CN111216570B - 燃料电池车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够抑制燃料电池的发电效率降低的技术。燃料电池车辆具有能够进行再生动作并用于使燃料电池车辆行驶的马达、燃料电池、二次电池以及控制部，控制部具有重量获取部，计算燃料电池车辆的当前重量；以及充放电控制部，在重量获取部计算处的当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与基准重量的情况相比，将上限值设定为较高的值，并且将下限值设定为较低的值。

Description

燃料电池车辆
技术领域
本公开涉及燃料电池车辆的技术。
背景技术
以往，已知从燃料电池以及二次电池向驱动马达供给电力的燃料电池车辆(例如，专利文献1)。
专利文献1：日本特开2009－117070号公报
在以往的燃料电池车辆中，存在车辆的当前重量根据乘车的人数、装载的货物而变化的情况。在由于车辆的当前重量变化而从燃料电池车辆请求的请求电力量变大的情况下，从燃料电池直接向驱动马达供给的电力量变大，燃料电池的发电效率有时降低。因而，以往期望一种能够抑制燃料电池的发电效率降低的技术。
发明内容
本公开能够作为以下的方式来实现。
(1)根据本公开的一个方式，提供燃料电池车辆。该燃料电池车辆具有：马达，能够进行再生动作，并用于使上述燃料电池车辆行驶；燃料电池，能够向上述马达供给电力；二次电池，与上述燃料电池并联电连接，能够向上述马达供给电力，并能够利用上述燃料电池发电而产生的发电电力以及通过上述再生动作而产生的再生电力充电；以及控制部，对上述二次电池的充放电进行控制，以便上述二次电池的蓄电量收敛到上限值与下限值之间，上述控制部具有：重量获取部，获取上述燃料电池车辆的当前重量；以及充放电控制部，在上述重量获取部计算出的上述当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述上限值设定为较高的值，并且将上述下限值设定为较低的值。根据该方式，在重量获取部计算处的当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与基准重量的情况相比，将蓄电量的上限值设定为较高的值，并且将下限值设定为较低的值。由此，能够更大地取得能从二次电池向马达供给的电力量，以使得能够在燃料电池的发电效率相对于燃料电池车辆的请求发电量高的范围中进行发电。因而，在当前重量大于基准重量时，向马达供给的电力量变大的情况下，也可以增大能够从二次电池向马达供给的电力量，所以能够抑制燃料电池的发电效率降低。
(2)在上述方式中，上述充放电控制部还可以在上述增重量的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述二次电池的放电量以及充电量设定为较高的值。在当前重量从基准重量变大的情况下，为了实现相同的加速度或相同的减速度，向马达供给的电力量、来自马达的再生电力量变大。根据该方式，在增重量的情况下，与基准重量的情况相比，将二次电池的放电量以及充电量设定为较高的值，由此能够实现燃料电池车辆的动力性能的提高。另外，通过不是燃料电池而是利用二次电池供给在燃料电池车辆的加速时等过渡性所需的电力的绝大部分，由此能够使燃料电池在燃料电池的发电效率更高的动作点进行发电。
(3)在上述方式中，上述控制部还可以在进行了上述燃料电池车辆的加速请求的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述增重量的情况下的从上述二次电池向上述马达供给的电力的分配量设定得较大。根据该方式，即使在通过加速请求而马达的请求电力变高的情况下，也能够从二次电池向马达供给更多的电力，所以能够抑制燃料电池的发电效率降低。
本公开可以以上述的燃料电池车辆以外的各种方式实现，例如能够以燃料电池车辆的控制方法、用于执行该控制方法的程序等方式实现。
附图说明
图1是表示搭载第一实施方式中的燃料电池系统的燃料电池车辆的结构的示意图。
图2是控制装置的内部框图。
图3是用于说明基准SOC映射的图。
图4是用于说明辅助率映射的图。
图5是用于对充放电控制部执行的控制内容进行说明的图。
图6是用于对控制部执行的电力的分配进行说明的图。
图7是用于对在第二实施方式中充放电控制部执行的控制内容进行说明的图。
附图标记的说明
10…燃料电池车辆，100…燃料电池系统，110…燃料电池，120…FC升压转换器，132…马达驱动器，134…DC/DC转换器，136…马达，137…ACP驱动器，139…车速检测部，140…二次电池，142…SOC检测部，180…控制装置，182…控制部，183…请求电力计算部，184…重量获取部，185…充放电控制部，186…发电量决定部，187…基准SOC映射，188…辅助率映射，189…存储部，190…加速器踩踏量检测部，DCH…高压直流布线，DCL…低压直流布线
具体实施方式
A.第一实施方式：
图1是表示搭载第一实施方式中的燃料电池系统100的燃料电池车辆10的结构的示意图。图2是控制装置180的内部框图。燃料电池车辆10(图1)具备燃料电池系统100和车轮WL。燃料电池系统100具备燃料电池110、FC升压转换器120、功率控制单元(PCU)130、马达驱动器132、马达136、空气压缩机(ACP)138、车速检测部139、二次电池140、SOC检测部142、控制装置180以及加速器踩踏量检测部190。通过从燃料电池110或二次电池140向马达136供给电力，从而燃料电池车辆10行驶。
燃料电池110是接受作为反应气体的氢和氧的供给而进行发电的固体高分子型燃料电池。此外，作为燃料电池110，并不限于固体高分子型燃料电池，能够采用其它各种类型的燃料电池。燃料电池110经由FC升压转换器120与高压直流布线DCH连接，并经由高压直流布线DCH与PCU130所包含的马达驱动器132连接。FC升压转换器120将燃料电池110的输出电压VFC升压到马达驱动器132能够利用的高压电压VH。燃料电池系统100还具有用于对燃料电池110供给反应气体(燃料气体、氧化剂气体)以及排出反应气体的机构(未图示)、和用于调整燃料电池110的温度的冷却循环系统。
马达驱动器132由三相逆变器电路构成，并与马达136连接。马达驱动器132将经由FC升压转换器120供给的燃料电池110的输出电力、以及经由DC/DC转换器134供给的二次电池140的输出电力转换为三相交流电力，并供给至马达136。马达136由具备三相线圈的同步马达构成，经由齿轮等驱动车轮WL。换句话说，马达136是用于使燃料电池车辆10行驶的马达。另外，马达136能够在燃料电池车辆10制动时进行使燃料电池车辆10的动能再生的再生动作。马达136也作为通过该再生动作产生再生电力的发电机发挥作用。车速检测部139检测燃料电池车辆10的车速，并发送给控制装置180。
DC/DC转换器134根据来自控制装置180的驱动信号来调整高压直流布线DCH的电压电平，切换二次电池140的充电/放电的状态。此外，在马达136中产生再生电力的情况下，该再生电力由马达驱动器132转换为直流电力，并经由DC/DC转换器134充电至二次电池140。另外，燃料电池110的发电电力的至少一部分可以充电到二次电池140。
ACP驱动器137由三相逆变器电路构成，并与ACP138连接。ACP驱动器137将经由FC升压转换器120供给的燃料电池110的输出电力、以及经由DC/DC转换器134供给的二次电池140的输出电力转换为三相交流电力，并供给至ACP138。ACP138由具备三相线圈的同步马达构成，根据被供给的电力来使马达驱动，将用于发电的氧(空气)供给至燃料电池110。
二次电池140是可以通过放电向马达136供给电力、以及利用通过马达136的再生动作而产生的电力进行充电的蓄电装置，例如可以由锂离子电池构成。二次电池140与燃料电池110并联电连接于马达136等电力消耗源。此外，作为二次电池140，也可以是铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池等其它种类的电池。二次电池140经由低压直流布线DCL与PCU130所包括的DC/DC转换器134连接，还经由DC/DC转换器134与高压直流布线DCH连接。
SOC检测部142检测二次电池140的蓄电量(SOC)，并发送给控制装置180。此外，在本说明书中，“蓄电量(SOC)”意味着充电余量相对于二次电池140的当前的充电容量的比率。以后，将由SOC检测部142检测到的二次电池140的蓄电量(SOC)也称为“蓄电量Rsoc”。SOC检测部142检测二次电池140的温度、输出电压、输出电流，并基于那些检测值来检测蓄电量Rsoc。
加速器踩踏量检测部190检测燃料电池车辆10的加速器的踩踏量，并将检测结果发送至控制装置180。
控制装置180(图2)由具备控制部182和存储部189的微型计算机构成。控制部182通过执行存储部189具备的各种程序，而作为请求电力计算部183、重量获取部184、充放电控制部185、发电量决定部186发挥作用。存储部189具备基准SOC映射187和辅助率映射188。
控制部182若检测出驾驶员的加速操作等的各种操作，则根据该操作内容来控制燃料电池110的发电、二次电池140的充放电。另外，控制部182生成与加速器的踩踏量对应的驱动信号，并分别发送至马达驱动器132和DC/DC转换器134。马达驱动器132通过根据来自控制装置180的驱动信号来调整交流电压的脉冲宽度等，从而驱动马达136进行与加速器的踩踏量对应的旋转。
请求电力计算部183计算来自马达136的请求扭矩。使用加速器的踩踏量、当前重量、当前车速、变速杆的位置等各种信息来计算请求扭矩。另外，请求电力计算部183使用计算出的马达136的请求扭矩来计算马达136的请求电力量。例如，请求电力计算部183也可以根据加速器的踩踏量以及当前重量使用规定马达136的请求电力量的映射来计算马达136的请求电力量，也可以根据马达136请求的驱动力来计算马达136的请求电力量。
重量获取部184获取燃料电池车辆10的当前重量。“当前重量”是指燃料电池车辆10的当前的重量，是车体的重量、当前乘车的人的重量以及装载的货物的重量的总和。因而，当前重量根据乘客的数量、燃料电池车辆10上装载的货物的重量等而变化。重量获取部184例如能够通过利用传感器检测由燃料电池车辆10的弹簧上载荷引起的车体的下沉的程度(例如，悬架的位移量)来获取当前重量。
充放电控制部185使用重量获取部184获取到的当前重量来修正基准SOC映射187。详情后述。
发电量决定部186使用请求电力计算部183计算出的马达136的请求电力量、和二次电池140能够放电的电力量来决定燃料电池110的发电量。具体而言，发电量决定部186参照基准SOC映射187和辅助率映射188，优先于燃料电池110的发电效率来决定燃料电池110的发电量和二次电池140的充放电量。燃料电池110的发电效率是指燃料电池110进行发电而产生的能量(发电电力)相对于通过消耗氢而获得的能量的比率。
图3是用于说明基准SOC映射187的图。图4是用于说明辅助率映射188的图。在图3中，横轴是二次电池140的蓄电量(SOC)，纵轴是二次电池140的充放电量。在图4中，横轴是二次电池140的蓄电量(SOC)，纵轴是二次电池140的辅助率。随着辅助率变低，从二次电池140供给的电力的比例变小，从燃料电池110供给的电力的比例变大。
基准SOC映射187(图3)是表示燃料电池车辆10的当前重量为预先决定的基准值亦即基准重量以下的情况下的、二次电池140的蓄电量(SOC)和二次电池140的充放电量的关系的映射。
充放电控制部185(图2)在燃料电池车辆10的当前重量为基准重量以下的情况下，基于基准SOC映射187中的蓄电量Rsoc的位置来进行二次电池140的充放电的控制。具体而言，以使蓄电量Rsoc收敛到上限值Ha与下限值La之间的方式进行二次电池140的充放电。换句话说，在蓄电量Rsoc低于下限值La的情况下，强制地进行利用再生电力的二次电池140的充电，在充电量为下限值La以上的情况下，进行二次电池140的放电，向马达136供给电力。另外，在蓄电量Rsoc为上限值Ha以上的情况下，利用再生电力的对二次电池140的充电被限制而不进行。通过根据马达136的请求电力并参照未图示的映射所决定的二次电池140的目标放电量、和使用图4所决定的辅助率的积来计算二次电池140的放电量(输出)。
图5是用于对充放电控制部185执行的控制内容进行说明的图。在重量获取部184计算出的当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，充放电控制部185通过对基准SOC映射187进行修正而将SOC的上限值设定为值Ha1。该上限值Ha1是高于基准重量中的上限值Ha的值。例如在上限值Ha为70％的情况下，充放电控制部185将上限值Ha1设定为80％。另外，在增重量的情况下，充放电控制部185将SOC的下限值设定为值La1。该下限值La1是低于基准重量中的下限值La的值。例如，在下限值La为30％的情况下，充放电控制部185将下限值La1设定为20％。
图6是用于对控制部182执行的电力的分配进行说明的图。以下，以燃料电池车辆10进行加速时为例对电力的分配进行说明。假设在燃料电池车辆10的当前重量是基准重量以下的第一重量的情况下，马达136的请求电力量为W1。另一方面，即使在当前重量是大于基准重量的第二重量的情况下、加速器的踩踏量相同的情况下，马达136的请求电力量也成为大于请求电力量W1的值W2。燃料电池110的发电效率在负载较轻的区域中高。具体而言，在燃料电池110的发电电力为W0时，发电效率最高，若发电电力高于W0，则发电效率逐渐降低。
因而，在踩踏加速器来进行燃料电池车辆10的加速请求的情况下，当前重量为第二重量时，如以下那样控制电力量。换句话说，为了在发电效率高的区域中使燃料电池110发电，从二次电池140向马达136供给的电力量(例如，W2与W0的差值D2)被设定为大于当前重量为第一重量的情况下的从二次电池140向马达136供给的电力量(例如，W1与W0的差值D1)。换句话说，在进行了加速请求的情况下，当前重量为大于基准重量的增重量时，与基准重量的情况相比，控制部182将从二次电池140向马达136供给的电力的分配量设定得较大。由此，即使在通过加速请求而马达136的请求电力变高的情况下，也能够从二次电池140将更多的电力供给至马达136，所以能够抑制燃料电池110的发电效率降低。
另外，在重量获取部184计算出的当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与基准重量的情况相比，充放电控制部185将SOC的上限值设定为较高的值Ha1、且将下限值设定为较低的值La1。由此，能够更大地取得能从二次电池140向马达136供给的电力量，以使得能够在燃料电池110的发电效率相对于燃料电池车辆10的请求发电量高的范围中进行发电。因而，即使在当前重量大于基准重量的情况下，也能够抑制燃料电池110的发电效率降低。
B.第二实施方式：
图7是用于对在第二实施方式中充放电控制部185执行的控制内容进行说明的图。在上述第一实施方式中，在当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与基准重量的情况相比，充放电控制部185将SOC的上限值设定为较高的值Ha1、且将下限值设定为较低的值La1。在本实施方式中，充放电控制部185除了第一实施方式的上述控制之外，还将二次电池140的放电量[mAh]和充电量[mAh]的最大值设定为更高的值。具体而言，在增重量的情况下，充放电控制部185对基准SOC映射187进行修正，以使得与基准重量的情况相比，二次电池140的放电量的最大值以及充电量的最大值成为较高的值。例如，在基准SOC映射187中，将放电量的最大值设定为值Dc、将充电量的最大值设定为值Cc的情况下，在增重量时，充放电控制部185对基准SOC映射187进行修正，以使得放电量的最大值成为值Dc1，充电量的最大值成为值Cc1。实际的充电量以及放电量的控制是通过控制DC/DC转换器134(图1)来进行的。此外，充放电控制部185也可以以随着当前重量大于基准重量，则充电量的最大值和放电量的最大值逐渐变大的方式对基准SOC映射187进行修正。
根据上述第二实施方式，除了上述第一实施方式起到的效果之外，还起到以下的效果。在当前重量从基准重量变大的情况下，为了实现相同的加速度或相同的减速度，供给至马达136的电力量、来自马达136的再生电力量变大。因而，在第二实施方式中，在增重量的情况下，与基准重量相比，将二次电池140的放电量以及充电量的值设定为较高的值，由此能够提高燃料电池车辆10的动力性能。另外，由于不是燃料电池110而能够通过二次电池140供给在燃料电池车辆10的加速时等过渡性所需的电力的绝大部分，所以能够在燃料电池110的发电效率更高的动作点使燃料电池110发电。
C.其它实施方式：
C－1.其它实施方式1：
在上述各实施方式中，在进行了燃料电池车辆10的加速请求的情况下，当前重量与基准重量相比为增重量时，控制部182将从二次电池140向马达136供给的电力的分配量设定得较大，但并不限于此。例如，只要能够在燃料电池110的发电效率高的动作点区域中向马达136供给电力，则也可以从二次电池140向马达136供给电力，以便在增重量的情况下也成为与基准重量相同的值。
C－2.其它实施方式2：
在上述各实施方式中，控制部182可以根据燃料电池车辆10的当前重量来变更用于控制的加速器扭矩映射。加速器扭矩映射是指规定了加速器的踩踏量和马达136的扭矩的关系的映射，被存储到存储部189(图2)中。在存储部189中储存基准重量时的加速器扭矩映射。控制部182以当前重量比基准重量越轻，则相对于相同的加速器踩踏量的扭矩越小的方式对加速器扭矩映射进行修正。另外，控制部182以当前重量比基准重量越重则相对于相同的加速器踩踏量的扭矩越大的方式对加速器扭矩映射进行修正。控制部182使用修正后的加速器扭矩映射进行扭矩控制。由此，不管当前重量的增减，在加速器的踩踏量相同的情况下，都能够给予乘客相同的加速感觉。
C－3.其它实施方式3：
在上述各实施方式中，燃料电池车辆10存储每个驾驶员的油耗，针对油耗较差的驾驶员，在车内的监视器等上显示油耗较好的其它驾驶员的驾驶操作，从而对驾驶员促使油耗高的驾驶操作。控制部182在驾驶员开始驾驶前，接受用于识别驾驶员的信息(例如，驾驶执照的编号)。
C－4.其实施方式4：
重量获取部184也可以通过使用后述的式(1)～式(4)来计算燃料电池车辆10的当前质量(kg)，从而计算燃料电池车辆10的当前重量(kgf)。
加速中的燃料电池车辆10的运动方程式如式(1)那样表示。
F-R＝(m+mr)·α···(1)
此处，F是燃料电池车辆10的驱动力(N)，R是燃料电池车辆10的行驶阻力(N)，m是燃料电池车辆10的搭载质量(kg)，mr是燃料电池车辆10的车辆质量(kg)，α是燃料电池车辆10的加速度(m/s2)。搭载质量m是乘车的人的质量和装载的货物的质量的总和。搭载质量m和车辆质量mr的总和成为当前质量M。车辆质量mr是现有值。
即，重量获取部184基于燃料电池车辆10的加速度α、行驶阻力R以及驱动力F来求出燃料电池车辆10的当前质量M。
另外，燃料电池车辆10的行驶阻力R如式(2)那样表示。
R＝μr·M+μa·A·V2+M·g·sinθ…(2)
此处，μr是滚动阻力系数，μa是空气阻力系数，A是车辆前面投影面积(m2)，V是车速(m/s)，θ：燃料电池车辆10的前后方向的倾斜(deg)，g是重力加速度(m/s2)。滚动阻力系数μr、空气阻力系数μa、车辆前面投影面积A预先被给予为燃料电池车辆10固有的值。燃料电池车辆10的前后方向的倾斜例如能够使用未图示的倾斜传感器来计算。通过将式(2)代入式(1)，燃料电池车辆10的当前质量M如式(3)那样表示。
M＝(F-μa·A·V2)/(μr+g·sinθ+α)···(3)
此外，燃料电池车辆10的驱动力F如式(4)那样表示。
F＝k1·(Te·it·if)/Rw···(4)
此处，Te是马达扭矩(N·m)，it是变速器齿轮比，if是最终齿轮比，Rw是车轮直径(m)，k1是系数。基于马达转速N和加速器踩踏量P，参照存储部189中存储的扭矩特性映射来计算马达扭矩Te。另外，使用车速V和马达转速N来推断变速器齿轮比it。另外，最终齿轮比if以及系数k1预先被给予为燃料电池车辆10固有的值。
此外，本公开并不限于上述的实施方式，包括各种变形例。例如，为了易于理解本发明地说明而详细说明上述的实施方式，并非限定于必须具备所说明的全部结构。此外，能够将某实施方式的结构的一部分置换为其它实施方式的结构，此外，还能够对某实施方式的结构添加其它实施方式的结构。此外，能够关于各实施方式的结构的一部分，进行其它结构的追加/删除/置换。另外，也可以组合实施方式、变形方式以及变形例。

Claims (3)

1.一种燃料电池车辆，其中，具有：
马达，能够进行再生动作，并用于使上述燃料电池车辆行驶；
燃料电池，能够向上述马达供给电力；
二次电池，与上述燃料电池并联电连接，能够向上述马达供给电力，并能够利用上述燃料电池发电而产生的发电电力以及通过上述再生动作而产生的再生电力充电；以及
控制部，对上述二次电池的充放电进行控制，以便上述二次电池的蓄电量收敛到上限值与下限值之间，
上述控制部具有：
重量获取部，获取上述燃料电池车辆的当前重量；以及
充放电控制部，在上述重量获取部计算出的上述当前重量为大于基准重量的增重量的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述上限值设定为较高的值，并且将上述下限值设定为较低的值。
2.根据权利要求1所述的燃料电池车辆，其中，
上述充放电控制部还在上述增重量的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述二次电池的放电量以及充电量设定为较高的值。
3.根据权利要求1或者权利要求2所述的燃料电池车辆，其中，
上述控制部还在进行了上述燃料电池车辆的加速请求的情况下，与上述基准重量的情况相比，将上述增重量的情况下的从上述二次电池向上述马达供给的电力的分配量设定得较大。
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