JP3876691B2 - ハイブリッド電源を搭載した移動体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動源として、主電源および補助電源からなるハイブリッド電源を搭載した移動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の駆動源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、高効率であるものの、要求される電力の変動に対する応答性が低いという短所が存在する。応答性を高めるため、燃料電池以外に補助電源を搭載し、補助電源からの電力で燃料電池の応答遅れを補償するハイブリッド電源の搭載も提案されている。このようなハイブリッド電源を搭載した車両では、故障などにより、主電源である燃料電池の出力が低下した場合でも、補助電源によってある程度は走行することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来は、補助電源による走行距離は十分とは言えなかった。主電源の出力低下時には、修理可能な場所まで車両を退避させるために、補助電源による走行距離が十分に確保されていることが好ましい。かかる課題は、燃料電池を主電源とする場合に限らず、主電源と補助電源とを併用するハイブリッド電源に共通の課題であった。また、車両に限らず、種々の移動体で共通の課題であった。
【０００４】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ハイブリッド電源を搭載した移動体において、主電源の出力低下時に補助電源による走行距離の延伸を図ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明では、第１の態様として、駆動力を出力するための電動機と、電動機に電力を供給するための燃料電池および補助電源とを備え、燃料電池の異常な出力低下が検出された場合には、補助電源の電力消費を抑制する移動体を提供する。本発明の第１の態様の移動体において、補助電源は、燃料電池用補機にも電力を供給可能であり、電力消費の抑制は、補助電源から燃料電池用補機への電力供給を低減することにより実現される。燃料電池に異常が生じた場合、燃料電池の運転を制限することが好ましいため、燃料電池用補機を動作させる必要がない。よって、補助電源から燃料電池用補機への電力供給を低減することにより、補助電源の電力消費を抑制できる。このように燃料電池の異常時に補助電源の電力消費を抑制することにより、補助電源での走行距離の延伸を図ることができる。
【０００６】
本発明において、移動体には、車両、船舶、航空機などが含まれる。燃料電池の異常は、出力または温度を監視することで検出可能である。例えば、出力値が出力要求値に満たない場合、出力値が予め設定された所定値を下回る場合、温度が予め設定された適正範囲を超える場合などに異常と判断することができる。
【０００７】
補助電源の電力消費の抑制は、種々の態様を採ることができる。例えば、以下に示す態様の一つを選択してもよいし、組み合わせて用いても良い。
【０００８】
第１の態様として、予め設定された回転数およびトルクの範囲内で運転されるよう電動機を制御するものとしてもよい。このように電動機の運転範囲を制限することにより、無条件で電動機を運転する場合に比較して、電力消費を抑制することができる。
【０００９】
このように電動機の運転範囲を制御する場合、その範囲は、補助電源が出力可能な電力の残量に応じて設定することが好ましい。こうすることで、電力の消費を抑制しつつ、残量に応じた広い運転範囲を確保することができる。
【００１２】
第２の態様として、補助電源が二次電池である場合には、補助電源から出力される電流を所定値以下に抑制するものとしてもよい。一般に二次電池では、出力電流が高くなると、電力の出力効率が低下する。従って、出力される電流に上限値を設けることにより、二次電池に残された電力を効率的に利用することが可能となる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、駆動力を出力するための電動機と、電動機に電力を供給するための主電源および補助電源とを備える移動体を提供する。本発明の第２の態様の移動体は、主電源の異常な出力低下が検出された場合、電動機における発熱量に基づいて設定されている回転数およびトルクの範囲内で運転されるよう前記電動機を制御して、補助電源の電力消費を抑制する。電動機の運転範囲は、電動機における発熱量に基づいて設定してもよい。一般に電動機は、温度の上昇に伴い運転効率が低下する。従って、電動機における発熱量を抑制することにより、運転効率の悪化を抑制し、消費電力を抑制することができる。なお、発熱量に基づいて運転範囲を設定する場合には、併せて電動機の冷却効率を考慮することが好ましい。例えば、冷却可能な熱量を発熱量が下回る場合には、電動機の温度上昇を抑制することができ、運転効率の低下を抑制することができるからである。
【００１４】
本発明における主電源は、例えば、燃料電池を用いることができる。また、本発明は、移動体の他、移動体の電源システム、移動体または電源システムの制御方法など種々の態様で構成することができる。本発明について上述した特徴点は、適宜、組み合わせたり、その一部を省略したりすることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下の順序で説明する。
Ａ．システム構成：
Ｂ．運転制御処理：
Ｂ１．モータの発熱に基づく制限：
Ｂ２．バッテリの最大電流に基づく制限：
Ｂ３．モータの運転効率に基づく制限：
Ｃ．効果：
Ｄ．変形例：
【００１６】
Ａ．システム構成：
図１は実施例としての車両の概略構成を示す説明図である。車両は、燃料電池３０を主電源、バッテリ２０を補助電源とするハイブリッド電源を搭載している。電源から供給される電力は、インバータ４０によって三層交流に変換され、モータ４１に供給される。モータ４１には、種々のタイプを適用可能であるが、本実施例では三層同期モータを適用した。モータ４１の動力は、回転軸４２を介して車輪４３Ｌ、４３Ｒに伝達され、車両を駆動する。
【００１７】
燃料電池３０は、種々のタイプを適用可能であるが、本実施例では、固体高分子膜型を用いた。燃料電池３０の水素極には、水素が水素タンク３３から供給され、酸素極には空気が供給される。水素および空気を供給するためのポンプは、補機３１に含まれている。補機３１は、燃料電池３０およびバッテリ２０の電力によって駆動される。これらの電源から出力される電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２によって電圧を下げられた上で、補機３１に供給される。なお、補機３１には、上述のポンプの他、いわゆるパワーステアリング、ブレーキを動作させるためのオイルポンプ、空調機器などが含まれる。
【００１８】
車両における各機器の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、メモリなどを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。運転制御を実行するために、制御ユニット１０には、種々の信号が入力されている。入力信号としては、例えば、バッテリ２０の残容量ＳＯＣを検出するセンサ２１の信号、車速を検出するセンサ１３の信号、燃料電池３０の温度を検出するセンサ３４の信号などが含まれる。出力信号としては、例えば、インバータ４０およびＤＣ／ＤＣコンバータ３２の動作状態を制御するための制御信号が含まれる。
【００１９】
Ｂ．運転制御処理：
図２は運転制御処理のフローチャートである。制御ユニット１０が所定のタイミングで繰り返し実行する処理である。
この処理が開始されると、制御ユニット１０は、トルク指令値、車速、およびＳＯＣを入力する（ステップＳ１０）。トルク指令値は、アクセルの踏み込み量などに対応づけて設定される。
【００２０】
次に制御ユニット１０は、燃料電池３０に異常の有無を判断する（ステップＳ１１）。異常は、例えば、燃料電池３０の温度、出力の急激な低下などに基づいて判断することができる。
【００２１】
燃料電池３０に異常がない場合には、制御ユニット１０は、指定されたトルク指令値、車速でモータ４１を駆動する（ステップＳ１６）。モータ４１は、例えば、周知のベクトル制御により制御することができる。
【００２２】
燃料電池３０に異常がある場合には、制御ユニット１０は、燃料電池３０の出力を制限する（ステップＳ１２）。出力の制限には、燃料電池３０の運転も含まれる。制御ユニット１０は、また、以下に示す２つの方法で、バッテリ２０の消費電力を抑制するための処理を行う。バッテリ２０による走行距離の延長を図り、車両の待避、修理場所への移動を可能とするためである。
【００２３】
消費電力抑制のための第１の方法として、制御ユニット１０は、補機の運転を抑制する（ステップＳ１３）。運転抑制とは、不要な補機の停止または出力低下を意味する。対象となる補機としては、空調機器、照明系統、音響系統など、車両の走行に直接影響を与えない補機が含まれる。また、燃料電池３０の運転が停止されている場合には、燃料電池３０に水素および空気を供給するための補機の運転を停止してもよい。
【００２４】
消費電力抑制のための第２の方法として、制御ユニット１０は、モータ４１の運転制限範囲を設定し（ステップＳ１４）、入力されたトルク指令値がこの範囲に収まるよう、トルク指令値に制限を施す（ステップＳ１５）。こうして制限されたトルク指令値、車速に基づいて、制御ユニット１０はモータ４１の駆動を制御する（ステップＳ１６）。
【００２５】
運転制限範囲は、モータ４１の発熱、バッテリ２０の最大電流、モータ４１の運転効率をそれぞれ考慮して設定される。ステップＳ１４では、これらの３つに基づいて設定された制限を全て満足する範囲が、運転制限範囲として設定される。
【００２６】
Ｂ１．モータの発熱に基づく制限：
図３はモータの発熱を考慮した運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。図の上方に示す通り、モータ４１の運転効率は、その温度に依存する。一般に温度が高くなるにつれて運転効率は低下し、特に高温状態では運転効率が急激に低下する（図中の領域Ａ）。従って、バッテリ２０の電力消費を抑制するためには、モータ４１の温度上昇を抑えることが好ましい。
【００２７】
図示する通り、１００％から運転効率を引いた差分は、モータ４１で発生する熱量に相当する。この熱量がモータ４１の冷却量以下である場合には、モータ４１の温度は上昇しない。モータ４１の冷却機構による冷却量を、モータ４１に供給される電力で正規化した冷却効率を図中に示した。この値は、冷却機構に応じて異なる。冷却効率と運転効率とが交差する点における温度Ｔｌｉｍが、温度上昇を招くことなくモータ４１を運転できる上限温度となる。
【００２８】
モータ４１の運転効率は、回転数ＮおよびトルクＴｒに応じて変動するから、上述の上限温度は、回転数とトルクに応じて求めることができる。こうして得られた上限温度を横軸に回転数、縦軸にトルクをとった平面にプロットし、等温度線を求めることにより、モータ４１の温度に応じた運転制限範囲を求めることができる。
【００２９】
図の下方に、この運転制限範囲を示した。曲線Ｃｌｉｍは、モータ４１の運転可能な限界を示している。曲線Ｃｔ１〜Ｃｔ３は、等温度線を示している。この順序で温度が低くなる。モータ４１の温度が比較的低い場合には、曲線Ｃｔ３内の広範囲で運転をすることができ、比較的高い場合には、曲線Ｃｔ１のように運転範囲が制限される。かかるマップを予め用意しておくことにより、制御ユニット１０は、モータ４１の温度に基づき、運転範囲を制限することができる。
【００３０】
Ｂ２．バッテリの最大電流に基づく制限：
図４はバッテリ２０の最大電流を考慮した運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。一般にバッテリ２０は、電流が大きくなる程、電圧が降下する特性を有している。大電流出力時の電圧の降下は、バッテリ２０からの電力の出力効率の低下を意味する。従って、出力される最大電流を制限することにより、バッテリ２０の消費電力を抑制することができる。
【００３１】
最大電流の制限値は、一定値とすることも可能ではあるが、本実施例では、バッテリ２０の残容量ＳＯＣに基づいて設定した。図示する通り、ＳＯＣが比較的高く余裕がある状態では、電流の制限値Ｉ１は大きい値となる。ＳＯＣが比較的小さく余裕が少ない状態では、電流の制限値Ｉ２は小さい値となる。
【００３２】
図の下方に、回転数ＮとトルクＴｒの平面での制限を示した。最大電流の制限は、バッテリ２０から出力される電力の制限に相当し、モータ４１の動力の制限に相当する。曲線Ｃｗ１、Ｃｗ２は、それぞれ最大電流Ｉ２,Ｉ２に基づく制限に対応する。車両は、これらの曲線Ｃｗ１、Ｃｗ２よりも低トルク側に運転領域が制限される。
【００３３】
Ｂ３．モータの運転効率に基づく制限：
図５はモータの運転効率に基づく運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。曲線Ｃｌｉｍは、モータ４１が運転可能な限界を示している。破線で示した曲線Ｃｅ１〜Ｃｅ３は、それぞれモータ４１の運転効率が一定の回転数ＮおよびトルクＴｒを与えている。運転効率は、曲線Ｃｅ３、Ｃｅ２、Ｃｅ１の順に高くなる。
【００３４】
各回転数Ｎにおいて、最も運転効率が高いトルクを選択すると、曲線Ａｅ１が得られる。モータ４１の運転効率を最優先する場合には、曲線Ａｅ１上のトルクで運転することが好ましい。
【００３５】
この曲線Ａｅ１に対し、所定の割合で運転効率の低下を許容することにより、曲線Ａｅ２、Ａｅ３を設定することができる。曲線Ａｅ２で挟まれた領域内で運転する場合には、曲線Ａｅ１よりもトルクの設定値に自由度がある反面、運転効率が低くなることがある。曲線Ａｅ３で挟まれた領域内で運転する場合には、トルクの設定値に自由度がある反面、更に運転効率が低くなることがある。
【００３６】
本実施例では、このように運転効率の許容範囲に応じて運転制限範囲を設定し、これをバッテリ２０のＳＯＣに応じて使い分けるものとした。ＳＯＣが比較的低い場合には、曲線Ａｅ１上など運転効率が高い領域が運転制限範囲となる。ＳＯＣが比較的高い場合には、曲線Ａｅ３など運転効率が低い領域が運転制限範囲となる。
【００３７】
Ｃ．効果：
以上で説明した本実施例の車両によれば、燃料電池３０の出力が低下した場合に、バッテリ２０の消費電力を抑制することができる。従って、バッテリ２０の残容量を有効活用することができ、車両の運搬または待避を行うことができる。
【００３８】
Ｄ．変形例：
実施例では、モータ４１の発熱、バッテリ２０の最大電流、モータ４１の運転効率を考慮して運転制限範囲を設定しているが、これら３つの要素の一部を省略しても差し支えない。
【００３９】
実施例では、バッテリ２０のＳＯＣに応じて運転制限範囲を変更しているが、ＳＯＣに依存しない設定としてもよい。
【００４０】
実施例では、燃料電池３０が主電源、バッテリ２０が補助電源の場合を例示したが、本発明は、かかる場合に限らず、２種類以上の電源を有するハイブリッド電源を搭載した移動体において、主電源に異常が生じた場合の制御処理に適用可能である。
【００４１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての車両の概略構成を示す説明図である。
【図２】運転制御処理のフローチャートである。
【図３】モータの発熱を考慮した運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。
【図４】バッテリ２０の最大電流を考慮した運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。
【図５】モータの運転効率に基づく運転制限範囲の設定方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…制御ユニット
１３…センサ
２０…バッテリ
２１…センサ
３０…燃料電池
３１…補機
３３…水素タンク
３４…センサ
４０…インバータ
４１…モータ
４２…回転軸
４３Ｌ、４３Ｒ…車輪

Claims (7)

1. 移動体であって、
   駆動力を出力するための電動機と、
   前記電動機に電力を供給するための燃料電池と、
   前記燃料電池の運転に供する燃料電池用補機と、
   前記電動機および前記燃料電池用補機に電力を供給するための補助電源と、
   前記燃料電池の異常な出力低下を検出する異常検出部と、
   前記異常が検出された場合に、前記補助電源の電力消費を抑制する抑制部と、を備え、
   前記抑制部による前記補助電源の電力消費の抑制は、少なくとも、前記補助電源から前記燃料電池用補機への電力供給の停止を含む、移動体。
2. 請求項１記載の移動体であって、
   前記抑制部は、予め設定された回転数およびトルクの範囲内で運転されるよう前記電動機を制御する移動体。
3. 請求項２記載の移動体であって、
   前記範囲は、前記補助電源が出力可能な電力の残量に応じて設定されている移動体。
4. 請求項１記載の移動体であって、
   前記補助電源は、二次電池であり、
   前記抑制部は、該補助電源から出力される電流を所定値以下に抑制する移動体。
5. 移動体であって、
   駆動力を出力するための電動機と、
   該電動機に電力を供給するための主電源および補助電源と、
   前記主電源の異常な出力低下を検出する異常検出部と、
   該異常が検出された場合に、前記補助電源の電力消費を抑制する抑制部と、を備え、
   前記抑制部は、前記電動機における発熱量に基づいて設定されている回転数およびトルクの範囲内で運転されるよう前記電動機を制御する、移動体。
6. 駆動力を出力するための電動機と、前記電動機に電力を供給するための燃料電池と、前記燃料電池の運転に供する燃料電池用補機と、前記電動機および前記燃料電池用補機に電力を供給するための補助電源とを備える移動体の運転を制御する制御方法であって、
   前記燃料電池の異常な出力低下を検出し、
   前記異常が検出された場合に、前記補助電源から前記燃料電池用補機への電力供給の停止を少なくとも含む、前記補助電源の電力消費の抑制を行う、制御方法。
7. 駆動力を出力するための電動機と、前記電動機に電力を供給するための主電源および補助電源とを備える移動体の運転を制御する制御方法であって、
   前記主電源の異常な出力低下を検出し、
   該異常が検出された場合に、前記電動機における発熱量に基づいて設定されている回転数およびトルクの範囲内で運転されるよう前記電動機を制御して前記補助電源の電力消費を抑制する、制御方法。

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