JP2020089022A - 電動車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池をより高効率で作動させることができ燃料消費を抑制することができる電動車両の制御装置を提供する。【解決手段】駆動輪を駆動させる駆動モータ１１と、駆動モータ１１に電力を供給する二次電池２０と、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を二次電池２０に供給する燃料電池３１を含む燃料電池装置３０とを備える電動車両１０を制御する制御装置６０であって、燃料電池３１の周囲の環境状態を検出する周囲環境検出手段６２と、周囲環境検出手段６２の検出結果に応じて燃料電池装置３０が備える補機の作動状態を制御する補機制御手段６３と、を備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、駆動モータに電力を供給する二次電池と、二次電池に電力を供給する燃料電池とを備えた電動車両の制御装置に関する。

駆動モータに電力を供給する二次電池を備える電動車両には、二次電池の充電率（ＳＯＣ）が低下した場合に駆動されて二次電池に電力を供給するレンジエクステンダーとしての燃料電池を備えているものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような電動車両は、二次電池の充電率（ＳＯＣ）が低下した場合でも、燃料電池を作動させて二次電池を充電することで、電動車両の走行距離を延ばすことができる。

特開２０１４−１４３８５１号公報

ただし、二次電池と共に燃料電池を搭載した電動車両はかなり高価となってしまう。このため、燃料電池としては、できる限り低出力で安価なものを搭載することが望まれる。さらに、燃料電池の燃料となる水素は高価であるため、燃料電池をできるだけ高効率で作動させて燃料消費を抑制することが望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池をより高効率で作動させることができ燃料消費を抑制することができる電動車両の制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の一つの態様は、駆動輪を駆動させる駆動モータと、前記駆動モータに電力を供給する二次電池と、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を前記二次電池に供給する燃料電池を含む燃料電池装置とを備える電動車両を制御する制御装置であって、前記燃料電池の周囲の環境状態を検出する周囲環境検出手段と、前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記燃料電池装置が備える補機の作動状態を制御する補機制御手段と、を備えることを特徴とする電動車両の制御装置にある。

ここで、前記燃料電池装置は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するためのブロアを前記補機として備えており、前記周囲環境検出手段は、前記電動車両の走行中における前記燃料電池の周囲の風速を検出し、前記補機制御手段は、前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記ブロアの作動状態を制御することが好ましい。

また前記補機制御手段は、前記燃料電池の周囲の風速が速いほど前記ブロアの出力を低下させることが好ましい。

また前記周囲環境検出手段は、前記電動車両の速度から前記燃料電池の周囲の風速を推定することが好ましい。

また前記燃料電池装置は、前記燃料電池が備える冷却水通路に冷却水を供給するための供給ポンプを前記補機として備えており、前記周囲環境検出手段は、前記燃料電池の周囲の温度を検出し、前記補機制御手段は、前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記供給ポンプの作動状態を制御することが好ましい。

さらに前記補機制御手段は、前記燃料電池の周囲の温度が低いほど前記供給ポンプの出力を低下させることが好ましい。

かかる本発明の電動車両の制御装置によれば、燃料電池の補機類の出力を適切に抑制することができ、それに伴い、燃料電池を高効率で作動させることができる高効率範囲が広がる。

これにより、高効率を維持しつつ燃料電池の出力を高めることができ、二次電池の充電時間の短縮を図ることができる。つまり燃料電池の作動時間を短縮することができる。したがって、燃料電池での燃料消費を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置のブロック図である。 燃料電池の周囲の風速と補機の出力の抑制量との関係を示すグラフである。 燃料電池の周囲の温度と補機の出力の抑制量との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電効率と出力との関係を説明するグラフである。 本発明の一実施形態に係る電動車両の制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る制御装置を含む電動車両のブロック図である。図１に示すように、電動車両１０は、駆動輪を駆動するための駆動モータ１１と、駆動モータ１１に電力を供給する二次電池２０と、この二次電池２０に電力を供給する燃料電池装置３０とを備えている。駆動モータ１１は、主として二次電池２０の電力によって駆動する。二次電池２０は、充放電可能な電池であればよく、その構成は特に限定されないが、本実施形態では、リチウムイオン電池が採用されている。

燃料電池装置３０は、いわゆるレンジエクステンダーとして機能し、例えば、二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が所定値を下回ると作動して二次電池２０を充電する。この燃料電池装置３０は、燃料ガスとしての水素と、酸化ガスとして空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である燃料電池（ＦＣ）３１を備えている。

燃料電池３１の具体的な構成は特に限定はないが、本実施形態では、複数のセルがセパレータを介して複数積層されたスタック構造を有している。各セルは、アノード電極、カソード電極及びこれらの間に配置された電解質膜（例えば、固体高分子電解質膜）を備えている。アノード電極は、電解質膜に接触する電極触媒層と、電極触媒層の電解質膜とは反対側に設けられるガス拡散層とからなる。同様に、カソード電極も、電極触媒層とガス拡散層とからなる。

電極触媒層は、通常、アノード電極及びカソード電極における電極反応に対して触媒活性を有する。具体的には、電極触媒層は、担体に担持された触媒を備えている。触媒としては、アノード電極の燃料の酸化反応又はカソード電極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子形燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。

アノード電極及びカソード電極の電極触媒層の担体は、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料、セラミックス材料を用いることができる。

また燃料電池装置３０は、燃料ガスとしての水素を貯留する燃料ガスタンク３２を備えている。燃料ガスタンク３２は、燃料ガス（水素ガス）を貯蔵するためのものであり、貯蔵の形態は、特に限定されない。燃料ガスタンク３２は、気体の水素、あるいは液体の水素を貯蔵したものであってもよいが、金属に水素を吸蔵させたもの、さらにはメタノール等から水素に改質するものなど、公知のものを適用することができる。

燃料ガスタンク３２と燃料電池３１のアノード側の入口とは、燃料ガス供給管３３で接続されている。燃料ガス供給管３３には、図示は省略するが各種の弁が設けられており、これらの弁の調節により、燃料ガスタンク３２から燃料電池３１のアノード電極に燃料ガス（水素）が一定圧力で供給されるようになっている。

また燃料電池３１のアノード側の出口には燃料ガス排出管３４が接続されている。燃料ガス排出管３４は、燃料電池３１のアノード側から排出された排ガスの流路となる。燃料ガス排出管３４は循環配管３５によって燃料ガス供給管３３に接続され、循環配管３５には再循環ポンプ３６が設けられている。燃料電池３１から排出される未反応の水素ガス等は、再循環ポンプ３６によって循環配管３５を循環して燃料電池３１に再度供給されるように構成されている。

さらに燃料電池装置３０は、燃料電池３１のカソード側のガス拡散層に酸化ガスとしての空気を供給するための空気圧縮機（空気ブロア）４０を備えている。空気圧縮機４０は、外気を取り込み所定圧力に昇圧する。空気圧縮機４０と燃料電池３１のカソード側の入口とは、酸化ガス供給管４１で接続されている。酸化ガス供給管４１には、図示は省略するがインタークーラーや流量調整弁等が設けられており、空気圧縮機４０から燃料電池３１のカソード電極に所定温度の酸化ガスが一定圧力で供給されるようになっている。

燃料電池３１のカソード側の出口には、酸化ガス排出管４２が接続されている。酸化ガス排出管４２は、燃料電池３１のカソード側から排出された排ガスの流路となる。

なお、電動車両１０の走行中であれば、空気圧縮機４０を作動させていなくても、走行風が外気導入口４３から空気圧縮機４０内に流入し、酸化ガス供給管４１を介して燃料電池３１に供給される。ただし、燃料電池３１に供給される空気量は、電動車両１０の走行速度に応じて変化し、走行速度が高いほど多くなる。

このため、外気導入口４３は電動車両１０の前方側に開口していることが好ましい。これにより、電動車両１０の走行中に生じる走行風を外気導入口４３から空気圧縮機４０内に効率的に流入させることができる。

また燃料電池３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５を介して二次電池２０に接続され、二次電池２０は、インバータ４６及びＤＣ／ＤＣコンバータ４５を介して駆動モータ１１に接続されている。二次電池２０の電力は、駆動モータ１１に供給され、燃料電池装置３０の燃料電池３１で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４５により所定電圧に調整されて二次電池２０に供給される。

燃料電池装置３０は、さらに燃料電池３１を冷却するための冷却水回路５０を備えている。冷却水回路５０は、冷却水が流れる冷却水通路５１と、冷却水通路５１に冷却水を循環させるための供給ポンプ５２と、冷却水を外気によって冷却するラジエータ５３と、を含んで構成されている。

制御装置であるＥＣＵ６０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成されており、燃料電池装置３０を含む電動車両の総括的な制御を行う。ＥＣＵ６０は、例えば、電動車両１０が備える各種センサから検知信号を取得し、その取得結果に応じて燃料電池装置３０の制御を行うＦＣ制御部６１を備えている。

ここで、電動車両１０は、電動車両１０の走行中に車速を検出する車速センサ７１と、燃料電池３１の周囲の温度（外気温）を検出する外気温センサ７２と、を少なくとも備えており、ＦＣ制御部６１は、これら車速センサ７１や外気温センサ７２の検出結果に基づいて燃料電池装置３０を適宜制御する。

具体的には、ＦＣ制御部６１は、燃料電池の周囲の環境状態を検出する周囲環境検出手段６２と、周囲環境検出手段６２の検出結果に応じて燃料電池装置３０が備える補機の作動状態を制御する補機制御手段６３とを備えている。ここで燃料電池装置３０が備える補機とは、燃料電池装置３０において電力を消費する各種機器類であり、例えば、空気圧縮機（空気ブロア）４０や、冷却水回路５０を構成する供給ポンプ５２等が挙げられる。

本実施形態では、周囲環境検出手段６２は、車速センサ７１の検出結果を取得し、電動車両１０の車速から燃料電池３１の周囲の風速を推定（検出）する。勿論、電動車両１０が燃料電池３１の周囲の風速を直接検出する風速センサを備え、周囲環境検出手段６２がこの風速センサの検出結果を取得するようにしてもよい。

補機制御手段６３は、周囲環境検出手段６２によって推定（検出）された燃料電池３１の周囲の風速に応じて、空気圧縮機（空気ブロア）４０の作動状態を制御させる。補機制御手段６３は、例えば、図２のグラフに示すように、燃料電池３１の周囲の風速が速いほど空気圧縮機４０の出力の抑制量が増加するように（空気圧縮機４０の出力が低下するように）、空気圧縮機４０の作動状態を制御する。

なお走行風の速度と空気圧縮機（空気ブロア）４０の出力との関係は、予め実験により決定することが好ましい。また風速と出力の抑制量との関係は、図２の例に限定されるものではなく、電動車両１０の特性等を考慮して適宜決定されればよい。

燃料電池３１の周囲の風速（走行風の風速）が速くなるにつれて、走行風が燃料電池３１内に供給され易くなるため、その分、空気圧縮機４０の出力を低下させても、燃料電池３１内に所望量の空気を供給することができる。

補機制御手段６３は、さらに、外気温センサ７２によって検出された燃料電池３１の周囲の温度に応じて、冷却水回路５０を構成する供給ポンプ５２の作動状態を制御する。補機制御手段６３は、例えば、図３に示すように、燃料電池３１の周囲（燃料電池３１自体を含む）の温度が低いほど出力の抑制量が増加するように（出力が低下するように）、供給ポンプ５２を制御する。

なお燃料電池３１の周囲の温度と供給ポンプ５２の出力（抑制量）との関係は、予め実験により決定することが好ましい。また温度と抑制量との関係は、図３の例に限定されるものではなく、電動車両１０の特性等を考慮して適宜決定されればよい。

燃料電池３１の周囲の温度が低くなるにつれて、燃料電池３１の温度上昇が抑制されるため、その分、供給ポンプ５２の出力を低下させて冷却水の流量を減らしても、燃料電池３１を適切な温度に維持することができる。

以上説明したように、本発明では、補機制御手段６３が燃料電池３１の周囲の風速や温度に応じて、燃料電池装置３０の補機（空気圧縮機４０や供給ポンプ５２等）の出力を低下させるようにした。これにより、燃料電池３１の発電効率（ＦＣ効率）が高い状態を維持しつつ燃料電池３１の出力（ＦＣ出力）を高めることができる。したがって、燃料電池３１の出力による二次電池２０の充電時間を短縮することができ、燃料電池３１での燃料消費を抑制することができる。

ここで、発電効率（ＦＣ効率）とは、燃料電池装置３０としての効率であり、燃料電池３１の出力（ＦＣ出力）から燃料電池装置３０が備える補機（例えば、空気圧縮機４０、供給ポンプ５２等）の出力（消費電力）を差し引いた値から求められる。このため、発電効率（ＦＣ効率）は、補機の出力の増加に伴って低下してしまう。さらに、ＦＣ効率が最高効率となる範囲（最高効率範囲）が狭くなってしまう。

しかしながら、本発明では、燃料電池装置３０の補機（例えば、空気圧縮機４０や供給ポンプ５２等）の出力を適宜低下させるようにしたので、燃料電池３１の発電効率（ＦＣ効率）が高い状態を維持しつつ燃料電池３１の出力（ＦＣ出力）を高めることができる。

例えば、図４に示すように、従来の制御（比較例）では、燃料電池３１から出力される電流（ＦＣ電流）の上昇に伴って補機出力（消費電力）も徐々に増加する。例えば、比較例では、図中に点線で示すように、ＦＣ電流が第１の電流値Ｉ１を超えると補機出力が徐々に増加している。また比較例においてＦＣ効率は、ＦＣ電流の増加に伴って最高効率Ｘｍまで上昇し、その後、ＦＣ電流が第２の電流値Ｉ２を超えて補機出力が徐々に増加すると、それに伴って徐々に低下する。つまり比較例において最高効率範囲は、およそ第１の電流値Ｉ１から第２の電流値Ｉ２までの範囲となる。

これに対し、本発明に係る制御（実施例）では、上述したように補機制御手段６３が補機出力を適宜低下させるようにしているため、ＦＣ効率の低下を抑制することができる。補機出力を適宜低下させることで、図４中に実線で示すように、補機出力は比較例よりも低くなり、それに伴いＦＣ効率の低下は比較例よりも抑えられる。

これにより、ＦＣ効率が最高効率となる範囲（最高効率範囲）が広がる。比較例では、最高効率範囲がおよそ第１の電流値Ｉ１から第２の電流値Ｉ２まで範囲であったのに対し、実施例では、最高効率範囲は、およそ第１の電流値Ｉ１から第３の電流値Ｉ３（＞Ｉ２）までの範囲まで広がっている。

それに伴い、燃料電池３１の発電効率（ＦＣ効率）を高い状態を維持しつつ燃料電池３１の出力（ＦＣ出力）を高めることができる。図４の例において、比較例では、ＦＣ効率が最高効率範囲にある状態でＦＣ出力を第１の出力Ｐｓ１程度まで高めることができるのに対し、実施例では、ＦＣ効率が最高効率範囲にある状態でＦＣ出力を第２の出力Ｐｓ２（＞Ｐｓ１）程度まで高めることができる。

したがって、燃料電池３１による二次電池２０の充電時間を短縮することができ、燃料電池３１による燃料消費を抑制することができる。さらに、燃料電池３１における燃料消費が減少することで、燃料を貯留する燃料ガスタンク３２の容量も小さくすることができる。したがって、燃料電池装置３０の小型化を図ることができると共に、コストの削減を図ることができる。

以下、図５のフローチャートを参照して、本実施形態に係る制御装置による電動車両１０の制御方法、特に、燃料電池装置３０の制御方法の一例について説明する。

図５に示すように、電動車両１０の走行が開始されると、まずはステップＳ１にて二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が予め設定された所定値（第１の閾値）以下であるか否かを判定する。ここで、二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が第１の閾値以下となると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、燃料電池装置３０を起動させて、燃料電池３１の出力による二次電池２０の充電を実行する（ステップＳ２）。

次いで、ステップＳ３で、燃料電池３１の周囲の風速を検出し、検出した周囲風速が所定速度（第１の速度）以上であるか否かを判定する。そして燃料電池３１の周囲の風速が第１の速度以上である場合には（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、燃料電池３１の周囲の風速に応じて空気圧縮機４０の出力を制御する（ステップＳ４）。すなわち風速が速いほど出力が低くなるように空気圧縮機４０を制御する。燃料電池３１の周囲の風速が所定速度よりも遅い場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、空気圧縮機４０の出力を制御（抑制）することなく、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、燃料電池３１の周囲の温度（周囲温度）が所定温度（第１の温度）以下であるか否かを判定する。そして燃料電池３１の周囲の温度が第１の温度以下である場合には（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、燃料電池３１の周囲の温度に応じて冷却水回路５０を構成する供給ポンプ５２の出力を制御する（ステップＳ６）。すなわち温度が低いほど出力が低くなるように供給ポンプ５２を制御する。燃料電池３１の周囲の温度が所定温度よりも高い場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、供給ポンプ５２の出力を制御（抑制）することなく、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が予め設定された第２の閾値（＞第１の閾値）以上であるか否かを判定する。ここで、二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値よりも低い場合には（ステップＳ７：Ｎｏ）、ステップＳ３に戻り、二次電池２０の充電を継続する。その後、二次電池２０の充電率（ＳＯＣ）が第２の閾値以上になると（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、ステップＳ８に進み、燃料電池装置３０を停止させて二次電池２０の充電を終了する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

例えば、上述の実施形態では、補機制御手段が制御する補機として空気ポンプ及び供給ポンプを例示したが、補機制御手段が制御する補機はこれらに限定されるものではない。補機制御手段が制御する補機として、例えば、燃料電池に水素を送り込むための水素ポンプ等が含まれるようにしてもよい。

１０ 電動車両
１１ 駆動モータ
２０ 二次電池
３０ 燃料電池装置
３１ 燃料電池
３２ 燃料ガスタンク
３３ 燃料ガス供給管
３４ 燃料ガス排出管
３５ 循環配管
３６ 再循環ポンプ
４０ 空気圧縮機（空気ブロア）
４１ 酸化ガス供給管
４２ 酸化ガス排出管
４３ 外気導入口
４５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６ インバータ
５０ 冷却水回路
５１ 冷却水通路
５２ 供給ポンプ
５３ ラジエータ
６１ ＦＣ制御部
６２ 周囲環境検出手段
６３ 補機制御手段
７１ 車速センサ
７２ 外気温センサ

Claims (6)

1. 駆動輪を駆動させる駆動モータと、前記駆動モータに電力を供給する二次電池と、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を前記二次電池に供給する燃料電池を含む燃料電池装置とを備える電動車両を制御する制御装置であって、
   前記燃料電池の周囲の環境状態を検出する周囲環境検出手段と、
   前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記燃料電池装置が備える補機の作動状態を制御する補機制御手段と、を備える
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動車両の制御装置であって、
   前記燃料電池装置は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するためのブロアを前記補機として備えており、
   前記周囲環境検出手段は、前記電動車両の走行中における前記燃料電池の周囲の風速を検出し、
   前記補機制御手段は、前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記ブロアの作動状態を制御する
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
3. 請求項２に記載の電動車両の制御装置であって、
   前記補機制御手段は、前記燃料電池の周囲の風速が速いほど前記ブロアの出力を低下させる
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
4. 請求項２又は３に記載の電動車両の制御装置であって、
   前記周囲環境検出手段は、前記電動車両の速度から前記燃料電池の周囲の風速を推定する
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
5. 請求項１から４の何れか一項に記載の電動車両の制御装置であって、
   前記燃料電池装置は、前記燃料電池が備える冷却水通路に冷却水を供給するための供給ポンプを前記補機として備えており、
   前記周囲環境検出手段は、前記燃料電池の周囲の温度を検出し、
   前記補機制御手段は、前記周囲環境検出手段の検出結果に応じて前記供給ポンプの作動状態を制御する
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。
6. 請求項５に記載の電動車両の制御装置であって、
   前記補機制御手段は、前記燃料電池の周囲の温度が低いほど前記供給ポンプの出力を低下させる
   ことを特徴とする電動車両の制御装置。