JP2004320967A

JP2004320967A - 燃料電池車の制御装置

Info

Publication number: JP2004320967A
Application number: JP2003115461A
Authority: JP
Inventors: Motoharu Nishio; 元治西尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2004-11-11

Abstract

【課題】車両のコースト状態で確かな制動力を発生させ、違和感をもたらすことのない減速走行を可能とする。
【解決手段】燃料電池１と、電力の充電・放電が可能なバッテリ２と、燃料電池１、バッテリ２からの電力により車輪を駆動するモータ４とを備える。さらに、コントローラ４１が、車両走行中であってモータ４が非駆動状態であることを判定したときに、吐出動作するように駆動されるポンプ３１を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池で発電された電力によりモータを駆動して走行する燃料電池車が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
この場合、車両の減速時などコースト状態では、モータを発電機として機能させて減速エネルギ回生を行い、バッテリを充電し、同時にモータ発電負荷に応じて制動力を発生させ、すなわちエンジンブレーキを効かせるようにしている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２２号公報
【０００５】
【発明の解決すべき課題】
車両の減速エネルギ回生を行う場合、バッテリの充電量が十分な状態では、それ以上の減速エネルギ回生を中止し、バッテリの過充電による劣化を防ぐようにしている。しかし、減速エネルギ回生を止めると、モータ発電負荷が無くなるため、いわゆるエンジンブレーキの効きが低下し、運転者に違和感をもたらす。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するもので、車両のコースト状態で確かな制動力を発生させ、違和感をもたらすことのない減速走行を可能とする燃料電池車両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】
本発明の燃料電池車は、燃料電池と、電力の充電・放電が可能な蓄電池と、前記燃料電池、蓄電池からの電力により車輪を駆動するモータとを備える。さらに車両走行中であって前記モータが非駆動状態であることを判定する手段と、前記モータ非駆動状態の判定時に吐出駆動されるポンプとを備える。
【０００８】
【作用・効果】
したがって、車両の走行中にモータが非駆動状態となる、コースト時には、ポンプが吐出動作することにより駆動負荷がかかり、これが車両の減速制動力となり、いわゆるエンジンブレーキを安定して効かせることができる。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
まず、第１の実施形態を図１に示す。
【００１１】
図１はシステムの全体を示すもので、１は燃料電池、２はバッテリ、３はコンバータ、４はモータであり、燃料電池１の発電した電力はコンバータ３を介してバッテリ２の充電と、モータ４の駆動に消費され、モータ４の駆動力により車両が走行する。燃料電池１の発電量は車両の要求駆動力に応じて制御されるが、同時に、バッテリ２の充電量が所定の状態となるようにも発電制御が行われ、車両の急加速時など燃料電池１の発電量がモータ４の電力消費量に追いつかないときには、バッテリ２からの電力もモータ４に供給され、モータ４の高出力回転を可能としている。
【００１２】
燃料電池１は水素と酸素との電気化学反応により発電するが、発電に伴い発熱するので、この冷却のために冷却水を循環させる冷却系１１が備えられる。
【００１３】
冷却系１１は燃料電池本体内の冷却部から冷却水を循環させる回路１２に介装したポンプ１３と、ポンプ１３からの冷却水を冷やすラジエター１４と、ラジエター１４で冷却した冷却水を燃料電池１に戻す回路１５と、ラジエータ１４をバイパスして冷却水を回路１２から戻り回路１５へと、サーモスタット１６を介して流すバイパス回路１７とを備える。これにより、燃料電池１の始動直後など冷却水温が低いときには、ラジエータ１４をバイパスして冷却水が流れ、冷却水の冷えすぎを防ぎ、また冷却水温が上昇すれば、冷却水の全量がラジエータ１４を通って流れ、冷却水の温度が低下させられる。
【００１４】
そして、戻り側の回路１５の途中には、熱交換器１８が介装され、熱交換器１８には、モータ４の出力回転を減速するための、後述する減速機の潤滑油の一部が、ポンプ３１により送り込まれ、戻り側の冷却水と熱交換する。
【００１５】
図２は前記モータ４の回転を減速して図示しないデファレンシャル機構を経由して車輪側に伝達するための減速機２１の一部の構造を示す。
【００１６】
減速機２１は遊星歯車機構で構成され、モータ４からの回転が伝達される入力軸２２にはサンギヤ２３が取付けられる。一方、車輪側に出力を伝達する出力軸２４にはキャリア２５が取付けられ、キャリア２５のプラネットギヤがサンギヤ２３とリングギヤ２６とに噛み合い、入力軸２２の回転を減速してキャリア２５を介して出力軸２４に伝達する。リングギヤ２６には前記ポンプ３１の入力側が連結され、リングギヤ２６が回転するとポンプ３１が駆動され、減速機２１の潤滑油を前記熱交換器１８に圧送する。
【００１７】
そして入力軸２２側は、互いに直列なクラッチＣ１とワンウェイクラッチＯＣＷ１を介してケース２７に連結され、同じくリングギヤ２６側は、互いに並列なクラッチＣ２とワンウェイクラッチＯＣＷ２を介してケース２７に連結される。
【００１８】
クラッチＣ１、Ｃ２はＯＮで締結、ＯＦＦで締結解除され、またワンウェイクラッチＯＣＷ１とＯＣＷ２とは、一方向の回転トルクのみ伝達するクラッチで、反対方向からの回転に対しては空転する。
【００１９】
ここで、表１により、これらクラッチの締結・開放について説明する。
【００２０】
【表１】

まず、前進側のＤレンジでは、クラッチＣ１はＯＮ（締結）、クラッチＣ２はＯＦＦ（開放）となる。
【００２１】
また、Ｄレンジでモータ４からの回転が車輪側に伝達される駆動状態では、ワンウェイクラッチＯＣＷ１はフリーとなり空転し、車輪側からの回転がモータ側に伝達される非駆動のコースト状態ではロックするように設定する。
【００２２】
ワンウェイクラッチＯＣＷ２は、Ｄレンジでの駆動状態でロックしてリングギヤ２６の回転をゼロとし、非駆動のコースト状態ではリングギヤ２６の回転を許容し、これにより車輪側からの回生動力で、ポンプ３１を回転させることが可能となるように設定する。
【００２３】
一方、後進側のＲレンジでは、クラッチＣ１はＯＦＦ、クラッチＣ２はＯＮに制御され、入力軸２２はフリー、リングギヤ２６はケース２７側に固定される。
【００２４】
したがって、Ｄレンジでのモータ駆動時には、入力軸２２の回転によりサンギヤ２３が回転し、このときリングギヤ２６は固定されているため、キャリア２５がプラネットギヤを介して公転し、出力軸２４に回転が減速して伝達される。このときの速減比はサンギヤ２３とリングギヤ２６の歯数比に応じて決定される。
【００２５】
これに対して、Ｄレンジでのコースト時には、車輪側からの回転によりキャリア２５が回転し、このときサンギヤ２３は停止し、リングギヤ２６が回転可能なために、リングギヤ２６の回転によりポンプ３１が回転駆動される。
【００２６】
次に、ポンプ３１は、図３に示すように可変容量ベーンポンプなど、その吐出量が切り替えられるものであることが好ましい。
【００２７】
可変容量ベーンポンプは、ロータ３２とベーン３３とリング３４とから構成され、図３の（Ｂ）で示すように、ロータ３２とリング３４の回転中心がずれることにより、ロータ３２とベーン３３とリング３４とにより区画される各室のボリュームがロータ回転位置により変化し、すなわち、膨張したり圧縮されたりすることにより、ポンプ機能を果たすものである。
【００２８】
図３の（Ａ）で示すように、ロータ３２とリング３４との回転中心が一致すると、前記室の容積変化が無くなり、このため単に回転するだけでポンプ機能は生じない。
【００２９】
そして、本発明では、車両の減速時など非駆動状態において、ポンプ３１を回転駆動することにより、減速エネルギ回生を行い、減速機２１の潤滑油を熱交換器に循環させ、潤滑油の温度を低下させたり、あるいは潤滑油により冷却水を暖めたりする。そして、このときのポンプ３１の吐出動作に伴う駆動負荷が車両の減速制動力にもなり、適正なエンジンブレーキ感をもたらす。
【００３０】
この制御のためにコントローラ４１が備えられ、コントローラ４１はポンプ３１の吐出量を可変制御するためにアクチュエータ４２を作動させ、リング３４を移動して、ロータ３２とリング３４の回転中心をずらせることで、ポンプ３１を吐出動作させたり、前記回転中心を一致させて単に空転させたりする。
【００３１】
また、図１に示す、冷却水温度センサ４３、潤滑油温度センサ４４からの検出信号もコントローラ４１に入力する。
【００３２】
図４を参照してコントローラ４１で実行される制御動作を説明する。
【００３３】
ステップ４０１で車両が駆動状態か非駆動状態の検出を、例えばモータ４が駆動状態か回生状態にあるかなどにより検出する。ステップ４０２では非駆動状態にあるかどうかの判定を行い、非駆動状態ならば、ステップ４０３でポンプ作動をＯＮ、すなわち、アクチュエータ４２によりポンプ３１を吐出状態にする。
【００３４】
したがって、車両の通常運転時、つまりモータ４の駆動により車両が走行しているときは、ポンプ３１は停止状態に維持され、減速機２１の潤滑油を燃料電池１の冷却系１１の熱交換器１８に循環させることはないが、車両のコースト時など減速時には、ポンプ３１は吐出可能状態に切り換えられ、減速機２１のリングギヤ２６が車輪からの回転力により回転し、ポンプ３１を回転駆動する。このため、車両の走行中は常時回転している減速機２１を潤滑するために温度が高くなりやすい潤滑油が、冷却系１１の熱交換器１８に循環されることにより、熱交換器１８を流れる燃料電池１の冷却水と熱交換される。
【００３５】
この場合、燃料電池１が起動後、間もないうちは、冷却水の温度も低く、早急な暖機が必要となるが、このような場合には、潤滑油がもつ熱を冷却水に与えられるので、燃料電池１の暖機促進を行うことができる。これに対して、燃料電池１が暖機を終了した状態にあり、冷却水の温度も高くなっている場合には、冷却系１１のラジエータ１４を通過して温度の低下した冷却水と、温度の高い潤滑油との熱交換により、逆に潤滑油の温度を低下させることができ、これにより減速機２１の潤滑油クーラの容量を削減、ないしは省略することも可能となる。
【００３６】
一方で、車両の減速時にこのように吐出動作するポンプ３１の駆動負荷が発生することで、これが車両の減速制動力となり、安定した減速制動力を維持することができる。
【００３７】
このように本実施形態によれば、車両の減速時にポンプ３１を吐出動作させることで、車両の減速制動力を安定して発生させることができる。
【００３８】
また、この減速エネルギの回生時には、潤滑油と燃料電池１の冷却水との熱交換により、燃料電池１が低温状態にあれば早期の暖機を図り、また燃料電池１が暖機後であれば、潤滑油の温度を低下させることができる。
【００３９】
次に第２の実施形態について、図５を参照して説明する。
【００４０】
これは、第１の実施形態に対して、冷却水と潤滑油の温度状態によっては、熱交換を中止するようにしたことが異なる。
【００４１】
すなわち、コントローラ４１は、冷却水の温度よりも潤滑油の温度が低いときには、熱交換を中止し、冷却水の温度が低くなり過ぎないように制御する。
【００４２】
このため、図５のフローチャートにおいて、ステップ５０１で減速機潤滑油温Ｔｏｉｌを検出し、さらにステップ５０２で冷却水温度ＴＬＬＴＣを検出する。そして、ステップ５０３で、潤滑油温と冷却水温とを比較し、潤滑油温Ｔｏｉｌが冷却水温ＴＬＬＴＣよりも高ければ、ステップ５０４に進んでポンプ３１の吐出作動を許可する。しかし、潤滑油温の方が冷却水温よりも低いときは、ステップ５０５に進んでポンプ３１の吐出作動を不許可とするのである。
【００４３】
このようにした結果、減速機２１の潤滑油温が、燃料電池１の冷却水温よりも低い場合には、コースト時にあっても、ポンプ３１が吐出しないようにアクチュエータ４２により制御され、熱交換器１８での熱交換が停止される。
【００４４】
したがって本実施形態によれば、潤滑油の温度が低く、燃料電池１の起動直後などでも冷却水に熱を与えることができず、また、通常運転時にあっては、ラジエータ１４を通過して温度の下がった冷却水により潤滑油を冷やすという必要もないときには、ポンプ３１の吐出作動を中止し、不必要な冷却を防止できる。
【００４５】
なお、減速機２１は車両の走行に伴い直ちに回転し、これにより潤滑油の温度も早期に上昇するので、潤滑油の温度が冷却水よりも低いのは、車両の始動直後など、ごく限られた条件のときであり、したがってこの間、ポンプ３１によるエネルギ回生を禁止しても、減速制動力に対する影響は実質的にはほとんどない。
【００４６】
次に第３の実施形態を図６を参照して説明する。
【００４７】
この実施形態では、コントローラ４１はバッテリ２の充電状態を判定し、バッテリ充電状態が既定値である、所定の上限値に達していない間は、モータ４による減速エネルギ回生を行い、充電状態が既定値に達したときには、ポンプ３１の駆動負荷による減速制動を行えるように制御する。
【００４８】
このため、図６のフローチャートにおいて、ステップ６０１で車両の運転状態、すなわちモータ駆動状態（すなわちコースト状態）か非駆動状態かを検出し、ステップ６０２でバッテリ充電状態（ＳＯＣ）を図示しないバッテリ充電センサにより検出する。そして、ステップ６０３でモータが非駆動状態で、かつバッテリ充電状態が所定の上限値（例えばバッテリの７０％の充電量に相当する値）以上であると判定されたときは、ステップ６０４に進んでポンプ３１を吐出作動させ、これに対して、上記条件を満たしていないと判定されたときには、ステップ６０５に進み、ここで再びモータ４が非駆動状態かどうかのみ判定する。そして、非駆動状態ならば、ステップ６０６に進み、バッテリ充電状態に余裕があるので、モータ４による減速エネルギ回生を行う。
【００４９】
なお、モータ４による減速エネルギ回生時には、クラッチＣ１をＯＦＦ、クラッチＣ２をＯＮに切り換えることにより、出力軸側の回転により入力軸側を回転させ、モータ４を発電機として駆動することができる。
【００５０】
前記ステップ６０５で非駆動状態でなければ、そのままルーチンを終了する。
【００５１】
このようにして、本実施形態によれば、バッテリ充電状態が所定の上限に達してなく、余裕のあるときには、モータ４による減速エネルギ回生を行い、発電した電力でバッテリ２を充電し、またバッテリ充電状態が所定の上限にあるときは、モータ４によらずにポンプ３１によるエネルギ回生を行い、これらにより所定の車両の減速制動特性を維持しつつ、効率よく減速エネルギの回生が行える。
【００５２】
この実施形態にあっても、第２の実施形態と同じように、ポンプ３１によるエネルギ回生を行うときに、潤滑油の温度が冷却水の温度よりも低ければ、エネルギ回生を中止し、冷却水の過剰な温度低下を防ぐようにしてもよい。
【００５３】
本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、当業者がなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のシステム構成を示す構成図である。
【図２】同じく減速機の構成図である。
【図３】同じくポンプの概念図であり、（Ａ）は非吐出状態、（Ｂ）は吐出状態をそれぞれ示す。
【図４】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図５】第２の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池
２バッテリ
４モータ
１１冷却系
１８熱交換器
２１減速機
３１ポンプ
４１コントローラ

Claims

燃料電池と、
電力の充電・放電が可能な蓄電池と、
前記燃料電池、蓄電池からの電力により車輪を駆動するモータと、
を備えた燃料電池車において、
車両走行中であって前記モータが非駆動状態であることを判定する手段と、
前記モータ非駆動状態の判定時に吐出駆動されるポンプとを備えることを特徴とする燃料電池車の制御装置。
前記ポンプは、前記モータと前記車輪の間の駆動力伝達経路に、前記モータ非駆動状態では回転可能、モータ駆動状態では回転不能に介装され、かつモータ非駆動状態では吐出作動するように切り換えられる、可変容量ポンプである請求項１に記載の燃料電池車の制御装置。
前記ポンプは、前記モータと車輪との間に介装され、モータ回転を減速して車輪に伝達する減速機の潤滑油を吐出し、この吐出潤滑油と、前記燃料電池を冷却する冷却水との間で熱交換を行う熱交換器を備えた請求項２に記載の燃料電池車の制御装置。
前記蓄電池の充電量を検出する手段を備え、
前記モータ非駆動状態が判定されたときに、前記充電量が既定値を越えない場合には、前記ポンプの吐出動作を停止させ、前記モータを発電機として電力回生させる請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池車の制御装置。
前記冷却水の温度を検出する手段と、
前記潤滑油の温度を検出する手段とを備え、
前記モータ非駆動状態が判定されたときに、前記潤滑油の温度が前記冷却水の温度よりも低い場合は、前記ポンプの吐出動作を停止させる請求項３または４に記載の燃料電池車の制御装置。