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公開番号2020025426
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200213
出願番号2018149748
出願日20180808
発明の名称電動車両
出願人三菱自動車工業株式会社,国立大学法人山梨大学
代理人個人,個人
主分類B60L 50/40 20190101AFI20200121BHJP(車両一般)
要約【課題】回生時において二次電池を効率よく充電することができる電動車両を提供する。
【解決手段】駆動輪を駆動する駆動モーター12と、駆動モーター12の回生による電力を充電するとともに駆動モーター12に電力を供給する二次電池11と、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を二次電池11に供給する燃料電池20と、燃料電池20に燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給手段と、駆動モーター12の回生時に、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を基準ストイキ比よりも小さい低ストイキ比にして前記ガス供給手段から供給させる低ストイキ比運転を実行可能なECU50と、を備え、ECU50は、燃料電池20の電圧が維持される間、低ストイキ比運転を継続する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
駆動輪を駆動する駆動モータと、
前記駆動モータの回生による電力を充電するとともに前記駆動モータに電力を供給する二次電池と、
燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を前記二次電池に供給する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給手段と、
前記駆動モータの回生時に、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を前記駆動モータが回生してない際に設定される基準ストイキ比よりも小さい低ストイキ比にして前記ガス供給手段から供給させる低ストイキ比運転を実行可能な制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の電圧が維持される間、前記低ストイキ比運転を継続する
ことを特徴とする電動車両。
続きを表示(約 440 文字)【請求項2】
請求項1に記載する電動車両において、
前記制御手段は、前記燃料電池の電圧が維持される時間が予め設定され、当該時間は前記低ストイキ比運転を継続する
ことを特徴とする電動車両。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載する電動車両において、
前記制御手段は、前記燃料電池の電圧の減少速度が所定値以下である間は前記低ストイキ比運転を継続する
ことを特徴とする電動車両。
【請求項4】
請求項1から請求項3の何れか一項に記載する電動車両において、
前記制御手段は、前記二次電池の充電率が少ないほど前記低ストイキ比運転の継続時間を短くする
ことを特徴とする電動車両。
【請求項5】
請求項1から請求項4の何れか一項に記載する電動車両において、
前記制御手段は、前記二次電池の充電率が所定値以下であれば、前記低ストイキ比運転を実行しない
ことを特徴とする電動車両。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池を備えた電動車両に関する。
続きを表示(約 8,100 文字)【背景技術】
【0002】
燃料電池を備えた電動車両は、燃料電池で発電した電力、及び車両の減速時に発生した回生電力を二次電池に充電し、その二次電池の電力で駆動モータを駆動する。このような電動車両の一例としては、回生時に、酸素ガス又は水素濃度を低下させて燃料電池の出力電力を低下させるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
このような電動車両では、効率よく回生電力を回収することができるものの、燃料電池の出力電力を低下させるため、燃料電池から二次電池に充電される電力が低下してしまうという問題がある。また、燃料電池の出力電力の変動は、燃料電池の劣化を進行させてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2013−59229号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、回生時において二次電池を効率よく充電することができる電動車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、駆動輪を駆動する駆動モータと、前記駆動モータの回生による電力を充電するとともに前記駆動モータに電力を供給する二次電池と、燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電した電力を前記二次電池に供給する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス供給手段と、前記駆動モータの回生時に、燃料ガス及び酸化ガスの少なくとも一方を前記駆動モータが回生してない際に設定される基準ストイキ比よりも小さい低ストイキ比にして前記ガス供給手段から供給させる低ストイキ比運転を実行可能な制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の電圧が維持される間、前記低ストイキ比運転を継続することを特徴とする電動車両にある。
【0007】
第1の態様では、駆動モータの回生時において低ストイキ比運転を実行しても、基準ストイキ比運転をしているときの燃料電池の電圧が維持される。このため、燃料電池で発電された電力は、低ストイキ比運転中に電圧が維持されない運転をさせた燃料電池で発電した電力よりも高い。したがって、低ストイキ比運転の実行中においても、従来よりも高い電力を燃料電池から二次電池に充電することができる。
【0008】
また、燃料電池が低ストイキ比運転をしている間は、酸化ガスや燃料ガスの流量を減らすことになるので、ガス供給手段で消費される電力が低減されている。したがって、その電力が低減されている分、燃料電池を含む電動車両全体の効率は、基準ストイキ比運転における基準効率よりも高くなる。
【0009】
さらに、低ストイキ比運転を実行中において燃料電池の電圧は維持されていることから、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【0010】
本発明の第2の態様は、第1の態様に記載する電動車両において、前記制御手段は、前記燃料電池の電圧が維持される時間が予め設定され、当該時間は前記低ストイキ比運転を継続することを特徴とする電動車両にある。
【0011】
第2の態様では、低ストイキ比運転を実行しても燃料電池の電圧をより確実に維持することができる。
【0012】
本発明の第3の態様は、第1又は第2の態様に記載するに電動車両において、前記制御手段は、前記燃料電池の電圧の減少速度が所定値以下である間は前記低ストイキ比運転を継続することを特徴とする電動車両にある。
【0013】
第3の態様では、燃料電池の電圧が低下しない時間を最大限用いて低ストイキ比運転を実行することができる。つまり、燃料電池の電圧を低下させずに、可能な限り長い時間にわたって低ストイキ比運転をすることができる。このように長く低ストイキ比運転を継続できるので、ガス供給手段で消費される電力を低減し、電動車両の効率をより一層効率化することができる。
【0014】
本発明の第4の態様は、第1から第3の何れか一つの態様に記載する電動車両において、前記制御手段は、前記二次電池の充電率が少ないほど前記低ストイキ比運転の継続時間を短くすることを特徴とする電動車両にある。
【0015】
第4の態様では、低ストイキ比運転の継続時間を短くすることで、二次電池の出力要求に対する応答性が低下することを抑制することができる。
【0016】
本発明の第5の態様は、第1から第4の何れか一つの態様に記載する電動車両において、前記制御手段は、前記二次電池の充電率が所定値以下であれば、前記低ストイキ比運転を実行しないことを特徴とする電動車両にある。
【0017】
第5の態様では、より一層、二次電池の出力要求に対する応答性が低下することを抑制することができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、回生時において二次電池を効率よく充電することができる電動車両が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
実施形態1に係る電動車両のブロック図である。
実施形態1に係る電動車両の動作を示すタイミングチャートである。
実施形態1に係る電動車両の動作を示すフローチャートである。
実施形態2に係る電動車両の動作を示すタイミングチャートである。
実施形態2に係る電動車両の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。なお、実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【0021】
〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係る電動車両1のブロック図である。電動車両1は、燃料電池20で発電された電力を二次電池11に充電し、二次電池11の電力で駆動モータ12を駆動する、いわゆるレンジエクステンダー電動車両である。二次電池11は、充放電可能な電池であり、特に限定はないが、例えばリチウムイオン電池を用いることができる。
【0022】
燃料電池20は、燃料ガスとして水素と、酸化ガスとして空気が供給され、酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池20の具体的な構成は特に限定はないが、ここでは、複数のセルがセパレータを介して複数積層されたスタック構造を有する。
【0023】
各セルは、アノード電極、カソード電極及びこれらの間に配置された電解質膜(例えば、固体高分子電解質膜)を備えている。アノード電極は、電解質膜に接触する電極触媒層と、電極触媒層の電解質膜とは反対側に設けられるガス拡散層とからなる。同様に、カソード電極も、電極触媒層とガス拡散層とからなる。
【0024】
電極触媒層は、通常、アノード電極及びカソード電極における電極反応に対して触媒活性を有する。具体的には、電極触媒層は、担体に担持された触媒を備えている。触媒としては、アノード電極の燃料の酸化反応又はカソード電極の酸化剤の還元反応に対して触媒活性を有しているものであれば、特に限定されず、高分子形燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、白金、又はルテニウム、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、銅等の金属と白金との合金等が挙げられる。
【0025】
アノード電極及びカソード電極の電極触媒層の担体は、カーボンブラック等の炭素粒子や炭素繊維のような導電性炭素材料、金属粒子や金属繊維等の金属材料、セラミクスを用いることができる。
【0026】
このような各セルを有する燃料電池20には、アノード電極側のガス拡散層に燃料ガスを供給するためのアノード流路、及びカソード電極側のガス拡散層に酸化ガスを供給するためのカソード流路が設けられている。
【0027】
燃料電池20は、DC/DCコンバータ14を介して二次電池11に接続され、二次電池11は、インバータ13及びDC/DCコンバータ14を介して駆動モータ12に接続されている。
【0028】
燃料電池20で発電された直流電力は、DC/DCコンバータ14により所定電圧にされて二次電池11に充電される。二次電池11に充電された直流電力は、インバータ13により交流電力に変換されてして駆動モータ12に供給される。駆動モータ12は、二次電池11からの電力によって、駆動輪(図示せず)を駆動するためのプラス側の駆動力(トルク)を発生する。
【0029】
また、駆動モータ12は、減速時等には発電機として作動しマイナス側の回生力(トルク)を発生する。この回生電力は、インバータ13により直流電力に変換され二次電池11に充電される。
【0030】
電動車両1は、燃料ガスタンク30を備えている。燃料ガスタンク30は、燃料ガス(水素ガス)を貯蔵した装置である。貯蔵の形態は、特に限定はなく、気体の水素、液体の水素を貯蔵したものであったり、金属に水素を吸蔵させたもの、さらにはメタノール等から水素に改質するものなど、公知のものを適用することができる。
【0031】
燃料ガスタンク30と燃料電池20のアノード側の入口とは、燃料ガス供給管31で接続されている。燃料ガス供給管31には、元弁32、減圧弁33、再流量調節弁34が設けられている。元弁32は、燃料ガスタンク30の開口部の開閉をする弁であり、減圧弁33は、燃料ガスタンク30から供給された燃料ガスを所定圧力まで減圧させ、一定圧力にするための弁である。再流量調節弁34は、循環配管37からの燃料ガスが燃料ガス供給管31に再流入してくる量を調節するための弁である。これらの弁の調節により、燃料ガスタンク30から燃料電池20のアノード電極に燃料ガスが一定圧力で供給される。
【0032】
燃料電池20のアノード側の出口には、燃料ガス排出管35が接続されている。燃料ガス排出管35は、燃料電池20のアノード側から排出された排ガスの流路である。当該排ガスは、特に図示しないが、気液分離機(図示せず)に送られる。気液分離機において分離されたガス(電気化学反応しなかった水素)は、循環配管37を経由し、循環配管37に設けられた再循環ポンプ38により所定圧力に昇圧されて燃料ガス供給管31に送られる。
【0033】
電動車両1は、空気圧縮機40を備えている。空気圧縮機40は、外気を取り込み所定圧力に昇圧する装置である。空気圧縮機40と燃料電池20のカソード側の入口とは、酸化ガス供給管41で接続されている。酸化ガス供給管41には、インタークーラー42、流量調整弁43が設けられている。インタークーラー42は、空気圧縮機40で圧縮された空気(酸化ガス)を所定温度に冷却する。流量調整弁43は、燃料電池20のカソード側へ供給される酸化ガスの流量を調整するための弁である。この流量調整弁43の調節により、空気圧縮機40から燃料電池20のカソード電極に酸化ガスが一定圧力で供給される。
【0034】
燃料電池20のカソード側の出口には、酸化ガス排出管45が接続されている。酸化ガス排出管45は、燃料電池20のカソード側から排出された排ガスの流路である。当該排ガスは、電動車両1の外部へ放出される。
【0035】
上述した燃料ガスタンク30、燃料ガス供給管31、元弁32、減圧弁33、再流量調節弁34、燃料ガス排出管35、再循環ポンプ38、空気圧縮機40、酸化ガス供給管41、流量調整弁43は、請求項に記載するガス供給手段の一例である。
【0036】
ECU50は、請求項に記載の制御部の一例であり、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成されている。ECU50は、各種センサから検知信号を得ることが可能となっている。具体的には、燃料電池20に取り付けた各種センサは、燃料電池の出力(以後、FC出力とも表記する)、燃料電池の電圧(以下、FC電圧とも表記する)、水素流量を検知する。また、二次電池11に取り付けたセンサは充電率(以下、SOCと表記する)を検知し、駆動モータ12に取り付けたセンサーは車速(以後、EV駆動とも表記する)を検知する。空気圧縮機40に取り付けたセンサは、空気圧縮機の回転数を検知する。水素流量とは、燃料電池20に供給される水素ガス(燃料ガス)の流量である。
【0037】
ECU50は、これらの検知信号を各種センサから得て、元弁32、減圧弁33、再流量調節弁34、空気圧縮機40の回転数、再循環ポンプ38の回転数、流量調整弁43を制御する。
【0038】
図2及び図3を用いて、ECU50による電動車両1の制御について説明する。図2の横軸は時間を表している。縦軸は、それぞれFCシステム効率、水素流量、空気圧縮機の回転数、供給ガスストイキ比、FC電圧、FC出力、SOC、減速判定、車速(EV駆動)を表している。FCシステム効率とは、電動車両1全体の効率を表している。供給ガスストイキ比とは、酸化ガス及び燃料ガスのストイキ比を表している。車速の増減は加速又は減速を表しており、減速判定の「1」は車速が減速していることを表し、「0」は増速していることを表す。また、図3では燃料電池をFCと省略している。
【0039】
電動車両1は、燃料電池20をアイドリング運転、低ストイキ比運転、基準ストイキ比運転の何れかに切り替えて走行することが可能となっている。
【0040】
燃料電池20のアイドリング運転とは、燃料電池20に負荷が接続されていない状態又は低負荷の状態で最低限度の発電を行い、通常負荷又は高負荷の発電要求に即応可能な状態で運転していることをいう。低ストイキ比運転とは、燃料電池20が発電要求に応答して発電をしている状態であり、かつ、駆動モータ12の回生時には、酸化ガス又は燃料ガスの少なくとも一方を基準ストイキ比よりも小さい低ストイキ比にしてガス供給手段から燃料電池20に供給させる運転をいう。
【0041】
ストイキ比とは、理論的に発電に必要な量に対する実際の燃料ガス又は酸化ガスの供給量で除した値である。ストイキ比が「1」であれば、実際に燃料電池20に供給する燃料ガス及び酸化ガスの供給量は、理論的に発電に必要な量そのものである。ストイキ比が大きくなるほど、理論的に発電に必要な燃料ガス及び酸化ガスの量よりも多く燃料電池20に供給されることになる。なお、ストイキ比は、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれ別個に設定することができる。
【0042】
基準ストイキ比とは、駆動モータ12が回生していないときにおいて燃料電池20に供給される燃料ガス及び酸化ガスのストイキ比である。基準ストイキ比で燃料ガス及び酸化ガスを燃料電池20に供給する運転を基準ストイキ比運転と称する。ここでは、燃料ガス及び酸化ガスの何れについても同じストイキ比を設定する。なお、燃料ガスのストイキ比と酸化ガスのストイキ比をまとめて「供給ガスのストイキ比」とも称する。
【0043】
図2の例では、時刻T0から時刻T1の間においては、燃料電池20はアイドリング運転をしている。この間は、二次電池11の電力のみで駆動モータ12を駆動させているため、SOCが減少傾向にある。時刻T6から時刻T7の間においても同様にアイドリング運転をしている。
【0044】
時刻T1から時刻T6までの間においては、駆動モータ12の駆動又は回生に応じて、燃料電池20は低ストイキ比運転、又は基準ストイキ比運転をしている。アイドリング運転と、低ストイキ比運転又は基準ストイキ比運転とは、SOCによって切り替える。
【0045】
具体的には、現在のSOCをxとすると、xがFC稼動SOC(a)より大きければ(ステップS1:No、時刻T0〜T1、時刻T6〜T7の間)、燃料電池20を起動しない(ステップS2)。つまりアイドリング運転の状態である。一方、xがFC稼動SOC(a)以下であれば(ステップS1:Yes、時刻T1)、低ストイキ比運転又は基準ストイキ比運転を実施するための更なるステップに進む。なお、xがFC稼動SOC(a)以下であるということは、二次電池11に充電する必要性があるということであり、換言すれば、燃料電池20の起動準備ができたということである。
【0046】
次に、ECU50は、駆動モータが回生しているか否か、すなわち減速判定を行う(ステップS3)。時刻T1、T3、T5では、減速判定は「0」であり駆動モータ12は回生していない(ステップS3:No)。したがって、低ストイキ比運転にはせず、基準ストイキ比運転を実行する(ステップS4)。時刻T1から時刻T2の間、燃料電池20は基準ストイキ比運転をする。したがって、時刻T1から時刻T2の間、燃料電池20で発電された電力が二次電池11に充電され、SOCが増大している。
【0047】
一方、時刻T2、T4では、減速判定は「1」であり駆動モータは回生している(ステップS3:Yes)。したがって、ECU50は低ストイキ比運転を実行する(ステップS5)。具体的には、ECU50は次のようにして低ストイキ比運転を実行する。
【0048】
酸化ガスについて基準ストイキ比を実現するのに必要な空気圧縮機40の回転数を、基準ストイキ比回転数とする。ECU50は、低ストイキ比運転を実行する際には、基準ストイキ比回転数よりも低い低ストイキ比回転数F

となるように空気圧縮機40の回転数を制御する。これにより、非回生時(時刻T1〜時刻T2)において基準ストイキ比で運転しているときよりも、回生時(時刻T2〜T3、時刻T4〜時刻T5)における空気圧縮機40の回転数は下がるので、燃料電池20に供給される酸化ガスの流量が低減する。この結果、燃料電池20に供給される酸化ガスの量は、低ストイキ比となる。
【0049】
また、燃料ガスについて基準ストイキ比を実現するのに必要な量を基準ストイキ比水素流量とする。ECU50は、低ストイキ比運転を実行する際には、基準ストイキ比水素流量よりも低い低ストイキ比水素流量F

となるように再流量調節弁34や再循環ポンプ38を制御する。これにより、非回生時(時刻T1〜時刻T2)において基準ストイキ比で運転しているときよりも、回生時(時刻T2〜T3、時刻T4〜時刻T5)における水素流量は下がる。この結果、燃料電池20に供給される燃料ガスの量は、低ストイキ比となる。
【0050】
ここで、本発明者らは、低ストイキ比運転を実行すると、基準ストイキ比運転を実行していたときに比べてFC電圧は減少するものの、低ストイキ比運転を実行してから直ちにFC電圧が減少するのではなく、数秒程度経過してからFC電圧が減少するという知見を得た。
(【0051】以降は省略されています)

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