JP2003230203A - 車両に搭載された燃料電池システムの制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両の運転に必要な運転パワーと燃料電池の
出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することのできる技術を提供する。 【解決手段】 制御装置は、車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態を制
御するための制御部と、を備える。運転パワー推定部
は、変化し得る車両の総重量を決定するための重量決定
部を備え、決定された総重量を用いて車両の走行に必要
な走行パワーＰｒを推定することにより、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーＰｔを求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車両に搭載された
燃料電池システムの制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムを搭載した車両では、
通常、燃料電池と二次電池とが車両の電源装置を構成し
ている。二次電池は、燃料電池を補助する機能を有して
おり、二次電池からの電力は、例えば、燃料電池の発電
停止期間中に使用されたり、車両の過渡的な走行（例え
ば、加速）の際に使用されたりする。

【０００３】車両が走行する際には、車両に作用する走
行抵抗よりも大きな駆動力を発生させるための走行パワ
ーが必要である。また、車両では、室内の温度を調節す
るための空調装置などの補機を動作させるための動作パ
ワーが必要である。このため、電源装置は、車両の運転
に必要な運転パワーよりも大きな電力を出力する必要が
ある。

【０００４】通常、車両が要求する運転パワーと燃料電
池の出力電力とは、相違する。二次電池は、この相違を
吸収する。具体的には、要求される運転パワーが燃料電
池の出力電力よりも大きい場合には、二次電池は不足電
力を補う。逆に、要求される運転パワーが燃料電池の出
力電力よりも小さい場合には、二次電池は余剰電力を蓄
える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、要求される運転パワーと燃料電池の出力電力との相
違が比較的大きいという問題があった。このため、従来
では、比較的大型の二次電池を用いる必要があった。な
お、上記の問題は、路線バスなどのように、車両の総重
量が乗客の乗降によって変化する場合に顕著となる。こ
れは、車両の走行に必要な走行パワーが車両の総重量に
応じて変化するためである。

【０００６】本発明は、上述の課題を解決するためにな
されたものであり、車両の運転に必要な運転パワーと燃
料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システ
ムの運転状態を制御することのできる技術を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装
置は、車両に搭載された燃料電池システムを制御するた
めの制御装置であって、前記車両の運転に必要な運転パ
ワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された
前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転
状態を制御するための制御部と、を備え、前記運転パワ
ー推定部は、変化し得る前記車両の総重量を決定するた
めの重量決定部を備え、決定された前記総重量を用いて
前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することによ
り、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを
求めることを特徴とする。

【０００８】この制御装置では、運転パワー推定部は、
変化し得る車両の総重量に応じて、走行パワーを推定す
ることができる。したがって、制御装置は、走行パワー
を少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが
整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御す
ることが可能となる。

【０００９】上記の装置において、前記重量決定部は、
前記車両の搭乗人数を計測するための計測部を備え、計
測結果を用いて前記総重量を決定するようにしてもよ
い。

【００１０】このように搭乗人数を計測すれば、車両の
総重量を比較的正確に決定することができる。

【００１１】上記の装置において、前記車両は、所定の
運行経路を走行し、前記重量決定部は、時間的な周期で
変化する前記車両の総重量を推定するためのマップを備
えるようにしてもよい。

【００１２】路線バスのように車両が所定の運行経路を
走行する場合には、搭乗人数が時間的な周期で変化す
る。このような場合には、上記のマップを用いることに
よって、車両の総重量を容易に決定することが可能とな
る。なお、マップは、１日の周期や、１週の周期、１年
の周期などに基づいて作成可能である。

【００１３】上記の装置において、前記車両は、所定の
運行経路を走行し、前記運転パワー推定部は、前記所定
の運行経路内における前記車両の位置に応じて前記走行
パワーを推定するためのマップを備えるようにしてもよ
い。

【００１４】路線バスのように車両が所定の運行経路を
走行する場合には、車両の位置に応じて走行パワーを推
定することができる。したがって、上記のマップを用い
ることによって、走行パワーを容易に決定することが可
能となる。

【００１５】上記の装置において、前記走行パワーは、
前記車両に作用するころがり抵抗に起因するパワーを含
むことが望ましい。

【００１６】車両が走行する際には、車両には、必ずこ
ろがり抵抗が作用する。したがって、上記のようにすれ
ば、走行パワーを比較的正確に推定することができる。

【００１７】また、上記の装置において、前記走行パワ
ーは、さらに、前記車両に作用する空気抵抗と勾配抵抗
と加速抵抗とのうちの少なくとも１つに起因するパワー
を含むことが好ましい。

【００１８】車両が走行する際には、車両には、ころが
り抵抗と共に空気抵抗が作用する。空気抵抗は、車両が
高速走行する際にかなり大きくなる。勾配抵抗は、坂路
走行の際に車両に作用し、加速抵抗は、加減速走行の際
に車両に作用する。走行パワーが上記のような種々の抵
抗に起因するパワーを含んでいれば、車両の走行に必要
な走行パワーをより正確に推定することが可能となる。

【００１９】上記の装置において、前記運転パワー推定
部は、さらに、補機の動作に必要な動作パワーを推定
し、前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーと
を含む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行するこ
とが好ましい。

【００２０】こうすれば、運転パワーと燃料電池の出力
電圧とがより整合するように、燃料電池システムの運転
状態を制御することができる。

【００２１】また、上記の装置において、前記補機は、
前記車両室内の温度を調節するための空調装置を含み、
前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記
動作パワーを推定するためのマップを備えるようにして
もよい。

【００２２】空調装置の動作状態は、１日の周期や１年
の周期などによって変化する。このため、空調装置を含
む補機の動作に必要な動作パワーは推定可能である。し
たがって、上記のマップを用いることによって、動作パ
ワーを比較的容易に決定することができる。

【００２３】上記の装置において、前記燃料電池システ
ムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する
燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する
酸化ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記運転パ
ワーに基づいて、前記燃料電池に供給される前記燃料ガ
スの流量を調整するようにしてもよい。

【００２４】あるいは、上記の装置において、前記燃料
電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス
を供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガス
を供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記燃料ガス供
給部は、所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成す
るための改質器を備え、前記制御部は、前記運転パワー
に基づいて、前記改質器に供給される前記原料の流量を
調整するようにしてもよい。

【００２５】このように、燃料電池に供給される燃料ガ
スの流量を要求される運転パワーに応じて調整すれば、
運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、
燃料電池システムの運転状態を制御することができる。
なお、燃料ガス供給部が改質器を含む場合には、燃料電
池に供給される燃料ガスの流量と改質器に供給される原
料の流量との双方を調整するようにしてもよい。

【００２６】本発明の方法は、車両に搭載された燃料電
池システムの制御方法であって、（ａ）前記車両の運転
に必要な運転パワーを推定する工程と、（ｂ）推定され
た前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運
転状態を制御する工程と、を備え、前記工程（ａ）は、
変化し得る前記車両の総重量を決定し、決定された前記
総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推
定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前
記運転パワーを求める工程を含むことを特徴とする。

【００２７】この方法を用いる場合にも、本発明の装置
を用いる場合と同様の作用・効果を奏し、走行パワーを
少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが整
合するように、燃料電池システムの運転状態を制御する
ことが可能となる。

【００２８】なお、本発明は、制御方法、制御装置、そ
の方法または装置の機能を実現するためのコンピュータ
プログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記
録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に
具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現するこ
とができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】Ａ．装置の全体構成：次に、本発
明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、燃
料電池システムを搭載する電気自動車の概略構成を示す
説明図である。なお、本実施例の電気自動車は、所定の
運行経路を走行する路線バスである。

【００３０】電気自動車は、電源装置２０と、第１の補
機群３０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４０と、第２の補機
群５０と、三相モータ６０と、減速ギヤ７０と、を備え
ている。電源装置２０は、第１の補機群３０とインバー
タ４０とに電気的に接続されており、インバータ４０
は、モータ６０と第２の補機群５０とに電気的に接続さ
れている。また、モータ６０の出力軸は、減速ギヤ７０
を介して、駆動軸に機械的に接続されている。

【００３１】電源装置２０は、第１の補機群３０とイン
バータ４０とに電力を供給する。インバータ４０に与え
られた電力は、第２の補機群５０とモータ６０とに供給
される。なお、第１の補機群３０は、燃料電池システム
（後述する）に含まれる流量制御弁などを含む。第２の
補機群５０は、電気自動車の室内の温度を調節するため
の空調装置などを含む。

【００３２】電源装置２０は、燃料電池２２と、ＤＣ／
ＤＣコンバータ２４と、二次電池２６と、を備えてい
る。燃料電池２２は、コンバータ２４に並列に接続され
ており、コンバータ２４は、二次電池２６に接続されて
いる。

【００３３】燃料電池２２は、燃料ガスと酸化ガスとを
用いて発電する。本実施例では、比較的小型で発電効率
に優れる固体高分子型の燃料電池が用いられている。な
お、燃料電池２２を含む燃料電池システムについては、
後述する。

【００３４】二次電池（蓄電池）２６は、燃料電池２２
を補助する機能を有している。具体的には、二次電池２
６は、電気自動車の走行（駆動）に必要な走行パワーが
燃料電池２２の出力電力を超えるときに、コンバータ２
４を介して、インバータ４０に電力を供給する。また、
二次電池２６は、燃料電池２２の発電開始時に、燃料電
池システムに含まれる流量制御弁などを動作させるため
に、コンバータ２４を介して、第１の補機群３０に電力
を供給する。二次電池２６は、電気自動車の制動時に発
生する回生エネルギを蓄える機能も有している。すなわ
ち、本実施例の三相モータ６０は、電気自動車の制動時
には発電機として機能し、運動エネルギを電気エネルギ
に変換する。そして、二次電池２６は、コンバータ２４
を介して、変換済みの電気エネルギを蓄える。

【００３５】ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、電源装置２
０（燃料電池２２）の出力電圧の目標値を設定する。こ
れにより、燃料電池２２の動作ポイントが決定される。
すなわち、コンバータ２４が燃料電池２２の出力電圧を
設定することにより、燃料電池２２の出力電流および出
力電力（発電量）が決定される。図２は、燃料電池の出
力特性を示すグラフである。図２では、燃料電池の出力
電流と出力電圧と出力電力との関係が模式的に示されて
いる。図示するように、燃料電池の出力すべき電力Ｐ_FC
（＝Ｉ_FC・Ｖ_FC）が決定されると、出力電流Ｉ_FCと出力
電圧Ｖ_FCとが決定される。

【００３６】また、電気自動車（図１）は、コンバータ
２４と第１の補機群３０とインバータ４０とを制御する
ための制御装置４００を備えている。制御装置４００
は、電気自動車の運転に必要な運転パワーに応じて、燃
料電池システムの運転状態（発電）を制御する。

【００３７】具体的には、制御装置４００は、運転パワ
ー推定部４１０と制御部４２０とを備えている。運転パ
ワー推定部４１０は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定する。すなわち、運転パワー推定部４１０
は、変化し得る電気自動車（路線バス）の総重量を決定
するための重量決定部４１２を備えており、決定された
総重量を用いて電気自動車の走行に必要な走行パワーを
推定する。また、運転パワー推定部４１０は、第１の補
機群３０および第２の補機群５０の動作に必要な動作パ
ワーを推定する。そして、運転パワー推定部４１０は、
走行パワーと動作パワーとを含む運転パワーを求める。
制御部４２０は、推定された運転パワーに応じて、燃料
電池システムの運転状態（発電）を制御する。なお、制
御装置４００の処理については、さらに、後述する。

【００３８】Ｂ．燃料電池システムの構成：図３は、燃
料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電
池システムは、燃料電池２２（図１）と燃料ガス供給部
２００と酸化ガス供給部３００とを備えている。

【００３９】燃料ガス供給部２００（図３）は、水素ガ
スを含む燃料ガスを生成して燃料電池２２に供給する。
燃料ガス供給部２００は、原料タンク２１２と、水タン
ク２１４と、３つの流量制御弁２２２，２２４，２２６
と、２つの流量計２３２，２３４と、改質器２４０と、
を備えている。改質器２４０は、燃焼部２４２と、熱交
換器２４３と、蒸発部２４４と、改質部２４６と、ＣＯ
酸化部２４８と、を備えている。なお、本実施例の原料
タンク２１２には、メタンガスが貯蔵されている。

【００４０】改質器２４０内の蒸発部２４４には、原料
タンク２１２から原料（メタンガス）が導入されるとと
もに、水タンク２１４から水が導入される。原料タンク
２１２と蒸発部２４４との間の通路には、第１の流量制
御弁２２２と第１の流量計２３２とが設けられており、
水タンク２１４と蒸発部２４４との間の通路には、第２
の流量制御弁２２４と第２の流量計２３４とが設けられ
ている。

【００４１】燃焼部２４２には、燃焼燃料が導入され
る。本実施例では、燃料燃料として、原料タンク２１２
から供給されるメタンガスが用いられている。原料タン
ク２１２と蒸発部２４４との通路には、第３の流量制御
弁２２６が設けられている。

【００４２】燃焼部２４２は、ブロワ２５１によって供
給される空気中の酸素を用いて、燃焼燃料（メタンガ
ス）を燃焼させる。熱交換器２４３は、燃焼部２４２で
発生する熱を蒸発部２４４に伝える。蒸発部２４４は、
与えられた熱を利用して、導入された水を蒸発させる。
これにより、蒸発部２４４は、原料（メタンガス）と水
蒸気との混合ガスを生成する。

【００４３】改質部２４６は、改質反応を促進させる触
媒を担持しており、蒸発部２４４から供給された混合ガ
スを改質して、水素ガスを含む改質ガスを生成する。な
お、触媒としては、例えば、Ｎｉ触媒が用いられる。改
質部２４６では、次の式（１），式（２）に示す化学反
応が順次進行し、全体では、式（３）に示す改質反応が
進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれ
ている。

【００４４】 ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ₂ …（１） ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ …（２） ＣＨ₄ ＋ ２Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ４Ｈ₂ …（３）

【００４５】ＣＯ酸化部２４８は、ブロワ２５２によっ
て供給される空気中の酸素を用いて、改質ガスに含まれ
る一酸化炭素ガスを酸化する。そして、ＣＯ酸化部２４
８からは、一酸化炭素ガス濃度の低い燃料ガスが排出さ
れる。このような燃料ガスを燃料電池２２に供給するこ
とにより、燃料電池内部の貴金属触媒が一酸化炭素ガス
によって被毒することを防止することができる。

【００４６】酸化ガス供給部３００（図３）は、ブロワ
３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）
を燃料電池２２に供給する。

【００４７】燃料電池２２（図３）は、燃料ガス供給部
２００から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部３０
０から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。具体
的には、燃料電池２２内部では、以下に示す電気化学反
応が進行する。なお、式（４）はアノード（水素極）に
おける反応を示しており、式（５）はカソード（酸素
極）における反応を示している。そして、全体では、式
（６）に示す反応が進行する。

【００４８】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- …（４） （１／２）Ｏ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（５） Ｈ₂ ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（６）

【００４９】制御装置４００は、図３に示すように、燃
料ガス供給部２００および酸化ガス供給部３００を構成
する各部に電気的に接続されている。具体的には、制御
装置４００は、第１の補機群３０（図１）を構成する３
つの流量制御弁２２２，２２４，２２６と、２つの流量
計２３２，２３４と、３つのブロワ２５１，２５２，３
１０と、に接続されている。

【００５０】Ｃ．燃料電池システムの制御：式（４）か
ら分かるように、燃料電池２２の出力電流（出力電力）
は、燃料ガス供給部２００から燃料電池２２へ供給され
る水素ガス流量に応じて決定される。そこで、本実施例
の制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な運転パ
ワーを推定することにより、燃料電池２２に要求される
出力電力を決定し、要求される出力電力に応じて燃料電
池に供給される水素ガスの流量を調整する。具体的に
は、制御装置４００は、改質器２４０に供給される原料
の流量と水の流量とを調整することにより、燃料電池２
２に供給される水素ガスの流量を調整する。このように
して、制御装置４００は、燃料電池２２の出力電力を制
御する。

【００５１】図４は、制御装置４００による燃料電池シ
ステムの制御手順を示すフローチャートである。

【００５２】ステップＳ１０１では、運転パワー推定部
４１０が電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔを推
定する。具体的には、ステップＳ１０１ａでは、電気自
動車の走行に必要な走行パワーＰｒが推定され、ステッ
プＳ１０１ｂでは、第１の補機群３０および第２の補機
群５０の動作に必要な動作パワーＰｗが推定される。そ
して、ステップＳ１０１ｃでは、走行パワーＰｒと動作
パワーＰｗとが加算され、運転パワー（トータルパワ
ー）Ｐｔが決定される。

【００５３】ステップＳ１０１ａで推定される走行パワ
ーＰｒは、電気自動車の走行抵抗に関係する。すなわ
ち、電気自動車が走行する際には、電気自動車に作用す
る走行抵抗よりも大きな駆動力が必要である。ここで、
走行抵抗は、ころがり抵抗や、空気抵抗、勾配抵抗、加
速抵抗などを含んでいる。走行抵抗に等しい駆動力を得
るためにモータ６０に要求される走行パワーＰｒ（Ｊ／
ｓ）は、式（７）で表される。

【００５４】 Ｐｒ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４ ＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）・Ｖ …（７）

【００５５】ここで、Ｒ１（Ｎ）〜Ｒ４（Ｎ）は、それ
ぞれ、ころがり抵抗、空気抵抗、勾配抵抗、加速抵抗で
あり、Ｖ（ｍ／ｓ）は電気自動車の速度である。また、
Ｐ１（Ｊ／ｓ）〜Ｐ４（Ｊ／ｓ）は、それぞれ抵抗Ｒ１
〜Ｒ４に起因して要求されるパワーである。

【００５６】各抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ、式
（８），式（９），式（１０），式（１１）で表され
る。

【００５７】 Ｒ１＝Ｋ１・Ｍ・ｇ …（８） Ｒ２＝Ｋ２・Ａ・Ｖ² …（９） Ｒ３＝Ｍ・ｇ・sin θ …（１０） Ｒ４＝Ｍ・α …（１１）

【００５８】ここで、Ｋ１はころがり抵抗係数であり、
路面の状況やタイヤの材料などによって決定される値で
ある。Ｍ（Ｋｇ）は車両総質量である。ｇ（ｍ／ｓ² ）
は重力加速度である。Ｋ２は空気抵抗係数であり、電気
自動車の側方形状に応じて決定される値である。なお、
Ｋ２は、流線型の場合には比較的小さく、箱型の場合に
は比較的大きい。Ａは電気自動車の前面投影面積
（ｍ² ）である。θは路面の傾斜角度である。α（ｍ／
ｓ² ）は電気自動車の加速度である。

【００５９】なお、式（８）〜式（１１）から分かるよ
うに、電気自動車が走行する際には、ころがり抵抗Ｒ１
は必ず電気自動車に作用する。空気抵抗Ｒ２は、ころが
り抵抗Ｒ１と共に、必ず電気自動車に作用し、高速走行
の際にかなり大きくなる。勾配抵抗Ｒ３は、坂路走行の
際に電気自動車に作用し、加速抵抗Ｒ４は、加減速走行
の際に電気自動車に作用する。

【００６０】走行パワーＰｒを求めるための式（７）〜
式（１１）中の各パラメータＭ，Ｖ，α，θは、運転パ
ワー推定部４１０によって以下のように決定される。

【００６１】電気自動車の総質量Ｍは、空車状態におけ
る車両質量と乗客質量との和にほぼ等しい。車両質量
は、既知であり、乗客質量は、搭乗人数と標準体重（質
量）との積にほぼ等しい。したがって、搭乗人数を決定
することにより、電気自動車（路線バス）の総質量Ｍを
決定することができる。重量決定部４１２は、搭乗人数
を計測するための計測部４１４を備えており、計測結果
を用いて電気自動車の総重量（Ｍ・ｇ）を決定する。計
測部４１４は、搭乗券の発行枚数および回収枚数を計測
することにより、搭乗人数を決定する。あるいは、計測
部４１４は、乗車人数および降車人数を直接計測するこ
とにより、搭乗人数を決定する。乗車人数および降車人
数は、路線バスの乗降口に、人の乗車および降車を検出
可能なセンサを設けることによって、計測可能である。
なお、センサとしては、光電管センサや赤外線センサな
どを用いることができる。このように、搭乗人数を計測
すれば、重量決定部４１２は、路線バスの停留所毎に変
化する電気自動車の総重量を比較的正確に決定すること
ができる。

【００６２】なお、本実施例では、重量決定部４１２
は、搭乗人数を計測することによって電気自動車の総重
量を決定しているが、これに代えて、路線バスの特徴を
考慮して、マップを用いて総重量を決定するようにして
もよい。例えば、総質量Ｍは、路線バスの運行経路内に
おける位置に応じた総質量の変化を示すマップを用いる
ことによって決定可能である。このようにすれば、重量
決定部４１２は、路線バスの停留所毎に変化する電気自
動車の総重量（Ｍ・ｇ）を比較的容易に決定することが
できる。ここで、路線バスの運行経路内における位置
は、例えば、ＧＰＳ情報や、所定の起点（発車場など）
からの累積走行距離情報などを用いて決定可能である。
なお、累積走行距離情報は、例えば、トリップメータか
ら得られる。さらに、路線バスが所定のタイムスケジュ
ールに従って走行する場合には、時刻から上記の位置を
推定することも可能である。

【００６３】また、路線バスの搭乗人数は、換言すれ
ば、路線バスの総質量Ｍは、時間的な周期で変化する。
図５は、路線バスの１日の総質量Ｍの変化を示すマップ
である。図示するように、１日の周期では、搭乗人数の
比較的多い朝・夕の時間帯に、総質量Ｍが比較的大きく
なる。また、図６は、路線バスの１週の総質量Ｍの変化
を示すマップである。図示するように、１週の周期で
は、搭乗人数の比較的多い平日に、総質量Ｍが比較的大
きくなる。さらに、１年の周期では、搭乗人数の比較的
少ない夏期および冬期の長期休暇期間中に、総質量Ｍが
比較的小さくなる。このように、路線バスの総質量Ｍの
変化は、周期性を有している。したがって、１日、１
週、１年などの時間的な周期に応じた総質量Ｍを示すマ
ップを用いれば、重量決定部４１２は、総重量Ｍ・ｇを
比較的容易に決定することができる。

【００６４】電気自動車の速度Ｖは、実際の速度を測定
することによって決定される。なお、実際の速度は、駆
動軸の回転数を測定するセンサを用いて求められる。

【００６５】電気自動車の加速度αは、実際の加速度を
測定することによって決定される。なお、加速度は、上
記の速度Ｖの測定結果を用いて算出可能である。

【００６６】路面の傾斜角度θは、ＧＰＳ情報を取得す
ることによって決定される。具体的には、傾斜角度θ
は、経時的に変化する電気自動車の水平位置情報の変化
量と垂直位置情報の変化量とを算出することによって決
定される。

【００６７】なお、速度Ｖと加速度αと傾斜角度θと
は、上記の総質量Ｍと同様に、路線バスの特徴を考慮し
て、マップを用いて決定されるようにしてもよい。例え
ば、速度Ｖは、路線バスの位置に応じた速度の変化を示
すマップを用いることによって決定可能である。同様
に、加速度αは、路線バスの位置に応じた加速度の変化
を示すマップを用いることによって決定可能であり、傾
斜角度θは、路線バスの位置に応じた傾斜角度の変化を
示すマップを用いることによって決定可能である。この
ようなマップを用いれば、運転パワー推定部４１０は、
路線バスの運行経路内の位置に応じて変化する走行パワ
ーＰｒを比較的容易に推定することができる。

【００６８】上記のようにして、運転パワー推定部４１
０は、各パラメータＭ，Ｖ，α，θを決定して、走行パ
ワーＰｒを求める。

【００６９】ステップＳ１０１ｂで推定される動作パワ
ーＰｗは、第１の補機群３０および第２の補機群５０の
動作に必要なパワーである。図７は、路線バスの１年の
動作パワーＰｗの変化を示すマップである。図示するよ
うに、１年の周期では、動作パワーＰｗは、夏期に比較
的大きくなっている。これは、第２の補機群５０に含ま
れる空調装置の動作に必要なパワーが、夏期に大きくな
るためである。なお、１日の周期では、気温の比較的高
い昼の時間帯に、動作パワーＰｗが比較的大きくなる。
このように、路線バスの動作パワーＰｗの変化は、周期
性を有している。したがって、１年、１日などの周期に
応じた動作パワーの変化を示すマップを用いれば、運転
パワー推定部４１０は、動作パワーＰｗを比較的容易に
決定することができる。

【００７０】ステップＳ１０１ｃでは、運転パワー推定
部４１０は、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを加算
して、電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔ（＝Ｐ
ｒ＋Ｐｗ）を求める。

【００７１】次に、ステップＳ１０２（図４）では、制
御部４２０は、ステップＳ１０１で推定された運転パワ
ーＰｔに応じて、改質器２４０に供給される原料（メタ
ンガス）と水との目標流量を算出する。

【００７２】電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔ
を満足するために燃料電池２２に要求される出力電力Ｐ
_FC（Ｊ／ｓ）は、式（１２）で表される。なお、Ｋｍｅ
は機械−電気変換効率などを含む定数である。

【００７３】 Ｐ_FC＝Ｋｍｅ・Ｐｔ …（１２）

【００７４】図２で説明したように、燃料電池２２に要
求される出力電力（発電量）Ｐ_FCが決まると、燃料電池
の出力電圧Ｖ_FC（Ｖ）と出力電流Ｉ_FC（Ａ）とが決定さ
れる。燃料電池２２に要求される出力電流Ｉ_FCは、式
（１３）で表される。

【００７５】 Ｉ_FC＝Ｐ_FC／Ｖ_FC …（１３）

【００７６】なお、燃料電池の出力電圧Ｖ_FCは、コンバ
ータ２４（図１）の出力電圧（電源装置２０の目標電圧
値）に等しい。式（１３）の電圧Ｖ_FCとしては、電圧計
を用いて測定された値を用いてもよいし、近似的な定数
を用いてもよい。

【００７７】出力電流Ｉ_FCを得るために必要な水素ガス
流量Ｆｈ（ｍｏｌ／ｓ）は、式（４）から分かるよう
に、式（１４）で表される。

【００７８】 Ｆｈ＝Ｉ_FC・Ｋｈ／（２・Ｆ） …（１４）

【００７９】ここで、Ｋｈは、燃料電池２２における水
素利用率の逆数である。Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）は、ファラデ
ー定数であり、電子１モル当たりの電荷量を示す。

【００８０】水素ガス流量Ｆｈを改質器２４０で生成す
る際に必要となるメタンガス流量Ｆｍ（ｍｏｌ／ｓ）お
よび水流量Ｆｗ（ｍｏｌ／ｓ）は、式（３）から分かる
ように、それぞれ式（１５），式（１６）で表される。

【００８１】 Ｆｍ＝Ｆｈ／４ …（１５） Ｆｗ＝Ｆｈ／２ …（１６）

【００８２】式（１２）〜式（１６）を用いれば、メタ
ンガスの目標流量Ｆｍおよび水の目標流量Ｆｗは、推定
された運転パワーＰｔの関数で表される。

【００８３】ステップＳ１０３では、制御部４２０は、
改質器２４０に供給されるメタンガス流量および水流量
を制御する。具体的には、制御部４２０は、メタンガス
流量および水流量がそれぞれ目標流量Ｆｍ（Ｐｔ），Ｆ
ｗ（Ｐｔ）に等しくなるように、２つの流量制御弁２２
２，２２４を開度を設定するための２つの流量制御値
（電圧値）Ｖ_VM，Ｖ_VWを求め、各流量制御値Ｖ_VM，Ｖ_VW
を用いて各流量制御弁２２２，２２４を制御する。

【００８４】ところで、流体は、圧力に応じて密度が変
化する圧縮性を有している。特に、メタンガスは、高い
圧縮性を有している。このため、フィードフォワード制
御のみで決定される流量制御値を用いる場合には、メタ
ンガス流量を精度良く調整することは困難である。そこ
で、本実施例では、制御部４２０は、フィードフォワー
ド制御とフィードバック制御とを組み合わせた式（１
７）を用いて、第１の流量制御弁２２２を制御するため
の流量制御値（電圧値）Ｖ_VMを決定している。

【００８５】 Ｖ_VM＝Ｖｍ＋Ｋｐ・（Ｆｍ−Ｆｍｋ）＋Ｋｉ・Σ（Ｆｍ−Ｆｍｋ） …（１７）

【００８６】ここで、Ｖｍは、目標流量Ｆｍを実現する
ために設定される初期フィードフォワード値（電圧値）
である。Ｆｍｋは、実際の流量である。Ｋｐは比例演算
を行うための係数であり、Ｋｉは積分演算を行うための
係数である。

【００８７】なお、実際の流量Ｆｍｋは、第１の流量計
２３２による測定値である。第１の流量計２３２として
は、比較的精度の高い測定が可能な熱線式流量計や、カ
ルマン渦式流量計などを用いることが好ましい。

【００８８】このように、フィードフォワード制御とフ
ィードバック制御とを組み合わせた制御（２自由度制
御）を採用して第１の流量制御弁２２２を制御すれば、
改質器２４０に供給されるメタンガスの流量を精度良く
調整することが可能となる。また、本実施例の制御は、
メタンガスの予測使用量を用いた見込み制御であるた
め、ハイゲインのフィードバック制御が不要であり、こ
の結果、制御系の安定性を向上させることができる。

【００８９】なお、本実施例では、制御部４２０は、式
（１７）と同様の式を用いて、第２の流量制御弁２２４
を制御するための流量制御値Ｖ_VWを決定している。

【００９０】制御部４２０は、決定された流量制御値Ｖ
_VM，Ｖ_VWを用いて各流量制御弁２２２，２２４の開度を
調整し、メタンガスの流量と水の流量とを調整する。こ
のとき、燃料電池２２に供給される水素ガス流量が調整
され、この結果、燃料電池２２の出力電力（発電量）が
調整される。

【００９１】このようにして、制御部４２０は、要求さ
れる運転パワーＰｔに応じて、燃料電池の出力電力を制
御することができる。

【００９２】以上説明したように、本実施例の制御装置
４００は、電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔを
推定するための運転パワー推定部４１０と、推定された
運転パワーＰｔに応じて、燃料電池システムの運転状態
を制御するための制御部４２０と、を備えている。運転
パワー推定部４１０は、変化し得る電気自動車の総重量
を決定するための重量決定部４１２を備えており、変化
する電気自動車の総重量に応じて走行パワーＰｒを推定
することにより、走行パワーＰｒを含む運転パワーＰｔ
を求めることができる。このような構成を採用すること
により、制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な
運転パワーＰｔと燃料電池２２の出力電力Ｐ_FCとが整合
するように、燃料電池システムの運転状態（発電）を制
御することが可能となる。換言すれば、要求される運転
パワーＰｔに対する燃料電池２２の出力電力Ｐ_FCの多寡
を、低減させることが可能となる。この結果、二次電池
２６を小型化することも可能となる。

【００９３】また、本実施例では、燃料電池２２は、必
要な時に必要な量だけ発電する。このため、燃料電池２
２や改質器２４０、燃料電池を構成する補機群の耐用寿
命を比較的長くすることができるという利点がある。ま
た、改質器２４０に供給される原料を低減させ、この結
果、燃費を向上させることができるという利点もある。
さらに、余分な改質ガスの発生を低減させ、この結果、
改質ガス中に存在するＣＯ₂ 量（式（３））を低減させ
ることができるという利点もある。

【００９４】Ｄ．変形例：この発明は上記の実施例や実
施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない
範囲において種々の態様において実施することが可能で
あり、例えば次のような変形も可能である。

【００９５】Ｄ１．変形例１：上記実施例では、式
（７）に示すように、走行パワーＰｒは、４つの抵抗Ｒ
１〜Ｒ４に起因して要求される４つのパワーＰ１〜Ｐ４
を含んでいる。ところで、路線バスが比較的低速で走行
する場合には、空気抵抗Ｒ２は比較的小さい。また、路
線バスが平坦な路面を走行する場合には、勾配抵抗Ｒ３
は比較的小さい。さらに、路線バスが急激な加減速を行
わない場合には、加速抵抗Ｒ４は比較的小さい。したが
って、上記のような場合には、走行パワーＰｒは、電気
自動車に必ず作用するころがり抵抗Ｒ１に起因して要求
される第１のパワーＰ１のみを含むようにしてもよい。
このようにしても、運転パワー推定部４１０は、走行パ
ワーＰｒを比較的正確に推定することができる。

【００９６】ただし、走行パワーＰｒは、第１のパワー
Ｐ１とともに、空気抵抗Ｒ２と勾配抵抗Ｒ３と加速抵抗
Ｒ４とのうちの少なくとも１つに起因して要求されるパ
ワーＰ２，Ｐ３，Ｐ４を含むことが好ましい。このよう
にすれば、電気自動車の走行パワーをより正確に推定す
ることが可能となる。

【００９７】Ｄ２．変形例２：上記実施例では、運転パ
ワーＰｔは、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを含ん
でいるが、走行パワーＰｒのみを含むようにしてもよ
い。ただし、上記実施例のようにすれば、制御装置４０
０は、運転パワーＰｔと燃料電池２２の出力電力Ｐ_FCと
がより整合するように、燃料電池システムの運転状態を
制御することが可能となる。

【００９８】また、上記実施例では、運転パワーＰｔ
は、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを含んでいる
が、さらに、他のパワーを含むようにしてもよい。

【００９９】Ｄ３．変形例３：上記実施例では、原料と
してメタンガスが用いられているが、これに代えて、メ
タンガスを主成分とする都市ガスを用いるようにしても
よい。ただし、この場合には、式（１５）のＦｍに代え
て、Ｆｍ’（＝Ｋｔ×Ｆｈ／４）が用いられる。なお、
Ｋｔは、都市ガス中に混入する窒素を無視するための係
数である。

【０１００】Ｄ４．変形例４：上記実施例では、改質部
２４６は、水蒸気改質によって水素ガスを生成している
が、これに代えて、または、これと共に、部分酸化によ
って水素ガスを生成するようにしてもよい。なお、部分
酸化によって水素ガスを生成する場合には、改質部２４
６に空気（酸素）を供給すればよい。

【０１０１】Ｄ５．変形例５：上記実施例では、燃料電
池システムは、メタンガスを用いて水素ガスを生成する
燃料ガス供給部２００を備えているが、これに代えて、
他のガスや、アルコール、ガソリン、エーテル、アルデ
ヒドなどを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部を
備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素
原子を含有する種々の炭化水素系化合物を用いることが
できる。

【０１０２】Ｄ６．変形例６：上記実施例では、制御装
置４００は、改質器２４０に供給されるメタンガスおよ
び水の流量を調整しているが、これに代えて、または、
これと共に、燃料ガス供給部２００から燃料電池２２へ
供給される燃料ガスの流量を調整するようにしてもよ
い。

【０１０３】また、上記実施例では、燃料ガス供給部２
００は、メタンガスを改質して水素ガスを生成する改質
器２４０を備えているが、改質器は省略可能である。こ
の場合には、燃料ガス供給部は、水素吸蔵合金や水素ボ
ンベなどの水素貯蔵装置を備えていればよい。そして、
制御装置は、推定された運転パワーＰｔに基づいて、燃
料ガス供給部から燃料電池へ供給される燃料ガスの流量
を調整すればよい。

【０１０４】Ｄ７．変形例７：上記実施例では、固体高
分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに本発明の
制御装置４００を適用する場合について説明したが、他
のタイプの燃料電池を備える燃料電池システムにも適用
可能である。

【０１０５】Ｄ８．変形例８：上記実施例では、電気自
動車に搭載された燃料電池システムに本発明の制御装置
４００を適用する場合について説明したが、列車に搭載
された燃料電池システムにも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システムを搭載する電気自動車の概略
構成を示す説明図である。

【図２】燃料電池の出力特性を示すグラフである。

【図３】燃料電池システムの概略構成を示す説明図であ
る。

【図４】制御装置４００による燃料電池システムの制御
手順を示すフローチャートである。

【図５】路線バスの１日の総質量Ｍの変化を示すマップ
である。

【図６】路線バスの１週の総質量Ｍの変化を示すマップ
である。

【図７】路線バスの１年の動作パワーＰｗの変化を示す
マップである。

【符号の説明】

２０…電源装置 ２２…燃料電池 ２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ ２６…二次電池 ３０…第１の補機群 ４０…ＤＣ／ＡＣインバータ ５０…第２の補機群 ６０…三相モータ ７０…減速ギヤ ２００…燃料ガス供給部 ２１２…原料タンク ２１４…水タンク ２２２，２２４，２２６…流量制御弁 ２３２，２３４…流量計 ２４０…改質器 ２４２…燃焼部 ２４３…熱交換器 ２４４…蒸発部 ２４６…改質部 ２４８…ＣＯ酸化部 ２５１，２５２…ブロワ ３００…酸化ガス供給部 ３１０…ブロワ ４００…制御装置 ４１０…運転パワー推定部 ４１２…重量決定部 ４１４…計測部 ４２０…制御部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 MM12 MM26 5H115 PA12 PA13 PA15 PC06 PG04 PI16 PI18 PO01 PO10 PU01 PU08 PV02 PV09 QA01 QN04 SE03 SE06 TI05 TI06 TO05 TO07 TO09 TO10 TO12 TO13 TO14

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両に搭載された燃料電池システムを制
   御するための制御装置であって、 前記車両の運転に必要な運転パワーを推定するための運
   転パワー推定部と、 推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池シス
   テムの運転状態を制御するための制御部と、を備え、 前記運転パワー推定部は、変化し得る前記車両の総重量
   を決定するための重量決定部を備え、決定された前記総
   重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定
   することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記
   運転パワーを求めることを特徴とする制御装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の制御装置であって、 前記重量決定部は、前記車両の搭乗人数を計測するため
   の計測部を備え、計測結果を用いて前記総重量を決定す
   る、制御装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の制御装置であって、 前記車両は、所定の運行経路を走行し、 前記重量決定部は、時間的な周期で変化する前記車両の
   総重量を推定するためのマップを備える、制御装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の制御装置であって、 前記車両は、所定の運行経路を走行し、 前記運転パワー推定部は、前記所定の運行経路内におけ
   る前記車両の位置に応じて前記走行パワーを推定するた
   めのマップを備える、制御装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の制御装置であって、 前記走行パワーは、前記車両に作用するころがり抵抗に
   起因するパワーを含む、制御装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の制御装置であって、 前記走行パワーは、さらに、前記車両に作用する空気抵
   抗と勾配抵抗と加速抵抗とのうちの少なくとも１つに起
   因するパワーを含む、制御装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載の制御装置であって、 前記運転パワー推定部は、さらに、補機の動作に必要な
   動作パワーを推定し、 前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーとを含
   む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行する、制御
   装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載の制御装置であって、 前記補機は、前記車両室内の温度を調節するための空調
   装置を含み、 前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記
   動作パワーを推定するためのマップを備える、制御装
   置。
9. 【請求項９】 請求項１記載の制御装置であって、 前記燃料電池システムは、 燃料電池と、 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
   を備え、 前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記燃料電
   池に供給される前記燃料ガスの流量を調整する、制御装
   置。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の制御装置であって、 前記燃料電池システムは、 燃料電池と、 前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、 前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    を備え、 前記燃料ガス供給部は、 所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成するための
    改質器を備え、 前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記改質器
    に供給される前記原料の流量を調整する、制御装置。
11. 【請求項１１】 車両に搭載された燃料電池システムの
    制御方法であって、（ａ）前記車両の運転に必要な運転
    パワーを推定する工程と、（ｂ）推定された前記運転パ
    ワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御
    する工程と、を備え、前記工程（ａ）は、変化し得る前
    記車両の総重量を決定し、決定された前記総重量を用い
    て前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することに
    より、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワー
    を求める工程を含むことを特徴とする制御方法。