JP2021141668A - 電動車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両において、蓄電装置の充放電を停止するリレーを開状態にできない場合に蓄電装置の劣化を抑制する。【解決手段】電池ECUは、蓄電装置が異常状態であると判定される場合(S100にてYES)、SMR−OFF処理を実行するステップ(S102)と、蓄電装置50の電流が実質的にゼロであると判定される場合(S104にてYES)、バッテリレス走行の実行を要求するステップ(S106)と、蓄電装置50の電流が実質的にゼロでないと判定される場合(S104にてNO)、昇圧コンバータの停止を要求するステップ(S108)とを含む、処理を実行する。【選択図】図3
Description
本開示は、燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両の制御に関する。
燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両について、たとえば、複数の駆動機構のうちのいずれかに異常が発生した場合に、正常な駆動機構を用いて電動車両を走行させる技術が公知である。
特開2016−082842号公報(特許文献1)には、蓄電装置と燃料電池とインバータとモータジェネレータとを有する駆動機構を複数有する車両においていずれかの駆動機構に異常が生じた際、正常な駆動機構の駆動を継続させるとともに、異常が生じた駆動機構の蓄電装置の充放電経路を開閉するリレーを閉状態に保持する技術が開示される。
上述のような電動車両において、駆動機構の蓄電装置の充放電経路を開閉するリレーについては、上述のように閉状態に保持することが求められたり、充放電を停止して蓄電装置を保護するために開状態にすることが求められたりする場合がある。しかしながら、リレーを開状態にすることが求められる場合に、リレーや制御主体の不具合によって開状態にすることができないと、蓄電装置の充放電が停止できず、蓄電装置の劣化が促進される場合がある。
本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両において、蓄電装置の充放電を停止するリレーを開状態にできない場合に蓄電装置の劣化を抑制する電動車両を提供することである。
本開示のある局面に係る電動車両は、燃料電池と、燃料電池において生じる電力を昇圧するコンバータと、蓄電装置と、コンバータによって昇圧された電力および蓄電装置の電力のうちの少なくともいずれかを交流電力に変換するインバータと、インバータからの交流電力を用いて駆動するモータジェネレータと、インバータと蓄電装置との間を導通状態と遮断状態とのうちのいずれか一方から他方に切り替えるリレーと、リレーを制御する第1コントローラと、コンバータおよびインバータのうちの少なくともいずれかを制御する第2コントローラとを含む制御装置とを備える。第1コントローラは、リレーを遮断状態にする指示を出力した後にリレーが遮断状態にならない場合に、リレーの異常時に対応した情報を第2コントローラに出力する。第2コントローラは、第1コントローラから情報を受ける場合にコンバータおよびインバータのうちの少なくともいずれかを停止状態にする。
このようにすると、たとえば、リレーを遮断状態にする指示が出力された後にリレーが遮断状態にならない場合に、リレーの異常時に対応した情報が第2コントローラに出力され、第2コントローラが当該情報を受ける場合にコンバータまたはインバータが停止状態にされるため、モータジェネレータを停止状態にすることができ、蓄電装置の充放電を抑制することができる。そのため、不必要な蓄電装置の充放電が継続することに起因する蓄電装置の劣化を抑制することができる。
本開示によると、燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両において、蓄電装置の充放電を停止するリレーを開状態にできない場合に蓄電装置の劣化を抑制する電動車両を提供することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、本実施の形態に係る電動車両(以下、車両と記載する)1の構成の一例を示す図である。図1に示すように、車両1は、FC(Fuel Cell)スタック10と、昇圧コンバータ20と、インバータ30と、モータジェネレータ(以下、MGと記載する)40と、蓄電装置50と、SMR(System Main Relay)60と、伝達ギヤ70と、駆動輪80と、制御装置100とを備える。
FCスタック10は、たとえば、固体高分子形のセルが複数(たとえば、数十〜数百)直列に積層された構造体によって構成される燃料電池である。各セルは、たとえば、電解質膜の両面に触媒電極を接合し、それを導電性のセパレータで挟み込むことによって構成され、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素(空気)とが電気化学反応を起こすことで発電する。FCスタック10には、水素タンク(図示せず)から水素が供給されるとともに、コンプレッサ(図示せず)から空気が供給される。
昇圧コンバータ20は、制御装置100(具体的には、後述するFDC−ECU(Electronic Control Unit))からの制御信号に基づいて、FCスタック10において発電された電力を目標電圧(たとえば、数百V)まで昇圧してインバータ30へ出力する。
インバータ30は、たとえば、三相分のスイッチング素子を含むブリッジ回路によって構成される。インバータ30は、制御装置100(具体的には、後述するMG−ECU)からの制御信号に基づいてMG40を駆動する。インバータ30は、たとえば、三相分のスイッチング素子を含む。
MG40は、交流回転電機であり、たとえば、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。MG40は、たとえば、駆動源としての機能を有する。すなわち、MG40は、インバータ30により駆動されて回転駆動力を発生する。MG40において発生した回転駆動力は、伝達ギヤ70を経由して駆動輪80に伝達され、車両1を走行させる。さらに、MG40は、ジェネレータとしての機能を有する。MG40において発電された電力は、インバータ30により整流されて蓄電装置50に蓄えることができる。
蓄電装置50は、充放電可能に構成される。蓄電装置50は、たとえば、複数の電池セル(たとえば、数百セル)から構成される組電池を含む。各電池セルは、たとえば、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池である。
なお、リチウムイオン二次電池は、リチウムを電荷担体とする二次電池であり、電解質が液体の一般的なリチウムイオン二次電池のほか、固体の電解質を用いた、いわゆる、全固体電池も含み得る。蓄電装置50は、二次電池に代えて、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を用いてもよい。
蓄電装置50は、MG40を駆動するための電力を蓄えており、インバータ30へ電力を供給する。また、蓄電装置50は、車両1の制動時等にMG40により発電される電力を蓄えるエネルギバッファとして機能することができる。蓄電装置50は、SMR60を介してインバータ30に接続される。
SMR60は、インバータ30と、蓄電装置50との間に設けられ、車両1がIG−ON状態(すなわち、システム起動状態)であって、かつ、走行可能な状態になるときに(すなわち、Ready−On状態になるときに)、制御装置100(具体的には、後述するHV−ECU)からの制御信号に基づいて導通状態になるように制御される。また、SMR60は、車両1がIG−OFF状態であるか、あるいは、走行不可能な状態になるときに(すなわち、Ready−Off状態になるときに)、制御装置100からの制御信号に基づいて遮断状態になるように制御される。
制御装置100は、昇圧コンバータ20の動作と、インバータ30の動作と、SMR60の動作とを制御する。制御装置100は、たとえば、複数のECUによって構成される。
図2は、本実施の形態において制御装置100の構成の一例を示す図である。図2に示すように、制御装置100は、通信バス101と、HV−ECU102と、FDC−ECU104と、MG−ECU106と、電池ECU108とを含む。
HV−ECU102、FDC−ECU104、MG−ECU106および電池ECU108の各々は、CPU(Central Processing Unit)と、メモリ(ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory))とを含んで構成される(いずれも図示せず)。CPUは、ROMに格納されているプログラムをRAM等に展開して実行する。ROMに格納されているプログラムには、対応のECUにより実行される処理が記述されている。
HV−ECU102、FDC−ECU104、および、HV−ECU102の各々は、通信バス101に接続される。そのため、HV−ECU102、FDC−ECU104、および、HV−ECU102の各々は、通信バス101を介してMG−ECU106を除く他のECUと直接通信が可能に構成される。HV−ECU102と、MG−ECU106とは、互いに通信可能に構成される。
HV−ECU102は、車両1に要求される要求パワーを設定したり、蓄電装置50の充放電の要求量を設定したりする。
HV−ECU102は、たとえば、図示しないアクセルペダルの踏み込み量やブレーキペダルの踏み込み量や車速等に基づいて要求パワーを設定する。また、HV−ECU102は、たとえば、蓄電装置50のSOC(State Of Charge)に基づいて蓄電装置50の充放電の要求量を設定する。
HV−ECU102は、たとえば、蓄電装置50のSOC現在値がしきい値(たとえば、SOCの制御中心)よりも大きい場合には放電を要求し、現在値がしきい値よりも小さい場合には充電を要求する。HV−ECU102は、蓄電装置50のSOCの現在値としきい値との差の大きさが大きくなるほど放電量や充電量が大きくなるように充放電の要求量を設定する。
なお、蓄電装置50のSOCの算出方法としては、たとえば、OCV(Open Circuit Voltage)とSOCとの関係を示すOCV−SOCカーブ(マップ等)を用いた手法や、蓄電装置50に対して入出力される電流の積算値を用いた手法等、公知の各種手法を用いることができる。
さらに、HV−ECU102は、電池ECU108からの制御指令に基づいてSMR60の状態を導通状態と遮断状態との間で切り替える。
FDC−ECU104は、FCスタック10における発電量を制御する。FDC−ECU104は、FCスタック10において生じる電流値が目標値になるようにバルブ等を用いて水素タンクから供給される水素の量を調整したり、コンプレッサから供給される空気の量を調整したりする。さらに、FDC−ECU104は、昇圧コンバータ20から出力される電力が目標電力になるように昇圧コンバータ20を制御する。FDC−ECU104は、たとえば、要求パワーおよび蓄電装置50の充放電の要求量に基づいて電流値のも目標値や目標電力を設定する。
MG−ECU106は、HV−ECU102から受けた要求パワーに基づいてMG40を駆動するための信号を生成してインバータ30へ出力する。
電池ECU108は、蓄電装置50の電圧、電流、温度等を監視する。蓄電装置50の電圧、電流、温度等は、図示しない各種センサによって検出される。そして、電池ECU108は、蓄電装置50の電圧、電流、温度等の検出値に基づいて蓄電装置50のSOCを算出する。算出されたSOCの値は、HV−ECU102へ送信される。なお、SOCの算出は、蓄電装置50の電圧、電流、温度等の検出値に基づいて、HV−ECU102で行なわれてもよい。
さらに、電池ECU108は、車両1がIG−ON状態であって、かつ、Ready−On状態になるときに、SMR60が導通状態になるようにHV−ECU102に制御指令を出力する。また、電池ECU108は、車両1がIG−OFF状態になるか、あるいは、Ready−OFF状態になるときに、SMR60が遮断状態になるようにHV−ECU102に制御指令を出力する。
なお、蓄電装置50が異常状態(たとえば、過放電状態、過充電状態、或いは上限温度を超える高温状態等)であるときは、電池ECU108が、SMR60が遮断状態になるようにSMR60を制御してもよい。
この車両1では、要求パワーと昇圧コンバータ20の出力との差によって蓄電装置50の充放電量が決まるため、要求パワーに基づいて昇圧コンバータ20の出力がFDC−ECU104により制御されることにより、蓄電装置50の充放電やSOCが制御される。
以上のような構成を有する車両1の運転中において、SMR60がオン状態(閉状態)で保持されている場合において、蓄電装置50の保護が要求されると、充放電を停止するためにSMR60をオフ状態(開状態)にすることが求められる場合がある。
たとえば、蓄電装置50の温度がしきい値よりも高い高温状態である場合に、蓄電装置50の保護が要求される。このようなとき、SMR60の固着などの不具合によってオフ状態(開状態)にすることができないと、蓄電装置50の充放電を停止することができず、蓄電装置50が過充電となったり、蓄電装置50の劣化が促進されたりする場合がある。
そこで、本実施の形態においては、電池ECU108は、SMR60を遮断状態にする指示を出力した後にSMR60が遮断状態にならない場合に、SMR60の異常時に対応した情報をFDC−ECU104に出力するものとする。さらに、FDC−ECU104は、電池ECU108から当該情報を受ける場合に昇圧コンバータ20を停止状態にするものとする。
このようにすると、昇圧コンバータ20を停止状態にすることにより、蓄電装置50の充放電を抑制することができるため、不必要な蓄電装置50の充放電が継続することに起因する蓄電装置50の過充電や劣化を抑制することができる。
以下、図3を参照して、電池ECU108で実行される処理の一例を説明する。図3は、電池ECU108で実行される処理の一例を示すフローチャートである。電池ECU108は、図3のフローチャートに示される処理を予め定められた制御周期毎に実行する。
ステップ(以下、ステップをSと記載する)100にて、電池ECU108は、蓄電装置50が異常状態であるか否かを判定する。
電池ECU108は、たとえば、蓄電装置50が過放電状態である場合に蓄電装置50が異常状態であると判定する。電池ECU108は、たとえば、蓄電装置50のSOCまたは電圧が所定の下限値以下になる場合に蓄電装置50が過放電状態であると判定する。
さらに電池ECU108は、たとえば、蓄電装置50が過充電状態である場合に蓄電装置50が異常状態であると判定する。電池ECU108は、たとえば、蓄電装置50のSOCまたは電圧が所定の上限値以上である場合に蓄電装置50が過充電状態であると判定する。
さらに電池ECU108は、たとえば、蓄電装置50の温度が所定の上限値以上の高温状態である場合に蓄電装置50が異常状態であると判定する。蓄電装置50が異常状態であると判定される場合(S100にてYES)、処理はS102に移される。
S102にて、電池ECU108は、SMR−OFF処理を実行する。具体的には、電池ECU108は、SMR60が遮断状態になるようにHV−ECU102に制御指令を出力する。なお、HV−ECU102は、たとえば、電池ECU108からSMR−OFF処理の実行要求を示す信号を受信する場合に、遮断状態になるようにSMR60を動作させる。
S104にて、電池ECU108は、蓄電装置50に流れる電流が実質的にゼロであるか否かを判定する。電池ECU108は、SMR60を遮断状態にする制御指令を出力した後に蓄電装置50に流れる電流が実質的にゼロになるか否かによってSMR60が遮断状態であるか否かを判定する。電池ECU108は、たとえば、電流の大きさがしきい値以下である場合に実質的にゼロである(すなわち、SMR60が遮断状態である)と判定する。一方、電池ECU108は、たとえば、電流の大きさがしきい値よりも大きい場合に実質的にゼロでない(すなわち、SMR60が遮断状態でない)と判定する。蓄電装置50に流れる電流が実質的にゼロであると判定される場合(S104にてYES)、処理はS106に移される。
S106にて、電池ECU108は、バッテリレス走行の実行要求を示す信号をHV−ECU102に送信する。なお、HV−ECU102は、たとえば、電池ECU108からバッテリレス走行の実行要求を示す信号を受信する場合に、蓄電装置50の充放電の要求量をゼロに設定する。この場合、バッテリレス走行時における回生電力等は、ヒータ等の車両1の補機において消費される。
一方、蓄電装置50に流れる電流が実質的にゼロでない場合と判定される場合(S104にてNO)、処理はS108に移される。
S108にて、電池ECU108は、昇圧コンバータ20を停止状態にする要求を示す信号をFDC−ECU104に送信する。なお、蓄電装置50が異常状態でないと判定される場合(S100にてNO)、この処理は終了される。
次に、図4を参照して、FDC−ECU104で実行される処理の一例を説明する。図4は、FDC−ECU104で実行される処理の一例を示すフローチャートである。FDC−ECU104は、図4のフローチャートに示される処理を予め定められた制御周期毎に実行する。
S200にて、FDC−ECU104は、電池ECU108から昇圧コンバータ20の停止要求を受信するか否かを判定する。電池ECU108から昇圧コンバータ20の停止要求を受信すると判定される場合(S200にてYES)、処理はS202に移される。
S202にて、FDC−ECU104は、インバータ30を停止状態にする要求を示す信号をHV−ECU102を経由してMG−ECU106に送信する。なお、MG−ECU106は、たとえば、FDC−ECU104からHV−ECU102を経由してインバータ30を停止状態にする要求を示す信号を受信する場合、停止状態になるようにインバータ30を制御する。MG−ECU106は、たとえば、インバータ30に含まれる複数のスイッチング素子の各々を遮断状態にする。
なお、インバータ30への停止指令は、MG−ECU106を経由することなく、FDC−ECU104からHV−ECU102を経由してインバータ30へジカ線を通じて送信されるようにしてもよい。この場合、MG−ECU106へは、インバータ30へ停止指令が送信されたことが通知されるようにしてもよい。
S204にて、FDC−ECU104は、停止状態になるように昇圧コンバータ20を制御する。FDC−ECU104は、たとえば、昇圧コンバータ20に含まれる複数のスイッチング素子の各々を遮断状態にする。なお、電池ECU108から昇圧コンバータ20の停止要求を受信しないと判定される場合(S200にてNO)、この処理は終了される。
以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係る電動車両である車両1の動作について説明する。
たとえば、SMR60がオン状態であって、昇圧コンバータ20から出力される電力と、蓄電装置50から出力される電力とがインバータ30を経由してMG40に供給されることによって、車両1が走行している場合を想定する。
蓄電装置50のSOCが所定の下限値以下の過放電状態となり、蓄電装置50が異常状態であると判定されると(S100にてYES)、電池ECU108は、SMR60が遮断状態になるようにSMR−OFF処理を実行する(S102)。
このとき、SMR−OFF処理の実行指令に従ってSMR60が遮断状態になると、蓄電装置50とインバータ30との間の電流が遮断されるため、電流が実質的にゼロになる(S104にてYES)。そのため、電池ECU108からバッテリレス走行の実行要求を示す信号がHV−ECU102に対して送信される(S106)。HV−ECU102は、バッテリレス走行の実行要求に従って充放電の要求量をゼロとして設定する。FDC−ECU104は、要求される走行パワーに相当する電力が出力されるように昇圧コンバータ20を制御する。
一方、SMR60のオン状態での固着や、HV−ECU102の不具合等により電池ECU108からSMR−OFF処理の実行指令が出力されたにもかかわらずSMR60のオン状態が維持される場合がある。この場合、蓄電装置50とインバータ30との間の電流の流れが許容されるため、電流が実質的にゼロにならない(S104にてNO)。そのため、昇圧コンバータ20を停止状態にする要求を示す信号がFDC−ECU104に送信される(S108)。
FDC−ECU104は、昇圧コンバータ20の停止要求を受信すると(S200にてYES)、インバータ30を停止状態にする要求を示す信号をHV−ECU102に送信する(S202)。そのため、インバータ30が停止状態になることによってMG40の駆動が停止される。さらに、停止状態になるように昇圧コンバータ20が制御されるので(S204)、蓄電装置50の充放電が抑制される。その結果、蓄電装置50が異常状態のまま充放電が継続されることによる蓄電装置50の過充電や劣化の促進が抑制される。なお、インバータ30が停止状態になると、車両1は、惰性走行を継続した後に停止状態になる。
以上のようにして、本実施の形態に係る車両1によると、SMR60を遮断状態にする制御指令が出力された後にSMR60が遮断状態にならない場合に、SMR60の異常時に対応した情報(具体的には、昇圧コンバータ20の停止要求)がFDC−ECU104に出力され、FDC−ECU104が当該情報を受ける場合に昇圧コンバータ20およびインバータ30が停止状態にされるため、MG40を停止状態にすることができ、蓄電装置50の充放電を抑制することができる。そのため、不必要な蓄電装置50の充放電が継続することに起因する蓄電装置50の過充電や劣化を抑制することができる。したがって、燃料電池と蓄電装置とを搭載する電動車両において、蓄電装置の充放電を停止するリレーを開状態にできない場合に蓄電装置の過充電や劣化を抑制する電動車両を提供することができる。
以下、変形例について記載する。
上述の実施の形態では、蓄電装置50の電流が実質的にゼロであるか否かが電池ECU108によって判定されるものとして説明したが、電池ECU108に加えてまたは代えて電池ECU108から電流の検出値を取得したHV−ECU102によって判定されるものとしてもよい。
さらに上述の実施の形態では、電池ECU108がFDC−ECU104に対してインバータ30を停止状態にする要求をし、FDC−ECU104がHV−ECU102を介してMG−ECU106に対してインバータ30を停止状態にする要求をするとともに昇圧コンバータ20を停止するものとして説明したが、たとえば、電池ECU108がHV−ECU102を介してMG−ECU106に対してインバータ30を停止状態にする要求をするとともに、FDC−ECU104に対して昇圧コンバータ20の停止を要求してもよい。あるいは、電池ECU108がHV−ECU102に対してインバータ30を停止状態にする要求をし、HV−ECU102がMG−ECU106に対してインバータ30を停止状態にする要求をするとともにFDC−ECU104に対して昇圧コンバータ20の停止を要求してもよい。
さらに上述の実施の形態では、SMR−OFF処理の実行指令が出力されたにも関わらず、蓄電装置50の電流が実質的にゼロでない場合に、昇圧コンバータ20およびインバータ30の各々を停止状態にするものとして説明したが、昇圧コンバータ20およびインバータ30のうちの少なくともいずれかであればよく、昇圧コンバータ20のみを停止状態にしてもよいし、インバータ30のみを停止状態にしてもよい。たとえば、昇圧コンバータ20のみを停止状態にする場合には、昇圧コンバータ20からインバータ30への電力の供給が遮断されるため、MG40の駆動を停止させ、蓄電装置50の充放電を抑制することができる。また、インバータ30のみを停止状態にする場合には、インバータ30からMG40への電力の供給が遮断されるため、MG40の駆動を停止させ、蓄電装置50の充放電を抑制することができる。
さらに上述の実施の形態では、MG−ECU106は、HV−ECU102とのみ通信可能に接続されるものとして説明したが、通信バス101に接続され、他のECUと直接通信可能に構成されてもよい。
なお、上記した変形例は、その全部または一部を適宜組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 車両、10 FCスタック、20 昇圧コンバータ、30 インバータ、40 MG、50 蓄電装置、60 SMR、70 伝達ギヤ、80 駆動輪、100 制御装置、101 通信バス、102 HV−ECU、104 FDC−ECU、106 MG−ECU、108 電池ECU。
Claims (1)
- 燃料電池と、
前記燃料電池において生じる電力を昇圧するコンバータと、
蓄電装置と、
前記コンバータによって昇圧された電力および前記蓄電装置の電力のうちの少なくともいずれかを交流電力に変換するインバータと、
前記インバータからの前記交流電力を用いて駆動するモータジェネレータと、
前記インバータと前記蓄電装置との間を導通状態と遮断状態とのうちのいずれか一方から他方に切り替えるリレーと、
前記リレーを制御する第1コントローラと、前記コンバータおよび前記インバータのうちの少なくともいずれかを制御する第2コントローラとを含む制御装置とを備え、
前記第1コントローラは、前記リレーを前記遮断状態にする指示が出力された後に前記リレーが前記遮断状態にならない場合に、前記リレーの異常時に対応した情報を前記第2コントローラに出力し、
前記第2コントローラは、前記第1コントローラから前記情報を受ける場合に前記コンバータおよび前記インバータのうちの少なくともいずれかを停止状態にする、電動車両。
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2020
- 2020-03-03 JP JP2020035942A patent/JP2021141668A/ja active Pending
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