JP6897489B2 - 燃料電池車 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池と二次電池を備える燃料電池車に関する。
燃料電池車は、走行用のモータの電源として燃料電池と二次電池を組み合わせて用いることが多い。二次電池は、応答の遅い燃料電池を補完する役割を担う。燃料電池の出力が不足する場合は二次電池が不足分を補う。二次電池の残量が低下した場合は燃料電池の電力で二次電池を充電する。二次電池は、モータが発電した電力を蓄えることもできる。
燃料電池の冷却系を二次電池の温度調整に用いる技術が例えば特許文献１に開示されている。二次電池は温度が低すぎると性能が低下する。特許文献１に開示された燃料電池車では、車のイグニッションスイッチがオフに切り換えられたときに燃料電池の冷却系から冷媒を二次電池へ循環させ、二次電池の温度が所定の温度閾値を上回ったら冷媒の循環を停止する。温度が高くなった冷媒を二次電池に貯留させることで、イグニッションスイッチオフ後の二次電池の温度低下を緩やかにする。そうすることで、次にイグニッションスイッチをオンしたときにできるだけ二次電池の温度を高くしておくことができる。
特開平１０−３９５１号公報
特許文献１の技術は、イグニッションスイッチオフ後の二次電池の温度低下を遅らせる技術である。イグニッションスイッチがオンの間にも、燃料電池の冷却系を使って二次電池の温度が低くならないようにできることが望ましい。
本明細書が開示する燃料電池車は、燃料電池と二次電池を備えている。燃料電池車は、さらに、循環流路と、バイパス流路と、切換弁と、温度センサと、コントローラを備えている。循環流路は、燃料電池とラジエータの間で冷媒を循環させる。バイパス流路は、一端がラジエータの冷媒流の上流側で前記循環流路に接続されているとともに他端がラジエータの冷媒流の下流側で循環流路に接続されている。別言すれば、バイパス流路は、冷媒にラジエータを迂回させる流路である。バイパス流路は途中で二次電池を通過している。「二次電池を通過している」とは、二次電池の温度調整のために二次電池の筐体を通過している、という意味である。切換弁は、ラジエータの冷媒流の上流側で循環流路とバイパス流路の接続箇所に備えられており、冷媒の流れる方向をラジエータ側とバイパス流路側との間で切り換える。温度センサは、燃料電池を通過した冷媒の温度（冷媒温度）を計測する。
走行用のモータの電源として使われる燃料電池と二次電池は、通常、同時に起動される。それゆえ、燃料電池を通過した冷媒の温度（冷媒温度）が低い場合、二次電池の温度も低い蓋然性が高い。燃料電池車のコントローラは、そのような場合には切換弁をバイパス流路側へ切り換え、冷媒を二次電池へ流して二次電池の温度を高める。他方、冷媒温度が高い場合には、二次電池の温度も高い可能性が大きいので、コントローラは、切換弁をラジエータ側へ切り換え、二次電池には、燃料電池の冷却系の冷媒を導かない。温度の高い冷媒は、ラジエータで冷却される。コントローラの上記の処理によって、イグニッションスイッチがオンの間も二次電池の温度を高めることができる。
本明細書が開示する燃料電池車のコントローラは、上記の処理に代えて、次の処理を実行する。コントローラは、冷媒温度が所定の温度閾値を下回っているとともに冷媒温度が二次電池温度を上回っていたら切換弁をバイパス流路側に切り換え、そうでない場合には切換弁をラジエータ側に切り換える。温度閾値は、典型的には、二次電池の過熱保護温度である。過熱保護温度は、その温度以上に二次電池の温度が上昇すると性能が低下する温度である。冷媒温度が閾値温度を下回っているとともに冷媒温度が二次電池温度を上回っている場合に冷媒をバイパス流路（二次電池）へ導くことで、二次電池を適切な温度に調整することができる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の燃料電池車のブロック図である。 冷却システムのブロック図である。 第１実施例においてコントローラが実行する弁切換制御のフローチャートである。 第２実施例においてコントローラが実行する弁切換制御のフローチャートである。 燃料電池とバッテリとバイパス流路のレイアウトを示す図である。
（第１実施例）図面を参照して実施例の燃料電池車を説明する。図１に、燃料電池車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の燃料電池車１００は、燃料電池２、バッテリ３、第１コンバータ４、第２コンバータ５、インバータ６、走行用のモータ７を備えている。燃料電池２とバッテリ３は、ともに、走行用のモータ７を駆動するための電源である。第１コンバータ４と第２コンバータ５は、電圧コンバータである。第１コンバータ４の低圧側は燃料電池２に接続されており、高圧側はインバータ６の直流側に接続されている。第２コンバータ５の低圧側はバッテリ３に接続されており、高圧側はインバータ６の直流側に接続されている。インバータ６の交流側には走行用のモータ７が接続されている。
第１コンバータ４は、燃料電池２が出力する電力の電圧を昇圧する。第２コンバータは、バッテリ３の出力電圧を昇圧してインバータ６へ供給する昇圧機能と、インバータ６から送られてくる電力（後述する回生電力）の電圧を降圧してバッテリ３へ供給する降圧機能を有している。即ち、第２コンバータは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。第２コンバータ５は、燃料電池２の余剰電力の電圧を降圧してバッテリ３に供給する場合もある。
インバータ６は、昇圧された燃料電池２の直流電力、あるいは、昇圧されたバッテリ３の直流電力をモータ７の駆動に適した交流電力に変換する。インバータ６から供給される交流電力でモータ７が駆動される。モータ７は、車両の運動エネルギを使って発電する場合がある。モータ７が生成した電力を回生電力と称する。インバータ６は、モータ７が発電した回生電力（交流電力）を直流に変換して第２コンバータ５へ供給する場合もある。
モータ７に要求される出力は、運転者のアクセルワークに応じて頻繁に変化する。一方、燃料電池２は、出力電力の調整の時定数が長い。燃料電池車１００は、燃料電池２の応答の遅さを補うために、バッテリ３を搭載している。バッテリ３は、例えばリチウムイオン電池などの二次電池（再充電が可能な電池）である。燃料電池車１００は、燃料電池２の出力電力がモータ７の目標出力に足りない場合はバッテリ３の電力で補う。また、燃料電池２の出力電力がモータ７の目標出力を上回っている場合には、余剰の電力をバッテリ３に充電する。この場合、第１コンバータ４の出力電力の一部がインバータ６へ供給され、残部が第２コンバータによって降圧され、バッテリ３に供給される。
燃料電池車１００は、燃料電池２を冷却する冷却システム１０を備えている。冷却システム１０は、燃料電池２を冷却するだけでなく、バッテリ３の温度調整にも用いられる。図２に、冷却システム１０のブロック図を示す。冷却システム１０は、ラジエータ１５と、循環流路１２と、冷媒を圧送するポンプ１３と、コントローラ３０を備えている。循環流路１２は、ラジエータ１５と燃料電池２の間で冷媒を循環させる。ポンプ１３は、燃料電池２から出た冷媒をラジエータ１５へ送る。ラジエータ１５にはファン１５ａが備えられており、ファン１５ａによって送られた空気で冷媒が放熱し、冷媒の温度が下がる。温度が低下した冷媒は、循環流路１２によって再び燃料電池２へ送られ、燃料電池２を冷却する。冷媒は、液体であり、典型的には、水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。図２における太い矢印線は冷媒の流れ方向を示しており、破線は信号線を示している。以下では、説明を簡単にするために、冷媒流の上流側（冷媒流の下流側）を冷媒流上流側（冷媒流下流側）、あるいは単純に上流側（下流側）と称する場合がある。
循環流路１２には、冷媒にラジエータ１５を迂回させるバイパス流路１６が接続されている。バイパス流路１６は、その一端がラジエータ１５の上流側で循環流路１２に接続されており、他端がラジエータ１５の下流側で循環流路１２に接続されている。バイパス流路１６は、途中でバッテリ３を通過している。「バイパス流路１６がバッテリ３を通過している」とは、バッテリ３の温度調整のために流路がバッテリ３の筐体を通過している、という意味である。バイパス流路１６は、冷媒をバッテリ３へ導く流路である。
ラジエータ１５の上流側で循環流路１２とバイパス流路１６の接続箇所には切換弁１４が備えられている。切換弁１４は、燃料電池２から出た冷媒の流れる方向をラジエータ１５の側とバイパス流路１６の側との間で切り換える。切換弁１４は、コントローラ３０によって制御される。切換弁１４の制御については後述する。
バイパス流路１６の途中に３個の分岐２１、２２、２３が設けられている。分岐２３は、バイパス流路１６の下流端に相当し、バイパス流路１６は、分岐２３で循環流路１２と合流する。バイパス流路１６の途中に２個の分岐２１、２２が設けられている。分岐２１は、冷媒をバッテリ３へ向かう流路とショートカット流路１７に分ける。ショートカット流路１７の下流側に分岐２２が接続されている。ショートカット流路１７を流れた冷媒とバッテリ３を通過した冷媒は、分岐２２で合流し、バイパス流路１６の下流端へと向かう。分岐２１、２２、ショートカット流路１７は、バッテリ３へ流す冷媒の量を調整するために設けられている。循環流路１２を流れる冷媒の量と同量の冷媒をバッテリ３へ流してよい場合は、分岐２１、２２、ショートカット流路１７は不要である。
冷却システム１０は、２個の温度センサ３１、３２を備えている。第１温度センサ３１は、循環流路１２の燃料電池出口に設けられており、燃料電池２を通過した冷媒の温度を計測する。第２温度センサ３２は、バッテリ３に設けられており、バッテリ３の温度を計測する。
バッテリ３は、低い温度では性能が低下する。燃料電池車１００は、燃料電池２を冷却するための冷却システム１０を使って、バッテリ３を暖めることができる。コントローラ３０は、所定の条件が満たされると、冷媒がバイパス流路１６へ流れるように、切換弁１４をラジエータ側からバイパス流路側へ切り換える。コントローラ３０が実行する弁切換制御のフローチャートを図３に示す。
コントローラ３０は、まず、第１温度センサ３１から冷媒温度を取得する（ステップＳ２）。先に述べたように、第１温度センサ３１が計測する温度は、燃料電池２を通過した冷媒の温度（冷媒温度）である。次に、コントローラ３０は、取得した冷媒温度を温度閾値と比較する（ステップＳ３）。温度閾値は、例えば、バッテリ３が正常に動作する温度範囲の中で設定される。温度閾値は、例えば、６０℃に設定される。コントローラ３０は、冷媒温度が温度閾値を上回っている場合、冷媒がラジエータ１５へ流れるように、切換弁１４をラジエータ側へ切り換える（ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｓ４）。コントローラ３０は、同時に、ラジエータのファン１５ａを動作させる。冷媒温度が温度閾値を超えている場合は、冷媒をラジエータ１５へ送り、冷媒の温度を下げる。温度の下がった冷媒は循環流路１２を通り、燃料電池２へ送られる。温度の下がった冷媒によって燃料電池２が冷却される。通常、燃料電池２とバッテリ３は同時に利用されるため、冷媒温度（燃料電池２の温度の推定値）が温度閾値よりも高い場合は、バッテリ３の温度は低くない可能性が高いので、バッテリ３を暖める必要がない。そのような場合には、切換弁１４をラジエータ側に切り換え、冷却システム１０は、燃料電池２を冷却する。なお、図示は省略しているが、燃料電池２にも温度センサが備えられており、コントローラ３０は、燃料電池２の温度が動作に適した所定範囲内に維持されるように、ポンプ１３を制御する。
一方、コントローラ３０は、冷媒温度が温度閾値を下回っていた場合、冷媒がバッテリ３へ流れるように、切換弁１４をバイパス流路側へ切り換える（ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ５）。コントローラ３０は、定期的に図３のフローチャートの処理を繰り返す。冷媒温度（即ち、燃料電池２の温度の推定値）が低い場合、バッテリ３の温度も低い可能性が高い。そのような場合には冷媒をバッテリ３へ送ることで、冷媒でバッテリ３を暖めることができる。
（第２実施例）次に、第２実施例の燃料電池車を説明する。第２実施例の燃料電池車の構造は第１実施例の燃料電池車と同じである。それゆえ、第２実施例の燃料電池車でも図１と図２を用いる。図１と図２は既に説明しているので、第２実施例の燃料電池車のハードウエアについては説明を省略する。
第２実施例の燃料電池車では、コントローラ３０が実行する弁切換制御が第１実施例の場合と異なる。図４に、第２実施例のコントローラ３０が実行する弁切換制御のフローチャートを示す。コントローラ３０は、まず、第１温度センサ３１から冷媒の温度を取得し、第２温度センサ３２からバッテリ３の温度を取得する（ステップＳ１２）。冷媒の温度は、第１実施例の場合と同じであり、燃料電池２を通過した冷媒の温度である。以下では、第１温度センサ３１が計測した温度を冷媒温度と称し、第２温度センサ３２が計測した温度をバッテリ温度と称する。
次に、コントローラ３０は、冷媒温度とバッテリ温度を比較する（ステップＳ１３）。冷媒温度がバッテリ温度を下回っている場合、冷媒ではバッテリ３を暖めることができないので、冷媒がバイパス流路１６へ流れないように切換弁１４をラジエータ側へ切り換える（ステップＳ１３：ＮＯ、Ｓ１６）。なお、このとき、バッテリ３の温度が低い場合は、燃料電池２も、冷却が必要なほどには温度が高くない可能性が高いので、コントローラ３０は、ラジエータのファン１５ａは停止させておく。また、燃料電池２の温度が所定の温度よりも低い場合には、コントローラ３０は、ポンプ１３も停止する。
一方、冷媒温度がバッテリ温度を上回っている場合、コントローラ３０は、次に冷媒温度を過熱保護温度と比較する（ステップＳ１３：ＹＥＳ、Ｓ１４）。過保護温度は、バッテリの温度がその温度（過熱保護温度）を超えると、性能が低下する温度である。冷媒温度が過熱保護温度を超えている場合、そのような高温の冷媒をバッテリ３へ流すとバッテリ３の温度が高くなりすぎてしまう。そこで、冷媒温度が過熱保護温度を超えている場合、コントローラ３０は、冷媒がラジエータ１５を通過するように、切換弁１４をラジエータ側に切り換える（ステップＳ１４：ＮＯ、Ｓ１６）。冷媒温度が過熱保護温度を下回っている場合、コントローラ３０は、冷媒がバッテリ３へ流れるように、切換弁１４をバイパス流路側に切り換える（ステップＳ１４：ＹＥＳ、Ｓ１５）。コントローラ３０は、図４の処理を定期的に繰り返す。ステップＳ１３とＳ１４の判断がともにＹＥＳの場合とは、冷媒温度がバッテリ温度を上回っており、かつ、冷媒温度が過熱保護温度を下回っている場合である。そのような温度範囲に属する冷媒温度は、バッテリ３を適切な温度範囲に保つのに好適である。
第１実施例と第２実施例の燃料電池車は、燃料電池２の冷却システム１０を使ってバッテリ３を適切な温度範囲に調整することができる。第１実施例の処理（図３）と第２実施例の処理（図４）は、車両のイグニッションスイッチがオンの間に実行される。実施例の燃料電池車は、車両のイグニッションスイッチがオンの間、所定の条件が成立したときにバッテリ３を暖めることができる。
ここで、燃料電池２とバッテリ３と流路のレイアウトについて説明する。図５に、それらのレイアウトを示す。図５では、燃料電池車１００の車両の輪郭を仮想線で描いてある。ラジエータ１５と燃料電池２と循環流路１２は車両のフロントコンパートメント１０１に搭載されている。一方、バッテリ３は、車両のリアコンパートメント１０２に搭載されている。バイパス流路１６は、フロントコンパートメント１０１から、車室の下部を通過し、リアコンパートメント１０２へと延びている。別言すれば、バイパス流路１６は、フロントコンパートメント１０１に搭載されている燃料電池２のための冷却システムの流路（循環流路１２）をリアコンパートメント１０２に搭載されているバッテリ３まで延長する流路である。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術は、バッテリ３の温度が低いときにバッテリ３を暖める技術である。バッテリ３の過熱を防止するために、燃料電池車は、バッテリ３を冷却する別の冷却器を備えていてもよい。
先に述べたように、実施例の技術は、燃料電池２のための冷却システム１０を使ってバッテリ３を暖める技術である。コントローラ３０は、燃料電池２の温度に応じてポンプ１３の出力を調整し、燃料電池２の温度を適切な温度範囲に保つ。なお、燃料電池２の温度が動作に適した温度を下回っている場合、ポンプ１３とファン１５ａを停止してもよい。あるいは、冷媒温度が燃料電池２の温度を上回っている場合には、コントローラ３０は、ファン１５ａを停止し、ポンプ１３を作動させてもよい。その場合、燃料電池２の温度よりも高い冷媒で燃料電池２を暖めることができる。
図３のステップＳ３、図４のステップＳ１３、Ｓ１４における不等号記号は、等しい場合を含む不等号記号であるが、等しい場合を含まない不等号記号を用いてもよい。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２：燃料電池
３：バッテリ
４：第１コンバータ
５：第２コンバータ
６：インバータ
７：モータ
１０：冷却システム
１２：循環流路
１３：ポンプ
１４：切換弁
１５：ラジエータ
１５ａ：ファン
１６：バイパス流路
１７：ショートカット流路
２１、２２、２３：分岐
３０：コントローラ
３１：第１温度センサ
３２：第２温度センサ
１００：燃料電池車
１０１：フロントコンパートメント
１０２：リアコンパートメント

Claims (1)

  1. 燃料電池と二次電池を備える燃料電池車であり、
    前記燃料電池とラジエータの間で冷媒を循環させる循環流路と、
    一端が前記ラジエータの冷媒流上流側で前記循環流路に接続されているとともに他端が前記ラジエータの冷媒流下流側で前記循環流路に接続されており、途中で前記二次電池を通過しているバイパス流路と、
    前記ラジエータの冷媒流上流側で前記循環流路と前記バイパス流路の接続箇所に備えられており、前記冷媒の流れる方向を前記ラジエータ側と前記バイパス流路側との間で切り換える切換弁と、
    前記燃料電池を通過した前記冷媒の温度（冷媒温度）を計測する第１温度センサと、
    前記二次電池の温度を計測（二次電池温度）する第２温度センサと、
    前記冷媒温度が所定の温度閾値を下回っているとともに前記冷媒温度が前記二次電池温度を上回っていたら前記切換弁を前記バイパス流路側に切り換え、そうでない場合には前記切換弁を前記ラジエータ側に切り換えるコントローラと、
    を備えている、燃料電池車。
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