JP5246074B2

JP5246074B2 - 燃料電池車

Info

Publication number: JP5246074B2
Application number: JP2009161223A
Authority: JP
Inventors: 元彦谷山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-07-07
Also published as: JP2011019314A

Description

本発明は、燃料電池からの電力を用いて駆動モータを駆動して走行する燃料電池車に関する。

燃料電池がエネルギー源として注目されており、燃料電池を搭載した燃料電池車も各種提案されている。この燃料電池は、燃料ガス（通常水素ガス）と酸化性ガス（通常空気）を燃料電池セルに供給し、燃料電池セル内部で反応させて電力を得る。ここで、各セルには、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を貼り合わせて一体化した膜／電極接合体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と呼ばれる部材が設けられている。そして、このＭＥＡにおいては、適度な湿度に維持されることが必要である。

一方、燃料電池の出力は、車両の駆動トルクなどに応じて変動する。従って、燃料電池の運転状態は、車両の走行状態に応じて大きく変動する。上述したように、酸化性ガスとしては通常空気が利用され、例えばエアコンプレッサによって各燃料電池セルに供給される。

特開２００７−１５７５８６号公報特開２００４−１９２８２６号公報特開２００７−１２３１６９号公報特開２００２−２０３５８３号公報特開２００８−１０３１７３号公報

ここで、エアコンプレッサによる燃料電池への供給量が大きすぎると、ＭＥＡが乾燥して劣化するため、これを防止したいという要求がある。

本発明は、燃料電池からの電力を用いて駆動モータを駆動して走行する燃料電池車において、燃料電池に酸素含有ガスを供給する送風ポンプと、この送風ポンプを駆動する送風ポンプ用モータと、前記送風ポンプ用モータへの電力供給を制御する送風ポンプ用インバータと、前記駆動モータへの電力供給を制御する駆動モータ用インバータと、前記送風ポンプ用インバータおよび駆動モータ用インバータを制御する制御部と、前記燃料電池からの電力によって充電されるバッテリと、を含み、前記制御部は、前記送風ポンプの送風量を低下させるときに、前記バッテリの状態からバッテリの充電可能電力を算出すると共に、その時点で前記駆動モータのエンジンブレーキ相当の回生制動により発生する電力を前記バッテリの充電可能電力から減算するが、ブレーキ踏み込み時の機械ブレーキをアシストするブレーキ協調回生により発生する電力は減算せずにバッテリの充電可能電力を算出し、得られた充電可能電力の範囲内で、前記送風ポンプ用インバータを制御して、前記送風ポンプ用モータを回生制動し、前記駆動モータおよび送風ポンプ用モータの回生制動により得られた電力によりバッテリを充電することを特徴とする。

また、前記送風ポンプの送風量を低下させる場合に、制御部が送風ポンプ用モータのトルク指令として負のトルク指令を発生し、この負のトルク指令に応じて送風ポンプ用インバータを制御することが好適である。

また、前記制御部は、前記駆動モータ用インバータにおける電力損失分を加算して前記バッテリの充電可能電力を算出することが好適である。

このように、本発明によれば、燃料電池への送風ポンプの送風量を低下させる場合に、送風ポンプ用インバータを制御して、送風ポンプ用モータを回生制動する。これによって、送風ポンプの送風量を早期に減少することが可能となり、不要な送風による燃料電池への悪影響を防止することができる。特に、駆動モータの回生制動を優先するため、燃料電池車のドライバビリティへの悪影響の発生を抑制することができる。

燃料電池システムの全体構成を示す図である。従来の送風制御の状況を示す図である。エアコンプレッサの回生による送風制御の状況を示す図である。バッテリ充電可能パワーによる制限の状態を示す図である。コンバータ通過可能パワーによる制限の状態を示す図である。エアコンプレッサ回生可能パワーによる制限の状態を示す図である。エアコンプレッサ回生可能パワー算出の例を示す図である。エアコンプレッサ回生可能パワー算出の他の例を示す図である。エアコンプレッサ回生可能パワー算出の処理のフローチャートの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１に本実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１００は、燃料電池車などに適用される。

この燃料電池システムは、燃料電池（ＦＣ）１０を有している。この燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを直列に積層して成るスタック構造を有する。この例において、各セルは固体高分子電解質型燃料電池であり、ＭＥＡを含んでいる。

燃料電池１０への空気（エア）供給系は、送風ポンプとしてのエアコンプレッサ１２が設けられ、このエアコンプレッサ１２からのエアがインタークーラ１４、加湿器１６を介し燃料電池１０のカソード（酸素極）側に供給される。ここで、インタークーラ１４は、冷却水によってエアを冷却し、加湿器１６は、燃料電池１０の空気系の排ガスを除湿して供給エアを加湿している。また、燃料電池１０のアノード（燃料極）側には、水素ガス供給源１８からの水素ガスが供給される。なお、水素ガス側の燃料電池１０からの排出ガスの多くは再度燃料電池１０に循環され、一部が排ガスとして排出される。

燃料電池１０の出力（直流電力出力）には、エアコンプレッサ用のインバータ２０が接続されており、このインバータ２０の出力がエアコンプレッサ用モータ２２に供給されている。従って、この例において、エアコンプレッサ１２は、燃料電池１０の出力により駆動される。

また、燃料電池１０の出力には、コンバータ２４を介しバッテリ２６が接続されている。バッテリ２６は、ニッケル水素やリチウムイオン等の充放電可能な二次電池であり、車載各種機器に電力を供給する。また、コンバータ２４は、燃料電池１０の出力をバッテリ２６の電圧に変換する電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）として機能し、従ってこのコンバータ２４により、燃料電池１０の出力の直流電圧が制御される。すなわち、燃料電池１０の出力電流は、エアコンプレッサ１２からのエアの供給量（送風量）によって制御し、出力電圧をコンバータ２４によって制御することで燃料電池１０の運転状態が制御される。なお、バッテリ２６の出力をインバータ２０に供給し、これによってエアコンプレッサ用モータ２２を駆動してもよい。

燃料電池１０の出力には、インバータ２８を介し駆動モータ３０が接続されている。この駆動モータ３０は車両駆動用のものであり、駆動モータ３０の出力によって車輪が回転され、車両が走行される。

制御部３２は、アクセル踏み込み量、ブレーキ踏み込み量、車速などの各種情報から、駆動モータ３０の出力トルク、エアコンプレッサ用モータ２２の出力トルク、バッテリ２６の充放電量の目標値などを決定し、インバータ２８，２０、コンバータ２４の駆動を制御する。なお、このような制御のために、制御部３２には、駆動モータ３０、エアコンプレッサ用モータ２２の回転情報や、バッテリ２６の充電状態（ＳＯＣ）などの情報も供給されている。

制御部３２は、駆動モータ３０の出力トルク、エアコンプレッサ用モータ２２の出力トルクなどから、燃料電池１０の出力電流、出力電圧を決定し、インバータ２８，２０およびコンバータ２４を制御する。ここで、駆動モータ３０におけるエンジンブレーキ相当の負のトルクは、インバータ２８の制御による回生制動で行い、発電電力は、コンバータ２４を介し、バッテリ２６に充電される。また、ブレーキが踏み込まれた場合には、駆動モータ３０を回生制動し、所定のブレーキアシストを行う。また、上述のように、コンバータ２４を制御して、燃料電池１０の出力電圧を制御する。

そして、本実施形態においては、エアコンプレッサ１２の回転数（送風量）を減少する際に、制御部３２はエアコンプレッサ用モータ２２の出力トルク指令を負のトルク指令として、インバータ２０の駆動を制御する。これによって、エアコンプレッサ用モータ２２は、回生制動され、早期に回転数を減少することができる。そして、この回生制動によって得られた電力は、コンバータ２４を介しバッテリ２６に充電される。通常の場合、エアコンプレッサ１２の送風量を下げる場合には、エアコンプレッサ用モータ２２の出力トルクを０に制御していた。しかし、このような制御では、実際に送風量が減少するまでに時間が掛かり、これに起因して燃料電池１０のセル内のＭＥＡが乾燥してしまうという問題があった。

本実施形態では、制御部３２において、回生制動によってエアコンプレッサ用モータ２２を制動するため、ＭＥＡの乾燥を効果的に防止できる。特に、制御部３２は、エアコンプレッサ用モータ２２の目標出力トルクを負のトルクとしてインバータ２０を制御するという手法を用いるので、新たな装置を必要とすることなく、この制御を達成することができる。そして、得られた電力は、バッテリ２６に回収できるため、消費電力を低減することが可能となる。なお、エアコンプレッサ用モータ２２の回生制動について、単にエアコンプレッサの回生制動ともいう。

ここで、バッテリ２６は、そのＳＯＣが高い場合には、それ以上充電できない。例えば、ＳＯＣが９０％を超えている場合には、バッテリ２６をそれ以上充電しない方がよい。バッテリ２６の充電可能容量は、温度によって異なる。そこで、制御部３２は、バッテリ２６のＳＯＣ、温度を監視しておき、ＳＯＣ、温度によって決定される（通常マップを有している）充電可能容量が所定の以下の場合には、エアコンプレッサ用モータ２２の回生制動制御を禁止する。

さらに、車両の走行性能（ドライバビリティ）を考えると、エンジンブレーキ相当の回生制動は、必要な制御である。そこで、バッテリ２６の上限ＳＯＣを、これを考慮した値（例えば、８０％程度）に設定し、駆動モータ３０の回生制動を優先させることも好適である。さらに、駆動モータ３０の回生制動を行っているときには、エアコンプレッサ用モータ２２の回生制動を禁止することも好適である。

さらに、コンバータ２４には、通過電力に上限がある。すなわち、コンバータ２４の温度が所定値以上の高温となった場合には、パワートランジスタの破損を防止するために、通過電力を制限して、温度上昇を抑える必要がある。そこで、コンバータ２４の通過電力が制限値を超える可能性がある場合には、制御部３２がエアコンプレッサ用モータ２２の回生制動を禁止することが好適である。

図２には、従来のエアコンプレッサ用モータ２２の回転数、指令トルク、エアコンプレッサ１２の送風空気量、バッテリ２６の出力パワーの状態を示してある。すなわち、ある時点で燃料電池１０への送風停止となったとする。この場合、エアコンプレッサ用モータ２２への指令トルクは、その時点で０になる。従って、バッテリ２６の出力も０になる。一方、エアコンプレッサ用モータ２２の回転数は徐々に低下するだけであり、エア量も同様に徐々に減少する。

図３には、本実施形態によりエアコンプレッサ用モータ２２について回生制動を行った場合を示してある。この場合、エアコンプレッサ１２を停止する際に、エアコンプレッサ用モータ２２への指令トルクが負になる。これによって、エアコンプレッサ用モータ２２による発電電力がインバータ２０を介し、バッテリ２６に供給され、バッテリ２６は充電されるため、バッテリ２６の出力パワーは負となる。そして、エアコンプレッサ用モータ２２の回転数およびエアコンプレッサ１２の送風量は早期に０に落ちる。

図４には、バッテリ充電可能パワーが限定されている場合を示す。この場合、バッテリパワーは、図３の場合に比べ、０に近い値に抑えられる。すなわち、充電量が減少される。このために、指令トルクは、バッテリ充電可能パワーから算出された下限トルクに抑えられ、送風量が０になる時点が図３の場合に比べ若干遅くなる。

図５には、コンバータ２４の通過電力が制限された場合を示してある。この場合、コンバータ２４の制限電力によって、バッテリ２６の充電量が制限電力に対応する比較的小さな値に制限される。従って、エアコンプレッサ用モータ２２への指令トルクも負の大きさが制限され、図３に比べ送風量の減少も遅れる。

さらに、図４に示したバッテリ充電可能パワーと、図５のコンバータ２４の制限電力のいずれか低い方を採用し、エアコンプレッサ１２の回生制動を制御することが好適である。

ここで、上述の例では、エアコンプレッサ１２を運転停止する場合について記載したが、必ずしも運転停止に限らず送風量を減少する場合に回生制動を行ってもよい。

また、エアコンプレッサ１２の運転を停止するときは、基本的に発電されたパワーはバッテリ２６の充電に利用される。さらに、エアコンプレッサ１２の運転を停止するような状況では、駆動モータ３０の出力トルクも負であり、回生制動が行われている場合が多い。また、バッテリ２６に充電される量は、インバータ２０，２８における損失も考慮されるべきである。

そこで、図６に示すようにして、エアコンプレッサ用モータ２２における回生可能パワー（エアコンプレッサ回生可能パワー）を計算し、これをバッテリ充電可能パワーに代えて充電パワーの上限値として採用することが好適である。そして、得られた計算結果を基にエアコンプレッサ用モータ２２へのトルク指令の負の大きさを制限する。

図７に示すように、バッテリ２６の容量、その時点におけるＳＯＣ、温度などに基づいて、その時点におけるバッテリ充電可能パワー（電力）を計算する（Ｓ１１）。また、走行中にアクセルの踏み込み量が減少した状態では、そのときの走行状態に応じてエンジンブレーキ相当の減速が必要である。そこで、このエンジンブレーキ相当の駆動モータ回生パワーを演算する（Ｓ１２）。さらに、ブレーキが踏み込まれた状態では、機械ブレーキによる減速が行われるが、この際に駆動モータの回生制動も協調して行う。そこで、このブレーキ協調回生パワーを算出する（Ｓ１３）。また、駆動モータ３０の回生制動（Ｓ１２，Ｓ１３）の場合には、インバータ２８における損失がある。また、エアコンプレッサ回生可能パワーの回生において、インバータ２０における損失がある。すなわち、インバータ２０，２８は、複数のパワートランジスタのスイッチングによって、モータ電流を制御しており、ここにおいてエネルギー損失がある。そこで、これらインバータ２０，２８におけるエネルギー損失を演算する（Ｓ１４）。

そして、Ｓ１２，Ｓ１３において算出された回生パワーをＳ１１で算出されたバッテリ充電可能パワーから減算するとともに、Ｓ１４で算出されたインバータ損失を加算してエアコンプレッサ回生可能パワーを演算する（Ｓ１５）。

このようにして、エアコンプレッサ回生パワーについて、駆動モータ３０のエンジンブレーキ相当の回生制動およびブレーキ協調回生制動の両方を優先して行うことができる。そこで、エアコンプレッサ１２（正確にはエアコンプレッサ用モータ２２）の回生制動を行うことで、駆動モータ３０の回生制動への影響はなくなる。従って、車両の走行性能についての影響を排除して、エアコンプレッサ用モータ２２の回生制動を行うことが可能となり、車両のドライバビリティを確保することができる。

なお、このようにして、エアコンプレッサ回生可能パワーが算出された場合には、これを上限として、エアコンプレッサの回生を制御する。すなわち、得られたエアコンプレッサ回生可能パワーを図４におけるバッテリ充電可能パワーに代えて採用する。なお、上述の場合と同様に、図５におけるコンバータ通過可能パワーを併せて考慮し、より低いパワーを制限値として採用するとよい。

一方、燃料電池１０におけるＭＥＡの乾燥が進んでいる場合などは、ドライバビリティを若干犠牲にしても、送風量を早期に減少したいという要求もある。

図８には、この場合の処理が示されている。この例では、バッテリ２６の状態に応じて、その時点におけるバッテリ充電可能パワー（電力）を計算する（Ｓ１１）。また、このエンジンブレーキ相当の駆動モータ回生パワーを演算する（Ｓ１２）。さらに、インバータ２０，２８におけるエネルギー損失を演算する（Ｓ１４）。

そして、Ｓ１２において算出された回生パワーをＳ１１で算出されたバッテリ充電可能パワーから減算するとともに、Ｓ１４で算出されたインバータ損失を加算してエアコンプレッサ回生可能パワーを演算する（Ｓ１５）。すなわち、ブレーキ踏み込み時の減速は、機械ブレーキによるものがメインであり、ブレーキ協調回生制動を行わなくても、ドライバビリティへの影響は小さい。そこで、このブレーキ協調回生パワーについては、考慮せずに、エアコンプレッサ回生可能パワーを算出する。

従って、エアコンプレッサ回生可能パワーについて、駆動モータ３０のエンジンブレーキ相当の回生制動を優先するが、ブレーキ協調回生制動に対してはエアコンプレッサ回生を優先させる。従って、ブレーキが踏み込まれている場合において、比較的早期に空気の供給を減少することができ、より効果的にＭＥＡの乾燥を防止することが可能となる。なお、エアコンプレッサの回生をブレーキ協調回生に優先させるのであり、演算されたエアコンプレッサ回生可能パワーに余裕がある場合、それに応じてブレーキ協調回生を行うことが好適である。

図９には、エアコンプレッサ回生可能パワーの算出についての処理フローチャートの一例が示されている。

まず、エアコンプレッサ回生が要求されているか否かを判断する。すなわち、燃料電池１０の出力が大きく減少または停止することによるエアコンプレッサ１２の送風量の大幅な減少があるか否かを判定する（Ｓ３１）。この判定でＮＯの場合には、エアコンプレッサ回生は行わないため、処理を終了する。

Ｓ３１の判定でＹＥＳの場合には、バッテリ充電可能パワーを算出する（Ｓ３２）。このバッテリ充電可能パワーの算出には、上述したバッテリの状態だけでなく、コンバータ２４の通過可能パワーを考慮し、いずれか低い方のパワーを採用してもよい。次に、燃料電池１０のインピーダンスを測定する（Ｓ３３）。このインピーダンス測定は、公知の燃料電池のインピーダンス測定装置と同様の手法を利用することができ、交流を印加してその減衰から燃料電池１０のインピーダンスを測定する。ＭＥＡの乾燥の程度は燃料電池１０のインピーダンスから推測することができ、本実施形態では、Ｓ３３において測定したインピーダンスが所定値以下であるかによってＭＥＡの乾燥の程度が所定値以下かを判定する。

Ｓ３４の判定によって、インピーダンスが所定値以下（乾燥の程度が所定値以下）と判定された場合には、ブレーキ協調回生パワーを優先しこれを減算してエアコンプレッサ回生可能パワーを算出する（Ｓ３５）。一方、Ｓ３４の判定で、インピーダンスが所定値を超える（乾燥の程度が所定値以上）と判定された場合には、ブレーキ協調回生パワーを無視して、これを減算せずにエアコンプレッサ回生可能パワーを算出する（Ｓ３６）。そして、エアコンプレッサ回生可能パワーが算出された場合には、これを上限として、エアコンプレッサの回生を制御する。これによって、ＭＥＡの乾燥状態を考慮して、エアコンプレッサ回生可能パワーの算出を行うことができる。

１０燃料電池、１２エアコンプレッサ、１４インタークーラ、１６加湿器、１８水素ガス供給源、２０，２８インバータ、２２エアコンプレッサ用モータ、２４コンバータ、２６バッテリ、３０駆動モータ、３２制御部、１００燃料電池システム。

Claims

燃料電池からの電力を用いて駆動モータを駆動して走行する燃料電池車において、
燃料電池に酸素含有ガスを供給する送風ポンプと、
この送風ポンプを駆動する送風ポンプ用モータと、
前記送風ポンプ用モータへの電力供給を制御する送風ポンプ用インバータと、
前記駆動モータへの電力供給を制御する駆動モータ用インバータと、
前記送風ポンプ用インバータおよび駆動モータ用インバータを制御する制御部と、
前記燃料電池からの電力によって充電されるバッテリと、
を含み、
前記制御部は、前記送風ポンプの送風量を低下させるときに、前記バッテリの状態からバッテリの充電可能電力を算出すると共に、その時点で前記駆動モータのエンジンブレーキ相当の回生制動により発生する電力を前記バッテリの充電可能電力から減算するが、ブレーキ踏み込み時の機械ブレーキをアシストするブレーキ協調回生により発生する電力は減算せずにバッテリの充電可能電力を算出し、得られた充電可能電力の範囲内で、前記送風ポンプ用インバータを制御して、前記送風ポンプ用モータを回生制動し、前記駆動モータおよび送風ポンプ用モータの回生制動により得られた電力によりバッテリを充電することを特徴とする燃料電池車。
請求項１に記載の燃料電池車において、
前記送風ポンプの送風量を低下させる場合に、制御部が送風ポンプ用モータのトルク指令として負のトルク指令を発生し、この負のトルク指令に応じて送風ポンプ用インバータを制御することを特徴とする燃料電池車。
請求項１または２に記載の燃料電池車において、
前記制御部は、前記駆動モータ用インバータにおける電力損失分を加算して前記バッテリの充電可能電力を算出することを特徴とする燃料電池車。