JP2017011883A - 燃料電池自動車 - Google Patents

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修一 数野
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Hibiki Saeki
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Abstract

【課題】燃料電池(FC)と蓄電装置(バッテリ)とを直列に接続可能であって、且つFC電圧を昇圧可能なコンバータを備える燃料電池自動車のシステム効率を向上させる。【解決手段】高負荷時には、FC電圧Vfcをコンバータ18により昇圧した電圧Vfc+Vbatを発生する電圧源と、FC12及びバッテリ14の直列電源との並列的電源によりモータ負荷28を駆動する。低負荷時には、FC12のみでモータ負荷28を駆動するので、バッテリ14のSOCも減らず、コンバータ18も動かずにシステム効率が向上する。【選択図】図1

Description

この発明は、燃料電池及び/又は蓄電装置の電力を、走行用の動力を発生するモータに供給する燃料電池自動車に関する。
特許文献1には、直列接続した燃料電池と蓄電装置に対してコンバータを並列的に接続した構成からなる電源装置により、走行用の電力を発生するモータを駆動する電気自動車が開示されている(特許文献1の図1)。
特許文献1に開示された電気自動車では、燃料電池及び/又は蓄電装置の電圧をコンバータにより昇圧してモータに印加するか、前記燃料電池と蓄電装置の直列電圧を、コンバータを停止状態にしてモータに印加するように構成されている(特許文献1の[0046]、[0047])。
特開2013−27140号公報
上記したように、特許文献1には、燃料電池と蓄電装置の直列電源からモータに電力を供給する際に、コンバータを停止状態にして電力を供給する構成としてシステム効率を高くする技術が開示されている(特許文献1の[0009])。
ところで、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能で、且つコンバータを備える燃料電池自動車では、さらなるシステム効率の向上が希求されており、改良の余地がある。
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、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能で、且つコンバータを備える燃料電池自動車において、さらに合理的にシステム効率を向上させることを可能とする燃料電池自動車を提供することを目的とする。
この発明に係る燃料電池自動車は、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷と、燃料電池と、蓄電装置と、を有する燃料電池自動車において、前記モータ負荷に対する前記燃料電池及び前記蓄電装置の接続形態を直列又は前記燃料電池単独の並列に切り替える直並列切替器と、前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときに燃料電池電圧を昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧を前記モータ負荷に印加するコンバータと、前記直並列切替器及び前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記モータ負荷が、前記燃料電池の供給可能電力以下の第1閾値電力より小さい場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記第1閾値電力より大きい場合には、前記直並列切替器を直列に切り替える。
この発明によれば、直並列切替器を設け、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷の高低に応じて、燃料電池と蓄電装置とのモータ負荷に対する直並列接続形態及びコンバータの動作状態を制御するようにしたので、合理的にシステム効率を向上させることができる。
より具体的には、燃料電池の供給可能電力によりモータ負荷が賄える範囲(モータ負荷<第1閾値電力)では、コンバータを停止状態とし電圧変換(昇圧変換)を行わないで、同時に並列接続形態とし、モータ負荷を燃料電池単独で駆動するように構成している。モータ負荷を燃料電池単独で駆動するため、蓄電装置のSOCが減少しない。また、コンバータを停止状態にして電圧変換(昇圧変換)を行わないようにしているので、システム効率が向上する。
一方、燃料電池の供給可能電力によりモータ負荷が賄えない範囲(モータ負荷>第1閾値電力)では、燃料電池と蓄電装置を直列に接続し直列電圧をモータ負荷に印加するように構成したので、例えば、ドライバビリティを損なうことがない。
この場合、前記制御装置は、前記蓄電装置の残容量が、前記蓄電装置が継続して負荷に対する電力供給が可能である蓄電量閾値以上である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータの動作を停止状態にし、前記蓄電量閾値未満である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータを昇圧状態にするようにしてもよい。
この発明によれば、蓄電装置の残容量に余裕があるときには、直列に切り替え且つコンバータを停止状態にするので、直列であるときに、よりシステム効率を向上させることができる。蓄電装置の残容量に余裕がないときには、直列に切り替え且つコンバータを昇圧状態にするので、大きなモータ負荷に対応して駆動でき、ドライバビリティを確保できる。
また、前記制御装置は、前記モータ負荷が前記第1閾値電力より大きく、前記燃料電池及び前記蓄電装置で供給可能な電力である第2閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を直列に切り替え、且つ前記コンバータの動作を停止状態にするようにしてもよい。
この発明によれば、直列であってもコンバータを停止状態にできるときは停止状態にするのでシステム効率を向上させることができる。
さらに、前記蓄電量閾値を、該燃料電池自動車の車速が大きいほど小さくしてもよい。車速が大きいときには回生電力の回収による蓄電装置の蓄電量の増加が見込まれるため、蓄電量を減らしてでも直列且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。
さらにまた、前記蓄電量閾値を、前記蓄電装置の温度が高いほど小さくしてもよい。蓄電装置の温度が高いときには蓄電装置の充放電効率が高いため、蓄電装置を積極的に使って且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。
さらにまた、前記蓄電量閾値を、外気温が高いほど小さくしてもよい。外気温が低いときには、停止時に燃料電池内のアノード流路及び/又はカソード流路内の残留ガス等をエアポンプ駆動による空気により掃気する。一方、外気温が高いときには、外気温が低いときに必要な前記エアポンプ駆動分の蓄電装置の残容量が少なくてもよいと考えられるため、蓄電量を減らすことに弊害がなく、外気温が高いときには直列且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。
さらにまた、前記制御装置は、前記モータ負荷が、前記第1閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を並列に切り替える前に、さらに、前記モータの回転数を検出し、該回転数が閾値回転数未満である場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記回転数が前記閾値回転数以上である場合には、前記直並列切替器を並列ではなく直列に切り替えるようにしてもよい。
モータ負荷が小さい場合でも、モータの回転数が高いときには再加速時の出力の立ち上がりが早いため、電圧を確保できるよう直列を選択することでドライバビリティを損なわないようにする。
この発明によれば、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能であって、且つコンバータを備える燃料電池自動車において、直並列切替器を設け、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷の高低に応じて、燃料電池と蓄電装置とのモータ負荷に対する直並列接続形態及びコンバータの動作状態を制御するようにしたので、さらに合理的にシステム効率を向上させることができる。
この発明の実施形態に係る燃料電池自動車の概略全体構成図である。 主電源スイッチがON状態での一部省略概略全体構成図である。 モータ負荷の変化に対応する電源装置の接続・動作状態を説明する表図である。 極低負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 低負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 中負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 高負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 実施形態に係る燃料電池自動車の動作説明に供されるタイムチャートである。 実施形態に係る燃料電池自動車の動作説明に供されるフローチャートである。 変形例3の動作説明に供されるフローチャートである。 変形例4の燃料電池自動車の概略全体構成図である。
以下、この発明の実施形態に係る燃料電池自動車について添付の図面を参照しながら説明する。
図1は、この実施形態に係る燃料電池自動車10の概略全体構成図を示している。
図1に示すように、この実施形態に係る燃料電池自動車10は、基本的に、燃料電池(以下、FCともいう。)12と、蓄電装置(BAT、以下バッテリともいう。)14と、直並列切替器16と、コンバータ18と、インバータ(INV)20と、モータ(M)22と、動力伝達装置24と、電子制御ユニット(以下、ECUという。)26と、を備える。
バッテリ14には、バッテリコンタクタ101の一端側が接続され、FC12にはFCコンタクタ102の一端側が接続されている。FCコンタクタ102の他端側には、エアポンプ等の補機(AUX)103が接続されている。
バッテリコンタクタ101とFCコンタクタ102は、図示しない主電源スイッチ(内燃機関自動車のイグニッションスイッチに対応する。)をON又はOFFすることに対応してON状態(閉状態:一端側と他端側の接続状態)又はOFF状態(開状態:一端側と他端側の非接続状態)に切り替えられる。
以降、基本的には、主電源スイッチがON状態(閉状態)になっていてバッテリコンタクタ101とFCコンタクタ102とが共にON状態(閉状態)になっているものとして、燃料電池自動車10の構成を説明する。
燃料電池自動車10を構成する、インバータ20とモータ22と動力伝達装置24とを併せてモータ負荷28といい、モータ負荷28で消費される電力を、参照符号を変えて、モータ負荷(モータ要求電力又はモータ必要電力)Pm[kW]という。また、FC12と、バッテリ14と、直並列切替器16と、コンバータ18と、を併せて電源装置(直流電源装置)36という。
動力伝達装置24は、トランスミッション30と車輪32とにより構成されモータ22が発生した動力を車輪32に伝達して燃料電池自動車10を走行させる。
インバータ20は、双方向の直流交流変換器であり、モータ駆動部等として機能する。インバータ20は、モータ22の力行時に、FC12及び/又はバッテリ14により電源装置36の出力端に発生した直流電圧である電源電圧Vinvを3相の交流電圧に変換してモータ22に印加する。
インバータ20は、また、モータ22の減速時(回生時)に、モータ22の両端に発生した交流の回生電圧を直流電圧の電源電圧Vinvに変換し、バッテリ14を充電する等の機能を有する。
なお、電源電圧Vinvを平滑するコンデンサ34が、電源装置36の正極端子91(バッテリ14の正極端子91ともいう。)と、電源装置36の負極端子94(FC12の負極端子94ともいう。)との間に接続されている。
FC12、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体(MEA)を、一対のセパレータによって挟持した発電セルが積層されて使用に供される。FC12は、水素ガス及び空気がそれぞれ水素タンク(不図示)及びエアポンプ(不図示)から前記アノード電極及び前記カソード電極に供給されると電気化学的に反応し、直流の電圧(FC電圧ともいう。)Vfcを発生し直流の電流(FC電流ともいう。)Ifcを出力する。
バッテリ14は、複数のバッテリセルを含むエネルギストレージであり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池等の2次電池(バッテリ)を利用することができる。バッテリ14としてキャパシタを利用することもできる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。
バッテリ14は、直流の電圧(バッテリ電圧ともいう。)Vbatを発生し直流の電流(放電電流ともいう。)Ibcを放電する。バッテリ14は、また、直流の電流(充電電流ともいう。)Ibdを充電できる。放電電流Ibc及び/又は充電電流Ibdを併せてバッテリ電流Ibatという。
直並列切替器16は、それぞれ、トランジスタ38、40に逆方向接続されたダイオード42、44を有する2つのスイッチング素子SW1、SW2を並列的に備える。スイッチング素子SW1、SW2の一端は共通接続されてFC12の正極端子93に接続され、他端は、それぞれ、バッテリ14の正極端子91及び負極端子92に接続されている。スイッチング素子SW1、SW2のスイッチング用の制御端子53、54は、接続線(不図示)を通じてECU26に接続されている。
コンバータ18は、チョッパ型の昇圧DC/DCコンバータであり、それぞれ、トランジスタ58、60に逆方向接続されたダイオード62、64を有するハイサイド側のスイッチング素子SW3とローサイド側のスイッチング素子SW4を備える。スイッチング素子SW3の低圧側及びスイッチング素子SW4の高圧側は共通接続されてリアクトル74の一端に接続されている。
スイッチング素子SW3の高圧側は、バッテリ14の正極端子91に接続され、スイッチング素子SW4の低圧側は、FC12の負極端子94に接続されている。
スイッチング素子SW3、SW4のスイッチング用の制御端子55、56は、接続線(不図示)を通じてECU26に接続されている。
リアクトル74の他端は、バッテリ14の負極端子92に接続され、バッテリ14の負極端子92とFC12の負極端子94との間には、平滑用等のコンデンサ80が接続されている。
ECU26は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、その他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、CPUが前記ROMに記録されているプログラムを読み出して実行することで各種機能実現部(機能実現手段)、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ECU26は、1つのECUのみから構成するのではなく、複数のECUで構成することもできる。ECU26は、上記した入出力装置と、比較器と、波形発生器等からなる複数のデバイスで置き換えることもできる。
ECU26は、FC12の状態、バッテリ14の状態及びモータ22を含むモータ負荷28の状態の他、各種スイッチ及び各種センサ(例えば、外気温センサ82、図示しないアクセルペダルセンサ、車速センサ、ブレーキペダルセンサ等)からの入力値に基づき決定した燃料電池自動車10全体として電源装置36に要求される負荷(負荷電力、この実施形態では、理解の便宜のためにモータ負荷Pmのみとする。)に基づきFC12の発電電力、バッテリ14の充放電電力、直並列切替器16の切替制御、コンバータ18の昇圧乃至停止制御、インバータ20による力行・回生制御等を行う。
すなわち、ECU26は、FC12、及びバッテリ14を含めた電源装置36全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
ここで、FC12の状態とは、FC温度Tfc、FC電流Ifc、FC電圧Vfc、及び発電電力Pfc(Pfc=Ifc×Ifc)等をいい、バッテリ14の状態とは、バッテリ温度Tbat、バッテリ電圧Vbat、バッテリ電流Ibat(放電電流Ibdと充電電流Ibc)、及びバッテリ14の蓄電量(残容量)であるSOC(State Of Charge)(以下、蓄電量SOCという。)等をいい、これらの状態は、ECU26により常時検出されて管理される。
モータ負荷28の状態とは、モータ22の温度(モータ温度Tm)、モータ電流Im(力行電流Imdと回生電流Imr)、及びモータ回転数Nm[rpm]等をいい、これらの状態もECU26により常時検出乃至管理されている。
さらに、ECU26は、この実施形態では、車輪速を車速Vsとして常時検出している。また、外気温Taを外気温センサ82により常時検出している。
この実施形態に係る燃料電池自動車10は、基本的には、以上のように構成される。
次に、この燃料電池自動車10のECU26による制御処理例動作について、以下の(1)、(2)、(3)の順で説明する。
(1)モータ負荷Pmと電源装置36の接続形態との対応関係(負荷状態)の説明
(2)各負荷状態におけるスイッチング素子SW1〜SW4のスイッチング損失の説明
(3)フローチャートを利用した動作説明
図2は、動作説明に供される燃料電池自動車10の概略全体構成図であり、理解の便宜のために、図1中、主電源スイッチ(不図示)の閉状態への操作に伴い閉状態となっているバッテリコンタクタ101及びFCコンタクタ102、並びに補機103を省略して描いている。
(1)モータ負荷Pmと電源装置36の接続形態との対応関係(負荷状態)の説明
図3は、モータ負荷Pmの状態I〜IVに対応した電源装置36の接続形態・動作状態(直並列切替器16の接続形態及びコンバータ18の動作状態を含む。)を説明するための表図である。
より具体的には、モータ負荷Pm[kW]と、電源装置36の接続形態(スイッチング素子SW1〜SW4のON/OFF状態、直並列切替モード)と、の対応関係、及びモータ負荷Pmと電源装置36の動作状態との対応関係を示す表図である。
状態Iは、燃料電池自動車10の信号待ち状態等のアイドリングストップ(IS)状態等の電源装置36の極低負荷状態を示している。この極低負荷状態でのモータ負荷Pmは、ゼロ値(Pm=0)であり、補機103、例えばエアポンプが低負荷状態であって、FC12の電力により作動されている。実際上、燃料電池自動車10のアイドルストップ時には、走行時に比較して水素の供給量及び空気の供給量を絞って少なくする。このため、FC12の負荷は、前記空気を供給するエアポンプ等の補機103(図1参照)の駆動に限定して小さくなる。
この極低負荷状態(状態I)においては、図4に示すように、スイッチング素子SW1〜SW4は、SW1:OFF又はON(図4では、OFF)、SW2〜SW4:OFFに切り替えられ、直並列切替器16の切替モード(直並列切替モード)がOFF状態又は並列状態とされる。
極低負荷状態(状態I)では、FC12から補機103(図1参照)にのみ電力が供給され、FC12及びバッテリ14からモータ負荷28に電力が供給されることがない。この場合、ECU26は、モータ負荷28のインバータ20を構成する全てのスイッチング素子をOFF状態(デューティ=0)にしている。なお、図4において、×印を付けた構成要素は、OFF状態を示している(以降に説明する図5〜図7でも同じ。)。
次に、図3中の状態IIは、モータ負荷28の低負荷状態を示し、スイッチング素子SW1〜SW4は、SW1:ON、SW2〜SW4:OFFに切り替えられ、直並列切替器16の切替モードが並列状態とされる。
このモータ負荷28の低負荷状態(状態II)においては、図5に示すように、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、FC12の電力のみで賄われる。すなわち、モータ負荷28には、より具体的には、インバータ20の入力端(負荷入力端)には、電源電圧Vinvとして、FC12のFC電圧Vfcのみが印加される状態(Vinv=Vfc)になり、FC電流Ifcが、スイッチング素子SW1を構成するダイオード42を通じ力行電流Imdとしてモータ負荷28に供給される。
なお、図4に示した状態Iから図5に示した状態IIへのアクセルペダル(不図示)等の操作による停止時からの発進時への状態の遷移時(加速時)には、バッテリ電圧VbatがFC電圧Vfcより高い条件(Vbat>Vfc)下に、インバータ20を動作させる(デューティ>0)。これにより、バッテリ14からモータ負荷28に対して要求されたモータ負荷(モータ要求電力)Pmを瞬時に供給することができ、燃料電池自動車10は、円滑に発進できる。この場合の電流の経路は、バッテリ14の正極端子91から流れ出た放電電流Ibdがモータ22の力行電流Imdとされ、この力行電流Imdがモータ負荷28に供給され、モータ負荷28からの帰路電流がダイオード64を通じてバッテリ14の負極端子92に戻る。その後、状態I(図4)から状態II(図5)に遷移させることで、遷移時に、より力強く円滑な発進加速状態を得ることができる。
次に、図3中の状態IIIは、モータ負荷Pm(モータ負荷28)の中負荷状態を示し、スイッチング素子SW1〜SW4が、SW1:OFF、SW2:ON、SW3、4:OFFに切り替えられ、直並列切替器16の切替モードは、直列状態とされる。
このモータ負荷28の中負荷状態(状態III)においては、図6に示すように、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、直列接続されたFC12及びバッテリ14の合成電力で賄われる。すなわち、モータ負荷28には、より具体的には、インバータ20の入力端(負荷入力端)には、電源電圧Vinvとして、FC電圧Vfcとバッテリ電圧Vbatの直列電圧Vfc+Vbatが印加される状態(Vinv=Vfc+Vbat)になり、FC12の正極端子93から流れでるFC電流Ifcがバッテリ14を通じてバッテリ電流Ibatとなり(Ifc=Ibat)、このバッテリ電流Ibatがモータ電流Im(Im=Imd)としてモータ負荷28に流れこみ、帰路電流がFC電流IfcとしてFC12の負極端子94に戻る。
最後に、図3中の状態IVは、モータ負荷Pm(モータ負荷28)の高負荷状態を示し、スイッチング素子SW1〜SW4が、SW1:OFF、SW2:ON、SW3、4:ONとOFFのスイッチング状態(ON/OFFと標記する。)に切り替えられ、直並列切替器16の切替モードは、直列状態とされる。
このモータ負荷28の高負荷状態(状態IV)においては、ECU26を通じてコンバータ18によりFC電圧Vfcが直列電圧Vfc+Vbatとなるように昇圧され、図7に示すように、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、直列接続されたFC12及びバッテリ14の電力と、FC電圧Vfcがコンバータ18により直列電圧Vfc+Vbatに昇圧されているときのFC12の電力との合成電力により賄われる。
つまり、FC12から流れ出るFC電流Ifcを、バッテリ14を通過して流れるFC電流Ifca(Ifca=Ibat)に加えて、コンバータ18を通過して流れるFC電流Ifcbまで増加する(Ifc=Ifca+Ifcb)。
この場合、モータ負荷28には、より具体的には、インバータ20の入力端(負荷入力端)には、電源電圧Vinvとして、FC電圧Vfcとバッテリ電圧Vbatの直列電圧Vfc+Vbatが印加され、且つ状態IIIより大電力でモータ負荷28が駆動される。
(2)各負荷状態(状態I〜IV)におけるスイッチング素子SW(SW1〜SW4)のスイッチング損失Lsw(Lsw1〜Lsw4)の説明
図8は、燃料電池自動車10の動作説明に供される或る走行状態(信号待ち状態等の停止状態も含む。)でのタイムチャートである。
次に、このタイムチャートを参照して、電源装置36の上述した動作状態をより具体的に説明するのに併せて、各動作状態におけるスイッチング素子SW1〜SW4のスイッチング損失Lsw[kW]を説明する。スイッチング素子SW1〜SW4のスイッチング損失Lswをそれぞれスイッチング損失Lsw1[kW]、Lsw2[kW]、Lsw3[kW]、及びLsw4[kW]と標記する。この実施形態では、スイッチング損失Lswが少ないほど、燃料電池自動車10のシステム効率を向上させることができるものとしている。
まず、時点t0から時点t1の間は、モータ負荷(モータ要求電力)Pmがアイドリングストップ(IS)状態等の最も小さい極低負荷状態(状態I)になっており、図3に示したように、スイッチング素子SW1〜SW4は、全てOFF状態にすることが可能であるので、スイッチング損失Lsw1〜Lsw4は、全てゼロ値(0=Lsw1=Lsw2=Lsw3=Lsw4)である。
次に、時点t1から時点t4の間は、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、例えば、クルーズ走行状態等の低負荷状態(状態II)になっており、図5を参照して説明したように、スイッチング素子SW1のみがON状態で他は全てOFF状態になっており、スイッチング損失Lswは、スイッチング素子Sw1のスイッチング損失Lsw1のみとなる。このときのスイッチング損失Lsw1は、略ダイオード42の順方向電力損失であるので比較的に小さい。
次いで、時点t4から時点t6の間は、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、例えば、緩やかな加速状態等の中負荷状態(状態III)になっており、図6を参照して説明したように、ON状態のスイッチング素子SWが、スイッチング素子Sw1からスイッチング素子Sw2に切り替えられる。この中負荷状態(状態III)では、低負荷状態(状態II)よりもモータ電流Imが増加する分、スイッチング素子Sw2のスイッチング損失Lsw2(略ダイオード44の順方向電力損失)が増加する。
さらに、時点t6から時点t11の間は、モータ負荷(モータ要求電力)Pmが、例えば、大きな動力が必要な高速道路上の坂道走行状態等の高負荷状態(状態IV)になっており、図7を参照して説明したように、コンバータ18が昇圧動作され、スイッチング素子Sw2、Sw3、Sw4のスイッチング損失Lsw2、Lsw3、Lsw4は、モータ負荷Pmが大きくなるほど大きくなる。
最後に、時点t11から時点t14の間は、上述した中負荷状態(状態III)、時点t14以降は、上述した低負荷状態(状態II)と同じであるので説明を省略する。
(3)フローチャートを利用した動作説明
図9は、ECU26による制御処理例の動作説明に供されるフローチャートである。フローチャートに係るプログラムの実行主体は、ECU26(のCPU)である。なお、理解の便宜のために、図8のタイムチャートも参照して説明する。
燃料電池自動車10の走行中に、ECU26は、ステップS1にて、検出したモータ負荷(モータ要求電力)Pmが第1閾値電力Pth1(図8参照)より大きいか否かを判定する。ここで、第1閾値電力Pth1は、概ね低負荷状態(状態II)と中負荷状態(状態III)を切り分ける値に設定される。
モータ負荷Pmが第1閾値電力Pth1より小さい(Pm≦Pth1)場合(ステップS1:NO)には、ECU26は、ステップS2にて、低負荷状態(状態II)と判定し、スイッチング素子SW1をON状態、スイッチング素子SW2〜SW4をOFF状態にし、直並列切替器16を並列に切り替える。
そして、ECU26は、ステップS3にて、低負荷状態(状態II)下、モータ負荷Pmに応じてFC12を制御する(Vfc=Vinv)。
その一方、モータ負荷Pmが第1閾値電力Pth1より大きい(Pm>Pth1)場合(ステップS1:YES)には、ECU26は、さらに、ステップS4にて、バッテリ14の残容量である蓄電量SOCが、蓄電量閾値SOCth(図8参照)より大きいか否かを判定する。ここで、蓄電量閾値SOCthは、蓄電量SOCがモータ負荷Pmに対応する電力を継続して供給可能な十分な残容量であるか否かを切り分けるために設定され、具体的には、例えばSOC=40[%]〜60[%]程度の間の所定値に設定される。
蓄電量SOCが蓄電量閾値SOCthより大きい(SOC>SOCth)場合(ステップS4:YES)には、ECU26は、ステップS5にて、さらに、モータ負荷Pmが上記した第1閾値電力Pth1より大きな値に設定される第2閾値電力Pth2(図8参照、Pth2>Pth1)より大きいか否かを判定する。ここで、第2閾値電力Pth2は、概ね中負荷状態(状態III)と高負荷状態(状態IV)を切り分ける値に設定される。
モータ負荷Pmが第2閾値電力Pth2より小さい(Pth1<Pm<Pth2)場合(ステップS5:NO)には、ECU26は、ステップS6にて、中負荷状態(状態III)と判定し、ステップS6にて、スイッチング素子SW1をOFF状態、スイッチング素子SW2をON状態にし、直並列切替器16を直列に切り替える。
そして、ECU26は、ステップS7にて、スイッチング素子SW3、SW4をOFF状態(コンバータ18の停止状態)にし、中負荷状態(状態III)下、モータ負荷Pmに応じてFC12(のFC電流Ifc)を制御する。
その一方、ステップS5の判定にて、モータ負荷Pmが第2閾値電力Pth2より大きい(Pm>Pth2)場合(ステップS5:YES)には、ECU26は、ステップS8にて、直並列切替器16を直列に切り替え、ステップS9にて、スイッチング素子SW3、SW4をON/OFFに切り替える昇圧状態としてコンバータ18を作動させ、高負荷状態(状態IV)下、モータ負荷Pmに応じてFC12(のFC電流Ifc)を制御する。
なお、ステップS4の判定にて、蓄電量SOCが蓄電量閾値SOCthより小さい(SOC≦SOCth)場合(ステップS4:NO)には、ECU26は、ステップS5の判定を省略し(モータ負荷Pmが第2閾値電力Pth2より大きいか否かに拘わらず)、ステップS8、ステップS9の処理を行う。
[実施形態のまとめ及び変形例]
以上説明したように、上述した実施形態に係る燃料電池自動車10は、走行用の動力を発生するモータ22を含むモータ負荷28と、FC12と、バッテリ14と、直並列切替器16と、コンバータ18と、ECU26とを備える。
直並列切替器16は、モータ負荷28に対するFC12及びバッテリ14の接続形態を直列又はFC12単独の並列に切り替える。
コンバータ18は、前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときにFC電圧Vfcを昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧(Vfc+Vbat)をモータ負荷28に印加する。
ECU26は、モータ負荷28が、FC12の供給可能電力以下の第1閾値電力Pth1より小さい場合には、直並列切替器16を並列(スイッチング素子SW1:OFF又はON、スイッチング素子SW2:OFF)に切り替え、第1閾値電力Pth1より大きい場合には、直並列切替器16を直列(SW1:OFF、SW2:ON)に切り替える。
この実施形態によれば、直並列切替器16を設け、走行用の動力を発生するモータ22を含むモータ負荷28の高低に応じて、FC12とバッテリ14とのモータ負荷28に対する直並列接続形態及びコンバータ18の動作(昇圧状態)・非作動(停止状態)を制御するようにしたので、合理的にシステム効率を向上させることができる。より具体的には、FC12の供給可能電力によりモータ負荷Pmが賄える範囲(Pm<Pth1)では、コンバータ18を停止状態とし電圧変換(昇圧変換)を行わないで、同時に並列接続形態とし、モータ負荷28をFC12単独(Vinv=Vfc)で駆動するように構成している。
このため、低負荷時(状態II)には、バッテリ14の蓄電池SOCが減少しない。また、この低負荷時(状態II)では、コンバータ18を停止状態にして電圧変換(昇圧変換)を行わないようにしているので、システム効率が向上する。
一方、FC12の供給可能電力によりモータ負荷Pmが賄えない範囲(Pm>Pth1)では、FC12とバッテリ14を直列に接続し直列電圧Vfc+Vbatを、モータ負荷28を構成するインバータ20に電源電圧Vinvとして印加するように構成したので、ドライバビリティを損なうことがない。
より簡潔に説明すると、この実施形態に係る燃料電池自動車10では、高負荷時(状態IV)には、FC電圧Vfcをコンバータ18により昇圧した電圧Vfc+Vbatを発生する電圧源と、FC12及びバッテリ14の直列電源(電圧は、Vfc+Vbat)との並列的電源によりモータ負荷28を駆動する。低負荷時(状態II)には、FC12のみでモータ負荷28を駆動するので、バッテリ14の蓄電量SOCも減らず、コンバータ18も動かずにシステム効率が向上する。
この場合において、ECU26は、バッテリ14の蓄電量SOCが、バッテリ14が継続してモータ負荷28に対する電力供給が可能である蓄電量閾値SOCth以上(SOC≧SOCth)である場合には、直並列切替器16を直列(SW1:OFF、SW2:ON)に切り替え、且つコンバータ18の動作を停止状態(SW3、SW4:OFF)にし、蓄電量閾値SOCth未満(SOC<SOCth)である場合には、直並列切替器16を直列(SW1:OFF、SW2:ON)に切り替え且つコンバータ18を昇圧状態(SW3、SW4:ON/OFF)にする。
このように、バッテリ14の残容量である蓄電量SOCに余裕があるときには、直列に切り替え且つコンバータ18を停止状態にするので、直列であるときに、よりシステム効率を向上させることができる。蓄電量SOCに余裕がないときには、直列に切り替え且つコンバータ18を昇圧状態にするので、大きなモータ負荷28に対応して駆動でき、ドライバビリティを確保できる。
また、ECU26は、モータ負荷Pmが第1閾値電力Pth1より大きく(Pm>Pth1)、FC12及びバッテリ14の両方で供給可能な電力である第2閾値電力Pth2より小さい(Pth2>Pm>Pth1)場合に、直並列切替器16を直列(SW1:OFF、SW2:ON)に切り替え、且つコンバータ18の動作を停止状態(SW3、SW4:OFF)にする。
このように、直列であってもコンバータ18を停止状態にできるときは停止状態にするのでシステム効率を向上させることができる。
[変形例1]
上述した「ステップS1:NO」の低負荷であるとの判定に関し、ECU26は、検出したモータ負荷(モータ要求電力)Pmが第1閾値電力Pth1より小さくなった(Pm<Pth1)ときと判定するようにしているが、この「ステップS1:NO」の判定は、モータ負荷Pmの所定期間毎の平均値(Pmmeanという。所定期間の移動平均値でもよい。)が第1閾値電力Pth1より低下したときと判定するように変更してもよい。モータ負荷Pmの平均値Pmmean、すなわちモータ平均負荷で判定することにより制御のハンチングの発生を防止することができる。
なお、制御のハンチングの発生を防止する観点からは、「ステップS1:NO」の判定は、モータ負荷Pmが第1閾値電力Pth1よりも低下(Pm≦Pth1、ステップS1:NO)してから一定時間が経過したときに「ステップS1:NO」(Pm≦Pth1)が成立したと判定するように変更してもよい。
[変形例2]
上述したステップS4では、蓄電量SOCが蓄電量閾値SOCthより大きいか否かにより判定しているが、この蓄電量閾値SOCthを以下に説明する所定条件(条件A、B、C)下で小さくすることにより、ステップS4の判定を成立し易くし、結果として、ステップS7の接続形態直列且つコンバータ18のOFF状態の選択の可能性が大きくなり、結果としてシステム効率を高くすることができる。
条件A:蓄電量閾値SOCthを、燃料電池自動車10の車速Vsが大きいほど小さくする。つまり、車速Vsが大きいときには車速Vsの減速時にモータ22の回生電力の回収(充電)によるバッテリ14の蓄電量SOCの増加が見込まれるため、蓄電量SOCを減らしてでも直並列切替器16の接続形態を直列且つコンバータ18を停止状態にする(ステップS7)ことでシステム効率を向上させることができる。
条件B:蓄電量閾値SOCthを、バッテリ14の温度(バッテリ温度Tbat)が高いほど小さくする。つまり、バッテリ14の温度(バッテリ温度Tbat)が高いときにはバッテリ14の充放電効率が高いため、バッテリ14を積極的に使って且つコンバータ18を停止状態にする(ステップS7)ことでシステム効率を向上させることができる。
条件C:蓄電量閾値SOCthを、外気温Taが高いほど小さくする。つまり、例えば、氷点下等、外気温Taが低いときには、停止時にFC12内のアノード流路及び/又はカソード流路内の残留ガス等をエアポンプ駆動による空気により十分に掃気する。その一方、外気温Taが高いときには、外気温Taが低いときに必要な前記エアポンプ駆動分の蓄電量SOCが少なくてもよいと考えられるため、蓄電量SOCを減らすことに弊害がなく、直並列切替器16の接続形態を直列且つコンバータ18を停止状態にする(ステップS7)ことでシステム効率を向上させることができる。
[変形例3]
図10は、変形例3の動作説明に供されるフローチャートである。上述した図9のフローチャートのステップS1の判定では、モータ負荷Pmが、例えば、クルーズ走行時等の低負荷走行時(Pm≦Pth1、ステップS1:NO)には、一律に、直並列切替器16を並列に切り替え(ステップS2)、低負荷状態(状態II)下、モータ負荷Pmに応じてFC12を制御する(ステップS3)ようにしている。
しかしながら、この図10の変形例3のフローチャートでは、ステップS1aにて、モータ負荷Pmが、例えば、クルーズ走行時等の低負荷走行時(Pm≦Pth1)であっても、さらに、検出しているモータ回転数Nmと回転数閾値Nmthとを比較し、モータ回転数Nmが回転数閾値Nmthより高い状態であった(ステップS1a:YES)場合には、高速クルーズ状態と判定し(ステップS1a:YES)、ステップS11にて、直並列切替器16を直列に切り替える。
そして、ECU26は、さらに、ステップS12にて、加速操作があるか否かを判定し、加速操作がない(ステップS12:NO)場合には、ステップS13にて、コンバータ18をOFF状態の停止状態に維持して処理を継続する(ここでは、ステップS13→ステップS1a:YES→ステップS12:YES→ステップS13)。この処理の継続中に、加速操作がある(ステップS12:YES)場合には、ステップS14にて、コンバータ18を作動させることで、既に、直列状態(Vinv=Vfc+Vbat)を維持しているので(図6参照)、この加速操作に対応して、燃料電池自動車10を、例えば、高速での加速状態(図7参照)に瞬時に遷移させることができる。
[変形例4]
さらに、この発明は、図1例の燃料電池自動車10に適用することに限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、図11に示すように、スイッチング素子SW1をダイオード42のみからなるスイッチング素子Sw1aを有する燃料電池自動車10Aとする等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
この場合、スイッチング素子SW2をOFF状態にすることで、ダイオード42が導通してスイッチング素子SW1aがON状態になり、直並列切替器16aが並列状態とされFC12のみによる電源装置36(Vinv=Vfc)になる。一方、スイッチング素子SW2をON状態にすることで、ダイオード42が遮断してスイッチング素子SW1aがOFF状態になり、直並列切替器16aが直列状態とされFC12とバッテリ14の直列接続による電源装置36(Vinv=Vfc+Vbat)になる。
10、10A…燃料電池自動車 12…FC(燃料電池)
14…バッテリ(蓄電装置) 16、16a…直並列切替器
18…コンバータ 20…インバータ
22…モータ 24…動力伝達装置
26…ECU(電子制御ユニット) 28…モータ負荷
30…トランスミッション 32…車輪
36…電源装置

Claims (7)

  1. 走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷と、
    燃料電池と、
    蓄電装置と、を有する燃料電池自動車において、
    前記モータ負荷に対する前記燃料電池及び前記蓄電装置の接続形態を直列又は前記燃料電池単独の並列に切り替える直並列切替器と、
    前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときに燃料電池電圧を昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧を前記モータ負荷に印加するコンバータと、
    前記直並列切替器及び前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記モータ負荷が、前記燃料電池の供給可能電力以下の第1閾値電力より小さい場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記第1閾値電力より大きい場合には、前記直並列切替器を直列に切り替える
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  2. 請求項1に記載の燃料電池自動車において、
    前記制御装置は、
    前記蓄電装置の残容量が、前記蓄電装置が継続して負荷に対する電力供給が可能である蓄電量閾値以上である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータの動作を停止状態にし、前記蓄電量閾値未満である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータを昇圧状態にする
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  3. 請求項1又は2に記載の燃料電池自動車において、
    前記制御装置は、
    前記モータ負荷が前記第1閾値電力より大きく、前記燃料電池及び前記蓄電装置で供給可能な電力である第2閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を直列に切り替え、且つ前記コンバータの動作を停止状態にする
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  4. 請求項2に記載の燃料電池自動車において、
    前記蓄電量閾値を、該燃料電池自動車の車速が大きいほど小さくする
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  5. 請求項2又は4に記載の燃料電池自動車において、
    前記蓄電量閾値を、前記蓄電装置の温度が高いほど小さくする
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  6. 請求項2、4又は5に記載の燃料電池自動車において、
    前記蓄電量閾値を、外気温が高いほど小さくする
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
  7. 請求項1に記載の燃料電池自動車において、
    前記制御装置は、
    前記モータ負荷が、前記第1閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を並列に切り替える前に、さらに、前記モータの回転数を検出し、該回転数が閾値回転数未満である場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記回転数が前記閾値回転数以上である場合には、前記直並列切替器を並列ではなく直列に切り替える
    ことを特徴とする燃料電池自動車。
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