(57)【要約】【課題】燃料電池を搭載した車両の制御装置において、二次電池等の電力貯蔵装置を有せずに車両に搭載した空気コンプレッサを用いて減速時の回生エネルギを圧力の形で蓄圧タンクに貯留し、減速時における回生エネルギの回収量を高め、これにより、減速時における制動力と車両全体のエネルギ効率を向上させることにある。【解決手段】車両駆動用モータの減速時回生電力を空気コンプレッサの駆動に使用させる制御手段を設け、空気コンプレッサの駆動により圧縮された空気を貯留する蓄圧タンクを設けている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と車両駆動用モータと前記燃料電池に空気を供給可能な空気コンプレッサとを備えた燃料電池を搭載した車両の制御装置において、前記車両駆動用モータの減速時回生電力を前記空気コンプレッサの駆動に使用させる制御手段を設け、前記空気コンプレッサの駆動により圧縮された空気を貯留する蓄圧タンクを設けたことを特徴とする燃料電池を搭載した車両の制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、車両の発進あるいは加速時に、前記蓄庄タンクに貯留された圧縮空気を前記燃料電池に供給させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した車両の制御装置。
【請求項３】
前記蓄圧タンクは、前記空気コンプレッサにより圧縮された空気を前記燃料電池に直接的に供給する空気供給通路と並列に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池を搭載した車両の制御装置。
【請求項４】
燃料電池と車両駆動用モータと前記燃料電池に空気を供給可能な空気コンプレッサとを備えた燃料電池を搭載した車両の制御装置において、前記車両駆動用モータの減速時回生電力を、補機類の駆動と前記空気コンプレッサの駆動と補機駆動用バッテリの充電との順に、優先供給させる制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池を搭載した車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池を搭載した車両の制御装置に係り、特に二次電池等の電力貯蔵装置を有せずに車両に搭載した空気コンプレッサを用いて減速時の回生エネルギを圧力の形で貯留する燃料電池を搭載した車両の制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両には、燃料電池を搭載した燃料電池自動車がある。この燃料電池自動車において、図６に示す如く、二次電池や電気二重層コンデンサ等の電力貯蔵装置を有していない燃料電池システムは、燃料電池（燃料電池スタック）４０２とこの燃料電池４０２に電圧変換装置４０４を介して連絡した駆動モータ４０６とを設けているだけであり、小型・軽量・安価且つシンプルなシステム構成であるため、軽自動車のような小型自動車に適している。
【０００３】
また、図７に示す如く、燃料電池自動車の電力貯蔵装置を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池（燃料電池スタック）５０２とこの燃料電池５０２に電圧変換装置５０４を介して連絡した駆動モータ５０６とを設けるとともに、電圧変換装置５０４に二次電池や電気二重層コンデンサ等の電力貯蔵装置５０８を連絡して設け、減速時の回生エネルギを回収することができるために、車両効率や燃費が向上するという利点がある。
【０００４】
更に、燃料電池自動車においては、燃料電池の出力を増加させる等の理由から燃料極及び空気極に夫々圧縮された燃料や空気を供給することが多いものである。このため、従来の燃料電池自動車は、一般的に、図８に示すように、吸入した空気を燃料電池で要求される圧力まで圧縮するための空気コンプレッサを有している。即ち、図８に示す如く、燃料電池自動車の電力貯蔵装置を有していない燃料電池システムにおいて、燃料電池（燃料電池スタック）６０２には、圧力変換装置６０４を介して燃料タンク６０６を連絡するとともに、外気を導入して圧縮空気を供給する空気コンプレッサ６０８を連絡して設けている。
【０００５】
従来、燃料電池を搭載した車両の制御装置には、充電状態が充電上限状態にあるときに、余剰電力が発生した場合に、補機の運転効率を低下させて余剰電力を消費させ、大容量の蓄電手段や余剰電力消費用の機器を必要とせずに、燃料電池の運転継続を可能にしたものがある。
また、燃料電池を搭載した車両の制御装置には、回生制動エネルギを燃料電池の反応ガスの圧縮に用いて、このガスにエネルギを貯えて分離・精製等の仕事を行わせるものがある。
【特許文献１】特開２００２−２０４５０５号公報
【特許文献２】特開平６−２０３８４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来、図６に示す燃料電池システムにおいては、電力貯蔵装置を有していないが故に、一般的に、減速時の回生エネルギを受け入れることができなかった。
【０００７】
また、図７に示す燃料電池システムにおいては、一般的に、電力貯蔵装置が、大型で重量も大きく、また、非常に高価であるという欠点を併せ持っている。
【０００８】
更に、図８に示す燃料電池システムにおいては、吸入した空気を燃料電池で要求される圧力まで圧縮するための空気コンプレッサを有しており、電力貯蔵装置を有していない燃料電池自動車では、発進・加速時に電力貯蔵装置からのエネルギの供給を受けることができないため、加速のためのエネルギは、全て燃料電池の発電電力で賄わなくてはならない。このため、電力貯蔵装置を有していない燃料電池自動車の加速性能は、空気コンプレッサの応答性に大きく依存することになるが、空気コンプレッサを含めた燃料電池の応答性は、電力貯蔵装置の応答性に比べて概して悪いため、これらの燃料電池自動車では、加速性能向上が課題の一つに挙げられることがあった。更に、空気コンプレッサの追従遅れを補完するために、減速時や停車時においても、空気コンプレッサを駆動し続ける必要があり、このため、減速・停車時においても、燃料を燃料電池に供給して発電を継続しなくてはならず、これが車両全体のエネルギ効率や燃費を悪化させる要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、燃料電池と車両駆動用モータと前記燃料電池に空気を供給可能な空気コンプレッサとを備えた燃料電池を搭載した車両の制御装置において、前記車両駆動用モータの減速時回生電力を前記空気コンプレッサの駆動に使用させる制御手段を設け、前記空気コンプレッサの駆動により圧縮された空気を貯留する蓄圧タンクを設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の燃料電池を搭載した車両の制御装置は、二次電池等の電力貯蔵装置を有せずに車両に搭載した空気コンプレッサを用いて減速時の回生エネルギを圧力の形で蓄圧タンクに貯留することにより、減速時における回生エネルギの回収量を高めることができ、これにより、減速時における制動力と車両全体のエネルギ効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
この発明は、減速時における制動力と車両全体のエネルギ効率を向上させる目的を、減速時の回生エネルギを圧力の形で貯留することによって実現するものである。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。
【実施例】
【００１２】
図１〜図５は、この発明の実施例を示すものである。
【００１３】
図４、図５において、２は燃料電池自動車（以下「車両」という）（図示せず）に搭載された燃料電池（燃料電池スタック）、４はこの燃料電池２からの電力で駆動される車両駆動用モータである駆動モータ、６は車両の制御装置である。
【００１４】
燃料電池２は、燃料（ガス）の供給を受けて発電するものである。この燃料電池２には、燃料タンク８に連絡した燃料供給部１０の燃料供給通路１２と、空気コンプレッサ１４に連絡した空気供給部１６の空気供給通路１８とが接続されている。空気コンプレッサ１４は、外気を導入して燃料電池２に圧縮空気を供給するものである。
【００１５】
燃料供給通路１２には、燃料タンク８側から順次に、燃料圧力を燃料電池２への必要な供給圧力に減圧する燃料側減圧弁２０と、燃料の逆流を防止する燃料側逆止弁２２と、燃料電池２への燃料を給断する燃料側電磁弁２４と、燃料電池２への燃料量を制御する燃料側流量調整弁２６とが設けられている。燃料側減圧弁２０には、リリーフ通路２０Ａが備えられている。
【００１６】
また、空気供給通路１８には、一側接続部２８と他側接続部３０とによりバイパス通路３２が接続されている。このバイパス通路３２には、蓄圧タンク３４が介設されている。この蓄圧タンク３４は、空気コンプレッサ１４により圧縮された空気を燃料電池２に直接的に供給する空気供給通路１６に対して並列に配設され、空気コンプレッサ１４で圧縮された空気を貯留するものである。
【００１７】
燃料電池２には、インバータ３６を介して駆動モータ４が連絡し、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介して複数の補機類４０が連絡しているとともに補機駆動用バッテリ（１２Ｖバッテリ）４２が連絡している。
【００１８】
インバータ３６は、燃料電池２で発電された直流電力を三相交流電力に変換し、駆動モータ４を駆動するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、燃料電池２で発電された電力や回生電力の電圧を補機駆動電圧に変換し、補機類４０を駆動するものである。補機類４０は、車両の制御装置６を運転するものである。
【００１９】
車両の制御装置６をさらに詳細に説明すると、図５に示す如く、バイパス通路３２には、一側接続部２８と蓄圧タンク３４との間で、蓄圧タンク３４に貯留された圧縮空気の逆流を防止する空気側逆止弁４４が設けられている。また、バイパス通路３２には、蓄圧タンク３４と他側接続部３０との間で、蓄圧タンク３４側から順次に、蓄圧タンク３４に貯留された圧縮空気の圧力を燃料電池２への必要な供給圧力に減圧する空気側減圧弁４６と、この空気側減圧弁４４で減圧された圧縮空気を燃料電池２へ給断する空気側電磁弁４８と、燃料電池２への圧縮された空気流量を制御する空気側流量調整弁５０とが、直列に設けられている。蓄圧タンク３４には、該蓄圧タンク３４のタンク内圧力を検出する圧力センサ５２が接続している。空気側減圧弁４６には、リリーフ通路４６Ａが備えられている。
【００２０】
図４、図５に示す如く、空気コンプレッサ１４と燃料側減圧弁２０と燃料側電磁弁２４と燃料側流量調整弁２６とインバータ３６とＤＣ／ＤＣコンバータ３８と補機類４０と補機駆動用バッテリ４２と空気側減圧弁４６と空気側電磁弁４８と空気側流量調整弁５０と圧力センサ５２とは、制御手段５４に連絡している。
【００２１】
この制御手段５４は、駆動モータ４の減速時回生電力を空気コンプレッサ１４の駆動に使用させるものである。
【００２２】
また、制御手段５４は、車両の発進あるいは加速時に、蓄庄タンク３４に貯留された圧縮空気を燃料電池２に供給させるものである。
【００２３】
更に、制御手段５４は、駆動モータ４の減速時回生電力を、補機類４０の駆動と空気コンプレッサ１４の駆動と補機駆動用バッテリ４２の充電との順に、優先供給させるものである。
【００２４】
このため、制御手段５４には、車両の走行条件から回生電力を演算し、補機類４０を駆動するための電力を演算し、補機駆動用バッテリ４２の充電状態（ＳＯＣ：残存電気容量）を計測し、燃料電池２の必要圧力・必要空気流量を演算する等の各種演算計測処理を行う演算計測制御部５４Ａと、空気コンプレッサ１４と燃料側減圧弁２０と燃料側電磁弁２４と燃料側流量調整弁２６とインバータ３６とＤＣ／ＤＣコンバータ３８と補機類４０と補機駆動用バッテリ４２と空気側減圧弁４６と空気側電磁弁４８と空気側流量調整弁５０との各種機器を駆動制御する駆動制御部５４Ｂとが設けられている。
【００２５】
次に、この実施例の作用を説明する。
【００２６】
外気として空気コンプレッサ１４に導入された空気は、図５に示す如く、通常走行時に、制御手段５４が要求する燃料電池２への必要な供給圧力まで該空気コンプレッサ１４によって圧縮された後で、空気供給通路１８から燃料電池２に供給される。
【００２７】
そして、車両の減速回生時には、図１に示す如く、制御手段５４において、プログラムがスタートすると（ステップ１０２）、車両の走行条件から回生電力ＰＰｒが計算され（ステップ１０４）、駆動モータ４をインバータ３６にて制御し、回生エネルギを直流電力に変換する。
【００２８】
次いで、補機類４０を駆動するために必要な補機必要電力ＰＰａを計算し（ステップ１０６）、そして、回生電力ＰＰｒと補機必要電力ＰＰａとを比較、つまり、ＰＰｒ−ＰＰａ≧０、あるいは、ＰＰｒ−ＰＰａ＜０、かを判断する（ステップ１０８）。
【００２９】
このステップ１０８で、回生電力ＰＰｒが補機必要電力ＰＰａ以上の場合、つまり、ＰＰｒ−ＰＰａ≧０の場合には、回生電力で補機類４０を駆動し、その回生電力の余剰分を空気コンプレッサ１４に供給して該空気コンプレッサ１４を駆動する。この場合、車両駆動用モータ４や補機類４０に電力を供給する必要がないため、燃料電池２への燃料供給を遮断し、燃料電池２での発電を停止する（ステップ１１０）。
【００３０】
これにより、空気コンプレッサ１４は、供給された回生電力で圧縮空気を生成し、そして、この圧縮された空気は、燃料電池２への通常の空気供給通路１８に対して並列に設けたバイパス通路３２を通って蓄圧タンク３４に貯蔵される。この蓄圧タンク３４の上流側には、空気側逆止弁４４が備えられているため、蓄圧タンク３４に貯留された圧縮空気が、空気コンプレッサ１４側の上流側に逆流することはない。
【００３１】
そして、蓄圧タンク３４の圧力Ｐｔを計測し（ステップ１１２）、この圧力Ｐｔと最大吐出圧力（Ｐｍａｘ）とを比較、つまり、Ｐｔ−Ｐｍａｘ＜０、あるいは、Ｐｔ−Ｐｍａｘ＝０、かを判断し（ステップ１１４）、このステップ１１４で、Ｐｔ−Ｐｍａｘ＜０の場合には、ステップ１１２に戻り、蓄圧タンク３４への圧縮空気の供給は、蓄圧タンク３４内に備えた圧力センサ５２が検出する圧力Ｐｔが、空気コンプレッサ１４の最大吐出圧力Ｐｍａｘに至るまで、継続される。
【００３２】
このステップ１１４で、Ｐｔ−Ｐｍａｘ＝０であり、蓄圧タンク３４内の圧力Ｐｔが空気コンプレッサ１４の最大吐出圧力Ｐｍａｘに至り、蓄圧タンク３４での回生エネルギの貯留ができなくなった場合には、補機駆動用バッテリ４２の充電状態（ＳＯＣ）を計測し（ステップ１１６）、補機駆動用バッテリ４２が充電可能な状態か否かを判断する（ステップ１１８）。
【００３３】
このステップ１１８がＹＥＳで、補機駆動用バッテリ４２が充電可能な状態である場合には、空気コンプレッサ１４の駆動が停止され、回生電力は、補機駆動用バッテリ４２の充電に利用され（ステップ１２０）、燃費の向上に寄与する。
【００３４】
しかし、このステップ１１８がＮＯで、補機駆動用バッテリ４２が満充電に近くまで充電できていない場合には、空気コンプレッサ１４にて圧縮された空気は、燃料電池２をバイパスするバイパススライン（図示せず）から排気される（ステップ１２２）。これにより、長い降坂路等で回生電力を受け入れることが不可能となった場合でも、制動力を向上させることができる。
【００３５】
一方、前記ステップ１０８で、回生電力量ＰＰｒが補機必要電力ＰＰａよりも小さい場合、つまり、ＰＰｒ−ＰＰａ＜０の場合には、回生電力を補機類４０に供給して該補機類４０を駆動するとともに、この補機類４２の駆動に不足分の電力量は、燃料電池２からの発電電力により賄う（ステップ１２４）。
【００３６】
また、車両の停止時においては、図２に示す如く、制御手段５４において、プログラムがスタートすると（ステップ２０２）、補機駆動用バッテリ４２の充電状態（ＳＯＣ：残存電気容量）を計測し（ステップ２０４）、補機駆動用バッテリ４２が放電可能な状態か否かを判断する（ステップ２０６）。
【００３７】
このステップ２０６において、補機駆動用バッテリ４２の放電状態が設定された閾値（図示せず）よりも高く放電が可能で、ＹＥＳの場合には、補機類４０への電力供給を補機駆動用バッテリ４２にて賄う（ステップ２０８）。これにより、燃料電池２による発電を、停止することができる。
【００３８】
一方、前記ステップ２０６において、補機駆動用バッテリ４２の放電状態が設定された閾値よりも低く放電が不可能で、ＮＯの場合には、補機類４０への電力供給及び補機駆動用バッテリ４２への充電のために、燃料電池２での発電を行う（ステップ２１０）。
【００３９】
更に、車両の発進及び加速時においては、図５に示す如く、蓄圧タンク３４に貯留された圧縮空気が燃料電池２に供給される。
【００４０】
そして、この車両の発進及び加速時には、図３に示す如く、制御手段５４において、プログラムがスタートすると（ステップ３０２）、運転者の加速要求から発進・加速時における燃料電池２での必要空気圧力Ｐｆｃ及び燃料電池２での必要空気流量Ｆｆｃが制御手段５４にて計算され（ステップ３０４）、また、蓄圧タンク３４内の圧力Ｐｔは空気側減圧弁４６にて必要空気圧力Ｐｆｃに減圧された後で、空気側電磁弁４８が開けられ、空気側流量調整弁５０にて供給される蓄圧タンク３４からの空気流量Ｆｔが、必要空気流量Ｆｆｃに制御されて、燃料電池２に供給される（ステップ３０６）。
【００４１】
そして、蓄圧タンク３４内の圧力Ｐｔと燃料電池２での必要空気圧力Ｐｆｃとの比較、及び、蓄圧タンク３４からの空気流量Ｆｔと燃料電池２での必要空気流量Ｆｆｃとを比較、つまり、Ｐｔ−Ｐｆｃ≧０且つＦｔ−Ｆｆｃ≧０、あるいは、Ｐｔ−Ｐｆｃ＜０又はＦｔ−Ｆｆｃ＜０、かを判断する（ステップ３０８）。
【００４２】
このステップ３０８で、Ｐｔ−Ｐｆｃ≧０且つＦｔ−Ｆｆｃ≧０の場合には、ステップ３０４に戻す。
【００４３】
一方、このステップ３０８で、蓄圧タンク３４内の圧力Ｐｔが燃料電池２での必要圧力Ｐｆｃより小さくなった場合、又は、蓄圧タンク３４から供給可能な空気流量Ｆｔｃが燃料電池２で要求される空気流量Ｆｆｔより小さくなった場合には、つまり、Ｐｔ−Ｐｆｃ＜０又はＦｔ−Ｆｆｃ＜０の場合には、空気コンプレッサ１４の駆動を開始してその不足分を補う（ステップ３１０）。
【００４４】
この結果、車両駆動用モータ４の減速時回生電力を空気コンプレッサ１４の駆動に使用する制御手段５４を設け、空気コンプレッサ１４の駆動により圧縮された空気を貯留する蓄圧タンク３４を設けたことから、減速時における回生エネルギの回収量を高めることができ、これにより、減速時における制動力と車両全体のエネルギ効率を向上させることができる
【００４５】
また、制御手段５４は、車両の発進あるいは加速時に、蓄庄タンク３４に貯留された圧縮空気を燃料電池２に供給することから、蓄庄タンク３４に蓄圧された空気が燃料電池２に供給されるので、加速時における空気の供給遅れを解消して追従性が向上し、これにより、車両の加速性能を向上させることができる。
【００４６】
更に、蓄圧タンク３４は、空気コンプレッサ１４により圧縮された空気を燃料電池２に直接的に供給する空気供給通路１８と並列に設けられたことから、通常走行時には、蓄圧タンク３４に空気が貯められることがないので、通常走行時における加速性能を劣化させるおそれをなくすることができる。
【００４７】
更にまた、駆動モータ４の減速時回生電力を、補機類４０の駆動と空気コンプレッサ１４の駆動と補機駆動用バッテリ４２の充電との順に優先供給することから、減速時における回生エネルギを、回収する時間を長くすることができるので、長い降坂路でも充分に回生エネルギを回収することができ、これにより、減速時における制動力を向上させることができる。
【００４８】
つまり、この実施例においては、燃料電池２と駆動モータ４と空気コンプレッサ１４とを備えた車両において、減速時に駆動モータ４にて回生した電気エネルギで空気コンプレッサ１４を駆動するものであり、この空気コンプレッサ１４で生成した圧縮空気を蓄圧タンク３４に貯留し、そして、この圧縮空気を車両の発進・加速時に燃料電池２に供給し、また、燃料電池２と駆動モータ４と１２Ｖバッテリ等の補機駆動用バッテリ４２とを備え、回生エネルギを補機駆動用バッテリ４２に充電し、更に、回生エネルギで補機類４０を駆動するとともに、減速回生時に、空気コンプレッサ１４で圧縮された空気を蓄圧タンク３４に貯留する一方、減速・停車時には、燃料電池２への燃料供給を遮断し、燃料電池２での発電を停止し、減速回生時に、空気コンプレッサ１４で圧縮された空気を、燃料電池２を通さずに排気する。
【００４９】
従って、減速時の回生エネルギの回収により車両のエネルギ効率及び燃費を向上するとともに、燃料電池２への燃料供給を遮断して燃料電池２での発電を停止することにより、車両のエネルギ効率及び燃費が向上し、また、減速時の回生エネルギの回収により制動力が向上し、更に、回生時に蓄圧された空気を発進・加速時に燃料電池２に供給することにより、加速性能を向上し、また、二次電池や電気二重層コンデンサ等の大型で重量が大きく且つ非常に高価な電力貯蔵装置を具備することなく、車両のエネルギ効率及び燃費を向上するとともに、減速時の回生エネルギの回収により制動力を向上することができる。
【００５０】
なお、この発明においては、燃料電池を用いない通常の電気自動車においても、減速回生時に、二次電池が満充電となった場合には、補機駆動用バッテリを充電したり、車両の補機を駆動したりすることで、燃費を向上させることができる。
【００５１】
また、ブレーキペダルの踏込みを解除する等のタイミングで運転者の発進・加速の意思を早めに検知し、蓄圧タンク内の空気圧力をできるだけ早めに燃料電池２に供給することにより、応答性を向上し、発進・加速性能を向上することができる。また、減速の回生時以外の場合にでも、蓄圧タンクに空気圧力が不足しているときには、空気コンプレッサからの空気圧力を蓄圧タンク内に貯留させ、蓄圧タンク内には常時所要の空気圧力を貯留させて応答性を向上し、発進・加速性能を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
この発明は、燃料電池自動車に関するものであるが、減速時の回生エネルギを圧力の形で蓄えて加速時に利用するということを、電気式過給器を備えた内燃機関の自動車にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】減速回生時のフローチャートである。
【図２】車両の停止時のフローチャートである。
【図３】車両の発進・加速時のフローチャートである。
【図４】車両の燃料（ガス）供給系のシステム構成図である。
【図５】車両の制御装置の電気系のブロック図である。
【図６】従来において車両の制御装置のシステム構成図である。
【図７】従来において車両の制御装置のシステム構成図である。
【図８】従来において車両の制御装置のシステム構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
２  燃料電池
４  駆動モータ
６  制御装置
８  燃料タンク
１４  空気コンプレッサ
３２  バイパス通路
３４  蓄圧タンク
４０  補機類
４２  補機駆動用バッテリ
４４  空気側逆止弁
４６  空気側減圧弁
４８  空気側電磁弁弁
５０  空気側流量調整弁
５２  圧力センサ
５４  制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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