JP2005065470A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 坂道発進時にロールバックした場合の回生電力の発生を防止するとともに、坂道発進性能を高める。
【解決手段】 インバータ２は、燃料電池システム１が発電した直流電力を交流電力に変換して駆動モータ３を回転駆動する。駆動モータ３は、流体継ぎ手であるトルクコンバータ８を介してギア９に駆動力を伝達する。ギア９は、最終減速を行って駆動軸１０を介して駆動輪４を回転させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池車両に係り、特に坂道発進性能を改善した燃料電池車両に関する。

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。

燃料電池車両における発電量の制御方式としては、例えば、特許文献１記載の出力調整方法が知られている。この方法によれば、モータ等の駆動ユニットが吸収可能な電力量より大きな電力量を燃料電池スタックにて発電することを防止するとともに、燃料電池の発電量より大きな電力を駆動ユニットが要求することを阻止していた。

このとき、燃料電池車両の制御装置では、駆動ユニットに供給する電力量や制御目標値を制御すると共に、燃料電池スタックの発電量を制御していた。具体的には、従来の燃料電池車両の制御装置では、燃料電池スタックが発生する出力電圧より大きな出力電圧が駆動ユニットから要求されないように、燃料電池スタックに供給している空気流量に従って駆動ユニットからの出力要求を補正していた。
特開平７−７５２１４号公報（第３頁、図１）

坂道に燃料電池車両が停止している状態から坂道を登る方向に発進する場合に、ドライバーがブレーキからアクセルを操作しようとして、ブレーキを離し始めるとブレーキによる制動力が勾配抵抗より小さくなり坂道を下り始めるロールバックが発生する。そして、ドライバーがアクセルを踏み始めると、駆動モータが駆動力（坂道を登る方向の駆動力）を出し始め、駆動力が勾配抵抗と摩擦抵抗の和を超えると、燃料電池車両の加速度が前進方向となり、車両速度が後退から前進となる。

このように、燃料電池車両が坂道を登る場合の駆動モータの回転方向を正方向とし、正トルクを発生させるとした場合、ロールバックする場合には、駆動モータの回転方向が負方向となり、駆動モータが発電して回生電力を発生させる状態となる。

しかし、従来の燃料電池車両の制御装置では、燃料電池スタックの出力が増加する場合の燃料電池スタックの出力電圧と駆動ユニットの出力要求との関係については考慮されているが、燃料電池車両にロールバックなどが発生した場合に駆動モータが回生電力を発生することについては考慮されていない。

ここで、駆動モータが発生する回生電力は、燃料電池車両で使われる補機電力を超えることができない。もし回生電力が補機電力を超えてしまった場合には、余剰電力となり燃料電池スタックとインバータとの間の電圧が急上昇し、燃料電池スタックやインバータの素子を劣化させる可能性があるという問題点があった。

これに対し、回生電力が補機電力を超えないようにした場合には、駆動モータが出力する駆動力が勾配抵抗と摩擦抵抗との和を超えることができず、結果として車両が坂道発進できない可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記従来の問題点を解決するため、燃料電池を電源とする駆動モータにより車両を駆動する燃料電池車両において、前記駆動モータと、駆動輪軸との間に流体継ぎ手を設けたことを要旨とする。

本発明によれば、車両を駆動する駆動モータと、駆動輪軸との間にトルクコンバータなどの流体継ぎ手をつけた構成となっているので、坂道発進におけるロールバック時などにおいても、回生電力を発生させること無く、また、補機消費電力を増やすなど、燃費に悪影響を及ぼすことなく、良好な坂道発進性能を得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。
図１は、本発明に係る燃料電池車両の実施例の構成を説明する構成図である。図１において、燃料電池車両は、燃料電池システム１と、燃料電池が発電した直流電力を交流電力に変換するインバータ２と、インバータ２の交流電力が供給され車両を駆動する駆動モータ３と、駆動輪４と、従動輪５と、車速センサ６と、燃料電池に空気を供給するコンプレッサや冷却水ポンプ等の補機７と、駆動モータ３の駆動力をギア９に伝える流体継ぎ手としてのトルクコンバータ８と、最終減速装置（ファイナル・ギア）及び差動装置（デファレンシャル・ギア）の機能を有するギア９と、駆動軸１０と、燃料電池車両全体を制御するコントローラ１１とを備えている。

燃料電池システム１は、駆動モータ３が消費する電力が発電できるように、コントローラ１１の発電指令に基づいて水素と空気の圧力、流量などが補機７に含まれる圧力調整弁、コンプレッサで制御される。インバータ２は燃料電池の直流電力を交流電力に変換し、コントローラ１１から指示される駆動モータ出力トルクとなるように駆動モータ３を制御する。

トルクコンバータ８は、例えば３要素１段２相型の流体トルクコンバータであり、駆動モータ３と駆動軸（駆動輪軸）１０との間に設置され、駆動モータトルクを駆動輪４へ伝達する流体継ぎ手である。駆動輪４はトルクコンバータ８と機械的に接続されており、駆動トルクをタイヤに伝達し、駆動力を発生する。ここには車速センサ６が設けられ、駆動輪４の回転速度を検出して、コントローラ１１に伝える。

尚、駆動モータ３と駆動輪軸との間に設ける流体継ぎ手としては、インペラー、ステータ、タービンの３要素を備えて、トルク増大及びトルク伝達ができるトルクコンバータ８以外に、ステータを備えずインペラーとタービンの２要素からなる流体カップリングを用いてもよい。但し、流体カップリングを用いる場合は、トルク増大機能を期待できない。

図２に坂道発進の概略を示す。勾配θの坂道に質量Ｍの車両が停止している場合、車両には坂道を下る方向におよそ勾配抵抗Ｍｇsinθ（ｇは重力加速度）の力が働く。一方、ドライバーがブレーキを踏むことによる摩擦力が逆方向に同じ大きさだけ（およそＭｇsinθ）働き、車両は停止することができる。

ここで、この状態から坂道を登る方向に発進する場合について、比較例として、トルクコンバータを有さず、駆動モータと駆動輪が直結されている例を図３のグラフ、及び図４（ａ）、（ｂ）の模式図に沿って説明する。

図３において、ｔ１の期間は、ドライバーがブレーキを踏み、車両が停止している状態である。この停止状態を図４（ａ）に示す。ｔ１では、燃料電池の発電電力Ｐstack が補機消費電力Ｐaux と駆動モータ消費電力Ｐmgとの和となる。

図３において、ｔ２の期間は、ドライバーがブレーキからアクセルにを踏み代えようとして、ブレーキを離し初めているところである。ブレーキによる制動力が勾配抵抗Mgsinθより小さくなり坂道を下り始め（車両速度が後退方向に動く）、ｔ３の期間はブレーキとアクセルどちらも踏まない状態で、ブレーキによる制動力が０となりさらに車両は後退方向に加速される。図４（ｂ）は、ロールバック時の様子を示す模式図である。車両が後退することにより、駆動モータ３は逆転して回生電力を発生し、インバータ２で整流された回生電力Ｐmgが補機側へ供給される。ｔ４の期間はドライバーがアクセルを踏みはじめる。

図３のＡに示すように、駆動モータの回生電力Ｐmgは、車両で使われる補機電力Ｐaux を超えることができない。もし、ＰmgがＰaux を超えてしまった場合には、Ｐmg−Ｐaux は余剰電力となり、燃料電池とインバータ間の電圧が急上昇し、燃料電池やインバータの素子を劣化させる可能性がある。ＰmgがＰauxを超えないようにした場合には、駆動モータが出力する駆動力が、勾配抵抗を超えることができず、結果として車両が前進できないという可能性がある、という問題がある。

次に図５は、本実施例の車両が坂道発進を行い、走行し、停止するまでの駆動モータトルクなどの様子を時系列に示したものである。また、図４（ｃ）は本実施例の停止時、（ｄ）は本実施例のロールバック時を説明する模式図である。

図５中状態１＿Ａの領域は、ドライバーがブレーキを踏み、車両が停止している状態である。このとき、コントローラ１１は、ブレーキ操作量がブレーキ操作量閾値より大きいので、図６の状態遷移図に示すとおり、状態１のまま遷移せず、駆動モータを停止（トルク０）に制御する。

図５中状態２＿Ｂの領域では、ブレーキを離し、アクセルを操作するまでの間である。このとき、コントローラ１１は、ブレーキ操作量がブレーキ操作量閾値以下となるので、図６の状態遷移図に示すとおり、状態２に遷移し、駆動モータを回転速度で制御する。

図７は、本発明に適用可能な一般的なトルクコンバータの特性図の例である。図２の状態２では、トルクコンバータ（Ｔ／Ｃ）の特性に従い、駆動モータ回転速度（Ｔ／Ｃの入力回転速度）がギアの入力回転速度（Ｔ／Ｃの出力回転速度）に変換されるとともに、トルクも変換されて伝達される。そして、ギアで最終減速された後に、駆動力がタイヤに伝達される。

ここでは、駆動力が勾配抵抗より小さく、ロールバックしてしまった場合を例に挙げる。
図５中状態２＿Ｂの領域では、車両としては後退しているものの、Ｔ／Ｃを介して駆動モータと駆動輪が接続されているので、駆動モータ回転速度は正方向（進行方向）、正トルクとなるので、駆動モータとしては電力を消費することになり、回生電力を発生することは無い。

図５中状態３の領域では、アクセルが操作され所定値（約０）より大きくなる。このとき、コントローラ１１は、図６の状態遷移図に示すとおり、状態３に遷移し、駆動モータをアクセル操作量に従ったトルク制御を行う。その結果、駆動モータトルクが増加し、さらに駆動モータトルクがトルクコンバータで増加されて駆動輪に伝えられるので、駆動力が勾配抵抗に打ち勝ち、車両は後退から前進に転じることになる。その後、アクセルが約０になるまでは、状態３での制御が継続される。本実施形態では、トルクコンバータを備えない比較例に対して車両発進時の駆動トルクが増強され、発進可能な勾配角度が増加し、発進性能が向上する。

図５中状態２＿Ｃの領域では、アクセルが約０となり、ブレーキを踏み始め、減速している状態である。このとき、コントローラ１１は、アクセル操作量が所定値（約０）となるので、図６の状態遷移図に示すとおり、状態２に遷移し、駆動モータを回転速度で制御する。その結果、図７に示す一般的なトルクコンバータ（Ｔ／Ｃ）の特性に従い、駆動モータ回転速度（Ｔ／Ｃの入力回転速度）とギアの入力回転速度（Ｔ／Ｃの出力回転速度）の比に応じた駆動力（Ｔ／Ｃ出力トルク）がギアで変換されてタイヤに伝達されるが、ブレーキにより車は停止していく。

図５中状態１＿Ｄの領域では、ブレーキがさらに踏まれ、車両が停止している状態である。このとき、コントローラ１１はブレーキ操作量が、ブレーキ操作量閾値より大きくなるので、図６の状態遷移図に示すとおり、状態１に遷移し、駆動モータを停止（トルク０）に制御する。

図８には、ブレーキ操作もアクセル操作も０でいわゆるコースティング走行時の状態を示す。このとき、図６の状態遷移図に示すとおり、ブレーキ操作量もアクセル操作量もそれぞれ閾値または所定値以下となり、状態２に遷移し駆動モータは回転速度制御をすることになる。

本実施例では、図８（ｂ）に示すように、コースティング走行時に、駆動モータを逆転させて、トルクコンバータを介して制動力を駆動輪に伝えることで、適度な制動力を車両に与えるものである。これにより、コースティング走行中の車両速度は、図８（ｃ）に示すように比較例より速度低下率が大きくなる。

図９には、車両速度に対するコースティング走行時の駆動モータの回転速度制御の設定例を示す。本実施例では、車両速度の高い時には、駆動モータを進行方向に対して逆方向に回転させ、内燃機関車両のエンジンブレーキ相当の機能を実現しようというものである。

図８（ｂ）の制駆動力のグラフに示したとおり、走行抵抗に加えて、駆動モータによる減速度を駆動モータから回生電力を発生することなく与えることができ、２次電池を備えない燃料電池車両でも、内燃機関車両のエンジンブレーキ相当の機能を実現できる。

以上、説明してきたように、本実施例では、補機消費電力を大きくし、無駄な燃料消費をすることなく、２次電池の無い車両においても良好な坂道発進性能を実現することができる。

また、アクセルおよびブレーキペダルを離した場合の適度な制動力を得ることもできる。

本発明に係る燃料電池車両の実施例の構成を説明する構成図である。 勾配θの坂道から質量Ｍの車両が坂道発進する場合の説明図である。 駆動モータと駆動輪が直結されている比較例における坂道発進のタイムチャートである。 （ａ）比較例の停止時、（ｂ）比較例のロールバック時、（ｃ）実施例の停止時、（ｄ）実施例のロールバック時をそれぞれ示す模式図である。 実施例における坂道発進のタイムチャートである。 実施例の状態遷移図である。 トルクコンバータの特性図である。 実施例における内燃機関車のエンジンブレーキ相当の機能を説明する図である。 コースティング走行時の車両速度に対する駆動モータ回転速度制御指令値を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
１ａ…ダイオード
２…インバータ
３…駆動モータ
４…駆動輪
５…従動輪
６…車速センサ
７…補機
８…トルクコンバータ
９…ギア
１０…駆動軸
１１…コントローラ

Claims (3)

1. 燃料電池を電源とする駆動モータにより車両を駆動する燃料電池車両において、
   前記駆動モータと、駆動輪軸との間に流体継ぎ手を設けたことを特徴とする燃料電池車両。
2. 前記流体継ぎ手は、トルクコンバータであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両。
3. 前記駆動モータを駆動時の回転方向と逆方向に回転させることで減速度を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両。

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