JP7487125B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
図1に示すように、燃料電池フォークリフト10の車体11の前側下部には駆動輪(前輪)12aが設けられ、車体11の後側下部には操舵輪(後輪)12bが設けられている。マスト13が車体11の前部に立設されている。マスト13は車体11に対して前後に傾動可能に支持された左右一対のアウタマスト13aと、これにスライドして昇降するインナマスト13bとからなる。各アウタマスト13aの後部にはリフトシリンダ14が配設されている。インナマスト13bの内側にはフォーク15を備えたリフトブラケット16が昇降可能に支持されている。そして、リフトシリンダ14の伸縮作動によりフォーク15がリフトブラケット16とともに昇降される。
次に、図2を用いて燃料電池システム22と車両システム30について説明する。
次に、このように構成した燃料電池フォークリフト10の作用について説明する。
図4において、燃料電池システム側ECU36はステップS1において起動信号の入力により起動を開始してステップS2において燃料電池スタック31とDC/DCコンバータ37との間に設けたリレーコンタクト35を接続する(閉じる)前か否か判定する。燃料電池システム側ECU36はリレーコンタクト35を接続する(閉じる)前であると、ステップS3に移行する。燃料電池システム側ECU36はステップS3において、下記式(1)により、その時の端子電圧検出器39により検出した、起動直後のキャパシタ38の端子電圧V0(図3(a)~(e)におけるt0のタイミングでのキャパシタ端子電圧V0)を、初期のキャパシタ38の開回路電圧Vocとして取得する。
具体的には、上記式(1)のように起動直後のキャパシタ38の端子電圧V0を測定し、初期のキャパシタ38の開回路電圧Vocとして内部バッファ36a(図2参照)へ保存する。
燃料電池システム側ECU36はステップS2においてリレーコンタクト35を接続した後であると、ステップS4に移行して充放電電流検出器40により検出したキャパシタ38の充電電流Iの積算値を取得した後にステップS5に移行する。
上記式(2)において、C、∫Idt、Ven、Vstは、以下のとおりである。
C:キャパシタ38の静電容量
∫Idt:充電中の電流Iについての時間積分値
Ven:充電終了時の電圧(図3(a)~(e)におけるt2のタイミングでのキャパシタ端子電圧V2)
Vst:充電開始時の電圧(図3(a)~(e)におけるt1のタイミングでのキャパシタ端子電圧V1)
具体的には、キャパシタ38の静電容量Cを測定すべく、起動時にキャパシタ充電シーケンス時に燃料電池スタック31による定電力発電(一定の電力を発生し続けるように発電制御された状態)によるキャパシタ38の充電時において、上記式(2)のように充電側の電流及び端子電圧を測定する。つまり、図3(a)~(e)でのt1~t2の期間において、下記式(2a)において充電前後のキャパシタ38の電荷量の差ΔQは充電中の電流Iについての時間積分値に等しいことから、充電開始時の電圧Vstと充電終了時の電圧Venと、充電中の電流Iについての時間積分値∫Idtから、上記式(2)により静電容量Cを算出する。
このとき、キャパシタ電流が60A以下となるような電力で発電させることが望ましく、なおかつキャパシタ端子電圧が中心電圧3.1~3.2V/セル程度の値を用いることが望ましい。キャパシタ電流を60A以下とすることが望ましいのは、燃料電池スタック31が一定の低電力出力にすることで精度良い測定が可能となるためである。
上記式(3)において、R、Ven、Vaf、Ienは、以下のとおりである。
R:キャパシタ38の内部抵抗
Ven:遮断前の電圧(図3(a)~(e)におけるt2のタイミングでのキャパシタ端子電圧V2)
Vaf:遮断後の電圧(図3(a)~(e)におけるt2のタイミング以降のキャパシタ端子電圧V3)
Ien:充電終了前(遮断前)の電流(図3(a)~(e)におけるt2のタイミングでのキャパシタ電流I2)
具体的には、内部抵抗Rを測定すべく、上記キャパシタ充電シーケンス終了時の充電終了時(電流遮断時)の電圧変位、即ち、遮断前の電圧Venと遮断後の電圧Vafの差(Ven-Vaf)、及び、充電終了前(遮断前)の電流Ienから、下記式(3a)のようにオームの法則から内部抵抗Rを測定する。
そして、算出した内部抵抗Rを内部バッファ36aへ保存する。
このとき、内部抵抗には、図6に示したように、温度依存性があり、低温域では誤差が大きくなるため、内部抵抗の計測はセル温度が20°C以上の条件で行い、セル温度が20°C未満のときは内部バッファ36aへ保存された前回値を使用する。即ち、キャパシタの劣化が進むほど静電容量が小さくなるとともに内部抵抗が大きくなる。そのために、内部抵抗を安定して測定することができる20℃以上とすることにより、適切に劣化度を測定することが可能となる。
上記式(4a)において、V100s、Vmax、ΔIRiaは、以下のとおりである。
Vmax:キャパシタ38の最大電圧
ΔIRia:初期の平均的なIRドロップ
V0s=Vmin+ΔIRia…(4b)
上記式(4b)において、V0s、Vmin、ΔIRiaは、以下のとおりである。
Vmin:キャパシタ38の最小電圧
ΔIRia:初期の平均的なIRドロップ
燃料電池システム側ECU36は、ステップS11において、下記式(4c)及び下記式(4d)により、現在のSOC100%電圧V100n及び現在のSOC0%電圧V0nを演算する。
上記式(4c)において、V100n、V100s、αは、以下のとおりである。
V100n:現在のSOC100%電圧
V100s:初期のSOC100%電圧
α:内部抵抗劣化度
V0n=V0s×α…(4d)
上記式(4d)において、V0n、V0s、αは、以下のとおりである。
V0s:初期のSOC0%電圧
α:内部抵抗劣化度
ただし、内部抵抗劣化度αは、下記式(4e)により、算出する。
上記式(4e)において、α、Rim、Riiは、以下のとおりである。
α:内部抵抗劣化度
Rim:測定した内部抵抗(上記式(3)で求めた値)
Rii:初期の内部抵抗(既知)
このように、キャパシタ38のSOCが100%のときの現在のキャパシタ38の端子電圧、及び、キャパシタ38のSOCが0%のときの現在のキャパシタ38の端子電圧を上記式(4a),(4b),(4c),(4d)により演算する。このとき、キャパシタ38の最大電圧Vmax、最小電圧Vmin、初期の温度別内部抵抗、平均的なIRドロップは予め決められており、既知である。また、V100s値、V100n値、V0s値、V0n値は、キャパシタのSOCに対応する電圧であり、最大のSOCの時の電圧と、最小のSOCの時の電圧である。
上記式(5a)において、Q0、V0、Cは、以下のとおりである。
Q0:初期の電荷量
V0:起動直後のキャパシタ38の端子電圧(上記式(1)で求めた開回路電圧Voc)
C:キャパシタ38の静電容量(上記式(2)で求めた値)
そして、燃料電池システム側ECU36は、これに対し電流の時間積分値を加算して下記式(5b)のように現在の電荷量Qnを算出する。
上記式(5b)において、Qn、Q0、∫Idtは、以下のとおりである。
Qn:現在の電荷量
Q0:上記式(5a)で算出した初期の電荷量
∫Idt:充放電中の電流Iについての時間積分値
つまり、電荷量の変化量は、∫Idtなので、現在の電荷量Qnは、V0×C+∫Idtとなる。
上記式(6a)において、Q100、V100n、Cは、以下のとおりである。
Q100:SOC100%の電荷量
V100n:上記式(4c)で算出した現在のSOC100%電圧
C:上記式(2)で測定した静電容量
Q0=V0n×C…(6b)
上記式(6b)において、Q0、V0n、Cは、以下のとおりである。
V0n:上記式(4d)で算出した現在のSOC0%電圧
C:上記式(2)で測定した静電容量
このように、SOCの0%となる電荷量及びSOCの100%となる電荷量を決定する。詳しくは、上記式(4a)におけるキャパシタ38の最大端子電圧(スペック値)と電圧降下分(設計値)と、上記式(4c)におけるキャパシタ38の内部抵抗の劣化度から、キャパシタ38のSOCが100%のときの現在のキャパシタ38の端子電圧を決定する。電圧降下分(設計値)は、初期の温度別内部抵抗の値(スペック値)からサイクルパターン等で得られる平均的な初期の電流・抵抗による電圧降下分(設計値)である。また、上記式(4b)におけるキャパシタ38の最小端子電圧(スペック値)と電圧降下分(設計値)と、上記式(4d)におけるキャパシタ38の内部抵抗の劣化度から、キャパシタ38のSOCが0%のときの現在のキャパシタ38の端子電圧を決定する。電圧降下分(設計値)は、初期の温度別内部抵抗の値(スペック値)からサイクルパターン等で得られる平均的な初期の電流・抵抗による電圧降下分(設計値)である。
SOC=(Qn-Q0)/(Q100-Q0)…(6c)
上記式(6c)において、SOC、Qn、Q0、Q100は、以下のとおりである。
Qn:現在の電荷量(上記式(5b)で求めた値)
Q0:SOC0%の電荷量(上記式(6b)で求めた値)
Q100:SOC100%の電荷量(上記式(6a)で求めた値)
このように、燃料電池システム側ECU36は、最大充電状態時電荷量(Q100)、最小充電状態時電荷量(Q0)、及び、現在の電荷量(Qn)に基づいて、現在のキャパシタ38の充電状態(SOC)を算出する。最大充電状態時電荷量(Q100)は、初期のキャパシタ38の最大充電状態時の端子電圧(V100s)を内部抵抗(R)の劣化度(α)で補正した値(V100n)と静電容量(C)との積である。最小充電状態時電荷量(Q0)は、初期のキャパシタ38の最小充電状態時の端子電圧(V0s)を内部抵抗(R)の劣化度(α)で補正した値(V0n)と静電容量(C)との積である。現在の電荷量(Qn)は、起動直後の開回路電圧(Voc)と静電容量(C)とキャパシタ38の充放電開始から現在までの電流検出器40による充放電電流の時間積分値(∫Idt)によるものである。
(1)燃料電池システムの構成として、負荷としての車両負荷41に電気的に接続される燃料電池スタック31と、車両負荷41と並列に燃料電池スタック31に電気的に接続されるキャパシタ38を備える。キャパシタ38の端子電圧を検出する端子電圧検出部としての端子電圧検出器39と、キャパシタ38の充放電電流を検出する電流検出部としての充放電電流検出器40を備える。端子電圧検出器39により検出したキャパシタ38の端子電圧、及び、電流検出器40により検出したキャパシタ38の充放電電流に基づいてキャパシタ38の充電状態を推定する充電状態推定手段としての燃料電池システム側ECU36を備える。静電容量算出部としての燃料電池システム側ECU36は、起動直後における燃料電池スタック31の定電力発電によるキャパシタ38の充電中の電流検出器40による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における端子電圧検出器39による端子電圧の差に基づいて、キャパシタ38の静電容量を算出する。内部抵抗算出部としての燃料電池システム側ECU36は、キャパシタ38の充電の終了の際の電流遮断時における端子電圧検出器39による端子電圧の変化量、及び、電流遮断前の電流検出器40による充電電流に基づいて、キャパシタ38の内部抵抗を算出する。キャパシタ充電状態算出部としての燃料電池システム側ECU36は、最大充電状態時電荷量、最小充電状態時電荷量、及び、現在の電荷量に基づいて、現在のキャパシタ38の充電状態を算出する。最大充電状態時電荷量は、初期のキャパシタ38の最大充電状態時の端子電圧を内部抵抗の劣化度で補正した値と静電容量との積である。最小充電状態時電荷量は、初期のキャパシタ38の最小充電状態時の端子電圧を内部抵抗の劣化度で補正した値と静電容量との積である。現在の電荷量は、起動直後の開回路電圧と静電容量とキャパシタ38の充放電開始から現在までの電流検出器40による充放電電流の時間積分値によるものである。よって、キャパシタ38の劣化やキャパシタ温度によらずキャパシタ38の充電状態としてのSOCを適切に推定することができる。
(3)初期のキャパシタ38の最大充電状態時の端子電圧は、最大端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出し、初期のキャパシタ38の最小充電状態時の端子電圧は、最小端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出したので、実用的である。
○上記実施形態ではキャパシタ38には、リチウムイオンキャパシタで代表される内部起電力を保有する蓄電装置を用いたが、これに限定されない。内部起電力を保有しないキャパシタを使用してもよい。電気二重層キャパシタのように内部起電力を保有しないキャパシタを使用した場合、キャパシタ最小電圧=0Vとなってしまうため,上記式(4b)の最小電圧Vminを決定する際は下流の補機等の電圧の下限値を用いるとよい。つまり、キャパシタの取りうる範囲の内のキャパシタの下限電圧がシステムの最低電圧を下回ることがないのでシステム電圧下限値を用いてもよい。
○燃料電池システムは燃料電池フォークリフトに適用したが、フォークリフト以外の産業車両に適用してもよいし、さらに、産業車両以外の車両に適用してもよい。
〇上記実施形態では、燃料電池スタック31の定電力発電において、キャパシタ38の静電容量を算出したが、キャパシタ38の充電中の電流検出器40による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における端子電圧検出器39による端子電圧の差が検出できれば、定電力発電に限定されない。
Claims (3)
- 負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
前記キャパシタの端子電圧を検出する端子電圧検出部と、
前記キャパシタの充放電電流を検出する電流検出部と、
前記端子電圧検出部により検出した前記キャパシタの端子電圧、及び、前記電流検出部により検出した前記キャパシタの充放電電流に基づいて前記キャパシタの充電状態を推定する充電状態推定手段と、
を備え、
前記充電状態推定手段は、
起動直後における前記燃料電池スタックの発電による前記キャパシタの充電中の前記電流検出部による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における前記端子電圧検出部による端子電圧の差に基づいて、前記キャパシタの静電容量を算出する静電容量算出部と、
前記キャパシタの充電の終了の際の電流遮断時における前記端子電圧検出部による端子電圧の変化量、及び、電流遮断前の前記電流検出部による充電電流に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗を算出する内部抵抗算出部と、
初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最大充電状態時電荷量、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最小充電状態時電荷量、及び、起動直後の開回路電圧と前記静電容量算出部で算出した静電容量と前記キャパシタの充放電開始から現在までの前記電流検出部による充放電電流の時間積分値による現在の電荷量に基づいて、現在の前記キャパシタの充電状態を算出するキャパシタ充電状態算出部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記キャパシタ充電状態算出部における前記起動直後の開回路電圧は、前記起動直後に前記端子電圧検出部により検出された端子電圧であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記キャパシタ充電状態算出部における初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧は、最大端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出し、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧は、最小端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出したことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。
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