JP4649856B2 - 電気システムの制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気システムの制御装置に関し、特に、電気システムに対する停止要求が検知された場合に、キャパシタに電力を残存させる電気システムの制御装置に関する。
従来より、モータからの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車および電気自動車などが知られている。このような車両においては、車両の運動エネルギを回生エネルギとして有効に回収するため、制動時にモータを発電機として作動させて電力を発電し、2次電池やキャパシタに蓄電させている。
特開平9−271102号公報(特許文献1)は、電源装置を構成するキャパシタユニット間に発生した充電量の不均一を解消することのできる電動車両を開示する。特許文献1に開示された電動車両は、車両を駆動する駆動モータと、直列に接続された複数のキャパシタユニットからなるキャパシタを有し可動部との間で電力の授受を行う蓄電部と、車両の停止を検出する車両停止検出部と、この車両停止検出部が予め設定された時間の車両停止を検出した場合に、各キャパシタユニットにおける充電容量の均一化を行う均一化部とを含む。均一化部は、各キャパシタユニットに並列接続された逆流防止用のダイオードと、キャパシタを放電させる放電部とを含む。キャパシタの放電は、全てのキャパシタのエネルギ残量が0になるように、放電抵抗器、回転することを防止するためにロックされた発電機モータおよび発電機モータの空回転により行なわれる。
この公報に開示された電動車両によると、走行中の頻繁な充放電により各キャパシタユニット間の充電レベルに差異が生じても、車両停止の都度キャパシタの充電レベルが均一になるように、全てのキャパシタのエネルギ残量が0にリセットされるので、過充電による寿命劣化を少なくすることができる。また搭載キャパシタの定格容量を最大限活用することができる。
特開平9−271102号公報 特開平8−196006号公報 特開2000−156919号公報 特開2002−313394号公報
しかしながら、特開平9−271102号公報に開示された電動車両においては、全てのキャパシタのエネルギ残量が0になるように、キャパシタの放電が行なわれる。すなわち、キャパシタの電気エネルギを無駄に捨てているため、電力の有効利用という観点で、さらなる改良の余地がある。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、キャパシタに蓄えられた電力を有効に利用することができる電気システムの制御装置を提供することである。さらに、本発明の目的は、キャパシタの劣化を抑制できる電気システムの制御装置を提供することである。
第1の発明に係る電気システムの制御装置は、発電装置と、キャパシタと、キャパシタに蓄えられた電力を消費する電気機器とを有する電気システムを制御する。この制御装置は、電気システムに対する停止要求を検知するための手段と、停止要求が検知された場合、停止要求により停止された発電装置を始動させるために必要な始動電力が、キャパシタに残存するように、電気システムを制御するための制御手段と、停止要求が検知された場合に、キャパシタに蓄えられた電力を検知するための手段と、キャパシタに蓄えられた電力が、始動電力よりも大きいか否かを判別するための手段とを含み、制御手段は、キャパシタに蓄えられた電力が、始動電力よりも大きいと判別された場合、キャパシタに蓄えられた電力が始動電力になるまで、電気機器を作動させて、キャパシタに蓄えられた電力を消費するように、電気システムを制御するための手段を含む。
第1の発明によると、次回電気システムを起動するときは、キャパシタに残存させられた電力を用いて発電装置を始動させることができる。これにより、キャパシタに蓄えられた電力を有効に利用することができる。電気システムを停止させる際に、キャパシタの余剰電力が消費されるので、キャパシタに蓄えられる電力を抑制し、キャパシタの劣化を抑制することができる。
第2の発明に係る電気システムの制御装置は、第1の発明の構成に加え、発電装置は、燃料電池である。電気機器は、燃料電池を作動させる補機である。
第2の発明によると、キャパシタの余剰電力が燃料電池を作動させる補機により消費されるので、余剰電力を有効に利用して、燃料電池の停止処理を行なうことができる。
第3の発明に係る電気システムの制御装置においては、第1の構成に加え、電気システムは車両に搭載されている。電気機器は、車両に搭載された電気機器である。
第3の発明によると、キャパシタの余剰電力を車両に搭載された電気機器により消費し、キャパシタの余剰電力を有効に利用することができる。
第4の発明に係る電気システムの制御装置は、第1の発明の構成に加え、キャパシタに蓄えられた電力が、始動電力よりも小さいか否かを判別するための手段とをさらに含む。制御手段は、検知された電力が始動電力よりも小さいと判別された場合、キャパシタに蓄電された電力が始動電力になるまで、発電装置を発電させて、キャパシタに電力を蓄えさせるように、電気システムを制御するための手段を含む。
第4の発明によると、電気システムを停止する際にキャパシタに電力を残存させ、次回電気システムを起動するときは、キャパシタに残存させられた電力を用いて発電装置を始動させることができる。これにより、キャパシタに蓄えられた電力を有効に利用することができる電気システムの制御装置を提供することができる。
第5の発明に係る電気システムの制御装置は、第1ないし4のいずれかの発明の構成に加え、制御装置は、キャパシタの劣化度合を判定するための手段と、キャパシタの劣化度合に基づいて、始動電力を決定するための手段とをさらに含む。
第5の発明によると、キャパシタの劣化度合に応じた電力がキャパシタに残存するので、キャパシタの劣化の進行を抑制することができる。
第6の発明に係る電気システムの制御装置は、第1の発明の構成に加え、発電装置は、燃料電池である。始動電力は、燃料電池に水素を供給する水素ポンプと、燃料電池に空気を供給するエアポンプとを駆動させるために必要な電力である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
<第1の実施の形態>
図1を参照して、本実施の形態に係る電気システムの制御装置を搭載した燃料電池車について説明する。この燃料電池車は、燃料電池100と、キャパシタ200と、走行用インバータ400と、走行用モータ500と、補機インバータ600と、補機モータ700と、ECU(Electronic Control Unit)800とを含む。本実施の形態に係る電気システムの制御装置は、たとえばECU800が実行するプログラムにより実現される。
燃料電池100は、水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電する。燃料電池100で発電された電力は、キャパシタ200に蓄えられたり、燃料電池車に搭載された機器類により消費されたりする。なお、燃料電池100には、周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではさらなる説明は繰返さない。
キャパシタ200は、複数のセル(電気二重層コンデンサ)を直列に接続して構成されている。走行用インバータ400は、燃料電池100およびキャパシタ200から供給された直流電力を交流電力に変換し、走行用モータ500を駆動させる。回生制動時には、走行用モータ500で発電された交流電力を直流電力に変換し、キャパシタ200に供給する。
走行用モータ500は、三相交流回転電機である。走行用モータ500からの駆動力により、燃料電池車が走行する。回生制動時には、車輪(図示せず)により走行用モータ500が駆動され、走行用モータ500が発電機として作動させられる。これにより、走行用モータ500は、制動エネルギを電気エネルギに変換する回生ブレーキとして作動する。
補機インバータ600は、燃料電池100およびキャパシタ200から供給された直流電力を交流電力に変換し、補機モータ700を駆動させる。補機モータ700は、燃料電池100の作動のために駆動する補機を駆動する。燃料電池100の作動のために駆動する補機については後述する。
ECU800には、電圧計802およびスタートスイッチ804が接続されている。電圧計は、システム電圧(キャパシタ200の電圧)を検知し、検知結果を表す信号をECU800に送信する。スタートスイッチ804は、燃料電池車の運転者により操作される。スタートスイッチ804がオンにされると、ECU800は、車両のシステムを起動させる。スタートスイッチ804がオフにされると、ECU800は、車両のシステムを停止させる。
ECU800は、車両の運転状態や、アクセル開度センサ(図示せず)により検知されたアクセル開度、ブレーキペダルの踏み量、シフトポジション、キャパシタ200の電圧、スタートスイッチ804の操作状態、ROM(Read Only Memory)に保存されたマップおよびプログラム等に基づいて、車両が所望の運転状態となるように、燃料電池車に搭載された機器類を制御する。
図2を参照して、燃料電池100の作動に関する機器類について説明する。図2に示すように、燃料電池車は、水素タンク102と、水素ポンプ104と、エアフィルタ106と、エアポンプ108と、加湿器110と、ウォータポンプ112と、希釈器114とを含む。
水素タンク102は、水素を貯蔵する。なお、水素タンク102の代わりに、水素吸蔵合金を用いても構わない。燃料電池100を発電させる場合、水素タンク102に蓄えられた水素は、水素ポンプ104により、燃料電池100のアノード側に送られる。燃料電池100の発電を停止させる場合に水素ポンプ104を駆動させると、燃料電池100のアノード側から、残存している水素を排出する停止処理が行なわれる。水素ポンプ104は、補機モータ700により駆動させられるポンプである。
燃料電池100のカソード側には、エアポンプ108から空気が送られる。燃料電池100を発電させる場合、エアポンプ108が駆動すると、エアフィルタ106から空気が吸入され、吸入された空気が、加湿器110により加湿された後、燃料電池100のカソード側に送られる。燃料電池100の発電を停止させる場合にエアポンプ108を駆動させると、エアフィルタ106から吸入された空気が、加湿されずに燃料電池100のカソード側に送られ、燃料電池100を乾燥させる停止処理が行なわれる。エアポンプ108は、補機モータ700により駆動させられるポンプである。
ウォータポンプ112は、燃料電池100を冷却する冷却水を吐出する。ウォータポンプ112が吐出した冷却水は、燃料電池100内を循環する。ウォータポンプ112は、補機モータ700により駆動させられるポンプである。
燃料電池100のアノード側を通過した水素およびカソード側を通過した空気は、希釈器114に導かれる。希釈器114により水素の濃度が希釈され、希釈された水素が車外に排出される。
図1および図2においては、補機モータ700を1つのみ記載しているが、補機モータ700は、水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112に対応して設けられている。なお、本実施の形態においては、キャパシタ200から供給された電力を直流電力から交流電力に変換して補機モータ700を駆動させているが、インバータ600を、補機インバータ600を介さずに、直流電力により補機モータ700を駆動するように構成してもよい。
図3を参照して、本実施の形態に係る電気システムの制御装置において、ECU800が実行するプログラムの制御構造について説明する。
ステップ(以下、ステップをSと略す)100にて、ECU800は、スタートスイッチ804が、オフにされたか否かを判別する。スタートスイッチ804がオフにされた場合(S100にてYES)、処理はS102に移される。そうでない場合(S100にてNO)、この処理は終了する。
S102にて、ECU800は、キャパシタ200の劣化度合を判定する。キャパシタ200の劣化度合を判定するには、たとえば、初めてキャパシタ200が印加されてからの積算時間とメモリ(図示せず)に記憶されたマップとに基づいて算出するなど、周知の一般的な技術を利用すればよい。したがって、ここではその詳細な説明は繰返さない。
S104にて、ECU800は、キャパシタ200の劣化度合に基づいて、キャパシタ200の目標電圧V(OCV)を決定する。目標電圧V(OCV)は、燃料電池100を停止させた後、再度始動させるときに、水素ポンプ104およびエアポンプ108を駆動させるために必要な電力がキャパシタ200に蓄えられるような値に決定される。目標電圧V(OCV)の値は、キャパシタ200の劣化度合が大きいほど低い値に決定される。
S106にて、ECU800は、電圧計802により、システム電圧V(INV)を検知する。なお、システム電圧V(INV)は、キャパシタ200の電圧と同じである。S108にて、ECU800は、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも大きいか否かを判別する。システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも大きい場合(S108にてYES)、処理はS110に移される。そうでない場合(S108にてNO)、処理はS120に移される。
S110にて、ECU800は、システム電圧V(INV)と目標電圧V(OCV)との電圧差ΔVを算出する。S112にて、ECU800は、キャパシタ200に蓄えられた電力を用いて、補機モータ700を駆動させ、水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112を駆動させる。なお、水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112の少なくともいずれか1つを駆動させるようにしてもよい。水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112を駆動させる回転数は、電圧差ΔVに基づいて、ECU800のメモリに記憶されたマップに従って、それぞれ決定される。
S114にて、ECU800は、システム電圧V(INV)を検知する。S116にて、ECU800は、システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)と等しいか否かを判別する。システム電圧V(INV)と目標電圧V(OCV)とが等しい場合(S116にてYES)、処理はS118に移される。そうでない場合(S116にてNO)、処理はS110に移される。
S118にて、ECU800は、補機モータ700を停止し、水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112を停止する。S119にて、ECU800は、システムを停止させる。
S120にて、ECU800は、システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)よりも低いか否かを判別する。システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)よりも低い場合(S120にてYES)、処理はS122に移される。そうでない場合(S120にてNO)、処理はS119に移される。
S122にて、ECU800は、燃料電池100の内部に残存している水素および空気(酸素)を利用して、燃料電池100を発電させる。このときに燃料電池100で発電された電力は、キャパシタ200に蓄えられる。
S124にて、ECU800は、システム電圧V(INV)を検知する。S126にて、ECU800は、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)と等しいか否かを判別する。システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)と等しい場合(S126にてYES)、処理はS128に移される。そうでない場合(S126にてNO)、処理はS122に移される。S128にて、ECU800は、燃料電池100の発電を停止する。
以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る電気システムの制御装置におけるECU800の動作について説明する。
システムの起動中に、スタートスイッチ804が運転者によりオフ操作されると(S100にてYES)キャパシタ200の劣化度合が判定され(S102)、目標電圧V(OCV)が決定される(S104)。システム電圧V(INV)が検知され(S106)、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも高い場合(S108にてYES)、電圧差ΔVが算出され(S110)、電圧差ΔVと対応した回転数で、水素ポンプ104、エアポンプ108およびウォータポンプ112が、補機モータ700により駆動させられる(S112)。
これにより、図4に示すように、システム電圧V(INV)が、次第に低下していき、システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)と等しくなると(S116にてYES)駆動されていた補機が停止させられ(S118)、システムの停止が完了する(S119)。
システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)まで低下させられることにより、図5に示すように、システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)よりも高い場合に比べて、時間経過に伴うキャパシタ200の劣化(静電容量の低下)が抑制される。
また、次回燃料電池100を発電させてシステムを起動する場合は、キャパシタ200に蓄えられた電力を用いて、水素ポンプ104およびエアポンプ108を駆動させることができる。そのため、キャパシタ200に蓄えられた電力を有効に利用することができる。
スタートスイッチ804がオフに操作された場合に(S100にてYES)、システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)よりも高くない場合は(S108にてNO)、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも低いか否かが判別される(S120)。システム電圧V(INV)が目標電圧V(OCV)よりも低ければ(S120にてYES)、燃料電池100の内部に残存している水素および酸素を用いて、燃料電池100の発電が継続して行なわれる(S122)。燃料電池100が継続して発電することにより、キャパシタ200に電力が蓄えられ続け、図6に示すように、システム電圧V(INV)が増加していく。
システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)と等しくなると(S126にてYES)、燃料電池100の発電が停止させられ(S128)、システムの停止が完了する(S119)。
これにより、次回燃料電池100を起動して発電させるために水素ポンプ104およびエアポンプ108を駆動させるために必要な電力をキャパシタ200に蓄えておくことができる。
なお、補機モータ700を、たとえば燃料電池車のパワーウィンドウやサンルーフなどを駆動するために用いてもよい。キャパシタ200の余剰電力を、燃料電池車に搭載されたナビゲーションシステム、ランプおよびエアコンディショナなどを作動させるために消費するように構成してもよい。
以上のように、本実施の形態に係る電気システムの制御装置におけるECUは、スタートスイッチがオフ操作されると、システムを停止した後、次回システム起動時に、水素ポンプおよびエアポンプを駆動させ、燃料電池を始動して発電させるために必要な電力が、キャパシタに残存するように、水素ポンプ、エアポンプおよびウォータポンプを駆動させたり、燃料電池を発電させたりする。これにより、キャパシタに残存させられた電力を用いて、次回燃料電池を駆動させることができ、キャパシタに蓄えられた電力を有効に利用することができる。
<第2の実施の形態>
図7を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る電気システムの制御装置について説明する。前述の第1の実施の形態においては、キャパシタの余剰電力を、水素ポンプ、エアポンプおよびウォータポンプを駆動して消費していたが、本実施の形態においては、エアコンプレッサを駆動することによりキャパシタの余剰電力を消費する。エアコンプレッサにより圧縮された空気は、蓄圧タンクに蓄えられる。
その他の構成については、前述の第1の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがってそれらの詳細な説明はここでは繰返さない。
図7に示すように、燃料電池車は、エアコンプレッサ900と、蓄圧タンク1000とをさらに含む。エアコンプレッサ900は、キャパシタ200から供給された電力により駆動する。蓄圧タンク1000は、エアコンプレッサ900から送られた空気を蓄える。
蓄圧タンク1000に蓄えられた空気は、燃料電池100を始動させる際に燃料電池100のカソード側に送られる。スタートスイッチ804が運転者によりオフ操作された場合に、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも高ければ、キャパシタ200の電力がエアコンプレッサ900を駆動するために消費される。このように構成すれば、前述の第1の実施の形態の効果に加え、次回システム起動時に、蓄圧タンク1000に蓄えられた空気を利用して、燃料電池100を始動させることができる。
<第3の実施の形態>
図8を参照して、本発明の第3の実施の形態について説明する。前述の第1の実施の形態においては、水素ポンプおよびエアポンプの少なくともいずれか一方を駆動することにより、キャパシタ200の余剰電力を消費していたが、本実施の形態においては、キャパシタ200の余剰電力を、補機バッテリに蓄える。その他の構成については前述の第1の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰返さない。
図8に示すように、燃料電池車は、補機インバータ1100と、補機モータ1200と、補機バッテリ1300とを含む。補機インバータ1100は、キャパシタ200から供給された直流電力を交流電力に変換して、補機モータ1200に供給する。
補機モータ1200は、三相交流回転電機である。補機モータ1200は、燃料電池車に搭載されたエアコンディショナや、キャパシタを冷却する冷却ファンなどの電気機器を駆動する。
補機バッテリ1300は、鉛蓄電池である。なお、鉛蓄電池以外の二次電池を用いて補機バッテリ1300を構成してもよい。補機バッテリ1300の正極側が補機モータ1200に接続されている。補機バッテリ1300の負極側が補機インバータ1100に接続されている。スタートスイッチ804がオフ操作された場合に、システム電圧V(INV)が、目標電圧V(OCV)よりも高ければ、キャパシタ200の余剰電力は、補機インバータ1100および補機モータ1200を介して補機バッテリ1300に蓄えられる。
このように構成すれば、前述の第1の実施の形態の効果に加え、次回システム起動時において、補機バッテリ1300に蓄えられた電力を用いて、補機モータ1200を駆動させることができる。なお、補機モータ1200を駆動して、キャパシタ200の余剰電力を消費するように構成してもよい。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の第1の実施の形態に係る電気システムの制御装置を搭載した燃料電池車を示す制御ブロック図(その1)である。 本発明の第1の実施の形態に係る電気システムの制御装置を搭載した燃料電池車を示す制御ブロック図(その2)である。 本発明の第1の実施の形態に係る電気システムの制御装置において、ECUが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。 システム電圧V(INV)の推移を示すタイミングチャート(その1)である。 キャパシタの劣化度合の推移を示す図である。 システム電圧V(INV)の推移を示すタイミングチャート(その2)である。 本発明の第2の実施の形態に係る電気システムの制御装置を搭載した燃料電池車を示す制御ブロック図である。 本発明の第3の実施の形態に係る電気システムの制御装置を搭載した燃料電池車を示す制御ブロック図である。
符号の説明
100 燃料電池、200 キャパシタ、400 走行用インバータ、500 走行用モータ、600 補機インバータ、700 補機モータ、800 ECU、802 電圧計、804 スタートスイッチ、102 水素タンク、104 水素ポンプ、106 エアフィルタ、108 エアポンプ、110 加湿器、112 ウォータポンプ、114 希釈器、900 エアコンプレッサ、1000 蓄圧タンク、1100 補機インバータ、1200 補機モータ、1300 補機バッテリ。

Claims (6)

  1. 発電装置と、キャパシタと、前記キャパシタに蓄えられた電力を消費する電気機器とを有する電気システムの制御装置であって、
    前記電気システムに対する停止要求を検知するための手段と、
    前記停止要求が検知された場合、前記停止要求により停止された前記発電装置を始動させるために必要な始動電力が、前記キャパシタに残存するように、前記電気システムを制御するための制御手段と、
    前記停止要求が検知された場合に、前記キャパシタに蓄えられた電力を検知するための手段と、
    前記キャパシタに蓄えられた電力が、前記始動電力よりも大きいか否かを判別するための手段とを含み、
    前記制御手段は、前記キャパシタに蓄えられた電力が、前記始動電力よりも大きいと判別された場合、前記キャパシタに蓄えられた電力が前記始動電力になるまで、前記電気機器を作動させて、前記キャパシタに蓄えられた電力を消費するように、前記電気システムを制御するための手段を含む、電気システムの制御装置。
  2. 前記発電装置は、燃料電池であって、
    前記電気機器は、前記燃料電池を作動させる補機である、請求項1に記載の電気システムの制御装置。
  3. 前記電気システムは車両に搭載され、
    前記電気機器は、前記車両に搭載された電気機器である、請求項1に記載の電気システムの制御装置。
  4. 前記制御装置は、
    前記キャパシタに蓄えられた電力が、前記始動電力よりも小さいか否かを判別するための手段とをさらに含み、
    前記制御手段は、前記検知された電力が前記始動電力よりも小さいと判別された場合、前記キャパシタに蓄電された電力が前記始動電力になるまで、前記発電装置を発電させて、前記キャパシタに電力を蓄えさせるように、前記電気システムを制御するための手段を
    含む、請求項1に記載の電気システムの制御装置。
  5. 前記制御装置は、
    前記キャパシタの劣化度合を判定するための手段と、
    前記キャパシタの劣化度合が大きいほど低くなるように前記始動電力を決定するための手段とをさらに含む、請求項1ないし4のいずれかに記載の電気システムの制御装置。
  6. 前記発電装置は、燃料電池であって、
    前記始動電力は、前記燃料電池に水素を供給する水素ポンプと、前記燃料電池に空気を供給するエアポンプとを駆動させるために必要な電力である、請求項1に記載の電気システムの制御装置。
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