| 【発明の名称】 |
２次電池と発電機の併用システムの制御装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】安部 孝昭
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| 【要約】 |
【課題】２次電池と燃料電池発電システムを併用した燃料電池車における全効率を向上させる。
【解決手段】車両コントローラ２０がＤＣ／ＤＣコンバータ１３を制御して燃料電池発電システム１２の発電電力をモータ１１への供給電力および２次電池１５への充電電力とする第１の走行モードと、燃料電池発電システムの発電電力および２次電池の放電電力をモータへ供給する第２の走行モードを繰り返す。その間、第１の走行モードにおける２次電池１５への充電効率を考慮した演算による効率が最大となる燃料電池発電システム１２の発電電力と２次電池１５の放電電力を設定する。これにより、燃料から燃料電池発電システム１２により生成された電気エネルギが２次電池１５へ充電され、さらに２次電池１５から放電されるまでを通した全効率が従来よりも大きく向上する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 負荷の駆動電源として２次電池と発電機を併用するシステムにおいて、発電機から２次電池へ充電可能とされ、発電機から２次電池への充電効率を演算する充電効率演算手段と、負荷の要求電力に応じて全効率データを演算する全効率データ演算手段と、負荷へそれぞれ供給する２次電池の電力と発電機の電力を制御する電力供給制御手段とを有し、該電力供給制御手段は、前記充電効率と全効率データに基づいて、負荷へ供給する２次電池の電力および発電機の電力を設定することを特徴とする２次電池と発電機の併用システムの制御装置。
【請求項２】 前記全効率データ演算手段は、要求電力に応じて、２次電池の充電効率別に発電機の発電効率および２次電池の放電効率に基づいて全効率データを演算し、前記電力供給制御手段は、前記全効率データにおいて、前記充電効率演算手段で演算された充電効率における最大の全効率を与える２次電池および発電機の各電力を設定するものであることを特徴とする請求項１記載の２次電池と発電機の併用システムの制御装置。
【請求項３】 前記充電効率演算手段は、２次電池へ発電機から充電を行なったときの効率の平均を充電効率とするものであることを特徴とする請求項１または２記載の２次電池と発電機の併用システムの制御装置。
【請求項４】 前記２次電池と発電機が車両に搭載され、前記負荷が車両駆動用のモータを含み、前記電力供給制御手段は、発電機の発電電力を前記負荷への供給電力および２次電池への充電電力とする第１の走行モードと、発電機の発電電力および２次電池の放電電力を前記負荷へ供給する第２の走行モードを有することを特徴とする請求項１、２または３記載の２次電池と発電機の併用システムの制御装置。
【請求項５】 負荷の駆動電源として２次電池と発電機を併用するとともに発電機から２次電池へ充電可能とされたシステムにおいて、発電機および２次電池から電力を負荷へ供給する際、発電機の発電電力と２次電池の放電電力の配分を、負荷の要求電力と発電機から２次電池へ充電したときの充電効率に基づいて全効率が最大となる値に設定することを特徴とする２次電池と発電機の併用システムの制御方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両の駆動源等に用いられる２次電池と発電機の併用システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近時、電気自動車において、車両駆動用モーターおよび補機の電源として、２次電池と発電機を備えた車両の開発が進み、そのエネルギー効率の向上が検討されている。また、このような車両に搭載される発電機として燃料電池発電システムも選択されるようになっている。燃料電池発電システムと２次電池を備えた車両では、大別して２つの走行モードがある。１つは、走行中、燃料電池発電システムの発電電力を駆動用モータならびに補機へ供給するとともに、２次電池へも供給するモードで、停車時もこのモードに含まれる。これを、以下、２次電池を充電する走行モードと呼ぶ。他のモードは、燃料電池発電システムの発電電力と２次電池の双方から駆動モータおよび補機へ電力を供給するもので、これを以下、２次電池を放電する走行モードと呼ぶ。
【０００３】このような走行モードを有する車両において、エネルギー消費性能を向上させるためには、それぞれの走行モードにおいて燃料電池発電システムと２次電池の総合的な効率を上げることが必要である。一般的に２次電池と燃料電池発電システムの効率は図４に示すような特性を示す。２次電池には内部抵抗によるジュール損失があるので、充電あるいは放電電力が大きいほど効率が低下し、放電ではａ、充電ではｂのようになる。燃料電池発電システムも、２次電池と同様のジュール損失に加え、酸素供給のためのコンプレッサの効率の影響を受け、ｃのように発電電力が大きいほど効率が低下していく特性となる。
【０００４】そのため、２次電池を充電する走行モードで、駆動モータおよび補機への供給電力を一定とした場合、２次電池への充電電力を大きくするほど燃料電池発電システムの発電電力が大きくなり、全効率が低下してしまう。ここで全効率とは、燃料から燃料電池発電システムにより発電され、さらにその発電電力が２次電池へ充電されたときの全体の効率をいう。そこで、この全効率を低下させないためには、従来、駆動モータおよび補機からの要求電力が大きいときには、２次電池の充電電力を小さくする運転方法が採用される。
【０００５】図８は、２次電池を放電する走行モードでの、燃料電池発電システムの発電効率、２次電池の放電効率、ならびに全効率を示す。ここでは、駆動モータおよび補機からの要求電力を６０ｋＷとしている。２次電池を放電する走行モードでは、燃料電池発電システムの発電電力と２次電池からの放電電力の合計電力が駆動モータと補機へ供給されるので、燃料電池発電システムの発電電力に対して、燃料電池発電システムの発電効率はａのように燃料電池発電システムの発電電力の増加とともに低下する。一方、２次電池からの放電効率は、燃料電池発電システム発電電力の増加とともに２次電池からの放電電力が減少するため、ｂのように上昇することになる。
【０００６】したがって、燃料電池発電システムおよび２次電池から供給される電力の全効率はｃのようになり、燃料電池発電システムの発電電力と２次電池からの放電電力が特定の関係にあるときに全効率が最大となる。これに基づいて、上記全効率が最大となる２次電池の放電電力と燃料電池発電システムの発電電力の各供給量を設定するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一方、２次電池を充電する走行モードでの２次電池への充電がされた際の効率は、制御によって図９に示されるようなものがある。なお、２次電池への充電効率は、燃料電池発電システム発電効率と２次電池充電効率を乗算して表わされる。図中、ａは２次電池への充電電力を一定に保持した場合の２次電池への充電効率を示し、ｂは２次電池への充電電力を駆動モータおよび補機へ供給する電力に比例させた場合の２次電池への充電効率を示し、ｃは２次電池への充電効率が所定値まで下がると２次電池への充電電力を減少させて２次電池への充電効率が所定値以下にならないようにした場合の充電効率の変化を示している。
【０００８】なお、車両の減速時に駆動モータの回生電力が２次電池へ充電されるが、このときは燃料電池発電システム発電効率は関係なく、回生電力の２次電池への充電効率はｄに示されるものとなる。２次電池を充電する走行モードでは、このような種々の制御を組み合わせることにより、車両のエネルギ消費性能と動力性能の両立を図るようにしている。
【０００９】ところで、さらに研究を進めたところ、前述のように、２次電池を放電する走行モードにおいて全効率が最大となるように設定しても、車両の全走行を通じての効率が最大になるものではないことが判明した。すなわち、上記の設定では、燃料から燃料電池発電システムにより電気エネルギが作られ、これが２次電池へ充電され、さらに２次電池から放電されるまでを通した全効率が最大とはならない。
【００１０】ここで、図１０は２次電池を放電する走行モードでの、駆動モータおよび補機への供給電力が６０ｋＷの場合の全効率を示す。横軸を燃料電池発電システムの発電電力として、２次電池を充電する走行モードでの２次電池への充電がされた際の効率別に複数の曲線として示している。この図から明らかなように、全効率は２次電池への充電がされた際の効率によって変化している。例えば、２次電池への充電がされた際の効率が７０％であれば、全効率の最大値は点Ｂの６５％となる。
【００１１】従来の制御では、２次電池への充電がされた際の効率が考慮されていないため、その際の効率が１００％の特性曲線上で求められ、その結果、燃料電池発電システムの発電電力が２０ｋＷ、２次電池の放電電力が４０ｋＷ（６０ｋＷ−２０ｋＷ）の点で全効率が最大になるものとされる。しかし、２次電池への充電がされた際の効率が７０％であったとすれば、燃料電池発電システムの発電電力が３６ｋＷ、２次電池の放電電力が２４ｋＷ（６０ｋＷ−３６ｋＷ）の点Ｂが最大効率となるわけで、燃料電池発電システムの発電電力が２０ｋＷ、２次電池の放電電力が４０ｋＷの点Ａでの全効率は得られるべき最大効率よりも低いものとなってしまう。
【００１２】このように、２次電池を充電する走行モードでの２次電池への充電効率が車両の走行条件によって変化する一方、２次電池を放電する走行モードではこの２次電池への充電効率によって全効率が最大となる点が変化する。したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、２次電池への充電効率が変化しても、発電機で電気エネルギが作られ、これが２次電池へ充電され、さらに２次電池から放電されるまでを通した全効率が常に最大となるようにした２次電池と発電機の併用システムの制御装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】このため請求項１の本発明の制御装置は、負荷の駆動電源として２次電池と発電機を併用するシステムにおいて、発電機から２次電池へ充電可能とされ、発電機から２次電池への充電効率を演算する充電効率演算手段と、負荷の要求電力に応じて全効率データを演算する全効率データ演算手段と、負荷へそれぞれ供給する２次電池の電力と発電機の電力を制御する電力供給制御手段とを有し、該電力供給制御手段は、前記充電効率と全効率データに基づいて、負荷へ供給する２次電池の電力および発電機の電力を設定するものとした。
【００１４】より具体的には、請求項２のように、全効率データ演算手段は、要求電力に応じて、２次電池の充電効率別に発電機の発電効率および２次電池の放電効率に基づいて全効率データを演算し、電力供給制御手段は、全効率データにおいて、充電効率演算手段で演算された充電効率における最大の全効率を与える２次電池および発電機の各電力を設定するものとすることができる。また、請求項３の発明は、とくに充電効率演算手段が２次電池へ発電機から充電を行なったときの効率の平均を充電効率とするものとした。
【００１５】請求項４の発明は、２次電池と発電機が車両に搭載され、負荷が車両の駆動モータを含むもので、電力供給制御手段が発電機の発電電力を負荷への供給電力および２次電池への充電電力とする第１の走行モードと、発電機の発電電力および２次電池の放電電力を負荷へ供給する第２の走行モードを有するものとした。
【００１６】また、請求項５の発明は制御方法であって、負荷の駆動電源として２次電池と発電機を併用するとともに発電機から２次電池へ充電可能とされたシステムにおいて、発電機および２次電池から電力を負荷へ供給する際、発電機の発電電力と２次電池の放電電力の配分を、負荷の要求電力と発電機から２次電池へ充電したときの充電効率に基づいて全効率が最大となる値に設定するようにした。
【００１７】
【発明の効果】請求項１および請求項５の発明によれば、２次電池へ充電を行なったときの充電効率を考慮して負荷へ供給する２次電池の電力および発電機の電力を設定するので、２次電池が充電され、２次電池から放電されるまでの全体を通しての全効率を向上させるよう要求電力に対する２次電池の電力と発電機の電力の配分が決定される。これにより、発電装置として燃料電池発電システムやエンジン駆動による発電機などいずれの形式のものを用いても、エネルギー消費性能が向上する。
【００１８】請求項２の発明では、要求電力に応じて全効率データを充電効率別に演算して準備し、実際の充電効率に対応する全効率データの中で最大値を与える２次電池および発電機の各電力を設定するので、２次電池が充電され、２次電池から放電されるまでの全効率が最大となる。
【００１９】請求項３の発明では、充電効率として２次電池へ発電機から充電を行なったときの効率の平均値を用いるので、時間とともに変化する充電時の効率をそのまま用いる場合に比較して、充電効率に応じて負荷へ供給する２次電池の電力および発電機の電力を設定する際の演算負荷が軽減される。
【００２０】請求項４の発明では、２次電池と発電機の電力で駆動モータを駆動する車両において、２次電池を充電しながら走行する第１の走行モードと、２次電池を放電させながら走行する第２のモードを交互に繰り返すことにより、２次電池の残容量を適正な範囲に保持して、全効率を向上させることができる。これにより、２次電池の有効利用と劣化防止が確保され、また燃費が低減する。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を実施例により説明する。図１は燃料電池車に適用した実施例を示すブロック図である。燃料電池車は、駆動輪１０を回転駆動する駆動源としてモータ１１を備え、モータ１１の電源として燃料電池発電システム１２と２次電池１５が搭載され、運転状態に応じてこれらを制御する車両コントローラ２０を備えている。燃料電池発電システム１２は、燃料としてメタノールを改質して水素を生成し、これを燃料電池で電気エネルギに変換する。
【００２２】燃料電池発電システム１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３およびインバータ１４を介して負荷としてのモータ１１および補機１６に接続され、またＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して２次電池１５に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は車両コントローラ２０に接続され、車両コントローラ２０からの指令によって、燃料電池発電システム１２の発電電力をモータ１１および補機１６、ならびに２次電池１５へ供給する作動モードと、燃料電池発電システム１２の発電電力と２次電池１５からの電力をモータ１１および補機１６へ供給する作動モードとの間で切替わる。
【００２３】これにより、燃料電池発電システム１２の発電電力はＤＣ／ＤＣコンバータ１３で昇圧または降圧されて２次電池１５へ供給され、またインバータ１４を介してモータ１１および補機１６へ供給される。２次電池１５の電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を経由しインバータ１４を介してモータ１１や補機１６に供給される。またモータ１１が回生発電するときは、その回生電力はインバータ１４を介して電池１５へ充電される。
【００２４】車両コントローラ２０には、アクセルペダルの踏み量を検出するアクセルペダルセンサ２８と、モータ１１の回転数を検出する回転センサ２９が接続され、アクセルペダルの踏み量およびモータの回転数等による運転状態に基づいて、要求電力が算出される。車両コントローラ２０にはまた、２次電池１５の総電圧を検出する電圧センサ２１、電流値を検出する電流センサ２２および温度を検出する温度センサ２３が接続され、これらの検出値に基づいて、２次電池１５の残充電量ＳＯＣ、放電可能出力および充電可能入力、放電効率および充電効率が演算される。さらに車両コントローラ２０には、燃料電池発電システム１２の出力総電圧を検出する電圧センサ２５と電流値を検出する電流センサ２６が接続され、燃料電池発電システム１２の発電効率が演算される。
【００２５】以上のように構成された燃料電池車は、モータ１１および補機１６に燃料電池発電システム１２の発電電力と２次電池１５の放電電力を駆動用電源として供給する「２次電池を放電する走行モード」と、燃料電池発電システム１２の発電電力をモータ１１および補機１６へ駆動用電源として供給するとともに、２次電池１５へ充電電力として供給する「２次電池を充電する走行モード」を走行状態に応じて繰り返す。また、走行中に減速を行う場合は、モータ１１からの回生電力が２次電池１５へ充電される。
【００２６】つぎに、車両コントローラ２０による制御の流れを図２のフローチャートにより説明する。まず運転開始のためステップ１０１で図示しないキーがオンされると、ステップ１０２において、２次電池１５の総電圧に基づいてその残容量ＳＯＣを演算する。ステップ１０３では、走行モードの初期設定として「２次電池を放電する走行モード」に設定する。そしてステップ１０４で、あらためて現在の走行モードが「２次電池を放電する走行モード」であるか「２次電池を充電する走行モード」であるかをチェックする。
【００２７】「２次電池を放電する走行モード」である場合は、ステップ１１１へ進み、２次電池１５の残容量ＳＯＣが下限の設定値ＳＯＣ１より大きいかどうかをチェックする。２次電池１５の残容量ＳＯＣがＳＯＣ１より大きいときは、「２次電池を放電する走行モード」を継続するものとして、ステップ１１２に進み、要求電力と前回の「２次電池を充電する走行モード」における２次電池１５への充電効率に基づき、２次電池１５の放電出力と燃料電池発電システム１２の発電電力を演算する。なお、初回のフローにおける上記前回の２次電池１５への充電効率は、初期値として例えば９０％を設定しておく。
【００２８】そしてステップ１１３で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を制御して上記演算された放電出力と発電電力をモータ１１および補機１６へ供給する。つぎのステップ１１４で、２次電池１５の残容量ＳＯＣを２次電池の総電圧または放電電流値の積算により演算したあと、ステップ１１１へ戻る。
【００２９】ステップ１１１のチェックで２次電池１５の残容量ＳＯＣが下限の設定値ＳＯＣ１以下のときは、２次電池をさらに放電させないために、ステップ１１５へ進む。ステップ１１５では、走行モードを「２次電池を充電する走行モード」に設定して、ステップ１０４へ戻る。
【００３０】ステップ１０４のチェックで、走行モードが「２次電池を充電する走行モード」であるときは、ステップ１２１へ進み、２次電池１５の残容量が上限の設定値ＳＯＣ２より小さいかどうかをチェックする。２次電池１５の残容量ＳＯＣがＳＯＣ２より小さいときは、「２次電池を充電する走行モード」を継続するものとして、ステップ１２２へ進む。
【００３１】ステップ１２２では、所定の発電効率の範囲内で燃料電池発電システム１２の発電電力をモータおよび補機の要求電力と２次電池１５への供給電力とに配分設定する。そして、ステップ１２３において、この設定に基づいてモータ１１および補機１６へ電力供給するとともに、２次電池１５を充電する。ステップ１２４では、上記充電の間、随時に２次電池１５への充電効率を演算し、つぎのステップ１２５でその充電効率の平均値を求める。そしてステップ１２６で、２次電池１５の残容量ＳＯＣを演算して、ステップ１２１へ戻る。
【００３２】ステップ１２１のチェックで２次電池１５の残容量ＳＯＣがＳＯＣ２以上のときは、２次電池１５を充電する必要がないものとして、ステップ１２７へ進んで、走行モードを「２次電池を放電する走行モード」に設定したあと、ステップ１０４へ戻る。
【００３３】図３は、ステップ１１２における２次電池１５の放電出力と燃料電池発電システム１２の発電電力の演算手順の詳細を示す。まずステップ１３１において、車両コントローラ２０はアクセルペダルセンサ２８からのアクセルペダル踏み量など所定のパラメータにより算出される運転状態に基づいてモータ１１および補機１６の要求電力を算出する。つぎのステップ１３２では、要求電力から燃料電池発電システム１２の発電電力値に対する全効率を演算する。ここでは、図４にａで示した２次電池１５の放電における電力と効率の関係、および図４にｃで示した燃料電池発電システム１２の発電電力と効率の関係を基に、２次電池の充電効率をパラメータとして、図５に示すように燃料電池発電システム１２の発電電力値に対する全効率を求める。なお、図５は要求電力が６０ｋＷの場合で、先の図１０と同じ特性を示している。
【００３４】続いてステップ１３３において、全効率が最大となる燃料電池発電システム１２の発電電力と２次電池１５の放電電力を演算する。これは、図５上で「２次電池を充電する走行モード」で求めた２次電池１５への平均充電効率に該当する特性曲線が最大値となる燃料電池発電システム１２の発電電力を求めることとなる。また、２次電池１５の放電出力は要求電力から燃料電池発電システム１２の発電電力を引いたものとなる。
【００３５】これにより、要求電力が６０ｋＷの場合において、２次電池１５への充電効率が７０％のときは、２次電池への充電効率を考慮しない従来の制御法で得られる点Ａの６２％から点Ｂの６５％へ全効率が向上する。同様に、図６は要求電力が４０ｋＷの場合、図７は要求電力が２０ｋＷの場合の全効率を示すもので、２次電池１５への充電効率が７０％のときそれぞれ点Ｃの６２％から点Ｄの６９％へ、点Ｅの６５％から点Ｆの７３％へ向上している。２次電池１５への充電効率が７０％より小さい場合には、さらに効率向上の幅が大きくなることとなる。
【００３６】本実施例では、上記のステップ１２２および１２３が発明の充電効率演算手段を構成し、ステップ１３１および１３２が全効率データ演算手段を、ステップ１３３および１１３が電力供給制御手段を構成している。
【００３７】実施例は以上のように構成され、「２次電池を放電する走行モード」と「２次電池を充電する走行モード」が、２次電池１５の残充電量がＳＯＣ１からＳＯＣ２の範囲内に維持されるよう繰り返され、その間、「２次電池を充電する走行モード」における２次電池１５への充電効率を考慮した演算による効率が最大となる燃料電池発電システム１２の発電電力と２次電池１５の放電電力を設定するので、燃料から燃料電池発電システム１２により生成された電気エネルギが２次電池１５へ充電され、さらに２次電池１５から放電されるまでを通した全効率を従来よりも大きく向上させることができる。
【００３８】なお、実施例では負荷として駆動用のモータ１１および補機１６を例示したが、これらに限定されない。また、２次電池１５の残充電量がＳＯＣ１からＳＯＣ２の範囲内に維持されるよう「２次電池を放電する走行モード」と「２次電池を充電する走行モード」を交互に繰り返すものとしたが、ＳＯＣ１からＳＯＣ２の範囲内に維持される限りにおいて、必要に応じて上記２つの走行モードを適時に切替えることができる。
【００３９】また、燃料電池発電システムとして、メタノールを改質して生成した水素を燃料電池に供給するタイプとしたが、これに限らず、例えば水素を直接燃料電池へ供給して電気エネルギに変換する形式のものでもよい。
【００４０】さらに、フローチャートのステップ１０２、１１３、あるいは１２４における２次電池１５の残容量ＳＯＣの演算も、２次電池の総電圧に基づいて演算するほか、燃料電池車のキーオフ時の２次電池残容量ＳＯＣを記憶させておいて、これを読み出すものとしてもよい。さらにまた、ステップ１０３での走行モードの初期設定は「２次電池を放電する走行モード」としたが、このほか、例えば前回キーオフしたときの走行モードを記憶させておいて、これを読み出すものとしてもよい。また、キーオンからステップ１１２へ進んだ初回のフローにおける２次電池１５への充電効率の初期値も、同様に、前回のキーオフ時の２次電池への充電効率を記憶させておいて、これを読み出すものとすることができる。
【００４１】また、図４に示した２次電池の充電効率および放電効率には２次電池の残容量ＳＯＣや２次電池の温度のパラメータを省いているが、これらの充電効率および放電効率は残容量ＳＯＣや温度によって変化するので、残容量ＳＯＣや温度別に２次電池の充電効率および放電効率の特性曲線を準備することにより、一層制御精度を向上させることができる。
【００４２】さらに、実施例では発電機として燃料電池発電システムを用いた例について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばエンジンにより駆動される発電機を用いる場合にも同様に適用される。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年３月２４日（２０００．３．２４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８６４５０
【弁理士】
【氏名又は名称】菊谷 公男 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２７５２０５（Ｐ２００１−２７５２０５Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月５日（２００１．１０．５） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−８５１５５（Ｐ２０００−８５１５５） |
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