KR20090035623A - 연료전지시스템 및 이동체 - Google Patents

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Abstract

연료전지(3)와 축전장치(41)와 구동장치(44)에 대한 구동 지령량을 정하는 제어부(100)를 구비하고, 축전장치(41)로부터 전력이 공급되고 있는 저효율 구동기간 내에 구동요구가 입력된 경우, 연료전지(3)로부터의 발전이 개시된 후의 구동 지령량을 제한한다. 이것에 의하여, 구동장치에 대한 전력공급이 축전장치 단독으로부터 연료전지와 축전장치와의 병용으로 이행한 경우이어도 매끄러운 구동상태의 변화를 제공하는 것이 가능해진다.

Description

연료전지시스템 및 이동체{FUEL CELL SYSTEM AND MOBILE BODY}
본 발명은, 연료전지시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 연료전지의 발전유무에 따라 구동장치의 구동상태가 크게 변동하는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.
연료전지의 보조적인 전력원으로서 축전장치를 구비한 연료전지시스템으로서, 예를 들면 일본국 특개평9-231991호 공보에 기재된 바와 같은 것이 알려져 있었다. 이 공보에는, 이동체인 자동차에 적용한 연료전지시스템이 개시되어 있다. 이 공보기재의 발명에서는, 시스템의 시동시에는, 연료전지를 저효율로 운전함으로써 발열을 재촉하는 난기운전이 행하여지고, 난기운전의 기간 동안, 구동장치인 모터에 대해서는 축전장치인 2차 전지로부터 전력을 공급하도록 되어 있다. 2차 전지가 모터에 전력을 공급하고 있는 동안, 난기상태 검출수단이 난기 중의 연료전지의 난기상태를 검출하도록 되어 있다. 이 검출결과로부터 연료전지가 충분히 난기되었다고 판단되면, 연료전지와 모터가 전기적으로 접속되어, 연료전지로부터 모터에 대하여 전력의 공급이 행하여지게 된다. 이와 같은 시스템에 의하면, 충분히 난기된 것이 검출되고 나서 연료전지와 모터가 접속되기 때문에, 연료전지의 온도가 낮은 것에 기인하여 생기는 전압 강하가 생기지 않는다는 효과를 가지고 있었 다.
그러나, 상기한 바와 같이 저효율 운전 중에 축전장치로부터의 전력으로 구동장치를 구동하고 있는 경우에 있어서 저효율 운전 종료 후에 연료전지와 구동장치를 전기적으로 접속하면, 구동장치에서의 구동상태가 급격하게 변화하여, 구동상태의 안정성이 손상된다는 가능성이 있었다.
즉, 연료전지의 출력 전력 용량은 보조적인 축전장치의 전력용량에 비하여 크기 때문에, 저효율 운전을 종료한 연료전지를 구동장치에 접속한 순간 구동장치에 공급되는 구동 파워량이 급격하게 증가하여, 구동상태의 안정성이 손상되는 것이다.
이와 같은 연료전지시스템을 자동차에 적용한 경우, 연료전지를 모터에 접속한 후의 자동차의 주행상태가 안정되지 않기 때문에, 자동차의 승차감이 매우 나쁜 것이 될 가능성이 있었다.
그래서, 본 발명은, 연료전지로부터 구동장치에 대한 전력공급 개시 직후이더라도 매끄러운 구동상태의 변화를 제공하는 것이 가능한 연료전지시스템 및 이동체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 연료전지시스템은, 연료전지를 포함하는 복수의 전력공급원의 적어도 하나가 구동장치에 전력을 공급 가능하게 구성된 연료전지시스템에 있어서, 상기 구동장치에 전력을 공급하는 전력공급원을 변경할 때에, 상기 구동장치에 지령하는 구동량을 제한하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 구동장치에 대하여 새로운 전력공급원으로부터 전력공급이 개시될 때에, 구동장치에 대한 구동량을 제한하기 때문에, 갑자기 공급 전력이 높아져 급격하게 구동량이 증가하여 구동장치의 구동상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
여기서 「제한한다」란, 제한하지 않는 경우보다 낮은 값의 구동량을 출력하는 것을 말하며, 제한하지 않는 경우보다 작은 변화율로 구동량을 변화시키는 것도 포함하여도 된다. 구체적으로는, 제한하지 않는 경우보다 낮은 값으로 구동량을 출력한 후, 제한량을 점차 감소시킴으로써, 구동량을 제한이 없는 값으로 수속시켜 가는 것이다.
또 「전력공급원을 변경한다」란, 1 이상의 특정한 전력공급원으로부터의 전력공급 대신 다른 1 이상의 전력공급원으로부터 전력을 공급하는 경우나, 1 이상의 특정한 전력공급원에 더하여 다른 1 이상의 전력공급원으로부터 전력을 공급하는 경우도 포함한다.
구체적으로 본 발명은, 구동장치에 대하여 전력을 공급하는 전력공급원을 선택하는 전력공급원 선택수단과, 선택된 상기 전력공급원이 공급하는 전력에 대응시켜 구동장치에 지령하는 구동량을 연산하는 지령 구동량 연산수단과, 지령 구동량을 제한하는 제한수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의하면, 구동장치에 전력공급하는 전력공급원이 선택 가능하게 되어 있기 때문에 전력공급에 참여하는 전력공급원의 종류나 수에 따라 공급되는 전력량이 상위(相違)하여, 구동장치에 지령하는 구동량도 변화해야 하는 바, 제한수단이 연산되는 구동량을 제한, 즉 구동량의 당초의 값을 낮게 하여 점차 증가시키기 때문에, 급격한 구동상태의 변화에 의하여 구동장치의 구동상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 전력공급원은 연료전지 및 축전장치로서, 축전장치에 의한 전력공급에 더하여 상기 연료전지로부터도 전력 공급할 때에, 연료전지로부터의 전력 공급 후의 구동장치에 지령하는 구동량을 제한한다.
상기 구성에 의하면, 축전장치로부터 구동장치에 대한 전력공급에 더하여 상대적으로 고출력의 연료전지로부터의 전력이 공급 가능하게 된 경우에도, 구동장치에 대하여 지령하는 구동량을 제한하여, 낮은 값으로부터 서서히 변화시키기 때문에, 구동장치의 구동상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
본 발명은, 축전장치로부터 전력이 공급되고 있는 저효율 구동기간에 연료전지로부터의 전력 공급이 가능해진 경우, 구동장치에 지령하는 구동량을 제한한다.
상기 구성에 의하면, 축전장치에서만 전력이 공급되고, 연료전지로부터 구동장치에 실질적으로 전력을 공급하고 있지 않는 상태, 예를 들면 저효율 운전시에 있어서, 연료전지로부터의 전력 공급이 가능하게 된 경우에도 구동장치에 대한 구동량을 제한하기 때문에, 구동장치의 구동상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
여기서 상기 제한수단은, 구동 지령량을 변화시키는 요소로서, 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 시스템 요구 전력량을 제한한다.
상기 구성에 의하면, 구동 지령량이 시스템 요구 전력량(파워)에 의거하여 연산되는 경우에, 이 시스템 요구 전력을 제한함으로써 구동 지령량의 변화를 완화하는 것이 가능해진다.
상기 제한수단은, 구동 지령량을 변화시키는 요소로서, 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 가스유량과 상기 가스유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 전력량과의 관계를 특정하는 스토익(stoichiometric) 특성을 제한한다.
상기 구성에 의하면, 구동 지령량이 스토익 특성에 의거하여 연산되는 경우에, 이 스토익 특성을 제한함으로써 구동 지령량의 변화를 완화하는 것이 가능해진다.
더욱 구체적인 구성으로서, 본 발명의 하이브리드형 연료전지시스템은, 연료전지와 축전장치를 구비하는 하이브리드형 연료전지시스템에 있어서, 구동 요구 신호에 따라 상기 구동장치에 필요한 토오크를 연산하는 구동 토오크 연산수단과, 상기 토오크에 대응하여 구동 요구 파워량을 연산하는 구동 요구 파워 연산수단과, 보조기계류 손실량을 연산하는 보조기계류 손실 파워 연산수단과, 상기 구동 요구 파워량과 상기 보조기계류 손실에 의거하여 시스템 요구 파워량을 연산하는 시스템 요구 파워 연산수단과, 상기 시스템 요구 파워량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급 지령량을 출력하는 가스공급량 지령수단과, 상기 가스공급 지령량에 대응하여 실제로 공급된 가스의 유량에 의거하여 상기 연료전지에 허가할 수 있는 연료전지 발전 허가 파워량을 특정하는 연료전지 발전 허가 파워 특정수단과, 상기 시스템 요구 파워량 및 상기 연료전지 발전 허가 파워량 중 적은 쪽의 파워량을 출력하는 최소값 선택수단과, 선택된 상기 파워량과 상기 축전장치로부터 공급 가능한 파워량에 의거하여 상기 구동장치에 허가해야 할 구동 허가 파워량을 연산하는 구동허가 파워 연산수단을 구비한다. 그리고, 축전장치로부터 전력이 공급되고 있는 저효율 구동기간 내에 구동 요구신호가 입력된 경우, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 상기 구동장치에 허가하는 구동 허가 파워량을 제한한다.
또 상기 구성에서, 상기 저효율 구동기간에서의 상기 구동 요구 파워량을, 상기 구동 요구 신호에 대응한 구동 요구량의 크기에 관계없이, 상기 축전장치로부터 공급 가능한 전력량으로부터 상기 보조기계류 손실을 뺀 차분 이하로 제한하는 구동 요구 파워 제한수단을 더 구비하도록 하여도 된다.
또한, 상기 구성에서, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 상기 시스템 요구 파워량을 제한하는 시스템 요구 파워 제한수단을 더 구비하도록하여도 된다.
또 상기 구성에서, 상기 연료전지 발전 허가 파워 특정수단이 상기 연료전지발전 허가 파워량을 결정하기 위하여 참조되는, 가스유량과 상기 가스유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 전력량과의 관계를 특정하는 스토익 특성을 유지하고, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 사용되는 상기 스토익 특성을 제한하는 스토익 변경수단을 더 구비하도록 하여도 된다.
또 본 발명은, 상기 어느 하나에 기재된 하이브리드형 연료전지시스템을 구비한 이동체이기도 하다. 여기서, 「이동체」란, 구동장치에 의하여 이동 가능하게 구성된 것을 말하며, 구동장치가 모터이고 차륜에 의해 추진되는 차량 외에, 구동장치가 생성하는 파워를 추진력으로 변환하여 이동하는 것을 포함한다. 물 위를 이동하는 선박류, 물 속을 이동하는 잠수정류, 공중을 이동하는 비행체, 또한 우주공간을 이동하는 우주선류도 포함하는 개념이다.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 블록도,
도 2는 실시형태 1의 하이브리드형 연료전지시스템의 시스템 구성도,
도 3은 실시형태 1의 기능 블록도,
도 4는 연료전지의 I-V 특성과 동작점의 설명도,
도 5는 배터리 허가 파워와 제한되는 모터 요구 파워와의 관계도,
도 6은 저효율 구동기간에서의 제한 전의 모터 요구 파워와 제한된 모터 요구 파워의 추이를 나타내는 도,
도 7은 저효율 구동기간과 그 직후에서의 제한된 시스템 요구 파워의 추이를 나타내는 도,
도 8은 실시형태 2의 기능 블록도,
도 9는 통상 구동용 스토익 특성과 완화 스토익 특성을 나타내는 도,
도 10은 저효율 구동기간과 그 직후에서의 완화된 연료전지 허가 파워의 추이를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 적합한 실시형태를, 도면에 의거하여 설명한다.
(원리설명)
도 1에 본 발명의 원리를 설명하는 블록도를 나타낸다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 연료전지시스템은, 복수(n개)의 전력공급원(11, 12, …, 1n)을 구비하고, 각각이 전력을 구동장치(21)에 공급 가능하게 구성되어 있다. 예를 들면, 전력공급원으로서, 연료전지 및 보조적 전원인 축전장치를 들 수 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 전력공급원(1)이 연료전지, 전력공급원(2)을 축전장치로 할 수 있다. 전력공급원의 수에 한정은 없고, 3 이상의 전력공급원으로부터 구동장치(21)에 전력을 공급 가능하게 할 수 있다.
구동장치(21)는, 1 이상의 전력공급원으로부터 공급된 전력을 소비하는 장치로서, 소비장치라고 할 수도 있다. 구동장치(21)는, 제어량인 지령 구동량에 대응한 구동량으로 동작한다. 즉, 전력공급원으로부터 공급되는 전력량의 크기와는 무관계하게 지령된 구동량에 대응한 전력을 소비하도록 구성되어 있다. 예를 들면, 이 연료전지시스템이 자동차에 적용되는 경우에는, 차량 주행용 모터, 그 외 보조기계류를 구동장치(21)로서 이용 가능하다.
또한, 연료전지시스템은, 전력공급원 선택수단(20), 지령 구동량 연산수단(22) 및 제한수단(23 또는 24)을 구비한다. 이들 수단은, 주로, 컴퓨터장치가 본 발명의 전력 제어방법을 실현시키기 위한 소프트웨어 프로그램을 실행함으로써 기능적으로 실현되는 기능 블록이다.
전력공급원 선택수단(20)은, 복수의 전력공급원(1x)(1<x<n) 중에서, 구동장치(21)에 대하여 전력을 공급하는 전력공급원을 선택하는 기능 블록이다. 전력공급원의 수는 복수를 동시에 선택하여도 된다. 예를 들면, 전력공급원으로부터 컨 버터나 인버터를 거쳐 구동장치(21)에 전력이 공급되는 시스템에서는, 상기 컴퓨터에 의하여 제어되는 상기 컨버터나 인버터도, 전력공급원 선택수단(20)의 일부에 상당한다. 전력공급원 선택수단(20)으로부터는, 전원공급이 허가된 전력공급원으로부터의 총 전력(Ptotal)이 최대한, 구동장치(21)에 공급 가능해진다. 단, 구동장치(21)의 실제의 구동량은 지령 구동량에 의하여 제한된다.
지령구동량 연산수단(22)은, 연료전지시스템의 동작상태에 영향을 미치는 1 이상의 얻어지는 검출값(S1, S2, …, Sn)에 의거하여 구동장치(21)에 지령하는 구동량을 연산하는 기능 블록이다. 연산요소로서는, 센서로부터 공급되는 검출신호, 다른 컴퓨터장치로부터 공급되는 제어신호나 상태신호가 포함된다.
제한수단(23·24)은, 지령 구동량을 제한하는 기능 블록이다. 이 제한수단(23)은, 구동량을 제한함으로써, 구동량의 급격한 변화를 완화하도록 기능한다. 예를 들면, 전력공급원 선택수단(20)이 구동장치(21)에 전력을 공급하는 전력공급원(1x)을 변경할 때에, 변경한 전력공급원(1x)으로부터 공급 가능한 총 전력(Ptotal)에 따른 구동량을 지령하는 대신, 구동량의 변화에 제한을 가하여 총 전력(Ptotal)에 따른 구동량보다 낮은 구동량을 지령시키고, 그 구동량을 선형적으로 증가시켜 가는 것이다. 전력공급원(1x)을 변경하기 직전에 지령하고 있던 구동량이 매끄럽게 변화하는 것이 바람직하고, 전력공급원의 변경 전후에서 지령하는 구동량이 연속되고 있는 것이나, 변경 후는 선형적으로 변화시키게 된다. 제한수단(23·24)은, 구동장치(21)에 출력하는 구동량을, 일정한 시간을 들여 총 전력(Ptotal)에 따른 구동량에 추종(수속)시켜 가게 된다. 바꿔 말하면, 제한수 단(23·24)은, 전력공급원의 변환 직후에 큰 제한량을 부가하여, 경시적으로 제한량을 감소시키는 기능이라고도 할 수 있다.
상기와 같은 제한수단은, 다양한 형으로 시스템에 조립하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제한수단(23)으로 나타내는 바와 같이, 지령구동량 연산수단(22) 중에 조립하는 경우, 제한수단(24)으로 나타내는 바와 같이, 구동장치(21)에 출력되는 구동량을 조작하는 경우를 생각할 수 있다.
제한수단(23)은, 구동량의 연산과정에서 생기는 제어 파라미터의 변화에 제한을 부과함으로써 구동장치(21)에 지령하는 구동량의 변화를 완만하게 하는 기능 블록인 즉, 변경 후의 전력공급원(1x)의 구성으로부터 연산되는 제어 파라미터를 이용하지 않고, 제어 파라미터의 변화량 또는 변화율에 제한을 가함으로써 제한수단(23)은, 제어계에 적분요소를 조립한 것과 동일한 기능을 가지는 것이다. 이와 같은 제어 파라미터는, 시스템에 따라 여러가지로 정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 자동차에 조립되는 연료전지시스템에서는, 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 시스템 요구 전력량이나, 가스유량과 상기 가스유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 전력량과의 관계를 특정하는 스토익 특성을, 제한대상이 되는 제어 파라미터로서 들 수 있으나, 물론 이것에 한정되는 것은 아니다.
제한수단(24)은, 구동장치(21)에 지령하는 구동량에 대하여 직접 조작함으로써 구동량의 변화를 완만하게 하는 기능 블록이다. 지령 구동량 연산수단(22)이 출력한 구동량 또는 그 변화율에 제한을 가함으로써 제한수단(24)은 제어계에 적분요소를 조립하는 것과 동일한 기능을 가진다.
상기한 원리 설명으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에서는 제한수단을 설치함으로써 제어량의 급격한 변화를 억제하고, 전력공급상태에 변화를 일으킨 경우이더라도 구동장치에 대한 구동량을 서서히 변화시키기 때문에, 급격한 구동량의 변화에 따라 구동장치의 구동상태가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 연료전지시스템을, 본 발명의 연료전지시스템을 이동체인 전기자동차에 탑재한 실시형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이들 실시형태에 한정되지 않고 여러가지로 변형하여 실시 가능하다.
(실시형태 1)
본 실시형태 1은, 상기 제어 파라미터로서 시스템 요구 파워량을 제한함으로써 지령해야 할 구동량인 구동 허가 파워를 제한하는 예에 관한 것이다.
(시스템 구성)
도 2에 본 실시형태에서의 자동차에 적용한 연료전지시스템에서의 시스템 구성도를 나타낸다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 연료전지시스템은, 연료가스공급계(1), 산화가스공급계(2), 연료전지(3), 전력계(4) 및 하이브리드제어부(100) 및 연료전지제어부(200)를 구비하고 있다.
연료가스공급계(1)는, 연료전지(3)에 대하여 연료가스로서 수소가스를 공급하는 시스템이다. 연료가스공급계(1)의 구성에는 한정은 없으나, 예를 들면 수소탱크나 수소흡장합금으로부터 수소가스를 공급하는 구성의 경우, 각종 차단밸브, 레귤레이터, 수소펌프 등을 구비한다. 개질기로부터 수소가스를 공급하도록 구성 하여도 된다. 연료전지(3)로부터 배출되는 연료 오프 가스는, 퍼지 차단밸브 등을 거쳐 방출된다.
산화가스공급계(2)는, 연료전지(3)에 대하여 산화가스로서 공기를 공급하는 시스템이다. 산화가스공급계(2)의 구성에는 한정은 없으나, 예를 들면 에어클리너, 컴프레서, 가습기 등을 구비하고 있다.
연료전지(3)는, 임의의 발전방식을 채용 가능하고, 그 방식이나 구조에는 특별히 한정은 없으나, 본 실시형태에서는, 단(單)셀이 적층된 스택으로서 구성되어 있다. 단셀은 고분자 전해질막을 애노드 및 캐소드의 2개의 전극을 끼워 넣은 구조를 한 MEA(Membrane Electrode Assembly)로 구성되고, 단셀 사이는 세퍼레이터로 칸막이되어 있다. 세퍼레이터는, 연료가스인 수소가스, 산화가스인 공기, 냉각수의 유로를 제공하는 것이다. MEA에서는, 애노드에는 애노드용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하고 있고, 캐소드에는 캐소드용 촉매층을 다공질 지지층 위에 설치하고 있다. 연료전지는 물의 전기분해의 역반응을 일으키는 것이기 때문에, 애노드측에는 연료가스인 수소가스가 연료가스공급계(1)로부터 공급되고, 캐소드측에는 산화가스인 공기가 산화가스공급계(2)로부터 공급된다. 연료전지(3)는 단셀을 직렬 접속시킴으로써, 출력단자인 애노드극과 캐소드극과의 사이에 사전설정된 고압 전압(예를 들면 약 500 V)을 발생시켜, 전력계(4)에 공급하고 있다.
그외, 도시 생략하나, 연료전지(3)에 냉각액을 순환 공급하는 냉각계를 구비하고 있다.
전력계(4)는, DC-DC 컨버터(40), 배터리(41), 배터리 컴퓨터(42), 트랙션 인 버터(43), 트랙션 모터(44), 보조기계 인버터(45), 보조기계 모터(46), 전압센서(47), 전류센서(48), 차륜(50)을 구비하고 있다. 또한, 전력계(4)의 접속방법이나 구성부품에 한정은 없고, 연료전지시스템으로서 전력을 공급 가능하게 구성되어 있으면 된다.
DC-DC 컨버터(40)는, 다른 전원 전압계통 사이의 전력을 교환하는 장치이다. 본 실시형태에서는, 1차측[연료전지(3)측] 전압(예를 들면 500 V)을 2차측[배터리(41)측] 전압(예를 들면 약 200 V)으로 강압하고, 또는 2차측 전압을 1차측 전압으로 승압하는 것이다. 예를 들면 DC-DC 컨버터(40)는, 3상 브릿지형 컨버터로서의 회로구성을 구비하고 있다. 3상 브릿지형 컨버터는, 예를 들면 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 스위칭소자 및 인덕터로 구성되어 있고, 입력된 직류전압을 일단 교류로 변환하는 인버터와 유사한 회로부분과 그 교류를 다시 정류하여, 다른 직류전압으로 변환하는 부분이 조합되어 있다. 또 DC-DC 컨버터(40)는, 하이브리드제어부(100)로부터의 제어신호(SCONV)에 의거하여 1차측의 출력전압을 정현 변동시킴으로써 교류 임피던스 측정을 위한 정현파를 전원에 중첩하는 것이 가능하게 되어 있다.
배터리(41)는, 본 발명의 축전장치에 상당한다. 배터리(41)는, 예를 들면 니켈수소 등의 배터리 모듈을 다수 적층하여 구성되어 있고, 사전설정된 전압(예를 들면 200 V)으로 전력을 공급하거나, 잉여전력을 충전하거나 하는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 하이브리드형 연료전지시스템에서는, 배터리(41)는, 시스템에서 요구되는 시스템 요구 전력(파워)이 연료전지(3)로부터 출력 가능한 전력(파워)을 넘는 경우에, 그 전력 부족분을 보충한다. 또 전기자동차가 감속하여 트랙션 모터(44)에 의하여 회생 전력이 생성된 경우나, 연료전지(3)의 발전량이 시스템 요구전력을 상회하여 잉여전력이 생긴 경우에, 이들 회생 전력이나 잉여전력을 충전하는 것이 가능하게 되어 있다.
배터리 컴퓨터(42)는, 배터리(41)의 출력단자에 접속되어 있고, 배터리(41)의 충전상태(S0C)를 적정한 범위로 유지하도록 제어 가능하게 구성되어 있다. 예를 들면, 가속시 등의 고부하시에는 전력 부족분을 공급하기 위하여 방전되고, 감속시에는 회생 제동에 의하여 발생한 회생 전력이 충전된다. 배터리 컴퓨터(42)는, 배터리(41)를 구성하는 단셀의 전압, 온도, 전류, 분위기 온도 등을 검출하고, 배터리(41)의 충방전량을 적산하여 충전상태를 나타내는 검출신호(SSOC)로서 하이브리드제어부(100)에 출력하도록 되어 있다.
트랙션 인버터(43)는, 예를 들면 IGBT 등의 스위칭소자를 가지는 전압형 PWM 인버터의 회로 구성을 구비하고, 가속시에는, 하이브리드제어부(100)로부터 공급된 토오크 지령값에 의거하여 전력계(4)의 1차측에서 공급된 직류전류를 사전설정된 진폭의 3상 교류전류로 변환하고, 주기계인 트랙션 모터(44)에 공급하도록 되어 있다. 또, 감속시에는, 트랙션 모터(44)로부터 공급된 3상 교류의 회생 전력을, 그것에 대응하는 직류전류로 변환하여 배터리(41)에 공급 가능하게 되어 있다.
트랙션 모터(44)는, 이른바 교류 동기 전동기로서, 가속시에는 트랙션 인버 터(43)로부터 3상 교류로서 공급된 직류전류에 대응하는 토오크를 발생시키고, 차륜(50)의 회전 에너지로 변환하도록 되어 있다. 또, 감속시에는 차륜(50)의 회전력을 전기에너지로 변환하여 회생 전력을 발생시켜, 차륜(50)에 회생 제동력을 미치도록 되어 있다.
보조기계 인버터(45)는, DC-DC 컨버터(40)의 2차측 직류전력으로부터 교류전력을 발생시켜 보조기계 모터(46)에 공급하도록 되어 있다. 보조기계 모터(46)는 DC-DC 컨버터(40)의 2차측의 저압계 공급 전압에 의하여 구동되는 보조기계류의 총칭이다. 보조기계 모터(45)로서는, 예를 들면 연료가스를 공급하는 수소펌프나 산화가스를 공급하는 컴프레서, 냉각액을 순환시키는 냉각액 펌프가 상당한다.
전압센서(47)는, 연료전지(3)의 출력전압을 검출하여 검출신호(SV)로서 출력한다. 전류센서(48)는, 연료전지의 출력전류를 검출하여 검출신호(SI)로서 출력한다. 이들 검출전압 및 검출전류는, 연료전지(3)의 임피던스를 측정하여, 체류 수분량을 파악하기 위한 것이다.
하이브리드제어부(100)는, ECU(Electric Control Unit) 등의 공지의 컴퓨터 시스템으로서, 도시 생략한 CPU(중앙처리장치)나 RAM, ROM, 인터페이스 회로를 구비하고, CPU가 ROM 등에 저장되어 있는 소프트웨어 프로그램을 차례대로 실행함으로써, 연료전지(3)와 배터리(41)의 전력을 병용한 하이브리드제어를 하는 것이 가능하게 되어 있다.
또 하이브리드제어부(100)에는, 도시 생략한 복수의 센서로부터 상기 전기자동차의 조작상태, 주행상태를 측정하기 위한 검출신호가 각종 입력되어 있다. 예 를 들면 운전자가 밟아 조작하는 액셀러레이터 페달의 조작상태가 도시 생략한 액셀러레이터 위치센서에 의하여 검출되고, 액셀러레이터 위치신호(Sa)로서 입력되어 있다. 또, 시프트 레버의 시프트 포지션이 시프트 위치센서에 의하여 검출되고, 시프트 위치신호(Ss)로서 입력되어 있다. 또한 트랙션 모터(44)의 회전수가 차륜(50)에 대하여 설치된 차륜 속도센서에 의하여 검출되고, 차륜 속도신호(Sr)로서 입력되어 있다.
연료전지제어부(200)는, 하이브리드제어부(100)와는 독립된 컴퓨터 시스템 이고, 연료전지(3)의 동작상태를 제어하기 위하여 연료가스공급계(1)의 수소펌프에 대한 구동량이나 각 밸브 등에 대한 개폐를 제어하도록 되어 있다. 또 연료전지제어부(200)는, 산화가스공급계(2)의 컴프레서 회전수를 지시하고, 산화가스의 공급량을 제어 가능하게 되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 하이브리드제어를 행하는 하이브리드제어부(100)와 연료전지를 제어하는 연료전지제어부(200)가 독립하여 제어하는 구성을 채용하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 전체가 하나의 제어부로서 동작하여도, 더욱 세분화된 컴퓨터시스템의 상호 통신에 의하여 동일한 제어를 하여도 된다.
(기능 블록의 구성)
도 3에, 하이브리드제어부(100)와 연료전지제어부(200)에 의하여 실현되는 기능 블록을 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 하이브리드제어부(100)는, 기능 블록으로서, 모터 토오크 연산수단(101), 모터 요구 파워 연산수단(102), 모터 요구 파워 제한수 단(103), 보조기계류 손실 파워 연산수단(104), 시스템 요구 파워 연산수단(105), 시스템 요구 파워 제한수단(106), FC 요구 전력 연산수단(110), 최소값 선택수단(111), 연료전지 허용 전류 연산수단(112), 연료전지 전류 지령수단(113), 연료전지 전압 지령수단(114), 구동 허가 파워 연산수단(116), 배터리 허가 파워 연산수단(117) 및 토오크 지령수단(118)을 구비하고 있다. 또 연료전지제어부(200)는, 공기유량 지령수단(201), 컴프레서 회전수 지령수단(202) 및 연료전지 발전 허가 파워 특정수단(203)을 구비하고 있다.
하이브리드제어부(100)에서, 모터 토오크 연산수단(101)은, 구동 요구 신호 인 액셀러레이터 위치신호(Sa) 및 시프트 위치신호(Ss)를 입력하고, 이들 신호가 나타내는 구동 요구에 따라, 구동장치인 트랙션 모터(44)에 필요한 토오크를 연산하는 기능 블록이다. 모터 요구 파워 연산수단(102)은, 연산된 토오크에 차륜 속도신호(Sr)에 대응하여 파악되는 모터 회전수를 곱하여 구동 요구 파워량인 모터 요구 파워(Mr)를 연산한다.
모터 요구 파워 제한수단(103)은, 본 발명에 관한 것으로, 모터 요구 파워 (Mr)에 제한을 가하여, 제한 모터 요구 파워(Mr*)를 출력하는 기능 블록이다. 모터 요구 파워 제한수단(103)은, 배터리(41)로부터의 전력공급으로 시스템을 동작시키는 저효율 구동기간에서 기능하고, 통상 운전에서는 불필요한 기능 블록이며, 상세하게는 뒤에서 설명한다.
보조기계류 손실 파워 연산수단(104)은, 보조기계 모터(46) 등에서 생기는 손실을 합계하여 보조기계류 손실(Ph)을 출력하는 기능 블록이다. 보조기계 모 터(46) 이외의 손실로서는, 예를 들면 DC-DC 컨버터(40), 트랙션 인버터(43), 보조기계 인버터(45) 등에서 생기는 손실을 들 수 있다.
시스템 요구 파워 연산수단(105)은, 모터 요구 파워(Mr)[또는 제한 모터 요구 파워(Mr*)]와 보조기계류 손실(Ph)에 의거하여 시스템 요구 파워(Pr)를 연산하는 기능 블록이다. 단순하게는, 모터 요구 파워(Mr)[또는 제한 모터 요구 파워(Mr*)]와 보조기계류 손실(Ph)을 합계한다. 시스템 요구 파워(Pr)는, 상기 연료전지시스템 전체에서 현재 요구되고 있는 필요 전력량을 나타낸다.
시스템 요구 파워 제한수단(106)은, 본 발명의 제한수단에 상당하고, 시스템 요구 파워(Pr)에 제한을 가하여, 제한 시스템 요구 파워(Pr*)를 출력하는 기능 블록이며, 상세하게는 뒤에서 설명한다.
연료전지 요구 전력 연산수단(11O)은, 시스템 요구 파워(Pr)[또는 제한 시스템 요구 파워(Pr*)]에 의거하여 연료전지(3)에 지령해야 할 시스템 요구 전류량(Ir)을 연산하는 기능 블록이다.
연료전지제어부(200)에서, 공기유량 지령수단(201)은, 시스템 요구 전류량(Ir)을 발전시키기 위한 공기유량을 결정하여 출력하는 기능 블록이다. 컴프레서 회전수 지령수단(202)은, 지령된 공기유량을 연료전지(3)에 공급하기 위하여 필요한 컴프레서의 회전수를 연산하고, 컴프레서 회전수 지령 신호(C02)로서 산화가스공급계(2)의 컴프레서에 출력하는 기능 블록이다. 공기유량 지령수단(201) 및 컴프레서 회전수 지령수단(202)에 의하여, 시스템 요구 파워(Pr)에 의거하는 연료전 지(3)에 대한 가스공급 지령량을 결정하고 있게 된다. 산화가스공급계(2)에서, 도시 생략하나, 에어컴프레서는 지령된 회전수로 회전하여, 공기가 연료전지(3)에 공급된다. 실제의 공기유량은 에어플로우미터에 의하여 검출되고, 유량 검출신호(SQ)로서 연료전지제어부(200)에 입력된다.
연료전지제어부(200)에서, 연료전지 허가 파워 특정수단(203)은, 유량 검출신호(SQ)에 의거하여, 컴프레서 회전수 지령에 대응하여 실제로 공급된 공기유량을 파악하는 기능 블록이다. 그리고 이 공기유량에 의거하여 연료전지(3)에 허가할 수 있는 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)를 특정한다. 산화가스를 함유하는 공기도 연료전지(3)에서의 전기화학반응의 원료이고, 실제의 공기유량이 발전량에 영향을 미치기 때문이다. 구체적으로는, 연료전지 허가 파워 특정수단(203)은, 공기유량으로부터 연료전지(3)에 허가 가능한 전류량을 결정한다.
하이브리드제어부(100)에서, 최소값 선택수단(111)은, 연료전지제어부(200)로부터 입력된 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)와 시스템 요구 파워(Pr)[또는 제한 시스템 요구 파워(Pr*)]를 비교하여, 작은 쪽의 전력량을 선택하여 출력하는 기능 블록이다. 시스템 요구 파워(Pr)가 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)보다 작은 경우에는, 연료전지(3)에 발전 가능한 전력보다 현재 필요하게 되는 전력이 적은 것이기 때문에, 작은 쪽의 시스템 요구 파워(Pr)를 출력하면 충분하다. 반대로 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)가 시스템 요구 파워(Pr)보다 작은 경우에는, 연료전지(3)로 발전 가능한 전력이 적기 때문에 시스템에 큰 전력이 요구되어 있어도, 실제로 발전 가능한 전력으로 발전지시를 하지 않을 수 없다. 따라서, 최소값 선택수단(111)으로부터 출력된 허가 파워(Pafc*)가, 현시점에서 연료전지(3)에 지령해야 할 전력량을 규정하고 있는 것이다.
연료전지 허가 전류 연산수단(112)은, 허가 파워(Pafc*)에 대응하는 연료전지의 허용 전류량을 연산하는 기능 블록이고, 연료전지 전류 지령수단(113)은, 연료전지(3)에 대한 전류 지령값을 출력하는 기능 블록이다. 연료전지 전압 지령수단(114)은, 시스템 요구 파워(Pr)[또 제한 시스템 요구 파워(Pr*)]와 연료전지(3)의 I-V(출력전류-출력전압)특성으로부터 특정되는 동작점을 구하여, 동작점에서의 전압값을 컨버터 전압 지령신호(CCONV)로서 출력하는 기능블록이다. 연료전지(3)는, 출력전압을 제어함으로써 동작점을 변경 가능하게 되어 있기 때문에, DC-DC 컨버터(40)의 1차측 전압을 조정하여, 원하는 연료전지의 출력전류를 얻을 수 있기 때문이다.
도 4에, 연료전지의 I-V 특성과 동작점(A)과의 관계를 나타낸다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 연료전지에 발전을 허가하는 발전 허가 파워(Pafc)가 정해지면, 전력공급 곡선과 I-V 특성과의 교점으로부터 동작점(A)이 정해지고, 연료전지의 출력전류와 출력전압이 정해진다. 본 실시형태에서는, 먼저 지령하는 전류값(Ia)이 정해지기 때문에, 그 전류값(Ia)과 I-V 특성에 의하여 DC-DC 컨버터(40)에 지시해야 할 1차측 전압(Va)이 정해진다.
그런데, 도 3에서, 연료전지(3)에 대한 전류지령값은, 구동 허가 파워 연산 수단(116)에도 출력되어 있다. 구동 허가 파워 연산수단(116)은, 배터리 허가 파워 연산수단(117)으로부터 입력된 배터리 허가 파워(Pb)와 전류지령값과 보조기계류 손실(Ph)에 의거하여, 현재 트랙션 인버터(43)에 공급하여도 되는 구동 허가 파워(Pd)를 연산하는 기능 블록이다. 토오크 지령수단(118)은, 구동 허가 파워(Pd)에 의거하여 트랙션 모터(44)에 발생시켜야 할 토오크를 결정하고, 토오크 지령신호(CINVT)로서, 트랙션 인버터(43)에 출력하는 기능 블록이다.
또한, 배터리 허가 파워 연산수단(117)은, 배터리 컴퓨터(42)로부터 공급되는 충전상태 검출신호(SSOC)에 의거하여 배터리(41)로부터 출력 가능한 배터리 허가 파워(Pb)를 연산하는 기능 블록이다.
(저효율 구동기간에 관한 구성 및 동작)
다음에 본 발명의 또 하나의 특징부분인 저효율 구동기간에 관한 구성을 설명한다.
저효율 구동기간이란, 연료전지시스템의 시동시 등, 연료전지의 난기운전이 필요하거나, 연료전지의 발전을 일시 정지하는 것이 필요하거나 하는 기간을 말한다. 이 기간은, 배터리(41)로부터의 전력공급으로 전기자동차를 구동하는 배터리 주행기간이다.
본 발명에서는, 모터 요구 파워 제한수단(103)이 적절하게 모터 요구 파워 (Mr)를 제한한다. 또, 저효율 구동기간의 종료 직후에 연료전지의 발전이 개시되어, 갑자기 트랙션 모터(44)에 토오크가 급증하는 것을 방지하기 위하여, 상기 원 리설명으로 설명한 파워 상승의 제한수단을 설치한다. 본 실시형태 1에서는, 시스템 요구 파워수단(106)이 그것에 상당하고, 실시형태 2에서는 공기유량으로부터 발전 허가 파워를 특정할 때의 스토익 특성의 완화가 그것에 상당한다.
<모터 요구 파워의 제한>
도 3에서, 모터 요구 파워 제한수단(103)은, 저효율 구동기간에서의 모터 요구 파워를, 액셀러레이터 위치신호(Sa)나 시프트 위치신호(Ss)에 대응한 트랙션 모터(44)에 대한 구동 요구의 크기에 관계없이, 배터리(41)로부터 공급 가능한 전력량(Pb)으로부터 보조기계류 손실(Ph)를 뺀 차분 이하(Mr*≤Pb-Ph)로 제한한다. 이 제한 모터 요구 파워(Mr*)는, 최종적으로 구동 허가 파워 연산수단(116)에 의하여 연산되는 구동 허가 파워(Pd)가 된다.
도 5에, 배터리 허가 파워(Pb)와 제한 모터 요구 파워(Mr*)와의 관계를 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 저효율 구동기간에서 트랙션 모터(44)에 공급가능한 구동 허가 파워(Pb)는, 배터리(41)가 공급 가능한 배터리 허가 파워(Pb)로부터 보조기계류 손실(Ph)을 제외한 나머지 부분이 된다. 저효율 구동기간에서 실제로 공급할 수 없는 모터 요구 파워를 계산하여 올려(計上)도, 결국, 지령한 구동허가 파워에 대하여 현실로 출력할 수 있었던 파워가 부족하게 된다. 그 때문에, 모터 요구 파워 제한수단(103)에 의하여, 실질적으로 허가 가능한 파워로 하기 위하여, 모터 요구 파워(Mr)에 제한을 가하는 것이다.
도 6에, 저효율 구동기간에서 모터 요구 파워를 제한한 경우(Mr*)와 제한하 지 않은 경우(Mr)와의 비교를 나타낸다.
액셀러레이터가 밟히면, 액셀러레이터 개도에 따른 액셀러레이터 위치신호(Sa)가 입력된다. 또 시프트 레버가 'R', 'D', 'B'로 조작되면, 그 시프트 포지션을 나타내는 시프트 위치신호(Ss)가 입력된다. 이것에 대응하여 액셀러레이터 토오크 요구가 모터 토오크 연산수단(101)으로부터 출력된다. 모터 요구 파워 제한수단(103)은, 현실의 모터 요구 파워(Mr)의 크기와는 무관하게, 도 5와 같은 대응관계로 보조기계류 손실(Ph)에 따른 제한을 모터 요구 파워(Mr)에 가하여, 제한모터 요구 파워(Mr*)로서 출력한다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 모터 요구 파워(Mr)가 작고, 보조기계류 손실(Ph)도 작은 경우에는, 제한량이 적으나, 모터 요구 파워(Mr)가 커짐에 따라, 배터리 허가 파워(Pb)에 대한 보조기계류 손실(Ph)이 차지하는 웨이트가 커져, 모터요구 파워는, 배터리 허가 파워(Pb)로부터 보조기계류 손실(Ph)을 제외한 잔량 이하의 모터 요구 파워(Mr*)에 제한되게 된다.
<시스템 요구 파워의 제한>
도 3에서, 시스템 요구 파워 제한수단(106)은, 저효율 구동기간 내에, 액셀러레이터 위치신호(Sa)나 시프트 위치신호(Ss)가 입력되어 트랙션 모터(44)의 구동이 요구된 경우, 연료전지(3)로부터의 발전이 개시된 후에, 시스템 요구 파워 연산수단(105)이 출력하고 있는 통상 시스템 요구 파워(Pr)를 그대로의 값으로 출력하는 것은 아니고, 일정한 제한을 부과한다. 즉 통상 시스템 요구 파워(Pr)보다 낮은 값을 출력하고, 그 후, 서서히 크게 하여 가서, 통상 시스템 요구 파워(Pr)에 근접하도록 점차 증가시킨다.
도 7에, 시스템 요구 파워 연산수단(105)이 출력하는 통상 시스템 요구 파워 (Pr)와 시스템 요구 파워 제한수단(106)이 출력하는 제한 시스템 요구 파워(Pr*)를 나타낸다.
제한 전의 통상 시스템 요구 파워(Pr)는, 액셀러레이터나 시프트 레버의 조작에 따라 저효율 구동기간 중에서, 원래 요구되는 시스템 전체의 전력량에 대응하고 있다. 그러나, 제한 시스템 요구 파워(Pr*)는, 저효율 구동기간 중은, 일정값(본 실시형태에서는 제로)으로 유지되고, 연료전지(3)의 발전 개시부터 점차 증가하도록 제어되어 있다. 이 제한 시스템 요구 파워(Pr*)는 통상 시스템 요구 파워로 수속하여 간다.
제한 시스템 요구 파워(Pr*)의 변화특성이나 최종적으로 통상 시스템 요구 파워(Pr)의 값으로 수속하기까지 요하는 시간의 설정은 임의로 변경 가능하다. 제한 시스템 요구 파워의 증가는, 최종적으로 구동 허가 파워(Pd)의 증가로 나타난다. 제한 시스템 요구 파워(Pr*)의 증가량은, 이 구동 허가 파워(Pd)의 증가에 의하여 전기자동차의 운전자나 탑승자가 급격한 토오크 변동에 의하여 위화감이 없을 정도로 제어되면 된다.
또, 제한 시스템 요구 파워(Pr*)는, 도 7에 나타는 바와 같이, 직선적으로 증가시켜도 되나 이것에 한정되지 않는다. 또, 제한 시스템 요구 파워(Pr*)가 통상 시스템 요구 파워(Pr)로부터 일정한 범위에 근접한 경우에는, 시스템 요구 파워의 제한을 종료시키도록 제어하여도 된다. 또, 액셀러레이터나 시프트 레버의 조 작상태가 변하여 구동 요구량이 변경된 경우에, 시스템 요구 파워의 제한을 해제하도록 하여도 된다. 전기자동차의 운전자나 탑승자가 급격한 토오크 변동에 의하여 위화감을 일으키지 않는 범위에서, 시스템 요구 파워의 제한 해제가 가능하다.
(실시형태 1에서의 이점)
이상과 같은 실시형태 1에 의하면, 이하의 이점이 있다.
1) 본 실시형태 1에 의하면, 구동 허가 파워(Pd)에 영향을 미치는 시스템 요구 파워를, 원래의 연산값(Pr)과 분리하여, 제한값(Pr*)으로서 작은 값으로 출력하고, 점차 증가시키도록 구성하였기 때문에, 급격한 구동상태의 변화를 억제하는 것이 가능하다.
2) 본 실시형태 1에 의하면, 모터 요구 파워도 저효율 구동기간에서 배터리(41)로부터 출력 가능한 전력의 범위로 추정하고 있기 때문에, 모터가 일시적으로 구동 요구에 대하여 토오크 부족이 되는 것을 방지할 수 있다.
3) 본 실시형태 1에 의하면, 트랙션 모터(44)에 급격한 토오크 변화를 일으키지 않기 때문에, 운전자나 탑승자에게 위화감을 주는 것을 회피할 수 있다. 또당초 제한하는 시스템 요구 파워를 점차 수속시키기 때문에, 적절한 점차 증가의 제어에 의하여, 필요하게 되는 토오크량을 짧은 기간에 회복시키는 것도 가능하다.
(실시형태 2)
본 실시형태 2는, 스토익 특성을 변경함으로써 구동 허가 파워를 제한하는 예에 관한 것이다.
본 실시형태 2에서의 전기자동차의 하이브리드형 연료전지시스템은, 상기 실 시형태 1에서의 시스템 구성(도 2)과 동일하여, 설명을 생략한다.
도 8에 본 실시형태 2에서의 하이브리드제어부(100)와 연료전지제어부(200)에 의하여 실현되는 기능 블록을 나타낸다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태 2에서는, 상기 실시형태 1에서 설명한 기능 블록(도 2)과 다른 점으로서, 하이브리드제어부(100)에서의 시스템 요구 파워 제한수단(106)이 존재하지 않는 점, 및 연료전지제어부(200)에서 본 발명의 제한수단으로서 스토익 변경수단(204)을 구비하는 점이 있다. 그 밖의 기능 블록은, 상기 실시형태 1과 동일하여, 설명을 생략한다.
시스템 요구 파워의 제한을 행하지 않는 경우, 연료전지 발전 허가 파워 특정수단(203)에 의하여 특정되는 실제의 연료전지의 허가 파워(Pafc)가 극단으로 적어지지 않는 한, 최소값 선택수단(111)에 의하여, 시스템 요구 파워(Pr)가 선택되고, 저효율 구동기간의 종료와 동시에 큰 구동 허가 파워(Pd)가 출력된다.
그래서, 본 실시형태 2에서는, 연료전지 발전 허가 파워 특정수단(203)에서 출력하는 공기유량에 의거하는 발전 전류량을 적어지도록 제한하고, 발전 개시 당초부터 큰 전력이 인출되지 않도록 제어한다. 구체적으로는 스토익 특성의 변경에 의하여 이하와 같이 제어한다.
연료전지 발전 허가 파워 특정수단(203)은, 에어플로우미터로부터 입력된 공기유량에 대하여 타당한 발전전류량을 추정하기 위한 스토익 특성을 사용하여, 허가 파워를 추측하고 있다. 예를 들면, 도 9에서 통상 운전시에 사용되는 스토익 특성을 나타내는 변환 테이블을 사용하여 입력된 공기유량(Q)에 대한 전류량(I)을 특정하고 있다.
스토익 변경수단(204)은, 공기유량과 공기유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 파워와의 관계를 특정하는 스토익 특성을, 통상 운전시와 저효율 구동기간으로부터의 변환시로 나누어 유지하고 있다. 그리고, 저효율 구동기간으로부터 통상 구동기간으로 변환하고 나서 잠깐동안, 통상 운전시에 사용하는 스토익 특성에 비하여 스토익비 계수를 상대적으로 작게 설정한 완화 스토익 특성을 이용하도록 동작한다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 스토익 변경수단(204)은, 저효율 구동기간에 구동 요구가 나온 경우, 통상 구동용 스토익 특성에서는 구동 허가 파워(Pd)의 변화가 급격해졌다고 판단하고, 완화 스토익 특성을 나타내는 변환 테이블로 변환하여 사용한다. 이 완화 스토익 특성을 사용하는 한, 실제로 발전 가능한 전력값보다 낮은 전력을 추측값인 연료전지 발전 허가 파워(Pafc*)로서 하이브리드제어부(100)에 출력하기 때문에, 그것에 의거하여 연산되는 구동 허가 파워(Pd)도 약간 낮은 값이 된다.
완화 스토익 특성으로서, 어느 정도 스토익비 계수를 변경할지는 임의이나, 완화한 스토익 특성에 의거하여 연산되어 지령되는 토오크의 변화가, 전기자동차의 운전자나 탑승자에게 위화감을 주지 않을 정도로 발전량의 변화를 제한하는 것이면 된다. 도 9의 예에서는, 스토익비 계수를 절반이 되도록 설정하고 있다. 또한, 저효율 구동기간 중은, 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)를 출력할 필요는 없기 때문에, 그 기간 중의 허가 파워는 일정값(본 실시형태에서는 제로)으로 설정하여 두면 된다.
도 10에, 통상 구동시에 있어서의 스토익 특성으로 얻어지는 연료전지 발전 허가 파워(Pafc)와 본 실시형태에서의 완화 스토익 특성으로 얻어지는 연료전지 발전 허가 파워(Pafc*)와의 관계를 나타낸다.
연료전지(3)는 발전 개시 직후이어도 풍부한 공기유량이 있기 때문에, 통상의 스토익 특성으로 연산되는 허가 파워(Pafc)는 저효율 구동기간 직후부터 높은 것이 된다. 이것에 대하여, 본 실시형태에서는 완화 스토익 특성에 의거하여 완화된 허가 파워(Pafc*)를 연산하기 때문에, 연료전지(3)의 발전개시로부터 점차 증가하도록 제어되어 있다. 이 때문에, 이 완화된 허가 파워(Pafc*)에 의거하여 연산되는 구동 허가 파워(Pd)도 점차 증가하여 가서, 원래의 통상 구동시에서 출력되어야 할 모터 요구 파워(Mr)로 수속하여 간다.
구동 허가 파워(Pd)가 제한없이 연산되는 모터 요구 파워(Mr)로부터 일정한 범위에 근접한 경우에는, 완화 스토익 특성의 이용을 종료시키고, 통상의 스토익 특성으로 변환하도록 제어하여도 된다. 또, 액셀러레이터나 시프트 레버의 조작상태가 변하여 구동 요구량이 변경된 경우에, 완화 스토익 특성의 이용을 종료하도록 제어하여도 된다. 전기자동차의 운전자나 탑승자가 급격한 토오크 변동에 의해 위화감을 일으키지 않는 범위에서, 완화 스토익 특성의 이용 해제가 가능하다.
(변형예)
본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고 여러가지로 변형하여 적용하는 것이 가능하다.
상기 실시형태에서는, 시스템 요구 파워의 제한이나 스토익 특성을 제한함으로써, 저효율 구동기간의 종료 후의 급격한 토오크 변동을 방지하고 있었으나, 최종적, 트랙션 모터(44)에 대한 토오크 지령에 급격한 변화를 일으키는 것을 방지하는 방법이면, 상기에 한정되지 않고 채용 가능하다.
예를 들면, 상기 실시형태는, 구동량의 연산과정에서 생기는 제어 파라미터의 변화에 제한을 부과하는, 도 1의 원리설명에서의 제한수단(23)에 상당하는 것이다. 따라서, 시스템 요구 파워의 제한이나 스토익 특성 이외의 제어 파라미터를 제한하도록 구성하여도 된다.
또, 도 1의 원리 설명에서의 제한수단(24)에 상당하는 기능을 설치하여도 된다. 즉, 구동 허가 파워(Pd) 또는 트랙션 모터(44)에 대한 토오크 지령신호(CINVT) 를 직접 제한하는 것에 의해서도 동일한 작용효과를 가진다. 구체적으로는, 연료전지의 발전 허가 직후에 출력하는 구동 허가 파워(Pd)나 토오크 지령신호(CINVT)를 일시적으로 낮은 값(예를 들면, 제로)으로 하여 선형적으로 증가시켜, 제한하지 않는 경우의 구동 허가 파워(Pd)나 토오크 지령신호(CINVT)의 값으로 까지 일정기간에 걸쳐 수속시키도록 제어하는 것을 생각할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템에 의하면, 연료전지로부터의 전력공급이 가능해져도 구동장치에 대한 구동량이 급격하게 변화하는 것을 제한하기 때문에, 시스템의 구동상태가 급격하게 변동하여 불안정해지는 것을 억제할 수 있다.
본 발명의 연료전지시스템을 탑재하는 이동체에 의하면, 구동장치를 트랙션 모터로 한 경우의 급격한 구동상태의 변동이 억제되기 때문에, 탑승자에게 위화감을 주는 것을 회피할 수 있다.

Claims (11)

  1. 연료전지를 포함하는 복수의 전력공급원의 적어도 하나가 구동장치에 전력을 공급 가능하게 구성된 연료전지시스템에 있어서,
    상기 구동장치에 전력을 공급하는 전력공급원을 변경할 때에, 상기 구동장치에 지령하는 구동량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동장치에 대하여 전력을 공급하는 전력공급원을 선택하는 전력공급원선택수단과,
    선택된 상기 전력공급원이 공급하는 전력에 대응시켜 상기 구동장치에 지령하는 상기 구동량을 연산하는 지령 구동량 연산수단과,
    상기 지령 구동량을 제한하는 제한수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 전력공급원은 연료전지 및 축전장치이고,
    상기 축전장치에 의한 전력공급에 더하여 상기 연료전지로부터도 전력공급할 때에, 상기 연료전지로부터의 전력공급 후의 상기 구동장치에 지령하는 구동량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 축전장치로부터 전력이 공급되고 있는 저효율 구동기간에 상기 연료전지로부터의 전력공급이 가능해진 경우, 상기 구동장치에 지령하는 구동량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제한수단은,
    상기 구동 지령량을 변화시키는 요소로서, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 시스템 요구 전력량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제한수단은,
    상기 구동 지령량을 변화시키는 요소로서, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 있어서의 가스유량과 상기 가스유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 전력량과의 관계를 특정하는 스토익(stoichiometric) 특성을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  7. 연료전지와 축전장치를 구비하는 연료전지시스템에 있어서,
    구동 요구신호에 따라 그 구동장치에 필요한 토오크를 연산하는 구동 토오크 연산수단과,
    상기 토오크에 대응하여 구동 요구 파워량을 연산하는 구동 요구 파워 연산수단과,
    보조기계류 손실량을 연산하는 보조기계류 손실 파워 연산수단과,
    상기 구동 요구 파워량과 상기 보조기계류 손실에 의거하여 시스템 요구 파워량을 연산하는 시스템 요구 파워 연산수단과,
    상기 시스템 요구 파워량에 의거하여 상기 연료전지에 대한 가스공급 지령량을 출력하는 가스공급량 지령수단과,
    상기 가스공급 지령량에 대응하여 실제로 공급된 가스의 유량에 의거하여 상기 연료전지에 허가할 수 있는 연료전지 발전 허가 파워량을 특정하는 연료전지 발전 허가 파워 특정수단과,
    상기 시스템 요구 파워량 및 상기 연료전지 발전 허가 파워량 중 적은 쪽의 파워량을 출력하는 최소값 선택수단과,
    선택된 상기 파워량과 상기 축전장치로부터 공급 가능한 파워량에 의거하여 상기 구동장치에 허가해야 할 구동 허가 파워량을 연산하는 구동 허가 파워 연산수단을 구비하고,
    상기 축전장치로부터 전력이 공급되고 있는 저효율 구동기간 내에 상기 구동 요구 신호가 입력된 경우, 상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 상기 구동장치에 허가하는 구동 허가 파워량을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 저효율 구동기간에서의 상기 구동 요구 파워량을, 상기 축전장치로부터 공급 가능한 전력량으로부터 상기 보조기계류 손실을 뺀 차분 이하로 제한하는 구동 요구 파워 제한수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에서의 상기 시스템 요구 파워량을 제한하는 시스템 요구 파워 제한수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 연료전지 발전 허가 파워 특정수단이 상기 연료전지 발전 허가 파워량을 결정하기 위하여 참조되는, 가스유량과 상기 가스유량에 대하여 허용해야 할 연료전지 발전 허가 전력량과의 관계를 특정하는 스토익 특성을 유지하고,
    상기 연료전지로부터의 발전이 개시된 후에 사용되는 상기 스토익 특성을 제한하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 연료전지시스템을 구비한 것을 특징으로 하는 이동체.
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