (membrane humidity) can be kept high, and the reaction can be performed smoothly.
BAT20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、ニッケル水素2次電池等を利用することができる。蓄電装置としてキャパシタを利用することもできる。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。BAT20は、BAT電圧(バッテリ電圧)Vbat、BAT電流(バッテリ電流)Ib(放電電流Ibd、充電電流Ibc)、BAT温度(バッテリ温度)、及びBAT20の残容量であるSOCがECU24により検出乃至管理される。
The
SUC21、及びSUDC22は、種々の構成を採用できるが、公知のように、基本的には、MOSFETやIGBT等のスイッチング素子と、ダイオードと、リアクトルと、コンデンサ(平滑コンデンサも含む)とから構成され、接続される負荷の要求電力に基づきECU24により前記スイッチング素子がオン・オフスイッチング制御(デューティ制御)される。
The
具体的には、図2に示すように、SUC21は、リアクトル(インダクタ)21aと、スイッチング素子21bとダイオード21c(単方向電流通過素子、逆方向電流阻止素子)と、1次側1sf間に配置される平滑コンデンサC1fと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2fとから構成され、コンバータ制御器として機能するECU24を通じてスイッチング素子21bがスイッチング状態(デューティ制御)とされることで、FC電圧Vfcを所定の2次側電圧V2に昇圧する。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
なお、デューティ(駆動デューティ)が0[%]とされて、スイッチング素子21bがオフ状態(開状態)に維持されると、リアクトル21aとダイオード21cを通じてFC18と負荷30とが直結状態(FC直結状態又はFCVCU直結状態という。)とされ、FC電圧Vfcが2次側電圧V2に直結される(V2=Vfc−Vd≒Vfc、Vd<<Vfc、Vd:ダイオード21cの順方向降下電圧)。ダイオード21cは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、SUC21は、昇圧動作(力行時等)の他に逆流防止動作、直結動作(力行時等)を行う。
When the duty (drive duty) is set to 0 [%] and the
一方、SUDC22は、図2に示すように、リアクトル22aと、スイッチング素子22b、22dと、これらスイッチング素子22b、22dにそれぞれ並列に接続されるダイオード22c、22eと、1次側1sb間に配置される平滑コンデンサC1bと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2bとから構成される。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
昇圧時には、ECU24により、スイッチング素子22dがオフ状態とされ、スイッチング素子22bがスイッチング(デューティ制御)されることでBAT電圧Vbat(蓄電装置電圧)が所定の2次側電圧V2まで昇圧される(力行時)。
During boosting, the
降圧時には、ECU24により、スイッチング素子22bがオフ状態とされ、スイッチング素子22dがスイッチング(デューティ制御)されることで、スイッチング素子22dがオフ状態であるときにダイオード22cがフライホイールダイオードとして機能し、2次側電圧V2がBAT20のBAT電圧Vbatまで降圧される(回生充電時及び/又はFC18による充電時)。
At the time of step-down, the
また、スイッチング素子22bをデューティが0[%]でのオフ状態、スイッチング素子22dをデューティが100[%]でのオン状態とすることで、BAT20と負荷30とが直結状態(BAT直結状態又はBATVCU直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時)とされる。
Further, the
BAT直結状態においては、BAT20のBAT電圧Vbatが2次側電圧V2になる(Vbat≒V2)。実際上、BAT直結状態におけるBAT20による力行時の2次側電圧V2は、「Vbat−ダイオード22eの順方向降下電圧」となり、充電時(回生充電時含む)の2次側電圧V2は、「Vbat=V2−スイッチング素子22dのオン電圧=Vbat(スイッチング素子22dのオン電圧を0[V]と仮定した場合。)」になる。
In the BAT direct connection state, the BAT voltage Vbat of the
なお、スイッチング素子21b、22b、22dには、図示しているMOSFETの他、IGBT等の電力素子が用いられる。
For the switching
また、FCシステム12において、それぞれ図示はしないが、SUC21の直結時(FC18の直結時と同意)、又はSUDC22の直結時(力行時)(BAT20の直結時と同意)におけるSUC21又はSUDC22の直流電圧降下を低減するために、SUC21の1次側1sfにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオード及び/又はSUDC22の1次側1sbにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオードを設けてもよい。
In the
FC18は、図3のIV(電流電圧)特性70に示すように、FC電圧VfcがFC開回路電圧Vfcocvより低下するに従い、FC電流Ifcが増加する公知の電流電圧(IV)特性70を有する。すなわち、FC電圧Vfcが相対的に高いFC電圧VfchであるときのFC電流Ifclに比較して、FC電圧Vfcが相対的に低いFC電圧VfclであるときのFC電流Ifchが大きな電流になる。なお、FC電力Pfcは、FC電流Ifcが大きくなるほど(FC電圧Vfcが低くなるほど)大きくなる。
The
FC18のFC電圧Vfcは、SUC21の直結時においては、昇圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の昇圧比(V2/Vbat)又は降圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の降圧比(Vbat/V2)で決定される2次側電圧V2{SUDC22の指令電圧(目標電圧)になる。}により制御され、FC電圧Vfcが決定されると、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが制御(決定)される。
The FC voltage Vfc of the
また、SUC21の昇圧時及びSUDC22の直結時においては、SUC21の1次側1sfの電圧、すなわちFC電圧VfcがSUC21の指令電圧(目標電圧)とされ、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが決定され、所望の2次側電圧V2となるようにSUC21の昇圧比(V2/Vfc)が決定される。
Further, when the
なお、この実施形態では、SUC21の昇圧時に、FC電圧Vfcが指令値(設定値、目標値)になるようにコンバータ制御器としてのECU24によりスイッチング素子21bのデューティが調整されるフィードバック(F/B)制御がなされているが、FC電圧VfcとFC電流Ifcとの間にはIV特性70に基づく一意の関係があるのでFC電流Ifcが指令値(設定値、目標値)になるようにECU24によりスイッチング素子21bのデューティを調整するフィードバック(F/B)制御をすることも可能である。
In this embodiment, when the
ECU24は、通信線68(図2参照)を介して、駆動モータ14、INV16、FC18、BAT20、SUC21、SUDC22、エアポンプユニット40等の各部を制御する。当該制御に際しては、ECU24のメモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、各種センサ(図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、圧力センサ、水素濃度センサ、各種回転数センサ、及びアクセルペダルの開度センサ等)の検出値及び各種スイッチ(空調スイッチやイグニッションスイッチ等)のオンオフ情報等を用いる。
ECU24 controls each part, such as
ここで、ECU24は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、その他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、CPUが前記ROMに記録されている前記プログラムを読み出し実行することで各種機能実現部(機能実現手段)、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ECU24は、1つのECUのみから構成するのではなく、複数のECUで構成することもできる。
Here, the
ECU24は、FC18の状態、BAT20の状態及び駆動モータ14の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力値に基づき決定したFC自動車10全体としてFCシステム12に要求される負荷(負荷電力)から、FC18が負担すべき負荷(負荷電力)と、BAT20が負担すべき負荷(負荷電力)と、回生電源(駆動モータ14)が負担すべき負荷(負荷電力)の配分(分担)を調停しながら決定し、駆動モータ14、INV16、エアポンプユニット40、FC18、BAT20、SUC21、及びSUDC22を制御する。すなわち、ECU24は、FC18、BAT20、負荷30、エアポンプユニット40及び低圧補機を含めた燃料電池自動車10全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
The
ここで、エアポンプユニット40(エアポンプ31)の特性について説明する。図4は、エアポンプ要求回転数Napreq[rpm]とエアポンプ必要電圧Vapd[V]との関係を表す特性74を示している。特性74は、予め実験乃至シミュレーションにより求められECU24内の記憶装置に記憶されている。
Here, the characteristics of the air pump unit 40 (air pump 31) will be described. FIG. 4 shows a characteristic 74 that represents the relationship between the required air pump speed Napreq [rpm] and the required air pump voltage Vapd [V]. The characteristic 74 is obtained in advance through experiments or simulations and stored in a storage device in the
エアポンプ必要電圧Vapdが、エアポンプ閾値電圧Vapthからエアポンプ上限電圧Vapmaxまでの電圧範囲(Vapth≦Vapd≦Vapmax)に設定されると、エアポンプユニット40の性能保証範囲とされ、定格範囲(最小回転数Napmin〜最大回転数Napmaxの間)でエアポンプ31を使い切ることができる。エアポンプ必要電圧Vapdが、エアポンプ閾値電圧Vapthからエアポンプ下限電圧Vapminの電圧範囲(Vapmin≦Vapd≦Vapth)に設定されると、エアポンプユニット40の動作保証範囲とされ、特性74に沿った定格範囲(最小回転数Napmin〜最大回転数Napmaxの間の所定回転数)にエアポンプ31の回転数(エアポンプ回転数Nap)が制限(性能が制約)される。
When the required air pump voltage Vapd is set to a voltage range (Vapth ≦ Vapd ≦ Vapmax) from the air pump threshold voltage Vapth to the air pump upper limit voltage Vapmax, the performance guarantee range of the
つまり、エアポンプ必要電圧Vapdが、エアポンプ閾値電圧Vapth以下の電圧から動作保証最小回転数Napminに対応するエアポンプ下限電圧Vapminまでの電圧では、動作保証範囲とされエアポンプ31の性能が制約される。
That is, if the required air pump voltage Vapd is a voltage from the voltage equal to or lower than the air pump threshold voltage Vapth to the air pump lower limit voltage Vapmin corresponding to the operation guaranteed minimum rotation speed Napmin, the operation guarantee range is set and the performance of the
エアポンプユニット40(エアポンプ31)は、エアポンプ上限電圧Vapmaxを上回る電圧が印加されると損傷し、エアポンプ下限電圧Vapminを下回る電圧が印加されると制御が不能になる。 The air pump unit 40 (air pump 31) is damaged when a voltage exceeding the air pump upper limit voltage Vapmax is applied, and becomes uncontrollable when a voltage lower than the air pump lower limit voltage Vapmin is applied.
この実施形態に係る燃料電池システム12が適用されたFC自動車10は、基本的には、以上のように構成される。
The
ここで、燃料電池システム12が適用されたFC自動車10のエネルギマネジメントの基本制御について説明する。
Here, basic control of energy management of the
[エネルギマネジメントの基本制御]
ECU24は、図示しないイグニッションスイッチがオン状態であるとき、数ミリ秒乃至数十ミリ秒毎に、走行に必要なモータ必要電圧Vmdと、エアポンプ必要電圧Vapdと、エアポンプ必要電圧Vapdを満足するようにBAT電圧Vbatと、を算出する。これらの算出工程は、それぞれ、モータ必要電圧算出工程、エアポンプ必要電圧算出工程、及びBAT電圧設定工程(蓄電装置電圧設定工程)であり、これらの算出工程を合わせて、走行基本制御工程という。
[Basic control of energy management]
The
モータ必要電圧算出工程にて、モータ必要電圧Vmdを算出する場合、ECU24は、まず、図示しないアクセルペダルのアクセルペダル操作量θpと車速Vs[km/h]に応じて、モータ回転数Nm[rpm]に対する必要トルクTreq[N・m]の特性・マップ(不図示)を参照してモータ要求電力Pmreq[kW]を算出する。
When calculating the required motor voltage Vmd in the required motor voltage calculation step, the
次に、図5に示す特性72を参照して、モータ要求電力Pmreqに比例するモータ必要電圧Vmd[V]を算出する。モータ必要電圧Vmdは、モータ要求電力Pmreqを実現するためのインバータ16の直流端に印加されるSUC21又はSUDC22の2次側電圧V2の最低必要電圧である。
Next, a required motor voltage Vmd [V] proportional to the motor required power Pmreq is calculated with reference to the characteristic 72 shown in FIG. The required motor voltage Vmd is the minimum required voltage of the secondary side voltage V2 of the
次に、エアポンプ必要電圧算出工程にて、エアポンプ必要電圧Vapdを算出する場合、ECU24は、まず、前記のモータ要求電力Pmreqの他に、エアポンプユニット40及び図示しない空調装置等の補機の要求電力を賄うFC18分としての目標発電電力(目標FC電力)Pfctarを算出すると共に、FC18の目標FC電力Pfctarの不足分(BAT20の放電電力)又は余剰分(BAT20の充電電力)をBAT電力Pbatとして算出する。
Next, when calculating the air pump required voltage Vapd in the air pump required voltage calculating step, the
次に、この目標FC電力Pfctarを発電するのに必要なFC18に供給する目標エア流量を発生可能なエアポンプ要求回転数Napreqを算出する。
Next, an air pump required rotational speed Napreq capable of generating a target air flow rate supplied to the
この場合、水素流量は、基本的には、目標FC電力Pfctarに対応して設定され、例えば、水素流量が増加すると水素タンク37からレギュレータ(不図示)を通じて供給される水素の供給量が増加するように構成されている。
In this case, the hydrogen flow rate is basically set corresponding to the target FC power Pfctar. For example, when the hydrogen flow rate increases, the supply amount of hydrogen supplied from the
次いで、図4に示した特性74を参照して、エアポンプ要求回転数Napreq[rpm]を賄えるエアポンプ必要電圧Vapdを算出する。 Next, with reference to the characteristic 74 shown in FIG. 4, the required air pump voltage Vapd that can satisfy the required air pump speed Napreq [rpm] is calculated.
なお、エアポンプ必要電圧Vapdは、エアポンプ要求回転数Napreqに基づいて算出(決定)する他に、エアポンプ目標消費電力やエアポンプトルクに基づいて算出(決定)してもよい。 The air pump required voltage Vapd may be calculated (determined) based on the air pump target power consumption and the air pump torque, in addition to being calculated (determined) based on the air pump required rotation speed Napreq.
最後に、BAT電圧設定工程にて、エアポンプ必要電圧Vapdを満足するようにBAT電圧Vbatを設定するが、この実施形態では、BAT電圧Vbatがエアポンプユニット40(エアポンプ31)の駆動電圧であるエアポンプ駆動電圧Vapと等しくなるようにBAT20とエアポンプユニット40(エアポンプ31)が電気的に同電位に接続されているので、BAT電圧Vbatは、常時、エアポンプ駆動電圧Vapとして設定されるエアポンプ必要電圧Vapdを上回る電圧になっているように予め設定され、さらに、エアポンプ必要電圧Vapdの最低電圧が、エアポンプ31のエアポンプ閾値電圧Vapthを上回る電圧になっているように予め設定される。
Finally, in the BAT voltage setting step, the BAT voltage Vbat is set so as to satisfy the required air pump voltage Vapd. In this embodiment, the BAT voltage Vbat is the driving voltage of the air pump unit 40 (air pump 31). Since the
そして、この実施形態において、モータ必要電圧Vmdを2次側電圧V2に設定する際、及びエアポンプ必要電圧Vapdを満足するBAT電圧Vbatの1次側電圧V1(V1=Vbat)又はBAT20のSOCを設定する際に、SUC21の直結又は昇圧制御、SUDC22の直結制御(1次側1sbから2次側2sへの電力の流れ又は2次側2sから1次側1sへの電力の流れ)又は昇降圧制御{BAT電圧Vbatのモータ必要電圧Vmdへの昇圧制御又は2次側電圧V2(FC電力Pfcによる電圧又は駆動モータ14の回生電力による電圧。)のBAT電圧Vbatへの降圧制御}をシステムの電力効率(システム効率)をなるべく高めるように、つまり電力損失が少なくなるように制御しながら実施する。
In this embodiment, when the required motor voltage Vmd is set to the secondary voltage V2, the primary voltage V1 (V1 = Vbat) of the BAT voltage Vbat that satisfies the required air pump voltage Vapd or the SOC of the BAT20 is set. In this case, direct connection or step-up control of the
このような[エネルギマネジメントの基本制御]を踏まえ、次に、図6のタイミングチャート及び図7のフローチャートを参照して、この実施形態に係るシステム効率の向上を目的とする[走行制御]の詳細について説明する。なお、図7に示すフローチャートに係るプログラムの実行主体は、ECU24のCPUである。
Based on such [basic control of energy management], referring to the timing chart of FIG. 6 and the flowchart of FIG. 7, details of [travel control] aiming at improving the system efficiency according to this embodiment Will be described. Note that the execution subject of the program according to the flowchart shown in FIG. 7 is the CPU of the
[走行制御]
図6において、縦軸は、上から順に、以下の項目を示している。
[Running control]
In FIG. 6, the vertical axis indicates the following items in order from the top.
BAT20のSOC[%]の時間変化(上側残容量閾値SOCth2と下側残容量閾値SOCth1も表示。)。
Change in SOC [%] of
コンタクタ33のオンオフ状態(オン状態で閉、オフ状態で開)の時間変化。
Time change of the
目標FC電力Pfctar及びモータ要求電力Pmreqの時間変化(0[kW]線も表示)。 Change over time in target FC power Pfctar and motor required power Pmreq (0 [kW] line is also displayed).
電圧変化として、BAT電圧Vbatの時間変化(上側BAT閾値電圧Vbatth2と下側BAT閾値電圧Vbatth1も表示。)とエアポンプ必要電圧Vapdの時間変化(エアポンプ閾値電圧Vapthも表示。)。 As the voltage change, the time change of the BAT voltage Vbat (the upper BAT threshold voltage Vbatth2 and the lower BAT threshold voltage Vbatth1 are also displayed) and the time change of the air pump required voltage Vapd (the air pump threshold voltage Vapth is also displayed).
BAT電力Pbat(BAT放電電力PbatdとBAT充電電力Pbatc)の時間変化(0[kW]線も表示)。 Time change of BAT power Pbat (BAT discharge power Pbatd and BAT charge power Pbatc) (0 [kW] line is also displayed).
なお、図6において、時点t0〜時点t6の期間でモータ要求電力Pmreqが一定値となっているのは、FC自動車10が、車速Vsが一定の高速等のクルーズ走行中であることを意味している。また、図6において、実際のFC電力Pfcが目標FC電力Pfctarに追従しているものとしている。
In FIG. 6, the motor required power Pmreq having a constant value in the period from time t0 to time t6 means that the
図7のフローチャートの走行制御と同時に上述した走行基本制御工程がECU24により並列的に実行されている。
Simultaneously with the travel control in the flowchart of FIG. 7, the above-described travel basic control process is executed in parallel by the
そこで、図7のフローチャートのステップS1にて、ECU24は、BAT20のSOCが上側残容量閾値SOCth2に等しくなったか否かを判定する。
Accordingly, in step S1 of the flowchart of FIG. 7, the
時点t0〜時点t1の期間では、BAT20への充電が遂行されて、BAT20のSOCが徐々に増加している。時点t1にてSOC=SOCth2(ステップS1:YES)になった場合、独立電力供給の開始条件が満足される。このとき、ステップS2にて、コンタクタ33をオフ状態にする(時点t1)。これにより、時点t1〜時点t2の期間では、ステップS3にて、FC18のFC電力Pfcのみにより負荷30、すなわちインバータ16を通じて駆動モータ14を駆動する(Pfc=Pfctar≒Pmreq)。一方、ステップS4にて、BAT20のBAT電力Pbatのみによりエアポンプユニット40(エアポンプ31)を駆動する(BAT放電電力Pbatdがエアポンプ消費電力Papに等しくなる。Pbatd≒Pap)。
During the period from time t0 to time t1, the
このようにステップS3、S4にて、駆動モータ14がFC電力Pfcのみにより駆動され、エアポンプユニット40(エアポンプ31)がBAT電力Pbatのみにより駆動され、それぞれ独立に電力が供給されて駆動される(独立電力供給工程という。)。この場合、SUDC22の通流電流Isudcがゼロ値(0[A])になるので、SUDC22の電力損失(電力消費)が略ゼロ値となりシステム効率が向上する。
As described above, in steps S3 and S4, the
換言すれば、エアポンプユニット40(代表的にはエアポンプ31)の消費電力(全消費電力)をBAT20のBAT放電電力Pbatd(蓄電電力)で賄うと共に、負荷30(代表的には駆動モータ14)の消費電力(全消費電力)をFC18のFC電力Pfcで賄うように制御することで、BAT20とSUDC22との間の通流電流Isudcを略ゼロ値(ゼロ値を含む。)にすることができる。
In other words, the power consumption (total power consumption) of the air pump unit 40 (typically the air pump 31) is covered by the BAT discharge power Pbatd (power storage power) of the
従って、ステップS2にてコンタクタ33をオフ状態に切り替える処理は、ステップS3、S4の処理の後工程に変更することができる。
Therefore, the process of switching the
ステップS4の処理後、ステップS1の判定が否定的(ステップS1:NO)になり、時点t2までは、ステップS5の判定、すなわち、BAT20のSOCが下側残容量閾値SOCth1より大きいか否かの判定が肯定的(ステップS5:YES)になる。
After the process of step S4, the determination of step S1 becomes negative (step S1: NO), and until the time t2, the determination of step S5, that is, whether or not the SOC of the
結果として、時点t1〜時点t2の期間では、ステップS1:NO→ステップS5:YES→ステップS2〜ステップS4→ステップS1:NO…の独立電力供給工程の処理が繰り返される。 As a result, in the period from time t1 to time t2, the process of the independent power supply process of step S1: NO → step S5: YES → step S2 to step S4 → step S1: NO.
この独立電力供給工程では、図8に示すように、ステップS2のコンタクタ33のオフ処理後に、ステップS2aにて、FC電圧Vfcがモータ必要電圧Vmdより高いか否かを比較し、FC電圧Vfcがモータ必要電圧Vmdより高い電圧であると判定した(Vfc>Vmd、ステップS2a:YES)場合には、ステップS2bにて、スイッチング素子21bをオフ状態に保持して、SUC21を直結状態に制御する。SUC21を直結状態に制御することによりスイッチング素子21bのスイッチング損失が低減され、且つ、モータ必要電圧Vmdより高い電圧がインバータ16の入力端に印加されることになるので、インバータ16の通流電流が小さくなって通過損失も低減される結果、システム効率がさらに向上する。ステップS2aの判定が否定的である(Vfc≦Vmd)場合には、ステップS2cにて、FC電圧Vfcをモータ必要電圧VmdまでSUC21にて昇圧してインバータ16を駆動する。
In this independent power supply process, as shown in FIG. 8, after the
次いで、時点t1〜時点t2の期間でBAT20の放電が進んで、SOCが低下し、ステップS5の判定が否定的(ステップS5:NO)になると、ステップS6にて、コンタクタ33をオフ状態からオン状態にする(時点t2)。
Next, when the discharge of the
そして、ステップS7にて、すなわち、時点t2〜時点t5の期間にて、目標FC電力Pfctarの波形に示すように、目標FC電力Pfctarを、モータ要求電力Pmreq分の発電量(発電電力)に加えて、エアポンプ必要電力PapdとBAT充電電力Pbatc分の発電量(発電電力)を加えた発電量(発電電力)に増加して発電させる(Pfctar=Pmreq+Papd+Pbatc)。 Then, in step S7, that is, in the period from time t2 to time t5, as shown in the waveform of the target FC power Pfctar, the target FC power Pfctar is added to the power generation amount (generated power) for the motor required power Pmreq. Thus, the power generation amount (power generation power) is increased by adding the power generation amount (power generation power) corresponding to the air pump required power Papd and the BAT charging power Pbatc (Pfctar = Pmreq + Papd + Pbatc).
FC18の発電量(発電電力)は、急速には増加せず徐々に増加する特性を有しているので、時点t2から時点t3まで、エアポンプ必要電力Papdの一部がBAT放電電力Pbatdで賄われるので、その時点t2から時点t3までの遅延時間Td後に、BAT20がBAT充電電力Pbatcにより充電が開始される。時点t4にて、BAT20のSOCが下側残容量閾値SOCth1まで回復すると、以降、時点t5に向かって目標FC電力Pfctarを漸減させる。
Since the power generation amount (generated power) of FC18 has a characteristic of gradually increasing without rapidly increasing, a part of the air pump necessary power Papd is covered by the BAT discharge power Pbatd from time t2 to time t3. Therefore, after the delay time Td from the time point t2 to the time point t3, the
なお、時点t4にて、BAT20のSOCが下側残容量閾値SOCth1まで回復したときには、以降、時点t5に向かって目標FC電力Pfctarを漸減ではなく一定に保持するようにしてもよい。目標FC電力Pfctarを一定に保持した場合には、その分早く、BAT20のSOCが上側残容量閾値SOCth2に到達する。
Note that when the SOC of the
ステップS7の処理後、ステップS8にて、BAT20のSOCが上側残容量閾値SOCth2に等しくなったか否かが判定される。
After the process of step S7, it is determined in step S8 whether or not the SOC of the
このステップS8の判定が否定的(ステップS8:NO)である間、ステップS6、ステップS7、及びステップS8:NOの処理が繰り返される。 While the determination in step S8 is negative (step S8: NO), the processes of step S6, step S7, and step S8: NO are repeated.
時点t5にて、ステップS8の判定が肯定的になる(ステップS8:YES)と、ステップS1の判定が当然に肯定的になり、ステップS2に進む。すなわち、時点t1以降の処理が繰り返される。 If the determination in step S8 becomes affirmative at step t5 (step S8: YES), the determination in step S1 naturally becomes affirmative and the process proceeds to step S2. That is, the process after time t1 is repeated.
[実施形態のまとめ及び変形例]
ここでは、図9の比較例の概念図、図10A〜図10Cの実施形態の概念図、及び図11A〜図11Cの変形例の概念図を参照して説明する。これら、図9、図10A〜図10C、及び図11A〜図11Cの各図において、矢線は、電力の流れを示している。
[Summary of Embodiment and Modifications]
Here, description will be made with reference to the conceptual diagram of the comparative example of FIG. 9, the conceptual diagram of the embodiment of FIGS. 10A to 10C, and the conceptual diagram of the modified example of FIGS. 11A to 11C. In these drawings of FIGS. 9, 10A to 10C, and 11A to 11C, arrows indicate the flow of electric power.
図9の比較例のFCシステム12Rが適用されたFC自動車10Rにおいて、電力はFC18からSUC21を介して駆動モータ14に供給されると共に、FC18からSUC21、SUDC22を介してエアポンプユニット40を構成するエアポンプ31に供給される。また、必要に応じてBAT20に充電された電力がSUDC22を介して駆動モータ14に供給される。この場合、SUDC22には、常時、通流電流Isudc(図1参照)が流れ、電力損失が累積される。それによって、システム効率が悪化する。
In the
そこで、この実施形態では、BAT20のSOC又はBAT電圧Vbatを監視する監視工程(ステップS1)と、前記監視工程にて、BAT20のSOCがSOC=SOCth2(所定値である上側残容量閾値)以上又はBAT電圧Vbatがエアポンプ31の駆動が可能な所定電圧(エアポンプ必要電圧Vapd以上の所定電圧である上側BAT閾値電圧Vbatth2)以上になった場合、図10Aに示すように、エアポンプユニット40(代表的にはエアポンプ31)の電力をBAT20のBAT放電電力Pbatd(蓄電装置の蓄電電力)で略賄うと共に、負荷30(代表的には駆動モータ14)の電力(モータ電力Pmという。)をFC18のFC電力Pfc(発電電力)で略賄うことで、BAT20とSUDC22との間の通流電流Isudcを略ゼロ値にする独立電力供給工程(ステップS2、S3、S4)と、を備えている。
Therefore, in this embodiment, the SOC of the
このように、BAT20のSOCが上側残容量閾値SOCth2以上又はBAT電圧Vbatが上側BAT閾値電圧Vbatth2以上になった場合に、FC18で駆動モータ14を、BAT20でエアポンプ31を、それぞれ独立に駆動するようにしたので、モータ駆動部としてのINV16の入力端である2次側2sとBAT20との間に配されたSUDC22の通流電流Isudcを略ゼロ値(ゼロ値も含む。)にでき、結果として、SUDC22での電力損失がゼロ値乃至略ゼロ値になることから、FCシステム12全体でのシステム効率を一層向上できる。
As described above, when the SOC of the
さらに、この実施形態では、FC18の目標FC電力Pfctarに応じてエアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23及びエアポンプモータ29に印加が必要なエアポンプ必要電圧Vapdを算出するエアポンプ必要電圧算出工程と、エアポンプ必要電圧Vapdを満足するようにBAT電圧Vbatを設定するBAT電圧設定工程と、FC電力Pfcの一部によりSUDC22を通じてBAT20を充電中に、BAT電圧Vbatがエアポンプ必要電圧Vapd以上の所定電圧である上側BAT閾値電圧Vbatth2となった場合、BAT20とSUDC22との間の通流電流Isudcをゼロ値(コンタクタ33をオフ状態の開状態)にしてBAT20の電力であるBAT放電電力Pbatdを、エアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23及びエアポンプモータ29を通じてエアポンプ31に供給すると共に、FC18の目標FC電力Pfctarを、モータ駆動部としてのINV16を通じて駆動モータ14に供給する独立電力供給工程と、を備えるようになっている。
Further, in this embodiment, an air pump required voltage calculating step for calculating an air pump required voltage Vapd that needs to be applied to the
つまり、BAT電圧Vbatがエアポンプ必要電圧Vapd以上の所定電圧である上側BAT閾値電圧Vbatth2(BAT20のSOCが、例えば、50[%]になる上側残容量閾値SOCth2)になった場合に、図10Aに示すように、電力をFC18からSUC21を介して駆動モータ14に供給すると共に、BAT20からエアポンプ31に供給する独立電力供給工程を設けたので、SUDC22の通流電流Isudcがゼロ値となり、結果として、SUDC22を通流電流Isudcが通過することによる電力損失をゼロ値にでき、FCシステム12全体でのシステム効率を向上できる。
That is, when the BAT voltage Vbat reaches the upper BAT threshold voltage Vbatth2 (the upper remaining capacity threshold SOCth2 where the SOC of the BAT20 is, for example, 50 [%]) which is a predetermined voltage equal to or higher than the air pump required voltage Vapd, FIG. As shown, since an independent power supply process for supplying power from the
なお、前記したBAT電圧設定工程では、エアポンプ必要電圧Vapdが、エアポンプ31の最大回転数Napmaxを確保することが可能なエアポンプ閾値電圧Vapth未満の電圧である場合には、エアポンプ閾値電圧Vapth以上の電圧となるようにBAT電圧Vbatを設定する(図6参照)。このようにエアポンプ31の最大回転数Napmaxを賄えるエアポンプ閾値電圧Vapthに設定するので、目標FC電力Pfctarが増減した場合でもドライバビリティが損なわれることがない。
In the BAT voltage setting step described above, when the required air pump voltage Vapd is a voltage lower than the air pump threshold voltage Vapth that can ensure the maximum rotation speed Napmax of the
前記独立電力供給工程では、図10Aに示した電力供給下に、図8のフローチャートに示すように、モータ必要電圧VmdとFC電圧Vfcとを比較する電圧比較工程(ステップS2a)をさらに有することが好ましい。この電圧比較工程でモータ必要電圧VmdよりもFC電圧Vfcが高い電圧であると判定した(ステップS2a:YES)場合には、SUC21を直結状態に制御しFC18のFC電力Pfcを、前記直結状態のSUC21及びインバータ16を通じて駆動モータ14に供給することで、SUC21を適切に制御でき、燃料電池システム12全体での効率をさらに向上させることができる。
The independent power supply step may further include a voltage comparison step (step S2a) for comparing the motor required voltage Vmd and the FC voltage Vfc as shown in the flowchart of FIG. 8 under the power supply shown in FIG. 10A. preferable. If it is determined in this voltage comparison step that the FC voltage Vfc is higher than the motor required voltage Vmd (step S2a: YES), the
BAT20のSOCが下側残容量閾値SOCth1を下回る状態となった(時点t2)場合には、コンタクタ33をオン状態(閉状態)にし、図10Bに示すように、FC18からの電力をSUC21及びINV16を介して駆動モータ14に供給すると共に、BAT20のSOCが再び上側残容量閾値SOCth2となるように充電を開始する。FC18のFC電力Pfc(=目標FC電力Pfctar)は急激には立ち上がらないので、時点t2〜時点t3の期間では、FC電力Pfcの増加分とBAT20からのBAT放電電力Pbatdの減少分がエアポンプ駆動電力Papd分とされるように制御される。
When the SOC of the
時点t3から、図10Cに示すように、FC18からの電力をSUC21及びINV16を介して駆動モータ14に供給すると共に、SUDC22を介してエアポンプ31に供給し、且つBAT20を充電する。図10Cの状態で、BAT20のSOCが再び上側残容量閾値SOCth2となったとき(時点t5)に、図10Aに示した独立電力供給工程を再び開始する。
From time t3, as shown in FIG. 10C, power from the
[変形例1]
この発明は、モータ必要電圧Vmdより常時高いFC電圧Vfcを出力できるFC18が採用できる場合、図11A〜図11Cに示すように、SUC21を省略した燃料電池システム12Aを備える燃料電池自動車10Aに適用することができる。
[Modification 1]
The present invention is applied to a
図11A、図11B、及び図11Cの各動作は、図10A、図10B、及び図10Cの各動作と同様であるので各動作の説明は省略する。 Each operation in FIG. 11A, FIG. 11B, and FIG. 11C is the same as each operation in FIG. 10A, FIG. 10B, and FIG.
[変形例2]
上述した実施形態([変形例1]を含む。)では、独立電力供給工程にて、コンタクタ33をオフ状態(開状態)としてSUDC22に通流電流Isudcが流れないように構成しているが、コンタクタ33を用いることなく、SUDC22を直接1次側1sbのBAT20及びエアポンプユニット40に物理的・電気的に接続した構成であっても、時点t1〜時点t2の期間、時点t5以降の期間では、SUDC22を構成するスイッチング素子22b、22dをオフ状態に制御して、1次側1sbとSUDC22とを切り離すようにしてもよい。
[Modification 2]
In the above-described embodiment (including [Modification 1]), in the independent power supply process, the
[変形例3]
また、コンタクタ33を用いることなく、SUDC22を直接1次側1sbのBAT20及びエアポンプユニット40に物理的・電気的に接続した構成であっても、負荷30の実際の電力である前記したモータ電力Pmを測定し、2次側2sにFC18からモータ電力Pmと同一値のFC電力Pfcが供給されるようにFC電力Pfcをフィードバック制御するように制御してもよい。このように制御すれば、フィードバックの遅れにより、多少(ちょっとした分量)の通流電流Isudcが流れる場合(通流電流Isudcが略ゼロ)はあるが、回路理論上、SUDC22に、通流電流Isudcが通過しなくなる。
[Modification 3]
Even if the
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、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。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification.
10、10A…燃料電池自動車(FC自動車)
12、12A…燃料電池システム(FCシステム)
14…駆動モータ 16…インバータ(INV)
18…燃料電池(FC) 20…蓄電装置、高電圧バッテリ(BAT)
21…昇圧コンバータ(昇圧器、電圧変換装置、SUC)
22…昇降圧コンバータ(昇降圧器、電圧変換装置、SUDC)
23…エアポンプインバータ 24…ECU
29…エアポンプモータ 31…エアポンプ
40…エアポンプユニット
10, 10A ... Fuel cell vehicle (FC vehicle)
12, 12A ... Fuel cell system (FC system)
14 ... Drive
18 ... Fuel cell (FC) 20 ... Power storage device, High voltage battery (BAT)
21 ... Boost converter (booster, voltage converter, SUC)
22 ... Buck-boost converter (buck-boost, voltage converter, SUDC)
23 ...
29 ...
Claims (6)
蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、
モータ駆動部を通じて駆動されるモータと、
1次側電圧としての前記蓄電装置電圧と、前記モータ駆動部に印加が必要な2次側電圧としてのモータ必要電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、
前記蓄電装置電圧が印加されるエアポンプ駆動部を通じて駆動され前記酸化剤ガスを燃料電池に供給するエアポンプと、
を有する燃料電池システムの制御方法であって、
前記蓄電装置のSOC又は前記蓄電装置電圧を監視する監視工程と、
前記監視工程にて、走行制御時に、前記蓄電装置のSOCが所定値以上又は前記蓄電装置電圧が前記エアポンプの駆動が可能な所定電圧以上になった場合、前記エアポンプの消費電力を前記蓄電装置の蓄電電力で略賄うと共に、前記モータの消費電力を前記燃料電池の発電電力で略賄うことで、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との間の通流電流を略ゼロ値にする独立電力供給工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that generates power by reacting an oxidant gas and a fuel gas and outputs a fuel cell voltage;
A power storage device that outputs a power storage device voltage;
A motor driven through a motor drive,
A voltage converter that performs voltage conversion between the power storage device voltage as a primary side voltage and a motor required voltage as a secondary side voltage that needs to be applied to the motor drive unit;
An air pump that is driven through an air pump driving unit to which the power storage device voltage is applied and supplies the oxidant gas to a fuel cell;
A control method for a fuel cell system comprising:
A monitoring step of monitoring the SOC of the power storage device or the voltage of the power storage device;
In the monitoring step, if the SOC of the power storage device is equal to or higher than a predetermined value or the power storage device voltage is equal to or higher than a predetermined voltage at which the air pump can be driven during travel control, the power consumption of the air pump is Independent power supply step of making the current flowing between the power storage device and the voltage conversion device substantially zero by substantially covering the stored power with the power consumption of the motor and the power generated by the fuel cell. When,
A control method for a fuel cell system, comprising:
前記監視工程の前工程に、
前記燃料電池の目標発電電力に応じて前記エアポンプ駆動部に印加が必要なエアポンプ必要電圧を算出するエアポンプ必要電圧算出工程と、
前記エアポンプ必要電圧を満足するように前記蓄電装置電圧を設定する蓄電装置電圧設定工程と、を備え、
前記目標発電電力の一部により前記電圧変換装置を通じて前記蓄電装置を充電中に、前記蓄電装置電圧が前記エアポンプ必要電圧以上の前記所定電圧になった場合、前記独立電力供給工程を実施する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to claim 1,
In the previous process of the monitoring process,
An air pump required voltage calculating step for calculating an air pump required voltage that needs to be applied to the air pump drive unit according to a target generated power of the fuel cell;
A power storage device voltage setting step for setting the power storage device voltage so as to satisfy the required air pump voltage,
When the power storage device voltage becomes the predetermined voltage equal to or higher than the air pump required voltage while charging the power storage device through the voltage conversion device with a part of the target generated power, the independent power supply step is performed. A control method for a fuel cell system.
前記蓄電装置電圧設定工程では、
前記エアポンプ必要電圧が、前記エアポンプの最大回転数を確保することが可能なエアポンプ閾値電圧未満の電圧である場合には、前記エアポンプ閾値電圧以上の電圧となるように前記蓄電装置電圧を設定する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to claim 2,
In the power storage device voltage setting step,
When the voltage required for the air pump is less than an air pump threshold voltage capable of ensuring the maximum rotation speed of the air pump, the power storage device voltage is set to be a voltage equal to or higher than the air pump threshold voltage. A control method for a fuel cell system.
前記燃料電池システムは、前記燃料電池電圧を1次側電圧とし前記モータ必要電圧を2次側電圧とする他の電圧変換装置をさらに有し、
前記独立電力供給工程では、
前記モータ必要電圧と前記燃料電池電圧とを比較する電圧比較工程をさらに有し、
前記電圧比較工程で前記モータ必要電圧よりも前記燃料電池電圧が高い電圧であると判定した場合には、前記他の電圧変換装置を直結状態に制御し前記燃料電池の発電電力を、前記直結状態の前記他の電圧変換装置及び前記モータ駆動部を通じて前記モータに供給し、前記モータ必要電圧よりも前記燃料電池電圧が低い電圧であると判定した場合には、前記燃料電池電圧を前記他の電圧変換装置で前記モータ必要電圧まで昇圧し、前記燃料電池の発電電力を、前記他の電圧変換装置及び前記モータ駆動部を通じて前記モータに供給する
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell system further includes another voltage conversion device that uses the fuel cell voltage as a primary voltage and the required motor voltage as a secondary voltage,
In the independent power supply step,
A voltage comparison step of comparing the required motor voltage and the fuel cell voltage;
When it is determined in the voltage comparison step that the fuel cell voltage is higher than the motor required voltage, the other voltage conversion device is controlled to be in a directly connected state, and the generated power of the fuel cell is changed to the directly connected state. When the fuel cell voltage is supplied to the motor through the other voltage conversion device and the motor driving unit, and the fuel cell voltage is determined to be lower than the motor required voltage, the fuel cell voltage is changed to the other voltage. A control method for a fuel cell system, wherein the converter boosts the voltage required for the motor to supply the generated power of the fuel cell to the motor through the other voltage converter and the motor drive unit.
前記電圧変換装置の降圧端側に、前記エアポンプ駆動部の直流端側と、前記蓄電装置の入出力端とが接続されるA DC terminal side of the air pump drive unit and an input / output terminal of the power storage device are connected to the step-down terminal side of the voltage converter.
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。A control method for a fuel cell system.
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