JP2005057929A

JP2005057929A - 燃料電池車両の制御装置

Info

Publication number: JP2005057929A
Application number: JP2003288042A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kazama; 勇風間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP4075727B2

Abstract

【課題】燃料電池あるいは蓄電装置の出力能力が低下しても駆動トルクが不連続的な応答をすることを防止し、滑らかな駆動トルク応答を実現できる燃料電池車両の制御装置を提供する。
【解決手段】コントローラ１０は、アクセルセンサ１４からのアクセル操作量に基づいて車両駆動モータ６へのトルク指令値を演算する駆動モータトルク指令演算手段と、燃料電池３およびバッテリ５の少なくとも一方の出力能力を判定する出力能力判定手段とを備える。駆動モータトルク指令演算手段は、出力能力判定手段が出力能力が所定値より低いと判定した場合には、アクセル操作に対するトルク指令値の応答を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車両の制御装置に関する。

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。

燃料電池車両においては、過渡的な出力性能を確保するため、或いは制動時に運動エネルギーを電気エネルギーとして回収するために蓄電装置を併用することが多い。

従来の発電装置と蓄電装置とを備えたハイブリッド車両においては、アクセル操作量に基づいて車両に要求される駆動応答要求を演算するとともに、駆動応答要求に対する発電機応答遅れを補償するために、必要な余裕駆動電力をバッテリーに確保するようにしている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−２７１９０９号公報（第７ページ、図５）

しかしながら上記従来のハイブリッド車両にあっては、バッテリーの充電不足、または燃料電池の応答遅れにより必要な余裕駆動電力を確保できなかった時には、駆動モータトルクの増加途中でバッテリ電力が不足し、駆動トルクの不連続的な応答を招き、滑らかな駆動トルク応答を実現することができない場合があ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、燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池及び前記蓄電装置の少なくとも一方から供給される電力で駆動される車両駆動モータと、アクセル操作量に基づいて前記車両駆動モータへのトルク指令値を演算する駆動モータトルク指令演算手段と、前記燃料電池および前記蓄電装置の少なくとも一方の出力能力を判定する出力能力判定手段とを備え、前記駆動モータトルク指令演算手段は、前記出力能力判定手段が出力能力が所定値より低いと判定した場合には、アクセル操作に対するトルク指令値の応答を抑制することを要旨とする燃料電池車両の制御装置である。

本発明によれば、燃料電池あるいは蓄電装置の出力能力が低いと判定した場合、アクセル操作に対するトルク指令値の応答を抑制することで、車両駆動モータのトルク増加途中で駆動用電力が不足し、駆動トルクが不連続的な応答をすることを防止し、滑らかな駆動トルク応答を実現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、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例においては、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いた燃料電池を搭載した燃料電池車両について説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施例１を搭載した燃料電池車両の構成図である。図１において、燃料電池車両は、水素を貯蔵する燃料タンク１と、空気を取り込み圧縮して送り出すコンプレッサ２と、水素および空気の供給を受けて発電する燃料電池３と、燃料電池３が発電した電力をバッテリ５および車両駆動モータ６に分配するとともに、燃料電池３およびバッテリ５の電力を車両駆動モータ６に供給する電力制御手段４と、充放電可能な蓄電装置であるバッテリ５と、車両を駆動する車両駆動モータ６と、コンプレッサ２を駆動するモータ７と、燃料タンク１から燃料電池３に供給する水素ガス圧力を制御する圧力制御弁８と、空気極出口の空気圧力を制御する圧力制御弁９と、制御装置であるコントローラ１０と、燃料電池３に冷却水を圧送する冷却水ポンプ１１と、冷却水ポンプ１１を駆動するモータ１２と、冷却水の熱を系外へ放出するラジエター１３と、アクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ１４と、車両の速度を検出する速度センサ１５とを備えている。

バッテリ５は、その電圧および充放電電流をモニタして充電状態（ＳＯＣ）を算出するモニタ回路を内蔵しているものとする。尚、電圧センサおよび電流センサをバッテリに外付けして、コントローラ１０がバッテリ５の電圧および充放電電流を監視して、バッテリ５のＳＯＣを算出するように構成することもできる。

コントローラ１０は、入力装置として、アクセルセンサ１４、速度センサ１５、バッテリ５が接続され、出力装置として、圧力調整弁８，９、コンプレッサモータ７，冷却水ポンプモータ１２，電力制御手段４，車両駆動モータ６が接続されている。

コントローラ１０は、バッテリ５からＳＯＣを入力するとともに、ＳＯＣに基づいて、バッテリ５の放電可能な電力を演算する蓄電装置放電能力演算手段を備えている。

次に、上記構成の燃料電池車両の動作を説明する。

燃料タンク１より燃料ガスとして水素、コンプレッサ２より酸化剤ガスとして空気がそれぞれ燃料電池３に供給される。燃料タンク１と燃料電池３との間の燃料配管には、圧力制御弁８が介装されている。燃料電池３に供給する水素ガスの流量および圧力は、圧力制御弁８により制御される。

一方、燃料電池に供給する空気の流量および圧力は、コンプレッサ２を駆動するコンプレッサモータ７の回転速度と、燃料電池３の空気極出口に介装された圧力制御弁９により制御される。

電力制御装置４は、燃料電池３から電力を取り出し、負荷である車両駆動モータ６および、充放電可能な蓄電手段であるバッテリ５に電力を供給する。

バッテリ５は、車両駆動モータ６で消費される電力が電力制御装置４より供給される電力より大きければ放電し、逆の場合は、充電される。

コントローラ１０は、燃料電池３の目標発電量を演算し、所望とする発電量が得られるように、圧力制御弁８、モータ７の回転速度、圧力制御弁９を制御するとともに、電力制御装置４に取り出す電力指令を与える。

また、コントローラ１０は、アクセルセンサ１４によりドライバのアクセル操作量、速度センサ１５により車両速度を検出し、これらに基づいて要求される負荷を演算し、車両駆動モータ６に指令を与え、駆動力を制御する。

冷却水ポンプ１１は、燃料電池３とラジエター１３との間に冷却水を循環させて燃料電池３を冷却するためのポンプであり、モータ１２で駆動される。

図２は、本実施例におけるコントローラ１０の制御フローチャートである。
まずＳ１で、コントローラ１０は、バッテリ５の図示しないモニタ回路が電流電圧センサの検出値に基づいて算出したバッテリＳＯＣを読み込む。バッテリ５がモニタ回路を内蔵しない場合には、電圧センサ、電流センサの検出値に基づいてコントローラ１０自体がＳＯＣを算出する。

Ｓ２で、バッテリＳＯＣに応じて、バッテリの出力可能電力を計算する。図３にバッテリのＳＯＣに対する入出力可能電力特性の一例を示す。図３の例では、バッテリの入力可能電力は、充電状態（ＳＯＣ）が第１の所定値（例えば８０％）までは一定であるが、第１の所定値を超えると直線的に低下し、ＳＯＣが１００％で入力可能電力は０となる。一方、バッテリの出力可能電力は、ＳＯＣが１００％から第２の所定値（例えば２０％）までは一定の値であるが、第２の所定値を下回ると直線的に低下し、ＳＯＣが０％の直前で０となっている。

Ｓ３では、コントローラ１０は、アクセルセンサ１４からアクセル操作量の検出値を読み込む。Ｓ４では速度センサ１５から車両速度の検出値を読み込む。
Ｓ５では、コントローラ１０は、これらアクセル操作量、車両速度の値から、ドライバの要求する駆動トルクを計算する。
Ｓ６では、コントローラ１０は、ドライバの要求する駆動トルクと車両速度から、ドライバの要求する要求駆動仕事率を計算する。

Ｓ７では、要求駆動仕事率に燃料電池の補機（コンプレッサモータ７，冷却水ポンプモータ１２など）の消費電力を加えて、燃料電池３が発電すべき目標発電電力を演算し、この目標発電電力が発電できるように、図１に示したコンプレッサモータ７や圧力制御弁８，９などのアクチュエータを制御する。

Ｓ８では、前述したバッテリ５の出力可能電力に応じて、駆動トルク指令値応答パラメータを演算する。
ドライバの要求する要求駆動トルクに対する駆動トルク指令値は、例えば図４に示すような要求駆動トルクの１次遅れとし、その時定数τ₁ を応答パラメータとする。図４では、アクセル操作量と車両速度に基づいて要求駆動トルク演算手段２１が要求駆動トルクを演算し、時定数マップ２２によりバッテリ出力可能電力から駆動トルクフィルタ時定数τ₁ を求めている。そして、トルク応答遅延手段２３が要求駆動トルクから時定数τ₁ の１次遅れとして駆動トルク指令値を算出している。

Ｓ９では前述した要求駆動トルクと駆動トルク指令値応答パラメータに応じて、駆動モータ指令トルクを演算する。車両駆動モータ６はこの指令されたトルクを出力するように制御する。

次に、図５、図６を参照して本実施例の効果を説明する。図５は比較例として、バッテリの出力可能電力にかかわらず、ドライバの要求する要求駆動トルクをそのまま駆動トルク指令値とした例を示す。

バッテリの出力可能電力が大きい状態でアクセルを踏みこんだ場合には、車両駆動モータの消費電力に対して燃料電池出力の応答が遅れる分の電力をバッテリから補うことができる。

一方、バッテリの出力可能電力が小さい状態では、同じようにアクセルを踏みこんだ場合でも、車両駆動モータの消費電力に対して燃料電池出力の応答が遅れる分の電力の全てをバッテリから補うことができない。

そのときには、車両駆動モータの出力、すなわち駆動力応答は、燃料電池出力の応答に追従せざるをえず、結果として図中に破線で示すような駆動力（車両駆動モータ消費電力）に不連続な点ができてしまい、運転性に問題が出ることがあった。

一方、図６に示す本実施例においては、バッテリの出力可能電力が小さい状態では、同じようにアクセルを踏みこんだ場合でもバッテリの出力可能電力が大きい時に対して、車両駆動モータへのトルク指令値を緩やかに変化させるので、車両駆動モータ消費電力に対する、燃料電池発電電力の応答を補償するためのバッテリ電力が不足することによる、駆動トルクの不連続的な応答を抑制することができるので、運転性に違和感がない。但し、駆動力応答そのものが遅くなることは許容している。

以上説明した実施例１によれば、バッテリの出力可能電力が小さくなった時には、バッテリの出力可能電力が大きい時に対して、アクセル操作に対し車両駆動モータへのトルク指令値が緩やかに変化するように操作する構成となっているので、車両駆動モータ消費電力に対する、燃料電池発電電力の応答を補償するためのバッテリ電力が不足することによる、駆動トルクの不連続的な応答を防止し、滑らかな駆動トルク応答を実現することができるという効果がある。

次に、実施例２について説明する。実施例２の構成は、図１に示した実施例１とほぼ同様であるが、コンプレッサモータ７が温度センサを内蔵しており、この温度センサの検出値がコントローラ１０へ入力されていることと、コントローラ１０が前記温度センサが検出したコンプレッサモータの温度に基づいて、コンプレッサモータ２の出力可能仕事率を算出し、この出力可能仕事率に基づいて、燃料電池出力応答遅れを予測することが特徴である。

図７は、実施例２におけるコントローラ１０の制御フローチャートである。
まずＳ１１で、コントローラ１０は、図示しないコンプレッサモータの温度センサより、コンプレッサモータ温度を検出する。

Ｓ１２で、コントローラ１０は、コンプレッサモータ温度に応じて、コンプレッサモータ７の出力可能仕事率を計算する。図８にコンプレッサモータ温度に対する出力特性の一例を示す。図８の例では、コンプレッサモータの温度が一定値までは、コンプレッサモータの出力可能仕事率は一定であるが、コンプレッサモータの温度が所定温度を超えると、超えた分に比例して出力可能電力が低下するようになっている。

コントローラは、図８のようなマップを予め記憶しており、このマップを参照してコンプレッサモータの出力可能仕事率を算出する。

Ｓ１３では、コントローラ１０は、アクセルセンサ１４の出力を読み込んでアクセル操作量を検出し、Ｓ１４では、コントローラ１０は、速度センサ１５の出力を読み込んで車両速度を検出する。

Ｓ１５では、コントローラ１０は、アクセル操作量および車両速度の値から、ドライバの要求する要求駆動トルクを計算する。

Ｓ１６では、コントローラ１０は、ドライバの要求する駆動トルクと車両速度から、ドライバの要求する要求駆動仕事率を計算する。

Ｓ１７では、コントローラ１０は、要求駆動仕事率に燃料電池の補機（コンプレッサモータ７、冷却水ポンプモータ１２など）消費電力を加えて、燃料電池が発電すべき目標発電電力を演算し、この目標発電電力が発電できるように、図６に示したコンプレッサ２のモータ７や圧力制御弁８，９などのアクチュエータを制御する。しかし、コンプレッサモータ７の出力可能仕事率が小さいときには、燃料電池３の発電に必要な空気を速やかに送り込むことができず、結果として燃料電池の発電応答は遅くなる。

Ｓ１８では、前述したコンプレッサモータ出力可能仕事率に応じて、駆動トルク指令値応答パラメータが演算する。ドライバの要求する駆動トルクに対する駆動トルク指令値は、例えば図９に示すような１次遅れとし、その時定数τ₂ をパラメータとする。図９では、アクセル操作量と車両速度に基づいて要求駆動トルク演算手段２１が要求駆動トルクを演算し、時定数マップ２４によりコンプレッサモータ出力可能仕事率から駆動トルクフィルタ時定数τ_２を求めている。そして、トルク応答遅延手段２３が要求駆動トルクから時定数τ_２の１次遅れとして駆動トルク指令値を算出している。

Ｓ１９では前述した要求駆動トルクと駆動トルク指令値応答パラメータに応じて、車両駆動モータ指令トルクが演算する。車両駆動モータはこの指令されたトルクを出力するように制御する。

次に、図１０、図１１を参照して本実施例の効果を説明する。図１０は比較例としてコンプレッサモータ出力可能仕事率にかかわらずドライバの要求する要求駆動トルクをそのまま駆動トルク指令値とした例を示す。

コンプレッサモータ出力可能仕事率が大きく燃料電池出力の応答が十分速い状態でアクセルを踏みこんだ場合には、車両駆動モータの消費電力に対する燃料電池出力の応答遅れをバッテリで補うことができる。

一方、コンプレッサモータ出力可能仕事率が小さく燃料電池出力の応答が遅い状態では、同じようにアクセルを踏みこんだ場合でも、車両駆動モータの消費電力に対して燃料電池出力の応答が遅れる分の電力をバッテリから補うことができない。そのときには、車両駆動モータ、すなわち駆動力応答は、バッテリから最大限アシストしているところからは、燃料電池出力の応答に追従せざるをえず、結果として図中に示すような駆動力（車両駆動モータ消費電力）に不連続な点ができてしまい、運転性に問題が出ることがあった。

一方、図１１に示す本実施例においては、燃料電池出力の応答が遅い状態では、燃料電池出力の応答が十分速い時に対して、車両駆動モータへのトルク指令値が緩やかに変化させるので、車両駆動モータ消費電力に対する、燃料電池発電電力の応答を補償するためのバッテリ電力が不足することによる、駆動トルクの不連続的な応答を防止することができる。但し、駆動力応答そのものが遅くなることは許容している。

以上説明した実施例２によれば、燃料電池発電電力の応答が遅くなった時には、燃料電池発電電力の応答が速い時に対して、アクセル操作に対しトルク指令値が緩やかに変化するように操作する構成となっているので、車両駆動モータ消費電力に対する、燃料電池発電電力の応答を補償するためのバッテリ電力が不足することによる、駆動トルクの不連続的な応答を防止し、滑らかな駆動トルク応答を実現することができる。

また、燃料電池発電電力の応答が遅くなることを、燃料電池に空気を送り込むコンプレッサを駆動するモータの出力可能な電力が小さくなったことをもとに判定する構成となっているので、精度よくかつ事前に、燃料電池発電電力の応答が遅くなることを予測できる。

なお、第２の実施例において、コンプレッサモータの温度センサを冷却水ポンプモータの温度センサ、コンプレッサモータ温度を冷却水ポンプモータ温度と置き換え、冷却水ポンプモータ温度に応じて、冷却水ポンプモータ出力可能仕事率を計算するようにすることもできる。なぜなら、冷却水ポンプモータ出力可能仕事率が小さくなると、燃料電池の発電に伴う発熱分を抜熱するのに十分な冷却水流量を流すことができなくなり、結果として燃料電池の発電応答は遅くなるからである。

本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施例１を備えた燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。実施例１におけるコントローラの制御フローチャートである。バッテリの充電状態（ＳＯＣ）に対するバッテリ入出力可能電力を示す図である。実施例１におけるコントローラの制御ブロック図である。（ａ）アクセル操作量、（ｂ）車両駆動モータおよび燃料電池出力電力、（ｃ）バッテリ電力、の各比較例を示すタイムチャートである。（ａ）アクセル操作量、（ｂ）車両駆動モータおよび燃料電池出力電力、（ｃ）バッテリ電力の各実施例１におけるタイムチャートにより効果を説明する図である。実施例２におけるコントローラの制御フローチャートである。実施例２におけるコンプレッサモータ温度に対するコンプレッサモータ出力可能仕事率を示す図である。実施例２におけるコントローラの制御ブロック図である。（ａ）アクセル操作量、（ｂ）車両駆動モータおよび燃料電池出力電力、（ｃ）バッテリ電力、の各比較例を示すタイムチャートである。（ａ）アクセル操作量、（ｂ）車両駆動モータおよび燃料電池出力電力、（ｃ）バッテリ電力の各実施例２におけるタイムチャートにより効果を説明する図である。

符号の説明

１…燃料タンク
２…コンプレッサ
３…燃料電池
４…電力制御手段
５…バッテリ
６…車両駆動モータ
７…コンプレッサモータ
８、９…圧力制御弁
１０…コントローラ
１１…冷却水ポンプ
１２…冷却水ポンプ
１３…ラジエター
１４…アクセルセンサ
１５…速度センサ

Claims

燃料電池と、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池及び前記蓄電装置の少なくとも一方から供給される電力で駆動される車両駆動モータと、アクセル操作量に基づいて前記車両駆動モータへのトルク指令値を演算する駆動モータトルク指令演算手段と、
前記燃料電池および前記蓄電装置の少なくとも一方の出力能力を判定する出力能力判定手段とを備え、
前記駆動モータトルク指令演算手段は、前記出力能力判定手段が出力能力が所定値より低いと判定した場合には、アクセル操作に対するトルク指令値の応答を抑制することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
前記出力能力判定手段として、前記蓄電装置の放電可能な電力を演算する蓄電装置放電能力演算手段を備え、
前記駆動モータトルク指令演算手段は、前記蓄電装置放電能力演算手段が演算した放電可能電力が小さくなればなるほど、アクセル操作に対する前記車両駆動モータへのトルク指令値の応答遅れを大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
前記出力能力判定手段として、燃料電池の発電出力の応答遅れを予測する燃料電池出力応答遅れ予測手段を備え、
前記駆動モータトルク指令演算手段は、前記燃料電池出力応答遅れ予測手段が予測した応答遅れが大きくなればなるほど、アクセル操作に対する前記車両駆動モータへのトルク指令値の応答遅れを大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
アクセル操作量に基づいて車両に要求される要求駆動トルクを演算する要求駆動トルク演算手段を備え、
前記駆動モータトルク指令演算手段は、前記出力能力が小さくなればなるほど、前記要求駆動トルクに対する駆動モータへのトルク指令値の応答遅れを大きくすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池出力応答遅れ予測手段は、燃料電池に空気を送り込むコンプレッサ、あるいは冷却水を循環させる冷却水ポンプを駆動するモータの少なくとも一方の出力可能な仕事率に基づいて演算することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の制御装置。