JP4891839B2

JP4891839B2 - 燃料電池自動車

Info

Publication number: JP4891839B2
Application number: JP2007148987A
Authority: JP
Inventors: 千大和氣; 純平小河
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2007-06-05
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2027-06-05
Also published as: JP2008306784A

Description

本発明は、エアコンやオーディオなどの低電圧補機を備えた燃料電池自動車に関する。

近年、燃料電池を搭載した自動車が環境保護などの理由から注目されてきている。このような燃料電池自動車には、走行モータ、燃料電池を動かすための補機、その他の車両とは独立して動く低電圧補機（電気負荷）が搭載されている。例えば、燃料電池自動車の起動時には、燃料電池の発電電力を、高電圧補機類（走行モータを含む）、低電圧補機類（エアコン、オーディオなど）に対して供給することが一般的に行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−２６９３３号公報（段落００２８、図１）

しかし、従来の燃料電池自動車においては、燃料電池に対して出力制限がかかっている場合、それにもかかわらず燃料電池システムとは独立して作動する低電圧補機類にも電力を供給していると、走行モータへの電力供給が少なくなり、ドライビングフィールが悪化するおそれがあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池に対して出力制限がかかっている場合でもドライビングフィールを悪化させることのない燃料電池自動車を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池を搭載した燃料電池自動車において、前記燃料電池の発電電力が供給されて駆動される走行モータと、前記燃料電池を作動させる補機および前記走行モータ以外の電気負荷と、前記燃料電池の発電電力を制限するかどうかを判断する発電制限判断手段と、前記走行モータおよび前記電気負荷に電力供給可能な蓄電装置と、を備え、前記発電制限判断手段により前記燃料電池の発電電力が制限されていない場合、前記燃料電池の発電電力と前記蓄電装置に蓄積された電力とを加算した電力で、前記走行モータ、補機および電気負荷が要求する要求電力まで出力し、前記発電制限判断手段により前記燃料電池の発電電力を制限すると判断された場合、前記燃料電池の制限後の発電電力と前記蓄電装置に蓄積された電力とを加算した総電力が、前記走行モータの要求電力と前記補機に必要な電力とを加算した値よりも小さいときには、前記総電力から前記補機に必要な電力を確保した上での残電力を走行モータへ出力しつつ、前記電気負荷への前記発電電力の供給量をゼロとし、前記総電力が、前記走行モータの要求電力と前記補機に必要な電力とを加算した値よりも大きいときには、前記走行モータと前記補機に必要な電力を供給しつつ、前記電気負荷への前記発電電力の供給を制限することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の出力が制限されているときでも、走行モータに対してより多くの電力を供給できるので、運転者のドライビングフィールを悪化させることがない。また、蓄電装置の残電力量がいかなるときでも電気負荷への制限をかけることで、例えば蓄電装置の残電力量が多いときはより長い時間、電力を走行モータに供給することができる。また、走行モータへの要求電力の確保が可能であるので、運転者のドライビングフィールを損なうことがない。

本発明によれば、燃料電池に対して出力制限がかかっている場合でもドライビングフィールを悪化させることがない燃料電池自動車を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムを示す全体構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池自動車Ｖは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷却系４０、高電圧系５０、制御系６０などを備えて構成されている。

前記燃料電池１０は、固体高分子からなる電解質膜の一面側に触媒を含むアノード（水素極）、他面側に触媒を含むカソード（空気極）が設けられた膜電極接合体を有し、さらに膜電極接合体の両面を一対の導電性のセパレータで挟んで構成した単セル（ＳｉｎｇｌｅＣｅｌｌ）を有している。さらに、燃料電池１０は、単セルが厚み方向に複数枚直列に接続されて燃料電池１０が構成されている。また、セパレータには、燃料ガスとしての水素が流通する流路、酸化剤ガスとしての空気（酸素）が流通する流路、燃料電池１０を冷却するための冷媒が流通する流路が互いに混じり合わないように形成されている。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁２３、アノード配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄなどを備えている。

前記水素タンク２１は、高純度の水素が非常に高い圧力で充填された容器であり、例えば車両の後部に横置きに設けられている。また、図示していないが、水素タンク２１には、電磁作動式の水素遮断弁が設けられている。

前記エゼクタ２２は、水素タンク２１からアノード配管２４ａ，２４ｂを介して燃料電池１０に供給される水素の流れを利用して、燃料電池１０のアノード側から排出された未反応の水素を、アノード配管２４ｃ，２４ｄを介して燃料電池１０に再循環させる真空ポンプの一種である。

前記パージ弁２３は、アノード配管２４ｃのアノード配管２４ｄとの分岐部よりも下流側に設けられ、これを閉じることによりアノード系２０内において水素が循環し、開くことによりアノード系２０内に蓄積された不純物を系外に排出できるようになっている。不純物とは、カソードから電解質膜を透過した、空気中に含まれる窒素などである。

なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１から放出される高圧の水素を減圧するためのレギュレータ（減圧弁）などが設けられている。

前記カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、カソード配管３３ａ，３３ｂなどを備えている。

前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気を圧縮して、圧縮した空気をカソード配管３３ａを介して燃料電池１０のカソードに供給するようになっている。

前記背圧制御弁３２は、燃料電池１０のカソードの出口に接続されたカソード配管３３ｂに設けられ、カソード系３０内の圧力を制御する機能を有している。なお、この背圧制御弁３２は、バタフライ弁などの開度調整可能な弁で構成されている。

なお、図示していないが、カソード系３０には、エアコンプレッサ３１側から供給された空気を、燃料電池１０の発電に適した湿度に加湿するための加湿器などが設けられている。

前記冷却系４０は、ウォータポンプ４１、ラジエータ（図示せず）などで構成され、燃料電池１０に図示しない配管を介して冷媒（冷却水など）を循環させ、燃料電池１０で加熱された冷媒を放熱させるように構成されている。

前記高電圧系５０は、ＶＣＵ（ボルテージコントロールユニット；電圧制御器）５１、蓄電装置５２、走行モータ５３などで構成されている。

前記ＶＣＵ５１は、後記する制御部６１から出力される電圧（電流）指令値つまり燃料電池１０に対する発電指令に基づいて、燃料電池１０から出力される発電電力を制御する機能を有している。

前記蓄電装置５２は、バッテリまたはキャパシタなどで構成され、燃料電池１０で発電された電気を蓄積する機能を有している。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池などであり、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどである。

前記走行モータ５３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や蓄電装置５２から供給される電力を燃料電池自動車Ｖに設けられた駆動輪を回転駆動させる。なお、高電圧系５０は、インバータ回路などから構成されたＰＤＵ（Power Drive Unit）５３ａを備えており、燃料電池１０や蓄電装置５２からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を走行モータ５３に供給するように構成されている。また、ＰＤＵ５３ａは、走行モータ５３の回生電力を直流電力に変換して蓄電装置５２に充電する。

なお、前記したカソード系３０のエアコンプレッサ３１および冷却系４０のウォータポンプ４１などは、高電圧系５０の燃料電池１０および蓄電装置５２と接続され、燃料電池１０や蓄電装置５２から電力が供給されるようになっている。

また、高電圧系５０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（ダウンバータ、図示せず）を介して電気負荷５４が接続されている。なお、電気負荷５４とは、燃料電池１０を作動させるための高電圧系補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）および走行モータ５３を除く低電圧系補機であり、例えば、エアーコンディショナ、ランプ類、オーディオなどの音響装置やナビゲーション装置、シートヒータ等である。

前記制御系６０は、制御部６１、スロットル開度センサ６２、車速センサ６３、電流センサ６４、電圧センサ６５などで構成されている。

前記制御部６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成され、発電制限判断部（発電制限判断手段）６１ａ、要求電力算出部（要求電力算出手段）６１ｂ、電気負荷出力制限部（電気負荷出力制限手段）６１ｃなどを備えている。また、制御部６１は、パージ弁２３および背圧制御弁３２などを開閉制御し、エアコンプレッサ３１やウォータポンプ４１のモータの回転速度を制御する。また、制御部６１は、スロットル開度センサ６２によってアクセルペダルのアクセル開度、車速センサ６３によって車両の速度、電流センサ６４によって燃料電池１０から出力される電流値、電圧センサ６５によって燃料電池１０にかかる電圧値をそれぞれ取得するように構成されている。

前記発電制限判断部６１ａは、燃料電池１０の発電電力が制限されているどうかを判断する機能を有する。

前記要求電力算出部６１ｂは、走行モータ５３が要求する電力を算出する機能を有し、スロットル開度センサ６２および車速センサ６３などに基づいて算出される。

前記電気負荷出力制限部６１ｃは、電気負荷５４に供給する電力を制限する機能を有し、発電制限判断部６１ａによって燃料電池１０の発電電力を制限するときに電気負荷５４に供給する電力を制限するようになっている。

（第１実施形態）
次に、本実施形態の燃料電池自動車Ｖにおける第１実施形態の制御について図２および図３を参照して説明する。図２は第１実施形態における発電時の制御を示すフローチャート、図３（ａ）は燃料電池の発電電力を制限しない場合の各出力変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池の発電電力を制限する場合の各出力変化を示すタイムチャートである。なお、図３（ａ）および（ｂ）では、説明の便宜上、線が互いに重なる部分については、若干ずらして図示している（図４についても同様）。

なお、燃料電池自動車Ｖの運転停止時には、水素タンク２１の遮断弁（図示せず）が閉じられ、エアコンプレッサ３１が停止され、燃料電池１０の発電が停止している。また、燃料電池１０を冷却する冷媒を循環させるウォータポンプ４１も停止している。ちなみに、第１実施形態（第２実施形態も同様）の制御は、特に、燃料電池自動車Ｖが低温環境下で使用されて、燃料電池１０が低温（氷点下）起動のときにのみ実施されるものに適用できる。

ステップＳ１において、運転者によってイグニッション（図示せず）がオンにされると、蓄電装置５２に蓄積されている電力を利用して、制御部６１の制御によって水素タンク２１の遮断弁（図示せず）を開くことで、燃料電池１０のアノードに水素が供給され、また制御部６１の制御によってエアコンプレッサ３１を駆動することで、燃料電池１０のカソードに空気が供給され、水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。また、制御部６１は、ウォータポンプ４１を駆動して、燃料電池１０に対して冷媒が循環するように構成されている。

そして、ステップＳ２に進み、制御部６１は、燃料電池１０の発電電力（出力）が制限されているか否かを判断する。なお、このステップＳ２が、本実施形態の発電制限判断手段（発電制限判断部６１ａ）が実施する処理に相当する。また、発電電力が制限されているかどうかの条件としては、以下の（１）〜（４）を挙げることができる。

例えば、（１）燃料電池１０の総電圧が所定値以下に低下している場合、（２）燃料電池１０の最低セル電圧が所定値以下に低下している場合、（３）燃料電池１０の最低セル電圧と平均セル電圧との電圧差が所定値以上の場合、（４）燃料電池１０の最低セル電圧と最高セル電圧との電圧差が所定値以上の場合、のいずれかひとつに該当する場合に、発電電力が制限されていると判断する。なお、総電圧は、電圧センサ６５により検出される電圧値である。また、最低セル電圧とは、燃料電池１０を構成する複数の単セルのうち最も低い電圧値であり、平均セル電圧とは、各単セルの電圧値を全単セルの枚数で除した電圧値であり、最高セル電圧とは、燃料電池１０を構成する複数の単セルのうち最も高い電圧値である。また、各条件の所定値については、適宜実験などに基づいて決定される。ちなみに、このように燃料電池１０の発電電力の制限を行うのは、燃料電池１０の温度特性に関係し、燃料電池１０の温度が低いときにアクセルペダルを踏み込むと途中で発電電力が取り出せなくなるからである。

ステップＳ２において、制御部６１は、燃料電池１０の発電電力が制限されていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、電気負荷５４に供給する発電電力を制限しないように制御する。つまり、ステップＳ３では、走行モータ５３の要求電力および補機に必要な電力とともに、電気負荷５４に必要な電力をそれぞれ確保するように制御する。

そして、ステップＳ５に進み、制御部６１は、運転を継続するかどうかを判断する。運転を継続するかどうかの判断は、例えばイグニッションの状態に基づいて判断され、イグニッションがオフされた場合には（Ｎｏ）、ステップＳ６に進み、発電を終了する。また、ステップＳ５において、制御部６１は、イグニッションがオン状態のままであり、運転を継続すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２に戻る。

また、ステップＳ２において、制御部６１は、前記（１）〜（４）の条件に基づいて、燃料電池１０の発電電力が制限されていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、制御部６１は、電気負荷５４に供給する発電電力を制限するように制御する。なお、このステップＳ４は、電気負荷出力制限部６１ｃが実施する処理に相当する。また、電気負荷５４への発電電力の供給制限量は、走行モータ５３への要求電力（走行モータ要求電力）と、燃料電池１０の発電電力（総電力）との差に基づいて設定される。つまり、前記した供給制限量は、補機（エアコンプレッサ３１やウォータポンプ４１など）を駆動させるのに必要な電力を確保した上で設定される。このように、補機の電力を確保するのは、これを確保しないと燃料電池１０の発電性能が低下して、燃料電池１０が定常運転に移行するのが遅くなるからである。なお、電気負荷５４に供給する電力は、最小（０）に制限してもよく、所定値に制限してもよい。

さらに、第１実施形態の制御について図３を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、燃料電池１０の発電電力が制限されていない場合には（ステップＳ２、Ｎｏ）、時刻ｔ１において、運転者によってアクセルペダルが踏み込まれたとしても、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）が、設定された燃料電池１０の要求電力（ＦＣ要求電力）まで出力される。なお、ＦＣ要求電力は、走行モータ５３の要求電力（走行モータ要求電力）に、補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）に必要な電力および電気負荷５４（エアコンなど）に必要な電力（ΔＥ１）を加算した値に設定される。

一方、図３（ｂ）に示すように、燃料電池１０の発電電力が制限されると、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）は、ＦＣ電力上限値までしか出力できなくなる。この場合、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）は、走行モータ要求電力と、補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）に必要な電力とを確保した値に設定される。なお、図３（ｂ）では、電気負荷５４に必要な電力を０として図示しているが、走行モータ５３の要求電力と補機の電力とを加算した上でまだＦＣ電力の出力に余裕がある場合には、電気負荷５４にも電力を供給するようにしてもよい。

ところで、発電電力が制限された場合に、電気負荷５４に要求される電力も考慮して、走行モータ５３の要求電力を設定すると、図３（ｂ）の符号Ａの線で示すように、走行モータ５３の要求電力は低く設定されてしまい、運転者のドライビングフィールが悪化することになる。しかし、第１実施形態では、燃料電池１０の発電電力が制限された場合には、電気負荷５４に供給される電力を制限して、例えば０に設定するので、走行モータ５３に対して図３（ａ）の場合（発電電力が制限されていない場合）と同様な要求電力を供給でき、運転者のドライビングフィールを悪化させることがない。なお、前記したように、電気負荷５４に供給される電力は、０に限定されるものではなく、所定値に設定してもよい。

なお、図示していないが、本実施形態では、燃料電池１０の発電電力が制限されて走行モータ要求電力が総電力よりも大きい場合には、電気負荷５４への発電電力の供給制限量を最小（例えば、実質０）に設定することが好ましい。ただし、燃料電池１０の駆動に必要な補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）の電力は確保しておく。これにより、補機に必要な電力を確保した上で、残りの電力すべてを走行モータ５３に供給できるようになるので、運転者のドライビングフィールを極力確保することが可能になる。

（第２実施形態）
次に、本実施形態の燃料電池自動車Ｖにおける第２実施形態の制御について図４を参照して説明する。図４（ａ）は燃料電池の発電電力を制限しない場合の各出力変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池の発電電力を制限する場合の各出力変化を示すタイムチャートである。なお、第２実施形態は、蓄電装置５２の電力（エネスト電力）を考慮した場合である。また、制御フローについては、第１実施形態に示すものと同様であり、燃料電池１０の発電電力が制限されている場合に電気負荷５４に対して出力制限を行う。

図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、アクセルペダルが踏み込まれた場合には、走行モータ要求電力と、補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）に必要な電力および電気負荷５４に必要な電力とを加算した電力（ΔＥ２）とが、要求電力として算出される。また、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力上限値）が制限されていない場合には、時刻ｔ１において運転者によってアクセルペダルが踏み込まれたとしても、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）と蓄電装置５２に蓄積された電力（エネスト電力）とを加算した電力（ＦＣ電力＋エネスト電力）によって要求電力まで出力される。

また、図４（ａ）に示すように、第２実施形態では、蓄電装置５２の残容量が残っている場合には蓄電装置５２から電力をもらい、蓄電装置５２の残容量が減ってきたらその分燃料電池１０から電力をもらうように制御している。

一方、図４（ｂ）に示すように燃料電池１０の発電電力が制限されると、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）がＦＣ電力上限値までしか出力されなくなる。この場合には蓄電装置５２の電力（エネスト電力）のアシストによって、燃料電池１０の発電電力（ＦＣ電力）に蓄電装置５２の電力を加算した電力（ＦＣ電力＋エネスト電力）が供給されることで、走行モータ要求電力と補機に必要な電力とを加算した電力が出力される。

ところで、燃料電池１０の発電電力が制限された場合に、補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）に要求される電力と電気負荷５４に要求される電力とをそれぞれ確保するようにして走行モータ要求電力を設定すると、図４（ｂ）の符号Ｂの線で示すように、走行モータ要求電力は低く設定され、運転者のドライビングフィールが悪化することになる。さらに、走行モータ要求電力は、時間の経過とともにエネスト電力が低下するとそれに応じてさらに低く設定されてしまい、運転者のドライビングフィールがさらに悪化することになる。しかし、第２実施形態では、燃料電池１０の発電電力が制限された場合であっても、走行モータ要求電力として図４（ａ）と同様な電力を確保できるので運転者のドライビングフィールを悪化させることがない。

また、図示していないが、第２実施形態では、電気負荷５４への発電電力の供給制限量は、走行モータ５３の要求電力が、燃料電池１０の発電電力と蓄電装置５２に蓄積された電力との総電力（ＦＣ電力＋エネスト電力）より大きいときに最小（例えば、実質０）に設定されることが好ましい。ただし、燃料電池１０の駆動に必要な補機（エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４１など）の電力は確保しておく。これにより、補機に必要な電力を確保した上で、残りの電力すべてを走行モータ５３に供給できるようになるので、運転者のドライビングフィールを極力確保することが可能になる。

また、第２実施形態では、図４（ｂ）に示すように、蓄電装置５２の残電力量にかかわらず電気負荷５４への発電電力の供給を制限しているので、例えば、蓄電装置５２の残電力量が多いときに蓄電装置５２からの電力の取り出しを減らすことにより、走行モータ５３に長時間電力を供給することが可能になる。

なお、第１実施形態および第２実施形態では、燃料電池１０の発電電力が制限されたときに、電気負荷５４への供給電力を実質０としたが、これに限定されるものではなく、０を除く所定値としてもよい。ただし、走行モータ５３への要求電力が、燃料電池１０の発電電力と蓄電装置５２の電力との合計電力（ＦＣ電力＋エネスト電力）より大きいときには最小とすることが好ましい。これにより、走行モータ５３に優先的に電力を供給することが可能になり、運転者のドライビングフィールを極力確保することが可能になる。

なお、本実施形態では、電力（電流×電圧）に基づいて制御したが、これに限定されるものではなく、電流もしくは電圧に置き換えて制御してもよい。

本実施形態の燃料電池自動車に搭載された燃料電池システムを示す全体構成図である。第１実施形態における発電時の制御を示すフローチャートである。（ａ）は燃料電池の発電電力を制限しない場合の各出力変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池の発電電力を制限する場合の各出力変化を示すタイムチャートである。（ａ）は燃料電池の発電電力を制限しない場合の各出力変化を示すタイムチャート、（ｂ）は燃料電池の発電電力を制限する場合の各出力変化を示すタイムチャートである。

符号の説明

１０燃料電池
３１エアコンプレッサ（補機）
４１ウォータポンプ（補機）
５２蓄電装置
５３走行モータ
５４電気負荷
６１ＥＣＵ
Ｖ燃料電池自動車

Claims

燃料電池を搭載した燃料電池自動車において、
前記燃料電池の発電電力が供給されて駆動される走行モータと、
前記燃料電池を作動させる補機および前記走行モータ以外の電気負荷と、
前記燃料電池の発電電力を制限するかどうかを判断する発電制限判断手段と、
前記走行モータおよび前記電気負荷に電力供給可能な蓄電装置と、を備え、
前記発電制限判断手段により前記燃料電池の発電電力が制限されていない場合、前記燃料電池の発電電力と前記蓄電装置に蓄積された電力とを加算した電力で、前記走行モータ、補機および電気負荷が要求する要求電力まで出力し、
前記発電制限判断手段により前記燃料電池の発電電力を制限すると判断された場合、
前記燃料電池の制限後の発電電力と前記蓄電装置に蓄積された電力とを加算した総電力が、前記走行モータの要求電力と前記補機に必要な電力とを加算した値よりも小さいときには、前記総電力から前記補機に必要な電力を確保した上での残電力を走行モータへ出力しつつ、前記電気負荷への前記発電電力の供給量をゼロとし、
前記総電力が、前記走行モータの要求電力と前記補機に必要な電力とを加算した値よりも大きいときには、前記走行モータと前記補機に必要な電力を供給しつつ、前記電気負荷への前記発電電力の供給を制限することを特徴とする燃料電池自動車。