JP4517500B2 - Fuel cell device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として開発が進んでいる。
【0003】
そして、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であって動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、前記燃料電池を車両用の動力源として使用する場合には、バッテリ(蓄電池又は二次電池)を併用したハイブリッドとすることが一般的である。
【0004】
図2は従来の燃料電池装置を示す図である。
【0005】
図において、101は燃料電池であり、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)が一般的である。
【0006】
また、102は充電によって放電を繰り返すことができるバッテリであり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的である。
【0007】
さらに、103はインバータ(INV)であり、前記燃料電池101又はバッテリ102からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。なお、前記駆動源が直流モータである場合は、前記燃料電池101又はバッテリ102からの直流電流は、前記インバータ103を介さずに駆動源に直接供給される。
【0008】
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池101及びバッテリ102が並列に接続されて、前記インバータ103に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池101が停止した場合、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池101からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ102からインバータ103に電流が自動的に供給される。
【0009】
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能し、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がバッテリ102に供給され、該バッテリ102が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ102が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池101が発生する電流が自動的に前記バッテリ102に供給される。
【0010】
このように、前記燃料電池装置においては、前記バッテリ102が常時充電され、前記燃料電池101からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ102からインバータ103に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池101及びバッテリ102が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池101及びバッテリ102に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池101及びバッテリ102の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量が決まってしまう。
【0012】
図3は従来の燃料電池回路における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図において、横軸に電流を、縦軸に電圧及び電力を採ってある。
【0013】
図において、105は燃料電池101(図2)の電圧−電流特性を示す曲線、106はバッテリ102の電圧−電流特性を示す曲線、107は燃料電池101及びバッテリ102を合計した場合の本来の電圧−電流特性を示す曲線、108は燃料電池101及びバッテリ102を合計した場合の本来の電力特性を示す曲線である。
【0014】
例えば、車両の定負荷運転時には、前記燃料電池101からの電流だけで要求電流を満たしているので、本来、前記バッテリ102からインバータ103に電流が供給される必要がないにも関わらず、曲線106が示すように、前記バッテリ102は低電流領域から出力を開始するので、前記バッテリ102からも前記インバータ103に電流が供給されてしまう。このように、前記バッテリ102から常時電流が流れるようになっているので、前記バッテリ102の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ102の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
【0015】
また、前記燃料電池101及びバッテリ102のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ102が放電して端子電圧が低下した時であっても、曲線106が示すように、前記燃料電池101からの電流が前記バッテリ102に流れにくく、該バッテリ102の充電に時間がかかってしまう。このため、車両の走行が制限され、最悪の場合には、曲線106が示すように、前記バッテリ102が上がってしまう。
【0016】
逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、大電流が前記燃料電池101からバッテリ102に流れるので、該バッテリ102が過充電されることによって破壊されてしまう。
【0017】
さらに、通常、バッテリの電圧−電流特性は残存容量によって変動するので、前記燃料電池101及びバッテリ102の出力配分を所定の状態に維持し、曲線107、108に示されるような燃料電池101及びバッテリ102を合計した場合の本来の電流−電圧特性又は電力特性を発揮させることが困難である。そのため、坂道等の高負荷運転時のように前記燃料電池101からの電流だけでは要求電流に満たない場合であっても、前記バッテリ102からインバータ103に電流が供給されずに車両の走行が制限されてしまったり、また、前記バッテリ102の残存容量が少なくなっても、前記燃料電池101から電流が供給されずに前記バッテリ102が上がったりしてしまう。
【0018】
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決して、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができる燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車速及びアクセル開度に基づいて車両の走行モードを検出する走行モード検出手段とを備え、該走行モード検出手段により検出された前記車両の走行モードに応じて、前記蓄電手段のSOCが走行モードに対応して設定される基準値の範囲内に収まるように、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
【0022】
本発明の他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車速及びアクセル開度に基づいて車両の走行モードを検出する走行モード検出手段とを備え、該走行モード検出手段により検出された前記車両の走行モードに応じて、前記蓄電手段のSOCが走行モードに対応して設定される基準値の範囲内に収まるように、前記充電用スイッチング素子と前記昇圧用スイッチング素子とを選択的に作動させる。
【0023】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
【0026】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池及びコンデンサを含む回路である。
【0027】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
【0028】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池である。
【0037】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0038】
図1は本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図、図4はバッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する1例を示す図である。
【0039】
図1において、10は燃料電池(FC)回路であり、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウインドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えていて、また、走行パターンが多様であって動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源として燃料電池11と蓄電手段としてのバッテリ12とを併用して使用する。
【0040】
そして、燃料電池11は、アルカリ水溶液型(AFC)、リン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体酸化物型(SOFC)、直接型メタノール(DMFC)等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池(PEMFC)であることが望ましい。
【0041】
なお、更に望ましくは、水素を燃料とし、酸素又は空気を酸化剤とするPEMFC(proton exchange membrance fuel cell)型燃料電池、又はPEM(proton exchange membrance)型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該PEM型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する高分子膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合したセル(fuel cell)を複数直列に結合したスタック(stack)から成る(特開平11−317236号公報等参照)。
【0042】
例えば、本実施の形態においては、1例として、PEM型燃料電池であり、400枚のセルを直列に接続したスタックを使用する。この場合、総電極面積は300〔cm 2〕であり、開放端子電圧は約350〔V〕、出力は約50〔kW〕である。そして、定常動作時の温度は50〜90〔℃〕程度である。
【0043】
なお、燃料である水素は、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した水素を燃料電池に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素を供給することができるようにするためには、水素吸蔵合金、水素ガスボンベ等に貯蔵した水素を供給することが望ましい。これにより、水素がほぼ一定の圧力で常に十分に供給されるので、前記燃料電池11は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【0044】
この場合、前記燃料電池11の出力インピーダンスは極めて低く、0に近似することが可能である。
【0045】
また、12は充電によって放電を繰り返すことができる蓄電手段としての2次電池、すなわち、バッテリ(蓄電池)であり、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が一般的であるが、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が望ましい。
【0046】
例えば、本実施の形態においては、1例として、高性能鉛蓄電池を使用する。
この場合、開放端子電圧は約210〔V〕であり、約10〔kW〕の電力を5〜20分程度供給することができる程度の容量を有する。
【0047】
なお、前記蓄電手段は、必ずしもバッテリでなくてもよく、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ(キャパシタ)、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【0048】
例えば、特許第2753907号公報に記載されているように、バッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせて、前記畜電手段として使用することもできる。この場合、図4に示されるように、畜電手段12’においては、バッテリBtはコンデンサC2と直列に接続されている。そして、前記バッテリBtの正の端子は前記コンデンサC2の負の端子に接続されるとともに、トランジスタTr1のコレクタ電極とトランジスタTr2のエミッタ電極に接続される。
【0049】
また、前記トランジスタTr1のエミッタ電極とトランジスタTr2のコレクタ電極は前記コンデンサC2の正の端子及びトランジスタTr3のコレクタ電極に接続される。なお、前記トランジスタTr3のエミッタ−コレクタ電極間には、ダイオードD1が接続される。
【0050】
さらに、前記トランジスタTr3のエミッタ電極にはコンデンサC1の正の端子が接続される。このように、該コンデンサC1は、前記トランジスタTr1〜Tr3及びダイオードD1を介して、前記バッテリBtに並列に接続される。
【0051】
ここで、前記バッテリBtは前記バッテリ12と同様のものであり、前記コンデンサC1及びC2は電気二重層コンデンサのように単位体積当たりの容量が大きく、低抵抗で出力密度が高い大容量のものであることが望ましい。なお、前記コンデンサC1及びC2の容量は占有する体積とのバランスを考慮して適宜決定することができるが、例えば、9F以上であることが望ましい。
【0052】
また、前記コンデンサC1及びC2は、それぞれ、複数のコンデンサを直列に接続したものであってもよい。この場合、1個1個のコンデンサの耐圧を低く設定することができる。
【0053】
そして、前記畜電手段12’の正の端子には前記コンデンサC2の正の端子と前記トランジスタTr3のコレクタ電極とが接続されており、前記畜電手段12’の負の端子には前記バッテリBtの負の電極と前記コンデンサC1の負の電極とが接続されている。
【0054】
このような構成の畜電手段12’においては、トランジスタTr1〜Tr3をスイッチングすることによって、バッテリBt並びにコンデンサC1及びC2からの出力電流を制御するとともに、バッテリBt並びにコンデンサC1及びC2への充電電流も制御するようになっている。
【0055】
次に、図1において、13は負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置であり、前記燃料電池11又はバッテリ12からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータとしてのモータ14に供給する。ここで、該モータ14は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この場合、前記モータ14は車輪によって回転させられて発電するので、前記車輪にブレーキをかける、すなわち、車両の制動装置(ブレーキ)として機能する。そして、後述されるように、前記回生電流がバッテリ12に供給されて該バッテリ12が充電される。
【0056】
また、15はバッテリ充電制御回路であり、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるIGBT(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)15aとサイリスタ15bとの並列回路である。ここで、前記IGBT15aは200〔A〕程度の電流を許容するものである。
【0057】
一方、16は昇圧制御回路としてのバッテリ放電制御回路であり、前記バッテリ充電制御回路と同様に、昇圧用スイッチング素子としてのIGBT16aとサイリスタ16bの並列回路である。ここで、前記IGBT16aは200〔A〕程度の電流を許容するものである。
【0058】
そして、17は200〔A〕程度の電流を許容するリアクトルであり、前記バッテリ放電制御回路16と共に昇圧回路を構成し、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
【0059】
ここで、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aは所定周期(例えば、20〔kHz〕程度)のスイッチング信号によってオンオフされる。前記IGBT16aをオンにした時には、前記バッテリ12から出力された直流電流がリアクトル17に流れてエネルギーが蓄積され、前記IGBT16aをオフにした時には、前記リアクトル17に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ12の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧された前記バッテリ12の出力電圧は前記スイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ前記燃料電池11の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
【0060】
また、前記バッテリ放電制御回路16におけるサイリスタ16bは、前記IGBT16aをオフにしたときに該IGBT16aのエミッタとコレクタとの間に発生する逆起電力によって、該エミッタとコレクタとの間の絶縁が破壊されることを防止する。
【0061】
そして、18は回路を流れる電流値を測定する電流センサであり、19は、負荷又は2次電池からの電流が燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子としてのサイリスタである。
【0062】
また、20はハイブリッド回路電子制御ユニットであり、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路10における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16の動作を制御する。さらに、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット21、燃料電池電子制御ユニット22、イグニッション制御装置24等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路10の動作を統括的に制御する。
【0063】
なお、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット21等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
【0064】
ここで、例えば、本実施の形態においては、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、2つの電流センサ18との入出力インターフェイス、電圧計測用の2つの入出力インターフェイス、バッテリ充電制御回路15用の入出力インターフェイス、バッテリ放電制御回路16用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット21用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット22用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置24用の入出力インターフェイスを備える。また、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、電源としての電源バッテリ23に接続される電源インターフェイスも備える。
【0065】
次に、車両用電子制御ユニット21は、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。なお、前記アクセル開度は、一般的な車両においてはアクセルペダル(スロットルペダル)の踏み込み度合いにより検出されるが、車両の出力や速度を制御する手段として、アクセルペダルに代えて回転式のアクセルグリップ、ジョイスティック、バーハンドル、回転ダイアル等のアクセルコントローラが使用されている場合には、これらアクセルコントローラの移動の度合いによって検出される。
【0066】
また、燃料電池電子制御ユニット22は、CPU等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池11に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して前記燃料電池11の動作を制御する。
【0067】
そして、前記電源バッテリ23は、充電によって放電を繰り返すことができる鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等のバッテリから成り、12〔V〕の直流電流を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20に供給する。なお、前記電源バッテリ23は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
【0068】
また、前記イグニッション制御装置24は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20やその他の装置に伝達する。
【0069】
次に、前記構成の燃料電池装置の動作について説明する。
【0070】
図5は本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図5において、横軸に電流Iを、縦軸に電圧V及び電力kWを採ってある。
【0071】
図5において、41は燃料電池11(図1)の電圧−電流特性を示す曲線である。前記燃料電池11の電圧−電流特性を示す曲線41は、通常のPEM型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。そして、電流値Aまでは傾斜が緩やかであるが、前記電流値Aに対応する点Bを変曲点として傾斜が急になる。なお、これに対応する前記燃料電池11の電力特性は曲線45で示される。
【0072】
このことから、前記燃料電池11は、電流値Aの近傍までの範囲で使用するのが効率的であることが分かる。なお、前述されたように、前記燃料電池11は出力インピーダンスがほぼ0の電源である。
【0073】
一方、バッテリ12の電圧−電流特性を示す曲線43は、通常のバッテリの場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がりの直線状であり、電流値Aを超えても何ら変化しない。しかも、その傾斜角度は電流値Aまでの前記曲線41の傾斜角度とほぼ等しい。
【0074】
したがって、インバータ13を介してモータ14に供給すべき電流、すなわち、要求電流の値が電流値Aまでの範囲においては、前記燃料電池11だけから電流を供給し、要求電流の値が電流値Aの近傍以上の範囲においては、前記燃料電池11からの電流に加えて、前記バッテリ12からも電流を供給するようにすればよいことが分かる。そして、前記バッテリ12の開放端子電圧は、要求電流の値が電流値Aに対応する前記曲線41上の点Bにおける前記燃料電池11の端子電圧とほぼ等しいことから、要求電流の値が電流値Aの近傍までの範囲においては、前記バッテリ12から電流が供給されることはない。
【0075】
ただし、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧回路によって前記燃料電池11の端子電圧にまで昇圧すると、前記バッテリ12からも積極的に電流が供給される。
【0076】
そして、要求電流の値が電流値Aに対応する前記曲線41上の点Bにおける前記燃料電池11の端子電圧が、前記バッテリ12の開放電圧とほぼ等しいことから、電流値Aをわずかに超えた範囲ではバッテリ12からも電流が供給される。しかし、前記バッテリ12からも電流が供給されると、該バッテリ12の電圧−電流特性を示す曲線43から分かるように、前記バッテリ12の端子電圧が低下していくことから、その電流値がさほど上昇することはない。
【0077】
しかし、昇圧回路によって前記バッテリ12の出力電圧を前記記燃料電池11の端子電圧にまで昇圧させて、前記燃料電池11及びバッテリ12からの電流を併せた場合には、電圧−電流特性を示す曲線42となり、全体として電流が増大すると共に電圧が低下していく右下がりの直線状となる。そして、これに対応する電力特性は曲線44で示される。
【0078】
ここで、例えば、インバータ13を介してモータ14に供給すべき電力、すなわち、要求電力がCであるとすると、電力特性を示す曲線44上の点Dに対応する。そして、該点Dに対応する電圧−電流特性を示す曲線42上の点はEであり、これに対応する電流値はFであることが分かる。したがって、この場合には、前記燃料電池11は電流値Aの電流を供給し、前記バッテリ12は電流値(F−A)の電流を供給するようにすればよいことが分かる。
【0079】
本実施の形態においては、ハイブリッド回路電子制御ユニット20の記憶手段には、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット21から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ14に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力に対応する要求電流の値が、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいて見い出される。
【0080】
一方、後述されるように、車両の走行モードが判定され、該走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ12に充電することができるように、前記燃料電池11及びバッテリ12からの出力電流を制御するようになっているが、この時も、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいて出力電流を制御する。
【0081】
そこで、ここでは、図5に示されるような燃料電池11及びバッテリ12の特性に基づいた燃料電池回路10の基本的な動作について説明する。
【0082】
まず、要求電流の値が図5における電流値A以下の場合であり、前記燃料電池11だけから電流を供給する場合には、前記バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a、16aをオフの状態とする。
【0083】
この場合、前記燃料電池11には燃料である水素及び酸化剤である酸素又は空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、前記燃料電池11からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、前記燃料電池11の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、前記燃料電池11から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、電流値A以下であるか否かを前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって、常時検出する。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出する。
【0084】
次に、要求電流の値、又は前記電流センサ18によって測定された電流の値が前記電流値A以上となった場合、例えば、図5における電流値Fとなった場合に、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aをオフの状態のままとすると、前述されたように、前記バッテリ12からの電流値はあまり上昇することはない。
【0085】
ここで、前記バッテリ12からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期(例えば、20〔kHz〕程度)のスイッチング信号によってオンオフする。前記IGBT16aをオンにしたときには、前記バッテリ12から出力された直流電流がリアクトル17に流れてエネルギーが蓄積され、前記IGBT16aをオフにしたときには、前記リアクトル17に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、前記バッテリ12の出力電圧に加算され、その合計が前記燃料電池11の出力電圧とほぼ等しくなる。これは、図5における曲線43上の点Gが、上方にシフトされて曲線42上の点Eに移動したことに対応する。
【0086】
そして、該点Eに対応する電圧値であり、電流値(F−A)である電流が前記バッテリ12からインバータ13を介してモータ14に供給される。なお、前記バッテリ12から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によってチェックされる。
【0087】
次に、前記バッテリ12のSOC(state of charge:残存容量)が低下したことから、前記バッテリ12を充電する場合の燃料電池回路10の基本的な動作について説明する。
【0088】
まず、車両の減速運転時に前記モータ14が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ13によって直流の回生電流に変換される。この時、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記IGBT15aを通って前記バッテリ12に供給されるので、該バッテリ12は充電される。
【0089】
なお、前記回生電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ12のSOCが十分に上昇した場合、前記IGBT15aはオフにされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記IGBT15aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記IGBT15aを流れる電流の値を制御する。
【0090】
したがって、前記バッテリ12のSOCが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ12に供給したりすることがないので、該バッテリ12が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
【0091】
また、前記バッテリ12のSOCが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、前記燃料電池11から電流を供給してバッテリ12を充電する。この場合、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記IGBT15aを通ってバッテリ12に供給される。したがって、該バッテリ12は充電される。
【0092】
なお、前記燃料電池11からの電流の値及び前記バッテリ12に供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ12のSOCが十分に上昇した場合、前記燃料電池11から供給される電流の値が前記電流値Aとなった場合、及び前記インバータ13を介してモータ14に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記IGBT15aはオフにされる。また、前記バッテリ12に供給される電流の値が過大である場合は、前記IGBT15aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記IGBT15aを流れる電流の値を制御する。
【0093】
したがって、前記バッテリ12のSOCが十分に高い場合に充電したり、大電流を前記バッテリ12に供給したりすることがないので、該バッテリ12が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、前記燃料電池11に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
【0094】
次に、前述された燃料電池回路10の動作と、車両の走行状態としての走行モードとの関係の1例について説明する。
【0095】
図6は本発明の実施の形態における燃料電池回路10の動作と走行モードとの関係の1例を示す図である。なお、図6において、横軸に車両負荷を、縦軸に出力を採ってある。
【0096】
図6において、51は車両の負荷が正の範囲における車両の負荷と燃料電池11(図1)及びバッテリ12の出力、すなわち、要求電流の大きさとの関係を示す直線、52は車両の負荷が負の範囲における車両の負荷とモータ14の出力、すなわち、回生電流の大きさとの関係を示す直線である。
【0097】
ここで、車両の負荷は、車両の走行モードが市街地等を走行する低負荷運転の場合に最も低く、高速道路等を走行する高速巡航、上り坂等を走行する高負荷運転、高速道路の上り坂等を走行する最大負荷運転の順に高くなっていく。そして、要求電流の値は車両の負荷に比例して上昇する。
【0098】
一方、車両が下り坂等を走行していて、モータ14が発電機として機能して回生電流を発生する走行モードである回生の場合は、車両の減速運転であるので、車両の負荷はマイナスとなり、回生電流の値は車両の負荷の絶対値に比例する。
【0099】
そして、車両の負荷がマイナスである領域53においては、ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをスイッチング信号によってオンにするので、回生電流が前記IGBT15aを通ってバッテリ12に供給される。したがって、該バッテリ12は充電される。
【0100】
次に、車両の負荷が0から図5における電流値Aに対応する境界Jまでの領域54においては、燃料電池11から要求電流に応じた値の電流が自動的に供給されるインバータ13を介してモータ14に供給される。
【0101】
なお、前記領域54においては、バッテリ12のSOCが低い場合には、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aを適当な時間オンにすることによって、前記燃料電池11から電流を供給して前記バッテリ12を充電する。
【0102】
また、逆に、前記バッテリ12のSOCが高い場合であり、回生電流を受け入れる余地がない場合には、回生電流を受け入れる余地を生じさせるために前記バッテリ12を少し放電させることが望ましいので、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記バッテリ12からの電流もインバータ13を介してモータ14に供給するようにする。これにより、前記燃料電池11から供給すべき電流を低減することができるので、前記燃料電池11の負荷が低減され、燃料の消費量を抑制することができる。なお、前記バッテリ12のSOCは80〔%〕程度の値であることが望ましい。
【0103】
最後に、車両の負荷が境界Jを超える領域55、56においては、要求電流の値が図5における電流値Aを超えているので、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記燃料電池11からの電流値Aの電流に加えて、前記バッテリ12からは電流値Aを超える分の電流がインバータ13を介してモータ14に供給されるようにする。なお、図6において、領域55は前記燃料電池11からの電流による出力の範囲を、領域56は前記バッテリ12からの電流による出力の範囲をそれぞれ示している。
【0104】
次に、本実施の形態における車両の各種走行モードに対応する燃料電池回路10の制御方法について詳細に説明する。
【0105】
図7は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図、図8は本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのSOCの値を示す図、図9は本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図、図10は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャート、図11は本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第1のフローチャート、図12は本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第2のフローチャート、図13は本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第3のフローチャートである。
【0106】
本実施の形態においては、回生電流を無駄にすることなく、可能な限り利用することができるように、燃料電池回路10(図1)を制御する。すなわち、回生電流は、下り坂等を走行する場合のように車両にブレーキをかける必要がある時に、モータ14をブレーキとして機能させることによって副次的に発生されるエネルギーであり、これを利用することによって燃料電池11の燃料を節約することができる。
【0107】
そして、回生電流は定常的に発生するものではないので、回生電流を利用するには、まず、バッテリ12に充電する必要がある。したがって、バッテリ12のSOCが高い時には、SOCをある程度引き下げて充電することができる余地を残すようにする必要がある。一方、図6における車両の負荷が境界Jを超える領域55、56で車両が走行する時には、バッテリ12から電流を出力する必要があるので、SOCを低くし過ぎると、高負荷運転や最大負荷運転が連続した場合に対応することができなくなってしまう。
【0108】
したがって、車両の走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ12に充電することができるように、前記バッテリ12のSOCを制御する必要がある。
【0109】
次に、車両の走行モードと燃料電池11及びバッテリ(BT)12の出力との基本的な考え方について説明する。
【0110】
図7に示されるのは、定められた時間(5〜20分)にどの領域において多く運転されたかによって車両の走行モードを判定するためのテーブルである。ここで、65は、勾配が0度の平坦な道を一定の速度で走る場合、すなわち、定速走行をした場合のモータ14の出力と車両の速度の関係を示す曲線である。
【0111】
まず、領域61は車速が低く、モータ14の出力が定速走行よりも高いので、市街地等の発進停止を繰り返す走行モード、すなわち、市街地モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転が多く、回生電流が頻繁に発生すると予測されるので、主としてバッテリ12から電流を供給するようにして、前記バッテリ12のSOCを比較的低く、例えば、60〔%〕程度に維持し、回生電流が発生した場合にはバッテリ12に充電することができるようにする。
【0112】
そして、領域62は車速が高く、モータ14の出力が定速走行よりも高いので、郊外や高速道路を巡航する走行モード、すなわち、高速モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転は少なく、回生電流はあまり発生せず、一方、燃料電池11からの電流だけでは要求電流を満たすことができない場合もあることも予測されるので、該バッテリ12のSOCを高く、例えば、75〔%〕程度に維持し、必要時には常にバッテリ12から電流を供給することができるようにする。
【0113】
次に、領域63はモータ14の出力が定速走行よりも高いので、山道において下り坂を下る走行モード、すなわち、山道下モードであるといえる。したがって、時々の上り坂で出力することが要求されるが、高い回生電流が発生することが予測されるので、バッテリ12のSOCを低く、例えば、50〔%〕程度に維持して、回生電流を余すところなくバッテリ12に充電することができるようにする。
【0114】
最後に、領域64は車速が低い領域でも、モータ14の出力が高いので、山道において上り坂を上る走行モード、すなわち、山道上モードであるといえる。したがって、時々の下り坂で回生電流が発生するが、燃料電池11からの電流だけでは要求電流を満たすことができないことが予測されるので、バッテリ12のSOCを比較的高く、例えば、70〔%〕程度に維持して、バッテリ12からも電流を供給することができるようにする。
【0115】
本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ12のSOCの基準値を設定する。そして、バッテリ12のSOCの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように燃料電池回路10の動作を制御する。
【0116】
まず、ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、過去5〜20分間の車速、アクセル開度θ(モータ14が発生すべきトルクに比例)、燃料電池11及びバッテリ12から供給された電流値、バッテリ12のSOC等の数値の変化や継続時間に基づいて、現時点までの車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定する。そして、前記判定した走行モードが、現時点以降5〜20分間継続されると予測して、燃料電池回路10の動作を制御する。
【0117】
ここで、走行モードを判定するための時間は、適宜設定することができ、例えば、過去1〜5分間程度であっても、過去20〜40分間程度であってもよい。また、判定した走行モードが、継続されると予測する時間も、適宜設定することができ、例えば、現時点以降1〜5分間としても、現時点以降20〜40分間としてもよい。
【0118】
なお、前記数値は、ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって直接測定されるか、又は車両用電子制御ユニット21等の他の制御装置によって測定される。
【0119】
また、車両に車両位置検出装置、例えば、ナビゲーション装置が備えられている場合には、該ナビゲーション装置によって現時点での車両の走行モードを判定することが可能であるので、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は前記ナビゲーション装置からの情報に基づいて、現在の車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定するようにしてもよい。
【0120】
続いて、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20は、図8に示されるように、判定した現在の車両の走行モードに応じたバッテリ12のSOCの基準値を設定する。
【0121】
まず、高速モードである場合は、例えば、75〔%〕を中心として±10〔%〕の範囲、すなわち、65〜85〔%〕をSOCの基準値として設定する。そして、山道上モードである場合は、例えば、60〜80〔%〕を、山道下モードである場合は、例えば、40〜60〔%〕を、市街地モードである場合は、例えば、50〜70〔%〕をそれぞれ、SOCの基準値として設定する。
【0122】
そして、現時点でのバッテリ12のSOCが前記基準値の範囲内にあるときは、図9に示されるように、燃料電池回路10の動作が制御される。
【0123】
図9(a)に示される高速モードにおいて、車速が低い場合は、燃料電池11から電流を供給し、バッテリ12からは電流が供給されないようにするので、バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a及び16aをオフの状態とする。また、車速が高い場合は、要求電力が燃料電池11の供給能力を上回った場合には、バッテリ12からも電流が供給される。この時も、バッテリ充電制御回路15及びバッテリ放電制御回路16におけるIGBT15a、16aはオフの状態とする。
【0124】
次に、図9(b)に示される山道上モードにおいて、車速が低くアクセル開度θも小さい場合は、バッテリ12から電流を供給し、燃料電池11からは電流が供給されないようにするので、バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオフの状態とし、バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフする。これにより、前記バッテリ12の出力電圧が昇圧されて燃料電池11の出力電圧以上となるので、前記燃料電池11からは電流が供給されない。
【0125】
なお、車速は低いがアクセル開度θが大きい場合は、前記高速モードにおける車速が低い場合と同様であり、また、車速が高い場合は、前記高速モードにおける車速が高い場合と同様である。
【0126】
次に、図9(c)に示される山道下モードにおいて、車速及びアクセル開度θの数値範囲は異なるが、その他については、前記山道上モードにおける場合と同様である。
【0127】
最後に、図9(d)に示される市街地モードにおいて、車速が低くアクセル開度θが大きい場合は、バッテリ12から電流を供給し、燃料電池11からは電流が供給されないようにする点についてだけ異なるが、その他については、前記山道上モード又は山道下モードにおける場合と同様である。
【0128】
次に、現時点でのバッテリ12のSOCが前記基準値の範囲外にあるときの燃料電池回路10の動作について説明する。
【0129】
まず、前記バッテリ12のSOCが前記基準値の範囲の下限に達していない場合には、前記バッテリ12を充電する必要があるので、どの程度の電流値でバッテリ12に充電するか、すなわち、充電電流の値が設定される。
【0130】
そして、充電電流と要求電流との合計が前記燃料電池11の最大供給電流値(図5における電流値A)を超えない場合には、前記燃料電池11から供給される電流の一部が前記バッテリ12の充電に使用される。この場合、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオンの状態とする。
【0131】
なお、前記燃料電池11からの電流値及び前記バッテリ12に供給される充電電流の電流値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出される。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出される。そして、前記バッテリ12のSOCが前記基準値の範囲にまで上昇した場合、前記燃料電池11から供給される電流の値が前記最大供給電流値となった場合、及び前記インバータ13を介してモータ14に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記IGBT15aはオフにされる。また、前記バッテリ12に供給される電流の値が過大である時は、前記IGBT15aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記IGBT15aを流れる電流の値を制御する。
【0132】
一方、前記燃料電池11は何ら制御されないので、燃料電池11からは充電電流と要求電流とを合計した電流が供給される。
【0133】
次に、充電電流と要求電流との合計が前記燃料電池11の最大供給電流値を超えている場合には、前記要求電流が燃料電池11の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
【0134】
そして、超えていない場合には、前記バッテリ12の充電は中止される。この場合、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオフの状態とする。なお、前記燃料電池11は何ら制御されないので、燃料電池11から要求電流に等しい電流がインバータ13を介してモータ14に供給される。
【0135】
次に、前記要求電流が燃料電池11の最大供給電流値を超えている場合には、前記バッテリ12の充電は中止され、さらに、バッテリ12からも電流が前記モータ14に供給されるようにする。この場合、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオフの状態とし、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
【0136】
なお、前記燃料電池11からの電流値及び前記バッテリ12から供給される電流値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時チェックされる。そして、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aのオンオフの比率(デューティー比)を制御して、前記バッテリ12から出力される電流の値を制御する。
【0137】
一方、前記燃料電池11は何ら制御されないので、要求電流から前記バッテリ12からの電流を減算した値の電流が燃料電池11から供給される。
【0138】
次に、前記バッテリ12のSOCが基準値の範囲の上限を超えている場合には、前記要求電流がバッテリ12の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
【0139】
そして、超えていない場合には、前記バッテリ12から電流を供給し、前記燃料電池11からは電流が供給されないようにする。この場合、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオフの状態とし、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
【0140】
なお、前記バッテリ12から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって、常時検出される。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出される。
【0141】
一方、前記燃料電池11は何ら制御されないが、昇圧されたバッテリ12の出力電圧が前記燃料電池11の開放端子電圧よりも高いので、前記燃料電池11からは電流が出力されない。
【0142】
次に、前記要求電流がバッテリ12の最大供給電流値を超えている場合には、前記バッテリ12から供給される電流値が設定される。そして、前記燃料電池11及びバッテリ12から前記モータ14に電流が供給されるようにする。この場合、前記バッテリ充電制御回路15におけるIGBT15aをオフの状態とし、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
【0143】
なお、前記燃料電池11からの電流値及び前記バッテリ12から供給される電流の値は、電流センサ18によって測定され、前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出される。また、電圧についても前記ハイブリッド回路電子制御ユニット20によって常時検出される。そして、前記バッテリ放電制御回路16におけるIGBT16aのオンオフの比率を制御して、前記バッテリ12から出力される電流の値を制御する。
【0144】
一方、前記燃料電池11は何ら制御されないので、要求電流から前記バッテリ12からの電流を減算した値の電流が燃料電池11から供給される。
【0145】
このように、本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ12のSOCの基準値を設定して、バッテリ12のSOCの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように、燃料電池回路10の動作を制御する。したがって、バッテリ12には回生電流を充電するための余地が適切に残されているので、副次的に発生されるエネルギーである回生電流を無駄にせず、可能な限り利用することができ、燃料電池11の燃料を節約することができる。しかも、バッテリ12の容量を必要以上に大きくする必要がないので、バッテリ12を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストを低くすることができる。
【0146】
また、格別に制御しなくても、燃料電池11から適切な電流が供給される。したがって、要求電流が燃料電池11の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリ12から不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
【0147】
また、バッテリ12のSOCの実測値が基準値の範囲内に収まらない場合であっても、燃料電池11及びバッテリ12から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、バッテリ12が上がってしまうこともない。
【0148】
次に、燃料電池装置の制御動作のメインフローチャートについて説明する。
ステップS1 車速を検出する。
ステップS2 車速の変化を記憶する。
ステップS3 モータ14が発生すべきトルクを検出する。
ステップS4 バッテリ12から供給される電流の値を検出する。
ステップS5 バッテリ12のSOCを算出する。
ステップS6 燃料電池11から供給される電流の値を検出する。
ステップS7 車両の走行モードを判定する。
ステップS8 車両の走行モードに応じたバッテリ12のSOCの基準値を設定する。
ステップS9 検出したバッテリ12のSOCが基準値の範囲内にあるか否かを判定する。範囲内である場合はステップS11に、範囲内でない場合はステップS10に進む。
ステップS10 SOC基準範囲外処理を行う。
ステップS11 アクセル開度θを検出する。
ステップS12 図9(a)〜(d)に従って燃料電池11及びバッテリ12の出力を制御する。
【0149】
次に、ステップS10におけるSOC基準範囲外処理のサブルーチンのフローチャートについて説明する。
ステップS10−1 検出したバッテリ12のSOCが基準値の範囲の下限以下か否かを判定する。以下の場合はステップS10−2に進み、以下でない場合、すなわち、基準値の範囲の上限を超えている場合はステップS10−7に進む。
ステップS10−2 充電電流の電流値を設定する。
ステップS10−3 充電電流と要求電流との合計が燃料電池11の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップS10−4に、未満でない場合はステップS10−19に進む。
ステップS10−4 燃料電池11から供給される電流の一部をバッテリ12の充電に使用する。
ステップS10−5 バッテリ充電制御回路15のIGBT15aをオンにする。
ステップS10−6 燃料電池11は何ら制御されず、充電電流と要求電流とを合計した電流を供給し、処理を終了する。
ステップS10−7 要求電流がバッテリ12の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップS10−8に、未満でない場合はステップS10−11に進む。
ステップS10−8 バッテリ12から電流を供給し、燃料電池11からは電流を供給しない。
ステップS10−9 バッテリ放電制御回路16のIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
ステップS10−10 燃料電池11は何ら制御されず、電流を供給することなく、処理を終了する。
ステップS10−11 バッテリ12から供給される電流の電流値を設定する。
ステップS10−12 バッテリ12からの電流に加えて、燃料電池11からの電流もモータ14に供給する。
ステップS10−13 バッテリ12がモータ14に供給する電流の電流値を算出する。
ステップS10−14 バッテリ放電制御回路16のIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
ステップS10−15 燃料電池11は何ら制御されず、要求電流からバッテリ12からの電流を減算した値の電流を供給し、処理を終了する。
ステップS10−16 要求電流が燃料電池11の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップS10−17に、未満でない場合はステップS10−20に進む。
ステップS10−17 バッテリ12の充電を中止する。
ステップS10−18 バッテリ充電制御回路15のIGBT15aをオフにする。
ステップS10−19 燃料電池11は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
ステップS10−20 バッテリ12の充電を中止する。
ステップS10−21 燃料電池11からの電流に加えて、バッテリ12からの電流もモータ14に供給する。
ステップS10−22 バッテリ12がモータ14に供給する電流値を算出する。
ステップS10−23 バッテリ放電制御回路16のIGBT16aを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ12の出力電圧を昇圧する。
ステップS10−24 燃料電池11は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
【0150】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0151】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される。
【0152】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給される。また、回生電流等によって蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がることもない。
【0153】
他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
【0154】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のSOCを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がない。また、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
【0155】
他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
【0156】
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のSOCを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の出力電圧を適切に昇圧できるので、要求電流に対応する電流が蓄電手段から適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
【0157】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
【0158】
この場合、簡単な回路構成でありながら、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
【0159】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のSOCが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
【0160】
この場合、燃料電池及び蓄電手段から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、蓄電手段が上がってしまうこともない。
【0161】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のSOCの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
【0162】
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のSOCをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用でき、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
【0163】
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池及びコンデンサを含む回路である。
【0164】
この場合、2次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに2次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することにより、2次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかにかつ適切に出力することができる。
【0165】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
【0166】
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
【0167】
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池である。
【0168】
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
【0169】
本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
【0170】
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリから不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。また、バッテリも適切に充電されるので、バッテリが上がってしまうこともない。
【0171】
また、他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する。
【0172】
この場合、直近の過去の走行モードに基づいて現在の走行モードを判定するので、信用性が高くなる。
【0173】
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する。
【0174】
この場合、リアルタイムで走行状態を判定することができるので、判定の信頼性が極めて高くなる。
【0175】
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のSOCの基準値を設定し、前記蓄電手段のSOCが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
【0176】
この場合、蓄電手段のSOCを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がないので、蓄電手段を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストも低くすることができる
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段のSOCの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
【0177】
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のSOCをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用することができ、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
【0178】
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池及びコンデンサを含む回路である。
【0179】
この場合、2次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに2次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することによって、2次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかに、かつ適切に出力することができる。
【0180】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
【0181】
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
【0182】
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、2次電池である。
【0183】
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
【図2】従来の燃料電池装置を示す図である。
【図3】従来の燃料電池回路における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
【図4】バッテリと電気二重層コンデンサとを組み合わせ蓄電手段として使用する1例を示す図である。
【図5】本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
【図6】本発明の実施の形態における燃料電池回路10の動作と走行モードとの関係の1例を示す図である。
【図7】本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図である。
【図8】本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのSOCの値を示す図である。
【図9】本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図である。
【図10】本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャートである。
【図11】本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第1のフローチャートである。
【図12】本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第2のフローチャートである。
【図13】本発明の実施の形態におけるSOC基準範囲外処理の動作を示す第3のフローチャートである。
【符号の説明】
11 燃料電池
17 リアクトル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device and a control method for the fuel cell device.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, since fuel cells have high power generation efficiency and do not emit harmful substances, they have been put into practical use as power generators for industrial and household use, or as power sources for artificial satellites and spacecrafts. Development is progressing as a power source for vehicles such as buses and trucks.
[0003]
The vehicle is equipped with a large number of auxiliary devices that consume electricity even when the vehicle is stopped, such as a lighting device, a radio, and a power window. Since the output range is extremely wide, when the fuel cell is used as a power source for a vehicle, it is common to use a hybrid in which a battery (storage battery or secondary battery) is used in combination.
[0004]
FIG. 2 shows a conventional fuel cell device.
[0005]
In the figure, 101 is a fuel cell, such as alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct type methanol (DMFC), etc. Although there may be, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is common.
[0006]
Reference numeral 102 denotes a battery that can be repeatedly discharged by charging, and is generally a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel metal hydride battery, a lithium ion battery, a sodium sulfur battery, or the like.
[0007]
Further, 103 is an inverter (INV) which converts a direct current from the fuel cell 101 or the battery 102 into an alternating current and supplies the alternating current to an unillustrated alternating current motor which is a driving source for rotating the wheels of the vehicle. When the drive source is a DC motor, the DC current from the fuel cell 101 or the battery 102 is directly supplied to the drive source without going through the inverter 103.
[0008]
In the fuel cell device having the above-described configuration, the fuel cell 101 and the battery 102 are connected in parallel to supply current to the inverter 103. For example, when the vehicle is stopped, the fuel cell 101 Is stopped, and when the current from the fuel cell 101 alone does not satisfy the required current during high load operation such as on a slope, the current is automatically supplied from the battery 102 to the inverter 103.
[0009]
In addition, when the AC motor as the drive source functions as a power generator during the deceleration operation of the vehicle and generates a so-called regenerative current, the regenerative current is supplied to the battery 102 during the deceleration operation of the vehicle. Will be recharged. Further, even when the regenerative current is not supplied, the current generated by the fuel cell 101 is automatically supplied to the battery 102 when the battery 102 is discharged and the terminal voltage decreases.
[0010]
As described above, in the fuel cell device, when the battery 102 is always charged and the current from the fuel cell 101 alone does not satisfy the required current, the current is automatically supplied from the battery 102 to the inverter 103. Since the vehicle is supplied, the vehicle can travel stably in various travel modes.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional fuel cell device, only the fuel cell 101 and the battery 102 are connected in parallel, and the distribution state of the current flowing through the fuel cell 101 and the battery 102 is not controlled at all. Depending on the current-voltage characteristics of the fuel cell 101 and the battery 102, the amount of current flowing through each of them is determined.
[0012]
FIG. 3 is a diagram showing characteristics of a fuel cell and a battery in a conventional fuel cell circuit. In the figure, the horizontal axis represents current, and the vertical axis represents voltage and power.
[0013]
In the figure, 105 is a curve showing the voltage-current characteristics of the fuel cell 101 (FIG. 2), 106 is a curve showing the voltage-current characteristics of the battery 102, 107 is the original voltage when the fuel cell 101 and the battery 102 are summed up. A curve indicating current characteristics, and 108 is a curve indicating the original power characteristics when the fuel cell 101 and the battery 102 are summed.
[0014]
For example, during a constant load operation of the vehicle, since the required current is satisfied only by the current from the fuel cell 101, the curve 106 is originally not required to be supplied from the battery 102 to the inverter 103. As shown, the battery 102 starts to output from the low current region, so that current is also supplied from the battery 102 to the inverter 103. As described above, since current always flows from the battery 102, it is necessary to increase the capacity of the battery 102. In general, however, the battery is large, heavy, and expensive. Increasing the capacity of 102 increases the volume and weight of the vehicle and increases the cost.
[0015]
Further, when the terminal voltages of the fuel cell 101 and the battery 102 are set so that the voltage difference between the two becomes small, even when the battery 102 is discharged and the terminal voltage decreases, the curve 106 becomes As shown, the current from the fuel cell 101 hardly flows to the battery 102, and it takes time to charge the battery 102. For this reason, the travel of the vehicle is restricted, and in the worst case, the battery 102 rises as shown by the curve 106.
[0016]
On the contrary, if the voltage difference is set to be large, a large current flows from the fuel cell 101 to the battery 102, so that the battery 102 is destroyed by being overcharged.
[0017]
Further, since the voltage-current characteristic of the battery usually varies depending on the remaining capacity, the output distribution of the fuel cell 101 and the battery 102 is maintained in a predetermined state, and the fuel cell 101 and the battery as shown by the curves 107 and 108 are obtained. It is difficult to exhibit the original current-voltage characteristic or power characteristic when 102 is totaled. Therefore, even when the current from the fuel cell 101 alone does not satisfy the required current, such as during a high-load operation on a hill or the like, the vehicle 102 is restricted from traveling without being supplied with current from the battery 102 to the inverter 103. In addition, even if the remaining capacity of the battery 102 decreases, the battery 102 rises without current being supplied from the fuel cell 101.
[0018]
The present invention solves the problems of the conventional fuel cell device, appropriately controls the distribution state of the current flowing through the fuel cell and the battery, and appropriately charges the battery without increasing the capacity of the battery. It is another object of the present invention to provide a fuel cell device and a control method for the fuel cell device that can maintain the output distribution of the fuel cell and the battery in a predetermined state.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
For this purpose, the fuel cell device of the present invention includes a fuel cell, a load connected to the output terminal of the fuel cell, and a storage means circuit connected in parallel to the fuel cell with respect to the load. In the fuel cell device, the power storage means circuit supplies power storage means, a booster circuit that boosts the output voltage of the power storage means and supplies current to the load, and supplies current output from the fuel cell to the power storage means. Charging circuit for charging the power storage means, Based on vehicle speed and accelerator opening Vehicle running mode Detecting traveling mode Detecting means, and the traveling mode The travel of the vehicle detected by the detecting means mode In response to the, In order for the SOC of the power storage means to be within the range of the reference value set corresponding to the driving mode, The booster circuit and the charging circuit are selectively operated.
[0022]
In another fuel cell device of the present invention, a fuel cell connected to a load, a storage means circuit connected in parallel to the fuel cell and the load, and a current from the storage means circuit is the fuel cell In the fuel cell device including a diode element disposed so as not to be supplied to the battery, the power storage circuit includes a charging switching element and a boosting switching element connected in series to each other, and the boosting switching element. Power storage means connected in parallel via a reactor, Based on vehicle speed and accelerator opening Vehicle running mode Detecting traveling mode Detecting means, and the traveling mode The travel of the vehicle detected by the detecting means mode In response to the, In order for the SOC of the power storage means to be within the range of the reference value set corresponding to the driving mode, The charging switching element and the boosting switching element are selectively operated.
[0023]
In still another fuel cell device of the present invention, the load is a drive control device for a drive motor that drives the vehicle.
[0026]
In still another fuel cell device of the present invention, the power storage means is a circuit including a secondary battery and a capacitor.
[0027]
In still another fuel cell device of the present invention, the power storage means is a capacitor.
[0028]
In still another fuel cell device of the present invention, the power storage means is a secondary battery.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0038]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a diagram showing an example in which a battery and an electric double layer capacitor are combined and used as power storage means.
[0039]
In FIG. 1, reference numeral 10 denotes a fuel cell (FC) circuit, which is used as a power source for vehicles such as passenger cars, buses, and trucks. Here, the vehicle includes a large number of auxiliary devices that consume electricity even when the vehicle is stopped, such as a lighting device, a radio, and a power window. Since the required output range is extremely wide, the fuel cell 11 as the power source and the battery 12 as the power storage means are used in combination.
[0040]
The fuel cell 11 may be of an alkaline aqueous solution type (AFC), phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid oxide type (SOFC), direct methanol (DMFC), or the like. A solid polymer type fuel cell (PEMFC) is preferable.
[0041]
It is more desirable to use a PEMFC (proton exchange fuel cell) type fuel cell or a PEM (proton exchange membrane) type fuel cell that uses hydrogen as a fuel and oxygen or air as an oxidant. Here, the PEM type fuel cell is generally a stack in which a plurality of cells (fuel cells) in which a catalyst, an electrode, and a separator are combined on both sides of a polymer membrane that transmits ions such as protons are connected in series. (See JP-A-11-317236, etc.).
[0042]
For example, in the present embodiment, as an example, a PEM type fuel cell is used, and a stack in which 400 cells are connected in series is used. In this case, the total electrode area is 300 cm. 2 The open terminal voltage is about 350 [V], and the output is about 50 [kW]. And the temperature at the time of a steady operation is about 50-90 [degreeC].
[0043]
Hydrogen, which is fuel, can be supplied directly to the fuel cell by reforming methanol, gasoline, etc. with a reformer (not shown), but is stable and sufficient even when the vehicle is operated at high loads. In order to be able to supply an amount of hydrogen, it is desirable to supply hydrogen stored in a hydrogen storage alloy, a hydrogen gas cylinder or the like. As a result, hydrogen is always sufficiently supplied at a substantially constant pressure, so that the fuel cell 11 can follow the fluctuation of the vehicle load without delay and supply the necessary current.
[0044]
In this case, the output impedance of the fuel cell 11 is extremely low and can be approximated to zero.
[0045]
Reference numeral 12 denotes a secondary battery as a power storage means that can be repeatedly discharged by charging, that is, a battery (storage battery), such as a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydrogen battery, a lithium ion battery, or a sodium sulfur battery. However, high-performance lead-acid batteries, lithium-ion batteries, sodium-sulfur batteries, etc. used for electric vehicles are desirable.
[0046]
For example, in this embodiment, a high performance lead acid battery is used as an example.
In this case, the open terminal voltage is about 210 [V], and has a capacity capable of supplying about 10 [kW] of power for about 5 to 20 minutes.
[0047]
The power storage means does not necessarily have to be a battery, and electrically stores and discharges energy, such as a capacitor (capacitor) such as an electric double layer capacitor, a flywheel, a superconducting coil, and a storable pressure device. Any form may be used as long as it has a function. Furthermore, any of these may be used alone, or a plurality of them may be used in combination.
[0048]
For example, as described in Japanese Patent No. 2753907, a battery and an electric double layer capacitor can be combined and used as the livestock power means. In this case, as shown in FIG. 4, the battery Bt is connected in series with the capacitor C <b> 2 in the power storage means 12 ′. The positive terminal of the battery Bt is connected to the negative terminal of the capacitor C2, and is connected to the collector electrode of the transistor Tr1 and the emitter electrode of the transistor Tr2.
[0049]
The emitter electrode of the transistor Tr1 and the collector electrode of the transistor Tr2 are connected to the positive terminal of the capacitor C2 and the collector electrode of the transistor Tr3. A diode D1 is connected between the emitter and collector electrodes of the transistor Tr3.
[0050]
Further, the positive terminal of the capacitor C1 is connected to the emitter electrode of the transistor Tr3. Thus, the capacitor C1 is connected in parallel to the battery Bt via the transistors Tr1 to Tr3 and the diode D1.
[0051]
Here, the battery Bt is the same as the battery 12, and the capacitors C1 and C2 have a large capacity per unit volume like an electric double layer capacitor, and have a large capacity with a low resistance and a high output density. It is desirable to be. The capacities of the capacitors C1 and C2 can be appropriately determined in consideration of the balance with the occupied volume. For example, the capacity is preferably 9F or more.
[0052]
The capacitors C1 and C2 may each be a plurality of capacitors connected in series. In this case, the withstand voltage of each capacitor can be set low.
[0053]
The positive terminal of the livestock storage means 12 'is connected to the positive terminal of the capacitor C2 and the collector electrode of the transistor Tr3, and the negative terminal of the livestock storage means 12' is connected to the battery Bt. The negative electrode of the capacitor C1 and the negative electrode of the capacitor C1 are connected.
[0054]
In the livestock charging means 12 'having such a configuration, the transistors Tr1 to Tr3 are switched to control the output current from the battery Bt and the capacitors C1 and C2, and the charging current to the battery Bt and the capacitors C1 and C2 Also comes to control.
[0055]
Next, in FIG. 1, 13 is an inverter device which is a drive control device as a load, which converts a direct current from the fuel cell 11 or the battery 12 into an alternating current and rotates a vehicle wheel as a drive motor. The motor 14 is supplied. Here, the motor 14 also functions as a generator, and generates a so-called regenerative current when the vehicle is decelerated. In this case, since the motor 14 is rotated by the wheel to generate electric power, the wheel is braked, that is, functions as a vehicle braking device (brake). Then, as will be described later, the regenerative current is supplied to the battery 12 to charge the battery 12.
[0056]
Reference numeral 15 denotes a battery charge control circuit, which is a parallel circuit of an IGBT (insulated gate bipolar transistor) 15a, which is a high-speed switching element as a charging switching element, and a thyristor 15b. Here, the IGBT 15a allows a current of about 200 [A].
[0057]
On the other hand, 16 is a battery discharge control circuit as a step-up control circuit, and is a parallel circuit of an IGBT 16a and a thyristor 16b as a step-up switching element, like the battery charge control circuit. Here, the IGBT 16a allows a current of about 200 [A].
[0058]
Reference numeral 17 denotes a reactor that allows a current of about 200 [A], and constitutes a booster circuit together with the battery discharge control circuit 16 to boost the output voltage of the battery 12.
[0059]
Here, the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 is turned on and off by a switching signal having a predetermined period (for example, about 20 [kHz]). When the IGBT 16a is turned on, a direct current output from the battery 12 flows to the reactor 17 and energy is accumulated. When the IGBT 16a is turned off, a voltage corresponding to the energy accumulated in the reactor 17 is The voltage is boosted by adding to the output voltage of the battery 12. The boosted output voltage of the battery 12 can be adjusted as appropriate by the switching signal, but is adjusted to a level slightly higher than the output voltage of the fuel cell 11.
[0060]
In the thyristor 16b in the battery discharge control circuit 16, the insulation between the emitter and the collector is broken by the back electromotive force generated between the emitter and the collector of the IGBT 16a when the IGBT 16a is turned off. To prevent it.
[0061]
Reference numeral 18 denotes a current sensor for measuring a current value flowing through the circuit, and reference numeral 19 denotes a thyristor as a diode element disposed so that current from a load or a secondary battery is not supplied to the fuel cell.
[0062]
Reference numeral 20 denotes a hybrid circuit electronic control unit, which includes an arithmetic means such as a CPU, a storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface, etc., and measures the current value, voltage value, etc. in the fuel cell circuit 10, and The operation of the battery charge control circuit 15 and the battery discharge control circuit 16 is controlled. Further, the hybrid circuit electronic control unit 20 is communicably connected to other sensors in the vehicle and other control devices such as a vehicle electronic control unit 21, a fuel cell electronic control unit 22, and an ignition control device 24, which will be described later. The operation of the fuel cell circuit 10 is comprehensively controlled in cooperation with other sensors and other control devices.
[0063]
The hybrid circuit electronic control unit 20 may exist independently, for example, may exist as a part of another control device such as the vehicle electronic control unit 21.
[0064]
Here, for example, in the present embodiment, the hybrid circuit electronic control unit 20 includes an input / output interface with two current sensors 18, two input / output interfaces for voltage measurement, and an input for the battery charge control circuit 15. An output interface, an input / output interface for the battery discharge control circuit 16, an input / output interface for the vehicle electronic control unit 21, an input / output interface for the fuel cell electronic control unit 22, and an input / output interface for the ignition control device 24 are provided. . The hybrid circuit electronic control unit 20 also includes a power interface connected to a power battery 23 as a power source.
[0065]
Next, the vehicle electronic control unit 21 includes a calculation means such as a CPU, a storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and detects a vehicle speed, an air temperature, an accelerator opening, etc. The overall operation of the vehicle including it is controlled. The accelerator opening is detected by the degree of depression of an accelerator pedal (throttle pedal) in a general vehicle, but as a means for controlling the output and speed of the vehicle, a rotary accelerator grip is used instead of the accelerator pedal. When an accelerator controller such as a joystick, a bar handle, or a rotary dial is used, it is detected by the degree of movement of these accelerator controllers.
[0066]
The fuel cell electronic control unit 22 includes a calculation means such as a CPU, a storage means such as a semiconductor memory, an input / output interface, and the like, and a flow rate of hydrogen, oxygen, air, etc. supplied to the fuel cell 11, temperature, and output voltage. Etc. are detected to control the operation of the fuel cell 11.
[0067]
The power battery 23 is composed of a battery such as a lead storage battery, a nickel cadmium battery, a nickel hydride battery, a lithium ion battery, or a sodium sulfur battery that can be repeatedly discharged by charging, and a DC current of 12 [V] is supplied to the hybrid battery. This is supplied to the circuit electronic control unit 20. The power supply battery 23 may supply a direct current as a power source to auxiliary equipment such as a vehicle radio and a power window.
[0068]
The ignition control device 24 is a device for starting the fuel cell circuit. When the vehicle driver turns on the switch, the ignition control device 24 transmits the signal to the hybrid circuit electronic control unit 20 and other devices.
[0069]
Next, the operation of the fuel cell apparatus having the above configuration will be described.
[0070]
FIG. 5 is a diagram showing characteristics of the fuel cell and the battery in the embodiment of the present invention. In FIG. 5, the horizontal axis represents current I, and the vertical axis represents voltage V and power kW.
[0071]
In FIG. 5, 41 is a curve showing the voltage-current characteristics of the fuel cell 11 (FIG. 1). The curve 41 showing the voltage-current characteristic of the fuel cell 11 is a downward-sloping curve in which the voltage decreases as the current increases as a whole, as in the case of a normal PEM type fuel cell. The slope is gentle until the current value A, but the slope becomes steep with the point B corresponding to the current value A as an inflection point. The corresponding power characteristic of the fuel cell 11 is indicated by a curve 45.
[0072]
From this, it can be seen that it is efficient to use the fuel cell 11 in the range up to the vicinity of the current value A. As described above, the fuel cell 11 is a power source having an output impedance of almost zero.
[0073]
On the other hand, the curve 43 indicating the voltage-current characteristics of the battery 12 is a straight line with a downward slope in which the voltage decreases as the current increases as a whole, as in the case of a normal battery, and exceeds the current value A. There is no change. Moreover, the inclination angle is substantially equal to the inclination angle of the curve 41 up to the current value A.
[0074]
Therefore, in the range where the current to be supplied to the motor 14 via the inverter 13, that is, the value of the required current is up to the current value A, the current is supplied only from the fuel cell 11, and the value of the required current is the current value A. It can be seen that it is sufficient to supply the current from the battery 12 in addition to the current from the fuel cell 11 in the range above or near. Since the open terminal voltage of the battery 12 is approximately equal to the terminal voltage of the fuel cell 11 at the point B on the curve 41 corresponding to the current value A, the required current value is the current value. In the range up to the vicinity of A, no current is supplied from the battery 12.
[0075]
However, when the output voltage of the battery 12 is boosted to the terminal voltage of the fuel cell 11 by a booster circuit, current is also actively supplied from the battery 12.
[0076]
Since the terminal voltage of the fuel cell 11 at the point B on the curve 41 corresponding to the current value A corresponding to the current value A is substantially equal to the open circuit voltage of the battery 12, the current value A is slightly exceeded. In the range, current is also supplied from the battery 12. However, when current is also supplied from the battery 12, the terminal voltage of the battery 12 decreases, as can be seen from the curve 43 indicating the voltage-current characteristics of the battery 12, so that the current value is much lower. It will not rise.
[0077]
However, when the booster circuit boosts the output voltage of the battery 12 to the terminal voltage of the fuel cell 11 and the currents from the fuel cell 11 and the battery 12 are combined, a curve indicating the voltage-current characteristics. 42. As a whole, the current increases as the current decreases and the voltage decreases. The corresponding power characteristic is indicated by a curve 44.
[0078]
Here, for example, if the power to be supplied to the motor 14 via the inverter 13, that is, the required power is C, this corresponds to a point D on the curve 44 indicating the power characteristics. It can be seen that the point on the curve 42 indicating the voltage-current characteristic corresponding to the point D is E, and the current value corresponding to this is F. Therefore, in this case, it is understood that the fuel cell 11 may supply a current having a current value A, and the battery 12 may supply a current having a current value (FA).
[0079]
In the present embodiment, the characteristics of the fuel cell 11 and the battery 12 as shown in FIG. 5 are stored in advance in the storage means of the hybrid circuit electronic control unit 20. Then, based on signals such as the vehicle speed of the vehicle and the accelerator opening transmitted from the vehicle electronic control unit 21, the required power to be supplied to the motor 14 is calculated by the calculation means, and the required current corresponding to the required power is calculated. The value is found based on the characteristics of the fuel cell 11 and the battery 12 as shown in FIG.
[0080]
On the other hand, as will be described later, the fuel cell 11 and the fuel cell 11 are determined so that the traveling mode of the vehicle is determined, the generation of the regenerative current is predicted based on the traveling mode, and the regenerative current can be charged to the battery 12. Although the output current from the battery 12 is controlled, the output current is also controlled based on the characteristics of the fuel cell 11 and the battery 12 as shown in FIG.
[0081]
Therefore, here, the basic operation of the fuel cell circuit 10 based on the characteristics of the fuel cell 11 and the battery 12 as shown in FIG. 5 will be described.
[0082]
First, in the case where the value of the required current is equal to or less than the current value A in FIG. 5 and when the current is supplied only from the fuel cell 11, the IGBTs 15a and 16a in the battery charge control circuit 15 and the battery discharge control circuit 16 are Turn off.
[0083]
In this case, the fuel cell 11 is always sufficiently supplied with hydrogen as the fuel and oxygen or air as the oxidant, so that even if the value of the required current fluctuates, the fuel cell 11 Is automatically supplied with a current corresponding to the required current value. Therefore, it is not necessary to control the output current of the fuel cell 11 in accordance with the fluctuation of the required current value. Note that the value of the current supplied from the fuel cell 11 is measured by the current sensor 18, and the hybrid circuit electronic control unit 20 always detects whether or not it is equal to or less than the current value A. Further, the voltage is always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20.
[0084]
Next, when the required current value or the current value measured by the current sensor 18 is equal to or greater than the current value A, for example, when the current value F in FIG. When the IGBT 16a in 16 is kept in the OFF state, the current value from the battery 12 does not increase so much as described above.
[0085]
Here, in order to actively supply current from the battery 12 as well, the hybrid circuit electronic control unit 20 causes the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 to have a predetermined period (for example, about 20 kHz). Turns on and off by switching signal. When the IGBT 16a is turned on, the DC current output from the battery 12 flows to the reactor 17 and energy is accumulated. When the IGBT 16a is turned off, a voltage corresponding to the energy accumulated in the reactor 17 is The sum is added to the output voltage of the battery 12, and the sum is substantially equal to the output voltage of the fuel cell 11. This corresponds to the point G on the curve 43 in FIG. 5 being shifted upward to the point E on the curve 42.
[0086]
A current having a voltage value corresponding to the point E and a current value (FA) is supplied from the battery 12 to the motor 14 via the inverter 13. The value of the current supplied from the battery 12 is measured by the current sensor 18 and checked by the hybrid circuit electronic control unit 20.
[0087]
Next, the basic operation of the fuel cell circuit 10 when the battery 12 is charged will be described because the SOC (state of charge) of the battery 12 has decreased.
[0088]
First, when the vehicle is decelerated, the motor 14 functions as a generator to generate an AC regenerative current. Subsequently, the AC regenerative current is converted into a DC regenerative current by the inverter 13. At this time, the hybrid circuit electronic control unit 20 turns on the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 by a switching signal. Therefore, since the DC regenerative current is supplied to the battery 12 through the IGBT 15a, the battery 12 is charged.
[0089]
The value of the regenerative current is measured by the current sensor 18 and is constantly checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. When the SOC of the battery 12 is sufficiently increased, the IGBT 15a is turned off. Further, when the value of the regenerative current is excessive, the IGBT 15a is turned on / off by a switching signal having a predetermined period to control the value of the current flowing through the IGBT 15a.
[0090]
Therefore, when the SOC of the battery 12 is sufficiently high, the battery 12 is not charged or a large current is not supplied to the battery 12, so that the battery 12 is not destroyed by being overcharged. .
[0091]
Further, when the SOC of the battery 12 is lowered and charging is required, and the regenerative current is not generated, the battery 12 is charged by supplying current from the fuel cell 11. In this case, the hybrid circuit electronic control unit 20 turns on the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 by a switching signal, so that a DC regenerative current is supplied to the battery 12 through the IGBT 15a. Therefore, the battery 12 is charged.
[0092]
The value of the current from the fuel cell 11 and the value of the current supplied to the battery 12 are measured by a current sensor 18 and are constantly checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. Then, when the SOC of the battery 12 is sufficiently increased, when the value of the current supplied from the fuel cell 11 becomes the current value A, and the required current supplied to the motor 14 via the inverter 13 When the value of is large, the IGBT 15a is turned off. When the value of the current supplied to the battery 12 is excessive, the IGBT 15a is turned on / off by a switching signal having a predetermined period to control the value of the current flowing through the IGBT 15a.
[0093]
Therefore, when the SOC of the battery 12 is sufficiently high, the battery 12 is not charged or a large current is not supplied to the battery 12, so that the battery 12 is not destroyed by being overcharged. . Moreover, an excessive load is not applied to the fuel cell 11 and the required current cannot be dealt with.
[0094]
Next, an example of the relationship between the operation of the fuel cell circuit 10 described above and the travel mode as the travel state of the vehicle will be described.
[0095]
FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the operation of the fuel cell circuit 10 and the travel mode in the embodiment of the present invention. In FIG. 6, the horizontal axis represents the vehicle load and the vertical axis represents the output.
[0096]
In FIG. 6, 51 is a straight line showing the relationship between the vehicle load and the output of the fuel cell 11 (FIG. 1) and the battery 12, that is, the required current, when the vehicle load is positive, and 52 is the vehicle load. It is a straight line showing the relationship between the vehicle load and the output of the motor 14 in the negative range, that is, the magnitude of the regenerative current.
[0097]
Here, the load of the vehicle is the lowest when the driving mode of the vehicle is a low-load driving that travels in an urban area, etc., a high-speed cruise that travels on a highway, a high-load driving that travels uphill, etc. It becomes higher in order of maximum load driving on a slope. The value of the required current increases in proportion to the vehicle load.
[0098]
On the other hand, when the vehicle is traveling downhill or the like and the regeneration is a traveling mode in which the motor 14 functions as a generator to generate a regenerative current, the vehicle load is negative because the vehicle is decelerating. The value of the regenerative current is proportional to the absolute value of the vehicle load.
[0099]
In the region 53 where the vehicle load is negative, the hybrid circuit electronic control unit 20 turns on the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 by a switching signal, so that the regenerative current is supplied to the battery 12 through the IGBT 15a. Is done. Therefore, the battery 12 is charged.
[0100]
Next, in the region 54 from 0 to the boundary J corresponding to the current value A in FIG. 5 through the inverter 13 to which the current corresponding to the required current is automatically supplied from the fuel cell 11 in the region 54. To the motor 14.
[0101]
In the region 54, when the SOC of the battery 12 is low, the hybrid circuit electronic control unit 20 removes the fuel cell 11 from the fuel cell 11 by turning on the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 for an appropriate time. A current is supplied to charge the battery 12.
[0102]
On the contrary, when the SOC of the battery 12 is high and there is no room for accepting the regenerative current, it is desirable to discharge the battery 12 slightly in order to generate room for accepting the regenerative current. The hybrid circuit electronic control unit 20 turns on and off the IGBT 16 a in the battery discharge control circuit 16 by a switching signal having a predetermined period so that the current from the battery 12 is also supplied to the motor 14 via the inverter 13. Thereby, since the electric current which should be supplied from the said fuel cell 11 can be reduced, the load of the said fuel cell 11 is reduced and the consumption of fuel can be suppressed. The SOC of the battery 12 is preferably about 80%.
[0103]
Finally, in the regions 55 and 56 where the vehicle load exceeds the boundary J, the value of the required current exceeds the current value A in FIG. 5, so the hybrid circuit electronic control unit 20 is connected to the battery discharge control circuit 16. The IGBT 16 a is turned on / off by a switching signal of a predetermined period, and in addition to the current of the current value A from the fuel cell 11, a current exceeding the current value A is supplied from the battery 12 to the motor 14 via the inverter 13. To be. In FIG. 6, a region 55 indicates a range of output due to current from the fuel cell 11, and a region 56 indicates a range of output due to current from the battery 12.
[0104]
Next, the control method of the fuel cell circuit 10 corresponding to various driving modes of the vehicle in the present embodiment will be described in detail.
[0105]
FIG. 7 is a diagram showing a basic concept of a control method for a fuel cell circuit according to an embodiment of the present invention, FIG. 8 is a diagram showing a SOC value of a battery in various travel modes according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 10 is a diagram showing the output ranges of the fuel cell and the battery in various travel modes in the embodiment of the present invention, FIG. 10 is a flowchart showing the control operation of the fuel cell circuit in the embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 12 is a second flowchart showing the operation of the SOC out-of-range processing in the embodiment of the present invention, and FIG. 13 is the embodiment of the present invention. 10 is a third flowchart showing the operation of the SOC out-of-range process in FIG.
[0106]
In the present embodiment, the fuel cell circuit 10 (FIG. 1) is controlled so that the regenerative current can be used as much as possible without wasting it. That is, the regenerative current is energy that is generated as a result of causing the motor 14 to function as a brake when it is necessary to brake the vehicle as when traveling downhill or the like, and this is used. As a result, the fuel of the fuel cell 11 can be saved.
[0107]
Since the regenerative current is not constantly generated, in order to use the regenerative current, it is necessary to charge the battery 12 first. Therefore, when the SOC of the battery 12 is high, it is necessary to leave a room where the SOC can be charged by lowering the SOC to some extent. On the other hand, when the vehicle travels in the regions 55 and 56 where the vehicle load exceeds the boundary J in FIG. 6, it is necessary to output current from the battery 12. Therefore, if the SOC is too low, high load operation and maximum load operation are performed. It will not be possible to cope with the case of continuous.
[0108]
Therefore, it is necessary to control the SOC of the battery 12 so that the generation of the regenerative current can be predicted based on the traveling mode of the vehicle and the regenerative current can be charged to the battery 12.
[0109]
Next, the basic concept of the driving mode of the vehicle and the outputs of the fuel cell 11 and the battery (BT) 12 will be described.
[0110]
FIG. 7 shows a table for determining the driving mode of the vehicle depending on which region is operated in a predetermined time (5 to 20 minutes). Here, 65 is a curve showing the relationship between the output of the motor 14 and the speed of the vehicle when running on a flat road with a gradient of 0 degrees at a constant speed, that is, when running at a constant speed.
[0111]
First, since the vehicle speed is low in the region 61 and the output of the motor 14 is higher than the constant speed running, it can be said that the region 61 is a running mode that repeats start and stop in an urban area, that is, an urban area mode. Therefore, since there are many deceleration operations that brake the vehicle and a regenerative current is expected to occur frequently, the current of the battery 12 is mainly supplied so that the SOC of the battery 12 is relatively low, for example, 60 [ %] So that the battery 12 can be charged when a regenerative current is generated.
[0112]
The region 62 has a high vehicle speed, and the output of the motor 14 is higher than that of the constant speed traveling. Therefore, it can be said that the region 62 is a traveling mode for cruising on the suburbs and highways, that is, a high speed mode. Therefore, since the deceleration operation for braking the vehicle is small and the regenerative current is not generated so much, on the other hand, it may be predicted that the required current may not be satisfied only by the current from the fuel cell 11. Is maintained at a high level, for example, about 75 [%], so that current can be supplied from the battery 12 whenever necessary.
[0113]
Next, since the output of the motor 14 is higher than the constant speed running, the region 63 can be said to be a running mode in which a downhill is taken on a mountain road, that is, a mountain road lower mode. Therefore, although it is required to output on an uphill occasionally, since a high regenerative current is expected to occur, the SOC of the battery 12 is kept low, for example, about 50 [%], and the regenerative current is maintained. So that the battery 12 can be fully charged.
[0114]
Finally, since the output of the motor 14 is high even in a region where the vehicle speed is low, it can be said that the region 64 is a traveling mode that climbs uphill on a mountain road, that is, a mountain road top mode. Therefore, although a regenerative current is generated on the occasional downhill, since it is predicted that the required current cannot be satisfied only by the current from the fuel cell 11, the SOC of the battery 12 is relatively high, for example, 70 [% The current can be supplied also from the battery 12 while maintaining the level.
[0115]
In the present embodiment, the SOC reference value of battery 12 is set according to the determined travel mode. Then, the operation of the fuel cell circuit 10 is controlled so that the actual measured value of the SOC of the battery 12 is within the range of the reference value.
[0116]
First, the hybrid circuit electronic control unit 20 determines the vehicle speed of the past 5 to 20 minutes, the accelerator opening θ (proportional to the torque to be generated by the motor 14), the current value supplied from the fuel cell 11 and the battery 12, Based on a change in numerical values such as SOC and the duration, it is determined whether the traveling mode of the vehicle up to the present time is a high-speed mode, a mountain road mode, a mountain road mode, or a city area mode. Then, the operation of the fuel cell circuit 10 is controlled by predicting that the determined travel mode is continued for 5 to 20 minutes after the current time.
[0117]
Here, the time for determining the travel mode can be set as appropriate, and may be, for example, the past 1 to 5 minutes or the past 20 to 40 minutes. In addition, the time for which the determined travel mode is predicted to be continued can be set as appropriate. For example, it may be 1 to 5 minutes after the current time or 20 to 40 minutes after the current time.
[0118]
The numerical value is directly measured by the hybrid circuit electronic control unit 20 or measured by another control device such as the vehicle electronic control unit 21.
[0119]
Further, when the vehicle is provided with a vehicle position detection device, for example, a navigation device, the current travel mode of the vehicle can be determined by the navigation device. Therefore, the hybrid circuit electronic control unit 20 Based on the information from the navigation device, it may be determined whether the current driving mode of the vehicle is the high speed mode, the mountain road upper mode, the mountain road lower mode, or the urban area mode.
[0120]
Subsequently, as shown in FIG. 8, the hybrid circuit electronic control unit 20 sets the SOC reference value of the battery 12 according to the determined current vehicle travel mode.
[0121]
First, in the case of the high-speed mode, for example, a range of ± 10 [%] around 75 [%], that is, 65 to 85 [%] is set as the SOC reference value. In the case of the mountain road mode, for example, 60 to 80 [%], in the case of the mountain road mode, for example, 40 to 60 [%], and in the city area mode, for example, 50 to 70, for example. [%] Is set as the SOC reference value.
[0122]
Then, when the SOC of the battery 12 at the present time is within the range of the reference value, the operation of the fuel cell circuit 10 is controlled as shown in FIG.
[0123]
In the high speed mode shown in FIG. 9A, when the vehicle speed is low, current is supplied from the fuel cell 11 and current is not supplied from the battery 12, so that the battery charge control circuit 15 and the battery discharge control circuit are supplied. The IGBTs 15a and 16a in 16 are turned off. When the vehicle speed is high, current is also supplied from the battery 12 when the required power exceeds the supply capacity of the fuel cell 11. Also at this time, the IGBTs 15a and 16a in the battery charge control circuit 15 and the battery discharge control circuit 16 are turned off.
[0124]
Next, in the mountain road mode shown in FIG. 9B, when the vehicle speed is low and the accelerator opening θ is also small, current is supplied from the battery 12 and current is not supplied from the fuel cell 11. The IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned off, and the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle. As a result, the output voltage of the battery 12 is boosted and becomes equal to or higher than the output voltage of the fuel cell 11, so that no current is supplied from the fuel cell 11.
[0125]
Note that when the vehicle speed is low but the accelerator opening θ is large, the vehicle speed is the same as when the vehicle speed is low, and when the vehicle speed is high, the vehicle speed is the same as when the vehicle speed is high.
[0126]
Next, in the mountain road lower mode shown in FIG. 9C, the numerical ranges of the vehicle speed and the accelerator opening θ are different, but the others are the same as in the mountain road upper mode.
[0127]
Finally, in the urban mode shown in FIG. 9 (d), when the vehicle speed is low and the accelerator opening θ is large, only the current is supplied from the battery 12 and the current is not supplied from the fuel cell 11. Others are the same as those in the above-described mountain road mode or mountain road mode.
[0128]
Next, the operation of the fuel cell circuit 10 when the current SOC of the battery 12 is outside the range of the reference value will be described.
[0129]
First, when the SOC of the battery 12 does not reach the lower limit of the reference value range, the battery 12 needs to be charged. The current value is set.
[0130]
When the sum of the charging current and the required current does not exceed the maximum supply current value (current value A in FIG. 5) of the fuel cell 11, a part of the current supplied from the fuel cell 11 is the battery. Used for 12 charging. In this case, the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned on.
[0131]
The current value from the fuel cell 11 and the current value of the charging current supplied to the battery 12 are measured by a current sensor 18 and are always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20. When the SOC of the battery 12 rises to the range of the reference value, when the value of the current supplied from the fuel cell 11 becomes the maximum supply current value, and through the inverter 13, the motor 14 When the value of the required current supplied to is large, the IGBT 15a is turned off. When the value of the current supplied to the battery 12 is excessive, the IGBT 15a is turned on / off by a switching signal having a predetermined period to control the value of the current flowing through the IGBT 15a.
[0132]
On the other hand, since the fuel cell 11 is not controlled at all, a current obtained by adding the charging current and the required current is supplied from the fuel cell 11.
[0133]
Next, when the sum of the charging current and the required current exceeds the maximum supply current value of the fuel cell 11, it is determined whether or not the required current exceeds the maximum supply current value of the fuel cell 11. .
[0134]
If not, charging of the battery 12 is stopped. In this case, the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned off. Since the fuel cell 11 is not controlled at all, a current equal to the required current is supplied from the fuel cell 11 to the motor 14 via the inverter 13.
[0135]
Next, when the required current exceeds the maximum supply current value of the fuel cell 11, the charging of the battery 12 is stopped, and the current is also supplied from the battery 12 to the motor 14. . In this case, the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned off, and the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle, thereby boosting the output voltage of the battery 12.
[0136]
The current value from the fuel cell 11 and the current value supplied from the battery 12 are measured by a current sensor 18 and are constantly checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always checked by the hybrid circuit electronic control unit 20. Then, the value of the current output from the battery 12 is controlled by controlling the on / off ratio (duty ratio) of the IGBT 16 a in the battery discharge control circuit 16.
[0137]
On the other hand, since the fuel cell 11 is not controlled at all, a current having a value obtained by subtracting the current from the battery 12 from the required current is supplied from the fuel cell 11.
[0138]
Next, when the SOC of the battery 12 exceeds the upper limit of the reference value range, it is determined whether or not the required current exceeds the maximum supply current value of the battery 12.
[0139]
If not, current is supplied from the battery 12 and current is not supplied from the fuel cell 11. In this case, the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned off, and the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle, thereby boosting the output voltage of the battery 12.
[0140]
The value of the current supplied from the battery 12 is measured by the current sensor 18 and is always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20.
[0141]
On the other hand, although the fuel cell 11 is not controlled at all, no current is output from the fuel cell 11 because the boosted output voltage of the battery 12 is higher than the open terminal voltage of the fuel cell 11.
[0142]
Next, when the required current exceeds the maximum supply current value of the battery 12, a current value supplied from the battery 12 is set. Then, current is supplied from the fuel cell 11 and the battery 12 to the motor 14. In this case, the IGBT 15a in the battery charge control circuit 15 is turned off, and the IGBT 16a in the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle, thereby boosting the output voltage of the battery 12.
[0143]
The current value from the fuel cell 11 and the current value supplied from the battery 12 are measured by a current sensor 18 and are always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20. Also, the voltage is always detected by the hybrid circuit electronic control unit 20. Then, the on / off ratio of the IGBT 16 a in the battery discharge control circuit 16 is controlled to control the value of the current output from the battery 12.
[0144]
On the other hand, since the fuel cell 11 is not controlled at all, a current having a value obtained by subtracting the current from the battery 12 from the required current is supplied from the fuel cell 11.
[0145]
As described above, in the present embodiment, the reference value of the SOC of the battery 12 is set according to the determined traveling mode, and the fuel value is set so that the actual measured value of the SOC of the battery 12 is within the range of the reference value. The operation of the battery circuit 10 is controlled. Therefore, since the battery 12 has an appropriate room for charging the regenerative current, the regenerative current, which is a secondary energy, can be used as much as possible without wasting it. The fuel of the battery 11 can be saved. And since it is not necessary to enlarge the capacity | capacitance of the battery 12 more than necessary, the weight and magnitude | size of the vehicle which accommodates the battery 12 can be reduced, and cost can be made low.
[0146]
Further, an appropriate current is supplied from the fuel cell 11 without any special control. Therefore, even when the required current exceeds the maximum supply current value of the fuel cell 11, since a shortage of current is supplied from the battery 12, the vehicle travel is not hindered.
[0147]
Further, even when the actual measured value of the SOC of the battery 12 does not fall within the range of the reference value, the distribution of the current output from the fuel cell 11 and the battery 12 can be appropriately controlled. The battery 12 will not rise.
[0148]
Next, a main flowchart of the control operation of the fuel cell device will be described.
Step S1: The vehicle speed is detected.
Step S2 The change in the vehicle speed is stored.
Step S3: Torque to be generated by the motor 14 is detected.
Step S4: The value of the current supplied from the battery 12 is detected.
Step S5: Calculate the SOC of the battery 12.
Step S6: The value of the current supplied from the fuel cell 11 is detected.
Step S7: Determine the travel mode of the vehicle.
Step S8: The reference value of the SOC of the battery 12 is set according to the driving mode of the vehicle.
Step S9: It is determined whether or not the detected SOC of the battery 12 is within the range of the reference value. If it is within the range, the process proceeds to step S11. If it is not within the range, the process proceeds to step S10.
Step S10: Perform processing outside the SOC reference range.
Step S11: The accelerator opening θ is detected.
Step S12 The outputs of the fuel cell 11 and the battery 12 are controlled according to FIGS. 9 (a) to 9 (d).
[0149]
Next, a flowchart of a subroutine for processing outside the SOC reference range in step S10 will be described.
Step S10-1: It is determined whether the detected SOC of the battery 12 is equal to or lower than the lower limit of the reference value range. In the following cases, the process proceeds to step S10-2, and in the other cases, that is, when the upper limit of the reference value range is exceeded, the process proceeds to step S10-7.
Step S10-2: Set the current value of the charging current.
Step S10-3: It is determined whether the sum of the charging current and the required current is less than the maximum supply current value of the fuel cell 11. If it is less, the process proceeds to Step S10-4. If it is not less, the process proceeds to Step S10-19.
Step S10-4 A part of the current supplied from the fuel cell 11 is used for charging the battery 12.
Step S10-5: The IGBT 15a of the battery charge control circuit 15 is turned on.
Step S10-6: The fuel cell 11 is not controlled at all, and supplies the total current of the charging current and the required current, and the process is terminated.
Step S10-7: It is determined whether the required current is less than the maximum supply current value of the battery 12. If it is less, the process proceeds to step S10-8. If it is not less, the process proceeds to step S10-11.
Step S10-8: Current is supplied from the battery 12, and no current is supplied from the fuel cell 11.
Step S10-9: The IGBT 16a of the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle, and the output voltage of the battery 12 is boosted.
Step S10-10 The fuel cell 11 is not controlled at all, and the process ends without supplying current.
Step S10-11: The current value of the current supplied from the battery 12 is set.
Step S10-12 In addition to the current from the battery 12, the current from the fuel cell 11 is also supplied to the motor 14.
Step S10-13: The current value of the current supplied from the battery 12 to the motor 14 is calculated.
Step S10-14 The IGBT 16a of the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal having a predetermined cycle, and the output voltage of the battery 12 is boosted.
Step S10-15 The fuel cell 11 is not controlled at all, and supplies a current having a value obtained by subtracting the current from the battery 12 from the required current, and the process is terminated.
Step S10-16: It is determined whether the required current is less than the maximum supply current value of the fuel cell 11. If it is less, the process proceeds to step S10-17, and if not, the process proceeds to step S10-20.
Step S10-17 Stop charging the battery 12.
Step S10-18 The IGBT 15a of the battery charge control circuit 15 is turned off.
Step S10-19 The fuel cell 11 is not controlled at all, and the requested current is supplied to end the process.
Step S10-20 Stop charging the battery 12.
Step S10-21 In addition to the current from the fuel cell 11, the current from the battery 12 is also supplied to the motor.
Step S10-22: Calculate the current value that the battery 12 supplies to the motor 14.
Step S10-23: The IGBT 16a of the battery discharge control circuit 16 is turned on / off by a switching signal of a predetermined period, and the output voltage of the battery 12 is boosted.
Step S10-24 The fuel cell 11 is not controlled at all, and the requested current is supplied to end the process.
[0150]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change variously based on the meaning of this invention, and does not exclude them from the scope of the present invention.
[0151]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the fuel cell device, the load and the fuel cell are directly connected, and the power storage means circuit including the power storage means is connected in parallel with the fuel cell, and the power storage The means supplies the current to the load when the current supplied by the fuel cell is smaller than the current required by the load, and is charged by the regenerative power generated at the load and the current output by the fuel cell. The
[0152]
In this case, even if the required current required by the load exceeds the maximum supply current value of the fuel cell, a shortage of current is supplied from the power storage means. Further, since the power storage means is appropriately charged by the regenerative current or the like, the power storage means does not rise.
[0153]
In another fuel cell device, a fuel cell device comprising: a fuel cell; a load connected to an output terminal of the fuel cell; and a storage means circuit connected in parallel to the fuel cell with respect to the load. The power storage means circuit includes a power storage means, a booster circuit that boosts an output voltage of the power storage means and supplies a current to the load, and supplies a current output from the fuel cell to the power storage means. A charging circuit for charging the vehicle and a running state detecting means for detecting the running state of the vehicle, and the booster circuit and the charging circuit are selected according to the running state of the vehicle detected by the running state detecting means. Operate automatically.
[0154]
In this case, since the SOC of the power storage means can be appropriately controlled while having a simple circuit configuration, the regenerative current can be used as much as possible without wasting, and the fuel cell fuel can be saved. Can do. Moreover, it is not necessary to increase the capacity of the power storage means more than necessary. Further, a current corresponding to the required current is appropriately supplied from the fuel cell and the power storage means. Furthermore, since the power storage means is appropriately charged by the regenerative current or the like, the power storage means does not rise.
[0155]
In another fuel cell device, a fuel cell connected to a load, a storage means circuit connected in parallel to the fuel cell and the load, and a current from the storage means circuit is not supplied to the fuel cell In the fuel cell device including the diode elements arranged as described above, the power storage circuit includes a charging switching element and a boosting switching element connected in series with each other, and a reactor for the boosting switching element. Via a power storage means connected in parallel with each other, and a running state detecting means for detecting the running state of the vehicle, and according to the running state of the vehicle detected by the detecting means, the booster circuit and the charging circuit, Is activated selectively.
[0156]
In this case, since the SOC of the power storage means can be appropriately controlled while having a simple circuit configuration, the regenerative current can be used as much as possible without wasting, and the fuel cell fuel can be saved. Can do. In addition, since the output voltage of the power storage means can be appropriately boosted, a current corresponding to the required current is appropriately supplied from the power storage means. Furthermore, since the power storage means is appropriately charged by the regenerative current or the like, the power storage means does not rise.
[0157]
In still another fuel cell device, the load is a drive control device for a drive motor that drives the vehicle.
[0158]
In this case, although the circuit configuration is simple, the current corresponding to the required current is appropriately supplied from the fuel cell and the power storage means, so that the vehicle travel is not hindered.
[0159]
In still another fuel cell device, the booster circuit and the charging circuit are further controlled so that the SOC of the power storage means falls within a predetermined reference value range.
[0160]
In this case, since the distribution of the current output from the fuel cell and the power storage means can be appropriately controlled, there is no hindrance to the running of the vehicle, and the power storage means does not rise.
[0161]
In still another fuel cell device, the SOC reference value of the power storage means predicts the generation of a regenerative current according to the traveling state of the vehicle, and charges the power storage means with the regenerative current. Is set.
[0162]
In this case, since the SOC of the power storage means can be controlled more appropriately according to the driving mode of the vehicle, the regenerative current can be used as much as possible without wasting it at all, and the fuel cell fuel can be further saved. Can do.
[0163]
In still another fuel cell device, the power storage means is a circuit including a secondary battery and a capacitor.
[0164]
In this case, by appropriately controlling the distribution of the current output from the secondary battery and the capacitor and the distribution of the current charged in the secondary battery and the capacitor, the deterioration of the secondary battery and the capacitor can be prevented. In addition, the current required by the load can be output promptly and appropriately.
[0165]
In still another fuel cell device of the present invention, the power storage means is a capacitor.
[0166]
In this case, the current required by the load can be output quickly. Further, the weight of the power storage means and the occupied volume can be reduced.
[0167]
In still another fuel cell device of the present invention, the power storage means is a secondary battery.
[0168]
In this case, the storage capacity of the storage means can be easily increased.
[0169]
According to the present invention, in a control method for a fuel cell device, a fuel cell having both terminals connected to a load, a booster circuit, a charging circuit, and a power storage unit, and a power storage unit circuit connected in parallel to the fuel cell And controlling a current charged to the power storage means and a current supplied from the power storage means to the load.
[0170]
In this case, even if the required current requested by the load exceeds the maximum supply current value of the fuel cell, a shortage of current is supplied from the battery, so there is no hindrance to vehicle travel. . In addition, since the battery is appropriately charged, the battery will not rise.
[0171]
In another control method for the fuel cell device, the running state of the vehicle is further determined based on the latest past vehicle speed, accelerator opening θ, and the like.
[0172]
In this case, since the current travel mode is determined based on the latest past travel mode, the reliability is improved.
[0173]
In still another fuel cell device control method, the traveling state is further determined based on information from the vehicle position detection device.
[0174]
In this case, since the traveling state can be determined in real time, the determination reliability is extremely high.
[0175]
In still another fuel cell device control method, an SOC reference value of the electricity storage means is set in accordance with the determined running state, and the SOC of the electricity storage means falls within the reference value range. Thus, the current charged to the power storage means and the current supplied from the power storage means to the load are controlled.
[0176]
In this case, since the SOC of the power storage means can be controlled appropriately, the regenerative current can be used as much as possible without wasting it, and the fuel in the fuel cell can be saved. Moreover, since it is not necessary to increase the capacity of the power storage means more than necessary, the weight and size of the vehicle housing the power storage means can be reduced, and the cost can be reduced.
In still another fuel cell device control method, the SOC reference value of the power storage means predicts the occurrence of a regenerative current according to the running state, and charges the power storage means with the regenerative current. It is set to be possible.
[0177]
In this case, since the SOC of the power storage means can be controlled more appropriately according to the driving mode of the vehicle, the regenerative current can be used as much as possible without wasting it at all. Can be saved.
[0178]
In still another fuel cell device control method, the power storage means is a circuit including a secondary battery and a capacitor.
[0179]
In this case, the secondary battery and the capacitor can be prevented from deteriorating by appropriately controlling the distribution of the current output from the secondary battery and the capacitor and the distribution of the current charged in the secondary battery and the capacitor. In addition, the current required by the load can be output promptly and appropriately.
[0180]
In still another fuel cell device control method of the present invention, the power storage means is a capacitor.
[0181]
In this case, the current required by the load can be output quickly. Further, the weight of the power storage means and the occupied volume can be reduced.
[0182]
In still another fuel cell device control method of the present invention, the power storage means is a secondary battery.
[0183]
In this case, the storage capacity of the storage means can be easily increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a conventional fuel cell device.
FIG. 3 is a diagram showing characteristics of a fuel cell and a battery in a conventional fuel cell circuit.
FIG. 4 is a diagram showing an example in which a battery and an electric double layer capacitor are combined and used as power storage means.
FIG. 5 is a diagram showing characteristics of a fuel cell and a battery according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the operation of the fuel cell circuit 10 and the travel mode in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a basic concept of a control method for a fuel cell circuit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the SOC value of the battery in various travel modes according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing output ranges of the fuel cell and the battery in various travel modes according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a flowchart showing a control operation of the fuel cell circuit according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a first flowchart showing the operation of SOC out-of-range processing in the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a second flowchart showing the operation of the SOC out-of-range process in the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a third flowchart showing the operation of the SOC out-of-range process in the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Fuel cell
17 Reactor

Claims (6)

燃料電池と、
該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、
該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
蓄電手段と、
該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、
前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、
車速及びアクセル開度に基づいて車両の走行モードを検出する走行モード検出手段とを備え、
該走行モード検出手段により検出された前記車両の走行モードに応じて、前記蓄電手段のSOCが走行モードに対応して設定される基準値の範囲内に収まるように、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell;
A load connected to the output terminal of the fuel cell;
In the fuel cell device comprising a storage means circuit connected in parallel to the fuel cell for the load,
The power storage means circuit includes:
Power storage means;
A booster circuit that boosts the output voltage of the power storage means and supplies current to the load;
A charging circuit for supplying the current output from the fuel cell to the power storage means to charge the power storage means;
A traveling mode detection means for detecting a running mode of the vehicle based on the vehicle speed and the accelerator opening,
The boosting circuit and the charging circuit so that the SOC of the power storage means falls within a reference value range corresponding to the driving mode according to the driving mode of the vehicle detected by the driving mode detecting means. Are selectively operated. A fuel cell device characterized in that
負荷に接続された燃料電池と、
燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、
該蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、
前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、
車速及びアクセル開度に基づいて車両の走行モードを検出する走行モード検出手段とを備え、
該走行モード検出手段により検出された前記車両の走行モードに応じて、前記蓄電手段のSOCが走行モードに対応して設定される基準値の範囲内に収まるように、前記充電用スイッチング素子と前記昇圧用スイッチング素子とを選択的に作動させることを特徴とする燃料電池装置。
A fuel cell connected to the load;
A storage means circuit connected in parallel to the load with the fuel cell,
In a fuel cell device comprising a diode element arranged so that current from the power storage means circuit is not supplied to the fuel cell,
The power storage means circuit includes:
A charging switching element and a boosting switching element connected in series with each other;
Power storage means connected in parallel via a reactor to the boosting switching element;
A traveling mode detection means for detecting a running mode of the vehicle based on the vehicle speed and the accelerator opening,
According to the running mode of the vehicle detected by the traveling mode detection means, wherein as the SOC of power storage means falls within the range of the reference value set corresponding to the running mode, the said charge switching element A fuel cell device characterized by selectively operating a boosting switching element.
前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である請求項1又は2に記載の燃料電池装置。The fuel cell device according to claim 1, wherein the load is a drive control device of a drive motor that drives a vehicle. 前記蓄電手段は、2次電池及びコンデンサを含む回路である請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池装置。It said storage means is a fuel cell device according to any one of claims 1 to 3, which is a circuit including a secondary battery and a capacitor. 前記蓄電手段は、コンデンサである請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池装置。The fuel cell device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the power storage means is a capacitor. 前記蓄電手段は、2次電池である請求項1〜のいずれか1項に記載の燃料電池装置。It said storage means is a fuel cell device according to any one of claims 1 to 3 which is a secondary battery.
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