CN101489825B

CN101489825B - 移动体

Info

Publication number: CN101489825B
Application number: CN2007800261847A
Authority: CN
Inventors: 斋藤友宏
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-07-26
Also published as: CN101489825A; US20100228411A1; JP4380676B2; DE112007002001B8; DE112007002001B4; WO2008032497A1; US8224515B2; KR20090052348A; JP2008072795A; DE112007002001T5; KR100992164B1

Abstract

本发明提供一种移动体，能够抑制起动时在下坡路上的急剧加速。移动体具有：产生移动体的驱动力的驱动力产生装置；能够向驱动力产生装置供给电力的蓄电装置；能够向驱动力产生装置供给电力的燃料电池；和控制驱动力产生装置的驱动的控制装置。控制装置在移动体起动时位于下坡路的情况下，禁止由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置。

Description

移动体

技术领域

本发明例如涉及一种燃料电池汽车等的移动体。特别地，本发明涉及作为向以牵引电动机为代表的驱动力产生装置供给电力的供给设备，具有蓄电装置以及燃料电池的移动体。

背景技术

以往，作为搭载燃料电池系统的车辆，公知有通过来自二次电池以及燃料电池的电力供给驱动牵引电动机的构造(日本特开平9-231991号公报)。该车辆在起动时，仅由二次电池的电力供给来驱动牵引电动机直到燃料电池的发电稳定。然后，在燃料电池的发电稳定之后，使用燃料电池驱动牵引电动机。

车辆还有停止在坡路上的情况。但是，日本特开平9-231991号公报没有任何关于坡路上的车辆的起动控制的考虑。因此，即使在车辆处于下坡路的情况下，车辆也仅以二次电池开始驱动牵引电动机而开始行驶，其后向牵引电动机供给来自燃料电池的电力。但是例如在起动时牵引电动机的需求扭矩较大，则在燃料电池的发电电力供给至牵引电动机的瞬间，牵引电动机的扭矩激增。这样的话，担心车辆会像飞出去一样在下坡路上急剧加速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动体，能够抑制起动时在下坡路上的急剧加速。

为了达成上述目的，本发明的移动体具有：产生移动体的驱动力的驱动力产生装置；能够向驱动力产生装置供给电力的蓄电装置以及燃料电池；和控制驱动力产生装置的驱动的控制装置。控制装置在移动体起动时位于下坡路的状况时，禁止由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置。

这样一来，例如可以在变为能够由燃料电池以及蓄电装置两者向驱动力产生装置供给电力的状态之后，开始驱动驱动力产生装置。由此，能够抑制起动时的驱动力产生装置的输出的急剧上升，并能够抑制移动体起动时在下坡路上急剧加速。

在此，蓄电装置例如是能够充放电的二次电池或电容器，但是不限于此，驱动力产生装置例如是牵引电动机，但是不限于此。移动体例如是二轮或者四轮的汽车、电车、航空器、船舶、机器人这样的可以自行移动的装置，但是在一个实施方式中优选车辆。

优选的是，控制装置在上述状况时，允许在燃料电池的起动结束后或与起动结束同时地开始驱动驱动力产生装置。

这样一来，能够抑制起动时的移动体在下坡路上的急剧加速，并能够在短时间内使移动体开始行驶。在这种情况下，开始驱动动力产生装置的电力供给源可以是蓄电装置以及燃料电池中的任意一种。

优选的是，移动体具有检测移动体相对路面的倾斜的第一检测装置。而且，控制装置根据第一检测装置的检测结果，决定禁止或者允许由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置即可。

这样一来，在移动体的倾斜较大的情况下，能够禁止由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置。由此，能够抑制起动时的移动体在下坡路上的急剧加速。另一方面，在移动体位于坡路以外的普通道路等移动体的倾斜较小的情况下，能够允许由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置。由此，能够缩短移动体的起动时间。在此，第一检测装置例如是G传感器(前后G传感器或横向G传感器)或者偏航传感器。

优选的是，移动体具有检测移动体在下坡路上向上坡的方向开始行驶，还是向下坡的方向开始行驶的第二检测装置。另外，控制装置，在通过第二检测装置检测出移动体在坡路上向下坡的方向开始行驶的情况下，禁止由蓄电装置的电力供给开始驱动驱动力产生装置即可。

这样一来，能够进行考虑了下坡路上的移动体的开始行驶方向的移动体的起动控制。由此，还能够进行这样一种起动控制，其不会在车辆向上坡方向开始行驶的情况下统统禁止驱动驱动力产生装置。

附图说明

图1是示意地表示搭载在车辆上的燃料电池系统的构成图。

图2是位于下坡路上的车辆的侧视图。

图3A是表示车辆起动时的控制的时序图。

图3B是与图3A对应的图，是针对时间与功率的关系表示本发明和比较例的车辆在起动时的控制的一个例子的图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的优选实施方式的燃料电池系统。在此，对将燃料电池系统搭载在自动行驶式移动体的代表例车辆上的例子进行说明。

如图1所示，车辆100以与车轮101L、101R连接的牵引电动机7(驱动力产生装置)作为驱动力源而行驶。牵引电动机7的电源是具有燃料电池2以及蓄电装置3的燃料电池系统1。从燃料电池系统1输出的直流电由变换器8变换为三相交流电后供给牵引电动机7。在车辆100的制动时，通过车轮101L、101R驱动牵引电动机7，牵引电动机7作为发电机发挥作用，进行三相交流发电。该三相交流电由变换器8变换为直流电，充电于蓄电装置3。

牵引电动机7是用于得到车辆行驶的推进力的电动马达，例如由三相同步电动机构成。牵引电动机7的最大输出例如为80kW。也可以将牵引电动机7作为轮毂电机使用，采用二轮驱动或者四轮驱动的构成。这种情况下，相对燃料电池2的输出端子并联连接2个或4个变换器8，在每个变换器8上连接牵引电动机7即可。另外，在使用直流电动机作为牵引电动机7的情况下，不需要变换器8。

燃料电池系统1具有燃料电池2、蓄电装置3、高压DC/DC转换器4以及控制装置13等。蓄电装置3经由高压DC/DC转换器4与燃料电池2并联连接。在蓄电装置3和变换器8之间连接有高压DC/DC转换器4。

燃料电池2具有层叠多个单体电池而成的堆叠构造。在燃料电池2中存在磷酸型、固体氧化物型等各种类型。本实施方式的燃料电池2由能够在常温下起动且起动时间较短的固体高分子电解质型构成。燃料电池2的最大输出例如为90kW。

由空气压缩机5压送而来的氧化气体流经供给通路15而供给到燃料电池2的空气极(阴极)。供于燃料电池2的电池反应后的氧化废气流经废气流路16而排出至外部。在废气流路16中设有调整供于燃料电池2的氧化气体的压力的压力调整阀17和用于以氧化废气对氧化气体进行加湿的加湿器18。

作为燃料气体的氢气流经氢气供给通路21而供给到燃料电池2的氢极(阳极)。氢气例如从设于供给通路21上游侧的高压氢罐等的氢贮存源22经由调节器23而供给到燃料电池2。在供给通路21中设有将氢贮存源22的氢气供给到供给通路21或者停止供给的截止阀24。也可以将乙醇、压缩天然气等原料改性生成的氢气供给到燃料电池2。

供于燃料电池2的电池反应后的氢废气被排出至废气通路25，并利用氢泵26返回供给通路21再供给于燃料电池2。在废气路25上分支连接有排出通路27。排出通路27上的清洗阀28在燃料电池系统1工作时适当开阀，从而氢废气中的杂质与氢废气一起排出至排出通路27的下游。由此，能够使氢循环线路上的氢废气中的杂质的浓度降低，使循环供给的氢废气中的氢浓度提高。

蓄电装置3是作为高压的蓄电装置发挥作用的可充放电的二次电池。蓄电装置3例如是镍氢电池或锂离子电池，但是也可以是二次电池以外的电容器。蓄电装置3的充电量由SOC传感器41检测。

蓄电装置3在车辆100的加速过渡时或高负荷运转时等仅以燃料电池2的输出功率不足的状态时进行功率辅助。而且，在车辆100的停车或低负荷行驶时等停止燃料电池2的运转或效率上优选停止时，车辆100仅以蓄电装置3的电力行驶。蓄电装置3的电力容量，可以根据车辆100的行驶条件、最高速度等的行驶性能、车重等适当地设定。蓄电装置3的最大输出小于燃料电池2的最大输出，例如为20kW。

高压DC/DC转换器4是直流的电压变换器。高压DC/DC转换器4具有调整从蓄电装置3输入的直流电压并向变换器8侧输出的功能和调整从燃料电池2或牵引电动机7输入的直流电压并向蓄电装置3输出的功能。通过高压DC/DC转换器4的这些功能来实现蓄电装置3的充放电。此外，通过高压DC/DC转换器4来控制燃料电池2的输出电压。

在高压DC/DC转换器4和蓄电装置3之间，设置能够截止从蓄电装置3向变换器8供给电力的继电器51(第一截止单元)。并且，在高压DC/DC转换器4和燃料电池2之间，设有能够截止从燃料电池2向变换器8供给电力的继电器52(第二截止单元)。

虽然省略图示，但是在高压DC/DC转换器4和燃料电池2之间，经由变换器连接有供于燃料电池2运转的各种辅机。作为本实施方式的辅机，具有空气压缩机5以及氢泵26等。在燃料电池2的通常运转时，燃料电池2的电力不经由高压DC/DC转换器4而供给至辅机(5和26)。另一方面，在燃料电池2的运转停止时或起动初期，蓄电装置3的电力经由高压DC/DC转换器4供给至辅机(5和26)。

控制装置13作为内部具有CPU、ROM、RAM的微机而构成。CPU根据控制程序执行期望的运算，从而进行后述车辆100的起动控制等各种处理、控制。ROM存储由CPU处理的控制程序、控制数据。RAM主要作为用于控制处理的各种操作区域而使用。

控制装置13上连接有SOC传感器41、氧化气体以及氢气的气体系统、冷却系统所使用的各种压力传感器、温度传感器。而且，在控制装置13上，除了转向角度传感器和车速传感器之外，还连接有检测车辆100的油门开度的油门踏板位置传感器61、搭载于车辆100的前后G传感器62和横向G传感器63。

前后G传感器62检测车辆100相对路面的前后方向(行驶方向)的倾斜。横向G传感器63检测车辆100相对路面的左右方向(车的宽度方向)的倾斜。优选将前后G传感器62搭载于车辆100的前部或后部，将横向G传感器63搭载于车辆100的侧部，以能够精度良好地检测出车辆100的倾斜。作为检测车辆100相对路面的倾斜角的第一检测装置，前后G传感器62、横向G传感器63、加速度传感器(所谓G传感器)、倾斜角传感器(坡度传感器)以及偏航传感器是被广泛所知的，优选使用它们中的至少一种。

控制装置13接受上述各种传感器的输出信号，计算出系统需求电力(例如车辆行驶功率和辅机功率的总和)，并控制系统1内的各种设备的工作。具体而言，控制装置13根据油门开度、车速等求出系统需求电力，进行控制以使燃料电池2的输出电力与目标电力一致。

在此，所谓车辆行驶功率是指牵引电动机7的需求功率，所谓辅机功率是指将燃料电池系统1的各种辅机的动作所需要的电力总计的电力。牵引电动机7的需求功率根据油门开度、车速等利用控制装置13计算出。该需求功率，由牵引电动机7的目标转速和目标扭矩之积求出应该从牵引电动机7输出的动力，由牵引电动机7的运转效率、单位消费电力所输出的动力的比去除该动力而算出。在使牵引电动机7作为发电机而起作用，并进行再生控制时，由于目标扭矩为负值，因而需求功率为负值。

控制装置13在计算出牵引电动机7的需求功率之后，算出与牵引电动机7的需求功率对应的辅机功率。然后，控制装置13控制高压DC/DC转换器4的运转，调整燃料电池2的动作点(输出电压、输出电流)，以供给系统需求电力。此时，控制装置13控制变换器8的开关，并将与车辆行驶功率对应的三相交流输出到牵引电动机7。而且，控制装置13调整空气压缩机5及氢泵26的各马达(省略图示)的转速，并且在进行燃料电池2的与目标电力对应的氧化气体和氢气的供给控制的同时，利用省略图示的冷却系统进行燃料电池2的温度控制。

在此，如图1所示，燃料电池系统1的控制系统，可以按功能区分为包括燃料电池2的FC系统和包含蓄电装置3的EV系统。FC系统主要作为行驶电力的电力源而起作用。EV系统主要作为用于高效利用燃料电池2的输出电力的电力源而起作用。在FC系统中，通过关闭继电器52能够将燃料电池2的电力供给牵引电动机7，在EV系统中，通过关闭继电器51能够将蓄电装置3的电力供给牵引电动机7。

在上述构成下，控制装置13在车辆100起动时车辆100位于通常的路面(没有倾斜或者倾斜小的路面)的情况下和如图2所示车辆100位于下坡路200的情况下，改变开始牵引电动机7的驱动的定时。对于该车辆100的起动控制参照图3A和B进行详细说明。

在图2中，表示燃料电池系统1的构成中控制装置13以及检测装置(油门踏板位置传感器61、前后G传感器62、横向G传感器63)等的一部分。

图3A是表示车辆100的起动时的控制的时序图，图3B是表示执行“Ready on”时车辆行驶能够使用的功率和时间之间的关系的图表。在此，所谓“Ready on”是指允许牵引电动机7的驱动，即允许车辆100的行驶开始(开始行驶)。

在图3A所示的STon之前(时刻t0之前)，燃料电池系统1处于停止的状态。即，继电器51、52分别打开，EV系统和FC系统向牵引电动机7的电力供给被截止。

STon是“START ON”的缩略语，是指开始燃料电池系统1的起动。即，当到达STon的时刻时，燃料电池系统1开始起动，以使燃料电池系统1的电力被车辆100所利用。STon的操作，由起动燃料电池系统1并使车辆100开始行驶所需的操作构成，例如由车辆100的驾驶者对起动装置开关的操作构成。

当执行STon并到达规定的时刻t1时，成为“EV系统起动结束”。所谓“EV系统起动结束”是指EV系统的继电器51被关闭，能够通过蓄电装置3的电力来驱动牵引电动机7的状态。

到从时刻t1起经过规定时间后的t2时，成为“FC系统起动结束”。所谓“FC系统起动结束”是指FC系统的继电器52被关闭，能够通过燃料电池2的电力来驱动牵引电动机7的状态。更为详细地，“FC系统起动结束”是指燃料电池系统1的系统检查结束，并且燃料电池2起动结束的状态，换言之为能够稳定发电的状态，能够通过该发出的电力驱动牵引电动机7的状态。所谓系统检测是指检测燃料电池系统1的构成要素(各种传感器、阀、泵等)是否存在故障。

因此，在执行了STon时，蓄电装置3处于能够比燃料电池2先向牵引电动机7供给电力的状态。

如图3B所示，“A：比较例”表示在“EV系统起动结束”的时刻t1执行“Ready on”的情况下，车辆100在下坡路200上的行驶所使用的功率的一个例子。“B：本发明”表示在“FC系统起动结束”的时刻t2执行“Ready on”的情况下，车辆100在下坡路200上的行驶所使用的功率的一个例子。另外，“C：行驶使用的上限”表示在时刻t1执行“Ready on”的情况下，车辆100行驶所能够使用的功率的上限。

如图3B的“C：行驶使用的上限”所示，从时刻t1至时刻t2的功率上限与蓄电装置3的最大输出相等，根据上述例子为25kW。时刻t2以后的功率上限与在蓄电装置3的最大输出上加上燃料电池2的输出后的值相等，与时间一起缓慢增加。

将“Ready on”设定在哪个时刻根据车辆100的倾斜状态而决定。具体而言，根据加速度传感器、倾斜角传感器检测出的车辆100相对路面的倾斜的检测结果，设定“Ready on”的时刻。

在本实施方式中，在通过前后G传感器62检测得知车辆100位于下坡路200以外的通常路面的情况下，控制装置13将“Ready on”设定在时刻t1。例如，在检测为车辆100处于坡度小或几乎没有坡度的通常路面的情况下，“Ready on”被设定在时刻t1。

在该设定下，允许仅以来自蓄电装置3的电力供给开始驱动牵引电动机7，通过该执行，车辆100开始行驶。其后(时刻t2以后)，向牵引电动机7的电力供给从蓄电装置3的输出切换为燃料电池2的输出。但如果从稳定状态开始超越加速，则再次将蓄电装置3的功率供给牵引电动机7，进行燃料电池2的辅助。

另一方面，在通过前后G传感器62检测得知车辆100位于下坡路200的情况下，控制装置13将“Ready on”设定在时刻t2。例如，在检测到车辆100的前部向前下方倾斜等车辆100的前倾角度大于规定的阈值的情况下，“Ready on”被设定在时刻t2。

在该设定下，在达到时刻t2才由燃料电池2或蓄电装置3的电力供给开始牵引电动机7的驱动，使车辆100开始行驶。即，在车辆100处于下坡路200的情况下进行起动时，禁止由蓄电装置3的电力供给开始驱动牵引电动机7。

假定如“A：比较例”那样，使车辆100在下坡路200上开始起动时，如果与“EV系统起动结束”同时执行“Ready on”，则在时刻t2时，牵引电动机7的扭矩急剧增加。担心由于该扭矩的急剧增加使得车辆100在下坡路200上急剧加速。

与此相对，如“B：本发明”这样，使车辆100在下坡路200上开始起动时，通过与“FC系统起动结束”同时执行“Ready on”，能够抑制牵引电动机7的扭矩急剧增加。因此，能够抑制车辆100在下坡路200上的急剧加速，能够使车辆100平滑地开始行驶。

如上所述，根据本实施方式的车辆100，在其起动时，与车辆100的倾斜状态对应地改变开始驱动牵引电动机7的时刻。因此，在车辆100位于下坡路200的情况下，能够抑制起动时车辆100的急剧加速。并且，如上所述，由于能够利用前后G传感器62检测出车辆100是否位于下坡路200上，因此能够适当地确认起动前的车辆100的前倾状态。

进而，可以与“FC系统起动结束”同时，即与燃料电池2变为能够稳定发电的状态同时地开始驱动牵引电动机7。由此，能够抑制起动时车辆100在下坡路200上的急剧加速，并在短时间内使车辆100开始行驶。此外，在车辆100位于下坡路200以外的通常路面上的情况下，由于能够通过蓄电装置3的电力供给开始牵引电动机7的驱动，因而在这种通常时刻能够缩短车辆100的起动时间。

在其他实施方式中，开始驱动牵引电动机7的时刻可以不是与“FC系统起动结束”同时，但需要为“FC系统起动结束”之后。

接着，对车辆100的起动控制的变形例进行说明。

即使在车辆100处于下坡路200上的情况下，也优选考虑车辆100在下坡路200上向上坡的方向开始行驶，还是向下坡的方向开始行驶而设定“Ready on”的时刻。例如图1和图2所示，优选考虑检测车辆100的档位的档位传感器71的检测结果而设定“Ready on”的时刻。档位传感器71例如检测停车档(P)、倒车档(R)、空档(N)以及前进档(D)的各档位，并输出到控制装置13。

作为具体的一个例子，考虑由前后G传感器62检测出位于下坡路200上的车辆100的前倾角度超过阈值，另外，由档位传感器71检测出车辆100的档位处于前进档(D)的时候。这种情况下，由于车辆100在下坡路200上向下坡的方向开始行驶，因而控制装置13将“Readyon”设定为时刻t2或者其后的时刻即可。

另一方面，考虑在车辆100起动时由档位传感器71检测出档位位于倒车档(R)的时候。这种情况下，由于车辆100在下坡路200上向倒车上坡的方向开始行驶，因而控制装置13优选能够根据车辆100的前倾角度的值改变“Ready on”的时刻。

例如在车辆100的前倾角度的值超过阈值的情况下，控制装置13将“Ready on”设定在时刻t2即可。这样一来，能够确保牵引电动机7的驱动力，能够实质上抑制在上坡路上向上的车辆100的下滑。另一方面，在车辆100的前倾角度的值为阈值以下的情况下，认为车辆100的下滑的影响较小。因此，在这种情况下，控制装置13将“Ready on”设定在时刻t1即可。

工业实用性

上述燃料电池系统1可以搭载在二轮或者四轮的汽车之外的电车、航空器、船舶、机器人等移动体上。

Claims

1.一种移动体，具有：

产生该移动体的驱动力的驱动力产生装置；

能够向该驱动力产生装置供给电力的蓄电装置；

能够向该驱动力产生装置供给电力的燃料电池；和

控制该驱动力产生装置的驱动的控制装置，

上述控制装置，在该移动体起动时该移动体位于下坡路的情况下，在上述燃料电池的起动结束之前，禁止由上述蓄电装置的电力供给开始驱动上述驱动力产生装置。

2.如权利要求1所述的移动体，

上述控制装置，在该移动体起动时该移动体位于下坡路的情况下，允许在上述燃料电池的起动结束后开始驱动上述驱动力产生装置。

3.如权利要求1所述的移动体，

上述控制装置，在该移动体起动时该移动体位于下坡路的情况下，允许与上述燃料电池的起动结束同时地开始驱动上述驱动力产生装置。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的移动体，

上述控制装置，在该移动体移动时该移动体处于坡度小或几乎没有坡度的通常路面的情况下，由上述蓄电装置的电力供给开始驱动上述驱动力产生装置。

5.如权利要求4所述的移动体，

上述控制装置，将向上述驱动力产生装置的电力供给从上述蓄电装置切换到上述燃料电池。

6.如权利要求1～3中任意一项所述的移动体，

上述蓄电装置构成为能够在上述燃料电池之前向上述驱动力产生装置供给电力。

7.如权利要求1所述的移动体，

具有检测该移动体相对路面的倾斜的第一检测装置，

上述控制装置根据上述第一检测装置的检测结果，决定禁止或者允许由上述蓄电装置的电力供给开始驱动上述驱动力产生装置。

8.如权利要求7所述的移动体，

上述第一检测装置检测该移动体相对路面的行驶方向上的倾斜。

9.如权利要求1所述的移动体，

具有检测上述移动体在上述下坡路上向上坡的方向开始行驶，还是向下坡的方向开始行驶的第二检测装置，

上述控制装置，在通过上述第二检测装置检测出上述移动体在上述坡路上向下坡的方向开始行驶的情况下，禁止由上述蓄电装置的电力供给开始驱动上述驱动力产生装置。

10.如权利要求1～3、7～9中任意一项所述的移动体，

上述移动体是车辆。