JP4624457B2 - 燃料電池車両の制御装置および燃料電池車両の制御方法 - Google Patents
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Description
このため、例えば駆動輪の空転発生が検知された時点から、実際に車両走行用モータの出力が制限されて駆動輪のグリップ力が増大するまでに要する時間が長くなり、トラクション制御を適切なタイミングで実行することが困難となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両走行用のモータの電源として燃料電池を備える燃料電池車両において、燃料電池を適切に保護することが可能な燃料電池車両の制御装置および燃料電池車両の制御方法を提供することを目的としている。
先ず、以下に、本発明の燃料電池車両の制御装置および燃料電池車両の制御方法に対する参考技術について説明する。
この参考技術に係る燃料電池車両の制御装置10は、例えば図1に示すように、燃料電池11と、第1のDC−DCコンバータ12と、蓄電装置13と、第2のDC−DCコンバータ14と、PDU(パワードライブユニット)15と、モータ16と、出力制御器17と、空気供給装置(A/P)18と、水素タンク19aおよび水素供給弁19bと、背圧弁20と、パージ弁21と、TCSECU22と、制御装置23と、燃料電池温度センサ31と、システム電圧センサ32と、端子電圧センサ33と、電流センサ34と、モータ回転数センサ35と、アクセル開度センサ36と、車輪速センサ37とを備えて構成されている。
そして、制御装置23は、例えば燃料電池発電制御部41と、モータトルク制御部42と、駆動系トルク算出部43と、マネジメント制御部44とを備えて構成されている。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
また、エアーコンプレッサー等からなる空気供給装置18は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池11のカソードに供給する。そして、空気供給装置18を駆動するモータ(図示略)の回転数は、制御装置23の燃料電池発電制御部41から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調(PWM)によるPWMインバータを具備する出力制御器17により制御されている。
そして、燃料電池11の空気排出口11bから排出された未反応の排出ガスは、制御装置23の燃料電池発電制御部41により弁開度が制御される背圧弁20を介して外部(大気中等)へ排出される。
また、制御パルスのデューティが0%〜100%の間の適宜値に設定されると、第1のDC−DCコンバータ12は、1次側電流とされる燃料電池11の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を2次側電流として出力する。
そして、第2のDC−DCコンバータ14は、燃料電池11の発電あるいはモータ16の回生動作に係るシステム電圧VSを降圧して蓄電装置13を充電可能であると共に蓄電装置13の端子電圧VEを昇圧可能である。このため、蓄電装置13の端子電圧VEを検出する端子電圧センサ33および蓄電装置13の充電電流および放電電流を検出する電流センサ34から出力される各検出信号が、制御装置23のマネジメント制御部44に入力されている。
これにより、燃料電池システムを構成する燃料電池11および蓄電装置13は、モータ16の電源とされている。
なお、モータ16は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の3相交流同期モータとされており、PDU15から供給される3相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪W側からモータ16側に駆動力が伝達されると、モータ16は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
なお、所定のTCS要求トルクマップにおいては、例えば、スリップ量が増大することに伴い、TCS要求トルクTTが低下傾向に変化するように設定されている。
また、TCSECU22は、例えば駆動輪Wと従動輪との回転速度の差(スリップ量)が所定値以上となった場合等において、トラクション制御、つまりTCS要求トルクTTに応じて駆動輪Wの駆動力を低減させ、駆動輪Wのタイヤから路面に対して過大な駆動力が作用して駆動輪Wが空転することを抑制する制御の実行状態であるか否かを示すTCS作動フラグのフラグ値(例えば、トラクション制御の実行状態で「1」、非実行状態で「0」)を出力する。
また、燃料電池発電制御部41は、マネジメント制御部44から入力される発電電流指令に対して、燃料電池11へ供給される反応ガスの圧力および流量の各検出値(実流量および実圧力)に基づき、燃料電池11の発電可能な発電電力の上限値を算出し、この上限値に応じて燃料電池11から取り出される出力電流に対する制限を指示する信号(発電電流制限指令)をマネジメント制御部44へ出力する。
このため、制御装置23のモータトルク制御部42には、例えばPDU15に対する入力電圧とされるシステム電圧VSを検出するシステム電圧センサ32から出力される検出信号と、モータ16の回転数NMを検出するモータ回転数センサ35から出力される検出信号とが入力されている。
なお、モータトルク制御部42は、モータ回転数センサ35から入力されたモータ16の回転数NMの検出信号を駆動系トルク算出部43へ出力する。
運転者要求トルク算出部51は、運転者のアクセル操作量に係るアクセル開度ACを検出するアクセル開度センサ36から出力される検出信号と、モータ回転数センサ35から出力される検出信号とに基づき、例えば予め設定されたアクセル開度ACと回転数NMと運転者要求トルクTDとの所定の対応関係を示す運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
また、マネジメント制御部44は、燃料電池発電制御部41から入力される発電電流制限指令と、補機要求電力とに基づき、モータ16の消費電力に対する制限を指示する信号として駆動電力制限指令を駆動系トルク算出部43へ出力する。
このため、制御装置23のマネジメント制御部44には、例えば、蓄電装置13の端子電圧VEを検出する端子電圧センサ33および蓄電装置13の充電電流および放電電流を検出する電流センサ34から出力される各検出信号が入力されている。
次に、ステップS02においては、発電電流指令算出処理により、例えば、モータ要求電力PMと、車両に搭載された各種の電気負荷からなる補機で消費される電力に対応する補機要求電力と、蓄電装置13から放電可能な電力とに基づき、燃料電池11の発電電流を指示する発電電流指令を算出する。
次に、ステップS03においては、駆動電力制限指令算出処理により、燃料電池11の発電可能な発電電力の上限値に応じて燃料電池11から取り出される出力電流に対する制限を指示する発電電流制限指令と、補機要求電力とに基づき、モータ16の消費電力に対する制限を指示する駆動電力制限指令を算出し、一連の処理を終了する。
先ず、例えば図4に示すステップS11においては、アクセル開度ACと、モータ16の回転数NMとに基づき、例えば予め設定された運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
次に、ステップ12においては、算出した運転者要求トルクTDは、TCSECU22から出力されるTCS要求トルクTT以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS13に進み、このステップS13においては、モータ16から出力されるトルクに対する指令値であるトルク指令TRとして、運転者要求トルクTDを設定し、後述するステップS15に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS14に進み、このステップS14においては、トルク指令TRとして、TCS要求トルクTTを設定し、ステップS15に進む。
そして、時刻t2以降において、TCS要求トルクTTが運転者要求トルクTD未満となる場合には、TCS要求トルクTTがトルク指令TRとして設定される。
さらに、駆動輪Wのグリップ状態を制御するためのトルク指令TRは、TCS要求トルクTTまたは運転者要求トルクTDの何れか小さい方と同等の値を有するように設定されることから、例えばトラクション制御の実行時に、運転者要求トルクTDがTCS要求トルクTTよりも大きい状態であっても、モータ16の駆動力が適切に低減されて、駆動輪Wのグリップ力を適正に増大させることができる。
そして、反応ガスの供給状態を制御するためのモータ要求電力PMは、モータ16のトルク指令TRと回転数NMとに基づき算出されることから、モータ16の運転状態に応じて燃料電池11の発電電力を適切に設定することができる。
この参考技術の変形例において、上述した参考技術に係る燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法と異なる主要な点は、駆動系トルク算出部43のモータ要求電力算出部53および図3に示すステップS01のモータ要求電力算出処理である。
先ず、例えば図7に示すステップS11においては、アクセル開度ACと、モータ16の回転数NMとに基づき、例えば予め設定された運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
次に、ステップS12においては、算出した運転者要求トルクTDは、TCSECU22から出力されるTCS要求トルクTT以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS13に進み、このステップS13においては、モータ16から出力されるトルクに対する指令値であるトルク指令TRとして、運転者要求トルクTDを設定し、後述するステップS16に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS14に進み、このステップS14においては、トルク指令TRとして、TCS要求トルクTTを設定し、ステップS16に進む。
この判定結果が「YES」の場合、つまりトラクション制御の実行状態の場合には、ステップS17に進み、このステップS17においては、TCS要求トルクTTおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ16の消費電力を指示するモータ要求電力PMを算出し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合、つまりトラクション制御の非実行状態の場合には、ステップS18に進み、このステップS18においては、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMを算出し、一連の処理を終了する。
また、モータ要求電力PMに対しては、TCS作動フラグのフラグ値が「0」である時刻t0から時刻t2に亘る期間において、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMが算出される。そして、TCS作動フラグのフラグ値が「1」である時刻t2以降において、TCS要求トルクTTおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMが算出される。
本発明の実施形態による燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法において、上述した参考技術による燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法と異なる主要な点は、駆動系トルク算出部43のモータ要求電力算出部53および図3に示すステップS01のモータ要求電力算出処理である。
先ず、例えば図10に示すステップS21においては、アクセル開度ACと、モータ16の回転数NMとに基づき、例えば予め設定された運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
次に、ステップS22においては、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMを算出する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS24に進み、このステップS24においては、モータ16から出力されるトルクに対する指令値であるトルク指令TRとして、運転者要求トルクTDを設定し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS25に進み、このステップS25においては、トルク指令TRとして、TCS要求トルクTTを設定し、一連の処理を終了する。
また、モータ要求電力PMに対しては、トルク指令TRつまりTCS要求トルクTTに関わらずに、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMが算出される。
しかも、燃料電池11に対する反応ガスの供給状態はモータ要求電力PMに応じて変化することから、例えばエアーコンプレッサー等からなる空気供給装置18の作動状態(例えば、作動音等)が運転者要求トルクTDに応じて変化し、燃料電池車両の作動状態に運転者の運転意志が適切に反映され、燃料電池車両の作動状態に運転者が違和感を感じてしまうことを防止することができる。
この実施形態の第1変形例において、上述した実施形態による燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法と異なる主要な点は、駆動系トルク算出部43のモータ要求電力算出部53および図3に示すステップS01のモータ要求電力算出処理である。
先ず、例えば図13に示すステップS21においては、アクセル開度ACと、モータ16の回転数NMとに基づき、例えば予め設定された運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
次に、ステップS23においては、算出した運転者要求トルクTDは、TCSECU22から出力されるTCS要求トルクTT以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS24に進み、このステップS24においては、モータ16から出力されるトルクに対する指令値であるトルク指令TRとして、運転者要求トルクTDを設定し、後述するステップS26に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS25に進み、このステップS25においては、トルク指令TRとして、TCS要求トルクTTを設定し、ステップS26に進む。
この判定結果が「YES」の場合、つまりトラクション制御の実行状態の場合には、ステップS27に進み、このステップS27においては、トルク指令TRおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ16の消費電力を指示するモータ要求電力PMを算出し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合、つまりトラクション制御の非実行状態の場合には、ステップS28に進み、このステップS28においては、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMを算出し、一連の処理を終了する。
この実施形態の第2変形例において、上述した実施形態による燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法と異なる主要な点は、図3に示すステップS01のモータ要求電力算出処理である。
先ず、例えば図14に示すステップS21においては、アクセル開度ACと、モータ16の回転数NMとに基づき、例えば予め設定された運転者要求トルクマップ等を参照して、モータ16から出力されるトルクに対する指令値として、運転者要求トルクTDを算出する。
次に、ステップS23においては、算出した運転者要求トルクTDは、TCSECU22から出力されるTCS要求トルクTT以下であるか否かを判定する。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS24に進み、このステップS24においては、モータ16から出力されるトルクに対する指令値であるトルク指令TRとして、運転者要求トルクTDを設定し、後述するステップS26に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS25に進み、このステップS25においては、トルク指令TRとして、TCS要求トルクTTを設定し、ステップS26に進む。
この判定結果が「YES」の場合、つまりトラクション制御の実行状態の場合には、ステップS27に進み、このステップS27においては、トルク指令TRおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ16の消費電力を指示するモータ要求電力PMを算出し、後述するステップS31に進む。
一方、この判定結果が「NO」の場合、つまりトラクション制御の非実行状態の場合には、ステップS28に進み、このステップS28においては、運転者要求トルクTDおよびモータ16の回転数NMに基づき、モータ要求電力PMを算出し、ステップS31に進む。
この判定結果が「YES」の場合には、ステップS32に進み、このステップS32においては、車両の電気負荷での消費電力を超える燃料電池11の発電電力の余剰電力を蓄電装置13に充電し、一連の処理を終了する。
一方、この判定結果が「NO」の場合には、ステップS32に進み、このステップS32においては、車両の電気負荷での消費電力を超える燃料電池11の発電電力の余剰電力の蓄電装置13への充電を禁止して、一連の処理を終了する。
例えば図15に示すように、トラクション制御の実行時に、反応ガスの供給状態をモータ16の駆動力に応じて制御する比較例では、トルク指令TRとしてTCS要求トルクTTが設定され、このトルク指令TRつまりTCS要求トルクTTに応じて、モータ16の消費電力(つまり、モータ要求電力PM)が変化する。
そして、例えば時刻t4以降のように、駆動輪Wの路面に対するグリップ力の増大等に応じて、TCS要求トルクTTおよびトルク指令TRが増大すると、相対的に応答遅れが短いモータ16の消費電力(つまり、モータ要求電力PM)および相対的に応答遅れが長くなる駆動電力制限指令が増大傾向に変化することにより、例えば図15に示す時刻t5近傍での領域αのように、モータ16の消費電力が駆動電力制限指令よりも大きくなる場合が生じる。
つまり、上述した実施形態による燃料電池車両の制御装置10および燃料電池車両の制御方法のように、トラクション制御の実行時に、反応ガスの供給状態をモータ16の駆動力に関わらずに制御することによって、燃料電池11の劣化が促進されてしまうことを防止することができる。
運転者要求トルクTDには関わらずに、トルク指令TRが増加傾向に変化することに伴い、増大傾向に変化することになる。このため、燃料電池車両の作動状態に運転者の運転意志が適切に反映されず、燃料電池車両の作動状態に運転者が違和感を感じてしまうことになる。
例えば図19に示すように、先ず、比較例に対して、第1実施例では、モータ16および車両の電気負荷での消費電力を超える燃料電池11の発電電力が余剰電力となり、この余剰電力だけ燃費が低下する。
この第1実施例に対して、第2実施例では、蓄電装置13が充電可能である場合に、余剰電力を蓄電装置13に充電することから、この充電動作に伴う損失(充放電損失)を余剰電力から減算して得た充電電力だけ燃費が向上する。
つまり、比較例に対して、第2実施例では、燃料電池11の劣化が促進されてしまうことを防止しつつ、燃費の低下を抑制することができる。
11 燃料電池
13 蓄電装置
15 PDU(モータ制御手段)
16 モータ
17 出力制御器(出力制御手段)
18 空気供給装置(反応ガス供給手段)
19a 水素タンク(反応ガス供給手段)
19b 水素供給弁(反応ガス供給手段)
23 TCSECU(トラクション制御手段)
35 モータ回転数センサ(回転数センサ)
36 アクセル開度センサ(アクセル開度センサ)
41 燃料電池発電制御部(出力制御手段)
42 モータトルク制御部(モータ制御手段)
43 駆動系トルク算出部(制御手段)
ステップS31 残容量検出手段
ステップS32 充電制御手段
Claims (4)
- 車両を駆動可能なモータと、該モータの駆動および回生動作を制御するモータ制御手段と、タイヤと路面との間で作用する駆動力を制御して駆動輪が空転することを抑制するトラクション制御手段と、前記モータの電源をなす燃料電池システムとして、反応ガス供給手段により反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力により充電される蓄電装置と、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段とを備える燃料電池車両の制御装置であって、
前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記反応ガスの供給状態を前記モータの駆動力に関わらずに制御する制御手段と、
運転者のアクセル操作量に係るアクセル開度を検出するアクセル開度センサとを備え、
前記制御手段は、前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記反応ガスの供給状態を前記アクセル開度センサにより検出されるアクセル開度に応じて制御することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。 - 前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段を備え、
前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記残容量検出手段により検出される残容量に応じて、車両の電気負荷での消費電力を超える前記燃料電池の発電電力の余剰電力を前記蓄電装置に充電する充電制御手段を備え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。 - 車両を駆動可能なモータと、該モータの駆動および回生動作を制御するモータ制御手段と、タイヤと路面との間で作用する駆動力を制御して駆動輪が空転することを抑制するトラクション制御手段と、前記モータの電源をなす燃料電池システムとして、反応ガス供給手段により反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力により充電される蓄電装置と、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段とを備える燃料電池車両の制御方法であって、
前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記反応ガスの供給状態を前記モータの駆動力に関わらずに制御し、
前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記反応ガスの供給状態を運転者のアクセル操作量に係るアクセル開度に応じて制御することを特徴とする燃料電池車両の制御方法。 - 前記トラクション制御手段による駆動力制御の実行時に、前記蓄電装置の残容量に応じて、車両の電気負荷での消費電力を超える前記燃料電池の発電電力の余剰電力を前記蓄電装置に充電することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池車両の制御方法。
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