JP2006210253A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電応答遅れによって車両に供給される電力が不足することを防止する。
【解決手段】コントローラ２１が、車両の状態を検出し、検出された車両の状態に基づいて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定し、推定された消費電力応答時間に基づいて燃料電池スタック１の目標復帰時間を算出する。そして、コントローラ２１は、算出された目標復帰時間に基づいて燃料電池スタック１の発電停止方法を選択する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

従来より、バッテリの充電状態や車速等の車両状態に応じて燃料電池の発電停止状態（アイドルストップ状態）の許可／禁止を制御することにより、燃費の向上を図る燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
特開２００４−５６８６８号公報 特開２００２−３５２８２７号公報

ところで、一般に、車両が上り坂や下り坂を走行している場合や車両の質量が増加又は減少した場合、駆動モータの消費電力応答時間は変化する。また、空調装置等の車両補機が電力を消費している場合や駆動モータが既にある程度の電力を消費している場合には、バッテリが駆動モータに供給可能な最大電力は減少する。また、燃料電池から発電停止状態から発電状態に復帰するまでに要する時間は発電停止の方式や状態に応じて異なる。しかしながら、従来までの燃料電池システムは、車両の状態のみに応じて燃料電池の発電停止状態の許可／禁止を制御する構成になっているために、上記のような場合、燃料電池の発電応答遅れによって駆動モータに供給可能な電力が不足することにより、運転者が加速感覚に違和感を感じたり、バッテリが過放電を起こす可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池の発電応答遅れによって車両に供給される電力が不足することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両の状態に基づいて車両が要求する電力の応答時間を推定し、推定された応答時間に基づいて燃料電池が発電停止状態から復帰するまでの目標復帰時間を算出し、算出された目標復帰時間に基づいて燃料電池の発電停止方法を選択する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電応答遅れによって車両に供給される電力が不足することを防止できる。

本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載され、図１に示すように、車両の状態を推定する車両状態推定手段１と、車両が要求する電力の応答時間を推定する車両要求電力応答時間推定手段２と、バッテリの充電状態を検出するバッテリ状態検出手段３と、車両が要求する電力の応答時間とバッテリの充電状態に基づいて燃料電池が発電停止状態から発電状態に復帰するまでの目標復帰時間を算出する燃料電池発電復帰目標時間算出手段４とを主な構成要素として備える。以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両に搭載され、図２に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔燃料極〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素系として、高圧水素タンク１２及び可変バルブ１３を備え、可変バルブ１３によって高圧水素タンク１２内の高圧水素を運転条件に適した圧力及び流量に調整した後、水素供給経路１４を介して加湿器１５に水素を供給する。加湿器１５は、純水ポンプ１６から供給される純水を利用して水素を加湿した後、加湿された水素を燃料極に供給する。また、燃料極で未使用の水素は、水素循環経路１７及びイジェクタ１８を介して加湿器１５へ循環される。水素循環経路１７及びイジェクタ１８を設けることにより、燃料極で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。

なお、燃料極を含む水素循環経路１７内には、酸化剤極からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは、過剰な水分が液化した液水が蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。このため、燃料極の出口側には、水素排出経路１９とこれを開閉するパージ弁２０が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、コントローラ２１からの指示でパージ弁２０を短時間開き、不純物ガスや液水をアノードから系外へ排出させるパージを行う。これにより、燃料極を含む水素循環経路１７内の水素分圧や循環性能を回復させることができる。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気系として、空気を圧縮して供給するコンプレッサ２２を備え、コンプレッサ２２は圧縮した空気を空気供給経路２３を介して加湿器１５に供給する。加湿器１５は、純水ポンプ１６から供給される純水を利用して空気を加湿した後、加湿された空気を酸化剤極に供給する。酸化剤極で未使用の空気は、スロットル２４により圧力及び流量を調整された後、空気排出経路２５から系外へ排出される。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、制御系として、燃料極に供給される水素の圧力及び流量を検出する圧力センサ３１及び流量センサ３２と、酸化剤極に供給される空気の圧力及び流量を検出する圧力センサ３３及び流量センサ３４と、燃料電池スタック１を構成する単体の燃料電池（セル）又は複数の燃料電池群（セル群）の出力電圧を検出するセル電圧検出装置３５と、燃料電池システム全体の動作を制御することにより車両を駆動する駆動ユニット３６に電力を供給するコントローラ２１とを備える。また、セル電圧検出装置３５は、図３に示すように、燃料電池スタック１との接続状態を切り換える開閉スイッチ４１と、燃料電池スタック１の出力電力を直流電流に変換する直流電圧変換装置４２と、直流電圧変換装置４２への入力電流及び入力電圧を検出する電流センサ４３及び電圧センサ４４と、直流電圧変換装置４２の出力電流及び出力電圧を検出する電流センサ４５及び電圧センサ４６とを備える。

また、コントローラ２１には、図３に示すように、駆動ユニット３６及び車両補機４７に電力を供給するバッテリ４８の出力電流及び出力電圧を電流センサ４９及び電圧センサ５０により検出し、検出結果に従ってバッテリ４８を制御するバッテリコントローラ５１が接続され、コントローラ２１は、駆動ユニット３６とバッテリ４８との接続状態を切り換える開閉スイッチ５２を制御する。また、コントローラ２１には、システム周囲の大気圧を検出する大気圧センサ５３と、車両のアクセル開度を検出する開度センサ５４と、車両の位置情報を検出する位置検出センサ５５と、車両の質量を検出する質量検出センサ５６とが接続されている。また、駆動ユニット３６は、図３に示すように、直流電圧変換装置４２から出力された直流電流を交流電流に変換する駆動モータインバータ５７と、駆動モータインバータ５７から出力された交流電流を利用して車両を駆動する駆動モータ５８とを備える。なお、この実施形態では、駆動モータインバータ５７は、駆動モータ５８の回転数（車速）を検出する回転数センサを備えるものとする。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ２１が以下に示す発電制御処理を実行することにより、燃料電池スタック１の発電応答遅れによって駆動モータ５８に供給する電力が不足することを防止する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この発電制御処理を実行する際のコントローラ２１の動作について詳しく説明する。

〔停止制御処理〕
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、停止制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この停止制御処理は、燃料電池システムの起動後、例えば１０［ms］等の所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ２１が車両状態を検出する。具体的には、コントローラ２１は、駆動モータ５８の回転数Nma[rpm]を検出し、検出された回転数Nma[rpm]を以下の数式１に代入することにより車速VSP[km/h]を算出する。なお、以下に示す数式１中、パラメータRtire，TLgearはそれぞれ、車両のタイヤ半径[m]及び総減速比[-]を示す。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、コントローラ２１がステップＳ１の処理により検出された車両状態に基づいて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定する。具体的には、駆動モータ５８に対する指令トルクTma[Nm]は、時間t[sec]，アクセル開度APO[deg]，及び車速VSP[km/h]を用いて以下の数式２のように表される。また、車両の走行抵抗RL[N]は、転がり抵抗係数μ，車両質量M[kg]，重力加速度g[m/s^2]，空気抵抗係数Kair[-]，及び正面投影面積S[m^2]を用いて以下の数式３のように表される。また、走行抵抗RL[N]は、数式３から車速VSP[km/h]の関数とみなすことができるので、以下の数式４のように表される。

一方、イナーシャItl[Nm]は、駆動モータイナーシャIm[Nm]とタイヤホイールイナーシャIw[Nm]を用いて以下の数式５のように表される。また、タイヤホイールの角速度wdは数式２，４，５から以下の数式６のように表される。なお、数式６中のパラメータeff，wdzはそれぞれ減速ギア効率[-]及びタイヤホイール角速度wdの前回値[rad/s]を示す。また、駆動モータ回転数Nma[rpm]は数式６から以下の数式７のように表される。

従って、駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]は、数式２，数式７を用いて以下の数式８のように表される。そこで、コントローラ２１は、上記数式８を用いて駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]を算出する。そして、コントローラ２１は、図５に示すような、アクセル全開加速を行った場合の駆動モータ５８の消費電力応答曲線を車速毎に示すマップを作成する。これにより、このステップＳ２の処理は完了し、この制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、コントローラ２１は、ステップＳ２の処理により推定された消費電力応答時間に基づいて燃料電池スタック１の目標復帰時間を算出する。具体的には、駆動モータ５８に供給可能な電力Pma_av[kW]は、燃料電池スタック１の供給電力（NET）（車両に供給される正味電力）Pnet[kW]，バッテリ４８の出力上限値Pbattout[kW]，及び車両補機４７の消費電力Paux[kW]を用いて以下の数式９のように表される。また、バッテリ４８の過放電を防止するためには、駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]は駆動モータ５８に供給可能な電力Pma_av[kW]を上回らないようにする必要がある。

従って、車速VSP1[km/h]に対応する消費電力応答曲線が図６に示す曲線Ｌ１である場合には、コントローラ２１は時間Tis1[sec]を目標復帰時間として算出する。これにより、このステップＳ３の処理は完了し、この制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ２１が、ステップＳ３の処理により算出された目標復帰時間で復帰可能な燃料電池スタック１の発電停止（アイドルストップ）方法を選択し、選択された発電停止方法で発電を停止するように燃料電池システムを制御する。具体的には、燃料電池スタック１の復帰時間はアイドルストップの方式やアイドルストップの状態に応じて異なるので、コントローラ２１は、目標復帰時間で復帰可能なアイドルストップの方式及び状態を選択する。これにより、このステップＳ４の処理は完了し、一連の制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１が、車両状態を検出し、検出された車両状態に基づいて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定し、推定された消費電力応答時間に基づいて燃料電池スタック１の目標復帰時間を算出し、算出された目標復帰時間に基づいて燃料電池スタック１の発電停止方法を選択するので、燃料電池スタック１の発電応答遅れによって駆動モータ５８に供給可能な電力が不足することにより、運転者が加速感覚に違和感を感じたり、バッテリが過放電を起こす可能性がある。また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ２１は、車両の状態として車速を検出するので、駆動モータ５８の消費電力応答時間を精度良く推定することができる。

なお、上記実施形態では、コントローラ２１は車速から駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定したが、位置検出センサ５５により検出される車両の位置情報を用いて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定してもよい。この場合、コントローラ２１は、位置検出センサ５５により検出された位置情報に従って車両が走行している路面の斜度θ［deg］を検出し、検出された斜度θを上記数式３に代入することにより走行抵抗RL[N]を算出する。そして、コントローラ２１は、上記数式８を用いて、斜度θ［deg］の路面を走行している際にアクセル全開加速を行った場合の消費電力応答曲線を車速毎に示すマップ（図７参照）を作成し、ステップＳ１の処理により算出された車速に対応する消費電力応答曲線をマップから抽出することにより、駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定する。なお、バッテリ４８の過放電を防止するためには、駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]は駆動モータ５８に供給可能な電力Pma_av[kW]を上回らないようにする必要があるので、車速VSP1[km/h]に対応する消費電力応答曲線が図８に示す曲線Ｌ１である場合には、コントローラ２１は時間Tis2[sec]を目標復帰時間として算出する。

また、上記実施形態では、コントローラ２１は車速から駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定したが、質量検出センサ５６により検出される車両の質量を用いて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定してもよい。この場合、コントローラ２１は、質量検出センサ５６により検出される車両の質量M'を数式３に代入することにより走行抵抗RL[N]を算出する。そして、コントローラ２１は、上記数式８を用いて質量がM'の車両がアクセル全開加速を行った場合の消費電力応答曲線を車速毎に示すマップ（図９参照）を作成し、ステップＳ１の処理により算出された車速に対応する消費電力応答曲線をマップから抽出することにより、駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定する。なお、バッテリ４８の過放電を防止するためには、駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]は駆動モータ５８に供給可能な電力Pma_av[kW]を上回らないようにする必要があるので、車速VSP1[km/h]に対応する消費電力応答曲線が図１０に示す曲線Ｌ１である場合には、コントローラ２１は時間Tis3[sec]を目標復帰時間として算出する。

また、上記実施形態では、コントローラ２１は車速から駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定したが、位置検出センサ５５により検出される車両の位置情報と質量検出センサ５６により検出される車両の質量を用いて駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定してもよい。この場合、コントローラ２１は、位置検出センサ５５により検出される車両が走行している路面の斜度θ［deg］と質量検出センサ５６により検出される車両の質量M'を数式３に代入することにより走行抵抗RL[N]を算出する。そして、コントローラ２１は、上記数式８を用いて質量がM'の車両が斜度θ［deg］の路面を走行している際にアクセル全開加速を行った場合の消費電力応答曲線を車速毎に示すマップを作成し、ステップＳ１の処理により算出された車速に対応する消費電力応答曲線をマップから抽出することにより、駆動モータ５８の消費電力応答時間を推定する。

また、上記実施形態において、コントローラ２１はバッテリ４８の出力電力上限値や余裕出力に基づいて目標復帰時間を補正するようにしてもよい。例えば、バッテリ４８の出力電力上限値が低下している場合には、推定された駆動モータ５８の消費電力応答時間を実現できない可能性がある。また、例えば、空調装置が動作している場合や、駆動モータ５８が電力をある程度消費している場合には、これらの電力はバッテリ４８から供給されている可能性がある。従って、このような処理によれば、目標復帰時間をより精度高く算出することができる。具体的には、この場合、コントローラ２１は、図１１のフローチャートに示すように、目標復帰時間を算出した後、バッテリ４８の状態を検出することによりバッテリ４８の出力上限値を算出する（ステップＳ１４）。次に、コントローラ２１は、駆動モータ消費電力と車両補機消費電力の和をバッテリの出力上限値から減算することによりバッテリ４８の余裕出力を算出し、算出された余裕出力に基づいて目標復帰時間を補正する（ステップＳ１５）。より具体的には、バッテリ出力電力上限値Pbattout[kW]が通常よりも低下した場合、コントローラ２１は、図１２に示すように、駆動モータ供給可能電力Pma_av[kW]及び燃料電池スタック供給電力Pnet[kW]をそれぞれ補正する（Ｌ２→Ｌ２’，Ｌ３→Ｌ３’）。そして、バッテリ４８の過放電を防止するためには、駆動モータ５８の消費電力Pma[kW]は駆動モータ５８に供給可能な電力Pma_av[kW]を上回らないようにする必要があるので、車速VSP1[km/h]に対応する消費電力応答曲線が図１２に示す曲線Ｌ１である場合には、コントローラ２１は目標復帰時間を時間Tis4[sec]から時間Tis5[sec]に補正する。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１に示すコントローラ，セル電圧検出装置，及び駆動ユニットの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態となる停止制御処理の流れを示すフローチャート図である。 アクセル全開加速を行った場合の車速毎の消費電力応答曲線を示す図である。 図５に示す消費電力応答曲線を利用した目標復帰時間算出処理の一例を説明するための図である。 車両が斜度θの路面を走行している際にアクセル全開加速を行った場合の車速毎の消費電力応答曲線を示す図である。 図７に示す消費電力応答曲線を利用した目標復帰時間算出処理の一例を説明するための図である。 質量M'の車両がアクセル全開加速を行った場合の車速毎の消費電力応答曲線を示す図である。 図９に示す消費電力応答曲線を利用した目標復帰時間算出処理の一例を説明するための図である。 本発明の実施形態となる停止制御処理の応用例の流れを示すフローチャート図である。 図１１に示す目標復帰時間補正処理を説明するための図である。

符号の説明

１１：燃料電池スタック
２１：コントローラ
３６：駆動ユニット
４７：車両補機
４８：バッテリ
５７：駆動モータインバータ
５８：駆動モータ

Claims (6)

1. 車両に搭載され、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記車両の状態を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された車両の状態に基づいて車両が要求する電力の応答時間を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定された応答時間に基づいて燃料電池が発電停止状態から復帰するまでの目標復帰時間を算出する算出手段と、
   前記算出手段により算出された目標復帰時間に基づいて前記燃料電池の発電停止方法を選択する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記検出手段は前記車両の状態として車速を検出することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記検出手段は前記車両の状態として車両の位置情報を検出することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記検出手段は前記車両の状態として車両の質量を検出することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記車両に設けられたバッテリの出力電圧上限値を検出する電圧検出手段を備え、
   前記算出手段は、前記電圧検出手段により検出された出力電圧上限値に基づいて前記目標復帰時間を補正すること
   を特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記車両を駆動する駆動手段の消費電力を算出する第１消費電力算出手段と、
   車両補機の消費電力を算出する第２消費電力算出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された出力電圧上限値から前記第１及び第２消費電力算出手段により算出された消費電力の和を減算した値をバッテリ余裕出力として算出する余裕出力算出手段とを備え、
   前記算出手段は、前記余裕出力算出手段により算出されたバッテリ余裕出力に基づいて前記目標復帰時間を補正すること
   を特徴とする燃料電池システム。

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