JP4253920B2 - 燃料電池自動車の電力配分制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質システムを起動中に電力配分する燃料電池自動車の電力配分制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池自動車としては、燃料改質装置を有する燃料電池システムとバッテリとが搭載されたハイブリッド燃料電池自動車が知られている。
【０００３】
この種の燃料電池自動車では、通常、燃料改質装置は、燃料改質器と燃焼器からなっており、燃料改質器からの改質ガスとコンプレッサからの空気とを燃料電池を用いて電力を発生し、燃料電池で発電された余剰電力及びモータの回生電力をバッテリに蓄積しておく。この際、運転者によるアクセル操作に応じて、燃料電池及びバッテリから電力調整器を介してモータ、燃料改質器、燃焼器及びコンプレッサなどに電力が配分される。
【０００４】
この場合、運転者がイグニッションキーをＯＮ操作して燃料電池自動車の運転を開始すると、燃料改質器が起動するまでの数分から数十分の間は改質ガスが生成されないため、燃料電池は発電することができない。従って、モータの走行電力は専らバッテリによって賄われる。
【０００５】
その後、燃料改質器が、燃料電池で使用可能な基準量の改質ガスを生成するようになった時点から発電を開始することができる。しかし、燃料電池の温度が上昇していないため、この段階ではまだ定格発電を行うことはできない。
【０００６】
その後、発電を継続することで、燃料電池内の発熱によって温度上昇し、所定の温度に達した時点から定格発電が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池自動車のシステムにあっては、燃料改質器を起動して燃料の改質を行うために多大の電力を必要としていた。
【０００８】
すなわち、燃料改質器を起動して燃料の改質を行うためには、燃焼器の発熱を燃料の気化や改質反応の吸熱に再利用しているため、燃焼器も起動する必要がある。また、化学反応を行う燃料改質器を起動するには、所定の温度、例えば、水蒸気改質であれば３００℃程度に昇温するため、多大の熱エネルギーを必要とし、バッテリの電力のみでは賄うことが困難である。
【０００９】
このため、燃料であるメタノールを燃焼させたときに発生する熱エネルギーを使って燃料改質器を昇温させる。このとき、高温燃焼では触媒がメルトダウンしてしまう。そこで、適度な温度で燃焼させるためには大量の空気をコンプレッサから送る必要があり、必要電力が大きくなる。
【００１０】
また、メタノールを気化するために起動の初期段階では、電気式気化器を用いる必要があるが、メタノールの潜熱が大きいため、この必要電力が大きくなっていた。さらに、触媒に着火するために最低限の温度まで電気ヒータ(触媒ヒータ)で昇温するため、必要電力が大きくなっていた。
【００１１】
このように、燃料改質システムの起動に必要とされる電力は、極めて多大であり、燃料電池自動車が平地を高速巡航することが可能な程度の電力が消費される。このとき、バッテリの電力と容量が、電気自動車としての基準量に燃料電池システムの起動に要する電力を上乗せした分だけの充分なものになっていれば、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可能になるまでの間、バッテリから充分な電力を供給することが可能である。
【００１２】
しかし、燃料改質システムを含めた燃料電池システムと共に、このようなバッテリを車両に搭載するには、十分な搭載空間を確保することができず、また、コスト上昇の要因になると考えられる。従って、必然的にバッテリの容器サイズを抑える必要があり、その結果、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可能になるまでの間、モータ走行のための充分な電力を確保することが困難になる。
【００１３】
従って、以上説明したように、従来の燃料電池自動車のシステムにあっては、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスを燃料改質システムで生成可能になるまでの数分から数十分の間は、燃料改質システム、ひいては燃料電池システムの起動に多大な電力を必要としているので、バッテリの電力によるモータ走行に充分な電力を確保することができないため、充分な走行性能が得られないといった問題があった。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的としては、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる燃料電池自動車の電力配分制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料から改質ガスを生成する燃料改質装置と、空気を供給する空気供給装置と、この改質ガス及び空気を用いて電力を発生する燃料電池と、この燃料電池で発生された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により車両を駆動するモータとを備え、アクセル操作に応じて、燃料電池及び蓄電装置から燃料改質装置、空気供給装置及びモータへ供給される電力の配分を制御する燃料電池自動車の電力配分制御装置において、前記アクセルペダルによるキックダウン操作を検出する操作検出手段と、前記燃料改質装置及び前記空気供給装置を含む燃料改質システムの起動中に、キックダウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して前記モータに配分する電力を増加するように制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料改質装置によって生成された改質ガス中に含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵システムを有し、前記制御手段は、前記水素貯蔵システムが起動後のときには、前記水素貯蔵システムの動作に要する電力は制限せず、前記水素貯蔵システムが起動中のときには、前記水素貯蔵システムの起動に要する電力も制限するように制御することを要旨とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段の検出結果に応じて、前記燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告する警告手段とを有することを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃料改質システムの起動中に、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して、モータに配分する電力を増加させる、すなわち、優先してモータに電力を配分することで、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる。
【００１９】
請求項２記載の本発明によれば、水素貯蔵システムを有する場合に、燃料改質システムの起動中に運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときでも、水素貯蔵システムが起動後であれば、水素貯蔵システムの動作に要する電力を制限しないことで、燃料改質システムが起動中であっても、水素貯蔵システムによってある程度の電力を燃料電池によって発電することができ、燃料改質システムの起動中でも充分な走行性能を得ることができる。
【００２０】
請求項３記載の本発明によれば、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出するようにしておき、運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告することで、運転者に適切な対処を促し、燃料改質システムが起動する前にバッテリが空になってしまうことを防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。この燃料電池自動車は、燃料改質装置を有する燃料電池システムとバッテリとが搭載されたハイブリッド燃料電池自動車である。
【００２３】
燃料改質装置は、燃料改質器１と燃料器３からなる。燃料改質器１は、メタノールタンク５に蓄えられている燃料となるメタノール７を水タンク９からの水１１を用いて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス１３を生成する。このとき、場合によっては、コンプレッサ１５から供給される空気１７を用いてメタノール７の部分酸化による改質も行われる。なお、水蒸気改質は吸熱反応であり、部分酸化は発熱反応である。
【００２４】
燃料改質器１からの改質ガス１３とコンプレッサ１５からの空気１９とは燃料電池２１のアノード、カソードそれぞれの電極に送気され、改質ガス１３中の水素と空気１９中の酸素とを用いて電力が発電される。改質ガス１３中の水素と空気１９中の酸素は、燃料電池２１内ですべて消費されるわけではなく、一部を残して排出され、使用済み改質ガス２３、使用済み空気２５として燃焼器３に送気され、場合によっては、コンプレッサ１５からの空気２７とメタノールタンク５からのメタノール７と共に燃焼される。燃焼器３での燃焼反応による熱は、メタノール７や水１１を気化するために、上述した水蒸気改質の吸熱反応に供するために再利用される。
【００２５】
バッテリ２７は、燃料電池２１によって発電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する際のモータ２９による回生電力を蓄積すると共に、モータ２９で消費される走行電力や、コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３で消費される補機電力を賄うのに充分な発電が燃料電池２１によって行われなかった場合には、放電して不足電力を補う。
【００２６】
モータ２９と補機（コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３など）への電力の配分、すなわち、走行用電力と補機電力の配分は、電力調整器３１を介して行われる。制御装置３３は、運転者によるアクセルペダル３５の踏み込み量(アクセル開度)をポジションセンサ３７によって検出した信号と、車速とに基づいて電力調整器３１による電力配分を制御する。
【００２７】
なお、上述したように、運転者がイグニションキーをＯＮ操作して燃料電池自動車の運転を開始すると、燃料改質器１が起動するまでの数分から数十分の間は改質ガスの生成がないため、燃料電池２１は発電することができない。従って、モータ２９の走行電力は専らバッテリ２７によって賄われる。その後、燃料改質器１が、燃料電池２１で使用可能な基準量の改質ガスを生成するようになると、燃料電池２１は発電を開始することができる。しかし、燃料電池２１の温度が上昇していない段階ではまだ定格発電を行うことはできない。そこで、その後も発電を継続すると、燃料電池２１内の発熱によって燃料電池２１の温度が上昇し、所定の温度に達した段階で定格の発電が可能となる。
【００２８】
次に、図２は、通常の走行時におけるバッテリの電力配分マップＡを示す概念図である。なお、この電力配分マップＡは、制御装置３３の内部ＲＯＭにデータテーブルとして記憶されている。
【００２９】
制御装置３３は、通常の走行時に、この電力配分マップＡに従って電力配分を制御する。図２に示すＰmax は、バッテリから供給できる最大電力である。運転者によりアクセルが踏み込まれていくと、まず、走行用電力としてモータ２９に供給される電力が増加し（領域ａ）、モータ２９への走行用電力とコンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力との総和がＰmax に達した場合、以後はそれ以上のアクセル開度は無視され、一定の電力がモータ２９に供給される（領域ｂ）。この状態では、最大加速度が制限された走行性能になっている。
【００３０】
次に、図３は、キックダウン検出時におけるバッテリの電力配分マップＢを示す概念図である。なお、上記の電力配分マップＡと同様に、この電力配分マップＢも、制御装置３３の内部ＲＯＭにデータテーブルとして記憶されている。
【００３１】
制御装置３３は、運転者によるアクセルペダル３５のキックダウン操作を検出した際に、この電力配分マップＢに従って電力配分を制御する。すなわち、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれていくと、まず、上述した電力配分マップＡと同様に、走行用電力としてモータ２９に供給される電力が増加する（領域ｃ）。
【００３２】
しかし、モータ２９への走行用電力とコンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力との総和がＰmax に達すると、その後は、電力配分マップＡと異なり、コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力を、この燃料改質システムを停止させない最低電力、例えば、触媒反応部であれば触媒燃焼の火を消さずに維持するのに必要な最低電力などの総和である最低必要補機電力Ｐmin になるまで、アクセル開度に応じて制限する（領域ｄ）。
【００３３】
そしてその後は、それ以上のアクセル開度は無視され、一定の電力がモータ２９に供給される（領域ｅ）。この状態では、充分な加速が得られる走行性能となっている。
【００３４】
次に、図５に示すキックダウン判断用マップを参照して、図４に示す制御フローチャートに従って燃料電池自動車の電力配分制御装置の制御動作を説明する。なお、図４に示す制御フローチャート及び図５に示すキックダウン判断用マップは、制御装置３３の内部ＲＯＭに制御プログラム及びデータテーブルとして記憶されている。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、制御装置３３は、図示しないモータ制御装置や車輪に取り付けた車輪速センサなどから車両の車速を読み込む。そして、ステップＳ２０では、ポジションセンサ３７から運転者によるアクセルペダル３５の踏み込み量(アクセル開度)を読み込む。
【００３６】
そして、ステップＳ３０では、制御装置３３は、ステップＳ１０で読み込まれた車速と、ステップＳ２０で読み込まれたアクセル開度とに基づいて、図５に示すキックダウン判断用マップに従ってキックダウン領域かどうか判断する。すなわち、運転者によるキックダウン操作の有無の判断は、図５に示すアクセル開度と車速のマップを用いて行われる。ここでは、図５に示すように、車速に応じて、あるアクセル開度を超えると、キックダウン操作があったと判断される。
【００３７】
ステップＳ３０でキックダウン領域でない場合には、ステップＳ４０に進み、制御装置３３は、通常の走行時であるため、電力調整器３１による電力配分制御を図２に示す電力配分マップＡに従って行う。
【００３８】
一方、ステップＳ３０でキックダウン領域である場合には、ステップＳ５０に進み、キックダウン検出時であるため、電力配分マップをＡからＢに切り替え、図３に示す電力配分マップＢに従って電力調整器３１による電力配分制御を行う。
【００３９】
このとき、電力配分マップＢによって電力配分されている時間に応じて、燃料改質システムの起動に必要な補機電力が制限されていることになるため、燃料改質システムの起動に要する時間が長くなる。そのため、燃料改質システムが起動していない状態でキックダウン操作を多用した場合、極端な場合には、燃料改質システムが起動する前にバッテリ２７が空になってしまうことも起こり得る。
【００４０】
そこで、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出するようにしておき、例えば、電力配分マップＢに従ってモータ２９に優先して配分した電力が予め設定された量を超えたときに、警報装置３９を介して運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告するようにしている。
【００４１】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、燃料改質システムの起動中に、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して、モータ２９に配分する電力を増加させる。すなわち、優先してモータ２９に電力を配分することで(図３参照)、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる。
【００４２】
また、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出したとき、運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告することで、運転者に適切な対処を促し、燃料改質システムが起動する前にバッテリ２７が空になってしまうことを防止することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池自動車のシステムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４４】
第２の実施の形態の特徴は、図６に示すように、水素貯蔵システム４１を設けたことにある。この水素貯蔵システム４１は、燃料改質器１によって生成された改質ガス４３中の水素を貯蔵し、必要に応じて純水素４５を燃料電池２１に送気する。水素貯蔵システム４１は、燃料改質システムの応答性の遅れを補助するのに加え、燃料改質システムの起動中に燃料電池２１を運転することを可能にする。
【００４５】
水素貯蔵システム４１としては、水素の貯蔵方法により、いくつかのシステムが考えられる。例えば、改質ガス４３を高圧タンクに圧縮して貯蔵する場合、水素貯蔵システム４１は、高圧タンクとコンプレッサなどから構成される。この場合、４５は純水素ではなく改質ガスである。また、水素吸蔵合金を用いた場合、水素貯蔵システム４１は、改質ガス４３から純水素を取り出すための水素純化装置、水素吸蔵合金を内蔵するタンク、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に加熱に用いるヒータなどから構成される。
【００４６】
このような水素貯蔵システム４１を有する場合、燃料改質システムの起動中であっても、ある程度の電力を、燃料電池２１によって発電することが可能であり、第１の実施の形態の説明に用いた図２に示す電力配分マップＡ及び図３に示す電力配分マップＢの電力を、バッテリ２７の電力に燃料電池２１の電力を加えたものとして、第１の実施の形態と同様に電力を配分すれば良い。このとき、水素貯蔵システム４１が立ち上がっていれば、水素貯蔵システム４１によって発電するのに要する補機電力よりも発電量の方が一般的には上回っている。このため、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、水素貯蔵システム４１によって発電するのに要する補機電力を制限する必要はない。
【００４７】
一方、例えば、水素吸蔵合金が冷えていて充分な発電ができないといったいわゆる水素貯蔵システム４１の起動中に、運転者のキックダウン操作を検出した場合には、水素貯蔵システム４１の起動に要する電力も、燃料改質システムの起動に要する電力と同じく、制限を加える。
【００４８】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、燃料改質システムの起動中に運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときでも、水素貯蔵システム４１が起動後であれば、水素貯蔵システム４１の動作に要する電力を制限しないことで、燃料改質システムが起動中であっても、水素貯蔵システム４１によってある程度の電力を燃料電池２１によって発電することができ、燃料改質システムの起動中でも充分な走行性能を得ることができる。
【００４９】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。以下、その変更例を説明する。
【００５０】
まず、第１及び第２の実施の形態においては、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作の有無の判断を、図５に示すように、車速とアクセル開度とで行う場合を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、アクセル踏み込み速度やアクセルプルスイッチの信号を用いたマップ又はアルゴリズムを使用しても良い。
【００５１】
また、第１及び第２の実施の形態においては、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力に制限を加える場合を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、カーエアコンをＯＦＦ制御するといった空調のための電力制限を加えて、電力配分マップを３種類用意しておき、アクセル開度と車速から運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に要する電力に制限を加え、更にはアクセル踏み込み速度が所定の値を超えたときには、カーエアコンをＯＦＦ制御するようにしても良い。
【００５２】
また、第１及び第２の実施の形態においては、強電系バッテリの電力配分を例にとって説明したが、このようにな場合に限定されるわけではない。例えば、走行用のバッテリを有するハイブリッド燃料電池自動車では、強電系を立ち上げるために強電系リレーをＯＮ制御する必要があるため、通常の自動車と同様の１２Ｖ又は２４Ｖ系バッテリを、電気自動車と同様に補助バッテリとして有しているのが一般的であり、このバッテリ電力も含めて電力配分を行うようにしても良い。例えば、アクセル開度がフルスロットルのときに、ヘッドライトやウインカなどの灯火電力を補助バッテリから配分するようにしても良い。
【００５３】
また、第１及び第２の実施の形態においては、燃料改質システムの起動中の電力配分を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、燃料電池２１の暖機中であって、ある程度の発電は行うことができるものの、定格値に比べて発電量が少なく、従って、走行電力が不足しているような場合にも、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。
【図２】通常の走行時におけるバッテリの電力配分マップを示す概念図である。
【図３】キックダウン検出時におけるバッテリの電力配分マップを示す概念図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料電池自動車の電力配分制御装置の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図５】キックダウン判断用マップを示す概念図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質器
３ 燃焼器
５ メタノールタンク
９ 水タンク
１５ コンプレッサ
２１ 燃料電池
２７ バッテリ
２９ モータ
３１ 電力調整器
３３ 制御装置
３７ ポジションセンサ
３９ 警報装置
４１ 水素貯蔵システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料改質システムを起動中に電力配分する燃料電池自動車の電力配分制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池自動車としては、燃料改質装置を有する燃料電池システムとバッテリとが搭載されたハイブリッド燃料電池自動車が知られている。
【０００３】
この種の燃料電池自動車では、通常、燃料改質装置は、燃料改質器と燃焼器からなっており、燃料改質器からの改質ガスとコンプレッサからの空気とを燃料電池を用いて電力を発生し、燃料電池で発電された余剰電力及びモータの回生電力をバッテリに蓄積しておく。この際、運転者によるアクセル操作に応じて、燃料電池及びバッテリから電力調整器を介してモータ、燃料改質器、燃焼器及びコンプレッサなどに電力が配分される。
【０００４】
この場合、運転者がイグニッションキーをＯＮ操作して燃料電池自動車の運転を開始すると、燃料改質器が起動するまでの数分から数十分の間は改質ガスが生成されないため、燃料電池は発電することができない。従って、モータの走行電力は専らバッテリによって賄われる。
【０００５】
その後、燃料改質器が、燃料電池で使用可能な基準量の改質ガスを生成するようになった時点から発電を開始することができる。しかし、燃料電池の温度が上昇していないため、この段階ではまだ定格発電を行うことはできない。
【０００６】
その後、発電を継続することで、燃料電池内の発熱によって温度上昇し、所定の温度に達した時点から定格発電が可能となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池自動車のシステムにあっては、燃料改質器を起動して燃料の改質を行うために多大の電力を必要としていた。
【０００８】
すなわち、燃料改質器を起動して燃料の改質を行うためには、燃焼器の発熱を燃料の気化や改質反応の吸熱に再利用しているため、燃焼器も起動する必要がある。また、化学反応を行う燃料改質器を起動するには、所定の温度、例えば、水蒸気改質であれば３００℃程度に昇温するため、多大の熱エネルギーを必要とし、バッテリの電力のみでは賄うことが困難である。
【０００９】
このため、燃料であるメタノールを燃焼させたときに発生する熱エネルギーを使って燃料改質器を昇温させる。このとき、高温燃焼では触媒がメルトダウンしてしまう。そこで、適度な温度で燃焼させるためには大量の空気をコンプレッサから送る必要があり、必要電力が大きくなる。
【００１０】
また、メタノールを気化するために起動の初期段階では、電気式気化器を用いる必要があるが、メタノールの潜熱が大きいため、この必要電力が大きくなっていた。さらに、触媒に着火するために最低限の温度まで電気ヒータ(触媒ヒータ)で昇温するため、必要電力が大きくなっていた。
【００１１】
このように、燃料改質システムの起動に必要とされる電力は、極めて多大であり、燃料電池自動車が平地を高速巡航することが可能な程度の電力が消費される。このとき、バッテリの電力と容量が、電気自動車としての基準量に燃料電池システムの起動に要する電力を上乗せした分だけの充分なものになっていれば、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可能になるまでの間、バッテリから充分な電力を供給することが可能である。
【００１２】
しかし、燃料改質システムを含めた燃料電池システムと共に、このようなバッテリを車両に搭載するには、十分な搭載空間を確保することができず、また、コスト上昇の要因になると考えられる。従って、必然的にバッテリの容器サイズを抑える必要があり、その結果、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可能になるまでの間、モータ走行のための充分な電力を確保することが困難になる。
【００１３】
従って、以上説明したように、従来の燃料電池自動車のシステムにあっては、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスを燃料改質システムで生成可能になるまでの数分から数十分の間は、燃料改質システム、ひいては燃料電池システムの起動に多大な電力を必要としているので、バッテリの電力によるモータ走行に充分な電力を確保することができないため、充分な走行性能が得られないといった問題があった。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的としては、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる燃料電池自動車の電力配分制御装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料から改質ガスを生成する燃料改質装置と、空気を供給する空気供給装置と、この改質ガス及び空気を用いて電力を発生する燃料電池と、この燃料電池で発生された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により車両を駆動するモータとを備え、アクセル操作に応じて、燃料電池及び蓄電装置から燃料改質装置、空気供給装置及びモータへ供給される電力の配分を制御する燃料電池自動車の電力配分制御装置において、前記アクセルペダルによるキックダウン操作を検出する操作検出手段と、前記燃料改質装置及び前記空気供給装置を含む燃料改質システムの起動中に、キックダウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して前記モータに配分する電力を増加するように制御する制御手段とを有することを要旨とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料改質装置によって生成された改質ガス中に含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵システムを有し、前記制御手段は、前記水素貯蔵システムが起動後のときには、前記水素貯蔵システムの動作に要する電力は制限せず、前記水素貯蔵システムが起動中のときには、前記水素貯蔵システムの起動に要する電力も制限するように制御することを要旨とする。
【００１７】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段の検出結果に応じて、前記燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告する警告手段とを有することを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、燃料改質システムの起動中に、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して、モータに配分する電力を増加させる、すなわち、優先してモータに電力を配分することで、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる。
【００１９】
請求項２記載の本発明によれば、水素貯蔵システムを有する場合に、燃料改質システムの起動中に運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときでも、水素貯蔵システムが起動後であれば、水素貯蔵システムの動作に要する電力を制限しないことで、燃料改質システムが起動中であっても、水素貯蔵システムによってある程度の電力を燃料電池によって発電することができ、燃料改質システムの起動中でも充分な走行性能を得ることができる。
【００２０】
請求項３記載の本発明によれば、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出するようにしておき、運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告することで、運転者に適切な対処を促し、燃料改質システムが起動する前にバッテリが空になってしまうことを防止することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２２】
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。この燃料電池自動車は、燃料改質装置を有する燃料電池システムとバッテリとが搭載されたハイブリッド燃料電池自動車である。
【００２３】
燃料改質装置は、燃料改質器１と燃料器３からなる。燃料改質器１は、メタノールタンク５に蓄えられている燃料となるメタノール７を水タンク９からの水１１を用いて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス１３を生成する。このとき、場合によっては、コンプレッサ１５から供給される空気１７を用いてメタノール７の部分酸化による改質も行われる。なお、水蒸気改質は吸熱反応であり、部分酸化は発熱反応である。
【００２４】
燃料改質器１からの改質ガス１３とコンプレッサ１５からの空気１９とは燃料電池２１のアノード、カソードそれぞれの電極に送気され、改質ガス１３中の水素と空気１９中の酸素とを用いて電力が発電される。改質ガス１３中の水素と空気１９中の酸素は、燃料電池２１内ですべて消費されるわけではなく、一部を残して排出され、使用済み改質ガス２３、使用済み空気２５として燃焼器３に送気され、場合によっては、コンプレッサ１５からの空気２７とメタノールタンク５からのメタノール７と共に燃焼される。燃焼器３での燃焼反応による熱は、メタノール７や水１１を気化するために、上述した水蒸気改質の吸熱反応に供するために再利用される。
【００２５】
バッテリ２７は、燃料電池２１によって発電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する際のモータ２９による回生電力を蓄積すると共に、モータ２９で消費される走行電力や、コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３で消費される補機電力を賄うのに充分な発電が燃料電池２１によって行われなかった場合には、放電して不足電力を補う。
【００２６】
モータ２９と補機（コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３など）への電力の配分、すなわち、走行用電力と補機電力の配分は、電力調整器３１を介して行われる。制御装置３３は、運転者によるアクセルペダル３５の踏み込み量(アクセル開度)をポジションセンサ３７によって検出した信号と、車速とに基づいて電力調整器３１による電力配分を制御する。
【００２７】
なお、上述したように、運転者がイグニションキーをＯＮ操作して燃料電池自動車の運転を開始すると、燃料改質器１が起動するまでの数分から数十分の間は改質ガスの生成がないため、燃料電池２１は発電することができない。従って、モータ２９の走行電力は専らバッテリ２７によって賄われる。その後、燃料改質器１が、燃料電池２１で使用可能な基準量の改質ガスを生成するようになると、燃料電池２１は発電を開始することができる。しかし、燃料電池２１の温度が上昇していない段階ではまだ定格発電を行うことはできない。そこで、その後も発電を継続すると、燃料電池２１内の発熱によって燃料電池２１の温度が上昇し、所定の温度に達した段階で定格の発電が可能となる。
【００２８】
次に、図２は、通常の走行時におけるバッテリの電力配分マップＡを示す概念図である。なお、この電力配分マップＡは、制御装置３３の内部ＲＯＭにデータテーブルとして記憶されている。
【００２９】
制御装置３３は、通常の走行時に、この電力配分マップＡに従って電力配分を制御する。図２に示すＰmax は、バッテリから供給できる最大電力である。運転者によりアクセルが踏み込まれていくと、まず、走行用電力としてモータ２９に供給される電力が増加し（領域ａ）、モータ２９への走行用電力とコンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力との総和がＰmax に達した場合、以後はそれ以上のアクセル開度は無視され、一定の電力がモータ２９に供給される（領域ｂ）。この状態では、最大加速度が制限された走行性能になっている。
【００３０】
次に、図３は、キックダウン検出時におけるバッテリの電力配分マップＢを示す概念図である。なお、上記の電力配分マップＡと同様に、この電力配分マップＢも、制御装置３３の内部ＲＯＭにデータテーブルとして記憶されている。
【００３１】
制御装置３３は、運転者によるアクセルペダル３５のキックダウン操作を検出した際に、この電力配分マップＢに従って電力配分を制御する。すなわち、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれていくと、まず、上述した電力配分マップＡと同様に、走行用電力としてモータ２９に供給される電力が増加する（領域ｃ）。
【００３２】
しかし、モータ２９への走行用電力とコンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力との総和がＰmax に達すると、その後は、電力配分マップＡと異なり、コンプレッサ１５、燃料改質器１、燃焼器３、触媒ヒータ（図示せず）、電気式気化器（図示せず）といった燃料改質システムの起動に必要な補機電力を、この燃料改質システムを停止させない最低電力、例えば、触媒反応部であれば触媒燃焼の火を消さずに維持するのに必要な最低電力などの総和である最低必要補機電力Ｐmin になるまで、アクセル開度に応じて制限する（領域ｄ）。
【００３３】
そしてその後は、それ以上のアクセル開度は無視され、一定の電力がモータ２９に供給される（領域ｅ）。この状態では、充分な加速が得られる走行性能となっている。
【００３４】
次に、図５に示すキックダウン判断用マップを参照して、図４に示す制御フローチャートに従って燃料電池自動車の電力配分制御装置の制御動作を説明する。なお、図４に示す制御フローチャート及び図５に示すキックダウン判断用マップは、制御装置３３の内部ＲＯＭに制御プログラム及びデータテーブルとして記憶されている。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、制御装置３３は、図示しないモータ制御装置や車輪に取り付けた車輪速センサなどから車両の車速を読み込む。そして、ステップＳ２０では、ポジションセンサ３７から運転者によるアクセルペダル３５の踏み込み量(アクセル開度)を読み込む。
【００３６】
そして、ステップＳ３０では、制御装置３３は、ステップＳ１０で読み込まれた車速と、ステップＳ２０で読み込まれたアクセル開度とに基づいて、図５に示すキックダウン判断用マップに従ってキックダウン領域かどうか判断する。すなわち、運転者によるキックダウン操作の有無の判断は、図５に示すアクセル開度と車速のマップを用いて行われる。ここでは、図５に示すように、車速に応じて、あるアクセル開度を超えると、キックダウン操作があったと判断される。
【００３７】
ステップＳ３０でキックダウン領域でない場合には、ステップＳ４０に進み、制御装置３３は、通常の走行時であるため、電力調整器３１による電力配分制御を図２に示す電力配分マップＡに従って行う。
【００３８】
一方、ステップＳ３０でキックダウン領域である場合には、ステップＳ５０に進み、キックダウン検出時であるため、電力配分マップをＡからＢに切り替え、図３に示す電力配分マップＢに従って電力調整器３１による電力配分制御を行う。
【００３９】
このとき、電力配分マップＢによって電力配分されている時間に応じて、燃料改質システムの起動に必要な補機電力が制限されていることになるため、燃料改質システムの起動に要する時間が長くなる。そのため、燃料改質システムが起動していない状態でキックダウン操作を多用した場合、極端な場合には、燃料改質システムが起動する前にバッテリ２７が空になってしまうことも起こり得る。
【００４０】
そこで、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出するようにしておき、例えば、電力配分マップＢに従ってモータ２９に優先して配分した電力が予め設定された量を超えたときに、警報装置３９を介して運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告するようにしている。
【００４１】
この結果、第１の実施の形態に関する効果としては、燃料改質システムの起動中に、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して、モータ２９に配分する電力を増加させる。すなわち、優先してモータ２９に電力を配分することで(図３参照)、燃料改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることができる。
【００４２】
また、燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出したとき、運転者に燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告することで、運転者に適切な対処を促し、燃料改質システムが起動する前にバッテリ２７が空になってしまうことを防止することができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池自動車のシステムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００４４】
第２の実施の形態の特徴は、図６に示すように、水素貯蔵システム４１を設けたことにある。この水素貯蔵システム４１は、燃料改質器１によって生成された改質ガス４３中の水素を貯蔵し、必要に応じて純水素４５を燃料電池２１に送気する。水素貯蔵システム４１は、燃料改質システムの応答性の遅れを補助するのに加え、燃料改質システムの起動中に燃料電池２１を運転することを可能にする。
【００４５】
水素貯蔵システム４１としては、水素の貯蔵方法により、いくつかのシステムが考えられる。例えば、改質ガス４３を高圧タンクに圧縮して貯蔵する場合、水素貯蔵システム４１は、高圧タンクとコンプレッサなどから構成される。この場合、４５は純水素ではなく改質ガスである。また、水素吸蔵合金を用いた場合、水素貯蔵システム４１は、改質ガス４３から純水素を取り出すための水素純化装置、水素吸蔵合金を内蔵するタンク、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に加熱に用いるヒータなどから構成される。
【００４６】
このような水素貯蔵システム４１を有する場合、燃料改質システムの起動中であっても、ある程度の電力を、燃料電池２１によって発電することが可能であり、第１の実施の形態の説明に用いた図２に示す電力配分マップＡ及び図３に示す電力配分マップＢの電力を、バッテリ２７の電力に燃料電池２１の電力を加えたものとして、第１の実施の形態と同様に電力を配分すれば良い。このとき、水素貯蔵システム４１が立ち上がっていれば、水素貯蔵システム４１によって発電するのに要する補機電力よりも発電量の方が一般的には上回っている。このため、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、水素貯蔵システム４１によって発電するのに要する補機電力を制限する必要はない。
【００４７】
一方、例えば、水素吸蔵合金が冷えていて充分な発電ができないといったいわゆる水素貯蔵システム４１の起動中に、運転者のキックダウン操作を検出した場合には、水素貯蔵システム４１の起動に要する電力も、燃料改質システムの起動に要する電力と同じく、制限を加える。
【００４８】
この結果、第２の実施の形態に関する効果は、燃料改質システムの起動中に運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときでも、水素貯蔵システム４１が起動後であれば、水素貯蔵システム４１の動作に要する電力を制限しないことで、燃料改質システムが起動中であっても、水素貯蔵システム４１によってある程度の電力を燃料電池２１によって発電することができ、燃料改質システムの起動中でも充分な走行性能を得ることができる。
【００４９】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。以下、その変更例を説明する。
【００５０】
まず、第１及び第２の実施の形態においては、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作の有無の判断を、図５に示すように、車速とアクセル開度とで行う場合を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、アクセル踏み込み速度やアクセルプルスイッチの信号を用いたマップ又はアルゴリズムを使用しても良い。
【００５１】
また、第１及び第２の実施の形態においては、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力に制限を加える場合を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、カーエアコンをＯＦＦ制御するといった空調のための電力制限を加えて、電力配分マップを３種類用意しておき、アクセル開度と車速から運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に要する電力に制限を加え、更にはアクセル踏み込み速度が所定の値を超えたときには、カーエアコンをＯＦＦ制御するようにしても良い。
【００５２】
また、第１及び第２の実施の形態においては、強電系バッテリの電力配分を例にとって説明したが、このようにな場合に限定されるわけではない。例えば、走行用のバッテリを有するハイブリッド燃料電池自動車では、強電系を立ち上げるために強電系リレーをＯＮ制御する必要があるため、通常の自動車と同様の１２Ｖ又は２４Ｖ系バッテリを、電気自動車と同様に補助バッテリとして有しているのが一般的であり、このバッテリ電力も含めて電力配分を行うようにしても良い。例えば、アクセル開度がフルスロットルのときに、ヘッドライトやウインカなどの灯火電力を補助バッテリから配分するようにしても良い。
【００５３】
また、第１及び第２の実施の形態においては、燃料改質システムの起動中の電力配分を例にとって説明したが、このような場合に限定されるわけではない。例えば、燃料電池２１の暖機中であって、ある程度の発電は行うことができるものの、定格値に比べて発電量が少なく、従って、走行電力が不足しているような場合にも、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。
【図２】通常の走行時におけるバッテリの電力配分マップを示す概念図である。
【図３】キックダウン検出時におけるバッテリの電力配分マップを示す概念図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料電池自動車の電力配分制御装置の制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図５】キックダウン判断用マップを示す概念図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料改質器
３ 燃焼器
５ メタノールタンク
９ 水タンク
１５ コンプレッサ
２１ 燃料電池
２７ バッテリ
２９ モータ
３１ 電力調整器
３３ 制御装置
３７ ポジションセンサ
３９ 警報装置
４１ 水素貯蔵システム
Claims (3)
- 燃料から改質ガスを生成する燃料改質装置と、
空気を供給する空気供給装置と、
この改質ガス及び空気を用いて電力を発生する燃料電池と、
この燃料電池で発生された電力を充電するとともに、電力を放電する蓄電装置と、
燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により車両を駆動するモータとを備え、
アクセル操作に応じて、燃料電池及び蓄電装置から燃料改質装置、空気供給装置及びモータへ供給される電力の配分を制御する燃料電池自動車の電力配分制御装置において、
前記アクセルペダルによるキックダウン操作を検出する操作検出手段と、
前記燃料改質装置及び前記空気供給装置を含む燃料改質システムの起動中に、キックダウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して前記モータに配分する電力を増加するように制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池自動車の電力配分制御装置。 - 前記燃料改質装置によって生成された改質ガス中に含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵システムを有し、
前記制御手段は、
前記水素貯蔵システムが起動後のときには、前記水素貯蔵システムの動作に要する電力は制限せず、前記水素貯蔵システムが起動中のときには、前記水素貯蔵システムの起動に要する電力も制限するように制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車の電力配分制御装置。 - 前記燃料改質システムの起動に要する電力の不足を検出する電力検出手段と、
前記電力検出手段の検出結果に応じて、前記燃料改質システムの起動電力が不足していることを警告する警告手段とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池自動車の電力配分制御装置。
Priority Applications (3)
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| US09/563,854 US6447939B1 (en) | 1999-05-06 | 2000-05-04 | Electrical power distribution system for a fuel cell vehicle |
| DE10021945A DE10021945B4 (de) | 1999-05-06 | 2000-05-05 | Verteilungssystem für die elektrische Leistung für ein Brennstoffzellenfahrzeug |
Applications Claiming Priority (1)
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