JP2017152230A - Air compressor apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エアコンプレッサー装置に関する。 The present invention relates to an air compressor device.
従来、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池（以下、ＦＣとも称する）を電源装置として搭載した燃料電池自動車が提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell vehicle has been proposed in which a fuel cell (hereinafter also referred to as FC) that generates electricity by chemically reacting hydrogen as a fuel gas and oxygen in the air as an oxidant gas is mounted as a power supply device.
燃料電池に供給される空気は、車載のエアコンプレッサー（以下、ＡＣＰとも称する）によって外気から取り込まれて圧送される。エアコンプレッサーは、その駆動源として内蔵したモータが燃料電池の運転状態に応じて回転数制御されることで、燃料電池に供給される空気量が調整されるようになっている。 Air supplied to the fuel cell is taken in from outside air by an on-vehicle air compressor (hereinafter also referred to as ACP) and is pumped. The air compressor is configured such that the amount of air supplied to the fuel cell is adjusted by controlling the rotational speed of a motor built in as a drive source according to the operating state of the fuel cell.
ところで、燃料電池とエアコンプレッサーは、通常離れており、要求発電量の上昇に伴って、エアコンプレッサーの回転数を高めたとしても、エアコンプレッサーと燃料電池との間で反応ガス（空気）が圧縮されてしまうので、反応ガスがエアコンプレッサーから燃料電池に到達するまでに遅れてしまう。この遅れを考慮して発電電流を制御する技術が下記特許文献１で提案されている。 By the way, the fuel cell and the air compressor are usually separated from each other, and even if the rotation speed of the air compressor is increased as the required power generation increases, the reaction gas (air) is compressed between the air compressor and the fuel cell. Therefore, the reaction gas is delayed until it reaches the fuel cell from the air compressor. A technique for controlling the generated current in consideration of this delay is proposed in Patent Document 1 below.
ドライバビリティを考慮して上述した空気供給遅れを無くすために、要求されたエアコンプレッサーの回転数と現在の回転数との差が所定値以上の場合（言い換えれば、回転数指令が急変する場合）に、エアコンプレッサーの回転数の変化度合を性能の最大値（例えばエアコンプレッサーが最速で応答する制御）とすることが考えられる。しかし、例えば間欠運転明け時の緩負荷においても回転数指令の変化に対して性能の最大値でエアコンプレッサーを運転してしまうと、エアコンプレッサーでの消費電力が大きくなってしまい、燃費が悪化する。 In order to eliminate the above-described air supply delay in consideration of drivability, when the difference between the requested rotation speed of the air compressor and the current rotation speed is greater than or equal to a predetermined value (in other words, when the rotation speed command changes suddenly) In addition, the degree of change in the rotation speed of the air compressor may be set to the maximum value of performance (for example, control in which the air compressor responds at the highest speed). However, for example, if the air compressor is operated with the maximum performance against the change in the rotational speed command even at a light load at the end of intermittent operation, the power consumption of the air compressor increases and the fuel consumption deteriorates. .
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができるエアコンプレッサー装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an air compressor device capable of achieving both drivability and fuel consumption.
上記課題を解決するために本発明に係るエアコンプレッサー装置は、要求電力を前記燃料電池から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサーの要求回転数と前記エアコンプレッサーの現在の回転数との差、及び前記燃料電池に対するパワー要求値に基づいて、前記エアコンプレッサーのトルク指令値及び回転数を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値以上の場合に、第１加速トルクに基づいて前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させ、前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値未満の場合に、前記第１加速トルクよりも小さい第２加速トルクにより前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させる。 In order to solve the above-described problems, an air compressor device according to the present invention provides a required rotational speed of an air compressor for supplying an air supply amount necessary for outputting required power from the fuel cell, and a current speed of the air compressor. A control unit that controls a torque command value and a rotation number of the air compressor based on a difference from the rotation number and a power request value for the fuel cell, and the control unit has the difference equal to or greater than a predetermined value, and When the power requirement value is equal to or greater than a predetermined value, the rotational speed of the air compressor is increased based on the first acceleration torque, and when the difference is equal to or greater than the predetermined value and the power requirement value is less than the predetermined value, The rotation speed of the air compressor is increased by a second acceleration torque that is smaller than the first acceleration torque.
かかる構成によれば、エアコンプレッサーの要求回転数とエアコンプレッサーの現在の回転数との差のみではなく、燃料電池に対するパワー要求値の大小も考慮して、要求トルクが小さい場合には、燃費向上を狙い加速トルクを制限して要求回転数に到達するのを遅らせる。このように、燃料電池に対するパワー要求値が所定値以下の場合（例えば間欠運転明け時の緩負荷走行時等）ではエアコンプレッサーの最速応答性は必要ないため、このような場合に加速トルクを制限することによって、エアコンプレッサーの消費電力を抑えている。これにより、燃費とドライバビリティの両立を図ることができる。なお、間欠運転とは、燃料電池システムに要求される出力が所定の閾値以下である場合に、燃料電池における発電を一時的に休止して二次電池から負荷への電力供給を行う運転をいう。 According to such a configuration, not only the difference between the required rotation speed of the air compressor and the current rotation speed of the air compressor, but also the power requirement value for the fuel cell is taken into account, and the fuel efficiency is improved when the required torque is small. To limit the acceleration torque and delay reaching the required rotational speed. As described above, when the required power value for the fuel cell is less than the predetermined value (for example, when driving lightly at the end of intermittent operation), the fastest response of the air compressor is not required. By doing so, the power consumption of the air compressor is suppressed. Thereby, both fuel consumption and drivability can be achieved. The intermittent operation refers to an operation of temporarily stopping power generation in the fuel cell and supplying power from the secondary battery to the load when the output required for the fuel cell system is below a predetermined threshold. .
本発明によれば、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができるエアコンプレッサー装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the air compressor apparatus which can aim at coexistence of drivability and a fuel consumption can be provided.
以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely an example, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.
図１は、燃料電池と酸化ガス供給排出系の一例を示す説明図である。燃料電池システムは、図１に示す酸化ガス供給排出系の他に燃料ガスの供給排出系及び冷却系を備え、図示しない燃料電池車両に搭載されるが、本明細書では、酸化ガス供給排出系についてのみ説明し、燃料ガスの供給排出系、冷却系については説明を省略する。 FIG. 1 is an explanatory diagram showing an example of a fuel cell and an oxidizing gas supply / discharge system. The fuel cell system includes a fuel gas supply / discharge system and a cooling system in addition to the oxidant gas supply / discharge system shown in FIG. 1 and is mounted on a fuel cell vehicle (not shown). Only the fuel gas supply / discharge system and the cooling system will be omitted.
酸化ガス供給排出系３００は、酸化剤ガス供給管３１０と、酸化剤排ガス排出管３２０と、バイパス管３３０と、分流弁３４０と、調圧弁３５０と、エアコンプレッサー３６０と、回転数センサ３７０と、を備える。 The oxidant gas supply / discharge system 300 includes an oxidant gas supply pipe 310, an oxidant exhaust gas discharge pipe 320, a bypass pipe 330, a flow dividing valve 340, a pressure regulating valve 350, an air compressor 360, a rotation speed sensor 370, Is provided.
酸化剤ガス供給管３１０は、燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するための管であり、酸化剤排ガス排出管３２０は、燃料電池１００からの酸化剤排ガスを排出するための管である。バイパス管３３０は、酸化剤ガス供給管３１０と、酸化剤排ガス排出管３２０とを接続している。酸化剤ガス供給管３１０とバイパス管３３０との接続部には、分流弁３４０が設けられている。分流弁３４０は、酸化剤ガスを、燃料電池１００に供給する酸化剤ガスとバイパス管３３０に流す酸化剤ガスとに分流する。調圧弁３５０は、燃料電池１００における酸化剤ガスの圧力を調圧する。本実施形態では、酸化剤ガスとして、空気を用いている。エアコンプレッサー３６０は、空気を圧縮し、酸化剤ガス供給管３１０を介して燃料電池１００に酸化剤ガスとして空気を供給する。制御部２００は、例えば、エアコンプレッサー３６０の回転数指令値を算出したり、エアコンプレッサー３６０のトルク指令値を算出したりする。制御部２００の動作例の詳細は後述する。なお、本発明におけるエアコンプレッサー装置は、エアコンプレッサー３６０と、制御部２００とを備える。 The oxidant gas supply pipe 310 is a pipe for supplying oxidant gas to the fuel cell 100, and the oxidant exhaust gas discharge pipe 320 is a pipe for discharging oxidant exhaust gas from the fuel cell 100. The bypass pipe 330 connects the oxidant gas supply pipe 310 and the oxidant exhaust gas discharge pipe 320. A diversion valve 340 is provided at the connection between the oxidant gas supply pipe 310 and the bypass pipe 330. The diversion valve 340 divides the oxidant gas into an oxidant gas that is supplied to the fuel cell 100 and an oxidant gas that flows through the bypass pipe 330. The pressure regulating valve 350 regulates the pressure of the oxidant gas in the fuel cell 100. In this embodiment, air is used as the oxidant gas. The air compressor 360 compresses air and supplies air as an oxidant gas to the fuel cell 100 via the oxidant gas supply pipe 310. For example, the control unit 200 calculates the rotation speed command value of the air compressor 360 or calculates the torque command value of the air compressor 360. Details of an operation example of the control unit 200 will be described later. The air compressor device according to the present invention includes an air compressor 360 and a control unit 200.
続いて、図２を参照して、制御部２００によるエアコンプレッサー３６０の動作例を説明する。図２は、エアコンプレッサー３６０の動作例を説明するためのタイムチャートである。 Then, with reference to FIG. 2, the operation example of the air compressor 360 by the control part 200 is demonstrated. FIG. 2 is a time chart for explaining an operation example of the air compressor 360.
例えば間欠運転明け時（時刻ｔ１）において、アクセルペダル（図示略）が踏み込まれると、その踏み込み量（アクセル開度）に応じて、燃料電池１００に対する要求電力が増加する。 For example, when the accelerator pedal (not shown) is depressed at the end of intermittent operation (time t1), the required power for the fuel cell 100 increases according to the depression amount (accelerator opening).
制御部２００は、要求電力を燃料電池１００から出力させるために燃料電池１００に供給すべき空気の流量を算出し、この流量の空気を供給するために必要なエアコンプレッサー３６０の回転数指令値を算出する。そして、制御部２００は、エアコンプレッサー３６０に対する回転数指令値と、回転数センサ３７０により取得された現在の回転数とを用いて、エアコンプレッサー３６０に対するトルク指令値（加速トルク）を算出する。 The control unit 200 calculates the flow rate of air to be supplied to the fuel cell 100 in order to output the required power from the fuel cell 100, and sets the rotation speed command value of the air compressor 360 necessary for supplying this amount of air. calculate. The control unit 200 calculates a torque command value (acceleration torque) for the air compressor 360 using the rotation speed command value for the air compressor 360 and the current rotation speed acquired by the rotation speed sensor 370.
ところで、アクセル開度に基づく要求電力の増加、回転数指令値の増加に応じてトルク指令値を増加させる場合には、燃料電池１００の応答性確保のために、エアコンプレッサー３６０を最速で応答させて燃料電池１００への空気供給を早める必要がある。つまり、回転数指令値の変化に応じて、空気が応答性良く燃料電池１００に供給されるようにエアコンプレッサー３６０を制御する必要がある。 By the way, when the torque command value is increased in response to an increase in required power based on the accelerator opening and an increase in the rotational speed command value, the air compressor 360 is caused to respond at the highest speed in order to ensure the responsiveness of the fuel cell 100. Therefore, it is necessary to speed up the air supply to the fuel cell 100. That is, it is necessary to control the air compressor 360 so that air is supplied to the fuel cell 100 with high responsiveness in accordance with the change in the rotational speed command value.
ところが、このようにエアコンプレッサー３６０が最速で応答するような制御（性能の最大値で運転する制御）を実施すると、燃料電池１００に対するパワー要求の少ない状態、例えば低速での間欠運転明け時においても、エアコンプレッサー３６０を最速で応答することとなり、エアコンプレッサーでの消費電力の損失（ＡＣＰ損失）が大きくなってしまう。例えば図２に示すように、間欠運転明けから、時刻ｔ２において所定の回転数に到達するように、エアコンプレッサー３６０を最速で応答する制御を行うと（図２に破線で示す回転数ＲC、トルク指令ＴC）、時刻ｔ１〜ｔ２におけるＡＣＰ損失が大きくなってしまう（図２に破線で示すＥC）。なお、図３（エアコンプレッサーの損失特性）に示すように、エアコンプレッサー３６０の回転数、トルクが高いほど、エアコンプレッサー３６０での消費電力の損失が大きくなる。 However, if control is performed such that the air compressor 360 responds at the maximum speed (control that operates at the maximum value of performance) as described above, even in a state where the power demand on the fuel cell 100 is low, for example, at the time of intermittent operation at low speed. The air compressor 360 responds at the fastest speed, and the loss of power consumption (ACP loss) in the air compressor increases. For example, as shown in FIG. 2, when control is performed so that the air compressor 360 responds at the highest speed so as to reach a predetermined rotational speed at the time t <b> 2 after the intermittent operation ends (the rotational speed R C indicated by a broken line in FIG. 2). Torque command T C ), and ACP loss at times t1 and t2 increases (E C indicated by a broken line in FIG. 2). As shown in FIG. 3 (loss characteristics of the air compressor), the higher the rotational speed and torque of the air compressor 360, the greater the loss of power consumption in the air compressor 360.
そこで、本実施形態では、燃料電池１００に対するパワー要求が所定値以下の場合には、応答性より燃費を優先するように、エアコンプレッサー３６０の加速トルクを制御する。 Therefore, in the present embodiment, when the power request for the fuel cell 100 is equal to or less than a predetermined value, the acceleration torque of the air compressor 360 is controlled so that the fuel efficiency is given priority over the responsiveness.
具体的には制御部２００は、以下のようにエアコンプレッサー３６０を制御する。すなわち、要求電力を燃料電池１００から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサー３６０の要求回転数と、エアコンプレッサー３６０の現在の回転数との差が所定値以上であり、且つ、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値以上の場合には、制御部２００は、第１加速トルクに基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。更に、アクセル開度に基づく要求電力を燃料電池１００から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサー３６０の要求回転数と、エアコンプレッサー３６０の現在の回転数との差が所定値以上であり、且つ、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値未満の場合には、第１加速トルクより低い第２加速トルク（図２で実線で示すトルク指令ＴP）に基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。 Specifically, the control unit 200 controls the air compressor 360 as follows. That is, the difference between the required rotational speed of the air compressor 360 for supplying an air supply amount necessary for outputting the required power from the fuel cell 100 and the current rotational speed of the air compressor 360 is equal to or greater than a predetermined value. When the power requirement value for the fuel cell 100 is equal to or greater than a predetermined value, the control unit 200 increases the rotational speed of the air compressor 360 based on the first acceleration torque. Furthermore, the difference between the required rotational speed of the air compressor 360 for supplying the air supply amount necessary for outputting the required power based on the accelerator opening from the fuel cell 100 and the current rotational speed of the air compressor 360 is predetermined. When the power demand value for the fuel cell 100 is less than the predetermined value, the air compressor is based on the second acceleration torque (torque command T P shown by the solid line in FIG. 2) lower than the first acceleration torque. The rotational speed of 360 is increased.
このように、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値未満の場合には、燃費向上を狙い、所定の回転数に到達するのを遅らせることで（図２の実線で示す回転数ＲPのように、時刻ｔ３で所定の回転数に到達させる）、ＡＣＰ損失を抑えることができる（図２の実線で示すＥP）。これにより、必要な燃料電池１００の発電応答速度を確保しながら燃費を向上させる、言い換えれば、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができる。 Thus, when the power requirement value for the fuel cell 100 is less than the predetermined value, the aim of improving fuel efficiency, by delaying to reach a predetermined rotational speed (as the rotational speed R P indicated by a solid line in FIG. 2 At a time t3, the ACP loss can be suppressed (E P indicated by a solid line in FIG. 2). Thereby, fuel efficiency can be improved while ensuring the necessary power generation response speed of the fuel cell 100, in other words, both drivability and fuel efficiency can be achieved.
また本実施形態では、エアブロー等の発電以外の用途によって回転数指令が急変した場合に、加速トルクを制限しても良い。詳細には、エアブロー等の発電以外の用途において、エアコンプレッサー３６０に対する回転数指令が急変した場合に、制御部２００は、上述した第１加速トルクよりも低い第２加速トルクに基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。エアブロー等の発電以外の用途による機能に、エアコンプレッサー３６０の最速応答性は必要ないため、このような用途においても加速トルクを制御することにより、機能性を確保しつつ燃費を向上させることができる。 In the present embodiment, the acceleration torque may be limited when the rotational speed command changes suddenly due to an application other than power generation such as air blow. Specifically, when the rotational speed command for the air compressor 360 suddenly changes in applications other than power generation, such as air blow, the control unit 200 controls the air compressor 360 based on the second acceleration torque lower than the first acceleration torque described above. Increase the number of revolutions. Since the fastest responsiveness of the air compressor 360 is not necessary for functions other than power generation such as air blow, fuel efficiency can be improved while ensuring functionality by controlling the acceleration torque even in such applications. .
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. Each element included in each of the specific examples described above and their arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be appropriately changed.
１００：燃料電池
２００：制御部
３００：酸化ガス供給排出系
３１０：酸化剤ガス供給管
３２０：酸化剤排ガス排出管
３６０：エアコンプレッサー
３７０：回転数センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100: Fuel cell 200: Control part 300: Oxidation gas supply discharge system 310: Oxidant gas supply pipe 320: Oxidant exhaust gas discharge pipe 360: Air compressor 370: Speed sensor
Claims (1)
要求電力を燃料電池から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサーの要求回転数と前記エアコンプレッサーの現在の回転数との差、及び前記燃料電池に対するパワー要求値に基づいて、前記エアコンプレッサーのトルク指令値及び回転数を制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値以上の場合に、第１加速トルクに基づいて前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させ、
前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値未満の場合に、前記第１加速トルクよりも小さい第２加速トルクにより前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させることを特徴とするエアコンプレッサー装置。 An air compressor device used in a fuel cell system,
Based on the difference between the required rotational speed of the air compressor and the current rotational speed of the air compressor for supplying the air supply amount necessary for outputting the required power from the fuel cell, and the required power value for the fuel cell A control unit for controlling the torque command value and the rotation speed of the air compressor,
The controller is
When the difference is a predetermined value or more and the power requirement value is a predetermined value or more, the rotation speed of the air compressor is increased based on the first acceleration torque,
When the difference is equal to or greater than a predetermined value and the power requirement value is less than a predetermined value, the rotation speed of the air compressor is increased by a second acceleration torque smaller than the first acceleration torque. apparatus.
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