(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池が要求される発電電力を満たせない場合であっても、適切にヒーター電力を制限して、ドライバーが望むモーター駆動力を得ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池５２と、燃料電池の冷却水を加熱するヒーター９２と、を含む燃料電池システムにおいて、走行モーターが必要とするモーター要求電力に基づく目標値(目標ＮＥＴ電力)を設定する目標ＮＥＴ電力設定部１０と、燃料電池の出力電力(実Ｇｒｏｓｓ電力)を検出する実Ｇｒｏｓｓ電力検出部７０と、燃料電池の温度に基づいてヒーター９２が必要とするヒーター要求電力の目標値を設定する目標ヒーター要求電力設定部２０と、目標ＮＥＴ電力及び実Ｇｒｏｓｓ電力に基づいてヒーター要求電力制限値を設定するとともに、ヒーター要求電力を制限して、ヒーターに供給するヒーター供給電力の目標値を設定する目標ヒーター電力供給設定部８０と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料電池の冷却水を加熱するヒーターと、を含む燃料電池システムにおいて、
走行モーターが必要とするモーター要求電力に基づく目標値(以下「目標ＮＥＴ電力」)を設定する目標ＮＥＴ電力設定部と、
燃料電池の出力電力(以下「実Ｇｒｏｓｓ電力」)を検出する実Ｇｒｏｓｓ電力検出部と、
燃料電池の温度に基づいて前記ヒーターが必要とするヒーター要求電力の目標値を設定する目標ヒーター要求電力設定部と、
前記目標ＮＥＴ電力及び前記実Ｇｒｏｓｓ電力に基づいてヒーター要求電力制限値を設定するとともに、前記ヒーター要求電力を制限して、ヒーターに供給するヒーター供給電力の目標値を設定する目標ヒーター電力供給設定部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記目標ＮＥＴ電力に対して、前記ヒーター要求電力の目標値、及び、燃料電池の発電に必要な動作を実行する補機が消費する電力の実際値を加算して、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値を設定する目標Ｇｒｏｓｓ電力設定部をさらに含み、
前記燃料電池は、前記Ｇｒｏｓｓ電力の目標値が実現されるように、運転される、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記目標ヒーター電力供給設定部は、バッテリーが放電できる電力が大きいほど、ヒーター要求電力制限値を大きくする、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記目標ヒーター電力供給設定部は、前記実Ｇｒｏｓｓ電力から、前記目標ＮＥＴ電力、及び、燃料電池の発電に必要な動作を実行する補機が消費する電力の実際値を減算してヒーター要求電力制限値を設定する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
少なくともバッテリーＳＯＣに基づいて、バッテリーの充放電電力の目標値を設定する目標バッテリー電力設定部をさらに含み、
前記目標ＮＥＴ電力設定部は、モーター要求電力の目標値に、バッテリーの充放電電力の目標値を加算して、目標ＮＥＴ電力を設定する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、温度が低いと発電効率が低下し、モーターのような外部負荷が燃料電池から大電流を取り出そうとしても電力を不足する可能性がある。そこで、こうした状況から早期に燃料電池を暖機するために、燃料電池の冷却水をヒーターを用いて加熱するシステムが知られている。
【０００３】
このようなシステムでは、ヒーターで加熱中に、ドライバーがアクセルペダルを大きく踏み込んだ場合は、ヒーターとモーターへ供給すべき電力に対し、燃料電池が実際に発電できる発電電力が不足する。特に、このような状況でヒーターへの電力を供給していることにより、モーターへの供給電力が、より不足してしまう。そのため、ドライバーが望むような操作性が得られないおそれがある。
【０００４】
そこで、特許文献１では、要求電力が、燃料電池の特性上の都合による供給可能な電力を越えるときには、ヒーターの電力を制限する。
【０００５】
具体的には、ヒーターへの電力制限を次のように行う。
【０００６】
燃料電池が供給可能な電力の推定値からモーター消費電力を差し引いた残りを、ヒーターに使える電力として、暖機要求に基づくヒーター電力を制限する。
【０００７】
こうすることで、燃料電池の発電電力が制限された状況でも、ヒーター電力を制限することでドライバーの要求に基づくモーター消費電力を最大限確保できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１１４３６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、暖機中等の燃料電池温度が低い状況では、燃料電池の実際の発電電力が、燃料電池が供給可能な電力の推定値に満たない場合がある。暖機中の実電力を推定することは困難である。
【００１０】
仮に、実際の燃料電池の発電電力が燃料電池が供給可能な電力の推定値を下回る場合には、ヒーターもモーターも燃料電池から必要な電力を取り出せず、ドライバーが要求するモーター駆動力が不足してしまうおそれがある。
【００１１】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、燃料電池が要求される発電電力を満たせない場合であっても、適切にヒーター電力を制限して、ドライバーが望むモーター駆動力を得ることができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【００１３】
本発明によるひとつの態様は、燃料電池と、燃料電池の冷却水を加熱するヒーターと、を含む燃料電池システムである。そして、走行モーターが必要とするモーター要求電力に基づく目標値(以下「目標ＮＥＴ電力」)を設定する目標ＮＥＴ電力設定部と、燃料電池の出力電力(以下「実Ｇｒｏｓｓ電力」)を検出する実Ｇｒｏｓｓ電力検出部と、燃料電池の温度に基づいて前記ヒーターが必要とするヒーター要求電力の目標値を設定する目標ヒーター要求電力設定部と、前記目標ＮＥＴ電力及び前記実Ｇｒｏｓｓ電力に基づいてヒーター要求電力制限値を設定するとともに、前記ヒーター要求電力を制限して、ヒーターに供給するヒーター供給電力の目標値を設定する目標ヒーター電力供給設定部と、を含む。
【発明の効果】
【００１４】
この態様によれば、ヒーターの電力よりも、ＮＥＴ電力が優先的に確保されることとなり、ドライバーが望むモーター駆動力を得ることができる。
【００１５】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す制御ブロック図である。
【図２】図２は、本実施形態が実施されたときの作用効果を説明するタイミングチャートである。
【図３】図３は、本実施形態を適用した車両の実験データを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態を示す制御ブロック図である。
【００１８】
燃料電池システム１は、目標ＮＥＴ電力設定部１０と、目標ヒーター要求電力設定部２０と、目標Ｇｒｏｓｓ電力設定部３０と、電力電流変換部４０と、燃料電池制御部５０と、補機制御部６０と、実Ｇｒｏｓｓ電力検出部７０と、目標ヒーター供給設定部８０と、ヒーター制御部９０と、を含む。
【００１９】
目標ＮＥＴ電力設定部１０は、燃料電池５２に対して要求する正味出力電力(以下「ＮＥＴ電力」)の目標値を設定する。このＮＥＴ電力には、少なくとも走行モーターが必要とする電力(以下「モーター要求電力」)が含まれる。目標ＮＥＴ電力設定部１０は、モーター要求電力演算部１１と、バッテリー要求電力演算部１２と、目標ＮＥＴ電力演算部１３と、を含む。
【００２０】
モーター要求電力演算部１１は、ドライバーがアクセルペダルを操作する量(踏込量)に基づいて走行モーターが必要する電力(モーター要求電力)の目標値を演算する。モーター要求電力の目標値は、アクセルペダル踏込量が大きいほど、大きく設定される。
【００２１】
バッテリー要求電力演算部１２は、少なくともバッテリー充電率ＳＯＣに基づいて、バッテリーの充放電電力の目標値を設定する目標バッテリー電力設定部である。バッテリー要求電力演算部１２は、バッテリーを充電するのに必要な電力を正値で出力する。バッテリー要求電力演算部１２は、バッテリーが放電できる電力を負値で出力する。バッテリーの充放電電力の目標値は、バッテリー充電率ＳＯＣが小さければ、バッテリーを充電する必要があるので、正値に設定される。バッテリーの充放電電力の目標値は、バッテリー充電率ＳＯＣが大きければ、バッテリーを放電する必要があるので、負値に設定される。
【００２２】
目標ＮＥＴ電力演算部１３は、モーター要求電力の目標値とバッテリー充放電電力の目標値とを足し合わせて、燃料電池５２が要求される正味電力(ＮＥＴ電力)の目標値を設定する。上述のように、バッテリーが放電できるときは、バッテリーの充放電電力の目標値であるので、ＮＥＴ電力の目標値は、モーター要求電力の目標値よりも小さくなる。
【００２３】
目標ヒーター要求電力設定部２０は、燃料電池５２の温度に基づいてヒーターが必要とする電力(ヒーター要求電力)の目標値を設定する。ヒーター要求電力の目標値は、燃料電池５２の温度が低いほど、大きく設定される。
【００２４】
目標Ｇｒｏｓｓ電力設定部３０は、燃料電池５２の全出力電力(以下「Ｇｒｏｓｓ電力」)の目標値を設定する。Ｇｒｏｓｓ電力は、ＮＥＴ電力と、さらに燃料電池の運転を維持するために必然的に要求される電力とを足し合わせた電力である。具体的には、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値は、ＮＥＴ電力の目標値に対して、ヒーター要求電力の目標値及び補機が消費する電力の実際値が加算されて設定される。なお、補機が消費する電力の実際値の求め方は、後述される。
【００２５】
電力電流変換部４０は、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値の信号を、目標電流の信号に変換する。
【００２６】
燃料電池制御部５０は、電力電流変換部４０の目標電流信号に基づいて燃料電池５２を制御する。燃料電池制御部５０は、ＤＣ／ＤＣコンバーター５１と、燃料電池５２と、を含む。ＤＣ／ＤＣコンバーター５１は、電力電流変換部４０の目標電流信号に基づいて燃料電池５２を制御する。
【００２７】
補機制御部６０は、燃料電池５２の発電に必要な動作を実行する補機を制御する。本実施形態では、補機として空気コンプレッサーを例示する。このような場合は、補機制御部６０は、目標空気流量圧力設定部６１と、空気調圧弁制御部６２と、空気コンプレッサー制御部６３と、コンプレッサー消費電力演算部６４と、を含む。
【００２８】
目標空気流量圧力設定部６１は、電力電流変換部４０の目標電流信号に基づいて、空気の目標流量及び目標圧力を設定する。そして目標空気流量圧力設定部６１は、目標流量及び目標圧力に基づいて、空気コンプレッサーの目標回転速度及び空気調圧弁の目標開度を設定する。
【００２９】
空気調圧弁制御部６２は、目標空気流量圧力設定部６１の信号に基づいて、空気調圧弁の開度を制御する。空気調圧弁は、燃料電池５２よりも下流の空気流路に設けられている。空気調圧弁の開度が小さいほど、空気圧力が大きい傾向にある。また空気調圧弁の開度が小さいほど、空気流量が小さい傾向にある。
【００３０】
空気コンプレッサー制御部６３は、目標空気流量圧力設定部６１の信号に基づいて、空気コンプレッサーの回転速度を制御する。空気調圧弁は、燃料電池５２よりも上流の空気流路に設けられている。空気コンプレッサーの回転速度が大きいほど、空気流量が大きい傾向にある。また空気コンプレッサーの回転速度が大きいほど、空気圧力が大きい傾向にある。
【００３１】
コンプレッサー消費電力演算部６４は、空気コンプレッサーの実際の出力トルク及び実際の回転速度の検出信号に基づいて、空気コンプレッサーが実際に消費した電力を演算する。この信号は、目標Ｇｒｏｓｓ電力設定部３０及び目標ヒーター供給設定部８０に送られる。
【００３２】
実Ｇｒｏｓｓ電力検出部７０は、燃料電池５２の全出力電力(Ｇｒｏｓｓ電力)の実際値を検出する。実Ｇｒｏｓｓ電力検出部７０は、燃料電池５２の実際の電流値及び電圧値の検出信号に基づいて、燃料電池５２のＧｒｏｓｓ電力の実際値を演算する。この信号は、目標ヒーター供給設定部８０に送られる。
【００３３】
目標ヒーター供給設定部８０は、ヒーターに供給するヒーター供給電力の目標値を設定する。具体的には、目標ヒーター供給設定部８０は、燃料電池５２のＧｒｏｓｓ電力の実際値から、空気コンプレッサーが実際に消費した電力を減算する。そして、さらに、ＮＥＴ電力の目標値を減算する。このようにして演算された値を目標上限値とする。そして、目標ヒーター供給設定部８０は、ヒーター要求電力の目標値が目標上限値よりも小さければ、ヒーター要求電力の目標値を、ヒーター供給電力の目標値として設定する。目標ヒーター供給設定部８０は、ヒーター要求電力の目標値が目標上限値よりも大きければ、目標上限値を、ヒーター供給電力の目標値として設定する。
【００３４】
ヒーター制御部９０は、目標ヒーター供給設定部８０で設定されたヒーター供給電力の目標値に基づいて、燃料電池５２の冷却水を加熱するヒーター９２を制御する。具体的には、ヒーター制御部９０は、ヒーター供給電力の目標値に基づいて、デューティー信号を演算し、ヒーター９２をデューティー制御する。
【００３５】
図２は、本実施形態が実施されたときの作用効果を説明するタイミングチャートである。
【００３６】
燃料電池の起動が指令されると、空気コンプレッサーは空気を供給する。このとき空気コンプレッサーは、電力を消費する。また零下起動時などであって燃料電池の温度が低ければ、ヒーターも作動して、電力を消費する。燃料電池は、発電量が大きいほど、自己暖機作用によって暖機が促進される。またヒーターも作動させれば、冷却水の温度が上昇するので、これによっても暖機が促進される。したがって、零下起動時などでは、ヒーターを作動させることが好適である。
【００３７】
時刻ｔ１１でアクセルペダルが踏み込まれて、目標ＮＥＴ電力が大きくなる。これに対して、本実施形態では、目標ヒーター供給設定部８０において、まず燃料電池５２のＧｒｏｓｓ電力の実際値から、空気コンプレッサーが実際に消費する電力が減算される。すなわち、空気コンプレッサーが実際に消費する電力が確保される。そして、ＮＥＴ電力の目標値が減算される。すなわち、ＮＥＴ電力が確保される。そして残りが目標上限値として設定される。そして、この上限値を、ヒーター要求電力の目標値が上回るときは、目標上限値が、ヒーター供給電力の目標値として設定される。図２では、時刻ｔ１１〜ｔ１２は、ヒーターの電力が制限され、その結果消費電力が減少している。すなわち、ヒーターの電力よりも、空気コンプレッサーが実際に消費する電力や、ＮＥＴ電力が優先的に確保される。なお時刻ｔ１１〜ｔ１２では、ヒーターの電力が減少しているが、自己暖機作用によって暖機が促進され、燃料電池が実際に出力するＧｒｏｓｓ電力は増加している。
【００３８】
時刻ｔ１２以降は、目標ＮＥＴ電力が一定になる。燃料電池の暖機が進んで、燃料電池が実際に出力するＧｒｏｓｓ電力は増加している。この分は、ヒーター供給電力に回され、さらに暖機が促進される。
【００３９】
図３は、本実施形態を適用した車両の実験データを示す図である。
【００４０】
図３は、時刻ｔ２１でアクセルペダルが踏み込まれて、目標ＮＥＴ電力が大きくなった場合である。このような場合でも、本実施形態を適用すれば、図３(Ａ)に示されているように、実際のＮＥＴ電流が、目標値に精度よく追従できていることがわかる。なお図３(Ｂ)に示されているように、燃料電池の実際の発電電流が、目標値に精度よく追従できていることもわかる。この結果、ドライバーが望むような運転性能(ドライバビリティー)を実現できることが理解される。
【００４１】
本実施形態によれば、目標ヒーター供給設定部８０において、まず燃料電池５２のＧｒｏｓｓ電力の実際値から、空気コンプレッサーが実際に消費する電力が減算される。すなわち、空気コンプレッサーが実際に消費する電力が確保される。そして、ＮＥＴ電力の目標値が減算される。すなわち、ＮＥＴ電力が確保される。そして残りが目標上限値として設定される。そして、この上限値を、ヒーター要求電力の目標値が上回るときは、目標上限値が、ヒーター供給電力の目標値として設定される。このようにされるので、ヒーターの電力よりも、空気コンプレッサーが実際に消費する電力や、ＮＥＴ電力が優先的に確保されることとなり、ドライバーが望むような運転性能(ドライバビリティー)が実現される。
【００４２】
外気温が非常に低いときの零下起動時などでは、要求電力に対して、実際の発電電力が大幅に下回る可能性がある。このような場合には、特許文献１の方式では、実際の発電電力よりも大きな要求電力に基づいてヒーターの電力を調整するので、ヒーターの制限量が不十分な場合がある。すると、走行モーターに十分な電力が供給されない可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、燃料電池５２のＧｒｏｓｓ電力の実際値が、まず空気コンプレッサーに割り振られ、次に走行モーターに割り振られ、残りがヒーターに割り振られるので、ヒーターの電力が十分に制限されて、走行モーターに十分な電力が供給される。
【００４３】
またＧｒｏｓｓ電力の目標値は、ＮＥＴ電力の目標値と、ヒーター要求電力の目標値と、空気コンプレッサーが消費する電力の実際値と、が加算されて設定される。零下起動時は、実際のＧｒｏｓｓ電力は、小さくなりがちであるが、本実施形態のようにすることで、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値が大きく設定され、燃料電池の発電量が上がり、自己暖機作用によって暖機が促進されるのである。そして、実際のユニットへは、上述のような優先順位で割り振られることで、走行モーターに十分な電力が供給されることとなる。すなわち、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値を設定するにあたって、ヒーター出力の実際値ではなく、ヒーター要求電力の目標値が用いられる。本実施形態ではモーターへの出力が優先されて、ヒーター出力の実際値は小さく制限される。したがって、ヒーター出力の実際値が用いられてＧｒｏｓｓ電力の目標値が演算されては、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値が小さく演算されることとなり、ますますヒーター出力の実際値が小さく制限されることとなってしまう。このような事態に陥らないためにも、ヒーター出力の実際値ではなく、ヒーター要求電力の目標値を用いて、Ｇｒｏｓｓ電力の目標値を設定するのである。
【００４４】
なおＧｒｏｓｓ電力の目標値を設定するにあたって、空気コンプレッサーは、目標値ではなく、実際値が用いられる。これは、空気コンプレッサーはそもそも電力の目標値で制御されるのではないからである。圧損や空気コンプレッサー自体の固体バラツキ、動特性、などを精度よく推定できなければ、電力の目標値によって流量を制御することができない。このため、空気コンプレッサーについては、目標電力ではなく、実際の消費電力を用いるのである。
【００４５】
また本実施形態では、バッテリーＳＯＣに基づいて、バッテリーの充放電電力の目標値を設定し、その設定値をモーター要求電力の目標値に加算して、ＮＥＴ電力の目標値を設定する、このようにしたので、バッテリーの状況が考慮されて、システムが、より適正に制御される。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００４７】
たとえば、バッテリーが放電できる電力が大きいほど、目標ヒーター供給設定部８０で設定される目標上限値が大きくなるように補正してもよい。このようにすれば、バッテリーの放電電力がヒーターに活用されて、暖機がさらに促進される。
【符号の説明】
【００４８】
１  燃料電池システム
１０  目標ＮＥＴ電力設定部
１１  モーター要求電力演算部
１２  バッテリー要求電力演算部
１３  目標ＮＥＴ電力演算部
２０  目標ヒーター要求電力設定部
３０  目標Ｇｒｏｓｓ電力設定部
４０  電力電流変換部
５０  燃料電池制御部
５１  ＤＣ／ＤＣコンバーター
５２  燃料電池
６０  補機制御部
６１  目標空気流量圧力設定部
６２  空気調圧弁制御部
６３  空気コンプレッサー制御部
６４  コンプレッサー消費電力演算部
７０  実Ｇｒｏｓｓ電力検出部
８０  目標ヒーター供給設定部
９０  ヒーター制御部
９１  デューティー演算部
９２  ヒーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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