JP2004056868A - 燃料電池車両のアイドル制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】総合的な発電効率を高めて燃費を向上することが可能な燃料電池車両のアイドル制御装置を提供する。
【解決手段】車両の状態が所定のアイドル状態と判断された時に、コンプレッサ８を停止して燃料電池３の発電を停止するアイドル停止手段を備えた燃料電池車両１のアイドル制御装置２である。アイドル停止中にキャパシタ４の残容量が所定値以下に低下した時には、キャパシタ４の電力によりコンプレッサ８を駆動して燃料電池３を再起動するアイドル復帰手段と、アイドル復帰手段により再起動した燃料電池３を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で発電させて、キャパシタ４を充電させるアイドル充電手段とを備えた。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両のアイドル制御装置に係り、特に燃料電池と前記燃料電池の発電電流で充電される蓄電手段とを備えるハイブリッド型の電源装置を搭載した燃料電池車両のアイドル制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、固体高分子膜型の燃料電池が搭載された燃料電池車両として、燃料としての水素ガスや酸化剤としての空気等のガス供給を伴う燃料電池の出力応答性を補うために、例えばバッテリやキャパシタ等からなる蓄電装置を備えることで、車両各部への電力供給の応答性を向上させたものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池車両として、例えば特開２００１−３５９２０４号公報に記載されているように、燃料電池の発電を停止可能なアイドル状態を検出して前記燃料電池の発電を停止するとともに、前記蓄電装置の前記残容量が所定の残容量よりも少なくなった時に前記燃料電池の発電を再開するアイドル制御装置を備えたものが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術においては、前記燃料電池の発電を再開する場合の目標発電量が、蓄電装置の残容量や車両の電気負荷における予想消費電力に応じて設定される。このため、燃料電池の発電量は電気負荷の状態に応じて変動し、燃料電池の発電効率上好ましくない。また、燃料電池の目標発電量に応じて、燃料電池に反応ガスである空気を供給する空気供給コンプレッサでの発生音量が変動するおそれがある。
【０００５】
特に、蓄電装置の残容量が低い場合や車両の電気負荷における予想消費電力が大きい場合には燃料電池の目標発電量が大きくなるが、燃料電池での発電量を増大させるにはそれに見合った反応ガスの供給が必要であり、前記空気供給コンプレッサに必要な電力も増大する。このため、燃料電池での発電量が大きくなるにつれて、前記コンプレッサを駆動するために消費される電力も増大することになり、総合的な発電効率が低下するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、総合的な発電効率を高めて燃費を向上することが可能な燃料電池車両のアイドル制御装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、空気供給コンプレッサ（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ８）と水素供給手段（例えば、実施の形態における水素タンク９）により反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池３）と、燃料電池の発電電流で駆動される走行モータ（例えば、実施の形態における駆動用モータ５）と、燃料電池の発電電流で充電される蓄電手段（例えば、実施の形態におけるキャパシタ４）とを備える燃料電池車両（例えば、実施の形態における燃料電池車両１）に適用され、該車両の状態が所定のアイドル状態と判断された時に、コンプレッサを停止して燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段を備えた燃料電池車両のアイドル制御装置において、アイドル停止中に蓄電手段の残容量が所定値以下に低下した時には、蓄電手段の電力によりコンプレッサを駆動して燃料電池を再起動するアイドル復帰手段（例えば、実施の形態における制御装置７）と、アイドル復帰手段により再起動した燃料電池を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域（例えば、実施の形態における低負荷領域Ｌ）で発電させて、蓄電手段を充電させるアイドル充電手段（例えば、実施の形態における制御装置７）と、を備えたことを特徴とする燃料電池車両のアイドル制御装置である。
【０００８】
この発明によれば、前記アイドル停止手段によりアイドル状態と判断された時に前記燃料電池の発電を停止する（例えば、実施の形態におけるアイドル停止モードＭ０２）ことで燃費を向上させることができる。このアイドル状態においては、車両の電気負荷（例えば、実施の形態における駆動用モータ５、補機１０）への電力供給は蓄電手段により行う。そして、前記蓄電手段の残容量が所定値以下に低下した時には、前記アイドル復帰手段を用いて、前記蓄電手段の電力により燃料電池駆動用補機（例えば、実施の形態におけるエアコンプレッサ８）を駆動する（例えば、実施の形態におけるアイドルチャージモードＭ０３）ことにより、スムースに燃料電池を再起動させることができる。また、前記アイドル充電手段により、前記電気負荷の状態に関わらず前記燃料電池を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で発電させるため、燃費をさらに向上させることが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池車両のアイドル制御装置の実施の形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池車両のアイドル制御装置２を備える燃料電池車両１の概略構成図である。本実施の形態に係るアイドル制御装置２は、例えば燃料電池３と蓄電装置であるキャパシタ４とから構成されたハイブリッド型の電源装置を備えている。
【００１０】
燃料電池３は、固体高分子膜をアノード電極とカソード電極とで挟持してなる燃料電池セルを、複数積層させて一体化させた構造となっている。前記燃料電池３のアノード電極には例えば高圧水素タンク９が接続され、前記水素タンク９からアノード電極に水素が供給される。また、燃料電池３のカソード電極にはエアコンプレッサ８が接続されており、前記エアコンプレッサ８からカソード電極に空気（酸素）が供給される。アノード電極の反応面に水素が供給されると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に生じた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。
【００１１】
前記燃料電池３には電流制限装置６が接続されている。前記電流制限装置６は、キャパシタ４や駆動用モータ５、補機（車両１に搭載されたエアコンディショナやヘッドランプなど）１０、エアコンプレッサ用モータ１１にも接続され、燃料電池３からの出力を必要に応じて制限してこれらの機器４，５，１０，１１に供給する。前記エアコンプレッサ用モータ１１は前記エアコンプレッサ８に連結され、前記エアコンプレッサ用モータ１１によりエアコンプレッサ８が駆動される。したがって、燃料電池３で発電する電力の一部は、反応ガス（酸化剤ガス）を供給するエアコンプレッサ８を駆動するために使用される。
【００１２】
キャパシタ４は例えば電気二重層キャパシタとされ、前記燃料電池３の発電電流で充電されるとともに、該キャパシタ４が蓄えた電力を駆動用モータ５や前記補機１０に供給して燃料電池３の発電を補助する機能も備えている。
【００１３】
燃料電池３およびキャパシタ４に接続された駆動用モータ５は、この燃料電池３やキャパシタ４から供給された電力を駆動力としている。この駆動力は、リダクション或いはトランスミッションＴ／Ｍを介して駆動輪（図示せず）に伝達され、これにより、燃料電池車両１が走行するのである。
【００１４】
また、燃料電池車両１の減速時に駆動輪から駆動用モータ５に駆動力が伝達されると、駆動用モータ５は発電機として機能し、いわゆる回生制動力を発生する。これにより、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ことができ、キャパシタ４に電気エネルギーが蓄電される。
【００１５】
前記燃料電池３や電流制限装置６、駆動用モータ５、エアコンプレッサ用モータ１１には制御装置７が接続してある。この制御装置７は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｃなどから必要電力を算出して、この算出した電力に基づいて燃料電池３や電流制限装置６、駆動用モータ５、エアコンプレッサ用モータ１１にそれぞれ制御信号を制御する。
前記燃料電池３や電流制限装置６、駆動用モータ５は、制御装置７からの指令によって、図４に示したように、通常発電モードＭ０１、アイドル停止モードＭ０２、アイドルチャージモードＭ０３に切り替わる。これについては後述する。
【００１６】
図２は本実施の形態におけるアイドル停止およびアイドルチャージ制御を示す工程図である。ステップＳ０２で、制御装置７においてアイドル停止判定を行う。この判定は燃料電池車両１の車速Ｖｃが所定値以下かどうか、駆動用モータ５の予想消費電力が所定値以下かどうか、電気負荷（駆動用モータ５、補機１０）の電力が所定値以下かどうか、などを判定することにより行う。そして、ステップＳ０４で、アイドル停止が可能かどうかを判定する。
【００１７】
ステップＳ０４において、アイドル停止が可能ではないと判定された場合には、制御装置７は通常発電モードＭ０１の制御を行い、ステップＳ０６で、通常の目標発電電流を算出する。この通常発電モードＭ０１において、制御装置７は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐから駆動用モータ５での要求電力を求めるとともに、エアコンディショナ等の前記補機１０での要求電力を求める。そして、両者の要求電力を発生させるため、エアコンプレッサ８の駆動に必要なエアコンプレッサ用モータ１１での要求電力を求めて、これらの要求電力を加算した総要求電力を求める。この総要求電力を満足するように、燃料電池３に発電させるために必要な反応ガスの供給必要量を求め、この必要量の反応ガスを燃料電池３に供給させるように、エアコンプレッサ用モータ１１を制御する。そして、このフローにおける処理を終了する。
したがって、この通常発電モードＭ０１において、燃料電池３の発電電流は、前記電気負荷の要求によって変化するため、燃料電池３の発電効率が最大の状態ではない領域で運転されることになる。
【００１８】
ステップＳ０４において、アイドル停止が可能と判定された場合には、ステップＳ０８で、キャパシタ４の電圧に基づいてその残容量を求め、該残容量が所定値よりも低下しているかどうかを判定する。
ステップＳ０８において、判定結果がＮＯの場合には、制御装置７はアイドル停止モードＭ０２の制御を行い、ステップＳ１２で、燃料電池３の発電を停止する制御を行う。すなわち、エアコンプレッサ８の回転数をゼロに設定し、電流制限装置６への電流指令もゼロに設定する。このように、前記燃料電池３の発電を停止することで、発電に必要な水素ガスや酸化剤ガスを低減できるとともに、これらの反応ガスを供給するためのエアコンプレッサ８等の駆動に必要な電力が不要となるため、燃費を向上させることができる。このアイドル停止モードＭ０２においては、車両１の電気負荷への電力供給はキャパシタ４により行う。そして、このフローにおける処理を終了する。
【００１９】
ステップＳ０８において、判定結果がＹＥＳの場合には、制御装置７はアイドルチャージモードＭ０３の制御を行い、ステップＳ１０で、燃料電池３における最良効率の目標発電電流を算出して、この電流での発電制御を行う。これについて図３を用いて説明する。
【００２０】
図３は発電電流と総合効率との関係を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸に燃料電池３で発電する全発電電流（Ａ）を、左側縦軸に燃料電池３の発電効率（％）を、右側縦軸に電力（ＫＷ）をそれぞれとっている。そして、このグラフ中に、発電効率（△）と、全発電電力（●）と、エアコンプレッサ用モータ１１の消費電力（□）を示している。
同図に示した発電効率は、以下の式で表されるものである。
【００２１】

【００２２】
以下この式について説明する。燃料電池３で発電される全発電電力の一部は、反応ガス（空気）を供給するためのコンプレッサ８を駆動するためにモータ１１で用いられるため、全発電電力からコンプレッサ８の駆動に必要な電力（モータ１１での消費電力）を引いた電力が、実際に電気負荷に供給できる電力となる。従って、発電電流が少ない領域（ゼロ近傍領域Ｚ）では、発電電流の大部分がコンプレッサ用モータ１１にて消費されてしまうため、発電効率は低い。
【００２３】
燃料電池３での発電電流がゼロ近傍領域Ｚよりも増加した低負荷領域Ｌにおいては、発電電力が大幅に増加するため、コンプレッサ用モータ１１の消費電力の割合が相対的に低下し、前記電気負荷に供給できる電力も増大する。このため、低負荷領域Ｌにおいて、発電効率は上昇する。
【００２４】
そして、発電電流が前記低負荷領域Ｌよりも更に増加した高負荷領域Ｈにおいては、燃料電池３のＩＶ（電流・電圧）特性により発電電圧は低下する。このため、燃料電池３の全発電電力（電圧×電流）は発電電流に正比例して増加せず、全発電電力の増加量は低下する。
一方、コンプレッサ用モータ１１の消費電力は、発電電流の領域Ｚ，Ｌ，Ｈにかかわらず、発電電流にほぼ正比例して増加する。このため、発電電流が大きい高負荷領域Ｈでの発電効率は、低負荷領域Ｌに比べて低下する。
したがって、発電効率は前記低負荷領域Ｌにおいて最大となる。
【００２５】
前記アイドルチャージモードＭ０３においては、前記電気負荷の状態に関わらず前記燃料電池３を通常時の運転領域（高負荷領域Ｈ）よりも発電効率の良い運転領域（低負荷領域Ｌ）で発電させるため、キャパシタ４を充電しつつ電気負荷を駆動することができ、燃費をさらに向上させることが可能となる。さらに、この発電中は必要な反応ガスの量は比較的少なく、エアコンプレッサ８の音を低音域に維持できるため、快適性を高めることができる。なお、前記電気負荷に必要な電力量が、前記燃料電池３の発電量よりも大きい場合には、燃料電池３の発電量の不足分をキャパシタ４の電力で補って、電気負荷に電力を供給するため、問題はない。
【００２６】
図４は前記アイドル制御装置２におけるモードの状態遷移図である。通常発電モードＭ０１での運転中に、上述したステップＳ０２、Ｓ０４で示したアイドル停止可能な運転条件を満たした場合には、矢印Ｐのようにアイドル停止モードＭ０２に移行する。そして、キャパシタ４の残有量が一定値よりも低下した場合には矢印ＲのようにアイドルチャージモードＭ０３に移行して、上述のようにキャパシタ４の充電を行う。そして、キャパシタ４の残有量が一定値よりも増加した場合には、矢印Ｔのようにアイドル停止モードＭ０２に移行する。また、アイドル停止モードＭ０２やアイドルチャージモードＭ０３において、アクセルペダルＡｐ開度等により加速意志を検知した場合には、矢印Ｑ，Ｓのように通常発電モーＭ０１ドに移行する。
【００２７】
以上のように、本発明における燃料電池車両のアイドル制御装置を、上述した実施の形態において説明したが、本発明はこの内容に限定されない。例えば、蓄電装置としてキャパシタではなくバッテリを用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アイドル状態と判断された時に前記燃料電池の発電を停止することで燃費を向上させることができるとともに、スムースに燃料電池を再起動させることができる。また、前記燃料電池を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で発電させるため、燃費をさらに向上させることが可能となる。さらに、この発電中はコンプレッサの音を低音域に維持できるため、快適性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池車両のアイドル制御装置を示す概略構成図である。
【図２】図１のアイドル制御装置のアイドル停止およびアイドルチャージ制御を示す工程図である。
【図３】発電電流と総合効率との関係を示すグラフである。
【図４】図１のアイドル制御装置におけるモードの状態遷移図である。
【符号の説明】
１　燃料電池車両
２　アイドル制御装置
３　燃料電池
４　キャパシタ
５　駆動用モータ
６　電流制限装置
７　制御装置
８　エアコンプレッサ

Claims (1)

1. 空気供給コンプレッサと水素供給手段により反応ガスを供給されて発電を行う燃料電池と、
   燃料電池の発電電流で駆動される走行モータと、
   燃料電池の発電電流で充電される蓄電手段とを備える燃料電池車両に適用され、
   該車両の状態が所定のアイドル状態と判断された時に、コンプレッサを停止して燃料電池の発電を停止するアイドル停止手段を備えた燃料電池車両のアイドル制御装置において、
   アイドル停止中に蓄電手段の残容量が所定値以下に低下した時には、蓄電手段の電力によりコンプレッサを駆動して燃料電池を再起動するアイドル復帰手段と、
   アイドル復帰手段により再起動した燃料電池を通常時の運転領域よりも発電効率の良い運転領域で発電させて、蓄電手段を充電させるアイドル充電手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池車両のアイドル制御装置。

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