JP5341955B2 - 燃料電池車両 - Google Patents
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Description
[1−1.全体構成]
図1は、この発明の一実施形態に係る燃料電池車両10(以下「FC車両10」という。)の概略全体構成図である。図2は、FC車両10の電力系のブロック図である。図1及び図2に示すように、FC車両10は、燃料電池システム12(以下「FCシステム12」という。)と、走行用のモータ14と、インバータ16とを有する。
モータ14は、FCユニット18及びバッテリ20から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転させる。また、モータ14は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ20等に出力する(図2参照)。
(1−3−1.全体構成)
図3は、FCユニット18の概略構成図である。FCユニット18は、燃料電池スタック40(以下「FCスタック40」又は「FC40」という。)と、FCスタック40のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、FCスタック40のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、FCスタック40を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ42とを備える。
FCスタック40は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下「FCセル」という。)を積層した構造を有する。
アノード系は、水素タンク44、レギュレータ46、エゼクタ48及びパージ弁50を有する。水素タンク44は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管44a、レギュレータ46、配管46a、エゼクタ48及び配管48aを介して、アノード流路52の入口に接続されている。これにより、水素タンク44の水素は、配管44a等を介してアノード流路52に供給可能である。なお、配管44aには、遮断弁(図示せず)が設けられており、FCスタック40の発電の際、当該遮断弁は、ECU24により開とされる。
カソード系は、エアポンプ60、加湿器62、背圧弁64、循環弁66、流量センサ68、70及び温度センサ72を有する。
冷却系は、ウォータポンプ80及び図示しないラジエータ等を有する。ウォータポンプ80は、FC40内に冷却水(冷媒)を循環させることでFC40を冷却する。FC40を冷却して温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータで放熱される。
セル電圧モニタ42は、FCスタック40を構成する複数の単セル毎のセル電圧Vcellを検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Vcellを検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をECU24に出力する。
図2に示すように、FC40からの電力(以下「FC電力Pfc」という。)は、インバータ16及びモータ14(力行時)とDC/DCコンバータ22及び高電圧バッテリ20(充電時)とに加え、前記エアポンプ60、前記ウォータポンプ80、前記エアコンディショナ90、ダウンバータ92、低電圧バッテリ94、アクセサリ96及びECU24に供給される。なお、図1に示すように、FCユニット18(FC40)とインバータ16及びDC/DCコンバータ22との間には、逆流防止ダイオード98が配置されている。また、FC40の発電電圧(以下「FC電圧Vfc」という。)は、電圧センサ100(図4)により検出され、FC40の発電電流(以下「FC電流Ifc」という。)は、電流センサ102により検出され、いずれもECU24に出力される。
バッテリ20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素二次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ20の出力電圧(以下「バッテリ電圧Vbat」という。)[V]は、電圧センサ104(図2)により検出され、バッテリ20の出力電流(以下「バッテリ電流Ibat」という。)[A]は、電流センサ106により検出され、それぞれECU24に出力される。ECU24は、バッテリ電圧Vbatとバッテリ電流Ibatとに基づいて、バッテリ20の残容量(以下「SOC」という。)[%]を算出する。
DC/DCコンバータ22は、FCユニット18からのFC電力Pfcと、バッテリ20から供給された電力(以下「バッテリ電力Pbat」という。)[W]と、モータ14からの回生電力Pregとの供給先を制御する。
ECU24は、通信線140(図1等)を介して、モータ14、インバータ16、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22を制御する。当該制御に際しては、メモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ42、流量センサ68、70、温度センサ72、電圧センサ100、104、120、126、電流センサ102、106、124、130等の各種センサの検出値を用いる。
次に、ECU24における制御について説明する。
図5には、ECU24における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップS1において、ECU24は、メインSW158がオンであるかどうかを判定する。メインSW158がオンでない場合(S1:NO)、ステップS1を繰り返す。メインSW158がオンである場合(S1:YES)、ステップS2に進む。ステップS2において、ECU24は、FCシステム12に要求される負荷(システム負荷Psys)[W]を計算する。
図6には、システム負荷Psysを計算するフローチャートが示されている。ステップS11において、ECU24は、開度センサ150からアクセルペダル156の開度θpを読み込む。ステップS12において、ECU24は、回転数センサ152からモータ14の回転数Nm[rpm]を読み込む。
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、FCスタック40の劣化を抑制しつつ、FCシステム12全体の出力を効率化することを企図している。
図8は、FCスタック40を構成するFCセルの電位(セル電圧Vcell)[V]とセルの劣化量Dとの関係の一例を示している。すなわち、図8中の曲線180は、セル電圧Vcellと劣化量Dとの関係を示す。
図10は、本実施形態における複数の電力供給制御及び電力供給モードの説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給の制御方法(電力供給制御)として、3つの制御方法(電力供給制御)を用いる。すなわち、本実施形態では、通常発電制御と、アイドル停止制御と、アイドル発電制御とを切り替えて用いる。
図11には、ECU24が、FC車両10のエネルギマネジメント(図5のS3)を行うフローチャートが示されている。ステップS21において、ECU24は、車両10が低負荷状態(アイドル状態)であるか否かを判定する。具体的には、ECU24は、ステップS2で計算したシステム負荷Psysが、低負荷を判定するための閾値THPsys以下であるか否かを判定する。ここにいう低負荷とは、例えば、エアポンプ60の出力を考慮した際、それ以下のFC出力PfcではFC40の発電効率が悪く、むしろバッテリ20からの出力により発電した方が効率が良いような場合を意味する。或いは、低負荷は、モータ14の要求電力がゼロである場合を意味してもよい。
上記のように、通常第1モードは、主として、システム負荷Psysが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Cotgtを固定(或いは、酸素を豊潤な状態に維持)した状態で、目標FC電圧Vfctgtを調整することによりFC電流Ifcを制御する。
上記のように、通常第2モードは、主として、システム負荷Psysが低負荷のときに用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3よりも低い電位以下で設定された基準電位{本実施形態では、電位v2(=0.8V)}に固定すると共に、目標酸素濃度Cotgtを可変とすることにより、FC電流Ifcを可変とする。
アイドル停止制御で用いるアイドル停止モードは、メインSW158(図1)がオンの状態においてFC40による積極的な発電を停止する(換言すると、FC40の発電を抑制する)動作モードである。アイドル停止モードでは、反応ガス供給手段としてのFCユニット18(エアポンプ60、パージ弁50及び背圧弁64を含む。)の作動量をゼロとする。
アイドル発電制御で用いるアイドル発電モードは、メインSW158(図1)がオンの状態においてFC40に最低限の発電を行わせる動作モードである。
上記のように、FC発電制御(図5のS4)として、ECU24は、FCスタック40の周辺機器、すなわち、エアポンプ60、背圧弁64、循環弁66及びウォータポンプ80を制御する。具体的には、ECU24は、エネルギマネジメント(図5のS3)で算出したこれらの機器の指令値(例えば、図13のS34)を用いてこれらの機器を制御する。
図23には、モータ14のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップS61において、ECU24は、回転数センサ152からモータ回転数Nmを読み込む。ステップS62において、ECU24は、開度センサ150からアクセルペダル156の開度θpを読み込む。
図24には、本実施形態に係る各種制御と比較例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。図24において実線で示されるものが本実施形態に係るものであり、破線(及び一点鎖線)で示されるものが比較例に係るものである。但し、バッテリSOCについては実施形態及び比較例のいずれも実線で示している。破線のみで示される比較例は、通常第1モードと同様の制御(すなわち、FC電圧VfcとFC電流Ifcの両方を可変とする制御)を用いてアイドル発電制御を行っている。当該比較例では、時点t2以降は、目標FC電圧Vfctgt(実質的に、FC電圧Vfcと等しくなる)が過電圧となるため、FC40の劣化が促進されてしまう。時点t3において、FC電流Ifcが目標値(補機駆動分の電流値)まで到達した後も発電を続けている。また、時点t3以降において一点鎖線で示される比較例では、時点t3以降は、バッテリ20が上限SOCに到達したため(且つ補機駆動分の電流値に相当する微小電力の発電がFC40の劣化の観点からできないため)、FC40による発電を停止している。
以上説明したように、本実施形態によれば、FC車両10が所定の低負荷状態である場合に、エアポンプ回転数Napを一定とする(図19のS52)。このため、低負荷状態においてバッテリ20のSOCが上限SOCに到達したことに伴ってエアポンプ60が停止することにより、エアポンプ60の出力音が不意に変化すること等がない。従って、低負荷状態におけるエアポンプ60の出力音について搭乗者に違和感を与えることなく、バッテリ20のSOCを適切に保つことが可能となる。
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、FCシステム12をFC車両10に搭載したが、これに限らず、アイドル発電制御を適用可能な別の対象に搭載してもよい。例えば、FCシステム12を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、FCシステム12を家庭用電力システムに適用してもよい。
上記実施形態では、FC40と高電圧バッテリ20を並列に配置し、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図25に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ22をFC40の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図26に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、FC40の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ160を、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。或いは、図27に示すように、FC40とバッテリ20を直列に配置し、バッテリ20とモータ14の間にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Cotgtを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。
上記実施形態では、通常発電制御の動作モードとして、通常第1モードと通常第2モードを用いたが、いずれか一方のみでもよい。
14…走行モータ 16…インバータ
18…燃料電池ユニット(反応ガス供給部)
20…高電圧バッテリ(蓄電装置) 22…DC/DCコンバータ
24…ECU(蓄電量検出手段、制御装置)
40…燃料電池スタック 60…エアポンプ
60a、60b、62a…配管(エア供給配管)
62b、64a、64b…配管(エア排出配管)
66…循環弁(調整装置)
66a、66b…配管(エア還流配管)
Claims (2)
- 走行モータと、
前記走行モータに電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池の出力をアシストする蓄電装置と、
前記蓄電装置の出力電圧を変圧して前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
エア供給配管を介して前記燃料電池にエアを供給するエアポンプと、
エア排出配管から分岐して前記エアポンプの上流側で前記エア供給配管に連通し、前記燃料電池から排出されたエアオフガスを前記エア供給配管に還流させるエア還流配管と、
前記エア還流配管における前記エアオフガスの還流量を調整する調整装置と、
前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段と、
前記エアポンプ及び前記調整装置を制御する制御装置と
を備える燃料電池車両であって、
前記制御装置は、前記燃料電池車両が所定の低負荷状態である場合に、前記燃料電池の発電電圧を所定電圧に固定し且つ前記エアポンプの駆動量を一定としつつ、前記蓄電量が所定の範囲内に収まる又は目標値になるように前記調整装置を制御して、前記エアオフガスの還流量を調整することにより酸素濃度を変化させ、前記燃料電池からの出力を変化させるアイドル発電制御を行う
ことを特徴とする燃料電池車両。 - 請求項1記載の燃料電池車両において、
前記所定電圧は、酸化還元電圧範囲外の値である
ことを特徴とする燃料電池車両。
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