JP2015220961A

JP2015220961A - 車両

Info

Publication number: JP2015220961A
Application number: JP2014105376A
Authority: JP
Inventors: 正俊藤戸; Masatoshi Fujito; 正男高岡; Masao Takaoka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】停車中に燃料電池の運転を伴って外部負荷に電力を供給するときにリアクトルの温度が過度に上昇するのを抑制する。
【解決手段】バッテリ２８の蓄電割合が目標割合を中心とする制御範囲内となるように燃料電池３０を運転制御するものにおいて、停車中に外部給電用インバータ４０を介して外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、停車中外部給電時でないときに比して、バッテリ２８の目標割合を高くする。これにより、バッテリ２８の蓄電割合や電圧を高くしてバッテリ側ライン３５とインバータ側ライン３６との電圧差を小さくすることができ、燃料電池３０の運転時の昇圧コンバータ２６のリアクトル２６ａのリプル電流を小さくすることができ、リアクトル２６ａの発熱量が大きくなるのを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に関し、詳しくは、走行用のモータと、モータを駆動するためのインバータと、バッテリと、バッテリが接続されたバッテリ側ラインとインバータが接続されたインバータ側ラインとに介在すると共にリアクトルを有する昇圧コンバータと、発電してインバータ側ラインに電力を供給する燃料電池と、バッテリ側ラインに接続されて外部負荷が接続されたときに外部負荷に電力を供給するための外部給電用インバータと、を備える車両に関する。

従来、この種の車両としては、モータと、モータを駆動する走行用インバータと、走行用インバータに直流配線を介して接続された燃料電池と、直流配線にＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続された二次電池と、二次電池に接続された外部接続インバータと、外部接続インバータに外部負荷を接続させるための外部負荷接続部とを備え、二次電池の充電量が所定の範囲内に収まるように二次電池を充電するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この車両では、停車中に外部負荷に電力を供給するときには、走行時より二次電池の充電量の上限値を低下させて二次電池の出力電圧（外部接続インバータの入力電圧）を低下させることにより、外部接続インバータの入力電圧を出力電圧に近づけて、外部接続インバータの効率を向上させている。

特開２０１３−９３９４１号公報

上述の車両では、停車中に外部負荷に電力を供給するときには、走行時より二次電池の出力電圧を低下させるから、ＤＣ／ＤＣコンバータの二次電池側と直流配線側との電圧差が大きくなる。両者の電圧差が大きくなると、燃料電池による発電電力を直流配線やＤＣ／ＤＣコンバータを介して二次電池や外部負荷に供給する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルのリプル電流が大きくなり、リアクトルの発熱量が大きくなる。停車中の外部負荷への電力供給は、比較的長時間に亘って行なわれることが多いから、その電力が大きいときには、リアクトルの発熱量が大きいと、リアクトルが比較的高温になってしまう可能性がある。

本発明の車両は、停車中に燃料電池の運転を伴って外部負荷に電力を供給するときにリアクトルの温度が過度に上昇するのを抑制することを主目的とする。

本発明の車両は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の車両は、
走行用のモータと、前記モータを駆動するためのインバータと、バッテリと、前記バッテリが接続されたバッテリ側ラインと前記インバータが接続されたインバータ側ラインとに介在すると共にリアクトルを有する昇圧コンバータと、発電して前記インバータ側ラインに電力を供給する燃料電池と、外部負荷が接続されたときに前記バッテリ側ラインから該外部負荷に電力を供給するための外部給電用インバータと、前記バッテリの蓄電割合が目標割合を含む制御範囲内となるように前記燃料電池を制御する制御手段と、を備える車両であって、
前記制御手段は、停車中に前記外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、該停車中外部給電時でないときに比して、前記目標割合を高くする、
ことを特徴とする車両。

この本発明の車両では、バッテリの蓄電割合が目標割合を含む制御範囲内となるように燃料電池を制御するものにおいて、停車中に外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、停車中外部給電時でないときに比して目標割合を高くする。一般にバッテリは蓄電割合が高いほど電圧が高くなるから、こうした処理により、停車中外部給電時に、バッテリの電圧を高くすることができ、バッテリ側ラインとインバータ側ラインとの電圧差を小さくすることができる。この結果、燃料電池による発電電力がインバータ側ライン，昇圧コンバータ（リアクトル）を介してバッテリや外部給電用インバータ（外部負荷）に供給されるときのリアクトルのリプル電流を小さくすることができ、リアクトルの発熱量が大きくなるのを抑制することができる。この結果、リアクトルの温度が過度に上昇するのを抑制することができる。

こうした本発明の車両において、前記制御手段は、前記バッテリの蓄電割合に応じて前記燃料電池を間欠運転する手段である、ものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の運転停止時には、昇圧コンバータには電流が流れないから、昇圧コンバータの各部品（リアクトルなど）の温度上昇をより抑制することができる。

また、本発明の車両において、前記制御手段は、停車中外部給電を終了して走行を開始するときには、バッテリ側ラインに接続された補機を強制駆動する手段である、ものとすることもできる。こうすれば、バッテリの蓄電割合を停車中外部給電時でないときの目標割合付近に迅速に低下させることができる。

本発明の一実施例としての燃料電池車２０の構成の概略を示す構成図である。停車中外部給電時のバッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての燃料電池車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池車２０は、図示するように、例えば同期発電電動機として構成された走行用のモータ２２と、モータ２２を駆動するパワーコントールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）２４と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されてＰＣＵ２４を介してモータ２２と電力をやりとりするバッテリ２８と、燃料電池（ＦＣ）３０と、燃料電池３０により発電された電力を昇圧してＰＣＵ２４側に供給するＦＣ用昇圧コンバータ３２と、バッテリ２８とＰＣＵ２４とを接続する電力ライン（後述のバッテリ側ライン３５）と外部負荷を接続するための図示しない外部負荷接続部とに接続されて外部負荷接続部に外部負荷（例えば、家庭用電化製品など）が接続されたときにその外部負荷に電力を供給する外部給電用インバータ４０と、車両全体を制御する電子制御ユニット５０と、を備える。

ＰＣＵ２４は、直流電力を三相交流電力に変換してモータ２２に供給するインバータ２５と、バッテリ２８が接続されたバッテリ側ライン３５とインバータ２５が接続されたインバータ側ライン３６とに接続されてバッテリ側ライン３５の電力を昇圧してインバータ側ライン３６に供給したりインバータ側ライン３６の電力を降圧してバッテリ側ライン３５に供給したりする昇圧コンバータ２６と、を備える。インバータ２５は、複数のスイッチング素子（トランジスタ）や複数のダイオードを備える。昇圧コンバータ２６は、複数のスイッチング素子や複数のダイオード，リアクトル２６ａを備える。インバータ２５や昇圧コンバータ２６の構成については周知であることから、詳細な説明は省略する。

ＦＣ用昇圧コンバータ３２は、燃料電池（ＦＣ）３０が接続されたＦＣ側ライン３７とインバータ側ライン３６とに接続されてＦＣ側ライン３７の電力を昇圧してインバータ側ライン３６に供給するコンバータとして構成されており、複数のスイッチング素子や複数のダイオード，リアクトルを備える。外部給電用インバータ４０は、複数のスイッチング素子や複数のダイオードを備える。ＦＣ用昇圧コンバータ３２や外部給電用インバータ４０の構成については周知であることから、詳細な説明は省略する。

電子制御ユニット５０には、モータ２２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからのモータ２２の回転子の回転位置θｍ，モータ２２の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ２８の電圧，電流，温度を検出する電圧センサ，電流センサ，温度センサからの端子間電圧Ｖｂ，充放電電流Ｉｂ，電池温度Ｔｂ，その他、車両の駆動制御に必要な信号、例えば、イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジション，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジション，車速センサからの車速などが入力されている。電子制御ユニット５０からは、インバータ２５のスイッチング素子へのスイッチング制御信号，昇圧コンバータ２６のスイッチング素子へのスイッチング制御信号，燃料電池３０への運転制御信号，ＦＣ用昇圧コンバータ３２のスイッチング素子へのスイッチング制御信号，外部給電用インバータ４０のスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力されている。なお、電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサからのモータ２２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ２２の回転数Ｎｍを演算したり、電流センサからのバッテリ２８の充放電電流Ｉｂに基づいてそのときのバッテリ２８から放電可能な電力量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算したりしている。

こうして構成された実施例の燃料電池車２０では、電子制御ユニット５０は、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づく要求トルクＴｒ＊によって走行するようにモータ２２を駆動制御する（インバータ２５のスイッチング素子をスイッチング制御する）と共に、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣが目標割合ＳＯＣ＊を中心とする制御範囲（例えば目標割合ＳＯＣ＊プラスマイナス５％や１０％などの範囲）内となるように燃料電池３０を運転制御する。ここで、実施例では、燃料電池３０については、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣに応じて間欠運転する（例えば、蓄電割合ＳＯＣが制御範囲の下限付近に至ると燃料電池３０の運転を開始すると共に蓄電割合ＳＯＣが制御範囲の上限付近に至ると燃料電池３０を運転停止するなど）ものとした。また、実施例では、目標割合ＳＯＣ＊は、停車中に外部給電用インバータ４０を介して外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、停車中外部給電時でないとき（例えば、外部負荷接続部に外部負荷が接続されていない状態での走行時など）の値Ｓ１（例えば６０％など）より高い値Ｓ２（例えば７０％など）を用いるものとした。

図２は、停車中外部給電時のバッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣの時間変化の様子の一例を示す説明図である。図中、実線は実施例の様子を示し、一点鎖線は比較例を示す。なお、比較例としては、停車中外部給電時に停車中外部給電時でないときと同一の目標割合ＳＯＣ＊（＝Ｓ１）を用いると共に実施例と同様に蓄電割合ＳＯＣに応じて燃料電池３０を間欠運転する場合を考えるものとした。実施例および比較例において、燃料電池（ＦＣ）３０の運転時には、燃料電池３０による発電電力がＦＣ用昇圧コンバータ３２，昇圧コンバータ２６を介してバッテリ２８や外部給電用インバータ４０（外部負荷）に供給される。また、燃料電池３０の運転停止時には、バッテリ２８からの電力が外部給電用インバータ４０（外部負荷）に供給される。したがって、燃料電池３０を間欠運転することにより、燃料電池３０の運転停止時には、昇圧コンバータ２６やＦＣ用昇圧コンバータ３２に電流が流れないから、昇圧コンバータ２６やＦＣ用昇圧コンバータ３２の各部品（スイッチング素子やリアクトルなど）の過熱を抑制することができる。また、一般にバッテリ２８は蓄電割合ＳＯＣが高いほど端子間電圧Ｖｂが高くなる。したがって、停車中外部給電時において、実施例では、比較例に比して目標割合ＳＯＣ＊を高くしてバッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣを高い範囲で推移させることにより、バッテリ２８の端子間電圧Ｖｂを高くすることができ、バッテリ側ライン３５とインバータ側ライン３６との電圧差が小さくすることができる。これにより、燃料電池３０の運転時の昇圧コンバータ２６のリアクトル２６ａのリプル電流を小さくすることができ、リアクトル２６ａの発熱量が大きくなるのを抑制することができる。停車中外部給電（停車中の外部負荷への電力の供給）は、比較的長時間に亘って行なわれることが多いから、その電力が大きいときには、リアクトル２６ａの発熱量が大きいと、リアクトル２６ａが比較的高温になってしまう可能性がある。これに対して、実施例では、リアクトル２６ａの発熱量が大きくなるのを抑制することにより、リアクトル２６ａの温度が過度に高温になるのを抑制することができる。なお、停車中外部給電時でないとき、特に、走行時には、運転者によりブレーキペダルが踏み込まれたときなどにモータ２２を回生駆動してバッテリ２８を充電できるようにするために、バッテリ２８の目標割合ＳＯＣ＊を値Ｓ２でなく値Ｓ１とするものとした。

また、実施例の燃料電池車２０では、停車中外部給電を終了した後に外部負荷が外部負荷接続部から外されて走行を開始するときには、それまでの外部給電のためにバッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣが比較的高くなっている。このため、実施例では、このときには、燃料電池３０の運転停止を比較的長く行なうようにすると共にバッテリ側ライン３５に接続された図示しない空調装置のコンプレッサなどの補機の強制駆動によって電力を消費させるものとした。これにより、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣを走行時の目標割合ＳＯＣ＊（＝Ｓ１）付近に迅速に低下させることができる。

以上説明した実施例の燃料電池車２０によれば、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣが目標割合ＳＯＣ＊を中心とする制御範囲内となるように燃料電池３０を運転制御するものにおいて、停車中に外部給電用インバータ４０を介して外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、停車中外部給電時でないときに比して、バッテリ２８の目標割合ＳＯＣ＊を高くするから、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣや端子間電圧Ｖｂを高くすることができ、バッテリ側ライン３５とインバータ側ライン３６との電圧差が小さくすることができる。この結果、燃料電池３０の運転時の昇圧コンバータ２６のリアクトル２６ａのリプル電流を小さくすることができ、リアクトル２６ａの発熱量が大きくなるのを抑制することができ、リアクトル２６ａの温度が過度に上昇するのを抑制することができる。

実施例の燃料電池車２０では、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣに応じて燃料電池３０を間欠運転するものとしたが、バッテリ２８の蓄電割合ＳＯＣが目標割合ＳＯＣ＊を中心とする制御範囲内となるように燃料電池３０を継続して運転するものとしてもよい。

実施例の燃料電池車２０では、停車中外部給電を終了して走行を開始するときには、バッテリ側ラインに接続された補機を強制駆動するものとしたが、これを行なわないものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ２２が「モータ」に相当し、インバータ２５が「インバータ」に相当し、バッテリ２８が「バッテリ」に相当し、昇圧コンバータ２６が「昇圧コンバータ」に相当し、燃料電池３０が「燃料電池」に相当し、外部給電用インバータ４０が「外部給電用インバータ」に相当し、電子制御ユニット５０が「制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電動車両の製造産業などに利用可能である。

２０燃料電池車、２２モータ、２４パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、２５インバータ、２６昇圧コンバータ、２６ａリアクトル、２８バッテリ、３０燃料電池（ＦＣ）、３２ＦＣ用昇圧コンバータ、３５バッテリ側ライン、３６インバータ側ライン、３７ＦＣ側ライン、４０外部給電用インバータ、５０電子制御ユニット。

Claims

走行用のモータと、前記モータを駆動するためのインバータと、バッテリと、前記バッテリが接続されたバッテリ側ラインと前記インバータが接続されたインバータ側ラインとに介在すると共にリアクトルを有する昇圧コンバータと、発電して前記インバータ側ラインに電力を供給する燃料電池と、外部負荷が接続されたときに前記バッテリ側ラインから該外部負荷に電力を供給するための外部給電用インバータと、前記バッテリの蓄電割合が目標割合を含む制御範囲内となるように前記燃料電池を制御する制御手段と、を備える車両であって、
前記制御手段は、停車中に前記外部負荷に電力を供給する停車中外部給電時には、該停車中外部給電時でないときに比して、前記目標割合を高くする、
ことを特徴とする車両。