JP4123691B2 - Mobile body having a hybrid drive source using a fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および蓄電器を電源とする電動発電機と熱機関とを駆動源として移動する移動体に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃料電池を電源とする電動発電機によって走行する車両が提案されている。燃料電池とは、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置をいう。燃料電池から排出されるのは主として水蒸気であり、有害な成分が含まれないため、環境性に非常に優れるという利点がある。
【0003】
燃料電池の他に蓄電器を電源として備えるとともに、駆動源として熱機関をも併用する車両も提案されている。かかる車両は、特性の異なる駆動源を2種類備えることにより、両者の長所を組み合わせて効率的な運転を実現することができる利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
電力または機械的動力を出力するエネルギ出力源として、燃料電池、蓄電器、熱機関の3種類が備えられている場合において、これらの効率的な使い分けについては従来、十分に検討されていなかった。蓄電器のみを電源とする電動発電機と熱機関の使い分けについては、若干の検討はなされていたものの、2種類の電源の使い分けを伴う場合については、ほとんど検討されていなかった。かかる課題は、車両のみならず船舶、航空機などの移動体に共通して生じ得る状態にあった。
【0005】
本発明は、燃料電池、蓄電器、熱機関を備える移動体に対し、これらの使い分けにより、運転効率、応答性などの向上を図ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明は燃料電池および蓄電器を電源とする電動発電機と熱機関とを駆動源として移動する移動体において、
前記電源として前記蓄電器を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第1制御手段と、
前記電源として前記燃料電池を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第2制御手段と、
所定の切替条件に基づいて、第1制御手段と第2制御手段とを切り替えて使用する切替制御手段とを備えるものとした。ここでいう移動体には、例えば、車両、航空機、船舶が含まれる。蓄電器には、二次電池、キャパシタなど電力の重放電可能な種々の機構が含まれる。第1制御手段と第2制御手段は、個別の回路として構成してもよいし、単一の制御ユニット内にソフトウェア的に2つの機能を構築してもよい。
【0007】
かかる構成では、蓄電器を優先使用する制御モードと、燃料電池を優先使用する制御モードとを使い分けることによって効率的な運転を実現することができる。燃料電池は、運転効率が高い反面、燃料消費後は、再補給しなければ発電できない、応答性が低いなどの特性を有する。蓄電器はその逆の特性を有する。従って、移動体の状況によって、燃料電池を電源として使用した方が有利な場合と、蓄電器を使用した方が有利な場合とがある。本発明のハイブリッド車両は、かかる観点から、上述の2つの制御モードを使い分けることによって、運転効率の向上を図ることができる。
【0008】
本発明の方法と異なり、動力源、即ち電動発電機と熱機関、と電動機との切替条件に関与する全てのパラメータを用いて、単一の制御モードで燃料電池、蓄電器、熱機関の使い分けを実現することは可能ではある。但し、この方法では、エネルギ出力源の選択処理が非常に複雑になる。本発明では、電源の選択を制御モードの切り替えという形で行うことによって、換言すれば、電源の選択と動力源の選択とを分けて処理することによって、制御処理の簡素化を図ることができる。本発明によれば、電源の切り替え判断と、動力源の切り替え判断とを異なる周期で行うことも可能であるため、処理負担の極端な増大を招くことなく、動力源の切り替え判断の頻度を高めることが可能である。
【0009】
ここで、「優先使用」とは、蓄電器または燃料電池の一方から主として電力を出力することを意味しており、いずれか一方のみを電源として使用する態様に限定されない。例えば、要求された電力の半分以上をいずれか一方の電源から出力し、残余を他方の電源で補償する態様が含まれる。また、一方の電源から要求電力を全て出力し得ない時にのみ、他方の電源で電力を補償する態様も含まれる。
【0010】
なお、電動機と熱機関は、種々の条件に応じて使い分けることが可能である。一例として、移動体の移動速度、要求動力に応じて使い分けるものことができる。電動機は、騒音、環境性の面で熱機関よりも優れる特性を有している点に着目し、これらの要請に応じて使い分けるものとしてもよい。更に、移動体の運転に使用される操作部の操作状態に応じて使い分けるものとしてもよい。蓄電器の蓄電状況や燃料電池用の燃料(以下、「FC燃料」と呼ぶ)の残量に基づいて使い分けるものとしてもよい。運転時の違和感を回避する観点からは、電動機と熱機関の使い分けに関する条件は、電源に依らず一定とすることが好ましいが、制御モードごとに異なる条件を適用してもよい。
【0011】
本発明における制御モードの切り替えは、例えば次の条件によって行うことができる。
【0012】
第1態様として、移動体の運動状態を検出する運動状態検出手段を備える場合には、その運動状態に基づいて定まる条件で切り替えることができる。運動状態とは、移動体の速度、運動エネルギが含まれる。電動機の電源に要求される電力は、移動体の運動状態と密接な関係にあるため、これを用いることにより、電力の要求に沿った切り替えを実現することができる。
【0013】
第2態様として、電動発電機により回生が生じる確率を予測する回生予測手段を備える場合には、その確率が所定値以上となる運動状態にある場合に、第1制御手段を使用するように切り替えることができる。回生の確率が高い場合には、予め蓄電器を電源として使用しておくことにより、回生された電力を速やかに蓄積することができる。ここで、回生の確率は定量的に行われる必要はない。大中小などの段階的な予測であっても構わない。かかる予測は、例えば、移動体の運転に使用される操作部の操作状態に基づき行うことができる。車両については、例えば、アクセル開度が全閉となった場合に回生確率が高いと判断できる。
【0014】
また、移動体の移動速度を検出する速度検出手段を備える場合には、移動速度に基づいて回生の予測を行ってもよい。移動速度が高い場合には、その後、減速が要求される可能性が高いため、回生の確率が高いといえる。
【0015】
移動体が車両である場合に、ナビゲーションシステムによって将来的な走行経路が既知のときは、経路の勾配に基づいて回生確率を予測してもよい。例えば、経路が降坂路となっているときは、回生確率が高いと予測することができる。また、出力された動力と車両の加速度との比較等に基づいて降坂路か否かを判定し、降坂路の場合には回生確率が高いと予測してもよい。
【0016】
第3態様として、燃料電池の電力出力効率に関与するパラメータを検出する第1検出手段と、蓄電器の電力出力効率に関与するパラメータを検出する第2検出手段とを備える場合には、燃料電池と蓄電器による電力の出力効率の比較によって切り替えることができる。こうすることにより、高効率な運転を実現できる。電力の出力効率は、燃料電池、蓄電器の温度や要求電力などのパラメータに応じて変動する。切り替えは、例えば、これらのパラメータと電力出力効率との関係を予め関数またはマップとして記憶し、それを参照することによって効率を逐次求め、より効率の高い側の電源を選択する方法により実現できる。また、パラメータに応じて効率が高い電源を特定するフラグを与えるマップを用意し、それを参照することによって使い分けるものとしてもよい。
【0017】
第4態様として、要求電力の変動を検出する変動検出手段を備える場合には、変動と前記燃料電池の応答性との比較に基づいて切り替えることができる。一般に燃料電池は蓄電器よりも応答性が低いため、要求電力の変動が激しい場合には追随できない可能性もある。従って、要求電力の変動が比較的小さい状況下で燃料電池を使用することにより、要求電力の応答性に即した電力供給を実現できる。燃料電池の応答性は、温度、要求電力など種々のパラメータによって変動するため、上記切り替え条件は、これらのパラメータに応じて変動させてもよい。
【0018】
第1〜第4態様で示した種々の条件は、組み合わせて適用するものとしてもよい。本発明は、上述した移動体としての構成の他、移動体の制御方法、駆動源の選択方法など種々の態様で構成可能である。
【0019】
また、本発明は、先に説明した第1制御手段、第2制御手段、切替手段の機能を統合し、電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する際に、前記電源として前記蓄電器と燃料電池の使用優先度を判断するとともに、該判断に基づき前記電源および駆動源の使い分けを行う制御手段を備えるものとしてもよい。この場合においても、第1〜第4態様で示した種々の条件を適用可能であることは言うまでもない。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、ハイブリッド車両に適用した実施例を、以下の項目に分けて説明する。
A.装置の構成:
B.一般的動作:
C.運転制御:
C1.制御モード切替処理:
C2.駆動制御処理:
D.第2実施例:
【0021】
A.装置の構成:
図1は実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。本実施例のハイブリッド車両の動力源は、エンジン10とモータ20である。図示する通り、本実施例のハイブリッド車両の動力系統は、上流側からエンジン10、入力クラッチ18、モータ20、トルクコンバータ30、および変速機100を直列に結合して構成されている。変速機100の出力軸15はディファレンシャルギヤ16を介して車軸17に結合されている。入力クラッチ18は、エンジン10のクランクシャフト12とモータ20間の動力の伝達を断続する機構である。
【0022】
エンジン10は種々の熱機関を適用できる。本実施例では通常のガソリンエンジンとした。モータ20は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できる。本実施例では、三相の同期モータを用いた。トランジスタインバータとして構成された駆動回路52で生成される三相交流によってモータ20は回転する。モータ20の電源としては、バッテリ50と燃料電池54とが備えられている。モータ20は、外力で強制的に回転させられることによって発電機としても機能する。
【0023】
トルクコンバータ30はいわゆる流体継手である。変速機100は、前進5段、後進1段の有段変速機を用いた。変速機100の変速段の切り替えは、油圧制御部104がポンプ102から変速機100への油圧系統を切り替えることにより実現される。なお、運転者がシフトレバーを操作することによって変速段の切り替え範囲を調整することができる。シフトレバーは、パーキング(P)、リバース(R)、ニュートラル(N)、ドライブポジション(D)、および4ポジション〜Lポジションの各ポジションを選択可能である。変速段は、各シフトポジションに応じて予め設定された範囲で行われる。
【0024】
車軸17への動力伝達系統の他に、エンジン10には補機駆動装置82が結合されている。補機には、エアコンのコンプレッサやパワーステアリング用のポンプ、燃料電池54の冷却用のポンプなどが含まれる。ここでは、エンジン10の動力を利用して駆動される補機類をまとめて補機駆動装置82として示した。補機駆動装置82は、具体的にはエンジン10のクランクシャフトに補機クラッチ19を介して設けられたプーリにベルトを介して結合されており、クランクシャフトの回転動力によって駆動される。
【0025】
補機駆動装置82には、補機駆動用モータ80も結合されている。補機駆動用モータ80は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できる。本実施例では、三相同期モータとした。補機駆動用モータ80は、トランジスタインバータとして構成された駆動回路56で、バッテリ50および燃料電池54を電源として生成された三相交流により回転する。エンジン10が運転を停止している時は、補機駆動用モータ80により、補機駆動装置82を駆動することができる。このときは、負荷軽減のため、クラッチ19が解放される。補機駆動用モータ80は、エンジン10の動力によって発電する発電機としても機能する。こうして発電された電力は、バッテリ50に充電することができる。
【0026】
駆動回路52、56と各電源との間には、接続状態を3カ所に切り替え可能な切替スイッチ51,55が設けられている。切替スイッチ55の動作により、燃料電池54は、駆動回路56に接続された状態(図中の回路a)、駆動回路52に接続された状態(図中の回路b)、バッテリ50に接続された状態(図中の回路c)の3通りの接続状態を実現することができる。同様に、切替スイッチ51の動作により、バッテリ50は、選択先を駆動回路56、駆動回路52、燃料電池54の3通りに切り替えることができる。
【0027】
上述した各ユニットの動作は、制御ユニット70により制御される。制御ユニットは、内部にCPU、メモリ等を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット70には、制御の実行上必要となる種々の信号が入力される。入力される信号としては、燃料電池54用の燃料タンクFCのFC燃料残量を検出する残量センサ76、車速センサ78、燃料電池54の温度センサ54s、バッテリ50の残容量センサ50sなどが挙げられる。その他アクセルペダル、ブレーキペダル、シフトレバー、パーキングブレーキなどの操作状態など種々のセンサからの信号が制御ユニット70に入力されるが、ここでは図示を省略した。
【0028】
制御ユニット70には、制御を実現するための種々の機能ブロックが用意されている。図1中には、本実施例に特徴的な機能ブロックとして、BT優先制御部71とFC優先制御部72を示した。BT優先制御部71は、バッテリ50の電源を優先使用する制御モードで、エンジン10とモータ20とを駆動制御する。FC優先制御部72は、燃料電池54を優先使用する制御モードで、エンジン10とモータ20とを駆動制御する。制御ユニット70は、これらの機能ブロックを使い分けながら、運転制御を行う。本実施例では、これらの機能ブロックは、ソフトウェア的に構成されているが、もちろん、ハードウェア的に構築しても構わない。
【0029】
B.一般的動作:
本実施例のハイブリッド車両は、車速およびトルクに応じて2つの動力源、即ちエンジン10とモータ20を使い分けて走行する。両者の使い分けは予めマップとして設定され、制御ユニット70内のROMに記憶されている。
【0030】
図2は車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。図中の領域MGはモータ20とエンジン10とを使い分けて走行する領域である。領域MGの外側の領域、即ちEG領域は、エンジン10を動力源として走行する領域である。本実施例の車両は、エンジン10とモータ20の双方を動力源として走行することも可能ではあるが、かかる運転モードは原則的には使用しないものとした。
【0031】
MG領域でモータ20が動力源として選択されると、ハイブリッド車両は、入力クラッチ18をオフにしてモータ20の動力により発進する。車速およびアクセル開度が、領域MGと領域EGの境界近傍の走行状態に達すると、制御ユニット70は、入力クラッチ18をオンにするとともに、エンジン10を始動する。その後は、エンジン10のみを動力源として走行する。エンジン走行中は、モータ20は単に空回りした状態となる。
【0032】
制御ユニット70は、動力源の使い分けとともに、変速段の切り替え制御も行う。変速段の切り替えは、車両の走行状態に予め設定されたマップに基づいてなされる。図2にはDポジションにおけるマップを示した。図示するように制御ユニット70は、車速が増すにつれて変速比が小さくなるように変速段の切り替えを実行する。
【0033】
なお、本実施例のハイブリッド車両は、制動時にモータ20を発電機として機能させることによって、車両の運動エネルギを電気エネルギとして回生することができる。回収された電気エネルギは、バッテリ50に充電される。
【0034】
C.運転制御:
動力源および電源の使い分けは以下に示す制御処理によって実現される。図3は運転制御処理ルーチンのフローチャートである。制御ユニット70内のCPUが繰り返し実行する処理である。図示する通り、CPUはまず制御モード切替処理を実行し(ステップS10)、その結果を受けて、各制御モードでの駆動制御処理を実行する(ステップS100)。制御モード切替処理は、主として電源の使い分けに対応する処理であり、駆動制御処理は動力源の使い分けに対応する処理である。ここでは、制御モード切替処理(ステップ10)と駆動制御処理(ステップ100)とを同じ周期で繰り返す場合を例示したが、異なる周期で実行させることも可能である。例えば、駆動制御処理(ステップS100)を所定回数実行する度に制御モード切替処理(ステップS10)を実行させるものとしてもよい。以下、各処理について詳細に説明する。
【0035】
C1.制御モード切替処理:
図4は制御モード切替処理のフローチャートである。エンジン運転モード、燃料電池優先モード、バッテリ優先モードの3つの制御モードを切り替える処理である。エンジン運転モードとは、モータ20を一切使用せず、エンジン10の動力のみによって駆動する運転モードをいう。燃料電池優先モードおよびバッテリ優先モードは、それぞれモータ20とエンジン10を使い分けて走行する運転モードをいう。前者はモータ20の駆動時に燃料電池54を主電源として使用し、後者はバッテリ50を主電源として使用する点で相違する。
【0036】
CPUは、モータ20による回生確率が高い場合には、バッテリ優先モードを選択する(ステップS12,S28)。バッテリ50を電源として使用しておくことにより、回生が生じた場合には、得られた電力を速やかにバッテリ50に充電することができる。ここで、回生確率は、種々の判定方法が可能である。本実施例では、車速が予め設定された所定値よりも高い場合に、回生確率が高いと判定するものとした。その他、操作部の操作状態によって判断してもよい。例えば、アクセル全閉の時に回生確率が高いと判断してもよい。また、ナビゲーションシステムが搭載されている場合には、経路が降坂路である場合に回生確率が高いと判断してもよい。
【0037】
ステップS12において、回生確率が低いと判断された場合には、バッテリ50の残容量SOCとFC燃料の残量に応じたモード切替を行う。これらの判断は、残容量SOC、FC燃料の残量と、それぞれ設定された所定値との大小関係に基づいて行われる。各所定値は、任意に設定可能であり、一定値としてもよいし、車速、トルクなどのパラメータに応じて変動させてもよい。この値を調整することにより、運転制御時のバッテリ50の電力,FC燃料の浪費を避けることも可能である。
【0038】
残容量SOCが低く、FC燃料の残量も不十分である場合(ステップS14,S16)には、バッテリ50および燃料電池54のいずれも電源として使用するのを避けるため、エンジン運転モードを選択する(ステップS24)。
【0039】
残容量SOCは低いものの、FC燃料が十分残っている場合には(ステップS14,S16)、燃料電池54を有効活用するため、燃料電池優先モードを選択する(ステップS26)。
【0040】
残容量SOCが十分あるが、FC燃料の残量が不十分の場合には(ステップS14,S18)、バッテリ50の電力を有効活用するため、バッテリ優先モードを選択する(ステップS28)。
【0041】
残容量SOCが高く、FC燃料も十分残っている場合には(ステップS14,S18)、両者の電力出力効率に基づいて制御モードの切り替えが行われる。CPUは、燃料電池54の電力出力効率ηfと、バッテリ50の電力出力効率ηbとを算出し(ステップS20)、効率の良い方に対応した制御モードを選択する。即ち、効率ηf>効率ηbのときは燃料電池優先モードを選択する(ステップS22,S26)。その他の場合には、バッテリ優先モードを選択する(ステップS22,S28)。
【0042】
燃料電池54の電力出力効率ηfとは、単位量のFC燃料を用いて実際に出力できる電力と、理論的に出力可能な電力との比をいう。本実施例では、温度および要求電力をパラメータとして電力効率ηfを与えるマップが予め用意され、制御ユニット70のメモリに記憶されている。CPUはこのマップを参照することにより、電力出力効率ηfを得ることができる。パラメータと効率ηfとの関係は、関数で記憶されていてもよい。また、温度および要求電力と異なるパラメータ、追加のパラメータを用いるものとしてもよい。
【0043】
バッテリ50の電力出力効率ηbは、実際に出力される電力と、理論的に出力可能な電力との比をいう。電力出力効率ηbは、要求電力、残容量SOCをパラメータとするマップが予め用意され、CPUがこれを参照することにより得られる。更に温度をパラメータとして含んでもよい。これらと異なるパラメータ、追加のパラメータを用いるものとしてもよい。パラメータと効率ηbとの関係は、関数で記憶されていてもよい。バッテリ50については、充電時の効率も考慮してもよい。充電効率は、エンジン10によってバッテリ50を充電する際のエネルギ効率に基づいて求めてもよいし、例えば0.6〜0.7程度の係数を乗じることによって充電時の効率低下を一律と仮定して反映させてもよい。
【0044】
なお、本実施例では、電力出力効率ηf、ηbを逐次求めて、比較する態様を例示した。これらの効率ηf、ηbに基づいて、上述のパラメータに対し、使用すべき電源を特定するフラグを与えるマップを用意し、効率ηf、ηbを逐次求めることなく、電源を選択するものとしてもよい。
【0045】
以上の処理によって、それぞれ制御モードが選択されると、CPUは、図3のステップS100に示した通り、各制御モードにおける駆動制御に移行する。
【0046】
C2.駆動制御処理:
エンジン運転モード(ステップS24)では、図2に示したマップに関わらず全領域でエンジン10を動力源として走行する。かかる制御は、エンジンのみを動力源とする従来車両と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0047】
燃料電池優先モードでは、図2のマップに従って動力源、即ちモータ20とエンジン10の使い分けが実施される。図5は燃料電池優先モードのフローチャートである。制御ユニット70のCPUが実行する処理であり、図1に示したFC優先制御部72の機能に相当する。
【0048】
この処理では、CPUは車速、アクセル開度を入力し(ステップS102)、これらのパラメータに基づいて車両の走行状態がMG領域であるか否かを判定する(ステップS104)。MG領域でない場合には、エンジン10を動力源として使用して走行する(ステップS110)。この処理は、従来車両と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0049】
車両の運転状態が、MG領域である場合には、燃料電池54の電力によりモータ20を駆動して走行する(ステップS106)。これと併せて、燃料電池54で不足した電力をバッテリ50で補償して走行する(ステップS108)。かかる駆動を実行するため、CPUは切替スイッチ51,55を、燃料電池54およびバッテリ50の双方から電力を供給可能な状態に切り替える。
【0050】
図6は電力出力の様子を示す説明図である。曲線Erが要求電力を表す。本実施例では、主として燃料電池54から電力を出力しつつ、バッテリ50で不足分の電力を補償するものとした。図中のハッチングを付した領域FCAが燃料電池54から出力される電力に相当する。要求電力Erと領域FCAとの間の領域BTAがバッテリ50から出力される電力に相当する。
【0051】
かかる制御を実現するため、CPUは初期の要求電力Er0に一定の低減率を乗じた値Efを燃料電池54の要求電力として設定する。燃料電池54は比較的応答性が低いため、電圧が徐々に上昇し、時間t1になって要求電力Efを出力するようになる。燃料電池54から出力される電力増大に伴ってバッテリ50から出力される電力は徐々に低減する。燃料電池54から電力Efが出力された後は、バッテリ50からへ要求電力Erの変動分が出力される。燃料電池54の要求電力は、比較的長い周期で変更される。かかる制御によって、燃料電池54を主電源として使用しつつ、その応答性の低さをバッテリ50で補償して、要求電力Erを遅れなく出力することができる。
【0052】
この制御は、一例に過ぎず、要求電力Erをそのまま燃料電池54への要求値とし、不足分をバッテリ50で補償する制御を行っても良い。また、切替スイッチ51,55を、燃料電池54からのみ電力供給可能な状態に切り替え、燃料電池優先モードでは、バッテリ50の電源を一切使わない制御を行ってもよい。モータ20とエンジン10は、図2のマップに限らず、種々の条件を考慮して使い分けることができる。
【0053】
バッテリ優先モードでは、図2のマップに従って動力源、即ちモータ20とエンジン10の使い分けが実施される。制御処理は、燃料電池優先モードと同様である。図5の制御処理において、ステップS106,S108に代えて、バッテリ50によりモータ20を駆動する処理が実行される。
【0054】
以上で説明したハイブリッド車両によれば、燃料電池優先モード、バッテリ優先モード、エンジン運転モードという制御モードを切り替えて実行することにより、運転状況に応じて高効率な運転を行うことができる。回生確率が高い場合にバッテリ優先モードを使用することにより、車両の運動エネルギを効率的に回収することができる。
【0055】
実施例のハイブリッド車両は、制御モードの切り替え処理と、各制御モードでの駆動制御処理とを分けて実行することができる(図3参照)。従って、両者の実行タイミングを適宜調整することができる。例えば、制御モードの実行周期を長くすることにより、制御モードの頻繁な切り替えを抑制しつつ駆動することができる。また、制御モード判定の処理負担を軽減することもできる。
【0056】
実施例では、燃料電池優先モード、バッテリ優先モードの切り替えが、回生確率(図4のステップS12)、運転効率の比較(ステップS22)によって行われる場合を例示した。両制御モードの切替条件は、種々設定可能である。例えば、要求電力の変動に基づいて切り替えてもよい。つまり、燃料電池54の出力応答性で追随できない程に要求電力の変動が大きい場合には、バッテリ優先モードを選択し、その他の場合には燃料電池優先モードを選択してもよい。こうすることにより、応答遅れなく要求電力を出力でき、車両の応答性を向上できる。
【0057】
D.第2実施例:
第1実施例では、車速およびアクセル開度に関わらず制御モードの切替処理を実行する場合を例示した(図3参照)。第2実施例では、MG領域(図2参照)内でのみ制御モード切替処理を実行する場合を例示する。
【0058】
第2実施例のハイブリッド車両のハードウェア構成は、第1実施例と同じである(図1参照)。第2実施例では、運転制御処理の内容が第1実施例と相違する。
【0059】
図7は第2実施例における運転制御処理のフローチャートである。制御ユニット70内のCPUが繰り返し実行する処理である。この処理では、CPUは車速よびアクセル開度から、車両の走行状態がMG領域内か否かを判定する(ステップS2)。走行状態がMG領域でない場合、つまりEG領域に含まれる場合には、エンジン10を駆動して走行する(ステップS4)。MG領域に含まれる場合には、制御モード切替処理を実行する(ステップS10)。制御モード切替処理の内容は、第1実施例と同じであり(図4参照)、エンジン運転モード、燃料電池優先モード、バッテリ優先モードのいずれかが選択される。図4に示した条件の他、要求電力の変動を考慮して切り替えることも可能である。
【0060】
燃料電池優先モード、バッテリ優先モードの各制御処理は、第1実施例(図5)と相違する。第2実施例では、既にMG領域内にあるか否かの判断がなされているため、燃料電池優先モード、バッテリ優先モードでは、それぞれ燃料電池54およびバッテリ50を主電源としてモータ20を駆動する処理が実行される。燃料電池優先モードでは、第1実施例と同様、不足分をバッテリ50の電力で補償してもよい。燃料電池優先モード、バッテリ優先モードでは、走行領域以外の条件によってモータ20とエンジン10の使い分けを実行する処理を行ってもよい。
【0061】
第2実施例のハイブリッド車両によっても、第1実施例と同様、制御モードの切り替えによって効率的な運転を実現できる。EG領域では、制御モードの切替処理を行わないため、処理負担の軽減を図ることもできる。
【0062】
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】実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。
【図2】車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。
【図3】運転制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図4】制御モード切替処理のフローチャートである。
【図5】燃料電池優先モードのフローチャートである。
【図6】電力出力の様子を示す説明図である。
【図7】第2実施例における運転制御処理のフローチャートである。
【符号の説明】
10…エンジン
12…クランクシャフト
15…出力軸
16…ディファレンシャルギヤ
17…車軸
18…入力クラッチ
19…補機クラッチ
20…モータ
30…トルクコンバータ
50…バッテリ
50s…残容量センサ
51,55…切替スイッチ
52,56…駆動回路
54…燃料電池
54s…温度センサ
70…制御ユニット
71…BT優先制御部
72…FC優先制御部
76…残量センサ
78…車速センサ
80…補機駆動用モータ
82…補機駆動装置
100…変速機
102…ポンプ
104…油圧制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a moving body that moves by using a motor generator and a heat engine, which are powered by a fuel cell and a capacitor, as drive sources.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a vehicle that travels by a motor generator using a fuel cell as a power source has been proposed. A fuel cell refers to a device that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Since the fuel cell mainly emits water vapor and does not contain harmful components, it has the advantage of being very environmentally friendly.
[0003]
In addition to a fuel cell, a vehicle has been proposed that includes a capacitor as a power source and also uses a heat engine as a drive source. By providing two types of drive sources with different characteristics, such a vehicle has an advantage that efficient driving can be realized by combining the advantages of both.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In the case where there are three types of energy output sources that output electric power or mechanical power, namely, a fuel cell, a capacitor, and a heat engine, efficient use of these has not been sufficiently studied. Although some studies have been made on the proper use of the motor generator and the heat engine that use only the battery as the power source, there has been little study on the case where the two types of power sources are used properly. Such a problem has occurred in a state that can occur not only in vehicles but also in moving bodies such as ships and airplanes.
[0005]
An object of the present invention is to improve driving efficiency, responsiveness, and the like by properly using a moving body including a fuel cell, a capacitor, and a heat engine.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a moving body that uses a motor generator and a heat engine as power sources, which are powered by a fuel cell and a storage battery.
First control means for selectively using the motor generator and the heat engine while preferentially using the capacitor as the power source;
Second control means for driving the motor generator and the heat engine separately while preferentially using the fuel cell as the power source;
Based on a predetermined switching condition, switching control means for switching and using the first control means and the second control means is provided. The moving body here includes, for example, a vehicle, an aircraft, and a ship. The accumulator includes various mechanisms capable of heavy electric discharge such as a secondary battery and a capacitor. The first control means and the second control means may be configured as separate circuits, or two functions may be constructed in software within a single control unit.
[0007]
In such a configuration, efficient operation can be realized by properly using the control mode in which the battery is preferentially used and the control mode in which the fuel cell is preferentially used. While the fuel cell has high operating efficiency, it has characteristics such that power cannot be generated unless fuel is replenished after fuel consumption, and responsiveness is low. A capacitor has the opposite characteristics. Therefore, there are cases where it is more advantageous to use a fuel cell as a power source and cases where it is more advantageous to use a capacitor depending on the situation of the moving body. From this point of view, the hybrid vehicle of the present invention can improve driving efficiency by properly using the two control modes described above.
[0008]
Unlike the method of the present invention, the fuel cell, the capacitor, and the heat engine are selectively used in a single control mode using all parameters related to the power source, that is, the switching condition between the motor generator and the heat engine and the motor. It is possible to realize. However, this method makes the energy output source selection process very complicated. In the present invention, it is possible to simplify the control process by selecting the power source in the form of switching the control mode, in other words, separately processing the power source selection and the power source selection. . According to the present invention, since it is possible to perform the power source switching determination and the power source switching determination at different periods, the frequency of the power source switching determination is increased without causing an extreme increase in processing load. It is possible.
[0009]
Here, “priority use” means that power is mainly output from one of the battery and the fuel cell, and is not limited to a mode in which only one of them is used as a power source. For example, an aspect in which more than half of the requested power is output from one of the power sources and the remaining power is compensated by the other power source is included. In addition, a mode is also included in which the power is compensated for by the other power source only when the required power cannot be output from one power source.
[0010]
The electric motor and the heat engine can be used properly according to various conditions. As an example, it can be used properly according to the moving speed and required power of the moving body. Focusing on the fact that the electric motor has characteristics superior to those of the heat engine in terms of noise and environment, the electric motor may be properly used according to these requirements. Furthermore, it is good also as what is used properly according to the operation state of the operation part used for a driving | running | working of a mobile body. It may be used properly based on the storage status of the battery and the remaining amount of fuel for the fuel cell (hereinafter referred to as “FC fuel”). From the viewpoint of avoiding a sense of incongruity during operation, it is preferable that the conditions regarding the proper use of the electric motor and the heat engine be constant regardless of the power source, but different conditions may be applied for each control mode.
[0011]
The switching of the control mode in the present invention can be performed, for example, under the following conditions.
[0012]
As a 1st aspect, when the movement state detection means which detects the movement state of a moving body is provided, it can switch on the conditions decided based on the movement state. The movement state includes the speed and kinetic energy of the moving body. Since the electric power required for the electric power source of the electric motor is closely related to the motion state of the moving body, switching according to the electric power requirement can be realized by using the electric power.
[0013]
As a second aspect, in the case where the regeneration predicting means for predicting the probability of occurrence of regeneration by the motor generator is provided, switching is performed so that the first control means is used when the motor is in an exercise state in which the probability is a predetermined value or more. be able to. When the probability of regeneration is high, the regenerated electric power can be stored quickly by using the battery as a power source in advance. Here, the probability of regeneration need not be quantitatively performed. It may be a stepwise prediction such as large, medium and small. Such prediction can be performed based on, for example, the operation state of the operation unit used for driving the moving body. For a vehicle, for example, it can be determined that the regeneration probability is high when the accelerator opening is fully closed.
[0014]
In addition, when a speed detection unit that detects the moving speed of the moving body is provided, regeneration may be predicted based on the moving speed. When the moving speed is high, there is a high possibility that deceleration is required after that, and it can be said that the probability of regeneration is high.
[0015]
When the moving body is a vehicle and the future driving route is known by the navigation system, the regeneration probability may be predicted based on the gradient of the route. For example, when the route is a downhill road, it can be predicted that the regeneration probability is high. Further, it may be determined whether or not the road is a downhill road based on a comparison between the output power and the acceleration of the vehicle, and in the case of the downhill road, it may be predicted that the regeneration probability is high.
[0016]
As a third aspect, in the case of including a first detection unit that detects a parameter related to the power output efficiency of the fuel cell and a second detection unit that detects a parameter related to the power output efficiency of the battery, It can be switched by comparing the output efficiency of the electric power from the battery. In this way, highly efficient operation can be realized. The power output efficiency varies depending on parameters such as the temperature of the fuel cell and the battery and the required power. The switching can be realized by, for example, a method in which the relationship between these parameters and power output efficiency is stored in advance as a function or a map, and the efficiency is sequentially obtained by referring to the function and a power source with higher efficiency is selected. Further, a map that gives a flag for specifying a power source with high efficiency according to a parameter may be prepared and used separately by referring to the map.
[0017]
As a fourth aspect, when provided with a fluctuation detecting means for detecting fluctuations in required power, switching can be performed based on a comparison between fluctuations and responsiveness of the fuel cell. In general, since a fuel cell has lower responsiveness than a storage battery, it may not be able to follow when the required power fluctuates greatly. Therefore, by using the fuel cell in a situation where the fluctuation of the required power is relatively small, it is possible to realize power supply in accordance with the responsiveness of the required power. Since the responsiveness of the fuel cell varies depending on various parameters such as temperature and required power, the switching condition may be varied according to these parameters.
[0018]
The various conditions shown in the first to fourth aspects may be applied in combination. The present invention can be configured in various modes such as a moving body control method and a driving source selection method in addition to the above-described structure as a moving body.
[0019]
Further, the present invention integrates the functions of the first control unit, the second control unit, and the switching unit described above, and when the motor generator and the heat engine are driven separately, the battery and the fuel are used as the power source. Control means for determining the priority of use of the battery and selectively using the power source and the drive source based on the determination may be provided. Also in this case, it is needless to say that various conditions shown in the first to fourth aspects can be applied.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
With respect to the embodiment of the present invention, an example applied to a hybrid vehicle will be described by dividing it into the following items.
A. Device configuration:
B. General behavior:
C. Operation control:
C1. Control mode switching process:
C2. Drive control processing:
D. Second embodiment:
[0021]
A. Device configuration:
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid vehicle as an embodiment. The power source of the hybrid vehicle of this embodiment is the
[0022]
Various heat engines can be applied to the
[0023]
The
[0024]
In addition to the power transmission system to the
[0025]
An auxiliary
[0026]
Between the
[0027]
The operation of each unit described above is controlled by the
[0028]
The
[0029]
B. General behavior:
The hybrid vehicle of the present embodiment travels by using two power sources, that is, the
[0030]
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the relationship between the running state of the vehicle and the power source. A region MG in the drawing is a region in which the
[0031]
When the
[0032]
The
[0033]
In addition, the hybrid vehicle of a present Example can reproduce | regenerate the kinetic energy of a vehicle as an electrical energy by making the
[0034]
C. Operation control:
The proper use of the power source and the power source is realized by the following control process. FIG. 3 is a flowchart of the operation control processing routine. This process is repeatedly executed by the CPU in the
[0035]
C1. Control mode switching process:
FIG. 4 is a flowchart of the control mode switching process. This is a process for switching the three control modes of the engine operation mode, the fuel cell priority mode, and the battery priority mode. The engine operation mode refers to an operation mode in which the
[0036]
When the regeneration probability by the
[0037]
If it is determined in step S12 that the regeneration probability is low, mode switching is performed according to the remaining capacity SOC of the
[0038]
When the remaining capacity SOC is low and the remaining amount of FC fuel is insufficient (steps S14 and S16), the engine operation mode is selected in order to avoid using either the
[0039]
When the remaining capacity SOC is low but sufficient FC fuel remains (steps S14 and S16), the fuel cell priority mode is selected to effectively use the fuel cell 54 (step S26).
[0040]
When the remaining capacity SOC is sufficient but the remaining amount of FC fuel is insufficient (steps S14 and S18), the battery priority mode is selected in order to effectively use the power of the battery 50 (step S28).
[0041]
When the remaining capacity SOC is high and sufficient FC fuel remains (steps S14 and S18), the control mode is switched based on the power output efficiency of both. The CPU calculates the power output efficiency ηf of the
[0042]
The power output efficiency ηf of the
[0043]
The power output efficiency ηb of the
[0044]
In addition, in the present Example, the aspect which calculates | requires power output efficiency (eta) f and (eta) b sequentially, and compared was illustrated. Based on these efficiencies ηf and ηb, a map that provides a flag for specifying the power source to be used may be prepared for the above-described parameters, and the power source may be selected without sequentially obtaining the efficiencies ηf and ηb.
[0045]
When each control mode is selected by the above processing, the CPU shifts to drive control in each control mode as shown in step S100 of FIG.
[0046]
C2. Drive control processing:
In the engine operation mode (step S24), the vehicle travels using the
[0047]
In the fuel cell priority mode, the power source, that is, the
[0048]
In this process, the CPU inputs the vehicle speed and the accelerator opening (step S102), and determines whether or not the traveling state of the vehicle is in the MG region based on these parameters (step S104). If it is not in the MG region, the vehicle travels using the
[0049]
When the driving state of the vehicle is in the MG region, the
[0050]
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of power output. A curve Er represents the required power. In the present embodiment, power is mainly output from the
[0051]
In order to realize such control, the CPU sets, as the required power of the
[0052]
This control is merely an example, and the control may be performed in which the required power Er is set as a required value for the
[0053]
In the battery priority mode, the power source, that is, the
[0054]
According to the hybrid vehicle described above, high-efficiency driving can be performed according to driving conditions by switching and executing the control modes of the fuel cell priority mode, the battery priority mode, and the engine operation mode. By using the battery priority mode when the regeneration probability is high, the kinetic energy of the vehicle can be efficiently recovered.
[0055]
The hybrid vehicle of the embodiment can execute the control mode switching process and the drive control process in each control mode separately (see FIG. 3). Therefore, the execution timing of both can be adjusted as appropriate. For example, by increasing the execution period of the control mode, it is possible to drive while suppressing frequent switching of the control mode. In addition, the processing load of the control mode determination can be reduced.
[0056]
In the embodiment, the case where switching between the fuel cell priority mode and the battery priority mode is performed based on the regeneration probability (step S12 in FIG. 4) and the operation efficiency comparison (step S22) is illustrated. Various conditions for switching between the two control modes can be set. For example, switching may be performed based on fluctuations in required power. That is, the battery priority mode may be selected when the required power fluctuation is so large that it cannot be followed by the output response of the
[0057]
D. Second embodiment:
In the first embodiment, the case where the control mode switching process is executed regardless of the vehicle speed and the accelerator opening is illustrated (see FIG. 3). In the second embodiment, a case where the control mode switching process is executed only in the MG region (see FIG. 2) is illustrated.
[0058]
The hardware configuration of the hybrid vehicle of the second embodiment is the same as that of the first embodiment (see FIG. 1). In the second embodiment, the content of the operation control process is different from that of the first embodiment.
[0059]
FIG. 7 is a flowchart of the operation control process in the second embodiment. This process is repeatedly executed by the CPU in the
[0060]
Each control process in the fuel cell priority mode and the battery priority mode is different from that in the first embodiment (FIG. 5). In the second embodiment, since it is already determined whether or not the vehicle is in the MG region, in the fuel cell priority mode and the battery priority mode, the process of driving the
[0061]
Also with the hybrid vehicle of the second embodiment, as in the first embodiment, efficient driving can be realized by switching the control mode. In the EG area, since the control mode switching process is not performed, the processing load can be reduced.
[0062]
As mentioned above, although the various Example of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples, and can take a various structure in the range which does not deviate from the meaning. For example, the above control processing may be realized by hardware in addition to software.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hybrid vehicle as an embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a relationship between a running state of a vehicle and a power source.
FIG. 3 is a flowchart of an operation control processing routine.
FIG. 4 is a flowchart of a control mode switching process.
FIG. 5 is a flowchart of a fuel cell priority mode.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a state of power output.
FIG. 7 is a flowchart of an operation control process in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10 ... Engine
12 ... Crankshaft
15 ... Output shaft
16 ... Differential gear
17 ... Axle
18 ... Input clutch
19 ... Auxiliary clutch
20 ... Motor
30 ... Torque converter
50 ... Battery
50s ... remaining capacity sensor
51, 55 ... changeover switch
52, 56 ... Driving circuit
54 ... Fuel cell
54s ... Temperature sensor
70 ... Control unit
71 ... BT priority control unit
72 ... FC priority control unit
76 ... Remaining amount sensor
78 ... Vehicle speed sensor
80 ... Auxiliary drive motor
82 ... Auxiliary drive
100 ... transmission
102 ... Pump
104 ... Hydraulic control unit
Claims (8)
前記電源として前記蓄電器を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第1制御手段と、
前記電源として前記燃料電池を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第2制御手段と、
所定の切替条件に基づいて、第1制御手段と第2制御手段とを切り替えて使用する切替制御手段とを備える移動体。A moving body that moves by using a motor generator and a heat engine as a power source, which are powered by a fuel cell and a capacitor,
First control means for selectively using the motor generator and the heat engine while preferentially using the capacitor as the power source;
Second control means for driving the motor generator and the heat engine separately while preferentially using the fuel cell as the power source;
A moving body comprising a switching control unit that switches between a first control unit and a second control unit based on a predetermined switching condition.
前記移動体の運動状態を検出する運動状態検出手段を備え、
前記切替条件は、移動体の運動状態に基づいて定まる条件である移動体。The moving body according to claim 1,
A motion state detection means for detecting the motion state of the moving body;
The switching condition is a moving object that is a condition determined based on a motion state of the moving object.
前記電動発電機により回生が生じる確率を予測する回生予測手段を備え、
前記切替条件は、該確率が所定値以上となる運動状態にある場合に、前記第1制御手段を使用する手段である移動体。The moving body according to claim 1,
Regeneration prediction means for predicting the probability of regeneration by the motor generator,
The switching condition is a moving body that is means for using the first control means when the probability is an exercise state in which the probability is a predetermined value or more.
前記移動体の移動速度を検出する速度検出手段を備え、
前記回生予測手段は、該移動速度に基づいて前記予測を行う手段である移動体。The moving body according to claim 3,
Comprising speed detecting means for detecting the moving speed of the moving body;
The regenerative prediction means is a moving body that is means for performing the prediction based on the moving speed.
前記燃料電池の電力出力効率に関与するパラメータを検出する第1検出手段と、
前記蓄電器の電力出力効率に関与するパラメータを検出する第2検出手段とを備え、
前記切替条件は、前記燃料電池と蓄電器による電力の出力効率の比較に基づく条件である移動体。The moving body according to claim 1,
First detection means for detecting a parameter related to the power output efficiency of the fuel cell;
Second detection means for detecting a parameter related to the power output efficiency of the battery,
The switching condition is a moving object which is a condition based on a comparison of power output efficiencies of the fuel cell and the battery.
要求電力の変動を検出する変動検出手段を備え、
前記切替条件は、前記変動と前記燃料電池の応答性との比較に基づく条件である移動体。The moving body according to claim 1,
Equipped with a fluctuation detection means for detecting fluctuations in required power,
The switching condition is a moving object that is a condition based on a comparison between the fluctuation and the responsiveness of the fuel cell.
該電動発電機の電源としての燃料電池および蓄電器と、
前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する際に、前記電源として前記蓄電器と燃料電池の使用優先度を判断するとともに、該判断に基づき前記電源および駆動源の使い分けを行う制御手段とを備える移動体。A moving body that moves using a motor generator and a heat engine as drive sources,
A fuel cell and a capacitor as a power source of the motor generator;
When the motor generator and the heat engine are used separately for driving, a control means for determining the use priority of the power storage device and the fuel cell as the power source and for selectively using the power source and the drive source based on the determination. Mobile body with.
(a) 所定の切替条件に対応するパラメータを検出する工程と、
(b) 該切替条件の正否に応じて、
前記電源として前記蓄電器を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第1制御モードと、
前記電源として前記燃料電池を優先使用しつつ、前記電動発電機と熱機関とを使い分けて駆動する第2制御モードとを切り替える工程とを備える制御方法。A control method of a moving body that moves using a motor generator and a heat engine as a power source, which are powered by a fuel cell and a capacitor,
(A) detecting a parameter corresponding to a predetermined switching condition;
(B) Depending on whether the switching condition is correct or not,
A first control mode for driving the motor generator and the heat engine separately while preferentially using the capacitor as the power source;
A control method comprising a step of switching between a second control mode in which the motor generator and the heat engine are selectively used while preferentially using the fuel cell as the power source.
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