JP2006034036A - 燃料電池車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回生制動時の余剰電力を有効に利用できる燃料電池車両を提供する。
【解決手段】 パワーマネジャ３０は、回生制動時に車両駆動モータ３１が回生電力を発生する発電機となるように制御する。回生電力が燃料電池車両で余剰電力となる場合、コンプレッサ５を余剰に回転させて余剰空気流を作り、第１可変弁７、バイパス管路９を介して空気流利用手段１２へ供給する。空気流利用手段１２では、ブレーキ１４の負荷に応じて、第２可変弁１３により余剰空気流をブレーキ１４に供給する空気流量と、パージ水素希釈装置１５に供給する空気流量とに分配する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回生制動を行う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剤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。燃料電池は、電解質の種類により、水酸化カリウム型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等に分類される。特に、後２者は、固体電解質を用いるので取り扱いが容易であることから電動車両用の電源として注目されている。

ところで、電動車両やハイブリッド車両では、燃費向上や一充電当たりの航続距離伸延のために、車両制動時に発生する制動トルクを電力として回収する回生制動が一般に用いられている。この回生制動時に、バッテリが満充電状態であったり、バッテリを備えない燃料電池車両では、回生電力を消費する必要がある。

例えば、車両駆動用のバッテリを備えない燃料電池車両においては、燃料電池に空気を供給するコンプレッサにより回生電力を消費する構成としたものがある（例えば、特許文献１）。この燃料電池車両では、回生制動時にコンプレッサが発生する高圧、高流量の空気から燃料電池本体を保護するために、燃料電池に供給する空気をバイパスさせるバイパスバルブと、カソード圧力を制限する背圧バルブとを備えていた。
特開２００３−１８０００６号公報（第５頁、図３）

しかしながら、上記従来の燃料電池車両にあっては、回生制動時に発生する余剰電力が無駄に消費され、有効に活用されないという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池へ空気を供給するコンプレッサと、少なくとも前記燃料電池の電力を受けて車両を駆動するとともに、車両制動時に回生制動を行うことができる車両駆動モータと、前記コンプレッサが燃料電池に供給する空気に余剰が生じた場合、この余剰空気を利用する空気流利用手段と、前記コンプレッサから燃料電池の空気入口までの管路から分岐して前記空気流利用手段に空気を供給するバイパス管路と、前記コンプレッサから燃料電池へ供給する空気と、前記空気流利用手段へ供給する空気との割合を任意に調節する第１可変弁と、を備えた燃料電池車両の制御装置であって、車両の回生制動時の余剰電力で前記コンプレッサを余剰に運転し、燃料電池が必要としない余剰空気を前記第１可変弁及び前記バイパス管路を介して前記空気流利用手段へ供給することを要旨とする。

本発明によれば、車両の回生制動時に発生する余剰電力をコンプレッサで空気流のエネルギーに変換し、この空気流を空気流利用手段で有効に利用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、本発明の実施例を詳細に説明する。尚、本発明を固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池車両に適用した例を説明するが、燃料電池の形式は固体高分子型に限らず、水酸化カリウム型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池等の他の形式の燃料電池を用いた燃料電池車両にも本発明を適用可能であることは明らかである。

図１は、本発明に係る燃料電池車両の制御装置が適用される燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。

同図において、燃料電池車両１は、カソード３とアノード４を備える燃料電池２と、酸化剤ガスとしての空気を圧縮するコンプレッサ５と、コンプレッサ５で圧縮された空気を冷却するアフタークーラ６と、アフタークーラ６で冷却された空気をカソード３と空気流利用手段１２とに分配する第１可変弁７と、カソード３の圧力を制御する空気圧制御弁１０と、回生制動時の余剰電力で余剰に駆動されたコンプレッサ５の空気流を利用する空気流利用手段１２と、冷却液の流量を要冷却部品１６とアフタークーラ６とに任意に分配する可変弁１７と、冷却液を循環させる冷却液ポンプ１８と、冷却液を放熱させるラジエタ１９と、ラジエタ１９へ送風するラジエタファン２０と、燃料ガスとしての水素を貯蔵する水素タンク２１と、水素圧力を調整する水素圧力調整弁２２と、アノード４の出口から排出される未反応水素をアノード入口へ戻す水素循環路２３と、水素循環路２３の水素ガスを循環駆動する水素循環ポンプ２４と、アノード４及び水素循環路２３に蓄積した不純物を排出するパージ弁２５と、燃料電池２の発電電力を適宜変換して負荷装置に供給するパワーマネジャ３０と、車両駆動モータ３１と、二次電池３２と、補機用インバータ３３〜３７と、制御装置３８とを備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子型燃料電池であり、カソード３に供給された空気中の酸素と、アノード４に供給された水素とを反応ガスとして、これらの電気化学反応により発電する。この発電電力は、パワーマネジャ３０を介して、二次電池３２、車両駆動モータ３１、補機用インバータ３３〜３７へ供給される。

燃料ガスとしての水素は、高圧ガスタンクや水素吸蔵材料タンクを用いた水素タンク２１に貯蔵されている。水素タンク２１の水素は、水素圧力調整弁２２により圧力調整されて、アノード４の入口へ供給される。アノード４で電気化学反応しなかった水素は、アノード出口から排出され、水素循環ポンプ２４に駆動されて水素循環路２３によりアノード入口側へ循環される。

燃料電池２の運転中にカソード３からアノード４へリークした空気中の窒素やアルゴン等の不活性ガスは、アノード４、水素循環路２３、水素循環ポンプ２４で構成される循環経路内に蓄積し水素分圧が低下する。また発電の電気化学反応による生成水がアノード４の内部に凝結し液水となって水素ガスの供給を妨げる場合がある。このような状況が生じた場合、パージ弁２５を開いて不純物を含んだ水素ガスをアノード４から排出させる。排出されたガスは、パージ水素希釈装置１５に入り、希釈空気供給装置（希釈ファン）２７から供給される空気により、水素の燃焼限界未満の濃度まで希釈された後に排出される。

燃料電池２、パワーマネジャ３０、車両駆動モータ３１等は、その動作に伴う発熱量が多いので冷却する必要がある。これらは、要冷却部品１６に代表させて図１に示されているが、実際には個々に冷却液を循環させる配管が設けられている。またコンプレッサ５により圧縮された空気を冷却するアフタークーラ６も冷却を要する。

これらを冷却するために、ラジエタ１９、ラジエタファン２０、冷却液ポンプ１８、可変弁１７が設けられている。ラジエタ１９で放熱して温度が低下した冷却液は、冷却液ポンプ１８により圧送され、可変弁１７により冷却液流量がアフタークーラ６と要冷却部品１６とに分配される。アフタークーラ６及び要冷却部品１６を冷却して温度が上昇した冷却液は、ラジエタ１９に戻って再び放熱される。

酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ５により必要な圧力まで圧縮され、圧縮されて高温となった空気は液冷式のアフタークーラ６で冷却される。アフタークーラ６で冷却された空気は、第１可変弁７によりカソード供給管路８とバイパス管路９とに分流する。通常の運転時には、第１可変弁７は全流量をカソード供給管路８に供給する。しかし、車両の回生制動時に回生電力が余剰となる場合、制御装置３８は、コンプレッサ５の回転速度を上昇させて余剰電力を吸収させると共に、カソード３が必要とする空気量より余剰の空気流を発生させる。この余剰空気流は、制御装置３８に制御される第１可変弁７によりバイパス管路９を介して空気流利用手段１２へ供給される。

これにより回生制動時の回生電力消費のために、燃料電池２が必要とする量以上の空気量をコンプレッサが吐出しても、第１可変弁７を介してバイパス管路９へ流すことができ、過剰な空気流による燃料電池カソード３の乾燥を防止することができる。また余剰空気流は、空気流利用手段１２により有効に利用される。

余剰空気流利用手段１２は、本実施例では、各車輪に設けられた摩擦制動装置であるブレーキ１４と、パージ水素希釈装置１５である。制御装置３８により制御される第２可変弁１３は、バイパス管路９から供給される余剰空気流をブレーキ１４とパージ水素希釈装置１５とに任意に分配可能となっている。

ブレーキ１４は、ブレーキ状態信号として、ブレーキ系統毎のブレーキ液圧力、各ブレーキのブレーキロータ（ディスク）またはブレーキパッドの温度をブレーキ温度として制御装置３８へ出力している。制御装置３８は、後述するように、ブレーキ液圧力及びまたはブレーキ温度に基づいて第２可変弁１３を制御して、余剰空気流のブレーキ１４への供給量を制御する。

車両の回生制動時には、燃料電池２は車両駆動のために発電する必要が無く、燃料電池２が必要とする空気量は多くない。このため、回生制動による余剰電力をコンプレッサ５の回転速度増加により消費すると、コンプレッサ５が吐出する空気量のうち大部分は、第１可変弁７を介して空気流利用手段１２へ供給することになる。

空気流利用手段１２における空気流量を分配するのが第２可変弁１３である。第２可変弁１３は、制御装置３８の制御により、ブレーキ１４とパージ水素希釈装置１５に余剰空気流を分配する。パージ水素希釈装置１５に余剰空気流が供給される場合、本来の希釈空気供給装置２７からパージ水素希釈装置１５への供給空気量を低減し、希釈空気供給装置２７による電力消費を抑制することができる。

パワーマネジャ３０は、車両の回生制動時に、車両駆動モータ３１を回生制動するように制御する。回生制動により発生した回生電力は、二次電池３２の充電状態により優先的に二次電池の充電に利用されるが、充電可能でない場合や充電しても余剰電力がある場合には、制御装置３８の制御により補機用インバータ３３を介してコンプレッサ５により消費される。このとき、燃料電池２のカソード３が必要とする量以上の空気量がコンプレッサ５から吐出され、この余剰空気を第１可変弁７によりバイパス管路９に分配する。

補機用インバータ３３〜３７は、それぞれコンプレッサ５，冷却液ポンプ１８，ラジエタファン２０，水素循環ポンプ２４，及び希釈空気供給装置２７である補機を所望の回転速度で駆動するインバータである。制御装置３８は、燃料電池を適切な運転状態に維持する為に、各補機用インバータ３３〜３７に対してそれぞれ回転速度の指示を行う。

制御装置３８は、ブレーキ１４のブレーキ液圧力、ブレーキ温度、駆動トルク指令値、及び車速を入力して、各補機用インバータ３３〜３７，及び可変弁７，１３，１７を制御することにより、回生制動時の余剰電力制御を行うと共に、燃料電池車両１における燃料電池システムの制御を行うものである。

制御装置３８は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラム及び各種制御マップを記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

次に図８のフローチャートを参照して、制御装置３８による回生制動時の制御内容を説明する。尚、このフローチャートは、燃料電池車両１の起動後、所定時間（例えば、５０［ｍＳ］）毎に呼び出されて実行されるものとする。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、回生制動中か否かを判定する。回生制動中か否かの判定は、車速の符号と駆動トルク指令値の符号との積の符号が負であれば回生中と判定する。ここで、車速の符号は、前進時を＋とし、駆動トルク指令値の符号は、前方への駆動を＋とする。これを図示すれば、図４となる。

Ｓ１０の判定で、回生制動中でなければ、何もせずにリターンする。Ｓ１０の判定で、回生制動中であれば、次いでＳ１２で余剰電力の有無を判定する。ここで余剰電力は、供給電力から消費電力を減じた電力である。供給電力は、燃料電池の発電電力と回生電力との和である。燃料電池の発電電力は、アイドリング発電電力、或いはアイドルストップによる０である。消費電力は、燃料電池がアイドリング状態で有れば、その状態における補機の消費電力と、二次電池３２の充電電力との和である。二次電池３２の充電電力は、二次電池３２の充電状態（ＳＯＣ）の関数である。二次電池を備えない燃料電池車両であれば、充電電力を考慮する必要はない。

図５は、二次電池残量（ＳＯＣ）に基づく余剰電力の算出例を示す図である。二次電池残量に対する充電可能電力は、二次電池のタイプによって異なるが、本実施例では、二次電池残量に対して負の係数を有する一次関係となっている。燃料電池がアイドルストップしていれば、回生電力から二次電池充電可能電力を減じたものが余剰電力となる。

Ｓ１２の判定で、余剰電力が０または負であれば、何もせずにリターンする。Ｓ１２の判定で、余剰電力が正であれば、Ｓ１４へ進み、制御装置３８は、コンプレッサ５で余剰電力を消費するように、コンプレッサ５を駆動する補機用インバータ３３へ回転速度上昇を指示する。これによりコンプレッサ５の回転速度が上昇し、燃料電池２のカソード３が必要とする空気流量より多くの空気流量を吐出するようになる。

次いでＳ１６において、制御装置３８は、第１可変弁７をバイパス管路９側にも開くように制御して、燃料電池２のカソード３が発電に必要としない余剰空気流を空気流利用手段１２へ供給する。

次いでＳ１８において、制御装置３８は、ブレーキ温度、またはブレーキ液圧力からブレーキ１４の使用状況としてブレーキ負荷を算出する。図２は、ブレーキ温度からブレーキ負荷を算出するマップの例を示す。ブレーキ温度が高いほど大きいブレーキ負荷を算出する。図３は、ブレーキ液圧力からブレーキ負荷を算出するマップの例を示す。このマップの代わりにブレーキ液圧力に比例してブレーキ負荷を算出してもよい。

次いでＳ２０において、制御装置３８は、ブレーキ負荷に応じて、第２可変弁１３によりブレーキ１４とパージ水素希釈装置１５へ供給する余剰空気量の供給割合を調節する。ここで、図６に示すように、ブレーキ負荷が大きければ大きいほど、ブレーキ冷却の必要があるので、ブレーキ１４に余剰空気流が多く流れるように、言い換えればパージ水素希釈装置１５に少なく流れるように、第２可変弁１３を制御する。このように、ブレーキ負荷が大きいほど、ブレーキ１４を冷却する余剰空気流の流量を増加させることができるので、ブレーキ温度の過度な上昇を防止し、常に適正な制動力を得ることができる。

次いでＳ２２において、制御装置３８は、第２可変弁１３を介してパージ水素希釈装置１５に供給される余剰空気流量に応じて、希釈空気供給装置２７から供給する希釈空気量を減じるために、希釈空気供給装置２７の回転速度を制御する補機用インバータ３７へ回転速度を低下させる指令を行う。

図７は、パージ水素希釈装置１５に流れる余剰空気量に対する希釈空気供給装置２７の回転速度計算マップの例である。パージ水素希釈装置１５の必要希釈空気量を一定とすれば、これに供給される余剰空気量の分だけ、希釈空気供給装置２７が供給すべき空気量を低減させ、その回転速度を低下させることができる。これにより、パージ水素希釈装置１５における希釈用空気量を減じることなく、希釈空気供給装置２７の消費電力を削減することができる。

次いでＳ２４において、制御装置３８は、まだ回生制動による余剰電力があるか否かを判定し、余剰電力がなければ、リターンする。Ｓ２４の判定で、余剰電力が残っていればこれを消費させるために、Ｓ２６へ進み、冷却液ポンプ１８及びラジエタファン２０の回転速度を上昇させることにより冷却液温度を低下させる。そして要冷却部品１６を冷却するのに必要な冷却水量以外は、アフタークーラ６へ流れるように、可変弁１７のアフタークーラ側への開度を増加させて、リターンする。これによりアフタークーラ６の冷却能力が増加し、より温度の低い余剰空気流をブレーキ１４に供給できるようになり、ブレーキ１４の冷却効果をより一層増加させることができる。

本発明に係る燃料電池車両の制御装置が適用される燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。 ブレーキ温度に対するブレーキ負荷の関係を説明する図である。 ブレーキ液圧力に対するブレーキ負荷の関係を説明する図である。 車速と駆動トルク指令値による回生中の判定を説明する図である。 回生中の余剰電力算出を説明する図である。 第２可変弁によるブレーキと希釈装置とに供給する余剰空気流の供給割合を説明する図である。 パージ水素希釈装置へ供給する希釈空気量算出を説明する図である。 制御装置による回生中の余剰電力消費制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池車両
２…燃料電池
３…カソード
４…アノード
５…コンプレッサ
６…アフタークーラ
７…可変弁（第１可変弁）
８…カソード供給管路
９…バイパス管路
１０…空気圧力調整弁
１１…カソード排出管路
１２…空気流利用手段
１３…可変弁（第２可変弁）
１４…ブレーキ
１５…パージ水素希釈装置
１６…要冷却部品
１７…可変弁
１８…冷却液ポンプ
１９…ラジエタ
２０…ラジエタファン
２１…水素タンク
２２…水素圧力調整弁
２３…水素循環管路
２４…水素循環ポンプ
２５…パージ弁
２６…水素排出管路
２７…希釈空気供給装置
２８…希釈空気供給管路
３０…パワーマネジャ
３１…車両駆動モータ
３２…二次電池
３３〜３７…補機用インバータ
３８…制御装置

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
   該燃料電池へ空気を供給するコンプレッサと、
   少なくとも前記燃料電池の電力を受けて車両を駆動するとともに、車両制動時に回生制動を行うことができる車両駆動モータと、
   前記コンプレッサが燃料電池に供給する空気に余剰が生じた場合、この余剰空気を利用する空気流利用手段と、
   前記コンプレッサから燃料電池の空気入口までの管路から分岐して前記空気流利用手段に空気を供給するバイパス管路と、
   前記コンプレッサから燃料電池へ供給する空気と、前記空気流利用手段へ供給する空気との割合を任意に調節する第１可変弁と、
   を備えた燃料電池車両の制御装置であって、
   車両の回生制動時の余剰電力で前記コンプレッサを余剰に運転し、燃料電池が必要としない余剰空気を前記第１可変弁及び前記バイパス管路を介して前記空気流利用手段へ供給することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
2. 前記空気流利用手段は、車輪と一体となって回転する回転体に摩擦部材を押圧して車両を制動する摩擦制動装置であり、前記バイパス管路を介して供給される空気により、該摩擦制動装置を冷却するように制御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。
3. 前記コンプレッサと前記可変弁との間に液冷式アフタークーラが配置され、
   前記回生制動時に、前記液冷式アフタークーラの冷却液を循環させる冷却液ポンプと、該冷却液用のラジエタに送風するラジエタファンとの少なくとも一方の駆動量を増加させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両の制御装置。
4. 前記空気流利用手段は、前記燃料電池のアノードから排出されるパージガスを希釈するパージ水素希釈装置であり、
   前記コンプレッサから該パージ水素希釈装置に供給される空気量に応じて、該パージ水素希釈装置に空気を供給する希釈空気供給装置の空気供給量を調節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。
5. 車輪と一体となって回転する回転体に摩擦部材を押圧して車両を制動する摩擦制動装置と、前記燃料電池のアノードから排出されるパージガスを希釈するパージ水素希釈装置とを前記空気流利用手段として備えるとともに、
   前記余剰空気を前記摩擦制動装置と前記パージ水素希釈装置とに任意の割合で分配する第２可変弁を備えた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。
6. 前記摩擦制動装置の状態を検出する摩擦制動状態検出手段と、
   該摩擦制動状態検出手段が検出した摩擦制動状態に基づいて、前記第２可変弁を制御する余剰空気分配制御手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池車両の制御装置。

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