JP4769226B2

JP4769226B2 - 燃料電池車両

Info

Publication number: JP4769226B2
Application number: JP2007141278A
Authority: JP
Inventors: 邦明尾島; 義一村上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: JP2008301543A

Description

本発明は、燃料電池の発電電力及び蓄電装置の放電電力を駆動モータに供給させてこの駆動モータの駆動力により走行させる燃料電池車両に関する。

従来の燃料電池車両として、特許文献１に記載されたものが知られている。この従来の燃料電池車両は、電気化学反応を行って発電する燃料電池及び当該燃料電池を発電させる補機を有する燃料電池システムを起動させて、充電した燃料電池の発電電力を二次電池から駆動モータに供給して走行させるものである。

前記従来の燃料電池車両は、起動時に走行制御部では、二次電池の放電電力を補機に供給して燃料電池の起動状態を監視し、当該燃料電池の起動状態が所定の状態になった場合に、二次電池の充電電力及び燃料電池が起動完了するまでの時間に基づいて二次電池の放電電力の上限値を設定し、当該上限値を二次電池から駆動モータに供給させて駆動トルクを発生させる。

そして、前記従来の燃料電池車両は、前述の動作をするに際し、燃料電池（ＦＣ）の起動方式を選択し、燃料電池の起動状態を監視してＦＣ起動状態番号を決定し、ＦＣ起動状態番号が決定された前記ＦＣ起動状態番号以上になったときに二次電池（バッテリ）走行を許可し、かつ、二次電池走行の許可後にＦＣ残起動時間とバッテリ残量から駆動モータで使用できる電力の上限値を決定する。

特開２００５−７３４７５号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池車両においては、二次電池走行の許可後にＦＣ残起動時間と二次電池残量から駆動モータで使用できる電力の上限値を決定しているため、ＦＣ残起動時間が長い場合には駆動モータに供給する電力の上限値が低く設定されるから、充分なドライバビリティを確保できなくなるおそれがある。これを防ぐために、二次電池走行を許可するＦＣ起動状態番号を大きく設定しておかねばならないから、起動時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、駆動モータに供給できる蓄電装置の電力が少ない場合においても蓄電装置走行を行うことができ、かつ、車両が走行するまでの時間を短縮することができる燃料電池車両を提供することにある。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電し、この発電した電力を駆動モータへ供給する燃料電池と、前記燃料電池と前記駆動モータとの間に接続され、前記駆動モータへ電力を供給する蓄電装置と、を備え、燃料電池車両の起動時に前記燃料電池の発電準備を行い、前記燃料電池の発電準備完了とともに前記燃料電池からの電力を前記駆動モータに供給して走行させる発電走行を行う燃料電池車両であって、前記発電準備中において前記発電準備完了までの燃料電池残起動時間を推定する燃料電池残起動時間推定手段と、推定された前記燃料電池残起動時間に基づいて、前記燃料電池の発電準備完了までに所定の電力で前記蓄電装置から前記駆動モータへ供給するときの上限値である蓄電装置出力上限値を算出する蓄電装置出力上限値算出手段と、燃料電池車両を安定して駆動させるのに必要な駆動モータ必要電力下限値を算出する駆動モータ必要電力下限値算出手段と、をさらに備え、前記駆動モータ必要電力下限値は、前記発電準備中において前記燃料電池残起動時間が経過するとともに減少する減少期間を持つように設定され、前記蓄電装置出力上限値が、前記駆動モータ必要電力下限値以上になったときに、前記蓄電装置からの電力を前記駆動モータに供給して走行させる蓄電装置走行を行い、前記減少期間における前記駆動モータ必要電力下限値は、前記蓄電装置走行において前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が発電準備完了時に前記蓄電装置出力上限値に達するように設定されることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、蓄電装置が駆動モータに供給できる電力が少ない場合においても蓄電装置走行を行うことができ、かつ、車両が走行するまでの時間を短縮することができる。

請求項２に係る発明は、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段を備え、前記蓄電装置出力上限値算出手段は、検出された前記蓄電装置の残容量と推定された前記燃料電池残起動時間とに基づいて算出することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池残起動時間と残容量により精度よく蓄電装置出力上限値を算出することができる。

請求項３に係る発明は、前記減少期間は、アクセルペダルを全開で前記蓄電装置走行を行ったとき、前記燃料電池の発電準備完了時に、前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が前記蓄電装置走行を開始したときの前記駆動モータ必要電力下限値に達するように設定されることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、蓄電装置から駆動モータへの電力供給を開始させたときの、駆動モータの消費電力の立ち上がりを考慮した駆動モータ必要電力下限値を設定することができる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池車両は、前記駆動モータの消費電力を決定するアクセルペダルを備え、前記駆動モータ必要電力下限値は、所定の固定値が設定される固定期間の後に前記減少期間が設定され、前記固定期間から前記減少期間への切替のタイミングは、前記切替と同時に前記アクセルペダルを全開にして前記蓄電装置走行を行った場合の前記燃料電池の発電準備完了時に、前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が前記固定期間における前記固定値に達するように設定されることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、駆動モータの消費電力の立ち上がりを考慮する範囲を特定することができる。

本発明によれば、駆動モータに供給できる蓄電装置の電力が少ない場合においても蓄電装置走行を行うことができ、かつ、車両が走行するまでの時間を短縮することができる。

図１は本実施形態に係る燃料電池車両の要部を示すブロック図、図２は本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのフローチャート、図３（ａ）はＦＣ残起動時間とバッテリ出力上限値との関係を示すマップ、（ｂ）はＦＣ残起動時間とモータ必要電力下限値との関係を示すマップ、図４は本実施形態に係る燃料電池車両のＦＣ起動動作を説明するためのタイムチャートである。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池車両１は、燃料電池（図１ではＦＣスタックと表記）１０、アノード系２０、カソード系３０、高電圧系４０、制御系５０などを具備している。また、この燃料電池車両１は、起動時（イグニッションオン時）に燃料電池１０の発電準備を行い、燃料電池１０の発電準備完了とともに燃料電池１０からの電力を駆動モータ４８（後記する）に供給して走行させる発電走行を行うものである。

前記燃料電池１０は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜の一面側をアノード（水素極）、他面側をカソード（空気極）でそれぞれ挟んで構成した膜電極接合体を有し、さらにこの膜電極接合体の両側を導電性のセパレータで挟んだ単セルを複数直列に接続した構造を有している。このような燃料電池１０では、アノードに燃料ガスとしての水素が供給され、カソードに酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給されることにより、アノードでは、電子が外部付加（後記するエアコンプレッサなど）を介してカソードに移動することにより発電が行われ、カソードでは、水素イオンと酸素と電子とにより水が生成される。

前記アノード系２０は、燃料電池１０に対して水素を供給・排出する機能を有し、アノードガス供給システム２１Ｓなどを有している。アノードガス供給システム２１Ｓは、例えば、高濃度の水素が高圧で充填された水素タンク、水素遮断弁、減圧弁、水素循環手段などで構成されている。

前記カソード系３０は、燃料電池１０に対して空気を供給・排出する機能を有し、エアコンプレッサ３１、加湿器（図示せず）などで構成されている。

前記高電圧系４０は、バッテリ（蓄電装置）４１、電力分配装置４２、ＰＤＵ４３、バッテリコンタクタ４４、燃料電池コンタクタ４５、ダイオード４６、ダウンコンバータ４７などを備えている。

前記バッテリ４１は、電力分配装置４２に対して燃料電池１０と並列に接続されている。バッテリ４１は、例えばリチウムイオン、ニッケル水素などであり、燃料電池１０からの発電電力を受けて充電可能であると共に放電可能なものである。

前記電力分配装置４２は、後記するＥＣＵ５１によって制御され、燃料電池１０の発電電力およびバッテリ４１の電力を駆動モータ４８などに分配する機能を有する。なお、駆動モータ４８は、例えば永久磁石式の３相交流同期モータであり、燃料電池１０やバッテリ４１から供給される電力を燃料電池車両１に設けられた駆動輪を回転駆動させる。

前記ＰＤＵ（Power Drive Unit）４３は、インバータ回路などから構成され、燃料電池１０やバッテリ４１からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を駆動モータ４８に供給するように構成されている。また、ＰＤＵ４３は、駆動モータ４８の回生電力を直流電力に変換してバッテリ４１に充電する。

前記バッテリコンタクタ４４は、バッテリ４１と電力分配装置４２との間に設けられ、後記するＥＣＵ５１によって適宜開閉制御される。

前記燃料電池コンタクタ（以下、ＦＣコンタクタと表記）４５は、燃料電池１０と電力分配装置４２との間に設けられ後記するＥＣＵ５１によって適宜開閉制御される。

前記ダイオード４６は、ＦＣコンタクタ４５の１つの出力端子と電力分配装置４２の１つの入力端子の間に接続されている。

前記ダウンコンバータ４７は、例えば、オーディオ装置、ナビゲーション装置、ランプ類などの低電圧補機に電源を供給する低電圧バッテリ（１２Ｖ）を充電する機能を有している。

前記制御系５０は、ＥＣＵ５１、バッテリ４１の残容量を検出するバッテリ残容量検出器５２、アクセルペダル５３の踏み込み量（スロットル開度）を検出するスロットル開度検出器５３ａなどを備えている。

前記ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成され、燃料電池残起動時間推定手段、蓄電装置出力上限値算出手段、駆動モータ必要電力下限値算出手段などを備えている。また、ＥＣＵ５１は、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度などを制御する。

前記燃料電池残起動時間推定手段は、燃料電池１０の発電準備完了までの時間である燃料電池残起動時間（以下、ＦＣ残起動時間と表記）を推定する。前記蓄電装置出力上限値算出手段は、燃料電池残起動時間推定手段により推定されたＦＣ残起動時間と、バッテリ残容量検出器５２からのバッテリ４１の残容量とに基づいて、燃料電池１０の発電準備完了までにバッテリ４１から駆動モータ４８へ供給可能な電力の上限値であるバッテリ出力上限値を算出する。ここで、バッテリ出力上限値は、バッテリ４１の出力から補機（エアコンプレッサ３１など）の運転に必要な電力を引いた電力とする。また、バッテリ出力上限値は、起動方式（例えば、低温起動や通常起動）に応じて変化するようにしてもよい。

次に、本実施形態に係る燃料電池車両の動作について、図２及び図３（適宜図１）を参照して詳細に説明する。なお、燃料電池車両１のイグニッション（図示せず）がオフしている場合には、バッテリコンタクタ４４およびＦＣコンタクタ４５が開き、エアコンプレッサ３１が停止している。

燃料電池車両１のイグニッションがオンにされると、図２に示すように、ステップＳ１００において、ＥＣＵ５１は、バッテリコンタクタ４４を接続する。次に、ステップＳ２００に進み、ＥＣＵ５１は、ダウンコンバータ４７を起動し、ステップＳ３００において、ＦＣコンタクタ４５を接続する。

そして、ステップＳ４００に進み、ＥＣＵ５１は、燃料電池１０の発電準備中において発電準備完了までの時間であるＦＣ残起動時間を推定する。なお、このステップＳ４００が、本実施形態における燃料電池残起動時間推定手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ５００に進み、ＥＣＵ５１は、バッテリ出力上限値を算出する。なお、このステップＳ５００が、本実施形態の蓄電装置出力上限値算出手段が実施する処理に相当し、バッテリ出力上限値とは、本実施形態の蓄電装置出力上限値に相当するものである。このバッテリ出力上限値は、ステップＳ４００において推定されたＦＣ残起動時間と、バッテリ残容量検出器５２で検出されたバッテリ残容量とに基づいて算出される。

また、図３（ａ）に示すように、バッテリ出力上限値は、ＦＣ残起動時間に応じて変動するものであり、ＦＣ残起動時間が短くなるにつれて大きくなる。また、図示していないが、バッテリ出力上限値は、バッテリ残容量に基づいて変動するものであり、例えば、バッテリ残容量が大きくなるにつれて大きくなる。また、バッテリ出力上限値は、燃料電池１０の起動方式を考慮して算出するようにしてもよい。例えば、起動方式Ａは低温起動（氷点下起動）の場合であり、起動方式Ｂは通常起動（常温起動）の場合である。つまり、起動方式Ａの低温起動の場合は、起動方式Ｂに比べて、バッテリ残容量が同じでも、バッテリ出力上限値が小さくなる。

そして、ステップＳ６００に進み、ＥＣＵ５１は、モータ必要電力下限値を算出する。なお、モータ必要電力下限値とは、燃料電池車両１を安定して駆動させるため、つまり充分なドライバビリティを確保するために、駆動モータ４８に最低限必要な電力である。また、このステップＳ６００が、本実施形態における駆動モータ必要電力下限値算出手段が実施する処理に相当する。なお、モータ必要電力下限値は、図３（ｂ）に示すように、所定の固定値に設定される固定期間と、ＦＣ残起動時間が経過するにつれて減少する減少期間を有している。

ステップＳ６５０に進み、ＥＣＵ５１は、モータ出力上限値がモータ必要電力下限値以上であるか否かを判断する。ステップＳ６５０において、ＥＣＵ５１は、モータ出力上限値がモータ必要電力下限値以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４００に戻り、モータ出力上限値がモータ必要電力下限値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７００に進む。

ステップＳ７００において、ＥＣＵ５１は、バッテリ出力上限値を改めて算出する。ここでは、後記するバッテリ走行（蓄電装置走行）時における実際のバッテリ４１の消費電力を監視して、バッテリ出力上限値を変化させている。

そして、ステップＳ８００に進み、ＥＣＵ５１は、バッテリ４１の電力を、電力分配装置４２を介して駆動モータ４８に供給してバッテリ走行を許可する。

そして、ステップＳ９００に進み、ＥＣＵ５１は、燃料電池１０の発電準備が完了したか否かを判断する。ステップＳ９００において、ＥＣＵ５１は、発電準備が完了していないと判断、つまりＦＣ残起動時間が０になっていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７００に戻り、発電準備が完了したと判断、つまりＦＣ残起動時間が０になったと判断した場合には（Ｙｅｓ）、処理を終了して、バッテリ走行から、燃料電池１０の発電電力を駆動モータ４８に供給して走行させる発電走行に切り替える。

さらに、図４のタイムチャートを参照しながら説明すると、本実施形態の燃料電池車両１は、イグニッションオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、バッテリコンタクタ４４が接続され、ダウンコンバータ４７が起動され、ＦＣコンタクタ４５が接続される。そして、水素タンク（図示せず）から燃料電池１０のアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ３１が駆動されて燃料電池１０のカソードに空気が供給される。

図４において符号Ｃ１で示す破線は、ＦＣ残起動時間の経過にかかわらず所定（一定）の固定値となる固定期間と、この固定期間に後続してＦＣ残起動時間が経過するとともに減少する減少期間とを有するモータ必要電力下限値を示している。また、図４において符号Ａ１で示す破線は、バッテリ残容量が大きい場合のバッテリ出力上限値を示すものであり、符号Ｂ１で示す破線は、バッテリ残容量が小さい場合のバッテリ出力上限値を示している。また、図４において符号Ｄ１で示す実線は、駆動モータ４８の実際の消費電力の立ち上がりの一例を示している。

ところで、バッテリ４１の残容量が大きい状態でイグニッションオンされるのであれば、符号Ａ１で示すバッテリ出力上限値（バッテリ４１が駆動モータ４８に供給可能な電力）が、モータ必要電力下限値の固定期間における固定値と一致できるので、一致した交点Ｓ１における時刻においてバッテリ走行を開始することが可能になる。しかし、バッテリ４１の残容量が小さい状態でイグニッションオンされると、符号Ｂ１で示すようにバッテリ出力上限値（バッテリ４１が駆動モータ４８に供給可能な電力）となるので、発電準備完了（時刻ｔ２）までにバッテリ出力上限値がモータ必要電力下限値（固定値）と一致しなくなる場合がある。そこで、本実施形態では、所定の固定値で設定された固定期間だけではなく、発電準備期間中において、固定期間に後続してＦＣ残起動時間の経過につれて減少する減少期間を設けることにより、発電準備期間中にバッテリ出力上限値とモータ必要電力下限値とを一致させることができ、一致した交点Ｓ２における時刻においてバッテリ走行を開始することが可能になる。

このように固定期間とともに減少期間を設けることにより、バッテリ４１が駆動モータ４８に供給できる電力が少ない場合においても、バッテリ走行をすることが可能になり、しかも燃料電池車両１が走行するまでの時間を短縮することができる。

また、固定期間から減少期間への切替のタイミングは、仮に、切替と同時（時刻ｔ１）にアクセルペダル５３を全開に踏み込んで（スロットル開度検出器５３ａにより検出されるスロットル開度が起動時から最大になるようにして）、バッテリ走行を行った場合、発電準備完了時（時刻ｔ２）に、バッテリ４１から駆動モータ４８への電力供給値が固定期間における固定値に達するように設定される。

このように固定期間から減少期間への切替のタイミングを設定することにより、駆動モータ４８の消費電力の立ち上がりを考慮する範囲を特定することができる。その結果、バッテリ走行において、ドライバビリティを確保しつつ、発電走行に移行できる。

なお、減少期間におけるモータ必要電力下限値（傾き）は、発電準備完了時に、バッテリ４１から駆動モータ４８への電力供給値がバッテリ出力上限値（Ｂ１）に達するように設定してもよい。これにより、バッテリ４１から駆動モータ４８への電力供給を開始したときの、駆動モータ４８の立ち上がりを考慮したモータ必要電力下限値を設定することが可能になる。

本実施形態に係る燃料電池車両の要部を示すブロック図である。本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのフローチャートである。（ａ）はバッテリ出力上限値とＦＣ残起動時間との関係を示すマップ、（ｂ）はモータ必要電力下限値とＦＣ残起動時間との関係を示すマップである。本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池車両
１０燃料電池
２０アノード系
３０カソード系
３１エアコンプレッサ
４０高電圧系
４１バッテリ（蓄電装置）
４２電力分配装置
４３ＰＤＵ
４４バッテリコンタクタ
４５燃料電池コンタクタ
４６ダイオード
４７ダウンコンバータ
４８駆動モータ
５０制御系
５１ＥＣＵ
５２バッテリ残容量検出器（残容量検出手段）
５３アクセルペダル
５３ａスロットル開度検出器

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電し、この発電した電力を駆動モータへ供給する燃料電池と、
前記燃料電池と前記駆動モータとの間に接続され、前記駆動モータへ電力を供給する蓄電装置と、を備え、
燃料電池車両の起動時に前記燃料電池の発電準備を行い、前記燃料電池の発電準備完了とともに前記燃料電池からの電力を前記駆動モータに供給して走行させる発電走行を行う燃料電池車両であって、
前記発電準備中において前記発電準備完了までの燃料電池残起動時間を推定する燃料電池残起動時間推定手段と、
推定された前記燃料電池残起動時間に基づいて、前記燃料電池の発電準備完了までに所定の電力で前記蓄電装置から前記駆動モータへ供給するときの上限値である蓄電装置出力上限値を算出する蓄電装置出力上限値算出手段と、
燃料電池車両を安定して駆動させるのに必要な駆動モータ必要電力下限値を算出する駆動モータ必要電力下限値算出手段と、をさらに備え、
前記駆動モータ必要電力下限値は、前記発電準備中において前記燃料電池残起動時間が経過するとともに減少する減少期間を持つように設定され、
前記蓄電装置出力上限値が、前記駆動モータ必要電力下限値以上になったときに、前記蓄電装置からの電力を前記駆動モータに供給して走行させる蓄電装置走行を行い、
前記減少期間における前記駆動モータ必要電力下限値は、前記蓄電装置走行において前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が発電準備完了時に前記蓄電装置出力上限値に達するように設定されることを特徴とする燃料電池車両。
前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段を備え、
前記蓄電装置出力上限値算出手段は、検出された前記蓄電装置の残容量と推定された前記燃料電池残起動時間とに基づいて算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
前記減少期間は、
アクセルペダルを全開で前記蓄電装置走行を行ったとき、前記燃料電池の発電準備完了時に、前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が前記蓄電装置走行を開始したときの前記駆動モータ必要電力下限値に達するように設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両。
前記燃料電池車両は、
前記駆動モータの消費電力を決定するアクセルペダルを備え、
前記駆動モータ必要電力下限値は、所定の固定値が設定される固定期間の後に前記減少期間が設定され、
前記固定期間から前記減少期間への切替のタイミングは、
前記切替と同時に前記アクセルペダルを全開にして前記蓄電装置走行を行った場合の前記燃料電池の発電準備完了時に、前記蓄電装置から前記駆動モータへの電力供給値が前記固定期間における前記固定値に達するように設定されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池車両。