JP5256668B2

JP5256668B2 - 燃料電池車両のエネルギ制御システム

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Publication number: JP5256668B2
Application number: JP2007219536A
Authority: JP
Inventors: 義則關; 幸一赤堀; 勇風間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-27
Filing date: 2007-08-27
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-08-27
Also published as: JP2009054397A

Description

本発明は、二次電池を備えた燃料電池車両のエネルギ制御システムに関する。

燃料電池システムでは、負荷要求電力の変化に対して、ガスの供給遅れや燃料電池の加湿状状態などにより、出力応答性が遅れることから、燃料電池出力の不足または過剰が発生する。このため、二次電池と、二次電池及び燃料電池間の電力を調整する電力調整器を設けて、不足する電力を補助したり、過剰な電力を二次電池へ充電したりすることにより、負荷に対し電力の安定供給を行っている。

燃料電池の発電状態の違いによる燃料電池のＩ−Ｖ特性変化、負荷要求電力の急増または急減時など急激な負荷変動が発生した際には、二次電池の過放電状態または過充電状態が発生することとなる。従来は、負荷要求電力の変動に対し、燃料電池の発電電圧を適正値に置き換えることで燃料電池の発電電力を変更させ、二次電池の過充電状態または過放電状態が収まるように制御を行っている。
特開２００５−１０８７７３号公報（第１０頁、図１）

従来技術では二次電池の劣化を促進する過充電状態または過放電状態が発生した際、燃料電池の電圧を補正することで燃料電池の出力を調整し、二次電池の過放電状態または過充電状態を抑えていたので、燃料電池の発電電力の補正が終了するまでの間は、二次電池の過放電状態または過充電状態が発生したままの状態となっていた。また、燃料電池の電圧を補正しているので、二次電池の過放電状態が発生している場合は燃料電池の電圧を降下させる必要があるため、燃料電池電圧の降下指令を出した際には、瞬間的に二次電池から大きな過電流が発生するため、二次電池から更に大きな過充電状態が発生することなっていた。二次電池の過充電状態が発生している場合は燃料電池の電圧を上昇させる必要があるため、燃料電池電圧の上昇指令を出した際には、瞬間的に二次電池へ大きな過電流が発生するため、二次電池に対し更に大きな過充電状態が発生するという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池の出力が不足する場合に放電するとともに該燃料電池の出力または車両減速時の回生電力により充電される二次電池と、該二次電池の放電電力または充電電力が過剰となったことを検出する充放電状態検出器と、該充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出した際に、前記過放電状態または前記過充電状態に応じた制御指令を出力するとともに、前記燃料電池に対する燃料ガス供給量および空気供給量を制御する制御器と、前記燃料電池と前記二次電池と間の電圧を調整するとともに、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態を検出した際に、前記制御器からの制御指令に基づいて前記二次電池の出力電流を制限し、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過充電状態を検出した際に、前記制御器からの制御指令に基づいて前記二次電池の入力電流を制限する電力調整器と、を備え、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態を検出した際に、前記制御器は、前記電力調整器に対する制御指令を前記燃料電池の出力電圧制御から前記二次電池の出力電流制御に変更し、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過充電状態を検出した際に、前記制御器は、前記電力調整器に対する制御指令を前記燃料電池の出力電圧制御から前記二次電池の入力電流制御に変更することを要旨とする燃料電池車両のエネルギ制御システムである。

本発明によれば、二次電池が過放電状態になった際、及び過充電状態になった際に、車両のエネルギ制御を燃料電池の出力電圧制御から二次電池の電流制御に変更することで、極めて短時間に過放電状態及び過充電状態を解消し、二次電池を過充電及び過放電から保護することが可能となるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１を搭載した燃料電池車両の概略構成図である。図１では、簡略化のために車両に搭載される部品のうち、エネルギ制御システムの構成上必要なもののみを図示して説明する。

図１において、燃料電池車両は、燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電する、例えば、固体高分子型の燃料電池１０を備えている。燃料電池１０に燃料ガス、空気を供給するガス供給系、燃料電池１０の温度を発電に最適な温度に保持する冷却系は、図示を省略している。燃料電池１０には、その出力電圧を測定する電圧センサ２３と、その出力電流を測定する電流センサ２４が設けられている。

二次電池１２は、燃料電池１０の出力が不足したときに燃料電池１０の電力を補完する、または燃料電池１０の出力が過剰となったときに発生する余剰電力もしくは車両の減速時にモータ３０からインバータ１１を介して回収される車両の回生電力を蓄える二次電池である。二次電池１２には、その端子間電圧を測定する電圧センサ２０と、入出力電流を測定する電流センサ２１と、温度を測定する温度センサ２２とが設けられている。

充放電状態検出器１３は、燃料電池１０の電圧センサ２３，電流センサ２４，二次電池１２の電圧センサ２０，電流センサ２１，温度センサ２２の各検出値を読み込み、二次電池１２の状態が過充電または過放電の状態にあることを検出する。

制御器１４は、回転センサ２５が検出した駆動輪３１の回転速度、及びアクセル開度センサ２６が検出した運転者のアクセル操作量に基づいて、負荷要求電力を算出する。また制御器１４は、この負荷要求電力に基づいて、燃料電池１０へ供給する燃料ガス量、空気量（以下、両者併せてガス量と呼ぶ）を演算するガス量演算手段１８を備えている。そして、ガス量演算手段１８が演算したガス量を燃料電池１０へ供給するように、制御器１４は図示しないガス供給系を制御する。

また制御器１４は、充放電状態検出器１３が二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した際、電力調整器１５に対する電力制御指令を燃料電池１０の出力電圧制御から二次電池１２の電流制御に切り替える。電力調整器１５は、制御器１４から与えられた制御指令に基づき燃料電池１０または二次電池１２の電力を調整する。

燃料電池システム補機１６は、燃料電池１０に燃料ガス、空気、冷却液を供給するなど発電に必要な機器の総称であり、制御器１４により制御される。車両補機１７は、車両室内の空気温度を調整するエアコンディショナや車両前方を照らすライトなどの総称である。

インバータ１１は、燃料電池１０および二次電池１２からの電力を受け、図示しないギヤを介して駆動輪３１、ひいては車両を駆動するモータ３０を駆動する。

車両が走行を開始する場合、或いは加速する場合、運転手がアクセルを踏むと、アクセル開度センサ２６と回転センサ２５の出力が制御器１４へ読み込まれる。制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値に基づいて駆動トルクを算出する。次いで、駆動トルクと、回転センサ２５に基づく車速から制御器１４は、モータ３０の必要出力を算出する。次いでモータ３０の必要出力と、車両補機１７の消費電力を加味して、負荷要求電力を算出する。次いで、負荷要求電力に、燃料電池１０の発電のために必要な燃料電池システム補機１６の消費電力を加味して、燃料電池１０の目標燃料電池出力を算出する。さらに制御器１４は、算出された目標燃料電池出力に基いて発電に必要な燃料ガス量、空気量をガス量演算手段１８にて算出し、燃料電池システム補機１６にガス供給させるよう制御する。

また、充放電状態検出器１３は、内蔵する燃料電池１０の電圧電流特性マップから所望の出力電力を得られる出力電流ならびに目標燃料電池電圧を演算して、燃料電池の動作点を決定し、制御器１４に送信する。制御器１４は燃料電池１０の電圧が目標値となるように電力調整器１５を制御する。電力調整器１５は、内部にスイッチ手段として、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチング素子を備えている。そして、電力調整器１５は、この半導体スイッチング素子のスイッチングタイミングを変更することにより、二次電池１２からの出力を燃料電池１０の目標端子間電圧になるよう調整して、インバータ１１に出力する。また逆に、電力調整器１５は、燃料電池１０が発電した電力、またはインバータ１１で整流された回生電力を二次電池１２の電圧へ変換して二次電池１２を充電する。

燃料電池１０は、燃料電池システム補機１６によって供給された燃料ガスと空気中の酸素とを電気化学反応させて発電を行う。インバータ１１は燃料電池１０および電力調整器１５を経由した二次電池１２の電力を受けてモータ３０を駆動し、図示しないギヤおよび駆動輪３１を介して車両を駆動する。この間、電圧センサ２０、電流センサ２１、温度センサ２２、電圧センサ２３、電流センサ２４により、燃料電池１０の出力電圧および出力電流、二次電池１２の出力電圧および出力電流、二次電池内部温度が測定され、充放電状態検出器１３に伝えられる。この際、二次電池１２からは車両全体の消費電力に対して燃料電池１０の出力で不足する分の電力が出力される。

この二次電池１２の放電状態で、充放電状態検出器１３が二次電池１２の放電電力が過剰（過放電状態）になっていることを検出した場合、充放電状態検出器１３は、この過放電状態を示す信号を制御器へ１４へ送信する。この信号を受信した制御器１４は、燃料電池１０の端子間電圧を指定する制御から、二次電池１２から電力調整器１５へ供給される電流が過剰とならないよう、電力調整器１５を二次電池の電流制御に変更する指示を出力して、二次電池１２の劣化を防止する。

運転手がアクセルを離して車両が減速する場合には、充放電状態検出器１３は燃料電池システム補機１６や車両補機１７の消費電力を元に燃料電池１０の発電電力、必要な燃料ガス供給量、空気供給量をガス量演算手段１８にて演算し、燃料電池システム補機１６を制御して燃料電池１０は必要な発電を継続する。車両の運動エネルギは駆動輪３１、モータ３０、インバータ１１を介して電力として回収され、電力調整器１５を通じて適切な電圧に調整されたあと二次電池１２に供給されて二次電池１２が充電される。この間、電圧センサ２０、電流センサ２１、温度センサ２２、電圧センサ２３、電流センサ２４により、燃料電池１０の出力電圧および電流、二次電池１２の出力電圧および電流、内部の温度が測定され充放電状態検出器１３に伝えられる。この際、車両全体の消費電力に対して、燃料電池１０の発電出力と回生電力の和が過剰となる電力が二次電池１２へ充電される。

この二次電池１２の充電状態において、充放電状態検出器１３が二次電池１２の充電電力が過剰（過充電状態）になっていることを検出した場合、充放電状態検出器１３は、この過充電状態を示す信号を制御器へ１４へ送信する。この信号を受信した制御器１４は、電力調整器１５に対して、二次電池１２側出力電圧を調整する制御から、電力調整器１５から二次電池１２へ入力される電流が過剰とならないように、二次電池１２の電流制御に変更する指示を出力して、二次電池１２の劣化を防止することができる。

以上説明した実施例１によれば、二次電池が過放電状態または過充電状態になった際に、車両のエネルギ制御を燃料電池出力の出力電圧制御から二次電池の電流制御に変更することで、極めて短時間で過放電状態または過充電状態を解消し二次電池の保護が可能となるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例２を説明する。実施例２のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例２において、充放電状態検出器１３は、二次電池１２の放電可能電力及び充電可能電力を特定する手段と、二次電池１２の実際の放電量及び充電量を特定する手段とを有し、放電可能電力と放電量との比較、または充電可能電力と充電量との比較に基づいて、二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出する。

充放電状態検出器１３は、比較の結果、二次電池１２の実際の放電量が放電可能電力を上回っていれば、過放電状態と判断して、過放電状態を示す信号を制御器１４へ送信する。また、充放電状態検出器１３は、比較の結果、二次電池１２の実際の充電量が充電可能電力を上回っていれば、過充電状態と判断して、過充電状態を示す信号を制御器１４へ送信する。制御器１４は、過放電状態、または過放電状態を示す信号を受信した後、電力調整器１５の制御を電圧制御から二次電池１２の電流制御へ切り替えるのは、実施例１と同様である。

図２は、実施例２の制御フローチャートである。充放電状態検出器１３は、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、二次電池１２の充電可能量及び放電可能量を演算する。次いで、Ｓ１２で二次電池１２の実際の充電量または放電量を演算する。次いで、Ｓ１４で、二次電池１２が放電中であれば、実際の放電量と放電可能量とを比較し、二次電池１２が充電中であれば、実際の充電量と充電可能量とを比較して、過放電、或いは過充電の有無を判断する。実放電量が放電可能量を超えてれば、過放電がある、実充電量が充電可能量を超えていれば、過充電があるあると判断する。過放電または過充電があれば、Ｓ１６で、制御器１４は、電力調整器１５を二次電池１２の電流制御とするように指示を出力する。過放電または過充電がなければ、Ｓ１８で、制御器１４は、電力調整器１５を燃料電池１０の電圧制御とするように指示を出力する。

以上説明した実施例２によれば、充放電状態検出器が、二次電池の放電可能電力または充電可能電力を特定する手段と、二次電池の実際の放電量または充電量を特定する手段を有し、放電可能電力と放電量と、または充電可能電力と充電量とを比較して、二次電池の過放電状態または過充電状態を検出することで、二次電池が劣化する運転状態であるかの判定が可能となるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例３を説明する。実施例３のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例３において、充放電状態検出器１３は、二次電池１２の蓄電量（ＳＯＣ）に基づいて放電可能電力または充電可能電力を検出し、二次電池１２の出力電流または入力電流から放電量または充電量を検出する点に特徴がある。

図３は、実施例３の制御フローチャートである。充放電状態検出器１３は、まずＳ２０において、電圧センサ２０より二次電池１２の電圧、電流センサ２１より二次電池１２の電流、温度センサ２２より二次電池１２の温度をそれぞれ読み込む。次いで、Ｓ２２で二次電池１２の電圧と電流より二次電池１２の内部抵抗を算出する。次いで、Ｓ２４で二次電池１２の蓄電量（ＳＯＣ）を演算する。蓄電量の演算は、一定のサンプリング時間毎に測定した二次電池１２の入出力電流にサンプリング間隔を乗じて、累積計算することにより求められる。

次いで、Ｓ２６で、二次電池１２の電圧、蓄電量、温度、内部抵抗より二次電池１２の放電可能量または充電可能量を演算する。この演算には、予め充放電状態検出器１３に内部に記憶した制御マップを参照して演算することができる。この制御マップは、予め各種条件で二次電池１２の充放電試験を行って、二次電池の劣化の程度が所定の劣化程度となる限界を充放電可能量に設定する。次いで、Ｓ２８で、二次電池１２の電流より二次電池１２の放電量または充電量を算出することができる。過放電状態または過充電状態の判断部分は実施例２と同様である。

以上説明した実施例３によれば、充放電状態検出器は、二次電池の蓄電量（ＳＯＣ）に基づいて放電可能電力または充電可能電力を検出し、二次電池の出力電流または入力電流から放電量または充電量を検出するので、蓄電量に依存する二次電池の充放電可能電力を反映した二次電池保護を行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例４を説明する。実施例４のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例４において、充放電状態検出器１３は、電圧センサ２０が検出した二次電池１２の電圧と、二次電池１２の設定動作電圧範囲とを比較して、二次電池の充放電可能量を演算する点に特徴がある。

図４は、実施例４の制御フローチャートである。充放電状態検出器１３は、まずＳ３０において、電圧センサ２０が検出した二次電池１２の電圧を読み込む。次いでＳ３２で、電圧センサ２０により検出した二次電池１２の電圧と二次電池１２の設定動作電圧範囲を比較し、二次電池１２の放電可能量または充電可能量を算出する。

次に、この算出を詳しく説明する。まず二次電池の電圧と、設定動作電圧範囲の上限値とを比較し、二次電池電圧が設定動作電圧範囲の上限値を超えていれば、直ちに過充電と判断する。二次電池電圧が設定動作電圧範囲の上限値以下であれば、二次電池電圧と上限値との差に比例した充電可能量を算出する。また、二次電池の電圧と、設定動作電圧範囲の下限値とを比較し、二次電池電圧が設定動作電圧範囲の下限値未満であれば、直ちに過放電と判断する。二次電池電圧が設定動作電圧範囲の下限値以上であれば、二次電池電圧と下限値との差に比例した放電可能量を算出する。次いで、Ｓ３４では、電圧センサ２０が検出した二次電池１２の電圧と、電流センサ２１が検出した二次電池１２の電流に基づいて、二次電池１２の放電量または充電量を算出する。過放電状態または過充電状態の判断部分は実施例２と同様である。

以上説明した実施例４によれば、電流を積分して放電量または充電量を判定する実施例３よりも高速に二次電池の劣化が生じる運転状態か否かを判断することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例５を説明する。実施例５のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例５において、充放電状態検出器１３は、二次電池１２の電圧に基づいて二次電池１２の放電可能電力または充電可能電力を検出し、車両の負荷要求電力と燃料電池出力電力との差に基づいて二次電池１２の放電量または充電量を算出する点に特徴がある。

図５は、実施例５の制御フローチャートである。充放電状態検出器１３は、まずＳ４０において、電圧センサ２０が検出した二次電池１２の電圧を読み込む。次いでＳ４２で、二次電池１２の電圧より予め記憶した電圧−充放電可能電力の制御マップを索引して、二次電池の放電可能量または充電可能量を算出する。次いでＳ４４で、制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値、および回転センサ２５の検出値などの車両運転状況を読み込む。次いでＳ４６で、制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値に基づいて要求トルクを演算する。次いで、要求トルクと、回転センサ２５の検出値から換算した車速とから負荷要求電力を算出する。

次いでＳ４８で、電圧センサ２３が検出した燃料電池１０の電圧、電流センサ２４が検出した燃料電池１０の電流を読み込む。次いでＳ５０で、燃料電池１０の電圧、電流から燃料電池１０の発電電力を演算する。次いでＳ５２で、負荷要求電力と燃料電池１０の発電電力との差から、二次電池１２の放電電力または充電電力である放電量または充電量を算出することができる。過放電状態または過充電状態の判断部分は実施例２と同様である。

以上説明した実施例５によれば、二次電池の電圧に基づいて二次電池の放電可能電力または充電可能電力を算出し、車両の負荷要求電力と燃料電池出力電力との差に基づいて二次電池の放電量または充電量を算出することができるので、簡単な制御により二次電池の過放電状態または過充電状態を判断することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例６を説明する。実施例６のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例６は、充放電状態検出器１３が二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した際に、制御器１４が電力調整器１５内のスイッチ手段の入、切の時間率を変更させることで、二次電池１２の入出力電力の制御を行う点に特徴がある。

充放電状態検出器１３は、二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した際、制御器１４に対して、過放電または過充電の情報を送信する。過放電または過充電の情報を受信した制御器１４は、電力調整器１５に対し、電力調整器１５内のスイッチ素子のスイッチタイミングを変更指令を与える。電力調整器１５のスイッチタイミングを変更することで二次電池１２の放電量または充電量を任意の値に制御できる。

図６は、実施例６の制御フローチャートである。まずＳ６０で制御器１４は、充放電状態検出器１３が送信した二次電池１２の過放電状態または過充電状態の情報を読み込む。次いでＳ６２で、制御器１４は、過放電または過充電が有るか否かを判断し、何れかが有れば、Ｓ６４へ進む。Ｓ６４では、制御器１４は、過放電、或いは過充電を解消するために、電力調整器１５に対してスイッチングタイミング変更の要求を出力する。この変更要求を受信した電力調整器１５は、スイッチング素子のスイッチングタイミングを変更して、二次電池１２の入出力電力を制限し、過放電状態あるいは過充電状態を解消させることができる。

以上説明した本実施例６によれば、二次電池の過放電状態または過充電状態からの保護を行いつつ、二次電池の入出力を継続することが可能となるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例７を説明する。実施例７のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例７は、充放電状態検出器１３が二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した際に、二次電池１２の放電量が放電可能電力以下、または充電量が充電可能電力以下となるように電力調整器１５の通過電流を制御する点に特徴がある。

充放電状態検出器１３は、二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した際、制御器１４に対して、過放電または過充電の情報を送信する。過放電または過充電の情報を受信した制御器１４は、電力調整器１５に対し、二次電池１２の放電量が放電可能量をまたは充電量が充電可能量を超過しないようにスイッチングタイミング変更要求を送信する。燃料電池１０の電圧制御から二次電池１２の電流制御へ切り替えることにより、燃料電池１０の発電点の制限がなくなるので、負荷要求電力に応じて燃料電池１０の発電が行えることとなり、二次電池１２に制限を与えることによって負荷要求電力に満たなくなっている電力を燃料電池１０の発電出力で補うことができる。実施例７の制御フローチャートは、図６に示した実施例６と同様である。

以上説明した実施例７によれば、二次電池の過放電状態または過充電状態に対する保護をかけつつ、車両全体で使用できる電力の低下を最小限に防止することが可能となるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例８を説明する。実施例８のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例８において、制御器１４のガス量演算手段１８は、負荷要求電力から燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスの供給量を燃料電池１０の特性に基づいて演算する第１のガス供給量演算手段と、燃料電池１０の出力電流から燃料電池１０に供給する空気と燃料ガスの供給量を燃料電池１０の特性に基づいて演算する第２のガス供給量演算手段とを有している。そして、充放電状態検出器１３が二次電池１２の過放電状態または過充電状態が検出していない場合は、第１のガス供給量演算手段により演算されたガス供給量を供給し、充放電状態検出器１３が二次電池１２の過放電状態または過充電状態を検出した場合は、第２のガス供給量演算手段により演算されたガス供給量を供給する点に特徴がある。

図７は、実施例８の制御フローチャートである。まずＳ７０で制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値、および回転センサ２５の検出値などの車両運転状況を読み込む。次いでＳ７２で、制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値に基づいて、アクセル開度に対する目標トルクを示す制御マップ等を参照して、車両に供給すべき目標トルクを演算する。次いでＳ７４で制御器１４は、目標トルクと、回転センサ２５の検出値から換算した車速とから、モータ３０（或いはインバータ１１）に供給すべき目標電力を算出する。次いでＳ７６で制御器１４は、二次電池１２の充放電可能量と目標電力から燃料電池発電電力の目標値を算出する。

次いでＳ７８で制御器１４は、予め記憶した燃料電池の電流電圧特性に基づいて、燃料電池発電電力の目標値を得るための燃料電池の目標電流値を演算する。次いでＳ８０で制御器１４は、燃料電池の目標電流値を得るための燃料ガス流量及び空気流量を演算する。これら燃料ガス流量及び空気流量の演算値を第１のガス量と呼ぶ。

次いでＳ８２で制御器１４は、電流センサ２４が検出した燃料電池１０の出力電流値を読み込む。次いでＳ８４で制御器１４は、燃料電池１０の出力電流値に応じた燃料ガス流量及び空気流量を演算する。これら燃料ガス流量及び空気流量の演算値を第２のガス量と呼ぶ。次いでＳ８６で制御器１４は、二次電池１２の状態が過放電、または過充電であるか否かの判断を行う。過放電または過充電の具体的な判断内容は、上記実施例２〜５と同様である。

Ｓ８６の判断で、過放電または過充電ありと判断した場合には、Ｓ８８へ進む。Ｓ８８では制御器１４は、燃料電池１０へ供給するガス量をＳ８４で演算した第２のガス量とするように、燃料電池補機１６を制御する。

Ｓ８６の判断で、過放電または過充電なしと判断した場合には、Ｓ９０へ進む。Ｓ８８では制御器１４は、燃料電池１０へ供給するガス量をＳ８０で演算した第１のガス量とするように、燃料電池補機１６を制御する。

以上説明した実施例８によれば、二次電池の過放電や過充電がある場合に、燃料電池の出力電流値に基づいたガス供給量とすることで、燃料電池の出力を安定させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例９を説明する。実施例９のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例９において、制御器１４は、過充電状態または過充電状態が発生した後、一定時間が経過した後も過放電状態または過充電状態が継続しているのであれば、電流センサ２４より検出した燃料電池１０の電流に基づきガス量演算手段１８にて燃料電池へのガス供給量を決定し、燃料電池補機１６にて、燃料電池１０へのガス供給を行う点に特徴がある。その他の構成は、実施例８と同様である。

図８は、実施例９の制御フローチャートである。図７に示した実施例８のフローチャートに、Ｓ８７が追加されている。その他のステップは、図７と同様であるので、同じステップには、同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。図８において、Ｓ８６で過放電または過充電ありと判断した場合、Ｓ８７へ進む。Ｓ８７では、過放電または過充電状態が所定時間継続しているか否かを判断する。所定時間継続していれば、Ｓ８８へ進む。所定時間継続していなければ、Ｓ９０へ進む。この所定時間は、二次電池１２の反応物質のタイプ、構造、材質等によって異なり、耐過充電特性及び耐過放電特性に基づいて、適宜設定されるものとする。

以上説明した実施例９によれば、極めて短時間に終了してしまう負荷変動に対しては、燃料ガス供給量および空気供給量を変化させることなく対応することができ、余分なガス供給量制御を行う必要が無くなるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１０を説明する。実施例１０のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１０において、制御器１４は、過放電状態が発生した後は、電流センサ２４より検出した燃料電池１０の電流に基づき過放電状態が発生していない状況でのガス供給量に対し、ガス量演算手段１８にて燃料電池へのガス供給量を決定した値より多く燃料電池補機１６にて、燃料電池１０へのガス供給を行う点に特徴がある。その他の構成は、実施例８と同様である。

図９は、実施例１０の制御フローチャートである。図９のＳ７０からＳ７８までは、図７に示した実施例８のフローチャートと同様であるので、同じステップには、同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。図９において、Ｓ９４で制御器１４は、図７のＳ８０と同様なガス供給量演算を行う。次いで、Ｓ９６で制御器１４は、過放電の有無の判断を行う。過放電の有無の判断は、実施例２における過放電の判断と同様である。Ｓ９６で過放電ありと判断した場合、Ｓ９８へ進み、Ｓ９４で演算したガス供給量の増加補正を行って、増加補正した燃料ガス流量及び空気流量を燃料電池１０へ供給するように、燃料電池補機１６を制御する。Ｓ９６で過放電なしと判断した場合は、増加補正を行わず、Ｓ９４で演算したガス供給量を燃料電池１０へ供給するように、燃料電池補機１６を制御する。

以上説明した実施例１０によれば、二次電池の過放電状態を検知して二次電池の通過電流制御に切り替えた場合に、車両で必要な電力に応じて燃料電池の出力を変化させると燃料電池の出力が増加し、元々の供給していた燃料ガスや空気の供給量では不足気味になるが、ガス供給量の増加補正を行うことで、燃料電池の出力を安定させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１１を説明する。実施例１１のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１１において、制御器１４は、過充電状態が発生した後は、電流センサ２４より検出した燃料電池１０の電流に基づき過充電状態が発生していない状況でのガス供給量に対し、ガス量演算手段１８にて燃料電池へのガス供給量を決定した値より少なく燃料電池補機１６にて、燃料電池１０へのガス供給を行う点に特徴がある。その他の構成は、実施例８と同様である。

図１０は、実施例１１の制御フローチャートである。図１０のＳ７０からＳ７８までは、図７に示した実施例８のフローチャートと同様であるので、同じステップには、同じステップ番号を付与して重複する説明を省略する。図１０において、Ｓ９４で制御器１４は、図７のＳ８０と同様なガス供給量演算を行う。次いで、Ｓ１００で制御器１４は、過充電の有無の判断を行う。過充電の有無の判断は、実施例２における過充電の判断と同様である。Ｓ１００で過充電ありと判断した場合、Ｓ１０２へ進み、Ｓ９４で演算したガス供給量の減少補正を行って、減少補正した燃料ガス流量及び空気流量を燃料電池１０へ供給するように、燃料電池補機１６を制御する。Ｓ１００で過充電なしと判断した場合は、減少補正を行わず、Ｓ９４で演算したガス供給量を燃料電池１０へ供給するように、燃料電池補機１６を制御する。

以上説明した実施例１１によれば、二次電池の過充電状態を検知して二次電池の電流制御に切り替えた場合に、車両で必要な電力に応じて燃料電池の出力を変化させると燃料電池の出力が減少し、元々の供給していた燃料ガスや空気の供給量では過剰気味になるが、ガス供給量の減少補正を行うことで、燃料電池の出力を安定させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１２を説明する。実施例１２のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１２において、制御器１４は、二次電池１２の過放電状態または過充電状態が解消された場合に、二次電池１２の電流制御から、燃料電池１０の電圧制御へ電力調整器１５の制御を復帰させる点に特徴がある。

図１１は、実施例１２の制御フローチャートである。図１１の制御フローを呼び出す前に、実施例５のＳ４４乃至Ｓ５０と同様に、負荷要求電力を演算し次いで燃料電池１０の発電電力を演算しているものとする。

図１１のＳ１１０において、制御器１４は、二次電池１２の放電可能量または充電可能量を演算する。次いでＳ１１２で制御器１４は、二次電池１２の実放電量または実充電量を演算する。次いでＳ１１４で制御器１１４は、前回の判断が過放電または過充電であったか否かを判断する。Ｓ１１４の判断で、前回の判断が過放電または過充電でなければ、過放電中または過充電中ではないとして、Ｓ１１６へ進み、Ｓ１１０及びＳ１１２の演算結果を使用して、新たに過放電または過充電が発生したか否かを判断する。Ｓ１１６の判断で、新たに過放電または過充電が発生していれば、Ｓ１２０へ進み、電力調整器１５の制御を二次電池１２の電流制御とする。Ｓ１１６の判断で、新たに過放電または過充電が発生していなければ、Ｓ１２２へ進み、電力調整器１５に燃料電池電圧制御を続けさせる。

Ｓ１１４の判断で前回が過放電または過充電であった場合、過放電中または過充電中として、Ｓ１１８へ進む。Ｓ１１８では、Ｓ１１０及びＳ１１２の演算結果を使用して、過放電または過充電が解消したか否かを判断する。Ｓ１１８の判断で、過放電または過放電が解消していれば、Ｓ１２２へ進み、電力調整器１５の制御を燃料電池１０の電圧制御へ切り替える。Ｓ１１８の判断で、過放電または過放電が解消してなければ、Ｓ１２０へ進み、電力調整器１５による二次電池１２の電流制御を継続する。

以上説明した実施例１２によれば、二次電池の電流制御を長時間続けると燃料ガスや空気の供給量に過不足が発生する可能性があるが、二次電池の過放電状態もしくは過充電状態が解消された場合に、二次電池の電流制御から燃料電池の電圧制御へ復帰させることで、燃料電池の運転を安定化させ、二次電池の電力も利用した効率の良いエネルギ制御システムに戻すことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１３を説明する。実施例１３のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１３の制御器１４は、実施例１２において、車両の必要電力と燃料電池１０の出力電力の差が、二次電池１２の入出力可能範囲となった場合に、過放電状態または過充電状態が解消されたとして、電力調整器１５の制御を二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の出力電圧制御へ復帰させる点に特徴がある。

図１２は、実施例１３の制御フローチャートである。このフローチャートは、充放電状態検出器１３と制御器１４による連係動作として実行され、車両の必要電力と燃料電池１０の出力電力の差が、二次電池１２の入出力可能範囲となったか否かを判断するものである。過放電状態または過充電状態が発生した後、図１２の制御フローチャートが呼び出される。

まずＳ１３０において、充放電状態検出器１３は、電圧センサ２０より二次電池１２の電圧を検出する。次いでＳ１３２で、二次電池１２の電圧より二次電池の放電可能量または充電可能量を算出する。次いでＳ１３４で制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値、および回転センサ２５の検出値などの車両運転状況を読み込む。次いでＳ１３６で、制御器１４は、アクセル開度センサ２６の検出値に基づいて、アクセル開度に対する目標トルクを示す制御マップ等を参照して、車両に供給すべき目標トルクを演算し、目標トルクと回転センサ２５の検出値から換算した車速とから、負荷要求電力を算出する。

次いでＳ１３８で、電圧センサ２３より燃料電池１０の電圧、電流センサ２４より燃料電池１０の電流を検出する。次いでＳ１４０で、燃料電池１０の電圧および電流より燃料電池１０の電力を算出する。次いでＳ１４２で、二次電池１２の放電可能量または充電可能量を特定する手段から二次電池１２の放電可能量または充電可能量を検出し、二次電池１２の放電量または充電量を特定する手段から二次電池の放電量または充電量を検出する。次に負荷要求電力と燃料電池１０の電力の差の絶対値を取り、この絶対値と二次電池１２の放電可能量または充電可能量と比較する。比較の結果、負荷要求電力と燃料電池１０の電力の差の絶対値が二次電池１２の放電可能量または充電可能量を下回っているのであれば、二次電池１２の過放電状態または過充電状態が解消したものと判断し、電力調整器１５の制御を二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の電圧制御へ復帰させる。

以上説明した実施例１３によれば、車両の必要電力と燃料電池の出力電力の差が、二次電池の出力可能範囲となった場合に、二次電池の電流制御から燃料電池の電圧制御へ復帰させることで、復帰の条件の範囲が広くなり、復帰までの時間を短くすることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１４を説明する。実施例１４のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１４の制御器１４は、実施例１２において、車両の必要電力より燃料電池１０の出力電力が大きくなった場合に、過放電状態が解消したとして、二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の出力電圧制御へ復帰させる点に特徴がある。

図１３は、実施例１４の制御フローチャートである。このフローチャートは、充放電状態検出器１３と制御器１４による連係動作として実行される。過放電状態または過充電状態が発生した後、図１３の制御フローチャートが呼び出される。

次いでＳ１３８で、電圧センサ２３より燃料電池１０の電圧、電流センサ２４より燃料電池１０の電流を検出する。次いでＳ１４０で、燃料電池１０の電圧および電流より燃料電池１０の電力を算出する。次に負荷要求電力と燃料電池１０の電力を比較する。比較した結果、燃料電池１０の電力が負荷要求電力を上回っているのであれば二次電池１２の過放電状態が解消したものと判断し、電力調整器１５の制御を二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の電圧制御へ切り替える。

以上説明した実施例１４によれば、二次電池の過放電状態を検知して二次電池の通過電流制御に切り替えた場合には、車両の必要電力より燃料電池の出力電力が大きくなった場合に、二次電池の電流制御から燃料電池の電圧制御へ復帰させることで、復帰直後の放電を防止し、かつ二次電池に燃料電池からの出力で車両に使用されない余剰電力を充電することができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１５を説明する。実施例１５のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１５の制御器１４は、実施例１２において、車両の必要電力より燃料電池１０の出力電力が小さくなった場合に、過充電状態が解消したとして、二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の出力電圧制御へ復帰させる点に特徴がある。

実施例１５の制御フローチャートは、実施例１４の図１３と同様であり、Ｓ１４０で燃料電池の発電電力が演算された後、負荷要求電力と燃料電池１０の発電電力を比較する。比較した結果、燃料電池１０の発電電力が負荷要求電力を下回っていれば二次電池１２の過充電状態が解消したものと判断し、電力調整器１５の制御を二次電池１２の電流制御から燃料電池１０の電圧制御へ切り替える。

以上説明した実施例１５によれば、二次電池の過充電状態を検知して二次電池の通過電流制御に切り替えた場合には、車両の必要電力より燃料電池の出力電力が小さくなった場合に、二次電池の電流制御から燃料電池の電圧制御へ復帰させることで、復帰直後の充電を防止し、かつ車両で必要な電力に対する燃料電池からの出力の不足分を二次電池から供給することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池車両のエネルギ制御システムの実施例１を搭載した燃料電池車両の概略構成図である。実施例２の制御内容を説明するフローチャートである。実施例３の制御内容を説明するフローチャートである。実施例４の制御内容を説明するフローチャートである。実施例５の制御内容を説明するフローチャートである。実施例６，実施例７の制御内容を説明するフローチャートである。実施例８の制御内容を説明するフローチャートである。実施例９の制御内容を説明するフローチャートである。実施例１０の制御内容を説明するフローチャートである。実施例１１の制御内容を説明するフローチャートである。実施例１２の制御内容を説明するフローチャートである。実施例１３の制御内容を説明するフローチャートである。実施例１４、１５の制御内容を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０：燃料電池、１１：インバータ、１２：二次電池、１３：充放電状態検出器、１４：制御器、１５：電力調整器、１６：燃料電池システム補機、１７：車両補機、１８：ガス量演算手段、２０、２３：電圧センサ、２１、２４：電流センサ、２２：温度センサ、２５：回転センサ、２６：アクセル開度センサ、３０：モータ、３１：駆動輪

Claims

燃料ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池と、
該燃料電池の出力が不足する場合に放電するとともに該燃料電池の出力または車両減速時の回生電力により充電される二次電池と、
該二次電池の放電電力または充電電力が過剰となったことを検出する充放電状態検出器と、
該充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出した際に、前記過放電状態または前記過充電状態に応じた制御指令を出力するとともに、前記燃料電池に対する燃料ガス供給量および空気供給量を制御する制御器と、
前記燃料電池と前記二次電池と間の電圧を調整するとともに、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態を検出した際に、前記制御器からの制御指令に基づいて前記二次電池の出力電流を制限し、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過充電状態を検出した際に、前記制御器からの制御指令に基づいて前記二次電池の入力電流を制限する電力調整器と、
を備え、
前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態を検出した際に、前記制御器は、前記電力調整器に対する制御指令を前記燃料電池の出力電圧制御から前記二次電池の出力電流制御に変更し、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過充電状態を検出した際に、前記制御器は、前記電力調整器に対する制御指令を前記燃料電池の出力電圧制御から前記二次電池の入力電流制御に変更することを特徴とする燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器は、前記二次電池の放電可能電力及び充電可能電力を特定する手段と、前記二次電池の実際の放電量及び充電量を特定する手段とを有し、
前記放電可能電力と前記放電量との比較、または前記充電可能電力と前記充電量との比較に基づいて、前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器は、前記二次電池の蓄電量（ＳＯＣ）に基づいて放電可能電力または充電可能電力を検出し、前記二次電池の出力電流または入力電流から放電量または充電量を検出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器は、前記二次電池の電圧と前記二次電池の設定動作電圧範囲とを比較して、前記二次電池の充放電可能量を演算することを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器は、前記二次電池の電圧に基づいて前記二次電池の放電可能電力または充電可能電力を検出し、車両の負荷要求電力と燃料電池出力電力との差に基づいて前記二次電池の放電量または充電量を検出することを特徴とする請求項２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記電力調整器は内部にスイッチ手段を備え、
前記スイッチ手段の入、切のタイミングにより電力調整を行う電力調整器であり、前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出した際に、前記制御器が前記電力調整器内のスイッチ手段の入、切の時間率を変更させることにより、前記二次電池の電流制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出した際に、
前記二次電池の放電量が放電可能電力以下、または充電量が充電可能電力以下となるように前記電力調整器の通過電流を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記制御器は、
車両の運転状況より必要電力を演算する必要電力演算手段と、
前記必要電力から前記燃料電池に供給する空気と燃料ガスの供給量を前記燃料電池の特性に基づいて演算する第１のガス供給量演算手段と、
前記燃料電池の出力電流を検出する手段と、
前記燃料電池の出力電流から前記燃料電池に供給する空気と燃料ガスの供給量を前記燃料電池の特性に基づいて演算する第２のガス供給量演算手段とを有し、
前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態が検出していない場合は、第１のガス供給量演算手段が演算したガス供給量とし、
前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出した場合は、第２のガス供給量演算手段が演算したガス供給量とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記充放電状態検出器が前記二次電池の過放電状態または過充電状態を検出しても前記制御器は所定時間の間は第１のガス供給量演算手段によるガス供給量とし、
過放電状態または過充電状態が所定時間継続した後に、第２のガス供給量演算手段によるガス供給量とすることを特徴とする請求項８記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記二次電池の過放電状態を検出して前記二次電池の電流制御に切り替えた場合に、燃料電池出力の出力電圧制御時の供給量より燃料ガスと空気の供給量を増加することを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記二次電池の過充電状態を検出して前記二次電池の電流制御に切り替えた場合に、燃料電池出力の出力電圧制御時の供給量より燃料ガスと空気の供給量を減少することを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記二次電池の過放電状態もしくは過充電状態が解消された場合に、前記二次電池の電流制御から前記燃料電池の出力電圧制御へ復帰させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
車両の必要電力と前記燃料電池の出力電力の差が、前記二次電池の出力可能範囲となった場合に、前記二次電池の電流制御から前記燃料電池の出力電圧制御へ復帰させることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記二次電池の過放電状態を検出して前記二次電池の電流制御に切り替えた場合に、車両の必要電力より前記燃料電池の出力電力が大きくなった場合に、前記二次電池の電流制御から前記燃料電池の出力電圧制御へ復帰させることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。
前記二次電池の過充電状態を検出して前記二次電池の電流制御に切り替えた場合に、車両の必要電力より前記燃料電池の出力電力が小さくなった場合に、前記二次電池の電流制御から前記燃料電池の出力電圧制御へ復帰させることを特徴とする請求項１２記載の燃料電池車両のエネルギ制御システム。