JP2010110188A - 燃料電池車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池車両のイグニッションスイッチをオフにする操作、換言すれば、氷点下で燃料電池車両をちょっと起動した後すぐに停止させる、いわゆる低温下ちょいがけ操作がなされた場合、バッテリのエネルギが過度に低下し、発電停止後の掃気処理、再起動もできなくなる。
【解決手段】起動時にバッテリ16の残容量が少ないときには、エアコンディショナ37及び走行モータ18の出力を制限又は停止し、燃料電池14によるバッテリ16の充電を優先する。
【選択図】図2

Description

この発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの電力等を蓄電するとともに前記燃料電池を起動するための電力供給源等として利用される蓄電装置と、を備えるハイブリッド電源により走行モータを駆動する燃料電池車両に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜(陽イオン交換膜)からなる電解質(電解質膜)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対向して配設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
この発電セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス(以下、水素含有ガスともいう。)は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気(以下、酸素含有ガスともいう。)が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。
水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムを搭載した燃料電池車両では、イグニッションスイッチがオフにされた後の燃料電池システムの運転停止時に、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する掃気処理技術が提案されている(特許文献1)。
実際、燃料電池車両は、電源として燃料電池と高電圧のバッテリを併用した燃料電池システムにより、車両走行用の走行モータを駆動するように構成されている。この燃料電池車両では、バッテリの電力を利用して車両(燃料電池)を起動するとともに車両走行や補機電力のアシストを行い、あるいはバッテリ電力のみでいわゆるEV(Electric Vehicle)走行が行われる。また、前記掃気処理もバッテリの電力により行われる。
特開2006−278085号公報
ところで、燃料電池車両において、イグニッションスイッチのオフ後のソーク時に外気温が下がり、氷点下等の低温時に燃料電池車両のイグニッションスイッチをオンとしたとき、燃料電池が暖機される前に、運転者等の操作者の都合等によりイグニッションスイッチがオフ状態にされる可能性がある。
このような、低温時短時間発電後停止要求の操作(例えば、氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池車両のイグニッションスイッチをオフにする操作、換言すれば、氷点下で燃料電池車両をちょっと起動した後すぐに停止させる、いわゆる低温下ちょいがけ操作)がなされた場合、あるいは低温下チョイがけ操作が繰り返された場合には、バッテリのエネルギが過度に低下し、発電停止後の上記した掃気処理ができなくなる虞がある他、バッテリの残容量が下限閾値を下回ると再起動もできなくなる虞がある。
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、イグニッションスイッチオフ時における掃気処理の確実な実行を可能にするとともに、当該燃料電池車両の再起動を確実に行えるようにした燃料電池車両を提供することを目的とする。
この発明に係る燃料電池車両は、燃料電池と走行モータを電気的に接続する第1バスと、前記第1バスより分岐して蓄電装置と電気的に接続する第2バスと、前記蓄電装置の電力により前記燃料電池へ反応ガスを供給して前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、前記蓄電装置の電力により前記燃料電池への反応ガスの供給の停止後に、前記燃料電池内部に掃気ガスを導入し、内部を掃気する掃気部と、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出部と、を備えた燃料電池車両であって、前記燃料電池の起動時に、前記残容量が残容量閾値未満である場合、前記走行モータの出力を制限又は停止することで、前記残容量が前記残容量閾値以上である場合に比べ前記第2バスを通流する電流を増加させ、前記蓄電装置を充電する第2バス電流増加部を備えることを特徴とする。
この発明によれば、第2バス電流増加部は、燃料電池の起動時に、蓄電装置が残容量閾値未満である場合、燃料電池から前記第1バスを通じて走行モータに供給される電流(電力)を制限又は停止することで、残容量が残容量閾値以上である場合に比べ前記第2バスを通流する電流を増加させ、前記蓄電装置を充電するようにしたので、上述した低温下チョイがけ操作等で蓄電装置の蓄電量が低下し、掃気分のエネルギを失った場合でも、燃料電池起動時に車両としての走行よりも蓄電装置の充電が優先され、迅速に掃気分及び次回起動分のエネルギを確保することができる。結果として、反応ガスを封入したままでの放置による燃料電池の劣化、水分の凍結に付随する燃料電池の劣化などを未然に防止することができる。
また、走行モータの出力を制限又は停止することで蓄電装置の充電量を増やせるばかりか、燃料電池から蓄電装置への充電電流の変動も抑えることが可能になるため、効率の良い充電が行える。
この発明によれば、起動時に蓄電装置の残容量が少ないときに走行モータの駆動よりも蓄電装置の充電を優先するようにしたので、イグニッションスイッチオフ時における掃気処理の確実な実行ができ、且つ当該燃料電池車両の再起動を確実に行うことができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム10を備える燃料電池車両12の概略構成図である。
この燃料電池車両12は、基本的には、燃料電池14と、この燃料電池14の発電出力を補助するエネルギストレージである高圧の蓄電装置(バッテリという。)16とから構成されるハイブリッド電源と、このハイブリッド電源からの電流(電力)が図示しないインバータを通じて供給される走行モータ18とから構成される。
バッテリ16は、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池、又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。
燃料電池14の発電電流Ifcの電流出力端は、第1バス101を通じて走行モータ18に電気的に接続されている。また、この第1バス101から分岐する第2バス102に電力分配器21を通じてバッテリ16が電気的に接続されている。
電力分配器21は、制御装置(コントローラ)70の制御下に、燃料電池14の電力(発電電力)及び(又は)バッテリ16の電力を、走行モータ18や補機としてのエアコンプレッサ36(掃気部)及び補機としてのエアコンディショナ(エアコン)37等に分配する。また、この電力分配器21は、制御装置70の制御下に、燃料電池14の電力及び(又は)走行モータ18の回生電力をバッテリ16に分配し、バッテリ16を充電する。
バッテリ16に流れる充電電流又は放電電流をバッテリ電流Ibという。また、走行モータ18に接続された第1バス101に流れる駆動(力行)電流又は回生電流をモータ電流Imという。燃料電池14に接続された第1バス101に流れる電流は、発電電流Ifcである。
燃料電池14は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造である。各燃料電池セルは、電解質膜(固体高分子電解質膜)・電極構造体を挟んで保持する金属のセパレータとを備える。一方のセパレータの電解質膜・電極構造体のカソード電極に対向する面には、酸化剤ガス流路(反応ガス流路ともいう。)146が設けられる。他方のセパレータの電解質膜・電極構造体のアノード電極に対向する面には、燃料ガス流路(反応ガス流路ともいう。)148が形成される。
燃料電池14には、この燃料電池14の燃料ガス流路148を通じてアノード電極に燃料ガス、例えば水素(H2)ガスを供給するための水素供給口20と、燃料電池14の燃料ガス流路148から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口22と、燃料電池14の酸化剤ガス流路146を通じてカソード電極に、酸化剤ガス、例えば酸素(O2)を含む空気(エア)を供給するための空気供給口24と、酸化剤ガス流路146から未使用の酸素を含む空気を燃料電池14から排出するための空気排出口26とが設けられている。
水素供給口20には、水素供給流路28が連通される。この水素供給流路28には、エゼクタ48が設けられ、このエゼクタ48は、高圧水素を貯留する水素タンク42から図示しない水素遮断弁及び圧力調整弁44を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路28及び水素供給口20を通じて燃料電池14に供給するとともに、燃料電池14で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素排出口22に連通する水素循環流路46から吸引して燃料電池14に再供給する。
水素循環流路46には、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを、水素パージ流路32及び図示しない希釈ボックスを介して外部(大気)に排出して発電安定性を確保するために適宜開放されるパージ弁30が設けられる。
一方、空気供給口24には、空気供給流路34が連通され、この空気供給流路34には、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ36が接続される。エアコンプレッサ36の外気取入口41には、大気圧Paを測定する大気圧センサ39が設けられている。
また、空気排出口26には、エアコンプレッサ36から空気供給流路34及び空気供給口24を通じて燃料電池14に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁38が設けられ、燃料電池14の空気排出口26は、この背圧制御弁38を介し空気排出流路40、図示しない前記希釈ボックスを通じて大気に連通している。
さらに、燃料電池14の水素供給流路28と空気供給流路34との間には、空気導入流路53を介し水素供給口20を通じて燃料ガス流路148に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード側空気掃気処理時に開放される空気導入弁54が設けられる。
さらに、燃料電池システム10及びこの燃料電池システム10を搭載する燃料電池車両12には、制御装置70が設けられ、この制御装置70により、燃料電池システム10及び燃料電池車両12の前記各種弁の開度及び開閉、電力分配器21の制御、走行モータ18の制御、エアコンプレッサ36等の補機の制御、バッテリ16の充放電制御等を含め、全ての動作が制御される。
制御装置70は、CPU、メモリ(ROM、RAM)、タイマ、A/D変換器、D/A変換器等を含むコンピュータ(ECU)により構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能部(機能手段)としても動作する。
この実施形態において、制御装置70は、機能部として、掃気制御部72、第2バス電流増加部74、燃料電池(FC)起動部76、バッテリ16の残容量検出部78、季節判定部(冬季判定部又は夏季判定部として機能する。)81、気温対応閾値変更部82、大気圧・気温対応閾値変更部84、及び発電量制御部86等を有し、不揮発性のメモリに格納される特性(マップ)として、SOC閾値テーブル88及び発電量テーブル90を有する。
季節判定部81は、エアコン用気温センサ52で検出される気温Tvが閾値温度0[℃]以下であるとき冬季と判定し、0[℃]以上であるとき夏季(冬季以外の春季、夏季、秋季を含む、通常季ともいう。)と判定する。閾値温度は、変更することができる。
気圧判定部83は、大気圧センサ39で検出される大気圧Paが、例えば標高1000[m]閾値気圧900[hPa]以下であるとき平地(Pa≦900[hPa])と判定し、900[hPa]以上であるとき高地(Pa≧900[hPa])と判定する。閾値気圧は、変更することができる。
なお、燃料電池車両12では、燃料電池14のカソード電極に圧縮昇温された空気を供給するエアコンプレッサ36と、この圧縮昇温空気の圧力に応じた流量の燃料ガスをアノード電極に供給する圧力調整弁44とを備え、カソード電極側の空気圧力に対してアノード側の燃料ガス圧力を所定圧に設定して発電効率を確保するとともに、空気及び燃料ガスの流量を制御することで所望の発電電流が得られるように構成されている。
すなわち、このような構成の燃料電池車両12では、負荷の変化に応じてアノード電極に供給される燃料ガスの量を変化させ、同時にカソード電極に供給される空気の量もコンプレッサの回転数を制御することで変化させる。
ところで、燃料電池車両12が高地で使用されるときに、平地での使用と同じようにエアコンプレッサ36の回転数を制御したのでは、空気の密度が高地では平地より低いことを原因として、燃料電池14に供給される酸素量が不足する事態が発生して未反応水素量が増加し、結果として発電電流が不足する等、燃料電池14の安定性及び発電効率が低下する。この問題を解決するために、高地では、エアコンプレッサの回転数を上昇させるが、さらにバッテリ16のエネルギが必要になる。
制御装置70には、フロントフード下であってフロントグリルの後方且つラジエータの前方に配置されるエアコン用気温センサ52で測定された気温Tv(走行風が当たるエアコン用気温センサ52は、走行中及びソーク中において、外気温に良好に追従することを確認している。)の他、大気圧センサ39からの大気圧Pa、バッテリ16に取り付けられている電圧センサ、電流センサ及び温度センサからバッテリ電圧Vb、バッテリ電流Ib及びバッテリ温度Tb等が導入される。
なお、気温Tvを測る外気温に対する追従性の高い温度センサとしては、エアコン用気温センサ52の他、走行モータ18を冷却するための図示しない冷却通路に流れる冷却媒体の温度を測定する温度センサを利用することができる。
制御装置70には、燃料電池車両12(燃料電池システム10)のメインスイッチであるイグニッションスイッチ80が接続されている。
なお、図1において、太い実線は電力線を示し、細い実線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。
燃料電池システム10の発電運転時には、制御装置70による弁制御により、基本的には、圧力調整弁44及び背圧制御弁38が適量に開いた状態になっており、パージ弁30は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁54は、閉じた状態になっている。
この発電運転時において、水素タンク42から供給される燃料ガスが、エゼクタ48を介し水素供給流路28を通じて燃料電池14の水素供給口20に供給される。
水素供給口20に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルを構成する燃料ガス流路148に沿ってアノード電極に供給されアノード電極に沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、水素排出口22から排出されて水素循環流路46に送られる。
水素循環流路46に排出された排ガスは、エゼクタ48の吸引作用下に、水素供給流路28の途上に戻された後、再度、燃料電池14内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。
一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてエアコンプレッサ36から供給され、圧縮空気が空気供給流路34に供給される。圧縮空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口24から各燃料電池セルを構成する酸化剤ガス流路146に沿ってカソード電極に供給されカソード電極に沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口26から背圧制御弁38を通じて大気に排出される。
これにより、各燃料電池セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスである水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。発電電力は、制御装置70の制御下に電力分配器21を通じて、走行モータ18、エアコンプレッサ36、エアコンディショナ37及びバッテリ16に供給される。
発電状態が一定時間以上継続されると、カソード電極側で発生し酸化剤ガス流路146にも貯留されている生成水が電解質膜、アノード電極を透過して燃料ガス流路148側に伝達され、燃料ガス流路148内にも貯留されることとなる。
結局、燃料電池14において発電が開始されると、最初に酸化剤ガス流路146に液滴が発生し、所定発電時間経過後に燃料ガス流路148内にも液滴が発生することになる。
制御装置70の残容量検出部78は、例えば、バッテリ16に対して入出力するバッテリ電流Ibを積算し、現在のSOCが、定格容量のSOC=100%に対して何%になっているかを算出し、メモリに記憶する。現在のSOCは、この電流積算法の他、電圧センサ62によりバッテリ16からバッテリ電流Ibが流出入していない状態での開放端子電圧、いわゆるOCV(Open Circuit Voltage)を測定すること等により検出することができる。OCVの場合には、通常、バッテリ温度TbをパラメータとしてSOCが決定される。
図2は、バッテリ16の残容量(SOC)で検索されるSOC閾値テーブル88の例を示している。
絶対下限閾値th1は、バッテリ残量が少なすぎて、燃料電池車両12(燃料電池システム10)を起動できない起動不可と起動可とを切り分ける閾値である。
夏季・冬季・平地急速充電閾値th2は、季節判定が夏季又は冬季、且つ気圧判定が平地であるときの掃気処理はできないが起動可であって、走行モータ18の停止及びエアコンディショナ37の停止で急速充電が必要な閾値である。
夏季・冬季・高地急速充電閾値th3は、季節判定が夏季又は冬季、且つ気圧判定が高地であるときの掃気処理はできないが起動可であって、走行モータ18の停止及びエアコンディショナ37の停止で急速充電が必要な閾値である。
夏季・平地走行中下限残容量閾値th4は、季節判定が夏季、且つ気圧判定が平地であるときの停止時の掃気処理可及び起動可であって、走行モータ18の出力制限、エアコンディショナ停止でバッテリ16の充電を走行に優先させる充電制御が必要な閾値である。
冬季・平地走行中下限残容量閾値th5は、季節判定が冬季、且つ気圧判定が平地であるときの停止時の掃気処理可及び起動可であって、走行モータ18の出力制限、エアコンディショナ停止でバッテリ16の充電を走行に優先させる充電制御が必要な閾値である。
夏季・高地走行中下限残容量閾値th6は、季節判定が夏季、且つ気圧判定が高地であるときの停止時の掃気処理可及び起動可であって、走行モータ18の出力制限、エアコンディショナ停止でバッテリ16の充電を走行に優先させる充電制御が必要な閾値である。
冬季・高地走行中下限残容量閾値th7は、季節判定が冬季、且つ気圧判定が高地であるときの停止時の掃気処理可及び起動可であって、走行モータ18の出力制限、エアコンディショナ停止でバッテリ16の充電を走行に優先させる充電制御が必要な閾値である。
絶対上限閾値th8は、これ以上バッテリ残容量を増加させるとバッテリ16が劣化する閾値である。
閾値th1〜th8の大小関係は、th1<th2<th3<th4<th5<th6<th7<th8である。
なお、走行中下限残容量閾値th4〜th7のそれぞれと絶対上限閾値th8との間のバッテリ残容量(SOC)では、燃料電池車両12の通常の制御を行うことが可能である。すなわち、バッテリ16の出力及び燃料電池14の出力を基本的には制限しない。その結果、通常の制御の場合、走行モータ18を運転者の意思に応じてバッテリ16の電力によりアシスト可能であり、エアコンディショナ37も所望に使用することができ、快適な運転を行うことができる。
以下、理解の便宜のために走行中下限残容量閾値th3〜th7を走行中下限残容量閾値THL(THLは、th3〜th7のいずれかの値)という。また、夏季・冬季・平地急速充電閾値th2及び夏季・冬季・高地急速充電閾値th3は、起動時緊急充電必要残容量閾値THE(THEは、th2又はth3の値)という。
図3は、バッテリ16の残容量(SOC)が、走行中下限残容量閾値THL以下である場合のFC出力の第2バス電流増加部74及び制御装置70による充電優先制御を説明する消費電力制限量テーブル90の一例を示している。バッテリ残容量(SOC)が起動時緊急充電必要残容量閾値THE以下の場合に、走行モータ18及びエアコンディショナ37等の補機の消費電力制限量Pclimitを最大にする消費電力制限量最大値Pclimitmaxとして、急速充電を実行する。消費電力制限用テーブル90a、90b、90c、90dは、それぞれ、夏季・平地、冬季・平地、夏季・高地、冬季・高地での制御テーブルとなることが分かる。
なお、このように制御テーブルを複数持たないで、図4に示すように、消費電力制限量テーブル90a1つをバッテリ残容量(SOC)に対する消費電力制限量テーブル90´として使用することで、メモリ容量を節約することができる。
この場合、バッテリ残容量検出部78により検出された残容量(SOC)が、走行中下限残容量閾値th7〜th6の間にあった場合には、残容量(SOC)を、残容量(SOC)=検出残容量(SOC)−(th7−th4)と計算して消費電力制限テーブル90aを参照する。以下、同様に、走行中下限残容量閾値th6〜th5の間であった場合には、残容量(SOC)=検出残容量(SOC)−(th6−th4)と計算して、走行中下限残容量閾値th4〜th5の間であった場合には、残容量(SOC)=検出残容量(SOC)−(th5−th4)と計算して1つの消費電力制限テーブル90aのみを参照する。
図3及び図4の消費電力制限量テーブル90、90´を利用した制御は、燃料電池14の発電電力(発電出力)を変化させないようにした制御であるが、次の図5に示すように、残容量(SOC)に応じて燃料電池14の発電電力を変化させてもよい。
すなわち、負荷、例えば走行モータ41やエアコンディショナ37等の補機の電力要求に応じて発電電力が決定される燃料電池システムにおいて、検出された残容量(SOC)が目標の残容量(目標SOC)となるように、発電電力に補正係数Ccoをかけて発電電力を修正すればよい。
図5に示すように、例えば、補正係数Ccoは、検出した残容量(SOC)が目標SOCであるときCco=1、目標SOCより低いときCco≧1とし徐々に補正係数最大値Ccomaxまで増加させ、目標SOCより低いときCco≦1とし徐々に減少させる補正係数テーブル91を用いる。
もちろん、図3又は図4の消費電力量テーブル90、90´のいずれかと、補正係数テーブル91を併せて用いることもできる。
次に、燃料電池車両12の季節、気圧に係わる充電制御について、図6のフローチャート(制御主体は制御装置70)を参照して説明する。
ステップS2において、季節判定部81は、エアコン用気温センサ52で検出される気温Tvが0[℃]以下であれば冬季、0[℃]以上であれば夏季とする季節判定を行う。
次いで、ステップS4において、制御装置70は、イグニッションスイッチ80がオン状態であるかどうかを検出する。
オン状態に遷移したことを検出したとき、ステップS6において、気圧判定部83は、大気圧センサ39で検出される大気圧Paが900[hPa]以下であれば高地(1000[m]以上)、900[hPa]以上であれば平地(1000[m]以下)とする気圧判定(標高の気圧による置換判定)を行う。もちろん、高度計により直接標高を測定してもよい。
次いで、ステップS8において、残容量検出部78は、バッテリ16の残容量(SOC)を検出する。
次に、ステップS10において、制御装置70は、検出した季節、検出した大気圧、及び検出した残容量(SOC)により、図2に示したSOC閾値テーブル88を参照して、季節、気圧の組み合わせに該当する残容量(SOC)が走行中下限残容量閾値THL以下であるかどうかを検出する(SOC≦THL)。
残容量(SOC)が走行中下限残容量閾値THLを上回る値である場合には、ステップS12において、上述した通常の制御(通常の充電制御、通常の走行制御)を行う。通常の制御中は、例えば、目標SOCが絶対上限閾値th8と走行中下限残容量閾値THLとの中間値程度になるように、発電量制御部86により燃料電池14が発電制御される。
なお、ステップS14において、イグニッションスイッチ80がオフ状態にされない限り上記の制御が繰り返し行われる。
走行中に、ステップS10の判定(SOC≦THL)が肯定的となったときには、バッテリ16の残容量(SOC)が、バッテリ16を優先して充電する必要があるほど低下している状態となっているので、まず、ステップS20において、第2バス電流増加部74は、エアコンディショナ37を停止し、その分、燃料電池14の発電電流Ifcをバッテリ16に接続される第2バス102の方へ流すように電力分配器21を制御する。
次に、ステップS22において、残容量(SOC)が、起動時緊急充電必要残容量閾値THE以下であるかどうかが判定される(SOC≦THE)。この判定が否定的である場合には、残容量(SOC)が、THL>SOC>THEの間にあるので、制御装置70は、走行モータ101による走行を、モータ出力を制限して継続させる。この場合のバッテリ16の消費電力制限量Pclimitは、図3又は図4の消費電力制限量テーブル90、90´が参照されて決定される。
次いで、ステップS26において、第2バス電流増加部74は、走行モータ18の出力を制限した分、バッテリ16の充電電流を増加させる。この場合、発電電力の増加は、図5に示した補正係数テーブル91を参照して決定することができる。
次いで、ステップS14において、イグニッションスイッチ80がオン状態である場合には、上述の処理を繰り返す。処理を繰り返すことで、ステップS10の判定が成立し、ステップS12の通常制御状態となる。
一方、ステップS22の判定において、残容量(SOC)が、起動時緊急充電必要残容量閾値THE以下である場合には、制御装置70は、ステップS28において、走行モータ101を駆動せずに発進(走行開始)を禁止する。
そして、ステップS30おいて、第2バス電流増加部74は、図3又は図4に示した消費電力制限量Pclimitを消費電力制限量最大値Pclimitmaxに制限するとともに、図5に示した発電電力補正係数Ccoを発電電力補正係数最大値Ccomaxに増加し、バッテリ16の充電電流を最大限に増加させる。
次いで、ステップS14において、イグニッションスイッチ80がオン状態である場合には、上述の処理を繰り返す。処理を繰り返すことで、ステップS10の判定が成立し、ステップS12の通常制御状態となる。
ステップS22の判定が肯定的となり(SOC≦THE)起動時緊急充電必要残容量閾値THEの充電量まで急速充電が必要となったとき、仮に、ステップS14においてイグニッションスイッチ80がオフ状態にされたとしてもステップS15において、残容量(SOC)が起動時緊急充電必要残容量閾値THEの充電量を上回らなければ、ステップS30での充電優先制御が継続されるので、イグニッションスイッチ80のオフ時には、必ず、起動時緊急充電必要残容量閾値THE以上の残容量(SOC)が確保されることになる。
よって、どのような状況下であっても、ステップS16における燃料電池車両12の停止時における掃気処理が必ず行えることになる。
ステップS18は、掃気処理後のシステムの停止処理を意味し、エアコンプレッサ36の作動も停止させる。
以上説明したように上述した実施形態に係る燃料電池車両12は、燃料電池14と走行モータ18を電気的に接続する第1バス101と、第1バス101より分岐してバッテリ16(蓄電装置)と電気的に接続する第2バス102と、バッテリ16の電力により燃料電池14へ反応ガスを供給して燃料電池14の発電を開始する燃料電池起動部(FC起動部)76と、バッテリ16の電力により燃料電池14への反応ガスの供給の停止後に、燃料電池14内部に掃気ガスを導入し、内部を掃気する掃気部(掃気制御部72とエアコンプレッサ36)と、バッテリの残容量(SOC)を検出する残容量検出部78と、を備える。そして、燃料電池車両12のイグニッションスイッチ80のオン時(燃料電池14の起動時)に、残容量(SOC)が残容量閾値(走行中下限残容量閾値THL又は起動時緊急充電必要残容量閾値THE)未満である場合、走行モータ18の出力を制限又は停止し、残容量(SOC)が残容量閾値(走行中下限残容量閾値THL又は起動時緊急充電必要残容量閾値THE)以上である場合に比べ第2バス102を通流する電流を増加させ、バッテリ16を充電する第2バス電流増加部74を備える。
第2バス電流増加部74は、燃料電池14の起動時に、バッテリ16が残容量閾値(走行中下限残容量閾値THL又は起動時緊急充電必要残容量閾値THE)未満である場合、燃料電池14から第1バス101を通じて走行モータ18に供給される電流(電力)を制限又は停止し、残容量(SOC)が残容量閾値(走行中下限残容量閾値THL又は起動時緊急充電必要残容量閾値THE)以上である場合に比べ第2バス102を通流する電流を増加させ、バッテリ16を優先的に充電するようにしたので、上述した低温下チョイがけ操作等でバッテリ16の蓄電量である残容量(SOC)が低下し、掃気分のエネルギを失った場合でも、燃料電池14の起動時に車両としての走行よりバッテリ16の充電を優先するようにしたので、迅速に掃気分及び次回起動分のエネルギを確保することができる。結果として、反応ガスを封入したままでの放置による燃料電池14の劣化、水分の凍結に付随する燃料電池14の劣化などを未然に防止することができる。
繰り返し効果について説明すると、氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池車両12のイグニッションスイッチ80をオフにする操作、換言すれば、氷点下で燃料電池車両12をちょっと起動した後すぐに停止させる、いわゆる低温下ちょいがけ操作がなされた場合、バッテリ16のエネルギが過度に低下し、発電停止後の掃気処理、再起動もできなくなることを未然に防止するために、起動時にバッテリ16の残容量(SOC)が閾値より少ないときには、エアコンディショナ37及び走行モータ18の出力を制限又は停止し、燃料電池14によるバッテリ16の充電を優先するようにしている。
そして、走行モータ18の出力を制限又は停止することでバッテリ16の充電量を増やせるばかりか、燃料電池14からバッテリ16への充電電流の変動も抑えることが可能になるため、効率の良い充電が行える。
よって、起動時にバッテリ16の残容量(SOC)が少ないときに走行モータ18の駆動よりもバッテリ16の充電を優先するようにしたので、イグニッションスイッチ80のオフ時における掃気制御部72による掃気処理(ステップS16)の確実な実行ができ、且つ当該燃料電池車両12の再起動を確実に行うことができる。
なお、残容量閾値は、燃料電池14の次回起動分及び次回掃気分の電力値の和以上で設定される走行中下限残容量閾値THLとすることで、冬季等においても確実に再起動することができる。
また、第2バス電流増加部74は、燃料電池14の起動時に、残容量(SOC)が、走行中下限残容量閾値THL未満の閾値であって、燃料電池14の起動時に、残容量(SOC)が燃料電池14の次回起動分の電力値以上で設定される起動後緊急充電必要残容量閾値THE未満である場合、走行モータ18の出力を停止し、残容量(SOC)が起動後緊急充電必要残容量閾値THE以上の値となるまで急速充電を行うことで、イグニッションスイッチ80のオフ時に必ず次回起動分の電力をバッテリ16に蓄えることができる。
さらに、大気圧センサ39(又は大気圧を高度で推定するための高度センサ)と、大気圧Paの低下に基づき、走行中下限残容量閾値THL及び起動後緊急充電必要残容量閾値THEをそれぞれより高い値(閾値th6、th3)に設定する大気圧対応閾値変更部(大気圧・気温対応閾値変更部84で実行される)と、を備えることで、高地であっても掃気処理及び確実な起動を行うことができる。
すなわち、大気圧Paが低い場合は同じ流量あたりのエアコンプレッサ36の消費電力が増加してしまうが、走行中下限残容量閾値THL及び起動後緊急充電必要残容量閾値THEを高く設定することで、車両走行環境が低地であっても高地であっても迅速に掃気エネルギを充電することができる。
さらに、気温Tvが低下した場合に冬季と判定する冬季判定部(季節判定部81)と、冬季と判定された場合に、走行中下限残容量閾値THLをより高い値(閾値th5)に設定する気温対応閾値変更部82と、を備えることで、冬季であっても掃気処理及び確実な起動を行うことができる。なお、気温Tvが低い場合は掃気量を増やすことにより、確実に燃料電池14の凍結による劣化を防止でき、且つ充電閾値も気温Tvに応じて設定しているので迅速に気温Tvに見合った掃気エネルギをバッテリ16に充電することができる。
季節判定と気圧判定を併用して、走行中下限残容量閾値THL及び起動後緊急充電必要残容量閾値THEをそれぞれより高い値(閾値th7、th3)に設定する大気圧・気温対応閾値変更部84を設けることが好ましい。
さらに、燃料電池14の発電量を制御する発電量制御部86を備え、発電量制御部86は、一定の特性であるSOC閾値テーブル90´(90d:図4参照)を用いてバッテリ16充電し、燃料電池14が発電している間、バッテリ16の残容量(SOC)が低いほど燃料電池14の発電量を増加するように制御し、残容量(SOC)が起動時緊急充電必要残容量閾値THE以下である場合、発電量を最大値の固定値である最大充電電流ichmaxにするよう制御することで、複数の特性(マップ)を持つ必要がなくなりメモリ容量を節約することができる。
なお、この発明は上述した実施形態に限らず、この明細書の記載に基づき種々の変更が可能である。
この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の概略構成図である。 バッテリ残容量の閾値テーブルの説明図である。 消費電力制限量テーブルの一例を示す説明図である。 消費電力制限量テーブルの他の例を示す説明図である。 発電電力補正係数テーブルの一例を示す説明図である。 季節、気圧に係わる充電制御の動作説明に供されるフローチャートである。
符号の説明
10…燃料電池システム 12…燃料電池車両
14…燃料電池 16…バッテリ
18…走行モータ 39…大気圧センサ
52…エアコン用気温センサ 70…制御装置

Claims (7)

  1. 燃料電池と走行モータを電気的に接続する第1バスと、
    前記第1バスより分岐して蓄電装置と電気的に接続する第2バスと、
    前記蓄電装置の電力により前記燃料電池へ反応ガスを供給して前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動部と、
    前記蓄電装置の電力により前記燃料電池への反応ガスの供給の停止後に、前記燃料電池内部に掃気ガスを導入し、内部を掃気する掃気部と、
    前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出部と、
    を備えた燃料電池車両であって、
    前記燃料電池の起動時に、前記残容量が残容量閾値未満である場合、前記走行モータの出力を制限又は停止することで、前記残容量が前記残容量閾値以上である場合に比べ前記第2バスを通流する電流を増加させ、前記蓄電装置を充電する第2バス電流増加部を備える
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項1記載の燃料電池車両において、
    前記残容量閾値が、前記燃料電池の次回起動分及び次回掃気分の電力値の和以上で設定される走行中下限残容量閾値である
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項2記載の燃料電池車両において、
    前記第2バス電流増加部は、
    前記燃料電池の起動時に、前記残容量が、前記走行中下限残容量閾値未満の閾値であって、前記燃料電池の起動時に、前記残容量が前記燃料電池の次回起動分の電力値以上で設定される起動後緊急充電必要残容量閾値未満である場合、前記走行モータの出力を停止し、前記残容量が起動後緊急充電必要残容量閾値以上の値となるまで急速充電を行う
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  4. 請求項2又は3に記載の燃料電池車両において、
    さらに、
    大気圧センサ又は大気圧を高度で推定するための高度センサと、
    前記大気圧の低下に基づき、前記走行中下限残容量閾値及び前記起動後緊急充電必要残容量閾値をそれぞれより高い値に設定する大気圧対応閾値変更部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池車両。
  5. 請求項2又は3に記載の燃料電池車両において
    さらに、
    気温が低下した場合に冬季と判定する冬季判定部と、
    冬季と判定された場合に、前記走行中下限残容量閾値をより高い値に設定する気温対応閾値変更部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池車両。
  6. 請求項2又は3に記載の燃料電池車両において、
    さらに、
    大気圧センサ又は大気圧を高度で推定するための高度センサと、
    気温が低下した場合に冬季と判定する冬季判定部と、
    前記冬季と判定され、且つ前記大気圧が低下していた場合、前記走行中下限残容量閾値及び前記起動後緊急充電必要残容量閾値をそれぞれより高い値に設定する大気圧・気温対応閾値変更部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池車両。
  7. 請求項6に記載の燃料電池車両において
    さらに、
    前記燃料電池の発電量を制御する発電量制御部を備え、
    前記発電量制御部は、一定の特性を用いて前記蓄電装置を充電し、
    前記一定の特性は、
    前記燃料電池が発電している間、前記蓄電装置の残容量が低いほど前記燃料電池の発電量を増加するように制御し、前記残容量が前記起動時緊急充電必要残容量閾値以下である場合、前記発電量を最大値の固定値にするよう制御する
    ことを特徴とする燃料電池車両。
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