JP7452242B2 - 燃料電池車 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、走行用の電気モータに電力を供給するバッテリと燃料電池を備えている燃料電池車に関する。

特許文献１、２にバッテリと燃料電池を備えた燃料電池車が開示されている。それらの文献に開示されている燃料電池車は、燃料電池が起動する前からバッテリの電力だけで走行することができる。

特開２００８－３０１５４２号公報 特開２００８－３１２４１８号公報

バッテリの最大出力は燃料電池の最大出力よりも小さい。バッテリの電力だけで走行しているときには電気モータの出力トルクが制限される。燃料電池が起動すると、電気モータの出力トルクの上限が増加する。運転者がアクセルを踏んでいる間に燃料電池が起動して電気モータの出力トルクが急に大きくなると、運転者に違和感を与えるおそれがある。

本明細書が開示する燃料電池車のコントローラは、燃料電池の起動開始から所定時間の間の電気モータの出力トルクの最大増加レートを第１上限レートに設定し、所定時間経過後の最大増加レートを第１上限レートよりも大きい第２上限レートに設定する。燃料電池起動開始から所定時間の間の最大増加レートを通常時の上限レート（第２上限レート）よりも低く抑えることで、出力トルクの急激な増大が抑えられ、運転者に与える違和感を抑えることができる。

第１上限レートは、次のように設定するとよい。電気モータの出力トルクが第１上限レートで第１最大出力トルクから第２最大出力トルクに達するまでの時間が、燃料電池の起動時間よりも長い。第１最大出力トルクは、バッテリのみで走行しているときの最大出力トルクであり、第２最大出力トルクは、燃料電池起動後の最大出力トルクである。起動時間が経過すれば電気モータは第２最大出力トルクを出力可能となる、しかし、起動時間で電気モータの出力トルクを急激に増加させると運転者に与える違和感が大きい。それゆえ、上記の通りに第１上限レートを設定することで、運転者に与える違和感を抑えることができる。

燃料電池の起動中であっても、運転者がアクセルを強く踏み込んだときには、出力トルクの増加レートが大きくても与える違和感は小さい。別言すれば、アクセル開度の変化が大きい場合、出力トルクの変化が大きくても運転者に与える違和感は小さい。そこで、コントローラは、次の制御則を採用してもよい。コントローラは、燃料電池の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を超えている場合には所定時間の間の最大増加レートを第１上限レートに設定する。コントローラは、燃料電池の起動直前のアクセル開度が第１開度を下回っている場合には所定時間の間の出力トルクの最大増加レートを第３上限レートに設定する。第３上限レートは、第１上限レートよりも大きく第２上限レート以下である。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池車のブロック図である。 （Ａ）は電気モータの最大出力トルクのグラフであり、（Ｂ）は出力トルクの最大増加レートのグラフである。

図１に、実施例の燃料電池車２のブロック図を示す。燃料電池車２は、燃料電池３とメインバッテリ４から電力を得て、電気モータ６で走行する。燃料電池３とメインバッテリ４は並列に接続されている。燃料電池３とメインバッテリ４の出力は電力変換器５で交流電力に変換され、走行用の電気モータ６に供給される。なお、燃料電池３と電力変換器５の間（あるいは燃料電池３とメインバッテリ４の間）には昇圧コンバータが接続されていてもよい。メインバッテリ４と電力変換器５の間には、双方向電圧コンバータが接続されていてもよい。図１の点線は信号線を表している。

メインバッテリ４には降圧コンバータ７の入力端が接続されており、降圧コンバータ７の出力端にはサブバッテリ８が接続されている。メインバッテリ４の出力電圧は１００ボルトを超え、サブバッテリ８の出力電圧は５０ボルトを下回る。降圧コンバータ７は、メインバッテリ４あるいは燃料電池３の出力電力を降圧してサブバッテリ８を充電する。

サブバッテリ８の電力は、５０ボルト未満の電圧で動作するデバイスに供給される。サブバッテリ８の電力で動くデバイスには、ラジオ２０や各種のコントローラ（コンピュータ）などの小電力機器がある。燃料電池３に付随する様々な補機もサブバッテリ８から電力の供給を受ける。

燃料電池３と電力変換器５は、コントローラ１０によって制御される。コントローラ１０には、燃料電池車２のメインスイッチ１１、アクセルペダルセンサ１２、車速センサ１３などのセンサが接続されている。アクセルペダルセンサ１２は、アクセルペダルの開度（アクセル開度）を計測する。コントローラ１０は、メインスイッチ１１が入れられると、燃料電池３を起動する。また、コントローラ１０は、アクセルペダルまたはブレーキペダル（不図示）の開度、車速などの情報に基づいて、電気モータ６の出力トルクを決定する。コントローラ１０は、決定した出力トルクに応じて燃料電池３と電力変換器５を制御する。

燃料電池３は、起動に所定の時間を要する。燃料電池３は起動に時間を要するが、燃料電池車２は、メインスイッチ１１が入れられた直後からメインバッテリ４の電力で走り始めることができる。ただし、メインバッテリ４の最大出力は燃料電池３の最大出力よりも小さい。それゆえ、燃料電池３が起動するまでは、電気モータ６の最大出力トルクは小さい。燃料電池３が起動すると、電気モータ６の最大出力トルクは急激に大きくなる。運転者が一定の力でアクセルを踏んでいる間に燃料電池３が起動して電気モータ６の出力トルクが急に大きくなると、運転者に違和感を与えるおそれがある。燃料電池車２は、燃料電池３が起動する間、電気モータ６の出力トルクの増加レートを抑制し、運転者に与える違和感を抑えることができる。

なお、コントローラ１０は、アクセル開度に応じて出力トルクの増加レートを決定する。アクセル開度が大きいほど、増加レートは大きくなる。コントローラ１０には増加レートの上限値（最大増加レート）が設定されており、コントローラ１０は、出力トルクの増加レートを最大増加レート以下に抑える。

図２に、電気モータ６の最大出力トルクのグラフ（Ａ）と、出力トルクの最大増加レートのグラフ（Ｂ）を示す。図２（Ａ）の縦軸は電気モータ６の出力トルクを表しており、横軸は時間を表している。図２（Ｂ）の縦軸は増加レートを示しており、横軸は時間を示している。図２の記号「ＦＣ」は燃料電池を意味する。

時刻Ｔ０にメインスイッチ１１が入れられる。メインスイッチ１１が入れられてからしばらくは燃料電池３の起動準備に時間を要する。図２において、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１までの時間（起動準備期間Ｐｒ）が起動の準備に要する時間である。燃料電池３が起動を開始するまでの間、燃料電池車２はメインバッテリ４の電力で走行することができる。メインバッテリ４のみで走行する場合の電気モータ６の最大出力トルクは第１最大出力トルクＴｍ１である。なお、燃料電池３が起動した後の最大出力トルクは第２最大出力トルクＴｍ２である。中・高車速域では電気モータ６の最大出力トルクは車速に依存する。図２のグラフは、最大出力トルクが車速に依存しない低車速域における最大出力トルクの変化を示している。

時刻Ｔ１に燃料電池３の起動がスタートする。時刻Ｔ１から燃料電池３に燃料ガスと酸化ガスが供給され始め、燃料電池３から電力が出力され始める。燃料電池３から電力が出力され始めると、電気モータ６の最大出力トルクも増加する。時刻Ｔ２に燃料電池３の起動が完了する。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間が、燃料電池３の起動時間Ｐｓである。

燃料電池車２は、メインバッテリ４の電力を使って時刻Ｔ０から直ちに走行を開始することができる。メインバッテリ４の電力だけで走行する場合の電気モータ６の最大出力トルク（第１最大出力トルクＴｍ１）は、燃料電池３の電力で走行する場合の最大出力トルク（第２最大出力トルクＴｍ２）よりも小さい。時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間に、電気モータ６の最大出力トルクは第１最大出力トルクＴｍ１から第２最大出力トルクＴｍ２に増大する。ただし、コントローラ１０は、燃料電池３が起動を開始してからしばらくの間は、電気モータ６の出力トルクの増加レートを制限する。

図２（Ｂ）に示すように、コントローラ１０は、燃料電池３の起動開始（時刻Ｔ１）から所定時間Ｐ１の間の電気モータ６の出力トルクの最大増加レートを第１上限レートｄＴｍ１に設定する。なお、コントローラ１０は、メインバッテリ４の電力のみで走行中の最大増加レートも第１上限レートｄＴｍ１に設定する。コントローラ１０は、所定時間Ｐ１が経過した後、最大増加レートを第１上限レートｄＴｍ１から第２上限レートｄＴｍ２に変更する。第２上限レートｄＴｍ２は第１上限レートｄＴｍ１よりも大きい。

先に述べたように、燃料電池３は、時刻Ｔ１に起動を開始し、時刻Ｔ２に起動が完了する。出力トルクに上限を設けない場合、電気モータ６の出力トルクは最大で第２上限レートｄＴｍ２で増加し得る（図２（Ａ）のグラフＧ２参照）。燃料電池３が起動開始するとき（時刻Ｔ１）に運転者がアクセルペダルを強く踏み込んでいる場合、時刻Ｔ１から電気モータ６の出力トルクが急激に増加し始める。アクセルペダルの開度が一定であるにも関わらずに出力トルクが急増すると運転者に違和感を与える。コントローラ１０は、燃料電池３が起動を開始してから所定時間Ｐ１の間、電気モータ６の出力トルクの増加レートを第１上限レートｄＴｍ１以下に制限する。それゆえ、電気モータ６の出力トルクは最大でも図２（Ａ）のグラフＧ１に沿って増加する。実施例の燃料電池車２は、燃料電池３の起動時に運転者に与える違和感を抑えることができる。

図２（Ａ）では、燃料電池３の起動によって制限される増加レートを第２上限レートｄＴｍ２で表してある。第２上限レートｄＴｍ２は、燃料電池３が起動した後の最大増加レートであるので、必ずしも図２（Ａ）のグラフＧ２に一致していなくともよい。ただし、第２上限レートｄＴｍ２は、第１上限レートｄＴｍ１よりは大きい。

第１上限レートｄＴｍ１は、電気モータ６のトルクが第１上限レートｄＴｍ１で第１最大トルクＴｍ１から第２最大トルクＴｍ２に達するまでの時間（図２（Ａ）における時間Ｐ１）が、燃料電池３の起動時間Ｐｓよりも長くなるように設定される。燃料電池３は、起動時間Ｐｓで最大出力トルクを第１最大出力トルクから第２最大出力トルクまで高める能力があるが、電気モータ６の出力トルクの最大増加レートを第１上限レートｄＴｍ１（＜第２上限レートｄＴｍ２）に設定することで、運転者に与える違和感を抑えることができる。

所定時間Ｐ１は、電気モータ６のトルクが第１上限レートｄＴｍ１で第１最大トルクＴｍ１から第２最大トルクＴｍ２に達するまでに要する時間に設定されている。燃料電池３の起動開始時（時刻Ｔ１）にアクセル開度が１００％の場合、所定時間Ｐ１で電気モータ６の最大出力トルクが第２最大出力トルクＴｍ２に達する。アクセル開度が１００％の場合であっても、第２最大出力トルクＴｍ２に達するまで、出力トルクの増加レートが一定に保たれる。

コントローラ１０は、燃料電池３の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を下回っている場合には、所定時間Ｐ１の間の最大増加レートを、第３上限レートｄＴｍ３に設定する。図２（Ａ）、（Ｂ）において、一点鎖線のグラフＧ３が第３上限レートｄＴｍ３の場合を示す。図２に示すように、第３上限レートｄＴｍ３は、第１上限レートｄＴｍ１よりも大きく、第２上限レートｄＴｍ２以下である。燃料電池３の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を下回っている場合に上限レートを大きくする理由は以下の通りである。

燃料電池３の起動中であっても、運転者がアクセルを強く踏み込んだときには、増加レートが大きくても運転者に与える違和感は小さい。別言すれば、アクセル開度の変化が大きい場合、出力トルクの変化が大きくても運転者に与える違和感は小さい。それゆえ、コントローラは、燃料電池３の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を下回っている場合には所定時間の間の最大増加レートを第３上限レートｄＴｍ３に設定する。アクセル開度の変化が大きい場合に車の加速性を高めることができる。第１開度は、例えば６０［％］に設定される。

電気モータ６は電力変換器５が供給する電力で動作する。それゆえ、電気モータ６に供給する電力の増加レートを抑えることで、電気モータ６の出力トルクの増加レートを抑えることができる。電気モータ６に供給する電力の増加レートｄＰｍは、出力トルクの増加レート（例えば第１上限レートｄＴｍ１）を用いて次の（数１）で定めることができる。

（数１）で用いられる各記号の意味は次の通りである。
ｄｔ：電力変換器５の制御周期
Ｐｍ１：現在制御周期における電気モータ６への供給電力
Ｐｍ２：次の制御周期における電気モータ６への供給電力
Ｎｍ１：現在の電気モータ６の回転数
Ｎｍ２：次の制御周期における電気モータ６の予定回転数
ｄＮｍ：電気モータ６の回転数の増加レート
Ｔｍ１：電気モータ６の現在の出力トルク
Ｔｍ２：次の制御周期における電気モータ６の予定出力トルク
ｄＴｍ１：電気モータ６の出力トルクの増加レート（第１上限レート）

電気モータ６の出力トルクの最大増加レートを第１上限レートに設定することは、電気モータ６への供給電力の増加レートを（式１）で与えることと等価である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。コントローラ１０は、電気モータ６の出力トルクの増加レートを第１上限レート（あるいは第２上限レートあるいは第３上限レート）以下に制限する。別言すれば、コントローラ１０は、アクセル開度に応じて増加レートを変化させるが、最大増加レートを第１上限レート（あるいは第２上限レートあるいは第３上限レート）に設定する。アクセル開度が小さいときの増加レートは第１上限レート（あるいは第２上限レートあるいは第３上限レート）よりも小さくてよい。

コントローラ１０は、燃料電池３の起動開始から所定時間Ｐ１の間の電気モータ６の出力トルクの増加レートを第１上限レートｄＴｍ１以下に制限する。別言すれば、コントローラ１０は、燃料電池３の起動開始から所定時間Ｐ１の間の電気モータ６の出力トルクの最大増加レートを第１上限レートｄＴｍ１に設定する。コントローラ１０は、所定時間Ｐ１が経過した後の増加レートを第１上限レートｄＴｍ１よりも大きい第２上限レートｄＴｍ２以下に制限する。別言すれば、コントローラ１０は、所定時間Ｐ１が経過した後の出力トルクの最大増加レートを第１上限レートｄＴｍ１よりも大きい第２上限レートｄＴｍ２に設定する。

コントローラ１０の制御はさらに別言すれば以下の通りである。コントローラ１０は、燃料電池３の起動開始から所定時間Ｐ１の間、アクセル開度が１００［％］のときの電気モータ６の出力トルクの増加レートを第１上限レートｄＴｍ１に設定する。このとき、アクセル開度が１００［％］未満の場合、出力トルクの増加レートは第１上限レートｄＴｍ１以下となる。コントローラ１０は、所定時間Ｐ１が経過した後、アクセル開度が１００［％］のときの出力トルクの増加レートを第１上限レートｄＴｍ１よりも大きい第２上限レートｄＴｍ２に設定する。このとき、アクセル開度が１００［％］未満の場合、出力トルクの増加レートは第２上限レートｄＴｍ２以下となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：燃料電池車
３ ：燃料電池
４ ：メインバッテリ
５ ：電力変換器
６ ：電気モータ
７ ：降圧コンバータ
８ ：サブバッテリ
１０：コントローラ
１１：メインスイッチ
１２：アクセルペダルセンサ
１３：車速センサ
２０：ラジオ

Claims (6)

1. 走行用の電気モータに電力を供給するバッテリと燃料電池を備えている燃料電池車であり、
   前記電気モータを制御するコントローラは、
   前記燃料電池の起動開始から所定時間の間の前記電気モータの出力トルクの最大増加レートを第１上限レートに設定し、
   前記所定時間の経過後の前記最大増加レートを前記第１上限レートよりも大きい第２上限レートに設定し、
   前記電気モータの出力トルクが、前記第１上限レートで、前記バッテリのみで走行するときの最大出力トルクから前記燃料電池起動後の最大出力トルクに達するまでの時間が、前記燃料電池の起動時間よりも長くなるように前記第１上限レートが設定されている、
   燃料電池車。
2. 前記所定時間は、前記電気モータの出力トルクが、前記第１上限レートで、前記バッテリのみで走行するときの最大出力トルクから前記燃料電池起動後の最大出力トルクに達するまでの時間に設定されている、請求項１に記載の燃料電池車。
3. 前記コントローラは、
   前記燃料電池の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を超えている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを前記第１上限レートに設定し、
   前記燃料電池の起動直前の前記アクセル開度が前記第１開度を下回っている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを、前記第１上限レートよりも大きく前記第２上限レート以下の第３上限レートに設定する、請求項１または２に記載の燃料電池車。
4. 走行用の電気モータに電力を供給するバッテリと燃料電池を備えている燃料電池車であり、
   前記電気モータを制御するコントローラは、
   前記燃料電池の起動開始から所定時間の間の前記電気モータの出力トルクの最大増加レートを第１上限レートに設定し、
   前記所定時間の経過後の前記最大増加レートを前記第１上限レートよりも大きい第２上限レートに設定し、
   前記所定時間は、前記電気モータの出力トルクが、前記第１上限レートで、前記バッテリのみで走行するときの最大出力トルクから前記燃料電池起動後の最大出力トルクに達するまでの時間に設定されている、
   燃料電池車。
5. 前記コントローラは、
   前記燃料電池の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を超えている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを前記第１上限レートに設定し、
   前記燃料電池の起動直前の前記アクセル開度が前記第１開度を下回っている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを、前記第１上限レートよりも大きく前記第２上限レート以下の第３上限レートに設定する、請求項４に記載の燃料電池車。
6. 走行用の電気モータに電力を供給するバッテリと燃料電池を備えている燃料電池車であり、
   前記電気モータを制御するコントローラは、
   前記燃料電池の起動開始から所定時間の間の前記電気モータの出力トルクの最大増加レートを第１上限レートに設定し、
   前記所定時間の経過後の前記最大増加レートを前記第１上限レートよりも大きい第２上限レートに設定し、
   前記燃料電池の起動直前のアクセル開度が所定の第１開度を超えている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを前記第１上限レートに設定し、
   前記燃料電池の起動直前の前記アクセル開度が前記第１開度を下回っている場合には前記所定時間の間の前記最大増加レートを、前記第１上限レートよりも大きく前記第２上限レート以下の第３上限レートに設定する、
   燃料電池車。

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