特開 2022-47098 燃料電池システムの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022047098

(43)【公開日】2022-03-24

(54)【発明の名称】燃料電池システムの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20220316BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20220316BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20220316BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20220316BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20220316BHJP

   B60L 50/75 20190101ALI20220316BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/00 Z

H01M8/04313

H01M8/04537

H01M8/04858

B60L50/75

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020152832

(22)【出願日】2020-09-11

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100212657

【弁理士】

【氏名又は名称】塚原 一久

(72)【発明者】

【氏名】小野 大輔

【テーマコード（参考）】

5H125

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H125AA13

5H125AC07

5H125AC12

5H125BD02

5H125CA18

5H125EE55

5H127AB04

5H127AB29

5H127AC05

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127CC07

5H127DB69

5H127DB91

5H127DC45

5H127FF08

5H127FF11

(57)【要約】

【課題】移動体の動作に必要な必要電力量を正確に算出し、算出した必要電力量に応じて燃料電池システムの発電電力を適切に制御する。
【解決手段】移動体１に搭載された燃料電池システム１００を制御する制御装置１０１であって、制御装置１０１は、任意地点を認識可能な位置認識部１０１ａと、移動体が任意地点に移動するのに必要な必要電力量を算出する電力算出部１０１ｂと、を有し、位置認識部１０１ａは、移動体の出発地点を出発地点、移動体の移動先地点を移動先地点として認識し、電力算出部１０１ｂは、出発地点から移動先地点までの移動に必要な電力を必要電力量として算出し、算出された必要電力量に応じて燃料電池スタック１１５の発電電力を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

移動体に搭載された燃料電池システムを制御する制御装置であって、
任意地点の移動体の位置を認識可能な位置認識部と、
前記移動体が任意地点に移動するのに必要な必要電力量を算出する電力算出部と、
を有し、
前記位置認識部は、前記移動体の出発地点と移動先地点とを認識し、
前記電力算出部は、前記出発地点から前記移動先地点までの移動に必要な電力を前記必要電力量として算出し、
算出された前記必要電力量に応じて燃料電池スタックの発電電力を制御する、
燃料電池システムの制御装置。

【請求項2】

前記位置認識部は、経由地点を更に認識し、
前記電力算出部は、前記出発地点から前記経由地点までの移動に必要なエネルギーと、前記経由地点から前記移動先地点までの移動に必要なエネルギーとを含んで、前記必要電力量を算出する、
請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。

【請求項3】

荷役作業の対象物の荷重を参照して前記発電電力を制御する、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この開示は、燃料電池システムの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムを発電装置として搭載した電動車両等の移動体が存在する。この燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電電力を、低発電、中発電、高発電のように複数段階に制御するものが知られている。

【0003】

燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの発電電力が大きくなるほど、ラジエータ用ウォータポンプ及びラジエータファンなどの補機の消費電力が多くなり、発電効率が悪化することが知られている。また、燃料電池システムにおいて、低発電～中発電～高発電といった発電電力の変動が燃料電池スタックの劣化の原因となることも知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－７３７９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特許文献１には、燃料電池スタックの発電を、低発電、中発電、高発電の３段階に切り替えると共に、高発電を更に３段階に切り替えることで、高発電時の効率悪化を抑えようとする技術が開示されている。

【0006】

上記特許文献１に記載された技術は、発電効率を改善できるものの、発電電力の変動に起因する燃料電池スタックの劣化については何ら対策されていない。

【0007】

この開示は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、移動体の動作に必要な必要電力量を正確に算出し、算出した必要電力量に応じて燃料電池スタックの発電電力を適切に制御することができる燃料電池システムの制御装置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】

【0008】

上記の課題を解決するため、この開示に係る燃料電池システムの制御装置は、移動体に搭載された燃料電池システムを制御する制御装置であって、任意地点の移動体の位置を認識可能な位置認識部と、移動体が任意地点に移動するのに必要な必要電力量を算出する電力算出部と、を有し、位置認識部は、移動体の出発地点と移動先地点とを認識し、電力算出部は、出発地点から移動先地点までの移動に必要な電力を必要電力量として算出し、算出された必要電力量に応じて燃料電池スタックの発電電力を制御する。

【0009】

この開示に係る燃料電池システムの制御装置において、位置認識部は、経由地点を更に認識し、電力算出部は、出発地点から経由地点までの移動に必要なエネルギーと、経由地点から移動先地点までの移動に必要なエネルギーと含んで、必要電力量を算出してもよい。

【0010】

この開示に係る燃料電池システムの制御装置において、荷役作業の対象物の荷重を参照して発電電力を制御してもよい。

【発明の効果】

【0011】

この開示に係る燃料電池システムの制御装置によれば、移動体の移動に必要な必要電力量を正確に算出し、算出した必要電力量に応じて発電電力を適切に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１の燃料電池システムを搭載する移動体の構成を示す構成図である。

【図2】実施の形態１の移動体の移動の様子を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、この開示による燃料電池システムの制御装置の実施の形態につき、図面を用いて説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付している。

【0014】

実施の形態１．
はじめに、実施の形態１における移動体１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施の形態１の燃料電池システム１００を搭載する移動体１の構成を示す構成図である。

【0015】

［移動体の構成］
図１に示される移動体１は、主に、燃料電池システム１００と、車両部２００とを備えている。

【0016】

燃料電池システム１００には、制御装置１０１と、操作パネル１０３と、記憶部１０７と、水素タンク１１２と、コンプレッサ１１３と、水素供給弁１１４と、燃料電池スタック１１５と、電圧変換部１１６と、蓄電装置１１７と、補機１１９とが設けられている。

【0017】

制御装置１０１は、燃料電池システム１００の発電に関連する各種の制御と、移動体１の動作に必要な必要電力量に応じた発電電力の適切な制御とを行う。制御装置１０１内には、位置認識部１０１ａと、電力算出部１０１ｂとが設けられている。

【0018】

制御装置１０１において、位置認識部１０１ａは、車両制御部２０１を介した測位センサ２０５からの測位情報に基づいて、任意地点における移動体１の位置を推定または認識し、位置認識情報を生成する。制御装置１０１において、電力算出部１０１ｂは、移動体１が任意地点に移動するのに必要な必要電力量を算出する。また、制御装置１０１は、位置が認識された地点Ａ～地点Ｂ～地点Ｘのそれぞれの通過時刻から移動時間を算出する。ここで、地点Ａは出発地点、地点Ｂは経由地点、地点Ｘは移動先地点である。

【0019】

操作パネル１０３は、燃料電池システム１００に対する指示を受け付ける操作部であると共に、各種情報を表示する。記憶部１０７は、移動体１の任意地点の位置認識情報，移動経路の情報，及び作業情報を含む各種情報を記憶する。

【0020】

水素タンク１１２は、充填されている水素を燃料電池スタック１１５に供給する。コンプレッサ１１３は、制御装置１０１に制御され、酸素を含む空気を燃料電池スタック１１５に供給する。水素供給弁１１４は、制御装置１０１に制御され、水素タンク１１２から燃料電池スタック１１５に供給する水素ガス量を調整する。燃料電池スタック１１５は、制御装置１０１の制御に基づいて、水素供給弁１１４を介した水素タンク１１２からの水素とコンプレッサ１１３からの空気に含まれる酸素とにより発電を行う。

【0021】

電圧変換部１１６には、第１電圧変換部１１６ａと、第２電圧変換部１１６ｂとが設けられている。第１電圧変換部１１６ａは、燃料電池スタック１１５の発電出力を、車両部２００の車両負荷２１０用の一定の電圧に変換し、主機系電力として第１蓄電装置１１７ａと車両負荷２１０とに供給する。たとえば、第１電圧変換部１１６ａは、電圧８０ボルトを電圧４８ボルトに変換する。

【0022】

第２電圧変換部１１６ｂは、第１電圧変換部１１６ａで電圧変換された電力を、更に低い電圧に変換し、補機系電力として第２蓄電装置１１７ｂと補機１１９とに供給する。たとえば、第２電圧変換部１１６ｂは、電圧４８ボルトを電圧１２ボルトに変換する。

【0023】

蓄電装置１１７には、第１蓄電装置１１７ａと、第２蓄電装置１１７ｂとが設けられている。第１蓄電装置１１７ａは、第１電圧変換部１１６ａの出力と並列に接続されて充電され、車両部２００の車両負荷２１０に瞬間的な大電流が流れる際に放電する。第１蓄電装置１１７ａは、電気２重層キャパシタ、リチウムイオン・キャパシタなどにより構成される。

【0024】

第２蓄電装置１１７ｂは、補機１１９用の蓄電装置であり、第２電圧変換部１１６ｂで変換された補機系電力により充電される。第２蓄電装置１１７ｂは、補機１１９の他、制御装置１０１及び図示されないリレーなどに補機系電力を供給する。第２蓄電装置１１７ｂは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンバッテリなどにより構成される。

【0025】

補機１１９は、第２蓄電装置１１７ｂから補機系電力の供給を受け、燃料電池スタック１１５が発電する際に必要な補助機能によって、燃料電池スタック１１５の発電の実行を補佐する機器である。発電に必要な補助機能としては、発電に必要な酸素を含む空気及び水素の燃料電池スタック１１５への供給、並びに燃料電池スタック１１５の冷却などが該当する。具体的には、補機１１９には、コンプレッサ１１３、水素供給弁１１４、燃料電池スタック１１５に設けられるラジエータに付随するラジエータファン、及び冷却水ポンプなどが該当する。

【0026】

車両部２００には、車両制御部２０１と、操作部２０３と、測位センサ２０５と、荷重検出部２０７と、車両負荷２１０とが設けられている。車両制御部２０１は、車両負荷２１０に含まれる走行モータによる移動体１の移動を制御する。操作部２０３は、移動体１の移動のための車両部２００に対する操作を受け付け、受け付けた操作の情報を車両制御部２０１に通知する。移動体１が産業車両である場合、操作部２０３は、荷役の作業についての操作を更に受け付け、受け付けた操作の情報を車両制御部２０１に通知する。

【0027】

測位センサ２０５は、任意地点での測位情報を生成して車両制御部２０１に通知する。測位センサ２０５は、各地点近傍に貼付されたＲＦＩＤ（radio frequency identifier）またはＱＲ（Quick Response）の読み取り、グローバル・ポジショニング・システム（Global Positioning System）を利用したによる測位、または、レーザセンサを使用したレーザーＳＬＡＭ(Simultaneous Localization and Mapping, 自己位置推定と環境地図作成の同時実行)による空間認識、のいずれかにより、各地点の測位情報を生成する。

【0028】

荷重検出部２０７は、フォーク荷重センサ等により構成され、移動体１が産業車両であってフォーク等の荷役部を備える場合、荷役作業の対象物の荷重を検出し、検出した荷重情報を車両制御部２０１に通知する。荷役作業とは、荷物または貨物等の対象物について、積み付け、積み下ろし、取り出し、仕分け、荷揃え、運搬、などを行う各種の作業である。

【0029】

車両負荷２１０は、主機系電力の供給を受け、車両制御部２０１の制御に従って、移動体１を移動させる走行モータである。また、車両負荷２１０は、移動体１の制動時において回生発電により回生電力を生成し、生成した回生電力を燃料電池システム１００に戻す。車両負荷２１０から燃料電池システム１００に戻された回生電力は、第１蓄電装置１１７ａに充電される。移動体１が産業車両である場合、車両負荷２１０は、走行モータに加え、荷役部を駆動する荷役モータが該当する。

【0030】

［燃料電池システムの制御装置の制御］
次に、実施の形態１における移動体１に搭載された燃料電池システム１００の制御装置１０１の制御を説明する。

【0031】

移動体１の移動について以下のような前提条件が存在しており、図２を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係る移動体１の移動の様子を示す説明図である。
・移動体１は、作業領域３００内において任意地点を移動し、規則性のある荷役作業を繰り返す。
・移動体１は、地点Ａと経由地Ｂを通り、地点Ｘ（ＸはＸ0～Ｘnのいずれか）へ移動し、地点Ｘにおいて荷役作業を行う。
・移動体１は、地点Ｘでの荷役作業を行った後、再び地点Ａに戻る
・移動体１は、以上の移動と荷役作業とを繰り返す。
・移動体１は、荷役作業を行う毎に、位置認識部１０１ａによって生成された荷役作業を行った地点Ｘにおける位置認識情報、位置認識部１０１ａによって算出された地点Ａ～地点Ｂ～地点Ｘの移動時間、電力算出部１０１ｂによって算出された地点Ａ～地点Ｂ～地点Ｘの消費エネルギー、及び、電力算出部１０１ｂによって算出された地点Ａ～地点Ｂ～地点Ｘの回生エネルギーを、記憶部１０７に記憶させる。

【0032】

以下、移動体１の任意地点への移動に伴う、移動体１に搭載された燃料電池システム１００の制御装置１０１による制御について説明する。

【0033】

・移動体１は、地点Ｘでの荷役作業が終了して、次の荷役作業のため地点Ａに戻る、あるいは、荷役作業のため駐機地点から地点Ａに到達する。
・移動体１が地点Ａに接近した時点で、制御装置１０１内の位置認識部１０１ａは、測位センサ２０５からの測位情報を参照して、地点Ａに接近した位置認識情報を生成する。

【0034】

・制御装置１０１内の電力算出部１０１ｂは、移動体１が地点Ａに接近したとの位置認識情報を受け、移動体１が地点Ａから地点Ｂを通って地点Ｘに移動するのに必要な必要電力量ＰＮの算出を行う。なお、地点Ｘは、地点Ｘ0～Ｘnのうちのいずれかである。
・制御装置１０１内の電力算出部１０１ｂは、移動体１が任意地点に移動するのに必要な必要電力量ＰＮを算出する。ここで、必要電力量ＰＮを算出する際のパラメータを、以下のａ～ｆとして定める。
ａ：地点Ａにおける第１蓄電装置１１７ａの蓄電エネルギー、
ｂ：移動体１が地点Ａから地点Ｂへ移動するための消費エネルギーから回生エネルギーを差し引いたエネルギー、
ｃ：移動体１が地点Ｂから各地点Ｘへ移動するための消費エネルギーから、地点Ｂから各地点Ｘへ移動する際に生じる回生エネルギーを差し引いたエネルギー、
ｄ：地点Ａから地点Ｘまでの移動時間内に燃料電池システム１００が第１蓄電装置１１７ａへ蓄電可能な最大エネルギー、
ｅ：第１蓄電装置１１７ａの蓄電可能な最大エネルギー、
ｆ：地点Ａ～地点Ｘ間の移動時間、
である。

【0035】

なお、パラメータａは地点Ａにおける実測値を用いる。パラメータｂ～ｄ、及びｆは、移動体１が前回の荷役作業により得た値を用いる。パラメータｅは、第１蓄電装置１１７ａの仕様により決定する。
また、地点Ｘ0～Ｘnのうちで最も遠距離または高低差大などの理由でエネルギーｃの最も大きいものをmax(ｃ)、地点Ｘ0～Ｘnのうちで近距離または高低差小などの理由でエネルギーｃの最も小さいものをmin(ｃ)、とする。

【0036】

以上のパラメータａ～ｆを用いて、制御装置１０１内の電力算出部１０１ｂは、
必要電力量ＰＮの最大値ＰＮmax
＝（ｄ-ａ+ｂ+max(ｃ)）／ｆ、
必要電力量ＰＮの最小値ＰＮmin
＝（ｅ-ａ+ｂ+min(ｃ)）／ｆ、
のように、必要電力量ＰＮについて、必要電力量ＰＮの最小値ＰＮminと、必要電力量ＰＮの最大値ＰＮmaxとを算出する。

【0037】

制御装置１０１は、移動体１が地点Ａから地点Ｂを通って地点Ｘに移動して荷役作業をし、地点Ａに戻る際に、
必要電力量の最大値ＰＮmax＞発電電力Ｐgen＞必要電力量の最小値ＰＮmin、
を満たすように、燃料電池スタック１１５の発電電力Ｐgenを制御する。

【0038】

移動体１が産業車両であってフォーク等の荷役部を備える場合、荷重検出部２０７は、荷役作業の対象物の荷重から生成した荷重情報を車両制御部２０１に通知する。車両制御部２０１は、荷重情報を制御装置１０１に通知する。制御装置１０１内の電力算出部１０１ｂは、車両制御部２０１から通知を受けた荷重情報を用いて必要電力量ＰＮを補正する。具体的には、電力算出部１０１ｂは、荷重情報が予め定めた閾値より大きい場合、必要電力量ＰＮを増やすように補正する。また、電力算出部１０１ｂは、荷重情報により必要電力量ＰＮを補正せず、荷重情報を参照して発電電力Ｐgenを直接補正してもよい。

【0039】

以上のようにすることで、制御装置１０１は、移動体１の移動に必要な必要電力量ＰＮを正確に算出し、算出した必要電力量ＰＮに応じて発電電力Ｐgenを適切に制御することができる。この場合、各時点での状況の変化に応じて低発電～中発電～高発電のように発電電力を変動させることがないため、燃料電池スタック１１５の劣化を抑制することができる。

【0040】

また、以上のようにすることで、制御装置１０１は、移動体１が地点Ａに接近したと認識した時点で、地点Ａから地点Ｘまでの移動に必要な必要電力量ＰＮを算出することができ、必要電力量ＰＮを迅速かつ正確に算出することが可能になる。これにより、移動体１が地点Ａから出発する時点では、算出した必要電力量ＰＮに応じて制御装置１０１が発電電力Ｐgenを適切に制御することができる。

【0041】

［実施の形態１により得られる効果］
本開示に係る燃料電池システム１００の制御装置１０１は、任意地点の位置を認識可能な位置認識部１０１ａと、移動体が任意地点に移動するのに必要な必要電力量を算出する電力算出部１０１ｂと、を有し、位置認識部１０１ａは、移動体の出発地点と移動先地点とを認識し、電力算出部１０１ｂは、出発地点から移動先地点までの移動に必要な電力を必要電力量ＰＮとして算出し、算出された必要電力量ＰＮに応じて燃料電池スタック１１５の発電電力Ｐgenを制御する。これにより、移動体１の移動に必要な必要電力量ＰＮを正確に算出し、算出した必要電力量ＰＮに応じて発電電力Ｐgenを適切に制御することができる。

【0042】

本開示に係る燃料電池システム１００の制御装置１０１において、位置認識部１０１ａは、出発地点と移動先地点との間の経由地点を更に認識し、電力算出部１０１ｂは、出発地点から経由地点までの移動に必要なエネルギーｂと、経由地点から移動先地点までの移動に必要なエネルギーｃとを含んで、必要電力量ＰＮを算出する。すなわち、電力算出部１０１ｂは、出発地点から経由地点までの移動に必要な固定のエネルギーｂと、経由地点から移動先地点までの移動に必要な変動可能性のあるエネルギーｃとに分けて、必要電力量ＰＮを算出する。これにより、固定のエネルギーｂとは別に、エネルギーｃについては、最大値のmax(ｃ)と、最小値のmin(ｃ)とに分けることで、必要電力量の最大値ＰＮmaxと必要電力量の最小値ＰＮminとを、迅速かつ正確に算出することができる。

【0043】

この開示に係る燃料電池システム１００の制御装置１０１において、移動体１が産業車両であってフォーク等の荷役部と荷重検出部２０７とを備える場合、荷重検出部２０７により検出された荷重を参照して発電電力Ｐgenを制御することにより、発電電力Ｐgenを適切に制御することができる。

【0044】

その他の実施の形態．
上記の実施の形態１について、以下のような変形が可能である。

【0045】

燃料電池システム１００において燃料電池スタック１１５の発電電力を制御する制御装置として、制御装置１０１と車両制御部２０１とを統合した統合型制御装置を設けることが可能である。

【0046】

以上の実施の形態１の説明では、移動体１として車両を具体例にしているが、車両に限定されず、燃料電池システム１００を搭載可能な各種の移動体に適用することが可能である。例えば、一定の動作を開始する前に消費電力、または、消費電力と回生電力とに基づいて必要電力量ＰＮを算出できれば、船舶または航空機であっても、燃料電池システム１００において燃料電池スタック１１５の発電電力を適切に制御することが可能である。この場合も、発電電力を変動させることがなくなり、燃料電池スタック１１５の劣化を抑制することができる。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本開示の燃料電池システム１００の制御装置１０１は、産業車両のように比較的規則正しい運転態様で用いられる移動体１において、燃料電池スタック１１５の発電電力Ｐgenを適切に制御することができ、発電電力を変動させることがなくなり、燃料電池スタック１１５の劣化を抑制することができる。

【符号の説明】

【0048】

１ 移動体、１００ 燃料電池システム、１０１ 制御装置、１０１ａ 位置認識部、１０１ｂ 電力算出部、１０３ 操作パネル、１０７ 記憶部、１１２ 水素タンク、１１３ コンプレッサ、１１４ 水素供給弁、１１５ 燃料電池スタック、１１６ 電圧変換部、１１６ａ 第１電圧変換部、１１６ｂ 第２電圧変換部、１１７ 蓄電装置、１１７ａ 第１蓄電装置、１１７ｂ 第２蓄電装置、１１９ 補機、２００ 車両部、２０１ 車両制御部、２０３ 操作部、２０５ 測位センサ、２０７ 荷重検出部、２１０ 車両負荷、３００ 作業領域。

【図1】

【図2】