JP2006236619A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池電源装置毎に燃料電池および蓄電手段の電流−電圧特性やマップデータを固体ごとにおのおの取得する必要性を廃することができるとともに、燃料電池や蓄電手段の特性が変化した場合でもそれに対応して反応ガスの供給を行うことができ、反応ガスを供給する手段に応答遅れが生じた場合でも、反応ガスの供給の過不足を防止することができる燃料電池電源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池２と蓄電手段としてのキャパシタ３とを並列に接続してなり、キャパシタ３の出力可能電力値に所定のゲインＮｃを乗算して補正した値と、燃料電池２の出力可能電力値との合計値が、消費する要求電力に一致するように、フィードバック制御を行い、燃料電池２に対して適正な発電要求電力を指令することを特徴とする燃料電池電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動車等に用いて有用な、燃料電池電源装置に関するものである。

従来から、燃料電池自動車の走行動力電源として、燃料電池（ＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＦＣ）と電気二重層キャパシタ等の蓄電手段（充電容量が確保できれば電気二重層でなくてもよく、また、二次電池でも良い。以下キャパシタとして記載する。）とを並列に組み合わせた、ハイブリッド型の燃料電池電源装置が知られている。このハイブリッド型の燃料電池電源装置は、走行用モータ等の負荷変動時に、燃料電池の過渡応答遅れによって燃料電池出力電力が不足する状態となった場合に、キャパシタに蓄えられたエネルギーによって燃料電池の出力電力の不足を補い、必要電力を安定して供給するものである。

また、上述したような燃料電池自動車を減速する場合には、モータ負荷を発電機として機能させて電力を回生することができ、キャパシタに、当該回生電力を回収することができる。この回生電力とは、モータ負荷が、その出力軸を外力により強制的に回転させられる場合に、当該モータから発生する逆起電力のことである。燃料電池自動車が回生する場合に得られる回生電力を、キャパシタに充電している間は、燃料電池への当該回生電力による電流の流入を防止する目的で、燃料電池をモータ負荷とキャパシタから切り離しておく必要があり、その具体的手段として一般には、燃料電池の正極とキャパシタとの間にダイオードを挿入する。

上述したような燃料電池電源装置では、キャパシタに流入あるいはキャパシタから流出する電力を考慮した燃料電池への発電要求電力を算出し、この発電要求電力に応じた量の反応ガスを燃料電池の正極および負極に供給しなければ、反応ガスの過不足が生じる場合がある。燃料電池においては、この反応ガスの供給が過多となった場合には燃料電池としての燃費が低下し、反応ガスの供給が不足した場合には、燃料電池の電解質膜の劣化が進行し、いずれの場合も、燃料電池本来の発電能力を発揮できなくなるという問題が生じる。

この問題を解決するために、特許文献１に記載されている燃料電池電源装置では、発電要求電力を、あらかじめ測定した、燃料電池の電流−電圧特性と、キャパシタの電流−電圧特性から求めた補正量や、これもあらかじめ求めたマップデータから算出された補正量を用いて、所定量増大または減少補正することによって、反応ガスの供給の過不足を防止している。
特開２００２−３０５０１１号公報

ところが、このような燃料電池電源装置では、燃料電池の電流−電圧特性と、キャパシタの電流−電圧特性や、マップデータから求めた定常的な補正量により、燃料電池に対する発電要求電力を所定量増大または減少させることによって、反応ガスの供給の過不足を防止するという構成になっている。このため、燃料電池やキャパシタ自体にもそれぞれの固体ごとに固有の特性があることに起因して、燃料電池電源装置毎に燃料電池およびキャパシタの電流−電圧特性やマップデータを固体ごとにおのおの取得する必要が生じて、それぞれの装置の製造に当たっての工数が増えて煩雑となり、それに加えて、それぞれの特性が変化した場合にはそれに対応して燃料電池に対する発電要求電力を変化させることができず、よって、反応ガスの適切な供給を行うことができないという問題点があった。

また、燃料電池電源装置の反応ガスを供給する手段に応答遅れが生じた場合には、前記発電要求電力に応じた反応ガスを供給できず、反応ガスの供給が不足して、燃料電池の電解質膜が劣化してしまう、あるいは、反応ガスの供給が過多となって、燃費が悪化するという問題点も生じた。
なおここで言う「応答遅れ」とは、前述した「過渡応答遅れ」とは違い、例えば図９に示すように、要求電力がステップ状に増加した場合に、前記特許文献１に記載した制御を行って、発電要求電力が増加した場合の燃料電池の出力可能電力（燃料電池の電解質膜を劣化させずに出力可能な電力）の、図９中破線に示すようなさらに微視的な応答遅れを指すものとする。前述した「過渡応答遅れ」は、図２に示すように、ステップ状に変化した要求電力に対する、燃料電池出力電力の過渡的な遅れである。このため、特許文献１においては要求電力がステップ状に増加した場合と、ステップ状に減少した場合の両方が問題となるが、本発明では、増加した場合のみ、反応ガスの供給の過不足が問題となる。

本発明は上述したところの課題を解決することを目的とするものであり、その目的は、燃料電池電源装置毎に燃料電池およびキャパシタの電流−電圧特性やマップデータを固体ごとにおのおの取得する必要性を廃することができるとともに、燃料電池やキャパシタの特性が変化した場合でもそれに対応して反応ガスの供給を行うことができ、反応ガスを供給する手段に応答遅れが生じた場合でも、反応ガスの供給の過不足を防止することができる燃料電池電源装置を提供することにある。

本発明に係る燃料電池電源装置は、燃料電池と蓄電手段とを並列に接続してなり、逐電手段の出力可能電力値に所定のゲインを乗算して補正した値と、燃料電池の出力可能電力値との合計値が、消費する要求電力に一致するように、フィードバック制御を行い、燃料電池に対して適正な発電要求電力を指令することを特徴とする。
ここで蓄電手段とは、キャパシタや二次電池等の蓄電可能な電源を指すものとする。

本発明に係る燃料電池電源装置によれば、フィードバック制御を行うことにより、反応ガスの供給の過不足をも考慮した前記発電要求電力を、燃料電池へ指令することができ、かつ、蓄電手段の出力状態に比例した補正を、燃料電池への発電要求電力に対して行うことにより、反応ガスの供給不足を解消して、燃料電池の電解質膜の劣化を防止することができる。

また、フィードバック制御を行うことにより、燃料電池や蓄電手段のそれぞれの電流−電圧特性ひいてはマップデータを測定する必要を廃し、工数を減らすことができるとともに、燃料電池や蓄電手段の電流−電圧特性の変化に左右されることなく、適正な発電要求電力を燃料電池に対して指令することができ、これによっても反応ガスの供給の過不足を解消することができる。

さらに、特許文献１に記載の制御は、厳密に言うと、燃料電池への発電要求電力を「電流」により制御しているため、あらかじめ取得した燃料電池および蓄電手段の電流−電圧特性あるいはマップデータを用いて発電要求電力の補正を行うにあたり、実際の電流−電圧特性との差異あるいは特性の変化により、発電要求電力の補正の誤差が大きくなるところ、本発明では、電力そのもので制御しているため、その誤差をなくすことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る燃料電池電源装置の一実施形態を示す概略構成図である。
図１中１で示す、燃料電池電源装置１は図示しない燃料電池自動車に搭載され、当該燃料電池自動車の駆動用電源として機能する。この燃料電池電源装置１は、水素と酸素を反応ガスとした化学反応により発電する燃料電池２（ＦＣ）と蓄電手段としてのキャパシタ３とを具えており、前記燃料電池２およびキャパシタ３は、駆動用モータ５やそれ以外の電装補機などの負荷に対して並列に接続され、当該負荷に対して電力を供給するべく機能する。

一方このような燃料電池自動車の減速時には、駆動用モータ５は発電機として機能し、当該燃料電池自動車の車体の運動エネルギーを電気エネルギーへと変換する回生を行い、当該電気エネルギーを前記キャパシタ３に回収する。燃料電池２の正極側とキャパシタ３との間にはダイオード４が挿入されているので、回生時における当該燃料電池２への回生による電流の流入を防止し、キャパシタ３のみに回生電力を回収することができる。

前記駆動用モータ５は、モータ制御装置６（インバータ）に接続され、当該モータ制御装置６は、燃料電池２およびキャパシタ３により供給される直流を三相交流に変換して、駆動用モータ５に供給して、制御を行う。前記燃料電池２に接続された燃料電池制御装置７は、前記燃料電池２に供給される反応ガスの圧力や流量、温度等の検出値から、燃料電池出力可能電力を把握し、それにより燃料電池出力可能電力を信号として、電源制御装置１１へ出力するとともに、電源制御装置１１より信号として受け取った発電要求電力をもとに、供給する反応ガスの流量等を制御している。

当該電源制御装置１１は、キャパシタ３の実際の出力電圧と、実際の出力電流等から、キャパシタ出力電力を算出するキャパシタ状態検出手段８と、算出したキャパシタ出力電力に所定のゲインを乗算して算出したキャパシタ出力可能電力と、前記燃料電池出力可能電力を合算した全体出力可能電力を算出する等の機能を持つ演算手段９と、図示しないアクセルペダルの踏み込み量などからの要求電力に全体出力可能電力を一致させるように制御する制御手段１０を具える。

この電源制御装置１１は、前記燃料電池制御装置７に接続され、前記燃料電池２に対する発電要求電力を前記燃料電池制御装置７へ信号として出力している。前記電源制御装置１１はマイクロコンピュータなどで構成され、当該マイクロコンピュータは図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを具える。ＲＡＭに格納されている各種データをもとに、ＲＯＭに格納されている制御プログラムや制御データによってＣＰＵは各種演算処理を行う。

なお本実施例に係る燃料電池自動車を駆動するためには、上述したような構成要素のほかに、アクセルペダルの踏み込み量などから要求電力を算出する手段や、燃料電池２の発電のための、燃料電池２の本体以外の周辺装置など、さまざまな構成要素を必要とするが、これらは技術常識であるため、ここでは説明を割愛する。

上述したような構成の燃料電池電源装置における、実際の電源制御について、以下に詳細に説明する。
図２は、本発明に係る燃料電池電源装置において要求電力がステップ状に変化した場合における、燃料電池とキャパシタの出力電力の推移を示す模式図である。
図２に示すように、燃料電池が前述した応答遅れの影響で、燃料電池出力電力が要求電力に対して不足する場合には、キャパシタ出力電力が、燃料電池出力電力の要求電力に対する不足分を補っている。

ここで、キャパシタ３の出力電力がゼロの場合は、発電要求電力を要求電力と等しくしても、反応ガスの供給に過不足は生じない。しかし、図２に示すように、キャパシタ３の出力電力が発生している場合に、燃料電池２に対して要求電力と等しい発電要求電力を指令した場合に、図示しない反応ガス供給系の応答遅れによる、反応ガスの供給不足、つまり、燃料電池２の出力可能電力よりも、燃料電池２の出力電力が大きくなる状態となり、燃料電池２の図示しない電解質膜の劣化が進行する場合がある。

燃料電池２において反応ガスの供給が過多となる場合は、反応ガスの燃費が悪くなる問題のみが発生するが、反応ガスの供給が不足する場合には、燃料電池２の電解質膜の劣化が進行し、燃料電池２本来の発電能力を発揮できなくなる場合がある。本発明における電源制御は、燃料電池２の出力可能電力と、キャパシタ３の出力可能電力との合計値である、全体出力可能電力を、要求電力に一致させるように、電源制御装置１１の制御手段１０において、フィードバック制御を行い、燃料電池制御装置７に対して適正な発電要求電力の指令を行うことを目的とする。その際、キャパシタ３の出力可能電力に所定のゲインを乗算して、実際の出力可能電力よりも少ないとみなし、燃料電池２の発電要求電力を実際よりも大きくすることで、燃料電池２における反応ガスの供給不足を解消する。

図３は、本発明に係る電源制御装置１１内の電源制御ブロックの一実施形態を示し、図４は、本発明に係る電源制御装置１１内の電源制御動作手順の一実施形態を示す。
以下、図３および図４を使用して、上述した所定の固定されたゲイン（以下固定ゲインと言う）を使用した電源制御について詳細に説明する。
図４の動作手順は繰り返し行われており、図４中での固定ゲインＮｃは０＜Ｎｃ＜１の関係を満たすものとするが、固定ゲインＮｃが０に近くなり、発電要求電力の増大補正が大きくなりすぎる場合は、反応ガスの供給過多となり、反対に固定ゲインＮｃが１に近くなり、発電要求電力の増大補正が小さくなりすぎる場合は、反応ガスの供給不足となるため、ここでは、固定ゲインＮｃを０．５として、固定ゲイン記憶手段に格納している。

図４中、ＳＴＥＰ１において、図３に示した、キャパシタ状態検出手段８にてキャパシタ３の出力可能電力を測定し取得する。ここで、燃料電池電源装置１の等価回路図を図８に示す。今回は測定したキャパシタ３の出力電流値Ｉｃと、キャパシタ３の出力電圧値Ｖｃを乗算したものをキャパシタ３の出力可能電力としているが、キャパシタ３の内部抵抗値Ｒｃ等を用いて算出したものを、キャパシタ３の出力可能電力としても良い。

図４中、ＳＴＥＰ２に示すように、図１中の演算手段９において、ＳＴＥＰ１で取得した、キャパシタ３の出力可能電力に、図３に示した固定ゲイン記憶手段から取り込んだ、固定ゲインＮｃ＝０．５を乗算する。ここで、前述したように、固定ゲインＮｃを１に近づけると発電要求電力の補正量は小さくなり、固定ゲインＮｃを０に近づけると、発電要求電力の補正量は大きくなる。

図４中、ＳＴＥＰ３に示すように、図１に示した演算手段９にて、前記ＳＴＥＰ２で補正したキャパシタ３の出力可能電力と、燃料電池制御装置７から送られてくる燃料電池２の出力可能電力とを合算し、その値を全体出力可能電力とする。

図４中、ＳＴＥＰ４に示すように、ＳＴＥＰ３で算出した全体出力可能電力と、図示しないアクセルペダルの踏み込み量から決まる要求電力が一致するように、例えばＰＩＤ制御により、燃料電池２に対する発電要求電力を算出する。

図４のＳＴＥＰ２において、固定ゲインＮｃをキャパシタ３の出力可能電力に乗算することで、キャパシタ３の出力可能電力は、実際のキャパシタ３の出力可能電力よりも小さいとみなされ、ＳＴＥＰ３の全体出力可能電力も実際よりも小さくなる。そして、要求電力に対する全体出力可能電力の差が大きくなることで、ＳＴＥＰ４にて算出される燃料電池２に対する発電要求電力は大きくなる。

その結果、燃料電池２の出力電力が要求電力に対して不足している場合、キャパシタ３の出力電力に比例した補正を、発電要求電力に対してできるとともに、要求電力が、燃料電池２の出力電力と等しい場合、つまり、キャパシタ３の出力電力がない場合では、発電要求電力を補正しない状態を維持することができる。

さらに、燃料電池２やキャパシタ３の特性が変化した場合でも、それらの特性の変化によって決定するキャパシタ３の出力可能電力により発電要求電力の補正量が決定されるので、燃料電池２やキャパシタ３の特性変化に対応した発電要求電力の補正を行うことができる。

図５は、本発明に係る電源制御装置１１内の、電源制御ブロックの他の実施形態を示し、図６は、本発明に係る電源制御装置１１内の、電源制御動作手順の他の実施形態を示す。さらに、図７は、この制御に使用する可変ゲインＮｖを算出するフローチャートを示す。
以下、図５〜図７を使用して、可変ゲインＮｖを使用した電源制御について詳細に説明する。
なお、図６に示した可変ゲインによる電源制御と、図４に示した固定ゲインによる電源制御の違いは、ＳＴＥＰ２における固定ゲイン記憶手段もしくは可変ゲイン記憶手段から取り込むゲインが固定であるか可変であるかの違いだけで、その他は同じである。そこで、図７に示した、可変ゲインＮｖを算出するフローチャートを、以下に説明する。図６に示した動作手順の繰り返しとは別に、図７のフローチャートは繰り返される。

図７中の、可変ゲインは、０＜Ｎｖ＜１の関係を満たすものとするが、可変ゲインが０に近く、発電要求電力の補正が大きく過ぎる場合は、反応ガスの供給が過多となり、反対に可変ゲインが１に近く、発電供給電力の補正が小さくなりすぎる場合は、反応ガスの供給が不足する。

図７に示す（１）において、図５に示した要求電力変化把握手段において要求電力の時間変化を、例えば、数１から算出する。

ここで、Ｐ１は要求電力の前回値、ｔ１は前回時間、Ｐ２は要求電力の今回値、ｔ２は今回時間とし、要求電力の変化（ｄＰ／ｄｔ）を算出する。要求電力の変化（ｄＰ／ｄｔ）が基準値Ｇ以上の場合には、（２）へ、基準値Ｇよりも小さい場合は（３）に分岐する。ここで、基準値Ｇとは、燃料電池２の劣化等がない理想状態での負荷変動時において、キャパシタ３の出力がない状態、つまり、燃料電池２のみで要求電力を供給可能な場合の、要求電力の変化値の、上限値のこととする。（請求項２の前段に相当）

図７中、（２）において、第一ゲインＮ１＝０．５とする。ただし、第一ゲインＮ１は０＜Ｎ１＜１の関係を満たすものとし、以下に述べる（３）で決定する第一ゲインＮ１よりも小さいものとする。

図７中、（３）において、第一ゲインＮ１＝０．９とする。ただし、第一ゲインＮ１は０＜Ｎ１＜１の関係を満たすものとし、上述した（２）で決定する第一ゲインＮ１よりも大きいものとする。

図７中、（４）において、キャパシタ３の出力可能電力が、基準値Ｐｃ以上の場合は、（５）へ、基準値Ｐｃより小さい場合には（６）へ分岐する。
ここで、基準値Ｐｃとは、要求電力に対する蓄電手段としてのキャパシタ３の出力可能電力の割合が小さい状態を表す、キャパシタ３の出力電力を要求電力で除した比率を示すものとし、例えば要求電力の１０％とする。（請求項２の後段に相当）

図７中、（５）において、第二ゲインＮ２＝０．４とする。ただし、第二ゲインＮ２は０＜Ｎ２＜１の関係を満たすものとし、以下に述べる（６）で決定するゲインＮ２よりも小さいものとする。

図７中、（６）において、第二ゲインＮ２＝０．８とする。ただし、第二ゲインＮ２は０＜Ｎ２＜１の関係を満たすものとし、上述した（５）で決定するゲインＮ２よりも大きいものとする。

図７中、（７）において、可変ゲインＮｖを数２から算出する。

図７中、（８）において、（７）で算出した可変ゲインＮｖを記憶手段に格納する。

以上述べたような、可変ゲインによる電源制御により、要求電力の変化が大きく、キャパシタ３の出力可能電力が大きい場合には、可変ゲインＮｖを小さくして補正量を大きくすることにより、燃料電池２に対する発電要求電力を大きくすることができ、反対に、要求電力の変化が小さく、キャパシタ３の出力可能電力が小さい場合には、可変ゲインＮｖを大きくして補正量を小さくすることにより、燃料電池２の発電要求電力をほぼ補正のない状態にすることができる。その結果、固定ゲインによる電源制御での効果に加え、燃料電池電源装置の状態に応じて、可変ゲインを調整することで、要求電力の変化が小さく、キャパシタ３の出力可能電力が小さい場合により発生しやすい、固定ゲインによる電源制御における反応ガスの供給過多をも解消することができ、これにより燃費を向上することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。

本発明は、アキシャルギャップ型回転電機のステータに用いて好適なものである。

本発明に係る燃料電池電源装置の一実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る燃料電池電源装置において要求電力がステップ状に変化した場合における、燃料電池とキャパシタの出力電力の推移を示す模式図である。 本発明に係る電源制御装置１１内の電源制御ブロックの一実施形態を示しブロック図である。 本発明に係る電源制御装置１１内の電源制御動作手順の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明に係る電源制御装置１１内の、電源制御ブロックの他の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る電源制御装置１１内の、電源制御動作手順の他の実施形態を示すフローチャートである。 可変ゲインＮｖを算出するフローチャートを示す。 本発明に係る燃料電池電源装置の等価回路である。 本発明が解決しようとする応答遅れの類型を示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料電池電源装置
２ 燃料電池
３ キャパシタ
４ ダイオード
５ 駆動用モータ
６ モータ制御装置
７ 燃料電池制御装置
８ キャパシタ状態検出手段
９ 演算手段
１０ 制御手段
１１ 電源制御装置

Claims (2)

1. 燃料電池と蓄電手段とを並列に接続してなり、蓄電手段の出力可能電力値に所定のゲインを乗算して補正した値と、燃料電池の出力可能電力値との合計値が、消費する要求電力に一致するように、フィードバック制御を行い、燃料電池に対して適正な発電要求電力を指令することを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記要求電力の変化度合と、前記蓄電手段の出力可能電力値に応じて前記ゲインを変化させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
   
   

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