JP2008154387A - 移動体 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池及び変速機を備えた移動体において、変速ショックを抑制することができる移動体。
【解決手段】移動体1は、駆動源としてのモータ30と、モータ30に電力を供給するための燃料電池2と、モータ30の動力を変速して駆動軸42に伝達する変速機40と、燃料電池2の発電量を制御する制御装置130とを備える。制御装置130が、変速機40による変速時に、燃料電池2の発電量を変速完了後のモータ30のトルクに応じた発電量に制御する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池の電力により駆動されるモータを備えた移動体に関し、特にモータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機を備えた移動体に関するものである。
この種の移動体として、例えば特許文献1に記載の車両が知られている。この車両は、モータの動力を変速して駆動輪に伝達する変速機を備え、変速機の作動状態に応じて燃料電池の発電量を変更するものである。例えば、無段変速機がパワーモードで作動しているときに車両の加速要求があると、燃料電池を定格出力よりも高い出力で発電させる。
また、特許文献1には、変速機として、無段変速機のみならず有段の自動変速機を用いてもよい旨も開示されている。
特開2005−19033号公報
一般に、有段の自動変速機の場合には変速時に変速ショックが生じる。しかしながら、特許文献1はこの点について何ら検討されていない。このため、自動変速機を適用した場合には変速ショックが生じることが懸念される。また、特許文献1は、変速時における二次電池の蓄電量や、変速機の変速動作の開始タイミングについては何ら考慮しておらず、改善の余地がある。
本発明は、上記した懸念事項・改善事項に鑑みてなされたものであり、変速ショックを抑制することが可能な移動体を提供することを一つの目的としている。
上記課題を達成するべく、本発明の移動体は、駆動源としてのモータと、モータに電力を供給するための燃料電池と、モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、燃料電池の発電量を制御する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、変速機による変速時に、燃料電池の発電量を変速完了後のモータのトルクに応じた発電量に制御するものである。
好ましくは、制御装置は、変速機によるシフトアップ時に、モータのトルクを一時的に小さくすると共に、燃料電池の発電量をシフトアップ完了後のモータのトルクに応じた発電量に制御するとよい。
このような構成によれば、シフトアップ時に過大なモータトルクが駆動軸に伝達されるのを回避できるので、シフトアップ時の変速ショックを抑制できる。また、モータのトルクを一時的に小さくする際に、シフトアップ完了後のモータのトルクに応じた発電量に燃料電池を制御しているので、シフトアップ完了後のモータへの発電電力の供給を適切に行うことができる。
より好ましくは、制御装置は、シフトアップ時に、燃料電池からモータに供給する電力量をシフトアップ完了後における燃料電池の発電量より小さくするとよい。
このように、シフトアップ時にモータへの供給電力量を絞ることで、一時的に小さくするトルクに対応した電力をモータに供給できる。
より好ましくは、本発明の移動体は、燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置を更に備え、蓄電装置は、シフトアップ時に、燃料電池の発電電力の一部を蓄電するとよい。
こうすることで、燃料電池の発電電力のうち過剰に発電された分を蓄電装置に蓄電することができる。
好ましくは、本発明の移動体は、燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系を備えており、制御装置は、変速時に、燃料電池の発電量が変速完了後のモータのトルクに応じた発電量となるように、燃料電池への反応ガスの供給量を制御するとよい。
本発明の別の移動体は、モータ、燃料電池、変速機及び制御装置に加えて、モータに電力を供給するための蓄電装置を備える。そして、制御装置は、変速機の変速動作と蓄電装置の蓄電量とに応じて、燃料電池の発電制御を変更するものである。
この構成によれば、変速に伴う燃料電池の発電制御と、蓄電装置からモータへの出力制御とを好適に協調させることができる。
本発明の他の移動体は、モータ、燃料電池、変速機及び制御装置を備え、制御装置が変速機の変速動作に応じて燃料電池の発電制御を変更し、且つ、変速動作の開始タイミングと発電制御の変更の開始タイミングとが異なるものである。
この構成によれば、例えば変速動作を開始する前に燃料電池の発電制御を開始できるなど、変速動作の開始タイミングに対応した燃料電池の発電制御が可能となる。
ここで、「変速機の変速動作」には、機構の駆動時のほか、変速の指示が入力又は出力された場合が含まれる。また、「燃料電池の発電制御」には、燃料電池への燃料ガスあるいは酸化剤ガスの反応ガスの供給量あるいは供給圧の制御、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給量比あるいは供給圧比の制御、燃料電池の制御温度の制御、又は、燃料電池から電力をひく電力変換機(コンバータ、インバータ)の制御など、燃料電池の出力を変更する制御が含まれる。
本発明の一つの移動体によれば、変速ショックを抑制することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る移動体について説明する。ここでは、移動体として車両を例に説明する。
図1は、実施形態に係る車両を模式的に示す構成図である。
車両1は、FCシステム110、EVシステム120及び制御装置130を備える。FCシステム110における燃料電池2の発電電力が、EVシステム120に供給可能に構成されており、制御装置130がFCシステム110及びEVシステム120を制御する。
先ず、FCシステム110について説明する。
FCシステム110は、燃料電池2と、燃料電池2に接続されたガス供給系としての酸化剤ガス系10及び燃料ガス系20と、を有する。燃料電池2の目標電力に応じた流量の酸化剤ガス及び燃料ガスが燃料電池2に供給されるように、酸化剤ガス系10及び燃料ガス系20が制御される。酸化剤ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。
燃料電池2は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。燃料電池2は、リン酸型など各種のものが存在するが、ここでは、常温で起動できしかも起動時間が比較的短い固体高分子電解質型で構成される。燃料電池2の発電量は、制御装置130によって制御される。
燃料電池2の空気極側には、空気等の酸化剤ガスを給排可能な酸化剤ガス系10が接続される。酸化剤ガス系10は、エアコンプレッサ11、供給路15、オフガス流路16、圧力調整弁17及び加湿器18を備える。エアコンプレッサ11により圧送された酸化剤ガスが、供給路15を流れて空気極に供給される。燃料電池2の電池反応に供された酸化剤オフガスは、圧力調整弁17による圧力調整、並びに加湿器18での酸化剤ガスとの水分交換に供された後、オフガス流路16を介して外部に放出される。
燃料電池2の水素極側には、水素ガス等の燃料ガスを給排可能な燃料ガス系20が接続される。燃料ガス系20は、供給路21、水素貯蔵源22、レギュレータ23、遮断弁24、オフガス路25、ポンプ26、排出路27、及びパージ弁28を備える。元弁として機能する遮断弁24を開くことで、高圧水素タンク等の水素貯蔵源22から水素ガスが供給路21に放出され、レギュレータ23で調圧されて水素極に供給される。なお、アルコールや圧縮天然ガス等の原料を改質して生成した水素ガスを燃料電池2に供給してもよい。
燃料電池2の電池反応に供された水素オフガスは、オフガス路25に排出され、ポンプ26により供給路21に戻されて再び燃料電池2に供給される。パージ弁28が燃料電池システム1の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共にオフガス路25から排出路27へと排出される。これにより、水素循環ラインにおける水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
次に、EVシステム120について説明する。
EVシステム120は、トラクションモータ30、変速機40、ディファレンシャルギヤ50、及び、蓄電装置60を備える。
トラクションモータ30(以下、単に「モータ30」という。)は、車両走行の推進力を得るための例えば三相同期モータで構成され、車両1の駆動源として機能する。モータ30の電源は、燃料電池2及び蓄電装置60の少なくとも一方である。燃料電池2又は蓄電装置60から出力される直流は、インバータ31で三相交流に変換されてモータ30に供給される。また、車両100の制動時には、モータ30が発電機として機能して三相交流発電し、この三相交流がインバータ31により直流に変換されて蓄電装置60に充電される。なお、リレー64を開くことにより燃料電池2からインバータ31への電力供給が遮断され、リレー66を開くことにより蓄電装置60からインバータ31への電力供給が遮断される。
モータ30をインホイールモータとして使用して、二輪駆動又は四輪駆動の構成を採用するには、燃料電池2の出力端子に対してインバータ31を二つ又は四つ並列に接続し、各々のインバータ31にモータ30を接続すればよい。なお、モータ30として直流モータを用いる場合にはインバータ31は不要である。
変速機40は、モータ30に接続されており、モータ30の動力を変速して駆動軸42に伝達する。具体的には、モータ30の出力軸32が変速機40に接続され、変速機40の出力軸がディファレンシャルギヤ50を介して車輪6,6の駆動軸42に接続される。出力軸32の動力、即ち、回転数やモータトルクが変速機40を介して駆動軸42に伝達されるようになっている。変速機40は、モータ30の動力を駆動軸42に伝達する際の変速比を変更可能なものである。変速機40としては、手動変速機及び自動変速機があるが、このいずれであってもよく、また、自動変速機については、有段であっても無段であってもよい。本実施形態では、変速機40として、互いに異なる変速比を有する複数の変速段を備えた有段の自動変速機構を用いている。
蓄電装置60は、モータ30に対し、高圧DC/DCコンバータ61を介して燃料電池2に並列接続される。蓄電装置60は、高圧の蓄電装置として機能する充放電可能な二次電池である。蓄電装置60は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池であるが、二次電池以外のキャパシタを用いてもよい。蓄電装置60は、燃料電池2がモータ30への供給電力量を越えて発電した電力や、車両1の制動時の回生電力を蓄電可能に構成される。一方で、蓄電装置60は、高負荷運転時など、燃料電池2の出力電力だけでは不足する状態のときにパワーアシストを行う。すなわち、蓄電装置60は、パワーアシストするために燃料電池2に電力を供給する。蓄電装置60の蓄電量は、SOCセンサ63によって検出される。
高圧DC/DCコンバータ61は、直流の電圧変換器であり、蓄電装置60から入力された直流電圧を調整してインバータ31側に出力する機能と、燃料電池2又はモータ30から入力された直流電圧を調整して蓄電装置60に出力する機能と、を有する。高圧DC/DCコンバータ61のこれらの機能により、蓄電装置60の充放電が実現される。また、高圧DC/DCコンバータ61により、燃料電池2の出力電圧が制御される。なお、図示省略したが、高圧DC/DCコンバータ61と燃料電池2との間には、燃料電池2の運転に供せられる各種の補機がインバータを介して接続されている。本実施形態における補機としては、エアコンプレッサ11及びポンプ26などが該当する。
制御装置130は、内部にCPU,ROM,RAMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。CPUは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ROMは、CPUで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。RAMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置130には、SOCセンサ63、ガス供給系統(10,20)に用いられる各種の圧力センサや温度センサが接続される。また、車両100のアクセル開度を検出するアクセルペダルポジションセンサ71、並びに車両1の車速を検出する車速計72が制御装置130に接続される。
次に、制御装置130が実行する基本的な制御について説明する。
制御装置130は、アクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力(例えば、走行電力と補機電力との総和)を求め、燃料電池2の出力電力が目標電力に一致するように制御する。ここで、走行電力とは、モータ30の要求電力を意味し、補機電力とは、FCシステム110の各種の補機の動作に必要な電力を合計した電力を意味する。
具体的には、制御装置130は、先ず、アクセル開度や車速等に基づいてモータ30の要求電力を算出する。モータ30の要求電力は、次のようにして求められる。最初に、制御装置130は、ROMに記憶されたマップから、モータ30の目標回転数、目標トルクを設定する。これらの積は、モータ30から出力すべき動力となる。この動力を、モータ30の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比で除することにより、要求電力が求められる。モータ30を発電機として機能させ、回生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、要求電力も負の値となる。
モータ30の要求電力が算出されると、制御装置130は、ROM内のマップを用いて、モータ30の要求電力に応じた補機の動作点を決定し、補機電力を算出する。そして、制御装置130は、システム要求電力が供給されるよう、高圧DC/DCコンバータ61の運転を制御して、燃料電池2の動作点(出力電圧、出力電流)を調整する。このとき、制御装置130は、インバータ31のスイッチングを制御して、走行電力に応じた三相交流をモータ30に出力する。また、制御装置130は、エアコンプレッサ11及びポンプ26の各モータ(図示省略)の回転数を調整し、燃料電池2が目標電力に応じた電力(発電量)を発電するように酸化剤ガスと水素ガスの供給制御を行うと共に、図示省略した冷却系による燃料電池2の温度制御を行う。
次に、図2を参照して、変速機40による変速時に、制御装置130が実行する制御について説明する。
シフトがDレンジ(ドライブレンジ)にある車両1が定常状態で走行しているとき、変速機50はある一つの変速段数を選択している(ステップS210)。この走行中では、制御装置130はユーザによる変速の要求があるか否かを随時判断する。シフトアップ(変速比の増加)の要求がない場合には(ステップS220;No)、本ルーチンを抜ける。
一方、ユーザのアクセルペダルの踏み込みによって車両1の加速が要求されるなど、シフトアップの要求があった場合には(ステップS220;Yes)、変速機50がシフトアップする間(以下、シフトアップの開始から終了までのことを「シフトアップ時」という。)に、次に述べるモータトルクの制御(ステップS230)及び発電量の制御(ステップS240)が行われる。
先ず、ステップS230では、モータ30のトルクが低減される。上記のとおり、モータ30のトルク(目標トルク)は車速とアクセル開度との相関マップを用いて決定される。しかし、シフトアップ時においては、モータ30の目標トルクを、相関マップから決定されるシフトアップ完了後のトルクよりも小さい値に設定する。
次いで、シフトアップ完了後の変速段数でのシステム要求電力を予測し、その予測に基づいて燃料電池2の発電量を制御する(ステップS240)。上記のとおり、システム要求電力の一例はモータ30の要求電力と補機電力との総和であるので、ステップS240では、シフトアップ完了後の変速段数におけるモータ30の要求電力と補機電力との総和を予測する。
ここで、モータ30の要求電力の予測は、シフトアップ完了後に必要となるモータ30の目標回転数と目標トルクとを積算した動力を計算することでなされる。そして、この予測されたモータ30の要求電力から補機電力(予測値)を求めることでシステム要求電力を予測する。その後、この予測に基づいて燃料電池2が目標電力に応じた電力(発電量)を発電するように反応ガスの供給制御を行う。したがって、ステップS240では、燃料電池2の発電量を、シフトアップ完了後のモータ30のトルクに応じた発電量に制御していることになる。
しかし、シフトアップ時においては、モータ30の目標トルクは小さく設定されているので(参照:ステップS230)、この目標トルクを発生するために必要なモータ30への供給電力は、ステップS240で予測したモータ30の要求電力よりも小さくて済むことになる。換言すれば、シフトアップ時においては、燃料電池2が余剰に発電している状態となる。
そこで、本実施形態のシフトアップ時においては、ステップS240で予測したモータ30の要求電力をモータ30に供給するのではなく、ステップS230で小さく設定された目標トルクに見合う電力をモータ30に供給するように、燃料電池2からモータ30への供給電力を絞るようにしている。そして、燃料電池2の余剰の発電電力については蓄電装置60に蓄電するようにしている。このような制御をシフトアップが完了するまで続行する(ステップS250;No)。
ここで、制御装置130が、変速機40の変速動作(シフトアップ動作)に応じて燃料電池2の発電制御を変更する際(ステップS240)、実際にシフトアップ動作が開始されるタイミングと燃料電池2の発電制御の変更が開始されるタイミングとについては、次のいずれを採用してもよい。
なお、変速機40の変速動作には、変速機40の機構の作動時のほか、変速の指示が乗員により入力又はアクセルペダルポジションセンサ71等により出力された場合が含まれる。また、燃料電池2の発電制御には、燃料電池2への反応ガスの供給量あるいは供給圧の制御、燃料電池2への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給量比あるいは供給圧比の制御、燃料電池2の制御温度の制御、又は、燃料電池2から電力をひく電力変換機(インバータ31、高圧DC/DCコンバータ61)の制御など、燃料電池2の出力を変更する制御が含まれる。
第1の例では、シフトアップ動作が開始されるのに先立って、燃料電池2の発電制御の変更を開始するのが好ましい。これは、一般に反応ガスの供給制御による発電制御では、供給制御の実行直後に燃料電池2の出力が変化するのではなく、供給制御を実行してから燃料電池2の出力が実際に変化するのに遅れが生じるからである。したがって、第1の例を採用することで、シフトアップ動作の開始タイミングに対応した燃料電池2の発電制御が可能となる。
第2の例では、燃料電池2の発電制御の変更の際、先ず反応ガスの供給制御や燃料電池2の温度制御を開始し、その後に電力変換機(インバータ31、高圧DC/DCコンバータ61)を制御するとよい。これは、電力変換機の制御の応答性に比べて、反応ガスの供給制御及び温度制御の応答性は相対的に低いからである。そして、第2の例では、少なくとも反応ガスの供給制御や温度制御は、変速機40によるシフトアップ動作よりも先に開始されることが好ましい。また、電力変換機の制御の開始は、変速機40によるシフトアップ動作の開始と同じタイミングであっても良いし、これよりも先であってもよい。
制御装置130は、シフトアップが完了したところで(ステップS250;Yes)、モータ30のトルクの低減を解除する(ステップS260)。これにより、モータ30のトルクがシフトアップ完了後の車速とアクセル開度とから設定され、本ルーチンが終了する。
以上説明したように、本実施形態の車両1によれば、シフトアップ時にモータ30のトルクを一時的に低減している。これにより、過大なモータトルクが駆動軸42に伝達されるのを回避できるので、変速ショックを抑制できる。このようなシフトアップ時の制御は、特に高速走行中の車両1が追い越し加速をする場合に効果的である。なぜなら、モータ30の特性上、回転数が上がればトルクが下がる傾向があり、これを変速機40でトルクアップしながらも、変速ショックを抑制できるからである。
また、モータ30のトルクを低減している間は、燃料電池2の発電量をシフトアップ完了後のモータ30のトルクに応じた発電量に制御している。これにより、シフトアップ完了後の補機(エアコンプレッサ11やポンプ24)の応答遅れを抑制でき、モータ30に必要な電力を燃料電池2から適切に供給できる。
さらに、シフトアップ時は燃料電池2からモータ30への供給電力を絞り、燃料電池2が発電した余剰な電力を蓄電装置60に蓄電するので、一時的に低減させるモータ30のトルクに良好に対応できる。なお、この余剰電力を蓄電装置60に蓄電するのではなく、インバータ31のキャリア周波数を調整することで、余剰電力を熱エネルギーとエネルギー変換してもよい。このエネルギー変換は、蓄電装置60の蓄電量が満杯のときに有用である。
他の実施態様では、本実施形態をシフトダウンの変速時に適用することもできる。また、別の実施態様では、燃料電池2の発電量を変速機50の変速比の変化率に応じた発電量となるように制御してもよい。例えば、自動変速機の場合には、車速とアクセル開度との相関マップを用い、その相関マップより求めた変速後の変速比を、変速前の変速比と比べればよい。こうすることで、制御装置130は変速比の変化率の情報を得ることができる。また、手動変速機の場合には、ユーザにより指示された変速段の変速比と、指示前の変速段の変速比とを比べることで、変速比の変化率の情報を得ることができる。
別の実施態様では、制御装置130は、変速機40の変速動作と蓄電装置60の蓄電量とに応じて、燃料電池2の発電制御を変更してもよい。この場合には、SOCセンサ63によって検知された蓄電装置60の蓄電量の値に応じて、燃料電池2の発電量の制御を変えることが好ましい。
具体的には、蓄電装置60の蓄電量が閾値(予め設定された値)よりも大きい場合には、それが小さい場合と比べて燃料電池2からの出力が小さくなるように制御を変えても良い。蓄電量が閾値よりも大きい場合としては、例えば蓄電装置60がバッテリであれば、充電量が目標充電量よりも高い場合であって、回生電力の充電用の空き容量を確保したい場合が挙げられる。逆に、蓄電量が閾値よりも小さい場合としては、充電量が目標充電量よりも低い場合であってバッテリから出力可能な電力が小さい場合などが挙げられる。このように制御制御すれば、変速に伴う燃料電池2の出力制御を、蓄電装置60の出力制御と協調して好適に実行できる。
本発明の移動体(乗物)は、上記した二輪又は四輪等の車両1のみならず、電車、船舶、ロボットなどであってもよい。
実施形態に係る車両を模式的に示す構成図である。 実施形態に係る車両の変速時における一連の制御工程を示すフローチャートである。
符号の説明
1…車両、2…燃料電池、6…車輪、10…酸化剤ガス系、20…燃料ガス系、30…トラクションモータ、31…インバータ、40…変速機、42…駆動軸、60…蓄電装置、61…高圧DC/DCコンバータ、130…制御装置

Claims (7)

  1. 駆動源としてのモータと、前記モータに電力を供給するための燃料電池と、前記モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、前記燃料電池の発電量を制御する制御装置と、を備えた移動体において、
    前記制御装置は、前記変速機による変速時に、前記燃料電池の発電量を変速完了後の前記モータのトルクに応じた発電量に制御する、移動体。
  2. 前記制御装置は、前記変速機によるシフトアップ時に、前記モータのトルクを一時的に小さくすると共に、前記燃料電池の発電量をシフトアップ完了後の前記モータのトルクに応じた発電量に制御する、請求項1に記載の移動体。
  3. 前記制御装置は、前記シフトアップ時に、前記燃料電池から前記モータに供給する電力量をシフトアップ完了後における前記燃料電池の発電量より小さくする、請求項2に記載の移動体。
  4. 前記燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置を更に備え、
    前記蓄電装置は、前記シフトアップ時に、前記燃料電池の発電電力の一部を蓄電する、請求項3に記載の移動体。
  5. 前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系を備えており、
    前記制御装置は、前記変速時に、前記燃料電池の発電量が変速完了後の前記モータのトルクに応じた発電量となるように、前記燃料電池への前記反応ガスの供給量を制御する、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の移動体。
  6. 駆動源としてのモータと、前記モータに電力を供給するための燃料電池と、前記モータに電力を供給するための蓄電装置と、前記モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、前記燃料電池を制御する制御装置と、を備えた移動体において、
    前記制御装置は、前記変速機の変速動作と前記蓄電装置の蓄電量とに応じて、前記燃料電池の発電制御を変更する、移動体。
  7. 駆動源としてのモータと、前記モータに電力を供給するための燃料電池と、前記モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、前記燃料電池を制御する制御装置と、を備えた移動体において、
    前記制御装置は、前記変速機の変速動作に応じて前記燃料電池の発電制御を変更し、且つ
    前記変速動作の開始タイミングと前記発電制御の変更の開始タイミングとは、異なる、移動体。
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