JP6172121B2 - 燃料電池システム、燃料電池車両、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態の燃料電池システム100を搭載した燃料電池車両10の構成を示す概略図である。燃料電池車両10は、燃料電池110と、FC昇圧コンバーター120と、パワーコントロールユニット(PCU)130と、トラクションモーター136と、エアコンプレッサー(ACP)138と、車速検出部139と、二次電池140と、SOC検出部142と、FC補機150と、制御装置180と、アクセル位置検出部190と、車輪WLと、を備える。燃料電池車両10は、燃料電池110および二次電池140から供給される電力によってトラクションモーター136を駆動させて走行する。燃料電池システム100は、例えば、上述した燃料電池車両10の機能部のうち、トラクションモーター136と、車輪WLとを除いた機能部によって構成される。
PVHCL=max{PT/M+PAUX+Pchg ,POC} ・・・(1)
ここで、PT/Mは、トラクションモーター136の駆動要求電力[W]であり、PAUX[W]は、FC補機150やACP138の駆動要求電力であり、Pchg[W]は、二次電池140を充放電する電力である。POC[W]は、間欠運転時等において高電位回避電圧とするために必要な電力である。PT/Mは、例えば、トラクションモーター136の回転数および要求トルクと、PT/Mとの関係を示すモーター特性から算出することができる。PAUXは、例えば、現在のFC補機150、ACP138の消費電力の実測値に基づいて算出することができる。なお、PAUXは、FC補機150の消費電力を定数とし、ACP138の消費電力はモーターの回転数、要求トルクと、消費電力との関係を示すモーター特性から算出してもよい。Pchgは、例えば、二次電池140を目標のSOC(例えば、60%)と、現在のSOCと、Pchgとの関係を示したマップから算出することができる。POCは、高電位回避電圧と、燃料電池110の電力―電流特性(P−I特性)と、電流―電圧特性(I−V特性)から算出することができる。なお、POCは固定値であってもよい。この「車両要求電力PVHCL」は、特許請求の範囲の「発電要求電力」に該当する。
車両要求電力PVHCL、FC発電電力PFC、および、実行トルクTACTは、ドラビリ要求トルクTMODに対応するため、同様にT1〜T3期間にかけて緩やかに増加する。ACP駆動要求電力PRQは、アクセル要求トルクTACCに対応するため、T1〜T2期間にかけて増加する。
第2実施形態のPM−ECU181Aは、第1実施形態と同様に、アクセル要求トルクTACCからACP駆動要求電力PRQを算出することによって、ACP138の反応の遅れによる車両の加速感の悪化を抑制させる。一方、第2実施形態のPM−ECU181Aは、さらに、車両の急加速時に、ACP駆動要求電力PRQの値を補正する補正処理を実行して、燃料電池車両10の車重と転がり抵抗による加速感の悪化を抑制する。具体的には、第2実施形態のPM−ECU181Aは、トラクションモーター136のT/M消費電力PCONSが急増する条件として予め設定されている条件を満たしたときにACP駆動要求電力PRQの値を補正する補正処理を実行する。補正処理の開始条件については後述する。補正処理では、PM−ECU181Aは、アクセル要求トルクTACCから算出したACP駆動要求電力PRQに対して、燃料電池車両10の車重および転がり抵抗によるトラクションモーター136の回転数のアクセル踏込量DACCに対する遅れを補うための電力を加えることによって、ACP駆動要求電力PRQの値を補正する。
FTacc+FRR=MVHCL・AEXP ・・・(2)
ここで、FRRは、燃料電池車両10の転がり抵抗に相当する値として予め設定された値である。MVHCLは燃料電池車両10の車重に相当する値として予め設定された値である。PM−ECU181は、算出した予測加速度AEXPを積算することによってトラクションモーター136の予測回転数REXPを算出する。PM−ECU181Aは、この予測回転数REXPに基づいてACP駆動要求電力PRQを補正する。予測回転数REXPに基づいてACP駆動要求電力PRQを補正する方法としては、例えば、予測回転数REXPと補正量(追加電力)との関係を示したマップによって、予測回転数REXPから補正量を算出してもよい。
第3実施形態のPM−ECU181Bは、第1実施形態と同様に、アクセル要求トルクTACCからACP駆動要求電力PRQを算出することによって、ACP138の反応の遅れによる車両の加速感の悪化を抑制させる。一方、第3実施形態のPM−ECU181Bは、さらに、二次電池140に充電余力がある場合は、ACP駆動要求電力PRQの値を補正する補正処理を実行して、燃料電池車両10の加速の繰り返しによる二次電池140の蓄電量(SOC)の低下を抑制する。具体的には、第3実施形態のPM−ECU181Bは、トラクションモーター136のT/M消費電力PCONS、が急増する条件として予め設定されている条件を満たしたときにACP駆動要求電力PRQの値を補正する補正処理を実行する。補正処理の開始条件および停止条件については第2実施形態と同様(図6)である。補正処理では、PM−ECU181Bは、アクセル要求トルクTACCから算出したACP駆動要求電力PRQに対して、二次電池140に充電するための電力(充電電力Pin)を加えることによって、前記駆動要求電力の値を補正する。ここでは、PM−ECU181Bは、二次電池140の温度および蓄電量に応じて設定される充電電力の上限値PWin[W]を算出し、上限値PWinに相当する充電電力PinをACP駆動要求電力PRQに上乗せする。なお、充電電力Pinは上限値Win以下であってもよい。
第4実施形態の燃料電池車両10Cは、燃料電池車両の加速時のトルクショックを抑制するためのトルクショック回避制御をおこなう点以外は、第1実施形態の燃料電池車両10と同様である。燃料電池車両の加速時のトルクショックは、例えば、以下のようにして発生する。燃料電池車両の加速の開始時に、FC発電電力PFCが発電要求電力(車両要求電力PVHCL)に対して遅れ、トラクションモーターへの供給電力が一時的に不足する。その後、FC発電電力PFCが急峻に立ち上がったときに、トラクションモーターに供給される電力が急増して実行トルクが急増し、一時的な急加速(トルクショック)が発生する。第4実施形態のPM−ECU181Cは、第4実施形態のPM−ECU181Cは、加速時にトルクショックが発生する条件として予め設定されている条件を満たしたときに、トルクショック回避制御を実行する。この「加速時にトルクショックが発生する条件」については後述する。トルクショック回避制御では、PM−ECU181Cは、第1実施形態と同様の方法で算出した車両要求電力PVHCLに対して、車両要求電力PVHCLと、FC発電電力PFCとの差分(不足量)DIFが減少するように車両要求電力PVHCLを補正する。ここでは、車両要求電力PVHCLに対してレートリミットを実施することによって車両要求電力PVHCLの値を低減させる。
比較例2の燃料電池車両は、トルクショック回避制御を実施しない点以外は第4実施形態の燃料電池車両10Cと同じである。上述したように、比較例2の燃料電池車両は、T2時点において、車両要求電力PVHCLに対してレートリミットを実施しないため、T2時点において差分DIFが減少しない。よって、その後、T3時点において、FC発電電力PFCが車両要求電力PVHCLの値まで急峻に立ち上がったときに、実行トルクは急増し、トルクショックが発生する。一方、本実施形態の燃料電池車両10Cによれば、トルクショック回避制御によって差分DIFの増大が抑制されるため、トルクショックの発生を低減できる。
第5実施形態のPM−ECU181Dは、第4実施形態と同様に、トルクショック回避制御をおこなう。一方、第4実施形態のレート値RDは固定値として説明したが、第5実施形態のレート値RDは、「加速時にトルクショックが発生する条件」を満たしてからの経過時間によって、値が変化するように構成されている。それ以外の構成は第4実施形態と同様である。
第6実施形態のPM−ECU181Eは、第5実施形態と同様に、トルクショック回避制御およびカウント処理をおこなう。一方、第5実施形態のカウント値COは、経過時間に正比例するものとして説明したが、第6実施形態のカウント値COは、差分DIFに応じて、増加量(カウントアップ量CU)が変化するように構成されている。それ以外の構成は第5実施形態と同様である。
第7実施形態のPM−ECU181Fは、第4実施形態と同様に、トルクショック回避制御をおこなう。一方、第4実施形態では、車両要求電力PVHCLを補正する方法として、車両要求電力PVHCLに対してレートリミットを実施していたが、第7実施形態では、これ以外の方法によっても、車両要求電力PVHCLの補正をおこなうように構成されている。それ以外の構成は第4実施形態と同様である。
なお、この発明は上記の実施形態や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1実施形態〜第7実施形態の構成は適宜組み合わせることができる。例えば、第3実施形態の構成と第4実施形態の構成とを組み合わせてもよい。この場合、PM−ECUは、二次電池140に充電余力がある場合は、ACP駆動要求電力PRQの値を補正する補正処理を実行し、加速時にトルクショックが発生する条件を満たしたときに、トルクショック回避制御を実行する。
第1〜7実施形態の燃料電池110は、エアコンプレッサー(ACP)138によって酸素が供給されているが、燃料電池110に酸素を供給する手段はエアコンプレッサー以外のポンプであってもよい。また、第1〜7実施形態では、ACP駆動要求電力PRQは、ACP138をアクセル要求トルクTACCに対応する駆動状態とするために必要な電力であるとした。しかし、ACP駆動要求電力PRQには、バルブの駆動電力などACP138の駆動電力以外の電力が含まれていてもよい。
100…燃料電池システム
110…燃料電池
120…FC昇圧コンバーター
130…パワーコントロールユニット
132…モータードライバー
136…トラクションモーター
138…エアコンプレッサー
139…車速検出部
140…二次電池
142…SOC検出部
150…FC補機
180…制御装置
190…アクセル位置検出部
WL…車輪
Claims (7)
- 車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、
酸素を前記燃料電池に供給するポンプと、
前記車両のアクセル踏込量を検出するアクセル位置検出部と、
前記モーターに電力を供給する二次電池と、
前記アクセル踏込量に基づいて、前記燃料電池の発電要求電力、および、前記ポンプの駆動要求電力を算出するとともに、前記駆動要求電力に基づいて前記ポンプを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、算出する前記発電要求電力が増加するときに、前記発電要求電力の増加速度よりも前記駆動要求電力の増加速度が速くなるように前記駆動要求電力を算出するとともに、前記二次電池に充電するための電力であって、前記二次電池の温度および蓄電量に応じて設定される充電電力の上限値を用いて算出される電力を、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記駆動要求電力に加えることによって、前記駆動要求電力の値を補正する、燃料電池システム。 - 車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、
酸素を前記燃料電池に供給するポンプと、
前記車両のアクセル踏込量を検出するアクセル位置検出部と、
前記アクセル踏込量に基づいて、前記燃料電池の発電要求電力、および、前記ポンプの駆動要求電力を算出するとともに、前記駆動要求電力に基づいて前記ポンプを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、算出する前記発電要求電力が増加するときに、前記発電要求電力の増加速度よりも前記駆動要求電力の増加速度が速くなるように前記駆動要求電力を算出するとともに、前記発電要求電力と前記燃料電池の実際の発電電力との差分が第1の閾値以上であり、かつ、前記発電電力が第2の閾値以下の場合に、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記発電要求電力に対して、前記差分が減少するように前記発電要求電力の値を補正する、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記発電要求電力と前記燃料電池の実際の発電電力との差分が第1の閾値以上であり、かつ、前記発電電力が第2の閾値以下の場合に、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記発電要求電力に対して、前記差分が減少するように前記発電要求電力の値を補正する、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記車両の車重および前記車両の転がり抵抗によって生じる、前記アクセル踏込量に対する前記モーターの回転数の遅れを補うための電力であって、前記車重および前記転がり抵抗にそれぞれ相当する値として予め設定された値を用いて算出される電力を、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記駆動要求電力に加えることによって、前記駆動要求電力の値を補正する、燃料電池システム。 - 車両であって、
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
前記燃料電池システムから供給される電力によって前記車両を駆動させるモーターと、を備える車両。 - 車両に搭載される燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、酸素を前記燃料電池に供給するポンプと前記モーターに電力を供給する二次電池とを含んでおり、
前記制御方法は、
前記車両のアクセル踏込量を検出し、前記アクセル踏込量に基づいて、前記燃料電池の発電要求電力、および、前記ポンプの駆動要求電力を算出するとともに、前記駆動要求電力に基づいて前記ポンプを制御し、
算出する前記発電要求電力が増加するときに、前記発電要求電力の増加速度よりも前記駆動要求電力の増加速度が速くなるように前記駆動要求電力を算出するとともに、前記二次電池に充電するための電力であって、前記二次電池の温度および蓄電量に応じて設定される充電電力の上限値を用いて算出される電力を、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記駆動要求電力に加えることによって、前記駆動要求電力の値を補正する、制御方法。 - 車両に搭載される燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記車両を駆動するモーターに電力を供給する燃料電池と、酸素を前記燃料電池に供給するポンプとを含んでおり、
前記制御方法は、
前記車両のアクセル踏込量を検出し、前記アクセル踏込量に基づいて、前記燃料電池の発電要求電力、および、前記ポンプの駆動要求電力を算出するとともに、前記駆動要求電力に基づいて前記ポンプを制御し、
算出する前記発電要求電力が増加するときに、前記発電要求電力の増加速度よりも前記駆動要求電力の増加速度が速くなるように前記駆動要求電力を算出するとともに、前記発電要求電力と前記燃料電池の実際の発電電力との差分が第1の閾値以上であり、かつ、前記発電電力が第2の閾値以下の場合に、前記アクセル踏込量に基づいて算出した前記発電要求電力に対して、前記差分が減少するように前記発電要求電力の値を補正する、制御方法。
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