JP2008084769A

JP2008084769A - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP2008084769A
Application number: JP2006265527A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Otsu; 厚大津
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP4953291B2

Abstract

【課題】二次電池の充電特性および充電状態を考慮して燃料電池の発電量を適切な値に制御する燃料電池車両を提供する。
【解決手段】燃料電池２０に並列に接続され、駆動モータ１３に所定の電力を供給する二次電池１５と、駆動モータ１３の要求電力を含む燃料電池車両全体のシステム要求電力を算出する制御ユニット３０とを備えた燃料電池車両において、複数の区分に分けられた二次電池の残容量と、複数の区分に分けられたシステム要求電力とから燃料電池２０の目標発電電力値を導出する目標発電電力値導出テーブル３３を具備し、各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値を、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定し、制御ユニット３０は、目標発電電力値導出テーブル３３に画定された目標発電電力値に基づいて燃料電池２０の発電量を制御する制御部３１を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池車両に係り、特に、二次電池の充電特性および充電状態を考慮して燃料電池の発電量を適切な値に制御する燃料電池車両に関する。

従来から、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を搭載し、この燃料電池の発電電力で原動機を駆動して走行する燃料電池車両が知られている。通常、このような燃料電池車両には、燃料電池の発電電力および車両制動時の回生電力を蓄える二次電池が備えられており、燃料電池車両のシステム全体の要求電力が所定値より少ない場合には、燃料電池による発電を一時休止すると共に、この二次電池から電力を供給するようにした構成が周知である。

特許文献１には、燃料電池車両のシステム全体が要求する最大電力量を、少なくとも燃料電池の運転再開時から所定期間の間に供給することが可能な容量特性を有する二次電池を備えた燃料電池車両の構成が開示されている。反応ガスによる化学反応で発電を行う燃料電池においては、一時休止後の運転再開時に発電量が十分に回復するまで若干の時間を要することがあるが、上記したような構成によれば、燃料電池の休止中に高負荷要求があった際にも、これを二次電池からの供給電力によって直ちに賄うことができるので、乗員のスロットル操作に対する応答遅れ等を防止することが可能となる。
特開２００５−１９０９３８号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、二次電池による適切な給電、すなわち、二次電池の放電を適切に行うためのものであり、二次電池の充電特性や充電状態を考慮して燃料電池の発電量を制御することに関しては、何らの開示および示唆もされていなかった。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、二次電池の充電特性および充電状態を考慮して燃料電池の発電量を適切な値に制御する燃料電池車両を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明は、燃料電池に並列に接続され、車両の駆動源としての電動機に電力を供給する二次電池と、前記電動機の要求電力を含む燃料電池車両全体のシステム要求電力を算出する制御ユニットとを備えた燃料電池車両において、複数の区分に分けられた前記二次電池の残容量と、複数の区分に分けられた前記システム要求電力とから前記燃料電池の目標発電電力値を導出するマトリクス状のデータテーブルを具備し、前記各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値が、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定されており、前記制御ユニットは、前記データテーブルの各区分に画定された目標発電電力値に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御部を含んでいる点に第１の特徴がある。

また、前記電動機の要求電力は、スロットル開度と車速とに基づいて算出される点に第２の特徴がある。

また、前記目標発電電力値は、前記二次電池の残容量が大きいほど小さくなるように設定されている点に第３の特徴がある。

さらに、前記制御ユニットは、前記システム要求電力の増加に応じて前記目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に前記燃料電池の発電量を実際に増やすまでの第１の遅延時間と、前記システム要求電力の減少に応じて前記目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に前記燃料電池の発電量を実際に減らすまでの第２の遅延時間とを、前記第１の遅延時間より前記第２の遅延時間の方が短くなるように設定する点に第４の特徴がある。

第１の発明によれば、複数の区分に分けられた二次電池の残容量と、複数の区分に分けられたシステム要求電力とから燃料電池の目標発電電力値を導出するマトリクス状のデータテーブルを具備し、各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値が、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定されており、制御ユニットは、データテーブルの各区分に画定された目標発電電力値に基づいて燃料電池の発電量を制御する制御部を含んでいるので、区分間の移行回数を低減し、燃料電池の定常発電期間を長くすることが可能となる。これにより、燃料電池の発電効率が高められ、１回の反応ガスの充填で走行可能な航続距離を伸ばし、さらに、燃料電池の劣化による性能低下を防ぐことができるようになる。また、二次電池の充電状態に応じて、燃料電池の発電量を適切に制御することが可能となる。

第２の発明によれば、前記電動機の要求電力は、スロットル開度と車速とに基づいて算出されるので、特に乗員のスロットル操作に敏感に反応して燃料電池の目標発電電力値が頻繁に変更されることを防ぐことが可能となる。

第３の発明によれば、目標発電電力値は、二次電池の残容量が大きいほど小さくなるように設定されているので、二次電池の過充電等を防止し、二次電池の残容量を常に所定の範囲内に保つことができるようになる。

第４の発明によれば、制御ユニットは、システム要求電力の増加に応じて目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に前記燃料電池の発電量を実際に増やすまでの第１の遅延時間と、システム要求電力の減少に応じて目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に燃料電池の発電量を実際に減らすまでの第２の遅延時間とを、第１の遅延時間より第２の遅延時間の方が短くなるように設定したので、二次電池の充電時において電圧過多等を防止し、二次電池を安定的に使用することが可能となる。また、二次電池の充電特性を向上させるために二次電池の容量を増す必要がなく、燃料電池車両の大型化を防ぐことができる。さらに、二次電池に適切な充電を行うために、乗員のスロットル操作に対する電動機のレスポンスや出力特性を調整する必要がなくなり、燃料電池車両の高いドライバビリティを保つことができるようになる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の側面図である。燃料電池車両としての燃料電池自動二輪車１は、化学反応で電気エネルギを発生させるための水素供給系、空気供給系、およびセルスタック（電極、セパレータ、電解質等を含む）とからなる燃料発電システムを備え、以下では、セルスタックおよびこれを収納するケースを燃料電池と呼ぶ。燃料電池自動二輪車１は、ヘッドパイプ４に前部を接合されたメインフレーム３と、前記ヘッドパイプ４に接合されて下方に延びるアンダーフレーム７と、前記メインフレーム３に接合されて後方に延長されたリアフレーム８とからなる骨格を有する。前記ヘッドパイプ４には、左右一対のフロントフォーク５がハンドル６によって操舵可能に取り付けられ、該フロントフォーク５の下端に前輪ＷＦが回転自在に軸支されている。また、前記アンダーフレーム７の後端部に設けられたピボット部１０には、ユニットスイング１２が揺動自在に取り付けられており、リヤクッション１１によってメインフレーム３に吊り下げられている。ユニットスイング１２には、燃料電池自動二輪車１の動力源である原動機としての駆動モータ１３が内蔵されており、この駆動モータ１３で駆動される後輪軸１４に後輪ＷＲが軸支されている。

前記メインフレーム３およびアンダーフレーム７で囲まれた空間には、冷却水を圧送するウォータポンプ１９、空気を圧送するスクロール型圧縮機２１、空気の加湿器と乾燥機とを一体的に構成した加湿乾燥機２２、水素ガスによる化学反応で発電を行う燃料電池２０、該燃料電池２０の発電制御等を行う制御ユニット３０が収容されている。側面視長方形の燃料電池２０は、ピボット部１０の直前部においてその長方形が縦長になるように配置されている。また、燃料電池２０の下方には、気液分離器２３および希釈ボックス２４が取り付けられている。

前記アンダーフレーム７の前方には、燃料電池２０を冷却する冷却水用のラジエータ１６が取り付けられ、ヘッドパイプ４の側方上部にはエアクリーナ１７が配設されている。このエアクリーナ１７から導入された空気は、吸入空気量等を計測するセンサが取り付けられた吸気管１８を経由して燃料電池２０に供給される。また、リヤフレーム８の左右両側には、燃料電池２０に水素を供給する一対の水素ボンベ２５が搭載されており、該水素ボンベ２５に充填された水素は、水素ボンベレギュレータ（図２参照）で降圧されて燃料電池２０に供給される。また、フロントフォーク５の左右両側には、縦長に配置された一対の二次電池１５が取り付けられており、燃料電池２０で発電された電力は、この二次電池１５の電力と共に駆動モータ１３および灯火器等の電力負荷に供給される。

図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の構成を示すブロック図である。前記制御ユニット３０に備えられる制御部３１は、水素ボンベレギュレータ４２を駆動して前記水素ボンベ２５から燃料電池２０へ供給される水素ガスの量を調整すると共に、電圧変換モジュールとしてのＤＣ／ＤＣコンバータ２６を制御して燃料電池２０の発電出力を調整する。また、二次電池１５と燃料電池２０とは並列に接続され、両者の間には、灯火器等からなる電力負荷４３への供給電力を制御するインバータ４０と、前記制御部３１に制御されて駆動モータ１３に駆動信号を発するモータドライバ４１とが接続されている。そして、燃料電池２０で発電された電力は、車両の走行状態に応じて、二次電池１５、電力負荷４３、駆動モータ１３に適宜供給されるように構成されている。

制御ユニット３０には、二次電池１５の充電残容量を検知する二次電池残容量検知部３２と、データテーブルとしての目標発電電力値導出テーブル３３と、車両全体の要求電力を算出するシステム要求電力算出部３４と、駆動モータ１３の要求駆動力を算出するモータ駆動力算出部３５と、前記電力負荷４３の要求電力を検知する電力負荷要求電力検知部３６とを含む。前記システム要求電力算出部３４は、車速センサ５０とスロットル開度センサ５１からの情報に基づいてモータ駆動力算出部３５で算出した駆動モータ１３の要求駆動力、すなわち、駆動モータ１３の要求電力と、電力負荷要求電力検知部３６によって検知された電力負荷４３の要求電力との和から、車両全体の要求電力である「システム要求電力」を算出して制御部３１に伝達する。そして、制御部３１は、この「システム要求電力」と、二次電池残容量検知部３２によって検知される「二次電池の残容量」とから、目標発電電力値導出テーブル３３に画定された「目標発電電力値」を導き出し、この発電電力値を実現するように、前記水素ボンベレギュレータ４２およびＤＣ／ＤＣコンバータ２６を駆動制御することとなる。

図３は、本発明の一実施形態に係る目標発電電力導出テーブルである。前記したように、この目標発電電力導出テーブル３３は、システム要求電力算出部３４によって算出された「システム要求電力」と、二次電池残容量検知部３２によって検知された「二次電池の残容量」とから、燃料電池２０の「目標発電電力値」を導き出すために実験等により予め設定されるデータテーブルである。本実施形態では、システム要求電力が、（１）０〜１．１、（２）０．９〜２．１、（３）１．９〜３．１、（４）２．９〜４．０［ｋＷ］の４区分に分けられており、また、二次電池の残容量は、（１）０〜２７、（２）２３〜５２、（３）４８〜７７、（４）７３〜１００［％］の４区分に分けられている。そして、この各区分が構成するマトリクス状のセル（区分）に、それぞれの区分に対応する目標発電電力値が画定されており、制御部３１は、「システム要求電力」および「二次電池の残容量」の値から一義的に求められる「目標発電電力値」に基づいて燃料電池２０の発電制御を実行する。

本実施形態に係る目標発電電力導出テーブル３３においては、例えば、システム要求電力が１．５［ｋＷ］で二次電池の残容量が１０［％］であった場合に導出される目標発電電力は、２．３［ｋＷ］となる。また、システム要求電力が同じ１．５［ｋＷ］で、二次電池１５の残容量が８０［％］であった場合の目標発電電力値は、０．８［ｋＷ］となり、二次電池１５の残容量が大きいほど目標発電電力値が小さくなるように設定されることで、二次電池１５の残容量が常に所定の範囲内（例えば、５０〜６０％）に保たれるように構成されている。

前記システム要求電力の変化は、主に駆動モータ１３の要求電力が変化することによって生じる。これは、特に、車両の加減速を行う際のスロットル操作に直接影響されるものである。しかしながら、水素ガスによる化学反応で発電する燃料電池２０は、定常運転時において最も発電効率が高く、スロットル操作に応じて発電量をリニアに変化させるような運転に適合させることが難しい。さらに、発電量が頻繁に変わるような運転は、燃料電池の発電効率を低下させる可能性がある。これに対処するため、本実施形態においては、スロットル操作に敏感に反応して目標発電電力値が頻繁に変更されることのないように、目標発電電力導出テーブル３３に画定するシステム要求電力を、所定の数値幅からなる４つの区分に分けると共に、数値幅を構成する上限値と下限値とが区分間で重複させ、区分間を移行する際にヒステリシス、つまり動作遅延が生じるように設定されている。これにより、区分間の移行回数を低減し、燃料電池２０の定常発電期間を長くすることを可能としている。この結果、燃料電池２０の発電効率が高められて１回の水素充填で走行可能な航続距離を伸ばすことができると共に、燃料電池２０の性能低下を防ぐことができるようになる。なお、二次電池の残容量においては、その変動によって区分間の移行が頻繁に行われてしまう可能性は低いものの、システム要求電力の区分と同様に、区分間の移行時には若干のヒステリシスが生じるように設定されている。

一方、前記したように、燃料電池自動二輪車１は、燃料電池２０の発電電力および車両制動時の回生電力を蓄える二次電池１５を備えており、本実施形態においても、前記「システム要求電力」が所定値より少ない場合には、燃料電池２０による発電を一時休止すると共に、この二次電池１５から電力を供給する構成とされている。しかしながら、燃料電池２０は、一時休止後の運転再開時に発電量が十分に回復するまで若干の時間を要するため、燃料電池２０の休止中に急加速等の高負荷要求があった際には、二次電池１５からの供給電力でこれを賄い、乗員のスロットル操作に対する応答遅れ等を防止する構成が適用されている。

そして、二次電池１５から電力が供給された後は、二次電池１５の残容量を所定の範囲内に戻すため、燃料電池２０の発電電力で充電する制御が実行される。しかし、通常、二次電池の充電時に使用できる電圧の範囲には制限があり、所定値以上の大きな電圧で充電を行うと、二次電池の負担が大きくなることがある。このため、本実施形態では、上記したような二次電池の充電特性を考慮して燃料電池の発電量等を制御するように構成されている。以下、図４を参照して、燃料電池２０の発電制御および二次電池１５の充電制御方法を説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施形態に係る燃料電池の発電制御および二次電池の充電制御を示すグラフであり、（ａ）：システム要求電力値、（ｂ）目標発電電力値、（ｃ）：燃料電池の実際の発電電力値、（ｄ）：二次電池の放充電電力値のそれぞれについて、時間経過に伴う推移を示したものである。図４（ａ）は、システム要求電力値が、時間ｔ１においてゼロの状態から増加を開始し、時間ｔ３からＷ２［ｋＷ］の定常値となり、その後、時間ｔ４において減少し始め、時間ｔ６で再びゼロとなる状態を示している。

このとき、前記制御部３１は、図３に示した目標発電電力導出テーブル３３に基づいて目標発電電力値を決定するが、システム要求電力値が所定の区分の上限値であるＷ１に達する時間ｔ２を経過しても、図４（ｂ）に示すように、すぐには区分移行後の目標発電電力値を適用せず、第１の遅延時間Ｔａを経過した後の時間ｔ２１に到達してはじめて、増加した目標発電電力値を適用するように設定されている。そして、時間ｔ４に到達してシステム要求電力値が減少を開始し、区分の下限値であるＷに下がる時間ｔ５に到達しても、すぐには区分移行後の目標発電電力値を適用せず、第２の遅延時間Ｔｂを経過した後の時間ｔ５１に到達してはじめて、減少した目標発電電力値を適用するように設定されている。

上記したように、本実施形態では、システム要求電力値の増減に伴って、前記目標発電電力値導出テーブルに示される区分が隣接する区分に移行する状態になっても、すぐには移行後の目標発電電力値を適用しない。そして、システム要求電力値の増加に伴って区分が移行する場合には、実際に区分移行後の目標発電電力値を適用するまでに第１の遅延時間Ｔａを設け、また、システム要求電力値の減少に伴って区分が移行する場合には、実際に区分移行後の目標発電電力値を適用するまでに第２の遅延時間Ｔｂを設けるように構成されている。ここで、第２の遅延時間Ｔｂは、第１の遅延時間Ｔａより短くなるように設定されている。

次に、図４（ｃ）を参照すると、燃料電池２０は、時間ｔ２１において区分移行後の目標発電電力値が実際に適用された時点で発電開始指令を受け、一時休止後の回復遅れによる立ち上がり期を経過した後、時間ｔ２２において目標発電電力値で定常発電が行われる状態となる。そして、時間ｔ５１において、区分移行後の目標発電電力値が実際に適用された時点で発電休止指令を受け、時間ｔ５１において完全な休止状態に戻ることとなる。

次に、図４（ｄ）を参照すると、前記した第２の遅延時間Ｔｂを、第１の遅延時間Ｔａより短く設定する理由が明らかとなる。二次電池１５は、時間ｔ１において放電が開始されるが、時間ｔ２２で燃料電池２０の発電が開始されることに伴って定常状態に戻る。そして、時間ｔ４では、システム要求電力値の減少開始に伴って、放電した電力を回復するために燃料電池２０の発電電力による充電が開始される。本実施形態においては、前記第２の遅延時間Ｔｂを所定の値に設定することで、時間ｔ４で開始された充電は、燃料電池２０が発電休止指令を受けるｔ５１で終了することとなる。しかしながら、例えば、第２の遅延時間Ｔｂが第１の遅延時間Ｔａと同一に設定されていた場合には、二次電池１５への充電が時間ｔ５３まで継続されてしまうことになり、これに伴って、図中の太破線で示すような経路で充電が行われると、充電の際に使用できる電圧範囲を超える可能性がある。

上記した課題に対処するため、本実施形態では、第２の遅延時間Ｔｂを第１の遅延時間Ｔａより短く設定することにより、充電時の電圧過多等を防止すると共に、二次電池１５の充電特性を考慮した充電を行うことで、二次電池１５を安定的に使用することを可能としている。また、二次電池１５の充電特性を向上させるために二次電池１５の容量を増す必要がなく、燃料電池自動二輪車１の大型化を防ぐことができる。さらに、二次電池１５の充電特性を考慮し、乗員のスロットル操作に対する駆動モータ１３のレスポンスや出力特性を変更する等の調整が不要となり、燃料電池自動二輪車１の高いドライバビリティを保つことができるようになる。また、目標発電電力導出テーブル３３内の各設定値は、実験等によって予め適切な値を選定することができるので、適用する二次電池１５の充電特性および充電状況に応じた燃料電池２０の発電制御を行うことが可能となる。

なお、目標発電電力値導出テーブル内の各設定値や、第１の遅延時間および第２の遅延時間の設定値、燃料電池や二次電池の形態等は、上記した実施形態に限られず、種々の変形が可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の側面図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池自動二輪車の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る目標発電電力導出テーブルである。本発明の本実施形態に係る燃料電池の発電制御および二次電池の充電制御を示すグラフである。

符号の説明

１３…駆動モータ、１５…二次電池、２０…燃料電池、２６…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３０…制御ユニット、３１…制御部、３２…二次電池残容量検知部、３３…目標発電電力値導出テーブル、３４…システム要求電力算出部、３５…モータ駆動力算出部、３６…電力負荷要求電力検知部、４１…モータドライバ、４２…水素ボンベレギュレータ、５０…車速センサ、５１…スロットル開度センサ

Claims

燃料電池に並列に接続され、車両の駆動源としての電動機に電力を供給する二次電池と、前記電動機の要求電力を含む燃料電池車両全体のシステム要求電力を算出する制御ユニットとを備えた燃料電池車両において、
複数の区分に分けられた前記二次電池の残容量と、複数の区分に分けられた前記システム要求電力とから前記燃料電池の目標発電電力値を導出するマトリクス状のデータテーブルを具備し、
前記各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値が、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定されており、
前記制御ユニットは、前記データテーブルの各区分に画定された目標発電電力値に基づいて前記燃料電池の発電量を制御する制御部を含んでいることを特徴とする燃料電池車両。
前記電動機の要求電力は、スロットル開度と車速とに基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
前記目標発電電力値は、前記二次電池の残容量が大きいほど小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
前記制御ユニットは、前記システム要求電力の増加に応じて前記目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に前記燃料電池の発電量を実際に増やすまでの第１の遅延時間と、前記システム要求電力の減少に応じて前記目標発電電力値が隣接する区分に移行した後に前記燃料電池の発電量を実際に減らすまでの第２の遅延時間とを、前記第１の遅延時間より前記第２の遅延時間の方が短くなるように設定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池車両。