JP2005044749A - 燃料電池自動車 - Google Patents

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

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。

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 ＝μｍ_ｔｇ（ｇ：重力加速度、９．８［m/s^２］、μ：転がり摩擦係数、ｍ_ｔ：車両総質量［kg］）、
空気抵抗Ｆw ：Ｆw ＝ρＣdＳｖ^２／２（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 ＝ｍ_ｔｇ sinθ（θ：斜度［rad］）、
加速抵抗Ｆa ：Ｆa ＝（ｍ_ｔ＋ｍ_ｎ）α（α：加速度［m/s²］、ｍ_ｎ：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。

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。

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。

本発明に係る燃料電池自動車の一実施形態の構成を説明するシステム構成図である。 実施形態におけるコントローラの制御を説明するフローチャートである。 実施形態におけるコントローラの制御を説明するフローチャートである。 実施形態のコントローラが参照するＳＯＣ−Ｔw0のマップ例である。

符号の説明

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

Claims (6)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。

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