JP5354565B2 - 燃料電池車両の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池車両の制御方法に係り、より詳しくは、燃料電池の起動完了後、トルク調整ファクターによるトルクの制限を通して燃料電池から蓄電手段として充電が行われ、燃料電池と蓄電手段が直結されると、トルク調整ファクターを正常運行時まで次第に増加させて車両の急発進を防止する燃料電池車両の制御方法に関する。

従来の燃料電池−バッテリーハイブリッド車両では、高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータが燃料電池とバッテリーとの間に位置して燃料電池とバッテリーの電圧差を緩衝させ、バッテリーの充放電制御または燃料電池のパワー制御を行うため、燃料電池とバッテリーの電圧をマッチングさせるための別途の特化された起動制御のための戦略を必要としない。

一方、高電圧ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しない燃料電池−バッテリーハイブリッド車両では燃料電池とバッテリーの電圧をマッチングさせるための別途のバッテリー初期充電装置及びこれに相応する起動制御戦略が必須的に要求される。

これに関する従来技術として、米国特許第６，８１５，１００号明細書には、車両の起動時に、エネルギー蓄電池（バッテリーなど）を通して燃料電池補機類の駆動及びモータの電圧を満たした後、燃料電池と電圧が低下したエネルギー蓄電装置を連結する直前に燃料電池側に装着されたＤＣ／ＤＣチョッパーを使用して電流を制限することで、燃料電池の過度な電圧下降を防ぐことができる燃料電池車両用起動制御装置が開示されている。

更に、大韓民国特許公開第２００６−０００３５４３号明細書には、補助バッテリーを用いて燃料電池を起動させた後、スーパーキャパシタ初期充電装置のマルチ抵抗を通して燃料電池パワーをスーパーキャパシタに充電し、スーパーキャパシタの電圧が燃料電池の電圧とほぼ同一レベルになると、メインリレーにより燃料電池とスーパーキャパシタが直結されて車両が運行されるようにした燃料電池スーパーキャパシタハイブリッド及びその起動制御方法が開示されている。

しかしながら、上記のような従来の起動制御方式は蓄電装置またはスーパーキャパシタの充電のために別途のＤＣ−ＤＣコンバータまたはマルチ抵抗を有する初期充電装置を使用しなければならず、燃料電池単独モードで燃料電池とスーパーキャパシタ直結型モードであるハイブリッドモードに転換する際、アクセルペダルによりトルクが突然増加して車両が急発進するなどの短所がある。

従って、燃料電池とスーパーキャパシタ直結型ハイブリッドシステムにおいて、燃料電池の保護、起動時間の短縮、スーパーキャパシタの充電、走行性の向上などを同時に図ることのできる適切な起動シーケンスの制御方法が要求されている。
米国特許第６，８１５，１００号明細書 大韓民国特許公開第２００６−０００３５４３号明細書

本発明の目的は、燃料電池の起動完了後、燃料電池単独モード下でトルク調整ファクターによるトルク制限制御を行い、初期充電装置により燃料電池から蓄電手段へ充電が行われるようにし、更に、燃料電池と蓄電手段が互いに直結されるハイブリッドモード進入時、トルク調整ファクターを正常運行時まで次第に増加させて車両の急発進を防止することができる燃料電池車両の制御方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明は、燃料電池の起動完了後、燃料電池単独モードに進入すると、モータ最大トルク（Ｔ _ＭＡＸ ）にアクセルペダルの伏角値（β _{Ｄｅｐｔｈ} ：０〜１）を掛けて計算された値に走行トルク（Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}）を発生する段階と、走行トルク（Ｔ _{ＡＣＣＥＬ} ）にさらにトルク調整ファクター（α）を掛けて計算された値にトルク制限が行われる段階と、燃料電池単独モード下で、燃料電池と蓄電手段との間に連結された初期充電装置のＩＧＢＴのデューティ比の調節による電流制限制御を行ってトルクの制限遂行と共に車両が徐行運転されながら燃料電池から蓄電手段に充電が行われる段階と、燃料電池と蓄電手段との間の電圧差が一定範囲内に収まると、燃料電池と蓄電手段がメインリレーにより直結されてハイブリッドモードに進入する段階と、を含む燃料電池車両の制御方法であって、燃料電池単独モードから燃料電池と蓄電手段が直結されたハイブリッドモードに進入すると、トルク調整ファクター（α）を最大設定値まで漸進的に増加させ、トルク調整ファクター（α）が最大設定値まで増加すると、トルクの制限なしに正常運行が行われる。

本発明に係る燃料電池車両の制御方法によると、下記のような効果を提供することができる。

１）燃料電池の起動完了と共に燃料電池の単独モード進入時、トルク調整ファクターによりトルク制限を行い、車両が徐行運転されながら燃料電池から蓄電手段に対する充電がよりダイナミックに行われるようになる。

２）燃料電池と蓄電手段間の電圧が同等水準となった後、ハイブリッドモードに進入すると、トルク調整ファクターを漸進的に増加させて車両の急発進を防止することができる。

以下、添付図面を参照にし、本発明に係る燃料電池車両の制御方法について説明する。

先ず、本発明の理解を助けるために、燃料電池と蓄電手段ハイブリッド車両のパワーネット構成要素及びその動作について見てみる。

図３は本発明による燃料電池車両の起動シーケンスの制御方法による燃料電池と蓄電手段ハイブリッド車両のパワーネット構成図である。

図３に図示されるように、燃料電池−蓄電手段ハイブリッド車両は燃料電池１０、補助動力源、低電圧電力変換機（ＬＤＣ）１２、１２Ｖ補助バッテリー１４を車両のパワー供給手段として有し、このパワー供給手段に、燃料電池補機類１８、モータ２０、モータ制御用ＭＣＵ２２、燃料電池リレー２４、ＭＣＵリレー２６などが連結されている。

特に、前記補助動力源はスーパーキャパシタ（Ｓｕｐｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）、高電圧バッテリーなどを包括する蓄電手段１６を意味し、この蓄電手段１６には初期充電装置３０が連結される。

低電圧電力変換機１２は、１２Ｖ補助バッテリー１４の電源を使用する部品を駆動させるために低電圧出力に変換させ、これらの部品が車両運行中、継続してパワーを消耗するため、補助バッテリー１４を充電する装置である。

前記高電圧の燃料電池補機類１８（ＢＯＰ：空気ブロワー、水素再循環ブロワー、水ポンプなど）は燃料電池１０の起動のために作動されなければならず、燃料電池１０で発生する電圧と高電圧の燃料電池補機類１８の電圧レベルは例えば２５０〜４５０Ｖで同一である。

前記モータ２０及びインバータは燃料電池１０に直接連結されており、更に、パワーアシスト及び回生制動のために蓄電手段１６が初期充電装置３０を通して燃料電池１０に連結される。

更に、メインバス端には電力遮断及び連結を容易に行うための各種リレー２４，２６、即ち、燃料電池リレー２４及びＭＣＵリレー２６が設置されており、燃料電池に逆電流が流れないようにブロッキングダイオード（ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）２８が含まれている。

前記初期充電装置３０はバックタイプコンバータ（ｂｕｃｋ ｔｙｐｅ ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）であり、燃料電池１０と蓄電手段１６との間でメインリレー３２と別途に電気的回路で構成され、ＩＧＢＴ３４のデューティ比の調節を通して急激な電流の流れを防ぎ、メインリレー３２の固着現象を防止しながら蓄電手段１６を充電させる役割をする。

この時、燃料電池１０と蓄電手段１６の両端の電圧がほぼ同一レベルになると、ＩＧＢＴ３４の作動は止まり、メインリレー３２がオンとなり、燃料電池１０と蓄電手段１６が直結する状態となる。

符号３６は蓄電手段の電圧遮断用リレーであり、内部キャパシタを保護する役割をする。

ここで、前記構成を含む燃料電池と蓄電手段ハイブリッド車両の起動シーケンスを説明するが、先ず、燃料電池の起動が完了する時点までを説明すると下記の通りである。

図２は燃料電池の起動完了時点までの起動シーケンスを説明する順序図である。

前記低電圧電力変換機（ＬＤＣ）１２のブーストを通して燃料電池を起動するが、補助バッテリー１４が異常であったり、低温起動のような初期起動のエネルギーが多量に必要である場合は、蓄電手段１６にて起動が行われる。このような移動制御の必要性は蓄電手段１６の電圧が状況によってエネルギーが急激に変わるパワーソースである点に起因する。

前記補助バッテリー１４がロー（ｌｏｗ）であったり、低温起動または起動時間が長いと予測される条件であるかを判断し（Ｓ１０１）、補助バッテリーがローであったり、低温起動または起動時間が長いと予測される条件である場合は、メインバス端の電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＬＤＣのブーストを通して蓄電手段１６の電圧に合せた後（Ｓ１０２）、初期充電装置３０の蓄電手段の電圧遮断用リレー３６及びメインリレー３２をオンにし（Ｓ１０３）、ＬＤＣ１２をオフにし（Ｓ１０４）、前記蓄電手段１６で燃料電池補機類１８を駆動して燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）を上昇させる（Ｓ１０５）。

ここで、Ｖ_ＬＰ１は燃料電池１０から補機類のパワーを使用しても良い水準の燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）と補機類１８の駆動に必要な最小電圧のうち大きい値であり、状況によって変わり得る。

従って、前記蓄電手段１６の電圧（Ｖ_ＣＡＰ）が前記Ｖ_ＬＰ１より低下する場合は、ＬＤＣのブーストを通してメインバス端の電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＶ_ＬＰ１に維持し（Ｓ１０６）、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がＶ_ＬＰ１より大きいかを判断し、大きい場合はＬＤＣ１２及び初期充電装置３０のメインリレー３２をオフにする（Ｓ１０７）。

一方、前記補助バッテリー１４がハイ（ｈｉｇｈ）であったり、低温起動ではない場合、ＬＤＣのブーストを通してメインバス端の電圧（Ｖ_{ＬＤＣ＿ＲＥＦ}）をＶ_ＬＰ１に維持し（Ｓ１０８）、前記補助バッテリー１４により燃料電池補機類１８を駆動させて燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）を上昇させる（Ｓ１０９）。

この時、前記燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がＶ_ＬＰ１より大きい場合は、ＬＤＣ１２をオフにし（Ｓ１１０）、燃料電池から過度な出力を防止するようにする。

従って、蓄電手段１６の放電またはＬＤＣのブーストを通して燃料電池の電圧を起動し、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）がＶ_ＬＰ１より大きい場合は、ＬＤＣ１２と蓄電手段１６の連結を解除し、燃料電池１０自体の出力により補機類１８を駆動させる（Ｓ１１２）。

更に、燃料電池の起動が完了した後（Ｓ１１４）、補助バッテリーをＬＤＣバック（ｂｕｃｋ）を通して低電圧で充電し、ＭＣＵリレー２６及び蓄電手段の電圧遮断用リレー３６をオンにし、車両の駆動準備をし（Ｓ１１６）、燃料電池単独モードに進入する。

ここで、本発明による燃料電池車両の起動シーケンスの制御方法であり、燃料電池の起動完了と共に、燃料電池単独モードに進入した後の過程を説明すると下記の通りである。

図１は本発明による燃料電池車両の制御方法であり、燃料電池の起動完了後のシーケンスを説明する順序図であり、図４は蓄電手段に対するダイナミック充電のための実車走行データであり、充電中にも制限されたトルクを許容して走行を可能とし、ハイブリッドモードに移る前にトルク増加率を制限して急発進を防ぐ一連の過程を示している。

燃料電池の起動完了と共に、蓄電手段と燃料電池が連結されていない燃料電池単独モードに進入すると（Ｓ１１８）、車両の走行のためのトルクが発生する。

即ち、運転者がアクセルペダルを踏んだ時、そのアクセルペダルの伏角値を基に、下記のような数式１により計算されたトルクが発生し、車両の走行が可能な状態となる。

［数式１］
Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}＝Ｔ_ＭＡＸ×β_{Ｄｅｐｔｈ}
Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}：アクセルペダルの伏角値を基に計算された走行トルク
Ｔ_ＭＡＸ：モータ最大トルク
β_{Ｄｅｐｔｈ}：アクセルペダルの伏角値（０〜１）

この時、前記アクセルペダルの伏角値を基に計算されたトルク（Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}）に対するトルクの制限が行われる（Ｓ１１９）。

前記トルクの制限は下記のような数式２に依拠して行われる。

［数式２］
Ｔ_ＣＭＤ＝Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}×α，α＝α_ＩＮＩＴ
Ｔ_ＣＭＤ：制限されたトルク
α：トルク調整ファクター（０〜１）

上の数式２に表されるように、前記アクセルペダルの伏角値を基に計算されたトルク（Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}）に一定な値のトルク調整ファクターαを掛ける演算により制限されたトルク（Ｔ_ＣＭＤ）が算出され、トルクの制限が行われる初期にはトルク調整ファクターの初期値（最小値）であるα_ＩＮＩＴを掛けてやり、トルクの制限が開始されるようにする。

従って、燃料電池単独モード下で、トルクの制限を行うと共に、車両が徐行運転され、同時に燃料電池から蓄電手段で充電が開始される（Ｓ１２０）。

即ち、前記蓄電手段１６の充電は、燃料電池１０と蓄電手段１６が直結される前に行われ、燃料電池１０と蓄電手段１６間に連結された初期充電装置３０のＩＧＢＴのデューティ比の調節による電流の制限制御からなる。

例えばＩＧＢＴのオン時は、ΔＩ_Ｌ＿ＯＮ（＝（∫_ＴＯＮ（Ｖ_ＦＣ−Ｖ_ＣＡＰ）ｄｔ）／Ｌ）ほど蓄電手段の充電電流が増加し、ＩＧＢＴのオフ時にはΔＩ_{Ｌ＿ＯＦＦ}（上記の式で_ＴＯＦＦ期間で積分）ほど蓄電手段のスーパーキャパシタの充電電流が減少し、仮に５０Ａに充電電流をセッティングした場合、５０Ａを維持するために蓄電手段の充電電流の増加分と減少分を考慮してデューティ比を調節する。

この時、前記 ΔＩ_Ｌ＿ＯＮはＩＧＢＴのオン時、スーパーキャパシタの初期充電装置に流れる電流の増加分を、前記ΔＩ_{Ｌ＿ＯＦＦ}はＩＧＢＴのオフ時、スーパーキャパシタの初期充電装置に流れる電流の減少分を示す。

このように、トルクの制限を行い車両が徐行運行のみをすることができるようにし、燃料電池から蓄電手段への充電がより容易に行われるようになる。

次に、前記初期充電装置３０を通して蓄電手段１６の充電が完了すると、初期充電装置３０のメインリレー３２をオンにすることで、燃料電池１０と蓄電手段１６が直結され、車両はハイブリッドモードに進入する（Ｓ１２２）。

前記燃料電池１０と蓄電手段１６間の電圧差が発生しない場合、言い換えると、燃料電池の電圧（Ｖ_ＦＣ）と蓄電手段の電圧（Ｖ_ＣＡＰ）がほぼ同一レベルになると、蓄電手段１６の充電を完了したと制御部で判断し、燃料電池１０と蓄電手段１６がメインリレー３２により直結されながらハイブリッドモードに進入する。

ここで、前記燃料電池単独モードで、燃料電池と蓄電手段が直結されたハイブリッドモードに進入すると、前記トルク調整ファクター（α）を最大設定値まで漸進的に増加させ（Ｓ１２４）、前記トルク調整ファクター（α）が最大設定値まで増加すると、トルクの制限なしに正常運行が行われる（Ｓ１２６）。

燃料電池と蓄電手段が直結すると、図４に表されるように、前記トルク調整ファクターを漸進的に増加させ、その値が最大設定値である１に到達すると、トルクの制限なしに正常運行が開始される。

このようにハイブリッドモード進入と共に前記トルク調整ファクターを最大設定値まで漸進的に増加させる理由は、燃料電池単独モードからハイブリッドモードに変換時、トルク調整ファクターを突然増加させると車両が急発進してしまうため、これを防止するためである。

本発明は、燃料電池の起動完了後トルク制限制御を行い、車両の急発進を防止することができる燃料電池車両の制御分野に適用できる。

本発明による燃料電池車両の制御方法であり、燃料電池の起動完了後のシーケンスを説明する順序図である。 燃料電池の起動完了前のシーケンスを説明する順序図である。 本発明による燃料電池車両の制御方法のための燃料電池−蓄電手段ハイブリッド車両のパワーネット構成図である。 本発明による燃料電池車両の制御方法を適用させた実車走行データである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ 低電圧電力変換機（ＬＤＣ）
１４ 補助バッテリー
１６ 蓄電手段
１８ 燃料電池補機類
２０ モータ
２２ ＭＣＵ
２４ 燃料電池リレー
２６ ＭＣＵリレー
２８ ブロッキングダイオード
３０ 初期充電装置
３２ メインリレー
３４ ＩＧＢＴ
３６ 電圧遮断用リレー

Claims (1)

1. 燃料電池の起動完了後、燃料電池単独モードに進入すると、モータ最大トルク（Ｔ _ＭＡＸ ）にアクセルペダルの伏角値（β _{Ｄｅｐｔｈ} ：０〜１）を掛けて計算された値に走行トルク（Ｔ_{ＡＣＣＥＬ}）を発生する段階と、
   前記走行トルク（Ｔ _{ＡＣＣＥＬ} ）にさらにトルク調整ファクター（α）を掛けて計算された値にトルク制限が行われる段階と、
   前記燃料電池単独モード下で、前記燃料電池と蓄電手段との間に連結された初期充電装置のＩＧＢＴのデューティ比の調節による電流制限制御を行ってトルクの制限遂行と共に車両が徐行運転されながら前記燃料電池から前記蓄電手段に充電が行われる段階と、
   前記燃料電池と前記蓄電手段との間の電圧差が一定範囲内に収まると、前記燃料電池と前記蓄電手段がメインリレーにより直結されてハイブリッドモードに進入する段階と、
   を含む燃料電池車両の制御方法であって、
   前記燃料電池単独モードから燃料電池と蓄電手段が直結された前記ハイブリッドモードに進入すると、前記トルク調整ファクター（α）を最大設定値まで漸進的に増加させ、前記トルク調整ファクター（α）が最大設定値まで増加すると、トルクの制限なしに正常運行が行われることを特徴とする燃料電池車両の制御方法。