MathWorks Automotive Conference 2018

MathWorks Automotive Conference 2018

燃料電池車の水素供給マネージメントシステムの検討

2018年7月3日

株式会社アツミテック

環境技術センター

内山 直樹

目次

1. 会社概要

• 会社概要

• 未来に向け

• 環境技術への取り組み紹介

2. 研究テーマ

• 水素社会の実現に向けた取組について

• 技術開発ロードマップ（FCV・移動体）

• 燃料電池自動車（FCV）及び水素スタンドを取り巻く状況について

• 材料系研究成果

• 水素貯蔵材料研究から水素貯蔵システム研究へ

3. 車輌シミュレーションモデル概要

• 今回使用したMathWorks®製品の一覧

• モデル全体説明

• 吸着・水素放出シミュレーションの考え方

• Simscape™における吸着現象への対応方法

• 今後の取り組み

• Mathworks様への要望

（株）アツミテック 会社概要

創立 １９４９年４月

資本金 ３.１億円

事業内容

二輪・四輪・汎用機のチェンジコントロールシステム 及びエンジン機能部品の開発・製造・販売

従業員数

主要取引先

国内所在地

静岡県浜松市中区高丘西 四丁目６番１号静岡県浜松市西区雄踏町宇布見７１１１

１３年０５月

本社移転

雄踏工場

本社

高丘工場

浜松駅

富士山

静岡県

(生誕の地)

本田宗一郎ものづくり伝承館

陣太鼓（馴れ初め）

本田技研工業（株）トランスミッション製造部浜松工場

雄踏工場 本社 高丘工場

４，１１５名 （グループ）８４９名 （国内）

※２０１７年４月末時点

アイシン・エーアイ 株式会社

ダイハツ工業 株式会社

本田技研工業 株式会社

三菱自動車工業 株式会社

日産自動車 株式会社

ルノー

アフトワズ

愛知機械工業 株式会社

ジヤトコ 株式会社

株式会社 ユニバンス

ＢＭＷ

トライアンフ

川崎重工業 株式会社

ヤマハ発動機 株式会社

スズキ 株式会社

武蔵精密工業 株式会社

順不同

ガズ

目指す姿 未来に向け

クルマの環境性能

Ｔｉｍｅ

二輪・汎用

ＡＴ/ＣＶＴ

シフターＦＨＥＶ

ＰＨＥＶ

ＢＥＶ ＦＣＶ

ＩＣＥ

存在を 期待される企業へ

地球にやさしい商品開発、地域社会へ貢献

環境商品 構築

ＳＯＦＣ（排ガス発電）

水素タンク

ＣＣＳ Ｎｏ.１ 磨きをかける

マフラー 熱電（排熱発電）

ＭＴ/ＤＣＴ

営業品目 切ったり貼ったりの弊社 得意技術に、産官学 技術シーズから

環境対応商品開発取り組み

熱ガス

水

水素として利用熱電変換で電気に

燃料電池で電気に

水素エネルギーへの取り組み

捨てているものをエネルギーへ

車やバイク、エンジン発電機工場、焼却場からの廃熱や

排ガスの利用に応用

水素センサーや調光ガラス、水素フィルター、燃料電池車用水

素タンクに応用

私たちは常に当たり前のように・・・

・・・熱、ガス、水を利用して生活しています。

廃熱発電（熱電変換発電） 廃ガス発電（SOFC） 水素タンク（水素吸蔵合金）

【特徴】温度差を電気に変換する材料を利用し廃熱で発電する。

【特徴】高温で作動する燃料電池を利用し排気熱と排気ガス中の未利用燃料で発電する。

【特徴】常温･常圧で水素吸蔵が可能な超微細な水素吸蔵材料を利用し、低圧水素タンクを実現する。

【目標】①内燃機関＋排ガス発電で世界

最高の発電効率コージェネを実現②レンジエキステンダーEV用発電

システムの実現

【目標】①内燃機関＋廃熱発電で

従来構造車の燃費を５％改善②地熱、プラント系用

再生エネルギー発電

廃熱/排ガスを利用して車両やコージェネの効率を大幅に向上させる

搭載例

【目標】①世界最小体積の実現、

世界最高性能の水素貯蔵量②自由なタンク搭載 L/O

高圧水素ステーションなどを必要としない常圧で水素チャージ可能なタンク

自分の体積の５００倍の水素貯蔵量

搭載例 従来の高圧タンク

バッテリーの小型化が可能

環境問題に対する取り組み

【出展】 平成29年4月11日 経済産業省より

水素社会の実現に向けた取組について

NEDO 技術開発ロードマップ（FCV・移動体） 2017年12月改訂版

水素貯蔵システム

水素貯蔵材料・容器

革新的水素貯蔵材料の探索・開発

高貯蔵密度形状自由度の高い水素貯蔵システム

燃料電池自動車（FCV）及び水素スタンドを取り巻く状況について

【出展】 平成29年７月21日 HySUTより

燃料電池自動車（FCV）及び水素スタンドを取り巻く状況について

【出展】 平成29年７月21日 HySUTより

Year2022年 2026年 2032年 2038年

充填圧力

70MPa（高圧）

10MPa

≧1MPa（低圧）

高次構造制御材料の高密度化（ペレット化）

技術ポイント

水素貯蔵材料研究ロードマップ

35MPa

技術ポイント

高次構造制御材料と水素吸蔵合金材料のコンバイン

① ②③

④

⑤低圧

圧縮水素 吸着材 吸着材（高密度化） 高比表面積吸着材（高密度化）

計算検討値

実験値

実験値

計算検討値

実験値計算検討値

高密度化粉末状態

多孔質材料

高次構造制御材料

試験結果 ー高次構造制御材料の高密度化効果ー

吸着材粉末

圧縮水素

吸着材高密度化

吸着材、高比表面積吸着材の高密度化により2点の改善①瞬間放出特性 ②体積密度＝水素貯蔵密度（実験値にて2倍）

高容量

高性能（瞬間的に大量に水素を放出）

現状のFVECタンク

先行確認レベル

4倍性能吸着材 1タンク

4倍性能吸着材 2タンク

4倍性能吸着材 2タンク

4倍性能吸着材 1タンク

2倍性能吸着材 2タンク

2倍性能吸着材 1タンク

4倍性能吸着材 2タンク

4倍性能吸着材 1タンク

2倍性能吸着材 2タンク

2倍性能吸着材 1タンク

実験値で得られた水素吸着材料により水素充填圧が同一であれば体積が１／２となるタンクシステムの実現が可能となった。また、更なる高密度化、複合化により35MPaでも大幅な小型化が可能となる。

タンクにした場合 ー高次構造制御材料の高密度化効果ー

重い

大きい

軽い

小さい

試験結果 ー低温で水素放出可能な水素吸蔵材料ー

水素吸蔵合金のみ

水素吸蔵合金＋高次構造制御材料 B

水素吸蔵合金＋高次構造制御材料 A

水素吸蔵合金のみ

水素吸蔵合金＋高次構造制御材料 B

水素吸蔵合金＋高次構造制御材料 A

室温(25℃) 低温(-20℃)

水素吸蔵合金のみでは水素放出時に材料が放熱反応により冷却され水素放出量が減少する低温からの水素放出ではより顕著になる ⇒ 吸着材料との適切な組合せにより特性が改善

高性能 高性能

水素貯蔵材料研究から水素貯蔵システム研究へ

#1) 車輌の種々の走行パターンから必要水素量の算出を行う。

#2) 水素タンク内における水素量、圧力、温度の過渡的な変化も考慮し、要求水素量を満

足していることを確認する。

※水素吸蔵合金、水素吸着材料の水素放出特性を実際の材料を用いて測定を繰り返し、流体解析プログラムを用いた理論式とのコリレーションが必要

#3) エネルギーマネージメントの効果（特に水素燃料の効率的な利用）を確認する。

・車両の加速時：バッテリーと燃料電池を併用し、パワーコンバータに供給する電気エネルギーの配分を制御。

・車両の減速時：モータ（ジェネレータとして動作）の回生エネルギーによるバッテリーの充電量を制御。

車輌シミュレーションモデル概要

MOTOR

G/BOX

PDUMngECU

MotorECU

FC Stack

H2 Tank(hydrogen storage

materials)

contH2

ECU ?

Batt

heater cont

tempPre chanber

車輛モデルとして①モード走行パターン（車速、時間）②足軸必要駆動力③MOTOR必要トルク（G/R、効率）④必要水素量までを解く

水素タンク（水素吸蔵材料）の水素放出特性(実データ）と照らし合わせる①水素放出時の放熱分（冷却される）を補うための必要加熱量（水素吸蔵合金の熱伝導率を考慮したヒーター容量、加熱システムの検討＝熱Simulationで解く）②必要水素量に対する過不足量

必要水素量に対して不足分がある場合は、高圧プリチャンバー、更に必要であればBattなどの別ストレージ容量の検討に用いる

今回使用したMathWorks®製品の一覧

• MATLAB® バージョンR2017b• MATLAB®

• Simulink®

• Stateflow®

• Simscape• Simscape Electronics™• Simscape Power Systems™• Powertrain Blockset™

車両やシミュレータ資産がない状況での開発で役立った。（R2016b以降登場）

スケールモデルでの実タンクからの水素放出とのHILSを意識し、シミュレーションのリアルタイム性を重視しPowertrain Blocksetを利用することした。

モデル全体説明

車体

電気系

電気系のサブシステム内をSimscapeで構成し必要な詳細度を表現していった。

モデル全体説明 電気系

バッテリー

タンク

FC

モーター

DCDC

DCDC

DCDC

DCDCヒータ1制御

ヒータ2制御

Powertrain Blocksetでは電気系がSimscapeブロックではないため、Simscapeの電気系ドメインへの変換（Simulink電圧/電流 → Simscape電圧源/電流源）を意識しモデリングを行った。

高圧タンク[24L,10MPa]

低圧タンク[96L,0.3MPa]

減圧弁[0.3MPa]

圧力調節

流量調整弁（高圧）

流量調整弁（低圧）

水素出力

※水素量はFCブロック側で計算

モデル全体説明 タンク

高圧(プリチャージ)/低圧(メイン)の2タンクシステムとしてモデル化したが、吸着現象についてはSimscape標準ブロックに表現されていないので、カスタマイズを行った。

結果3：平衡吸着量q*の再現式として次式のFreundlich形式で表した。パラメータkを変更して高温域の再現性を重視した。

4.1/1

s

H282.1*

p

pq

c

c

s pT

Tp

k

ここで、psは通常、温度Tの飽和蒸気圧であるが、臨界温度以上のガス吸着の場合、擬臨界飽和圧力（pseudo vapor pressure）として次式で見積もる。

for T >Tc

ここで、pcは臨界圧力（H2の場合1.293×106Pa）Tcは臨界温度（H2の場合32.97K）kは吸着量をよく再現するフィッティング係数。本データの場合、k=4.5である。

結論：pH2/psの関数として、 pH2/ps<0.006の範囲ではFreundlich形式で表現できた。

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

q* (

kg-h

ydro

gen

/kg)

pH2 /ps (-)

Freundlich

253K

273K

298K

水素吸着材料/H2系平衡吸着量q*推算式の検討 Freundlich形式21

目的： 1 MPaおよび10 MPaからそれぞれ大気圧まで減圧したときの放出量を予測

方法：反応速度（LDFモデル）実験の1/3.5スケールの容器

条件1：1 MPa封入後、室温（25 ℃）で大気圧まで放出

水素吸着材料/H2系放出速度シミュレーション（5cc容器型）22

結果1：総放出重量 1.21mg 放出量

13.5ml

➢実験に相当する総放出量の再現を確

認した。

➢反応時間も約10秒で放出を完了、再

現を確認した。

➢開始後1秒以降、主に吸着分の放出

反応の傾向をよく再現できた。

結論：1MPaから大気圧までの放出速度予

測シミュレータを構築した。計算値の実験

データ再現性を確認し、シミュレータを完

成した。

計算対象 実験の1/3.5スケール

計算結果 1 MPaから0.1 MPaまで放出時の放出速度

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

dV

/dt

[ml/

s]

Time t [s]

DesorptionMSC30/H2

From 1MPa to 0.1MPaT 298.15KBed volume 1.425mlCal. Exp.

結果2：

➢計算値は理論値から見積もられる放

出量を再現した。

➢実験値は少なすぎるので定量比較に

は不適だが、計算値は実験値の定

性的な変化の傾向をよく再現した。

結論：10 MPa から大気圧までの放出

速度予測シミュレータを構築した。計

算値は理論総放出量を再現した。ま

た、実験データの定性的な傾向もよく

再現できた。シミュレータを完成した。

計算結果 10 MPaから0.1 MPaまで放出時の放出速度

条件2：10 MPa封入後、低温（-20℃）で大気圧まで放出

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

30

40

50

60

70

0

5

10

15

20

dV

/dt

[ml/

s]

Time t [s]

DesorptionMSC30/H2

From 10MPa to 0.1MPaT 253.15KBed volume 1.425mlExp.(inaccurate total amount) Cal.

水素吸着材料/H2系放出速度シミュレーション（5cc容器型）

計算値 実験値

容器体積 1.425 ml 5 ml

総放出量 125 ml (11.2 mg) 106 ml (9.4 mg)

理論値 約12 mg（吸着分 3 mg + 圧縮分 9mg）

Simscapeにおける吸着現象への対応方法

mass source項

𝜕𝑀

𝜕𝑝

𝜕𝑝𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑀

𝜕𝑇

𝜕𝑇𝐼𝜕𝑡

= ሶ𝑚

𝜕𝑀

𝜕𝑝= 𝑉

𝜌𝐼𝑝𝐼

𝜕𝑀

𝜕𝑇= −𝑉

𝜌𝐼𝑇𝐼

𝜌𝐼:ガス密度𝑉:ガス体積ℎ𝐼:比エンタルピー𝑍:圧縮係数𝑅:ガス定数𝑐𝑝𝐼:定圧比熱

FEMで得られた知見をベースにSimscapeブロックのカスタマイズを行い実験データとの合わせこみを行った

1.吸着式

mass source項

𝜕𝑀

𝜕𝑝

𝜕𝑝𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑀

𝜕𝑇

𝜕𝑇𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑞∗

𝜕𝑡𝑀𝑀𝑆𝐶 = ሶ𝑚

カスタマイズ

追加

𝜕𝑞

𝜕𝑡=𝑞∗ − 𝑞

𝜏

13.1/1

s

H21.1*

p

pq

※Simscape Constant Volume Chamberヘルプ引用

2.LDF近似式

Simscape標準ブロック

𝑞𝑖𝑛𝑖 : 初期吸着量度τ : 時定数𝑀𝑀𝑆𝐶:吸着材質量

※カスタマイズは標準ブロックをベースにSimscape言語で記述

Simscapeにおける吸着現象への対応方法

mass source項 𝜕𝑀

𝜕𝑝

𝜕𝑝𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑀

𝜕𝑇

𝜕𝑇𝐼𝜕𝑡

= ሶ𝑚

𝜕𝑀

𝜕𝑝= 𝑉

𝜌𝐼𝑝𝐼

𝜕𝑀

𝜕𝑇= −𝑉

𝜌𝐼𝑇𝐼

𝜌𝐼:ガス密度𝑉:ガス体積ℎ𝐼:比エンタルピー𝑍:圧縮係数𝑅:ガス定数𝑐𝑝𝐼:定圧比熱

FEMで得られた知見をベースにSimscapeブロックのカスタマイズを行い実験データとの合わせこみを行った

1.吸着式

mass source項 𝜕𝑀

𝜕𝑝

𝜕𝑝𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑀

𝜕𝑇

𝜕𝑇𝐼𝜕𝑡

+𝜕𝑞∗

𝜕𝑡𝑀𝑀𝑆𝐶 = ሶ𝑚

カスタマイズ

追加

𝜕𝑞

𝜕𝑡=𝑞∗ − 𝑞

𝜏

13.1/1

s

H21.1*

p

pq

※Simscape Constant Volume Chamberヘルプ引用

2.LDF近似式

Simscape標準ブロック

𝑞𝑖𝑛𝑖 : 初期吸着量度τ : 時定数𝑀𝑀𝑆𝐶:吸着材質量

※カスタマイズは標準ブロックをベースにSimscape言語で記述

実験

標準ブロック吸着式+LDF近似

実験

今後の取り組み

車型/FC/モータースペック

低圧タンク

+

速度 要求水素量低圧タンク

高圧タンク

流量

流量

タンクサイズ走行モード

チャージ

ヒーター

ヒーター

高圧タンク

FCVシミュレータ

今回開発した車両シミュレーションモデルをベースに吸着/吸蔵現象をモデルとして組み込むことで、各走行シーンでの成立性や、車型とタンクサイズ、開発した吸着/吸蔵材料特性との適切な組み合わせパターンを検証していく予定である。

モデル作成の苦労した点（過去）

ドライバーモデル

リバース/フォワードモデル変速機モーター ブレーキバッテリー

デモモデルA

接続?

接続?

接続?

Model_A.slx Model_B.slx Model_C.slx Model_D.slx

Simscape Power Systems Simscape Driveline™ Simulink/Stateflow

1ユーザーとしての困り事：・一つ一つのコンポーネントは参考にできそうなモデルがあるが、モデル同士の接続がどうしたらよいか分かりにくい。

・モデル同士のI/Fが統一されていない（デモなので仕方がないが・・・。）

デモモデルB デモモデルC アツミテック内製

車両

今回はPowertrain Blocksetを始点に進めることができたので、早い段階で全体を俯瞰したモデルを作ることができ、詳細度を上げたい部分に比較的容易にフォーカスすることができた。

Simscape Power Systems

各コンポーネントに対するツール選定

吸着/吸蔵現象

コンポーネント

シミュレーション/設定したい内容

Simulink Simscape Simscape Electronics

Simscape Power Systems

Powertrain Blockset

計算時間速い

モーター 最大出力、最大トルク、時定数、効率

作り込みが必要

簡易モデル

詳細度中 詳細度高い 詳細度中（必要十分）

DC-DCコンバータ 損失、時定数 作り込みが必要

多少の作り込みが必要

詳細度中（必要十分）

詳細度高い 詳細度中（必要十分）

車両/ドライブトレイン

車型（車重、空気抵抗）

作り込みが必要

- - - 詳細度中（必要十分）

PDU 車両として成立する制御（簡易可）

作り込みが必要

- - - 詳細度中（必要十分）

バッテリ セル数、セル容量、温度などの代表特性

作り込みが必要

多少の作り込みが必要

詳細度中 詳細度高い 詳細度中（必要十分）

FCスタック セル数、スタック効率など

作り込みが必要

多少の作り込みが必要

- 詳細度高い -

水素吸着/吸蔵タンク

タンク容量、吸着/吸蔵、温度、ヒータ、低圧→高圧チャージ

作り込みが必要

作り込みが必要

- - -

なるべく作り込みを少なくしたいが、ツールはやれる事でまとまっていて、やりたい事でまとまっていない。→Powertrain BlocksetのEV Exampleを始点にやりたいことに応じてツールを選定した

電気系をSimscapeに統一するためこちらを選択

無いものは作る