JP2020075654A

JP2020075654A - 車両

Info

Publication number: JP2020075654A
Application number: JP2018210891A
Authority: JP
Inventors: 英世大森; Hideyo Omori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-11-08
Filing date: 2018-11-08
Publication date: 2020-05-21
Anticipated expiration: 2038-11-08
Also published as: JP7070350B2

Abstract

【課題】タンクへの燃料ガスの充填率の低下を抑制した車両を提供することを課題とする。【解決手段】ガスステーションから供給される燃料ガスを充填するタンクを備えた車両において、前記ガスステーションから供給された燃料ガスを前記タンクに充填させる充填経路と、前記タンク内の燃料ガスの温度を補正した補正タンク温度を算出する算出部と、前記補正タンク温度を前記ガスステーションに送信する送信部と、を備え、前記ガスステーションは、前記車両側から送信された前記補正タンク温度と、前記タンクに燃料ガスを供給するための当該ガスステーション側での燃料ガスの圧力と、に基づいて前記タンクへの燃料ガスの充填率を算出し、前記算出部は、燃料ガスの充填中での前記車両側での燃料ガスの昇圧率に基づいて前記車両側での燃料ガスの圧力損失を算出し、前記圧力損失に基づいて前記充填率の低下量を補償するように前記タンク温度を補正する、車両。【選択図】図３

Description

本発明は、車両に関する。

車両に搭載されたタンクに燃料ガスを供給するガスステーションが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなガスステーションは、ガスステーション側の燃料ガスの圧力と車両側のタンクの温度とに基づいてタンクへの充填率を算出し、充填率が所定値以上となった場合に、タンクへの燃料ガスの供給を停止する。

特開２０１７−０７２１４９号

ここで、燃料ガスの充填中に車両側で燃料ガスの圧力損失が発生し、ガスステーション側の燃料ガスの圧力よりも車両側の燃料ガスの圧力が低下する場合がある。特に、低温環境下であり燃料ガスの流量が多い場合には、圧力損失が増大しやすい。このため、ガスステーションが算出する充填率よりも、実際の充填率が低下する場合があり、実際の充填率よりも低い充填率で燃料ガスの供給が停止され、タンクに燃料ガスが十分に充填されない可能性がある。

そこで、タンクへの燃料ガスの充填率の低下を抑制した車両を提供することを目的とする。

上記目的は、ガスステーションから供給される燃料ガスを充填するタンクを備えた車両において、前記ガスステーションから供給された燃料ガスを前記タンクに充填させる充填経路と、前記タンク内の燃料ガスの温度を補正した補正タンク温度を算出する算出部と、前記補正タンク温度を前記ガスステーションに送信する送信部と、を備え、前記ガスステーションは、前記車両側から送信された前記補正タンク温度と、前記タンクに燃料ガスを供給するための当該ガスステーション側での燃料ガスの圧力と、に基づいて前記タンクへの燃料ガスの充填率を算出し、前記算出部は、燃料ガスの充填中での前記車両側での燃料ガスの昇圧率に基づいて前記車両側での燃料ガスの圧力損失を算出し、前記圧力損失に基づいて前記充填率の低下量を補償するように前記タンク温度を補正する、車両によって達成できる。

タンクへの燃料ガスの充填率の低下を抑制した車両を提供できる。

図１は、ガス充填システムの説明図である。図２Ａは、燃料ガスの充填中に生じる圧力損失の説明図であり、図２Ｂは、燃料ガスの圧力と燃料ガスの温度とに応じた、燃料ガスの充填率ＳＯＣを示したマップの一例である。図３は、車両の制御ユニットが実行する充填制御の一例を示したフローチャートである。図４は、昇圧率と圧力損失との関係を期待したマップの一例である。図５は、変形例の車両が搭載した２つのタンクへの燃料ガスの充填中に生じる圧力損失の説明図である。

図１は、ガス充填システム１の説明図である。ガス充填システム１は、燃料ガスを用いて発電する燃料電池２１の発電電力により走行する車両２０と、車両２０のタンク２２に燃料ガスを充填するガスステーション１０と、を備える。尚、本実施例では、燃料ガスは水素ガスである。

［ガスステーションの構成］
最初に、ガスステーション１０について説明する。ガスステーション１０は、蓄圧器３、冷却器５、ディスペンサ１１、充填通路１２、充填ホース１２ｈ、ノズル１３、圧力センサ１４、通信機１５、制御ユニット１６、流量センサ１７、流量調整弁１８、及び遮断弁１９を備える。蓄圧器３には、不図示の水素カードルから圧縮機により所定圧力まで昇圧された燃料ガスが蓄えられている。冷却器５は、蓄圧器３からの燃料ガスを予備冷却する。ディスペンサ１１は、冷却器５からの燃料ガスを、充填通路１２から充填ホース１２ｈへ送り出す。尚、ディスペンサ１１には、ユーザーにより車両２０のタンク２２に充填される燃料ガスの所望の目標充填率の設定を受け付ける操作パネル１１ａが設けられている。ノズル１３は、充填ホース１２ｈの先端に取り付けられている。圧力センサ１４及び流量センサ１７は、充填通路１２に設けられており、ノズル１３を通過する燃料ガスの圧力及び流量をそれぞれ検出する。通信機１５については後述する。

制御ユニット１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びメモリを備えたマイクロコンピュータである。制御ユニット１６は、冷却器５、圧力センサ１４、通信機１５、流量センサ１７、流量調整弁１８、及び遮断弁１９に電気的に接続されており、ガスステーション１０全体の動作を制御する。

［車両の構成］
次に、車両２０について説明する。車両２０は、燃料電池２１、タンク２２、充填通路２３、供給通路２４、レセプタクル２５、通信機２６、制御ユニット２８、温度センサ４１、圧力センサ４２、及びモータＭを備える。燃料電池２１は、供給される酸化剤ガスと、タンク２２から供給される燃料ガスとにより発電する。タンク２２は、高圧の燃料ガスを充填可能であり、詳細は後述する。充填通路２３は、ガスステーション１０から供給される燃料ガスをタンク２２へ導く。供給通路２４は、タンク２２から燃料ガスを燃料電池２１に供給する。レセプタクル２５は、充填通路２３の先端と連通しており、タンク２２への燃料ガスの充填の際にノズル１３が接続される部分である。通信機２６及び制御ユニット２８については後述する。

モータＭは、燃料電池２１から供給される電力により駆動し、不図示の前輪にその動力が伝えられる車両２０の走行用のモータである。温度センサ４１は、タンク２２内での燃料ガスの温度であるガス温度を検出する。圧力センサ４２は、充填通路２３を通過する燃料ガスの圧力を検出する。尚、タンク２２への燃料ガスの充填中は、充填通路２３及びタンク２２内は連通して充填通路２３からタンク２２内までの圧力値は、圧力損失により徐々に低下する。

タンク２２は、本体部６３、本体部６３の長手方向の一端部に取り付けられた口金６４、及び口金６４の開口部を開閉するバルブ２９を有している。タンク２２は、バルブ２９を介して燃料ガスの充填及び放出をする。タンク２２内の温度は、温度センサ４１により検出される。

制御ユニット２８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリを備えたマイクロコンピュータであり、入力される各センサ信号に基づき、車両２０全体の動作を制御する。制御ユニット２８は、通信機２６、温度センサ４１、及び圧力センサ４２と電気的に接続されている。

ガスステーション１０の制御ユニット１６と車両２０の制御ユニット２８とは、通信機１５及び２６を介して所定の情報を通信可能である。通信機１５及び２６は、互いに赤外線通信等の無線通信を可能とする。制御ユニット１６は、通信機１５及び２６を介して、車両２０の制御ユニット２８からタンク２２内でのガス温度の情報を取得する。制御ユニット１６は、車両２０側から取得したこれらの情報や、ディスペンサ１１の操作パネル１１ａで受け付けた情報に基づいて、ガスステーション１０にある各機器を制御して、車両２０への燃料ガスの充填率を制御する。尚、通信機１５及び２６は、それぞれノズル１３及びレセプタクル２５の近傍に設けられており、ノズル１３及びレセプタクル２５が接続した状態で通信可能な状態となる。

また、ガスステーション１０の制御ユニット１６は、タンク２２の燃料ガスの充填率が目標充填率に到達した場合に、流量調整弁１８及び遮断弁１９を閉じることにより充填を停止する。制御ユニット１６は、制御ユニット２８から送信されるタンク２２内の温度とガスステーション１０側の圧力センサ１４の検出値とに基づいて、タンク２２の充填率を算出する。

［充填中での圧力損失］
次に、燃料ガスの充填中に生じる圧力損失について説明する。図２Ａは、燃料ガスの充填中に生じる圧力損失の説明図である。充填中においては、燃料ガスの上流側であるガスステーション１０の圧力センサ１４で検出される圧力値に対して、下流側の車両２０の圧力センサ４２で検出される圧力値は、所定の圧力損失ΔＰの分だけ低くなる。

図２Ｂは、燃料ガスの圧力と燃料ガスの温度とに応じた、燃料ガスの充填率ＳＯＣを示したマップの一例である。このマップは、ガスステーション１０の制御ユニット１６に記憶されている。縦軸は燃料ガスの圧力を示し、横軸は燃料ガスの温度を示している。図２Ｂでは、等充填率線として、ＳＯＣが９８％の場合と９５％の場合を例に示している。温度が一定であれば、圧力が高いほど充填率は増大する。圧力が一定であれば、温度が高いほど充填率は低下する。圧力Ｐｓは、ガスステーション１０の圧力センサ１４で検出された圧力を示している。温度Ｔｖは、車両２０の温度センサ４１で検出された温度を示している。

例えば目標充填率が９８％であった場合、ガスステーション１０の圧力センサ１４で圧力Ｐｓが検出され、車両２０の温度センサ４１で温度Ｔｖが検出された場合には、ガスステーション１０の制御ユニット１６は、実際の充填率が目標充填率に到達したものとして充填を終了する。しかしながら、上述したように、車両２０の圧力センサ４２で検出されるタンク２２側の実際の圧力Ｐｖは、圧力Ｐｓよりも圧力損失ΔＰ分だけ低い。従って、図２Ｂの例ではタンク２２側の圧力及び温度は、それぞれ圧力Ｐｖ及び温度Ｔｖであり、実際には９５％しか充填されていないことになり、誤差が拡大している。

ここで、制御ユニット１６が車両２０側で検出された圧力Ｐｖ及び温度Ｔｖを取得してこれらに基づいて充填率を算出したり、または、Ｐｖ＝Ｐｓ−ΔＰとして、圧力Ｐｖを算出し、この圧力Ｐｖと温度Ｔｖとに基づいて適切な充填率を算出することも考えられる。しかしながら、ガスステーション１０の制御ユニット１６は、そのような処理を実行できるように設計されておらず、あくまで、ガスステーション１０の圧力センサ１４により検出された圧力Ｐｓと、車両２０の制御ユニット２８から送信されたタンク２２内のガス温度情報とに基づいて、充填率を算出する。従って、本実施例では、車両２０の制御ユニット２８が温度センサ４１で検出された温度Ｔｖを補正した補正タンク温度を算出して制御ユニット１６に送信することにより、制御ユニット１６が適切な充填率を算出する。

具体的には、図２Ｂに示すように、圧力損失ΔＰに対応する温度ΔＴを算出し、温度Ｔｖに温度ΔＴを加算した補正タンク温度Ｔｃを算出する。温度ΔＴは、ガスステーション１０の圧力センサ１４で検出された圧力Ｐｓであるという条件下で実際の充填率となる補正タンク温度Ｔｃと、温度Ｔｖとの差分である。このように車両２０の制御ユニット２８が補正タンク温度Ｔｃをガスステーション１０の制御ユニット１６に送信することにより、制御ユニット１６は圧力Ｐｓと補正タンク温度Ｔｃとに基づいて実際の充填率を算出できる。

［充填制御］
次に、車両２０の制御ユニット２８が実行する充填制御について説明する。最初に、ガスステーション１０の制御ユニット１６は、車両２０の制御ユニット２８から信号を受信することにより通信可能か否かを判定する。具体的には、通信機２６及び１５を介して信号を送受信できたか否かにより判定される。通信不能であった場合には、ガスステーション１０の制御ユニット１６は非通信充填制御を実行し、遮断弁１９を開いてタンク２２に燃料ガスの充填を開始し、ガスステーション１０の圧力センサ１４で検出された圧力Ｐｓが約７０ＭＰａとなった時点で充填を終了する。ガスステーション１０の制御ユニット１６と車両２０の制御ユニット２８とが通信可能であった場合、車両２０の制御ユニット２８は、以下の充填制御を実行する。

図３は、車両２０の制御ユニット２８が実行する充填制御の一例を示したフローチャートである。制御ユニット２８は、圧力センサ４２により基づいて車両２０側の圧力の昇圧率［ＭＰａ／ｍｉｎ］を算出する（ステップＳ１）。昇圧率は、単位秒あたりの圧力の上昇量である。充填中においては、タンク２２内での充填率が増大するにつれてこの圧力が上昇する。

尚、昇圧率は、所定期間（例えば１０秒）内での昇圧率の平均値を最終的な昇圧率として算出してもよい。これにより、圧力センサ４２の検出誤差による影響を抑制して、昇圧率を適切に算出できる。また、算出された昇圧率に基づいて微小時間経過後（例えば１秒後）での上昇量を予測し、予測された上昇量と実際の上昇量とを比較して、実際の上昇量が予測された上昇量よりも所定量低い状態（例えば実際の上昇量が予測された上昇量の半分未満）が連続的に発生した場合（例えば２秒）、平均値を算出するための所定期間を短縮してもよい。

次に、制御ユニット２８は昇圧率に基づいて圧力損失ΔＰを算出する（ステップＳ２）。図４は、昇圧率と圧力損失ΔＰ（ＭＰａ）との関係を期待したマップの一例である。横軸は昇圧率を示し、縦軸は圧力損失を示している。制御ユニット２８は、このマップを参照して圧力損失ΔＰを算出する。このマップは、予め実験により取得されており制御ユニット２８に記憶されている。ここで、圧力損失ΔＰ＝ΔＰｓ＋ΔＰｖと表すことができる。即ち、圧力損失ΔＰは、ガスステーション１０側の圧力損失ΔＰｓ（規格ガスステーションの最小値）に、車両１０の圧力損失ΔＰｖに加えた値である。通常ガスステーション１０の充填通路１２や充填ホース１２ｈの径は、車両２０の充填流路２３の径より大きいためΔＰｖ＞ΔＰｓである。従って、ΔＰ≒ΔＰｖとして計算することも可能である。

次に、制御ユニット２８は、圧力損失ΔＰに対応した補正タンク温度Ｔｃを算出する（ステップＳ３）。ステップＳ１〜Ｓ３の処理は、算出部が実行する処理の一例である。具体的な算出方法について、以下に説明する。

ガスステーション１０の制御ユニット１６が算出する充填率ＳＯＣｓは、以下の式により表すことができる。
ＳＯＣｓ［％］＝ρ（Ｐｓ、Ｔｖ）／ρ（ＮＷＰ、１５℃）×１００…（１）
ここで、ρ（Ｐ，Ｔ）は、タンク２２内の圧力がＰ、温度がＴであった場合のガス密度を表す。ＮＷＰ（Nominal Working Pressure）は、タンク２２を満充填したときの、基準温度（１５℃）におけるタンク２２内の圧力であり、例えば７０ＭＰａである。尚、車両２０の制御ユニット２８は、圧力Ｐｓを取得することはできない。また、上述したように、Ｐｓ≒Ｐｖ＋ΔＰであり、上記式（１）の温度Ｔｖを補正タンク温度Ｔｃとすると、
ＳＯＣｓ［％］＝ρ（Ｐｖ＋ΔＰ、Ｔｃ）／ρ（ＮＷＰ、１５℃）×１００…（１）´
が成立する。

車両２０側での実際の充填率ＳＯＣｖは、以下の式により表すことができる。
ＳＯＣｖ［％］＝ρ（Ｐｖ、Ｔｖ）／ρ（ＮＷＰ、１５℃）×１００…（２）
従って、上記の（１）´と（２）とが同じと考えると、以下の式により表すことができる。
ρ（Ｐｖ＋ΔＰ、Ｔｃ）＝ρ（Ｐｖ、Ｔｖ）…（３）
車両２０の制御ユニット２８は、この式（３）を満たすような補正タンク温度Ｔｃを算出する。例えば、Ｔｃ＝Ｔｖ＋０．１×ｎとし、ｎに整数を順次代入し、（３）が成立する場合での補正タンク温度Ｔｃを算出する。

次に、車両２０の制御ユニット２８は補正タンク温度Ｔｃをガスステーション１０の制御ユニット１６に送信する（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理は、送信部が実行する処理の一例である。これにより、制御ユニット１６は圧力Ｐｓと補正タンク温度Ｔｃとに基づいて適切な充填率を算出することができる。ガスステーション１０の制御ユニット１６は、充填率が終了条件に到達したか否かを判定し、充填率が終了条件に到達するまで、車両２０の制御ユニット２８は、上述した処理を繰り返す。充填率が終了条件に到達した場合には、ガスステーション１０の制御ユニット１６は、遮断弁１９を閉弁し、タンク２２への燃料ガスの充填が終了する。

このように適切な充填率に基づいてタンク２２への燃料ガスの充填が行われるため、実際の充填率よりも低い充填率で充填が終了することが回避され、車両２０の走行距離も確保することができる。

［変形例］
次に、変形例の車両について説明する。図５は、変形例の車両が搭載した２つのタンク２２ａ及び２２ｂへの燃料ガスの充填中に生じる圧力損失の説明図である。図５は、図２Ａに対応している。変形例の車両では、２つのタンク２２ａ及び２２ｂに同時に燃料ガスが充填される。従って、充填通路２３ａは、一端がレセプタクル２５に接続され、途中で２つに分岐し、一方の分岐路の端部がタンク２２ａに接続され、他方の分岐路の端部がタンク２２ｂに接続されている。尚、充填通路２３ａの径は位置によらずに略一定である。圧力センサ４２は、充填通路２３ａの、分岐点よりもレセプタクル２５側に設けられている。また、タンク２２ａ及び２２ｂ内の温度を検出する温度センサ４１ａ及び４１ｂが設けられている。

ここで、レセプタクル２５からタンク２２ａまでの通路の長さは、レセプタクル２５からタンク２２ｂまでの通路の長さよりも長く形成されている。このため、タンク２２ａ内での圧力Ｐｖａは、タンク２２ｂ内での圧力Ｐｖｂより低くなる。燃料ガスが流れる通路が長い方が圧力損失は増大するからである。図５には、圧力センサ４２で検出される圧力値に対するタンク２２ａ及び２２ｂでのそれぞれでの圧力損失ΔＰａ及びΔＰｂを示しており、ΔＰｂ＜ΔＰａである。また、ガスステーション１０の圧力センサ１４で検出される圧力値に対して圧タンク２２ｂ側での圧力は、圧力損失ΔＰ´の分だけ低くなる。ここで、ΔＰ´＝ΔＰｓ＋ΔＰｖ＋ΔＰｂが成立する。

本変形例では、温度センサ４１ａ及び４１ｂによりそれぞれ検出される温度Ｔｖａ及びＴｖｂの低い値の方である温度Ｔｖｍを用いて、以下の式が成立する補正タンク温度Ｔｃが算出される。
ρ（Ｐｖ＋ΔＰ´、Ｔｃ）＝ρ（Ｐｖ、Ｔｖｍ）…（３）´
ここで、即ち、圧力損失が小さい方の値であるΔＰｂを用いる。このように左辺、右辺が共に充填率が高くなる方の値を使用することにより、適切な充填率で燃料ガスを充填できる。

尚、タンク２２ａ及び２２ｂは容積が同じであるがこれに限定されない。また、タンクが３つ以上ある場合も、上記と同様に充填率が高くなる方の値を用いて補正タンク温度Ｔｃを算出することが望ましい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例及び変形例では、燃料電池２１を搭載した燃料電池車両を車両の一例として説明したが、本発明を適用できる車両はこれに限定されない。例えば、燃料ガス又は冷却燃料ガスにより燃焼可能な内燃機関を搭載した車両であってもよい。この場合、タンクに充填される燃料ガスとしては、水素ガスの他に、液化石油ガス、液化天然ガス、圧縮天然ガス等がある。いずれの燃料ガスも、氷点下に冷却されてから、タンクに充填される。

５冷却器
１０ガスステーション
１３ノズル
１４圧力センサ
２０車両
２１燃料電池
２２タンク
２３充填通路
２５レセプタクル
２８制御ユニット
４１温度センサ

Claims

ガスステーションから供給される燃料ガスを充填するタンクを備えた車両において、
前記タンク内の燃料ガスの温度を補正した補正タンク温度を算出する算出部と、
前記補正タンク温度を前記ガスステーションに送信する送信部と、を備え、
前記ガスステーションは、前記車両側から送信された前記補正タンク温度と、前記タンクに燃料ガスを供給するための当該ガスステーション側での燃料ガスの圧力と、に基づいて前記タンクへの燃料ガスの充填率を算出し、
前記算出部は、燃料ガスの充填中での前記車両側での燃料ガスの昇圧率に基づいて前記車両側での燃料ガスの圧力損失を算出し、前記圧力損失に基づいて前記充填率の低下量を補償するように前記タンク温度を補正する、車両。