JP2020122796A - 燃料電池車試験システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池車の動力系の試験を、より簡便な設備でできる燃料電池車試験システムを提供する。【解決手段】燃料電池車に搭載される電動モータＭの出力軸Ｓに接続されて、該電動モータＭに模擬走行負荷を与えるダイナモメータ１と、当該燃料電池車に搭載される燃料電池の動作を模擬し、前記燃料電池から前記電動モータＭに供給されるべき電力を前記電動モータに与える供給電力シミュレータ３とを具備するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池車を評価等のために試験する燃料電池車試験システム等に関し、特に燃料電池車の動力系試験に好適に用いられるものに関する。

燃料電池車に搭載する前の動力系の性能確認や、開発途上の動力系の評価をするために、その動力系を単体で試験するシステムが知られている（例えば、特許文献１）。この特許文献１では、燃料電池車の動力系（ここでは電動モータ及びその制御装置）をダイナモに接続し、該動力系の評価試験を行う構成が記載されている。この構成において、電動モータには、電力を供給したり回生電力を蓄電したりするための実際の燃料電池や補助バッテリが接続されている。

しかしながら、上述したシステムでは、実際の燃料電池を用いている関係上、高圧水素タンク等が必要になり、その取り扱いなどに係る安全性等の問題が生じる。そのため、周囲設備が大掛かりになったり、安全性担保のための段取りに多大な手間がかかったりする。

また、燃料電池は、温度や湿度、水素圧などの影響を受けて状態が変わるため、例えば同一条件での反復試験が難しく、開発や不具合特定を円滑に図れない恐れもある。

特開２００１−９１４１０号公報

そこで本発明は、燃料電池車の動力系単体での試験を、より簡単で安全に、しかも高い信頼性で実施することができるようにすべく図ったものである。

すなわち、本発明に係る燃料電池車試験システムは、燃料電池車に搭載される電動モータの出力軸に接続されて、該電動モータに模擬走行負荷を与えるダイナモメータと、当該燃料電池車に搭載される燃料電池の動作を模擬し、前記燃料電池から前記電動モータに供給されるべき電力を前記電動モータに与える供給電力シミュレータとを具備することを特徴とする。

このようなものであれば、燃料電池車の動力系の試験にあたって、燃料電池は不要となり、それに伴って高圧水素タンクなども不要となるので、簡便な設備でより安全に試験をすることができるようになる。また、模擬燃料電池を使うので、実際の燃料電池のような不測の変動要因がなく、反復信頼性の高い試験をすることが可能になる。

燃料電池車には、燃料電池を補助する補助バッテリが搭載される場合がある。前記供給電力シミュレータが、該補助バッテリの動作を模擬する機能をも有したものであれば、さらに簡便で反復信頼性の高い試験を行うことができる。

具体的な実施態様としては、前記供給電力シミュレータが、試験状況に応じて、燃料電池の動作を模擬する場合と、補助バッテリの動作を模擬する場合とに切り替わるように構成してあるものを挙げることができ、より好ましくは、試験状況に応じて、燃料電池及び補助バッテリ双方の動作を同時に模擬する場合にも切り替わるように構成してあるものを挙げることができる。

例えば車両メーカ等のユーザが独自に有するような、燃料電池に対する制御シーケンスを自在に搭載できるようにして、ユーザによる燃料電池車の開発等の便に資するには、アクセル開度やブレーキ踏度等に係る走行データに少なくとも基づいて、燃料電池を制御するメイン制御装置をさらに具備し、該メイン制御装置の制御シーケンスデータをユーザが書き換え可能に構成してあるものが好ましい。

このようなものであれば、燃料電池車の動力系を簡便にかつ安全に試験することができるようになるだけでなく、試験の反復信頼性を向上させることができるようにもなる。

本発明の一実施形態における燃料電池車試験システムを示す全体模式図。 同実施形態における供給電力シミュレータの等価回路。 同実施形態におけるメイン制御装置の機能ブロック図。 燃料電池のＩ−Ｖ特性マップの一例。

以下に、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る燃料電池車試験システム１００は、燃料電池車の動力系ＰＵを単体で試験するものであり、図１に示すように、ダイナモメータ１１、走行データ付与装置２、メイン制御装置４及び供給電力シミュレータ３を有している。

ここでの動力系ＰＵとは、燃料電池車に搭載される走行用電動モータＭ（以下、単に電動モータＭともいう。）、該電動モータＭを駆動制御するインバータ式モータ駆動制御装置ＩＮＶ（以下、単にモータ駆動制御装置ＩＮＶともいう。）である。
次に、この燃料電池車試験システム１００の各部を説明する。

前記ダイナモメータ１は、前記電動モータＭの出力軸Ｓに、路上走行で作用する負荷又は駆動力を模擬して与えるものである。具体的にこのものは、図示しないが、車体の重量等によって生じる慣性力を再現するフライホールと、路上走行での抵抗等を再現するための電動機及びその制御装置とを備えており、ここでは、例えばエンジン車に用いられるものと同等のものが用いられている。

走行データ付与装置２は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、通信ポートなどを有した情報処理装置（コンピュータ）である。このものは、試験で用いられるいくつかの運転パターンを記憶しており、例えばオペレータによって試験での運転パターンが定められると、その運転パターンにおけるアクセル開度データやブレーキ踏度データ等の走行データを前記メイン制御装置４に送信する。

メイン制御装置４は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、通信ポートなどを有した情報処理装置（コンピュータ）であり、機能的にいえば、図３に示すように、種々のパラメータに基づいて前記モータ駆動制御装置ＩＮＶや燃料電池あるいは補助バッテリ等を制御するためのメイン制御部４ａと、前記パラメータを受け付けるパラメータ受付部４ｂと、前記メイン制御部４ａの制御シーケンスデータを受け付ける制御シーケンスデータ受付部４ｃとを有したものである。

前記パラメータ受付部４ｂが受け付けるパラメータとは、前記走行データや、モータ駆動制御装置ＩＮＶから送信されてくるモータ電流、モータ回転数等に係るモータ状態データ、あるいは、燃料電池から取得される発電量、燃料（水素）残量等に係る燃料電池状態データや、補助バッテリから取得される発電／充電量、残電力量等に係る補助バッテリ状態データ等のことである。

前記メイン制御部４ａは、前記走行データ、前記モータ状態データ、燃料電池データ、補助バッテリデータ等に基づいて、モータ駆動制御装置ＩＮＶ、燃料電池及び補助バッテリを制御するものである。モータ駆動制御装置ＩＮＶに対しては、例えばモータ駆動周波数の設定等を行い、燃料電池及び補助バッテリに対しては、例えば水素供給量の制御やいずれのバッテリを用いるかなどの切り替えに係る制御等を、メモリに記憶させた制御シーケンスデータにしたがって行う。

前記制御シーケンスデータ受付部４ｃは、上述したように、制御シーケンスデータを受け付けるものである。この制御シーケンスデータは、通信やメモリカードなどから取得されるものであり、書き換え可能である。かかる制御シーケンスデータ受付部４ｃを設けているのは、ユーザ（例えば車両メーカ）ごとに、走行状態や燃料電池状態等に応じたモータ駆動制御や燃料電池制御が異なり、かつ、それがノウハウである場合が多く、この制御シーケンスデータ受付部４ｃを設けておくことによって、ユーザが自身で自在に制御シーケンスデータを定めたり、修正したりして、このメイン制御装置４に搭載できるようにするためである。なお、この実施形態では、デフォルトとしての制御シーケンスデータを予め定めてある。

前記供給電力シミュレータ３は、物理的にいえば、図１に示すように、例えば、商用交流電源ＡＣから出力される交流電流を直流電流に変換する直流変換器３１と、前記直流変換器３１を制御して、その出力電流及び出力電圧を所望の値に制御する電力制御装置３２とを具備した電気回路であり、機能的にいえば、燃料電池車に搭載される燃料電池及び補助バッテリ（充電可能な例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの二次電池）の動作を模擬するものである。

具体的に説明する。
前記直流変換器３１は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（図示しない）、又はＡＣ／ＤＣコンバータにＤＣ／ＤＣコンバータ（図示しない）を付加したものであり、例えばスイッチング素子（図示しない）のタイミング制御等によって出力電圧や入出力インピーダンスを調整できるように構成されたものである。

前記電力制御装置３２は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力ポートなどを具備した電子回路であり、前記メモリに記憶された所定のプログラムに従って前記直流変換器３１を制御することにより、燃料電池の動作をシミュレートする燃料電池模擬部３２ａや、補助バッテリの動作をシミュレートする補助バッテリ模擬部３２ｂ等（図２に示す。）としての機能を該供給電力シミュレータ３に発揮させるものである。

前記燃料電池模擬部３２ａは、燃料電池が化学反応によって電力を生成するものであるから、本来、その化学反応に基づいたシミュレートをするものであることが好ましい。しかしながら、上述の構成にすると演算に時間がかかり、リアルタイム性が犠牲になる恐れがある。そこで、この実施形態では、演算高速化を重視して、燃料電池模擬部３２ａは、図２に示すように、内部インピーダンスや応答性の点において実際の燃料電池と概略同等な等価回路に基づいて、燃料電池が出力すべき電圧及び電流を算出し、その電圧及び電流を前記直流変換器３１が出力するように、指令信号を送信するものである。前記等価回路は、予め前記メモリに記憶させてある。

また、燃料電池が動作すれば、燃料たる水素が消費されるが、この燃料電池模擬部３２ａは、水素消費量も演算によって求め、残燃料をも算出して出力可能に構成してある。水素消費量は、例えば、出力電流×時間×係数で算出するようにしている。

なお、前記等価回路による方式の他、例えば、図４に示すような燃料電池のＩＶ特性マップをメモリに記憶させておき、このＩＶ特性マップから燃料電池の出力（電流及び／又は電圧）を算出するようにしてもよい。

前記補助バッテリ模擬部３２ｂは、前記燃料電池模擬部３２ａ同様、内部インピーダンスや応答性の点において実際の補助バッテリと概略同等な等価回路（図２に示す。）に基づいて、補助バッテリ出力すべき電圧及び電流を算出し、その電圧及び電流を前記直流変換器３１が出力するように、指令信号を送信するものである。

なお、前記等価回路は予め前記メモリに記憶させてある。この等価回路の他、例えば、補助バッテリのＩＶ特性マップ（図示しない）を予めメモリに記憶させておき、このマップから補助バッテリの出力や入力を算出するようにしてもよい。

また、補助バッテリは電動モータＭからの回生電力によって充電されることもあるので、ここでの補助バッテリ模擬部３２ｂは、電動モータＭが発電機として作用しているときには、電動モータＭからモータ駆動制御装置ＩＮＶを介して戻ってくる電力が、前記等価回路に基づいて算出した電流、電圧となるように、該供給電力シミュレータ３の例えば入力インピーダンスを制御することができるようにも構成してある。このとき補助バッテリ模擬部３２ｂは、補助バッテリの充電量を算出して出力するようにもしてある。

次に、かかる構成の燃料電池車試験システム１００の動作の一例を説明する。
ここでは、燃料電池車においての制御シーケンスとして、燃料電池を電動モータＭに電力を供給するときに用い、また、補助バッテリを、電動モータＭから回生される電力を蓄え、あるいは燃料電池の出力が低下したときの補助電力源として用いる場合について説明する。

前記走行データやモータ状態データ等から、例えば、加速時など、実際の車両であれば燃料電池から電動モータＭに電力を供給する試験状況であると、前記メイン制御装置４が判断した場合には、このメイン制御装置４は、燃料電池に所定の電力を出力させるような制御信号を、前記供給電力シミュレータ３に送信する。

すると、前記燃料電池模擬部３２ａが、この制御信号を受信して、燃料電池の等価回路等に基づいて出力されるべき電圧及び電流を算出し、これを直流変換器３１から出力させる。このとき実際には燃料たる水素が消費されるから、この燃料電池模擬部３２ａは、その水素消費量を演算によって求め、残燃料をも算出して記憶するとともにメイン制御装置４に送信する。

また、同試験において、前記走行データやモータ状態データ等から、例えばアクセルを離したときの惰性走行や、下り坂走行など、実際の車両であれば、電動モータＭが発電機として機能して補助バッテリに充電される状況である、と前記メイン制御装置４が判断した場合は、該メイン制御装置４は、燃料電池の出力を停止させるとともに補助バッテリに充電させるような制御信号を生成して、これを供給電力シミュレータ３に送信する。

すると、前記燃料電池模擬部３２ａはその機能を停止する一方、前記補助バッテリ模擬部３２ｂが、補助バッテリの等価回路等に基づいて、補助バッテリに充電されるべき電圧及び電流を算出し、その算出した電流及び電圧となるように、該供給電力シミュレータ３の例えば入力インピーダンスを制御する。

一方、同試験中に、例えば、燃料電池状態データ等から、燃料電池模擬部３２ａで算出した残存水素量が低減していて、実際の車両であれば、燃料電池からの出力が停止し、補助バッテリのみによって車両が駆動される状況にある、と前記メイン制御装置４が判断した場合は、該メイン制御装置４は、燃料電池の出力を停止させるとともに補助バッテリからモータに電力を供給させるような制御信号を生成して供給電力シミュレータ３に送信する。

すると、燃料電池模擬部３２ａがその動作を停止するとともに、前記補助バッテリ模擬部３２ｂが、補助バッテリの等価回路等に基づいて算出された電流及び電圧を電動モータＭへ出力し、あるいは電動モータＭから電流及び電圧が入力されるようにする。

しかしてこのような構成によれば、燃料電池車の動力系ＰＵの試験にあたって、燃料電池を準備することは不要となり、それに伴って高圧水素タンクなども不要となるので、簡便な設備でより安全に試験をすることができるようになる。

また、模擬燃料電池と模擬補助バッテリを使うので、実際の燃料電池や補助バッテリーのような不測の変動要因がなく、反復信頼性の高い試験をすることが可能となり、動力系の開発時間短縮や不具合解決に好適に資することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られない。
例えば、供給電力シミュレータに補助バッテリ模擬部は必ずしも必要なく、実際の補助バッテリを用いるようにしてもよい。

また、前記供給電力シミュレータでは、燃料電池模擬部と補助バッテリ模擬部とのいずれか一方が、試験状況に応じて、選択的に機能するようにしていたが、実際の車両におけるシステムによっては、双方が同時に動作するように構成してもよい。

走行データ付与装置、メイン制御装置、及び供給電力シミュレータの電力制御装置は、物理的に別々である必要はなく、全ての機能を単一のコンピュータに担わせてもよいし、各機能をさらに細分化したり、機能単位を前記実施形態とは異ならせて、通信可能に構成された複数のコンピュータにそれらの機能を担わせてもよい。
その他、反発明は、その趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や組み合わせを行っても構わない。

１００・・・燃料電池車試験システム
Ｍ・・・電動モータ
Ｓ・・・出力軸
１・・・ダイナモメータ
３・・・供給電力シミュレータ
４・・・メイン制御装置

Claims (6)

1. 燃料電池車に搭載される電動モータの出力軸に接続されて、該電動モータに模擬走行負荷を与えるダイナモメータと、
   当該燃料電池車に搭載される燃料電池の動作を模擬し、前記燃料電池から前記電動モータに供給されるべき電力を前記電動モータに与える供給電力シミュレータとを具備することを特徴とする燃料電池車試験システム。
2. 前記供給電力シミュレータが、燃料電池車に搭載されて電動モータに補助電力を与える補助バッテリの動作を模擬する機能をも有したものである請求項１記載の燃料電池車試験システム。
3. 前記供給電力シミュレータが、試験状況に応じて、燃料電池の動作を模擬する場合と、補助バッテリの動作を模擬する場合とに切り替わるように構成してある請求項２記載の燃料電池車試験システム。
4. 前記供給電力シミュレータが、試験状況に応じて、燃料電池及び補助バッテリ双方の動作を同時に模擬する場合にも切り替わるように構成してある請求項３記載の燃料電池車試験システム。
5. アクセル開度やブレーキ踏度等に係る走行データに少なくとも基づいて、燃料電池を制御するメイン制御装置をさらに具備し、該メイン制御装置の制御シーケンスデータをユーザが書き換え可能に構成してあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車試験システム。
6. 燃料電池車に搭載される電動モータの出力軸に接続されて、該電動モータに模擬走行負荷を与えるダイナモメータを具備した燃料電池車試験システムに搭載されるプログラムであって、
   所定の電気回路に、当該燃料電池車に搭載される燃料電池の動作を模擬し、前記燃料電池から前記電動モータに供給されるべき電力を前記電動モータに与える機能を発揮させることを特徴とするプログラム。