JP2020178402A - Fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池車両に関する。 The present invention relates to a fuel cell vehicle.
特許文献1には、燃料電池が発電した電力や、回生ブレーキによる回生電力を蓄電可能な二次電池を搭載した燃料電池車両が記載されている。この燃料電池車両では、燃料電池内に残留する水分を、燃料電池外へ排出させるための掃気処理が行われる。 Patent Document 1 describes a fuel cell vehicle equipped with a secondary battery capable of storing the electric power generated by the fuel cell and the regenerative electric power by the regenerative brake. In this fuel cell vehicle, a scavenging process is performed to discharge the water remaining in the fuel cell to the outside of the fuel cell.
本願の発明者らは、回生ブレーキと摩擦ブレーキとを併用して制動力を発生させる回生摩擦協調ブレーキが用いられる燃料電池車両において、制動中に掃気処理を実行すると、回生ブレーキの制動力が一時的に低減する場合があることを、新たに見出した。したがって、回生摩擦協調ブレーキの制動力を安定させることが望まれている。 The inventors of the present application, in a fuel cell vehicle in which a regenerative friction coordinated brake that generates a braking force by using a regenerative brake and a friction brake in combination are used, when a scavenging process is executed during braking, the braking force of the regenerative brake is temporarily applied. It was newly found that there is a case of reduction. Therefore, it is desired to stabilize the braking force of the regenerative friction coordinated brake.
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention can be realized as the following forms.
本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給部と、前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、前記燃料電池車両を駆動する力行運転と、回生電力を発生して前記燃料電池車両を制動する回生運転と、を実行可能な駆動モータと、前記燃料電池が発電した電力と、回生運転時に前記駆動モータが発生した前記回生電力と、を蓄電可能な蓄電装置と、前記ガス供給部を駆動して、前記反応ガスを用いて前記燃料電池の内部に滞留する滞留水を前記燃料電池の外部に排出させる掃気処理の実行を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記摩擦ブレーキによる摩擦制動力と前記回生運転によって生じる回生制動力とによって前記燃料電池車両が制動中であるときに、前記燃料電池の内部に滞留する前記滞留水の量を推定して、推定した前記滞留水の量を用いて、前記掃気処理が行なわれる前段階であることを示す掃気準備条件を満たすか否かを判断し、前記掃気準備条件を満たすときに、前記掃気処理の実行時に前記燃料電池が発電する掃気時発電電力を含み前記燃料電池車両で発生すると予測される車両発生電力が、前記蓄電装置を充電する電力の上限として定められた許容充電電力よりも大きいときには、前記掃気処理の実行を禁止する。
この形態の燃料電池車両によれば、回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気準備条件を満たす場合であって、掃気処理の実行時に燃料電池が発電する掃気時発電電力を含み燃料電池車両で発生すると予測される車両発生電力が、許容充電電力よりも大きいときには、掃気処理の実行を禁止する。そのため、掃気処理の実行時における回生摩擦協調ブレーキの制動力を、より安定させることができる。
According to one embodiment of the present invention, a fuel cell vehicle is provided. This fuel cell vehicle generates a fuel cell, a gas supply unit that supplies a reaction gas to the fuel cell, a friction brake that brakes the fuel cell vehicle, a power running operation that drives the fuel cell vehicle, and regenerative power. A power storage device capable of storing a drive motor capable of performing regenerative operation for braking the fuel cell vehicle, electric power generated by the fuel cell, and regenerative electric power generated by the drive motor during regenerative operation. A control unit that drives the gas supply unit and controls the execution of a scavenging process for discharging the accumulated water staying inside the fuel cell to the outside of the fuel cell using the reaction gas. The control unit estimates the amount of stagnant water that stays inside the fuel cell when the fuel cell vehicle is braking by the frictional braking force generated by the friction brake and the regenerative braking force generated by the regenerative operation. Then, using the estimated amount of retained water, it is determined whether or not the scavenging preparation condition indicating that the scavenging treatment is in the pre-stage is satisfied, and when the scavenging preparation condition is satisfied, the scavenging is performed. The vehicle-generated power predicted to be generated in the fuel cell vehicle, including the scavenging power generated by the fuel cell when the process is executed, is larger than the allowable charging power set as the upper limit of the power for charging the power storage device. Occasionally, the execution of the scavenging process is prohibited.
According to this type of fuel cell vehicle, when the scavenging preparation condition is satisfied during braking by the regenerative friction coordinated brake, the fuel cell vehicle includes the scavenging power generated by the fuel cell when the scavenging process is executed. When the predicted vehicle power generation is larger than the allowable charging power, the execution of the scavenging process is prohibited. Therefore, the braking force of the regenerative friction coordinated brake at the time of executing the scavenging process can be made more stable.
A.第1実施形態:
(A−1)車両の全体構成:
図1は、第1実施形態における燃料電池車両20の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両20は、燃料電池100と蓄電装置421とを含む燃料電池システム30と、駆動モータ40と、摩擦ブレーキ50と、ブレーキペダル80と、アクセルペダル85と、制御部500と、を備えている。燃料電池車両20は、アクセルペダル85の操作に応じて駆動され、ブレーキペダル80の操作に応じて制動される。本実施形態の駆動モータ40は、燃料電池車両20を駆動する力行運転を実行する力行モードと、回生電力を発生して燃料電池車両20を制動する回生運転を実行する回生モードと、において動作可能である。力行モード時の駆動モータ40は、燃料電池システム30から電力の供給を受けて、前輪FWと後輪RWとの少なくとも一方を回転させることによって燃料電池車両20を駆動する。回生モード時の駆動モータ40は、燃料電池車両20の運動エネルギを電力に変換することによって燃料電池車両20を制動する。回生モード時の駆動モータ40による制動のことを、回生ブレーキとも呼ぶ。本実施形態の燃料電池車両20は、回生ブレーキと摩擦ブレーキ50とを併用して制動力を発生させる回生摩擦協調ブレーキによって制動することができる。摩擦ブレーキによる制動力のことを摩擦制動力と呼び、回生ブレーキによる制動力のことを回生制動力と呼び、これらを合わせた回生摩擦協調ブレーキによる制動力のことを回生摩擦協調制動力と呼ぶ。
A. First Embodiment:
(A-1) Overall configuration of the vehicle:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the
本実施形態の燃料電池システム30は、燃料電池100と、水素給排系200と、空気給排系300と、電力供給系400とを備えている。本実施形態の燃料電池100は、固体高分子形の燃料電池であり、電気化学反応によって起電力を発生させる。燃料電池100の反応ガスには、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池100は、複数の単セルが積層したスタック構造を有し、それぞれの単セル同士は直列に接続されている。それぞれの単セルは、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。アノード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、水素ガスが流通可能なアノード流路が形成されている。カソード側における膜電極接合体とセパレータとの間には、空気が流通可能なカソード流路が形成されている。
The
水素給排系200は、水素供給部210と、水素循環部220と、水素排出部230とを備えている。水素供給部210は、水素タンク211と、水素供給流路212と、主止弁213と、減圧弁214と、インジェクタ215とを備えている。水素タンク211は、燃料電池100に供給するための水素ガスを高圧の状態で貯蔵している。水素供給流路212は、水素タンク211と燃料電池100のアノード流路とを接続する流路である。水素供給流路212には、上流側から順に、主止弁213と、減圧弁214と、レギュレータとが設けられている。主止弁213が開弁されることによって、水素タンク211に貯蔵された高圧の水素ガスが、水素供給流路212へと流れる。高圧の水素ガスは、減圧弁214によって減圧された後、燃料電池100の発電要求に応じてインジェクタ215から燃料電池100へと供給される。
The hydrogen supply /
水素循環部220は、水素循環流路221と、水素循環ポンプ222とを備えている。水素循環流路221は、燃料電池100のアノード流路と、水素供給流路212におけるインジェクタ215よりも下流側とを接続する流路である。水素循環ポンプ222は、水素循環流路221に設けられている。燃料電池100から排出されたアノードオフガスに含まれる未消費の水素ガスは、循環ポンプによって、水素循環流路221と燃料電池100のアノード流路との間を循環される。尚、アノードオフガスには、未消費の水素ガスの他に、燃料電池100の発電に伴う生成水や窒素ガスが含まれており、水素循環流路221における燃料電池100と循環ポンプとの間に設けられた図示しない気液分離器によって、未消費の水素ガスおよび窒素ガスと、生成水とが分離される。
The
水素排出部230は、水素排出流路231と、排気排水弁232とを備えている。水素排出流路231は、水素循環流路221における燃料電池100と水素循環ポンプ222との間と、後述する空気排出流路321とを接続する流路である。排気排水弁232は、水素排出流路231に設けられており、排気排水弁232が開弁されることによって、アノードオフガスが、空気排出流路321を介して大気へと排出される。
The
空気給排系300は、空気供給部310と、空気排出部320とを備えている。本実施形態では、空気給排系300のことを「ガス供給部」とも呼ぶ。空気供給部310は、空気導入流路311と、エアフローメータ312と、エアコンプレッサ313と、分流弁314と、空気供給流路315と、空気バイパス流路316とを備えている。空気導入流路311は、大気に連通する流路であり、分流弁314によって空気供給流路315と空気バイパス流路316とに接続されている。空気導入流路311には、上流側から順に、エアフローメータ312と、エアコンプレッサ313と、分流弁314とが設けられている。エアフローメータ312は、空気導入流路311に導入された空気の流量を検出するセンサである。エアコンプレッサ313は、空気導入流路311へと空気を導入して、導入した空気を燃料電池100へと圧送するための圧縮機である。本実施形態のエアコンプレッサ313は、ターボコンプレッサである。エアコンプレッサ313は、ターボ式圧縮機に限られず、容積式圧縮機であってもよい。分流弁314は、空気供給流へと流れる空気の流量と、空気バイパス流路316へと流れる空気の流量とを、開度に応じて調節可能である。空気供給流路315は、分流弁314と燃料電池100のカソード流路とを接続する流路である。空気バイパス流路316は、分流弁314と後述する空気排出流路321とを接続する流路である。尚、空気バイパス流路316は、空気排出流路321に接続されずに、大気に連通してもよい。
The air supply /
空気排出部320は、空気排出流路321と、調圧弁322とを備えている。空気排出流路321は、燃料電池100のカソード流路に接続された、大気に連通する流路である。空気排出流路321には、調圧弁322が設けられている。調圧弁322の開度が調節されることによって、燃料電池100のカソード流路内の空気の圧力や、エアコンプレッサ313によって吐出される空気の流量が調節される。空気排出流路321における調圧弁322よりも下流側には、上流側から順に、上述した空気バイパス流路316と、水素排出流路231とが接続されている。燃料電池100から排出されたカソードオフガスは、空気バイパス流路316から流入した空気や、水素排出流路231から流入したアノードオフガスとともに、空気排出流路321を流れて、大気へと排出される。
The
燃料電池システム30は、図示しない冷媒循環系を備えている。冷媒循環系は、燃料電池100を冷却した冷媒が、冷媒を放熱させるラジエータを経由して、燃料電池100に循環するように構成されている。
The
電力供給系400は、昇圧コンバータ411と、インバータ412と、蓄電装置421と、昇降圧コンバータ422と、第1配線431と、第2配線432とを備えている。燃料電池100と、昇圧コンバータ411と、インバータ412とが第1配線431によってこの順に電気的に接続されている。蓄電装置421と、昇降圧コンバータ422と、第1配線431における昇圧コンバータ411とインバータ412との間とが第2配線432によってこの順に電気的に接続されている。燃料電池100によって発電された直流電力は、昇圧コンバータ411によって昇圧された後に、インバータ412によって三相交流電力に変換されて、駆動モータ40に供給される。蓄電装置421によって蓄電された直流電力は、昇降圧コンバータ422によって昇圧された後に、インバータ412によって三相交流電力に変換されて、駆動モータ40に供給される。昇降圧コンバータ422は、蓄電装置421に蓄電された電力を昇圧可能なだけでなく、燃料電池100によって発電された電力や、回生モード時の駆動モータ40によって発電された電力を降圧可能に構成されている。インバータ412は、直流電力から交流電力に変換可能に構成されているだけでなく、交流電力から直流電力に変換可能に構成されている。
The
蓄電装置421は、燃料電池100によって発電された電力と、回生モード時に駆動モータ40によって発電された電力とを蓄電可能である。燃料電池100によって発電された電力のことを発電電力と呼ぶ。回生モード時に駆動モータ40によって発電された電力のことを回生電力と呼ぶ。本実施形態の燃料電池車両20では、駆動モータ40からの負荷要求が無い回生モード時においても、燃料電池100は、微小な発電を行なう。回生モード時の微小発電については後述する。回生モード時には、通常は、上記微小発電による発電電力と回生電力とを合計した電力のうち、燃料電池車両20に搭載される各種補機等で消費される電力を減じた残余の電力が、蓄電装置421に蓄電される。蓄電装置421に蓄電された電力は、駆動モータ40や燃料電池補機や車両補機を駆動するために消費可能である。本実施形態の蓄電装置421は、充放電可能な二次電池である。二次電池として、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等を用いることができる。尚、蓄電装置421は、二次電池以外の充放電可能な装置であってもよく、例えば、キャパシタとすることができる。
The
摩擦ブレーキ50は、燃料電池車両20の運動エネルギを摩擦による熱エネルギに変換することによって、燃料電池車両20を制動するための減速装置である。本実施形態の摩擦ブレーキ50は、アクチュエータによって駆動するディスクブレーキである。尚、摩擦ブレーキ50は、アクチュエータによって駆動するドラムブレーキであってもよい。
The
制御部500は、CPUと、メモリと、各部品が接続されるインターフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部500は、各種センサから取得した情報に基づいて、燃料電池システム30の発電を制御し、駆動モータ40を力行モードや回生モードで制御する。図1に示すように、制御部500のCPUは、機能ブロックとして、制動制御部510および掃気制御部520を備える。
The
制動制御部510は、摩擦ブレーキ50のアクチュエータと、回生モード時の駆動モータ40とを制御することによって、回生摩擦協調ブレーキを実現する。制動制御部510は、ドライバからの制動要求に応じて発生させる回生摩擦協調制動力における、摩擦ブレーキ50による摩擦制動力と回生モード時の駆動モータ40による回生制動力との割合を、適宜設定する。燃料電池車両20の制動時には、回生電力を蓄電装置421に充電することが許容される限り、できるだけ多くの制動力を回生制動力から得つつ、回生制動力だけではドライバからの制動要求に対して不足する制動力を、摩擦制動力によって得ることが望ましい。これにより、回生電力を蓄電装置421に充電することによる車両全体としてのエネルギ効率の向上を図りつつ、回生摩擦協調制動力を確保する効果を高めることができる。
The
掃気制御部520は、エアコンプレッサ313を駆動して、エアコンプレッサ313から燃料電池100への空気の供給状態を制御することによって、燃料電池100の内部に滞留した滞留水を燃料電池100の外部へ排出させる掃気処理を実行する。
The scavenging control unit 520 drives the
なお、上記した機能を果たす制御部500は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、制動制御部510や、掃気制御部520や、負荷要求に応じた燃料電池100の発電制御を行なう制御部や、燃料電池車両20の走行を制御する制御部や、走行に関わらない車両補機の制御を行なう制御部などのうちの少なくとも一部を、別体の制御部として構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。
The
(A−2)回生摩擦協調ブレーキを用いた制動と掃気処理:
図2は、回生摩擦協調制動力の変化の様子の一例を、模式的に示す説明図である。横軸は、回生摩擦協調ブレーキによる制動を開始してから燃料電池車両20が停車するまでの時間を表している。縦軸は、回生摩擦協調制動力を表している。上述したように、回生摩擦協調制動力は、摩擦制動力と、回生制動力とを合わせた制動力である。図2は、掃気処理を行なわない場合の、回生制動力と摩擦制動力の変化の様子を示す。
(A-2) Braking and scavenging processing using regenerative friction coordinated braking:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an example of a change in the regenerative friction cooperative braking force. The horizontal axis represents the time from the start of braking by the regenerative friction cooperative brake until the
回生摩擦協調ブレーキによる制動を行なう際には、駆動モータ40が発電して回生電力が生じると共に、燃料電池100では、後述する微小発電による発電電力が生じる。蓄電装置421には、許容充電電力Winが定められており、制動制御部510は、蓄電装置421に対する充電電力が許容充電電力Win以下となるように、回生電力を抑えている。許容充電電力Winとは、蓄電装置421の充電電力の上限として定められている値であって、蓄電装置421の充電性能を示す値である。許容充電電力Winが大きいほど、充電性能が高いことを示し、より多くの電力を充電可能であることを示す。許容充電電力Winは、蓄電装置421の残存容量(SOC)と蓄電装置421の温度とによって定まる値であり、許容充電電力Winと、蓄電装置421の残存容量および温度との関係が、燃料電池100ごとに予め定められて、当該関係を示すマップが、予め制御部500のメモリに記憶されている。制御部500は、図示しない残存容量センサから蓄電装置421の残存容量を取得すると共に、図示しない温度センサから蓄電装置421の温度を取得し、上記マップを参照することにより、許容充電電力Winを取得する。回生モード時に、燃料電池100の微小発電による発電電力と回生電力とを合計した電力のうち、燃料電池車両20に搭載される各種補機等で消費される電力を減じた残余の電力が、許容充電電力Winを超えると予測される場合には、制動制御部510は、上記残余の電力が許容充電電力Win以下となるように、回生電力を削減して回生制動力を抑える。
When braking by the regenerative friction coordinated brake, the
図3は、回生摩擦協調ブレーキによる制動中、すなわち、摩擦制動力と回生制動力とによって燃料電池車両20が制動中であるときに、掃気処理を行なった場合の回生摩擦協調制動力の変化の一例を模式的に示す説明図である。本願発明者等は、回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気処理が行われたときに、回生制動力が一時的に低減する場合があることを新たに見出した。このような現象の起こる理由は、以下のように考えられる。
FIG. 3 shows a change in the regenerative friction coordinated braking force when the scavenging process is performed while braking by the regenerative friction coordinated brake, that is, when the
回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気処理が行われたときの動作の説明に先立って、まず、車両制動時の燃料電池100の状態について説明する。車両制動時には、燃料電池車両20は走行中であるが、アクセル開度はゼロとなっている。本実施形態の燃料電池車両20では、このような車両制動時には燃料電池100に対する要求電力がゼロとなり、燃料電池100に対するエアコンプレッサ313からの空気の供給が停止される。車両走行中にアクセルオフとなり、エアコンプレッサ313が停止されても、燃料電池100内には空気が残留している。このように、燃料電池100内に空気が残留する状態で燃料電池100の発電を停止すると、カソード電位が極めて高くなり得る。カソード電位が過度に上昇すると、電極触媒の劣化が進行し得る。そのため、本実施形態では、車両制動時に空気の供給を停止する際には、燃料電池100の出力電圧の上限を、許容できる電圧として予め定めた高電位回避電圧VFCに設定して、燃料電池100から微小な電流を掃引することにより、カソード電位の過剰な上昇を抑えている。車両制動時において、高電位回避電圧VFCを上限電圧としつつ微小な電流を掃引する燃料電池100の発電を、「微小発電」とも呼ぶ。微小発電を開始した後、燃料電池100内にある程度空気が残留している間は、燃料電池100の出力電圧は高電位回避電圧VFCに維持される。微小発電により生じる電力のうち、燃料電池車両20において消費されない電力は、蓄電装置421に充電される。
Prior to the description of the operation when the scavenging process is performed during braking by the regenerative friction cooperative brake, first, the state of the
図4は、燃料電池100のIV特性と供給空気量との関係を模式的に表わす説明図である。燃料電池のIV特性は、種々の要因によって変化するが、一例として、供給される反応ガス量に応じて変化する。図4では、燃料ガスの供給量が十分であって、酸化ガスである空気の供給量を異ならせた場合のIV特性を示す。図4では、燃料電池100のIV特性を表わすグラフとしてA1〜A4の4つのグラフを示しており、A1、A2、A3、A4の順で、供給空気量、すなわち供給酸素量が少ない。図4から分かるように、燃料電池100の出力電圧が、例えば同じ高電位回避電圧VFCであっても、燃料電池100に供給する酸素量が少ないほど、出力電流(I1〜I4)は小さくなり、その結果、出力電力も小さくなる。
FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the IV characteristics of the
エアコンプレッサ313による空気の供給を停止した後、上記した微小発電を行なうと、発電に伴って酸素が消費されて燃料電池100内の酸素量が減少する。その結果、出力電圧が同じであれば、燃料電池100から出力される電流は、次第に減少する。微小発電が開始されると、通常は、燃料電池100の出力電圧は上限である高電位回避電圧VFCとなるため、図4を用いて説明したように、燃料電池100の出力電流は、I1から次第に減少する。このような微小発電であっても、発電に伴って燃料電池100内では生成水が生じる。そのため、駆動モータ40からの負荷要求が無い車両制動時であっても、燃料電池100内の滞留水が次第に増加して、掃気処理を行なう必要が生じる場合がある。
When the above-mentioned minute power generation is performed after the air supply by the
次に、このような車両制動時において微小発電を行なう状態で掃気処理を実行するときの動作について説明する。車両制動時に微小発電を行なう状態で掃気処理を実行すると、エアコンプレッサ313から供給される空気量の増大に伴って、出力電流が急激に増大し得る。燃料電池100の出力電圧の上限値が高電位回避電圧VFCに設定されているため、供給される空気量が増大したときに燃料電池100の出力電圧が上記上限値を越えないように、燃料電池100から掃引する電流値が制御部500によって調節されるためである。微小発電を行なっているときに掃気処理を実行することにより、燃料電池100の出力電流の増加と共に発電電力が増加すると、充電のために蓄電装置421に供給される供給電力が、蓄電装置421の許容充電電力Winを超える場合がある。充電のために蓄電装置421に供給される供給電力は、回生電力の他、燃料電池100の発電電力を含み得るためである。上記供給電力が許容充電電力Winを超える場合には、制動制御部510は、蓄電装置421が過充電となる不都合を避けるために、上記供給電力が許容充電電力Winを超えないように、回生電力を削減する。回生電力を削減すると、燃料電池車両20における回生制動力も減少する。図3では、掃気処理の実行時に、燃料電池100の発電電力の増加に起因して回生制動力が減少する様子が示されている。
Next, the operation when the scavenging process is executed in the state of performing minute power generation during such vehicle braking will be described. If the scavenging process is executed in a state where minute power generation is performed when the vehicle is braked, the output current may increase sharply as the amount of air supplied from the
このように回生制動力が減少するときには、制動制御部510は、摩擦制動力を増加させて、回生制動力の減少分を補おうとする。しかしながら、摩擦制動力の応答性は回生制動力の応答性に比べて低いため、回生摩擦協調制動力を、より安定させることが望まれる。
When the regenerative braking force is reduced in this way, the
(A−3)回生摩擦協調ブレーキ使用時の掃気処理に係る制御:
図5は、燃料電池車両20の制御部500の掃気制御部520で実行される制動時掃気制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両20を走行可能にするために燃料電池システム30を始動させる指示が入力されたとき、具体的には、運転者によりスタートスイッチ(図示せず)が押されたときに起動され、停止の指示が入力されるまで(例えば、スタートスイッチがオフにされるまで)、繰り返し実行される。
(A-3) Control related to scavenging processing when using regenerative friction cooperative brake:
FIG. 5 is a flowchart showing a scavenging control processing routine during braking executed by the scavenging control unit 520 of the
図5の制動時掃気制御処理ルーチンが起動されると、制御部500のCPUは、燃料電池車両20が回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中であるか否かを判断する(ステップS100)。回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中ではないと判断すると(ステップS100:NO)、制御部500のCPUは、本ルーチンを終了する。
When the braking scavenging control processing routine of FIG. 5 is activated, the CPU of the
回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中であると判断すると(ステップS100:YES)、制御部500のCPUは、燃料電池100内に滞留する滞留水量の推定値を取得する(ステップS110)。制御部500は、本ルーチンの稼働中は、常に、燃料電池100内に滞留する滞留水量を推定しており、ステップS110では、現在の滞留水量の推定値を取得する。本実施形態では、燃料電池100の出力電流を検出して積算出力電流を算出しており、この積算出力電流を用いて理論的に算出される生成水量を、ステップS110で取得する滞留水量の推定値としている。
When it is determined that braking using the regenerative friction cooperative brake is in progress (step S100: YES), the CPU of the
ステップS110で滞留水量の推定値を取得すると、制御部500のCPUは、取得した滞留水量の推定値を用いて、掃気準備条件を満たすか否かを判断する(ステップS120)。掃気準備条件とは、掃気処理の前段階であることを示す条件として、予め定められた条件である。本実施形態では、滞留水量が次第に増加して、予め定めた掃気要求閾値に達したと判断されるときに、掃気処理を実行する。上記した掃気準備条件とは、滞留水量が、上記掃気要求閾値に達する前に、掃気要求閾値より小さい値として予め定めた掃気準備閾値に達することをいう。ステップS120では、滞留水量が掃気準備閾値以上となったときに、掃気準備条件を満たすと判断する。掃気準備条件を満たさないと判断すると(ステップS120:NO)、制御部500のCPUは、本ルーチンを終了する。
When the estimated value of the stagnant water amount is acquired in step S110, the CPU of the
ステップS120において掃気準備条件を満たすと判断すると(ステップS120:YES)、制御部500のCPUは、車両発生電力Wcと許容充電電力Winとを取得する(ステップS130)。
When it is determined in step S120 that the scavenging preparation condition is satisfied (step S120: YES), the CPU of the
車両発生電力Wcとは、回生摩擦協調ブレーキを用いた制動中に掃気処理を行なったときに燃料電池100が発電する掃気時発電電力Wsを含み、燃料電池車両20で発生すると予測される電力である。具体的には、車両発生電力Wcは、例えば以下の(1)式に示すように、回生摩擦協調ブレーキの使用中の掃気処理に伴って燃料電池100が発電すると予測される掃気時発電電力Wsと、回生電力Wrとの合計から、燃料電池車両20が搭載する補機類が消費する補機消費電力Weを減算した値とすることができる。なお、例えば車速が小さく、回生電力Wrが小さいときには、下記の(1)式において回生電力Wrは無視してもよい。また、補機消費電力Weが小さいときには、下記の(1)式において補機消費電力Weは無視してもよい。回生電力Wrおよび補機消費電力Weを無視する場合には、車両発生電力Wcとして掃気時発電電力Wsを用いることができる。
The vehicle generated power Wc is the power predicted to be generated in the
Wc=Ws+Wr−We … (1) Wc = Ws + Wr-We ... (1)
掃気時発電電力Wsとは、既述したように、回生摩擦協調ブレーキの使用中の掃気処理に伴って燃料電池100が発電すると予測される電力である。掃気処理時に燃料電池100に供給される酸化ガス量は予め定められているため、回生摩擦協調ブレーキの使用中に掃気処理を行なうことによって燃料電池100で生じる掃気時発電電力Wsは、予め予測することができる。本実施形態では、燃料電池車両20の走行時に燃料電池100が発電する通常運転時における燃料電池100の一般的な温度条件において、上限電圧を高電位回避電圧VFCに設定しつつ掃気処理を行なった場合に燃料電池100が発電する電力である掃気時通常発電電力Ws0を、掃気時発電電力Wsとして予め制御部500内のメモリに記憶している。
As described above, the power generated during scavenging Ws is the power that is predicted to be generated by the
なお、掃気時発電電力Wsは、供給される酸化ガス量の他、燃料電池100内の温度および湿潤状態等の影響を受ける。そのため、掃気時発電電力Wsの値は、掃気処理時の燃料電池100内の温度および湿潤状態等をさらに考慮して、設定してもよい。例えば、ステップS130では、下記の(2)式に示すように、掃気時通常発電電力Ws0に対して、燃料電池100内の温度および湿潤状態等を反映する掃気時発電効率αを乗算して、掃気時発電電力Wsを求めてもよい。
The power generated during scavenging Ws is affected by the amount of oxidized gas supplied, the temperature inside the
Ws=Ws0 ×α … (2) Ws = Ws 0 × α… (2)
図6は、掃気時発電電力αを求めるために用いるマップの一例を示す説明図である。本願の発明者らは、上記した掃気時発電効率αは、図6に示すような、燃料電池100の温度と燃料電池100の出力電力との2次元マップによって特定できることを新たに見出した。図6に示すように、燃料電池温度が高いほど、燃料電池100内の飽和水蒸気圧が上昇して電解質膜が乾燥しやすくなるため、掃気時発電効率αは低下する傾向を示す。また、図6のマップにおいて掃気時発電効率αが0.8となる範囲として示すように、燃料電池出力電力が比較的小さな特定範囲内にあるときには、発電量が少ないことに起因して生成水が少ないこと、および、カソードが備える触媒に酸化皮膜が形成され易いことにより、燃料電池温度に関わらず、掃気時発電効率αが特に小さくなる傾向を示す。図6にマップとして示す掃気時発電効率αと、燃料電池温度および燃料電池出力電力との関係は、実験により、あるいはシミュレーションにより、予め定めて制御部500のメモリ内に記憶しておけばよい。掃気時発電効率αを導出するために用いる燃料電池温度としては、例えば、燃料電池100を冷却するための冷媒循環系において、燃料電池100から冷媒が排出される出口部に温度センサを設け、当該出口部における冷媒温度を検出して用いればよい。掃気時発電効率αを導出するために用いる燃料電池出力電力は、燃料電池100の出力電流と出力電圧をと検出して算出すればよい。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a map used to obtain the generated power α during scavenging. The inventors of the present application have newly found that the above-mentioned power generation efficiency α during scavenging can be specified by a two-dimensional map of the temperature of the
ステップS130において車両発生電力Wcと共に取得する許容充電電力Winは、既述したように、蓄電装置421の充電電力の上限として定められている値であって、蓄電装置421の残存容量(SOC)と蓄電装置421の温度とを用いて特定される。
As described above, the allowable charging power Win acquired together with the vehicle generated power Wc in step S130 is a value defined as the upper limit of the charging power of the
ステップS130において車両発生電力Wcと許容充電電力Winとを取得すると、制御部500のCPUは、車両発生電力Wcと許容充電電力Winとを比較する(ステップS140)。
When the vehicle generated power Wc and the allowable charging power Win are acquired in step S130, the CPU of the
ステップS140において、許容充電電力Winが車両発生電力Wc以上であるときには、掃気処理を実行して掃気時発電電力Wsが発生する場合であっても、車両発生電力Wcを全て蓄電装置421に充電可能と考えられる。そのため、ステップS140において許容充電電力Winが車両発生電力Wc以上であると判断すると(ステップS140:YES)、制御部500のCPUは、掃気処理に係る動作を行なう。具体的には、ステップS110と同様にして、燃料電池100内に滞留する滞留水量の推定値を取得する(ステップS150)。そして、推定した滞留水量を用いて、掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たすか否かを判断する。具体的には、本実施形態では、取得した滞留水量が掃気要求閾値以上となったか否かを判断する(ステップS160)。制御部500は、ステップS160で滞留水量が掃気要求閾値以上であると判断されるまで、ステップS150およびステップS160の動作を繰り返す。
In step S140, when the allowable charging power Win is equal to or higher than the vehicle generated power Wc, all the vehicle generated power Wc can be charged to the
ステップS160において滞留水量が掃気要求閾値以上であると判断されると(ステップS160:YES)、制御部500のCPUは、掃気処理を実行する(ステップS170)。そして、制御部500のCPUは、燃料電池100内に滞留する滞留水量の推定値をリセットして(ステップS180)、本ルーチンを終了する。リセットの後の滞留水量の推定値の初期値は、例えばゼロとすることができる。あるいは、滞留水量の初期値として、ゼロよりも大きく、掃気処理後に燃料電池100内に残留する水の量により近い値を設定してもよい。
When it is determined in step S160 that the amount of retained water is equal to or greater than the scavenging request threshold value (step S160: YES), the CPU of the
ステップS140において、許容充電電力Winが車両発生電力Wcよりも小さいと判断すると(ステップS140:NO)、制御部500のCPUは、掃気処理の実行を禁止して(ステップS190)、本ルーチンを終了する。
If it is determined in step S140 that the allowable charging power Win is smaller than the vehicle generated power Wc (step S140: NO), the CPU of the
図7は、回生摩擦協調ブレーキ使用時に掃気処理を実行する際の、燃料電池車両20の状態を説明するための図である。図7において、時点Aは、燃料電池100内の滞留水量が増加して、滞留水量の推定値が掃気準備閾値に達した時点を示す。このとき、制御部500では、図7に示すように、掃気準備フラグがオンになって、車両発生電力Wcと許容充電電力Winとを比較する動作が開始される。図7の例では、時点Aにおいて、車両発生電力Wcの方が許容充電電力Winよりも大きくなっている。なお、図7では、説明を簡素化するために、車両発生電力Wcは一定値として表わしており、許容充電電力Winのみが変動している。
FIG. 7 is a diagram for explaining the state of the
図7における時点Bは、燃料電池100内の滞留水量の推定値がさらに増加して、掃気要求閾値に達した時点を示す。このとき、制御部500では、図7に示すように、掃気要求フラグがオンになる。しかしながら、図7の例では、時点Bにおいて、車両発生電力Wcの方が許容充電電力Winよりも大きいため、掃気許可フラグはオフであり、掃気処理は禁止されている。そのため、図7の例では、時点Bにおいて掃気処理が開始されることはなく、時点Bの後にも滞留水量は増加する。
Time point B in FIG. 7 indicates a time point when the estimated value of the amount of retained water in the
図7の例では、時点Cにおいて、許容充電電力Winが車両発生電力Wcを超える。そのため、時点Cにおいて掃気許可フラグがオンになり、掃気処理が開始される。掃気処理は、時点Dまで行なわれ、時点Dでは、掃気準備フラグ、掃気要求フラグ、および掃気許可フラグがオフになり、制御部500による滞留水量の推定値が、リセット閾値にリセットされる。
In the example of FIG. 7, at the time point C, the allowable charging power Win exceeds the vehicle generated power Wc. Therefore, the scavenging permission flag is turned on at the time point C, and the scavenging process is started. The scavenging process is performed up to the time D, at which the scavenging preparation flag, the scavenging request flag, and the scavenging permission flag are turned off, and the estimated value of the amount of accumulated water by the
なお、図5の制動時掃気制御処理ルーチンの実行中に、アクセルペダル85が踏まれる等により制動状態が解除されたときには、割り込み処理により上記ルーチンは終了される。 When the braking state is released by stepping on the accelerator pedal 85 or the like during the execution of the braking scavenging control processing routine of FIG. 5, the routine is terminated by the interrupt processing.
以上のように構成された本実施形態の燃料電池車両20によれば、回生摩擦協調ブレーキによる制動中に掃気準備条件を満たす場合には、車両発生電力Wcと許容充電電力Winとを比較する。そして、車両発生電力Wcが許容充電電力Winよりも大きい間は、掃気処理の実行を禁止する。そのため、燃料電池100の発電電力の増大を引き起こし得る掃気処理が実行されることがない。したがって、回生摩擦協調制動力を、より安定させることができる。
According to the
さらに本実施形態によれば、推定した滞留水量を用いることで掃気処理を実行すべき掃気要求条件を満たすと判断され、且つ、車両発生電力Wcが許容充電電力Win以下であるときに、掃気処理を実行する。そのため、掃気処理の影響を受けることなく、回生摩擦協調制動力を、より安定させることができる。 Further, according to the present embodiment, it is determined that the scavenging requirement condition for performing the scavenging treatment is satisfied by using the estimated amount of retained water, and the scavenging treatment is performed when the vehicle generated power Wc is equal to or less than the allowable charging power Win. To execute. Therefore, the regenerative friction coordinated braking force can be made more stable without being affected by the scavenging process.
B.第2実施形態:
第1実施形態では、ステップS120において、滞留水量に基づいて掃気準備条件を満たすか否かの判断を行なったが、滞留水量に加えて、さらに、滞留水量の増加速度を用いて、掃気準備条件を満たすか否かの判断を行なってもよい。以下に、このような動作を、第2実施形態として説明する。第2実施形態の燃料電池車両20は、第1実施形態と同様の構成を有するため、第1実施形態と共通する部分には同じ参照番号を付す。
B. Second embodiment:
In the first embodiment, in step S120, it was determined whether or not the scavenging preparation condition was satisfied based on the amount of retained water, but the scavenging preparation condition was further used by using the rate of increase in the amount of retained water in addition to the amount of retained water. It may be judged whether or not the condition is satisfied. Hereinafter, such an operation will be described as a second embodiment. Since the
本実施形態では、制御部500のCPUは、図5のステップS110において、滞留水量を取得すると共に、滞留水量の増加速度を導出する。そして、ステップS120では、上記した滞留水量と滞留水量の増加速度とを用いて、掃気準備条件を満たすか否かを判断する。滞留水量の増加速度は、例えば、取得した滞留水量の最新の値と、前回取得した滞留水量の値とを用いて、単位時間当たりの滞留水量の増加速度を算出することによって得られる。
In the present embodiment, the CPU of the
回生摩擦協調制動中の燃料電池車両20において、滞留水量が掃気準備閾値に増加した後、さらに掃気要求閾値に増加するまでに要する時間は、燃料電池車両20の運転状態等によって種々変化する。例えば、既述した微小発電による発電電力が比較的少ないときには、発電に伴って生じる生成水量も比較的少なくなるため、滞留水量が掃気準備閾値を超えた後にさらに掃気要求閾値に増加するまでに、長い時間を要する場合がある。また、微小発電による発電電力が比較的多いときには、発電に伴って生じる生成水量も比較的多くなるため、滞留水量が掃気準備閾値を超えた後にさらに掃気要求閾値に増加するまでの時間が、比較的短くなる場合がある。
In the
図8は、滞留水量と滞留水量の増加速度とを用いて、掃気準備条件が成立するか否か、すなわち、掃気準備フラグがオンになるか否かの判断を行なうために、ステップS120で用いるマップの一例を示す説明図である。本実施形態では、図8に示すように、滞留水量が多いほど、また、滞留水量増加速度が大きいほど、掃気準備条件が成立し易くなる。このようなマップは、掃気基準閾値と掃気要求閾値との差の大きさや、回生摩擦協調ブレーキによる制動時に燃料電池100が微小発電する際に燃料電池100で生成水が生じる速度の最大値や最小値等を考慮して、適宜設定すればよい。図8に示すマップでは、掃気準備フラグのオン条件とオフF条件との間にヒステリシスが設けられている。なお、図8のマップには、滞留水量の増加速度にかかわらず滞留水掃気要求フラグがオンになる条件としての、滞留水量の値も併せて示されている。
FIG. 8 is used in step S120 to determine whether or not the scavenging preparation condition is satisfied, that is, whether or not the scavenging preparation flag is turned on, using the amount of retained water and the rate of increase in the amount of retained water. It is explanatory drawing which shows an example of a map. In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the larger the amount of stagnant water and the larger the rate of increase in the amount of stagnant water, the easier it is for the scavenging preparation condition to be satisfied. Such a map shows the size of the difference between the scavenging reference threshold and the scavenging requirement threshold, and the maximum or minimum speed at which the
このような構成とすれば、掃気処理の禁止に係る判断を開始するタイミングを、より適正化することができる。例えば、滞留水量の増加速度が大きいときには、掃気準備条件が成立したという判断をより早く行なって、掃気処理の禁止に係る判断をより早く開始することができる。そのため、掃気処理の禁止に係る判断が終了する前に滞留水量が過剰となることを抑えることができる。 With such a configuration, the timing for starting the determination regarding the prohibition of the scavenging process can be more optimized. For example, when the rate of increase in the amount of retained water is large, the determination that the scavenging preparation condition is satisfied can be made earlier, and the determination regarding the prohibition of the scavenging treatment can be started earlier. Therefore, it is possible to prevent the amount of retained water from becoming excessive before the determination regarding the prohibition of scavenging treatment is completed.
C.他の実施形態:
(C1)上述した各実施形態における燃料電池車両20では、回生摩擦協調ブレーキによる制動中には、エアコンプレッサ313による空気の供給を停止すると共に、燃料電池100の上限電圧を高電位回避電圧VFCに維持して電流を掃引することによって燃料電池100を発電させているが、異なる制御を行なってもよい。例えば、回生摩擦協調ブレーキによる制動中において、燃料電池100に供給する酸化ガス量を停止することなく抑制し、且つ、燃料電池100の上限電圧を設定して電流を掃引する状態で、掃気処理を行なうならば、供給酸化ガス量の増大により燃料電池100の発電電力が増大し得る。このように、回生摩擦協調ブレーキによる制動中の掃気処理に伴って燃料電池100の発電電力が増大し得る場合には、掃気準備条件を満たしたときに掃気処理の禁止に係る判断を行なうことで、実施形態と同様の効果が得られる。
C. Other embodiments:
(C1) In the
(C2)上述した各実施形態における燃料電池車両20では、掃気制御部520は、カソード側流路において掃気処理を実行しているが、異なる構成としてもよい。すなわち、アノード側流路において掃気処理を行なうこととして、掃気準備条件を満たしたときに、アノード側流路に対する掃気処理の禁止に係る判断を行なってもよい。このとき、水素給排系200のことを、ガス供給部とも呼ぶ。掃気制御部520は、例えば、水素循環ポンプ222を駆動制御することによって、燃料電池100内に滞留した滞留水を燃料電池100外へと排出させることができる。また、インジェクタ215を駆動制御することによって、燃料電池100内に滞留した滞留水を燃料電池100外へと排出させてもよい。回生協摩擦調ブレーキによる制動時に、アノード流路側の掃気処理によって燃料電池100の発電量が増大し得る場合には、掃気準備条件を満たしたときに掃気処理の禁止に係る判断を行なうことで、実施形態と同様の効果が得られる。
(C2) In the
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present invention. For example, the technical features of the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention are for solving a part or all of the above-mentioned problems, or a part of the above-mentioned effects. Or, in order to achieve all of them, it is possible to replace or combine them as appropriate. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
20…燃料電池車両、30…燃料電池システム、40…駆動モータ、50…摩擦ブレーキ、80…ブレーキペダル、85…アクセルペダル、100…燃料電池、200…水素給排系、210…水素供給部、211…水素タンク、212…水素供給流路、213…主止弁、214…減圧弁、215…インジェクタ、220…水素循環部、221…水素循環流路、222…水素循環ポンプ、230…水素排出部、231…水素排出流路、232…排気排水弁、300…空気給排系、310…空気供給部、311…空気導入流路、312…エアフローメータ、313…エアコンプレッサ、314…分流弁、315…空気供給流路、316…空気バイパス流路、320…空気排出部、321…空気排出流路、322…調圧弁、400…電力供給系、411…昇圧コンバータ、412…インバータ、421…蓄電装置、422…昇降圧コンバータ、431…第1配線、432…第2配線、500…制御部、510…制動制御部、520…掃気制御部 20 ... Fuel cell vehicle, 30 ... Fuel cell system, 40 ... Drive motor, 50 ... Friction brake, 80 ... Brake pedal, 85 ... Accelerator pedal, 100 ... Fuel cell, 200 ... Hydrogen supply / exhaust system, 210 ... Hydrogen supply unit, 211 ... Hydrogen tank, 212 ... Hydrogen supply flow path, 213 ... Main stop valve, 214 ... Pressure reducing valve, 215 ... Injector, 220 ... Hydrogen circulation section, 221 ... Hydrogen circulation flow path, 222 ... Hydrogen circulation pump, 230 ... Hydrogen discharge Unit, 231 ... Hydrogen discharge flow path, 232 ... Exhaust drain valve, 300 ... Air supply / exhaust system, 310 ... Air supply unit, 311 ... Air introduction flow path, 312 ... Air flow meter, 313 ... Air compressor, 314 ... Divergence valve, 315 ... Air supply flow path, 316 ... Air bypass flow path, 320 ... Air discharge section, 321 ... Air discharge flow path, 322 ... Pressure regulating valve, 400 ... Power supply system, 411 ... Boost converter, 412 ... Injector, 421 ... Storage Device, 422 ... buck-boost converter, 431 ... first wiring, 432 ... second wiring, 500 ... control unit, 510 ... braking control unit, 520 ... scavenging control unit
Claims (1)
燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給部と、
前記燃料電池車両を制動する摩擦ブレーキと、
前記燃料電池車両を駆動する力行運転と、回生電力を発生して前記燃料電池車両を制動する回生運転と、を実行可能な駆動モータと、
前記燃料電池が発電した電力と、回生運転時に前記駆動モータが発生した前記回生電力と、を蓄電可能な蓄電装置と、
前記ガス供給部を駆動して、前記反応ガスを用いて前記燃料電池の内部に滞留する滞留水を前記燃料電池の外部に排出させる掃気処理の実行を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記摩擦ブレーキによる摩擦制動力と前記回生運転によって生じる回生制動力とによって前記燃料電池車両が制動中であるときに、
前記燃料電池の内部に滞留する前記滞留水の量を推定して、推定した前記滞留水の量を用いて、前記掃気処理が行なわれる前段階であることを示す掃気準備条件を満たすか否かを判断し、
前記掃気準備条件を満たすときに、前記掃気処理の実行時に前記燃料電池が発電する掃気時発電電力を含み前記燃料電池車両で発生すると予測される車両発生電力が、前記蓄電装置を充電する電力の上限として定められた許容充電電力よりも大きいときには、前記掃気処理の実行を禁止する
燃料電池車両。 It ’s a fuel cell vehicle,
With a fuel cell
A gas supply unit that supplies reaction gas to the fuel cell,
The friction brake that brakes the fuel cell vehicle and
A drive motor capable of performing power running operation for driving the fuel cell vehicle and regenerative operation for generating regenerative electric power to brake the fuel cell vehicle.
A power storage device capable of storing the electric power generated by the fuel cell and the regenerative electric power generated by the drive motor during the regenerative operation.
A control unit that drives the gas supply unit and controls the execution of a scavenging process that uses the reaction gas to discharge the accumulated water staying inside the fuel cell to the outside of the fuel cell.
With
When the fuel cell vehicle is being braked by the friction braking force generated by the friction brake and the regenerative braking force generated by the regenerative operation, the control unit is used.
Whether or not the scavenging preparation condition indicating that the scavenging treatment is in the pre-stage is satisfied by estimating the amount of the stagnant water staying inside the fuel cell and using the estimated amount of the stagnant water. Judging,
When the scavenging preparation condition is satisfied, the vehicle generated power predicted to be generated in the fuel cell vehicle including the scavenging power generated by the fuel cell when the scavenging process is executed is the power for charging the power storage device. A fuel cell vehicle that prohibits the execution of the scavenging process when it exceeds the allowable charging power set as the upper limit.
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