JP2004159447A

JP2004159447A - 燃料電池車両の制御装置

Info

Publication number: JP2004159447A
Application number: JP2002323605A
Authority: JP
Inventors: Shinobu Kamata; 忍釜田; Hiroshi Iwano; 岩野　　浩; Hiroshi Oba; 大羽　　拓; Michiyuki Haniyu; 倫之羽二生; Kazuhiro Takeda; 和宏竹田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】発進時及び低速走行時の運転性を確保する燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】車両の駆動源としてのモータ３と、このモータに電力を供給する燃料電池１と、燃料電池が発電した電力を回収するとともに、前記モータに電力を供給する蓄電装置２と、車両の制動を制御するブレーキ装置９と、を備えた燃料電池車両において、運転者の要求に応じて目標駆動力を算出する手段１１と、目標駆動力となるように駆動力を前記ブレーキ装置９によって制御する手段１１と、前記ブレーキ装置の使用状態を検出する手段７、１０、１１と、前記蓄電装置の蓄電状態を検出する手段８と、前記ブレーキ装置の使用状態と前記蓄電装置の蓄電状態に基づいて前記制動力制御手段による駆動力制御を判定する手段１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
改質型燃料電池は、改質器のバルブを低負荷で高精度に制御することができず、発電直後の電力は目標電力より大きくなり、余剰電量を発生させることになる。そこで、余剰電力を発生する領域での車両の走行を可能とするため、余剰電力を蓄電装置（例えば、バッテリ）に回収して、駆動源への供給電力を目標電力に追従するように制御する。しかしながら、蓄電装置の充電状態（以下、ＳＯＣという。）がフル状態であったり、劣化により蓄電不能である場合には余剰電力を回収することができず、車両低速領域での電力制御が困難となる。このため、発進や低速走行等の運転性が悪化する。
【０００３】
そこで、余剰電力を蓄電装置としてのバッテリに回収する代わりにフライホイールに貯蔵する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。フライホイールに余剰電力を貯蔵することで、通常の鉛バッテリ以上に繰り返し充放電が可能な蓄電装置となる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１０８３０５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フライホイールの駆動モータ等の劣化や故障により蓄電不能となり、結果として発進や低速走行等の運転性が悪化することが考えられる。
【０００６】
本発明はこのような課題を鑑みてなされたもので、余剰電力が発生する運転領域でも車両の運転性を損なわない燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、車両の駆動源としてのモータと、このモータに電力を供給する燃料電池と、燃料電池が発電した電力を回収するとともに、前記モータに電力を供給する蓄電装置と、車両の制動を制御するブレーキ装置と、を備えた燃料電池車両において、運転者の要求に応じて目標駆動力を算出する手段と、目標駆動力となるように駆動力を前記ブレーキ装置によって制御する手段と、前記ブレーキ装置の使用状態を検出する手段と、前記蓄電装置の蓄電状態を検出する手段と、前記ブレーキ装置の使用状態と前記蓄電装置の蓄電状態に基づいて前記制動力制御手段による駆動力制御を判定する手段と、を備える。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池で発電された発電量が要求発電量より過剰であり、かつ蓄電装置にその余剰電力を回収する空容量がない場合に、余剰電力が供給されるモータが目標駆動力より大きい駆動力を発揮し、車両が目標車速より高い車速で走行することになる。このような場合に、ブレーキ装置の制動力により余剰電力分により発揮される駆動力を抑制することで、発進や低速走行時の運転性が悪化することを防止することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池車両システムの構成図であり、車両の駆動系は電力供給源としての改質型燃料電池１と蓄電装置２、電力供給源からの電力に基づき駆動力を生じる駆動源としての駆動モータ３とからなる。蓄電装置２は燃料電池１で発生した電力を回収し、条件に応じて駆動モータ３に電力を供給する。駆動モ−タ３は、その駆動トルクをデファレンシャルギア４を介して車輪５に伝達し、車両を走行させる。
【００１０】
改質型燃料電池１は、燃料電池コントローラ６から出力される各種制御信号によって制御され、また駆動モータ３は駆動モータコントローラ７からのトルク制御信号により制御されている。蓄電装置２は、その電圧値と電流値とを蓄電装置コントローラ８に出力し、蓄電装置コントローラ８は、これら入力値に基づいてＳＯＣを演算する。また蓄電装置コントローラ８は蓄電装置２から駆動モータ３に供給される電力を制御する。
【００１１】
各車輪５を制動させるブレーキ装置９が備えられ、制動力コントローラ１０が制御する油圧により所定の制動力を発生する。
【００１２】
そして、燃料電池１の発電量と、蓄電装置２の蓄電状態（ＳＯＣと劣化状態）と、駆動モータ３の駆動トルクと、ブレーキ装置９の制動力とを総合的に制御するための統合コントローラ１１が設けられる。この統合コントローラ１１には蓄電装置コントローラ８から蓄電装置２のＳＯＣと劣化状態、入出力可能電圧に関する情報が入力され、駆動モータコントローラ７から駆動モータ３の回転速度と駆動トルクの情報が入力され、さらに制動力コントローラ１０からブレーキ装置９に作動油を供給する油圧回路の油温と油圧の情報が入力される。加えて、アクセルペダルの踏みこみ量（以下、ＡＰＳという。）を検出するアクセルペダルストローク量検出センサ１２からの出力信号が入力される。
【００１３】
統合コントローラ１１は、これら入力値に基づいて燃料電池コントローラ６には燃料電池１の発電電力指令値を出力し、駆動モータコントローラ７にはモータトルク指令値を出力し、蓄電装置コントローラ８には蓄電電力指令値を出力し、さらに制動力コントローラ１０には制動力指令値を出力する。各コントローラ６、７、８、１０はこれら指令値に基づき、燃料電池１、蓄電装置２、駆動モータ３及びブレーキ装置９を制御する。
【００１４】
このように構成され、燃料電池１で発電された発電量が要求発電量より過剰であり、かつ蓄電装置２にその余剰電力を回収する空容量がない場合に、余剰電力が供給される駆動モータ３により車両が目標車速より高い車速で走行することになる。このような場合に本発明は、ブレーキ装置９の制動力により余剰電力分により発揮される駆動力を抑制することで、発進や低速走行等の運転性が悪化することを防止するものである。以下、添付フローチャートを用いて本発明を説明する。
【００１５】
まず、図２のフローチャートを用いて統合コントローラ１１が実施する制御内容について説明する。
【００１６】
まずステップ１で蓄電装置２の蓄電状態（ＳＯＣ及び劣化状態）、入出力可能電力を読み込む。
【００１７】
ここで、蓄電装置２のＳＯＣを演算する方法としては、電力量の積算値から演算でき、また劣化状態の演算方法としては、蓄電装置２の充放電時の電流値・電圧値を何点かサンプリングし、その結果を電流−電圧のグラフにプロットし、その直線の傾きを内部抵抗として劣化を演算できる。このように蓄電装置２の蓄電状態は、電流と電圧を検出するセンサを設けることで容易に演算することができる。
【００１８】
また、入出力可能電力は、前述の電流−電圧のグラフの傾きから内部抵抗を、切片から開放電圧を算出し、これらの算出値を用いて蓄電装置２の上下限電圧まで充放電したときの最大充放電電流値を算出し、上下限電圧値と最大充放電電流値の積から演算できる。このとき、電流または入出力可能電力をＳＯＣの関数としてテーブル化しておいてもよい。さらには、温度センサを蓄電装置２に設置し、蓄電装置２の温度を検出して入出力可能電力をＳＯＣと蓄電装置温度の関数としてマップ化しておけば精度を向上することができる。
【００１９】
次にステップ２で、蓄電装置２に蓄電可能かどうかを判定する。判定方法は、ＳＯＣ、劣化状態、入出力可能電力のいずれかが各しきい値を超えていれば蓄電不可と判定する。
【００２０】
蓄電不可能な場合にはステップ３に進み、ブレーキ発熱量演算を行い、蓄電可能な場合にはステップ４に進み、モータトルク指令値を演算する。モータトルク指令値の演算方法としては、予めＡＰＳと車速に対する駆動力を設定し、それをマップとして記憶しておく。そして読み込んだＡＰＳと車速からマップを参照して目標駆動力として求め、求めた目標駆動力をディファレンシャルギアの速度比で除して求めることができる。
【００２１】
ステップ２で蓄電不可と判定された場合に進むステップ３では、蓄電不可能の警告（警告灯の点灯など）を発して、運転者等に緊急走行中であることを告知する。
【００２２】
また、統合コントローラ１１に、制動力コントローラ１０から入力された油温と油圧と、駆動モータコントローラ７から入力されたモータ回転速度とでブレーキ発熱量を演算し、ブレーキ発熱量からブレーキ状態を監視する。図３に示すようにブレーキ温度（ブレーキ発熱量）が上昇することで制動トルクは急激に減少するため、ドライバーの要求に応じて制動力を発生させ、車両を安全に停止させるためには、常に制動ブレーキのための制動トルクを確保する必要がある。言い換えると、一定のブレーキ発熱量以下に制御する必要がある。
【００２３】
以下に、ブレーキ発熱量の演算方法を図４のフローチャートを用いて説明する。ステップ１１で、油圧回路内のブレーキオイルの油温と油圧を図示しないセンサから読み込み、続くステップ１２で駆動モータ３の回転速度を図示しない回転速度センサから読み込む。ステップ１３では検出したモータ回転速度と油圧と油温とからブレーキ発熱量を演算する。
【００２４】
ブレーキ発熱量は、油圧から算出したブレーキトルクと、モータ回転速度とのマップからブレーキ出力（制動力）を算出し、時間で積分して単位時間当たりのブレーキ発熱量を算出し、これを図５のように積算することでブレーキ発熱量を算出する。または、検出した油温とブレーキ発熱量のマップを参照し、ブレーキ発熱量を算出することもできる。
【００２５】
前者のブレーキ発熱量の算出法は、ブレーキ装置９の耐フェード性（図３のブレーキトルクと温度の関係）で監視する場合であり、後者の算出法は、ブレーキ装置９のベーパーロック性で監視する場合のブレーキ発熱量の算出する方法である。但し、ブレーキ装置９の状態を監視するためには、同時に双方を監視することが望ましい。これにより、ブレーキ装置９の熱によるフェードとベーパーロックを予測し、常に運転者の意思による制動で安全に車両を停止することができる。
【００２６】
図２のフローチャートに戻り、ステップ３に続くステップ５で、ブレーキ発熱量を読み込み、ブレーキ装置９が使用可能か判定する。判定方法としては、ブレーキ発熱量がしきい値を超えた場合には、使用不可と判定する。使用不可と判定された場合にはステップ６に進み、燃料電池１の発電を中止し、使用可と判定された場合にはステップ７に進み、目標駆動力とモータトルクとから制動力指令値を演算する。
【００２７】
制動力指令値の演算方法を図７のフローチャートを用いて説明する。
【００２８】
まずステップ２１で、モータトルクを検出する。ここで、モータトルクとしては、駆動モータコントローラ７が駆動モータ３をモータトルク指令値に追従するようにトルク制御しているのでモータトルク指令値をモータトルクとして使用するか、または、駆動モータ３のオブザーバによる推定値を使用する。後者の値は、統合コントローラ１１に駆動モータコントローラ７から送られる値であり、測定ノイズの少ないモータトルク値となるので、制動力制御の精度の点で有利である。
【００２９】
続くステップ２２で、目標駆動力を演算する。目標駆動力の演算は、図２のステップ４と同様にして演算される。ステップ２３では、モータトルク及び目標駆動力から制動力指令値を演算する。制動力指令値は、モータトルクから目標駆動トルクを差し引いた値を制動力指令値とする。このようにして目標駆動力に駆動力を抑制することができ、発信時や低速走行時の運転性悪化を抑制することができる。
【００３０】
再び図２のフローチャートのステップ６に戻り、燃料電池１の発電を停止し、更に例えば、燃料電池１の発電停止警報を鳴らし、運転者等に燃料電池の発電中止に対する注意を促すようにしてもよい。このような制御とすることで、システムの異常事態を知らしめ、早急の対処を促すことができる。
【００３１】
なお、図２、図４と図６のフローチャートは、統合コントローラ１１によって一定間隔、例えば１０ｍｓｅｃ毎に実施され、演算された制動力指令値とモータトルク指令値は、演算終了毎にそれぞれ制動力コントローラ１０と駆動モータコントローラ７に出力され、ブレーキ装置９の油圧制御と駆動モータ３のトルク制御に用いられる。
【００３２】
したがって、本発明では、燃料電池の発電電力が目標発電電力より多い、余剰発電電力を生じ、かつ蓄電装置が余剰発電電力を回収できない場合に、蓄電装置の状態とブレーキ装置の状態に応じて目標駆動力となるように駆動力をブレーキ装置による制動力で抑制することにより、蓄電装置が余剰電力を回収できない場合でも車両の低速走行や発進時の運転性を確保することができる。
【００３３】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池車両のシステム構成を示す概要図である。
【図２】統合コントローラが実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】ブレーキ力演算部が実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【図４】ブレーキ状態監視部が実施する制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】ブレーキ発熱量演算部のブレーキ発熱量積算の一例である。
【図６】ブレーキ温度とブレーキトルクの関係を示す図である。
【符号の説明】
１燃料電池
２蓄電装置
３駆動モータ
４デファレンシャルギア
５車輪
６燃料電池コントローラ
７駆動モータコントローラ
８蓄電装置コントローラ
９ブレーキ装置
１０制動力コントローラ
１１統合コントローラ
１２アクセルペダルストローク量検出センサ

Claims

車両の駆動源としてのモータと、
このモータに電力を供給する燃料電池と、
燃料電池が発電した電力を回収するとともに、前記モータに電力を供給する蓄電装置と、
車両の制動を制御するブレーキ装置と、
を備えた燃料電池車両において、
運転者の要求に応じて目標駆動力を算出する手段と、
目標駆動力となるように駆動力を前記ブレーキ装置の制動力によって制御する手段と、
前記ブレーキ装置の使用状態を検出する手段と、
前記蓄電装置の蓄電状態を検出する手段と、
前記ブレーキ装置の使用状態と前記蓄電装置の蓄電状態に基づいて前記制動力制御手段による駆動力制御を判定する手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
前記蓄電状態検出手段は、前記蓄電装置の充電状態と劣化状態を演算する手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記ブレーキ装置使用状態検出手段は、前記ブレーキ装置の発熱量を演算する手段であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記駆動力制御判定手段は、演算された前記蓄電装置の充電状態と劣化状態の少なくとも一方がそれぞれのしきい値を越え、かつ演算された前記ブレーキ装置の発熱量が発熱量のしきい値以下の場合に前記制動力制御手段による駆動力制御を許可することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記駆動力制御判定手段は、演算された前記蓄電装置の充電状態と劣化状態の少なくとも一方がそれぞれのしきい値を越え、かつ演算された前記ブレーキ装置の発熱量が発熱量のしきい値を越えた場合に前記制動力制御手段による駆動力制御を不可能と判定し、前記燃料電池の発電を中止することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両の制御装置。