JP6174546B2 - Control method for fuel cell system and fuel cell vehicle - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池及び蓄電装置の2電源から駆動モータ等の負荷に電力を供給する燃料電池システムの制御方法、及び前記制御方法が実施される燃料電池自動車に関する。 The present invention relates to a control method for a fuel cell system that supplies power from two power sources of a fuel cell and a power storage device to a load such as a drive motor, and a fuel cell vehicle in which the control method is implemented.
従来から、例えば特許文献1の図1に示されるように、駆動モータを駆動するインバータと燃料電池の出力端との間、及び前記インバータと蓄電装置の入出力端との間、にそれぞれ昇圧コンバータを設け、負荷(前記インバータと前記駆動モータ)を駆動するようにした燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が知られている。
Conventionally, as shown in FIG. 1 of
特許文献1には、負荷に所定の駆動力を発揮させるために前記2電源(前記燃料電池及び前記蓄電装置)から前記負荷に供給する駆動要求負荷端電圧(モータ必要電圧、モータ駆動要求電圧、駆動要求電圧ともいう。)と燃料電池電圧との相関関係に基づいて、前記燃料電池電圧が前記駆動要求負荷端電圧より高い場合には、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータによる昇圧を行わないで直結させ、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータのスイッチング損失を低減するようにした技術が開示されている(特許文献1の[0011]、[0012])。
In
ところで、前記燃料電池システムでは、常に、前記燃料電池システムの効率を向上させることが望まれている。 Incidentally, in the fuel cell system, it is always desired to improve the efficiency of the fuel cell system.
しかしながら、特許文献1には、前記蓄電装置側のコンバータのスイッチング損失を低減する技術については開示されていないので改良の余地がある。
However, since
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、燃料電池側の第1電圧変換装置と蓄電装置側の第2電圧変換装置と負荷との関係において、より一層燃料電池システムの効率を向上させることを可能とする燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and further provides a fuel cell system in the relationship between the first voltage conversion device on the fuel cell side, the second voltage conversion device on the power storage device side, and the load. An object of the present invention is to provide a fuel cell system control method and a fuel cell vehicle that can improve the efficiency of the fuel cell system.
この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、前記燃料電池の燃料電池電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する第1電圧変換装置と、前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し前記負荷端電圧として前記インバータの前記直流端側に印加する第2電圧変換装置と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that outputs a fuel cell voltage, a power storage device that outputs a power storage device voltage, a load that includes an inverter and a motor driven through the inverter, and the fuel cell of the fuel cell A first voltage conversion device that converts the voltage into a load end voltage and applies it to the DC end side of the inverter; and a voltage conversion of the power storage device voltage of the power storage device and applies the voltage to the DC end side of the inverter as the load end voltage A control method of a fuel cell system comprising: a motor control setting step for setting a motor rotational speed or a motor power of the motor based on a request for the load of the fuel cell system; A low load determination step of determining whether the motor rotation speed or the motor electric power is a low load lower than a threshold value Have if it is determined that a low load, in the power storage device voltage and the fuel cell voltage, and the voltage drop step of lowering the higher voltage.
この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程を設けたので、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。 According to the present invention, when the load is determined to be low, a voltage lowering step for lowering the higher one of the power storage device voltage and the fuel cell voltage is provided, so the low voltage is supplied to the load. This can reduce the load loss. As a result, the efficiency of the fuel cell system can be improved.
この場合、前記電圧低下工程後に、前記第1及び第2電圧変換装置の電圧変換動作を停止して、前記燃料電池と前記蓄電装置を前記負荷に直結する電圧変換停止工程を有するように制御することが好ましい。負荷が低負荷と判定され、低電圧を供給することで損失を低減できる領域においては第1及び第2電圧変換装置の電圧変換を停止する。これにより、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減でき、さらに電圧変換による損失も皆無にすることができるので、燃料電池システムの効率を一層向上させることができる。 In this case, after the voltage reduction step, the voltage conversion operation of the first and second voltage conversion devices is stopped, and control is performed so as to have a voltage conversion stop step of directly connecting the fuel cell and the power storage device to the load. It is preferable. In a region where the load is determined to be low and the loss can be reduced by supplying a low voltage, the voltage conversion of the first and second voltage converters is stopped. As a result, a low voltage can be supplied to the load, load loss can be reduced, and loss due to voltage conversion can be eliminated. Therefore, the efficiency of the fuel cell system can be further improved.
さらに、前記電圧低下工程後、前記電圧変換停止工程の前に、前記燃料電池電圧及び前記蓄電装置電圧の電圧差を把握する電圧差把握工程と、把握された前記電圧差が前記第1及び第2電圧変換装置の停止を許容できる所定値以内となるように制御する電圧差制御工程と、を実施することにより、燃料電池電圧と蓄電装置電圧との電圧差を小さくしてから直結するので、燃料電池や蓄電装置の制御性を損なうことなく円滑に直結することができる。 Furthermore, after the voltage lowering step and before the voltage conversion stop step, a voltage difference grasping step for grasping a voltage difference between the fuel cell voltage and the power storage device voltage, and the grasped voltage difference are the first and first voltage differences. Since the voltage difference control step of controlling the voltage converter so as to be within a predetermined value that allows the stoppage of the voltage converter is performed, the voltage difference between the fuel cell voltage and the power storage device voltage is reduced and directly connected. The direct connection can be made smoothly without impairing the controllability of the fuel cell or power storage device.
この場合、前記電圧差把握工程で、前記蓄電装置電圧が前記燃料電池電圧に比べて高いと把握された場合に、前記電圧差制御工程では、前記蓄電装置のSOCを低減させることで、簡便な方法で燃料電池電圧と蓄電装置電圧との電圧差を小さくすることができる。 In this case, when it is determined in the voltage difference grasping step that the power storage device voltage is higher than the fuel cell voltage, the voltage difference control step reduces the SOC of the power storage device. The voltage difference between the fuel cell voltage and the power storage device voltage can be reduced by the method.
なお、前記電圧差把握工程で、前記燃料電池電圧が前記蓄電装置電圧に比べて高いと把握された場合に、前記電圧差制御工程では、前記燃料電池の膜含水率及び又はストイキ比を低減させることで、簡便な方法で燃料電池電圧と蓄電装置電圧の電圧差を低減させることができる。 When the voltage difference grasping step finds that the fuel cell voltage is higher than the power storage device voltage, the voltage difference control step reduces the membrane water content and / or stoichiometric ratio of the fuel cell. Thus, the voltage difference between the fuel cell voltage and the power storage device voltage can be reduced by a simple method.
また、前記低負荷判定工程の判定値である前記閾値は、前記インバータ及び前記モータの合計損失に基づいて決定されていることとすれば、燃料電池システム全体の効率が考慮されるので、燃料電池システムの効率を向上させることができる。 Further, if the threshold value that is the determination value in the low load determination step is determined based on the total loss of the inverter and the motor, the efficiency of the entire fuel cell system is taken into consideration. The efficiency of the system can be improved.
この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、前記燃料電池の燃料電池電圧もしくは前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する電圧変換装置と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置の中、前記電圧変換装置を介さずに前記インバータの直流端側に接続されている前記燃料電池もしくは前記蓄電装置の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。 A fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that outputs a fuel cell voltage, a power storage device that outputs a power storage device voltage, a load that includes an inverter and a motor driven through the inverter, and the fuel cell of the fuel cell A voltage conversion device that converts a voltage or a power storage device voltage of the power storage device and applies the converted voltage to a DC terminal side of the inverter as a load terminal voltage, and a request for the load of the fuel cell system A motor control setting step for setting the motor rotation speed or motor power of the motor, and a low load for determining whether the set motor rotation speed or the motor power is a low load lower than a threshold value. In the determination step, when it is determined that the load is low, the fuel cell and the power storage device do not go through the voltage conversion device. Having a voltage drop step of lowering the voltage of the fuel cell or the electric storage device is connected to the DC end of the inverter.
この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、燃料電池及び蓄電装置の中、電圧変換装置を介さずにインバータの直流端側に接続されている前記燃料電池もしくは前記蓄電装置の電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、前記負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。 According to the present invention, when the load is determined to be low, the fuel cell or the power storage device connected to the DC terminal side of the inverter without going through the voltage conversion device among the fuel cell and the power storage device. Since the voltage lowering step for lowering the voltage is provided, a low voltage can be supplied to the load and load loss can be reduced. As a result, the efficiency of the fuel cell system can be improved.
さらに、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記燃料電池電圧を前記モータの駆動要求電圧もしくは前記燃料電池の下限電圧まで低下させる電圧低下工程と、を有する。 Furthermore, the fuel cell system according to the present invention is a fuel cell system control method comprising: a fuel cell that outputs a fuel cell voltage; and a load comprising an inverter and a motor driven through the inverter. A motor control setting step for setting the motor rotation speed or motor power of the motor based on the load request, and whether the set motor rotation speed or the motor power is a low load lower than a threshold value. A low load determination step for determining whether or not the load is low, and a voltage lowering step for reducing the fuel cell voltage to a required drive voltage of the motor or a lower limit voltage of the fuel cell when the load is determined to be low.
この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、モータの駆動要求電圧もしくは燃料電池の下限電圧まで電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、前記負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。 According to the present invention, when the load is determined to be low, a voltage reduction step is provided to reduce the voltage to the motor drive request voltage or the lower limit voltage of the fuel cell, so that the low voltage can be supplied to the load. Load loss can be reduced. As a result, the efficiency of the fuel cell system can be improved.
上記の各発明は、燃料電池自動車で実施して好適である。 Each of the above inventions is suitable for implementation in a fuel cell vehicle.
この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、蓄電装置電圧及び燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程を設けたので、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果が達成される。 According to the present invention, when the load is determined to be low, a voltage lowering step is provided for lowering the higher one of the power storage device voltage and the fuel cell voltage, so that the low voltage can be supplied to the load. Load loss can be reduced. As a result, the effect that the efficiency of the fuel cell system can be improved is achieved.
以下、この発明に係る燃料電池システムの制御方法について、これを実施する燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a control method for a fuel cell system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings by citing preferred embodiments in relation to a fuel cell vehicle that implements the control method.
図1は、この実施形態に係る燃料電池システム12(以下、「FCシステム12」という。)が適用された燃料電池自動車10(以下、「FC自動車10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。
FIG. 1 schematically shows a fuel cell vehicle 10 (hereinafter referred to as “
図2は、1次側1sfと2次側2s側との間に配置される燃料電池側コンバータであり電圧変換装置(昇圧器)としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ21(以下、SUC21という。SUC:Step Up Converter)、及び1次側1sbと2次側2s側との間に配置されるチョッパ方式の電圧変換装置(昇降圧器)としての昇降圧コンバータ22(以下、SUDC22という。SUDC:Step Up/Down Converter)の一例の詳細構成を含むFC自動車10の模式的回路図である。
FIG. 2 is a fuel cell side converter disposed between the primary side 1sf and the
図1及び図2に示すように、FC自動車10は、FCシステム12と、車両走行用のモータ・ジェネレータである駆動モータ14と、駆動モータ14を駆動する負荷駆動回路としてのインバータ16(以下、「INV16」という。INV:Inverter)と、を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
FCシステム12は、一方の1次側1sfに配置される燃料電池18(以下、「FC18」という。)と、他方の1次側1sbに配置される蓄電装置である高電圧バッテリ20(以下「BAT20」という。)と、前記SUC21と、前記SUDC22と、高電圧{蓄電装置電圧(BAT電圧)Vbat}入力の燃料電池補機(以下、「FC補機」という。)31と、高電圧入力の車室内空気調和装置である空調補機32と、降圧器としてのチョッパ方式の降圧コンバータ23(以下、「SDC23」という。SDC:Step Down Converter)と、制御装置としての電子制御装置24(以下、「ECU24」という。ECU:Electronic Control Unit)と、を有する。
The
FC18の出力端がSUC21の入力端(1次側1sf)に接続され、SUC21の出力端(2次側2s)がINV16の直流端側とSUDC22の一端(昇圧端側)側に接続される。
The output end of FC18 is connected to the input end (primary side 1sf) of SUC21, and the output end (
BAT20の入出力端がSDC23の入力側(1次側1sb)、SUDC22の他端側(降圧端側)、及び高圧補機35(FC補機31、空調補機32)に接続される。
The input / output end of the
SDC23の出力端側(2次側)には、電圧Vbb=+12V等の低圧バッテリ29と、ECU24及びライト等の低圧補機33が接続される。なお、低圧補機33とSDC23とECU24とを併せて低圧補機(低圧負荷)33´という。
A
駆動モータ14は、FC18から供給されるFC発電電力(FC電力)Pfc(Pfc=Vfc×Ifc)とBAT20から供給される蓄電電力であるBAT放電電力Pbatd(Pbatd=Vbat×Ibd)の合成電力値(Pfc+Pbatd)がINV16を通じて供給されることで駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転させる。
The
INV16は、例えば3相フルブリッジ型の構成とされて、直流/交流変換を行い、FC18からSUC21を介してFC電圧Vfcが昇圧された直流電圧である負荷端電圧Vinvを3相の交流電圧に変換して駆動モータ14に供給する(力行時)。
The
INV16は、また、BAT20からSUDC22を介してBAT電圧Vbatが昇圧された直流電圧である前記負荷端電圧Vinvを3相の交流電圧に変換して駆動モータ14に供給する(力行時)。
The
つまり、駆動モータ14は、FC18及び/又はBAT20の電力により駆動される(力行時)。
That is, the
この実施形態において、INV16と駆動モータ14とを合わせて負荷30という。負荷には、負荷30の他に、FC補機31、空調補機32等の高圧補機35及び前記した低圧補機33´が含まれる。
In this embodiment, the
一方、駆動モータ14の回生動作に伴う交流/直流変換後のINV16の入力端(直流端側)に発生する負荷端電圧(直流端側電圧)Vinvは、降圧コンバータとして動作するSUDC22を通じてBAT電圧Vbatに降圧されてBAT20に供給され、あるいはSUDC22が直結状態(スイッチング素子22b:オフ、スイッチング素子22d:オン)にされてBAT20に供給され、BAT20を充電する。
On the other hand, the load terminal voltage (DC terminal side voltage) Vinv generated at the input terminal (DC terminal side) of the
また、BAT20には、FC18による駆動モータ14の駆動用の電力が余剰になった場合に、その余剰電力が、昇圧状態のSUC21又は直結状態のSUC21を介し、降圧状態又は直結状態のSUDC22を通じて供給され、BAT20が充電される。前記余剰電力は、余剰の程度に応じて、高圧補機35(FC補機31、空調補機32)、及び低圧補機33´にも供給される。
Further, when the power for driving the
FC補機31は、FC18のカソード流路(不図示)に対して流路入口から酸素を含む圧縮された空気(酸化剤ガス)を加湿器(HUM)39を介して供給するエアポンプ(A/P)31aと、膜含水率計31bと、FC18の冷却流路(不図示)に対して冷却媒体(冷媒)を供給するウォータポンプ(不図示)とを備える。
The FC
さらに、FC18の外部に、FC18のアノード流路(不図示)に対して水素(燃料ガス)を供給する水素タンク37と、前記加湿器39とを備える。加湿器39は、エアポンプ31aから供給される酸化剤ガスと前記カソード流路の流路出口から排出されるカソードオフガスとの間で水分と温度を交換して前記流路入口から前記カソード流路に供給する前記酸化剤ガスを加湿する中空糸膜部(不図示)を含む。なお、水素と酸化剤ガスをそれぞれ反応ガスという。
Furthermore, a
FC18は、例えば、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下、「FCセル」という。)を積層したスタック構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスが、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧(FC電圧Vfc)を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して前記酸化剤ガス(酸素含有ガス)が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
The
水が生成されることで、前記電解質膜を湿潤な状態、すなわち膜含水率(膜湿度)Zmを高い状態に保持することができ、前記反応を円滑に遂行することができる。なお、発電期間中、膜含水率Zmを所定範囲に保持するため、加湿器39は、前記中空糸膜部を通じて前記酸化剤ガスを加湿すると共に、加湿した前記酸化剤ガスと、A/P31aから前記中空糸膜部をバイパスして供給される乾燥された前記酸化剤ガスとを混合して前記カソード電極に供給している。混合比を調整することで膜含水率Zmを調整できる。
By generating water, the electrolyte membrane can be kept in a wet state, that is, the membrane moisture content (membrane humidity) Zm can be kept high, and the reaction can be smoothly performed. In order to maintain the membrane moisture content Zm within a predetermined range during the power generation period, the
膜含水率Zmは、該膜含水率Zmと一意に対応する前記電解質膜のインピーダンスを測定する膜含水率計31bによって計測される。膜含水率Zmは、前記電解質膜の前記インピーダンスが所定値範囲内になるように前記加湿器39のバイパス量等を制御することで管理・調整される。
The membrane moisture content Zm is measured by a
BAT20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池等を利用することができる。蓄電装置としてキャパシタを利用することもできる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。BAT20は、BAT電圧(バッテリ電圧)Vbat、BAT電流(バッテリ電流)Ib(放電電流Ibd、充電電流Ibc)、BAT温度(バッテリ温度)、及びBAT20の残容量であるSOC(State Of Charge)がECU24により検出乃至管理される。
The
上記したように、FC18のFC電力Pfcは、FC電圧VfcがSUC21を介して負荷端電圧Vinvに昇圧されINV16を通じて駆動モータ14に供給される(力行時)と共に、FCシステム12の電力状況に応じて、FC18からSUC21及びSUDC22を通じて1次側1sbの各機器(高圧補機35、低圧補機33´、BAT20)に分配される。
As described above, the FC power Pfc of the
一方、BAT20のBAT放電電力Pbatdは、BAT電圧VbatがSUDC22を通じて負荷端電圧Vinvに昇圧され、INV16を通じて駆動モータ14に供給される(力行時)と共に、FCシステム12の電力状況に応じて1次側1sbの各機器である高圧補機35(FC補機31、空調補機32)、及び低圧補機33´(SDC23、ECU24、低圧補機33)に供給される。
On the other hand, the BAT discharge power Pbatd of the
ここで、SUC21、SUDC22及びSDC23は、種々の構成を採用できるが、公知のように、基本的には、MOSFETやIGBT等のスイッチング素子と、ダイオードと、リアクトルと、コンデンサ(平滑コンデンサも含む)とから構成され、接続される負荷の要求電力に基づきECU24により前記スイッチング素子がオン・オフスイッチング制御(デューティ制御)される。
Here, SUC21, SUDC22, and SDC23 can employ various configurations, but as is well known, basically, switching elements such as MOSFETs and IGBTs, diodes, reactors, and capacitors (including smoothing capacitors). The switching element is on / off-switched (duty controlled) by the
具体的には、図2に示すように、SUC21は、リアクトル(インダクタ)21aと、スイッチング素子21bとダイオード21c(単方向電流通過素子、逆方向電流阻止素子)と、1次側1sf間に配置される平滑コンデンサC1fと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2fとから構成され、コンバータ制御器として機能するECU24を通じてスイッチング素子21bがスイッチング状態(デューティ制御)とされることで、FC電圧Vfcを所定の負荷端電圧Vinvに昇圧する。
Specifically, as shown in FIG. 2, the
なお、デューティ(駆動デューティ)が0[%]とされて、スイッチング素子21bがオフ状態(開状態)に維持されると、リアクトル21aとダイオード21cを通じてFC18と負荷30とが直結状態(FC直結状態又はFCVCU直結状態という。)とされ、FC電圧Vfcが負荷端電圧Vinvに直結される(Vinv=Vfc−Vd≒Vfc、Vd<<Vfc、Vd:ダイオード21cの順方向降下電圧)。ダイオード21cは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、SUC21は、昇圧動作(力行時等)の他に逆流防止動作、直結動作(力行時等)を行う。
When the duty (drive duty) is set to 0 [%] and the
一方、SUDC22は、図2に示すように、リアクトル22aと、スイッチング素子22b、22dと、これらスイッチング素子22b、22dにそれぞれ並列に接続されるダイオード22c、22eと、1次側1sb間に配置される平滑コンデンサC1bと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2bとから構成される。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
昇圧時には、ECU24により、スイッチング素子22dがオフ状態とされ、スイッチング素子22bがスイッチング(デューティ制御)されることでBAT電圧Vbat(蓄電装置電圧)が所定の負荷端電圧Vinvまで昇圧される(力行時)。
At the time of boosting, the
降圧時には、ECU24により、スイッチング素子22bがオフ状態とされ、スイッチング素子22dがスイッチング(デューティ制御)されることで、スイッチング素子22dがオフ状態であるときにダイオード22cがフライホイールダイオードとして機能し、負荷端電圧VinvがBAT20のBAT電圧Vbatまで降圧される(回生充電時及び/又はFC18による充電時)。
At the time of step-down, the
また、スイッチング素子22bをデューティが0[%]でのオフ状態、スイッチング素子22dをデューティが100[%]でのオン状態とすることで、BAT20と負荷30とが直結状態(BAT直結状態又はBATVCU直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時)とされる。
Further, the
BAT直結状態においては、BAT20のBAT電圧Vbatが負荷端電圧Vinvになる(Vbat≒Vinv)。実際上、BAT直結状態におけるBAT20による力行時の負荷端電圧Vinvは、「Vbat−ダイオード22eの順方向降下電圧」となり、充電時(回生充電時含む)の負荷端電圧Vinvは、「Vbat=Vinv−スイッチング素子22dのオン電圧=Vbat(スイッチング素子22dのオン電圧を0[V]と仮定した場合。)」になる。
In the BAT direct connection state, the BAT voltage Vbat of the
なお、図3に示すように、低電圧側と高電圧側との間に接続されるスイッチング素子21b、22b、22dには、上述したMOSFET又はIGBT等の電力素子が用いられる。
As shown in FIG. 3, the above-described power elements such as MOSFETs or IGBTs are used for the switching
また、FCシステム12において、それぞれ図示はしないが、SUC21の直結時(FC18の直結時と同意)、又はSUDC22の直結時(力行時)(BAT20の直結時と同意)におけるSUC21又はSUDC22の直流電圧降下を低減するために、SUC21の1次側1sfにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオード及び/又はSUDC22の1次側1sbにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオードを設けてもよい。
In the
FC18は、図4のIV(電流電圧)特性70に示すように、FC電圧VfcがFC開回路電圧Vfcocvより低下するに従い、FC電流Ifcが増加する公知の電流電圧(IV)特性70を有する。すなわち、FC電圧Vfcが相対的に高いFC電圧VfchであるときのFC電流Ifclに比較して、FC電圧Vfcが相対的に低いFC電圧VfclであるときのFC電流Ifchが大きな電流になる。なお、FC電力Pfcは、FC電流Ifcが大きくなるほど(FC電圧Vfcが低くなるほど)大きくなる。破線で示している低ストイキ状態の特性70p、70qについては後述する。
The
FC18のFC電圧Vfcは、SUC21の直結時においては、昇圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の昇圧比(Vinv/Vbat)又は降圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の降圧比(Vbat/Vinv)で決定される負荷端電圧Vinv{SUDC22の指令電圧(目標電圧)になる。}により制御され、FC電圧Vfcが決定されると、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが制御(決定)される。
The FC voltage Vfc of the
また、SUC21の昇圧時及びSUDC22の直結時においては、SUC21の1次側1sfの電圧、すなわちFC電圧VfcがSUC21の指令電圧(目標電圧)とされ、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが決定され、所望の負荷端電圧VinvとなるようにSUC21の昇圧比(Vinv/Vfc)が決定される。
Further, when the
なお、この実施形態では、SUC21の昇圧時に、FC電圧Vfcが指令値(設定値、目標値)になるようにコンバータ制御器としてのECU24によりスイッチング素子21bのデューティが調整されるフィードバック(F/B)制御がなされているが、FC電圧VfcとFC電流Ifcとの間にはIV特性70に基づく一意の関係があるのでFC電流Ifcが指令値(設定値、目標値)になるようにECU24によりスイッチング素子21bのデューティを調整するフィードバック(F/B)制御をすることも可能である。
In this embodiment, when the
ECU24は、通信線68(図2参照)を介して、駆動モータ14、INV16、FC18、BAT20、SUC21、SUDC22、SDC23、FC補機31、空調補機32、及び低圧補機33´等の各部を制御する。当該制御に際しては、ECU24のメモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、各種センサ(膜含水率計31bを含む図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、圧力センサ、水素濃度センサ、各種回転数センサ、及びアクセルペダルの開度センサ等)の検出値及び各種スイッチ(空調スイッチやイグニッションスイッチ等)のオンオフ情報等を用いる。
The
ECU24は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、その他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、CPUがROMに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部(機能実現手段)、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ECU24は、1つのECUのみから構成するのではなく、駆動モータ14、FC18とFC補機31、BAT20、SUC21とSUDC22とSDC23毎の複数のECUで構成することもできる。
The
ECU24は、FC18の状態、BAT20の状態及び駆動モータ14の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力値に基づき決定したFC自動車10全体としてFCシステム12に要求される負荷(負荷電力)から、FC18が負担すべき負荷(負荷電力)と、BAT20が負担すべき負荷(負荷電力)と、回生電源(駆動モータ14)が負担すべき負荷(負荷電力)の配分(分担)を調停しながら決定し、駆動モータ14、INV16、FC18、BAT20、SUC21、SUDC22及びSDC23を制御する。すなわち、ECU24は、FC18、BAT20、負荷30、高圧補機35及び低圧補機33´を含めた燃料電池自動車10全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
The
この実施形態に係る燃料電池システム12が適用されたFC自動車10は、基本的には、以上のように構成される。
The
次に、ECU24による制御処理例について、図5のタイミングチャート及び図6のフローチャートを参照して説明する。なお、図6に示すフローチャートに係るプログラムの実行主体は、ECU24のCPUである。
Next, an example of control processing by the
図5において、縦軸の項目は、上側から順に、駆動モータ14のモータ電力Pm[kW]、電圧低下判断フラグFlow、BAT20の残容量であるSOC(State Of Charge)[%]、BAT電圧Vbat[V]、膜含水率Zm[%]、及びFC電圧Vfc[V]を示し、各波形はそれぞれの時間変化を示している。
In FIG. 5, the items on the vertical axis indicate the motor power Pm [kW] of the
ただし、図5では、理解の便宜のために、BAT20のBAT電圧Vbatの電圧低下処理に関連するSOCの波形とBAT電圧Vbatの波形と、FC18のFC電圧Vfcの電圧低下処理に関連する膜含水率Zmの波形とFC電圧Vfcの波形と、を同一時間軸上に描いているが、実際には、BAT電圧Vbatの電圧低下処理とFC電圧Vfcの電圧低下処理は、同一時間軸上では、時点t2で電圧が高い方の一方に対してのみ電圧低下処理が実施されることに留意する。
However, in FIG. 5, for convenience of understanding, the waveform of the SOC and the waveform of the BAT voltage Vbat related to the voltage reduction processing of the BAT voltage Vbat of the
つまり、時点t2にてBAT電圧VbatがFC電圧Vfcより高い(Vbat>Vfc)場合には、SOCの波形とBAT電圧Vbatの波形とを参照して説明するBAT電圧Vbatの電圧低下処理が実施される一方、時点t2にてFC電圧VfcがBAT電圧Vbatより高い(Vfc>Vbat)場合には、膜含水率Zmの波形とFC電圧Vfcの波形とを参照して説明するFC電圧Vfcの電圧低下処理が実施される。 That is, when the BAT voltage Vbat is higher than the FC voltage Vfc at time t2 (Vbat> Vfc), the voltage reduction processing of the BAT voltage Vbat described with reference to the SOC waveform and the BAT voltage Vbat waveform is performed. On the other hand, when the FC voltage Vfc is higher than the BAT voltage Vbat (Vfc> Vbat) at time t2, the voltage drop of the FC voltage Vfc described with reference to the waveform of the membrane moisture content Zm and the waveform of the FC voltage Vfc Processing is performed.
なお、図5中、実線で示す波形と一点鎖線で示す波形とを同一項目で描いている波形は、それぞれ、実線で示す波形が対策後(実施例)の波形、一点鎖線で示す波形が対策前(比較例)の波形を示している。対策後の波形を示す場合、符号の末尾に“a”を付け、対策前の波形を示す場合、符号の末尾に“b”を付けている。 In FIG. 5, the waveform shown by the solid line and the waveform shown by the alternate long and short dash line are the same items, and the waveform indicated by the solid line is the waveform after the countermeasure (Example) and the waveform indicated by the alternate long and short dash line is the countermeasure. The previous (comparative example) waveform is shown. When the waveform after the countermeasure is shown, “a” is added to the end of the code, and when the waveform before the countermeasure is shown, “b” is added to the end of the code.
また、図5中、時点t1近傍は、モータ電力Pmが0[kW]以下の負の値になっており、駆動モータ14が回生発電状態になっており、BAT20が回生充電されていることを示している。
In FIG. 5, in the vicinity of time t1, the motor power Pm is a negative value of 0 [kW] or less, the
そこで、図6のフローチャートのステップS1にて、ECU24は、各種スイッチ及び各種センサからの入力値{Vfc、Ifc、Vbat、Ib、Vinv、I2(INV16に対する入出力電流、図1、図2参照)、Im(駆動モータ14に流れるモータ電流、通常2相分、図2参照)、Nm(駆動モータ14の回転数)、θp(図示しないアクセルペダルの操作量)等}を検出して、駆動モータ14に対するモータ要求電力Pmreq[kW]を算出する。
Therefore, in step S1 of the flowchart of FIG. 6, the
より具体的には、駆動モータ14のモータ要求電力Pmreq[kW]が、アクセルペダルの操作量θpに基づくモータ回転数Nm[rpm]と必要トルクTreq[N・m]とに基づき算出される。
More specifically, the required motor power Pmreq [kW] of the
図7は、モータ要求電力Pmreqと、このモータ要求電力Pmreqを実現するための最低電圧であるインバータ16の負荷端電圧Vinvとしての駆動要求負荷端電圧(単に、駆動要求電圧ともいう。)Vinvd[V]との関係を表す特性72を示している。特性72は、予めECU24内の記憶装置に記憶されている。
FIG. 7 shows the required motor power Pmreq and the required drive load end voltage Vinvd [also referred to as the required drive voltage] Vinvd [as the load end voltage Vinv of the
ステップS1にて、さらに、モータ要求電力Pmreq[kW]に基づき図7の特性72を参照し駆動要求負荷端電圧Vinvd[V]を算出する。なお、駆動要求負荷端電圧Vinvdは、モータ要求電力Pmreqを確保する駆動モータ14への最小電圧であり、負荷30の効率を優先する場合には、この駆動要求負荷端電圧Vinvdより高い電圧である効率要求負荷端電圧VinvηをINV16に印加するように制御を変更してもよい。効率要求負荷端電圧Vinvηは、モータ回転数Nmとモータトルクとに応じて予め求めておくことができる。負荷端電圧Vinvとして、より高電圧を印加することによりインバータ16を通じて駆動モータ14に流れるモータ電流Im(負荷電流)の自乗に比例する負荷30での電力損失を低下させることができ、結果として燃料電池システム12のシステム効率を向上させることができる。
In step S1, the drive request load end voltage Vinvd [V] is further calculated with reference to the characteristic 72 of FIG. 7 based on the motor required power Pmreq [kW]. The drive request load end voltage Vinvd is the minimum voltage to the
次いで、ステップS2にて、実際のモータ電力Pm(Pm=Im×Vinv)を検出する。 Next, in step S2, the actual motor power Pm (Pm = Im × Vinv) is detected.
さらに、ステップS3にて、モータ電力Pmから移動平均モータ電力Pmmeanを算出する。移動平均を算出するのは、ハンチングが発生しない安定な制御を行うためである。 Further, in step S3, the moving average motor power Pmmean is calculated from the motor power Pm. The reason why the moving average is calculated is to perform stable control that does not cause hunting.
次に、ステップS4にて、移動平均モータ電力Pmmeanが、負荷30が低負荷であると判定し、負荷端電圧Vinvを低下させた方が負荷損失(インバータ16と駆動モータ14との合計損失)Pmlossが小さくなる閾値電力Pmthを下回っているか否かを判定する。
Next, in step S4, the moving average motor power Pmmean determines that the
図8は、負荷端電圧Vinvをパラメータとしたモータ電力Pmと負荷損失Pmlossとの関係を示す特性図である。 FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the motor power Pm and the load loss Pmloss using the load end voltage Vinv as a parameter.
負荷損失Pmlossは、モータ電力Pmが閾値電力Pmthを下回ると、低負荷端電圧Vinvlow、例えば300[V]近傍での損失特性74が高負荷端電圧Vinvhigh、例えば500[V]近傍での損失特性76を下回る性質になっていることに留意する。なお、図8の横軸は、閾値電力Pmthに対応する閾値回転数Nmthを有するモータ回転数Nmに代替することができる。 When the motor power Pm falls below the threshold power Pmth, the load loss Pmloss is such that a loss characteristic 74 near a low load end voltage Vinvlow, for example, 300 [V] is a loss characteristic near a high load end voltage Vinvhigh, for example, 500 [V]. Note that it is less than 76. Note that the horizontal axis in FIG. 8 can be replaced with a motor rotation speed Nm having a threshold rotation speed Nmth corresponding to the threshold power Pmth.
モータ電力Pmとモータ回転数Nmは、一意の関係がある。従って、負荷30が低負荷であるとは、例えば、モータ回転数Nmが0〜4000[rpm]の一般道等での低速走行範囲、負荷30が高負荷であるとは、例えば、モータ回転数Nmが4000〜10000[rpm]の高速道等での高速走行範囲で判定することが可能である。この場合、閾値回転数Nmthは、概ね4000[rpm]に設定可能である。
The motor power Pm and the motor rotation speed Nm have a unique relationship. Therefore, the
ステップS4の判定が否定的である(ステップS4:NO、Pmmean≧Pmth)場合には、この実施形態の要部に係る制御は実施されない。 When the determination in step S4 is negative (step S4: NO, Pmmean ≧ Pmth), the control according to the main part of this embodiment is not performed.
ステップS4の判定が肯定的である(ステップS4:YES、Pmmean<Pmth)場合には、負荷30が低負荷状態になっていると判定する。時点t2にて、ステップS4の判定(Pmmean<Pmth)が肯定的(ステップS4:YES)になる。
If the determination in step S4 is affirmative (step S4: YES, Pmmean <Pmth), it is determined that the
そこで次に、ステップS5にて、FC電圧VfcとBAT電圧Vbatの大小を判定する。 Then, next, in step S5, the magnitude of the FC voltage Vfc and the BAT voltage Vbat is determined.
ステップS5にて、FC電圧VfcがBAT電圧Vbat以上の高い電圧(ステップS5:NO、Vfc≧Vbat)であると判定した場合には、ステップS6にて、FC電圧Vfcを一定FC電圧量(微小FC電圧量)ΔVfcだけ低下させる(Vfc←Vfc−ΔVfc:右辺に示す現在のFC電圧Vfcから一定FC電圧量ΔVfcを減じたFC電圧Vfcを左辺に示すFC電圧Vfcにする)処理を実施する。 If it is determined in step S5 that the FC voltage Vfc is higher than the BAT voltage Vbat (step S5: NO, Vfc ≧ Vbat), in step S6, the FC voltage Vfc is set to a certain FC voltage amount (minute). (FC voltage amount) ΔVfc is reduced (Vfc ← Vfc−ΔVfc: FC voltage Vfc obtained by subtracting the constant FC voltage amount ΔVfc from the current FC voltage Vfc shown on the right side is changed to the FC voltage Vfc shown on the left side).
同一のFC電流Ifcであっても、FC電圧Vfcを図4に示すように、Vfc1、Vfc2と低下させるためには、図4に示す標準のIV特性70を、IV特性70pやIV特性70qに変化(低下)させることが必要である。
In order to reduce the FC voltage Vfc to Vfc1 and Vfc2, as shown in FIG. 4, even if the FC current Ifc is the same, the
通常のIV特性70をIV特性70pやIV特性70qのように低下させるために、目標膜含水率Zmtarを、通常の目標膜含水率Zmtarnormから低い目標膜含水率Zmtarlowに設定し、例えば、加湿器31cによる酸化剤ガスの加湿量を低減することで、対策前の実膜含水率Zmbを目標膜含水率Zmtarlowに対応する、対策後の実膜含水率Zmaまで下げればよい。 In order to reduce the normal IV characteristic 70 to the IV characteristic 70p and the IV characteristic 70q, the target film water content Zmtar is set to a target film water content Zmtarlow that is lower than the normal target film water content Zmtarnorm. By reducing the humidification amount of the oxidant gas by 31c, the actual membrane water content Zmb before the countermeasure may be lowered to the actual membrane water content Zma after the countermeasure corresponding to the target membrane moisture content Zmtarlow.
あるいは、通常のIV特性70をIV特性70pやIV特性70qのように低下させるために、FC18に供給する水素の量又は酸化剤ガスの量が低ストイキ状態(ストイキ比が通常ストイキ比より小さい、例えば1以上1.5未満の状態)になるように、例えば、エアポンプ31aの流量を少なくすることにより低下させればよい。なお、通常のIV特性70は、ストイキ比を低下させてもセル電圧が安定するように、酸素及び水素のストイキ比(供給流量÷消費流量)を1以上の適値、例えば1.5に設定しているときの特性である。
Alternatively, in order to reduce the normal IV characteristic 70 to the IV characteristic 70p or the IV characteristic 70q, the amount of hydrogen or the amount of the oxidant gas supplied to the
次いで、ステップS7にて、低下させたFC電圧VfcとBAT電圧Vbatとの偏差ΔV(ΔV=|Vfc−Vbat|)を算出し、ステップS8にて、偏差ΔV=|Vfc−Vbat|が閾値偏差ΔVth未満の微小電圧まで偏差ΔVが狭くなった(ΔV=|Vfc−V|<ΔVth)か、否かを判定する。 Next, in step S7, a deviation ΔV (ΔV = | Vfc−Vbat |) between the reduced FC voltage Vfc and the BAT voltage Vbat is calculated, and in step S8, the deviation ΔV = | Vfc−Vbat | It is determined whether or not the deviation ΔV has narrowed to a minute voltage less than ΔVth (ΔV = | Vfc−V | <ΔVth).
このようにして、ステップS5:NO→ステップS6→ステップS7→ステップS8の処理をステップS8の判定が肯定的(ステップS8:YES)になるまで繰り返す。 In this way, the process of step S5: NO → step S6 → step S7 → step S8 is repeated until the determination in step S8 becomes affirmative (step S8: YES).
一方、ステップS5のFC電圧VfcとBAT電圧Vbatの大小判定にて、BAT電圧VbatがFC電圧Vfcより高い電圧である(ステップS5:YES、Vfc<Vbat)と判定した場合には、ステップS9にて、BAT電圧Vbatを一定BAT電圧量(微小BAT電圧量)ΔVbatだけ低下させる(Vbat←Vbat−ΔVbat:右辺に示す現在のBAT電圧Vbatから一定BAT電圧量ΔVbatを減じたBAT電圧Vbatを左辺に示すBAT電圧Vbatにする。)処理を実施するために、BAT20の目標SOCtar[%]を、一定ΔSOC[%]だけ低下させる(SOCtar←SOCtar−ΔSOC)。
On the other hand, if it is determined in step S5 that the BAT voltage Vbat is higher than the FC voltage Vfc in the determination of the magnitude of the FC voltage Vfc and the BAT voltage Vbat (step S5: YES, Vfc <Vbat), the process proceeds to step S9. Thus, the BAT voltage Vbat is decreased by a constant BAT voltage amount (a minute BAT voltage amount) ΔVbat (Vbat ← Vbat−ΔVbat: a BAT voltage Vbat obtained by subtracting the constant BAT voltage amount ΔVbat from the current BAT voltage Vbat shown on the right side to the left side. The target SOCtar [%] of the
例えば、BAT20の通常の目標SOCtarであるSOCtar=50[%]を1[%]ずつ、40[%]までの低下範囲で低下させればよい。この場合、BAT20のSOCを強制的に低下させるためには、例えば、ECU24によって管理される、要求される負荷30の電力に対するBAT20が負担すべき負荷電力の割合をFC18が負担すべき割合より多くすればよく、それでも低下量が十分でない場合には、FC補機31を構成するエアポンプ31aを空回ししたり、空調補機32を構成するファン(不図示)を空回しすることで、BAT20の蓄電電力を消費させればよい。
For example, SOCtar = 50 [%], which is a normal target SOCtar of
このようにして、ステップS5:YES→ステップS9→ステップS7→ステップS8の処理をステップS8の判定が肯定的(ステップS8:YES)になるまで繰り返す。 In this way, the process of step S5: YES → step S9 → step S7 → step S8 is repeated until the determination in step S8 becomes affirmative (step S8: YES).
時点t3にて、ステップS8の判定が肯定的となった(ステップS8:YES)とき、ステップS10にて、両電圧変換装置であるSUC21及びSUDC22のデューティ比を0[%]にすることで、スイッチング素子21bをオフ状態に保持して、FC電圧Vfcが負荷端電圧Vinvになるように処理すると共に、スイッチング素子22bをオフ状態(スイッチング素子22dもオフ状態にするが、電流の流れる方向がBAT20側からインバータ16側なので、オフ状態でもオン状態でもよい。)にして、BAT電圧Vbatが負荷端電圧Vinvになるように処理する。
When the determination in step S8 becomes affirmative at time t3 (step S8: YES), the duty ratio of SUC21 and SUDC22, which are both voltage converters, is set to 0 [%] in step S10. The switching
すなわち、ステップS10では、FC18とBAT20とが低電圧の状態で、両方がインバータ16(負荷30)に対して直結状態に制御される。 That is, in step S10, FC18 and BAT20 are in a low voltage state, and both are controlled to be directly connected to inverter 16 (load 30).
このようにこの実施形態では、インバータ16と駆動モータ14からなる負荷30の電力である移動平均モータ電力Pmmeanが、低負荷とみなす閾値電力Pmthを連続して下回る場合、FC電圧VfcがBAT電圧Vbat以上の電圧である場合には、FC電圧Vfcを低下させ、BAT電圧Vbatと所定電圧差である偏差ΔVを閾値偏差ΔVth未満の値にして、SUC21(FC18)とSUDC22(BAT20)の両方とも直結状態に制御する。これによりSUC21及びSUDC22のスイッチング損失を皆無とすることができ、燃料電池システム12、ひいては燃料電池自動車10の効率を向上させることができる。
As described above, in this embodiment, when the moving average motor power Pmmean that is the power of the
あるいは、インバータ16と駆動モータ14からなる負荷30の電力である移動平均モータ電力Pmmeanが、低負荷とみなす閾値電力Pmthを連続して下回る場合、BAT電圧VbatがFC電圧Vfc以上の電圧である場合には、BAT電圧Vbatを低下させ、FC電圧Vfcと所定電圧差である偏差ΔVを閾値偏差ΔVth未満の値にして、SUC21(FC18)とSUDC22(BAT20)の両方とも直結状態に制御する。これによりSUC21及びSUDC22のスイッチング損失を皆無とすることができ、燃料電池システム12、ひいては燃料電池自動車10の効率を向上させることができる。
Alternatively, when the moving average motor power Pmmean that is the power of the
図9A〜図9Fは、この実施形態の適用例及び変形例を示している。 9A to 9F show application examples and modification examples of this embodiment.
図9AのSUC21及びSUDC22を有する燃料電池システム12Aを搭載する燃料電池自動車10Aでは、Vfc>Vbatに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、SUC21を直結状態、SUDC22を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、BAT20の目標残容量SOCtarを低下させ、SUDC22(BAT20)も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。
In the
図9BのSUC21が省略された燃料電池システム12Bを搭載する燃料電池自動車10Bでは、Vfc>Vbatに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、FC18を直結状態、SUDC22を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された状態では、BAT20の目標残容量SOCtarを低下させ、SUDC22を直結状態とする両方直結状態で使用に供する。
In the
図9CのSUC21及びSUDC22が省略された燃料電池システム12Cを搭載する燃料電池自動車10Cでは、低負荷状態であると判定された場合には、FC18の目標膜含水率Zmtarを低下させ又は低ストイキ比として使用に供する。
In the fuel cell vehicle 10C equipped with the fuel cell system 12C in which the
図9DのSUC21及びSUDC22を有する燃料電池システム12Dを搭載する燃料電池自動車10Dでは、Vbat>Vfcに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、SUDC22を直結状態、SUC21を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、FC18の目標膜含水率Zmtarを低下させ又は低ストイキ比とし、SUC21(FC18)も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。
In the
図9EのSUDC22が省略された燃料電池システム12Eを搭載する燃料電池自動車10Eでは、Vbat>Vfcに設定されており、SUDC22は省略され、低負荷状態ではないと判定された場合には、BAT20を直結状態、SUC21を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、FC18の目標膜含水率Zmtar又はストイキ比を低下させ、SUC21(FC18)も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。
In the
図9Fのレンジエクステンダー型電気自動車11では、エンジン(ENG)13で発電機(GEN)15を発電させ発電電圧VgenをSUC21の1次側に供給し、且つSUDC22を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合、BAT20の目標残容量SOCtarを低下させ、SUDC22(BAT20)を直結状態として使用に供する。
In the range extender type
[実施形態のまとめ及びさらなる変形例]
以上説明したように上述した実施形態に係るFCシステム12は、FC電圧Vfcを出力するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC18のFC電圧Vfcを電圧変換(昇圧)し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の直流端側に印加する第1電圧変換装置としてのSUC21と、BAT20のBAT電圧Vbatを電圧変換(昇圧)し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の前記直流端側に印加する第2電圧変換装置としてのSUDC22と、を備えるFCシステム12の制御方法において、FCシステム12の負荷30の要求(モータ要求電力Pmreq)に基づいて、駆動モータ14のモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmを設定するモータ制御設定工程(ステップS1)と、設定されたモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmが、閾値(例えば、移動平均モータ電力Pmmeanに対応して設定される閾値電力Pmth)より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程(ステップS4)と、低負荷と判定された(ステップS4:YES)場合、BAT電圧Vbat及びFC電圧Vfcの中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程(ステップS6又はステップS9)と、を有する。
[Summary of embodiments and further modifications]
As described above, the
この実施形態によれば、負荷30、例えばモータ電力Pmが低負荷と判定された(ステップS4:YES)場合に、BAT電圧Vbat及びFC電圧Vfcの中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程(ステップS6又はステップS9)を設けたので、負荷30に負荷端電圧Vinvとして低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、FCシステム12の効率を向上させることができる。
According to this embodiment, when it is determined that the
この場合、電圧低下工程(ステップS6又はステップS9)後に、SUC21及びSUDC22の電圧変換動作を停止して、FC18とBAT20を負荷30に直結する電圧変換停止工程(ステップS10)を有することが好ましい。
In this case, it is preferable to have a voltage conversion stop step (step S10) in which the voltage conversion operation of the
負荷30が低負荷と判定(ステップS4:YES)され、低電圧を供給することで損失を低減できる領域(図8中、閾値電力Pmth以下の領域)においてはSUC21及びSUDC22の電圧変換を停止する。これにより、負荷30に低電圧を供給できて負荷損失を低減でき、さらにSUC21及びSUDC22の電圧変換によるスイッチング損失も皆無にすることができるので、燃料電池システム12の効率を確実に向上させることができる。
It is determined that the
この場合において、電圧低下工程(ステップS6又はステップS9)後、電圧変換停止工程(ステップS10)の前に、FC電圧Vfc及びBAT電圧Vbatの電圧差である偏差ΔV(ΔV=|Vfc−Vbat|)を把握する電圧差把握工程(ステップS7)と、把握された偏差ΔV(ΔV=|Vfc−Vbat|)がSUC21及びSUDC22の同時停止を許容できる所定値以内(閾値偏差ΔVth未満の微小電圧)となるように制御する電圧差制御工程(ステップS8:ΔV=|Vfc−Vbat|<ΔVth)と、を実施することにより、FC電圧VfcとBAT電圧Vbatとの電圧差を小さくしてから直結するので、FC18及びBAT20の制御性を損なうことなく円滑に直結することができる。閾値偏差ΔVthは、予め燃料電池システム12毎に決定しておくことができる。
In this case, a deviation ΔV (ΔV = | Vfc−Vbat |) which is a voltage difference between the FC voltage Vfc and the BAT voltage Vbat after the voltage reduction process (step S6 or step S9) and before the voltage conversion stop process (step S10). ) And the difference ΔV (ΔV = | Vfc−Vbat |) ascertained is within a predetermined value that allows the simultaneous stop of the
なお、電圧差把握工程(ステップS5)で、BAT電圧VbatがFC電圧Vfcに比べて高いと把握された(ステップS5:YES)場合に、電圧差制御工程(ステップS9)では、BAT20の目標SOCを低減させるように制御することで、簡便な方法でFC電圧VfcとBAT電圧Vbatとの電圧差である偏差ΔV(ΔV=|Vfc−Vbat|)を小さくすることができる。
When it is determined that the BAT voltage Vbat is higher than the FC voltage Vfc in the voltage difference determination step (step S5) (step S5: YES), the target SOC of the
また、電圧差把握工程(ステップS5)で、FC電圧VfcがBAT電圧Vbatに比べて高いと把握された(ステップS5:NO)場合に、電圧差制御工程(ステップS6)では、FC18の膜含水率Zm及び又はストイキ比を低減させることで、同様に、簡便な方法でFC電圧VfcとBAT電圧Vbatの電圧差である偏差ΔV(ΔV=|Vfc−Vbat|)を小さくすることができる。 Further, when the voltage difference grasping step (step S5) finds that the FC voltage Vfc is higher than the BAT voltage Vbat (step S5: NO), the voltage difference controlling step (step S6) includes the membrane water content of FC18. By reducing the rate Zm and / or the stoichiometric ratio, the deviation ΔV (ΔV = | Vfc−Vbat |), which is the voltage difference between the FC voltage Vfc and the BAT voltage Vbat, can be similarly reduced by a simple method.
低負荷判定工程(ステップS4)の判定値である閾値電力Pmthは、インバータ16及び駆動モータ14の合計損失である負荷損失Pmlossに基づいて決定することで、概ねFCシステム12全体の効率が考慮されることになり、FCシステム12の効率を向上させることができる。
The threshold power Pmth, which is the determination value in the low load determination step (step S4), is determined based on the load loss Pmloss, which is the total loss of the
さらに上述した実施形態に係るFCシステム12Bは、図9Bに示したように、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC電圧Vfcをインバータ16の直流端側に負荷端電圧Vinvとして直接印加するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、BAT20のBAT電圧Vbatを電圧変換(昇圧)し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の前記直流端側に印加する電圧変換装置としてのSUDC22と、を備えるFCシステム12Bの制御方法において、FCシステム12Bの負荷30の負荷要求に基づいて、駆動モータ14のモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmを設定するモータ制御設定工程(ステップS1)と、設定されたモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmが、閾値(例えば、移動平均モータ電力Pmmeanに対応して設定される閾値電力Pmth)より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程(ステップS4)と、低負荷と判定された(ステップS4:YES)場合に、FC電圧Vfcを低下させる電圧低下工程(ステップS6)と、を設けたので、負荷30に負荷端電圧Vinvとして低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、FCシステム12Bの効率を向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 9B, the
[変形例A]
さらにまた上述した実施形態に係るFCシステム12B(図9B)及びFCシステム12E(図9E)の接続例のいずれか一方を対象として、FC電圧Vfcを出力するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC18のFC電圧VfcもしくはBAT20のBAT電圧Vbatを電圧変換し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の直流端側に印加する一つの電圧変換装置(図9BのSUDC22もしくは図9EのSUC21)と、を備える燃料電池システム12B、12Eの制御方法において、燃料電池システム12B、12Eの負荷30の要求(モータ要求電力Pmreq)に基づいて、駆動モータ14のモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmを設定するモータ制御設定工程と、設定されたモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmが、閾値(閾値回転数Nmth、例えば、低速走行範囲の上限のモータ回転数Nmである上述した4000[rpm]、もしくは閾値電力Pmth、例えば、前記閾値回転数Nmthと駆動モータ14の要求トルクとから決定される値。)より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程(類推するステップS4)と、低負荷と判定された場合、FC18及びBAT20の中、前記電圧変換装置(図9BのSUDC22もしくは図9EのSUC21)を介さずにインバータ16の直流端側に接続されているFC18(図9B)もしくはBAT20(図9E)の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。
[Modification A]
Furthermore, for any one of connection examples of the
このように図9BのFCシステム12B及び図9EのFCシステム12Eのいずれか一方を対象とする変形例Aでは、負荷30が低負荷と判定された場合に、FC18及びBAT20中、電圧変換装置(SUC21又はSUDC22)を介さずにインバータ16の直流端側に直接接続されているFC18もしくはBAT20の電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、負荷30に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、FCシステム12B、12Eの効率を向上させることができる。
As described above, in the modified example A targeting either one of the
[変形例B]
さらにまた上述した実施形態に係るFCシステム12C(図9C)の接続例を対象として、FC電圧Vfcを出力するFC18と、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、を備える燃料電池システム12Cの制御方法において、燃料電池システム12Cの負荷30の要求(モータ要求電力Pmreq)に基づいて、駆動モータ14のモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmを設定するモータ制御設定工程と、設定されたモータ回転数Nmもしくはモータ電力Pmが、閾値(閾値回転数Nmth、例えば、低速走行範囲の上限のモータ回転数Nmである上述した4000[rpm]、もしくは閾値電力Pmth、例えば、前記閾値回転数Nmthと駆動モータ14の要求トルクとから決定される値。)より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程(類推するステップS4)と、低負荷と判定された場合、駆動モータ14の駆動要求電圧(駆動要求負荷端電圧Vinvd)もしくはFC18の安定的な発電を行える下限電圧までFC電圧Vfcを低下させる電圧低下工程と、を有する。
[Modification B]
Furthermore, for a connection example of the FC system 12C (FIG. 9C) according to the above-described embodiment, a
このように図9CのFCシステム12Cを対象とする変形例Bでは、負荷30が低負荷と判定された場合に、FC電圧Vfcを駆動モータ14の駆動要求電圧(駆動要求負荷端電圧Vinvd)もしくはFC18の下限電圧まで低下させる電圧低下工程を設けたので、負荷30に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、FCシステム12Cの効率を向上させることができる。なお、FC18の下限電圧とは、例えば、FCセルに含まれる白金(酸化白金)についての還元反応が安定的に進行する領域、いわゆる白金還元安定領域の下限電圧をいう。
As described above, in Modification B targeting the FC system 12C of FIG. 9C, when the
また、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various configurations can be adopted based on the contents described in this specification.
10、10A〜10E…燃料電池自動車(FC自動車)
12、12A〜12E…燃料電池システム(FCシステム)
14…駆動モータ 16…インバータ(INV)
18…燃料電池(FC) 20…蓄電装置、高電圧バッテリ(BAT)
21…昇圧コンバータ(昇圧器、電圧変換装置、SUC)
22…昇降圧コンバータ(昇降圧器、電圧変換装置、SUDC)
24…ECU
10, 10A-10E ... Fuel cell vehicle (FC vehicle)
12, 12A-12E ... Fuel cell system (FC system)
14 ... Drive
18 ... Fuel cell (FC) 20 ... Power storage device, High voltage battery (BAT)
21 ... Boost converter (booster, voltage converter, SUC)
22 ... Buck-boost converter (buck-boost, voltage converter, SUDC)
24 ... ECU
Claims (5)
蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、
インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、
前記燃料電池の燃料電池電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する第1電圧変換装置と、
前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し前記負荷端電圧として前記インバータの前記直流端側に印加する第2電圧変換装置と、
を備える燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、
設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、
低負荷と判定された場合、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程と、
前記燃料電池電圧及び前記蓄電装置電圧の電圧差を把握する電圧差把握工程と、
把握された前記電圧差が前記第1及び第2電圧変換装置の停止を許容できる所定値以内となるように制御する電圧差制御工程と、
前記電圧差が前記所定値以内となったとき、前記第1及び第2電圧変換装置の電圧変換動作を停止して、前記燃料電池と前記蓄電装置を前記負荷に直結する電圧変換停止工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 A fuel cell that outputs a fuel cell voltage;
A power storage device that outputs a power storage device voltage;
A load comprising an inverter and a motor driven through the inverter;
A first voltage converter for converting the fuel cell voltage of the fuel cell and applying the voltage to the DC terminal side of the inverter as a load terminal voltage;
A second voltage converter that converts the voltage of the power storage device of the power storage device and applies the voltage to the DC terminal side of the inverter as the load terminal voltage;
In a control method of a fuel cell system comprising:
A motor control setting step for setting the motor rotation speed or motor power of the motor based on the load requirement of the fuel cell system;
A low load determination step for determining whether the set motor rotation speed or the motor power is a low load lower than a threshold;
When it is determined that the load is low, a voltage lowering step of lowering the higher voltage among the power storage device voltage and the fuel cell voltage;
A voltage difference grasping step for grasping a voltage difference between the fuel cell voltage and the power storage device voltage;
A voltage difference control step for controlling the grasped voltage difference to be within a predetermined value that allows the stop of the first and second voltage converters;
A voltage conversion stop step of stopping the voltage conversion operation of the first and second voltage conversion devices and directly connecting the fuel cell and the power storage device to the load when the voltage difference is within the predetermined value;
A control method for a fuel cell system, comprising:
前記電圧差把握工程で、前記蓄電装置電圧が前記燃料電池電圧に比べて高いと把握された場合に、
前記電圧差制御工程では、前記蓄電装置のSOCを低減させる
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to claim 1 ,
In the voltage difference grasping step, when it is grasped that the power storage device voltage is higher than the fuel cell voltage,
In the voltage difference control step, the SOC of the power storage device is reduced. A control method for a fuel cell system.
前記電圧差把握工程で、前記燃料電池電圧が前記蓄電装置電圧に比べて高いと把握された場合に、
前記電圧差制御工程では、前記燃料電池の膜含水率及び又はストイキ比を低減させる
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to claim 1 or 2 ,
In the voltage difference grasping step, when it is grasped that the fuel cell voltage is higher than the power storage device voltage,
In the voltage difference control step, the membrane water content and / or stoichiometric ratio of the fuel cell is reduced. A control method for a fuel cell system.
前記低負荷判定工程の判定値である前記閾値は、前記インバータ及び前記モータの合計損失に基づいて決定されている
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。 In the control method of the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 ,
The control method of a fuel cell system, wherein the threshold value that is a determination value of the low load determination step is determined based on a total loss of the inverter and the motor.
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