JP4066882B2 - 車載燃料電池発電システムの制御装置および制御方法 - Google Patents

車載燃料電池発電システムの制御装置および制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載燃料電池発電システムの制御技術に関し、特に安全性に配慮した車載燃料電池発電システムの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を搭載した車両において、車両の衝突を検知した場合に、燃料ガスの供給を停止し、電気的な接続を遮断する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、電気自動車において、衝突の回避が不可能であることを判断した場合に、ヘッドライト等の電装品用の制御用電源を遮断せずに、駆動用電源を遮断する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３５７８６３号公報
【特許文献２】
特開平６−４６５０２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、衝突検知後の対応では、種々の衝突形態を考慮すると、特許文献１の解決しようとする課題である燃料電池の劣化や破損が発生することを防ぐために、車体構造などに工夫が必要となり、コスト、重量が増すという問題がある。また特許文献２は、電気自動車において衝突予測を行い、駆動用電源を遮断する技術を開示しているが、燃料電池車は、電気自動車の安全基準に加えて高圧ガス取扱い基準も満たす必要がある。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、車載燃料電池発電システムを安全に運転することのできる制御技術を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のある態様は、車載燃料電池発電システムの制御装置に関する。この態様の車載燃料電池発電システムの制御装置は、車両の衝突可能性を予測する予測手段と、車載燃料電池発電システムを停止する停止手段と、燃料電池の発電した電力を蓄える蓄電手段と、電力を消費する負荷と、前記負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断する遮断手段と、車両の衝突を検知する検知手段とを備え、前記予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段が車載燃料電池発電システムを停止し、前記検知手段が車両の衝突を検知した場合に、前記遮断手段が、前記負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断する。
【０００７】
この態様の車載燃料電池発電システムの制御装置によると、衝突前に車載燃料電池発電システムを停止することができるため、可燃性の水素を使用することにより生じ得る不慮の事態を予め回避して、安全性の高い車載燃料電池発電システムの運転を実現することができる。また、車両の衝突を検知するまでは、負荷と蓄電手段を電気的に接続しておくことで、車載燃料電池発電システムの停止後であっても、負荷を駆動することができ、蓄電手段の電力を用いたフェールセーフ動作を保証することが可能となる。
【０００８】
この態様の車載燃料電池発電システムの制御装置は、車載燃料電池発電システムを起動する起動手段をさらに備え、予測手段が衝突可能性が高いと判断し、それから所定時間内に検知手段が衝突を検知しない場合に、起動手段が、車載燃料電池発電システムを再起動してもよい。これにより、衝突可能性が高いと判断され、車載燃料電池発電システムを事前に停止した場合であっても、衝突を回避できたときには、車載燃料電池発電システムを復帰させることが可能となる。
【０００９】
予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、停止手段は、燃料電池へのガス供給を遮断してもよい。時間遅れのある水素供給を衝突の前段階で遮断しておくことにより、衝突発生前に、燃料電池の発電を停止することが可能となる。
【００１０】
また予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、停止手段は、燃料電池の水素供給路から水素を外部に放出してもよい。水素供給源からの水素供給を停止しても、水素供給路に残留している水素が燃料電池に供給される可能性があるため、水素供給路の水素を外部に放出することで、燃料電池の発電を速やかに停止させ、また燃料電池と水素供給源との間に水素が残留することにより生じ得る不慮の事態を回避することができる。
【００１１】
予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、停止手段は、燃料電池と他の電気系統とを電気的に遮断してもよい。燃料電池と他の電気系統とを電気的に遮断することで、燃料電池の発電を停止することができる。
【００１３】
予測手段は、加速度センサを用いてもよく、この加速度センサは、他の用途と共用するものであってもよい。また予測手段は、測距センサを用いてもよい。
【００１４】
本発明の別の態様は、車載燃料電池発電システムの制御方法に関する。この態様の制御方法は、車両の衝突可能性が高い場合に、水素供給源から燃料電池への水素供給を停止するとともに、燃料電池の水素供給路から水素を外部に放出する。また、車両の衝突が検知された場合に、燃料電池の発電電力を蓄える蓄積手段と電力を消費する負荷とを電気的に遮断する。衝突可能性が高い場合に、可燃性の水素を外部に放出することにより、衝突時に水素による不慮の事態が生じる可能性を低減することができるとともに、車両の衝突を検知するまでは、負荷と蓄電手段を電気的に接続しておくことで、車載燃料電池発電システムの停止後であっても、負荷を駆動することができ、蓄電手段の電力を用いたフェールセーフ動作を保証することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを搭載した車両１の構成を示す。燃料電池発電システムは、車両１の動力源を構成する。燃料電池発電システムは、電子制御装置（以下、ＥＣＵと表記する）１０により制御される。ＥＣＵ１０は、図示のごとく単一の構成として存在してもよいが、燃料電池２０やモータ３２などの運転制御にそれぞれ特化した複数のサブＥＣＵと、複数のサブＥＣＵを統括管理するメインＥＣＵとして存在してもよい。以下では制御機能を実現する構成を、統一的にＥＣＵ１０として表現する。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えて構成される。本実施の形態において、ＥＣＵ１０は燃料電池発電システムを制御し、他の構成と協同して車載燃料電池発電システムの制御装置として機能する。
【００１６】
燃料電池（FC:Fuel Cell）２０は、水素タンク内の、または改質反応により生成される水素ガスと空気中に含まれる酸素とを電気化学反応させて発電し、車両走行時に電力をインバータ３０に供給する。燃料電池２０は、複数の単セルが積層されたスタック構造を有し、電気的には、多数の単セルが直列に配置されている。例えば固体高分子型の場合、単セルは、水素イオン伝導性の高い高分子膜を電解質膜として有し、さらに高分子膜を両側から挟み込む水素極および酸素極を有する。燃料電池２０は、燐酸型、溶融炭酸塩型など他のタイプであってもよい。酸素供給部２２は空気ブロワを用いて、酸素を含んだ空気を配管６０を通じて燃料電池２０に供給する。水素供給部２４は、改質器を用いてメタノールやガソリンから水素ガスを生成してもよく、また水素を水素吸蔵合金や高圧容器などに貯蔵しておいてもよい。水素供給部２４は、生成または貯蔵した水素を配管６２を通じて燃料電池２０に供給する。水素供給用の配管６２には、水素放出用の電磁弁５８が設けられている。本実施の形態において、燃料電池２０、酸素供給部２２および水素供給部２４や、その周辺の配管系および電気系統が、車載燃料電池発電システムを構成する。ＥＣＵ１０は、酸素供給部２２および水素供給部２４を制御して、酸素および水素の供給量を定める。
【００１７】
蓄電器２８はニッケル水素電池などの二次電池やキャパシタなどであり、ＥＣＵ１０により充放電量を監視され、ＥＣＵ１０がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を制御することにより充放電量を管理される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は直流の電圧変換器であり、蓄電器２８からの直流電圧を調整してインバータ３０に出力する機能と、燃料電池２０またはモータ３２からの直流電圧を調整して蓄電器２８に蓄電させる機能とを有する。モータ３２は、走行中、電力を消費する負荷となるが、制動時には発電機として機能する。車両走行中、蓄電器２８は、燃料電池２０と協同してインバータ３０に電力を供給する。
【００１８】
ＥＣＵ１０は、インバータ３０のスイッチングを制御して要求動力に応じた三相交流を生成し、モータ３２に供給する。モータ３２からの出力は、変速機３４およびデファレンシャルギア３６を介して駆動輪３８および４０に伝達される。なお、変速機３４は無くてもよい。
【００１９】
ＥＣＵ１０は、燃料電池２０に供給されている水素および酸素のガス量などから、燃料電池２０が発電可能な電力を設定する。この発電可能な電力を許可電力と呼ぶ。ＥＣＵ１０は、モータ３２に対して要求される要求電力と許可電力との関係から、モータ３２に供給する電力を、燃料電池２０と蓄電器２８とで分担させる。
【００２０】
車両走行時、車速センサ５０は、車両１の速度を検出し、加速度センサ５２は、車両１の加速度を検出する。例えば車両１に搭載されているＡＢＳ（Antilock Brake System）用のＧセンサを、加速度センサ５２として利用してもよい。測距センサ５４は、障害物を検出して、障害物までの距離を測定する。測距センサ５４は、前方の障害物を検出するように車両１に設けられ、進行方向である前方に位置する障害物のうち、最も近い障害物との距離を測定する。衝突センサ５６は、車両１の衝突を検知する。衝突センサ５６は、例えばエアバッグ用のＧセンサであってもよい。車速センサ５０により検出される車速、加速度センサ５２により検出される加速度、測距センサ５４により測定される距離、および衝突センサ５６により検知される衝突発生のデータは、ＥＣＵ１０に伝達される。
【００２１】
燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ２６の間は、ＦＣリレー４２および４４により接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６とインバータ３０の間は、高電圧リレー４６および４８により接続される。ＥＣＵ１０は、ＦＣリレー４２および４４と、高電圧リレー４６および４８の開閉を制御する。通常の車両走行時、ＦＣリレー４２および４４と高電圧リレー４６および４８は、それぞれ閉じた状態に制御されている。
【００２２】
本実施の形態では、ＥＣＵ１０が、車両１の衝突可能性を予測し、衝突可能性が高いと判断した場合に、燃料電池発電システムを停止する。衝突可能性が高い状況とは、衝突を避けられない状況または衝突を避けることが非常に困難な状況を意味する。車両１の衝突前に燃料電池発電システムを停止することにより、可燃性の水素を使用していることで生じ得る不慮の事態を事前に回避することが可能となる。燃料電池発電システムを搭載した車両１にとっては、内燃機関を搭載した車両や電気自動車などとは異なり、水素の取り扱いに細心の注意を払う必要がある。本実施の形態による燃料電池発電システムの制御装置によると、燃料電池発電システムの停止をいわゆるプリクラッシュ判断に基づいて行うことにより、衝突後に燃料電池発電システムを停止する場合と比べて、車両安全性を確保することができる。
【００２３】
図２は、本実施の形態に係る車載燃料電池発電システムの制御フローを示す。まずＥＣＵ１０が、衝突センサ５６の検知結果を受け取り、車両１に衝突が発生したか否かを判定する（Ｓ１０）。ＥＣＵ１０は、加速度センサ５２の検出結果を受け取り、車両１に非常に大きな減速度が生じていることを認識することで、車両１の衝突の発生を判定してもよい。なお本実施の形態における制御装置は、車両１の衝突を事前検知することができるが、Ｓ１０のステップは、不測の事態により衝突を事前検知できなかった状態を想定している。例えば、障害物が上方から落ちてきて車両１に衝突した場合や、後方監視用のセンサを搭載していない状態で他の車両により追突された場合など、衝突前にその障害物を検知できなかった場合に、Ｓ１０のステップで衝突が判定されることになる（Ｓ１０のＹ）。
【００２４】
Ｓ１０のステップにおいて、衝突していないことが判定された場合（Ｓ１０のＮ）、ＥＣＵ１０は、車両１の衝突可能性を予測する予測手段として機能して、障害物を回避可能かどうかの判定を行う（Ｓ１２）。例えばＥＣＵ１０は、車速センサ５０の検出結果から車両１の速度Ｖ[m/sec]、測距センサ５４の測定結果から障害物までの距離Ｓ[m]、および車両１の最大減速度Ａ[m/sec2]を取得して、所定の判定式により、車両１の衝突可能性を予測する。判定式（Ｖ2≧２ＡＳ）が成立する場合（Ｓ１２のＹ）、ＥＣＵ１０は車両１の衝突可能性が高いと判断し、判定式（Ｖ2≧２ＡＳ）が成立しない場合（Ｓ１２のＮ）、ＥＣＵ１０は車両１の衝突可能性が低いと判断し、Ｓ１０のステップに戻る。なお、判定式は上記したものに限らず、障害物との相対速度などを考慮したものを用いてもよい。衝突可能性を予測して、衝突前に燃料電池発電システムの運転を制御することで、可燃性の水素を発電に利用する燃料電池２０の安全性を高めることが可能となる。
【００２５】
衝突可能性が高いと判断すると（Ｓ１２のＹ）、ＥＣＵ１０は、燃料電池発電システムを停止する（Ｓ１４）。ＥＣＵ１０は、水素供給部２４を制御して、燃料電池２０への水素ガスの供給を遮断してもよい。水素供給部２４からの水素ガスの供給を遮断しても、配管６２内に水素が存在しており、燃料電池２０への水素供給はすぐには停止されないため、衝突の前段階で水素供給部２４からの水素供給を停止しておくことにより、衝突時に配管６２や燃料電池２０に存在する水素量を低減することが可能となる。
【００２６】
また、ＥＣＵ１０は電磁弁５８を制御して、ガス供給路である配管６２をパージしてもよい。すなわち、ＥＣＵ１０は電磁弁５８を開放して、配管６２に存在する水素を大気に放出する。このとき、電磁弁５８を開放するだけでもよいが、不活性ガスなどで水素を積極的に配管６２から追い出してもよい。配管６２の水素を大気に放出することで、燃料電池２０の発電を速やかに停止させ、また燃料電池２０と水素供給部２４との間に水素が残留することにより生じ得る不慮の事態を回避することができ、安全性を高めることが可能となる。
【００２７】
またＥＣＵ１０は、燃料電池２０と他の電気系統とを電気的に遮断してもよい。具体的には、ＥＣＵ１０がＦＣリレー４２および４４を開いて、燃料電池２０とＤＣ／ＤＣコンバータ２６やインバータ３０との間を電気的に遮断する。これにより、燃料電池２０の発電を停止することが可能となり、衝突の衝撃で燃料電池２０に不慮の事態が生じる可能性を低減することができる。
【００２８】
以上のように、ＥＣＵ１０は、燃料電池発電システムの停止手段として機能する。なおＥＣＵ１０は、燃料電池発電システムを停止して、燃料電池２０とモータ３２との電気的な接続は遮断するが、車両１に衝突が発生するまでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６および蓄電器２８と、モータ３２との間の電気的な接続は生かしておく。これにより車両１は、衝突するまでの間、蓄電器２８から駆動力を得ることができ、運転者に衝突回避の可能性を残すことができるとともに、フェールセーフ動作を保証することができる。
【００２９】
燃料電池発電システムを停止した後、ＥＣＵ１０は、衝突センサ５６の検知結果を受け取り、車両１に衝突が発生したか否かを判定する（Ｓ１６）。Ｓ１２のステップで、衝突可能性が高いと判断されたにもかかわらず、まだ衝突していないことが判定されると（Ｓ１６のＮ）、ＥＣＵ１０は、車両１が衝突を免れたのか否かを判定する（Ｓ１８）。このとき車速が０となっていれば（Ｓ１８のＹ）、急ブレーキをかけて車両１が停止して衝突を回避できたと判断し、ＥＣＵ１０は、水素供給部２４、電磁弁５８、ＦＣリレー４２および４４を通常の走行時の状態に速やかに復帰させて、燃料電池発電システムの起動を再開する（Ｓ２０）。
【００３０】
また、車速が０でない場合であっても、衝突可能性が高いと判断してから所定時間が経過していれば（Ｓ１８のＹ）、衝突を回避できたと判断し、ＥＣＵ１０は、燃料電池発電システムを再起動する（Ｓ２０）。この所定時間は、衝突予測時間よりも、ある程度長めに設定されることが好ましい。燃料電池発電システムの起動を再開することで、通常の走行状態に復帰することができる。
【００３１】
Ｓ１８のステップにおいて、車速が０ではなく、また所定時間も経過していない場合（Ｓ１８のＮ）、Ｓ１６のステップに戻って、衝突判定を行う（Ｓ１６）。衝突が発生した場合（Ｓ１６のＹ）、ＥＣＵ１０は、高電圧リレー４６および４８を開いて、蓄電器２８とモータ３２との電気的な接続を遮断する（Ｓ２２）。
【００３２】
なお、Ｓ１０のステップにおいて、衝突の事前検知ができずに、突然衝突した場合には（Ｓ１０のＹ）、Ｓ１４のステップと同様に、ガス供給の遮断、配管内のガス放出、ＦＣリレーカットなどの燃料電池発電システムの停止処理を行い（Ｓ２４）、また高電圧リレーカットも行って（Ｓ２２）、本制御フローを終了する。
【００３３】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。例えば、燃料電池発電システムの停止処理では、水素供給部２４からの水素供給の停止、配管６２からの水素放出、およびＦＣリレー４２および４４の遮断を同時に行ってもよいが、衝突時の水素による不慮の事態を回避するという観点から、水素供給部２４からの水素供給の停止、および配管６２からの水素放出を、ＦＣリレー４２および４４の遮断に先駆けて、優先的に行ってもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によると、車載燃料電池発電システムを安全に運転することのできる制御技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態に係る燃料電池発電システムを搭載した車両の構成を示す図である。
【図２】 実施の形態に係る車載燃料電池発電システムの制御フローチャートである。
【符号の説明】
１・・・車両、１０・・・ＥＣＵ、２０・・・燃料電池、２２・・・酸素供給部、２４・・・水素供給部、２６・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、２８・・・蓄電器、３０・・・インバータ、３２・・・モータ、３４・・・変速機、３６・・・デファレンシャルギア、３８、４０・・・駆動輪、４２、４４・・・ＦＣリレー、４６、４８・・・高電圧リレー、５０・・・車速センサ、５２・・・加速度センサ、５４・・・測距センサ、５６・・・衝突センサ、５８・・・電磁弁、６０、６２・・・配管。

Claims (9)

  1. 車載燃料電池発電システムの制御装置において、車両の衝突可能性を予測する予測手段と、車載燃料電池発電システムを停止する停止手段と、燃料電池の発電した電力を蓄える蓄電手段と、電力を消費する負荷と、前記負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断する遮断手段と、車両の衝突を検知する検知手段とを備え、
    前記予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段が車載燃料電池発電システムを停止し、
    前記検知手段が車両の衝突を検知した場合に、前記遮断手段が、前記負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断する、ことを特徴とする車載燃料電池発電システムの制御装置。
  2. 車載燃料電池発電システムを起動する起動手段をさらに備え、
    前記予測手段が衝突可能性が高いと判断し、それから所定時間内に前記検知手段が衝突を検知しない場合に、前記起動手段が、車載燃料電池発電システムを再起動することを特徴とする請求項１に記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  3. 前記予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段は、燃料電池へのガス供給を遮断することを特徴とする請求項１または２に記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  4. 前記予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段は、燃料電池の水素供給路から水素を外部に放出することを特徴とする請求項１または２に記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  5. 前記予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、前記停止手段は、燃料電池と他の電気系統とを電気的に遮断することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  6. 前記予測手段は、加速度センサを用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  7. 前記加速度センサは、他の用途と共用するものであることを特徴とする請求項６に記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  8. 前記予測手段は、測距センサを用いることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の車載燃料電池発電システムの制御装置。
  9. 車載燃料電池発電システムの制御方法において、車両の衝突可能性が高い場合に、水素供給源から燃料電池への水素供給を停止するとともに、燃料電池の水素供給路から水素を外部に放出し、車両の衝突が検知された場合に、燃料電池の発電電力を蓄える蓄積手段と電力を消費する負荷とを電気的に遮断することを特徴とする車載燃料電池発電システムの制御方法。
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