JP7548044B2

JP7548044B2 - 燃料電池車両の空調装置

Info

Publication number: JP7548044B2
Application number: JP2021019989A
Authority: JP
Inventors: 隆行島内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2024-09-10
Anticipated expiration: 2041-02-10
Also published as: CN114905917B; US20220250438A1; CN114905917A; US11897312B2; JP2022122631A

Description

本発明は、燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置に関する。

燃料電池による発電電力を利用して走行する燃料電池車両が知られている。ここで、燃料電池では、その発電の際に発熱があり、燃料電池で発生した廃熱を暖房に利用することも提案されている。特に、燃料電池では、その発電効率を制御することで発熱量を制御することができ、従って暖房要求に応じた熱を出力することができる。

特許文献１では、冷却水を循環して燃料電池を冷却するが、燃料電池から排出された高温の冷却水を暖房に用いるとともに、冷却水の循環の方式を複数用意し、冷却水の温度に従って暖房の最適化を図っている。

特開２０１５－２０９０３０号公報

ここで、従来は暖房要求に応じて、走行状態を考慮せず、燃料電池における余分の発熱量（暖房用発熱量）を決定している。しかし、走行状態によって、燃料電池の廃熱量も変化するため、走行状態によっては暖房用の余分な発熱は必要ない場合もある。特に、燃料電池における暖房用の発熱は、エネルギー効率が低く、これを行うことで車両の最大走行距離が短くなる。

本発明は、燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置であって、燃料電池スタックからの熱媒体を循環し、空気との熱交換により暖房を行うヒータコアと、車両が走行する際に発生する走行抵抗に影響する道路状態と、環境状態と、に基づき、道路を走行する際の走行抵抗を算出し、算出された走行抵抗に基づき、前記ヒータコアでの熱交換を制御する制御部と、を含み、前記制御部は、前記算出された前記走行抵抗が所定以上の場合には、燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限する。

前記道路状態は、走行する道路についての道路勾配と当該道路の標準的な路面の摩擦係数を含むことができる。

前記環境状態は、走行時の気温と、降雨状態を含むことができる。

前記制御部は、道路状態および環境状態が標準的な場合における標準的走行抵抗と、前記算出された走行抵抗との差が所定値以上の場合に、燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限することができる。

さらに、設定された経路についての経路案内を行うナビゲーション装置を有しており、前記制御部は、設定された経路における走行抵抗を算出し、制御部は設定された経路における走行抵抗に基づいて燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限することができる。

本発明によれば、走行抵抗を考慮して、燃料電池スタックの廃熱による暖房に制限を加える。これによって、燃料電池スタックの運転の効率化を図ることができ、最大走行距離を大きく維持することが可能となる。

ＦＣスタック１０を利用する空調システムの全体構成を示すブロック図である。暖房についての単独モードの状態について示す図である。暖房についての連携モードの状態について示す図である。暖房についてのＦＣスタック１０の廃熱要求についての処理を示すフローチャートである。走行抵抗を予測する場合の処理のフローチャートである。ＦＣスタック１０の廃熱要求についての制限状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「システム構成」
図１は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１０を利用する空調システムの全体構成を示すブロック図である。ＦＣスタック１０は、水素などの燃料ガスを燃焼して、発電するものであり、水素ガスの循環系、空気の供給排出系、および発電電力の出力系などを有する。すなわち、燃料電池セル内で、水素ガスを燃焼したエネルギーを電気エネルギーとして出力する。

ここで、ＦＣスタック１０の運転は、水素ガスの循環量、空気の供給量、出力電力の大きさなどによって制御される。通常は、最適運転条件で運転されるが、運転条件の変更により発電効率を制御することができ、発電効率を低下することによって発熱量（廃熱量）が増加する。そこで、暖房要求に応じて廃熱量を増加し、その廃熱により熱媒体（通常は水）を加温することで廃熱を暖房に利用することができる。

ＦＣスタック１０は、発電によって発熱する。そこで、ＦＣスタック１０には、熱媒体の循環路が設けられており、ここを通過する熱媒体がラジエータ１２に循環して冷却される。図１では、ラジエータ１２とＦＣスタック１０を結ぶ管路１４－１には、ポンプ１６が設けられている。また、ＦＣスタック１０とラジエータ１２を結ぶ管路１４－２には、ロータリバルブ１８が設けられ、管路１４－１からの分岐管路１４－３がロータリバルブ１８に接続されている。

従って、ポンプ１６を駆動して、管路１４－１により、ラジエータ１２からの熱媒体をＦＣスタック１０に供給し、燃料電池スタックからの熱媒体を、管路１４－２を介しラジエータ１２に供給することで、熱媒体がＦＣスタック１０、ラジエータ１２を循環し、ＦＣスタック１０内で吸収した熱をラジエータ１２で放熱することで、ＦＣスタック１０を冷却することができる。

また、管路１４－２には分岐路２０－１が接続され、この分岐路２０－１には、三方弁２２、ポンプ２４、ヒータ２６を介し、ヒータコア３０が接続され、ヒータコア３０は、分岐路２０－２を介し、管路１４－２に接続されている。また、分岐路２０－２は、分岐路２０－３を介し、三方弁２２にも接続されている。

従って、三方弁２２により分岐路２０－１をポンプ２４に接続することによって、ＦＣスタック１０からの熱媒体をポンプ２４によりヒータ２６，ヒータコア３０に供給した後、管路１４－２に戻すことができる。また、三方弁２２により分岐路２０－３を選択することで、ポンプ２４からの熱媒体をヒータ２６、ヒータコア３０、三方弁２２という経路で循環することができる。

ロータリバルブ１８は、管路１４－２と分岐管路１４－３からの熱媒体を任意の比率でラジエータ１２に供給することができる。すなわち、ロータリバルブ１８により、ラジエータ１２内を循環する熱媒体と、ＦＣスタック１０に循環する熱媒体の比率を制御することができる。

制御部４０は、各種部材を制御するものであり、入力信号に応じて、三方弁２２を制御して熱媒体の循環モードを切り換えたり、ポンプ１６，２４の流量を変更したり、ヒータ２６の発熱量や、ＦＣスタック１０の廃熱量を制御したりする。

また、制御部４０には、ナビゲーション装置４２が接続されている。ナビゲーション装置４２は、地図データなどを有しており、ＧＰＳ装置などの現在地検出手段からの信号に応じて、地図上に現在地を表示したり、目的地が設定された場合にはそこまでの経路を探索設定して、経路案内を行ったりする。なお、ナビゲーション装置４２は、通信機能を有し、クラウド上のサーバなどから地図情報や経路情報を取得することができる。

「循環モード」
＜単独モード＞
図２には、暖房についての単独モードの状態が示してある。単独モードでは、三方弁２２により、管路１４－２からの経路を閉ざし、分岐路２０－３からの熱媒体をヒータ２６、ヒータコア３０に循環する。従って、ヒータ２６の発熱によって、ヒータコア３０の熱交換が制御でき、ＦＣスタック１０の発熱とは切り離して暖房が制御される。

＜連携モード＞
図３には、暖房についての連携モードの状態が示してある。連携モードでは、三方弁２２により、分岐路２０－３からからの経路を閉ざし、管路１４－２からの熱媒体をヒータ２６、ヒータコア３０に通過させてから管路１４－２に戻す。従って、ＦＣスタック１０の発熱と、ヒータ２６の発熱の両方によって、ヒータコア３０の熱交換が制御される。

＜中間モード＞
なお、分岐路２０－３を介しての単独の循環と、管路１４－２からの熱媒体の循環の両方を併用する中間モードを設けてもよい。

「暖房の制御」
＜通常時＞
通常時は、室内の暖房要求に対し、ヒータコア３０の運転条件が決定され、これに見合った温度、流量の熱媒体がヒータコア３０に循環する。このために、ＦＣスタック１０からの熱媒体温度を考慮して、熱媒体の循環経路、流量、ヒータ２６の発熱量を制御する。ＦＣスタック１０は、走行状態に応じてその動作が制御され、暖房要求とは関係しない。

＜ＦＣスタックの廃熱要求＞
寒冷地における始動時や、外気温が非常に低い場合など、必要な暖房に車両における発熱量が十分でない場合には、制御部４０にてＦＣスタック１０の廃熱要求が発生され、これに応じてＦＣスタック１０の発熱量が増加され、廃熱要求に応じた廃熱が発生される。

ここで、この廃熱要求は、ヒータコア３０における必要熱量を得るために、必要なＦＣスタック１０の廃熱を予め定められた方式で計算する。例えば、管路１４－２の熱媒体温度、ヒータ２６の適正発熱量などからＦＣスタック１０の廃熱量、すなわち廃熱要求が決定される。

図４は、暖房についてのＦＣスタック１０の廃熱要求についての制御部４０における処理を示すフローチャートである。

まず、暖房要求のＦＣスタック１０の廃熱要求があったかを判定する（Ｓ１１）。Ｓ１１の判定でＮＯ（廃熱要求がない）の場合には、特別な処理は必要ないため、通常の動作を継続する（Ｓ１２）。

Ｓ１１の判定でＹＥＳの場合には、走行抵抗を算出する（Ｓ１３）。まず、現在の車両の走行抵抗を算出する。この場合、地図データから現在の道路の摩擦係数（例えば、２５℃）、勾配を取得するとともに、車両の車速Ｖを取得する。なお、車両の車両前面投影面積、空気抵抗係数などは記憶しており、記憶している値を用いるとよい。２５℃における走行抵抗αを次式により、算出する。
α＝（Ａ）Ｖ^２＋Ｃ

ここで、Ａは２５℃における空気抵抗係数であり、Ｖは車速、Ｃは２５℃におけるタイヤころがり抵抗である。なお、タイヤころがり抵抗Ｃは、車両総重量と、２５℃におけるころがり抵抗係数によって算出され、ころがり抵抗係数は、路面の状況（舗装材料、乾湿等）、タイヤ（種類、空気圧）、輪重、車輪軸受けの状態（グリスの温度）等に影響されるが、ここでは標準的な状態（２５℃）におけるころがり抵抗係数を用いる。

また、ここで、上述のように、ころがり抵抗係数は、路面の状況や道路勾配などの道路状態によって変化する。また、現在の外気温、風速、降雪、降雨などの環境状態によっても、空気抵抗係数Ａ、ころがり抵抗係数Ｃなどが変化する。そこで、本実施形態では、車両において各種センサを設けたり、クラウド上のサーバから情報を取得することによって、現状の道路状態および環境状態における空気抵抗係数Ａ’、ころがり抵抗Ｃ’に基づく走行抵抗βを算出する。なお、このような走行抵抗の算出には、公知の各種手法を採用することができる。
β＝（Ａ’）Ｖ^２＋Ｃ’

そして、算出した環境状態を考慮した走行抵抗βが所定値以上かを判定する（Ｓ１４）。例えば、平坦な標準的道路を走行する場合の標準走行抵抗を記憶しておき、その標準走行抵抗に比べ走行抵抗が十分大きいかを判定すればよい。

このために、算出した走行抵抗α、βから、β－αを算出し、これが所定の閾値より大きいか否かを判定する。例えば、閾値を２０Ｎとした場合、次式の判定を行う。
β－α＞２０Ｎ

Ｓ１４の判定で、ＮＯであれば、Ｓ１２に移り、通常の動作を継続する。一方、Ｓ１４の判定でＹＥＳであれば、走行抵抗が通常の場合より大きく、この場合にはＦＣスタック１０に対する廃熱要求を制限する（Ｓ１５）。

走行抵抗が大きい場合、車両走行についてのエネルギーが大きくなり、従ってＦＣスタック１０の負荷も大きくなり、発熱量も大きくなる。従って、ＦＣスタック１０からの熱媒体の温度が上昇するはずである。そこで、このような場合には、暖房のためのＦＣスタック１０の廃熱要求を制限し、ＦＣスタック１０の非効率的な運転を抑制し、車両走行の効率化を図る。これによって、車両の走行可能距離を長くすることができる。

ここで、上記例においては、現在の走行状態に応じて、走行抵抗を算出した。しかし、将来の走行状態を予測した方が、実際に合った制御が行える。

図５は、走行抵抗を予測する場合の処理のフローチャートである。このように、図４のＳ１３の走行抵抗の算出について、現在の走行抵抗だけでなく、将来の走行抵抗を考慮する。

例えば、ナビゲーション装置４２において、目的地が設定されており、設定された経路を走行している場合であれば、その経路上を走行する可能性が高く、これを前提として将来の走行抵抗を算出することができる。

例えば、現在から所定時間や所定距離（１０分間や、１０ｋｍなど）の走行について、上記α、βの平均値を算出すればよい。なお、目的地までの経路を対象としてもよい。地図データは、離散的なポイントごとに記憶されており、勾配、標準的な路面の摩擦係数などは、対象範囲の記憶されているデータをそのまま利用すればよい。また、離散的なデータを補間して平均値を計算してもよい。温度などの環境データ（気象データ）については、現状のものを用いればよい。例えば、勾配データのみ、対象範囲の平均値に置き換えるだけでも、本実施形態のＦＣ廃熱要求についての処理の適正化を図ることができる。

また、経路走行において、気象予報（例えば、目的地までの走行時における気温変化、降雨状態の変化）なども考慮して、最も効率的な暖房が行えるように、最適化計算を行い、ＦＣスタックの廃熱利用の最適化を図ってもよい。

「廃熱要求の制限」
図６は、ＦＣスタック１０の廃熱要求についての制限状態を示す図である。このように、走行抵抗の通常に比べての差β－αが所定の閾値（例えば、２０Ｎ）までは、廃熱要求を１００％とし制限を行わない。そして、β－αが閾値を超えた場合には、廃熱要求を制限する。β－αが大きくなるにしたがって、廃熱要求が低く制限され、所定値以降は十分低い値になる（０ｋＷとしてもよい）。このような処理によって、ＦＣスタック１０の廃熱を利用する暖房についての運転が制限され、暖房に制限が加わる。しかし、走行抵抗が大きいことによって、ＦＣスタック１０の発電量が大きくなり、発電の際の発熱量が大きくなるため、暖房のための廃熱量を大きくしなくても、必要な熱量を確保できる可能性が高い。また、将来の走行の予測を考慮した制御によって、一時的に暖房量が不足するかもしれないが、トータルとしては十分な暖房が達成できる。

ここで、廃熱要求の制限値をその発熱量（ｋＷ）として、制限してもよく、その場合の縦軸が発熱量（ｋＷ）になるが、特性は図６と同様になる。

このように、本実施形態では、現在または現在および将来の走行抵抗を考慮して、ＦＣスタック１０の廃熱要求に制限を加える。これによって、ＦＣスタック１０の運転の効率化を図ることができ、最大走行距離を大きく維持することが可能となる。

「その他」
また、走行抵抗が大きく、ＦＣスタック１０の廃熱が大きい場合または大きいことが予測される場合には、その廃熱を利用して暖房ができるため、ヒータ２６による加熱を制限してもよい。これによっても、暖房の効率化を図ることができ、車両走行距離を延長することができる。

１０燃料電池スタック（ＦＣスタック）、１２ラジエータ、１４－１，１４－２管路、１４－３分岐管路、１６，２４ポンプ、１８ロータリバルブ、２０－１，２０－２，２０－３分岐路、２２三方弁、２６ヒータ、３０ヒータコア、４０制御部、４２ナビゲーション装置。

Claims

燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置であって、
前記燃料電池スタックからの熱媒体を循環し、空気との熱交換により暖房を行うヒータコアと、
前記燃料電池車両が走行する際に発生する走行抵抗に影響する道路状態と、環境状態と、に基づき、道路を走行する際の走行抵抗を算出し、算出された前記走行抵抗に基づき、前記ヒータコアでの熱交換を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記算出された前記走行抵抗が所定以上の場合には、前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限するとともに、
前記道路状態は、走行する前記道路についての道路勾配と当該道路の標準的な路面の摩擦係数を含む、
燃料電池車両の空調装置。
燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置であって、
前記燃料電池スタックからの熱媒体を循環し、空気との熱交換により暖房を行うヒータコアと、
前記燃料電池車両が走行する際に発生する走行抵抗に影響する道路状態と、環境状態と、に基づき、道路を走行する際の走行抵抗を算出し、算出された前記走行抵抗に基づき、前記ヒータコアでの熱交換を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記算出された前記走行抵抗が所定以上の場合には、前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限するとともに、
前記環境状態は、走行時の気温と、降雨状態を含む、
燃料電池車両の空調装置。
燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置であって、
前記燃料電池スタックからの熱媒体を循環し、空気との熱交換により暖房を行うヒータコアと、
前記燃料電池車両が走行する際に発生する走行抵抗に影響する道路状態と、環境状態と、に基づき、道路を走行する際の走行抵抗を算出し、算出された前記走行抵抗に基づき、前記ヒータコアでの熱交換を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記算出された前記走行抵抗が所定以上の場合には、前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限するとともに、前記道路状態および前記環境状態が標準的な場合における標準的走行抵抗と、前記算出された前記走行抵抗との差が所定値以上の場合に、前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限する、
燃料電池車両の空調装置。
燃料電池スタックの廃熱を暖房に利用する燃料電池車両の空調装置であって、
前記燃料電池スタックからの熱媒体を循環し、空気との熱交換により暖房を行うヒータコアと、
前記燃料電池車両が走行する際に発生する走行抵抗に影響する道路状態と、環境状態と、に基づき、道路を走行する際の走行抵抗を算出し、算出された前記走行抵抗に基づき、前記ヒータコアでの熱交換を制御する制御部と、
設定された経路についての経路案内を行うナビゲーション装置と、
を含み、
前記制御部は、前記算出された前記走行抵抗が所定以上の場合には、前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限するとともに、設定された経路における走行抵抗を算出し、前記制御部は設定された経路における前記走行抵抗に基づいて前記燃料電池スタックの廃熱を利用する暖房についての運転を制限する、
燃料電池車両の空調装置。