JP6935664B2 - 燃料電池を備える移動体 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える移動体に関する。

エンジン、モータの動力を車軸に出力できるように構成され、モータを駆動する主電源として燃料電池を設けたハイブリッド自動車がある。ハイブリッド自動車において、燃料電池用の燃料の消費に伴って燃料電池の出力分担が低減するように、燃料電池とエンジンとの使い分けを行う技術が開示されている。ここでは、燃料電池の燃料が少なくなったときはモータを動力源とする走行領域を狭め、燃料電池の電力を用いるのではなく、エンジンでモータを発電機として駆動してバッテリの充電を行う。これによって、一つの運転モードで燃料電池の燃料が過度に消費されることを回避でき、燃料電池の有効性が高い運転状態において優先的に燃料電池を使用することができる。（特許文献１）

特開２００１−１９０００７号公報

移動体の駆動力源として燃料電池を搭載することにより、エンジンのみで駆動するのに比べて燃費を向上させることができる。しかしながら、燃料電池からの電力供給が過剰となると逆に燃費が低下するおそれがある。したがって、移動体の走行に応じて燃料電池からの電力供給量を制御することにより燃費を向上させることが望まれている。

特許文献１に記載の技術では、燃料電池から電力が供給できなくなる事態を避けることを目的としており、移動体の走行に応じて燃料電池による燃費の向上させるものではない。

本発明の１つの態様は、燃料を改質して電気を発生させる燃料電池を備え、前記燃料電池から供給される電力を用いて駆動力を発生させる移動体であって、将来の移動体の走行時における走行負荷予測値によって前記燃料電池からの供給電力を制御することを特徴とする移動体である。

ここで、前記走行負荷予測値は、過去の走行実績に基づいて設定されることが好適である。

また、前記走行負荷予測値は、過去の曜日及び時間帯毎における走行実績に基づいて設定されることが好適である。

また、前記走行負荷予測値に加えて、前記燃料電池の発電許容時間によって前記燃料電池からの供給電力を制御することが好適である。

また、前記発電許容時間は、過去の走行実績に基づいて設定されることが好適である。

また、前記発電許容時間は、過去の曜日及び時間帯毎における走行実績に基づいて設定されることが好適である。

本発明によれば、移動体の走行負荷予測に基づいて燃料電池の燃費を向上させることができる。

本発明の実施の形態における車両の基本構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池の供給電力量の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における車両の機能ブロックを示す図である。 本発明の実施の形態における走行負荷のデータベースの登録例を示す図である。 走行負荷毎における燃料電池からの供給電力量と燃費向上率との関係の例を示す図である。 走行負荷と最適供給電力量との関係を示す図である。 燃料電池の発電量と発電効率との関係を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池の供給電力量の制御方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における車両の機能ブロックを示す図である。 燃料電池の供給電力量と燃費向上率との関係を示す図である。 発電許容時間と燃料電池の最適供給電力量との関係を示す図である。

本発明の実施の形態における車両１００は、図１の構成図に示すように、エンジン１０、二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６、伝達機構１８、デフ２０、タイヤ２２、燃料電池２４、電力変換器２６、電力変換器２８、補機類３０、燃料タンク３２、センサ３４及び制御部３６を含んで構成される。

車両１００の動力源はエンジン１０とモータ１６であり、エンジン１０及びモータ１６によって与えられる駆動力は伝達機構１８及びデフ２０を介してタイヤ２２に伝達されて車両１００の走行が行われる。

なお、本実施の形態では、車両１００を移動体の例として説明するが、本発明の適用範囲は車両１００に限定されるものではなく、燃料電池２４を備える移動体であればよい。すなわち、本発明の適用範囲である移動体は、燃料電池２４を含む２種類以上のエネルギー出力源を備えるものであればよい。エネルギー出力源は、機械的エネルギー及び電気的エネルギーなど種々の形態でエネルギーを発生させるものであればよい。

車両１００では、モータ１６に対して二次電池１２から電力が供給される。二次電池１２は、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池等が挙げられる。二次電池１２の出力電力は、電力変換器１４によって昇圧及び三相化されてモータ１６に供給される。モータ１６は、例えば三相の同期モータとされ、二次電池１２からの電力を受けて回転駆動力を伝達機構１８へ出力する。

燃料電池２４は、電気化学反応によって燃料を化学的に変化させて電力を発生して出力する電池である。燃料電池２４の燃料は、水素、炭化水素（メタノール等）、アルコール、ガソリン等が挙げられる。燃料電池２４の出力電力は、電力変換器２６によって電圧の変換を受けて二次電池１２の充電電力として供給される。車両１００が走行中である場合、すなわちモータ１６が駆動状態である場合、燃料電池２４から電力が出力されており、燃料電池２４からの供給電力がモータ１６での消費電力より大きければ二次電池１２は燃料電池２４から充電される状態（充電状態）となり、燃料電池２４からの供給電力がモータ１６での消費電力より小さければ二次電池１２からモータ１６へ不足分の電力が供給される状態（放電状態）となる。

本実施の形態では、燃料電池２４は、制御部３６からの制御信号を受けて出力電力を調整して出力する。燃料電池２４の出力電力の調整手段は、特に限定されるものではないが、例えば燃料電池２４へ供給される単位時間当たりの燃料量を調整する手段とすることができる。すなわち、燃料タンク３２から燃料電池２４への供給ラインに流量調整器を設け、制御部３６からの制御信号に応じて燃料タンク３２から燃料電池２４へ供給される燃料の単位時間当たりの流量を調整することによって燃料電池２４からの出力電力を調整することができる。

なお、車両１００には、補機類３０を設けてもよい。補機類３０には、ランプ、エアコン等の車両１００の走行等に必要な電気機器が含まれる。補機類３０には、電力変換器２８を介して二次電池１２から電力が供給される。

以下、図２のフローチャートを参照して、本発明の実施の形態における燃料電池２４の制御について説明する。図２は、車両１００の走行時における制御について示す。図３は、車両１００の機能ブロック図を示す。

ステップＳ１０では、車両１００の走行時における負荷が記録される。本ステップでの処理によって走行状態検出手段４０が実現する。制御部３６は、センサ３４（アクセル開度センサ、ブレーキ操作量センサ、車軸回転数（ペラ軸回転数）センサ等）からでの測定結果を受けて、走行時における車両１００の負荷を推定して記録する。車両１００の負荷の推定は、特に限定されるものではないが、センサ３４での測定結果と車両１００の走行時の負荷との関係を予め調べてデータベース（マップ）として登録しておき、センサ３４での実際の測定結果の組み合わせに対応する車両１００の走行負荷を読み出すようにすればよい。また、センサ３４での測定結果と車両１００の走行時の負荷との関係を予め調べて車両１００の走行負荷をセンサ３４の測定結果の関数として表わし、センサ３４での実際の測定結果をその関数に代入することによって車両１００の走行負荷を読み出すようにしてもよい。

制御部３６は、図４に示すように、カレンダーと連動させて、曜日毎及び時間帯毎に得られた走行負荷を記録する。走行負荷は、単位時間当たりに使用される電力量（任意単位）とする。このとき、車両１００のメインスイッチのオン／オフ情報からの運転開始時刻及び運転終了時刻、駐車時間等を算出して走行パターンとして記録する。なお、走行負荷の記録が複数の週に亘る場合には、過去の曜日及び時間帯毎の走行負荷の平均値や中央値を記録するようにしてもよい。

ステップＳ１２では、車両１００の走行時における負荷の予測が行われる。本ステップでの処理によって走行負荷予測手段４２が実現する。制御部３６は、過去に記録された車両１００の走行負荷に基づいて将来の走行負荷を予測する。制御部３６は、ステップＳ１０において蓄積された過去の走行負荷のデータベースを参照し、走行状態である現時点から所定の期間について、曜日及び時間帯毎に高頻度の走行負荷を算出する。

所定の期間は、特に限定されるものではないが、例えば、ステップＳ１０において記録された走行パターンに基づいて現時点から走行が終了すると想定されるまでの期間とすればよい。具体的には、過去の走行パターンの記録を参照し、各曜日において車両１００の走行が開始される時刻の平均値及び走行が終了される時刻の平均値を求めてその間の期間を走行期間とし、現時点から次の走行期間の終了時刻までを所定の期間とすればよい。

高頻度の走行負荷は、過去の走行負荷が曜日及び時間帯毎の走行負荷の平均値や中央値として記録されている場合には、曜日及び時間帯毎の走行負荷の平均値や中央値をそのまま使用すればよい。

ステップＳ１４では、燃料電池２４による発電量が決定され、その発電量で発電されるように燃料電池２４が制御される。本ステップでの処理によって発電量決定手段４４が実現する。

図５は、車両１００の走行負荷毎における燃料電池２４からの供給電力量と燃料電池２４における燃費向上率との関係の例を示す。図５に示すように、走行負荷毎に、燃料電池２４からの供給電力量が増加すると燃費向上率は高くなるが、ある点でピークを迎えて、その後低下する。すなわち、走行負荷毎に燃費向上率が最大（ピーク）となる供給電力量が存在する。図６は、走行負荷と最適供給電力量との関係を示す。図６に示すように、走行負荷が高くなるにつれて最適供給電力量は高くなる。図７は、燃料電池２４の発電量と発電効率との関係を示す。図７に示すように、燃料電池２４では発電量が多くなるにつれて発電効率は低下する。したがって、燃料電池２４の発電効率の点からは燃料電池２４の単位時間当たりの発電量は低くすることが望ましい。これらの情報は車両１００毎に予め調べられ、制御部３６にデータベースとして記憶及び保持される。

すなわち、走行負荷毎に燃料電池２４の最適な発電量、すなわち燃料電池２４からの供給電力量の最適値が存在する。制御部３６は、将来の走行負荷に応じて燃料電池２４からの供給電力量の最適値を決定する。具体的には、制御部３６は、ステップＳ１２において予測された曜日及び時間帯毎の走行負荷の予測に対して曜日及び時間帯毎に燃料電池２４からの供給電力量の最適値を決定する。そして、制御部３６は、燃料電池２４に対して燃料電池２４からの供給電力量が最適値となるように制御する制御信号を出力する。これによって、燃料電池２４から二次電池１２に対して最適な供給電力量の電力が出力される。

次に、図８のフローチャートを参照して、車両１００が走行していない駐車期間を含む場合の制御について説明する。図９は、車両１００の機能ブロック図を示す。なお、ステップＳ１０での処理は上記と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１６では、車両１００において発電許容時間（充電時間）の予測が行われる。本ステップでの処理によって発電許容時間設定手段４６が実現する。制御部３６は、過去に記録された車両１００の走行パターン及び走行負荷の記録に基づいて将来の発電が許容される時間（充電時間）を予測する。制御部３６は、ステップＳ１０において蓄積された過去の走行パターン及び走行負荷のデータベースを参照し、現在の曜日及び時刻に応じて車両１００が次に使用されるまでの最も頻度が高い時間を予測する。具体的には、過去の走行パターンの記録を参照し、各曜日において車両１００の走行が開始される時刻の平均値及び走行が終了される時刻の平均値を求めてその間の期間を走行期間とし、現時点から次の走行期間の開始時刻までを発電許容時間（充電時間）とすればよい。

ステップＳ１２では、車両１００における走行負荷の予測が行われる。本ステップでの処理によって走行負荷予測手段４２が実現する。制御部３６は、過去に記録された車両１００の走行負荷に基づいて所定の期間の将来の走行負荷を予測する。制御部３６は、ステップＳ１０において蓄積された過去の走行負荷のデータベースを参照し、将来の所定の期間における各時間帯における高い頻度の走行負荷を算出する。

所定の期間は、特に限定されるものではないが、例えば、３時間、１日等の予め定められた期間とすればよい。また、所定の期間は、ステップＳ１０において記録された走行パターンに基づいて現時点から次の走行が開始されて終了すると想定されるまでの期間としてもよい。具体的には、過去の走行パターンの記録を参照し、各曜日において車両１００の走行が開始される時刻の平均値及び走行が終了される時刻の平均値を求めてその間の期間を走行期間とし、現時点から次の走行期間の終了時刻までを所定の期間とすればよい。

また、高頻度の走行負荷は、過去の走行負荷が曜日及び時間帯毎の走行負荷の平均値や中央値として記録されている場合には、曜日及び時間帯毎の走行負荷の平均値や中央値をそのまま使用すればよい。

ステップＳ１４では、燃料電池２４による発電量が決定され、その発電量で発電されるように燃料電池２４が制御される。本ステップでの処理によって発電量決定手段４４が実現する。

図１０は、走行負荷Ａのときと走行負荷Ｂ（＞走行負荷Ａ）のときの燃料電池２４からの供給電力量と燃費向上率との関係を示す。走行負荷Ａ及びＢのいずれにおいても発電許容時間（充電時間）が短い場合（図中の（１））から長い場合（図中の（４））の４パターンについての関係を示す。図１０に示されるように、燃料電池２４からの供給電力量と燃費向上率との関係には燃費向上率を最高（極大）にする最適な供給電力量が存在する。そして、燃料電池２４からの最適な供給電力量は、発電許容時間（充電時間）の長短によって変動する。

図１１は、発電許容時間（充電時間）と燃費を最大とする最適な供給電力量との関係を示す図である。このように、将来予測される走行負荷とその走行が開始されるまでの発電許容時間（充電時間）との関係に基づいて最適な供給電力量を決定することができる。これらの情報は車両１００毎に予め調べられ、制御部３６にデータベースとして記憶及び保持される。

制御部３６は、ステップＳ１２において予測された将来の走行負荷に応じて燃料電池２４からの供給電力量の最適値を決定する。具体的には、制御部３６は、ステップＳ１２において予測された曜日及び時間帯毎の走行負荷の予測に対して曜日及び時間帯毎に燃料電池２４からの供給電力量の最適値を決定する。そして、制御部３６は、燃料電池２４に対して燃料電池２４からの供給電力量が最適値となるように制御する制御信号を出力する。これによって、燃料電池２４から二次電池１２に対して最適な供給電力量の電力が出力される。

以上のように、本実施の形態における車両１００によれば、移動体の走行負荷予測に基づいて燃料電池の燃費を向上させることができる。

１０ エンジン、１２ 二次電池、１４ 電力変換器、１６ モータ、１８ 伝達機構、２０ デフ、２２ タイヤ、２４ 燃料電池、２６ 電力変換器、２８ 電力変換器、３０ 補機類、３２ 燃料タンク、３４ センサ、３６ 制御部、４０ 走行状態検出手段、４２ 走行負荷予測手段、４４ 発電量決定手段、４６ 発電許容時間設定手段、１００ 車両。

Claims (6)

1. 二次電池と、燃料を改質して電気を発生させる燃料電池を備え、前記二次電池及び前記燃料電池から供給される電力を用いて駆動力を発生させる移動体であって、将来の移動体の走行時における走行負荷予測値及び前記燃料電池の発電許容時間によって前記燃料電池から前記二次電池を充電するための供給電力を制御し、
   過去の曜日及び時間帯毎における走行実績に基づいて走行が開始される時刻から終了される時刻までを走行期間として予測し、現時点から次の走行期間の開始時刻までを前記発電許容時間として設定し、
   前記発電許容時間において前記燃料電池から前記二次電池への充電を行うことを特徴とする移動体。
2. 請求項１に記載の移動体であって、
   前記走行負荷予測値は、過去の走行実績に基づいて設定されることを特徴とする移動体。
3. 請求項２に記載の移動体であって、
   前記走行負荷予測値は、過去の曜日及び時間帯毎における走行実績に基づいて設定されることを特徴とする移動体。
4. 請求項３に記載の移動体であって、
   前記走行負荷予測値は、過去の曜日及び時間帯毎における走行が開始される時刻の平均値及び走行が終了される時刻の平均値の間の走行期間に基づいて設定されることを特徴とする移動体。
5. 請求項３に記載の移動体であって、
   前記走行負荷予測値は、過去の曜日及び時間帯毎における走行負荷の平均値又は中央値に基づいて設定されることを特徴とする移動体。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の移動体であって、
   前記発電許容時間は、過去の曜日及び時間帯毎における走行が開始される時刻の平均値及び走行が終了される時刻の平均値の間の走行期間に基づいて設定されることを特徴とする移動体。
   

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