JP2003304606A - 燃料電池搭載車両の制御装置 - Google Patents

燃料電池搭載車両の制御装置

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JP2003304606A JP2002105544A JP2002105544A JP2003304606A JP 2003304606 A JP2003304606 A JP 2003304606A JP 2002105544 A JP2002105544 A JP 2002105544A JP 2002105544 A JP2002105544 A JP 2002105544A JP 2003304606 A JP2003304606 A JP 2003304606A
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    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高電圧で駆動する補機を備えた燃料電池シス
テムの起動時間を短縮することができる燃料電池搭載車
両の制御装置を提供する。 【解決手段】 DC/DCコンバータ12は、燃料電池
スタック1の出力電圧(約350V)を低電圧バッテリ
13の電圧(12V)に降圧する降圧モードと、低電圧
バッテリ13の電圧を燃料電池の出力電圧に昇圧する昇
圧モードを持ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り
替え可能である。昇圧モードで低電圧バッテリ13から
昇圧した高電圧をコンプレッサ3に供給する。降圧モー
ドで燃料電池の高電圧を降圧して低電圧バッテリ13を
充電する。コントローラ19が低負荷状態と判断する
と、燃料電池スタック1の発電を停止させ、DC/DC
コンバータ12を昇圧モードに切り替える。次に燃料電
池を再始動するとき、高電圧駆動の補機であるコンプレ
ッサ3の起動が早まり、起動時間が短縮される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池搭載車両
の制御装置に係り、特に高電圧で駆動される補機を燃料
電池起動時に低電圧のバッテリ電圧を昇圧して駆動する
燃料電池搭載車両の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に車両駆動用の燃料電池は、多数の
セルを直列接続したスタックとして構成され、数百Vを
得ている。このような燃料電池の補機には、空気を圧縮
して酸化剤ガスとして供給するコンプレッサ、燃料ガス
及び又は酸化剤ガスを純水を用いて加湿する加湿器、燃
料電池スタック用の冷却水を循環させる冷却水ポンプ、
冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ等がある。
【0003】これらの補機類は、コンプレッサモータ、
加湿器へ純水を供給する純水ポンプ駆動モータ、冷却水
ポンプ駆動モータ、ラジエータファンモータ等のモータ
類により駆動される。これら補機用のモータには、燃料
電池の発電電圧で駆動する高電圧駆動のモータと、燃料
電池の発電電圧より低い2次電池の低電圧で駆動するモ
ータとが考えられる。
【0004】補機類のモータとして高電圧駆動を選択す
れば、モータ自体の導体損を低減できるとともに、モー
タに至るワイヤーハーネスの直径を小さくし小型軽量化
できるという利点があるが、起動時に2次電池から昇圧
して補機類のモータへ供給すべき電力が増大し、DC/
DCコンバータの容量が増加するという欠点がある。
【0005】一方、補機類のモータとして2次電池の電
圧である低電圧駆動を選択すれば、2次電池の電圧と燃
料電池の出力電圧とを相互に変換するDC/DCコンバ
ータの容量が少なくて済むという利点があるが、上記導
体損やワイヤーハーネスの寸法・重量が嵩むという欠点
がある。
【0006】一般的には、補機類のモータの出力が数k
Wとなる場合は、高電圧駆動を選択する方が総合的なメ
リットがあるといわれている。
【0007】高電圧駆動の補機モータを備えた従来例と
しては、特開2001−229950号公報記載の技術
が知られている。この従来技術は、燃料電池スタックで
発電を行うのに必要な補機(例えば、酸化剤極を空気に
供給するためのコンプレッサ)を高電圧(例えば350
V)にて駆動するシステムである。
【0008】そして、2次電池として12V程度の低電
圧バッテリと、昇圧モード及び降圧モードを有し2次電
池電圧と燃料電池出力電圧とを相互に変換するDC/D
Cコンバータとを有し、燃料電池スタックの起動時には
DC/DCコンバータを昇圧モードにして低電圧バッテ
リの電圧を昇圧してコンプレッサを駆動していた。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術にあっては、DC/DCコンバータで低電圧を高電
圧に昇圧する際には、降圧モードから昇圧モードに切り
替えるのに時間がかかり、出力電圧が所定の電圧になる
までに時間がかかってしまう。
【0010】従って、高電圧で駆動される補機が作動す
るまでに時間がかかり、燃料電池スタックが起動して実
際に所定の電圧を発生するまでの時間である起動時間が
長びくという問題点があった。
【0011】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、高電
圧で駆動する補機類を備えた燃料電池システムの起動時
間を短縮することができる燃料電池搭載車両の制御装置
を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
上記目的を達成するため、燃料ガスと酸化ガスとを電気
化学反応させて電力を得る燃料電池と、燃料電池の出力
電圧近傍の高電圧によって駆動される補機と、燃料電池
の出力電圧よりも低い低電圧のバッテリと、燃料電池の
負荷が低負荷状態であることを判定するアイドル判定手
段と、燃料電池の出力電圧を前記低電圧バッテリの出力
電圧相当に降圧する降圧モードと前記低電圧バッテリの
出力電圧を燃料電池の出力電圧相当に昇圧する昇圧モー
ドを持ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り替える
ことのできる電圧変換手段と、を備えた燃料電池搭載車
両の制御装置において、前記アイドル判定手段が低負荷
状態であると判断した時は、燃料電池の発電を停止さ
せ、前記電圧変換手段を昇圧モードに切り替えることを
要旨とする。
【0013】請求項2記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1に記載の燃料電池搭載車両の制御装置
において、前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が
所定値以下であり、且つブレーキが操作されている時を
低負荷状態と判断することを要旨とする。
【0014】請求項3記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1または請求項2に記載の燃料電池搭載
車両の制御装置において、前記車両は、走行レンジと非
走行レンジのシフトポジションを選択可能であり、前記
アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下であ
り、且つシフトポジションが非走行レンジの時を低負荷
状態と判断することを要旨とする。
【0015】請求項4記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の燃
料電池搭載車両の制御装置において、前記アイドル判定
手段により低負荷状態から低負荷状態でないと判断され
た時に、直ちに前記補機を駆動させることを要旨とす
る。
【0016】請求項5記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の燃
料電池搭載車両の制御装置において、前記高電圧で駆動
される補機は、燃料電池スタックに酸化ガスを供給する
コンプレッサ、燃料電池スタックなどを冷却する冷却水
を循環させるポンプを駆動するモータ、加湿器への純水
を循環させるポンプを駆動するモータ、ラジエータファ
ンを駆動するモータの少なくとも1つであることを要旨
とする。
【0017】請求項6記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の燃
料電池搭載車両の制御装置において、イグニッションオ
フによりシステムを停止する時は、前記電圧変換手段を
降圧モードにすることを要旨とする。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池を低負荷状態
から再起動させる時には、すでに電圧変換手段は昇圧モ
ードで機能しているため、電圧変換手段の出力電圧の上
昇を待つ必要がなくなり、再起動時の起動時間を短縮す
ることができるという効果がある。
【0019】
【発明の実施の形態】次に図面を参照して、本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図1は、本発明に係る制御
装置を適用した燃料電池搭載車両の一実施形態を説明す
る構成図である。
【0020】図1において、燃料電池搭載車両は、燃料
電池本体である燃料電池スタック1と、燃料電池スタッ
ク1に供給する水素及び空気を加湿する加湿器2と、空
気を圧縮して加湿器2へ送るコンプレッサ3と、空気の
圧力及び流量を制御するスロットル4と、高圧水素を貯
蔵する高圧水素タンク5と、高圧水素の流量を制御する
可変バルブ6と、水素系の通路を大気開放して燃料電池
内部の水を外部に排出するパージ弁7と、燃料電池から
出てきた未使用の水素を上流へ還流するためのイジェク
タ8と、加湿器2に加湿用の純水を供給する純水ポンプ
9と、燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力セン
サ10と、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力
センサ11と、DC/DCコンバータ12と、低電圧バ
ッテリ13と、燃料電池から出力を取り出す駆動ユニッ
ト14と、ブレーキセンサ15と、車速センサ16と、
イグニッションスイッチ(IGN SW)17と、イン
ヒビタSW18と、各センサの信号を取り込み、内蔵さ
れた制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆
動するコントローラ19とを備えている。
【0021】燃料電池スタック1は、多数のセルが積層
され約350Vの高電圧を出力するものである。コンプ
レッサ3は、燃料電池の出力電圧近傍の高電圧(約35
0V)で駆動される補機である。駆動ユニット14は、
燃料電池から高電圧が供給されて、車両駆動トルクを発
生するモータである。
【0022】低電圧バッテリ13は、電圧約12Vの低
電圧バッテリであり、通常運転時に燃料電池の発電電圧
を降圧して充電され、燃料電池の起動時に高電圧駆動の
補機であるコンプレッサ3へ電力を供給するものであ
る。
【0023】DC/DCコンバータ12は、燃料電池ス
タック1の発電出力電圧である高電圧(約350V)を
低電圧バッテリ13の電圧(12V)相当に降圧する降
圧モードと、低電圧バッテリ13の電圧を燃料電池の出
力電圧相当に昇圧する昇圧モードを持ち、降圧モードと
昇圧モードを任意に切り替えることのできる電圧変換手
段である。昇圧モードでは、低電圧バッテリ13の電圧
を昇圧して高電圧(約350V)をコンプレッサ3に供
給する。また、降圧モードでは燃料電池スタック1の発
電する高電圧を降圧して、低電圧バッテリ13を充電す
る。
【0024】燃料電池スタック1とコンプレッサ3とD
C/DCコンバータ12と駆動ユニット14とは、高電
圧回路で互いに接続されている。燃料電池スタック1で
発電された高電圧電力は、コンプレッサ3及び駆動ユニ
ット14に供給されて、コンプレッサ3及び駆動ユニッ
ト14を駆動すると共に、DC/DCコンバータ12で
降圧されて約12Vの低電圧バッテリ13を充電する。
【0025】次に、上記構成による燃料電池システムの
動作を説明する。コンプレッサ3は空気を圧縮して加湿
器2へ送り、加湿器2は純水ポンプ9で供給された純水
を用いて空気を加湿し、加湿された空気が燃料電池スタ
ック1の酸化剤極へ送り込まれる。
【0026】一方、高圧水素タンク5からは高圧水素が
可変バルブ6へ送られ、可変バルブ6は水素圧力を減圧
するとともに水素流量を制御してイジェクタ8へ送る。
イジェクタ8は、可変バルブ7からの新規水素ガスと環
流水素ガスとを混合、合流させ、加湿器2へ送る。加湿
器2は空気と同様に純水ポンプ9で供給された純水で水
素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック1の燃
料極へ送り込まれる。
【0027】燃料電池スタック1では送り込まれた空気
と水素を反応させて発電を行い、電流(電圧)を駆動ユ
ニット14へ供給する。
【0028】燃料電池スタック1で反応に使用した残り
の空気は燃料電池外へ排出され、スロットル4で圧力制
御が行われた後、大気へ排出される。また、反応に使用
した残りの水素は燃料電池スタック1から排出される
が、イジェクタ8によって加湿器2の上流へ環流されて
発電に再利用する。
【0029】コントローラ19では、各センサから読み
込んだ各検出値が、その時の目標発電量から決まる所定
の目標値になるように、コンプレッサ3,スロットル
4,可変バルブ6,純水ポンプ9を制御するとともに、
目標値に対して実際に実現されているガス圧力に応じて
燃料電池スタック1から駆動ユニット14へ取出す出力
(電流値)を指令し制御を行う。
【0030】また、コントローラ19は、ブレーキセン
サ15と、車速センサ16と、イグニッションSW17
と、インヒビタSW18の各信号を入力し、これらの信
号に基づいて、低負荷状態であることを判定するアイド
ル判定手段の役割を兼ねる。
【0031】なおシフトポジションは走行レンジ(D、
Rレンジ)と非走行レンジ(P、Nレンジ)を有し、イ
ンヒビタSW18は、走行レンジか非走行レンジかの信
号をコントローラ19へ出力するものとする。
【0032】本実施形態にあっては、低負荷状態時に空
気及び水素の供給を止めて燃料電池スタック1の発電を
一時停止させる。このときに、DC/DCコンバータ1
2を昇圧モードに切り替えておき、いつでも低電圧バッ
テリ13からDC/DCコンバータ12を介して高電圧
駆動の補機であるコンプレッサ3に電力を供給できるよ
うにする構成とした。
【0033】アイドル判定手段は、車速が所定車速以下
(例えば車速が4km/h以下)、且つブレーキを踏ん
でいる時で、且つシフトポジションが非走行レンジ(P
レンジまたはNレンジ)の時に低負荷状態と判断する。
【0034】また、低負荷状態であると判断されて燃料
電池スタック1の発電を停止している状態から低負荷状
態でないと判断された時には、駆動ユニット14に電力
供給の必要がない場合であっても、直ちに補機を駆動さ
せる構成とした。
【0035】高電圧で駆動する補機を燃料電池スタック
に空気を供給するコンプレッサ3とする構成とした。
【0036】この他、燃料電池スタック1などを冷却す
る冷却水を循環させる図示しない冷却水ポンプを駆動す
るモータ、図示しないラジエータファンを駆動するモー
タ、加湿器2へ純水を循環させる純水ポンプ9を駆動す
るモータなどを高電圧で駆動する補機としても良い。
【0037】イグニッションSW17がオフされた場合
に、燃料電池スタック1を停止させる時は、DC/DC
コンバータ12を降圧モードにする構成とした。
【0038】次に、図2の状態遷移図を参照して、制御
装置であるコントローラ19による制御を説明する。S
201は、通常の運転状態であり、燃料電池スタック1
は駆動力に応じた発電を行う。イグニッションSW17
がオフになったら、S202へ進む。また、低負荷状態
であると判断されたら、S206へ進む。また、それ以
外のときは、通常運転状態を保持する。
【0039】S202では、DC/DCコンバータ12
を降圧モードにする。DC/DCコンバータ12が降圧
モードに切り替わったらS203へ進む。S203で
は、高電圧で駆動される補機であるコンプレッサ3を停
止する。補機が停止したら、S204へ進む。
【0040】S204では、燃料電池スタック1の発電
を完全停止する。S204でイグニッションSWがオン
されると、S205へ進み、DC/DCコンバータ12
を昇圧モードに切り替える。DC/DCコンバータ12
が昇圧モードに切り替わったら、S209へ進む。
【0041】S206では、DC/DCコンバータ12
を昇圧モードに切り替える。DC/DCコンバータ12
が昇圧モードに切り替わったら、S207へ進む。S2
07では、補機を停止し、補機停止したらS208へ進
む。S208では、燃料電池スタック1を一時停止す
る。そして、低負荷状態でなくなったら、S209へ進
み、イグニッションSW17がオフになったら、S20
2へ進み、低負荷状態であれば状態を保持する。
【0042】S209では、補機を駆動させる。補機が
駆動したらS210へ進む。S210では、燃料電池ス
タック1を起動して電力を取り出す。燃料電池スタック
1の発電電圧が所定値以上になったらS211へ進む。
S211では、DC/DCコンバータ12を降圧モード
に切り替える。DC/DCコンバータ12が降圧モード
に切り替わったら、S201へ進む。
【0043】ここでDC/DCコンバータ12の補足説
明をする。DC/DCコンバータ12は、MOS−FE
TやIGBT等の半導体スイッチング素子を用いた直流
電圧変換器であり、降圧モードと昇圧モードとを備え、
12Vと350Vとの間を相互に電圧変換可能となって
いる。
【0044】燃料電池スタックの発電を停止させると、
高電圧を補機に供給できなくなるため、起動時などは、
DC/DCコンバータを昇圧モードとして、図3に示す
ように、低電圧のバッテリの出力12Vを350Vに昇
圧して、350Vを供給し、補機類を駆動する。
【0045】逆に、燃料電池スタックが発電している時
は、DC/DCコンバータを降圧モードとして、350
Vを12Vに降圧させて、低電圧バッテリに充電してい
る。
【0046】燃料電池スタックを停止させる時は、何も
しなければ、DC/DCコンバータは降圧モードのまま
である。イグニッションオフ時は、降圧モードにしてお
いた場合は、燃料電池スタックが発電を行わないため、
DC/DCコンバータの端子に電圧が発生することはな
い。
【0047】また、低負荷時に燃料電池スタック停止中
にDC/DCコンバータを降圧モードにしておいた場合
には、図4に示すように、DC/DCコンバータの出力
電圧が立ち上がってから(T1以後)でないと、補機を
駆動させることが出来ないので、燃料電池スタックが再
起動して所定の電圧を発生させるまでに時間(T2)が
かかる。
【0048】しかし、本発明を適用すると、図5に示す
ように、低負荷状態になり燃料電池スタックを一時停止
させる時に、DC/DCコンバータを昇圧モードに切り
替えておくため、燃料電池スタックの再起動の要求が出
たら直ちに補機を駆動させることが可能なため、燃料電
池スタックが所定の電圧を発生させるまでの時間(T
3、T3<T2)が短くなる。
【0049】以上説明した本発明によれば、以下に示す
効果がある。
【0050】(1)低負荷と判断された時に燃料電池の
発電を停止して、電圧変換手段を昇圧モードに切り替え
ることにより、燃料電池を再起動させた時には、すでに
電圧変換手段は昇圧モードで機能しているため、電圧変
換手段の出力電圧の上昇を待つ必要がなくなる。低負荷
と判断された時の燃料電池の発電の停止の場合には、イ
グニッションオフによる通常の停止の場合よりも特に再
起動時の起動時間を短縮させる必要があるが、本発明で
は起動時間を十分短く出来るために、低負荷と判断され
た時の燃料電池の発電の停止を行うことが出来燃費を向
上する。
【0051】(2)車両が低車速で、ブレーキが踏まれ
ている時は、駆動力を発生させる必要がない時間がしば
らく継続する可能性が高いので、この時に燃料電池を停
止することでより効果的に、水素消費量を抑えることが
できる。
【0052】(3)さらに、シフトポジションがPレン
ジやNレンジの時は、駆動力を発生させる必要がない時
間がしばらく継続する可能性が高いので、この時の燃料
電池を停止することでより効果的に、水素消費量を抑え
ることができる。
【0053】(4)低負荷時に燃料電池の発電を停止し
ている場合に、低負荷でないとの判断された時には、目
標駆動力が出てから補機を作動させていては、補機作動
による遅れ分が生じてしまうが、低負荷でないと判断さ
れたら直ちに補機を作動させることにより、補機の動作
による遅れがなくなる。
【0054】(5)コンプレッサや、ポンプやラジエー
タファンを駆動するモータなどは、消費電力が比較的大
きいため、12Vなどの低電圧で駆動するより、350
Vなどの高電圧で駆動する方が効率が良いので、電力消
費量が少なくなる。
【0055】(6)イグニッションオフなどにより、シ
ステムを停止する時に、燃料電池スタックを停止させる
場合は、DC/DCコンバータを降圧モードにしておく
ので、低電圧バッテリに充電され、次回の起動時に必要
な電力を低電圧バッテリから充分に賄うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池搭載車両の制御装置の一
実施形態を説明するシステム構成図である。
【図2】実施形態の制御を説明する状態遷移図である。
【図3】燃料電池スタック発電停止時にDC/DCコン
バータを昇圧モードにした時の電流を説明する図であ
る。
【図4】従来技術による比較例における(a)アイドル
判定、(b)DC/DCコンバータの動作モード、
(c)DC/DCコンバータの出力電圧、(d)燃料電
池出力電圧を示す図である。
【図5】実施形態における(a)アイドル判定、(b)
DC/DCコンバータの動作モード、(c)DC/DC
コンバータの出力電圧、(d)燃料電池出力電圧を示す
図である。
【符号の説明】
1…燃料電池スタック 2…加湿器 3…コンプレッサ 4…スロットル 5…高圧水素タンク 6…可変バルブ 7…パージ弁 8…イジェクタ 9…純水ポンプ 10…空気圧力センサ 11…水素圧力センサ 12…DC/DCコンバータ 13…低電圧バッテリ 14…駆動ユニット 15…ブレーキセンサ 16…車速センサ 17…イグニッションSW(IGN SW) 18…インヒビタSW 19…コントローラ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応さ
    せて電力を得る燃料電池と、 燃料電池の出力電圧近傍の高電圧によって駆動される補
    機と、 燃料電池の出力電圧よりも低い低電圧のバッテリと、 燃料電池の負荷が低負荷状態であることを判定するアイ
    ドル判定手段と、 燃料電池の出力電圧を前記低電圧バッテリの出力電圧相
    当に降圧する降圧モードと前記低電圧バッテリの出力電
    圧を燃料電池の出力電圧相当に昇圧する昇圧モードを持
    ち、降圧モードと昇圧モードを任意に切り替えることの
    できる電圧変換手段と、 を備えた燃料電池搭載車両の制御装置において、 前記アイドル判定手段が低負荷状態であると判断した時
    は、燃料電池の発電を停止させ、前記電圧変換手段を昇
    圧モードに切り替えることを特徴とする燃料電池搭載車
    両の制御装置。
  2. 【請求項2】 前記アイドル判定手段は、前記車両の速
    度が所定値以下であり、且つブレーキが操作されている
    時を低負荷状態と判断することを特徴とする請求項1に
    記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
  3. 【請求項3】 前記車両は、走行レンジと非走行レンジ
    のシフトポジションを選択可能であり、 前記アイドル判定手段は、前記車両の速度が所定値以下
    であり、且つシフトポジションが非走行レンジの時を低
    負荷状態と判断することを特徴とする請求項1または請
    求項2に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
  4. 【請求項4】 前記アイドル判定手段により低負荷状態
    から低負荷状態でないと判断された時に、直ちに前記補
    機を駆動させることを特徴とする請求項1乃至請求項3
    の何れか1項に記載の燃料電池搭載車両の制御装置。
  5. 【請求項5】 前記高電圧で駆動される補機は、 燃料電池スタックに酸化ガスを供給するコンプレッサ、
    燃料電池スタックなどを冷却する冷却水を循環させるポ
    ンプを駆動するモータ、加湿器への純水を循環させるポ
    ンプを駆動するモータ、ラジエータファンを駆動するモ
    ータの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1
    乃至請求項4の何れか1項に記載の燃料電池搭載車両の
    制御装置。
  6. 【請求項6】 イグニッションオフによりシステムを停
    止する時は、前記電圧変換手段を降圧モードにすること
    を特徴とする請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載
    の燃料電池搭載車両の制御装置。
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