JP2003230203A - 車両に搭載された燃料電池システムの制御 - Google Patents
車両に搭載された燃料電池システムの制御Info
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 車両の運転に必要な運転パワーと燃料電池の
出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することのできる技術を提供する。 【解決手段】 制御装置は、車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態を制
御するための制御部と、を備える。運転パワー推定部
は、変化し得る車両の総重量を決定するための重量決定
部を備え、決定された総重量を用いて車両の走行に必要
な走行パワーPrを推定することにより、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーPtを求める。
出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することのできる技術を提供する。 【解決手段】 制御装置は、車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態を制
御するための制御部と、を備える。運転パワー推定部
は、変化し得る車両の総重量を決定するための重量決定
部を備え、決定された総重量を用いて車両の走行に必要
な走行パワーPrを推定することにより、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーPtを求める。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両に搭載された
燃料電池システムの制御に関する。
燃料電池システムの制御に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池システムを搭載した車両では、
通常、燃料電池と二次電池とが車両の電源装置を構成し
ている。二次電池は、燃料電池を補助する機能を有して
おり、二次電池からの電力は、例えば、燃料電池の発電
停止期間中に使用されたり、車両の過渡的な走行(例え
ば、加速)の際に使用されたりする。
通常、燃料電池と二次電池とが車両の電源装置を構成し
ている。二次電池は、燃料電池を補助する機能を有して
おり、二次電池からの電力は、例えば、燃料電池の発電
停止期間中に使用されたり、車両の過渡的な走行(例え
ば、加速)の際に使用されたりする。
【0003】車両が走行する際には、車両に作用する走
行抵抗よりも大きな駆動力を発生させるための走行パワ
ーが必要である。また、車両では、室内の温度を調節す
るための空調装置などの補機を動作させるための動作パ
ワーが必要である。このため、電源装置は、車両の運転
に必要な運転パワーよりも大きな電力を出力する必要が
ある。
行抵抗よりも大きな駆動力を発生させるための走行パワ
ーが必要である。また、車両では、室内の温度を調節す
るための空調装置などの補機を動作させるための動作パ
ワーが必要である。このため、電源装置は、車両の運転
に必要な運転パワーよりも大きな電力を出力する必要が
ある。
【0004】通常、車両が要求する運転パワーと燃料電
池の出力電力とは、相違する。二次電池は、この相違を
吸収する。具体的には、要求される運転パワーが燃料電
池の出力電力よりも大きい場合には、二次電池は不足電
力を補う。逆に、要求される運転パワーが燃料電池の出
力電力よりも小さい場合には、二次電池は余剰電力を蓄
える。
池の出力電力とは、相違する。二次電池は、この相違を
吸収する。具体的には、要求される運転パワーが燃料電
池の出力電力よりも大きい場合には、二次電池は不足電
力を補う。逆に、要求される運転パワーが燃料電池の出
力電力よりも小さい場合には、二次電池は余剰電力を蓄
える。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、要求される運転パワーと燃料電池の出力電力との相
違が比較的大きいという問題があった。このため、従来
では、比較的大型の二次電池を用いる必要があった。な
お、上記の問題は、路線バスなどのように、車両の総重
量が乗客の乗降によって変化する場合に顕著となる。こ
れは、車両の走行に必要な走行パワーが車両の総重量に
応じて変化するためである。
は、要求される運転パワーと燃料電池の出力電力との相
違が比較的大きいという問題があった。このため、従来
では、比較的大型の二次電池を用いる必要があった。な
お、上記の問題は、路線バスなどのように、車両の総重
量が乗客の乗降によって変化する場合に顕著となる。こ
れは、車両の走行に必要な走行パワーが車両の総重量に
応じて変化するためである。
【0006】本発明は、上述の課題を解決するためにな
されたものであり、車両の運転に必要な運転パワーと燃
料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システ
ムの運転状態を制御することのできる技術を提供するこ
とを目的とする。
されたものであり、車両の運転に必要な運転パワーと燃
料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システ
ムの運転状態を制御することのできる技術を提供するこ
とを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装
置は、車両に搭載された燃料電池システムを制御するた
めの制御装置であって、前記車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転
状態を制御するための制御部と、を備え、前記運転パワ
ー推定部は、変化し得る前記車両の総重量を決定するた
めの重量決定部を備え、決定された前記総重量を用いて
前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することによ
り、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを
求めることを特徴とする。
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装
置は、車両に搭載された燃料電池システムを制御するた
めの制御装置であって、前記車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転
状態を制御するための制御部と、を備え、前記運転パワ
ー推定部は、変化し得る前記車両の総重量を決定するた
めの重量決定部を備え、決定された前記総重量を用いて
前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することによ
り、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを
求めることを特徴とする。
【0008】この制御装置では、運転パワー推定部は、
変化し得る車両の総重量に応じて、走行パワーを推定す
ることができる。したがって、制御装置は、走行パワー
を少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが
整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御す
ることが可能となる。
変化し得る車両の総重量に応じて、走行パワーを推定す
ることができる。したがって、制御装置は、走行パワー
を少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが
整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御す
ることが可能となる。
【0009】上記の装置において、前記重量決定部は、
前記車両の搭乗人数を計測するための計測部を備え、計
測結果を用いて前記総重量を決定するようにしてもよ
い。
前記車両の搭乗人数を計測するための計測部を備え、計
測結果を用いて前記総重量を決定するようにしてもよ
い。
【0010】このように搭乗人数を計測すれば、車両の
総重量を比較的正確に決定することができる。
総重量を比較的正確に決定することができる。
【0011】上記の装置において、前記車両は、所定の
運行経路を走行し、前記重量決定部は、時間的な周期で
変化する前記車両の総重量を推定するためのマップを備
えるようにしてもよい。
運行経路を走行し、前記重量決定部は、時間的な周期で
変化する前記車両の総重量を推定するためのマップを備
えるようにしてもよい。
【0012】路線バスのように車両が所定の運行経路を
走行する場合には、搭乗人数が時間的な周期で変化す
る。このような場合には、上記のマップを用いることに
よって、車両の総重量を容易に決定することが可能とな
る。なお、マップは、1日の周期や、1週の周期、1年
の周期などに基づいて作成可能である。
走行する場合には、搭乗人数が時間的な周期で変化す
る。このような場合には、上記のマップを用いることに
よって、車両の総重量を容易に決定することが可能とな
る。なお、マップは、1日の周期や、1週の周期、1年
の周期などに基づいて作成可能である。
【0013】上記の装置において、前記車両は、所定の
運行経路を走行し、前記運転パワー推定部は、前記所定
の運行経路内における前記車両の位置に応じて前記走行
パワーを推定するためのマップを備えるようにしてもよ
い。
運行経路を走行し、前記運転パワー推定部は、前記所定
の運行経路内における前記車両の位置に応じて前記走行
パワーを推定するためのマップを備えるようにしてもよ
い。
【0014】路線バスのように車両が所定の運行経路を
走行する場合には、車両の位置に応じて走行パワーを推
定することができる。したがって、上記のマップを用い
ることによって、走行パワーを容易に決定することが可
能となる。
走行する場合には、車両の位置に応じて走行パワーを推
定することができる。したがって、上記のマップを用い
ることによって、走行パワーを容易に決定することが可
能となる。
【0015】上記の装置において、前記走行パワーは、
前記車両に作用するころがり抵抗に起因するパワーを含
むことが望ましい。
前記車両に作用するころがり抵抗に起因するパワーを含
むことが望ましい。
【0016】車両が走行する際には、車両には、必ずこ
ろがり抵抗が作用する。したがって、上記のようにすれ
ば、走行パワーを比較的正確に推定することができる。
ろがり抵抗が作用する。したがって、上記のようにすれ
ば、走行パワーを比較的正確に推定することができる。
【0017】また、上記の装置において、前記走行パワ
ーは、さらに、前記車両に作用する空気抵抗と勾配抵抗
と加速抵抗とのうちの少なくとも1つに起因するパワー
を含むことが好ましい。
ーは、さらに、前記車両に作用する空気抵抗と勾配抵抗
と加速抵抗とのうちの少なくとも1つに起因するパワー
を含むことが好ましい。
【0018】車両が走行する際には、車両には、ころが
り抵抗と共に空気抵抗が作用する。空気抵抗は、車両が
高速走行する際にかなり大きくなる。勾配抵抗は、坂路
走行の際に車両に作用し、加速抵抗は、加減速走行の際
に車両に作用する。走行パワーが上記のような種々の抵
抗に起因するパワーを含んでいれば、車両の走行に必要
な走行パワーをより正確に推定することが可能となる。
り抵抗と共に空気抵抗が作用する。空気抵抗は、車両が
高速走行する際にかなり大きくなる。勾配抵抗は、坂路
走行の際に車両に作用し、加速抵抗は、加減速走行の際
に車両に作用する。走行パワーが上記のような種々の抵
抗に起因するパワーを含んでいれば、車両の走行に必要
な走行パワーをより正確に推定することが可能となる。
【0019】上記の装置において、前記運転パワー推定
部は、さらに、補機の動作に必要な動作パワーを推定
し、前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーと
を含む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行するこ
とが好ましい。
部は、さらに、補機の動作に必要な動作パワーを推定
し、前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーと
を含む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行するこ
とが好ましい。
【0020】こうすれば、運転パワーと燃料電池の出力
電圧とがより整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することができる。
電圧とがより整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することができる。
【0021】また、上記の装置において、前記補機は、
前記車両室内の温度を調節するための空調装置を含み、
前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記
動作パワーを推定するためのマップを備えるようにして
もよい。
前記車両室内の温度を調節するための空調装置を含み、
前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記
動作パワーを推定するためのマップを備えるようにして
もよい。
【0022】空調装置の動作状態は、1日の周期や1年
の周期などによって変化する。このため、空調装置を含
む補機の動作に必要な動作パワーは推定可能である。し
たがって、上記のマップを用いることによって、動作パ
ワーを比較的容易に決定することができる。
の周期などによって変化する。このため、空調装置を含
む補機の動作に必要な動作パワーは推定可能である。し
たがって、上記のマップを用いることによって、動作パ
ワーを比較的容易に決定することができる。
【0023】上記の装置において、前記燃料電池システ
ムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する
燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する
酸化ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記運転パ
ワーに基づいて、前記燃料電池に供給される前記燃料ガ
スの流量を調整するようにしてもよい。
ムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する
燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する
酸化ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記運転パ
ワーに基づいて、前記燃料電池に供給される前記燃料ガ
スの流量を調整するようにしてもよい。
【0024】あるいは、上記の装置において、前記燃料
電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス
を供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガス
を供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記燃料ガス供
給部は、所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成す
るための改質器を備え、前記制御部は、前記運転パワー
に基づいて、前記改質器に供給される前記原料の流量を
調整するようにしてもよい。
電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス
を供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガス
を供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記燃料ガス供
給部は、所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成す
るための改質器を備え、前記制御部は、前記運転パワー
に基づいて、前記改質器に供給される前記原料の流量を
調整するようにしてもよい。
【0025】このように、燃料電池に供給される燃料ガ
スの流量を要求される運転パワーに応じて調整すれば、
運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、
燃料電池システムの運転状態を制御することができる。
なお、燃料ガス供給部が改質器を含む場合には、燃料電
池に供給される燃料ガスの流量と改質器に供給される原
料の流量との双方を調整するようにしてもよい。
スの流量を要求される運転パワーに応じて調整すれば、
運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、
燃料電池システムの運転状態を制御することができる。
なお、燃料ガス供給部が改質器を含む場合には、燃料電
池に供給される燃料ガスの流量と改質器に供給される原
料の流量との双方を調整するようにしてもよい。
【0026】本発明の方法は、車両に搭載された燃料電
池システムの制御方法であって、(a)前記車両の運転
に必要な運転パワーを推定する工程と、(b)推定され
た前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運
転状態を制御する工程と、を備え、前記工程(a)は、
変化し得る前記車両の総重量を決定し、決定された前記
総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推
定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前
記運転パワーを求める工程を含むことを特徴とする。
池システムの制御方法であって、(a)前記車両の運転
に必要な運転パワーを推定する工程と、(b)推定され
た前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運
転状態を制御する工程と、を備え、前記工程(a)は、
変化し得る前記車両の総重量を決定し、決定された前記
総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推
定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前
記運転パワーを求める工程を含むことを特徴とする。
【0027】この方法を用いる場合にも、本発明の装置
を用いる場合と同様の作用・効果を奏し、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが整
合するように、燃料電池システムの運転状態を制御する
ことが可能となる。
を用いる場合と同様の作用・効果を奏し、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが整
合するように、燃料電池システムの運転状態を制御する
ことが可能となる。
【0028】なお、本発明は、制御方法、制御装置、そ
の方法または装置の機能を実現するためのコンピュータ
プログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記
録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に
具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現するこ
とができる。
の方法または装置の機能を実現するためのコンピュータ
プログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記
録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に
具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現するこ
とができる。
【0029】
【発明の実施の形態】A.装置の全体構成:次に、本発
明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図1は、燃
料電池システムを搭載する電気自動車の概略構成を示す
説明図である。なお、本実施例の電気自動車は、所定の
運行経路を走行する路線バスである。
明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図1は、燃
料電池システムを搭載する電気自動車の概略構成を示す
説明図である。なお、本実施例の電気自動車は、所定の
運行経路を走行する路線バスである。
【0030】電気自動車は、電源装置20と、第1の補
機群30と、DC/ACインバータ40と、第2の補機
群50と、三相モータ60と、減速ギヤ70と、を備え
ている。電源装置20は、第1の補機群30とインバー
タ40とに電気的に接続されており、インバータ40
は、モータ60と第2の補機群50とに電気的に接続さ
れている。また、モータ60の出力軸は、減速ギヤ70
を介して、駆動軸に機械的に接続されている。
機群30と、DC/ACインバータ40と、第2の補機
群50と、三相モータ60と、減速ギヤ70と、を備え
ている。電源装置20は、第1の補機群30とインバー
タ40とに電気的に接続されており、インバータ40
は、モータ60と第2の補機群50とに電気的に接続さ
れている。また、モータ60の出力軸は、減速ギヤ70
を介して、駆動軸に機械的に接続されている。
【0031】電源装置20は、第1の補機群30とイン
バータ40とに電力を供給する。インバータ40に与え
られた電力は、第2の補機群50とモータ60とに供給
される。なお、第1の補機群30は、燃料電池システム
(後述する)に含まれる流量制御弁などを含む。第2の
補機群50は、電気自動車の室内の温度を調節するため
の空調装置などを含む。
バータ40とに電力を供給する。インバータ40に与え
られた電力は、第2の補機群50とモータ60とに供給
される。なお、第1の補機群30は、燃料電池システム
(後述する)に含まれる流量制御弁などを含む。第2の
補機群50は、電気自動車の室内の温度を調節するため
の空調装置などを含む。
【0032】電源装置20は、燃料電池22と、DC/
DCコンバータ24と、二次電池26と、を備えてい
る。燃料電池22は、コンバータ24に並列に接続され
ており、コンバータ24は、二次電池26に接続されて
いる。
DCコンバータ24と、二次電池26と、を備えてい
る。燃料電池22は、コンバータ24に並列に接続され
ており、コンバータ24は、二次電池26に接続されて
いる。
【0033】燃料電池22は、燃料ガスと酸化ガスとを
用いて発電する。本実施例では、比較的小型で発電効率
に優れる固体高分子型の燃料電池が用いられている。な
お、燃料電池22を含む燃料電池システムについては、
後述する。
用いて発電する。本実施例では、比較的小型で発電効率
に優れる固体高分子型の燃料電池が用いられている。な
お、燃料電池22を含む燃料電池システムについては、
後述する。
【0034】二次電池(蓄電池)26は、燃料電池22
を補助する機能を有している。具体的には、二次電池2
6は、電気自動車の走行(駆動)に必要な走行パワーが
燃料電池22の出力電力を超えるときに、コンバータ2
4を介して、インバータ40に電力を供給する。また、
二次電池26は、燃料電池22の発電開始時に、燃料電
池システムに含まれる流量制御弁などを動作させるため
に、コンバータ24を介して、第1の補機群30に電力
を供給する。二次電池26は、電気自動車の制動時に発
生する回生エネルギを蓄える機能も有している。すなわ
ち、本実施例の三相モータ60は、電気自動車の制動時
には発電機として機能し、運動エネルギを電気エネルギ
に変換する。そして、二次電池26は、コンバータ24
を介して、変換済みの電気エネルギを蓄える。
を補助する機能を有している。具体的には、二次電池2
6は、電気自動車の走行(駆動)に必要な走行パワーが
燃料電池22の出力電力を超えるときに、コンバータ2
4を介して、インバータ40に電力を供給する。また、
二次電池26は、燃料電池22の発電開始時に、燃料電
池システムに含まれる流量制御弁などを動作させるため
に、コンバータ24を介して、第1の補機群30に電力
を供給する。二次電池26は、電気自動車の制動時に発
生する回生エネルギを蓄える機能も有している。すなわ
ち、本実施例の三相モータ60は、電気自動車の制動時
には発電機として機能し、運動エネルギを電気エネルギ
に変換する。そして、二次電池26は、コンバータ24
を介して、変換済みの電気エネルギを蓄える。
【0035】DC/DCコンバータ24は、電源装置2
0(燃料電池22)の出力電圧の目標値を設定する。こ
れにより、燃料電池22の動作ポイントが決定される。
すなわち、コンバータ24が燃料電池22の出力電圧を
設定することにより、燃料電池22の出力電流および出
力電力(発電量)が決定される。図2は、燃料電池の出
力特性を示すグラフである。図2では、燃料電池の出力
電流と出力電圧と出力電力との関係が模式的に示されて
いる。図示するように、燃料電池の出力すべき電力PFC
(=IFC・VFC)が決定されると、出力電流IFCと出力
電圧VFCとが決定される。
0(燃料電池22)の出力電圧の目標値を設定する。こ
れにより、燃料電池22の動作ポイントが決定される。
すなわち、コンバータ24が燃料電池22の出力電圧を
設定することにより、燃料電池22の出力電流および出
力電力(発電量)が決定される。図2は、燃料電池の出
力特性を示すグラフである。図2では、燃料電池の出力
電流と出力電圧と出力電力との関係が模式的に示されて
いる。図示するように、燃料電池の出力すべき電力PFC
(=IFC・VFC)が決定されると、出力電流IFCと出力
電圧VFCとが決定される。
【0036】また、電気自動車(図1)は、コンバータ
24と第1の補機群30とインバータ40とを制御する
ための制御装置400を備えている。制御装置400
は、電気自動車の運転に必要な運転パワーに応じて、燃
料電池システムの運転状態(発電)を制御する。
24と第1の補機群30とインバータ40とを制御する
ための制御装置400を備えている。制御装置400
は、電気自動車の運転に必要な運転パワーに応じて、燃
料電池システムの運転状態(発電)を制御する。
【0037】具体的には、制御装置400は、運転パワ
ー推定部410と制御部420とを備えている。運転パ
ワー推定部410は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定する。すなわち、運転パワー推定部410
は、変化し得る電気自動車(路線バス)の総重量を決定
するための重量決定部412を備えており、決定された
総重量を用いて電気自動車の走行に必要な走行パワーを
推定する。また、運転パワー推定部410は、第1の補
機群30および第2の補機群50の動作に必要な動作パ
ワーを推定する。そして、運転パワー推定部410は、
走行パワーと動作パワーとを含む運転パワーを求める。
制御部420は、推定された運転パワーに応じて、燃料
電池システムの運転状態(発電)を制御する。なお、制
御装置400の処理については、さらに、後述する。
ー推定部410と制御部420とを備えている。運転パ
ワー推定部410は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定する。すなわち、運転パワー推定部410
は、変化し得る電気自動車(路線バス)の総重量を決定
するための重量決定部412を備えており、決定された
総重量を用いて電気自動車の走行に必要な走行パワーを
推定する。また、運転パワー推定部410は、第1の補
機群30および第2の補機群50の動作に必要な動作パ
ワーを推定する。そして、運転パワー推定部410は、
走行パワーと動作パワーとを含む運転パワーを求める。
制御部420は、推定された運転パワーに応じて、燃料
電池システムの運転状態(発電)を制御する。なお、制
御装置400の処理については、さらに、後述する。
【0038】B.燃料電池システムの構成:図3は、燃
料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電
池システムは、燃料電池22(図1)と燃料ガス供給部
200と酸化ガス供給部300とを備えている。
料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電
池システムは、燃料電池22(図1)と燃料ガス供給部
200と酸化ガス供給部300とを備えている。
【0039】燃料ガス供給部200(図3)は、水素ガ
スを含む燃料ガスを生成して燃料電池22に供給する。
燃料ガス供給部200は、原料タンク212と、水タン
ク214と、3つの流量制御弁222,224,226
と、2つの流量計232,234と、改質器240と、
を備えている。改質器240は、燃焼部242と、熱交
換器243と、蒸発部244と、改質部246と、CO
酸化部248と、を備えている。なお、本実施例の原料
タンク212には、メタンガスが貯蔵されている。
スを含む燃料ガスを生成して燃料電池22に供給する。
燃料ガス供給部200は、原料タンク212と、水タン
ク214と、3つの流量制御弁222,224,226
と、2つの流量計232,234と、改質器240と、
を備えている。改質器240は、燃焼部242と、熱交
換器243と、蒸発部244と、改質部246と、CO
酸化部248と、を備えている。なお、本実施例の原料
タンク212には、メタンガスが貯蔵されている。
【0040】改質器240内の蒸発部244には、原料
タンク212から原料(メタンガス)が導入されるとと
もに、水タンク214から水が導入される。原料タンク
212と蒸発部244との間の通路には、第1の流量制
御弁222と第1の流量計232とが設けられており、
水タンク214と蒸発部244との間の通路には、第2
の流量制御弁224と第2の流量計234とが設けられ
ている。
タンク212から原料(メタンガス)が導入されるとと
もに、水タンク214から水が導入される。原料タンク
212と蒸発部244との間の通路には、第1の流量制
御弁222と第1の流量計232とが設けられており、
水タンク214と蒸発部244との間の通路には、第2
の流量制御弁224と第2の流量計234とが設けられ
ている。
【0041】燃焼部242には、燃焼燃料が導入され
る。本実施例では、燃料燃料として、原料タンク212
から供給されるメタンガスが用いられている。原料タン
ク212と蒸発部244との通路には、第3の流量制御
弁226が設けられている。
る。本実施例では、燃料燃料として、原料タンク212
から供給されるメタンガスが用いられている。原料タン
ク212と蒸発部244との通路には、第3の流量制御
弁226が設けられている。
【0042】燃焼部242は、ブロワ251によって供
給される空気中の酸素を用いて、燃焼燃料(メタンガ
ス)を燃焼させる。熱交換器243は、燃焼部242で
発生する熱を蒸発部244に伝える。蒸発部244は、
与えられた熱を利用して、導入された水を蒸発させる。
これにより、蒸発部244は、原料(メタンガス)と水
蒸気との混合ガスを生成する。
給される空気中の酸素を用いて、燃焼燃料(メタンガ
ス)を燃焼させる。熱交換器243は、燃焼部242で
発生する熱を蒸発部244に伝える。蒸発部244は、
与えられた熱を利用して、導入された水を蒸発させる。
これにより、蒸発部244は、原料(メタンガス)と水
蒸気との混合ガスを生成する。
【0043】改質部246は、改質反応を促進させる触
媒を担持しており、蒸発部244から供給された混合ガ
スを改質して、水素ガスを含む改質ガスを生成する。な
お、触媒としては、例えば、Ni触媒が用いられる。改
質部246では、次の式(1),式(2)に示す化学反
応が順次進行し、全体では、式(3)に示す改質反応が
進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれ
ている。
媒を担持しており、蒸発部244から供給された混合ガ
スを改質して、水素ガスを含む改質ガスを生成する。な
お、触媒としては、例えば、Ni触媒が用いられる。改
質部246では、次の式(1),式(2)に示す化学反
応が順次進行し、全体では、式(3)に示す改質反応が
進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれ
ている。
【0044】
CH4 + H2O → CO + 3H2 …(1)
CO + H2O → CO2 + H2 …(2)
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 …(3)
【0045】CO酸化部248は、ブロワ252によっ
て供給される空気中の酸素を用いて、改質ガスに含まれ
る一酸化炭素ガスを酸化する。そして、CO酸化部24
8からは、一酸化炭素ガス濃度の低い燃料ガスが排出さ
れる。このような燃料ガスを燃料電池22に供給するこ
とにより、燃料電池内部の貴金属触媒が一酸化炭素ガス
によって被毒することを防止することができる。
て供給される空気中の酸素を用いて、改質ガスに含まれ
る一酸化炭素ガスを酸化する。そして、CO酸化部24
8からは、一酸化炭素ガス濃度の低い燃料ガスが排出さ
れる。このような燃料ガスを燃料電池22に供給するこ
とにより、燃料電池内部の貴金属触媒が一酸化炭素ガス
によって被毒することを防止することができる。
【0046】酸化ガス供給部300(図3)は、ブロワ
310を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス(空気)
を燃料電池22に供給する。
310を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス(空気)
を燃料電池22に供給する。
【0047】燃料電池22(図3)は、燃料ガス供給部
200から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部30
0から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。具体
的には、燃料電池22内部では、以下に示す電気化学反
応が進行する。なお、式(4)はアノード(水素極)に
おける反応を示しており、式(5)はカソード(酸素
極)における反応を示している。そして、全体では、式
(6)に示す反応が進行する。
200から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部30
0から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。具体
的には、燃料電池22内部では、以下に示す電気化学反
応が進行する。なお、式(4)はアノード(水素極)に
おける反応を示しており、式(5)はカソード(酸素
極)における反応を示している。そして、全体では、式
(6)に示す反応が進行する。
【0048】
H2 → 2H+ + 2e- …(4)
(1/2)O2 + 2H+ + 2e- → H2O …(5)
H2 +(1/2)O2 → H2O …(6)
【0049】制御装置400は、図3に示すように、燃
料ガス供給部200および酸化ガス供給部300を構成
する各部に電気的に接続されている。具体的には、制御
装置400は、第1の補機群30(図1)を構成する3
つの流量制御弁222,224,226と、2つの流量
計232,234と、3つのブロワ251,252,3
10と、に接続されている。
料ガス供給部200および酸化ガス供給部300を構成
する各部に電気的に接続されている。具体的には、制御
装置400は、第1の補機群30(図1)を構成する3
つの流量制御弁222,224,226と、2つの流量
計232,234と、3つのブロワ251,252,3
10と、に接続されている。
【0050】C.燃料電池システムの制御:式(4)か
ら分かるように、燃料電池22の出力電流(出力電力)
は、燃料ガス供給部200から燃料電池22へ供給され
る水素ガス流量に応じて決定される。そこで、本実施例
の制御装置400は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定することにより、燃料電池22に要求される
出力電力を決定し、要求される出力電力に応じて燃料電
池に供給される水素ガスの流量を調整する。具体的に
は、制御装置400は、改質器240に供給される原料
の流量と水の流量とを調整することにより、燃料電池2
2に供給される水素ガスの流量を調整する。このように
して、制御装置400は、燃料電池22の出力電力を制
御する。
ら分かるように、燃料電池22の出力電流(出力電力)
は、燃料ガス供給部200から燃料電池22へ供給され
る水素ガス流量に応じて決定される。そこで、本実施例
の制御装置400は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定することにより、燃料電池22に要求される
出力電力を決定し、要求される出力電力に応じて燃料電
池に供給される水素ガスの流量を調整する。具体的に
は、制御装置400は、改質器240に供給される原料
の流量と水の流量とを調整することにより、燃料電池2
2に供給される水素ガスの流量を調整する。このように
して、制御装置400は、燃料電池22の出力電力を制
御する。
【0051】図4は、制御装置400による燃料電池シ
ステムの制御手順を示すフローチャートである。
ステムの制御手順を示すフローチャートである。
【0052】ステップS101では、運転パワー推定部
410が電気自動車の運転に必要な運転パワーPtを推
定する。具体的には、ステップS101aでは、電気自
動車の走行に必要な走行パワーPrが推定され、ステッ
プS101bでは、第1の補機群30および第2の補機
群50の動作に必要な動作パワーPwが推定される。そ
して、ステップS101cでは、走行パワーPrと動作
パワーPwとが加算され、運転パワー(トータルパワ
ー)Ptが決定される。
410が電気自動車の運転に必要な運転パワーPtを推
定する。具体的には、ステップS101aでは、電気自
動車の走行に必要な走行パワーPrが推定され、ステッ
プS101bでは、第1の補機群30および第2の補機
群50の動作に必要な動作パワーPwが推定される。そ
して、ステップS101cでは、走行パワーPrと動作
パワーPwとが加算され、運転パワー(トータルパワ
ー)Ptが決定される。
【0053】ステップS101aで推定される走行パワ
ーPrは、電気自動車の走行抵抗に関係する。すなわ
ち、電気自動車が走行する際には、電気自動車に作用す
る走行抵抗よりも大きな駆動力が必要である。ここで、
走行抵抗は、ころがり抵抗や、空気抵抗、勾配抵抗、加
速抵抗などを含んでいる。走行抵抗に等しい駆動力を得
るためにモータ60に要求される走行パワーPr(J/
s)は、式(7)で表される。
ーPrは、電気自動車の走行抵抗に関係する。すなわ
ち、電気自動車が走行する際には、電気自動車に作用す
る走行抵抗よりも大きな駆動力が必要である。ここで、
走行抵抗は、ころがり抵抗や、空気抵抗、勾配抵抗、加
速抵抗などを含んでいる。走行抵抗に等しい駆動力を得
るためにモータ60に要求される走行パワーPr(J/
s)は、式(7)で表される。
【0054】
Pr=P1+P2+P3+P4
=(R1+R2+R3+R4)・V …(7)
【0055】ここで、R1(N)〜R4(N)は、それ
ぞれ、ころがり抵抗、空気抵抗、勾配抵抗、加速抵抗で
あり、V(m/s)は電気自動車の速度である。また、
P1(J/s)〜P4(J/s)は、それぞれ抵抗R1
〜R4に起因して要求されるパワーである。
ぞれ、ころがり抵抗、空気抵抗、勾配抵抗、加速抵抗で
あり、V(m/s)は電気自動車の速度である。また、
P1(J/s)〜P4(J/s)は、それぞれ抵抗R1
〜R4に起因して要求されるパワーである。
【0056】各抵抗R1〜R4は、それぞれ、式
(8),式(9),式(10),式(11)で表され
る。
(8),式(9),式(10),式(11)で表され
る。
【0057】
R1=K1・M・g …(8)
R2=K2・A・V2 …(9)
R3=M・g・sin θ …(10)
R4=M・α …(11)
【0058】ここで、K1はころがり抵抗係数であり、
路面の状況やタイヤの材料などによって決定される値で
ある。M(Kg)は車両総質量である。g(m/s2 )
は重力加速度である。K2は空気抵抗係数であり、電気
自動車の側方形状に応じて決定される値である。なお、
K2は、流線型の場合には比較的小さく、箱型の場合に
は比較的大きい。Aは電気自動車の前面投影面積
(m2 )である。θは路面の傾斜角度である。α(m/
s2 )は電気自動車の加速度である。
路面の状況やタイヤの材料などによって決定される値で
ある。M(Kg)は車両総質量である。g(m/s2 )
は重力加速度である。K2は空気抵抗係数であり、電気
自動車の側方形状に応じて決定される値である。なお、
K2は、流線型の場合には比較的小さく、箱型の場合に
は比較的大きい。Aは電気自動車の前面投影面積
(m2 )である。θは路面の傾斜角度である。α(m/
s2 )は電気自動車の加速度である。
【0059】なお、式(8)〜式(11)から分かるよ
うに、電気自動車が走行する際には、ころがり抵抗R1
は必ず電気自動車に作用する。空気抵抗R2は、ころが
り抵抗R1と共に、必ず電気自動車に作用し、高速走行
の際にかなり大きくなる。勾配抵抗R3は、坂路走行の
際に電気自動車に作用し、加速抵抗R4は、加減速走行
の際に電気自動車に作用する。
うに、電気自動車が走行する際には、ころがり抵抗R1
は必ず電気自動車に作用する。空気抵抗R2は、ころが
り抵抗R1と共に、必ず電気自動車に作用し、高速走行
の際にかなり大きくなる。勾配抵抗R3は、坂路走行の
際に電気自動車に作用し、加速抵抗R4は、加減速走行
の際に電気自動車に作用する。
【0060】走行パワーPrを求めるための式(7)〜
式(11)中の各パラメータM,V,α,θは、運転パ
ワー推定部410によって以下のように決定される。
式(11)中の各パラメータM,V,α,θは、運転パ
ワー推定部410によって以下のように決定される。
【0061】電気自動車の総質量Mは、空車状態におけ
る車両質量と乗客質量との和にほぼ等しい。車両質量
は、既知であり、乗客質量は、搭乗人数と標準体重(質
量)との積にほぼ等しい。したがって、搭乗人数を決定
することにより、電気自動車(路線バス)の総質量Mを
決定することができる。重量決定部412は、搭乗人数
を計測するための計測部414を備えており、計測結果
を用いて電気自動車の総重量(M・g)を決定する。計
測部414は、搭乗券の発行枚数および回収枚数を計測
することにより、搭乗人数を決定する。あるいは、計測
部414は、乗車人数および降車人数を直接計測するこ
とにより、搭乗人数を決定する。乗車人数および降車人
数は、路線バスの乗降口に、人の乗車および降車を検出
可能なセンサを設けることによって、計測可能である。
なお、センサとしては、光電管センサや赤外線センサな
どを用いることができる。このように、搭乗人数を計測
すれば、重量決定部412は、路線バスの停留所毎に変
化する電気自動車の総重量を比較的正確に決定すること
ができる。
る車両質量と乗客質量との和にほぼ等しい。車両質量
は、既知であり、乗客質量は、搭乗人数と標準体重(質
量)との積にほぼ等しい。したがって、搭乗人数を決定
することにより、電気自動車(路線バス)の総質量Mを
決定することができる。重量決定部412は、搭乗人数
を計測するための計測部414を備えており、計測結果
を用いて電気自動車の総重量(M・g)を決定する。計
測部414は、搭乗券の発行枚数および回収枚数を計測
することにより、搭乗人数を決定する。あるいは、計測
部414は、乗車人数および降車人数を直接計測するこ
とにより、搭乗人数を決定する。乗車人数および降車人
数は、路線バスの乗降口に、人の乗車および降車を検出
可能なセンサを設けることによって、計測可能である。
なお、センサとしては、光電管センサや赤外線センサな
どを用いることができる。このように、搭乗人数を計測
すれば、重量決定部412は、路線バスの停留所毎に変
化する電気自動車の総重量を比較的正確に決定すること
ができる。
【0062】なお、本実施例では、重量決定部412
は、搭乗人数を計測することによって電気自動車の総重
量を決定しているが、これに代えて、路線バスの特徴を
考慮して、マップを用いて総重量を決定するようにして
もよい。例えば、総質量Mは、路線バスの運行経路内に
おける位置に応じた総質量の変化を示すマップを用いる
ことによって決定可能である。このようにすれば、重量
決定部412は、路線バスの停留所毎に変化する電気自
動車の総重量(M・g)を比較的容易に決定することが
できる。ここで、路線バスの運行経路内における位置
は、例えば、GPS情報や、所定の起点(発車場など)
からの累積走行距離情報などを用いて決定可能である。
なお、累積走行距離情報は、例えば、トリップメータか
ら得られる。さらに、路線バスが所定のタイムスケジュ
ールに従って走行する場合には、時刻から上記の位置を
推定することも可能である。
は、搭乗人数を計測することによって電気自動車の総重
量を決定しているが、これに代えて、路線バスの特徴を
考慮して、マップを用いて総重量を決定するようにして
もよい。例えば、総質量Mは、路線バスの運行経路内に
おける位置に応じた総質量の変化を示すマップを用いる
ことによって決定可能である。このようにすれば、重量
決定部412は、路線バスの停留所毎に変化する電気自
動車の総重量(M・g)を比較的容易に決定することが
できる。ここで、路線バスの運行経路内における位置
は、例えば、GPS情報や、所定の起点(発車場など)
からの累積走行距離情報などを用いて決定可能である。
なお、累積走行距離情報は、例えば、トリップメータか
ら得られる。さらに、路線バスが所定のタイムスケジュ
ールに従って走行する場合には、時刻から上記の位置を
推定することも可能である。
【0063】また、路線バスの搭乗人数は、換言すれ
ば、路線バスの総質量Mは、時間的な周期で変化する。
図5は、路線バスの1日の総質量Mの変化を示すマップ
である。図示するように、1日の周期では、搭乗人数の
比較的多い朝・夕の時間帯に、総質量Mが比較的大きく
なる。また、図6は、路線バスの1週の総質量Mの変化
を示すマップである。図示するように、1週の周期で
は、搭乗人数の比較的多い平日に、総質量Mが比較的大
きくなる。さらに、1年の周期では、搭乗人数の比較的
少ない夏期および冬期の長期休暇期間中に、総質量Mが
比較的小さくなる。このように、路線バスの総質量Mの
変化は、周期性を有している。したがって、1日、1
週、1年などの時間的な周期に応じた総質量Mを示すマ
ップを用いれば、重量決定部412は、総重量M・gを
比較的容易に決定することができる。
ば、路線バスの総質量Mは、時間的な周期で変化する。
図5は、路線バスの1日の総質量Mの変化を示すマップ
である。図示するように、1日の周期では、搭乗人数の
比較的多い朝・夕の時間帯に、総質量Mが比較的大きく
なる。また、図6は、路線バスの1週の総質量Mの変化
を示すマップである。図示するように、1週の周期で
は、搭乗人数の比較的多い平日に、総質量Mが比較的大
きくなる。さらに、1年の周期では、搭乗人数の比較的
少ない夏期および冬期の長期休暇期間中に、総質量Mが
比較的小さくなる。このように、路線バスの総質量Mの
変化は、周期性を有している。したがって、1日、1
週、1年などの時間的な周期に応じた総質量Mを示すマ
ップを用いれば、重量決定部412は、総重量M・gを
比較的容易に決定することができる。
【0064】電気自動車の速度Vは、実際の速度を測定
することによって決定される。なお、実際の速度は、駆
動軸の回転数を測定するセンサを用いて求められる。
することによって決定される。なお、実際の速度は、駆
動軸の回転数を測定するセンサを用いて求められる。
【0065】電気自動車の加速度αは、実際の加速度を
測定することによって決定される。なお、加速度は、上
記の速度Vの測定結果を用いて算出可能である。
測定することによって決定される。なお、加速度は、上
記の速度Vの測定結果を用いて算出可能である。
【0066】路面の傾斜角度θは、GPS情報を取得す
ることによって決定される。具体的には、傾斜角度θ
は、経時的に変化する電気自動車の水平位置情報の変化
量と垂直位置情報の変化量とを算出することによって決
定される。
ることによって決定される。具体的には、傾斜角度θ
は、経時的に変化する電気自動車の水平位置情報の変化
量と垂直位置情報の変化量とを算出することによって決
定される。
【0067】なお、速度Vと加速度αと傾斜角度θと
は、上記の総質量Mと同様に、路線バスの特徴を考慮し
て、マップを用いて決定されるようにしてもよい。例え
ば、速度Vは、路線バスの位置に応じた速度の変化を示
すマップを用いることによって決定可能である。同様
に、加速度αは、路線バスの位置に応じた加速度の変化
を示すマップを用いることによって決定可能であり、傾
斜角度θは、路線バスの位置に応じた傾斜角度の変化を
示すマップを用いることによって決定可能である。この
ようなマップを用いれば、運転パワー推定部410は、
路線バスの運行経路内の位置に応じて変化する走行パワ
ーPrを比較的容易に推定することができる。
は、上記の総質量Mと同様に、路線バスの特徴を考慮し
て、マップを用いて決定されるようにしてもよい。例え
ば、速度Vは、路線バスの位置に応じた速度の変化を示
すマップを用いることによって決定可能である。同様
に、加速度αは、路線バスの位置に応じた加速度の変化
を示すマップを用いることによって決定可能であり、傾
斜角度θは、路線バスの位置に応じた傾斜角度の変化を
示すマップを用いることによって決定可能である。この
ようなマップを用いれば、運転パワー推定部410は、
路線バスの運行経路内の位置に応じて変化する走行パワ
ーPrを比較的容易に推定することができる。
【0068】上記のようにして、運転パワー推定部41
0は、各パラメータM,V,α,θを決定して、走行パ
ワーPrを求める。
0は、各パラメータM,V,α,θを決定して、走行パ
ワーPrを求める。
【0069】ステップS101bで推定される動作パワ
ーPwは、第1の補機群30および第2の補機群50の
動作に必要なパワーである。図7は、路線バスの1年の
動作パワーPwの変化を示すマップである。図示するよ
うに、1年の周期では、動作パワーPwは、夏期に比較
的大きくなっている。これは、第2の補機群50に含ま
れる空調装置の動作に必要なパワーが、夏期に大きくな
るためである。なお、1日の周期では、気温の比較的高
い昼の時間帯に、動作パワーPwが比較的大きくなる。
このように、路線バスの動作パワーPwの変化は、周期
性を有している。したがって、1年、1日などの周期に
応じた動作パワーの変化を示すマップを用いれば、運転
パワー推定部410は、動作パワーPwを比較的容易に
決定することができる。
ーPwは、第1の補機群30および第2の補機群50の
動作に必要なパワーである。図7は、路線バスの1年の
動作パワーPwの変化を示すマップである。図示するよ
うに、1年の周期では、動作パワーPwは、夏期に比較
的大きくなっている。これは、第2の補機群50に含ま
れる空調装置の動作に必要なパワーが、夏期に大きくな
るためである。なお、1日の周期では、気温の比較的高
い昼の時間帯に、動作パワーPwが比較的大きくなる。
このように、路線バスの動作パワーPwの変化は、周期
性を有している。したがって、1年、1日などの周期に
応じた動作パワーの変化を示すマップを用いれば、運転
パワー推定部410は、動作パワーPwを比較的容易に
決定することができる。
【0070】ステップS101cでは、運転パワー推定
部410は、走行パワーPrと動作パワーPwとを加算
して、電気自動車の運転に必要な運転パワーPt(=P
r+Pw)を求める。
部410は、走行パワーPrと動作パワーPwとを加算
して、電気自動車の運転に必要な運転パワーPt(=P
r+Pw)を求める。
【0071】次に、ステップS102(図4)では、制
御部420は、ステップS101で推定された運転パワ
ーPtに応じて、改質器240に供給される原料(メタ
ンガス)と水との目標流量を算出する。
御部420は、ステップS101で推定された運転パワ
ーPtに応じて、改質器240に供給される原料(メタ
ンガス)と水との目標流量を算出する。
【0072】電気自動車の運転に必要な運転パワーPt
を満足するために燃料電池22に要求される出力電力P
FC(J/s)は、式(12)で表される。なお、Kme
は機械−電気変換効率などを含む定数である。
を満足するために燃料電池22に要求される出力電力P
FC(J/s)は、式(12)で表される。なお、Kme
は機械−電気変換効率などを含む定数である。
【0073】
PFC=Kme・Pt …(12)
【0074】図2で説明したように、燃料電池22に要
求される出力電力(発電量)PFCが決まると、燃料電池
の出力電圧VFC(V)と出力電流IFC(A)とが決定さ
れる。燃料電池22に要求される出力電流IFCは、式
(13)で表される。
求される出力電力(発電量)PFCが決まると、燃料電池
の出力電圧VFC(V)と出力電流IFC(A)とが決定さ
れる。燃料電池22に要求される出力電流IFCは、式
(13)で表される。
【0075】
IFC=PFC/VFC …(13)
【0076】なお、燃料電池の出力電圧VFCは、コンバ
ータ24(図1)の出力電圧(電源装置20の目標電圧
値)に等しい。式(13)の電圧VFCとしては、電圧計
を用いて測定された値を用いてもよいし、近似的な定数
を用いてもよい。
ータ24(図1)の出力電圧(電源装置20の目標電圧
値)に等しい。式(13)の電圧VFCとしては、電圧計
を用いて測定された値を用いてもよいし、近似的な定数
を用いてもよい。
【0077】出力電流IFCを得るために必要な水素ガス
流量Fh(mol/s)は、式(4)から分かるよう
に、式(14)で表される。
流量Fh(mol/s)は、式(4)から分かるよう
に、式(14)で表される。
【0078】
Fh=IFC・Kh/(2・F) …(14)
【0079】ここで、Khは、燃料電池22における水
素利用率の逆数である。F(C/mol)は、ファラデ
ー定数であり、電子1モル当たりの電荷量を示す。
素利用率の逆数である。F(C/mol)は、ファラデ
ー定数であり、電子1モル当たりの電荷量を示す。
【0080】水素ガス流量Fhを改質器240で生成す
る際に必要となるメタンガス流量Fm(mol/s)お
よび水流量Fw(mol/s)は、式(3)から分かる
ように、それぞれ式(15),式(16)で表される。
る際に必要となるメタンガス流量Fm(mol/s)お
よび水流量Fw(mol/s)は、式(3)から分かる
ように、それぞれ式(15),式(16)で表される。
【0081】
Fm=Fh/4 …(15)
Fw=Fh/2 …(16)
【0082】式(12)〜式(16)を用いれば、メタ
ンガスの目標流量Fmおよび水の目標流量Fwは、推定
された運転パワーPtの関数で表される。
ンガスの目標流量Fmおよび水の目標流量Fwは、推定
された運転パワーPtの関数で表される。
【0083】ステップS103では、制御部420は、
改質器240に供給されるメタンガス流量および水流量
を制御する。具体的には、制御部420は、メタンガス
流量および水流量がそれぞれ目標流量Fm(Pt),F
w(Pt)に等しくなるように、2つの流量制御弁22
2,224を開度を設定するための2つの流量制御値
(電圧値)VVM,VVWを求め、各流量制御値VVM,VVW
を用いて各流量制御弁222,224を制御する。
改質器240に供給されるメタンガス流量および水流量
を制御する。具体的には、制御部420は、メタンガス
流量および水流量がそれぞれ目標流量Fm(Pt),F
w(Pt)に等しくなるように、2つの流量制御弁22
2,224を開度を設定するための2つの流量制御値
(電圧値)VVM,VVWを求め、各流量制御値VVM,VVW
を用いて各流量制御弁222,224を制御する。
【0084】ところで、流体は、圧力に応じて密度が変
化する圧縮性を有している。特に、メタンガスは、高い
圧縮性を有している。このため、フィードフォワード制
御のみで決定される流量制御値を用いる場合には、メタ
ンガス流量を精度良く調整することは困難である。そこ
で、本実施例では、制御部420は、フィードフォワー
ド制御とフィードバック制御とを組み合わせた式(1
7)を用いて、第1の流量制御弁222を制御するため
の流量制御値(電圧値)VVMを決定している。
化する圧縮性を有している。特に、メタンガスは、高い
圧縮性を有している。このため、フィードフォワード制
御のみで決定される流量制御値を用いる場合には、メタ
ンガス流量を精度良く調整することは困難である。そこ
で、本実施例では、制御部420は、フィードフォワー
ド制御とフィードバック制御とを組み合わせた式(1
7)を用いて、第1の流量制御弁222を制御するため
の流量制御値(電圧値)VVMを決定している。
【0085】
VVM=Vm+Kp・(Fm−Fmk)+Ki・Σ(Fm−Fmk)
…(17)
【0086】ここで、Vmは、目標流量Fmを実現する
ために設定される初期フィードフォワード値(電圧値)
である。Fmkは、実際の流量である。Kpは比例演算
を行うための係数であり、Kiは積分演算を行うための
係数である。
ために設定される初期フィードフォワード値(電圧値)
である。Fmkは、実際の流量である。Kpは比例演算
を行うための係数であり、Kiは積分演算を行うための
係数である。
【0087】なお、実際の流量Fmkは、第1の流量計
232による測定値である。第1の流量計232として
は、比較的精度の高い測定が可能な熱線式流量計や、カ
ルマン渦式流量計などを用いることが好ましい。
232による測定値である。第1の流量計232として
は、比較的精度の高い測定が可能な熱線式流量計や、カ
ルマン渦式流量計などを用いることが好ましい。
【0088】このように、フィードフォワード制御とフ
ィードバック制御とを組み合わせた制御(2自由度制
御)を採用して第1の流量制御弁222を制御すれば、
改質器240に供給されるメタンガスの流量を精度良く
調整することが可能となる。また、本実施例の制御は、
メタンガスの予測使用量を用いた見込み制御であるた
め、ハイゲインのフィードバック制御が不要であり、こ
の結果、制御系の安定性を向上させることができる。
ィードバック制御とを組み合わせた制御(2自由度制
御)を採用して第1の流量制御弁222を制御すれば、
改質器240に供給されるメタンガスの流量を精度良く
調整することが可能となる。また、本実施例の制御は、
メタンガスの予測使用量を用いた見込み制御であるた
め、ハイゲインのフィードバック制御が不要であり、こ
の結果、制御系の安定性を向上させることができる。
【0089】なお、本実施例では、制御部420は、式
(17)と同様の式を用いて、第2の流量制御弁224
を制御するための流量制御値VVWを決定している。
(17)と同様の式を用いて、第2の流量制御弁224
を制御するための流量制御値VVWを決定している。
【0090】制御部420は、決定された流量制御値V
VM,VVWを用いて各流量制御弁222,224の開度を
調整し、メタンガスの流量と水の流量とを調整する。こ
のとき、燃料電池22に供給される水素ガス流量が調整
され、この結果、燃料電池22の出力電力(発電量)が
調整される。
VM,VVWを用いて各流量制御弁222,224の開度を
調整し、メタンガスの流量と水の流量とを調整する。こ
のとき、燃料電池22に供給される水素ガス流量が調整
され、この結果、燃料電池22の出力電力(発電量)が
調整される。
【0091】このようにして、制御部420は、要求さ
れる運転パワーPtに応じて、燃料電池の出力電力を制
御することができる。
れる運転パワーPtに応じて、燃料電池の出力電力を制
御することができる。
【0092】以上説明したように、本実施例の制御装置
400は、電気自動車の運転に必要な運転パワーPtを
推定するための運転パワー推定部410と、推定された
運転パワーPtに応じて、燃料電池システムの運転状態
を制御するための制御部420と、を備えている。運転
パワー推定部410は、変化し得る電気自動車の総重量
を決定するための重量決定部412を備えており、変化
する電気自動車の総重量に応じて走行パワーPrを推定
することにより、走行パワーPrを含む運転パワーPt
を求めることができる。このような構成を採用すること
により、制御装置400は、電気自動車の運転に必要な
運転パワーPtと燃料電池22の出力電力PFCとが整合
するように、燃料電池システムの運転状態(発電)を制
御することが可能となる。換言すれば、要求される運転
パワーPtに対する燃料電池22の出力電力PFCの多寡
を、低減させることが可能となる。この結果、二次電池
26を小型化することも可能となる。
400は、電気自動車の運転に必要な運転パワーPtを
推定するための運転パワー推定部410と、推定された
運転パワーPtに応じて、燃料電池システムの運転状態
を制御するための制御部420と、を備えている。運転
パワー推定部410は、変化し得る電気自動車の総重量
を決定するための重量決定部412を備えており、変化
する電気自動車の総重量に応じて走行パワーPrを推定
することにより、走行パワーPrを含む運転パワーPt
を求めることができる。このような構成を採用すること
により、制御装置400は、電気自動車の運転に必要な
運転パワーPtと燃料電池22の出力電力PFCとが整合
するように、燃料電池システムの運転状態(発電)を制
御することが可能となる。換言すれば、要求される運転
パワーPtに対する燃料電池22の出力電力PFCの多寡
を、低減させることが可能となる。この結果、二次電池
26を小型化することも可能となる。
【0093】また、本実施例では、燃料電池22は、必
要な時に必要な量だけ発電する。このため、燃料電池2
2や改質器240、燃料電池を構成する補機群の耐用寿
命を比較的長くすることができるという利点がある。ま
た、改質器240に供給される原料を低減させ、この結
果、燃費を向上させることができるという利点もある。
さらに、余分な改質ガスの発生を低減させ、この結果、
改質ガス中に存在するCO2 量(式(3))を低減させ
ることができるという利点もある。
要な時に必要な量だけ発電する。このため、燃料電池2
2や改質器240、燃料電池を構成する補機群の耐用寿
命を比較的長くすることができるという利点がある。ま
た、改質器240に供給される原料を低減させ、この結
果、燃費を向上させることができるという利点もある。
さらに、余分な改質ガスの発生を低減させ、この結果、
改質ガス中に存在するCO2 量(式(3))を低減させ
ることができるという利点もある。
【0094】D.変形例:この発明は上記の実施例や実
施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲において種々の態様において実施することが可能で
あり、例えば次のような変形も可能である。
施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲において種々の態様において実施することが可能で
あり、例えば次のような変形も可能である。
【0095】D1.変形例1:上記実施例では、式
(7)に示すように、走行パワーPrは、4つの抵抗R
1〜R4に起因して要求される4つのパワーP1〜P4
を含んでいる。ところで、路線バスが比較的低速で走行
する場合には、空気抵抗R2は比較的小さい。また、路
線バスが平坦な路面を走行する場合には、勾配抵抗R3
は比較的小さい。さらに、路線バスが急激な加減速を行
わない場合には、加速抵抗R4は比較的小さい。したが
って、上記のような場合には、走行パワーPrは、電気
自動車に必ず作用するころがり抵抗R1に起因して要求
される第1のパワーP1のみを含むようにしてもよい。
このようにしても、運転パワー推定部410は、走行パ
ワーPrを比較的正確に推定することができる。
(7)に示すように、走行パワーPrは、4つの抵抗R
1〜R4に起因して要求される4つのパワーP1〜P4
を含んでいる。ところで、路線バスが比較的低速で走行
する場合には、空気抵抗R2は比較的小さい。また、路
線バスが平坦な路面を走行する場合には、勾配抵抗R3
は比較的小さい。さらに、路線バスが急激な加減速を行
わない場合には、加速抵抗R4は比較的小さい。したが
って、上記のような場合には、走行パワーPrは、電気
自動車に必ず作用するころがり抵抗R1に起因して要求
される第1のパワーP1のみを含むようにしてもよい。
このようにしても、運転パワー推定部410は、走行パ
ワーPrを比較的正確に推定することができる。
【0096】ただし、走行パワーPrは、第1のパワー
P1とともに、空気抵抗R2と勾配抵抗R3と加速抵抗
R4とのうちの少なくとも1つに起因して要求されるパ
ワーP2,P3,P4を含むことが好ましい。このよう
にすれば、電気自動車の走行パワーをより正確に推定す
ることが可能となる。
P1とともに、空気抵抗R2と勾配抵抗R3と加速抵抗
R4とのうちの少なくとも1つに起因して要求されるパ
ワーP2,P3,P4を含むことが好ましい。このよう
にすれば、電気自動車の走行パワーをより正確に推定す
ることが可能となる。
【0097】D2.変形例2:上記実施例では、運転パ
ワーPtは、走行パワーPrと動作パワーPwとを含ん
でいるが、走行パワーPrのみを含むようにしてもよ
い。ただし、上記実施例のようにすれば、制御装置40
0は、運転パワーPtと燃料電池22の出力電力PFCと
がより整合するように、燃料電池システムの運転状態を
制御することが可能となる。
ワーPtは、走行パワーPrと動作パワーPwとを含ん
でいるが、走行パワーPrのみを含むようにしてもよ
い。ただし、上記実施例のようにすれば、制御装置40
0は、運転パワーPtと燃料電池22の出力電力PFCと
がより整合するように、燃料電池システムの運転状態を
制御することが可能となる。
【0098】また、上記実施例では、運転パワーPt
は、走行パワーPrと動作パワーPwとを含んでいる
が、さらに、他のパワーを含むようにしてもよい。
は、走行パワーPrと動作パワーPwとを含んでいる
が、さらに、他のパワーを含むようにしてもよい。
【0099】D3.変形例3:上記実施例では、原料と
してメタンガスが用いられているが、これに代えて、メ
タンガスを主成分とする都市ガスを用いるようにしても
よい。ただし、この場合には、式(15)のFmに代え
て、Fm’(=Kt×Fh/4)が用いられる。なお、
Ktは、都市ガス中に混入する窒素を無視するための係
数である。
してメタンガスが用いられているが、これに代えて、メ
タンガスを主成分とする都市ガスを用いるようにしても
よい。ただし、この場合には、式(15)のFmに代え
て、Fm’(=Kt×Fh/4)が用いられる。なお、
Ktは、都市ガス中に混入する窒素を無視するための係
数である。
【0100】D4.変形例4:上記実施例では、改質部
246は、水蒸気改質によって水素ガスを生成している
が、これに代えて、または、これと共に、部分酸化によ
って水素ガスを生成するようにしてもよい。なお、部分
酸化によって水素ガスを生成する場合には、改質部24
6に空気(酸素)を供給すればよい。
246は、水蒸気改質によって水素ガスを生成している
が、これに代えて、または、これと共に、部分酸化によ
って水素ガスを生成するようにしてもよい。なお、部分
酸化によって水素ガスを生成する場合には、改質部24
6に空気(酸素)を供給すればよい。
【0101】D5.変形例5:上記実施例では、燃料電
池システムは、メタンガスを用いて水素ガスを生成する
燃料ガス供給部200を備えているが、これに代えて、
他のガスや、アルコール、ガソリン、エーテル、アルデ
ヒドなどを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部を
備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素
原子を含有する種々の炭化水素系化合物を用いることが
できる。
池システムは、メタンガスを用いて水素ガスを生成する
燃料ガス供給部200を備えているが、これに代えて、
他のガスや、アルコール、ガソリン、エーテル、アルデ
ヒドなどを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部を
備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素
原子を含有する種々の炭化水素系化合物を用いることが
できる。
【0102】D6.変形例6:上記実施例では、制御装
置400は、改質器240に供給されるメタンガスおよ
び水の流量を調整しているが、これに代えて、または、
これと共に、燃料ガス供給部200から燃料電池22へ
供給される燃料ガスの流量を調整するようにしてもよ
い。
置400は、改質器240に供給されるメタンガスおよ
び水の流量を調整しているが、これに代えて、または、
これと共に、燃料ガス供給部200から燃料電池22へ
供給される燃料ガスの流量を調整するようにしてもよ
い。
【0103】また、上記実施例では、燃料ガス供給部2
00は、メタンガスを改質して水素ガスを生成する改質
器240を備えているが、改質器は省略可能である。こ
の場合には、燃料ガス供給部は、水素吸蔵合金や水素ボ
ンベなどの水素貯蔵装置を備えていればよい。そして、
制御装置は、推定された運転パワーPtに基づいて、燃
料ガス供給部から燃料電池へ供給される燃料ガスの流量
を調整すればよい。
00は、メタンガスを改質して水素ガスを生成する改質
器240を備えているが、改質器は省略可能である。こ
の場合には、燃料ガス供給部は、水素吸蔵合金や水素ボ
ンベなどの水素貯蔵装置を備えていればよい。そして、
制御装置は、推定された運転パワーPtに基づいて、燃
料ガス供給部から燃料電池へ供給される燃料ガスの流量
を調整すればよい。
【0104】D7.変形例7:上記実施例では、固体高
分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに本発明の
制御装置400を適用する場合について説明したが、他
のタイプの燃料電池を備える燃料電池システムにも適用
可能である。
分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに本発明の
制御装置400を適用する場合について説明したが、他
のタイプの燃料電池を備える燃料電池システムにも適用
可能である。
【0105】D8.変形例8:上記実施例では、電気自
動車に搭載された燃料電池システムに本発明の制御装置
400を適用する場合について説明したが、列車に搭載
された燃料電池システムにも適用可能である。
動車に搭載された燃料電池システムに本発明の制御装置
400を適用する場合について説明したが、列車に搭載
された燃料電池システムにも適用可能である。
【図1】燃料電池システムを搭載する電気自動車の概略
構成を示す説明図である。
構成を示す説明図である。
【図2】燃料電池の出力特性を示すグラフである。
【図3】燃料電池システムの概略構成を示す説明図であ
る。
る。
【図4】制御装置400による燃料電池システムの制御
手順を示すフローチャートである。
手順を示すフローチャートである。
【図5】路線バスの1日の総質量Mの変化を示すマップ
である。
である。
【図6】路線バスの1週の総質量Mの変化を示すマップ
である。
である。
【図7】路線バスの1年の動作パワーPwの変化を示す
マップである。
マップである。
20…電源装置
22…燃料電池
24…DC/DCコンバータ
26…二次電池
30…第1の補機群
40…DC/ACインバータ
50…第2の補機群
60…三相モータ
70…減速ギヤ
200…燃料ガス供給部
212…原料タンク
214…水タンク
222,224,226…流量制御弁
232,234…流量計
240…改質器
242…燃焼部
243…熱交換器
244…蒸発部
246…改質部
248…CO酸化部
251,252…ブロワ
300…酸化ガス供給部
310…ブロワ
400…制御装置
410…運転パワー推定部
412…重量決定部
414…計測部
420…制御部
フロントページの続き
Fターム(参考) 5H027 AA06 BA01 MM12 MM26
5H115 PA12 PA13 PA15 PC06 PG04
PI16 PI18 PO01 PO10 PU01
PU08 PV02 PV09 QA01 QN04
SE03 SE06 TI05 TI06 TO05
TO07 TO09 TO10 TO12 TO13
TO14
Claims (11)
- 【請求項1】 車両に搭載された燃料電池システムを制
御するための制御装置であって、 前記車両の運転に必要な運転パワーを推定するための運
転パワー推定部と、 推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池シス
テムの運転状態を制御するための制御部と、を備え、 前記運転パワー推定部は、変化し得る前記車両の総重量
を決定するための重量決定部を備え、決定された前記総
重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定
することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記
運転パワーを求めることを特徴とする制御装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の制御装置であって、 前記重量決定部は、前記車両の搭乗人数を計測するため
の計測部を備え、計測結果を用いて前記総重量を決定す
る、制御装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の制御装置であって、 前記車両は、所定の運行経路を走行し、 前記重量決定部は、時間的な周期で変化する前記車両の
総重量を推定するためのマップを備える、制御装置。 - 【請求項4】 請求項1記載の制御装置であって、 前記車両は、所定の運行経路を走行し、 前記運転パワー推定部は、前記所定の運行経路内におけ
る前記車両の位置に応じて前記走行パワーを推定するた
めのマップを備える、制御装置。 - 【請求項5】 請求項1記載の制御装置であって、 前記走行パワーは、前記車両に作用するころがり抵抗に
起因するパワーを含む、制御装置。 - 【請求項6】 請求項5記載の制御装置であって、 前記走行パワーは、さらに、前記車両に作用する空気抵
抗と勾配抵抗と加速抵抗とのうちの少なくとも1つに起
因するパワーを含む、制御装置。 - 【請求項7】 請求項1記載の制御装置であって、 前記運転パワー推定部は、さらに、補機の動作に必要な
動作パワーを推定し、 前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーとを含
む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行する、制御
装置。 - 【請求項8】 請求項7記載の制御装置であって、 前記補機は、前記車両室内の温度を調節するための空調
装置を含み、 前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記
動作パワーを推定するためのマップを備える、制御装
置。 - 【請求項9】 請求項1記載の制御装置であって、 前記燃料電池システムは、 燃料電池と、 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
を備え、 前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記燃料電
池に供給される前記燃料ガスの流量を調整する、制御装
置。 - 【請求項10】 請求項1記載の制御装置であって、 前記燃料電池システムは、 燃料電池と、 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
を備え、 前記燃料ガス供給部は、 所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成するための
改質器を備え、 前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記改質器
に供給される前記原料の流量を調整する、制御装置。 - 【請求項11】 車両に搭載された燃料電池システムの
制御方法であって、(a)前記車両の運転に必要な運転
パワーを推定する工程と、(b)推定された前記運転パ
ワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御
する工程と、を備え、前記工程(a)は、変化し得る前
記車両の総重量を決定し、決定された前記総重量を用い
て前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することに
より、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワー
を求める工程を含むことを特徴とする制御方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002025000A JP2003230203A (ja) | 2002-02-01 | 2002-02-01 | 車両に搭載された燃料電池システムの制御 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002025000A JP2003230203A (ja) | 2002-02-01 | 2002-02-01 | 車両に搭載された燃料電池システムの制御 |
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JP2002025000A Pending JP2003230203A (ja) | 2002-02-01 | 2002-02-01 | 車両に搭載された燃料電池システムの制御 |
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JP (1) | JP2003230203A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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2002
- 2002-02-01 JP JP2002025000A patent/JP2003230203A/ja active Pending
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