JP2016103460A - 燃料電池システム、燃料電池車両、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、第1実施形態の燃料電池システム100を搭載した燃料電池車両10の構成を示す概略図である。燃料電池車両10は、燃料電池110と、FC昇圧コンバーター120と、パワーコントロールユニット(PCU)130と、トラクションモーター136と、エアコンプレッサー(ACP)138と、車速検出部139と、二次電池140と、SOC検出部142と、FC補機150と、制御装置180と、アクセル位置検出部190と、車輪WLと、を備える。燃料電池車両10は、燃料電池110および二次電池140から供給される電力によってトラクションモーター136を駆動させて走行する。燃料電池システム100は、例えば、上述した燃料電池車両10の機能部のうち、トラクションモーター136と、車輪WLとを除いた機能部によって構成される。
PVHCL=max{PT/M+PAUX+Pchg ,POC} ・・・(1)
ここで、PT/Mは、トラクションモーター136の駆動要求電力[W]であり、PAUXは、FC補機150やACP138の駆動要求電力[W]であり、Pchgは、二次電池140に充電される電力[W]である。POCは、間欠運転時等において高電位回避電圧とするために必要な電力[W]である。PT/Mは、例えば、トラクションモーター136の回転数および要求トルクと、PT/Mとの関係を示すモーター特性から算出することができる。PAUXは、例えば、現在のFC補機150、ACP138の消費電力の実測値に基づいて算出することができる。なお、PAUXは、FC補機150の消費電力を定数とし、ACP138の消費電力はモーターの回転数、要求トルクと、消費電力との関係を示すモーター特性から算出してもよい。Pchgは、例えば、二次電池140の目標のSOC(例えば、60%)と、現在のSOCと、Pchgとの関係を示したマップから算出することができる。POCは、燃料電池110の電力―電流特性(P−I特性)、電流―電圧特性(I−V特性)から算出することができる。なお、POCは固定値であってもよい。この「車両要求電力PVHCL」は、特許請求の範囲の「燃料電池の発電要求電力」に該当する。「Pchg」は、特許請求の範囲の「充電電力」に該当する。
PMAX=PT/M+PAUX+α・PWin ・・・(2)
ここで、PWinは、二次電池140の温度および蓄電量に応じて設定される充電電力の上限値[W]である。αは、補正係数である。PWinは、二次電池140のSOC充放電特性および温度充放電特性から算出することができる。SOC充放電特性とは、二次電池140の蓄電量(SOC)と、入力(充電)電力Pinの許容入力上限値Winおよび出力(放電)電力Poutの許容出力上限値Woutと、が対応付けられたマップである。温度充放電特性とは、二次電池140の温度Tbaと、入力電力の許容入力上限値Winおよび出力電力の許容出力上限値Woutと、が対応付けられたマップである。PM−ECU181は、SOC検出部142から取得した蓄電量(SOC)とSOC充放電特性から特定される許容入力上限値Winと、SOC検出部142から取得した温度Tbaと温度充放電特性から特定される許容入力上限値Winと、の小さい方をPWinとして採用することができる。補正係数αは、後述する補正係数設定制御によって算出される。以後、αとPWinとの積(α・PWin)を二次電池140の「許容充電電力」とも呼ぶ。本実施形態の「PM−ECU181」は、特許請求の範囲の「発電要求電力算出部」および「上限要求電力算出部」に該当する。
図8は、第2実施形態の燃料電池車両10Aの状態を例示したタイミングチャートある。図8には、燃料電池車両10のシフトポジションと、補正係数αと、上限要求電力PMAXと、車両要求電力PVHCLと、FC発電電力PFCと、ACP駆動要求電力PRQとの時系列変化が例示されている。第2実施形態の燃料電池車両10Aは、補正係数設定制御(図3)のステップS110における「予め設定されている条件」の内容が異なる点以外は第1実施形態の燃料電池車両10と同じである。第2実施形態の燃料電池車両10Aは、「予め設定されている条件」として、シフトポジションがD(ドライブ)からN(ニュートラル)に切り替えられ、かつ、FC発電電力PFCがWin保護設定電力PPRO以上となること、または、これらの状態となった後予め設定された時間内であることが設定されている。Win保護設定電力PPROは、第1実施形態と同様に、二次電池140を保護するために二次電池140に最低限供給すべき電力の値である。本実施形態の「Win保護設定電力PPRO」は、特許請求の範囲の「第2の閾値」に該当する。
図9は、第3実施形態の補正係数設定制御を説明するためのフローチャートである。第3実施形態の補正係数設定制御は、第1実施形態の補正係数設定制御(図3)と比較して、ステップS110、S115、S135が異なり、それ以外(ステップS120、S140、S150、S160)は同じである。第3実施形態のステップS110では、「予め設定されている条件」として、ブレーキによる燃料電池車両10Bの制動力Fbがトラクションモーター136による燃料電池車両10Bのタイヤの駆動力Fdよりも大きくなること(Fb>Fd)、が設定されている。燃料電池車両10Bの制動力Fbは、運転者によるブレーキの踏み込み量(ブレーキ踏込量DBR)[%]から算出することができる。ブレーキ踏込量DBRは、例えば、燃料電池車両10Bがブレーキ位置検出部を備えることによって検出できる。このブレーキ位置検出部は、検出したブレーキ踏込量DBRを制御装置180に送信してもよい。燃料電池車両10Bの駆動力Fdは、例えば、アクセル踏込量DACCと、トラクションモーター136の回転数とから算出することができる。制動力Fbが駆動力Fdよりも大きくなった場合(Fb>Fd)とは、例えば、運転者が燃料電池車両10Bの加速中にブレーキを踏んだときに生じ得る。この場合、燃料電池車両10では、燃料電池110の発電中にトラクションモーター136の回転数が急減し、トラクションモーター136の消費電力(T/M消費電力PCONS)が急減する。
図12は、第4実施形態の補正係数設定制御を説明するためのフローチャートである。第4実施形態の補正係数設定制御は、第3実施形態の補正係数設定制御(図9)と比較して、ステップS127が追加されている点が異なる。ステップS127では、PM−ECU181は、アクセル踏込量DACCが閾値ThACCよりも大きいか否かの判定をおこなう。ここでは、閾値ThACCとして10[%]が設定されている。閾値ThACCは、10[%]以外の数値であってもよい。アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合(ステップS127:No)、ロック予測フラグがONにも関わらず、補正係数αをロック予測フラグOFF時の値(図10)とする。すなわち、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合には、ロック予測に基づいて補正係数αを減少させない。アクセル踏込量DACCが値ThACC以下の場合には、上限要求電力PMAXが高電位回避電圧を発生させるための発電電力よりも小さくなるおそれがある。そのため、この場合には、ロック予測フラグがONであっても、補正係数αを減少させないようにすることによって、高電位回避電圧を発生させることができる。なお、他の実施例として、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合には、補正係数αの値を図10において、ロック予測フラグOFF時の値よりも小さく、ロック予測フラグがONの時よりも大きい値にしてもよい。この場合、高電位回避をおこないつつ、二次電池140の過充電の発生を抑制できる。
図14は、第5実施形態の補正係数設定制御を説明するためのフローチャートである。第5実施形態の補正係数設定制御は、第4実施形態の補正係数設定制御(図12)と比較して、ステップS127の位置がステップS125の上流側にある点が異なる。この構成の場合、「予め設定されている条件」を満たしていても(ステップS110:Yes)、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合(ステップS127:No)には、ロック予測フラグがONにならない。この場合であっても、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合には、補正係数αが減少しないため、高電位回避電圧を発生させることができる。
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
本実施形態では、ACP駆動要求電力PRQは、ACP138をアクセル要求トルクTACCに対応する駆動状態とするために必要な電力であるとした。しかし、ACP駆動要求電力PRQには、バルブの駆動電力などACP138の駆動電力以外の電力が含まれていてもよい。
本実施形態では、PM−ECU181は、車両要求電力PVHCL(指令電力PCOM)と上限要求電力PMAXとの比較をおこない、車両要求電力PVHCLが上限要求電力PMAXを上回っていないか否かを判定するとした。しかし、PM−ECU181は、車両要求電力PVHCLと上限要求電力PMAXとを比較せずに、これらをパワー指令PCOMとしてFDC―ECU183に発行し、FDC―ECU183が車両要求電力PVHCLと上限要求電力PMAXとを比較してもよい。また、PM−ECU181とFDC―ECU183のそれぞれが車両要求電力PVHCLと上限要求電力PMAXとを比較してもよい。
第1実施形態および第2実施形態の補正係数設定制御(図3)では、ステップS110において「予め設定されている条件」を満たしていると判定された場合、補正係数αをゼロにする(ステップS130)ものとして説明した。しかし、「予め設定されている条件」を満たしている場合に、補正係数αをゼロにするのではなく、第3実施形態のように、「予め設定されている条件」を満たしていない場合よりもαの値を小さくするように構成してもよい。この場合であっても、「予め設定されている条件」を満たしているときに上限要求電力PMAXを減少させることがきるため、二次電池140の過充電の発生を低減できる。一方、第3実施形態において、「予め設定されている条件」を満たしていると判定された場合に、補正係数αをゼロにするように構成してもよい。
第4実施形態の補正係数設定制御(図12)では、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合(ステップS127:No)には、ロック予測に基づいて補正係数αを減少させないものとして説明した。しかし、アクセル踏込量DACCが閾値ThACC以下の場合であっても、ロック予測に基づいて、補正係数αを減少させてもよい。このときの補正係数αは、アクセル踏込量DACCが閾値ThACCよりも大きいときの補正係数α(図10の「ロック予測フラグON時」)よりも値が大きくなることが好ましい。これにより、高電位回避をおこないつつ、二次電池140の過充電の発生を抑制できる。
本発明の一実施形態において、制御装置180は、T/M消費電力PCONSが急減する条件として予め設定されている条件を満たしたか否かを判定し、その条件を満たしていると判定した場合に、二次電池140の温度および蓄電量に基づいて算出された充電電力Pchgをゼロにして車両要求電力PVHCLをPT/M+PAUX+Pchgから算出し、その条件を満たしていないと判定した場合に、二次電池140の温度および蓄電量に基づいて算出された充電電力Pchgを用いてPT/M+PAUX+Pchgから車両要求電力PVHCLを算出してもよい。こうすることによっても、T/M消費電力PCONSが急減するときには、車両要求電力PVHCLに含まれる充電電力Pchgがゼロになって車両要求電力PVHCLが減少するため、二次電池140の過充電の発生を抑制できる。
100…燃料電池システム
110…燃料電池
120…FC昇圧コンバーター
130…パワーコントロールユニット
132…モータードライバー
136…トラクションモーター
138…エアコンプレッサー
139…車速検出部
140…二次電池
142…SOC検出部
150…FC補機
180…制御装置
190…アクセル位置検出部
WL…車輪
Claims (11)
- 車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、
前記モーターに電力を供給する二次電池と、
前記二次電池の温度および蓄電量を検出するSOC検出部と、
前記車両のアクセル踏込量を検出するアクセル位置検出部と、
前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池に指令される発電要求電力を算出する発電要求電力算出部と、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池が発電可能な上限要求電力を算出する上限要求電力算出部と、を備え、
前記上限要求電力には、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された許容充電電力が含まれており、
前記制御部は、
前記モーターの消費電力が急減する条件として予め設定されている条件を満たしたか否かを判定し、
前記条件を満たしていると判定すると、前記許容充電電力をゼロにして前記上限要求電力を算出し、
前記条件を満たしていないと判定すると、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された許容充電電力を用いて前記上限要求電力を算出し、
算出した前記発電要求電力が算出した前記上限要求電力を上回る場合、前記燃料電池に対して、算出した前記上限要求電力に対応した発電を実行させる、
燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記予め設定されている条件は、前記アクセル踏込量の減少速度が第1の閾値以上となることである、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記予め設定されている条件は、前記車両のシフトポジションがドライブからニュートラルに切り替えられ、かつ、前記燃料電池の発電電力が第2の閾値以上となることである、燃料電池システム。 - 車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、
前記モーターに電力を供給する二次電池と、
前記二次電池の温度および蓄電量を検出するSOC検出部と、
前記車両のアクセル踏込量を検出するアクセル位置検出部と、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池に指令される発電要求電力を算出する制御部と、を備え、
前記発電要求電力には、前記二次電池の温度および蓄電量に応じて算出される充電電力が含まれており、
前記制御部は、
前記モーターの消費電力が急減する条件として予め設定されている条件を満たしたか否かを判定し、
前記条件を満たしていると判定すると、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された充電電力をゼロにして前記発電要求電力を算出し、
前記条件を満たしていないと判定すると、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された充電電力を用いて前記発電要求電力を算出する、
燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記予め設定されている条件は、前記アクセル踏込量の減少速度が第1の閾値以上となることである、燃料電池システム。 - 請求項4に記載の燃料電池システムであって、
前記予め設定されている条件は、前記車両のシフトポジションがドライブからニュートラルに切り替えられ、かつ、前記燃料電池の発電電力が第2の閾値以上となることである、燃料電池システム。 - 車両であって、
請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池システムから供給される電力によって前記車両を駆動させるモーターと、を備える車両。 - 車両に搭載される燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、前記モーターに電力を供給する二次電池とを含んでおり、
前記制御方法は、
前記車両のアクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とを検出して、前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池に指令される発電要求電力を算出し、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池が発電可能な上限要求電力を算出し、前記上限要求電力には、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された許容充電電力が含まれており、
前記モーターの消費電力が急減する条件として予め設定されている条件を満たしたか否かを判定し、
前記条件を満たしていると判定すると、前記許容充電電力をゼロにして前記上限要求電力を算出し、
前記条件を満たしていないと判定すると、前記二次電池の温度および蓄電量に基づいて算出された許容充電電力を用いて前記上限要求電力を算出し、
算出した前記発電要求電力が算出した前記上限要求電力を上回る場合、前記燃料電池に対して、算出した前記上限要求電力に対応した発電を実行させる、制御方法。 - 車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、
前記モーターに電力を供給する二次電池と、
前記二次電池の温度および蓄電量を検出するSOC検出部と、
前記車両のアクセル踏込量を検出するアクセル位置検出部と、
前記燃料電池の発電電力を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池に指令される発電要求電力を算出する発電要求電力算出部と、
前記アクセル踏込量と、前記二次電池の温度および蓄電量とに基づいて、前記燃料電池が発電可能な上限要求電力を算出する上限要求電力算出部と、を備え、
前記上限要求電力には、前記二次電池の温度および蓄電量と、補正係数とに基づいて算出された許容充電電力が含まれており、
前記制御部は、
前記モーターの消費電力が急減する条件として予め設定されている条件を満たしたか否かを判定し、
前記条件を満たしていると判定すると、前記条件を満たしていない場合よりも前記補正係数を低減させることにより前記許容充電電力を低減させて前記上限要求電力を算出し、
前記条件を満たしていないと判定すると、前記条件を満たしている場合よりも前記補正係数を大きくすることにより前記許容充電電力を増加させて前記上限要求電力を算出し、
算出した前記発電要求電力が算出した前記上限要求電力を上回る場合、前記燃料電池に対して、算出した前記上限要求電力に対応した発電を実行させる、
燃料電池システム。 - 請求項9に記載の燃料電池システムであって、
前記予め設定されている条件は、ブレーキによる前記車両の制動力が前記モーターによる前記車両の駆動力よりも大きくなることである、燃料電池システム。 - 請求項10に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記条件を満たしていると判定したときにおいて、前記アクセル踏込量が予め設定された値以下の場合には、前記アクセル踏込量が前記予め設定された値よりも大きい場合よりも前記補正係数を大きくする、燃料電池システム。
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