JP3596468B2 - 燃料電池車両の制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電源とする燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電気自動車においては、減速時や降坂時に車両駆動用モータに回生制動を行わせ、回生制動より得られる回生電力を蓄電池に蓄え、次の発進加速時に利用することで、走行可能距離、燃費、運転性を向上させている。
【０００３】
ところが燃料電池車両においては、燃料電池は発電装置であって、蓄電池のように回生電力を蓄積させることはできない。このため回生電力蓄積用及び燃料電池起動用として、比較的小容量の蓄電池やコンデンサ等の蓄電手段を備えて、運転状態に応じて蓄電手段の充電状態（以下、ＳＯＣと呼ぶ）を制御している。
【０００４】
例えば、特開２０００−９２６１０号公報には、車速が高い場合には蓄電手段の目標ＳＯＣを低く設定し、また車速が低い場合には目標ＳＯＣを高く設定することにより、減速時に発生する回生電力を充電するための蓄電容量を確保する方法を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術においては、車速により蓄電手段のＳＯＣを変化させて、回生電力を充電する容量を確保するという制御方法を用いるため、ＳＯＣの制御が間に合わず蓄電手段のＳＯＣが上限に達するという問題点があった。
【０００６】
特に、下り坂では、駆動用モータが蓄電手段の電力を消費することなく、車速が高くなるため、蓄電手段のＳＯＣを低下させることができず、回生制動中にＳＯＣが上限値に達した場合には、回生制動中断による制動力の低下が生じるという問題点があった。
【０００７】
また、回生制動時やアイドル運転時に蓄電手段のＳＯＣが上限に達した場合には、燃料電池の発電を停止して余剰電力の発生を防止しようとすれば、燃料電池の再起動に時間がかかる、及び発進時や再加速時の加速が不良となるという問題点が生じる。
【０００８】
また、燃料電池は、通常起動直後は定格運転温度より低く、直ちに定格出力を取り出すことができなので、暖機運転を必要とする。そこで、暖機運転に最適な出力電流で暖機運転を行えば、速やかに燃料電池の暖機を完了することができるが、暖機運転中に蓄電手段のＳＯＣが上限値に達すると、通常補機の消費電力に相当する出力電流に制限して暖機運転しなければならず、暖機時間が長引くという問題点があった。
【０００９】
また、燃料電池車両において、上記の余剰電力を消費させるための抵抗器等を設けることが考えられるが、抵抗器の電力消費による温度上昇を制限するための送風装置や周囲の装置への熱影響を避けるための熱絶縁部材等の付加的な装置も必要とするため、車両搭載上の問題点が生じる。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、回生制動中に蓄電手段のＳＯＣが上限に達しても回生制動力を確保することができ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。
【００１１】
また本発明は、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、アイドル運転中に蓄電手段のＳＯＣが上限に達しても燃料電池のアイドル運転を継続することができ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。
【００１２】
さらに本発明は、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、燃料電池の暖機時間を短縮することができ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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料電池と、蓄電手段と、これら燃料電池及び蓄電手段の少なくとも一方から供給された電力で燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータと、前記燃料電池を運転するために必要な補機と、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、前記蓄電手段の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、前記補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記車両駆動用モータの回生電力であることを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記燃料電池のアイドル発電電力であることを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記燃料電池の暖機発電電力であることを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記補機は、それぞれ交流モータで駆動され、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサ、前記燃料電池の加湿用純水を供給するポンプ、前記燃料電池に冷却水を供給するポンプのいずれか１つ、またはこれらの任意の組合せであることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池と、蓄電手段と、これら燃料電池及び蓄電手段の少なくとも一方から供給された電力で燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータと、前記燃料電池を運転するために必要な補機と、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、前記蓄電手段の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、前記補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段と、を備えたことにより、大容量の蓄電手段や余剰電力消費用の機器を必要とせずに、蓄電手段が充電上限状態となったときに補機に余剰電力を消費させ燃料電池の運転継続が可能であるという効果を奏する。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記車両駆動用モータの回生電力であるとしたので、回生制動中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、補機に余剰電力を消費させ回生制動を継続できるという効果を奏する。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記燃料電池のアイドル発電電力であるとしたので、燃料電池車両の停車時等における燃料電池のアイドル運転中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、アイドル運転により発生する余剰電力を燃料電池の補機に消費させてアイドル運転を継続することにより、発進加速時の燃料電池運転の再開を速やかに行えるという効果を奏する。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記燃料電池の暖機発電電力であるとしたので、暖機運転中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、補機に余剰電力を消費させて暖機運転に最適な出力電流で燃料電池の暖機運転を継続できるようになり、燃料電池の暖機時間を短縮し、速やかに通常運転に移行できるという効果を奏する。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記補機は、それぞれ交流モータで駆動され、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサ、前記燃料電池の加湿用純水を供給するポンプ、前記燃料電池に冷却水を供給するポンプのいずれか１つ、またはこれらの任意の組合せとしたので、燃料電池が通常備える補機の運転効率を低下させるだけで、余剰電力を消費することができるという効果を奏する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００２４】
図１において、本発明の制御装置が適用される燃料電池車両は、電源である燃料電池１０１と、蓄電手段であるバッテリ１０２と、燃料電池１０１及びバッテリ１０２の少なくとも一方から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ１０３と、インバータ１０３からの交流電力を車両の駆動力に変換する車両駆動用モータ１０４と、車両駆動用モータ１０４で生じた駆動力を駆動輪１０６に伝える作動装置１０５と、駆動輪１０６と、バッテリ１０２の充電状態（ＳＯＣ）を検出する充電状態検出手段であるバッテリセンサ１０７と、燃料電池１０１に水素ガスを供給する水素ガス供給装置１１２と、燃料電池１０１に供給される水素ガスと空気を加湿する加湿器１１１と、加湿器１１１に加湿用純水を供給する純水供給ポンプ１１３と、純水供給ポンプ１１３を制御するインバータ１１６と、燃料電池１０１に空気を供給するコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４を制御するインバータ１１７と、燃料電池１０１に冷却水を供給する冷却水供給ポンプ１１５と、冷却水供給ポンプ１１５を制御するインバータ１１８と、アクセルセンサ１２２と、車速センサ１２３と、ブレーキセンサ１２４と、シフトスイッチ１２５と、充電状態検出手段であるバッテリセンサ１０７の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、燃料電池１０１の補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段としての制御装置１２１とを備えている。
【００２５】
なお、本実施形態において、制御装置１２１から運転効率の制御可能な燃料電池１０１の補機は、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、および冷却水供給ポンプ１１５である。これらはそれぞれ図示しない駆動用交流モータを内蔵し、制御装置１２１からインバータ１１６、１１７、１１８へ出力する補機指令値により運転効率の制御が可能となっている。
【００２６】
車両の力行時には、燃料電池１０１とバッテリ１０２から供給される直流電力は、インバータ１０３で交流電力に変換され、車両駆動用モータ１０４を駆動し、発生した駆動力が作動装置１０５を介して駆動輪１０６に伝達される。
【００２７】
また減速時または降坂時には、回生エネルギーが駆動輪１０６を介して車両駆動用モータ１０４で交流電力に変換され、さらにインバータ１０３で直流電力に変換されてバッテリ１０２に充電される。
【００２８】
燃料電池１０１の水素極には、燃料である水素ガスが水素ガス供給装置１１２から供給され、空気極にはインバータ１１７が制御するコンプレッサ１１４によって酸化剤である酸素を含んだ空気が供給されるが、水素ガスと空気とは加湿器１１１で加湿されてから各電極に供給される。加湿器１１１にはインバータ１１６が制御する純水供給ポンプ１１３によって加湿用純水が供給される。また、燃料電池１０１にはインバータ１１８が制御する冷却水供給ポンプ１１５によって冷却水が供給される。
【００２９】
制御装置１２１は、アクセルセンサ１２２と、車速センサ１２３、ブレーキセンサ１２４、シフトスイッチ１２５などによる運転状態検出結果と、バッテリセンサ１０７が検出したバッテリ１０２のＳＯＣとに基づいて、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、冷却水供給ポンプ１１５の運転効率と、燃料電池への空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水等の供給量を算出する。
【００３０】
そして、これらの算出結果に基づいて、インバータ１１６、インバータ１１７、及びインバータ１１８を介して、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、冷却水供給ポンプ１１５をそれぞれ制御し、発電に必要な加湿用純水と空気と冷却水を供給する。さらに、算出された水素ガス供給量に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを供給する。
【００３１】
また、制御装置１２１は、アクセルセンサ１２２、車速センサ１２３、ブレーキセンサ１２４、シフトスイッチ１２５などの運転状態検出結果に基づいて、力行制御、回生制御、アイドル発電制御、暖機発電制御等を行う。
【００３２】
次に、図２のフローチャートを参照して、力行制御時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。尚、以下の説明では、バッテリ１０２のＳＯＣは、最大充電容量Ｑｍａｘ に対する現在の充電量Ｑの比率として式（１）で表すこととする。
【００３３】
【数１】
ＳＯＣ＝Ｑ／Ｑｍａｘ …（１）
図２において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）２０１で車両駆動トルク指令値Ｔｄを算出する。この車両駆動トルク指令値Ｔｄは、運転者の要求と車両状態とを判断して、算出される車両駆動用モータ１０４の要求駆動トルクである。
【００３４】
なお、車両駆動トルク指令値Ｔｄが正値の場合は力行制御を行い、負値の場合は制動制御を行う。また、制動制御時には車両駆動トルク指令値Ｔｄを車両制動トルク指令値Ｔｄと呼ぶ。
【００３５】
車両駆動トルク指令値Ｔｄは、アクセルセンサ１２２が出力するアクセル開度やシフトスイッチ１２５が出力するシフトポジションなどの運転者の操作量、および車速センサ１２３が出力する車両速度などに基づいてマップ等から算出される。そして、算出された車両駆動トルク指令値Ｔｄに従ってインバータ１０３が車両駆動用モータ１０４の駆動トルクを制御する。
【００３６】
Ｓ２０２では車両駆動電力Ｐｄを算出する。この車両駆動電力Ｐｄは、車両駆動用モータ１０４が車両駆動トルク指令値Ｔｄを出力するために必要な電力である。車両駆動電力Ｐｄは、式（２）に示すように、車両駆動トルク指令値Ｔｄと、車両速度ｖと、ギヤ比およびモータ効率などで決まる比例定数ｋとの積である。なお、制動制御時には車両駆動電力Ｐｄを車両制動電力Ｐｄと呼ぶ。
【００３７】
【数２】
Ｐｄ＝ｋ×Ｔｄ×ｖ …（２）
Ｓ２０３ではバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを算出する。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、バッテリ１０２のＳＯＣを目標ＳＯＣと一致させる際に行われる充電、または放電による目標電力であり、バッテリ放電時を正、充電時を負とした値である。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、充放電のバッテリ電流Ｉｂとバッテリ電圧Ｖｂとの積である。なお、バッテリ電流Ｉｂは、式（４）に示すように、ＳＯＣから目標ＳＯＣを差し引いた値とバッテリ１０２の最大充電容量Ｑｍａｘ との積を、ＳＯＣから目標ＳＯＣに達するまでの時間である目標到達時間Ｔｂで割った値であり、放電方向を正、充電方向を負とする。
【００３８】
【数３】
Ｐｂ＝Ｉｂ×Ｖｂ …（３）
Ｉｂ＝（ＳＯＣ−目標ＳＯＣ）×Ｑｍａｘ ／Ｔｂ …（４）
バッテリ電流Ｉｂは、バッテリ１０２の電流容量及びインバータ１０３の電流容量等を考慮して算出されるが、運転状態により変動する値であってもよい。
【００３９】
ＳＯＣが目標ＳＯＣ未満の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは負値になり、目標到達時間Ｔｂの間、バッテリ電流｜Ｉｂ｜でバッテリ１０２を充電する。また、ＳＯＣが目標ＳＯＣ以上の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂは正値となり、目標到達時間Ｔｂの間、バッテリ電流Ｉｂでバッテリ１０２を放電、つまり蓄電電力を消費する。なお目標ＳＯＣは一定値でもよいし、車速の大小を考慮して、高速時には目標ＳＯＣを低く設定し、低速時には目標ＳＯＣを高く設定してもよい。
【００４０】
Ｓ２０４では発電電力指令値Ｐｇを算出する。この発電電力指令値Ｐｇは、燃料電池１０１が発電するべき電力である。発電電力指令値Ｐｇは車両駆動電力Ｐｄからバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを差し引いた値である。
【００４１】
【数４】
Ｐｇ＝Ｐｄ−Ｐｂ …（５）
Ｓ２０５では、発電電力指令値Ｐｇに基づいて補機指令値を算出する。そして、この補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。
【００４２】
次に、図３のフローチャートを参照して、回生制動時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。
【００４３】
まず、Ｓ３０１で車両制動トルク指令値Ｔｄを算出する。この車両制動トルク指令値Ｔｄは、車両制動中の運転状態で必要とされる車両駆動用モータ１０４の制動トルクである。車両制動トルク指令値Ｔｄは、アクセルセンサ１２２が出力するアクセル開度とシフトスイッチ１２５が出力するシフトポジションとブレーキセンサ１２４が出力するブレーキ操作量などの運転者の操作量、および車速センサ１２３が出力する車両速度などの検出結果に基づいてマップ等から算出される。
【００４４】
制動制御時には車両制動トルク指令値Ｔｄは負値なので、インバータ１０３は車両制動トルク指令値Ｔｄに基づいて車両駆動用モータ１０４の回生制動制御を行う。
【００４５】
Ｓ３０２では車両制動電力Ｐｄを算出する。この車両制動電力Ｐｄは、車両制動トルク指令値Ｔｄに従って行われる回生制動によって得られる電力である。車両制動電力Ｐｄは、式（２）に示したように、車両制動トルク指令値Ｔｄと、車両速度ｖと、ギヤ比およびモータ効率などで決まる比例定数ｋとの積で、制動制御時は車両制動トルク指令値Ｔｄと同様に負値である。
【００４６】
Ｓ３０３では、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂを算出する。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、車両制動中の運転状態におけるバッテリ１０２のＳＯＣを目標ＳＯＣと一致させる際に行われる充電、または放電によるバッテリ電流Ｉｂにバッテリ電圧Ｖｂを乗じた値であり、式（３）、（４）となる。
【００４７】
バッテリ電流Ｉｂは、バッテリ１０２の電流容量及びインバータ１０３の電流容量などを考慮して算出される。バッテリ１０２のＳＯＣが目標ＳＯＣ未満の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは負値になり、バッテリ１０２を充電する。
【００４８】
また、ＳＯＣが目標ＳＯＣ以上の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは正値となり、バッテリ電流Ｉｂでバッテリ１０２を放電、つまり蓄電電力を消費する。なお目標ＳＯＣは、一定値としてもよいが、車速の大小を考慮して変動する値に設定することも可能であり、高速時には目標ＳＯＣを高くし、低速時には目標ＳＯＣを低くしても構わない。
【００４９】
Ｓ３０４では発電電力指令値Ｐｇを算出する。この発電電力指令値Ｐｇは燃料電池１０１が回生制動状態で発電すべき電力であり、車両制動電力Ｐｄからバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを差し引いた値である。
【００５０】
次いで、Ｓ３０５でアイドル状態の発電電力最低指令値Ｐｇ０を算出する。この発電電力最低指令値Ｐｇ０は、燃料電池１０１の発電部でイオン交換膜の乾燥などを起こさない最低限の発電電力である。ただし、発電電力最低指令値Ｐｇ０は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく実発電電力値である。
【００５１】
次いで、Ｓ３０６で発電電力指令値Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０以上か否かを判定する。Ｓ３０６の判定において、発電電力指令値Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０未満であれば、Ｓ３０７で発電電力指令値Ｐｇを発電電力最低指令値Ｐｇ０に設定し、Ｓ３０８で余剰電力（Ｐｇ０−Ｐｇ）に相当する電力だけ余分に消費するように補機指令値を演算し、補機指令値に従って効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。こうして、回生制動中でも燃料電池１０１の運転は継続される。
【００５２】
Ｓ３０６の判定において、Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０以上であれば、Ｓ３０９で補機効率を最適効率とした補機指令値を演算し、この補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５３】
以上の回生制動ルーチンを実行することにより、回生制動中でも余剰電力が処理されて、回生制動が維持されるので、安定した制動力が確保できる。さらに、空気供給量、加湿用純水流量、燃料電池冷却水流量など、燃料電池の発電条件の変更も必要ないため、燃料電池の発電を停止するなどの影響を与えることがない。
【００５４】
次に、図４のフローチャートを参照して、アイドル運転時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。信号待ち、渋滞などで車両停車中に、バッテリ１０２のＳＯＣが上限値に達した場合に、燃料電池１０１の発電を停止すると、イオン交換膜の乾燥、および水素極への空気透過が起こり、再起動に時間がかかるなどの問題が生じる。そこで本発明においては、補機の運転効率を低下させて、アイドル運転時の余剰電力を消費させることにより、アイドル運転を継続できるように制御している。
【００５５】
図４において、まず、Ｓ４０１で発電電力最低指令値Ｐｇ０を算出する。この発電電力最低指令値Ｐｇ０は、燃料電池１０１の発電部でイオン交換膜の乾燥などを起こさない最低限の発電電力である。ただし、発電電力最低指令値Ｐｇ０は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく実発電電力値である。
【００５６】
Ｓ４０２では、バッテリセンサ１０７によってバッテリ１０２のＳＯＣを判定し、ＳＯＣ上限値より小さいかどうかを判定する。そして、ＳＯＣが上限値未満の場合はＳ４０３を実行し、ＳＯＣが上限値以上の場合はＳ４０４を実行する。
【００５７】
Ｓ４０３では、発電電力最低指令値Ｐｇ０から算出される補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを最適運転効率で制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。加えて、燃料電池１０１で発電された発電電力をバッテリ１０２に充電する。
【００５８】
Ｓ４０４では、発電電力最低指令値Ｐｇ０から算出される補機指令値に従って効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。このＳ４０４を実行することで、アイドル運転中でも燃料電池１０１の正味発電量はゼロまたは負値に制御される。
【００５９】
Ｓ４０１からＳ４０４の制御を実行することにより、アイドル運転中でも余剰電力が処理されて、バッテリ１０２が過充電にならないので、アイドル運転の維持が可能になり、定格運転の再開を速やかに行える。
【００６０】
次に、図５のフローチャートを参照して、暖機運転時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。本実施形態における暖機運転は、燃料電池１０１の暖機に最適な出力電流に相当する暖機発電電力で暖機を行い、暖機運転中にバッテリ１０２のＳＯＣが上限値に達すると充電を停止させるとともに、補機の運転効率を低下させて、余剰電流を補機に消費させることにより、最適出力電流による暖機を継続させて、迅速な燃料電池の暖機を行うものである。
【００６１】
図５において、まずＳ５０１で暖機発電電力指令値Ｐｇ１を算出する。この暖機発電電力指令値Ｐｇ１は燃料電池１０１の温度が速やかに上昇する発電電力である。ただし、暖機発電電力指令値Ｐｇ１は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく、実発電電力である。
【００６２】
Ｓ５０２では、バッテリセンサ１０７によってバッテリ１０２のＳＯＣを判定する。そして、ＳＯＣが上限値未満の場合はＳ５０３を実行し、ＳＯＣが上限値以上の場合はＳ５０４を実行する。
【００６３】
Ｓ５０３では、暖機発電電力指令値Ｐｇ１から算出される補機指令値に従って暖機運転用の最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。加えて、燃料電池１０１で発電された発電電力をバッテリ１０２に充電する。
【００６４】
Ｓ５０４では、暖機発電電力指令値Ｐｇ１から算出される補機指令値に従って暖機運転用の効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。Ｓ５０４を実行することで、暖機中でも燃料電池１０１の正味発電量はゼロまたは負値に制御される。
【００６５】
Ｓ５０１からＳ５０４の制御を実行することにより、暖機運転中でも余剰電力が処理されて、バッテリ１０２が過充電にならないため、燃料電池温度を速やかに上昇させることが可能になり、燃料電池１０１は短時間の暖機運転で定格出力可能な状態に移行できる。
【００６６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するものではない。したがって、上記の実施形態に示された各要素は、本発明の技術範囲に属する全ての設計上の選択事項をも含む趣旨である。たとえば、本実施形態では蓄電手段にバッテリを用いたが、キャパシタとＤＣ−ＤＣコンバータとを組み合わせて用いることもできる。また、本実施形態では燃料ガスに水素ガスを使用したが、メタノール、天然ガス等を改質した改質ガスを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における制御装置の力行制御動作を示すフローチャートである。
【図３】実施形態における制御装置の回生制御動作を示すフローチャートである。
【図４】実施形態における制御装置のアイドル運転制御動作を示すフローチャートである。
【図５】実施形態における制御装置の暖機制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０１ 燃料電池
１０２ バッテリ
１０３ インバータ
１０４ 車両駆動用交流モータ
１０７ バッテリセンサ
１１１ 加湿器
１１２ 水素ガス供給装置
１１３ 純水供給ポンプ
１１４ コンプレッサ
１１５ 冷却水供給ポンプ
１１６ インバータ
１１７ インバータ
１１８ インバータ
１２１ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を電源とする燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電気自動車においては、減速時や降坂時に車両駆動用モータに回生制動を行わせ、回生制動より得られる回生電力を蓄電池に蓄え、次の発進加速時に利用することで、走行可能距離、燃費、運転性を向上させている。
【０００３】
ところが燃料電池車両においては、燃料電池は発電装置であって、蓄電池のように回生電力を蓄積させることはできない。このため回生電力蓄積用及び燃料電池起動用として、比較的小容量の蓄電池やコンデンサ等の蓄電手段を備えて、運転状態に応じて蓄電手段の充電状態（以下、ＳＯＣと呼ぶ）を制御している。
【０００４】
例えば、特開２０００−９２６１０号公報には、車速が高い場合には蓄電手段の目標ＳＯＣを低く設定し、また車速が低い場合には目標ＳＯＣを高く設定することにより、減速時に発生する回生電力を充電するための蓄電容量を確保する方法を提案している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の技術においては、車速により蓄電手段のＳＯＣを変化させて、回生電力を充電する容量を確保するという制御方法を用いるため、ＳＯＣの制御が間に合わず蓄電手段のＳＯＣが上限に達するという問題点があった。
【０００６】
特に、下り坂では、駆動用モータが蓄電手段の電力を消費することなく、車速が高くなるため、蓄電手段のＳＯＣを低下させることができず、回生制動中にＳＯＣが上限値に達した場合には、回生制動中断による制動力の低下が生じるという問題点があった。
【０００７】
また、回生制動時やアイドル運転時に蓄電手段のＳＯＣが上限に達した場合には、燃料電池の発電を停止して余剰電力の発生を防止しようとすれば、燃料電池の再起動に時間がかかる、及び発進時や再加速時の加速が不良となるという問題点が生じる。
【０００８】
また、燃料電池は、通常起動直後は定格運転温度より低く、直ちに定格出力を取り出すことができなので、暖機運転を必要とする。そこで、暖機運転に最適な出力電流で暖機運転を行えば、速やかに燃料電池の暖機を完了することができるが、暖機運転中に蓄電手段のＳＯＣが上限値に達すると、通常補機の消費電力に相当する出力電流に制限して暖機運転しなければならず、暖機時間が長引くという問題点があった。
【０００９】
また、燃料電池車両において、上記の余剰電力を消費させるための抵抗器等を設けることが考えられるが、抵抗器の電力消費による温度上昇を制限するための送風装置や周囲の装置への熱影響を避けるための熱絶縁部材等の付加的な装置も必要とするため、車両搭載上の問題点が生じる。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、回生制動中に蓄電手段のＳＯＣが上限に達しても回生制動力を確保することができ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。
【００１１】
また本発明は、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、アイドル運転中に蓄電手段のＳＯＣが上限に達しても燃料電池のアイドル運転を継続することができ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。
【００１２】
さらに本発明は、大容量の蓄電手段や余剰電力を消費させるための抵抗器等の機器を備えることなく、燃料電池の暖機時間を短縮することができ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。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料電池と、蓄電手段と、これら燃料電池及び蓄電手段の少なくとも一方から供給された電力で燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータと、前記燃料電池を運転するために必要な補機と、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、前記蓄電手段の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、前記補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１４】
請求項２記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記車両駆動用モータの回生電力であることを要旨とする。
【００１５】
請求項３記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記燃料電池のアイドル発電電力であることを要旨とする。
【００１６】
請求項４記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記余剰電力は、前記燃料電池の暖機発電電力であることを要旨とする。
【００１７】
請求項５記載の本発明は、請求項１記載の燃料電池車両の制御装置において、前記補機は、それぞれ交流モータで駆動され、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサ、前記燃料電池の加湿用純水を供給するポンプ、前記燃料電池に冷却水を供給するポンプのいずれか１つ、またはこれらの任意の組合せであることを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池と、蓄電手段と、これら燃料電池及び蓄電手段の少なくとも一方から供給された電力で燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータと、前記燃料電池を運転するために必要な補機と、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、前記蓄電手段の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、前記補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段と、を備えたことにより、大容量の蓄電手段や余剰電力消費用の機器を必要とせずに、蓄電手段が充電上限状態となったときに補機に余剰電力を消費させ燃料電池の運転継続が可能であるという効果を奏する。
【００１９】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記車両駆動用モータの回生電力であるとしたので、回生制動中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、補機に余剰電力を消費させ回生制動を継続できるという効果を奏する。
【００２０】
請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記燃料電池のアイドル発電電力であるとしたので、燃料電池車両の停車時等における燃料電池のアイドル運転中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、アイドル運転により発生する余剰電力を燃料電池の補機に消費させてアイドル運転を継続することにより、発進加速時の燃料電池運転の再開を速やかに行えるという効果を奏する。
【００２１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記余剰電力は、前記燃料電池の暖機発電電力であるとしたので、暖機運転中に蓄電手段が充電上限状態となったときに、補機に余剰電力を消費させて暖機運転に最適な出力電流で燃料電池の暖機運転を継続できるようになり、燃料電池の暖機時間を短縮し、速やかに通常運転に移行できるという効果を奏する。
【００２２】
請求項５記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記補機は、それぞれ交流モータで駆動され、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサ、前記燃料電池の加湿用純水を供給するポンプ、前記燃料電池に冷却水を供給するポンプのいずれか１つ、またはこれらの任意の組合せとしたので、燃料電池が通常備える補機の運転効率を低下させるだけで、余剰電力を消費することができるという効果を奏する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００２４】
図１において、本発明の制御装置が適用される燃料電池車両は、電源である燃料電池１０１と、蓄電手段であるバッテリ１０２と、燃料電池１０１及びバッテリ１０２の少なくとも一方から供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ１０３と、インバータ１０３からの交流電力を車両の駆動力に変換する車両駆動用モータ１０４と、車両駆動用モータ１０４で生じた駆動力を駆動輪１０６に伝える作動装置１０５と、駆動輪１０６と、バッテリ１０２の充電状態（ＳＯＣ）を検出する充電状態検出手段であるバッテリセンサ１０７と、燃料電池１０１に水素ガスを供給する水素ガス供給装置１１２と、燃料電池１０１に供給される水素ガスと空気を加湿する加湿器１１１と、加湿器１１１に加湿用純水を供給する純水供給ポンプ１１３と、純水供給ポンプ１１３を制御するインバータ１１６と、燃料電池１０１に空気を供給するコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４を制御するインバータ１１７と、燃料電池１０１に冷却水を供給する冷却水供給ポンプ１１５と、冷却水供給ポンプ１１５を制御するインバータ１１８と、アクセルセンサ１２２と、車速センサ１２３と、ブレーキセンサ１２４と、シフトスイッチ１２５と、充電状態検出手段であるバッテリセンサ１０７の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、燃料電池１０１の補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段としての制御装置１２１とを備えている。
【００２５】
なお、本実施形態において、制御装置１２１から運転効率の制御可能な燃料電池１０１の補機は、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、および冷却水供給ポンプ１１５である。これらはそれぞれ図示しない駆動用交流モータを内蔵し、制御装置１２１からインバータ１１６、１１７、１１８へ出力する補機指令値により運転効率の制御が可能となっている。
【００２６】
車両の力行時には、燃料電池１０１とバッテリ１０２から供給される直流電力は、インバータ１０３で交流電力に変換され、車両駆動用モータ１０４を駆動し、発生した駆動力が作動装置１０５を介して駆動輪１０６に伝達される。
【００２７】
また減速時または降坂時には、回生エネルギーが駆動輪１０６を介して車両駆動用モータ１０４で交流電力に変換され、さらにインバータ１０３で直流電力に変換されてバッテリ１０２に充電される。
【００２８】
燃料電池１０１の水素極には、燃料である水素ガスが水素ガス供給装置１１２から供給され、空気極にはインバータ１１７が制御するコンプレッサ１１４によって酸化剤である酸素を含んだ空気が供給されるが、水素ガスと空気とは加湿器１１１で加湿されてから各電極に供給される。加湿器１１１にはインバータ１１６が制御する純水供給ポンプ１１３によって加湿用純水が供給される。また、燃料電池１０１にはインバータ１１８が制御する冷却水供給ポンプ１１５によって冷却水が供給される。
【００２９】
制御装置１２１は、アクセルセンサ１２２と、車速センサ１２３、ブレーキセンサ１２４、シフトスイッチ１２５などによる運転状態検出結果と、バッテリセンサ１０７が検出したバッテリ１０２のＳＯＣとに基づいて、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、冷却水供給ポンプ１１５の運転効率と、燃料電池への空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水等の供給量を算出する。
【００３０】
そして、これらの算出結果に基づいて、インバータ１１６、インバータ１１７、及びインバータ１１８を介して、純水供給ポンプ１１３、コンプレッサ１１４、冷却水供給ポンプ１１５をそれぞれ制御し、発電に必要な加湿用純水と空気と冷却水を供給する。さらに、算出された水素ガス供給量に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを供給する。
【００３１】
また、制御装置１２１は、アクセルセンサ１２２、車速センサ１２３、ブレーキセンサ１２４、シフトスイッチ１２５などの運転状態検出結果に基づいて、力行制御、回生制御、アイドル発電制御、暖機発電制御等を行う。
【００３２】
次に、図２のフローチャートを参照して、力行制御時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。尚、以下の説明では、バッテリ１０２のＳＯＣは、最大充電容量Ｑｍａｘ に対する現在の充電量Ｑの比率として式（１）で表すこととする。
【００３３】
【数１】
ＳＯＣ＝Ｑ／Ｑｍａｘ …（１）
図２において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）２０１で車両駆動トルク指令値Ｔｄを算出する。この車両駆動トルク指令値Ｔｄは、運転者の要求と車両状態とを判断して、算出される車両駆動用モータ１０４の要求駆動トルクである。
【００３４】
なお、車両駆動トルク指令値Ｔｄが正値の場合は力行制御を行い、負値の場合は制動制御を行う。また、制動制御時には車両駆動トルク指令値Ｔｄを車両制動トルク指令値Ｔｄと呼ぶ。
【００３５】
車両駆動トルク指令値Ｔｄは、アクセルセンサ１２２が出力するアクセル開度やシフトスイッチ１２５が出力するシフトポジションなどの運転者の操作量、および車速センサ１２３が出力する車両速度などに基づいてマップ等から算出される。そして、算出された車両駆動トルク指令値Ｔｄに従ってインバータ１０３が車両駆動用モータ１０４の駆動トルクを制御する。
【００３６】
Ｓ２０２では車両駆動電力Ｐｄを算出する。この車両駆動電力Ｐｄは、車両駆動用モータ１０４が車両駆動トルク指令値Ｔｄを出力するために必要な電力である。車両駆動電力Ｐｄは、式（２）に示すように、車両駆動トルク指令値Ｔｄと、車両速度ｖと、ギヤ比およびモータ効率などで決まる比例定数ｋとの積である。なお、制動制御時には車両駆動電力Ｐｄを車両制動電力Ｐｄと呼ぶ。
【００３７】
【数２】
Ｐｄ＝ｋ×Ｔｄ×ｖ …（２）
Ｓ２０３ではバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを算出する。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、バッテリ１０２のＳＯＣを目標ＳＯＣと一致させる際に行われる充電、または放電による目標電力であり、バッテリ放電時を正、充電時を負とした値である。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、充放電のバッテリ電流Ｉｂとバッテリ電圧Ｖｂとの積である。なお、バッテリ電流Ｉｂは、式（４）に示すように、ＳＯＣから目標ＳＯＣを差し引いた値とバッテリ１０２の最大充電容量Ｑｍａｘ との積を、ＳＯＣから目標ＳＯＣに達するまでの時間である目標到達時間Ｔｂで割った値であり、放電方向を正、充電方向を負とする。
【００３８】
【数３】
Ｐｂ＝Ｉｂ×Ｖｂ …（３）
Ｉｂ＝（ＳＯＣ−目標ＳＯＣ）×Ｑｍａｘ ／Ｔｂ …（４）
バッテリ電流Ｉｂは、バッテリ１０２の電流容量及びインバータ１０３の電流容量等を考慮して算出されるが、運転状態により変動する値であってもよい。
【００３９】
ＳＯＣが目標ＳＯＣ未満の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは負値になり、目標到達時間Ｔｂの間、バッテリ電流｜Ｉｂ｜でバッテリ１０２を充電する。また、ＳＯＣが目標ＳＯＣ以上の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂは正値となり、目標到達時間Ｔｂの間、バッテリ電流Ｉｂでバッテリ１０２を放電、つまり蓄電電力を消費する。なお目標ＳＯＣは一定値でもよいし、車速の大小を考慮して、高速時には目標ＳＯＣを低く設定し、低速時には目標ＳＯＣを高く設定してもよい。
【００４０】
Ｓ２０４では発電電力指令値Ｐｇを算出する。この発電電力指令値Ｐｇは、燃料電池１０１が発電するべき電力である。発電電力指令値Ｐｇは車両駆動電力Ｐｄからバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを差し引いた値である。
【００４１】
【数４】
Ｐｇ＝Ｐｄ−Ｐｂ …（５）
Ｓ２０５では、発電電力指令値Ｐｇに基づいて補機指令値を算出する。そして、この補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。
【００４２】
次に、図３のフローチャートを参照して、回生制動時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。
【００４３】
まず、Ｓ３０１で車両制動トルク指令値Ｔｄを算出する。この車両制動トルク指令値Ｔｄは、車両制動中の運転状態で必要とされる車両駆動用モータ１０４の制動トルクである。車両制動トルク指令値Ｔｄは、アクセルセンサ１２２が出力するアクセル開度とシフトスイッチ１２５が出力するシフトポジションとブレーキセンサ１２４が出力するブレーキ操作量などの運転者の操作量、および車速センサ１２３が出力する車両速度などの検出結果に基づいてマップ等から算出される。
【００４４】
制動制御時には車両制動トルク指令値Ｔｄは負値なので、インバータ１０３は車両制動トルク指令値Ｔｄに基づいて車両駆動用モータ１０４の回生制動制御を行う。
【００４５】
Ｓ３０２では車両制動電力Ｐｄを算出する。この車両制動電力Ｐｄは、車両制動トルク指令値Ｔｄに従って行われる回生制動によって得られる電力である。車両制動電力Ｐｄは、式（２）に示したように、車両制動トルク指令値Ｔｄと、車両速度ｖと、ギヤ比およびモータ効率などで決まる比例定数ｋとの積で、制動制御時は車両制動トルク指令値Ｔｄと同様に負値である。
【００４６】
Ｓ３０３では、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂを算出する。このバッテリ充放電電力目標値Ｐｂは、車両制動中の運転状態におけるバッテリ１０２のＳＯＣを目標ＳＯＣと一致させる際に行われる充電、または放電によるバッテリ電流Ｉｂにバッテリ電圧Ｖｂを乗じた値であり、式（３）、（４）となる。
【００４７】
バッテリ電流Ｉｂは、バッテリ１０２の電流容量及びインバータ１０３の電流容量などを考慮して算出される。バッテリ１０２のＳＯＣが目標ＳＯＣ未満の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは負値になり、バッテリ１０２を充電する。
【００４８】
また、ＳＯＣが目標ＳＯＣ以上の場合には、バッテリ充放電電力目標値Ｐｂ及びバッテリ電流Ｉｂは正値となり、バッテリ電流Ｉｂでバッテリ１０２を放電、つまり蓄電電力を消費する。なお目標ＳＯＣは、一定値としてもよいが、車速の大小を考慮して変動する値に設定することも可能であり、高速時には目標ＳＯＣを高くし、低速時には目標ＳＯＣを低くしても構わない。
【００４９】
Ｓ３０４では発電電力指令値Ｐｇを算出する。この発電電力指令値Ｐｇは燃料電池１０１が回生制動状態で発電すべき電力であり、車両制動電力Ｐｄからバッテリ充放電電力目標値Ｐｂを差し引いた値である。
【００５０】
次いで、Ｓ３０５でアイドル状態の発電電力最低指令値Ｐｇ０を算出する。この発電電力最低指令値Ｐｇ０は、燃料電池１０１の発電部でイオン交換膜の乾燥などを起こさない最低限の発電電力である。ただし、発電電力最低指令値Ｐｇ０は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく実発電電力値である。
【００５１】
次いで、Ｓ３０６で発電電力指令値Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０以上か否かを判定する。Ｓ３０６の判定において、発電電力指令値Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０未満であれば、Ｓ３０７で発電電力指令値Ｐｇを発電電力最低指令値Ｐｇ０に設定し、Ｓ３０８で余剰電力（Ｐｇ０−Ｐｇ）に相当する電力だけ余分に消費するように補機指令値を演算し、補機指令値に従って効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。こうして、回生制動中でも燃料電池１０１の運転は継続される。
【００５２】
Ｓ３０６の判定において、Ｐｇが発電電力最低指令値Ｐｇ０以上であれば、Ｓ３０９で補機効率を最適効率とした補機指令値を演算し、この補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。
【００５３】
以上の回生制動ルーチンを実行することにより、回生制動中でも余剰電力が処理されて、回生制動が維持されるので、安定した制動力が確保できる。さらに、空気供給量、加湿用純水流量、燃料電池冷却水流量など、燃料電池の発電条件の変更も必要ないため、燃料電池の発電を停止するなどの影響を与えることがない。
【００５４】
次に、図４のフローチャートを参照して、アイドル運転時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。信号待ち、渋滞などで車両停車中に、バッテリ１０２のＳＯＣが上限値に達した場合に、燃料電池１０１の発電を停止すると、イオン交換膜の乾燥、および水素極への空気透過が起こり、再起動に時間がかかるなどの問題が生じる。そこで本発明においては、補機の運転効率を低下させて、アイドル運転時の余剰電力を消費させることにより、アイドル運転を継続できるように制御している。
【００５５】
図４において、まず、Ｓ４０１で発電電力最低指令値Ｐｇ０を算出する。この発電電力最低指令値Ｐｇ０は、燃料電池１０１の発電部でイオン交換膜の乾燥などを起こさない最低限の発電電力である。ただし、発電電力最低指令値Ｐｇ０は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく実発電電力値である。
【００５６】
Ｓ４０２では、バッテリセンサ１０７によってバッテリ１０２のＳＯＣを判定し、ＳＯＣ上限値より小さいかどうかを判定する。そして、ＳＯＣが上限値未満の場合はＳ４０３を実行し、ＳＯＣが上限値以上の場合はＳ４０４を実行する。
【００５７】
Ｓ４０３では、発電電力最低指令値Ｐｇ０から算出される補機指令値に従って最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを最適運転効率で制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。加えて、燃料電池１０１で発電された発電電力をバッテリ１０２に充電する。
【００５８】
Ｓ４０４では、発電電力最低指令値Ｐｇ０から算出される補機指令値に従って効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。このＳ４０４を実行することで、アイドル運転中でも燃料電池１０１の正味発電量はゼロまたは負値に制御される。
【００５９】
Ｓ４０１からＳ４０４の制御を実行することにより、アイドル運転中でも余剰電力が処理されて、バッテリ１０２が過充電にならないので、アイドル運転の維持が可能になり、定格運転の再開を速やかに行える。
【００６０】
次に、図５のフローチャートを参照して、暖機運転時に制御装置１２１が行う制御の詳細について説明する。本実施形態における暖機運転は、燃料電池１０１の暖機に最適な出力電流に相当する暖機発電電力で暖機を行い、暖機運転中にバッテリ１０２のＳＯＣが上限値に達すると充電を停止させるとともに、補機の運転効率を低下させて、余剰電流を補機に消費させることにより、最適出力電流による暖機を継続させて、迅速な燃料電池の暖機を行うものである。
【００６１】
図５において、まずＳ５０１で暖機発電電力指令値Ｐｇ１を算出する。この暖機発電電力指令値Ｐｇ１は燃料電池１０１の温度が速やかに上昇する発電電力である。ただし、暖機発電電力指令値Ｐｇ１は燃料電池１０１の正味発電電力ではなく、実発電電力である。
【００６２】
Ｓ５０２では、バッテリセンサ１０７によってバッテリ１０２のＳＯＣを判定する。そして、ＳＯＣが上限値未満の場合はＳ５０３を実行し、ＳＯＣが上限値以上の場合はＳ５０４を実行する。
【００６３】
Ｓ５０３では、暖機発電電力指令値Ｐｇ１から算出される補機指令値に従って暖機運転用の最適効率運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５とを制御して、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。加えて、燃料電池１０１で発電された発電電力をバッテリ１０２に充電する。
【００６４】
Ｓ５０４では、暖機発電電力指令値Ｐｇ１から算出される補機指令値に従って暖機運転用の効率低下運転制御指令をインバータ１１６、１１７、１１８に出し、コンプレッサ１１４と純水供給ポンプ１１３と冷却水供給ポンプ１１５で消費される電力を増大させながら、発電に必要な空気と加湿用純水と冷却水を燃料電池に供給する。さらに、補機指令値に従って水素ガス供給装置１１２を制御し、発電に必要な水素ガスを燃料電池に供給する。Ｓ５０４を実行することで、暖機中でも燃料電池１０１の正味発電量はゼロまたは負値に制御される。
【００６５】
Ｓ５０１からＳ５０４の制御を実行することにより、暖機運転中でも余剰電力が処理されて、バッテリ１０２が過充電にならないため、燃料電池温度を速やかに上昇させることが可能になり、燃料電池１０１は短時間の暖機運転で定格出力可能な状態に移行できる。
【００６６】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するものではない。したがって、上記の実施形態に示された各要素は、本発明の技術範囲に属する全ての設計上の選択事項をも含む趣旨である。たとえば、本実施形態では蓄電手段にバッテリを用いたが、キャパシタとＤＣ−ＤＣコンバータとを組み合わせて用いることもできる。また、本実施形態では燃料ガスに水素ガスを使用したが、メタノール、天然ガス等を改質した改質ガスを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池車両の制御装置の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態における制御装置の力行制御動作を示すフローチャートである。
【図３】実施形態における制御装置の回生制御動作を示すフローチャートである。
【図４】実施形態における制御装置のアイドル運転制御動作を示すフローチャートである。
【図５】実施形態における制御装置の暖機制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０１ 燃料電池
１０２ バッテリ
１０３ インバータ
１０４ 車両駆動用交流モータ
１０７ バッテリセンサ
１１１ 加湿器
１１２ 水素ガス供給装置
１１３ 純水供給ポンプ
１１４ コンプレッサ
１１５ 冷却水供給ポンプ
１１６ インバータ
１１７ インバータ
１１８ インバータ
１２１ 制御装置
Claims (5)
- 燃料電池と、蓄電手段と、これら燃料電池及び蓄電手段の少なくとも一方から供給された電力で燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータと、前記燃料電池を運転するために必要な補機と、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、
前記蓄電手段の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
前記充電状態検出手段の検出結果が充電上限状態にあるときに余剰電力が発生した場合、前記補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させる運転効率制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。 - 前記余剰電力は、前記車両駆動用モータの回生電力であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
- 前記余剰電力は、前記燃料電池のアイドル発電電力であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
- 前記余剰電力は、前記燃料電池の暖機発電電力であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
- 前記補機は、それぞれ交流モータで駆動され、前記燃料電池に空気を供給するコンプレッサ、前記燃料電池の加湿用純水を供給するポンプ、前記燃料電池に冷却水を供給するポンプのいずれか１つ、またはこれらの任意の組合せであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
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