JP2000315511A - 燃料電池自動車の電力配分制御装置 - Google Patents
燃料電池自動車の電力配分制御装置Info
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Abstract
な走行性能を得ることができる燃料電池自動車の電力配
分制御装置を提供することにある。 【解決手段】 燃料改質システムの起動中に運転者のキ
ックダウン操作を検出したときに、燃料改質システムの
起動に要する電力を制限して、モータに配分する電力を
増加させ、優先してモータに電力を配分する。
Description
を起動中に電力配分する燃料電池自動車の電力配分制御
装置に関する。
質装置を有する燃料電池システムとバッテリとが搭載さ
れたハイブリッド燃料電池自動車が知られている。
改質装置は、燃料改質器と燃焼器からなっており、燃料
改質器からの改質ガスとコンプレッサからの空気とを燃
料電池を用いて電力を発生し、燃料電池で発電された余
剰電力及びモータの回生電力をバッテリに蓄積してお
く。この際、運転者によるアクセル操作に応じて、燃料
電池及びバッテリから電力調整器を介してモータ、燃料
改質器、燃焼器及びコンプレッサなどに電力が配分され
る。
ON操作して燃料電池自動車の運転を開始すると、燃料
改質器が起動するまでの数分から数十分の間は改質ガス
が生成されないため、燃料電池は発電することができな
い。従って、モータの走行電力は専らバッテリによって
賄われる。
能な基準量の改質ガスを生成するようになった時点から
発電を開始することができる。しかし、燃料電池の温度
が上昇していないため、この段階ではまだ定格発電を行
うことはできない。
内の発熱によって温度上昇し、所定の温度に達した時点
から定格発電が可能となる。
燃料電池自動車のシステムにあっては、燃料改質器を起
動して燃料の改質を行うために多大の電力を必要として
いた。
質を行うためには、燃焼器の発熱を燃料の気化や改質反
応の吸熱に再利用しているため、燃焼器も起動する必要
がある。また、化学反応を行う燃料改質器を起動するに
は、所定の温度、例えば、水蒸気改質であれば300℃
程度に昇温するため、多大の熱エネルギーを必要とし、
バッテリの電力のみでは賄うことが困難である。
せたときに発生する熱エネルギーを使って燃料改質器を
昇温させる。このとき、高温燃焼では触媒がメルトダウ
ンしてしまう。そこで、適度な温度で燃焼させるために
は大量の空気をコンプレッサから送る必要があり、必要
電力が大きくなる。
初期段階では、電気式気化器を用いる必要があるが、メ
タノールの潜熱が大きいため、この必要電力が大きくな
っていた。さらに、触媒に着火するために最低限の温度
まで電気ヒータ(触媒ヒータ)で昇温するため、必要電力
が大きくなっていた。
要とされる電力は、極めて多大であり、燃料電池自動車
が平地を高速巡航することが可能な程度の電力が消費さ
れる。このとき、バッテリの電力と容量が、電気自動車
としての基準量に燃料電池システムの起動に要する電力
を上乗せした分だけの充分なものになっていれば、燃料
電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可能になるま
での間、バッテリから充分な電力を供給することが可能
である。
池システムと共に、このようなバッテリを車両に搭載す
るには、十分な搭載空間を確保することができず、ま
た、コスト上昇の要因になると考えられる。従って、必
然的にバッテリの容器サイズを抑える必要があり、その
結果、燃料電池で利用可能な基準量の改質ガスが生成可
能になるまでの間、モータ走行のための充分な電力を確
保することが困難になる。
電池自動車のシステムにあっては、燃料電池で利用可能
な基準量の改質ガスを燃料改質システムで生成可能にな
るまでの数分から数十分の間は、燃料改質システム、ひ
いては燃料電池システムの起動に多大な電力を必要とし
ているので、バッテリの電力によるモータ走行に充分な
電力を確保することができないため、充分な走行性能が
得られないといった問題があった。
の目的としては、燃料改質システムの起動中に充分な走
行性能を得ることができる燃料電池自動車の電力配分制
御装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、燃料から改質ガスを生成する
燃料改質装置と、空気を供給する空気供給装置と、この
改質ガス及び空気を用いて電力を発生する燃料電池と、
この燃料電池で発生された電力を充電するとともに、電
力を放電する蓄電装置と、燃料電池及び蓄電装置から供
給される電力により車両を駆動するモータとを備え、ア
クセル操作に応じて、燃料電池及び蓄電装置から燃料改
質装置、空気供給装置及びモータへ供給される電力の配
分を制御する燃料電池自動車の電力配分制御装置におい
て、前記アクセルペダルによるキックダウン操作を検出
する操作検出手段と、前記燃料改質装置及び前記空気供
給装置を含む燃料改質システムの起動中に、キックダウ
ン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動に
要する電力を制限して前記モータに配分する電力を増加
するように制御する制御手段とを有することを要旨とす
る。
るため、前記燃料改質装置によって生成された改質ガス
中に含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵システムを有し、
前記制御手段は、前記水素貯蔵システムが起動後のとき
には、前記水素貯蔵システムの動作に要する電力は制限
せず、前記水素貯蔵システムが起動中のときには、前記
水素貯蔵システムの起動に要する電力も制限するように
制御することを要旨とする。
るため、前記燃料改質システムの起動に要する電力の不
足を検出する電力検出手段と、前記電力検出手段の検出
結果に応じて、前記燃料改質システムの起動電力が不足
していることを警告する警告手段とを有することを要旨
とする。
質システムの起動中に、運転者によるアクセルペダルの
キックダウン操作を検出したときに、燃料改質システム
の起動に要する電力を制限して、モータに配分する電力
を増加させる、すなわち、優先してモータに電力を配分
することで、燃料改質システムの起動中に充分な走行性
能を得ることができる。
システムを有する場合に、燃料改質システムの起動中に
運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を検出
したときでも、水素貯蔵システムが起動後であれば、水
素貯蔵システムの動作に要する電力を制限しないこと
で、燃料改質システムが起動中であっても、水素貯蔵シ
ステムによってある程度の電力を燃料電池によって発電
することができ、燃料改質システムの起動中でも充分な
走行性能を得ることができる。
システムの起動に要する電力の不足を検出するようにし
ておき、運転者に燃料改質システムの起動電力が不足し
ていることを警告することで、運転者に適切な対処を促
し、燃料改質システムが起動する前にバッテリが空にな
ってしまうことを防止することができる。
を参照して説明する。
の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装置
が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図であ
る。この燃料電池自動車は、燃料改質装置を有する燃料
電池システムとバッテリとが搭載されたハイブリッド燃
料電池自動車である。
からなる。燃料改質器1は、メタノールタンク5に蓄え
られている燃料となるメタノール7を水タンク9からの
水11を用いて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス1
3を生成する。このとき、場合によっては、コンプレッ
サ15から供給される空気17を用いてメタノール7の
部分酸化による改質も行われる。なお、水蒸気改質は吸
熱反応であり、部分酸化は発熱反応である。
レッサ15からの空気19とは燃料電池21のアノー
ド、カソードそれぞれの電極に送気され、改質ガス13
中の水素と空気19中の酸素とを用いて電力が発電され
る。改質ガス13中の水素と空気19中の酸素は、燃料
電池21内ですべて消費されるわけではなく、一部を残
して排出され、使用済み改質ガス23、使用済み空気2
5として燃焼器3に送気され、場合によっては、コンプ
レッサ15からの空気27とメタノールタンク5からの
メタノール7と共に燃焼される。燃焼器3での燃焼反応
による熱は、メタノール7や水11を気化するために、
上述した水蒸気改質の吸熱反応に供するために再利用さ
れる。
電された余剰電力や燃料電池自動車が減速する際のモー
タ29による回生電力を蓄積すると共に、モータ29で
消費される走行電力や、コンプレッサ15、燃料改質器
1、燃焼器3で消費される補機電力を賄うのに充分な発
電が燃料電池21によって行われなかった場合には、放
電して不足電力を補う。
料改質器1、燃焼器3など)への電力の配分、すなわ
ち、走行用電力と補機電力の配分は、電力調整器31を
介して行われる。制御装置33は、運転者によるアクセ
ルペダル35の踏み込み量(アクセル開度)をポジション
センサ37によって検出した信号と、車速とに基づいて
電力調整器31による電力配分を制御する。
ョンキーをON操作して燃料電池自動車の運転を開始す
ると、燃料改質器1が起動するまでの数分から数十分の
間は改質ガスの生成がないため、燃料電池21は発電す
ることができない。従って、モータ29の走行電力は専
らバッテリ27によって賄われる。その後、燃料改質器
1が、燃料電池21で使用可能な基準量の改質ガスを生
成するようになると、燃料電池21は発電を開始するこ
とができる。しかし、燃料電池21の温度が上昇してい
ない段階ではまだ定格発電を行うことはできない。そこ
で、その後も発電を継続すると、燃料電池21内の発熱
によって燃料電池21の温度が上昇し、所定の温度に達
した段階で定格の発電が可能となる。
テリの電力配分マップAを示す概念図である。なお、こ
の電力配分マップAは、制御装置33の内部ROMにデ
ータテーブルとして記憶されている。
力配分マップAに従って電力配分を制御する。図2に示
すPmax は、バッテリから供給できる最大電力である。
運転者によりアクセルが踏み込まれていくと、まず、走
行用電力としてモータ29に供給される電力が増加し
(領域a)、モータ29への走行用電力とコンプレッサ
15、燃料改質器1、燃焼器3、触媒ヒータ(図示せ
ず)、電気式気化器(図示せず)といった燃料改質シス
テムの起動に必要な補機電力との総和がPmax に達した
場合、以後はそれ以上のアクセル開度は無視され、一定
の電力がモータ29に供給される(領域b)。この状態
では、最大加速度が制限された走行性能になっている。
るバッテリの電力配分マップBを示す概念図である。な
お、上記の電力配分マップAと同様に、この電力配分マ
ップBも、制御装置33の内部ROMにデータテーブル
として記憶されている。
ダル35のキックダウン操作を検出した際に、この電力
配分マップBに従って電力配分を制御する。すなわち、
運転者によりアクセルペダルが踏み込まれていくと、ま
ず、上述した電力配分マップAと同様に、走行用電力と
してモータ29に供給される電力が増加する(領域
c)。
プレッサ15、燃料改質器1、燃焼器3、触媒ヒータ
(図示せず)、電気式気化器(図示せず)といった燃料
改質システムの起動に必要な補機電力との総和がPmax
に達すると、その後は、電力配分マップAと異なり、コ
ンプレッサ15、燃料改質器1、燃焼器3、触媒ヒータ
(図示せず)、電気式気化器(図示せず)といった燃料
改質システムの起動に必要な補機電力を、この燃料改質
システムを停止させない最低電力、例えば、触媒反応部
であれば触媒燃焼の火を消さずに維持するのに必要な最
低電力などの総和である最低必要補機電力Pmin になる
まで、アクセル開度に応じて制限する(領域d)。
は無視され、一定の電力がモータ29に供給される(領
域e)。この状態では、充分な加速が得られる走行性能
となっている。
プを参照して、図4に示す制御フローチャートに従って
燃料電池自動車の電力配分制御装置の制御動作を説明す
る。なお、図4に示す制御フローチャート及び図5に示
すキックダウン判断用マップは、制御装置33の内部R
OMに制御プログラム及びデータテーブルとして記憶さ
れている。
は、図示しないモータ制御装置や車輪に取り付けた車輪
速センサなどから車両の車速を読み込む。そして、ステ
ップS20では、ポジションセンサ37から運転者によ
るアクセルペダル35の踏み込み量(アクセル開度)を読
み込む。
3は、ステップS10で読み込まれた車速と、ステップ
S20で読み込まれたアクセル開度とに基づいて、図5
に示すキックダウン判断用マップに従ってキックダウン
領域かどうか判断する。すなわち、運転者によるキック
ダウン操作の有無の判断は、図5に示すアクセル開度と
車速のマップを用いて行われる。ここでは、図5に示す
ように、車速に応じて、あるアクセル開度を超えると、
キックダウン操作があったと判断される。
場合には、ステップS40に進み、制御装置33は、通
常の走行時であるため、電力調整器31による電力配分
制御を図2に示す電力配分マップAに従って行う。
である場合には、ステップS50に進み、キックダウン
検出時であるため、電力配分マップをAからBに切り替
え、図3に示す電力配分マップBに従って電力調整器3
1による電力配分制御を行う。
配分されている時間に応じて、燃料改質システムの起動
に必要な補機電力が制限されていることになるため、燃
料改質システムの起動に要する時間が長くなる。そのた
め、燃料改質システムが起動していない状態でキックダ
ウン操作を多用した場合、極端な場合には、燃料改質シ
ステムが起動する前にバッテリ27が空になってしまう
ことも起こり得る。
電力の不足を検出するようにしておき、例えば、電力配
分マップBに従ってモータ29に優先して配分した電力
が予め設定された量を超えたときに、警報装置39を介
して運転者に燃料改質システムの起動電力が不足してい
ることを警告するようにしている。
としては、燃料改質システムの起動中に、運転者による
アクセルペダルのキックダウン操作を検出したときに、
燃料改質システムの起動に要する電力を制限して、モー
タ29に配分する電力を増加させる。すなわち、優先し
てモータ29に電力を配分することで(図3参照)、燃料
改質システムの起動中に充分な走行性能を得ることがで
きる。
力の不足を検出したとき、運転者に燃料改質システムの
起動電力が不足していることを警告することで、運転者
に適切な対処を促し、燃料改質システムが起動する前に
バッテリ27が空になってしまうことを防止することが
できる。
2の実施の形態に係る燃料電池自動車の電力配分制御装
置が搭載された燃料電池自動車のシステムを示す図であ
る。なお、第2の実施の形態は、図1に示す第1の実施
の形態に対応する燃料電池自動車のシステムと同様の基
本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号
を付し、その説明を省略することとする。
うに、水素貯蔵システム41を設けたことにある。この
水素貯蔵システム41は、燃料改質器1によって生成さ
れた改質ガス43中の水素を貯蔵し、必要に応じて純水
素45を燃料電池21に送気する。水素貯蔵システム4
1は、燃料改質システムの応答性の遅れを補助するのに
加え、燃料改質システムの起動中に燃料電池21を運転
することを可能にする。
蔵方法により、いくつかのシステムが考えられる。例え
ば、改質ガス43を高圧タンクに圧縮して貯蔵する場
合、水素貯蔵システム41は、高圧タンクとコンプレッ
サなどから構成される。この場合、45は純水素ではな
く改質ガスである。また、水素吸蔵合金を用いた場合、
水素貯蔵システム41は、改質ガス43から純水素を取
り出すための水素純化装置、水素吸蔵合金を内蔵するタ
ンク、水素吸蔵合金から水素を取り出す際に加熱に用い
るヒータなどから構成される。
場合、燃料改質システムの起動中であっても、ある程度
の電力を、燃料電池21によって発電することが可能で
あり、第1の実施の形態の説明に用いた図2に示す電力
配分マップA及び図3に示す電力配分マップBの電力
を、バッテリ27の電力に燃料電池21の電力を加えた
ものとして、第1の実施の形態と同様に電力を配分すれ
ば良い。このとき、水素貯蔵システム41が立ち上がっ
ていれば、水素貯蔵システム41によって発電するのに
要する補機電力よりも発電量の方が一般的には上回って
いる。このため、運転者によるアクセルペダルのキック
ダウン操作を検出したときに、水素貯蔵システム41に
よって発電するのに要する補機電力を制限する必要はな
い。
充分な発電ができないといったいわゆる水素貯蔵システ
ム41の起動中に、運転者のキックダウン操作を検出し
た場合には、水素貯蔵システム41の起動に要する電力
も、燃料改質システムの起動に要する電力と同じく、制
限を加える。
は、燃料改質システムの起動中に運転者によるアクセル
ペダルのキックダウン操作を検出したときでも、水素貯
蔵システム41が起動後であれば、水素貯蔵システム4
1の動作に要する電力を制限しないことで、燃料改質シ
ステムが起動中であっても、水素貯蔵システム41によ
ってある程度の電力を燃料電池21によって発電するこ
とができ、燃料改質システムの起動中でも充分な走行性
能を得ることができる。
されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された発明
の範囲を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。以
下、その変更例を説明する。
は、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作の
有無の判断を、図5に示すように、車速とアクセル開度
とで行う場合を例にとって説明したが、このような場合
に限定されるわけではない。例えば、アクセル踏み込み
速度やアクセルプルスイッチの信号を用いたマップ又は
アルゴリズムを使用しても良い。
は、運転者によるアクセルペダルのキックダウン操作を
検出したときに、燃料改質システムの起動に要する電力
に制限を加える場合を例にとって説明したが、このよう
な場合に限定されるわけではない。例えば、カーエアコ
ンをOFF制御するといった空調のための電力制限を加
えて、電力配分マップを3種類用意しておき、アクセル
開度と車速から運転者によるアクセルペダルのキックダ
ウン操作を検出した場合には、燃料改質システムの起動
に要する電力に制限を加え、更にはアクセル踏み込み速
度が所定の値を超えたときには、カーエアコンをOFF
制御するようにしても良い。
は、強電系バッテリの電力配分を例にとって説明した
が、このようにな場合に限定されるわけではない。例え
ば、走行用のバッテリを有するハイブリッド燃料電池自
動車では、強電系を立ち上げるために強電系リレーをO
N制御する必要があるため、通常の自動車と同様の12
V又は24V系バッテリを、電気自動車と同様に補助バ
ッテリとして有しているのが一般的であり、このバッテ
リ電力も含めて電力配分を行うようにしても良い。例え
ば、アクセル開度がフルスロットルのときに、ヘッドラ
イトやウインカなどの灯火電力を補助バッテリから配分
するようにしても良い。
は、燃料改質システムの起動中の電力配分を例にとって
説明したが、このような場合に限定されるわけではな
い。例えば、燃料電池21の暖機中であって、ある程度
の発電は行うことができるものの、定格値に比べて発電
量が少なく、従って、走行電力が不足しているような場
合にも、本発明は適用可能である。
車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシ
ステムを示す図である。
プを示す概念図である。
分マップを示す概念図である。
制御装置の制御動作を説明するための制御フローチャー
トである。
る。
車の電力配分制御装置が搭載された燃料電池自動車のシ
ステムを示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 燃料から改質ガスを生成する燃料改質装
置と、 空気を供給する空気供給装置と、 この改質ガス及び空気を用いて電力を発生する燃料電池
と、 この燃料電池で発生された電力を充電するとともに、電
力を放電する蓄電装置と、 燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により車両を
駆動するモータとを備え、 アクセル操作に応じて、燃料電池及び蓄電装置から燃料
改質装置、空気供給装置及びモータへ供給される電力の
配分を制御する燃料電池自動車の電力配分制御装置にお
いて、 前記アクセルペダルによるキックダウン操作を検出する
操作検出手段と、 前記燃料改質装置及び前記空気供給装置を含む燃料改質
システムの起動中に、キックダウン操作を検出した場合
には、燃料改質システムの起動に要する電力を制限して
前記モータに配分する電力を増加するように制御する制
御手段とを有することを特徴とする燃料電池自動車の電
力配分制御装置。 - 【請求項2】 前記燃料改質装置によって生成された改
質ガス中に含まれる水素を貯蔵する水素貯蔵システムを
有し、 前記制御手段は、 前記水素貯蔵システムが起動後のときには、前記水素貯
蔵システムの動作に要する電力は制限せず、前記水素貯
蔵システムが起動中のときには、前記水素貯蔵システム
の起動に要する電力も制限するように制御することを特
徴とする請求項1記載の燃料電池自動車の電力配分制御
装置。 - 【請求項3】 前記燃料改質システムの起動に要する電
力の不足を検出する電力検出手段と、 前記電力検出手段の検出結果に応じて、前記燃料改質シ
ステムの起動電力が不足していることを警告する警告手
段とを有することを特徴とする請求項1記載の燃料電池
自動車の電力配分制御装置。
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