JP2018073677A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】本発明は、燃料電池11と燃料電池11と並列に接続された二次電池16とを備えた燃料電池システム10であって、燃料電池11から二次電池16へ電力を充電し、二次電池16の充電許可電力P16pに制限か掛かった場合、二次電池16は、制限が掛かる前の二次電池16の電力よりも高く、充電許可電力P16pよりも高い電力で充電される、ことを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池システムの電力制御方法に関するものであり、特に、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムに関する。
燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があり、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することが行われている。
特許文献1には、振幅を周期的に変化させた交流電流を燃料電池に印加し、前述の交流インピーダンス法によって、燃料電池のインピーダンスを測定することが開示されている。
前述の交流インピーダンス法によると、燃料電池の電流振幅が周期的に変化するので、それに伴って、二次電池の電流振幅及び電力振幅も周期的に変化する。二次電池の電力振幅が周期的に変化し二次電池の充電許可電力を超過すると、二次電池が劣化するという問題があった。例えば、リチウムイオンニ次電池の場合、Li(リチウム)が析出して二次電池が劣化する。
尚、明細書中、充電許可電力を超過するとは、二次電池の電力が充電許可電力以下となることとする。また、充電許可電力が超過しないとは、二次電池の電力が充電許可電力よりも高くなることとする。
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムの電力制御方法を提供することを目的とする。
本発明は、
燃料電池と前記燃料電池と並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記二次電池へ電力を充電し、前記二次電池の充電許可電力に制限か掛かった場合、
前記二次電池は、前記制限が掛かる前の前記二次電池の電力よりも高く、前記充電許可電力よりも高い電力で充電される、
ことを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、二次電池は、充電許可電力よりも高い電力で充電されるので、二次電池に掛かる負荷を低減し、二次電池が劣化することを抑制することができる。
燃料電池と前記燃料電池と並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記二次電池へ電力を充電し、前記二次電池の充電許可電力に制限か掛かった場合、
前記二次電池は、前記制限が掛かる前の前記二次電池の電力よりも高く、前記充電許可電力よりも高い電力で充電される、
ことを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、二次電池は、充電許可電力よりも高い電力で充電されるので、二次電池に掛かる負荷を低減し、二次電池が劣化することを抑制することができる。
本発明によれば、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。
[実施形態]
先ず、実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図1は、実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。
先ず、実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図1は、実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。
図1に示すように、実施形態に係る燃料電池システム10は、燃料電池11とFDC(Fuel cell Direct current Converter)12とPCU(Power control Unit)13とエアーコンプレッサ14と回転電機15aと回転電機15bと二次電池16とコントローラ17とを備える。FDC12は、燃料電池11とPCU13との間に設けられ、PCU13は、FDC12と二次電池16との間に設けられる。燃料電池11と二次電池16とは並列に接続される。FDC12は、燃料電池11のインピーダンスを測定するため、燃料電池11に交流電流を印加する。
尚、二次電池を二次バッテリーと称することもある。また、二次電池は、充放電可能な電池であり、例えば、リチウム二次電池である。エアーコンプレッサ14は、ACP(Air ComPressor)と称することもあり、回転電機は、MG(Moter Generator)と称することもある。
燃料電池11は、複数の燃料電池セルを積層して構成される。複数の燃料電池セルのそれぞれのアノード電極には、水素を含有するアノードガス(燃料ガス)が供給され、燃料電池セルのカソード電極には、酸素を含有するカソードガス(酸化剤ガス)が供給される。そして、アノードガスとカソードガスとが反応して電力が発生する。
FDC12は、昇圧IPM(Intelligent Power Module)121とダイオードD1とコンデンサC1とコンデンサC2とを有する。昇圧IPM121は、入力された電圧V11を昇圧する。昇圧IPM121は、燃料電池11の電圧変換を行う。昇圧IPM121からPCU13へ繋がる回路には、二次電池16からの電流が燃料電池11に流れるのを防ぐためのダイオードD1が設けられる。昇圧IPM121の入力側には、燃料電池11から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサC1が設けられる。昇圧IPM121の出力側には、昇圧IPM121から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサC2が設けられる。
PCU13は、IPM(Intelligent Power Module)131と昇圧IPM132とリアクトルL1とコンデンサC3とコンデンサC4とを有する。IPM131は、昇圧IPM121及び昇圧IPM132とそれぞれ直列に接続される。昇圧IPM132は、昇圧IPM121と並列に接続される。
IPM131は、昇圧IPM132の出力電圧である電圧VH(Voltage high)を、ACP14、回転電機15a及び回転電機15bのそれぞれに必要とされる電圧に変換し供給する。昇圧IPM132は、二次電池16の充電中は、電圧VHを電圧VL(Voltage Low)に変換して二次電池16に供給する。昇圧IPM132は、二次電池16の放電中は、電圧VLを電圧VHに変換する。
IPM131の入力側には、昇圧IPMから出力される電圧を平滑化するためのコンデンサC3が設けられる。昇圧IPM132の入力側には、二次電池16から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサC4が設けられる。また、コンデンサC1、コンデンサC3及びコンデンサC4には、各コンデンサの電圧を検出する電圧センサ(不図示)がそれぞれ設けられている。
ACP14は、IPM131から供給された電力に応じて回転電機15a及び回転電機15bを駆動させ、また、発電に使用する酸素(空気)を燃料電池11に供給する。
回転電機15aは、例えば、車両の車輪を駆動するモータである。IPM131から供給された電力により、回転電機15aが動作する。回転電機15bは、回転電機15aとは別の回転電機である。回転電機15bも回転電機15aと同様に、IPM131から供給された電力により動作する。
コントローラ17は、その内部に信号処理を行うCPUと、プログラムや制御データを格納する記憶部と、を有する。コントローラ17は、燃料電池11、昇圧IPM121、IPM131、昇圧IPM132、エアーコンプレッサ14、回転電機15a、回転電機15b及び二次電池16にそれぞれ接続され、それらを制御する。コンデンサC1、C3及びC4の電圧センサ(不図示)は、それぞれがコントローラ17に接続される。各電圧センサの検出信号がコントローラ17に入力されるように接続される。
燃料電池11から二次電池16へ電力を充電し、後述する二次電池16の充電許可電力P16pに制限か掛かった場合、二次電池16は、制限が掛かる前の二次電池16の電力よりも高く、充電許可電力P16pよりも高い電力で充電されることを要求する。また、燃料電池11は、要求された電力で二次電池16を充電する。この要求は、コントローラ17を介して行われてもよい。
図2は、実施形態に係る燃料電池システムのコントローラを例示するブロック図である。
図3は、実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの制御フローを例示するフローチャートである。
図3は、実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの制御フローを例示するフローチャートである。
図2に示すように、コントローラ17は、処理部170を有する。処理部170は、第1演算171と第2演算172とを有する。処理部170は、実施形態に係る燃料電池システム10の電力制御方式に関する演算を行う。そして、処理部170の出力であって後述する補正電力P16hにより、充電要求電力P16rを補正する。
図2及び図3に示すように、先ず、FDC12が燃料電池11に周波数fの交流電流を印加して、燃料電池11のインピーダンスZ11を測定する(ステップS101)。次に、燃料電池11の出力端での電流振幅値I11を求める(ステップS102)。具体的には、コンデンサC1の電圧センサの値を燃料電池11の電圧V11とした場合、電流振幅値I11は、電圧V11をインピーダンスZ11で割った値である。尚、電流振幅値を、単に、電流と称することもある。
コンデンサのインピーダンスは、コンデンサの容量及び周波数から求めることができる。また、リアクトルのインピーダンスは、リアクトルのインダクタンス及び周波数から求めることができる。よって、燃料電池11の出力端の電流振幅値I11と周波数fが分かれば、それらと、リアクトルL1、コンデンサC1〜C4、抵抗のインピーダンスから、電気回路的に、二次電池16の端での電流振幅値I16を推定することができる。
このようにして、第1演算171において、周波数f、燃料電池11の電流振幅値I11を引数として、二次電池16の充電時における電流振幅値I16を推定する(ステップS103)。
次に、二次電池16の電流振幅値I16から二次電池16の電力P16を求める(ステップS104)。具体的には、コンデンサC4の電圧センサの値を二次電池16の電圧V16とした場合、電力P16は、電圧V16と推定した電流振幅値I16とを掛け算した値である。
次に、二次電池16の電力P16と二次電池16の充電許可電力P16pとに基づいて、二次電池16の偏差電力P16sを求める(ステップS105)。二次電池の偏差電力P16sは、二次電池16の充電許可電力P16pから二次電池16の電力P16を引いた値である。充電許可電力P16pとは、二次電池16に対して充電を許可する電力である。二次電池16は、充電許可電力P16pよりも小さな電力で充電した場合、劣化する。二次電池16は、充電許可電力P16pよりも大きな電力で充電することが好ましい。
次に、第2演算172において、二次電池16の電力P16と二次電池16の電流振幅値I16と二次電池16の偏差電力P16sとに基づいて、二次電池16の補正電力P16hを求める(ステップS106)。二次電池16の電力P16が、二次電池16の充電許可電力P16pよりも大きな電力となるように、補正電力P16hを求める。第2演算172からは、補正電力P16hが出力される。
次に、二次電池16の補正電力P16hにより、二次電池16の充電要求電力P16rを補正した補正後充電要求電力P16tを求める(ステップS107)。具体的には、補正後充電要求電力P16tは、充電要求電力P16rから補正電力P16hを引いた値である。
次に、駆動モータ要求電力Pmとエアーコンプレッサ駆動電力Paと燃料電池補機駆動電力Pfと補正後充電要求電力P16tとに基づいて、燃料電池11に対する要求電力P11rを求める(S108)。具体的には、燃料電池11に対する要求電力P11rは、駆動モータ要求電力Pmとエアーコンプレッサ駆動電力Paと燃料電池補機駆動電力Pfと補正後充電要求電力P16tとを加算した値である。
実施形態に係る燃料電池システムの効果について説明する。
図4(A)は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の発電電力を例示するグラフである。図4(A)の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の発電電力を示す。
図4(B)は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の電流を例示するグラフである。図4(B)の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の電流を示す。
図4(C)は、実施形態に係る燃料電池システムの二次電池の電力及び充電許可電力を例示するグラフである。図4(C)の横軸は時間を示し、縦軸は二次電池の電力及び充電許可電力を示す。
図4(A)は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の発電電力を例示するグラフである。図4(A)の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の発電電力を示す。
図4(B)は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の電流を例示するグラフである。図4(B)の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の電流を示す。
図4(C)は、実施形態に係る燃料電池システムの二次電池の電力及び充電許可電力を例示するグラフである。図4(C)の横軸は時間を示し、縦軸は二次電池の電力及び充電許可電力を示す。
図4(A)〜図4(C)に実施形態とその比較例を示す。比較例に係る燃料電池システムは、図2に示す処理部170が無く、それに伴って図3に示すステップS103、ステップS105、ステップS106及びステップS107が無い。
図4(C)に示すように、時刻Twにおいて、二次電池16の充電許可電力P16pが、階段状に電力ΔPだけ増加する場合について説明する。
尚、電力ΔPだけ増加することを、充電許可電力P16pが制限されると称することもある。
尚、電力ΔPだけ増加することを、充電許可電力P16pが制限されると称することもある。
時刻Twにおいて充電許可電力P16pが電力ΔPだけ増加すると、二次電池16の充電許可電力P16pから電力P16を引いた値である二次電池の偏差電力P16sは、電力ΔPだけ増加する。
この増加した電力ΔPに応じて、処理部170(第2演算172)から出力される補正電力P16hも変化する。電力ΔPの増加に伴って、補正電力P16hは、電力ΔPhだけ増加する。ただし、補正電力P16hの変化量を電力ΔPhとした。
二次電池16の充電要求電力P16rから補正電力P16hを引いた値である補正後充電要求電力P16tは、電力ΔPhだけ減少する。補正後充電要求電力P16tが電力ΔPhだけ減少するので、駆動モータ要求電力Pmとエアーコンプレッサ駆動電力Paと燃料電池補機駆動電力Pfと補正後充電要求電力P16tとを加算した値である燃料電池11に対する要求電力P11rは、電力ΔPhだけ減少する。すなわち、燃料電池11に対する要求電力P11rは、電力ΔPhだけ低下する。
従って、図4(A)に示すように、時刻Tw以降において、実施形態に係る燃料電池11の発電電力は、比較例に係る燃料電池の発電電力よりも低下する。同様に、図4(B)に示すように、時刻Tw以降において、実施形態に係る燃料電池11の電流振幅値I11は、比較例に係る燃料電池の電流よりも低下する。
図4(C)に示すように、時刻Tw以降において、実施形態に係る二次電池16の電力P16は、比較例に係る二次電池の電力よりも高くなる。比較例に係る二次電池の電力は、領域S1及び領域S2に示すように、充電許可電力P16pよりも低い場合がある。実施形態に係る二次電池16の電力P16は、充電許可電力P16pよりも高く、領域S1及び領域S2のような充電許可電力P16pよりも低い場合がなく、比較例と比べて改善している。
実施形態に係る燃料電池システムにおいては、二次電池16の電力P16が大きい場合、二次電池16の充電許可電力P16pが制限される(上昇する)と予測し、充電要求電力P16rに補正電力P16hを上乗せする。
これにより、二次電池16の電力P16の充電許可電力P16pに対する超過量が低減し、二次電池16に掛かる負荷を低減することができる。その結果、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
また、実施形態によれば、二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、リチウムの析出を抑制し、二次電池の劣化を抑制することができる。
また、二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、その他の充放電可能な二次電池を使用することも可能である。
また、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
10…燃料電池システム 11…燃料電池 12…FDC 13…PCU 14…エアーコンプレッサ 15a、15b…回転電機 16…二次電池 17…コントローラ 121、132…昇圧IPM 131…IPM 170…処理部 171…第1演算 172…第2演算 C1、C2、C3、C4…コンデンサ D1…ダイオード f…周波数 I11、I16…電流振幅値 L1…リアクトル P11r…要求電力 P16…電力 P16h…補正電力 P16p…充電許可電力 P16r…充電要求電力 P16s…偏差電力 P16t…補正後充電要求電力 Pa…エアーコンプレッサ駆動電力 Pf…燃料電池補機駆動電力 Pm…駆動モータ要求電力 Tw…時刻 V11、V16、VH、VL…電圧 Z11、Z16…インピーダンス ΔP…電力 ΔPh…電力 S1、S2…領域
Claims (1)
- 燃料電池と前記燃料電池と並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記二次電池へ電力を充電し、前記二次電池の充電許可電力に制限か掛かった場合、
前記二次電池は、前記制限が掛かる前の前記二次電池の電力よりも高く、前記充電許可電力よりも高い電力で充電される、
ことを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016213414A JP2018073677A (ja) | 2016-10-31 | 2016-10-31 | 燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016213414A JP2018073677A (ja) | 2016-10-31 | 2016-10-31 | 燃料電池システム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018073677A true JP2018073677A (ja) | 2018-05-10 |
Family
ID=62114473
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016213414A Pending JP2018073677A (ja) | 2016-10-31 | 2016-10-31 | 燃料電池システム |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018073677A (ja) |
-
2016
- 2016-10-31 JP JP2016213414A patent/JP2018073677A/ja active Pending
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