JP2005005040A - 燃料電池の冷却制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池を冷却する冷却手段を空冷する冷却ファンを最適に制御することを課題とする。
【解決手段】目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出し、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアせず、目標放熱量が回転開始閾値を越えている場合にはラジエータファン２０４を起動するように構成される。
【選択図】 図１
【解決手段】目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出し、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアせず、目標放熱量が回転開始閾値を越えている場合にはラジエータファン２０４を起動するように構成される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水を冷却するラジエータを空冷するラジエータファンの回転開始タイミングを最適化した燃料電池の冷却制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。この燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。
【０００３】
燃料電池車両では、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出された電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量を行うと同時に発熱を行う。発電量ならびに発熱量は、基本的にはドライバが要求する駆動力に応じて決定される。駆動力は、アクセルやシフトの操作や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量と発熱量もそれに応じて変化する。
【０００５】
しかし、燃料電池は走行状況によっては高温になる可能性がある。したがって、冷却を行わないと過熱によって燃料電池を傷めることになる。一方で、冷やし過ぎても燃料電池の性能が悪化したり、発電効率が低下してしまう。このため、燃料電池を常に適温に保っておく必要がある。
【０００６】
そこで、ラジエータ、ラジエータファン、サーモスタット、ウォーターポンプなどを備え、燃料電池を適温に制御する従来の冷却システムとしては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１、特許文献２、もしくは特許文献３参照）。燃料電池の発熱に対する冷却システムの基本的な考え方は、従来のガソリンエンジンと同じである。
【０００７】
図１４は従来の車両に搭載される燃料電池における冷却システムの一構成例を示す図である。
【０００８】
図１４において、車両のエンジンとして機能する燃料電池１４０を冷却する冷却する冷却水は、燃料電池１４０で熱量が与えられた状態で燃料電池１４０から放出され、放出された冷却水はラジエータ１４１上部のアッパータンクに流入する。その後、冷却水は、ラジエータ１４１内部を通ってラジエータ１４１下部のローアタンクに向かって流れる。冷却水がラジエータ１４１内のチューブの中を通るとラジエータ１４１のフィンに熱が伝わり、フィンに風があたることでフィンに伝わった冷却水の熱量が空気中に放出される。これにより、冷却水がラジエータ１４１で冷却される。
【０００９】
また、ラジエータ１４１にあたる風の通過風量を増量させるために、ラジエータ１４１には通常ラジエータファン１４２が備え付けられている。このラジエータファン１４２は、基本的に電気で駆動回転制御され、所望の回転数を得ることができる。したがって、冷却システムにおいては、ラジエータファン１４２を所望の回転数に制御することで、冷却水に対して所望の放熱量を得ることができる。
【００１０】
このようにして、冷却水はさらにラジエータファン１４２により冷却され、冷えた冷却水は、ラジエータ１４１のローアタンクに溜まり、ローアタンクから燃料電池１４０に戻る。このようにして、冷却水は燃料電池１４０とラジエータ１４１との間を循環している。その循環経路には、ウォーターポンプ１４３が配置され、このウォーターポンプ１４３で冷却水を循環させている。従来の内燃機関の車両においては、ウォーターポンプの駆動力は、エンジンのカムシャフトの回転力から得るようになっている。しかし、燃料電池車両ではカムシャフトがないため、ウォーターポンプ１４３は電気により駆動されている。
【００１１】
また、燃料電池１４０内の冷却水の温度に基づいて動作するサーモスタット１４４は、燃料電池１４０の起動後に、燃料電池１４０内の冷却流路を流れる冷却水がある一定の温度に達すると、ラジエータ１４１から冷却水を燃料電池１４０に導入する「弁」のように機能する。例えば、開弁温度が６５℃のサーモスタット１４４を使用している場合を一例として、以下に説明する。
【００１２】
燃料電池１４０の起動直後は、燃料電池１４０はまだ暖まっていないので、サーモスタット１４４は閉じている。しばらく発電が続けられ、燃料電池１４０が暖まり、燃料電池１４０内の冷却水が６５℃に達すると同時にサーモスタット１４４の弁が開く。これにより、ラジエータ１４１から冷却水が燃料電池１４０に導入される。すなわち、サーモスタット１４４とは、燃料電池の始動直後の「オーバークール状態」を改善する役割を果たしている。一方、サーモスタット１４４が閉じている時は、ラジエータ１４１より手前の図示していないバイパスホースを介してラジエータ１４１を通さずに冷却水は循環される。なお、サーモスタッとバイパスホースに代えて、以下に示す特許文献２に記載されたように、三方弁とバイパス流路を用いてラジエータに流入する冷却水の流量を制御するようにしてもよい。
【００１３】
【特許文献１】
特開平４−４１９２１号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平７−１０１２２９号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平８−４００５１号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池における従来の冷却システムにおいては、上述したようにラジエータ、三方弁、バイパス流路、循環ポンプおよび回転数の制御が可能なラジエータファンを用いているシステムが多用されている。これは、冷却水の温度の制御可能な範囲が広く緻密な制御を行えるなどの理由からである。
【００１７】
しかし、ラジエータ、三方弁、バイパス流路、循環ポンプおよび回転数制御可能なラジエータファンを用いた冷却システムでは、三方弁によりバイパスされる冷却水のバイパス流量（三方弁開度）とラジエータファンの回転数、ならびに循環ポンプの回転数の３つの操作量を算出する必要があった。さらに、これらの操作量は燃料電池の発熱量と密接に関係しているため、操作量の緻密な演算（制御）が要求されていた。
【００１８】
一方、ラジエータファンの回転数を制御指令する指令信号が、ラジエータファンの起動か否かの小さい指令値の場合には、操作量の緻密な演算（制御）結果にしたがってラジエータファンを制御しようとしても、ラジエータファンの最小回転数などの特性により所望の放熱を達成することができないといった問題があった。
【００１９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を冷却する冷却手段を空冷する冷却ファンを最適に制御する燃料電池の冷却制御装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池を冷却する冷却水を冷却する冷却手段と、必要に応じて前記冷却手段を空冷する冷却ファンとを備えた燃料電池の冷却システムを制御する燃料電池の冷却制御装置において、所定の放熱量に基づいて、目標放熱量を指数化した目標放熱量指数を算出する放熱量算出手段と、前記放熱量算出手段で算出された目標放熱量指数、ならびに前記燃料電池の発電出力に基づいて、前記冷却ファンの回転／停止を切り替える回転開始閾値を算出するファン回転開始閾値算出手段と、前記ファン回転開始閾値算出手段で算出された回転開始閾値と目標放熱量を得るための前記冷却ファンの第１の回転数との比較結果に基づいて、前記冷却ファンの起動、停止を判断するファン回転開始判断手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の発電出力に応じて、冷却ファンの起動開始タイミングを変えられる構成にしたので、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図であり、図２は図１に示す冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【００２４】
まず、この第１の実施形態の冷却制御装置を説明する前に、図２を参照してこの第１の実施形態の冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムについて説明する。図２において、燃料電池（ＣＳＡ）２００から熱量が与えられて放出された冷却水（ＬＬＣ）は、三方弁２０１を経由してラジエータ２０２とバイパス流路２０３に分配される。ラジエータ２０２へ流れた冷却水は、その後ラジエータ２０２の内部を通ってラジエータ２０２の下部のローアタンクに向かって流れて行く。冷却水がラジエータ２０２のチューブの中を通る際に、冷却水の熱はラジエータ２０２に設けられた放熱フィンに伝わり、ラジエータ２０２に風があたることで放熱フィンに伝わった熱が空気中に放出される。これにより、冷却水がラジエータ２０２により冷却される。
【００２５】
また、ラジエータ２０２には、ラジエータ２０２にあたる風の通過風量を増量させるために、ラジエータファン２０４が備え付けられている。このラジエータファン２０４は、電気で回転駆動されており、最低回転数と最高回転数の範囲内で所望の回転数（通過風量）を得ることができる。したがって、冷却水の放熱制御を行うときには、ラジエータファン２０４の回転数を制御することで、所望の放熱量を得ることができる。
【００２６】
このようにしてラジエータ２０２ならびにラジエータファン２０４で冷却された冷却水は、ラジエータ２０２のローアタンクに溜まり、そこから燃料電池２００に戻り、再循環する。その循環経路には、冷却水ポンプ２０５が配置され、この冷却水ポンプ２０５により冷却水が循環される。
【００２７】
一方、三方弁２０１を介してバイパス流路２０３に分流した冷却水は、ラジエータ２０２で冷却されることなく、燃料電池２００から熱量を供給された状態で燃料電池２００に戻る。
【００２８】
三方弁２０１は、燃料電池２００内の冷却流路を流れる冷却水がある一定の温度になるように、バイパス流路２０３とラジエータ２０２に流れる冷却水の流量比率を調整し、所望の冷却性能が達成されるように制御される。
【００２９】
また、燃料電池２００の入り口温度を目標温度にするために、冷却水が燃料電池に流入する燃料電池２００の入り口付近に、冷却水入り口温度センサ２０６が設けられている。この冷却水入り口温度センサ２０６で燃料電池２００の入り口付近の温度を計測し、計測した温度に基づいて冷却水ポンプ２０５と三方弁２０１とラジエータファン２０４を操作し、冷却水の冷却制御を行う。
【００３０】
上記のように、燃料電池２００の入り口温度を計測し、計測した温度に基づいて燃料電池２００の入り口付近の冷却水の温度を目標温度に制御する場合には、燃料電池２００の入り口温度が目標温度に到達しても、燃料電池２００から放出される冷却水の温度は燃料電池２００の出力に応じて変化する。
【００３１】
次に、第１の実施形態の燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図１（ａ）、ならびに同図（ａ）に示すそれぞれのモジュールの簡単な機能を示す同図（ｂ）において、この第１の実施形態の燃料電池の冷却制御装置は、放熱量算出手段として機能する放熱量算出モジュール１１、冷却水分配比率算出手段として機能する冷却水分配比率算出モジュール１２、第一のファン回転数算出手段として機能する第一のファン回転数算出モジュール１３、ファン回転開始閾値算出手段として機能するファン回転開始閾値算出モジュール１４、ファン回転開始判断手段として機能するファン回転開始判断モジュール１５、目標回転数算出手段として機能する目標回転数算出モジュール１６を備えて構成されている。
【００３２】
放熱量算出モジュール１１は、目標放熱量を入力し、ラジエータの定格放熱量、又は燃料電池定格出力時の燃料電池の発熱量に基づいて、目標放熱量／（ラジエータの定格放熱量）である目標放熱量指数、又は目標放熱量／（燃料電池定格出力時の燃料電池の発熱量）である目標放熱量指数を算出する。ラジエータの定格放熱量は、例えば（１）車両の使用最高気温及び１００ｋｍ／ｈの車速時におけるラジエータ放熱量、もしくは（２）車両停止時、使用最高温度、冷却ファン回転速度最大時のラジエータ放熱量である。算出した目標放熱量指数は、冷却水分配比率算出モジュール１２ならびに第一のファン回転数算出モジュール１３に与えられる。
【００３３】
冷却水分配比率算出モジュール１２は、放熱量算出モジュール１１で求められた目標放熱量指数に基づいて、冷却水を冷却するラジエータ２０２と、ラジエータ２０２をバイパスして冷却水をラジエータ２０２に戻すバイパス流路２０３とに分配する三方弁２０１の開度を、予め用意された目標放熱量指数対開度のマップにより求め、三方弁２０１により分配される冷却水の分配比率を決定する。
【００３４】
第一のファン回転数算出モジュール１３は、放熱量算出モジュール１１で求められた目標放熱量指数に基づいて、ラジエータ２０２を空冷するラジエータファン２０４が目標放熱量を得るための第一のファン回転数を、予め用意された目標放熱量指数対仮回転数のマップにより求める。第一のファン回転数は、ラジエータファン２０４の最低回転数を考慮していない理想的な回転数である。従って、第一の回転数は、目標放熱量指数に対して不感帯（最低回転数）よりも低い回転数であっても仮値として求められる。求められた第一の回転数は、ファン回転開始判断モジュール１５ならびに目標回転数算出モジュール１６に与えられる。
【００３５】
ファン回転開始閾値算出モジュール１４は、例えば図４に示す、燃料電池２００の出力ならびに放熱量に基づいて、ラジエータファン２０４の起動／停止を切り替えるラジエータファン回転開始閾値を求める。
【００３６】
ファン回転開始判断モジュール１５は、第一のファン回転数算出モジュール１３で求められた第一のファン回転数と、ファン回転開始閾値算出モジュール１４で求められたラジエータ回転開始閾値を入力し、第一のファン回転数とラジエータファン回転開始閾値を比較して、その比較結果に基づいて、ラジエータファン２０４の起動もしくは停止を判断する。すなわち、第一の回転数＞ラジエータファン回転開始閾値の場合にはラジエータファン２０４を起動し、それ以外の場合にはラジエータファン２０４を停止させる。ファン回転開始判断モジュール１５は、ラジエータファン２０４の起動が判断された場合には、ラジエータファン２０４の最低回転数（例えば２５０ｒｐｍ）を選択し、ラジエータファン２０４の停止が判断された場合には、ファン回転数として０が選択され、選択された回転数を目標回転数算出モジュール１６に与える。
【００３７】
目標回転数算出モジュール１６は、ファン回転開始判断モジュール１５によりラジエータファン２０４の起動が判断された場合には、第一のファン回転数算出モジュール１３で算出された第一の回転数又はファン回転開始判断モジュール１５で選択された最低回転数のいずれか大きな値を第二の回転数として選択する一方、ラジエータファン２０４の停止が判断された場合には、回転数０を第二の回転数として選択し、ラジエータファン２０４の回転数を指示する信号として出力する。
【００３８】
このような構成において、この第１の実施形態では、冷却水の放熱量とシステムの消費電力を最適に制御するため、ラジエータ２０２による要求放熱量が小さいときには、ラジエータファン２０４を回転させず、三方弁２０１の開度（バイパス流路比率）のみを調整し、なるべく電力を消費させずに、冷却水の放熱を行うように制御する。
【００３９】
一方、ラジエータ２０２による要求放熱量が三方弁２０１の切り替えだけでは補うことができなくなった場合には、冷却能力を向上させるため、ラジエータ２０２の通過風量を増量させ、ラジエータファン２０４を作動させる。
【００４０】
また、冷却系の制御は一般的に応答の遅いシステムであり、制御を行うための操作量を与えてから制御結果が現れるまでに非常に時間がかかる。このため、応答の結果が想定できる場合には、予め応答結果に見合った操作量を与えることで、良好の応答性でもって制御を行うことができる。
【００４１】
一方、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときは、三方弁２０１の開度とラジエータファン２０４の回転数の冷却制御操作量と実際の冷却性能を表した図３に示すように、目標放熱量にしたがって制御を行おうとしても、ラジエータ２０２の最低回転数などの特性により、所望の放熱を達成することができない。したがって、図３に示す熱応答性、ならびにラジエータ２０２の特性を考慮して、消費電力、ならびに放熱量を最適に制御するために、図３の（ａ）に示す部分の詳細を示す、燃料電池２００の出力、放熱量ならびにラジエータファン２０４のラジエータファン回転開始閾値との関係を表した図４に示すように、ラジエータファンの起動／停止を制御する。
【００４２】
すなわち、図４に示すように、目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の起動タイミングを要求放熱量が低い状態から設定する。また、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、なるべく冷却を行い続ける必要があるので、要求放熱量が低い状態になるまでラジエータファン２０４の停止を行わないように、ラジエータファン２０４の停止タイミングを設定している。
【００４３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、この第１の実施形態における制御手順を説明する。
【００４４】
まず、ステップＳ５１では、図示しない燃料電池電力演算部から燃料電池２００の出力電力を読み込む。ステップＳ５２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。ステップＳ５３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ５４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ５５へ移行する。
【００４５】
ステップＳ５４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ５５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００４６】
次に、ステップＳ５６では、図４に示すように、目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。また、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。
【００４７】
ステップＳ５７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ５６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ５８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ５８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００４８】
上記第１の実施形態においては、燃料電池２００の出力に応じて、ラジエータファン２０４の起動開始タイミングを変えられる構成にしたので、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を行うことができる。また、燃料電池２００の出力が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４を早く起動させる構成にしたので、ラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を不足なく行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００４９】
図６は本発明の第２の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図７は燃料電池の出力、放熱量、所定時間（ｔ）後の冷却水温度、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第２の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、燃料電池２００の出力電力の変化から冷却水温度変化を推定し、所定時間（ｔ）後の冷却水温度が高ければ高いほどラジエータファン２０４の回転開始閾値を下げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００５０】
図６において、まずステップＳ６１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力を読み込み、かつｔ時間後の冷却水の温度を推定する。ｔ時間後の冷却水温度の推定手段としては、例えばモデル予測制御などが考えられる。モデル予測制御としては、例えば文献「日本機会学会誌、２００２−１２−Ｖｏｌ−１０５、Ｐ３０”未来を予測して制御するモデル予測制御”」等に記載されている技術を使用する。
【００５１】
ステップＳ６２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。ステップＳ６３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ６４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ６５へ移行する。
【００５２】
ステップＳ６４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ６５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００５３】
ステップＳ６６では、図７に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ６１で算出したｔ時間後の冷却水温度が高くなればなるほど、さらにラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。 ただし、ステップＳ６１で算出したｔ時間後の冷却水温度が高くなればなるほど、さらにラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００５４】
ステップＳ６７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ６６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ６８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ６８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００５５】
上記第２の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、燃料電池２００の出力電力の変化から冷却水温度変化を推定し、所定時間（ｔ）後の冷却水温度が高くなると推定された場合には、ラジエータファン２０４を早く起動させる構成にしたため、ラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を時間的な遅れなく、かつ冷却性能として不足なく行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００５６】
図８は本発明の第３の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図９は燃料電池の出力、放熱量、車速、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第３の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、燃料電池車両の車速が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を上げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００５７】
図８において、まずステップＳ８１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない車輪速演算部から車速の読み込みを行う。ステップＳ８２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００５８】
ステップＳ８３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ８４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ８５へ移行する。
【００５９】
ステップＳ８４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ８５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００６０】
ステップＳ８６では、図９に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ８１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ８１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００６１】
ステップＳ８７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ８６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ８８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ８８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００６２】
上記第３の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、車速が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４を遅く起動させる構成にしたので、必要以上の放熱を行わなくても、冷却性能を達成することができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００６３】
図１０は本発明の第４の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図１１は燃料電池の出力、放熱量、外気温度、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第４の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、ラジエータファン２０４の回転開始閾値は、外気温度が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を下げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００６４】
図１０において、まずステップＳ１０１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない外気温度検出部から外気温度の読み込みを行う。ステップＳ１０２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００６５】
ステップＳ１０３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ１０４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ１０５へ移行する。
【００６６】
ステップＳ１０４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ１０５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００６７】
ステップＳ１０６では、図１１に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温度が高くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温度が高くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００６８】
ステップＳ１０７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ１０６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ１０８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ１０８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００６９】
上記第４の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、外気温度が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始タイミングを早くする構成にしたので、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００７０】
図１２は本発明の第５の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図１３は車速とラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第５の実施形態の特徴とするところは、第３の実施形態に比べて、車速が低い時は、冷却水が全量ラジエータ２０２の冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４を回転開始するようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００７１】
図１２において、まずステップＳ１２１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない車輪速演算部から車速の読み込みを行う。ステップＳ１２２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００７２】
ステップＳ１２３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ１２４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ１２５へ移行する。
【００７３】
ステップＳ１２４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ１２５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００７４】
ステップＳ１２６では、図１３に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ１２１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、冷却水が全量冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４の回転開始閾値を算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ１２１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００７５】
ステップＳ１２７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ１２６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ１２８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ１２８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００７６】
上記第５の実施形態においては、第３の実施形態に比べて、車速が低い時には、冷却水が全量冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４の回転を開始する構成にしたので、冷却性能として不足なく冷却を行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【図３】冷却制御操作量と実際の冷却性能を示す図である。
【図４】図３の（ａ）に示す部分の詳細を表す、燃料電池の出力、放熱量ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、所定時間後の冷却水温度、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図８】第３の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図９】第３の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、車速、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１０】第４の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】第４の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、外気温度、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１２】第５の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図１３】第５の実施形態における、車速とラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１４】従来の燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１…放熱量算出モジュール
１２…冷却水分配比率算出モジュール
１３…第一のファン回転数算出モジュール
１４…ファン回転開始閾値算出モジュール
１５…ファン回転開始判断モジュール
１６…目標回転数算出モジュール
１４０，２００…燃料電池
１４１，２０２…ラジエータ
１４２，２０４…ラジエータファン
１４３…ウォーターポンプ
１４４…サーモスタット
２０１…三方弁
２０３…バイパス流路
２０５…冷却水ポンプ
２０６…冷却水入り口温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却水を冷却するラジエータを空冷するラジエータファンの回転開始タイミングを最適化した燃料電池の冷却制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを、電解質を介して電気化学的に反応させ、電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。この燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。
【０００３】
燃料電池車両では、圧縮水素ボンベ、液体水素タンク、水素吸蔵合金などの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と酸素を含む大気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出された電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量を行うと同時に発熱を行う。発電量ならびに発熱量は、基本的にはドライバが要求する駆動力に応じて決定される。駆動力は、アクセルやシフトの操作や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量と発熱量もそれに応じて変化する。
【０００５】
しかし、燃料電池は走行状況によっては高温になる可能性がある。したがって、冷却を行わないと過熱によって燃料電池を傷めることになる。一方で、冷やし過ぎても燃料電池の性能が悪化したり、発電効率が低下してしまう。このため、燃料電池を常に適温に保っておく必要がある。
【０００６】
そこで、ラジエータ、ラジエータファン、サーモスタット、ウォーターポンプなどを備え、燃料電池を適温に制御する従来の冷却システムとしては、例えば以下に示す文献に記載されものが知られている（特許文献１、特許文献２、もしくは特許文献３参照）。燃料電池の発熱に対する冷却システムの基本的な考え方は、従来のガソリンエンジンと同じである。
【０００７】
図１４は従来の車両に搭載される燃料電池における冷却システムの一構成例を示す図である。
【０００８】
図１４において、車両のエンジンとして機能する燃料電池１４０を冷却する冷却する冷却水は、燃料電池１４０で熱量が与えられた状態で燃料電池１４０から放出され、放出された冷却水はラジエータ１４１上部のアッパータンクに流入する。その後、冷却水は、ラジエータ１４１内部を通ってラジエータ１４１下部のローアタンクに向かって流れる。冷却水がラジエータ１４１内のチューブの中を通るとラジエータ１４１のフィンに熱が伝わり、フィンに風があたることでフィンに伝わった冷却水の熱量が空気中に放出される。これにより、冷却水がラジエータ１４１で冷却される。
【０００９】
また、ラジエータ１４１にあたる風の通過風量を増量させるために、ラジエータ１４１には通常ラジエータファン１４２が備え付けられている。このラジエータファン１４２は、基本的に電気で駆動回転制御され、所望の回転数を得ることができる。したがって、冷却システムにおいては、ラジエータファン１４２を所望の回転数に制御することで、冷却水に対して所望の放熱量を得ることができる。
【００１０】
このようにして、冷却水はさらにラジエータファン１４２により冷却され、冷えた冷却水は、ラジエータ１４１のローアタンクに溜まり、ローアタンクから燃料電池１４０に戻る。このようにして、冷却水は燃料電池１４０とラジエータ１４１との間を循環している。その循環経路には、ウォーターポンプ１４３が配置され、このウォーターポンプ１４３で冷却水を循環させている。従来の内燃機関の車両においては、ウォーターポンプの駆動力は、エンジンのカムシャフトの回転力から得るようになっている。しかし、燃料電池車両ではカムシャフトがないため、ウォーターポンプ１４３は電気により駆動されている。
【００１１】
また、燃料電池１４０内の冷却水の温度に基づいて動作するサーモスタット１４４は、燃料電池１４０の起動後に、燃料電池１４０内の冷却流路を流れる冷却水がある一定の温度に達すると、ラジエータ１４１から冷却水を燃料電池１４０に導入する「弁」のように機能する。例えば、開弁温度が６５℃のサーモスタット１４４を使用している場合を一例として、以下に説明する。
【００１２】
燃料電池１４０の起動直後は、燃料電池１４０はまだ暖まっていないので、サーモスタット１４４は閉じている。しばらく発電が続けられ、燃料電池１４０が暖まり、燃料電池１４０内の冷却水が６５℃に達すると同時にサーモスタット１４４の弁が開く。これにより、ラジエータ１４１から冷却水が燃料電池１４０に導入される。すなわち、サーモスタット１４４とは、燃料電池の始動直後の「オーバークール状態」を改善する役割を果たしている。一方、サーモスタット１４４が閉じている時は、ラジエータ１４１より手前の図示していないバイパスホースを介してラジエータ１４１を通さずに冷却水は循環される。なお、サーモスタッとバイパスホースに代えて、以下に示す特許文献２に記載されたように、三方弁とバイパス流路を用いてラジエータに流入する冷却水の流量を制御するようにしてもよい。
【００１３】
【特許文献１】
特開平４−４１９２１号公報
【００１４】
【特許文献２】
特開平７−１０１２２９号公報
【００１５】
【特許文献３】
特開平８−４００５１号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池における従来の冷却システムにおいては、上述したようにラジエータ、三方弁、バイパス流路、循環ポンプおよび回転数の制御が可能なラジエータファンを用いているシステムが多用されている。これは、冷却水の温度の制御可能な範囲が広く緻密な制御を行えるなどの理由からである。
【００１７】
しかし、ラジエータ、三方弁、バイパス流路、循環ポンプおよび回転数制御可能なラジエータファンを用いた冷却システムでは、三方弁によりバイパスされる冷却水のバイパス流量（三方弁開度）とラジエータファンの回転数、ならびに循環ポンプの回転数の３つの操作量を算出する必要があった。さらに、これらの操作量は燃料電池の発熱量と密接に関係しているため、操作量の緻密な演算（制御）が要求されていた。
【００１８】
一方、ラジエータファンの回転数を制御指令する指令信号が、ラジエータファンの起動か否かの小さい指令値の場合には、操作量の緻密な演算（制御）結果にしたがってラジエータファンを制御しようとしても、ラジエータファンの最小回転数などの特性により所望の放熱を達成することができないといった問題があった。
【００１９】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を冷却する冷却手段を空冷する冷却ファンを最適に制御する燃料電池の冷却制御装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池を冷却する冷却水を冷却する冷却手段と、必要に応じて前記冷却手段を空冷する冷却ファンとを備えた燃料電池の冷却システムを制御する燃料電池の冷却制御装置において、所定の放熱量に基づいて、目標放熱量を指数化した目標放熱量指数を算出する放熱量算出手段と、前記放熱量算出手段で算出された目標放熱量指数、ならびに前記燃料電池の発電出力に基づいて、前記冷却ファンの回転／停止を切り替える回転開始閾値を算出するファン回転開始閾値算出手段と、前記ファン回転開始閾値算出手段で算出された回転開始閾値と目標放熱量を得るための前記冷却ファンの第１の回転数との比較結果に基づいて、前記冷却ファンの起動、停止を判断するファン回転開始判断手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の発電出力に応じて、冷却ファンの起動開始タイミングを変えられる構成にしたので、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図であり、図２は図１に示す冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【００２４】
まず、この第１の実施形態の冷却制御装置を説明する前に、図２を参照してこの第１の実施形態の冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムについて説明する。図２において、燃料電池（ＣＳＡ）２００から熱量が与えられて放出された冷却水（ＬＬＣ）は、三方弁２０１を経由してラジエータ２０２とバイパス流路２０３に分配される。ラジエータ２０２へ流れた冷却水は、その後ラジエータ２０２の内部を通ってラジエータ２０２の下部のローアタンクに向かって流れて行く。冷却水がラジエータ２０２のチューブの中を通る際に、冷却水の熱はラジエータ２０２に設けられた放熱フィンに伝わり、ラジエータ２０２に風があたることで放熱フィンに伝わった熱が空気中に放出される。これにより、冷却水がラジエータ２０２により冷却される。
【００２５】
また、ラジエータ２０２には、ラジエータ２０２にあたる風の通過風量を増量させるために、ラジエータファン２０４が備え付けられている。このラジエータファン２０４は、電気で回転駆動されており、最低回転数と最高回転数の範囲内で所望の回転数（通過風量）を得ることができる。したがって、冷却水の放熱制御を行うときには、ラジエータファン２０４の回転数を制御することで、所望の放熱量を得ることができる。
【００２６】
このようにしてラジエータ２０２ならびにラジエータファン２０４で冷却された冷却水は、ラジエータ２０２のローアタンクに溜まり、そこから燃料電池２００に戻り、再循環する。その循環経路には、冷却水ポンプ２０５が配置され、この冷却水ポンプ２０５により冷却水が循環される。
【００２７】
一方、三方弁２０１を介してバイパス流路２０３に分流した冷却水は、ラジエータ２０２で冷却されることなく、燃料電池２００から熱量を供給された状態で燃料電池２００に戻る。
【００２８】
三方弁２０１は、燃料電池２００内の冷却流路を流れる冷却水がある一定の温度になるように、バイパス流路２０３とラジエータ２０２に流れる冷却水の流量比率を調整し、所望の冷却性能が達成されるように制御される。
【００２９】
また、燃料電池２００の入り口温度を目標温度にするために、冷却水が燃料電池に流入する燃料電池２００の入り口付近に、冷却水入り口温度センサ２０６が設けられている。この冷却水入り口温度センサ２０６で燃料電池２００の入り口付近の温度を計測し、計測した温度に基づいて冷却水ポンプ２０５と三方弁２０１とラジエータファン２０４を操作し、冷却水の冷却制御を行う。
【００３０】
上記のように、燃料電池２００の入り口温度を計測し、計測した温度に基づいて燃料電池２００の入り口付近の冷却水の温度を目標温度に制御する場合には、燃料電池２００の入り口温度が目標温度に到達しても、燃料電池２００から放出される冷却水の温度は燃料電池２００の出力に応じて変化する。
【００３１】
次に、第１の実施形態の燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図１（ａ）、ならびに同図（ａ）に示すそれぞれのモジュールの簡単な機能を示す同図（ｂ）において、この第１の実施形態の燃料電池の冷却制御装置は、放熱量算出手段として機能する放熱量算出モジュール１１、冷却水分配比率算出手段として機能する冷却水分配比率算出モジュール１２、第一のファン回転数算出手段として機能する第一のファン回転数算出モジュール１３、ファン回転開始閾値算出手段として機能するファン回転開始閾値算出モジュール１４、ファン回転開始判断手段として機能するファン回転開始判断モジュール１５、目標回転数算出手段として機能する目標回転数算出モジュール１６を備えて構成されている。
【００３２】
放熱量算出モジュール１１は、目標放熱量を入力し、ラジエータの定格放熱量、又は燃料電池定格出力時の燃料電池の発熱量に基づいて、目標放熱量／（ラジエータの定格放熱量）である目標放熱量指数、又は目標放熱量／（燃料電池定格出力時の燃料電池の発熱量）である目標放熱量指数を算出する。ラジエータの定格放熱量は、例えば（１）車両の使用最高気温及び１００ｋｍ／ｈの車速時におけるラジエータ放熱量、もしくは（２）車両停止時、使用最高温度、冷却ファン回転速度最大時のラジエータ放熱量である。算出した目標放熱量指数は、冷却水分配比率算出モジュール１２ならびに第一のファン回転数算出モジュール１３に与えられる。
【００３３】
冷却水分配比率算出モジュール１２は、放熱量算出モジュール１１で求められた目標放熱量指数に基づいて、冷却水を冷却するラジエータ２０２と、ラジエータ２０２をバイパスして冷却水をラジエータ２０２に戻すバイパス流路２０３とに分配する三方弁２０１の開度を、予め用意された目標放熱量指数対開度のマップにより求め、三方弁２０１により分配される冷却水の分配比率を決定する。
【００３４】
第一のファン回転数算出モジュール１３は、放熱量算出モジュール１１で求められた目標放熱量指数に基づいて、ラジエータ２０２を空冷するラジエータファン２０４が目標放熱量を得るための第一のファン回転数を、予め用意された目標放熱量指数対仮回転数のマップにより求める。第一のファン回転数は、ラジエータファン２０４の最低回転数を考慮していない理想的な回転数である。従って、第一の回転数は、目標放熱量指数に対して不感帯（最低回転数）よりも低い回転数であっても仮値として求められる。求められた第一の回転数は、ファン回転開始判断モジュール１５ならびに目標回転数算出モジュール１６に与えられる。
【００３５】
ファン回転開始閾値算出モジュール１４は、例えば図４に示す、燃料電池２００の出力ならびに放熱量に基づいて、ラジエータファン２０４の起動／停止を切り替えるラジエータファン回転開始閾値を求める。
【００３６】
ファン回転開始判断モジュール１５は、第一のファン回転数算出モジュール１３で求められた第一のファン回転数と、ファン回転開始閾値算出モジュール１４で求められたラジエータ回転開始閾値を入力し、第一のファン回転数とラジエータファン回転開始閾値を比較して、その比較結果に基づいて、ラジエータファン２０４の起動もしくは停止を判断する。すなわち、第一の回転数＞ラジエータファン回転開始閾値の場合にはラジエータファン２０４を起動し、それ以外の場合にはラジエータファン２０４を停止させる。ファン回転開始判断モジュール１５は、ラジエータファン２０４の起動が判断された場合には、ラジエータファン２０４の最低回転数（例えば２５０ｒｐｍ）を選択し、ラジエータファン２０４の停止が判断された場合には、ファン回転数として０が選択され、選択された回転数を目標回転数算出モジュール１６に与える。
【００３７】
目標回転数算出モジュール１６は、ファン回転開始判断モジュール１５によりラジエータファン２０４の起動が判断された場合には、第一のファン回転数算出モジュール１３で算出された第一の回転数又はファン回転開始判断モジュール１５で選択された最低回転数のいずれか大きな値を第二の回転数として選択する一方、ラジエータファン２０４の停止が判断された場合には、回転数０を第二の回転数として選択し、ラジエータファン２０４の回転数を指示する信号として出力する。
【００３８】
このような構成において、この第１の実施形態では、冷却水の放熱量とシステムの消費電力を最適に制御するため、ラジエータ２０２による要求放熱量が小さいときには、ラジエータファン２０４を回転させず、三方弁２０１の開度（バイパス流路比率）のみを調整し、なるべく電力を消費させずに、冷却水の放熱を行うように制御する。
【００３９】
一方、ラジエータ２０２による要求放熱量が三方弁２０１の切り替えだけでは補うことができなくなった場合には、冷却能力を向上させるため、ラジエータ２０２の通過風量を増量させ、ラジエータファン２０４を作動させる。
【００４０】
また、冷却系の制御は一般的に応答の遅いシステムであり、制御を行うための操作量を与えてから制御結果が現れるまでに非常に時間がかかる。このため、応答の結果が想定できる場合には、予め応答結果に見合った操作量を与えることで、良好の応答性でもって制御を行うことができる。
【００４１】
一方、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときは、三方弁２０１の開度とラジエータファン２０４の回転数の冷却制御操作量と実際の冷却性能を表した図３に示すように、目標放熱量にしたがって制御を行おうとしても、ラジエータ２０２の最低回転数などの特性により、所望の放熱を達成することができない。したがって、図３に示す熱応答性、ならびにラジエータ２０２の特性を考慮して、消費電力、ならびに放熱量を最適に制御するために、図３の（ａ）に示す部分の詳細を示す、燃料電池２００の出力、放熱量ならびにラジエータファン２０４のラジエータファン回転開始閾値との関係を表した図４に示すように、ラジエータファンの起動／停止を制御する。
【００４２】
すなわち、図４に示すように、目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の起動タイミングを要求放熱量が低い状態から設定する。また、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、なるべく冷却を行い続ける必要があるので、要求放熱量が低い状態になるまでラジエータファン２０４の停止を行わないように、ラジエータファン２０４の停止タイミングを設定している。
【００４３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、この第１の実施形態における制御手順を説明する。
【００４４】
まず、ステップＳ５１では、図示しない燃料電池電力演算部から燃料電池２００の出力電力を読み込む。ステップＳ５２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。ステップＳ５３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ５４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ５５へ移行する。
【００４５】
ステップＳ５４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ５５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００４６】
次に、ステップＳ５６では、図４に示すように、目標放熱量が上昇しているときには、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。また、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。
【００４７】
ステップＳ５７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ５６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ５８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ５８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００４８】
上記第１の実施形態においては、燃料電池２００の出力に応じて、ラジエータファン２０４の起動開始タイミングを変えられる構成にしたので、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を行うことができる。また、燃料電池２００の出力が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４を早く起動させる構成にしたので、ラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を不足なく行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００４９】
図６は本発明の第２の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図７は燃料電池の出力、放熱量、所定時間（ｔ）後の冷却水温度、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第２の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、燃料電池２００の出力電力の変化から冷却水温度変化を推定し、所定時間（ｔ）後の冷却水温度が高ければ高いほどラジエータファン２０４の回転開始閾値を下げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００５０】
図６において、まずステップＳ６１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力を読み込み、かつｔ時間後の冷却水の温度を推定する。ｔ時間後の冷却水温度の推定手段としては、例えばモデル予測制御などが考えられる。モデル予測制御としては、例えば文献「日本機会学会誌、２００２−１２−Ｖｏｌ−１０５、Ｐ３０”未来を予測して制御するモデル予測制御”」等に記載されている技術を使用する。
【００５１】
ステップＳ６２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。ステップＳ６３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ６４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ６５へ移行する。
【００５２】
ステップＳ６４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ６５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００５３】
ステップＳ６６では、図７に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ６１で算出したｔ時間後の冷却水温度が高くなればなるほど、さらにラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。 ただし、ステップＳ６１で算出したｔ時間後の冷却水温度が高くなればなるほど、さらにラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００５４】
ステップＳ６７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ６６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ６８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ６８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００５５】
上記第２の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、燃料電池２００の出力電力の変化から冷却水温度変化を推定し、所定時間（ｔ）後の冷却水温度が高くなると推定された場合には、ラジエータファン２０４を早く起動させる構成にしたため、ラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を時間的な遅れなく、かつ冷却性能として不足なく行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００５６】
図８は本発明の第３の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図９は燃料電池の出力、放熱量、車速、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第３の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、燃料電池車両の車速が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を上げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００５７】
図８において、まずステップＳ８１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない車輪速演算部から車速の読み込みを行う。ステップＳ８２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００５８】
ステップＳ８３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ８４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ８５へ移行する。
【００５９】
ステップＳ８４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ８５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００６０】
ステップＳ８６では、図９に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ８１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ８１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００６１】
ステップＳ８７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ８６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ８８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ８８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００６２】
上記第３の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、車速が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４を遅く起動させる構成にしたので、必要以上の放熱を行わなくても、冷却性能を達成することができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００６３】
図１０は本発明の第４の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図１１は燃料電池の出力、放熱量、外気温度、ならびにラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第４の実施形態の特徴とするところは、第１の実施形態に比べて、ラジエータファン２０４の回転開始閾値は、外気温度が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を下げるようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００６４】
図１０において、まずステップＳ１０１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない外気温度検出部から外気温度の読み込みを行う。ステップＳ１０２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００６５】
ステップＳ１０３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ１０４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ１０５へ移行する。
【００６６】
ステップＳ１０４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ１０５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００６７】
ステップＳ１０６では、図１１に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温度が高くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態で算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ１０１で読み込んだ外気温度が高くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００６８】
ステップＳ１０７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ１０６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ１０８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ１０８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００６９】
上記第４の実施形態においては、第１の実施形態に比べて、外気温度が高ければ高いほど、ラジエータファン２０４の回転開始タイミングを早くする構成にしたので、ラジエータファン２０４の指令信号がラジエータファン２０４の起動か否かの小さい指令値のときでも、所望の放熱を行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【００７０】
図１２は本発明の第５の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、図１３は車速とラジエータファン２０４の回転開始閾値との関係を示す図である。この第５の実施形態の特徴とするところは、第３の実施形態に比べて、車速が低い時は、冷却水が全量ラジエータ２０２の冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４を回転開始するようにしたことにあり、システムの構成は図１ならびに図２に示すものと同様である。
【００７１】
図１２において、まずステップＳ１２１では、図示しない燃料電池２００の電力演算部から燃料電池２００の出力電力の読み込みと、図示しない車輪速演算部から車速の読み込みを行う。ステップＳ１２２では、図示しない冷却制御演算部から目標放熱量を読み込む。
【００７２】
ステップＳ１２３では、今回読み込んだ目標放熱量と前回読み込んだ目標放熱量とを比較して、目標放熱量が上昇している最中なのか、もしくは低下している最中なのかを判断する。判断結果において、目標放熱量が上昇中であれば、ステップＳ１２４へ進み、目標放熱量が下降中であればステップＳ１２５へ移行する。
【００７３】
ステップＳ１２４では、目標放熱量が下降中であると判断されたため、目標放熱量が下降中であることを示す目標放熱量下降フラグをセットし、目標放熱量上昇フラグをクリアする。ステップＳ１２５では、目標放熱量が上昇中であると判断されたため、目標放熱量下降フラグをクリアし、目標放熱量上昇フラグをセットする。
【００７４】
ステップＳ１２６では、図１３に示すように、目標放熱量が上昇しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量が低い状態で算出する。ただし、ステップＳ１２１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、冷却水が全量冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４の回転開始閾値を算出する。一方、目標放熱要求が低下しているときは、燃料電池２００の出力が大きければ大きいほど、ラジエータファン２０４の回転停止閾値を要求放熱量が低い状態になるまでクリアしない。ただし、ステップＳ１２１で読み込んだ車速が低くなればなるほど、ラジエータファン２０４の回転開始閾値を要求放熱量の低い状態になるまでクリアしない。
【００７５】
ステップＳ１２７では、目標放熱量から求められた目標放熱量指数に対応した第一の回転数がステップＳ１２６で算出したラジエータファン回転開始閾値を越えているか否かを判断する。判断結果において、第一の回転数が回転開始閾値を越えている場合にはステップＳ１２８へ移行し、第一の回転数がラジエータファン回転開始閾値を越えていない場合にはリターンへ移行する。ステップＳ１２８では、ラジエータファン２０４を起動し、起動後リターンへ移行する。
【００７６】
上記第５の実施形態においては、第３の実施形態に比べて、車速が低い時には、冷却水が全量冷却水流路に切り替わるよりも低い要求冷却量からラジエータファン２０４の回転を開始する構成にしたので、冷却性能として不足なく冷却を行うことができる。従って、このような制御を行うことにより、消費電力を最小限に抑え、かつ冷却性能に不十分なく、冷却水の冷却制御を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の冷却制御装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示す燃料電池の冷却制御装置が適用される燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【図３】冷却制御操作量と実際の冷却性能を示す図である。
【図４】図３の（ａ）に示す部分の詳細を表す、燃料電池の出力、放熱量ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図５】第１の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図６】第２の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、所定時間後の冷却水温度、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図８】第３の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図９】第３の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、車速、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１０】第４の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図１１】第４の実施形態における、燃料電池の出力、放熱量、外気温度、ならびにラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１２】第５の実施形態における制御手順を示すフローチャートである。
【図１３】第５の実施形態における、車速とラジエータファンの回転開始閾値との関係を示す図である。
【図１４】従来の燃料電池の冷却システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１…放熱量算出モジュール
１２…冷却水分配比率算出モジュール
１３…第一のファン回転数算出モジュール
１４…ファン回転開始閾値算出モジュール
１５…ファン回転開始判断モジュール
１６…目標回転数算出モジュール
１４０，２００…燃料電池
１４１，２０２…ラジエータ
１４２，２０４…ラジエータファン
１４３…ウォーターポンプ
１４４…サーモスタット
２０１…三方弁
２０３…バイパス流路
２０５…冷却水ポンプ
２０６…冷却水入り口温度センサ
Claims (6)
- 燃料電池を冷却する冷却水を冷却する冷却手段と、
必要に応じて前記冷却手段を空冷する冷却ファンとを備えた燃料電池の冷却システムを制御する燃料電池の冷却制御装置において、
所定の放熱量に基づいて、目標放熱量を指数化した目標放熱量指数を算出する放熱量算出手段と、
前記放熱量算出手段で算出された目標放熱量指数、ならびに前記燃料電池の発電出力に基づいて、前記冷却ファンの回転／停止を切り替える回転開始閾値を算出するファン回転開始閾値算出手段と、
前記ファン回転開始閾値算出手段で算出された回転開始閾値と目標放熱量を得るための前記冷却ファンの第１の回転数との比較結果に基づいて、前記冷却ファンの起動、停止を判断するファン回転開始判断手段と
を有することを特徴とする燃料電池の冷却制御装置。 - 前記ファン回転開始閾値算出手段は、前記燃料電池の発電出力が高ければ高いほど、前記冷却ファンの回転開始閾値を下げる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。 - 前記燃料電池の発電出力の変化に基づいて冷却水の温度変化を推定する推定手段を有し、
前記ファン回転開始閾値算出手段は、前記推定手段で推定した所定時間後の冷却水の温度が高ければ高いほど、前記冷却ファンの回転開始閾値を下げる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。 - 前記燃料電池を搭載した燃料電池車両の車速を検出する車速検出手段を有し、
前記ファン回転開始閾値算出手段は、前記車速検出手段で検出された車速が高ければ高いほど、前記冷却ファンの回転開始閾値を上げる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。 - 前記燃料電池の外気温度を検出する外気温検出手段を有し、
前記ファン回転開始閾値算出手段は、前記外気温検出手段で検出された外気温度が高ければ高いほど、前記冷却ファンの回転開始閾値を下げる
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の冷却制御装置。 - 冷却水を前記冷却手段をバイパスさせるバイパス流路と、
前記冷却手段と前記バイパス流路とに冷却水を分配する冷却水分配手段とを備え、
前記車速検出手段で検出された車速が低い時は、冷却水の一部が前記バイパス流路を流れている状態から、前記冷却水分配手段により冷却水が全量前記冷却手段に流れる流路に切り替えられるよりも低い要求冷却量から前記冷却ファンの回転を開始する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の冷却制御装置。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2003165172A JP2005005040A (ja) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | 燃料電池の冷却制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003165172A JP2005005040A (ja) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | 燃料電池の冷却制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005005040A true JP2005005040A (ja) | 2005-01-06 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003165172A Pending JP2005005040A (ja) | 2003-06-10 | 2003-06-10 | 燃料電池の冷却制御装置 |
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-
2003
- 2003-06-10 JP JP2003165172A patent/JP2005005040A/ja active Pending
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