JPWO2010143247A1 - 燃料電池システムおよびその電力制御方法 - Google Patents
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Abstract
不必要なDC−DCコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供する。負荷装置に接続されたインバーター、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーター、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターを備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段(204)、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段(205)、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段(206)、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段(207)を備える。
Description
本発明は車両に搭載される燃料電池システムに関し、特に、2つのDC−DCコンバーターを備える燃料電池システムに関する。
車両に搭載される燃料電池システムとして、複数のDC−DCコンバーターを備えるシステムが開発されている。例えば、特開2007−209161号公報には、蓄電装置とインバーターとの間に配置される第1DC−DCコンバーターと、燃料電池とインバーターとの間に配置される第2DC−DCコンバーターと、を備える燃料電池システムが開示されている。
このシステムでは、目標モーター出力が所定のしきい値よりも大きい場合には、第1DC−DCコンバーターをオフ状態にし、第2DC−DCコンバーターを直結状態に設定して、出力が大きい燃料電池の出力電力を蓄電装置の出力電力よりも優先的にモーターに供給するように構成されている。また、目標モーター出力がしきい値よりも小さい場合には、第1DC−DCコンバーターを動作させ蓄電装置からアシスト電力を供給させ、第2DC−DCコンバーターを電気的な直結状態としていた。このような構成により、車両の走行性能が低下してしまうことを防止し、効率のよい電力変換を可能としていた(特許文献1)。
しかしながら、上記特許文献1に係る発明では、第1DC−DCコンバーターおよび第2DC−DCコンバーターをモーター出力電力に基づいて切り換えていたため、時として燃料電池の出力電圧がインバーターの入力電圧よりも高くなる場合があった。このような場合、燃料電池の出力電圧を昇圧する必要が無いにも拘わらず、DC−DCコンバーター(特許文献1では第2DC−DCコンバーター)を不必要に駆動することとなる。つまり、コンバーターの動作電力を無駄に消費してしまうことになる。
そこで、上記問題点を解決するために、本願発明の好ましい態様では、不必要なDC−DCコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する燃料電池システムの一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、第1コンバーターおよび第2コンバーターを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させることを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とのうち大きい方が選択されるので、燃料電池の出力電圧の方がインバーターの入力電圧より高くなくことが回避される。よって、無駄に第1コンバーターを動作させることを禁止することができる。
具体的には、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させる。
すなわち、本発明に係る燃料電池の他の態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段と、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また本発明に係る燃料電池のための電力制御方法の一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較するステップと、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合に、第1コンバーターの動作が禁止状態となるので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。
本発明は、所望により以下のような要素を選択的に付加することが可能である。
(1)第1コンバーターは、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することが好ましい。このような構成によれば、第1コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
(2)燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第1猶予電圧を加えた電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第1猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第1インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第1コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
(3)燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第2猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、第2の待機時間経過後に、第1コンバーターの動作を開始させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、動作開始時のマージンに相当する第2猶予電圧を加えた電圧より低いと判定された場合に初めて第1インバーターの動作開始条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧より低くなるよりも早めに第1インバーターの動作を開始させることになるので、応答遅れなく燃料電池の電力変換を開始させることが可能である。よって、負荷装置に供給する電力が不足することを抑制可能である。
かかる発明によれば、DC−DCコンバーターの不必要な駆動が禁止されるので、燃料電池システムの消費電力を低減することが可能である。
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
(実施形態1)
本実施形態1は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
本実施形態1は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
(システム構成)
図1は、本実施形態1に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
図1は、本実施形態1に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
燃料電池システム100は、燃料電池10、第1コンバーター11、第2コンバーター12、バッテリー13、インバーター14、モーター15、補機インバーター18、高圧補機19、および制御装置20を備えて構成されている。
燃料電池10は、複数の単位セルを直列に積層して構成される発電手段である。単位セルは、高分子電解質膜等のイオン交換膜をアノード極およびカソード極で狭み込んだ膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、セパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。各単位セルのアノード極には、セパレータを介して、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス(例えば水素ガス)が供給されるようになっている。各単位セルのカソード極には、セパレータを介して、図示しない酸化ガス供給系から酸化ガス(例えば空気)が供給されるようになっている。セパレータには、冷却液の流路が形成されており、図示しない冷却液供給系から、冷却液が供給されるようになっている。燃料電池10においては、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じ、燃料電池10全体としては(3)式の起電反応が生じる。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力端子電圧Vfcを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Vfcの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力端子電圧Vfcを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Vfcの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
第1コンバーター11は、電圧変換器であり、DC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第1コンバーター11は、三相運転方式が用いられている場合には、例えば三相ブリッジ形コンバーター等の回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバーターは、リアクトル、整流用のダイオード、IGBT(Insulated Gate Bipolar ransistor)等からなるスイッチング素子を備えている。これらの素子を組み合わせることにより、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ−類似の回路部分と、その交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが形成される。なお、第1コンバーター11の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
第1コンバーター11は、一次側に燃料電池10の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第1コンバーター11は、制御装置20からの駆動させるためのコマンドCVfcに従って、一次側の端子電圧(燃料電池10の出力端子電圧Vfc)を制御するように構成されている。すなわち、この第1コンバーター11により、燃料電池10の出力端子電圧Vfcが目標出力に応じた電圧(すなわち、目標出力端子電圧Vfc)となるように制御される。また第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcとインバーター14の入力端子電圧Vinvとを整合させるように電圧を変換するように構成されている。また、第1コンバーター11は、制御装置20から動作を停止するコマンドCVfcを受けた場合には、内部のスイッチング素子の一部をオン状態にして、一次側と二次側とが電気的に直結された状態となるように構成されている。
バッテリー13は、蓄電装置であり、燃料電池10で発電された電力のうち、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリー13としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。バッテリー13の出力端子電圧VBATが、第2コンバーター12の入力端子電圧となる。
第2コンバーター12は、電圧変換器であり、第1コンバーター11と同様のDC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第2コンバーター12は、一次側にバッテリー13の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第2コンバーター12は、制御装置20からのコマンドCVinvに従って、二次側の端子電圧(インバーター14の入力端子電圧Vinv)を制御するように構成されている。例えば、モーター15の要求電力が変化した場合、第2コンバーター12は、設定された目標入力電圧となるまでインバーター14の入力端子電圧Vinvを変化させる。そして、インバーター14の入力端子電圧Vinvが目標入力電圧に到達した後に、第1コンバーター11が、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するように段階を踏んで制御されるよう構成されている。なお、第2コンバーター12の回路構成は、インバーター14の入力端子電圧Vinvの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
インバーター14は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換してモーター15に供給するように構成されている。インバーター14の回路構成は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバーター回路を備えている。インバーター14は、制御装置20からのインバーター要求電圧を指示するコマンドCVdに従って、所定の駆動電圧Vd(実効値)を有する三相交流電力をモーター15に供給するように構成されている。また、現時点で出力している駆動電圧(インバーター出力電圧)Vdを駆動電圧信号SVdとして制御装置20に出力するように構成されている。
モーター15は、車両走行用のトラクションモータであり、駆動電力が供給される場合には本車両に推進力を与え、減速された場合には回生電力を発生するようになっている。ディファレンシャル16は、減速装置であり、モーター15の高速回転を所定の比率で減速し、タイヤ17が設けられたシャフトを回転させるように構成されている。回転数センサ23は、モーター15の回転数を検出して回転数信号SNを制御装置20に出力するようになっている。
補機インバーター18は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換して高圧補機19に供給するように構成されている。補機インバーター18の回路構成は、上記インバーター14と同じである。補機インバーター18は、制御装置20からのコマンドCVd2に従って、所定の駆動電圧Vd2(実効値)を有する三相交流電力を高圧補機19に供給するように構成されている。なお、高圧補機19は、本燃料電池システム100を機能させるための、図示しない加湿器、エアーコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の総称である。
制御装置20は、燃料電池システム100を制御するコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を備えている。制御装置20は、アクセル開度センサー21からアクセル開度Accに応じたアクセル開度信号SACCを入力する。また、センサ群22からの各種信号を入力し、制御に必要な各種演算を実施するようになっている。センサ群22としては、燃料電池10の出力電流を検出する電流センサ、出力端子電圧Vfcを検出する電圧センサ、燃料電池10の冷却液温度を検出する温度センサ、エアーコンプレッサーや水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の回転数を検出する回転数センサ等を含む。また、制御装置20は、モーター15の回転数Nを検出する回転数センサ23からの回転数信号SNを入力する。
制御装置20は、これらの信号を参照して、システム全体を制御する。
概略説明すると、制御装置20は、アクセル開度Accおよびモーター回転数Nに基づいてモーター要求トルクTREQを演算する。そして、モーター要求トルクTREQとモーター回転数Nとに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。次いで、モーター要求パワーPM等に基づいて発電要求パワーPREQを演算する。そして、発電要求パワーPFCを出力させるために必要な燃料電池10の出力端子電圧Vfcである要求出力電圧VfcREQを燃料電池10の電流−電圧(I−V)特性から演算する。必要に応じて、制御装置20は、燃料電池10とバッテリー13とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧VfcREQになるよう燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するコマンドCVfcを出力する。また、求められたバッテリー13の要求電力が取り出せるように、第2コンバーター12にコマンドCVinvを出力して、インバーター14の入力端子電圧Vinvを制御する。また、制御装置20は、モーター要求トルクTREQが得られるように、インバーター14にコマンドCVdを出力して、所望の駆動電圧Vdを出力させ、モーター15のトルクを制御する。
概略説明すると、制御装置20は、アクセル開度Accおよびモーター回転数Nに基づいてモーター要求トルクTREQを演算する。そして、モーター要求トルクTREQとモーター回転数Nとに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。次いで、モーター要求パワーPM等に基づいて発電要求パワーPREQを演算する。そして、発電要求パワーPFCを出力させるために必要な燃料電池10の出力端子電圧Vfcである要求出力電圧VfcREQを燃料電池10の電流−電圧(I−V)特性から演算する。必要に応じて、制御装置20は、燃料電池10とバッテリー13とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧VfcREQになるよう燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するコマンドCVfcを出力する。また、求められたバッテリー13の要求電力が取り出せるように、第2コンバーター12にコマンドCVinvを出力して、インバーター14の入力端子電圧Vinvを制御する。また、制御装置20は、モーター要求トルクTREQが得られるように、インバーター14にコマンドCVdを出力して、所望の駆動電圧Vdを出力させ、モーター15のトルクを制御する。
特に、本実施形態1では、制御装置20は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧を、インバーター14の入力端子電圧Vinvとして出力させるようなコマンドCVdを出力する点に特徴がある。
(機能ブロック)
図2に、本実施形態1の制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理(図8参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
図2に、本実施形態1の制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理(図8参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
なお、図2に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図2のとおりに機能分離していることを要しない。図2に列記した入力に基づいてインバーター14の入力端子電圧Vinvを制御できる構成であれば、図2とは異なる機能ブロックで同様の機能を実現してもよい。
図2に示すように、制御装置20は、機能ブロックとして、モーター要求トルク演算手段201、モーター要求パワー演算手段202、発電要求パワー演算手段205、燃料電池必要出力電圧演算手段204、インバーター必要入力電圧演算手段205、比較手段206、およびコンバーター動作制御手段207を備えて構成されている。
モーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度信号SACCから取得されたアクセル開度Acc、および、回転数信号SNから取得されたモーター15の回転数Nに基づき、出力要求トルクを演算し、モーター15の要求トルクTREQを演算する。モーターの一般的な特性として、モーターの回転数Nおよびアクセル開度Accが定まると、回転数に応じて発生可能なトルクが定まる(以下この特性を「N−T特性」という。)。モーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度Accに基づきこのようなN−T特性を参照し、モーター要求トルクTREQを演算する。
モーター要求パワー演算手段202は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーを演算する機能ブロックである。モーター要求パワーPMは、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値となる(PM=NXTREQ)。
発電要求パワー演算手段203は、モーター要求パワーPMに基づいて燃料電池の発電要求パワーPREQを演算する機能ブロックである。発電要求パワーPREQは、演算されたモーター要求パワーPMに加えて、モーター以外の負荷装置の要求パワーを合計して演算する。例えば、高圧補機19において必要とされる高圧補機パワーPAUXをモーター要求パワーPMに合計した値を発電要求パワーPREQとして算出する。
燃料電池必要出力電圧演算手段204は、求められた発電要求パワーPREQに基づいて燃料電池10の必要出力電圧VfcREQを演算する。
図3に、燃料電池10の出力電流−出力電圧(I−V)特性f0と燃料電池要求パワーPREQの等電力線を示す。通常運転時、燃料電池10は、図3に示すような燃料電池I−V特性に従ってその出力電流および出力電圧を変化させる。上記演算により求められた燃料電池要求パワーPREQは、図3において破線で示すような双曲線状の等電力線となる。燃料電池I−V特性f0と燃料電池要求パワーPREQとの交点が、本燃料電池システム100の動作点p0となる。
そこで、燃料電池必要出力電圧演算手段204は、図3の燃料電池I−V特性f0を予め記憶しておき、発電要求パワーPREQが求められたら、記憶された燃料電池I−V特性f0を参照して、求められた燃料電池要求パワーPREQとの交点を算出する。この交点が燃料電池10の要求出力電圧VfcREQと要求出力電流IfcREQとを特定する動作点p0である。なお、燃料電池10の要求出力電圧VfcREQは、後述の図4で説明する燃料電池P−V特性f1を参照して、燃料電池要求パワーPREQに対応する燃料電池出力電圧として求めることも可能である。
インバーター必要入力電圧演算手段205は、インバーター14のための必要入力電圧VinvREQを演算する機能ブロックである。インバーター14の必要入力電圧VinvREQは、求められたモーター要求パワーPMをインバーター14に出力させるために必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvとして求められる。
図4に、燃料電池10における発電電力(Pfc)−出力端子電圧(Vfc)特性(燃料電池P−V特性)f1と、モーター15の駆動電力(PM)−インバーター14の入力端子電圧(Vinv)特性(モーター出力特性)f2とを示す。図4において燃料電池P−V特性f1に示されるように、燃料電池10では出力端子電圧Vfcが減少していくに連れて発電パワーが上昇していく。また、図4においてモーター出力特性f2に示されるように、モーター15の駆動電力が上昇するに連れてインバーター14に対する入力端子電圧Vinvが上昇していく。図4のモーター出力特性f2において、モーター15の駆動電力は、上記演算で求められるモーター要求パワーPMに対応する。インバーター14の入力端子電圧Vinvは、上記演算で求められるインバーター14の要求入力電圧VinvREQに対応する。
インバーター必要入力電圧演算手段205は、図4のモーター出力特性f2に示すようなモーター15の駆動電力(PM)−インバーター14の入力端子電圧(Vinv)特性を予め記憶する。そして、求められたモーター要求パワーPMに基づき、記憶されたモーター出力特性f2を参照して、インバーター14の要求入力電圧VinvREQを算出する。
比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する機能ブロックである。
モーター15が要求されたとおりのパワー(モーター要求パワーPM)で駆動されるためには、図4のモーター出力特性f2で特定される入力端子電圧Vinvが最低電圧としてインバーター14に入力されなければならない。ここで、図4において、燃料電池P−V特性f1とモーター出力特性f2とは、電力しきい値Pthに対応する交点p1において交差している。この電力しきい値Pthより高い電力の領域Bでは、燃料電池10がモーター15に必要な電力を供給する際、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvよりも低くなっている。このため、必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvにまで、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを昇圧しなければならない。この昇圧処理を行う装置が第1コンバーター11なのである。
一方、図4に示す電力しきい値Pth以下の電力の領域Aでは、モーター15を駆動するために必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvを燃料電池10の出力端子電圧Vfcが上回っている。よって、領域Aの動作では、燃料電池10の出力端子電圧Vfcをさらに昇圧する必要性が存在しない。燃料電池10の出力端子電圧Vfcをインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給しても構わない場合である。
比較手段206は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する。この比較は、図4の電力しきい値Pthとの比較において、領域A側で動作しているのか、領域B側で動作しているのかを検出することに等しい。その判定をコンバーター動作制御手段207が行う。
コンバーター動作制御手段207は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止させる機能ブロックである。具体的には、コンバーター動作制御手段207は、上記判定に応じて動作を停止または継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。第1コンバーター11は、動作を停止させるコマンドCVfcを受けた場合には、電圧変換動作を停止し、第1コンバーター11の一次側と二次側とを電気的に直結、すなわち導通した状態に維持する。これによって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcは、インバーター14の入力端子電圧Vinvと等しくなる。上記の処理により、インバーター14には、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
図5に、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQの時間変化例を示す。燃料電池車では、アクセル開度の変化等から負荷条件が刻々と変化する。負荷条件が変化するとモーター要求パワーPMが変動する。モーター要求パワーPMが変動するたびに、図4で説明したように、動作点が領域A側に移動したり領域B側に移動したりする。動作点が領域Aに移動している間は燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより高くなる。一方、動作点が領域Bに移動している間はインバーター14の必要入力電圧VinvREQが燃料電池10の必要出力電圧VfcREQより高くなる。図5は、このような必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQの変化を時間軸でプロットしたものとなる。
図6に、本実施形態1に係る燃料電池システム100において、図5の例のように燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとが変化した場合の、インバーター14に供給される入力端子電圧Vinvの変化を示す。本燃料電池システム100では、上記比較手段206およびコンバーター動作制御手段207の作用により、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち、大きい方の電圧がインバーター14の入力端子電圧Vinvとして出力される。
よって、図6に示すように、インバーター14の必要入力電圧VinvREQの方が燃料電池10の必要出力電圧VfcREQよりも大きい場合には、図4の領域Bに動作点があると判断される。よって、第2コンバーター12の出力する必要入力電圧VinvREQがインバーター14に入力される。一方、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQの方がインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも大きい場合には、図4の領域Aに動作点があると判断される。よって、第1コンバーター11の動作が停止させられて直結状態となる結果、燃料電池10の出力端子電圧Vfc(すなわち燃料電池必要出力電圧VfcREQ)が第1コンバーター11を介して直接インバーター14に供給される。
なお、動作点が領域Aに存在する場合、第2コンバーター12は、バッテリー13の出力端子電圧VBATを燃料電池必要出力電圧VfcREQにまで昇圧してもよいが、遮断状態にしてもよい。遮断状態にする場合には、第2コンバーター12においてスイッチング素子を総てオフ状態とする等の制御により、第2コンバーター12の一次側と二次側とが電気的に絶縁される。遮断状態とすることによって、第2コンバーター12の動作による電力消費を抑えることが可能である。
(動作)
次に、図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態1の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図6に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される(コールされる)ものとする。
次に、図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態1の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図6に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される(コールされる)ものとする。
ステップS10において、制御装置20は、制御周期毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合(YES)、ステップS11に移行し、図2に示すモーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度センサー21からアクセル開度信号SACCを読み込み、回転数センサ23から回転数信号SNを読み込む。そしてアクセル開度信号SACCが示すアクセル開度Accと、回転数信号SNが示すモーター回転数Nとに基づいて、出力要求トルクを演算し、さらにモーター要求トルクTREQを演算する。すなわち、所定のN−T特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照して、アクセル開度Accに対応した回転数N−モーター要求トルク特性TREQを特定し、当該N−T特性からモーター回転数Nに応じたモーター要求トルクTREQを演算する。
次いでステップS12に移行し、図2に示すモーター要求パワー演算手段202は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。具体的には、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値をモーター要求パワーPM(=NXTREQ)として演算する。
次いでステップS13に移行し、図2に示す発電要求パワー演算手段203は、演算されたモーター要求パワーPMと、高圧補機19において必要とされる高圧補機パワーPAUXとを合計した値を発電要求パワーPREQとして算出する。
次いでステップS14に移行し、図2に示す燃料電池必要出力電圧演算手段204は、図3に示すような燃料電池I−V特性f0を参照する。そして、求められた燃料電池要求パワーPREQと燃料電池I−V特性f0との交点を特定し、燃料電池10の要求出力電圧VfcREQを演算する。
次いでステップS15に移行し、図2に示すインバーター必要入力電圧演算手段205は、求められたモーター要求パワーPMに基づき、図4に示すようなモーター出力特性f2を参照し、インバーター14の要求入力電圧VinvREQを算出する。
次いでステップS16において、図2に示す比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する。その結果、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合には(YES)、ステップS17に移行する。そして、図2に示すコンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。動作を停止させるコマンドCVfcを受けた第1コンバーター11は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給される。
一方、ステップS16において、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低いと判定された場合には(NO)、ステップS18に移行する。コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。これを受けて、第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを、第2コンバーター12によってインバーター14に供給される入力端子電圧Vinvにまで昇圧する動作を継続する。
なお、ステップS10において、制御タイミングでないと判断された場合には(NO)、当該制御処理は実行されずに終了する。
図8に、上記電力処理によって変化する第1コンバーター11への駆動制御コマンドCVfcの例を示す。図8に示すように、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上である場合には、第1コンバーター11に駆動の指令が出力される。一方、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低いと判定された場合には、第1コンバーター11に駆動停止の指令が出力される。
以上の処理により、当該電力処理係属中、インバーター14には、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
(本実施形態1における利点)
本実施形態1によれば、以下のような利点を有する。
(1)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方が選択されるので、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの方がインバーター14の入力端子電圧Vinvより高くなくことが回避される。よって、無駄な第1コンバーター11の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
本実施形態1によれば、以下のような利点を有する。
(1)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方が選択されるので、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの方がインバーター14の入力端子電圧Vinvより高くなくことが回避される。よって、無駄な第1コンバーター11の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
(2)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止するので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。
(3)第1コンバーター11は、動作停止が指令されると一次側と二次側とを電気的に直結した状態に維持するので、動作を停止させるコマンドCVfcにより、燃料電池10の出力端子電圧Vfcをインバーター14の入力端子電圧Vinvに容易に供給可能である。
(4)第2コンバーター12は、第1コンバーター11を動作停止状態にしている間に遮断状態とされる場合には、さらに第2コンバーター12に係る消費電力を抑制することが可能である。
(実施形態2)
本実施形態2は、上記実施形態1の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム100の電力制御方法に関する。
本実施形態2は、上記実施形態1の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム100の電力制御方法に関する。
本実施形態2において、燃料電池システム100の構成については、図1〜図6に基づき説明した上記実施形態1と同様であるため、同じ符号を使用することとし、その説明を省略する。
図2に示す機能ブロック図の各構成についても上記実施形態1と同様である。但し、比較手段206およびコンバーター動作制御手段207において、第1コンバーター11に動作停止および動作開始を指示するための駆動制御コマンドCVfcを送信するタイミングが異なる。
図9に、本実施形態2に係る第1コンバーター11切り替えのタイミングを説明する波形図を示す。図9は、図5に示したような燃料電池必要出力電圧VfcREQとインバーター必要入力電圧VinvREQの時間変化の一部を拡大したものである。
上記実施形態1では、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止させていた。また、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低くなったと判定された場合に、第1コンバーター11の動作を開始させていた。
これに対し、本実施形態2では、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上となっても、その時点で第1コンバーター11の動作を停止させない。必要出力電圧VfcREQと必要入力電圧VinvREQとの差がさらにマージンである第1猶予電圧ΔV1以上の差になった時に初めて第1コンバーター11の動作を停止させる。すなわち、式(4)の関係が満たされた場合に、第1コンバーター11の動作を停止させる。
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ+ΔV1 …(4)
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ+ΔV1 …(4)
また、本実施形態2では、第1コンバーター11の動作を開始させるために、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより低くなるまで待たない。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに近づいて、両者の差がマージンである第2猶予電圧ΔV2以内に入ってきたら、前倒しして第1コンバーター11の動作の再開を指示する。すなわち、式(5)の関係が満たされた場合に、第1コンバーター11の動作を開始させる。
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ−ΔV2 …(5)
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ−ΔV2 …(5)
次に、図6のフローチャートを参照しながら、本実施形態2の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。
ステップS10〜ステップS15までは、上記実施形態1と同様であるため、その説明を省略する。
ステップS21において、比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQが、インバーター14の必要入力電圧VinvREQおよび第1猶予電圧ΔV1の合計電圧以上であるか否かを比較する。その結果、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ+第1猶予電圧ΔV1以上であると判定された場合には(YES)、ステップS22に移行する。ステップS22では、コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。動作を停止させるコマンドCVfcを受けた第1コンバーター11は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給される。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ+第1猶予電圧ΔV1以上ではないと判定された場合には(NO)、ステップS23に移行する。
次いで、ステップS23において、比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQが、インバーター14の必要入力電圧VinvREQから第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入っているか否かを比較する。その結果、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ−第2猶予電圧ΔV2以下であると判定された場合には(YES)、ステップS24に移行する。ステップS24では、コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。第1コンバーター11の動作を継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。これを受けて、第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを、第2コンバーター12によってインバーター14に供給される入力端子電圧Vinvにまで昇圧する動作を継続する。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ−第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入っていないと判定された場合には(NO)、当該電力制御処理を終了する。
以上の処理により、当該電力処理係属中、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQを第1猶予電圧ΔV1だけ超えてから、インバーター14が停止される。よって、図9に示すように、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに等しくなる時刻t10から時間Δt1だけ遅れた時刻t11に初めて、第1コンバーター11の動作が停止する。また、一旦、第1コンバーター11の動作が停止した後は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQから第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入った場合に、インバーター14の動作が再開する。よって、図9に示すように、再び必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに等しくなる時刻t21から時間Δt2だけ先行した時刻t20に、第1コンバーター11の動作が開始する。
以上、本実施形態2によれば、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上になってから、若干の時間Δt1が経過するまで待つことになる。よって、確実にインバーター14の入力端子電圧Vinvの方が燃料電池10の出力端子電圧Vfcより高くなってから第1コンバーター11を停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
また、本実施形態2によれば、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより低くなるよりも若干の時間Δt2だけ早めに第1インバーター11の動作を開始させる。よって、応答遅れなく燃料電池10の電力変換を開始させ、モーター15に供給する電力が不足することを抑制可能である。
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。DC−DCコンバーターが1つ、または、3つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。DC−DCコンバーターが1つ、または、3つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
また、モーター15が直流駆動可能であって、インバーター14を必要としない燃料電池システムに対しても本発明を適用可能である。このような燃料電池システムでは、インバーター14の入力端子電圧Vinvに代えて、モーター15の駆動電圧Vdを第2インバーター12の制御対象電圧とすればよい。
また、負荷装置は、必ずしもモーターである必要はない。その入力電圧−消費電力特性が図4に示すように燃料電池P−V特性と交差するような負荷装置であれば、本願発明を適用可能である。
また、上記実施形態では、出力要求としてアクセル(ガスペダル)開度Accを入力していたがこれに限定されない。例えば、載置型の燃料電池システムでは、アクセルに相当する操作手段が存在しない場合がある。このようなシステムでは、アクセル以外の出力要求に関する情報を利用するように構成すればよい。
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、車両に限らず、他の移動体に搭載して適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。また、車両のような移動体に限らず、定置型電源システム、携帯型電源システムにも適用可能である。
10…燃料電池、11…第1コンバーター、12…第2コンバーター、13…バッテリー、14…インバーター、15…モーター、16…ディファレンシャル、17…タイヤ、18…補機インバーター、19…高圧補機、20…制御装置、21…アクセル開度センサー、22…センサ群、23…回転数センサ、100…燃料電池システム、201…モーター要求トルク演算手段、202…モーター要求パワー演算手段、203…発電要求パワー演算手段、204…燃料電池必要出力電圧演算手段、205…インバーター必要入力電圧演算手段、206…比較手段、207…コンバーター動作制御手段、Acc…アクセル開度、N…モーター回転数、PAUX…高圧補機パワー、PREQ…発電要求パワー、PM…モーター要求パワー、SACC…アクセル開度信号、SN…回転数信号、SVd…駆動電圧信号、TREQ…モーター要求トルク、VBAT…バッテリー出力端子電圧、Vd…駆動電圧(インバーター14の出力電圧)、Vd2…駆動電圧(インバーター18の出力電圧)、Vfc…燃料電池10の出力端子電圧、Vinv…インバーター14の入力端子電圧、VfcREQ…燃料電池必要出力電圧、VinvREQ…インバーター必要入力電圧、CVfc…第1コンバーター11用の駆動制御コマンド、CVinv…第2コンバーター12用の駆動制御コマンド、ΔV1…第1猶予電圧、ΔV2…第2猶予電圧
本発明は車両に搭載される燃料電池システムに関し、特に、2つのDC−DCコンバーターを備える燃料電池システムに関する。
車両に搭載される燃料電池システムとして、複数のDC−DCコンバーターを備えるシステムが開発されている。例えば、特開2007−209161号公報には、蓄電装置とインバーターとの間に配置される第1DC−DCコンバーターと、燃料電池とインバーターとの間に配置される第2DC−DCコンバーターと、を備える燃料電池システムが開示されている。
このシステムでは、目標モーター出力が所定のしきい値よりも大きい場合には、第1DC−DCコンバーターをオフ状態にし、第2DC−DCコンバーターを直結状態に設定して、出力が大きい燃料電池の出力電力を蓄電装置の出力電力よりも優先的にモーターに供給するように構成されている。また、目標モーター出力がしきい値よりも小さい場合には、第1DC−DCコンバーターを動作させ蓄電装置からアシスト電力を供給させ、第2DC−DCコンバーターを電気的な直結状態としていた。このような構成により、車両の走行性能が低下してしまうことを防止し、効率のよい電力変換を可能としていた(特許文献1)。
しかしながら、上記特許文献1に係る発明では、第1DC−DCコンバーターおよび第2DC−DCコンバーターをモーター出力電力に基づいて切り換えていたため、時として燃料電池の出力電圧がインバーターの入力電圧よりも高くなる場合があった。このような場合、燃料電池の出力電圧を昇圧する必要が無いにも拘わらず、DC−DCコンバーター(特許文献1では第2DC−DCコンバーター)を不必要に駆動することとなる。つまり、コンバーターの動作電力を無駄に消費してしまうことになる。
そこで、上記問題点を解決するために、本願発明の好ましい態様では、不必要なDC−DCコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決する燃料電池システムの一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、第1コンバーターおよび第2コンバーターを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第1猶予電圧を加えた合計電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧合計電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させ、第1コンバーターは、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することを特徴とする。
かかる燃料電池システムの態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第1猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第1インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第1コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
また、かかる燃料電池システムの態様によれば、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第1コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
また、本発明に係る燃料電池システムの他の態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第1猶予電圧を加えた合計電圧とを比較する比較手段と、燃料電池の必要出力電圧が合計電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備え、第1コンバーターは、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することを特徴とする。
かかる燃料電池システムの他の態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第1猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第1インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第1コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
またかかる燃料電池システムの他の態様によれば、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第1コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
さらに本発明に係る燃料電池のための電力制御方法の一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第1猶予電圧を加えた合計電圧とを比較するステップと、燃料電池の必要出力電圧が合計電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させるステップと、第1コンバーターにおいて、動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するステップと、を備えたことを特徴とする。
かかる電力制御方法の態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第1猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第1インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第1コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
またかかる電力制御方法の態様によれば、第1コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第1コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
本発明は、所望により以下のような要素を選択的に付加することが可能である。例えば、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第2猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、第2の待機時間経過後に、第1コンバーターの動作を開始させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、動作開始時のマージンに相当する第2猶予電圧を加えた電圧より低いと判定された場合に初めて第1インバーターの動作開始条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧より低くなるよりも早めに第1インバーターの動作を開始させることになるので、応答遅れなく燃料電池の電力変換を開始させることが可能である。よって、負荷装置に供給する電力が不足することを抑制可能である。
かかる発明によれば、DC−DCコンバーターの不必要な駆動が禁止されるので、燃料電池システムの消費電力を低減することが可能である。
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
(実施形態1)
本実施形態1は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
本実施形態1は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第1コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
(システム構成)
図1は、本実施形態1に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
図1は、本実施形態1に係る、車両に搭載される燃料電池システム100のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車(FCHV:Fuel Cell Hybrid Vehicle)である。
燃料電池システム100は、燃料電池10、第1コンバーター11、第2コンバーター12、バッテリー13、インバーター14、モーター15、補機インバーター18、高圧補機19、および制御装置20を備えて構成されている。
燃料電池10は、複数の単位セルを直列に積層して構成される発電手段である。単位セルは、高分子電解質膜等のイオン交換膜をアノード極およびカソード極で狭み込んだ膜・電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)を、セパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。各単位セルのアノード極には、セパレータを介して、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス(例えば水素ガス)が供給されるようになっている。各単位セルのカソード極には、セパレータを介して、図示しない酸化ガス供給系から酸化ガス(例えば空気)が供給されるようになっている。セパレータには、冷却液の流路が形成されており、図示しない冷却液供給系から、冷却液が供給されるようになっている。燃料電池10においては、アノード極において(1)式の酸化反応が生じ、カソード極において(2)式の還元反応が生じ、燃料電池10全体としては(3)式の起電反応が生じる。
H2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力端子電圧Vfcを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Vfcの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池10は出力端子に出力端子電圧Vfcを出力するようになっている。燃料電池10は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Vfcの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
第1コンバーター11は、電圧変換器であり、DC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第1コンバーター11は、三相運転方式が用いられている場合には、例えば三相ブリッジ形コンバーター等の回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバーターは、リアクトル、整流用のダイオード、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなるスイッチング素子を備えている。これらの素子を組み合わせることにより、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ−類似の回路部分と、その交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが形成される。なお、第1コンバーター11の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
第1コンバーター11は、一次側に燃料電池10の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第1コンバーター11は、制御装置20からの駆動させるためのコマンドCVfcに従って、一次側の端子電圧(燃料電池10の出力端子電圧Vfc)を制御するように構成されている。すなわち、この第1コンバーター11により、燃料電池10の出力端子電圧Vfcが目標出力に応じた電圧(すなわち、目標出力端子電圧Vfc)となるように制御される。また第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcとインバーター14の入力端子電圧Vinvとを整合させるように電圧を変換するように構成されている。また、第1コンバーター11は、制御装置20から動作を停止するコマンドCVfcを受けた場合には、内部のスイッチング素子の一部をオン状態にして、一次側と二次側とが電気的に直結された状態となるように構成されている。
バッテリー13は、蓄電装置であり、燃料電池10で発電された電力のうち、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリー13としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。バッテリー13の出力端子電圧VBATが、第2コンバーター12の入力端子電圧となる。
第2コンバーター12は、電圧変換器であり、第1コンバーター11と同様のDC−DCコンバーターとしての構成を備えている。第2コンバーター12は、一次側にバッテリー13の出力端子が接続され、二次側にインバーター14の入力端子が接続されている。第2コンバーター12は、制御装置20からのコマンドCVinvに従って、二次側の端子電圧(インバーター14の入力端子電圧Vinv)を制御するように構成されている。例えば、モーター15の要求電力が変化した場合、第2コンバーター12は、設定された目標入力電圧となるまでインバーター14の入力端子電圧Vinvを変化させる。そして、インバーター14の入力端子電圧Vinvが目標入力電圧に到達した後に、第1コンバーター11が、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するように段階を踏んで制御されるよう構成されている。なお、第2コンバーター12の回路構成は、インバーター14の入力端子電圧Vinvの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
インバーター14は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換してモーター15に供給するように構成されている。インバーター14の回路構成は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータ回路を備えている。インバーター14は、制御装置20からのインバーター要求電圧を指示するコマンドCVdに従って、所定の駆動電圧Vd(実効値)を有する三相交流電力をモーター15に供給するように構成されている。また、現時点で出力している駆動電圧(インバーター出力電圧)Vdを駆動電圧信号SVdとして制御装置20に出力するように構成されている。
モーター15は、車両走行用のトラクションモータであり、駆動電力が供給される場合には本車両に推進力を与え、減速された場合には回生電力を発生するようになっている。ディファレンシャル16は、減速装置であり、モーター15の高速回転を所定の比率で減速し、タイヤ17が設けられたシャフトを回転させるように構成されている。回転数センサ23は、モーター15の回転数を検出して回転数信号SNを制御装置20に出力するようになっている。
補機インバーター18は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換して高圧補機19に供給するように構成されている。補機インバーター18の回路構成は、上記インバーター14と同じである。補機インバーター18は、制御装置20からのコマンドCVd2に従って、所定の駆動電圧Vd2(実効値)を有する三相交流電力を高圧補機19に供給するように構成されている。なお、高圧補機19は、本燃料電池システム100を機能させるための、図示しない加湿器、エアーコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の総称である。
制御装置20は、燃料電池システム100を制御するコンピュータシステムであり、例えばCPU、RAM、ROM等を備えている。制御装置20は、アクセル開度センサー21からアクセル開度Accに応じたアクセル開度信号SACCを入力する。また、センサ群22からの各種信号を入力し、制御に必要な各種演算を実施するようになっている。センサ群22としては、燃料電池10の出力電流を検出する電流センサ、出力端子電圧Vfcを検出する電圧センサ、燃料電池10の冷却液温度を検出する温度センサ、エアーコンプレッサーや水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の回転数を検出する回転数センサ等を含む。また、制御装置20は、モーター15の回転数Nを検出する回転数センサ23からの回転数信号SNを入力する。
制御装置20は、これらの信号を参照して、システム全体を制御する。
概略説明すると、制御装置20は、アクセル開度Accおよびモーター回転数Nに基づいてモーター要求トルクTREQを演算する。そして、モーター要求トルクTREQとモーター回転数Nとに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。次いで、モーター要求パワーPM等に基づいて発電要求パワーPREQを演算する。そして、発電要求パワーPFCを出力させるために必要な燃料電池10の出力端子電圧Vfcである要求出力電圧VfcREQを燃料電池10の電流−電圧(I−V)特性から演算する。必要に応じて、制御装置20は、燃料電池10とバッテリー13とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧VfcREQになるよう燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するコマンドCVfcを出力する。また、求められたバッテリー13の要求電力が取り出せるように、第2コンバーター12にコマンドCVinvを出力して、インバーター14の入力端子電圧Vinvを制御する。また、制御装置20は、モーター要求トルクTREQが得られるように、インバーター14にコマンドCVdを出力して、所望の駆動電圧Vdを出力させ、モーター15のトルクを制御する。
概略説明すると、制御装置20は、アクセル開度Accおよびモーター回転数Nに基づいてモーター要求トルクTREQを演算する。そして、モーター要求トルクTREQとモーター回転数Nとに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。次いで、モーター要求パワーPM等に基づいて発電要求パワーPREQを演算する。そして、発電要求パワーPFCを出力させるために必要な燃料電池10の出力端子電圧Vfcである要求出力電圧VfcREQを燃料電池10の電流−電圧(I−V)特性から演算する。必要に応じて、制御装置20は、燃料電池10とバッテリー13とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧VfcREQになるよう燃料電池10の出力端子電圧Vfcを制御するコマンドCVfcを出力する。また、求められたバッテリー13の要求電力が取り出せるように、第2コンバーター12にコマンドCVinvを出力して、インバーター14の入力端子電圧Vinvを制御する。また、制御装置20は、モーター要求トルクTREQが得られるように、インバーター14にコマンドCVdを出力して、所望の駆動電圧Vdを出力させ、モーター15のトルクを制御する。
特に、本実施形態1では、制御装置20は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧を、インバーター14の入力端子電圧Vinvとして出力させるようなコマンドCVdを出力する点に特徴がある。
(機能ブロック)
図2に、本実施形態1の制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理(図8参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
図2に、本実施形態1の制御装置20により機能的に実現される、燃料電池システム100の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置20が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理(図8参照)を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
なお、図2に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図2のとおりに機能分離していることを要しない。図2に列記した入力に基づいてインバーター14の入力端子電圧Vinvを制御できる構成であれば、図2とは異なる機能ブロックで同様の機能を実現してもよい。
図2に示すように、制御装置20は、機能ブロックとして、モーター要求トルク演算手段201、モーター要求パワー演算手段202、発電要求パワー演算手段203、燃料電池必要出力電圧演算手段204、インバーター必要入力電圧演算手段205、比較手段206、およびコンバーター動作制御手段207を備えて構成されている。
モーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度信号SACCから取得されたアクセル開度Acc、および、回転数信号SNから取得されたモーター15の回転数Nに基づき、出力要求トルクを演算し、モーター15の要求トルクTREQを演算する。モーターの一般的な特性として、モーターの回転数Nおよびアクセル開度Accが定まると、回転数に応じて発生可能なトルクが定まる(以下この特性を「N−T特性」という。)。モーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度Accに基づきこのようなN−T特性を参照し、モーター要求トルクTREQを演算する。
モーター要求パワー演算手段202は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーを演算する機能ブロックである。モーター要求パワーPMは、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値となる(PM=NXTREQ)。
発電要求パワー演算手段203は、モーター要求パワーPMに基づいて燃料電池の発電要求パワーPREQを演算する機能ブロックである。発電要求パワーPREQは、演算されたモーター要求パワーPMに加えて、モーター以外の負荷装置の要求パワーを合計して演算する。例えば、高圧補機19において必要とされる高圧補機パワーPAUXをモーター要求パワーPMに合計した値を発電要求パワーPREQとして算出する。
燃料電池必要出力電圧演算手段204は、求められた発電要求パワーPREQに基づいて燃料電池10の必要出力電圧VfcREQを演算する。
図3に、燃料電池10の出力電流−出力電圧(I−V)特性f0と燃料電池要求パワーPREQの等電力線を示す。通常運転時、燃料電池10は、図3に示すような燃料電池I−V特性に従ってその出力電流および出力電圧を変化させる。上記演算により求められた燃料電池要求パワーPREQは、図3において破線で示すような双曲線状の等電力線となる。燃料電池I−V特性f0と燃料電池要求パワーPREQとの交点が、本燃料電池システム100の動作点p0となる。
そこで、燃料電池必要出力電圧演算手段204は、図3の燃料電池I−V特性f0を予め記憶しておき、発電要求パワーPREQが求められたら、記憶された燃料電池I−V特性f0を参照して、求められた燃料電池要求パワーPREQとの交点を算出する。この交点が燃料電池10の要求出力電圧VfcREQと要求出力電流IfcREQとを特定する動作点p0である。なお、燃料電池10の要求出力電圧VfcREQは、後述の図4で説明する燃料電池P−V特性f1を参照して、燃料電池要求パワーPREQに対応する燃料電池出力電圧として求めることも可能である。
インバーター必要入力電圧演算手段205は、インバーター14のための必要入力電圧VinvREQを演算する機能ブロックである。インバーター14の必要入力電圧VinvREQは、求められたモーター要求パワーPMをインバーター14に出力させるために必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvとして求められる。
図4に、燃料電池10における発電電力(Pfc)−出力端子電圧(Vfc)特性(燃料電池P−V特性)f1と、モーター15の駆動電力(PM)−インバーター14の入力端子電圧(Vinv)特性(モーター出力特性)f2とを示す。図4において燃料電池P−V特性f1に示されるように、燃料電池10では出力端子電圧Vfcが減少していくに連れて発電パワーが上昇していく。また、図4においてモーター出力特性f2に示されるように、モーター15の駆動電力が上昇するに連れてインバーター14に対する入力端子電圧Vinvが上昇していく。図4のモーター出力特性f2において、モーター15の駆動電力は、上記演算で求められるモーター要求パワーPMに対応する。インバーター14の入力端子電圧Vinvは、上記演算で求められるインバーター14の要求入力電圧VinvREQに対応する。
インバーター必要入力電圧演算手段205は、図4のモーター出力特性f2に示すようなモーター15の駆動電力(PM)−インバーター14の入力端子電圧(Vinv)特性を予め記憶する。そして、求められたモーター要求パワーPMに基づき、記憶されたモーター出力特性f2を参照して、インバーター14の要求入力電圧VinvREQを算出する。
比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する機能ブロックである。
モーター15が要求されたとおりのパワー(モーター要求パワーPM)で駆動されるためには、図4のモーター出力特性f2で特定される入力端子電圧Vinvが最低電圧としてインバーター14に入力されなければならない。ここで、図4において、燃料電池P−V特性f1とモーター出力特性f2とは、電力しきい値Pthに対応する交点p1において交差している。この電力しきい値Pthより高い電力の領域Bでは、燃料電池10がモーター15に必要な電力を供給する際、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvよりも低くなっている。このため、必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvにまで、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを昇圧しなければならない。この昇圧処理を行う装置が第1コンバーター11なのである。
一方、図4に示す電力しきい値Pth以下の電力の領域Aでは、モーター15を駆動するために必要なインバーター14の入力端子電圧Vinvを燃料電池10の出力端子電圧Vfcが上回っている。よって、領域Aの動作では、燃料電池10の出力端子電圧Vfcをさらに昇圧する必要性が存在しない。燃料電池10の出力端子電圧Vfcをインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給しても構わない場合である。
比較手段206は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する。この比較は、図4の電力しきい値Pthとの比較において、領域A側で動作しているのか、領域B側で動作しているのかを検出することに等しい。その判定をコンバーター動作制御手段207が行う。
コンバーター動作制御手段207は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止させる機能ブロックである。具体的には、コンバーター動作制御手段207は、上記判定に応じて動作を停止または継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。第1コンバーター11は、動作を停止させるコマンドCVfcを受けた場合には、電圧変換動作を停止し、第1コンバーター11の一次側と二次側とを電気的に直結、すなわち導通した状態に維持する。これによって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcは、インバーター14の入力端子電圧Vinvと等しくなる。上記の処理により、インバーター14には、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
図5に、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQの時間変化例を示す。燃料電池車では、アクセル開度の変化等から負荷条件が刻々と変化する。負荷条件が変化するとモーター要求パワーPMが変動する。モーター要求パワーPMが変動するたびに、図4で説明したように、動作点が領域A側に移動したり領域B側に移動したりする。動作点が領域Aに移動している間は燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより高くなる。一方、動作点が領域Bに移動している間はインバーター14の必要入力電圧VinvREQが燃料電池10の必要出力電圧VfcREQより高くなる。図5は、このような必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQの変化を時間軸でプロットしたものとなる。
図6に、本実施形態1に係る燃料電池システム100において、図5の例のように燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとが変化した場合の、インバーター14に供給される入力端子電圧Vinvの変化を示す。本燃料電池システム100では、上記比較手段206およびコンバーター動作制御手段207の作用により、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち、大きい方の電圧がインバーター14の入力端子電圧Vinvとして出力される。
よって、図6に示すように、インバーター14の必要入力電圧VinvREQの方が燃料電池10の必要出力電圧VfcREQよりも大きい場合には、図4の領域Bに動作点があると判断される。よって、第2コンバーター12の出力する必要入力電圧VinvREQがインバーター14に入力される。一方、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQの方がインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも大きい場合には、図4の領域Aに動作点があると判断される。よって、第1コンバーター11の動作が停止させられて直結状態となる結果、燃料電池10の出力端子電圧Vfc(すなわち燃料電池必要出力電圧VfcREQ)が第1コンバーター11を介して直接インバーター14に供給される。
なお、動作点が領域Aに存在する場合、第2コンバーター12は、バッテリー13の出力端子電圧VBATを燃料電池必要出力電圧VfcREQにまで昇圧してもよいが、遮断状態にしてもよい。遮断状態にする場合には、第2コンバーター12においてスイッチング素子を総てオフ状態とする等の制御により、第2コンバーター12の一次側と二次側とが電気的に絶縁される。遮断状態とすることによって、第2コンバーター12の動作による電力消費を抑えることが可能である。
(動作)
次に、図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態1の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図6に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される(コールされる)ものとする。
次に、図6のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態1の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図6に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される(コールされる)ものとする。
ステップS10において、制御装置20は、制御周期毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合(YES)、ステップS11に移行し、図2に示すモーター要求トルク演算手段201は、アクセル開度センサー21からアクセル開度信号SACCを読み込み、回転数センサ23から回転数信号SNを読み込む。そしてアクセル開度信号SACCが示すアクセル開度Accと、回転数信号SNが示すモーター回転数Nとに基づいて、出力要求トルクを演算し、さらにモーター要求トルクTREQを演算する。すなわち、所定のN−T特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照して、アクセル開度Accに対応した回転数N−モーター要求トルク特性TREQを特定し、当該N−T特性からモーター回転数Nに応じたモーター要求トルクTREQを演算する。
次いでステップS12に移行し、図2に示すモーター要求パワー演算手段202は、モーター要求トルクTREQに基づいてモーター要求パワーPMを演算する。具体的には、モーター要求トルクTREQに回転数Nを乗じた値をモーター要求パワーPM(=NXTREQ)として演算する。
次いでステップS13に移行し、図2に示す発電要求パワー演算手段203は、演算されたモーター要求パワーPMと、高圧補機19において必要とされる高圧補機パワーPAUXとを合計した値を発電要求パワーPREQとして算出する。
次いでステップS14に移行し、図2に示す燃料電池必要出力電圧演算手段204は、図3に示すような燃料電池I−V特性f0を参照する。そして、求められた燃料電池要求パワーPREQと燃料電池I−V特性f0との交点を特定し、燃料電池10の要求出力電圧VfcREQを演算する。
次いでステップS15に移行し、図2に示すインバーター必要入力電圧演算手段205は、求められたモーター要求パワーPMに基づき、図4に示すようなモーター出力特性f2を参照し、インバーター14の要求入力電圧VinvREQを算出する。
次いでステップS16において、図2に示す比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQとインバーター14の必要入力電圧VinvREQとを比較する。その結果、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合には(YES)、ステップS17に移行する。そして、図2に示すコンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。動作を停止させるコマンドCVfcを受けた第1コンバーター11は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給される。
一方、ステップS16において、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低いと判定された場合には(NO)、ステップS18に移行する。コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。これを受けて、第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを、第2コンバーター12によってインバーター14に供給される入力端子電圧Vinvにまで昇圧する動作を継続する。
なお、ステップS10において、制御タイミングでないと判断された場合には(NO)、当該制御処理は実行されずに終了する。
図8に、上記電力処理によって変化する第1コンバーター11への駆動制御コマンドCVfcの例を示す。図8に示すように、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上である場合には、第1コンバーター11に駆動の指令が出力される。一方、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低いと判定された場合には、第1コンバーター11に駆動停止の指令が出力される。
以上の処理により、当該電力処理係属中、インバーター14には、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
(本実施形態1における利点)
本実施形態1によれば、以下のような利点を有する。
(1)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方が選択されるので、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの方がインバーター14の入力端子電圧Vinvより高くなくことが回避される。よって、無駄な第1コンバーター11の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
本実施形態1によれば、以下のような利点を有する。
(1)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQおよびインバーター14の必要入力電圧VinvREQのうち大きい方が選択されるので、燃料電池10の出力端子電圧Vfcの方がインバーター14の入力端子電圧Vinvより高くなくことが回避される。よって、無駄な第1コンバーター11の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
(2)燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止するので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。
(3)第1コンバーター11は、動作停止が指令されると一次側と二次側とを電気的に直結した状態に維持するので、動作を停止させるコマンドCVfcにより、燃料電池10の出力端子電圧Vfcをインバーター14の入力端子電圧Vinvに容易に供給可能である。
(4)第2コンバーター12は、第1コンバーター11を動作停止状態にしている間に遮断状態とされる場合には、さらに第2コンバーター12に係る消費電力を抑制することが可能である。
(実施形態2)
本実施形態2は、上記実施形態1の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム100の電力制御方法に関する。
本実施形態2は、上記実施形態1の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム100の電力制御方法に関する。
本実施形態2において、燃料電池システム100の構成については、図1〜図6に基づき説明した上記実施形態1と同様であるため、同じ符号を使用することとし、その説明を省略する。
図2に示す機能ブロック図の各構成についても上記実施形態1と同様である。但し、比較手段206およびコンバーター動作制御手段207において、第1コンバーター11に動作停止および動作開始を指示するための駆動制御コマンドCVfcを送信するタイミングが異なる。
図9に、本実施形態2に係る第1コンバーター11切り替えのタイミングを説明する波形図を示す。図9は、図5に示したような燃料電池必要出力電圧VfcREQとインバーター必要入力電圧VinvREQの時間変化の一部を拡大したものである。
上記実施形態1では、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上であると判定された場合に、第1コンバーター11の動作を停止させていた。また、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQよりも低くなったと判定された場合に、第1コンバーター11の動作を開始させていた。
これに対し、本実施形態2では、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上となっても、その時点で第1コンバーター11の動作を停止させない。必要出力電圧VfcREQと必要入力電圧VinvREQとの差がさらにマージンである第1猶予電圧ΔV1以上の差になった時に初めて第1コンバーター11の動作を停止させる。すなわち、式(4)の関係が満たされた場合に、第1コンバーター11の動作を停止させる。
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ+ΔV1 …(4)
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ+ΔV1 …(4)
また、本実施形態2では、第1コンバーター11の動作を開始させるために、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより低くなるまで待たない。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに近づいて、両者の差がマージンである第2猶予電圧ΔV2以内に入ってきたら、前倒しして第1コンバーター11の動作の再開を指示する。すなわち、式(5)の関係が満たされた場合に、第1コンバーター11の動作を開始させる。
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ−ΔV2 …(5)
必要出力電圧VfcREQ≧必要入力電圧VinvREQ−ΔV2 …(5)
次に、図6のフローチャートを参照しながら、本実施形態2の燃料電池システム100の電力制御処理を説明する。
ステップS10〜ステップS15までは、上記実施形態1と同様であるため、その説明を省略する。
ステップS21において、比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQが、インバーター14の必要入力電圧VinvREQおよび第1猶予電圧ΔV1の合計電圧以上であるか否かを比較する。その結果、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ+第1猶予電圧ΔV1以上であると判定された場合には(YES)、ステップS22に移行する。ステップS22では、コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。動作を停止させるコマンドCVfcを受けた第1コンバーター11は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池10の出力端子電圧Vfcがインバーター14の入力端子電圧Vinvとして供給される。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ+第1猶予電圧ΔV1以上ではないと判定された場合には(NO)、ステップS23に移行する。
次いで、ステップS23において、比較手段206は、求められた燃料電池10の必要出力電圧VfcREQが、インバーター14の必要入力電圧VinvREQから第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入っているか否かを比較する。その結果、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ−第2猶予電圧ΔV2以下であると判定された場合には(YES)、ステップS24に移行する。ステップS24では、コンバーター動作制御手段207は、第1コンバーター11の動作を停止させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。第1コンバーター11の動作を継続させるコマンドCVfcを第1コンバーター11に出力する。これを受けて、第1コンバーター11は、燃料電池10の出力端子電圧Vfcを、第2コンバーター12によってインバーター14に供給される入力端子電圧Vinvにまで昇圧する動作を継続する。必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQ−第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入っていないと判定された場合には(NO)、当該電力制御処理を終了する。
以上の処理により、当該電力処理係属中、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQを第1猶予電圧ΔV1だけ超えてから、インバーター14が停止される。よって、図9に示すように、必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに等しくなる時刻t10から時間Δt1だけ遅れた時刻t11に初めて、第1コンバーター11の動作が停止する。また、一旦、第1コンバーター11の動作が停止した後は、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQから第2猶予電圧ΔV2以内の範囲に入った場合に、インバーター14の動作が再開する。よって、図9に示すように、再び必要出力電圧VfcREQが必要入力電圧VinvREQに等しくなる時刻t21から時間Δt2だけ先行した時刻t20に、第1コンバーター11の動作が開始する。
以上、本実施形態2によれば、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQ以上になってから、若干の時間Δt1が経過するまで待つことになる。よって、確実にインバーター14の入力端子電圧Vinvの方が燃料電池10の出力端子電圧Vfcより高くなってから第1コンバーター11を停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
また、本実施形態2によれば、燃料電池10の必要出力電圧VfcREQがインバーター14の必要入力電圧VinvREQより低くなるよりも若干の時間Δt2だけ早めに第1インバーター11の動作を開始させる。よって、応答遅れなく燃料電池10の電力変換を開始させ、モーター15に供給する電力が不足することを抑制可能である。
(変形例)
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。DC−DCコンバーターが1つ、または、3つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第1コンバーター11、第2コンバーター12、およびインバーター14を備える燃料電池システム100に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。DC−DCコンバーターが1つ、または、3つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
また、モーター15が直流駆動可能であって、インバーター14を必要としない燃料電池システムに対しても本発明を適用可能である。このような燃料電池システムでは、インバーター14の入力端子電圧Vinvに代えて、モーター15の駆動電圧Vdを第2インバーター12の制御対象電圧とすればよい。
また、負荷装置は、必ずしもモーターである必要はない。その入力電圧−消費電力特性が図4に示すように燃料電池P−V特性と交差するような負荷装置であれば、本願発明を適用可能である。
また、上記実施形態では、出力要求としてアクセル(ガスペダル)開度Accを入力していたがこれに限定されない。例えば、載置型の燃料電池システムでは、アクセルに相当する操作手段が存在しない場合がある。このようなシステムでは、アクセル以外の出力要求に関する情報を利用するように構成すればよい。
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、車両に限らず、他の移動体に搭載して適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。また、車両のような移動体に限らず、定置型電源システム、携帯型電源システムにも適用可能である。
10…燃料電池、11…第1コンバーター、12…第2コンバーター、13…バッテリー、14…インバーター、15…モーター、16…ディファレンシャル、17…タイヤ、18…補機インバーター、19…高圧補機、20…制御装置、21…アクセル開度センサー、22…センサ群、23…回転数センサ、100…燃料電池システム、201…モーター要求トルク演算手段、202…モーター要求パワー演算手段、203…発電要求パワー演算手段、204…燃料電池必要出力電圧演算手段、205…インバーター必要入力電圧演算手段、206…比較手段、207…コンバーター動作制御手段、Acc…アクセル開度、N…モーター回転数、PAUX…高圧補機パワー、PREQ…発電要求パワー、PM…モーター要求パワー、SACC…アクセル開度信号、SN…回転数信号、SVd…駆動電圧信号、TREQ…モーター要求トルク、VBAT…バッテリー出力端子電圧、Vd…駆動電圧(インバーター14の出力電圧)、Vd2…駆動電圧(インバーター18の出力電圧)、Vfc…燃料電池10の出力端子電圧、Vinv…インバーター14の入力端子電圧、VfcREQ…燃料電池必要出力電圧、VinvREQ…インバーター必要入力電圧、CVfc…第1コンバーター11用の駆動制御コマンド、CVinv…第2コンバーター12用の駆動制御コマンド、ΔV1…第1猶予電圧、ΔV2…第2猶予電圧
Claims (7)
- 負荷装置に接続されたインバーターと、
燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、
蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、
前記第1コンバーターおよび前記第2コンバーターを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧および前記インバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧を前記インバーターの入力電圧として出力させること、
を特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較し、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第1コンバーターの動作を停止させる、
請求項1に記載の燃料電池システム。 - 負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第1コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第1コンバーターは、前記第1コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持する、
請求項2または3に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第1猶予電圧を加えた電圧以上であると判定された場合には、前記第1コンバーターの動作を停止させる、
請求項2または3に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第2猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、前記第1コンバーターの動作を開始させる、
請求項2乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第1コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第2コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第1コンバーターの動作を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする電力制御方法。
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