JP4478172B2

JP4478172B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP4478172B2
Application number: JP2007131876A
Authority: JP
Inventors: 邦明尾島; 義一村上; 大齊藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: US8342275B2; DE602008003153D1; US20080283313A1; JP2008289281A; EP1992517A1; EP1992517B1

Description

本発明は、燃料電池車両に関する。詳しくは、燃料電池で発電された電力により駆動する燃料電池車両に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池が注目されている。燃料電池を搭載した燃料電池車両は、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、燃料電池システムで発電した電力により車輪を駆動するモータと、これらを制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。

以上の燃料電池車両では、燃料電池で発電した電力により、直接、モータを駆動するとともに、燃料電池で発電した電力をバッテリやコンデンサなどの蓄電装置に蓄電しておき、燃料電池で発電できない場合には、蓄電装置の電力でモータを駆動することも行われる。

ところで、このような燃料電池車両では、イグニッションをオンしてから、燃料電池の発電が開始されるまでに、時間がかかる。そのため、燃料電池の発電準備が完了するまでは、蓄電装置からの電力によりモータを駆動して走行し、燃料電池の発電準備が完了した後は、燃料電池で発電される電力でモータを駆動して走行することとしている。

ここで、蓄電装置からの電力によりモータを駆動する際に、必要なトルクを確保するため、蓄電装置の出力の上限値を設定する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−７３４７５号公報

しかしながら、上述のような燃料電池車両では、蓄電装置の出力のみを制御するため、アクセルを強く踏んでいる状態で、電力の供給源が蓄電装置から燃料電池に切り替わると、トルクの段付き感が生じるおそれがあった。

図５は、従来例に係る燃料電池車両のタイミングチャートである。
時刻ｔ０において、イグニッションがオンされ、時刻ｔ０からｔ１の期間では、バッテリの起動準備が行われ、時刻ｔ１において、バッテリから電力をモータに供給することが可能となる。よって、時刻ｔ１以降、モータに供給可能な電力は、バッテリに蓄電された電力であり、所定値Ａで一定となる。

その後、時刻ｔ２において、運転者によりアクセルペダルが踏まれて、この時刻ｔ２以降、アクセル開度が最大の状態が継続されるものとする。
すると、時刻ｔ２からｔ３の期間において、モータの起動時は、モータの回転数および消費電力が上昇し、トルクも急上昇する。その後、モータの消費電力は所定値Ａに到達して一定となり、モータの回転数もある程度まで上昇して、トルクが徐々に下降していく。

続いて、燃料電池の発電準備が完了し、時刻ｔ３において、燃料電池の発電が開始される。すると、モータに供給可能な電力は、急激に上昇して、所定値Ｂとなり、その後は一定となる。
したがって、モータの回転数および消費電力も、再び上昇し、トルクも急上昇する。その後、モータの消費電力は所定値Ｂに到達して一定となり、モータの回転数もある程度まで上昇して、トルクが再び徐々に下降することになる。

以上のように、時刻ｔ３において、電力の供給源が蓄電装置から燃料電池に切り替わると、時刻ｔ３になるまで徐々に下降していたトルクが急上昇し、トルクに段付き感が生じることになる。

本発明は、電力の供給源が蓄電装置から燃料電池に切り替わっても、トルクの段付き感を抑えることができる燃料電池車両を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池車両（例えば、後述の燃料電池車両１）は、車輪を駆動するモータ（例えば、後述のモータ４）と、反応ガスを反応させて発電し、前記モータに電力を供給する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、当該燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記モータに電力を供給する蓄電装置（例えば、後述のバッテリ３）と、を備えた燃料電池車両であって、前記燃料電池の発電準備が完了しない状態で走行する場合には、前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動して蓄電装置走行状態とする蓄電装置走行手段（例えば、後述のバッテリ走行部２１）と、前記燃料電池の発電準備が完了した状態で走行する場合には、前記燃料電池および前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動して燃料電池走行状態とする燃料電池走行手段（例えば、後述の燃料電池走行部２２）と、前記蓄電装置走行状態および前記燃料電池走行状態での前記モータのトルクの上限値を制御するトルク上限値制御手段（例えば、後述のトルク上限値制御部２３）を備え、前記トルク上限値制御手段は、前記蓄電装置走行状態では、前記燃料電池走行状態に比べて、前記モータのトルクの上限値を大きく制限することを特徴とする。

この発明によれば、蓄電装置走行状態では、燃料電池走行状態に比べて、モータのトルクの上限値を大きく制限した。よって、アクセルを強く踏んでいる状態で、電力の供給源が蓄電装置から燃料電池に切り替わっても、トルクの段付き感を抑えることができる。その結果、車両挙動が滑らかになり、商品性を向上できる。

この場合、前記トルク上限値制御手段は、前記蓄電装置走行状態から前記燃料電池走行状態に切り替わった後、トルクの上限値に加えていた制限を徐々に解除することが好ましい。

この発明によれば、蓄電装置走行状態から燃料電池走行状態に切り替わった後、トルクの上限値に加えていた制限を徐々に解除した。よって、蓄電装置走行状態から燃料電池走行状態に切り替わった直後に、トルクの上限値が上昇するのを防いで、トルクの段付き感をさらに抑えることができる。

本発明によれば、蓄電装置走行状態では、燃料電池走行状態に比べて、モータのトルクの上限値を大きく制限した。よって、アクセルを強く踏んでいる状態で、電力の供給源が蓄電装置から燃料電池に切り替わっても、トルクの段付き感を抑えることができる。その結果、車両挙動が滑らかになり、商品性を向上できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両１のブロック図である。
燃料電池車両１は、車輪を駆動するモータ４と、反応ガスを反応させて発電し、モータ４に電力を供給する燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスやエア（空気）を供給する供給装置２と、燃料電池１０で発電した電力を蓄電し、モータ４に電力を供給する蓄電装置としてのバッテリ３と、これらを制御する制御装置２０と、を有する。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

供給装置２は、図示しないが、燃料電池１０のカソード電極側にエアを供給するエアコンプレッサ、冷却器、および加湿器と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンクおよびエゼクタと、を含んで構成される。

燃料電池１０は、電力分配器５を介して、バッテリ３およびモータ４に接続されている。燃料電池１０で発電された電力は、バッテリ３およびモータ４に供給される。電力分配器５は、燃料電池１０からの出力を必要に応じて分配して、モータ４およびバッテリ３に供給する。

バッテリ３は、燃料電池１０で発電した電力を蓄電しておき、燃料電池１０の発電が停止している場合や、燃料電池１０の出力電圧が低下した場合には、モータ４に電力を供給する。

上述の燃料電池１０、供給装置２、バッテリ３、モータ４、および電力分配器５は、制御装置２０に接続される。
制御装置２０は、蓄電装置走行手段としてのバッテリ走行部２１と、燃料電池走行手段としての燃料電池走行部２２と、トルク上限値制御手段としてのトルク上限値制御部２３と、を備える。

バッテリ走行部２１は、燃料電池１０の発電準備が完了しない状態で走行する場合には、バッテリ３からの電力によりモータ４を駆動して、蓄電装置走行状態としてのバッテリ走行状態とする。
燃料電池走行部２２は、燃料電池１０の発電準備が完了した状態で走行する場合には、燃料電池１０からの電力によりモータ４を駆動して、燃料電池走行状態とする。

トルク上限値制御部２３は、バッテリ走行状態および燃料電池走行状態でのモータ４のトルクの上限値を制御する。アクセルの開度に応じた目標トルク値がトルク上限値以下であれば、モータ４のトルクを目標トルク値にする。一方、目標トルク値がトルク上限値を超える場合には、モータ４のトルクをトルク上限値とする。
このトルク上限値制御部２３は、バッテリ走行基準値算出部２３１と、燃料電池走行基準値算出部２３２と、トルク上限値決定部２３３と、を備える。

バッテリ走行基準値算出部２３１は、モータ回転数を用いて、バッテリ走行状態における、トルク上限の基準値を算出する。
燃料電池走行基準値算出部２３２は、モータ回転数を用いて、燃料電池走行状態における、トルク上限の基準値を算出する。
図２は、モータ回転数とトルク上限の基準値との関係を示す図である。
バッテリ走行状態では、モータ回転数が上昇するに従って、トルク上限基準値が低下する。
燃料電池走行状態では、モータ回転数がゼロから所定値Ｒに到達するまでは、モータ回転数が上昇しても、トルク上限基準値は、所定値Ｔであり、一定である。しかし、モータ回転数が所定値Ｒ以上では、モータ回転数が上昇するに従って、トルク上限基準値が低下する。

トルク上限値決定部２３３は、バッテリ走行状態では、燃料電池走行状態に比べて、モータ４のトルクの上限値を大きく制限する。すなわち、燃料電池１０の発電準備中では、バッテリ３からの電力によりモータ４を駆動する。この場合、燃料電池１０からの電力によりモータ４を駆動する場合に比べて、運転者が同じ操作をした場合の目標トルク（消費電力）を大きく制限する。

具体的には、バッテリ走行状態における動作について説明する。
バッテリ走行状態では、モータ４が使用可能な電力は、バッテリ３の残量や出力限界、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力限界、補機の消費電力などにより決定される。

トルクの上限値は、モータ４が使用可能な電力を全て利用した場合、最大となる。しかしながら、バッテリ走行状態では、この最大のトルク上限値よりも低いトルク上限の基準値を設定し、このトルク上限の基準値を、トルク上限値とする。このようにして、トルクの上限値を制限する。

上述のように、本実施形態では、トルク上限の基準値を、モータ回転数に基づいて算出したが、これに限らず、バッテリ走行時間や、燃料電池起動完了までの残り時間に基づいて算出してもよい。

次に、燃料電池走行状態における動作について説明する。
燃料電池走行状態では、モータ４が使用可能な電力は、燃料電池１０の発電能力や出力限界、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力限界、補機の消費電力などにより決定される。

バッテリ走行中では、トルク上限値は、制限されていたが、燃料電池走行に切り替わった後、トルクの上限値に加えられていた制限を徐々に解除して、トルク上限値を徐々に上昇させ、本来のトルク上限値に近づけていく。

すなわち、バッテリ走行中では、モータ回転数に基づいて、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値を算出していた。燃料電池走行に切り替わった後も、モータ回転数に基づいて、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値を算出する。そして、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値と、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値と、を補間する係数を設定し、この係数を変化させて、トルク上限値を、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値から、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値に近づける。

なお、これに限らず、燃料電池走行に切り替わった後、トルク上限値を、固定の変化量で徐々に大きくしてもよいし、燃料電池走行に変わってからの時間で算出された変化量で徐々に大きくしてもよいし、モータ回転数を用いて算出された変化量で徐々に大きくしてもよい。

燃料電池車両１の動作について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、イグニッションがオンされて、燃料電池１０の起動を開始する（ＳＴ１）。
次に、バッテリの起動状態をチェックして、バッテリによる走行が可能であるか否かを判定する（ＳＴ２）。この判定がＮＯの場合には、再び、ＳＴ２に戻り、ＹＥＳの場合には、バッテリによる走行が可能であるため、ＳＴ３に移る。

ＳＴ３では、補正係数Ｋをゼロに設定する。
ＳＴ４では、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値を算出し、さらに、アクセル開度に応じて、モータ出力の目標となる目標トルクを算出する。

ＳＴ５では、燃料電池の起動が完了した否かを判定する。この判定がＮＯの場合には、バッテリ走行状態となるので、トルク上限値に制限を加えて、目標トルクの上限値を、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値とする（ＳＴ６）。その後、トルクリミット処理を行って、バッテリ走行を行う（ＳＴ７）。

ＳＴ５の判定がＹＥＳの場合には、燃料電池走行状態となるので、補正係数ＫをΔＫだけ増加させる（ＳＴ８）。
次に、この補正係数Ｋの値が１以上であるか否かを判定する（ＳＴ９）。この判定がＮＯの場合には、トルク上限値に加えられていた制限をさらに解除する（ＳＴ１０）。具体的には、補正係数Ｋの値に基づいて、目標トルクの上限値を、以下の式に従って算出する。

目標トルク上限値
＝燃料電池走行トルク上限基準値×Ｋ＋バッテリ走行トルク上限基準値×（１−Ｋ）

その後、トルクリミット処理を行って、燃料電池走行を行う（ＳＴ１１）。

ＳＴ９の判定がＹＥＳの場合には、トルク上限値に加えられていた制限が完全に解除されて、トルク上限値が、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値に到達したので、目標トルクの上限値を、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値とする（ＳＴ１２）。その後、トルクリミット処理を行って、燃料電池走行を行う（ＳＴ１３）。

図４は、燃料電池車両１のタイミングチャートである。
時刻ｔ０において、イグニッションがオンされ、時刻ｔ０からｔ１の期間では、バッテリの起動準備が行われ、時刻ｔ１において、バッテリから電力をモータに供給することが可能となる。よって、時刻ｔ１以降、モータに供給可能な電力は、バッテリに蓄電された電力であり、所定値Ａで一定となる。

その後、時刻ｔ２において、運転者によりアクセルペダルが踏まれて、この時刻ｔ２以降、アクセル開度が最大の状態が継続されるものとする。
すると、時刻ｔ２からｔ３の期間において、トルク上限値が制限されており、トルク上限値は、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値に等しくなっている。
よって、モータ４の起動時であっても、従来に比べて、モータ４の回転数および消費電力が緩やかに上昇し、トルクも緩やかに上昇する。その後、モータの回転数もある程度まで上昇してトルクが下降するが、このトルクは、従来に比べて緩やかに下降する。

続いて、燃料電池１０の発電準備が完了し、時刻ｔ３において、燃料電池１０の発電が開始される。すると、モータ４に供給可能な電力は、急激に上昇して、所定値Ｂとなり、その後は一定となる。
すると、トルクの上限値に加えられていた制限が徐々に解除されて、モータの回転数および消費電力は、引き続き、従来に比べて緩やかに上昇し、モータの消費電力は所定値Ｂに到達する。一方、トルクは、時刻ｔ３以前に比べてさらに緩やかに下降し、本来のトルク上限値に近づいていく。つまり、トルク上限値は、バッテリ走行状態におけるトルク上限の基準値から、燃料電池走行状態におけるトルク上限の基準値に徐々に移行する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）バッテリ走行状態では、燃料電池走行状態に比べて、モータ４のトルクの上限値を大きく制限した。よって、アクセルを強く踏んでいる状態で、電力の供給源がバッテリ３から燃料電池１０に切り替わっても、トルクの段付き感を抑えることができる。その結果、車両挙動が滑らかになり、商品性を向上できる。

（２）バッテリ走行状態から燃料電池走行状態に切り替わった後、トルク上限値に加えていた制限を徐々に解除した。よって、バッテリ走行状態から燃料電池走行状態に切り替わった直後に、トルク上限値が上昇するのを防いで、トルクの段付き感をさらに抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、蓄電装置としてバッテリ３を用いたが、これに限らず、キャパシタを用いてもよい。

また、本実施形態では、トルクの上限値を制限したが、これに限らず、以下の２つの手法に示すように、アクセル開度に応じて目標トルクを制限してもよい。

すなわち、第１の手法は、バッテリ走行状態では、第１のトルク算出マップを用いて、アクセル開度に応じた目標トルク値を求める。燃料電池走行状態では、第２のトルク算出マップを用いて、アクセル開度に応じた目標トルク値を求める。同じアクセル開度でも、第１のトルク算出マップで求める目標トルクを、後述の第２のトルク算出マップで求める目標トルクよりも、小さくしておく。
そして、燃料電池走行に切り替わった後、第１のトルク算出マップで求めた目標トルク値と、第２のトルク算出マップで求めた目標トルク値と、を補間する係数を設定し、この係数を変化させて、目標トルク値を、第１のトルク算出マップで求めた目標トルク値から、第２のトルク算出マップで求めた目標トルク値に近づける。

また、第２の手法は、バッテリ走行状態でも、燃料電池走行状態でも、同じトルク算出マップを用いて、アクセル開度に応じた目標トルク値を求める。ここで、バッテリ走行状態では、求めた目標トルク値に補正係数を積算して、目標トルク値とする。燃料電池走行に切り替わった後、補正係数を積算した目標トルク値に、さらに、係数を積算して、この係数を徐々に大きくして、目標トルク値を、補正係数を積算した目標トルク値から、補正係数を積算していない目標トルク値に近づける。

本発明の実施形態に係る燃料電池車両の構成を示すブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池車両について、モータ回転数とトルク上限基準値との関係を示す図である。前記実施形態に係る燃料電池車両の動作のフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池車両のタイミングチャートである。本発明の従来例に係る燃料電池車両のタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池車両
３バッテリ（蓄電装置）
４モータ
１０燃料電池
２１バッテリ走行部（蓄電装置走行手段）
２２燃料電池走行部（燃料電池走行手段）
２３トルク上限値制御部（トルク上限値制御手段）

Claims

車輪を駆動するモータと、
反応ガスを反応させて発電し、前記モータに電力を供給する燃料電池と、
当該燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記モータに電力を供給する蓄電装置と、を備えた燃料電池車両であって、
前記燃料電池の発電準備が完了しない状態で走行する場合には、前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動して蓄電装置走行状態とする蓄電装置走行手段と、
前記燃料電池の発電準備が完了した状態で走行する場合には、前記燃料電池および前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動して燃料電池走行状態とする燃料電池走行手段と、
前記蓄電装置走行状態および前記燃料電池走行状態での前記モータのトルクの上限値を制御するトルク上限値制御手段を備え、
前記トルク上限値制御手段は、前記蓄電装置走行状態では、前記燃料電池走行状態に比べて、前記モータのトルクの上限値を大きく制限することを特徴とする燃料電池車両。
請求項１に記載の燃料電池車両において、
前記トルク上限値制御手段は、前記蓄電装置走行状態から前記燃料電池走行状態に切り替わった後、トルクの上限値に加えていた制限を徐々に解除することを特徴とする燃料電池車両。