JP2005312243A - 移動体の回生電力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動体の回生電力を消費して十分な回生制動力を得ると共に、再生制動時の固体高分子電解質膜の乾燥を防止または回復し、回生制動終了後の加速性能を確保する。
【解決手段】 コンプレッサ１２が圧縮した空気を加湿して燃料電池本体２に供給する主加湿装置１４に付帯して補助加湿装置１５が設けられる。三方弁２３は、燃料電池本体２から排出されるドレイン水を補助加湿装置１５における加湿用水として供給する。リレー１６は、補助加湿装置１５が内蔵する電熱線ヒータに電力を供給する。二次電池４で回生電力を吸収できない場合、コンプレッサ１１及び冷却水ポンプ１７の回転速度を増加させ、三方弁２３からドレイン水を補助加湿装置１５に供給し、リレー１６をオンする。これによりシステムの消費電力が増加し、車両駆動モータ１０が回生制動力を発揮できると共に、補助加湿装置１５が追加的な加湿を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池を備えた移動体の回生電力制御装置に関する。

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。

一般に燃料電池車両を含む電気駆動車両においては、エネルギー効率向上のために、アクセル解放時及びまたは制動時に車両の運動エネルギーから回生電力を発電して蓄電装置に回収するエネルギー回生を行って車両航続距離を伸延している。

このような燃料電池車両として、車両減速時の回生エネルギーを二次電池に充電できない場合に、燃料電池に圧縮空気を供給するコンプレッサ及び燃料電池冷却水ポンプの回転速度を上げることで消費させる技術が知られている（特許文献１）。
特開２００２−２０３５８３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、コンプレッサの回転速度を増加したり、冷却水ポンプの回転速度を増加することより回生エネルギーを消費していたため、燃料電池に過剰な空気が送り込まれ、固体高分子電解質膜が乾燥したり、燃料電池本体の温度が最適温度より低下するという問題点があった。

このため、回生制動後の再加速時には、固体高分子電解質膜の湿潤度及び温度が回復するまで、燃料電池の発電電力が不足し、十分な加速性能が得られないという問題点があった。このような問題点は、登り下りの繰り返しが多い山坂道を燃料電池車両が通行する際に顕著となる。

上記問題点を解決するために、本発明は、制動時の運動エネルギーから回生電力を発電するエネルギー回生手段と、前記回生電力を充電する二次電池と、燃料電池用の加湿装置とを備えた移動体の回生電力制御装置であって、前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記移動体の走行状態を検出する走行状態検出手段と、前記充電状態検出手段及び前記走行状態検出手段の検出結果に基づいて、前記二次電池または前記加湿装置のいずれか一方に前記回生電力を供給する回生電力切換装置とを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、移動体の制動時に、二次電池の状態が充電不可能であれば、加湿装置で回生電力を消費するように回生電力切換装置が切り換えることができるので、二次電池の状態によらず回生制動を実現することができるという効果がある。

また、エネルギー回生中に燃料電池へ流入する空気湿度を上昇させることができるので、燃料電池内電解質膜の湿度を回復させ、回生終了後の燃料電池の発電出力を素早く立ち上がらせ、回生制動後の加速時に十分な駆動性能を得ることができるという効果がある。

また、回生時に電解質膜を乾燥させることなく、燃料電池本体の劣化を防止することか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、本発明に係る移動体の回生電力制御装置の実施例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。

図１において、燃料電池車両１は、固体高分子型電解質を備えた燃料電池本体２と、燃料電池本体２の発電電圧を直流高圧ライン２５の電圧に変圧して出力する変圧部３と、変圧部３で変圧後の電力を貯蔵するとともに必要に応じて放電する二次電池４と、直流高圧ライン２５の電圧から各種交流機器の駆動電圧または各種直流機器の供給電圧に変圧して出力する電力制御ユニット５と、車両駆動モータ１０と、コンプレッサモータ１１と、コンプレッサモータ１１で駆動され空気を圧縮するコンプレッサ１２と、電装品１３と、コンプレッサ１２が圧縮した空気（酸化剤）を加湿する主加湿装置１４と、主加湿装置に付帯する補助的な加湿装置である補助加湿装置１５と、補助加湿装置１５の電熱線に供給する電力をオン／オフするリレー１６と、燃料電池本体２を冷却する冷却液を循環させる冷却水ポンプ１７と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ１８と、二次電池４の充電状態を検出する充電状態検出手段１９と、車両速度検出手段２０と、アクセル操作量検出手段２１と、制動ブレーキの操作量を検出するブレーキ操作量検出手段２２と、燃料電池ドレイン水を系外へ排出するか補助加湿装置１５に供給するかを切り換える三方弁２３と、燃料電池車両１を制御する車両コントローラ２４とを備えている。

変圧部３は、直流電圧変換用のＤＣ／ＤＣコンバータを備え、運転状態に変動する燃料電池本体２の出力電圧を二次電池４の電圧である直流高圧ライン２５の電圧に変換する。

電力制御ユニット５は、車両駆動モータを駆動する駆動用インバータ６，コンプレッサモータ１１を駆動するコンプレッサ用インバータ６，冷却水ポンプ１７を駆動する冷却水ポンプ用インバータ８、及びエアコンディショナーやオーディオ装置などの電装品１３に供給する直流電圧（例えば、１２〔Ｖ〕、２４〔Ｖ〕、４２〔Ｖ〕）変換用のＤＣ／ＤＣコンバータ９を備えている。

車両コントローラ２４は、駆動用インバータ６に対してトルク指示を行う。駆動用インバータ６は、このトルク指示を受けて、車両駆動モータ１０が指定されたトルクで車両を駆動するように、直流高圧ライン２５から供給された直流電力を交流電力に変換して車両駆動モータ１０に供給する。尚、車両コントローラ２４が指示するトルク値は、負の値を可能となっていて、このとき、車両駆動モータ１０は回生制動トルクを発生し、車両の運動エネルギーから回生電力を発電する。駆動用インバータ６は、この回生電力を整流して、直流高圧ライン２５へ戻す。こうして直流高圧ライン２５に戻された回生電力は、コンプレッサ用インバータ６，冷却水ポンプ用インバータ８、ＤＣ／ＤＣコンバータ９等で消費され、さらに余剰電力は、二次電池２５に充電されるか、或いは、リレー１６がオンになっていると、補助加湿装置１５に内蔵された電熱線ヒータで消費される。

補助加湿装置１５は、燃料電池の酸化剤である空気を加湿する主加湿装置１４に付帯して設けられ、車両制動時に発生する回生電力から車両の補機等の消費電力をさし引いた余剰電力を二次電池４に充電できない場合、この余剰電力を消費する電熱線ヒータを備えている。そして、補助加湿装置１５は、三方弁２３から供給される燃料電池ドレイン水を電熱線ヒータで加熱蒸発させて、付加的な加湿を行う。

主加湿装置１４と補助加湿装置１５とは、例えば直列に接続配置され、主加湿装置１４が加湿した空気を、補助加湿装置１５により更に加湿することができるようになっている。尚、補助加湿装置１５をバイパスするバイパス経路を設けて、補助加湿装置１５を動作させない場合には、主加湿装置１４からこのバイパス経路を経由して燃料電池本体２へ空気を供給してもよい。また補助加湿装置１５の詳細な構成例は、図４を参照して後述される。

車両コントローラ２４には、充電状態検出手段１９，車両速度検出手段２０，アクセル操作量検出手段２１，ブレーキ操作量検出手段２２、リレー１６，及び三方弁２３が接続されている。ここで、車両速度検出手段２０，アクセル操作量検出手段２１及びブレーキ操作量検出手段２２は、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段である。

そして、車両コントローラ２４は、これら充電状態検出手段１９，車両速度検出手段２０，アクセル操作量検出手段２１，ブレーキ操作量検出手段２２検出手段２２の検出信号に基づいて、二次電池４の充電状態及び車両の走行状態を判断し、この判断結果に基づいて、リレー１６及び電子制御式の三方弁２３を制御する。

尚、特に限定されないが本実施例では、車両コントローラ２４は、ＣＰＵ、プログラムＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されており、車両コントローラによる車両の制御は、プログラム制御により実行される。

次に、図２、３に示す車両コントローラの制御フローチャートを参照して、本実施形態における回生電力制御を説明する。尚、このフローチャートは、例えば、１０〔mS〕毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるサブルーチンとして構成されている。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０で車両速度検出手段２０から車両速度ｖを読み込み、Ｓ１２でアクセル操作量検出手段２１からアクセル操作量Ｓa を読み込み、Ｓ１４でブレーキ操作量検出手段２２から制動ブレーキ操作量Ｓb を読み込む。

次いで、Ｓ１６で車両速度ｖ＝０であるか否かを判定し、ｖ＝０であれば、Ｓ１８でアクセル操作量Ｓa ＝０か否かを判定する。Ｓ１８の判定でＳa ＝０であれば、停車中且つアクセルペダルが踏み込まれていない状態であるので、図示しないアイドリング制御へ移る。Ｓ１８の判定でＳa ＝０でなければ、車両速度ｖは０であるがアクセルペダルが踏み込まれた状態であるので、図示しない発進制御へ移る。

Ｓ１６の判定で車両速度ｖ＝０でなければ、車両走行中と判定してＳ２０へ進み、アクセル操作量Ｓa ＝０か否かを判定する。Ｓ２０の判定でＳa ＝０でなければ、通常の力行（駆動輪に駆動力をかけて走行する状態）制御を行うため図３の結合子（１）へ移る。

Ｓ２０の判定でＳa ＝０であれば、走行中であり且つアクセル操作量が０であるので、エンジンブレーキ相当の軽い回生制動または制動ブレーキを働かせる状態であると判断して、Ｓ２２へ進む。Ｓ２２では、制動ブレーキ操作量Ｓb が０であるか否かを判定する。Ｓ２２の判定でＳb ＝０であれば、アクセル操作量と制動ブレーキ操作量が共に０の状態であるので、従来の内燃機関車両のエンジンブレーキ相当の軽い回生制動を行うべく、Ｓ２６へ進む。

Ｓ２２の判定でＳb ＝０でなければ、制動ブレーキが操作されている状態であるので、Ｓ２４へ進み、所定値Ｓb1と制動ブレーキ操作量Ｓb とを比較する。ここで、所定値Ｓb1は、回生制動による制動限界であり、これ以上の制動ブレーキ操作量では、図示しない例えば電気制御機械式制動ブレーキを作動させると判断するものである。ここで、電気制御機械式制動ブレーキとは、従来の内燃機関車両の液圧式ブレーキに代わるもので、従来の液圧作動ピストンに代えて、電気駆動のピストンを用いるものである。

Ｓ２４の判定でＳb1＜Ｓb でなければ、Ｓ２８へ進み、制動ブレーキ操作量Ｓb に対応する制動トルクを駆動用インバータ６に指示して回生制動を行わせ、Ｓ３２へ進む。

Ｓ２４の判定でＳb1＜Ｓb であれば、Ｓ３０へ進み、所定値Ｓb1に対応する制動トルクを駆動用インバータ６に指示して回生制動を行わせ、Ｓ３２へ進む。

尚、Ｓ２８またはＳ３０で制動ブレーキ操作量Ｓb または所定値Ｓb1から対応する制動トルクの指示値を算出するには、予め車両の性格や特性を考慮して作成した換算マップを車両コントローラのＲＯＭ内に記憶しておき、これを参照して算出するものとする。

Ｓ２６では、従来のエンジンブレーキ相当の所定の制動トルクを駆動用インバータ６に指示して回生制動を行わせる。

Ｓ３２では、二次電池４の充電状態を充電状態検出手段１９から読み込む。充電状態検出手段１９は、二次電池４の電圧及び充放電電流をモニタして、車両コントローラが必要なときに二次電池４の充電状態情報を読み出せるものである。

次いで、Ｓ３４で充電状態ＳＯＣが１００〔％〕か否か、言い換えれば、これ以上充電できない満充電状態であるか否かを判定する。Ｓ３４の判定がＮｏであれば、図３の結合子（２）で示す処理へ移る。

Ｓ３４の判定がＹｅｓであれば、回生制動中に発生する回生電力を二次電池４へ充電できない状態であるので、Ｓ３６からＳ４２までの４つの処理操作を並行して行い、４つとも完了するとメインルーチンへリターンする。実際には、これら４つの処理を任意の順序で行うことになる。

Ｓ３６では、燃料電池本体２からドレイン水を補助加湿装置１５へ供給するように三方弁２３を切り換える。これにより補助加湿装置１５には、燃料電池本体２のドレイン水が加湿用水として供給される。三方弁２３は、通常は、燃料電池本体２のドレイン水をパージ流路へ流すように選択している。

Ｓ３８では、補助加湿装置１５の電熱線ヒータに通電するリレー１６をオンする。これにより、直流高圧ラインから補助加湿装置の電熱線ヒータへ電流が供給される。補助加湿装置１５は、供給された燃料電池ドレイン水を電熱線ヒータで加熱して蒸発させ、主加湿装置１４で加湿された空気を更に加湿して燃料電池本体２へ供給するようになる。

Ｓ４０では、冷却水ポンプ用インバータ８に対する冷却水ポンプ１７の回転速度指令値を増加させて、冷却水ポンプ１７の回転速度を増加させる。これにより、直流高圧ラインから冷却水ポンプ用インバータ８への供給電流が増加する。

Ｓ４２では、コンプレッサ用インバータ７に対するコンプレッサモータ１１の回転速度指令値を増加させて、コンプレッサ１２の回転速度を増加させる。これにより、直流高圧ラインからコンプレッサ用インバータ７への供給電流が増加する。

以上のＳ３８からＳ４２の処理により、二次電池４に充電できない場合にも回生電力を消費し、必要十分な回生制動力を得ることができる。また、補助加湿装置１５により湿度が上がった圧縮空気が燃料電池本体２に供給されることで、燃料電池内電解質膜の湿度低下を防止、または低下した湿度を回復させることができ、回生制動の終了後、加速の必要が生じれば、直ちに燃料電池出力を立ち上げることができる。

図３の結合子（１）では、Ｓ４６からＳ５４の５つの処理を並行して行い、５つとも完了すると、Ｓ５６へ進む。実際には、これら５つの処理を任意の順序で行うことになる。

Ｓ４６では、燃料電池本体２からドレイン水をパージ流路へ流すように三方弁２３を切り換える。これは、三方弁２３の通常の状態である。Ｓ４８では、補助加湿装置１５の電熱線ヒータに通電するリレー１６をオフする。これにより、直流高圧ラインから補助加湿装置の電熱線ヒータへ電流供給が停止される。

Ｓ５０では、冷却水ポンプ用インバータ８に対する冷却水ポンプ１７の回転速度指令値を通常へ戻す。Ｓ５２では、コンプレッサ用インバータ７に対するコンプレッサモータ１１の回転速度指令値を通常に戻す。Ｓ５４では、アクセル操作量Ｓa に応じた駆動トルクを駆動用インバータ６に指示し、通常の力行制御を行う。

Ｓ５６では、発電電力と要求電力とを比較し、発電電力が要求電力より小さければ、Ｓ５８へ進み、不足分を二次電池４から放電して、メインルーチンへリターンする。発電電力と要求電力とが等しければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。発電電力が要求電力より大きければ、Ｓ６０で、余剰電力を二次電池４へ充電して、メインルーチンへリターンする。

図３の結合子（２）では、Ｓ６２からＳ７０の５つの処理を並行して行い、５つとも完了すると、メインルーチンへリターンする。実際には、これら５つの処理を任意の順序で行うことになる。

Ｓ６２では、燃料電池本体２からドレイン水をパージ流路へ流すように三方弁２３を切り換える。これは、三方弁２３の通常の状態である。Ｓ６４では、補助加湿装置１５の電熱線ヒータに通電するリレー１６をオフする。これにより、直流高圧ラインから補助加湿装置の電熱線ヒータへ電流供給が停止される。

Ｓ６６では、冷却水ポンプ用インバータ８に対する冷却水ポンプ１７の回転速度指令値を通常へ戻す。Ｓ６８では、コンプレッサ用インバータ７に対するコンプレッサモータ１１の回転速度指令値を通常に戻す。Ｓ７０では、余剰電力で二次電池４に充電する指示を行う。

次に、図４を参照して、補助加湿装置１５の構成例を説明する。図４（ａ）は、補助加湿装置１５の断面図、（ｂ）は圧縮空気流路部の平面図、（ｃ）は多孔質板の平面図、（ｄ）は燃料電池ドレイン水流路図、（ｅ）は電熱線ヒータの配置図である。

図４に示すように、補助加湿装置１５は、通電されると発熱する電熱線ヒータ４１と、加湿用の水が流れる燃料電池ドレイン水流路４２と、多孔質板４３と、圧縮空気流路４４とを備えている。

電熱線ヒータ４１は、図１の直流高圧ライン２５からリレー１６を介して供給される電流で発熱する電気ヒータであり、通電開始から数秒以内に水の沸点１００〔℃〕以上まで温度が上昇する熱容量と消費電力容量を備えている。

燃料電池ドレイン水流路４２は、図１の三方弁２３から供給される燃料電池ドレイン水が流れる流路である。この燃料電池ドレイン水流路４２に流入した水は、電熱線ヒータ４１で加熱され、蒸発する。この蒸気は、直ぐ上の多孔質板４３の孔５３を通り抜けて、圧縮空気流路４４へ入る。

圧縮空気流路４４は、図１のコンプレッサ１２が圧縮し主加湿装置１４で加湿された空気が流れる流路であり、圧縮空気流路４４を流れるうちに圧縮空気はさらに加湿され、この加湿された空気は、燃料電池本体２の空気極へ供給される。圧縮空気流路４４には、多孔質板４３との貫通孔領域５６と、整流フィン５７とが設けられている。

本発明に係る回生電力制御装置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。 実施例のおける車両コントローラの制御フローチャートである。 実施例のおける車両コントローラの制御フローチャートである。 実施例に適用される補助加湿装置の概略構造図である。

符号の説明

１：燃料電池車両
２：燃料電池本体
３：変圧部
４：二次電池
５：電力制御ユニット
６：駆動用インバータ
７：コンプレッサ用インバータ
８：冷却水ポンプ
９：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０：車両駆動モータ
１１：コンプレッサモータ
１２：コンプレッサ
１３：電装品
１４：主加湿装置
１５：補助加湿装置
１６：リレー
１７：冷却水ポンプ
１８：ラジエータ
１９：充電状態検出手段
２０：車両速度検出手段
２１：アクセル操作量検出手段
２２：ブレーキ操作量検出手段
２３：三方弁

Claims (6)

1. 制動時の運動エネルギーから回生電力を発電するエネルギー回生手段と、前記回生電力を充電する二次電池と、燃料電池用の加湿装置とを備えた移動体の回生電力制御装置であって、
   前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
   前記移動体の走行状態を検出する走行状態検出手段と、
   前記充電状態検出手段及び前記走行状態検出手段の検出結果に基づいて、前記二次電池または前記加湿装置のいずれか一方に前記回生電力を供給する回生電力切換装置と、
   を備えたことを特徴とする移動体の回生電力制御装置。
2. 前記充電状態検出手段が、二次電池の充電状態が既定値以上であると判断した場合に、前記回生電力制御装置は、前記加湿装置に回生電力を出力することを特徴とする請求項１記載の移動体の回生電力制御装置。
3. 前記加湿装置は、前記燃料電池の発電に基づく生成水により前記燃料電池へ供給する酸化剤を加湿することを特徴とする請求項１または請求項２記載の移動体の回生電力制御装置。
4. 前記加湿装置は、電熱線ヒータにより水分を蒸発させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の移動体の回生電力制御装置。
5. 前記加湿装置は、酸化剤の主たる加湿装置に付帯する、補助的な加湿装置であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の移動体の回生電力制御装置。
6. 前記走行状態検出手段は、
   アクセル操作量を検出するアクセル操作量検出手段と、
   移動体の速度を検出する速度検出手段と、
   前記アクセル操作量検出手段及び前記速度検出手段の検出結果に基づいて前記移動体がエネルギー回生中であることを判断する回生判断手段と、を備え、
   該回生判断手段の判断結果に基づいて、前記回生電力切換装置は前記回生電力の供給先を切り換えることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の移動体の回生電力制御装置。

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