JP2006254610A - Vehicle controller - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車両用制御装置に係り、特に新たな電流制御装置を搭載することなく、車両システムの起動時に、燃料電池(燃料電池スタック)とキャパシタ(電気二重層コンデンサ)とを接続することができる車両用制御装置に関するものである。 The present invention relates to a vehicle control device, and can connect a fuel cell (fuel cell stack) and a capacitor (electric double layer capacitor) at the time of start-up of a vehicle system without mounting a new current control device. The present invention relates to a vehicle control device.
車両には、燃料電池(燃料電池スタック)を搭載した燃料電池自動車がある。この燃料電池自動車においては、車両の総合効率を向上させるために、あるいは、燃料電池の負荷応答特性を補完するために、二次電池やキャパシタ(電気二重層コンデンサ)等の電力貯蔵装置を搭載したハイブリッドシステムを採用している。中でも、キャパシタは、充放電において二次電池のような化学変化を伴わないため、一般的に、長寿命で出力密度が高く、また、燃料電池の出力電圧にも良く追従し、また、燃料電池との間に大型のDC/DCコンバータ等の電圧調整装置を必要としない等の利点が多いものである。 Vehicles include fuel cell vehicles equipped with fuel cells (fuel cell stacks). This fuel cell vehicle is equipped with a power storage device such as a secondary battery or a capacitor (electric double layer capacitor) in order to improve the overall efficiency of the vehicle or to complement the load response characteristics of the fuel cell. A hybrid system is used. In particular, capacitors are not accompanied by chemical changes like secondary batteries in charge and discharge, so generally they have a long life and high output density, and also follow the output voltage of the fuel cell well. There are many advantages such as not requiring a voltage adjusting device such as a large DC / DC converter.
従来、燃料電池とキャパシタとを搭載した車両用制御装置には、キャパシタ電圧を検出し、この検出されたキャパシタ電圧を、設定された複数の基準電圧と比較し、補助装置の運転を制御するものがある。
また、燃料電池とキャパシタとを搭載した車両用制御装置には、車両のアイドル運転状態時に、燃料電池の発電を停止したり、燃料電池を、通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で、発電させるものがある。
In addition, in a vehicle control device equipped with a fuel cell and a capacitor, when the vehicle is in an idle operation state, power generation of the fuel cell is stopped, or the fuel cell is operated in an operation region where the power generation efficiency is higher than the normal operation region. And there are things that generate electricity.
ところで、従来、燃料電池とキャパシタとを搭載した燃料電池自動車においては、車両システムの停止時に、一般的に、燃料電池及びキャパシタが、夫々のリレーにより高電圧系統から電気的に切り離されている。このため、車両システムを起動する際に、キャパシタ電圧が燃料電池電圧よりも著しく低いと、夫々のリレーを接続した瞬間に、燃料電池からキャパシタに向かって過電流が生じ、高電圧系統の構成部品の焼損や故障、あるいは、燃料電池の電圧が急激に低下してしまうために、車両システムの停止や燃料電池の劣化につながる不具合があった。 Conventionally, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell and a capacitor, the fuel cell and the capacitor are generally electrically disconnected from the high voltage system by respective relays when the vehicle system is stopped. For this reason, when starting the vehicle system, if the capacitor voltage is significantly lower than the fuel cell voltage, an overcurrent is generated from the fuel cell to the capacitor at the moment when each relay is connected, and the components of the high voltage system As a result, the vehicle system was stopped or the fuel cell was deteriorated because the fuel cell voltage suddenly decreased.
このような不具合を回避するために、従来、リレー等により燃料電池とキャパシタとを接続するのに先立ち、燃料電池とキャパシタとの間に介在させたスイッチングレギュレータやDC/DCチョッパ、制御抵抗等の電流制御装置により、燃料電池からキャパシタヘの電流値を制限しながらキャパシタを充電することが行われている。 In order to avoid such problems, a switching regulator, a DC / DC chopper, a control resistor, etc. interposed between the fuel cell and the capacitor before connecting the fuel cell and the capacitor with a relay or the like have been conventionally used. The current control device charges the capacitor while limiting the current value from the fuel cell to the capacitor.
しかしながら、この場合、一般に、大型で高コストの電流制御装置を具備する必要があり、このため、キャパシタの大きなメリット、つまり、二次電池の場合と異なり、燃料電池電圧の値に非常に良く追従するが故に、大型の電圧調整装置を必要としないという特徴を相殺してしまうという不都合があった。 However, in this case, it is generally necessary to provide a large and high-cost current control device, and therefore, the great merit of the capacitor, that is, unlike the case of the secondary battery, follows the value of the fuel cell voltage very well. Therefore, there is a disadvantage that the characteristic that a large voltage regulator is not required is offset.
この発明は、車両を駆動するモータと、このモータに対して並列に接続された燃料電池と、キャパシタとを備えた車両用制御装置において、車両用補機を駆動する補機用蓄電池を設け、車両システムが起動して前記燃料電池と前記キャパシタと前記モータとを制御可能状態で、且つ車両が停止している状態で、且つ前記燃料電池の電力が少なくとも前記モータに供給できない状態では、前記車両が停止している状態時におけるキャパシタ電圧と燃料電池電圧とを比較し、キャパシタ電圧が燃料電池電圧以上の値を維持できるように制御する電圧維持制御部が備えられた制御手段を設けたことを特徴とする。 The present invention provides an auxiliary storage battery for driving an auxiliary machine for a vehicle in a vehicle control device including a motor for driving the vehicle, a fuel cell connected in parallel to the motor, and a capacitor. In a state in which the vehicle system is activated to control the fuel cell, the capacitor, and the motor, the vehicle is stopped, and at least the power of the fuel cell cannot be supplied to the motor. A control means provided with a voltage maintenance control unit that compares the capacitor voltage with the fuel cell voltage when the fuel cell is stopped and controls the capacitor voltage to maintain a value equal to or higher than the fuel cell voltage. Features.
この発明の車両用制御装置は、車両システムが起動して燃料電池とキャパシタとモータとを制御可能状態で、且つ車両が停止している状態で、且つ燃料電池の電力が少なくともモータに供給できない状態では、車両が停止している状態時におけるキャパシタ電圧と燃料電池電圧とを比較し、キャパシタ電圧が燃料電池電圧以上の値を維持することから、車両システムの起動時において、常に、キャパシタ電圧の値が燃料電池電圧の値を下回ることはないので、車両システムの起動後、即座に燃料電池とキャパシタとを接続可能とし、車両の走行可能状態までの時間の短縮を図ることができる。 The vehicle control device according to the present invention is in a state where the vehicle system is activated to control the fuel cell, the capacitor, and the motor, and the vehicle is stopped, and at least the power of the fuel cell cannot be supplied to the motor. Then, the capacitor voltage is compared with the fuel cell voltage when the vehicle is stopped, and the capacitor voltage maintains a value that is equal to or higher than the fuel cell voltage. Since the fuel cell voltage does not fall below the value of the fuel cell voltage, the fuel cell and the capacitor can be connected immediately after the vehicle system is started, and the time until the vehicle can run can be shortened.
この発明は、車両の走行可能状態までの時間の短縮を図る目的を、車両が停止している状態時においてキャパシタ電圧が燃料電池電圧以上の値を維持できるようにして実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
The present invention achieves the purpose of shortening the time until the vehicle can travel by allowing the capacitor voltage to maintain a value equal to or higher than the fuel cell voltage when the vehicle is stopped.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail and specifically with reference to the drawings.
図1〜図3は、この発明の第1実施例を示すものである。 1 to 3 show a first embodiment of the present invention.
図3において、2は燃料電池自動車(以下「車両」という)(図示せず)の車両用制御装置、4は車両に搭載された燃料電池(燃料電池スタック)、6はインバータ、8は車両駆動用のモータである。 In FIG. 3, 2 is a control device for a vehicle of a fuel cell vehicle (hereinafter referred to as “vehicle”) (not shown), 4 is a fuel cell (fuel cell stack) mounted on the vehicle, 6 is an inverter, and 8 is a vehicle drive. Motor.
燃料電池4は、燃料(ガス)及び酸化剤の供給を受けて発電するものである。インバータ6は、燃料電池4で発電された直流電力を三相交流電力に変換し、この三相交流電力をモータ8に供給するものである。モータ8は、インバータ6から供給された電力によって駆動されるものである。
The fuel cell 4 is configured to generate power upon receipt of fuel (gas) and oxidant. The
燃料電池4とインバータ6とは、第1、第2メイン電線10、12で接続している。
The fuel cell 4 and the
この第1、第2メイン電線10、12には、燃料電池4側で、第1リレー(燃料電池用リレー)14が設けられている。この第1リレー14は、開動作することで、高電圧系統から燃料電池4を切り離す機能を有している。
The first and second main
また、この第1、第2メイン電線10、12には、燃料電池4と第1リレー14との間で、第1電圧計16が接続して設けられている。この第1電圧計16は、一端側が第1メイン電線10の第1一側接続部18に接続するとともに、他端側が第2メイン電線12の第1他側接続部20に接続して、燃料電池4の端子間電圧を測定するものである。
In addition, a
第1メイン電線10には、第1リレー14よりもインバータ6側に、逆流防止ダイオード22が設けられている。この逆流防止ダイオード22は、燃料電池4への電流の逆流を防止するものである。
The first main
第1、第2メイン電線10、12の途中には、燃料電池4と並列で、第1、第2サブ電線24、26によりキャパシタ(電気二重層コンデンサ)28が接続して設けられている。第1サブ電線24は、逆流防止ダイオード22よりもインバータ6側の第1接続部30で、第1メイン電線10に接続している。第2サブ電線26は、第1リレー14よりもインバータ6側の第2接続部32で、第2メイン電線12に接続している。従って、燃料電池4とキャパシタ28とは、モータ8に対して並列に設けられている。
In the middle of the first and second main
キャパシタ28は、インバータ6への電力供給を補助すると共に、燃料電池4の発電した電力や、車両の減速時におけるインバータ6からの回生電力を受け入れるものである。また、このキャパシタ28は、一般的に、燃料電池4に比べて、負荷応答性に優れているため、車両の負荷要求に対して非常に良く応答し、また、その特性上、充放電に電圧変化を伴うため、燃料電池4の出力電圧の変化に良く追従するものである。
The
第1、第2サブ電線24、26の途中には、第2リレー(キャパシタ用リレー)34が設けられている。この第2リレー34は、開動作することで、高電圧系統からキャパシタ28を切り離す機能を有している。
A second relay (capacitor relay) 34 is provided in the middle of the first and
また、この第1、第2サブ電線24、26には、キャパシタ28と第2リレー34との間で、第2電圧計36が接続して設けられている。この第2電圧計36は、一端側が第1サブ電線24の第2一側接続部38に接続するとともに、他端側が第2サブ電線22の第2他側接続部40に接続して、キャパシタ28の端子間電圧を測定するものである。
The first and
また、第1、第2メイン電線10、12には、燃料電池4及びキャパシタ28と並列で、高電圧系統の第3、第4サブ電線42、44により複数の高電圧補機からなる高電圧補機類46が接続して設けられている。第3サブ電線42は、第1接続部30よりもインバータ6側の第3接続部48で、第1メイン電線10に接続している。第4サブ電線44は、第2接続部32よりもインバータ6側の第4接続部50で、第2メイン電線12に接続している。高電圧補機類46は、燃料電池4を含む燃料電池システム(図示せず)を運転するためのものである。
Further, the first and second main
更に、第1、第2メイン電線10、12には、燃料電池4及びキャパシタ28と並列で、高電圧系統の第5、第6サブ電線52、54により補機用蓄電池である補機駆動用バッテリ(補助バッテリ)56が接続して設けられている。第5サブ電線52は、第3接続部48よりもインバータ6側の第5接続部58で、第1メイン電線10に接続している。第6サブ電線54は、第4接続部44よりもインバータ6側の第6接続部60で、第2メイン電線12に接続している。
Further, the first and second main
第5、第6サブ電線52、54の途中には、双方向型DC/DCコンバータ62が設けられている。
A bidirectional DC /
また、第5、第6サブ電線52、54には、双方向型DC/DCコンバータ62と補機駆動用バッテリ56との間で、第7、第8サブ電線64、66により車両補機類68が接続して設けられている。第7サブ電線64は、第7接続部70で、第5サブ電線52に接続している。第8サブ電線66は、第8接続部72で、第6サブ電線54に接続している。
Further, the fifth and sixth sub
前記補機駆動用バッテリ56は、車両補機類68を駆動するための電力を供給するものである。
The auxiliary
また、前記双方向型DC/DCコンバータ62は、燃料電池4やキャパシタ28からの電力、あるいは、インバータ6からの回生電力の電圧を、車両補機類68を駆動するための電圧に変換し、また、逆に、車両補機類68を駆動するための電圧を、高電圧補機類46を駆動し、あるいは、キャパシタ24を補充電するための電圧に変換するものである。なお、この双方向型DC/DCコンバータ62は、双方向型に限るものではなく、図示しないが、昇圧型DC/DCコンバータと降圧型のDC/DCコンバータとの両方を並列に備えることも可能である。
Further, the bidirectional DC /
更に、車両補機類68は、双方向型DC/DCコンバータ62の低電圧側に接続され、前照灯やラジオ、水ポンプ等の各種車両補機からなるものである。
Further, the vehicle
燃料電池4とインバータ6と第1リレー14と第1電圧計16とキャパシタ28と第2リレー34と第2電圧計36と高電圧補機類46と補機駆動用バッテリ56と双方向型DC/DCコンバータ62と車両補機類68とは、制御手段74に接続している。
Fuel cell 4,
この制御手段74は、各センサ類より収集した情報や内部のメモリ74Aに格納されたデータを基に、車両システム(図示せず)を制御し、また、車両システムが起動して燃料電池4とキャパシタ28とモータ8とを制御可能状態で、且つ車両が停止している状態で、且つ燃料電池4の電力が少なくともモータ8に供給できない状態(第1リレー14が開状態)では、車両が停止している状態時におけるキャパシタ電圧Vcap(V)と燃料電池電圧(V)とを比較し、キャパシタ電圧が燃料電池電圧以上の値を維持できるように制御する電圧維持制御部74Bを備えている。
This control means 74 controls the vehicle system (not shown) based on the information collected from each sensor and the data stored in the
また、この制御手段74は、キャパシタ28を補機用蓄電池である補機駆動用バッテリ56により充電制御するものである。
Further, the control means 74 controls charging of the
一般的に、燃料電池とキャパシタとを搭載した燃料電池自動車においては、最大電圧が2.5V〜3.5V程度のキャパシタ単セルを複数直列接続し、例えば、最大電圧200V〜400V程度のキャパシタモジュールを構成している。これに対して、燃料電池自動車に用いられる一般的な燃料電池は、開放電圧1.0V程度、車両のアイドリング運転時におけるアイドル電圧0.9V程度、最大負荷時における電圧0.6V程度の単セルを複数枚直列に接続して燃料電池スタックを構成している。即ち、一例として、300セルの燃料電池は、開放電圧が300V程度、アイドル電圧が270V程度、最低電圧が180V程度となる。 Generally, in a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell and a capacitor, a plurality of capacitor single cells having a maximum voltage of about 2.5V to 3.5V are connected in series, for example, a capacitor module having a maximum voltage of about 200V to 400V. Is configured. On the other hand, a general fuel cell used for a fuel cell vehicle has a single cell with an open circuit voltage of about 1.0 V, an idle voltage of about 0.9 V when the vehicle is idling, and a voltage of about 0.6 V at the maximum load. A fuel cell stack is configured by connecting a plurality of the above in series. That is, as an example, a 300-cell fuel cell has an open circuit voltage of about 300V, an idle voltage of about 270V, and a minimum voltage of about 180V.
そこで、この第1実施例におけるキャパシタ28は、最大電圧が、燃料電池4のアイドル電圧より高いものである。上記の一例、つまり、300セルの燃料電池4を採用する場合においては、キャパシタ28の最大電圧を燃料電池電圧としてのアイドル電圧よりも高い270V以上に設定する。これは、車両システムの起動時において、互いに電気的に切り離されている燃料電池4とキャパシタ28とを接続する際に、燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流が生じるのを防ぐために有効である。
Therefore, the
即ち、車両システムを起動した際の燃料電池電圧は、アイドル電圧であり、このアイドル電圧に比べてキャパシタ電圧が低い場合には、燃料電池からキャパシタに向かって電流が生じる。この電流値は、基本的に、燃料電池とキャパシタとの電圧差及びキャパシタの内部抵抗により決定されるため、燃料電池とキャパシタとの電圧差が大きい場合には、電流値も大きくなり、この電流値が過大になると、過電流による高電圧系統の構成部品の焼損や故障、あるいは、燃料電池スタックの急激な電圧低下に起因するシステム停止や燃料電池スタックの劣化につながるおそれがある。 That is, the fuel cell voltage when the vehicle system is activated is an idle voltage. When the capacitor voltage is lower than the idle voltage, a current is generated from the fuel cell toward the capacitor. Since this current value is basically determined by the voltage difference between the fuel cell and the capacitor and the internal resistance of the capacitor, when the voltage difference between the fuel cell and the capacitor is large, the current value also increases. If the value is excessive, there is a possibility that the components of the high-voltage system are burned or broken due to overcurrent, or the system is stopped or the fuel cell stack is deteriorated due to a rapid voltage drop of the fuel cell stack.
そこで、この第1実施例においては、キャパシタ28の最大電圧が燃料電池4のアイドル電圧よりも高く、さらに、燃料電池4とキャパシタ28とを接続する際に、キャパシタ28のキャパシタ電圧が、燃料電池4のアイドル電圧と等しいか、又は、このアイドル電圧以上に充電されていれば、燃料電池4からキャパシタ28に向かって電流は発生せず、不具合は生じない。なお、この場合においても、逆流防止ダイオード22によりキャパシタ28から燃料電池4に電流が生じることはないため、問題は生じない。
Therefore, in the first embodiment, the maximum voltage of the
また、キャパシタ28の最大電圧は、以下の2つの理由から、インバータ6やその他の高電圧系統の補機類等、高電圧系統の構成部品の耐圧の範囲内でより高い方がより好ましい。
Further, the maximum voltage of the
1つ目の理由は、キャパシタ28の最大電圧をより高くすることにより、車両の停止後に、キャパシタ電圧が自己放電等により低下した場合においても、燃料電池4の電圧値に対してマージンを持つことが可能となるためである。燃料電池4のアイドル電圧に比べて、キャパシタ電圧をより高い電圧まで充電した上で車両システムを停止することにより、自己放電により車両の駐車中にキャパシタ電圧が低下した場合においても、より長時間アイドル電圧よりも高い状態を保つことが可能となる。
The first reason is that by making the maximum voltage of the
2つ目の理由は、キャパシタ28の使用電圧範囲が広い程、キャパシタ28の蓄電エネルギを有効に使用できることが挙げられる。キャパシタ28のエネルギは、CV2/2で表され、キャパシタ28の静電容量C及び電圧Vの2乗に比例するため、キャパシタ28の使用電圧領域が広ければ広い程、使用可能なエネルギが大きくなる。
The second reason is that the stored energy of the
上記の例、つまり、300セルの燃料電池4とキャパシタ28の車両の加減速時における電圧値の変化の一例を、模式的に、図2で示す。
FIG. 2 schematically shows an example of the above-described example, that is, an example of a change in the voltage value of the 300-cell fuel cell 4 and the
図2に示す如く、燃料電池4の燃料電池電圧は車両の要求負荷が大きくなるに従い、言い換えれば、燃料電池4の発生電流が大きくなるに従い低下し、逆に、負荷が小さくなれぱ上昇する。よって、この例においては、燃料電池電圧Vfcは、最大負荷時の180Vからアイドル時の270Vの範囲内で、負荷に応じて変化することになる。一方、キャパシタ28は、充放電に電圧変化を伴うという特性上、燃料電池4の電圧変化によく追従し、最大負荷時の180Vからキャパシタ28の最大電圧の範囲内で負荷及び減速時の回生電力に応じて変化する。
As shown in FIG. 2, the fuel cell voltage of the fuel cell 4 decreases as the required load of the vehicle increases, in other words, as the generated current of the fuel cell 4 increases, and conversely increases as the load decreases. Therefore, in this example, the fuel cell voltage Vfc varies in accordance with the load within a range from 180V at the maximum load to 270V at the idle time. On the other hand, the
一例として、キャパシタ28の最大電圧を燃料電池4のアイドル電圧270Vとすれば、図2のVcap1で示すように、キャパシタ電圧が燃料電池4の出力電圧Vfcに追従するため、使用電圧範囲は、180V〜270Vに留まる。これに対し、キャパシタ28の最大電圧を、400Vと約1.5倍にすれば、図2のVcap2で示すように、減速時の回生エネルギにより電圧が上昇し、使用電圧範囲は180V〜400Vと大幅に広がることになり、そして、使用可能エネルギは、図2中の式に示すように、約3.2倍となる。
As an example, if the maximum voltage of the
これにより、単位重量、あるいは、単位体積当たりの使用可能エネルギである実エネルギ密度が、約2.1倍となり、キャパシタ28の小型・軽量化が可能となるものである。
As a result, the actual energy density, which is the usable energy per unit weight or unit volume, is approximately 2.1 times, and the
従って、この第1実施例においては、燃料電池4とキャパシタ28とを搭載した燃料電池車両において、車両システムの起動時における燃料電池4とキャパシタ28との接続の際に生じようとする燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流を防止するため、車両停止ルーチンにおいて、予めキャパシタ28をある閾値(アイドル電圧)以上に充電しておく。また、この際のキャパシタ28の充電には、車両に具備されている12Vバッテリ等の補機駆動用バッテリ56から供給される電力を使用し、この電力を、同じく、車両に具備されている双方向DC/DCコンバータ62で昇圧することにより実現する。この方法によれば、DC/DCコンバータ62の出力電圧を任意に設定することができ、故に、キャパシタ28の充電電圧を自由に変えられることが可能となる。
Therefore, in the first embodiment, in the fuel cell vehicle equipped with the fuel cell 4 and the
次に、この第1実施例の作用を、図1のフローチャートに基づいて説明する。 Next, the operation of the first embodiment will be described based on the flowchart of FIG.
図1に示す如く、制御手段74のプログラムの車両停止ルーチンが開始すると(ステップ102)、燃料電池4と高電圧系統とを接続する第1リレー14が開らかれ(ステップ104)、燃料電池4が高電圧系統から切り離される。
As shown in FIG. 1, when the vehicle stop routine of the program of the control means 74 is started (step 102), the
続いて、キャパシタ28の端子間電圧を測定するための第2電圧計36によりキャパシタ電圧Vcapが測定され(ステップ106)、このキャパシタ電圧Vcapを制御手段74内に格納されている燃料電池電圧としてのアイドル電圧Vfc−idleと比較する(ステップ108)。
Subsequently, the capacitor voltage Vcap is measured by the
このステップ108において、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleと等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleよりも大きく、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ110)、キャパシタ28を高電圧系統から切り離し、車両停止時のキャパシタ電圧の管理に関する車両停止ルーチンを終了する(ステップ112)。
In this
一方、前記ステップ108において、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleよりも小さく、NOの場合には、双方向DC/DCコンバータ62を昇圧モードに設定し、出力電圧をアイドル電圧Vfc−idleに設定し(ステップ114)、補機駆動用バッテリ56から双方向DC/DCコンバータ62を介してキャパシタ28を充電する。この時の充電電流は、補機駆動用バッテリ56及びキャパシタ28の許容最大電流とすることで、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ28の充電時間を短縮することができる。
On the other hand, when the capacitor voltage Vcap is smaller than the idle voltage Vfc-idle in
このキャパシタ28の充電中は、常時、キャパシタ電圧Vcapを測定し(ステップ116)、このキャパシタ電圧Vcapをアイドル電圧Vfc−idleと比較する(ステップ118)。
While the
このステップ118において、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleと等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleよりも大きくなり、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ120)、そして、双方向DC/DCコンバータ62を停止し(ステップ122)、キャパシタ28の充電を終了する(ステップ124)。
In this
一方、ステップ118において、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleよりも小さい間で、NOの場合には、前記ステップ114に戻り、キャパシタ28の充電を継続する。
On the other hand, in
これにより、次回の車両システムの起動時において、理想的には、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idleと等しくなるため、燃料電池4を起動した後、燃料電池4と高電圧系統とを接続する第1リレー14を閉じ、続いて、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を閉じることで、燃料電池4からキャパシタ28への過電流を生じることなく、燃料電池4とキャパシタ28とを接続することができる。
Thereby, when the vehicle system is started next time, ideally, the capacitor voltage Vcap becomes equal to the idle voltage Vfc-idle. Therefore, after the fuel cell 4 is started, the fuel cell 4 and the high voltage system are connected. By closing the
この結果、車両システムが起動して燃料電池4とキャパシタ28とモータ8とを制御可能状態で、且つ車両が停止している状態で、且つ燃料電池4の電力が少なくともモータ8に供給できない状態では、車両が停止している状態時におけるキャパシタ電圧Vcapと燃料電池電圧であるアイドル電圧Vfc−idleとを比較し、キャパシタ電圧Vcapがアイドル電圧Vfc−idle以上の値を維持することができるので、車両システムの起動時において、常に、キャパシタ電圧Vcapの値がアイドル電圧Vfc−idleの値を下回ることはないので、車両システムの起動後、即座に燃料電池4とキャパシタ28とを接続可能とし、車両の走行可能状態までの時間の短縮を図ることができる。
As a result, when the vehicle system is activated and the fuel cell 4, the
また、制御手段74は、補機駆動用バッテリ56によりキャパシタ28を充電制御することから、特別な充電装置を設ける必要がなくなり、燃料電池システムが複雑になることはない。
Further, since the control means 74 controls charging of the
即ち、この第1実施例においては、燃料電池4とキャパシタ28を備えた車両において、車両停止ルーチンでキャパシタ28を充電するから、次回の車両システムの起動時に、特別な細工を無くして燃料電池4とキャパシタ28とを接続することができ、これにより、車両の走行可能状態までの時間の短縮を図ることができる。
That is, in the first embodiment, in the vehicle having the fuel cell 4 and the
また、キャパシタ28の充電は、車両補機類68を駆動するための補機駆動用バッテリ56と双方向型DC/DCコンバータ62とを使用して行うことから、大型で重量が大きく、また、高価な電圧変換装置を具備することなく、車両の走行可能状態までの時間の短縮を図ることができる。
In addition, since the
更に、キャパシタ28の最大電圧を燃料電池電圧であるアイドル電圧よりも高く、また、高電圧補機類46の耐圧よりも低くすることから、キャパシタ28の有するエネルギを有効に使用することができ、キャパシタ28を小型・軽量化することができる。
Furthermore, since the maximum voltage of the
更にまた、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ28の充電電圧を燃料電池4のアイドル電圧と等しく設定することから、車両システムの起動時における燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流を防止することができる。
Furthermore, since the charging voltage of the
図4は、この発明の第2実施例を示すものである。 FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
以下の実施例においては、上述の第1実施例と同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。 In the following embodiments, portions having the same functions as those in the first embodiment will be described with the same reference numerals.
この第2実施例の特徴とするところは、以下の点にある。一般的に、キャパシタは、充電後、無負荷においても、自己放電によりその電圧が徐々に低下するものである。キャパシタの自己放電率は、現状においては、二次電池に比べて大きく、そのため、車両停止ルーチンにおいて、キャパシタを燃料電池のアイドル電圧に充電しておいても、次回の車両システムの起動時までの間に、車両の駐車時間に応じて、キャパシタ電圧は、低下してしまう。このため、より好ましくは、キャパシタの自己放電分を見越して予め高めの電圧値でキャパシタを充電しておいた方が良い。 The features of the second embodiment are as follows. In general, a capacitor has a voltage that gradually decreases due to self-discharge even when there is no load after charging. The self-discharge rate of the capacitor is larger than that of the secondary battery in the present situation. Therefore, even if the capacitor is charged to the idle voltage of the fuel cell in the vehicle stop routine, the self-discharge rate until the next vehicle system start-up is performed. In the meantime, the capacitor voltage decreases depending on the parking time of the vehicle. For this reason, it is more preferable to charge the capacitor with a higher voltage value in advance in anticipation of the self-discharge of the capacitor.
そこで、この第2実施例においては、図4に示すように、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ電圧の閾値を変更するものである。つまり、図4に示す車両停止ルーチンは、図1に示す第1実施例のフローチャートと略同様であるが、キャパシタ電圧Vcapを、アイドル電圧Vfc−idleよりも所定に高く設定された閾値Vth1(V)に変更している。 Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 4, the threshold value of the capacitor voltage in the vehicle stop routine is changed. That is, the vehicle stop routine shown in FIG. 4 is substantially the same as the flowchart of the first embodiment shown in FIG. 1, but the capacitor voltage Vcap is set to a threshold value Vth1 (V) that is set to be higher than the idle voltage Vfc-idle. ) Has been changed.
図4に示す如く、制御手段74のプログラムの車両停止ルーチンが開始すると(ステップ202)、燃料電池4と高電圧系統とを接続する第1リレー14が開らかれ(ステップ204)、燃料電池4が高電圧系統から切り離される。
As shown in FIG. 4, when the vehicle stop routine of the program of the control means 74 is started (step 202), the
続いて、キャパシタ28の端子間電圧を測定するための第2電圧計36によりキャパシタ電圧Vcapが測定され(ステップ206)、このキャパシタ電圧Vcapを制御手段74内に格納されている閾値Vth1と比較する(ステップ208)。
Subsequently, the capacitor voltage Vcap is measured by the
このステップ208において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1よりも大きい場合で、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ210)、キャパシタ28を高電圧系統から切り離し、車両停止時のキャパシタ電圧の管理に関する車両停止ルーチンを終了する(ステップ212)。
In this
一方、前記ステップ208において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1よりも小さく、NOの場合には、双方向DC/DCコンバータ62を昇圧モードに設定し、出力電圧を閾値Vth1とし(ステップ214)、補機駆動用バッテリ56から双方向DC/DCコンバータ62を介してキャパシタ28を充電する。この時の充電電流は、補機駆動用バッテリ56及びキャパシタ28の許容最大電流とすることで、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ充電時間を短縮することができる。
On the other hand, when the capacitor voltage Vcap is smaller than the threshold value Vth1 in
このキャパシタ28の充電中は、常時、キャパシタ電圧Vcapを測定し(ステップ216)、このキャパシタ電圧Vcapを閾値Vth1と比較する(ステップ218)。
During the charging of the
このステップ218において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1よりも大きくなり、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ220)、そして、双方向DC/DCコンバータ62を停止し(ステップ222)、キャパシタ28の充電を終了する(ステップ224)。
In this
一方、ステップ218において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth1よりも小さい間で、NOの場合には、前記ステップ214に戻り、キャパシタ28の充電を継続する。
On the other hand, in
つまり、この第2実施例においては、図4のステップ208、214、218において、キャパシタ電圧Vcapを、アイドル電圧Vfc−idleよりも高く設定された閾値Vth1に変更している。
That is, in the second embodiment, the capacitor voltage Vcap is changed to the threshold value Vth1 set higher than the idle voltage Vfc-idle in
この閾値Vth1は、アイドル電圧Vfc−idleとキャパシタ24の最大電圧との間で任意に設定可能であるが、大きい値の方が自己放電に対するマージンを大きくすることができる。一般的には、閾値Vth1は、燃料電池4のアイドル電圧Vfc−idle、キャパシタ24の単位時間当たりの電圧降下で表される自己放電率R(V/hr)及び次回の車両システムの起動までの許容車両駐車時間t(hr)とから、以下の式(1)のように算出することが可能である。
Vth1=Vfc−idle+Rt……式(1)
The threshold value Vth1 can be arbitrarily set between the idle voltage Vfc-idle and the maximum voltage of the
Vth1 = Vfc-idle + Rt (1)
このように、車両停止時に、キャパシタ電圧Vcapを燃料電池24のアイドル電圧Vfc−idleよりも高めに充電しておくことにより、次回の車両システムの起動時までに、キャパシタ電圧が自己放電により低下した場合に備えて、マージンを取っておくことが可能となり、車両駐車時間が許容車両駐車時間の間であれば、次回の車両車両システムの起動時には、燃料電池4からキャパシタ28への過電流を生じることなく、燃料電池4とキャパシタ28とを接続することができる。
Thus, by charging the capacitor voltage Vcap higher than the idle voltage Vfc-idle of the
従って、この第2実施例においては、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ28の充電電圧をキャパシタ28の自己放電による電圧降下を考慮して決定することから、車両の駐車中に自己放電によってキャパシタ電圧が低下した場合においても、車両システムの起動時における燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流を防止することができる。
Therefore, in the second embodiment, the charging voltage of the
図5は、この発明の第3実施例を示すものである。 FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention.
この第3実施例の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、車両システムの起動時において、燃料電池4の燃料電池電圧がキャパシタ28のキャパシタ電圧より高い場合に、直ちに、過電流が生じるわけではないため、第1実施例の図1のフローチャートのステップ108、114、118におけるアイドル電圧Vfc−idle、及び、第2実施例の図4のフローチャートのステップ208、214、218における閾値Vth1を、燃料電池4とキャパシタ28との許容電圧差を考慮した別の閾値Vth2に変更することも可能である。
The features of the third embodiment are as follows. That is, when the vehicle system is started, if the fuel cell voltage of the fuel cell 4 is higher than the capacitor voltage of the
この閾値Vth2は、キャパシタ28の自己放電率R(V/hr)、内部抵抗r(Ω)、及び、キャパシタ28と燃料電池4の許容電流I(A)及び次回の車両システムの起動までの許容車両駐車時間t(hr)とから、以下の式(2)により算出可能な値であり、この閾値Vth2以上の電圧値であれば、燃料電池4からキャパシタ28に流れる電流が過大となることはない。
Vth2=Vfc−idle+Rt−rI……式(2)
This threshold value Vth2 is the self-discharge rate R (V / hr) of the
Vth2 = Vfc-idle + Rt-rI (2)
つまり、図5に示す如く、制御手段74のプログラムの車両停止ルーチンがスタートする(ステップ302)と、燃料電池4と高電圧系統とを接続する第1リレー14が開らかれ(ステップ304)、燃料電池4が高電圧系統から切り離される。
That is, as shown in FIG. 5, when the vehicle stop routine of the program of the control means 74 starts (step 302), the
続いて、キャパシタ28の端子間電圧を測定するための第2電圧計36によりキャパシタ電圧Vcapが測定され(ステップ306)、このキャパシタ電圧Vcapを制御手段74内に格納されている閾値Vth2と比較する(ステップ308)。
Subsequently, the capacitor voltage Vcap is measured by the
このステップ308において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも大きい場合で、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ310)、キャパシタ28を高電圧系統から切り離し、車両停止時のキャパシタ電圧の管理に関する車両停止ルーチンを終了する(ステップ312)。
In this
一方、前記ステップ308において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも小さく、NOの場合には、双方向DC/DCコンバータ62を昇圧モードに設定し、出力電圧を閾値Vth2とし(ステップ314)、補機駆動用バッテリ56から双方向DC/DCコンバータ62を介してキャパシタ28を充電する。この時の充電電流は、補機駆動用バッテリ56及びキャパシタ28の許容最大電流とすることで、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ充電時間を短縮することができる。
On the other hand, if the capacitor voltage Vcap is smaller than the threshold value Vth2 in
このキャパシタ28の充電中は、常時、キャパシタ電圧Vcapを測定し(ステップ316)、このキャパシタ電圧Vcapを閾値Vth2と比較する(ステップ318)。
During charging of the
このステップ318において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも大きくなり、YESの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ320)、そして、双方向DC/DCコンバータ62を停止し(ステップ322)、キャパシタ28の充電を終了する(ステップ324)。
In this
一方、ステップ318において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも小さい間で、NOの場合には、前記ステップ314に戻り、キャパシタ28の充電を継続する。
On the other hand, in
このように、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ充電電圧を、燃料電池4とキャパシタ28とを接続する際の許容電圧差分だけ下げることにより、キャパシタ28の充電に要する時間を短縮することができる。
Thus, by reducing the capacitor charging voltage in the vehicle stop routine by the allowable voltage difference when connecting the fuel cell 4 and the
従って、この第3実施例においては、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ28の充電電圧を燃料電池4からキャパシタ28ヘの許容電流を考慮して決定することから、車両停止ルーチンにおけるキャパシタ28の充電時間を短縮しつつ、車両システムの起動時における燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流を防止することができる。
Therefore, in the third embodiment, the charging voltage of the
図6は、この発明の第4実施例を示すものである。 FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention.
この第4実施例の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、車両駐車中におけるキャパシタ電圧モニタを提案する。 The features of the fourth embodiment are as follows. That is, a capacitor voltage monitor is proposed while the vehicle is parked.
上述のように、キャパシタ電圧の値は自己放電により経時的に低下するため、上述のように想定した許容車両駐車時間を越えた長期の車両駐車によりキャパシタ電圧が、第3実施例の閾値Vth2以下に低下した場合には、次回の車両システムの起動時に燃料電池4からキャパシタ28への過電流が発生し、様々な不具合が発生するおそれがある。
As described above, since the value of the capacitor voltage decreases with time due to self-discharge, the capacitor voltage becomes equal to or lower than the threshold value Vth2 of the third embodiment due to long-term vehicle parking exceeding the allowable vehicle parking time assumed as described above. In the case of a decrease, the overcurrent from the fuel cell 4 to the
このような不具合を防止するため、この第4実施例においては、許容車両駐車時間を越えた長期の車両駐車中に、キャパシタ電圧を測定し、このキャパシタ電圧がある閾値を下回った場合、上記の各実施例と同様、補機駆動用バッテリ56と双方向DC/DCコンパータ62を用いてキャパシタ28の補充電を行う。キャパシタ電圧モニタは、駐車中常時行っても良いが、消費電力を最小限とするため、ある一定間隔をおいて行う方がより好ましい。
In order to prevent such a problem, in the fourth embodiment, when the capacitor voltage is measured during long-term parking of the vehicle exceeding the allowable vehicle parking time, and the capacitor voltage falls below a certain threshold, As in each of the embodiments, auxiliary charging of the
図6に示す如く、先ず、車両停止から許容車両駐車時間が経過し、なおも車両システムが起動されていない場合で、キャパシタ電圧モニタルーチンが開始すると(ステップ402)、車両駐車中の一定時間間隔おきにキャパシタ電圧Vcapが測定され(ステップ404)、このキャパシタ電圧Vcapを制御手段74に格納している閾値Vth2と比較する(ステップ406)。 As shown in FIG. 6, when the allowable vehicle parking time has elapsed since the vehicle stopped and the vehicle system has not been activated, the capacitor voltage monitoring routine starts (step 402). The capacitor voltage Vcap is measured every other time (step 404), and this capacitor voltage Vcap is compared with the threshold value Vth2 stored in the control means 74 (step 406).
このステップ406において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも大きく、YESの場合には、このままキャパシタ電圧モニタルーチンを終了する(ステップ408)。
In this
一方、このステップ406において、自己放電により、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも低下し、NOの場合には、キャパシタ28と高電圧系統とを接続する第2リレー34を閉じ(ステップ410)、さらに、双方向DC/DCコンバータ62を昇圧モードに設定し(ステップ412)、出力電圧Vth2でキャパシタ28の充電を行う。
On the other hand, in this
このキャパシタの充電中は、常時、キャパシタ電圧Vcapの測定を行い(ステップ414)、キャパシタ電圧Vcapを閾値Vth2と比較する(ステップ416)。 During charging of the capacitor, the capacitor voltage Vcap is always measured (step 414), and the capacitor voltage Vcap is compared with the threshold value Vth2 (step 416).
このステップ416において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2と等しいか、又は、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも大きくなり、YESの場合には、キャパシタ20と高電圧系統とを接続する第2リレー34を開き(ステップ418)、双方向DC/DCコンバータ62を停止して(ステップ420)、キャパシタ28の充電を終了する(ステップ422)。
In this
一方、前記ステップ416において、キャパシタ電圧Vcapが閾値Vth2よりも小さな間で、NOの場合には、前記ステップ412に戻り、キャパシタ28の充電を継続する。
On the other hand, in
なお、この第4実施例においては、キャパシタ電圧の閾値を第3実施例の閾値であるVth2としているが、この閾値は、適宜変更可能である。 In the fourth embodiment, the threshold value of the capacitor voltage is set to Vth2, which is the threshold value of the third embodiment, but this threshold value can be changed as appropriate.
このように、一定時間おきにキャパシタ電圧をモニタし、許容できない電圧の低下が認められた場合には、車両駐車中においてもキャパシタ28の補充電を行うことにより、車両システムの起動時には、燃料電池4とキャパシタ28とを容易に接続することが可能となる。
As described above, the capacitor voltage is monitored at regular intervals, and if an unacceptable voltage drop is observed, the
従って、この第4実施例においては、車両の駐車中において、キャパシタ電圧が低下した場合にも、キャパシタ28を補充電することから、車両の駐車時間が想定した許容車両駐車時間を越えた場合においても、車両システムの起動時における燃料電池4からキャパシタ28ヘの過電流を防止することができる。
Therefore, in the fourth embodiment, since the
なお、この発明においては、上述の実施例に限定されず、種々応用改変が可能であることは、勿論である。 Of course, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various application modifications are possible.
即ち、キャパシタの充電電圧の閾値として、上記の各実施例において3つを挙げたが、この3つに限られるものでなく、他の異なる値に変更することも可能である。 That is, three threshold values for the charging voltage of the capacitor have been described in each of the above embodiments. However, the threshold value is not limited to three, and can be changed to other different values.
また、車両の駐車中におけるキャパシタの補充電を太陽電池等の発電電力により賄うことで、補機駆動用バッテリの容量の低下を抑制することが可能である。 In addition, it is possible to suppress a decrease in the capacity of the auxiliary device driving battery by covering the capacitor with auxiliary power while the vehicle is parked by using generated power such as a solar battery.
更に、運転者が車両ドアのロックを解除したことを検出するスイッチを設け、このスイッチがオンした時に、車両システムを即座に起動してキャパシタを早め充電し、これにより、車両の走行可能状態までの時間を、さらに短縮することが可能となる。また、車両の停止時間を換算し、車両の停止時間が長く、キャパシタの自己放電が生じるような必要時のみ、この発明の車両停止ルーチンを実施し、車両停止ルーチンの使用頻度を少なくすることが可能である。 In addition, a switch is provided to detect that the driver has unlocked the vehicle door, and when this switch is turned on, the vehicle system is immediately activated to charge the capacitor early, so that the vehicle can run. This time can be further shortened. Further, the vehicle stop time is converted, and the vehicle stop routine of the present invention is executed only when necessary so that the vehicle stop time is long and the capacitor self-discharge occurs, thereby reducing the frequency of use of the vehicle stop routine. Is possible.
車両が停止している状態時においてキャパシタ電圧を燃料電池電圧以上の値に維持することを、ハイブリッド車両の制御以外の他の装置の制御にも適用することができる。 Maintaining the capacitor voltage at a value equal to or higher than the fuel cell voltage when the vehicle is stopped can also be applied to control of other devices than the control of the hybrid vehicle.
2 車両用制御装置
4 燃料電池
6 インバータ
8 モータ
14 第1リレー
16 第1電圧計
28 キャパシタ
34 第2リレー
36 第2電圧計
46 高電圧補機類
56 補機駆動用バッテリ
68 車両補機類
74 制御手段
2 Vehicle Control Device 4
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