JP3770087B2 - 移動体用電力管理装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池自動車など移動体への搭載に適した燃料電池システムの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池自動車等の移動体における電力管理手法として、燃料電池自動車の電気負荷の平均値にもとづいて燃料電池の運転負荷を定めるものが提案されている(特開平9-7618号公報参照)。これは、燃料電池の発生電力を蓄えるために自動車に搭載するバッテリの容量を低減し、または燃料電池に要求される応答性を低減し、コストの低減、システムの小型化、車載レイアウト性の向上を目的としたものである。
【０００３】
しかしながら、このように電気負荷の平均値に基づいて燃料電池の運転負荷を定める手法では、燃料電池自動車の減速時あるいは下り坂走行時といった、走行用モータによる回生電力の発生している際に、燃料電池システムも高い運転負荷で発電を行ってしまう状況が多発し、このような状況下では回生電力と発電電力の総電力が大きすぎてバッテリに充電できない、あるいはバッテリ電極が劣化する、という問題が生じる。特に最大定格負荷近傍による走行を持続した状態からフルブレーキをかける状況下においては、最大定格発電と最大回生電力を同時にバッテリに充電する必要があり、これらに対応できるようにバッテリ容量を設定するものとすれば、バッテリの大型化によりむしろコストが上昇すると共に車両レイアウト性が損なわれかねない。
【０００４】
図１３を用いて、実際の街中走行パターンの例を説明する。200が燃料電池自動車の要求する電気負荷値の要求値であり、201が、ある時刻における過去20秒間の電気負荷値の要求値の時間平均であり、燃料電池装置の運転負荷指示値である。なお、ここでは走行電力等の要求電力を正、回生電力を負とした。時刻Ｔ１では制動操作により車速が減じられ、そのエネルギーが回生電力Ｐ１として発生している。一方、燃料電池の運転負荷は、制動操作を行う以前の、負荷電力の大きな山パターン部202の影響で高い運転負荷値となっており、Ｐ２という電力を発生している。回生が発生する前には自動車は走行状態にあるため、回生の発生する際に燃料電池の運転負荷値が高いという状況は頻繁に発生しやすい。これらの発電電力Ｐ２と回生電力Ｐ１との総電力がバツテリヘの充電量Ｐ３となる。
【０００５】
また回生電力の回収を行わずにブレーキ装置から熱として減速エネルギを放散することで対応した場合には燃費が悪化するという問題が生じる。例えば図示した街中走行パターンにおいてエネルギ回生を行わなかった場合には燃費が約３０%も悪化する。頻繁に加減速を行う走行パターンであるほど、回生電力を回収することによる燃費向上の効果が大きく、逆に回生電力を回収しないことによる燃費の悪化は大きい。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、移動体の電力管理の対象となる電気負荷値から求めた運転負荷を回生電力の回収状態に応じて補正することによりバッテリの大型化を回避しつつ効率よく電力管理しうるようにした電力管理装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料を用いて電力を発生する発電装置と、この発生電力を蓄えるバッテリとを備え、前記発電装置またはバッテリからの電力を動力源とする移動体において、電気負荷値（移動体における発生電気負荷値または運転者による電気負荷の要求値。以下同様。）を平滑化する電気負荷平滑化手段と、平滑化した電気負荷値に基づいて前記発電装置の運転負荷の指示値を定める運転負荷指示値設定手段と、移動体の回生電力を求める回生電力演算手段と、前記回生電力に基づいて発電装置の運転負荷の指示値を補正する運転負荷指示値補正手段とを設けた。
【０００８】
第２の発明は、前記第１の発明の電気負荷平滑化手段を、移動体の電気負荷値から回生電力演算手段により求めた回生電力を差し引いた値を、移動体の電気負荷値として平滑化演算するように構成した。
【０００９】
第３の発明は、前記各発明の運転負荷指示値設定手段を、回生電力演算手段により回生電力を求めた結果として、回生電力が有りと判断された際には、発電装置の運転負荷の指示値をアイドル運転または停止とするように構成した。
【００１０】
第４の発明は、前記第２の発明の電気負荷平滑化手段を、移動体の電気負荷値から回生電力演算手段により求めた回生電力を差し引く際、該回生電力に重み付けを行うように構成した。
【００１１】
第５の発明は、前記第１または第２の発明において、バッテリの許容充電電力を求める許容充電電力演算手段と、バッテリヘの充電量を求める充電量演算手段とを備えると共に、前記運転負荷指示値補正手段を、バッテリ充電量が許容充電電力を超えないように、発電装置の運転負荷の指示値を補正するように構成した。
【００１２】
第６の発明は、前記第５の発明の許容充電電力演算手段を、バッテリの充電量または温度の少なくとも何れか一方に基づいてバッテリの許容充電電力を演算するように構成した。
移動体用電力管理装置。
【００１３】
第７の発明は、前記第５の発明のバッテリ充電量演算手段を、電気負荷の要求値の時間平均値から回生を考慮した電気負荷の要求値を差し引いて、バッテリ充電電力を演算するように構成した。
【００１４】
第８の発明は、前記第１または第２の発明の運転負荷指示値補正手段を、バッテリの残量 SOC に基づいて発電装置の運転負荷の指示値を補正するように構成した。
【００１６】
第９の発明は、前記第１の発明の運転負荷指示値設定手段を、移動体の電気負荷値または平滑化した電気負荷値から回生電力を差し引いて、発電装置の運転負荷の指示値とするように構成した。
【００１８】
第１０の発明は、前記第１の発明の発電装置として、水素を含むガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池装置を備える移動体用電力管理装置。
【００１９】
第１１の発明は、前記第１の発明の発電装置を、内燃機関と、内燃機関により駆動される発電機とから構成した。
【００２０】
第１２の発明は、前記第１の発明の回生電力演算手段を、移動体の制動状態に基づいて回生電力を求めるように構成した。
【００２１】
第１３の発明は、前記第１の発明の運転負荷指示値設定手段を、アクセル開度に代表される運転者の出力要求と移動体の移動速度の少なくとも何れか一方に基づいて移動体の電気負荷値を求めるように構成した。
【００２２】
【作用・効果】
本発明によれば、回生電力の発生している運転領域においては、運転負荷指示値が例えばアイドル相当または負荷ゼロの停止状態にまで補正されることから、余剰電力の発生を抑制してほぼ回生電力のみをバッテリに充電することができる。したがって、余剰電力に対して容量が不足する場合のバッテリの劣化や、余剰電力に対応するためのバッテリの大型化を避けて、コストの低減、車載性の向上等を図ることができる。
【００２３】
回生電力を、例えばブレーキペダル踏み込み量や車速変化等の制動状態に応じて演算し、さらに重み付けを行うことにより、より精度の高い電力管理が可能であり、これにより回生電力が発生ないしは消滅した際の運転負荷の指示値の急激な変動を緩和して、運転負荷指示値に対する燃料電池装置の追従性を高めることができる。
【００２４】
さらに、バッテリ充電量あるいは温度等のバッテリ状態に基づいて電力管理を行う構成によれば、最大の許容充電電力となるように充電量を制御でき、従って運転負荷の指示値の補正量を必要最低限に抑えられるので、バッテリ容量などの仕様に対するマージンをより小さく設定でき、それだけバッテリの小型・低コスト化を促進することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を燃料電池自動車に適用した実施形態につき図面に基づいて説明する。図１は改質型燃料電池とバッテリとを電力供給源とするハイブリッド燃料電池自動車のシステム構成を示している。図において100は燃料改質器であり、燃料であるメタノールタンク98内のメタノール101を、水タンク99内の水102を用いて水蒸気改質し、水素を含んだ改質ガス104を生成する。コンプレッサ103から空気105を送り、メタノ一ル101の部分酸化による改質を行う場合もある。前記水蒸気改質は吸熱反応であり、一方前記部分酸化は発熱反応である。改質ガス104と、コンプレッサ103から空気106が燃料電池107のアノード、カソードそれぞれの電極に送気され、改質ガス104中の水素と空気106中の酸素を用いて電力を発生させる。
【００２６】
改質ガス104中の水素と空気106中の酸素は、燃料電池107内で全てが消費されるわけではなく、一部を残して排出され、使用済み改質ガス108、使用済み空気109として燃焼器110に送気され、これらは必要に応じてコンプレッサ103からの空気111とメタノールタンク98から供給されるメタノール101とともに燃焼される。燃焼器110での燃焼反応の熱は、メタノール101や水102を気化するために、あるいは前記水蒸気改質の吸熱のために再利用される。
【００２７】
バッテリ112は、燃料電池107によって発電された余剰電力、または燃料電池自動車が減速する際のモータ113による回生電力を蓄えるとともに、モータ113による走行電力、コンプレッサ103、改質器100、燃焼器110等で消費される補機電力を賄うのに充分な発電を燃料電池107により供給できない場合には放電して不足電力を補う。これらの電力の配分が、電力調整器114を介して行われる。
【００２８】
制御装置115は、アクセルペダル116の踏み込み量をポジションセンサ117で検知した信号と車速信号130とから要求電力を算出し、燃料電池装置150のコントローラ（図示せず）に運転負荷信号151を送るとともに、電力調整器114による電力配分を電力管理信号152で制御する。
【００２９】
図２は前記制御装置115により実行される電力管理に関する第１の実施形態の処理ルーチンを表している。この処理ルーチンはマイクロコンピュータ上で周期的に実行される。また、以下の説明および図中の符号Ｓは前記処理ルーチンのステップ数を表す（以下同様）。この電力管理処理ではブレーキペダルの踏み込み量と車速とから回生電力を演算する。
Ｓ１：アクセル開度を読み込む。
Ｓ２：車速を読み込む。
Ｓ３：アクセル開度と車速から走行に必要な電力である電気負荷値の要求値を算出する。
Ｓ４：所定の時間分の過去までの、電気負荷値の要求値の時間平均値を算出する。
Ｓ５：ブレーキペダルの踏み込み量を読み込む。
Ｓ６：ブレーキペダルの踏み込み量が所定の値を越えたら回生電力ありと判断する。
Ｓ７：回生電力がない場合、電気負荷値の要求値の時間平均値を、燃料電池装置の運転負荷指示値とする。
Ｓ８：回生電力がある場合、燃料電池装置の運転負荷指示値をアイドル運転または停止とする。
【００３０】
図３に、前記第１の実施形態の制御による燃料電池装置の運転負荷指示値を従来と比較して示す。回生電力の発生している領域400において、従来は高い運転負荷指示値となっているが、本実施形態ではアイドル運転または停止(図では便宜上負荷０として示す。)に補正されている。図４にバッテリヘの充電電力を示す。最大の回生電力の発生している時刻Ｔ１における充電電力は、従来は符号500の点の高い値だったものが、本実施形態では符号501の点に低く抑えられている。回生電力の発生している領域では、ほぼ回生電力のみがバッテリに充電される。なお、図３，４は通常の街中走行パターンの一部を示したものであり、急ブレーキをかける状況であれば、500ならびに501の点はより大きな値となる。
【００３１】
この実施形態では、回生電力が発生ないしは消滅した際に運転負荷の指示値が急激に変化する。燃料電池装置の応答性が低く運転指示値に追従できない場合、その差分の電力はバッテリによって吸収されることになる。
【００３２】
図５は前記制御装置115により実行される電力管理に関する第２の実施形態の処理ルーチンを表している。
Ｓ１：アクセル開度を読み込む。
Ｓ２：車速を読み込む。
Ｓ３：アクセル開度と車速から走行に必要な電力である電気負荷値の要求値を算出する。
Ｓ４：ブレーキペダルの踏み込み量を読み込む。
Ｓ５：車速とブレーキペダルの踏み込み量から回生電力を算出する。
Ｓ６：前記Ｓ３の走行に必要な電力である電気負荷値の要求値を正、前記Ｓ５の回生電力を負とし、回生電力に重み付けを行って電気負荷値の要求値を算出する。
Ｓ７：Ｓ６の電気負荷値の要求値の、所定の時間分の過去までの時間平均値を算出する。
Ｓ８：Ｓ７の時間平均値を、燃料電池装置の運転負荷指示値とする。
【００３３】
図６と図７に、前記第２の実施形態の制御による燃料電池装置の運転負荷指示値を従来と比較して示す。図６と図７は、それぞれ重み付け補正係数１の場合、重み付け補正係数３の場合である。図示したように回生電力の発生している領域400において、従来は高い運転負荷指示値となっているが、本実施形態では運転負荷指示値が少なくなるように補正されている。図８にバッテリヘの充電電力を示す。最大の回生電力の発生している時刻Ｔ１における充電電力は、従来では符号800の点の高い値だったものが、本実施形態では符号801の点に低く抑えられている。回生電力の発生している領域400においては、回生電力の発生する直前の充電電力802程度となっている。
【００３４】
この実施形態では、回生電力が発生ないしは消滅した際に運転負荷の指示値が急激に変化することはないので、燃料電池装置は運転負荷の指示値に追従しやすい。
【００３５】
図９は前記制御装置115により実行される電力管理に関する第３の実施形態の処理ルーチンを表している。この実施形態では、ブレーキペダルの踏み込み量と車速とから回生電力を推算する一方、バッテリのSOC(充電量または残量)ならびに温度を検出している。
Ｓ１：車速を読み込む。
Ｓ２：アクセル開度を読み込む。
Ｓ３：Ｓ２のアクセル開度とＳ１の車速から走行に必要な電力である電気負荷値の要求値を算出する。
Ｓ４：ブレーキペダルの踏み込み量を読み込む。
Ｓ５：Ｓ１の車速とＳ４のブレーキペダルの踏み込み量から回生電力を算出する。
Ｓ６：Ｓ３の電気負荷値の要求値からＳ５の回生電力を差し引き、回生を考慮した電気負荷値の要求値Pdemandを算出する。
Ｓ７：Ｓ６の電気負荷値の要求値Pdemandの時間平均値Pdema,aveを算出する。
Ｓ８：バッテリのSOCの値を読み込む。
Ｓ９：バッテリの温度を読み込む。
Ｓ10：Ｓ８のSOC値とＳ９の温度とから、図１０に示したマップを用いて、バッテリの許容充電電力Pchargeを算出する。
Ｓ11：前記Ｓ3、Ｓ7、Ｓ10のPdemand、Pdema,ave、Pchargeを用いて、Pdema,aveからPdemandを差し引いた値がPchargeよりも小さいかどうかを判断する。
Ｓ12：Ｓ11の判断が真の場合、Ｓ７のPdema,aveを、燃料電池装置の運転負荷指示値とし、運転指示値の補正は行わない。この時、Pdema,aveからPdemandを差し引いた値がバッテリの充電電力となる。
Ｓ13：Ｓ11の判断が偽の場合、Ｓ10のPchargeからＳ６のpdemandを差し引いた値を、燃料電池装置の運転負荷指示値とする。この時、Pchargeがバッテリの充電電力となる。燃料電池装置の運転負荷指示値は、バッテリヘの充電が許容される範囲内で最小量の補正がなされる。
【００３６】
この実施形態では、最大の許容充電電力となるように充電量を制御でき、従って運転負荷の指示値の補正量を必要最低限に抑えられるため、バッテリの出力ないし容量などの仕様に対するマージンを前記各実施形態に比較してより小さく設定でき、従ってよりいっそうバッテリのコストの低減ならびにバッテリサイズダウンによる車両レイアウト性の向上を図ることができる。またバッテリに充電されている電力が持ちだされた後の再充電を充分に行うことができる。
【００３７】
図１１は前記制御装置115により実行される電力管理において運転負荷指示値に補正を与えるマップの実施形態を示している。まず、図１２を用いて従来の電力のやり繰りについて説明をする。領域Aは電気負荷の要求値の方が燃料電池装置の運転負荷指示値よりも大きい領域であり、この領域では燃料電池装置の発電電力が不足しており、この面積に相当するだけの電力量がバッテリから持ちだされていく。一方、領域Bは電気負荷の要求値の方が燃料電池装置の運転負荷指示値よりも小さい領域であり、この領域では燃料電池装置の発生電力が過剰となっており、この面積に相当するだけの電力量がバッテリに充電されていく。これらの領域が交互に存在し、バッテリの充電ならびに放電がなされ、長い時間で平均すれば充電量と放電量がほぼつり合い、バッテリの残量は初期の値が平均値となる。
【００３８】
他の実施形態においては、回生電力の発生している領域400において、領域Bの燃料電池発電システムの運転負荷指示値を小さくなるように補正するため、充電を行う領域の面積が小さくなり、従って長い時間で平均すると、バッテリ電力は持ちだし気味になる可能性がある。これに対して本実施形態では、バッテリのSOC値を読み込み、図１１に示した補正マップにより電気負荷値の要求値の時間平均値あるいは燃料電池装置の運転負荷指示値に補正を加え、この補正により前記のバッテリ電力が持ちだし気味になることを防止して、図１１の補正量０に対応するSOCの値SOC#Hの値に収斂するように充電量が制御される。
【００３９】
なお、前記各実施形態は電気負荷値の平滑化の手法として時間平均を例示したが、これに限らず例えば遅れ時定数を有するフィルタにより平滑化を行うようにしてもよい。また、電気負荷値の要求値は車速とアクセル開度から求めるほか、アクセル開度のみあるいは他のパラメータ、例えばドライブナビゲーション装置からの位置・速度等の情報を利用して求めることもできる。回生電力についても同様であり、車速とブレーキペダルの踏み込み量から算出するのみならず、他のパラメータから求めることもできる。また、バッテリの許容充電電力量を推算する手法として、バッテリの残量と温度から推算する方法を例示したが、場合によってはバッテリの残量から推算しても良いし、他の推算方法であっても良い。
【００４０】
回生電力の生じている際の補正方法としても、前記実施形態に限定されるわけではなく、例えば移動体の電気負荷値を平滑化した信号値から回生電力を差し引いて燃料電池装置の運転負荷の指示値としてもよい。実施形態は、改質システムを有する燃料電池装置を前提としているが、水素貯蔵システムを備えた燃料電池装置を備えた車両、あるいは内燃機関で発電機を駆動するシリーズ式ハイブリッド車両等に本発明を適用することも可能である。また、各実施形態は電力管理の対象としてもっぱら走行負荷を想定しているが、むろんこれに加えてエアコン等の補機駆動のための電力を含めた電気負荷を対象としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池自動車のシステム構成図。
【図２】本発明による電力管理に関する処理ルーチンの第１の実施形態を示す流れ図。
【図３】図２の実施形態の処理による電力管理状態を負荷電力と回生電力について示すシーケンス図。
【図４】図２の実施形態の処理による電力管理状態を充電電力と放電電力について示すシーケンス図。
【図５】本発明による電力管理に関する処理ルーチンの第２の実施形態を示す流れ図。
【図６】図５の実施形態の処理による電力管理状態を重み付け補正係数１の場合について示すシーケンス図。
【図７】図５の実施形態の処理による電力管理状態を重み付け補正係数３の場合について示すシーケンス図。
【図８】図５の実施形態の処理による電力管理状態をバッテリ充電電力について示すシーケンス図。
【図９】本発明による電力管理に関する処理ルーチンの第３の実施形態を示す流れ図。
【図１０】バッテリ状態から許容充電電力を付与するマップの説明図。
【図１１】本発明による電力管理に関する処理ルーチンの第３の実施形態を示す流れ図。
【図１２】本発明による電力管理に関する第４の実施形態に用いるマップであって、バッテリ状態から運転負荷の指示値に対する補正量を付与するマップの説明図。
【図１３】従来の電力管理状態を示すシーケンス図。
【符号の説明】
98 メタノールタンク
99 水タンク
100 燃料改質器
101 メタノール
102 水
103 コンプレッサ
104 改質ガス
107 燃料電池
110 燃焼器
112 バッテリ
113 モータ
114 電力調整器
115 制御装置
116 アクセルペダル
117 アクセルペダルポジションセンサ
150 燃料電池装置（燃料電池システム）

Claims (13)

  1. 燃料を用いて電力を発生する発電装置と、この発生電力を蓄えるバッテリとを備え、前記発電装置またはバッテリからの電力を動力源とする移動体において、
    移動体の電気負荷値を平滑化する電気負荷平滑化手段と、
    平滑化した電気負荷値に基づいて前記発電装置の運転負荷の指示値を定める運転負荷指示値設定手段と、
    移動体の回生電力を求める回生電力演算手段と、
    前記回生電力に基づいて発電装置の運転負荷の指示値を補正する運転負荷指示値補正手段とを設けた移動体用電力管理装置。
  2. 請求項1に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記電気負荷平滑化手段を、移動体の電気負荷値から回生電力演算手段により求めた回生電力を差し引いた値を、移動体の電気負荷値として平滑化演算するように構成した移動体用電力管理装置。
  3. 請求項１または２に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記運転負荷指示値設定手段を、回生電力演算手段により回生電力を求めた結果として、回生電力が有りと判断された際には、発電装置の運転負荷の指示値をアイドル運転または停止とするように構成した移動体用電力管理装置。
  4. 請求項２に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記電気負荷平滑化手段を、移動体の電気負荷値から回生電力演算手段により求めた回生電力を差し引く際、該回生電力に重み付けを行うように構成した移動体用電力管理装置。
  5. 請求項１または２に記載の移動体用電力管理装置において、
    バッテリの許容充電電力を求める許容充電電力演算手段と、バッテリヘの充電量を求める充電量演算手段とを備え、
    前記運転負荷指示値補正手段を、バッテリ充電量が許容充電電力を超えないように、発電装置の運転負荷の指示値を補正するように構成した移動体用電力管理装置。
  6. 請求項5に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記許容充電電力演算手段を、バッテリの充電量または温度の少なくとも何れか一方に基づいてバッテリの許容充電電力を演算するように構成した移動体用電力管理装置。
  7. 請求項5に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記バッテリ充電量演算手段を、電気負荷の要求値の時間平均値から回生を考慮した電気負荷の要求値を差し引いて、バッテリ充電電力を演算するように構成した移動体用電力管理装置。
  8. 請求項１または２に記載の移動体用電力管理装置において、
    運転負荷指示値補正手段を、バッテリの残量 SOC に基づいて発電装置の運転負荷の指示値を補正するように構成した移動体用電力管理装置。
  9. 請求項1に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記運転負荷指示値設定手段を、移動体の電気負荷値または平滑化した電気負荷値から回生電力を差し引いて、発電装置の運転負荷の指示値とするように構成した移動体用電力管理装置。
  10. 請求項１に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記発電装置として、水素を含むガスと空気とを用いて発電を行う燃料電池装置を備える移動体用電力管理装置。
  11. 請求項１に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記発電装置として、内燃機関と、内燃機関により駆動される発電機とを備える移動体用電力管理装置。
  12. 請求項１に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記回生電力演算手段を、移動体の制動状態に基づいて回生電力を求めるように構成した移動体用電力管理装置。
  13. 請求項１に記載の移動体用電力管理装置において、
    前記運転負荷指示値設定手段を、アクセル開度に代表される運転者の出力要求と移動体の移動速度の少なくとも何れか一方に基づいて移動体の電気負荷値を求めるように構成した移動体用電力管理装置。
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