JP2004185820A - 燃料電池車両の制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させる。
【解決手段】制御装置２０は、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ１３に通電可能なキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出し、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと、走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴと、走行用モータ１５以外の電気的負荷に通電される負荷電力ＰＡＣを算出する。制御装置２０は、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣおよび走行用モータ１５以外の電気的負荷に通電される負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。制御装置２０は、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きい場合に、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵとなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力する。
【選択図】 図１
【解決手段】制御装置２０は、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ１３に通電可能なキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出し、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと、走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴと、走行用モータ１５以外の電気的負荷に通電される負荷電力ＰＡＣを算出する。制御装置２０は、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣおよび走行用モータ１５以外の電気的負荷に通電される負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。制御装置２０は、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きい場合に、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵとなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタを備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池車両において、キャパシタは、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばチョッパ型電力変換回路を備えて構成される出力制御器のチョッピング動作等は、例えば燃料電池車両や燃料電池やキャパシタの状態に応じて制御されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５７８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池車両において、キャパシタの充電電流および放電電流に対しては、キャパシタの温度に応じた所定の定格電流が設定されており、この定格電流を超える電流が走行用モータに通電されることがないようにして、走行用モータの駆動および回生が制御されている。
しかしながら、単に、キャパシタの定格電流に応じて走行用モータの駆動および回生を制御すると、走行用モータに通電される電流を過剰に制限してしまう場合があり、燃料電池車両の走行性が低下してしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることが可能な燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置は、車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給手段（例えば、実施の形態でのＳ／Ｃ出力制御器１７およびエアーコンプレッサ１８および水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂおよび制御装置２０）と、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段（例えば、実施の形態での電流・電圧制御器１２）とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、前記キャパシタの温度を検出するキャパシタ温度検出手段（例えば、実施の形態でのキャパシタ温度センサ２５）と、前記キャパシタの温度に応じて前記キャパシタの充電または放電に対する電力の上限値であるキャパシタ上限電力を設定する上限電力設定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０１）と、前記燃料電池の出力電力および前記走行用モータ以外の負荷に供給される負荷電力の各検出値と、前記キャパシタ上限電力とに基づき、前記走行用モータの駆動または回生のモータ電力に対するモータ電力制限値を算出するモータ電力制限値算出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０２）と、前記走行用モータの駆動または回生において実際に通電されるモータ電力であるモータ実電力を検出するモータ実電力検出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０３）と、前記モータ実電力の検出値が前記モータ電力制限値以下となるように前記モータ実電力を制御するモータ電力制御手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４およびステップＳ０５）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池車両の制御装置によれば、燃料電池の出力電力とキャパシタ上限電力とに基づいて、モータ実電力を制御することによって、例えばキャパシタ上限電力のみに応じてモータ実電力を制御する場合に比べて、モータ実電力が過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、電流・電圧制御器１２と、キャパシタ１３と、出力制御器１４と、走行用モータ１５と、負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、燃料電池セル電圧センサ２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、キャパシタ電圧センサ２４と、キャパシタ温度センサ２５と、走行用モータ電流センサ２６と、補機駆動電流センサ２７と、アクセル開度センサ３１と、ＩＧスイッチ３２と、車速センサ３３とを備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００９】
燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は電流・電圧制御器１２に入力されており、この電流・電圧制御器１２には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ１３が接続されている。
そして、燃料電池１１および電流・電圧制御器１２とキャパシタ１３は、出力制御器１４を介して走行用モータ１５と、例えば燃料電池１１やキャパシタ１３の冷却装置４１や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７を介してエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８とに対して並列に接続されている。
【００１０】
電流・電圧制御器１２は、例えばチョッパ型電力変換回路等を備えて構成され、例えばチョッパ型電力変換回路のチョッピング動作つまりチョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置２０から入力される制御パルスのデューティ、つまりオン／オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、チョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１とキャパシタ１３とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１とキャパシタ１３とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１３の端子間電圧とが同等の値となる。
また、制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜値に設定されると、電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
【００１１】
出力制御器１４は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えており、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用モータ１５の駆動および回生動作を制御する。例えば走行用モータ１５の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、電流・電圧制御器１２およびキャパシタ１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して走行用モータ１５へ供給する。一方、走行用モータ１５の回生時には、走行用モータ１５から出力される３相交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１３へ供給し、キャパシタ１３を充電する。
なお、走行用モータ１５は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器１４から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側から走行用モータ１５側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１５は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１２】
また、エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器１７によって制御されている。
【００１３】
制御装置２０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
【００１４】
また、制御装置２０は、出力制御器１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１５の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令を出力制御器１４に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流が走行用モータ１５の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、キャパシタ１３の状態、例えばキャパシタ１３の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ１３の端子間電圧の検出値等に基づき、走行用モータ１５の回生動作を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子間電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ２１から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、キャパシタ１３の端子間電圧を検出するキャパシタ電圧センサ２４から出力される検出信号と、キャパシタ１３の温度を検出するキャパシタ温度センサ２５から出力される検出信号と、出力制御器１４に通電される電流を検出する走行用モータ電流センサ２６から出力される検出信号と、負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流を検出する補機駆動電流センサ２７から出力される検出信号と、アクセル開度センサ３１から出力される検出信号と、車両の作動開始を指示するＩＧスイッチ３２から出力される信号と、車両の速度を検出する車速センサ３３から出力される検出信号とが入力されている。
【００１５】
さらに、制御装置２０は、後述するように、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ１３に通電可能な電力、つまりキャパシタ１３の充電または放電に対するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。さらに、制御装置２０は、例えば燃料電池１１の出力電流および出力電圧の各検出値に基づき燃料電池１１の出力電力ＰＦＣを算出する。さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および出力制御器１４に通電される電流の各検出値に基づき走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを算出する。さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流の各検出値に基づき負荷電力ＰＡＣを算出する。
そして、制御装置２０は、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣおよび走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。
そして、制御装置２０は、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きい場合に、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵと等しくなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力する。
【００１６】
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池車両の制御装置１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
先ず、例えば図２に示すステップＳ０１において、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。ここでは、例えば図３に示すような、キャパシタ１３の温度ＴＣＡＰに応じて変化するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵの所定テーブルに基づき、キャパシタ１３の温度の検出値に対応するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。
次に、ステップＳ０２においては、例えば燃料電池１１の出力電流および出力電圧の各検出値に基づき算出した燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流の各検出値に基づき算出した負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、例えば下記数式（１）に示すように、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ステップＳ０３においては、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および出力制御器１４に通電される電流の各検出値に基づき走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを算出する。
次に、ステップＳ０４においては、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
ステップＳ０５においては、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵと等しくなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力し、一連処理を終了する。
【００２０】
上述したように、本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０によれば、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと走行用モータ１５以外の電気的負荷に供給される負荷電力ＰＡＣとキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づいて、走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを制御することによって、例えばキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵのみに応じてモータ実電力ＰＭＯＴを制御する場合に比べて、モータ実電力ＰＭＯＴが過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタ１３を保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置によれば、モータ電力が過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】キャパシタの温度ＴＣＡＰに応じて変化するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池車両の制御装置
１２ 電流・電圧制御器（出力制御手段）
１３ キャパシタ
１７ Ｓ／Ｃ出力制御器（反応ガス供給手段）
１８ エアーコンプレッサ（反応ガス供給手段）
１９ａ 水素タンク（反応ガス供給手段）
１９ｂ 水素供給弁（反応ガス供給手段）
２０ 制御装置（反応ガス供給手段）
２５ キャパシタ温度センサ（キャパシタ温度検出手段）
ステップＳ０１ 上限電力設定手段
ステップＳ０２ モータ電力制限値算出手段
ステップＳ０３ モータ実電力検出手段
ステップＳ０４およびステップＳ０５ モータ電力制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタを備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような燃料電池車両において、キャパシタは、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばチョッパ型電力変換回路を備えて構成される出力制御器のチョッピング動作等は、例えば燃料電池車両や燃料電池やキャパシタの状態に応じて制御されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５７８６５号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来技術の一例に係る燃料電池車両において、キャパシタの充電電流および放電電流に対しては、キャパシタの温度に応じた所定の定格電流が設定されており、この定格電流を超える電流が走行用モータに通電されることがないようにして、走行用モータの駆動および回生が制御されている。
しかしながら、単に、キャパシタの定格電流に応じて走行用モータの駆動および回生を制御すると、走行用モータに通電される電流を過剰に制限してしまう場合があり、燃料電池車両の走行性が低下してしまう虞がある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることが可能な燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置は、車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給手段（例えば、実施の形態でのＳ／Ｃ出力制御器１７およびエアーコンプレッサ１８および水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂおよび制御装置２０）と、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段（例えば、実施の形態での電流・電圧制御器１２）とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、前記キャパシタの温度を検出するキャパシタ温度検出手段（例えば、実施の形態でのキャパシタ温度センサ２５）と、前記キャパシタの温度に応じて前記キャパシタの充電または放電に対する電力の上限値であるキャパシタ上限電力を設定する上限電力設定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０１）と、前記燃料電池の出力電力および前記走行用モータ以外の負荷に供給される負荷電力の各検出値と、前記キャパシタ上限電力とに基づき、前記走行用モータの駆動または回生のモータ電力に対するモータ電力制限値を算出するモータ電力制限値算出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０２）と、前記走行用モータの駆動または回生において実際に通電されるモータ電力であるモータ実電力を検出するモータ実電力検出手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０３）と、前記モータ実電力の検出値が前記モータ電力制限値以下となるように前記モータ実電力を制御するモータ電力制御手段（例えば、実施の形態でのステップＳ０４およびステップＳ０５）とを備えることを特徴としている。
【０００６】
上記構成の燃料電池車両の制御装置によれば、燃料電池の出力電力とキャパシタ上限電力とに基づいて、モータ実電力を制御することによって、例えばキャパシタ上限電力のみに応じてモータ実電力を制御する場合に比べて、モータ実電力が過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、電流・電圧制御器１２と、キャパシタ１３と、出力制御器１４と、走行用モータ１５と、負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、燃料電池セル電圧センサ２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、キャパシタ電圧センサ２４と、キャパシタ温度センサ２５と、走行用モータ電流センサ２６と、補機駆動電流センサ２７と、アクセル開度センサ３１と、ＩＧスイッチ３２と、車速センサ３３とを備えて構成されている。
【０００８】
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００９】
燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は電流・電圧制御器１２に入力されており、この電流・電圧制御器１２には、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ１３が接続されている。
そして、燃料電池１１および電流・電圧制御器１２とキャパシタ１３は、出力制御器１４を介して走行用モータ１５と、例えば燃料電池１１やキャパシタ１３の冷却装置４１や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる負荷１６と、Ｓ／Ｃ出力制御器１７を介してエアーコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１８とに対して並列に接続されている。
【００１０】
電流・電圧制御器１２は、例えばチョッパ型電力変換回路等を備えて構成され、例えばチョッパ型電力変換回路のチョッピング動作つまりチョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置２０から入力される制御パルスのデューティ、つまりオン／オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、チョッパ型電力変換回路に具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１とキャパシタ１３とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１とキャパシタ１３とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１３の端子間電圧とが同等の値となる。
また、制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜値に設定されると、電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
【００１１】
出力制御器１４は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えており、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用モータ１５の駆動および回生動作を制御する。例えば走行用モータ１５の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、電流・電圧制御器１２およびキャパシタ１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換して走行用モータ１５へ供給する。一方、走行用モータ１５の回生時には、走行用モータ１５から出力される３相交流電力を直流電力に変換してキャパシタ１３へ供給し、キャパシタ１３を充電する。
なお、走行用モータ１５は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、出力制御器１４から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側から走行用モータ１５側に駆動力が伝達されると、走行用モータ１５は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
【００１２】
また、エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するＳ／Ｃ出力制御器１７によって制御されている。
【００１３】
制御装置２０は、例えば、車両の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
【００１４】
また、制御装置２０は、出力制御器１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えば走行用モータ１５の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令を出力制御器１４に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流が走行用モータ１５の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、キャパシタ１３の状態、例えばキャパシタ１３の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ１３の端子間電圧の検出値等に基づき、走行用モータ１５の回生動作を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子間電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ２１から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、キャパシタ１３の端子間電圧を検出するキャパシタ電圧センサ２４から出力される検出信号と、キャパシタ１３の温度を検出するキャパシタ温度センサ２５から出力される検出信号と、出力制御器１４に通電される電流を検出する走行用モータ電流センサ２６から出力される検出信号と、負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流を検出する補機駆動電流センサ２７から出力される検出信号と、アクセル開度センサ３１から出力される検出信号と、車両の作動開始を指示するＩＧスイッチ３２から出力される信号と、車両の速度を検出する車速センサ３３から出力される検出信号とが入力されている。
【００１５】
さらに、制御装置２０は、後述するように、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ１３に通電可能な電力、つまりキャパシタ１３の充電または放電に対するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。さらに、制御装置２０は、例えば燃料電池１１の出力電流および出力電圧の各検出値に基づき燃料電池１１の出力電力ＰＦＣを算出する。さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および出力制御器１４に通電される電流の各検出値に基づき走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを算出する。さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流の各検出値に基づき負荷電力ＰＡＣを算出する。
そして、制御装置２０は、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣおよび走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。
そして、制御装置２０は、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きい場合に、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵと等しくなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力する。
【００１６】
本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池車両の制御装置１０の動作について添付図面を参照しながら説明する。
【００１７】
先ず、例えば図２に示すステップＳ０１において、キャパシタ１３の温度の検出値に応じてキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。ここでは、例えば図３に示すような、キャパシタ１３の温度ＴＣＡＰに応じて変化するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵの所定テーブルに基づき、キャパシタ１３の温度の検出値に対応するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを算出する。
次に、ステップＳ０２においては、例えば燃料電池１１の出力電流および出力電圧の各検出値に基づき算出した燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および走行用モータ１５以外の電気的負荷つまり負荷１６およびＳ／Ｃ出力制御器１７に通電される電流の各検出値に基づき算出した負荷電力ＰＡＣと、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づき、例えば下記数式（１）に示すように、キャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵに対応するモータ電力であるモータ電力制限値ＰＭＯＴＵを算出する。
【００１８】
【数１】
ステップＳ０３においては、例えばキャパシタ１３の端子間電圧および出力制御器１４に通電される電流の各検出値に基づき走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを算出する。
次に、ステップＳ０４においては、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０５に進む。
ステップＳ０５においては、モータ実電力ＰＭＯＴがモータ電力制限値ＰＭＯＴＵと等しくなるように指示する制御指令を出力制御器１４へ出力し、一連処理を終了する。
【００２０】
上述したように、本実施の形態による燃料電池車両の制御装置１０によれば、燃料電池１１の出力電力ＰＦＣと走行用モータ１５以外の電気的負荷に供給される負荷電力ＰＡＣとキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵとに基づいて、走行用モータ１５に実際に通電されるモータ実電力ＰＭＯＴを制御することによって、例えばキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵのみに応じてモータ実電力ＰＭＯＴを制御する場合に比べて、モータ実電力ＰＭＯＴが過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタ１３を保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の制御装置によれば、モータ電力が過剰に制限されてしまうことを防止し、キャパシタを保護しつつ、燃料電池車両の走行性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の制御装置の構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】キャパシタの温度ＴＣＡＰに応じて変化するキャパシタ上限電力ＰＣＡＰＵを示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池車両の制御装置
１２ 電流・電圧制御器（出力制御手段）
１３ キャパシタ
１７ Ｓ／Ｃ出力制御器（反応ガス供給手段）
１８ エアーコンプレッサ（反応ガス供給手段）
１９ａ 水素タンク（反応ガス供給手段）
１９ｂ 水素供給弁（反応ガス供給手段）
２０ 制御装置（反応ガス供給手段）
２５ キャパシタ温度センサ（キャパシタ温度検出手段）
ステップＳ０１ 上限電力設定手段
ステップＳ０２ モータ電力制限値算出手段
ステップＳ０３ モータ実電力検出手段
ステップＳ０４およびステップＳ０５ モータ電力制御手段
Claims (1)
- 車両を駆動可能な走行用モータと、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力および前記走行用モータの回生電力により充電されるキャパシタと、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御手段とを備えた燃料電池車両の制御装置であって、
前記キャパシタの温度を検出するキャパシタ温度検出手段と、
前記キャパシタの温度に応じて前記キャパシタの充電または放電に対する電力の上限値であるキャパシタ上限電力を設定する上限電力設定手段と、
前記燃料電池の出力電力および前記走行用モータ以外の負荷に供給される負荷電力の各検出値と、前記キャパシタ上限電力とに基づき、前記走行用モータの駆動または回生のモータ電力に対するモータ電力制限値を算出するモータ電力制限値算出手段と、
前記走行用モータの駆動または回生において実際に通電されるモータ電力であるモータ実電力を検出するモータ実電力検出手段と、
前記モータ実電力の検出値が前記モータ電力制限値以下となるように前記モータ実電力を制御するモータ電力制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
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