JP5125460B2

JP5125460B2 - 車両

Info

Publication number: JP5125460B2
Application number: JP2007314604A
Authority: JP
Inventors: 哲也坊農
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-05
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: JP2009138384A

Description

本発明は、車両に関し、特に、車輪駆動用モータに電力を供給可能な燃料電池システムおよび蓄電器を備えた車両に関する。

近年、環境問題に配慮して二酸化炭素等の排出抑制を目的として、ハイブリッド車両、燃料電池自動車、電気自動車等の各種車両が提案されており、実用化されているものもある。

例えば、特許文献１には、燃料電池システムと蓄電器とを備えており、燃料タンクから燃料としての水素を燃料電池システムに供給して発電した電力によって車輪駆動用モータを回転駆動するとともに、燃料タンク内の燃料がなくなってきたら蓄電器からモータに電力を供給するように切り替えるようにした燃料電池自動車が開示されている。

特開２００５−１０２４５８号公報

上記特許文献１に開示されるような燃料電池自動車では、燃料タンクに燃料を充填するための燃料充填口と、外部電源から蓄電器に電力を供給して充電するための充電口とを備えている必要がある。

この場合、燃料充填口と充電口とが同時に外部に対して露出可能または開放可能になっていると、例えば給油所等において燃料充填口に燃料供給ノズルを挿入して燃料を充填すると共に、充電口に外部電源を接続して蓄電器を充電することが可能である。このように燃料充填および充電が同時に行われると、作業者の作業が煩雑になって作業ミスが発生しやすくなる。

また、燃料電池システムでは、稼動停止しても内部に高濃度燃料ガスが残っている可能性があるため、システム停止後に前記高濃度燃料ガスを完全に外部に排出してから、蓄電器の充電を行うことが安全性向上のうえでより好ましい。

そこで、本発明の目的は、燃料充填および充電の同時作業に伴う作業ミスの発生を抑制可能にするとともに、充電作業をより安全に行える車両を提供することにある。

本発明に係る車両は、車輪駆動用モータに電力を供給可能な燃料電池および蓄電器と、燃料電池に供給される燃料を貯蔵する燃料タンクに燃料を充填するための燃料充填口と、蓄電器に電力を充電するために外部電源に接続される充電口と、燃料充填口を外部に対して露出可能に開閉される燃料充填口扉と、充電口を外部に対して露出可能に開閉される充電口扉と、燃料充填口扉および充電口扉の開閉状態をそれぞれ検知するセンサと、燃料充填口扉および充電口扉をそれぞれロックするロック機構と、前記燃料充填口扉のロック機構および前記充電口扉のロック機構の各動作を制御可能な制御装置とを備え、制御装置は、前記センサからの信号に基づいて燃料充填口扉および充電口扉のいずれか一方の開放を許可するものであって、燃料電池システム稼動中は充電口扉の開放を禁止するようロック機構を制御するものである。

この構成からなる車両によれば、制御装置が燃料充填口扉および充電口扉のいずれか一方だけの開放を許可することで、燃料充填作業および充電作業が同時に行われることが防止され、同時作業の煩雑さによる作業ミスを抑制することができる。また、制御装置が燃料電池システム稼動中は充電口扉の開放を禁止することで、燃料電池システム稼動中の充電作業を防止することができ、充電作業の安全性を向上させることができる。

本発明に係る車両において、制御装置は、燃料電池システムの掃気完了後に充電口扉の開放を許可するようにしてもよい。

この構成の車両によれば、燃料電池システム内に高濃度燃料ガスが残留した状態で蓄電器への充電が行われるのを防止することができ、充電作業をより安全に行うことができる。

以下に、本発明に係るモータ駆動制御装置の実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明に係る車両の一実施形態である燃料電池自動車１０の概略構成図である。燃料電池自動車１０は、駆動輪である前輪１２を駆動するモータ１４と、モータ１４に電力をそれぞれ供給可能な燃料電池１６および蓄電器１８と、燃料電池１６に供給される燃料、例えば水素を貯蔵する燃料タンク２０と、燃料タンクに燃料を充填するための燃料充填口２２と、蓄電器１８に電力を充電するために外部電源に接続される充電口２４と、燃料電池１６または蓄電器１８から供給される直流電圧を交流電圧に変換してモータ１４に印加する等の各種制御機能を有する制御装置５０とを備える。

燃料電池１６は、例えば固体高分子型燃料電池セルを多数積層して直列接続されている燃料電池スタックであり、燃料としての水素と酸化剤としての酸素との化学反応によって発電し、その結果として水が生成される。水素は、燃料タンク２０から調圧弁２６を介して燃料電池１６の燃料極に供給される。一方、酸素は、大気中のものを用いることができ、例えばポンプ、エアコンプレッサ等の空気供給機２８によって車両外部から取り込まれた空気が燃料電池１６の酸化極に供給される。燃料電池１６によって発電された電力は、制御装置５０に供給される。

調圧弁２６は、制御装置５０からの信号に基づいて、開閉弁および開度調節が可能になっている。また、燃料タンク２０から供給される水素ガスの圧力が、圧力計３０によって検出され、その検出信号が制御装置５０へ送信される。この信号によって制御装置５０は、燃料タンク２０内の残水素量を判定し、枯渇前に蓄電器１８からモータ１４へ電力供給されるよう切り替える。

燃料電池１６の燃料極から排気された廃燃料ガスは希釈器３４に送られ、そこで燃料電池１６の酸化極から排気されてきた廃空気と混合されて希釈された後、マフラ３６を介して車両外部に排出される。

燃料充填口２２は、開閉弁３８を介して燃料タンク２０に連通可能に接続されている。開閉弁３８は、燃料充填口２２から水素が充填されるときに制御装置５０からの信号に基づいて開弁されるが、この充填時に燃料タンク２０からの燃料充填口２２への燃料逆流を防止する一方向弁としての機能を有する。

上記において、燃料電池１６、調圧弁２６、空気供給機２８、および希釈器３４が本実施形態における燃料電池システム４０を構成する。ただし、本発明に係る車両における燃料電池システムは、これらの構成要素に限定されるものではない。

蓄電器１８は、放電および充電が可能な２次電池であり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等で構成できる。それ以外に、化学反応を伴わない充放電可能なキャパシタで構成されてもよい。また、蓄電器１８には電圧センサ３２が設けられており、この電圧センサ３２よって検出された蓄電器１８の端子間電圧値ＶＢが制御装置５０へ送信されるようにしてある。

充電口２４は、ゲート４２を介して制御装置５０に接続されている。ゲート４２は、充電口２４が外部電源に接続されるときに制御装置５０からの信号に基づいて閉じられ、これにより充電口２４から供給された電力が制御装置５０を介して蓄電器１８に充電されるようになっている。

また、制御装置５０には、燃料充填口２２を覆って車両ボディに開閉可能に設けられる燃料充填口扉４４を開くための燃料充填口開操作レバー４６と、充電口２４を覆って車両ボディに設けられる充電口扉４８を開くための充電口開操作レバー５２が接続されている。車両の運転者等によってこれらのレバー４６，５２が操作されると、その操作信号が制御装置５０へ送信される。

図２は制御装置５０を概略的に示すブロック図であり、図３はいずれもロック解除されて開状態にある燃料充填口扉４４および充電口扉４８を示す斜視図である。

図２を参照すると、制御装置５０は、電圧変換器５４、インバータ５６、制御部５８、および警告装置７０を含む。電圧変換器５４には、燃料電池１６および蓄電器１８がスイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して並列接続されており、制御部５８からの信号に基づきスイッチＳＷ１またはＳＷ２がオンされることによって燃料電池１６または蓄電器１８から電圧変換器５４に直流電圧が供給されるようになっている。

また、電圧変換器５４は、例えばリアクトルおよび電力用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）等を含んで構成され、制御部５８からのスイッチング信号に基づいて制御されることで燃料電池１６または蓄電器１８から供給される直流電圧を昇圧する機能を有する。電圧変換器５４によって昇圧された直流電圧は、平滑コンデンサ６１を介してインバータ５６に供給される。この昇圧後の電圧であるシステム電圧ＶＨは、コンデンサ６１の端子間電圧として電圧センサ３２によって検出され、その検出値が制御部５８へ出力される。

さらに、電圧変換器５４は、車両の回生制動時等にインバータ５６から供給される直流電圧を制御部５８からのスイッチング信号に基づいて降圧する機能も有しており、降圧された直流電圧はオン状態にあるスイッチＳＷ２を介して蓄電器１８に充電される。

インバータ５６は、対をなす電力用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）およびダイオードをＵ，Ｖ，Ｗ相の各相アームごとに２対ずつ含んで構成され、電圧変換器５４から供給される直流電圧を制御部５８からのスイッチング信号に基づくスイッチング動作により三相交流電圧に変換して、例えば三相同期型電動機であるモータ１４に印加する機能を有する。また、インバータ５６は、車両の回生制動時等に発電機として機能するモータ１４から供給される三相交流電圧を制御部５８からのスイッチング信号に基づくスイッチング動作により直流電圧に変換して電圧変換器５４に供給する機能も有している。

制御部５８は、例えば制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラムや各種検出値
を記憶するメモリ等を含んで構成され、車両全体の電子制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）の一部として構成されることができる。制御部５８は、上述したように電圧変換器５４およびインバータ５６へのスイッチング信号や調圧弁２６への制御信号等を出力するとともに、電圧センサ３２により検出される蓄電器１８の端子間電圧値、および圧力計３０により検出される燃料ガス圧力値等を受け取る。また、制御部５８は、ゲート４２へ開閉路信号を送信する。さらに、制御部５８は、燃料充填口扉４４および充電口扉４８の開状態をそれぞれ検知するセンサ６０，６２からの信号を受信するとともに、燃料充填口扉４４および充電口扉４８をそれぞれ閉状態にロックするロック機構６４，６６へロック解除信号を送信する。

ここで、ロック機構６４，６６には、例えば電磁ソレノイドを用いることができる。ロック解除信号を受けてソレノイドに通電することにより、ソレノイドのプランジャ自体またはプランジャに連結されたフックが燃料充填口扉４４および充電口扉４８に形成された凹部または穴部から引き抜かれてロック解除され、図示しないコイルバネ等の弾性部材による付勢力によって扉が半開き状態に開放される。また、センサ６０，６２には、非近接センサ等の非接触式センサまたはリミットスイッチ等の接触式センサを用いることができる。

警告装置７０は、燃料充填口扉４４および充電口扉４８の一方が開状態にあるときに他方の開操作が行われた場合に、制御部５８からの信号に基づいて音響や光でもって運転者や作業者に対して警告動作を実行するもので、警告音を発する音響装置や点灯または点滅する警告ランプ等を備えている。

図３を参照すると、燃料充填口扉４４および充電口扉４８は、車両後方のボディ側面に、開閉可能に連結されている。燃料充填口扉４４と充電口扉４８とは、車両ボディの同一側面において、互いに隣接して配置されてもよいし、上下方向または車両前後方向に隔てて設けられてもよいし、あるいは車両ボディの異なる側面や上面等に設けられてもよい。

燃料充填口扉４４は、連結管６８を介して燃料タンク２０に接続される燃料充填口２２としてのノズル受け入れ部材７２を覆って設けられており、ロック解除により開放されることによってノズル受け入れ部材７２が車両外部に対して露出されることになる。これにより、燃料供給ノズルがノズル受け入れ部材７２に挿入されて開閉弁３８が開弁されることで、燃料タンク２０への燃料充填が可能になる。

充電口扉４８は、電力コード７４を介して制御部５８に接続される充電口２４としての接続プラグ７６を覆って設けられており、ロック解除により開放されることによって接続プラグ７６が車両外部に対して露出されることになる。そして、接続プラグ７６に挿入されるコネクタを介して外部電源、例えば単相１００Ｖ交流電源に接続されてゲート４２が閉じられることで、制御装置５０でＡＣ／ＤＣ変換された直流電圧が蓄電器１８に充電される。

なお、接続プラグ７６は、外部電源に接続されることによって蓄電器１８を充電するための充電口２４として機能するが、外部負荷に接続されることによって燃料電池１６または蓄電器１８から外部負荷に対して電力供給する給電口として用いられてもよい。

続いて、制御部５８における制御フローについて図４Ａ，４Ｂを参照して説明する。
まず、燃料充填口開操作レバー４６および充電口開操作レバー５２が操作されたか否かを判定する（ステップＳ１０）。この判定は、制御部５８がレバー操作時に受信する信号に基づいて行う。いずれのレバー４６，５２も操作されていないときには、待機する（ステップＳ１０でＮＯ）。

上記ステップＳ１０において燃料充填口開操作レバー４６が操作されると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、続いて充電口扉４８が開いているか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定は、センサ６２からの信号に基づいて行う。それから、充電口扉４８が開いていれば（ステップＳ１２でＹＥＳ）、燃料充填口扉４４のロック状態を維持し、作業者等に対して警告装置７０による警告動作を実行する（ステップＳ１４）。

次いで、警告動作が解除されたか否かを判定する（ステップＳ１６）。この判定は、作業者等によって充電口扉４８が閉じられたことを検知したセンサ６２からの信号に基づいて行う。充電口扉４８が閉じられるまで待機し（ステップＳ１６でＮＯ）、充電口扉４８が閉じられると警告動作が解除され（ステップＳ１６でＹＥＳ）、下記のステップＳ２０の処理に進む。

一方、燃料充填口開操作レバー４６が操作されたときに充電口扉４８が閉じていると判定されると（ステップＳ１２でＮＯ）、燃料電池システム４０が稼動中か否かを判定する（ステップＳ２０）。この判定は、制御部５８が電圧変換器５４やインバータ５６へ駆動信号をしているかどうかで判定可能である。あるいは、図示しない電流センサによって検出されるモータ電流に基づいて判定することもできる。

燃料電池システム４０が稼動中でなければ（ステップＳ２０でＮＯ）、ロック機構６４にロック解除信号が送信されて燃料充填口扉４４が開かれる（ステップＳ２６）。一方、燃料電池システム４０が稼動中であれば（ステップＳ２０でＹＥＳ）、燃料充填口扉４４のロック状態を維持するとともに、作業者等に対して警告装置７０による警告動作を実行する（ステップＳ２２）。

それから、警告動作が解除されたか否かを判定し（ステップＳ２４）、解除されるまで待機する（ステップＳ２４でＮＯ）。この場合、警告動作の解除は、制御部５８により燃料電池システム４０の稼動停止によって実行される。制御部５８は、調圧弁２６を閉弁して燃料電池１６への水素供給を停止するとともに、電圧変換器５４およびインバータ５６を作動停止させる。

燃料電池システム４０が稼動停止されると（ステップＳ２４でＹＥＳ）、ロック機構６４にロック解除信号が送信されて燃料充填口扉４４が開かれる（ステップＳ２６）。

図４Ｂは、上記ステップＳ１０で充電口開操作レバー５２が操作されたと判定された場合の制御フローを示す。この制御フロー中の各ステップＳ３２〜４６は、上記ステップＳ１２〜Ｓ２６の各処理における「燃料充填口扉４４」と「充電口扉４８」とを入れ換えたものと同様であり、概説すれば充電口開操作レバー５２が操作されたときに燃料充填口扉４４が閉じられており、かつ、燃料電池システム４０が稼動停止していれば、充電口扉４８が開かれる。

このように、本実施形態の燃料電池自動車１０によれば、制御部５８が燃料充填口扉４４および充電口扉４８のいずれか一方だけの開放を許可することで、燃料充填作業および充電作業が同時に行われることが防止され、同時作業の煩雑さよる作業ミスを抑制することができる。また、制御装置５０の制御部５８が燃料電池システム４０の稼動中は充電口扉４８の開放を禁止することで、燃料電池システム稼動中の充電作業を防止することができ、充電作業の安全性を向上させることができる。

ところで、上記実施形態では、燃料電池システム４０の稼動停止後に速やかに充電口扉４８の開放を許可するようにしたが、稼動停止と同時に調圧弁２６を閉弁して燃料供給を直ちに停止しても燃料電池１６内および燃料電池システム４０内には未だ高濃度の水素ガスが残留している。そこで、燃料電池システム４０の稼動停止し、かつ、システム内の掃気を完了した後に、充電口扉４８の開放を許可するようにしてもよい。

その制御フローを図５に示す。この制御フローは、図４Ｂとほぼ同様であり、同一処理には同一のステップ番号を付してあるが、異なるところは、ステップＳ４４で燃料電池システム４０を稼動停止し、次のステップＳ４５で燃料電池システム４０の掃気が完了するまで待機する処理を実行した後に、充電口扉４８の開放を許可する点である。具体的には、燃料電池システム４０の稼動停止後も空気供給機２８の作動を所定時間（例えば５秒）以上継続させて空気を供給し、燃料電池システム４０内に残留する高濃度燃料ガスを希釈器３４内で十分に希釈してから外部に排出する。これにより、燃料電池システム４０内に高濃度燃料ガスが残留した状態で蓄電器１８への充電が行われるのを防止することができ、充電作業をより安全に行うことができる。

なお、上記実施形態では、燃料電池システム４０の稼動中は充電口扉４８の開放を許可しない制御について説明したが、制御部５８は、もし燃料電池システム４０の稼動中に充電口扉４８が開放されたときに燃料電池システム４０の稼動を停止させる制御を行ってもよい。

本発明の一実施形態である燃料電池自動車の概略構成図である。図１の制御装置の概略構成を示すブロック図である。それぞれ半開き状態にある燃料充填口扉および充電口扉を示す図である。図２の制御部において実行される制御フローを示すチャートである。図４Ａの続きの制御フローを示すチャートである。図４Ｂの制御フローの変形例を示すチャートである。

符号の説明

１０燃料電池自動車、１４モータ、１６燃料電池、１８蓄電器、２０燃料タンク、２２燃料充填口、２４充電口、２６調圧弁、２８空気供給機、３０圧力計、３２電圧センサ、３４希釈器、３８開閉弁、４０燃料電池システム、４２ゲート、４４燃料充填口扉、４６燃料充填口開操作レバー、４８充電口扉、５０制御装置、５２充電口開操作レバー、５４電圧変換器、５６インバータ、５８制御部、６０，６２センサ、６４，６６ロック機構、７０警告装置。

Claims

車輪駆動用モータに電力を供給可能な燃料電池および蓄電器と、燃料電池に供給される燃料を貯蔵する燃料タンクに燃料を充填するための燃料充填口と、蓄電器に電力を充電するために外部電源に接続される充電口と、燃料充填口を外部に対して露出可能に開閉される燃料充填口扉と、充電口を外部に対して露出可能に開閉される充電口扉と、燃料充填口扉および充電口扉の開閉状態をそれぞれ検知するセンサと、燃料充填口扉および充電口扉をそれぞれロックするロック機構と、前記燃料充填口扉のロック機構および前記充電口扉のロック機構の各動作を制御可能な制御装置とを備え、制御装置は、前記センサからの信号に基づいて燃料充填口扉および充電口扉のいずれか一方の開放を許可するものであって、燃料電池システム稼動中は充電口扉の開放を禁止するようロック機構を制御することを特徴とする車両。
請求項１に記載の車両において、
制御装置は、燃料電池システムの掃気完了後に充電口扉の開放を許可することを特徴とする車両。