JP2005044749A - 燃料電池自動車 - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池自動車が停車したり下り坂を下るような場合に、冷却水温度が過剰に低下することを防止する。
【解決手段】 コントローラ21は、水温センサ12の検出値,外気温センサ17の検出値、ナビゲーションシステム20からの情報に基づいて燃料電池スタック2の負荷を予測する。そして、予測した負荷とパワーマネジャ5が検出するバッテリ6のSOCに基づいて、冷却水ポンプ8,三方弁10,ラジエターファン13,水ポンプ15を制御して冷却水温度を制御するとともに、パワーマネジャ5に燃料電池スタック2とバッテリ6とから車両駆動モータ7への供給電力配分の指示を行う。
【選択図】 図1
【解決手段】 コントローラ21は、水温センサ12の検出値,外気温センサ17の検出値、ナビゲーションシステム20からの情報に基づいて燃料電池スタック2の負荷を予測する。そして、予測した負荷とパワーマネジャ5が検出するバッテリ6のSOCに基づいて、冷却水ポンプ8,三方弁10,ラジエターファン13,水ポンプ15を制御して冷却水温度を制御するとともに、パワーマネジャ5に燃料電池スタック2とバッテリ6とから車両駆動モータ7への供給電力配分の指示を行う。
【選択図】 図1
Description
本発明は、燃料電池自動車に係り、特に、燃料電池に加えて蓄電手段からも走行用動力源に電力を供給可能な燃料電池自動車に関する。
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、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンク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、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出し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。
燃料電池では、燃料の持つエネルギのうち、電力として取り出せない分は、熱に変換される。この熱量により燃料電池の温度が許容温度以上に上昇すると、燃料電池が劣化する。このため、燃料電池システムでは、発電時に発生する熱を冷却水を介してラジエータにより大気に放出する冷却システムが設けられている。このような冷却システムの水温制御を行うものとして、カーナビゲーションシステムからの情報を用いて、登坂路など燃料電池出力が高負荷状態となることを予測し、高負荷となる前に、冷却水の温度を予め下げることにより、燃料電池内部を高温にさらさないようにすることができるというものが提案されている(例えば、特許文献1)。
特開2002−343396号公報(第5頁、図3)
しかしながら、上記従来技術にあっては、高負荷を予測して冷却水温を下げてしまった後、登坂路ではなく、停車したり下り坂を下るような場合には、冷却水温度がさらに下がってしまい、燃料電池の運転最適温度から離れてしまうため、安定して燃料電池を運転することが難しくなるという問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決するため、水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池が発電した電気エネルギーの一部を蓄える蓄電手段とを備え、前記燃料電池及び前記蓄電手段を走行用動力源とする燃料電池自動車において、冷却水の熱を系外へ放出して該冷却水を冷却する熱交換器と、前記燃料電池内の冷却水通路と前記熱交換器との間に前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記熱交換器の冷却能力を可変とする温度制御手段と、前記冷却水の温度を検出する温度検出手段と、燃料電池の負荷を予測する負荷予測手段と、前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、前記温度制御手段は、前記温度検出手段が検出した冷却水温度と前記負荷予測手段が予測した予測負荷と前記蓄電量検出手段が検出した蓄電量とに基づいて、前記冷却水の温度を制御することを要旨とする。
本発明によれば、冷却水温度と燃料電池の予測負荷と蓄電手段の蓄電量とに基づいて、冷却水の温度を制御するので、予測負荷と実負荷が異なった場合に冷却水温度が下がりすぎても、燃料電池の発電量を増加させて蓄電手段に蓄電させるとともに冷却水温度を上昇させることができるので、燃料電池の安定した運転を継続するすることができるという効果がある。
次に図面を参照して、本発明に係る燃料電池自動車の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の実施形態では、蓄電手段として、バッテリを用いたが、電気2重層コンデンサなどのコンデンサ類を用いることもできる。この場合、蓄電量検出手段は、単に電圧計を用いることができる。
図1は、本発明に係る燃料電池自動車の構成を説明するシステム構成図である。図1において、燃料電池自動車1は、燃料電池本体である燃料電池スタック2と、燃料電池スタック2に水素を供給する水素供給装置3と、燃料電池スタック2に酸素を含む空気を供給するコンプレッサ等の空気供給装置4と、燃料電池スタック2で発電された電力及びバッテリ6に蓄電された電力をモータ7へ供給するパワーマネジャ5と、燃料電池スタック2で発電された電力を貯蔵する蓄電手段としてのバッテリ6と、燃料電池スタック2の内部に設けられた冷却水通路に冷却水を循環させる冷却水ポンプ8と、冷却水の熱を系外へ放出するラジエター9と、ラジエター9をバイパスするバイパス通路11とラジエター9を通る通路とを切り換える三方弁10と、冷却水の温度を検出する水温センサ12と、ラジエター9に送風するラジエターファン13と、水を貯蔵する水タンク14と、水を圧送する水ポンプ15と、水をラジエター9に吹きかける水噴射弁16と、外気温を検出する外気温センサ17と、自動車の速度を検出する速度センサ18と、図示しないアクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサ19と、ナビゲーションシステム20と、コントローラ21とを備えている。
パワーマネジャ5は、燃料電池スタック2の発電電力でバッテリ6を充電する充電器の機能と、燃料電池スタック2とバッテリ6の電力を車両駆動モータ7の駆動用交流電力に変換するインバータの機能を有している。またバッテリ6の電圧および充放電流をモニタして、バッテリ6の充電状態(以下、SOCと略す)を検出する機能を有している。さらに、燃料電池自動車1の減速時に車両駆動モータ7による電力回生を行って、バッテリ6へ充電する機能を持たせることもできる。
ナビゲーションシステム20は、衛星航法(GPS)方式、自立航法方式、或いは両者兼用の方式でもよいが、参照する地図情報に標高情報と道路の規制速度情報と有するものとする。これらの情報は、車両走行経路に沿った車両の走行負荷、言い換えれば燃料電池の負荷を予測することに使用する。
コントローラ21には、入力装置として、水温センサ12,外気温センサ17,速度センサ18,アクセルセンサ19,ナビゲーションシステム20が接続されている。またコントローラ21の出力装置として、冷却水ポンプ8,三方弁10,ラジエターファン13,水ポンプ15が接続されている。さらにコントローラ21には、入出力装置としてパワーマネジャ5が接続され、パワーマネジャ5からコントローラ21へバッテリのSOCが伝えられるとともに、コントローラ21からパワーマネジャ5へ燃料電池スタック2の発電電力を優先して車両駆動モータ7へ供給するか、バッテリ6の電力を優先して車両駆動モータ7へ供給するか、を指示できるようになっている。
コントローラ21は、上記入力装置が検出した各状態と、パワーマネジャ5から入力したSOCとに基づいて、燃料電池の負荷を予測し、予測した負荷に基づいて、上記出力装置を制御して冷却水温度を制御するとともに、パワーマネジャ5に燃料電池スタック2とバッテリ6とから車両駆動モータ7への供給電力配分の指示を行うものである。
次に、上記構成の燃料電池自動車1の動作を説明する。
水素供給装置3と空気供給装置4から燃料電池スタック2にそれぞれ水素と空気とを供給する。
水素供給装置3と空気供給装置4から燃料電池スタック2にそれぞれ水素と空気とを供給する。
燃料電池スタック2は、これにより発電し、発電電力をバッテリ6やモータに供給する。この供給される水素と空気は加湿される必要があるため、これらのガスに水を水タンク14から供給する。
また、この燃料電池スタック2において、燃料の化学エネルギのうち、外部回路に電気エネルギとして取り出せない分は熱エネルギに変換されるので、発電を継続するためには、燃料電池スタック2を冷却する必要がある。
この冷却系は、冷却水ポンプ8と、ラジエター9と、三方弁10と、バイパス通路11と、水タンク14と、水ポンプ15と、水噴射弁16とを備えている。冷却水ポンプ8によって吐出された冷却水が燃料電池スタック2と熱交換して、熱を吸収し、ラジエター9を通過させるかバイパスさせるかを切り替える三方弁10を通過し、ラジエター9へ到達し、通過空気と冷却水で熱交換を行い、冷却水を冷やし、冷却水ポンプ8へと供給される。
ここでラジエター9の通過空気は走行風とラジエターファン13によるものである。
コントローラ21は、冷却水温度センサ12が検出した冷却水温度が所定の温度(例えば60℃)になったらラジエターファン13を回転させ、ラジエター通過風量を増加させたり、水ポンプ15を駆動して水噴射弁16からラジエター9に水をかけ、気化潜熱によりラジエター9から熱を奪ったりして、冷却水温度を下げる。その他コントローラ21は後述の制御を行う。
次に、図2および図3の制御フローチャートを参照して、コントローラ21による制御について説明する。
図2の制御フローチャートは、初期設定から走行負荷予測およびこの負荷予測に基づいた、車両駆動モータへの電力分配および冷却水温度制御モードを説明するものである。
まず、ステップS10において、コントローラ21は、外気温センサ17から外気温Ten、水温センサ12から冷却水温度Tw を検出する。次いで、ステップS12において、ユーザは、ナビゲーションシステム20に目的地をセットする。このとき、コントローラ21とナビゲーションシステム20との間のインタフェースにより、ユーザに目的地設定を促すようなメッセージをナビゲーション画面に表示、または音声出力するようにしてもよい。
次いで、ステップS14で、ナビゲーションシステム20により、現在位置から目的地の位置までの走行経路を算出する。次いで、ステップS16で、コントローラ21は、ナビゲーションシステム20から走行経路に沿った標高情報と、走行経路の規制速度情報とを受け取り、これらの情報に基づいて、例えば、走行経路を走行した場合の走行経路における燃料電池自動車1の走行負荷を予測し、コントローラ21に内蔵する記憶部に走行経路に沿った走行負荷予測マップを記憶する。このマップは、出発地点からの走行距離の関数として記憶される。
ここで、走行負荷の予測に際し、例えば市街地は、10・15走行モードで走行した場合の走行負荷を予測し、自動車専用道路、高速道路、郊外道路は、規制速度で走行した場合の走行負荷を予測する。また山岳路も規制速度で走行した場合の走行負荷を予測するが、山岳路の場合、走行負荷のうち、登坂抵抗の比重が大きくなる。登坂抵抗を含めた走行負荷の予測には、標高情報が不可欠である。例えば、道路上の任意の点Aの標高情報を求めるには、点Aを囲む複数の標高情報を有する地図情報の地点の標高情報を取得し、これらの各地点から点Aまでの距離に反比例する係数でこれらの地点の標高情報を加重平均することにより得ることができる。そして走行経路上の一定距離毎の標高差から斜度θを求めて、以下の方法で走行負荷を算出することができる。
車両の走行負荷Fは、転がり摩擦抵抗Fr 、空気抵抗Fw 、登坂抵抗Fc および加速抵抗Fa の4つの和となり、式(1)で示される。
(数1)
F=Fr +Fw +Fc +Fa …(1)
ただし、転がり摩擦抵抗Fr :Fr =μmtg(g:重力加速度、9.8[m/s2]、μ:転がり摩擦係数、mt:車両総質量[kg])、
空気抵抗Fw :Fw =ρCdSv2/2(v:車速[m/s]、ρ:空気密度[kg/m3]、S:前面投影面積[m2]、Cd:空気抵抗係数)、
登坂抵抗Fc :Fc =mtg sinθ(θ:斜度[rad])、
加速抵抗Fa :Fa =(mt+mn)α(α:加速度[m/s2]、mn:車両回転部分相当質量[kg])。
F=Fr +Fw +Fc +Fa …(1)
ただし、転がり摩擦抵抗Fr :Fr =μmtg(g:重力加速度、9.8[m/s2]、μ:転がり摩擦係数、mt:車両総質量[kg])、
空気抵抗Fw :Fw =ρCdSv2/2(v:車速[m/s]、ρ:空気密度[kg/m3]、S:前面投影面積[m2]、Cd:空気抵抗係数)、
登坂抵抗Fc :Fc =mtg sinθ(θ:斜度[rad])、
加速抵抗Fa :Fa =(mt+mn)α(α:加速度[m/s2]、mn:車両回転部分相当質量[kg])。
これより、燃料電池の負荷、即ち燃料電池が発電すべき電力P[W]は、パワートレインのギヤ効率とモータの効率とパワーマネジャ(DC/ACインバータ)の効率を相乗した総合効率をηt とすれば、式(2)となる。
(数2)
P×ηt=F×v …(2)
次いで、ステップS18で、記憶した走行負荷に基づいて、走行負荷を全量燃料電池の発電電力で賄ったとして、走行経路に沿った燃料電池スタック2の発熱量Aを算出する。この発熱量Aは、単位時間当たりの発熱量であり、例えば発電電力に対する発熱量を予め計測してマップとしてコントローラ21の内部に記憶しておき、これを参照するものとする。
P×ηt=F×v …(2)
次いで、ステップS18で、記憶した走行負荷に基づいて、走行負荷を全量燃料電池の発電電力で賄ったとして、走行経路に沿った燃料電池スタック2の発熱量Aを算出する。この発熱量Aは、単位時間当たりの発熱量であり、例えば発電電力に対する発熱量を予め計測してマップとしてコントローラ21の内部に記憶しておき、これを参照するものとする。
次いで、ステップS20でラジエターファン13を停止し、ラジエター9は、ステップS10で外気温センサ17が検出した気温下で、規制速度で走行した走行風により冷却されるとして、走行経路に沿ったラジエター9の放熱量Bを算出する。このとき、走行位置の標高情報により、例えば標高が100〔m〕増加すれば、外気温が0.65〔℃〕低下するように外気温度を補正して放熱量を計算してもよい(理科年表 気194 平成10年版による)。この放熱量も単位時間当たりの放熱量であり、走行速度に対する放熱量を予め計測してマップとしてコントローラ21の内部に記憶しておき、これを参照するものとする。
次に、ステップS22で、下記の微分方程式(3)と、ステップS10で測定した冷却水温度の初期値Tw により、出発地から目的地まで規制速度で走行した場合の冷却水温度Ta の時間変化を予測する。
(数3)
〔(ρ1×Cp1×V1)+(ρ2×Cp2×V2)+(ρ3×Cp3×V3)〕×dTa/dt
=A−B
…(3)
ここで、添え字1は冷却水、添え字2は燃料電池スタックをそれぞれ示し、ρは密度、Cpは比熱、Vは容量をそれぞれ示し、Aは単位時間当たりの燃料電池スタックの発熱量、Bは単位時間当たりのラジエターの放熱量である。
〔(ρ1×Cp1×V1)+(ρ2×Cp2×V2)+(ρ3×Cp3×V3)〕×dTa/dt
=A−B
…(3)
ここで、添え字1は冷却水、添え字2は燃料電池スタックをそれぞれ示し、ρは密度、Cpは比熱、Vは容量をそれぞれ示し、Aは単位時間当たりの燃料電池スタックの発熱量、Bは単位時間当たりのラジエターの放熱量である。
ステップS22における冷却水温度の予測値Ta は、走行経路に沿った予測値であり、出発地から目的地までの道路の規制速度に従って走行した場合の経過時間と走行距離とが1対1に対応するので、時間関数であるとともに、走行距離の関数でもある。そして時間関数としての値は、式(3)を出発地から積分することにより得られる。
次に、ステップS24で、この冷却水温度予測値Ta が燃料電池スタック2から大電力を取り出せると判断できる温度Tb (例えば60℃)より大きいか否かを判定し、目的地に到達するまでに温度Tb を超えることがあれば、ステップS26へ進む。そうでない場合には、ステップS34へ進む。
ステップS26において、バッテリ6からの電力取出しを燃料電池からの電力取り出しよりも優先させるようにコントローラ21がパワーマネジャ5に指示する。この際、冷却水温度が高いほど、バッテリ6からの電力の比率が大きくなるように指示する。
次いで、ステップS28において、パワーマネジャ5が検出したバッテリ6のSOCをコントローラ21が読み込む。
ステップS30で、コントローラ21内に記憶したSOC−Tw0マップにより、SOCから冷却水温度下限値Tw0を算出する。このSOC−Tw0マップは、図4に示すようなマップであり、現在のSOCから冷却水温度下限値Tw0を決定し、SOCが低いほど、Tw0の値が小さくなるように設定するものである。
ステップS32で、このTw0を下回らない範囲で冷却水温度Tw が小さくなるように、コントローラ21は、ラジエターファン13を回転させたり、水ポンプ15を駆動して、水噴射弁16からラジエター9に水を噴射したりして、冷却水温度を低下させる。
一方、ステップS34では、コントローラ21は、燃料電池スタック2からの電力をバッテリからの電力より優先して車両駆動モータ7へ供給するようにパワーマネジャ5へ指示する。
図3の制御フローチャートは、図2で予測した走行負荷に基づいて走行を開始した後の所定時間毎に起動されるコントローラ21の制御ルーチンである。
まず、ステップS40で、コントローラ21は、アクセルセンサ19からアクセルペダルの踏込量、速度センサ18より燃料電池自動車1の速度を読み込む。ステップS42で、コントローラ21は、アクセルペダルの踏込量と速度から実負荷を算出する。例えば、アクセルペダルの踏込量に応じた車両駆動力を車両駆動モータ7が発揮するようにパワーマネジャ5が設定してあれば、実負荷は、踏込量と速度との積に定数を乗じたものとなる。
次いで、ステップS44において、コントローラ21は、ナビゲーションシステム20より現在位置を読み込む。次いで、コントローラ21は、ステップS46で、図2のステップS16で記憶した走行負荷予測マップから現在位置の予測負荷値を読み出し、ステップS48で、予測負荷が実負荷より大きいか、否かを判定する。ステップS48の判定で、予測負荷が実負荷より大きければ、ステップS50へ進み、予測負荷が実負荷より大きくなければ、ステップS52へ進む。
ステップS50では、コントローラ21は、燃料電池スタック2の発電量を実負荷より増加するように水素供給装置3および空気供給装置4を制御するとともに、余剰分の電力をバッテリ6に蓄電するようにパワーマネジャ5に指示する。これにより燃料電池スタック2の発電量が増加し、冷却水温度を上昇させることができる。
ステップ52では、コントローラ21は、燃料電池の発電量を実負荷に応じた発電量となるように、水素供給装置3および空気供給装置4を制御する。このとき、余剰電力は生じないので、バッテリ6は充電されない。
以上のように、本実施例では、予測負荷とバッテリ6の蓄電量(SOC)に応じて、冷却水の温度を制御するので、予測負荷と実負荷が異なった場合に冷却水温度が下がりすぎても、バッテリ6に充電させることで燃料電池の発電量を増加させて冷却水温度を上昇させることができるの、安定して燃料電池を運転することができる。
また、バッテリ6の蓄電量が多いほど冷却水の温度を高く制御するので、負荷予測が外れ、高負荷にならなかった場合に、バッテリ6の蓄電量が多いため充電ができずに過冷却状態が続くことを防止できる。
また、冷却水温度が高いほど、バッテリ6から車両駆動モータ7への電力供給を多くすることで、燃料電池による発熱を低下させ、冷却水の温度低下を促進することができる。
またバッテリ6を消費させ蓄電量を低下させておくことで、その後冷却が進んでしまった後に低負荷になっても、燃料電池の発電量を多くすることが可能になり、燃料電池スタックの温度調整がしやすくなる。
また、水温予測に外気温も考慮することでより正確に温度予測をすることができる。
また、負荷予想にはナビゲーションシステムの情報を用いることでより正確な予測ができるので、必要以上に温度低下をさせることを抑制することができる。
1…燃料電池自動車
2…燃料電池スタック
3…水素供給装置
4…空気供給装置
5…パワーマネジャ
6…バッテリ
7…車両駆動モータ
8…冷却水ポンプ
9…ラジエター
10…三方弁
11…バイパス通路
12…水温センサ
13…ラジエターファン
14…水タンク
15…水ポンプ
16…水噴射弁
17…外気温センサ
18…速度センサ
19…アクセルセンサ
20…ナビゲーションシステム
21…コントローラ
2…燃料電池スタック
3…水素供給装置
4…空気供給装置
5…パワーマネジャ
6…バッテリ
7…車両駆動モータ
8…冷却水ポンプ
9…ラジエター
10…三方弁
11…バイパス通路
12…水温センサ
13…ラジエターファン
14…水タンク
15…水ポンプ
16…水噴射弁
17…外気温センサ
18…速度センサ
19…アクセルセンサ
20…ナビゲーションシステム
21…コントローラ
Claims (6)
- 水素と酸素とを電気化学反応させて発電する燃料電池と、少なくとも前記燃料電池が発電した電気エネルギーの一部を蓄える蓄電手段とを備え、前記燃料電池及び前記蓄電手段を走行用動力源とする燃料電池自動車において、
冷却水の熱を系外へ放出して該冷却水を冷却する熱交換器と、
前記燃料電池内の冷却水通路と前記熱交換器との間に前記冷却水を循環させる冷却水ポンプと、
前記熱交換器の冷却能力を可変とする温度制御手段と、
前記冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
燃料電池の負荷を予測する負荷予測手段と、
前記蓄電手段の蓄電量を検出する蓄電量検出手段とを備え、
前記温度制御手段は、前記温度検出手段が検出した冷却水温度と前記負荷予測手段が予測した予測負荷と前記蓄電量検出手段が検出した蓄電量とに応じて、前記冷却水の温度を制御することを特徴とする燃料電池自動車。 - 前記蓄電量検出手段が検出した蓄電量が多いほど、冷却水の温度を高く制御することを特徴とする請求項1記載の燃料電池自動車。
- 冷却水温度が高いほど、前記蓄電手段から多くの電力を前記走行用動力源に供給して燃料電池の発電量を減少させることを特徴とする請求項2記載の燃料電池自動車。
- 予測負荷よりも実負荷が小さくなった場合には、燃料電池の発電量を増加させ、余剰発電量を前記蓄電手段に蓄電す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自動車。
- 気温を検出する気温検出手段と、
車速を検出する車速検出手段と、を備え、
前記気温検出手段が検出した気温と前記車速検出手段が検出した車速と前記温度検出手段が検出した冷却水温度と前記負荷予測手段が予測した予測負荷と前記蓄電量検出手段が検出した蓄電量とに応じて、前記冷却水の温度を制御す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自動車。 - 前記負荷予測手段は、ナビゲーションシステムの情報を用い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自動車。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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