JP2015063160A - 温度制御装置、温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の冷却部と連携する空調用機器が故障した場合、燃料電池の運転に与える影響を緩和すること。
【解決手段】３方弁が開いたまま閉じなくなった場合（ｄ，ｅ，ｆ）、冷却部と空調部とが連結したままになる。この場合、燃料電池の温度に応じて、空調部からの放熱量を制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、温度制御に関する。

空調用の温水の流路と、燃料電池用の冷却水の流路との連結流路を、状況に応じて開放したり遮断したりすることによって、空調と燃料電池の温度制御とを好適に実施することを目指した技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−０１４２６８号公報

上記先行技術が有する課題は、空調用機器が故障した場合、燃料電池の運転に与える影響を緩和することについて改善の余地があることである。この他、装置の小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。

本発明は、先述した課題の少なくとも一部を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

（１）本発明の一形態によれば、温度制御装置が提供される。この温度制御装置は、燃料電池の温度を制御するために、熱媒体を循環させる冷却部と；空調のために熱媒体を循環させる空調部と；熱媒体が前記冷却部と前記空調部とのそれぞれを循環する非連結状態と、前記冷却部を循環する熱媒体の少なくとも一部が前記空調部を循環する連結状態との何れかを選択するための弁と；前記弁を制御しても前記非連結状態を選択できない場合、前記燃料電池の温度制御のために、前記空調部を循環する熱媒体からの放熱を制御する制御部とを備える。この形態によれば、非連結状態を選択できない場合においても、燃料電池の温度制御が適切に実行できる。

（２）上記形態において、前記制御部は、前記放熱の制御を、前記空調部における熱媒体の流量を制御することによって実現する。この形態によれば、空調部からの放熱を制御しつつ、空調を制御しやすくなる。この形態によれば、熱媒体を介して空調部に供給される熱量を制御できるからである。

（３）上記形態において、前記制御部は、前記弁の開閉度を変更する制御を実行した場合に、前記空調部において測定される熱媒体の温度の変動が所定値よりも小さいとき、前記弁に故障が発生したと推定する。この形態によれば、弁の故障を簡易な方法によって検出できる。

（４）上記形態において、前記制御部は、前記弁の故障モードを、熱媒体の温度制御の状況に基づき推定する。この形態によれば、故障の症状を簡易な方法によって推定できる。

（５）上記形態において、前記空調部は、熱媒体を加熱する加熱器を含み；前記制御部は、前記加熱器が所定の発熱能力を発揮できないことを検出した場合、前記弁を制御することによって前記連結状態に設定する。この形態によれば、加熱器が発熱能力を発揮できない場合でも、燃料電池からの廃熱を空調部に供給することによって、空調を実現できる。

（６）上記形態において、前記制御部は、前記検出を、前記加熱器のデューティに対して前記加熱器による消費電力が小さいことに基づき実行する。この形態によれば、加熱器の故障モードを簡易な方法によって推定できる。

（７）上記形態において、前記制御部は、前記冷却部の制御によっては前記燃料電池の温度が目標値にまで低下しない場合、前記燃料電池の温度に応じた放熱量の制御として、前記空調のための放熱量よりも多い量の放熱を前記空調部に実行させる。この形態によれば、冷却部の制御によっては燃料電池の温度を目標値にまで低下しない場合に、空調のための放熱量よりも多い量の放熱を空調部に実行させることによって、燃料電池の温度を目標値に制御しやすくなる。

本発明は、上記以外の種々の形態でも実現できる。例えば、温度制御方法、この方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

温度制御システムの構成図。 非連結状態における冷却水と温水との流れを示す図。 連結状態における冷却水と温水との流れを示す図。 電気ヒータの故障モードの推定手法を示すテーブル。 ３方弁の故障モードの推定手法を示すテーブル。 故障が発生した場合の処置を示すテーブル。

図１は、温度制御システム１の構成図である。温度制御システム１は、燃料電池自動車に搭載されている。図１に示すように、温度制御システム１は、冷却部１０と、空調部２０と、燃料電池用ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３１と、空調用ＥＣＵ３２と、燃料電池スタック１００と、第１の連結流路２１６と、第２の連結流路２１８とを備える。

燃料電池スタック１００は、固体高分子形燃料電池によって構成される。燃料電池スタック１００が発電した電力は、自動車の駆動用モータ、二次電池、補器類などに供給される。補器類は、例えば、後述するポンプＷＰ１，ＷＰ２、ファン１１２、ブロア２２０、電気ヒータ２０２である。

冷却部１０は、冷却流路１２０と、ポンプＷＰ１と、温度センサ１３０と、燃料電池スタック１００と、温度センサ１３２と、ラジエータ１１０と、ファン１１２と、３方弁Ｖ１と、バイパス１２８とを備える。

冷却流路１２０は、冷却水を循環させるための流路である。ポンプＷＰ１は、冷却水を循環させる。冷却水は、ポンプＷＰ１から流出した後、燃料電池スタック１００を通過する。温度センサ１３０は、燃料電池スタック１００に流入する冷却水の温度（以下「ＦＣ入口温度」という）を測定する。温度センサ１３２は、燃料電池スタック１００から流出した冷却水の温度を測定する。

燃料電池スタック１００から流出した冷却水は、ラジエータ１１０又はバイパス１２８を通過して、ポンプＷＰ１に戻る。何れを通過するかは、３方弁Ｖ１の開閉によって決定される。ファン１１２は、ラジエータ１１０に対して送風することによって、ラジエータ１１０を通過する冷却水からの放熱を促進する。

燃料電池スタック１００から流出した冷却水が、ラジエータ１１０又はバイパス１２８に到達するまでに、冷却流路１２０のみを循環する場合と、空調用流路２１０とを通過する場合とがある。何れの場合になるかは、３方弁Ｖ２の開閉によって決定される（図２，図３と共に詳述）。第１の連結流路２１６及び第２の連結流路２１８は、燃料電池スタック１００から流出した冷却水が、空調用流路２１０を通過する場合に、冷却流路１２０と、空調用流路２１０とを連結する流路として機能する。

燃料電池用ＥＣＵ３１は、３方弁Ｖ１の開閉と、ファン１１２の回転数とを、温度センサ１３０，１３２の測定値に基づき制御することによって、ＦＣ入口温度を制御する。

空調部２０は、空調用流路２１０と、ポンプＷＰ２と、温度センサ２３０と、電気ヒータ２０２と、ヒータコア２００と、ブロア２２０と、通風ダクト２４と、温度センサ２３２と、３方弁Ｖ２とを備える。

空調用流路２１０は、温水を循環させるための流路である。ポンプＷＰ２は、温水を循環させる。ポンプＷＰ２から流出した温水は、電気ヒータ２０２によって加熱される。加熱された温水は、ヒータコア２００を通過する。温度センサ２３０は、ヒータコア２００に流入する温水の温度（以下「ヒータコア入口温度」という）を測定する。温度センサ２３２は、２００から流出した温水の温度を測定する。ブロア２２０は、通風ダクト２４を介して、車室内に向けて送風する。送風される空気は、ヒータコア２００を通過するので加熱される。

ヒータコア２００から流出した温水は、空調用流路２１０のみを循環して、又は冷却流路１２０の一部を通過して、ポンプＷＰ２に戻る。何れの状態になるかは、３方弁Ｖ２の開閉によって決定される（図２，図３と共に詳述）。３方弁Ｖ２は、第１の連結流路２１６と、空調用流路２１０とを接続する。

空調用ＥＣＵ３２は、目標車室温度、現在の車室温度、現在の外気温度等に応じて、電気ヒータ２０２のデューティ、ブロア２２０の回転数、３方弁Ｖ２の開閉、冷房用機器（冷媒用のコンプレッサ等。図示しない。）などを制御する。デューティとは、パルス幅変調制御における１周期において、電気ヒータ２０２に電流が流れる時間の割合のことである。この結果、ヒータコア２００からの放熱量および吹き出し温度が制御される。ヒータコア２００からの放熱は、暖房に加え、冷房や霜取り等の空調モードにおいても利用される。

図２は、非連結状態における冷却水と温水との流れを示す。非連結状態は、３方弁Ｖ２が閉じることによって実現される。非連結状態においては、冷却水は冷却部１０のみを循環し、温水は空調部２０のみを循環する。よって、冷却部１０と空調部２０とのそれぞれにおいて、温度制御が実行される。

図３は、連結状態における熱媒体の流れを示す。ここでいう熱媒体とは、冷却水と温水との総称のことである。冷却水および温水は、同じ物質であり、非連結状態においては用途の違いに基づき呼び分けられる。

連結状態において、第１の連結流路２１６は、燃料電池スタック１００から流出した熱媒体を、空調部２０に引き込むための流路として機能する。連結状態において、第２の連結流路２１８は、ヒータコア２００から流出した熱媒体を、ラジエータ１１０又はバイパス１２８に流入させるための流路として機能する。この結果、熱媒体は、冷却部１０と空調部２０とを循環する。連結状態において、燃料電池スタック１００からの廃熱は、車室内の空調のために利用される。

燃料電池用ＥＣＵ３１は、連結状態を許可するか否かを、ＦＣ入口温度、ラジエータ１１０からの放熱状況などに基づき決定し、空調用ＥＣＵ３２に通信によって伝達する。空調用ＥＣＵ３２は、連結状態が燃料電池用ＥＣＵ３１によって許可されていない場合、３方弁Ｖ２を閉じる。空調用ＥＣＵ３２は、連結状態が燃料電池用ＥＣＵ３１によって許可された場合、３方弁Ｖ２の開閉を決定する。この決定は、冷却水の温度制御の安定性や即応性、あるいは燃費などを考慮した制御手法に基づき実行される。

図４は、電気ヒータ２０２の故障モードの推定手法を示すテーブルである。図４に示されるように、空調用ＥＣＵ３２は、電気ヒータ２０２の消費電力が、電気ヒータ２０２のデューティに対して小さ過ぎる場合、電気ヒータ２０２が発熱できなくなったと推定する。空調用ＥＣＵ３２は、電気ヒータ２０２の消費電力を、電気ヒータ２０２に流れる電流値と、電気ヒータ２０２の抵抗値とに基づき算出する。電気ヒータ２０２に流れる電流値は、電気ヒータ２０２に設置された電流計（図示しない）によって測定される。
以下、この故障を「ＯＦＦ故障」という。空調用ＥＣＵ３２は、電気ヒータ２０２の消費電力が、電気ヒータ２０２のデューティに対して大き過ぎる場合、電気ヒータ２０２の発熱を停止させることができなくなったと推定する。以下、この故障を「ＯＮ故障」という。デューティ及び消費電力についての具体的な数値は、実験によって決定され、空調用ＥＣＵ３２に記憶される。これは、後述する推定に用いられる他のパラメータについても同様である。

図５は、３方弁Ｖ２の故障モードの推定手法を示すテーブルである。空調用ＥＣＵ３２は、３方弁Ｖ２の開閉状態を変更するための制御信号を出力したにも関わらず、ヒータコア入口温度が殆ど変動しない場合、３方弁Ｖ２に故障が発生したと推定する。例えば、制御信号の出力から所定時間の経過時点において、ヒータコア入口温度の変動が所定値以下であれば、「ヒータコア入口温度が殆ど変動しない」と判定される。

空調用ＥＣＵ３２は、この症状を検出した場合、３方弁Ｖ２の故障モードを、電気ヒータ２０２の故障モードと、熱媒体の制御状況とに基づき判定する。空調用ＥＣＵ３２は、冷却水温度の制御状況を、燃料電池用ＥＣＵ３１から通信によって取得する。

図５のＡに示されるように、電気ヒータ２０２が正常の場合に、ＦＣ入口温度が正常に制御できるとき、空調用ＥＣＵ３２は、３方弁Ｖ２が閉じたまま開かなくなったと推定する。以下、この故障を「閉故障」という。このように推定するのは、３方弁Ｖ２が閉じた状態において、正常な温度制御できることを前提に、温度制御システム１が設計されているからである。

図５のＢに示されるように、電気ヒータ２０２が正常の場合に、ＦＣ入口温度が正常には制御できないとき（例えば目標温度よりも低い温度が継続するとき）、空調用ＥＣＵ３２は、３方弁Ｖ２が開いたまま閉じなくなったと推定する。以下、この故障を「開故障」という。このように推定するのは、非連結状態を選択することによってＦＣ入口温度を保つために用いられるはずの熱が、ヒータコア２００から放熱されて空調に用いられていると考えられるからである。

図５のＣに示されるように、ＯＦＦ故障の場合に、ヒータコア入口温度が制御できずに急降下するとき、空調用ＥＣＵ３２は、閉故障が発生したと推定する。ヒータコア入口温度が急降下することは、温水が殆ど加熱されていないことを示唆するからである。

図５のＤに示されるように、ＯＦＦ故障の場合に、ＦＣ入口温度とヒータコア入口温度とが正常には制御できないとき（少なくとも何れか一方が、目標温度よりも低い温度が継続するとき）、空調用ＥＣＵ３２は、開故障が発生したと推定する。開故障の場合、燃料電池スタック１００によって加熱された熱媒体が空調部２０に流入するので、ＦＣ入口温度が低下すると考えられる。ヒータコア入口温度については、閉故障の場合に比べて高くなるものの、正常には制御できずに低下すると考えられる。

図５のＥに示されるように、ＯＮ故障の場合に、ヒータコア入口温度が急上昇するとき、空調用ＥＣＵ３２は、閉故障が発生したと推定する。ヒータコア２００からの放熱に対して、電気ヒータ２０２による発熱量が大きくなるからである。

図５のＦに示されるように、ＯＮ故障の場合に、ＦＣ入口温度とヒータコア入口温度とが正常には制御できないとき（少なくとも何れか一方が、目標温度よりも高い温度が継続するとき）、空調用ＥＣＵ３２は、開故障が発生したと推定する。開故障の場合、電気ヒータ２０２によって生じた熱がラジエータ１１０から放出されるので、ＦＣ入口温度が上昇すると考えられるからである。ヒータコア入口温度については、閉故障の場合に比べて低くなるものの、正常には制御できずに上昇すると考えられる。

図６は、故障が発生した場合の処置を示すテーブルである。３方弁Ｖ２の故障モードと、電気ヒータ２０２の故障モードとの組み合わせに応じて各機器が制御される。図６
に示されたカッコ内のアルファベットは、図５との対応を示す。

図６のａに示されるように、閉故障の場合に、電気ヒータ２０２が正常のときは、特殊な制御は実行されない。つまり、非連結状態を前提にして、燃料電池スタック１００の冷却と、車室内の空調とを実行する。この場合、連結状態を使用することによる効果（燃費の改善など）を享受できないものの、特段の支障は生じない。

図６のｂに示されるように、閉故障かつＯＦＦ故障の場合、車室内に吹き出す空気を殆ど加熱できないので、空調用ＥＣＵ３２は、空調部２０に含まれる加熱用機器（ポンプＷＰ２、ブロア２２０等）を停止する。この停止は、余分な電力消費を抑制するために実行される。

図６のｃに示されるように、閉故障かつＯＮ故障の場合、空調用ＥＣＵ３２は、温水の温度上昇をできるだけ抑制する。具体的には、ブロア２２０の回転数を最大にすると共に、ポンプＷＰ２の回転数を最適値に設定する。ポンプＷＰ２の回転数は、高ければ高いほど、ヒータコア２００からの放熱量を増大させることに貢献する一方、ポンプＷＰ２による発熱量を増大させて温水を加熱する。この処置は、空調部２０に含まれる各機器を、高温から保護するために実行される。

図６のｄ，ｅ，ｆに示されるように、開故障の場合、電気ヒータ２０２の故障モードに関わらず、各種温度について次の優先順位で制御する。最も優先されるのがＦＣ入口温度、次に車室内への吹き出し温度、最後に車室温度である。開故障が発生しているので、これらの制御は連結状態を前提に実行される。

ＦＣ入口温度は、燃料電池の運転に関わり、発電能力や燃料電池スタック１００の寿命に影響するので、最も優先される。例えばＯＮ故障の場合に、吹き出し温度や車室温度を優先にすると、ラジエータ１１０による放熱量が最大になるように制御しても、ＦＣ入口温度が高温になり過ぎてしまうことが考えられる。これを回避するために、空調用ＥＣＵ３２は、ポンプＷＰ２とブロア２２０とを制御することによって、ヒータコア２００からの放熱を最大限に促進し、ＦＣ入口温度を目標値に近づける。

ＯＮ故障の場合、３方弁Ｖ２の故障状況に関わらず、冷房用機器を用いて、吹き出し温度を低下させることが好ましい。冷房用機器による冷風は、車室内に吹き出す前に、ヒータコア２００による温風とミックスされる。このような優先順位による制御が実行されていることは、例えば、冷房負荷が高い条件において、ＦＣ入口温度が目標値に収束している一方、吹き出し温度や車室温度が目標値よりも高い状態が生じることによって確認してもよい。

逆にＯＦＦ故障の場合は、ＦＣ入口温度が低温になり過ぎてしまうことが考えられる。このような場合は、電気ヒータ２０２によって熱媒体を加熱すると共に、ヒータコア２００からの放熱量を抑制することによって、ＦＣ入口温度を上昇させる。

先述したように車室温度よりも吹き出し温度を優先するのは、吹き出し温度の方が、より快適性に影響するパラメータだからである。例えばＯＦＦ故障の場合、空調のための熱量が不足しやすい。この場合、例えばポンプＷＰ２による流量を抑制し、さらに必要に応じてブロア２２０の回転数を抑制することによって、吹き出し温度の低下を抑制する。なお、ポンプＷＰ２の運転状態の変動は、車室内における騒音や振動の変動としてユーザに知覚されやすい。この観点においては、できるだけポンプＷＰ２の運転状態は一定の方が好ましいので、本実施形態においては故障がなければポンプＷＰ２の運転状態は、できるだけ一定に維持される。

図６のＧ，Ｈに示されるように、ＯＮ故障とＯＦＦ故障との何れの場合でも、３方弁Ｖ２が正常なときは、３方弁Ｖ２を開くことによって連結状態に設定した上で、先述した開故障の場合と同様な制御を実行する。

ＯＮ故障の場合に３方弁Ｖ２を開くのは、ラジエータ１１０による放熱を利用して、熱媒体の冷却を促進するためである。ＯＦＦ故障の場合に３方弁Ｖ２を開くのは、燃料電池スタック１００によって加熱された熱媒体を空調部２０に供給することによって、吹き出し温度の変動を抑制し、吹き出し温度と車室温度とをできるだけ目標値に近づけるためである。

以上の実施形態によれば、３方弁Ｖ２と電気ヒータ２０２との故障モードを推定すると共に、推定結果に基づき処置を施すことができる。この処置は、燃料電池の保護を優先しており、自走が可能な状態を維持することに貢献する。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

燃料電池の温度として制御する具体的な温度は、燃料電池スタックを構成するセルの温度を反映した温度であればよい。例えば、燃料電池スタックに設置した温度計によって測定される温度でも、燃料電池スタックから流出した直後の冷却水の温度でもよい。
ＯＦＦ故障の場合に、熱媒体を加熱するために、冷房用機器（例えばコンデンサやコンプレッサ）からの廃熱を利用してもよい。
燃料電池用ＥＣＵの制御対象の少なくとも一部を、空調用ＥＣＵ３２の制御対象としてもよい。或いは、空調用ＥＣＵの制御対象の少なくとも一部を、燃料電池用ＥＣＵの制御対象としてもよい。
熱媒体は、水でなくても他の流体、例えば、シリコーンオイルでもよい。
温度制御システムは、自動車以外の他の輸送用機器、例えば、列車、船舶、航空機、宇宙船などに搭載されてもよい。
燃料電池の種類は、固体高分子型燃料電池でなくても、例えば、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池でもよい。

１…温度制御システム
１０…冷却部
２０…空調部
２４…通風ダクト
３１…燃料電池用ＥＣＵ
３２…空調用ＥＣＵ
１００…燃料電池スタック
１１０…ラジエータ
１１２…ファン
１２０…冷却流路
１２８…バイパス
１３０…温度センサ
１３２…温度センサ
２００…ヒータコア
２０２…電気ヒータ
２１０…空調用流路
２１６…第１の連結流路
２１８…第２の連結流路
２２０…ブロア
２３０…温度センサ
２３２…温度センサ
ＷＰ１…ポンプ
ＷＰ２…ポンプ

Claims (8)

1. 燃料電池の温度を制御するために、熱媒体を循環させる冷却部と、
   空調のために熱媒体を循環させる空調部と、
   熱媒体が前記冷却部と前記空調部とのそれぞれを循環する非連結状態と、前記冷却部を循環する熱媒体の少なくとも一部が前記空調部を循環する連結状態との何れかを選択するための弁と、
   前記弁を制御しても前記非連結状態を選択できない場合、前記燃料電池の温度に応じて、前記空調部を循環する熱媒体からの放熱量を制御する制御部と
   を備える温度制御装置。
2. 前記制御部は、前記放熱の制御を、前記空調部における熱媒体の流量を制御することによって実現する
   請求項１に記載の温度制御装置。
3. 前記制御部は、前記弁の開閉度を変更する制御を実行した場合に、前記空調部において測定される熱媒体の温度の変動が所定値よりも小さいとき、前記弁に故障が発生したと推定する
   請求項１又は請求項２に記載の温度制御装置。
4. 前記制御部は、前記弁の故障モードを、熱媒体の温度制御の状況に基づき推定する
   請求項３に記載の温度制御装置。
5. 前記空調部は、熱媒体を加熱する加熱器を含み、
   前記制御部は、前記加熱器が所定の発熱能力を発揮できないことを検出した場合、前記弁を制御することによって前記連結状態に設定する
   請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の温度制御装置。
6. 前記制御部は、前記検出を、前記加熱器のデューティに対して前記加熱器による消費電力が小さいことに基づき実行する
   請求項５に記載の温度制御装置。
7. 前記制御部は、前記冷却部の制御によっては前記燃料電池の温度が目標値にまで低下しない場合、前記燃料電池の温度に応じた放熱量の制御として、前記空調のための放熱量よりも多い量の放熱を前記空調部に実行させる
   請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の温度制御装置。
8. 燃料電池の温度を制御するために冷却部を循環する熱媒体の温度と、
   空調のために空調部を循環する熱媒体の温度とを制御する方法であって、
   前記冷却部を循環する熱媒体の少なくとも一部が前記空調部を循環する連結状態から、前記熱媒体が前記冷却部と前記空調部とのそれぞれを循環する非連結状態に切り替えることができない場合、前記燃料電池の温度に応じて、前記空調部からの放熱量を制御する
   温度制御方法。

Images