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JP2009254155A - Fuel cell hybrid system - Google Patents

Fuel cell hybrid system Download PDF

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JP2009254155A
JP2009254155A JP2008100237A JP2008100237A JP2009254155A JP 2009254155 A JP2009254155 A JP 2009254155A JP 2008100237 A JP2008100237 A JP 2008100237A JP 2008100237 A JP2008100237 A JP 2008100237A JP 2009254155 A JP2009254155 A JP 2009254155A
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hybrid system
cell hybrid
acp
air compressor
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Fusanori Igarashi
総紀 五十嵐
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell hybrid system of high energy efficiency. <P>SOLUTION: The fuel cell hybrid system includes a fuel cell, an auxiliary power source (battery or the like) for assisting it, an air compressor (ACP) for supplying air to the fuel cell. In the system, charging of the auxiliary power source is performed based on the generated power of the ACP and motor (MG) (steps S102-S104) when operation of the ACP stops (step S101). <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池と、充電可能な補助電源とを含む燃料電池ハイブリッドシステムに関する。   The present invention relates to a fuel cell hybrid system including a fuel cell and a chargeable auxiliary power source.

燃料電池自動車に用いられている燃料電池システムの中には、燃料電池の代わりの電力供給源等として機能する補助電源を備えたものが存在している。そして、そのような燃料電池システム(以下、燃料電池ハイブリッドシステムと表記する)は、車両の制動時に、車両駆動用のモータが発電機として利用されて補助電源が充電されるシステム(例えば、特許文献1参照。)となっている。ただし、既存の燃料電池ハイブリッドシステムのエネルギー効率はさほど良いものとはなっていない。このため、よりエネルギー効率の良い燃料電池ハイブリッドシステムが望まれている。   Some fuel cell systems used in fuel cell vehicles include an auxiliary power source that functions as a power supply source or the like instead of the fuel cell. Such a fuel cell system (hereinafter referred to as a fuel cell hybrid system) is a system in which an auxiliary power source is charged by using a motor for driving a vehicle as a generator during braking of the vehicle (for example, Patent Documents). 1). However, the energy efficiency of the existing fuel cell hybrid system is not so good. For this reason, a fuel cell hybrid system with higher energy efficiency is desired.

特開2006−286320号公報JP 2006-286320 A 特開2005−117754号公報JP 2005-117754 A

そこで、本発明の課題は、よりエネルギー効率の良い燃料電池ハイブリッドシステムを、提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell hybrid system with higher energy efficiency.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムは、燃料電池と、前記燃料電池のカソード側に空気を供給するためのエアーコンプレッサと、充電可能な補助電源と、空気の供給源としての動作を停止した前記エアーコンプレッサを発電機として利用して前記補助電源を充電する充電手段とを備える。   In order to solve the above problems, a fuel cell hybrid system according to the present invention includes a fuel cell, an air compressor for supplying air to the cathode side of the fuel cell, a chargeable auxiliary power source, and an air supply source. Charging means for charging the auxiliary power using the air compressor that has stopped the operation as a generator.

すなわち、既存の燃料電池ハイブリッドシステム(特許文献1等参照。)が、エアーコンプレッサの運動エネルギーを電気エネルギーとして回収しないシステムであるのに対し、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムは、エアーコンプレッサの運動エネルギーを、電気エネルギーとして回収するシステムとなっている。従って、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムは、既存の燃料電池ハイブリッドシステムよりも、エネルギー効率の良いシステムとなっていると言うことが出来る。   In other words, the existing fuel cell hybrid system (see Patent Document 1, etc.) is a system that does not recover the kinetic energy of the air compressor as electric energy, whereas the fuel cell hybrid system of the present invention is a kinetic energy of the air compressor. Is recovered as electrical energy. Therefore, it can be said that the fuel cell hybrid system of the present invention is a more energy efficient system than the existing fuel cell hybrid system.

なお、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムを実現するに際して、補助電源は、充電可能なもの(かつ、そこに蓄えられた電力を利用できるもの)でありさえすればどのようなもの(バッテリ、キャパシタ等)であっても良い。   In realizing the fuel cell hybrid system of the present invention, the auxiliary power source can be rechargeable (and can use the electric power stored therein) (battery, capacitor, etc.). ).

また、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムは、どのような用途のシステム(例えば、家庭用の電源システム)としても実現することが出来る。ただし、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムの構成は、エアーコンプレッサの動作が比較的に頻繁に停止される場合に特に効果があるものとなっている。このため、本発明は、特に、車両用のシステム(例えば、請求項2記載の構成を有するシステム)に適したものとなっていると言うことも出来る。   Further, the fuel cell hybrid system of the present invention can be realized as a system for any application (for example, a household power supply system). However, the configuration of the fuel cell hybrid system of the present invention is particularly effective when the operation of the air compressor is stopped relatively frequently. For this reason, it can be said that the present invention is particularly suitable for a vehicle system (for example, a system having the configuration described in claim 2).

また、本発明の燃料電池ハイブリッドシステムを車両用のものとして実現する場合には、前記モータ及び前記エアーコンプレッサの双方に交流電力を独立して供給可能なインバ
ータを設けておくことが望ましい。何故ならば、そのようなインバータを設けておけば、2つインバータを設ける場合よりもシステム構成が簡素になる結果として、システムの製造が容易になるからである。
Further, when the fuel cell hybrid system of the present invention is realized for a vehicle, it is desirable to provide an inverter capable of independently supplying AC power to both the motor and the air compressor. This is because, if such an inverter is provided, the system configuration is simplified as compared with the case where two inverters are provided, resulting in easier system manufacture.

本発明によれば、よりエネルギー効率の良い燃料電池ハイブリッドシステムを実現(提供)することが出来る。   According to the present invention, a fuel cell hybrid system with higher energy efficiency can be realized (provided).

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に、本発明の一実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステム1の構成を示す。なお、本実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステム1は、燃料電池自動車用のシステムとして開発されたものである。   FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell hybrid system 1 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell hybrid system 1 according to the present embodiment has been developed as a system for a fuel cell vehicle.

図示してあるように、燃料電池ハイブリッドシステム1は、燃料電池(FC)10、FC昇圧コンバータ11、バッテリ12、バッテリ昇圧コンバータ13、主機インバータ14、エアーコンプレッサ(ACP)15、モータ・ジェネレータ(MG)16及びECU17を、備えている。   As shown, the fuel cell hybrid system 1 includes a fuel cell (FC) 10, an FC boost converter 11, a battery 12, a battery boost converter 13, a main inverter 14, an air compressor (ACP) 15, a motor generator (MG). ) 16 and ECU 17 are provided.

モータ・ジェネレータ16(以下、MG16と表記する)は、燃料電池ハイブリッドシステム1が搭載された燃料電池自動車(以下、システム搭載車両と表記する)の車輪を回転させるための三相交流モータである。   The motor generator 16 (hereinafter referred to as MG16) is a three-phase AC motor for rotating the wheels of a fuel cell vehicle (hereinafter referred to as a system-equipped vehicle) on which the fuel cell hybrid system 1 is mounted.

燃料電池10は、図示せぬ水素タンクから供給される水素と、エアーコンプレッサ15(以下、ACP15と表記する)から供給される空気中の酸素との化学反応により発電する(電気エネルギーを生成する)電池である。なお、本燃料電池ハイブリッドシステム1に用いられている燃料電池10は、複数の固体高分子型燃料電池セルをセパレータを介して積層したもの(いわゆる燃料電池スタック)となっている。また、ACP15は、三相交流モータが用いられたもの(三相の交流電力を供給することによって機能させるもの)となっている。   The fuel cell 10 generates electricity (generates electric energy) by a chemical reaction between hydrogen supplied from a hydrogen tank (not shown) and oxygen in the air supplied from an air compressor 15 (hereinafter referred to as ACP 15). It is a battery. The fuel cell 10 used in the present fuel cell hybrid system 1 is a laminate of a plurality of polymer electrolyte fuel cells via separators (so-called fuel cell stack). The ACP 15 uses a three-phase AC motor (functions by supplying three-phase AC power).

主機インバータ14は、ECU17(詳細は後述)の制御下、直流電力を、ACP15を駆動するための交流電力とMG16を駆動するための交流電力とに変換する回路である。この主機インバータ14は、ECU17が、ACP15側の出力とMG16側の出力とを独立して制御できるものとなっている。   The main inverter 14 is a circuit that converts direct current power into alternating current power for driving the ACP 15 and alternating current power for driving the MG 16 under the control of the ECU 17 (details will be described later). The main inverter 14 is configured such that the ECU 17 can independently control the output on the ACP 15 side and the output on the MG 16 side.

FC昇圧コンバータ11は、燃料電池10の出力電圧を昇圧するためのDC−DCコンバータである。バッテリ12は、燃料電池10の代わりの電力供給源等として機能する補助電源である。バッテリ昇圧コンバータ13は、バッテリ12の出力電圧を昇圧するためのDC−DCコンバータである。   The FC boost converter 11 is a DC-DC converter for boosting the output voltage of the fuel cell 10. The battery 12 is an auxiliary power source that functions as a power supply source or the like instead of the fuel cell 10. The battery boost converter 13 is a DC-DC converter for boosting the output voltage of the battery 12.

ECU(electronic control unit)17は、アクセル開度、システム搭載車両の車両速度等に基づき、燃料電池ハイブリッドシステム1内の各部を統合的に制御するための、CPU、ROM、RAM等からなるユニット(本発明の充電手段,制御手段にほぼ相当)である。なお、アクセル開度とは、システム搭載車両に設けられているアクセルペダルの踏み込みの程度を示す情報のことである。また、燃料電池ハイブリッドシステム1内の各部とは、FC昇圧コンバータ11、主機インバータ14、図示していないガス供給/排出用の各種バルブ等のことである。   The ECU (electronic control unit) 17 is a unit (CPU, ROM, RAM, etc.) for controlling each part in the fuel cell hybrid system 1 based on the accelerator opening, the vehicle speed of the system-equipped vehicle, and the like. This is substantially equivalent to the charging means and control means of the present invention. The accelerator opening is information indicating the degree of depression of the accelerator pedal provided in the system-equipped vehicle. The components in the fuel cell hybrid system 1 include the FC boost converter 11, the main inverter 14, and various valves for gas supply / discharge (not shown).

このECU17が実行可能な各種制御処理は、基本的には(ACP15を動作させるために制御するインバータが主機インバータ14であることを除けば)、既存のECUが行うものとほぼ同内容のものとなっている。ただし、ECU17は、システム搭載車両が或る速度以上で走行している状況下、アクセルペダルの踏み込みが解除された場合、図2に示した手順の減速用処理を開始するように構成(プログラミング)されたユニットとなっている。   The various control processes that can be executed by the ECU 17 are basically the same as those performed by the existing ECU (except that the inverter controlled to operate the ACP 15 is the main machine inverter 14). It has become. However, the ECU 17 is configured (programming) to start the deceleration process of the procedure shown in FIG. 2 when the accelerator pedal is released under the condition that the system-equipped vehicle is traveling at a certain speed or more. It has become a unit.

すなわち、システム搭載車両が或る速度以上で走行している状況下、アクセルペダルの踏み込みが解除された場合、ECU17は、まず、ACP15への電力供給とMG16への電力供給とを停止する処理(ステップS101)を行う。より具体的には、このステップS101において、ECU17は、燃料電池10へのアノードガス及びカソードガスの供給を停止させるための処理と、FC昇圧コンバータ11の昇圧動作や、主機インバータ14のコンバータ動作を停止させる処理とを行う。   That is, when the accelerator pedal is released while the system-equipped vehicle is traveling at a certain speed or higher, the ECU 17 first stops the power supply to the ACP 15 and the power supply to the MG 16 ( Step S101) is performed. More specifically, in this step S101, the ECU 17 performs processing for stopping the supply of the anode gas and the cathode gas to the fuel cell 10, the boost operation of the FC boost converter 11, and the converter operation of the main inverter 14. The process to stop is performed.

次いで、ECU17は、ACP15、MG16の双方の発電電力でバッテリ12を充電するための充電制御処理を開始する(ステップS102)。換言すれば、ECU17は、ACP15の出力電力とMG16の出力電力とによりバッテリ12が充電されるように、主機インバータ14及びバッテリ昇圧コンバータ13を制御する充電制御処理を開始する。   Next, the ECU 17 starts a charging control process for charging the battery 12 with the power generated by both the ACP 15 and the MG 16 (step S102). In other words, the ECU 17 starts a charge control process for controlling the main inverter 14 and the battery boost converter 13 so that the battery 12 is charged by the output power of the ACP 15 and the output power of the MG 16.

なお、本実施形態に係るECU17が実行する充電制御処理は、ACP15、MG16の出力電圧の監視結果に基づき、ACP15から入力される三相交流電圧がバッテリ12の充電に必要な所定電圧の直流電圧となり、MG16から入力される三相交流電圧が同電圧の直流電圧となるように、主機インバータ14を制御すると共に、主機インバータ14の出力電圧がそのままバッテリ12に印可されるように、バッテリ昇圧コンバータ13を制御する処理となっている。また、充電制御処理は、いずれか一方のユニット(ACP15、MG16)の出力電圧が予め定められている充電閾値電圧を下回った場合には、他方のユニットのみの出力電力によりバッテリ12が充電されるように、主機インバータ14及びバッテリ昇圧コンバータ13を制御する状態に移行するものとなっている。   Note that the charging control process executed by the ECU 17 according to the present embodiment is based on the monitoring results of the output voltages of the ACP 15 and MG 16, and the three-phase AC voltage input from the ACP 15 is a DC voltage having a predetermined voltage required for charging the battery 12. The battery boost converter controls the main inverter 14 so that the three-phase AC voltage input from the MG 16 becomes the same DC voltage, and the output voltage of the main inverter 14 is applied to the battery 12 as it is. 13 is a process for controlling 13. Further, in the charging control process, when the output voltage of any one unit (ACP15, MG16) falls below a predetermined charging threshold voltage, the battery 12 is charged by the output power of only the other unit. As described above, the state shifts to a state in which the main machine inverter 14 and the battery boost converter 13 are controlled.

充電制御処理を開始(ステップS102)したECU17は、処理終了要イベントの発生を監視する処理(ステップS103)も開始する。ここで、処理終了要イベントとは、『ACP15の出力電圧、MG16の出力電圧の双方が、充電閾値電圧を下回った』、『アクセルペダルが踏み込まれた』、『バッテリ12がそれ以上充電できない状態となった』といったようなイベント(つまり、その発生時に減速用処理の実行を終了すべきイベント)のことである。   The ECU 17 that has started the charge control process (step S102) also starts a process (step S103) for monitoring the occurrence of a process end necessity event. Here, the process completion event is “the output voltage of ACP 15 and the output voltage of MG 16 are both lower than the charging threshold voltage”, “the accelerator pedal is depressed”, “the battery 12 cannot be charged any more. Event ”(that is, an event that should end execution of the deceleration process when the event occurs).

ECU17は、或る処理終了要イベントが発生したことを検出した場合(ステップS103;YES)には、充電制御処理を終了する(ステップS104)と共に、この減速用処理を終了する。そして、ECU17は、発生を検出した処理終了要イベントに応じた内容の処理を開始する。例えば、ECU17は、『アクセルペダルが踏み込まれた』ことの検出により減速用処理を終了した場合には、まず、バッテリ12の出力電力でMG16の動作や、ACP15の動作(燃料電池10の発電動作)を開始させるための処理を行う。その後、ECU17は、バッテリ12及びFC10の出力電力でMG16等を動作させている状態を経て、FC10の出力電力のみでMG16等を動作させている状態に至る。   When the ECU 17 detects that a certain process end required event has occurred (step S103; YES), the ECU 17 ends the charge control process (step S104) and ends the deceleration process. Then, the ECU 17 starts processing with the content corresponding to the event that requires processing to be detected. For example, when the ECU 17 terminates the deceleration process by detecting that the accelerator pedal is depressed, first, the operation of the MG 16 or the operation of the ACP 15 (the power generation operation of the fuel cell 10) with the output power of the battery 12 is performed. ) Is started. Thereafter, the ECU 17 reaches a state where the MG 16 and the like are operated only by the output power of the FC 10 through a state where the MG 16 and the like are operated by the output power of the battery 12 and the FC 10.

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステム1は、空気の供給源としての動作を停止したACP15(電力の供給が停止されたACP15)の運動エネルギーを、電気エネルギーとして回収する構成を有している。そして、既存の燃料電池ハイブリッドシステムでは、エアーコンプレッサの運動エネルギーを電気エネ
ルギーとして回収されていないのであるから、この燃料電池ハイブリッドシステム1は、既存の燃料電池ハイブリッドシステムよりもエネルギー効率の良いシステムであることになる。
As is clear from the above description, the fuel cell hybrid system 1 according to the present embodiment uses the kinetic energy of the ACP 15 (ACP 15 from which power supply has been stopped) stopped as an air supply source as electric energy. It has a configuration to collect. In the existing fuel cell hybrid system, since the kinetic energy of the air compressor is not recovered as electric energy, the fuel cell hybrid system 1 is a system that is more energy efficient than the existing fuel cell hybrid system. It will be.

また、燃料電池ハイブリッドシステム1は、ACP15への交流電力の供給とMG16への交流電力の供給とが、1つのユニット(主機インバータ14)により行われるシステムとなっている。従って、この燃料電池ハイブリッドシステム1の構成は、ACP15用のインバータとMG16用のインバータとを備えた構成よりも、システムの製造が容易なもの(システム構成が簡素なもの)となっていると言うことも出来る。   The fuel cell hybrid system 1 is a system in which the supply of AC power to the ACP 15 and the supply of AC power to the MG 16 are performed by one unit (main machine inverter 14). Accordingly, the configuration of the fuel cell hybrid system 1 is easier to manufacture (simple system configuration) than the configuration including the inverter for the ACP 15 and the inverter for the MG 16. You can also

《変形形態》
上記した燃料電池ハイブリッドシステム1は、各種の変形を行うことが出来る。例えば、燃料電池ハイブリッドシステム1を、家庭用/工場用の電源システム(MG16を備えず、100V或いは200Vの二相或いは三相交流電力の出力端子を有するシステム等)に変形することが出来る。ただし、燃料電池ハイブリッドシステム1が有している構成は、エアーコンプレッサ15の動作が殆ど停止されることがない場合には、あまり効果がないものとなっている。このため、燃料電池ハイブリッドシステム1が有している構成は、エアーコンプレッサ15の動作が頻繁に停止される形で動作する/運用されるシステムに特に適したものとなっていると言うことも出来る。
<Deformation>
The fuel cell hybrid system 1 described above can be variously modified. For example, the fuel cell hybrid system 1 can be modified into a home / factory power supply system (such as a system that does not include the MG 16 and has an output terminal of 100V or 200V two-phase or three-phase AC power). However, the configuration of the fuel cell hybrid system 1 is not very effective when the operation of the air compressor 15 is hardly stopped. For this reason, it can be said that the configuration of the fuel cell hybrid system 1 is particularly suitable for a system that operates / operates in such a manner that the operation of the air compressor 15 is frequently stopped. .

燃料電池ハイブリッドシステム1を、ACP15による発電電力が、MG16の駆動にも使用されるシステム(バッテリ12の出力電力でMG16を駆動する際に、ACP15の発電電力が利用されるシステム)に変形することも出来る。   The fuel cell hybrid system 1 is transformed into a system in which the power generated by the ACP 15 is also used to drive the MG 16 (a system in which the power generated by the ACP 15 is used when the MG 16 is driven by the output power of the battery 12). You can also.

また、燃料電池ハイブリッドシステム1を、ACP15用のインバータとMG16用のインバータとを備えたシステムや、バッテリ昇圧コンバータ13を備えないシステム等に変形することも出来る。ただし、ACP15用のインバータとMG16用のインバータとを設けることにすると、システム構成が複雑になってしまうことになる。このため、上記実施形態のように、ACP15用のインバータとMG16用のインバータと機能するユニット(主機インバータ14)を設けておくことが望ましい。   Further, the fuel cell hybrid system 1 can be modified to a system including an inverter for ACP 15 and an inverter for MG 16 or a system not including the battery boost converter 13. However, if an inverter for ACP 15 and an inverter for MG 16 are provided, the system configuration becomes complicated. For this reason, as in the above embodiment, it is desirable to provide a unit (main inverter 14) that functions as an inverter for ACP15 and an inverter for MG16.

また、燃料電池ハイブリッドシステム1を、バッテリ12の代わりにコンデンサを備えたシステムに変形しても良いことなどは当然のことである。   Of course, the fuel cell hybrid system 1 may be modified into a system including a capacitor instead of the battery 12.

本発明の一実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステムの構成図である。1 is a configuration diagram of a fuel cell hybrid system according to an embodiment of the present invention. FIG. 実施形態に係る燃料電池ハイブリッドシステム内のECUが実行する処理の流れ図である。It is a flowchart of the process which ECU in the fuel cell hybrid system which concerns on embodiment performs.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・燃料電池ハイブリッドシステム
10・・・燃料電池
11・・・FC昇圧コンバータ
12・・・バッテリ
13・・・バッテリ昇圧コンバータ
14・・・主機インバータ
15・・・エアーコンプレッサ
16・・・モータ・ジェネレータ
17・・・ECU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell hybrid system 10 ... Fuel cell 11 ... FC boost converter 12 ... Battery 13 ... Battery boost converter 14 ... Main inverter 15 ... Air compressor 16 ... Motor・ Generator 17 ... ECU

Claims (3)

燃料電池と、
前記燃料電池のカソード側に空気を供給するためのエアーコンプレッサと、
充電可能な補助電源と、
空気の供給源としての動作を停止した前記エアーコンプレッサを発電機として利用して前記補助電源を充電する充電手段と
を備えることを特徴とする燃料電池ハイブリッドシステム。
A fuel cell;
An air compressor for supplying air to the cathode side of the fuel cell;
A rechargeable auxiliary power supply,
A fuel cell hybrid system comprising: charging means for charging the auxiliary power using the air compressor, which has stopped operating as an air supply source, as a generator.
車輪を回転させるためのモータと、
電力を供給することによって前記モータ及び前記エアーコンプレッサを動作させる制御手段であって、前記モータ及び前記エアーコンプレッサの双方への電力の供給を同時に停止する場合がある制御手段と
を、さらに備え、
前記充電手段が、
電力の供給が停止されている前記エアーコンプレッサ、前記モータの双方を発電機として利用して前記補助電源を充電することが可能な手段である
ことを特徴とする請求項1記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
A motor for rotating the wheels;
Control means for operating the motor and the air compressor by supplying power, and further comprising control means for simultaneously stopping power supply to both the motor and the air compressor,
The charging means is
2. The fuel cell hybrid system according to claim 1, wherein the auxiliary power supply can be charged by using both of the air compressor and the motor that are not supplied with electric power as a generator. 3. .
前記モータ及び前記エアーコンプレッサの双方に交流電力を独立して供給可能なインバータを、さらに備える
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
The fuel cell hybrid system according to claim 2, further comprising an inverter capable of independently supplying AC power to both the motor and the air compressor.
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