JP4891860B2 - 燃料電池車両 - Google Patents
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Description
そして、前記接続条件は、前記燃料電池の電圧が、前記蓄電装置走行中において前記駆動モータの入力側電圧であるモータ入力電圧が急激に降下した際の前記モータ入力電圧に、前記燃料電池から前記駆動モータ側への突入電流を生じさせないような差分電圧を加算した電圧以下に予め設定される接続電圧となったときであることを特徴とする。
燃料電池システムAにおいて、燃料電池3と、高圧バッテリ2(蓄電装置)とは、FCコンタクタ4(スイッチ装置)、DC/DCコンバータ5、バッテリコンタクタ6を介して、後記する駆動モータ11に対し、互いに並列に接続されている。制御装置1は、燃料電池3、高圧バッテリ2、FCコンタクタ4、DC/DCコンバータ5、バッテリコンタクタ6などと接続している。制御装置1の詳細については、後記する。
さらに、高圧バッテリ2または燃料電池3から、車輪を駆動するための永久磁石式三相交流モータ(駆動モータ11)へ送る電力を制御するPDU10(Power Drive Unit)が、高圧バッテリ2および燃料電池3に対して、直列に接続されている。
高圧バッテリ2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3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。
DC/DCコンバータ5は、燃料電池3と、高圧バッテリ2との間の電圧を調整する機能を有する。
そして、バッテリコンタクタ6は、高圧バッテリ2と燃料電池システムAとの断続を行うためのスイッチである。
燃料電池3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3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(エアコンプレッサ13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。
制御装置1は、高圧バッテリ2、バッテリコンタクタ6、ダウンコンバータ8などから情報を取得し、取得した情報を基に、バッテリコンタクタ6、ダウンコンバータ8、FCコンタクタ4、アノードガス供給装置12、エアコンプレッサ13などの制御を行う。
図2は、本実施形態に係る制御装置の例を示すブロック図である。
制御装置1は、処理部110、記憶部120、入力部130、FC電圧取得部140およびモータ入力電圧取得部150を有してなる。
入力部130は、例えば、工場出荷時において、制御装置1に情報を入力する機能を有する。
FC電圧取得部140は、電圧測定装置7bから、FC電圧を取得する機能を有する。なお、FC電圧取得部140は、省略可能である。
モータ入力電圧取得部150は、電圧測定装置7aから、モータ入力電圧を取得する機能を有する。
記憶部120には、FCコンタクタ4の接続条件であるFCコンタクタ接続タイミング情報121が保存されている。なお、記憶部120は、ROM(Read Only memory)や、RAM(Random Access memory)などから構成される記憶装置である。
処理部110は、FCコンタクタ制御部111(スイッチ制御部)、バッテリ走行制御部112(蓄電装置走行制御部)、計算部113および発電走行制御部114を有してなる。
FCコンタクタ制御部111は、記憶部120に保存されているFCコンタクタ接続タイミング情報121に従って、FCコンタクタ4の接続を行う機能を有する。
バッテリ走行制御部112は、バッテリ走行の許可・不許可を判定し、高圧バッテリ2から駆動モータ11へ電力を供給させることにより、バッテリ走行を行わせるなどの制御を行う機能を有する。
計算部113は、FC電圧取得部140が取得したFC電圧と、モータ入力電圧取得部150が取得したモータ入力電圧との差分を算出したり、取得したFC電圧に、後記する所定の差分電圧値を加算したりする機能を有する。なお、計算部113は、省略可能である。
前記発電走行制御部114は、燃料電池3の発電準備完了とともに燃料電池3から駆動モータ11へ電力を供給させることにより、発電走行を行わせるなどの制御を行う機能を有する。
図3に示すように、燃料電池車両Bには、図1および図2に示される燃料電池システムAが搭載されている。
次に、図1および図2を参照しつつ、図4に沿って、FCコンタクタ4の接続条件としてのFCコンタクタ接続タイミング情報121の設定方法を説明する。
図4は、本実施形態に係るFCコンタクタ接続タイミング情報の設定方法を説明するためのタイムチャートである。
図4において、上段のグラフにおける符号A1の実線は、FC電圧を示し、符号B1の実線は、モータ入力電圧を示す。また、図4の下段における符号C1の実線は、燃料電池3から出力される電流(FC電流)である。
また、図4において、上段のグラフの縦軸は、電圧を示し、下段のグラフの縦軸は、FC電流を示している。そして、上段、下段ともグラフの横軸は、時間である。
そして、燃料電池3の始動スイッチがONになると、まず、アノードガス供給装置12が作動してアノードガス(水素)が燃料電池3に供給され、続いてエアコンプレッサ13が作動してエア(空気)が燃料電池3に供給される。なお、アノードガス(水素)の供給が開始されてから、エアの供給が開始されるまでは、燃料電池3の発電が開始されていないため、FC電圧A1は「0」のままである。そして、エアが燃料電池3に供給されると、燃料電池3の発電を開始(セル開放端電圧OCV(Open Circuit Voltage)の値が上昇を開始)するが、FC電圧A1が、車両の走行に対して十分な電力を供給できる値ではないため、FC電圧A1が車両の走行に対して十分な電力を供給できる値となるまで、燃料電池3から駆動モータ11へ電力を供給することなく、高圧バッテリ2から駆動モータ11へ電力を供給して、駆動モータ11を作動させるバッテリ走行を行う。
やがて、時間t2で、FC電圧A1と、バッテリ電圧(モータ入力電圧B1)とが同じ電圧となると、FC電流C1が流れ始める(図4下段参照)。FC電流C1は、徐々に流れ始めるが、すぐに、FC電流C1の値が制限され、一定値となる。FC電流C1の制限は、DC/DCコンバータ5が、FC電流C1が一定値となるよう、バッテリ電圧を昇圧することによってなされる。ここで、FC電流C1を制限するのは、バッテリ走行中に、まだ準備段階である燃料電池3の電力を極力消費させないためである。
やがて、燃料電池3が、車両の走行に対して十分な電力を発電できるようになると(時間t3)、制御装置1は、FC電流C1の制限を外し、燃料電池3から駆動モータ11へ電力を供給して、駆動モータ11を作動させる発電走行へ切り替える。
ここで、IG−ON(時間t0)から、所定の時間t1までの間で設定されたFCコンタクタ接続タイミング情報121において、FCコンタクタ制御部111が、FCコンタクタ4の接続を行う。
実験などにより、バッテリ走行時の駆動モータ11のトルク制限範囲内で想定される駆動モータ11に接続している車輪が最もスリップしたときの降下したモータ入力電圧V1の値などを予め測定しておく。このとき、モータ入力電圧は、V2からV1へ降下するものとする。なお、スリップが生じなかった場合のモータ入力電圧を図4の破線で示す。さらに、例えば、設定者などが、PDU10、DC/DCコンバータ5などが破損しない差分電圧Vdを予め算出しておく。この差分電圧Vdが、突入電力を生じない最低限の電圧となる。そして、設定者によって、駆動モータ11が最もスリップしたときのモータ入力電圧V1の値に、PDU10、DC/DCコンバータ5などが破損しない差分電圧Vdを加算した値(FC電圧V0に相当)が求められる。燃料電池3の電圧の上昇の傾きは、燃料電池3ごとに決まっているので、設定者は、FC電圧V0に達する時間t1も算出できる。従って、設定者は、時間t1より前の時間で、FCコンタクタ4を接続するようFCコンタクタ接続タイミング情報121を設定し、入力部130を介して、設定したFCコンタクタ接続タイミング情報121を処理部110へ入力する。処理部110は、入力されたFCコンタクタ接続タイミング情報121を記憶部120に保存する。FCコンタクタ接続タイミング情報121の入力は、例えば、工場出荷時などに行われてもよいし、燃料電池車両Bの購入後にドライバが設定してもよい。
図5において、横軸は、路面摩擦の度合い(例えば、摩擦係数)であり、縦軸は、スリップ時におけるモータ入力電圧の降下分の値(降下電圧:図4におけるV2−V1の値)である。
記憶部120に記憶されるFCコンタクタ接続タイミング情報121や、FCコンタクタ接続電圧は、固定値としてもよいが、周囲の環境に合わせて動的に設定してもよい。
例えば、図5では、路面摩擦が小さくなるほど、降下電圧は大きく設定される。すなわち、路面摩擦が小さくなるほど、最もスリップした時におけるモータ入力電圧V1(図4参照)は、小さい値となるよう設定される。また、路面摩擦が大きくなるほど、降下電圧は小さく設定される。すなわち、路面摩擦が大きくなるほど、最もスリップした時におけるモータ入力電圧V1(図3参照)は、大きい値となるよう設定される。
これにより、例えば、寒冷地など、路面が凍結することの多い地方や、雨が多く、路面が濡れていることの多い地方では、最もスリップした時におけるモータ入力電圧V1が小さくなるように設定されているため、その分、FCコンタクタ接続タイミング情報121は、短い時間となる。
図5に示すように、路面摩擦に応じて、降下電圧を変化させることにより、燃料電池車両Bが販売される地域の天候に応じたFCコンタクタ4の接続時間の設定が可能となる。
また、所定のタイミングにおいて、FC電圧取得部140が電圧測定装置7bからFC電圧Vc(図1参照)を取得し、モータ入力電圧取得部150が電圧測定装置7aからモータ入力電圧Vm(図1参照)を取得し、計算部113が、取得したFC電圧Vcから、取得したモータ入力電圧Vmを減算し、減算した結果が記憶部120に記憶されている差分電圧Vdの値より小さいか否かを処理部110が判定することによって、FCコンタクタ4の接続の許可・不許可を判定してもよい。この場合、減算した結果が、保存されている差分電圧Vdより大きければ、FCコンタクタ4の接続を許可せず、減算した結果が、保存されている差分電圧Vd以下であれば、FCコンタクタ4の接続を許可することとなる。この場合、不許可の場合は、許可になるまで、ここで記載した減算および比較を繰り返すことになる。
図6に示すように、燃料電池3の駆動系は、燃料電池3に対して、燃料である水素の供給・排出を行うアノード系20と、燃料電池3に対して、空気の供給・排出を行うカソード系30とを有する。
アノード系20は、アノードガス供給装置12などを有している。アノードガス供給装置12は、図2に示すように、例えば、高濃度の水素が高圧で充填された水素タンク21、水素遮断弁22、減圧弁23、エゼクタ24、パージ弁25、配管26a〜26fなどを備えている。なお、エゼクタ24は、燃料電池3のアノードの出口から排出された未反応の水素を再びアノードの入口に供給して循環させるポンプとしての機能を有している。また、パージ弁25は、例えば、燃料電池3の起動時や発電時などに開いて、アノード系20内を水素に置換する機能を有している。
図7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である。
なお、燃料電池車両B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6およびFCコンタクタ4が開き、水素遮断弁22およびパージ弁25が閉じ、背圧制御弁33が開き、エアコンプレッサ13が停止している。
次に、処理部110は、ダウンコンバータ8を起動する(S200)。
そして、FCコンタクタ接続タイミング情報121が、ダウンコンバータ8起動直後にFCコンタクタ4を接続するよう設定されているならば、FCコンタクタ制御部111は、FCコンタクタ4を接続する(S300)。
すなわち、イグニッションオンされると、バッテリ走行制御部112は、水素センサ36(図6参照)の暖機(Step1)が終了したか否かを判断する(S410)。ステップS410において、水素センサ36の暖機が終了していないと判断された場合には(S410→No)、ステップS410を繰り返し、水素センサ36の暖機が終了したと判断された場合には(S410→Yes)、ステップS420に進む。ちなみに、水素センサ36を暖機するのは、例えば、センサ素子表面に付着した水滴などを取り除くためである。
図8(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)はバッテリの残容量とバッテリ出力上限値との関係を示すマップである。
図8(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8(b)に示すように、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3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。
さらに、図11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Bでは、イグニッションオン(IG−ON)されると、バッテリコンタクタ6が接続され、ダウンコンバータ8が起動される。ここで、FCコンタクタ接続タイミング情報121が、ダウンコンバータ8の起動直後にFCコンタクタ4を接続するよう設定されている場合、FCコンタクタ制御部111によって、FCコンタクタ4が接続される。そして、水素遮断弁22が開かれて燃料電池3のアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ13が駆動されて燃料電池3のカソードに空気が供給される。
図12は、燃料電池車両の起動動作を説明するための別のフローチャートであり、図13はバッテリ残容量とバッテリ走行最大許容時間との関係を示すマップである。
なお、図12のフローチャートは、図7のフローチャートのステップS500,S600に代えて、ステップS501,S601とした点以外は図7と同じであるので、以下では相違点のみ説明する。
図14において、バッテリ走行最大許容時間およびFC残起動時間は、それぞれ符号H1,G1の実線で示すようになる。なお、図9のフローにおいて予測した時間T1+T2は、各種演算が完了するのに必要な期間であり、時間T1+T2経過後にバッテリ走行許可判断が可能になる。図14に示す場合において、バッテリ走行最大許容時間がFC残起動時間と一致したときに、バッテリ走行制御部112はバッテリ走行を許可する。また、図示していないが、バッテリ走行が許可されると、駆動モータ11の消費電力(モータ消費電力)が増加し、モータ消費電力が所定値(モータ必要電力下限値)に至った後は、バッテリ走行から発電走行に切り替わるまで所定値を下回らないようにその状態を維持する。そして、FC残起動時間が「0」になると、バッテリ走行から発電走行に切り替わり、実際の要求電力に基づいた出力で駆動モータ11が駆動される。
また、図5に示すように、路面摩擦に応じて、降下電圧を変化させることにより、地域の天候に応じたFCコンタクタ4の接続時間の設定が可能となる。
2 高圧バッテリ(蓄電装置)
3 燃料電池
4 FCコンタクタ(スイッチ装置)
5 DC/DCコンバータ
6 バッテリコンタクタ
7a,7b 電圧測定装置
8 ダウンコンバータ
9 12Vバッテリ
10 PDU
11 駆動モータ
12 アノードガス供給装置
13 エアコンプレッサ
14 ダイオード(整流器)
20 アノード系
21 水素タンク
22 水素遮断弁
23 減圧弁
24 エゼクタ
25 パージ弁
26a〜26f 配管
30 カソード系
32 加湿器
33 背圧制御弁
34a〜34d 配管
35 希釈器
36 水素センサ
36a〜36c 配管
42 電力分配装置
110 処理部
111 FCコンタクタ制御部(スイッチ制御部)
112 バッテリ走行制御部(蓄電装置走行制御部)
113 計算部
114 発電走行制御部
120 記憶部
121 FCコンタクタ接続タイミング情報(接続条件)
130 入力部
140 FC電圧取得部
150 モータ入力電圧取得部
1113 駆動モータ
A 燃料電池システム
B 燃料電池車両
Claims (3)
- 燃料ガスと空気との化学反応により発電し、駆動モータへの電力供給を行う燃料電池と、
前記燃料電池から前記駆動モータ方向へ電流を流す整流器と、
前記整流器と前記駆動モータとの間において、前記燃料電池と並列に接続され、充放電可能な蓄電装置と、
前記燃料電池と前記整流器との間に設置され、前記燃料電池と、前記駆動モータの接続および遮断を行うスイッチ装置と、
前記燃料電池の発電準備完了までの時間、前記蓄電装置からの電力により走行する蓄電装置走行を行わせる蓄電装置走行制御部を備える制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記スイッチ装置の接続条件を保持している記憶部と、
前記接続条件に従って、前記スイッチ装置を接続させるスイッチ制御部と、をさらに備え、
前記燃料電池の起動の際における当該燃料電池の電圧の上昇過程において、前記電圧が所定の電圧値に達するまでに前記スイッチ制御部が前記スイッチ装置を接続する燃料電池車両であって、
前記接続条件は、前記燃料電池の電圧が、前記蓄電装置走行中において前記駆動モータの入力側電圧であるモータ入力電圧が急激に降下した際の前記モータ入力電圧に、前記燃料電池から前記駆動モータ側への突入電流を生じさせないような差分電圧を加算した電圧以下に予め設定される接続電圧となったときであることを特徴とする燃料電池車両。 - 電圧の変換を行うDCDCコンバータをさらに有し、
前記DCDCコンバータを介して前記蓄電装置からの放電が行われる構成であり、
前記制御装置は、
前記スイッチ装置が接続された後、前記燃料電池からの発電電力により走行する発電走行までの前記燃料電池の電圧の昇圧過程において、前記燃料電池の電圧が上昇しても前記燃料電池から出力される電流が一定値になるように、前記DCDCコンバータにより前記蓄電装置の電圧を昇圧することによって、前記燃料電池から出力される電流を制限するように制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池車両。 - 前記接続条件が、前記電圧に対応した時間で規定されてい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。
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