JP2008312418A - 燃料電池搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ走行状態からＦＣ発電走行状態に切り替わった時点において、燃料電池から直ちに出力要求電力を供給することができる燃料電池搭載車両を提供する。
【解決手段】 高圧バッテリ１からのバッテリ電力でモータ５を駆動させてバッテリ走行を実施しながらＦＣスタック８によるＦＣ発電を準備中のとき、マイコン２０の電力分配決定部２２が、ＦＣ発電走行に切り替わったときに最初にＦＣスタック８に要求されるＦＣ要求電力を算出する。そして、バッテリ走行中のときに、エアコンプレッサ制御部２５が、ＦＣ要求電力抽出部２３の抽出したＦＣ要求電力に基づいてエアコンプレッサ６を制御する。エアコンプレッサ６は、ＦＣ要求電力の大きさに応じて、ＦＣスタック８へ供給するカソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量を増加させる。これにより、ＦＣ発電走行に切り替わった直後から必要なＦＣ電力を出力できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池の発電電力を利用してモータを駆動させ、そのモータの駆動トルクによって走行する燃料電池搭載車両に関する。

近年、燃料電池によって発電した電力をモータに供給し、そのモータの駆動トルクによって車輪を回転させて走行する燃料電池搭載車両が開発されている。このような燃料電池は、燃料ガスとしての水素と反応ガスとしての酸素（エア）との化学反応によって発電が行われる。したがって、燃料電池搭載車両を走行開始させる場合は、駆動トルクを発生させるモータや燃料電池を起動させるための補機へ電力を供給するため、あらかじめ二次電池からの電力によってモータや補機を駆動させてから、燃料電池による発電電力の供給を行っている。そのため、燃料電池搭載車両の走行開始時に燃料電池の起動及び燃料電池の電力系統への切り替えを効率的かつ効果的に行わせるための技術が種々開発されている。

例えば、燃料電池の起動状態が所定の状態になった場合に、二次電池の充電電力量及び燃料電池が起動完了するまでの時間に基づいて、二次電池から供給する電力の上限値を設定し、二次電池から上限値以下の電力をモータに供給して駆動トルクを発生させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、起動時走行制御部が、燃料電池スタックの起動度合いを示す起動状態遷移番号を読み出し、燃料電池スタックの起動状態を示す情報を受けることによって起動状態遷移番号を更新しながら二次電池から適正な電力をモータに供給している。したがって、燃料電池の起動中に二次電池に充電した電力のみによって車両走行を開始させた場合でも、二次電池の過放電を防止することができると共に、車両走行に必要な駆動トルクを適正にモータに発生させることができる。
なお、前記従来の燃料電池搭載車両では、二次電池による走行開始状態から燃料電池による発電走行に切り替わった後に、燃料電池の出力要求電力に応じた流量のエア供給を行っている。
特開２００５−７３４７５号公報（段落番号００２８、００５２及び図１、図２参照）

しかしながら、前記従来の燃料電池搭載車両は、二次電池による走行開始状態から燃料電池による発電走行に切り替わってから、燃料電池の出力要求電力に応じた流量のエア供給を行っているため、エアコンプレッサによるエア供給の立ち上がりの遅れなどによって燃料電池からの発電電力が制限されてしまい、負荷側が要求する電力を燃料電池からリアルタイムに供給することができない。その結果、走行開始後の加速時などにおいて、モータの駆動トルクが制限されてしまい、燃料電池からの電力では充分な加速が得られない状態が発生するおそれがある。例えば、燃料電池搭載車両のスタート後に加速のためのアクセルペダルが踏まれていて、二次電池からの供給電力（バッテリアシスト）が最大限になっている状態から燃料電池による発電走行に切り替わったとき、モータ駆動電力の制限値が変わることで、より大きなモータ駆動電力を必要とする場合があるが、その時点でのエア供給量が不足しているので、燃料電池は充分な電力を発電することができない。その結果、燃料電池からモータへ要求電力を供給することができないので、アクセルペダルを踏んだにも関わらず充分な加速が得られないことがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、二次電池による走行状態（蓄電装置走行状態）から燃料電池を主体とする走行状態（燃料電池発電走行状態）に切り替わった時点において、燃料電池から直ちに出力要求電力を供給することができる燃料電池搭載車両を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料ガスと反応ガスとによって発電し、発電電力をモータヘ供給する燃料電池と、前記燃料電池に対して前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記燃料電池に要求される燃料電池要求電力に基づいて、前記反応ガス供給装置から供給される前記反応ガスの供給量を制御する反応ガス供給装置制御手段と、前記燃料電池に対して並列系統で接続され、蓄電電力を前記モータヘ供給する蓄電装置とを備え、車両起動時の燃料電池発電準備中に前記蓄電電力を前記モータヘ供給して走行する蓄電装置走行と、燃料電池発電準備完了後に前記燃料電池からの発電電力を前記モータへ供給して走行する燃料電池発電走行とを行う燃料電池搭載車両であって、前記反応ガス供給装置制御手段は、前記燃料電池発電走行を開始したときに前記燃料電池に要求される燃料電池要求電力の推定値に基づいて、燃料電池発電準備中に、前記反応ガス供給装置から供給される前記反応ガスの供給量を制御するように構成されている。

このような構成によれば、蓄電装置走行を行っていて燃料電池発電の準備中のときに、燃料電池発電走行に切り替わったときに最初に燃料電池に要求される燃料電池要求電力をあらかじめ算出している。そして、蓄電装置走行中のときに、先に算出された燃料電池要求電力に基づいて、燃料電池に供給する反応ガスの供給量を燃料電池要求電力に応じて増加させている。これによって、蓄電装置走行から燃料電池発電走行に切り替わった直後からスムーズに必要な燃料電池発電電力を出力することができるので、燃料電池搭載車両の起動時における燃料電池発電走行への切り替わり時の加速性が向上する。

好適な実施形態としては、請求項２で実現される発明のように、前記反応ガス供給装置制御手段が前記反応ガス供給装置を介しての反応ガス供給の制御を開始する時刻は、前記反応ガス供給装置制御手段による制御開始のタイミングから前記燃料電池が、推定された前記燃料電池電力を発電可能な状態になるまでの時間である反応ガス応答時間分だけ、前記燃料電池発電走行の開始時刻より以前の時刻であるように構成されている。

このような構成によれば、燃料電池の起動状態や、あとどれくらいの時間で燃料電池発電走行に切り替わるかの時間を示す燃料電池残起動時間などに基づいて、蓄電装置走行中のどの時点で反応ガスの供給量を燃料電池要求電力に応じて増加させるかのタイミングを適切に決定することができる。これによって、反応ガス供給装置（エアコンプレッサ）などの補機の電力を無駄に消費させることがなくなる。

請求項１の発明によれば、蓄電装置走行から燃料電池発電走行に切り替わったときに反応ガスの供給量が不足するおそれはなくなる。したがって、モータなどが必要とする燃料電池要求電力を燃料電池からリアルタイムに出力することができるので、車両のドライバビリティが一段と向上する。

請求項２の発明によれば、燃料電池要求電力の推定値による制御を開始するタイミングを最適に決定することができるので、反応ガス供給装置（エアコンプレッサ）などの補機による無駄な電力消費を低く抑えることが可能となる。

《実施形態》
以下、図面を参照しながら本発明に係る燃料電池搭載車両の実施形態について説明する。まず、理解を容易にするために、一般的に行われている燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）発電前（以下、ＦＣ発電前という）の二次電池による蓄電装置走行（以下、バッテリ走行という）の形態について説明する。なお、以下の説明では燃料電池をＦＣと表現することがある。

（参考例のＦＣ発電前バッテリ走行）
図１は、参考例としての燃料電池搭載車両における電力系統のシステム構成図である。また、図２は、図１に示す電力系統のシステムにおいて、燃料電池搭載車両の走行開始後にバッテリ走行から燃料電池発電走行（以下、ＦＣ発電走行という）に切り替わる過程を示すタイムチャートであり、横軸に時間の流れを示し、縦軸に各状態の項目を示している。図２の縦軸における各状態の項目は、（Ａ）状態遷移、（Ｂ）モータ消費電力、（Ｃ）エア供給量、（Ｄ）ＦＣ発電電力である。

なお、ＦＣ発電走行の状態においては、通常は、燃料電池の発電電力とバッテリ（蓄電池）の蓄電電力とを併用して走行を行っているが、主に燃料電池の発電電力によって走行を行っているので、以下の説明では、バッテリと燃料電池を併用する走行状態をＦＣ発電走行ということにする。

まず、図１に示す燃料電池搭載車両における電力系統のシステムの構成について説明する。図１に示す燃料電池搭載車両における電力系統のシステムは、例えば３００Ｖ程度の高電圧を発生させる高圧バッテリ（蓄電装置）１と、高圧バッテリ１を負荷に接続するためのバッテリコンタクタ２と、高圧バッテリ１からの３００Ｖ程度の高電圧を例えば１２Ｖ程度の低電圧に降圧するダウンコンバータ３と、高圧バッテリ１及びＦＣスタック８から高電圧を入力してＰＷＭ制御を行うインバータ４と、インバータ４でＰＷＭ制御された電力を入力し、駆動トルクを発生させて車輪を回転させるモータ５と、高圧バッテリ１からの電力によってエア圧を発生されるエアコンプレッサ（反応ガス供給装置）６と、ダウンコンバータ３によって１２Ｖ程度に降圧された電力によって作動する補機７と、水素ガスとエア（酸素）とによって電力を発電するＦＣスタック８と、ＦＣスタック８を負荷に接続するためのＦＣコンタクタ９と、水素ガスをＦＣスタック８のアノードに供給するアノードガス供給システム１０と、高圧バッテリ１からの電力とＦＣスタック８からの電力を分配してインバータ４に供給する電力分配器１１と、高圧バッテリ１からの電力がＦＣスタック８へ逆流するのを防止する逆流防止用のダイオード１２とを備えて構成されている。なお、図１では、電力系統のシステム全体を制御するためのマイコンは省略されている。

次に、図１に示す電力系統のシステム構成を参照しながら，図２に示すタイムチャートについて説明する。まず、時刻ｔ０において、燃料電池搭載車両（以下、単に車両ということもある）の走行をスタートさせるためにイグニッション（ＩＧ）をＯＮにすると、状態遷移（Ａ）に示すように、高圧バッテリ１から電力を取り出すためのバッテリコンタクタ２が接続される。これによって、時刻ｔ１において、状態遷移（Ａ）に示すようにダウンコンバータ３の動作が開始される。

そして、時刻ｔ２において、状態遷移（Ａ）に示すように、燃料電池スタック（以下、ＦＣスタック）８の出力側のＦＣコンタクタ９が接続状態となる。その後、時刻ｔ３において、状態遷移（Ａ）に示すように、アノードガス供給システム１０からＦＣスタック８へ水素ガスが供給される。そして、時刻ｔ４において、高圧バッテリ１からバッテリコンタクタ２及び電力分配器１１を経てインバータ４へ高圧電力が供給される。これによって、インバータ４はＰＷＭ制御によってモータ５の回転駆動を開始させるので、時刻ｔ４からモータ消費電力（Ｂ）が実線のように上昇し、モータ消費電力（Ｂ）は高圧バッテリ１からモータ５へ供給できる電力の最大値まで達して、車両はバッテリ走行を開始する。なお、バッテリ走行の開始時刻ｔ４は、バッテリコンタクタ２の接続完了時刻ｔ１以降であれば任意の時刻にすることができる。
本参考例では、時刻ｔ０にてイグニッションがＯＮされると、まず、イグニッションがＯＦＦされてから今回イグニッションがＯＮされるまでの放置時間（ソーク時間）などに基づいて、ＦＣ発電走行が開始される時刻ｔ６が決定される。ちなみに、ソーク時間が長いときは、放置中にアノードの水素濃度が低くなっているため、時刻ｔ０から時刻ｔ６までの間の時間、より正確には、水素供給が開始される時刻ｔ３から時刻ｔ６の間の時間が長くなるように、ＦＣ発電走行を開始する時刻ｔ６が設定される。
バッテリ走行を開始する時刻ｔ４は、（１）時刻ｔ０から時刻ｔ６までにエアコンプレッサ６や補機７などに消費される電力と、（２）時刻ｔ４から時刻ｔ６までに高圧バッテリ１からモータ５に供給される電力（図２（Ｂ）の破線参照）と、（３）高圧バッテリ１の残量とから決定される。ちなみに、高圧バッテリ１の残量が少ないときは、バッテリ走行中に高圧バッテリ１の残量がなくなってしまうため、時刻ｔ４から時刻ｔ６の間の時間が短くなるように、バッテリ走行が開始される時刻ｔ４が設定される。
なお、時刻ｔ４において、ドライバがスロットルペダルを踏み込まなければ、モータ５は電力を消費することはない。また、時刻ｔ４から時刻ｔ６の間においては、ドライバがいくらスロットルペダルを踏み込んでも、図２（Ｂ）に破線で示される「バッテリからモータに供給できる電力」以上の電力がモータ５に供給されないように、図示しない制御手段によって制限される。

そして、バッテリ走行中の時刻ｔ５において、エアコンプレッサ６が所定の回転速度まで上昇し、状態遷移（Ａ）に示すように、エアコンプレッサ６からＦＣスタック８へエアの供給が開始される。このときのエア供給量（Ｃ）は、ＦＣ発電の準備を行うための基準供給量であって、コンスタントなエア供給量（以下、ベース・エア供給量という）である。ちなみに、ベース・エア供給量を多くすると高圧バッテリ１の残量がなくなってしまうので、ＦＣ起動にとって、必要最低限の値に制限している。

そして、時刻ｔ６において、状態遷移（Ａ）に示すように、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わってから、エア供給量（Ｃ）はコンスタントなベース・エア供給量からＦＣ要求電力に応じて徐々に上昇する。そのため、ＦＣ発電電力（Ｄ）は時刻ｔ６以降において徐々に上昇する。このとき、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、時刻ｔ６から暫くの間は、エアコンプレッサ６の回転上昇の遅れなどによって、一点鎖線で示すようなＦＣ要求電力を満たすことができない。そのため、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、実線で示すように、時刻ｔ６からベース・エア供給量に見合った電力で上昇した後にエア供給量（Ｃ）の上昇に応じて徐々に上昇を行う。つまり、時刻ｔ６以降においては、モータ消費電力（Ｂ）の上昇特性に示すように、ＦＣから供給するＦＣ供給電力（実線）を徐々に増加させることによって、高圧バッテリ１から供給するバッテリ供給電力（破線）を徐々に減少させ、モータ消費電力（Ｂ）の増加に対応している。
なお、ＦＣ供給電力とバッテリ供給電力の割合は、図示しない制限手段が電力分配器１１（図１参照）を介して制御する。

そして、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、時刻ｔ７以降において、ＦＣ要求電力の上昇特性に従って上昇する。このようにして、時刻ｔ７以降において、ＦＣ発電電力（Ｄ）がＦＣ要求電力の上昇特性に従って上昇するので、モータ消費電力（Ｂ）はＦＣシステムからモータ５に供給できる電力を出力してモータに所望の駆動トルクを発生させ、ＦＣ発電走行を継続させる。

ここで、時刻ｔ６においてバッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わるタイミングから時刻ｔ７までの間は、エアコンプレッサ６の回転上昇の遅れなどに起因するエア供給の立ち上がりの遅れによってＦＣ発電電力（Ｄ）が制限されてしまい、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、実線で示すようにＦＣ要求電力（一点鎖線）の上昇特性以下のレベルで上昇するので、ＦＣスタック８からモータ５へのＦＣ供給電力が制限されてしまう。つまり、時刻ｔ６以降において、ＦＣ発電電力（Ｄ）の立ち上がりが実線で示すように遅れてしまうので、ＦＣからの供給電力（ＦＣ供給電力）がモータ５に必要な駆動トルクを発生させる電力以下に制限されてしまう。そのため、モータ５の駆動トルクの上昇が制限されてしまって車両を充分に加速させることができない。そこで、本実施形態の燃料電池搭載車両では、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった直後から、ＦＣ要求電力に見合ったＦＣ発電電力を出力できるＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスを実現している。
なお、燃料電池搭載車両における電力系統の制御は制御手段としてのマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）によって行われるが、図１に示す電力系統のシステム構成ではマイコンは省略されている。

（本実施形態のＦＣ発電前バッテリ走行）
図３は、本実施形態の燃料電池搭載車両における電力系統のシステム構成図である。まず、図３に示す燃料電池搭載車両における電力系統のシステムの構成について説明するが、図１と同等な構成要素に関しては同じ符号を付してその説明は適宜省略する。すなわち、図３に示す燃料電池搭載車両における電力系統のシステムは、図１の構成要素に加えて、電力系統のシステム全体を制御するマイコン（制御手段）２０が追加されている。つまり、図１ではマイコンは省略されているが、本実施形態の燃料電池搭載車両における電力系統のシステムでは、マイコン２０が本発明に特有な動作を呈するので、図３では図面上にマイコン２０が追加されている。

マイコン２０は、モータ５の回転速度やアクセルペダルの開度などに基づいてモータ５が要求するモータ要求電力を決定するモータ要求電力決定部２１と、高圧バッテリ１から出力されるバッテリ電力（蓄電電力）とＦＣスタック８から出力されるＦＣ要求電力（燃料電池要求電力）との分配比を決定する電力分配決定部２２と、電力分配決定部２２によって分配比が決定されたＦＣ要求電力によって推定された要求電力推定値を抽出するＦＣ要求電力抽出部２３と、ＦＣ要求電力抽出部２３からの要求電力推定値に基づく指令値に基づいて、ＦＣスタック８のアノードへ供給する水素ガスのガス圧・ガス量を制御する燃料ガス制御部２４と、ＦＣ要求電力抽出部２３からの要求電力推定値に基づく指令値に基づいて、ＦＣスタック８のカソードへ供給するエアのガス圧・ガス量を制御するエアコンプレッサ制御部（反応ガス供給装置制御手段）２５とを備えて構成されている。なお、マイコン２０は、高圧バッテリ１のバッテリ状態（ＳＯＣ等）を検出するバッテリ状態検出部を備えている（図示せず）。また、マイコン２０は、ＦＣスタック８のＦＣ起動状態を監視したり、ＦＣ発電走行に切り替わるまでの予想時間を示すＦＣ残起動時間などをカウントする機能も備えている。

図４は、図３に示す電力系統のシステムにおいて、燃料電池搭載車両の走行開始後にバッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わる過程を示すタイムチャートであり、横軸に時間の流れを示し、縦軸に各状態の項目を示している。なお、縦軸における各状態の項目は（Ａ）状態遷移、（Ｂ）モータ消費電力、（Ｃ）エア供給量、（Ｄ）ＦＣ発電電力である。

以下、図３に示す本実施形態の燃料電池搭載車両における電力系統のシステム構成を参照しながら、図４に示すタイムチャートにしたがって本実施形態によるＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスを詳細に説明する。ここでは、シーケンスの流れを通して説明するために、図２に示す従来のＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスと重複する部分も概略的に説明しながら本実施形態のＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスを説明する。

まず、時刻ｔ０において、車両の走行をスタートさせるためにイグニッション（ＩＧ）をＯＮにすると、状態遷移（Ａ）に示すように、マイコン２０の制御によって、高圧バッテリ１から電力を取り出すためのバッテリコンタクタ２が接続され、電力分配器１１を介してインバータ４へ高電圧が供給される。このとき、高圧バッテリ１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：バッテリ充電状態）はマイコン２０によって常時監視されている。また、時刻ｔ１において、状態遷移（Ａ）に示すように、ダウンコンバータ３が動作を開始して、高圧バッテリ１からの高電圧がダウンコンバータ３によって例えば１２Ｖ程度の低電圧に電圧変換され、エアコンプレッサ６やそれ以外の補機７に低電圧の電力が供給される。

そして、時刻ｔ２において、状態遷移（Ａ）に示すように、マイコン２０の制御によってＦＣスタック８の出力側のＦＣコンタクタ９が接続される。その後、時刻ｔ３において、状態遷移（Ａ）に示すように、マイコン２０の制御によって、アノードガス供給システム１０からＦＣスタック８へ水素ガスが供給される。そして、時刻ｔ４において、高圧バッテリ１からバッテリコンタクタ２及び電力分配器１１を経てインバータ４へ供給された高圧電力により、インバータ４がＰＷＭ制御をしてモータ５の回転駆動を行い、車両がバッテリ走行を開始する。バッテリ走行開始後、本実施形態では時刻ｔ４からモータ消費電力（Ｂ）が上昇し、モータ消費電力（Ｂ）は高圧バッテリ１からモータ５へ供給できる電力の最大値まで達している。

そして、バッテリ走行中の時刻ｔ５において、マイコン２０の制御によってエアコンプレッサ６が所定の回転速度まで上昇し、状態遷移（Ａ）に示すように、エアコンプレッサ６からＦＣスタック８へエアが供給されＦＣ起動状態となる。このときのエア供給量（Ｃ）は、ＦＣ発電の準備を行うための基準供給量である一定値のベース・エア供給量である。なお、ＦＣスタック８のＦＣ起動状態はマイコン２０によって常時監視されている。

そして、バッテリ走行中におけるエア供給時の所定の時刻ｔ５ａにおいて、マイコン２０の制御によってエアコンプレッサ６が回転速度を上昇させるので、エア供給量（Ｃ）は実線で示すようにベース・エア供給量から徐々に上昇する。なお、エア供給量（Ｃ）の破線は図２に示す従来のシステムにおけるエア供給量の特性である。ここで、所定の時刻ｔ５ａは、ＦＣ発電電力（Ｄ）の一点鎖線で示すようなバッテリ走行中にマイコン２０によって算出されたＦＣ要求電力の予測値に基づいて、ＦＣスタック８に供給するエア供給量（Ｃ）をＦＣ要求電力に応じて増加させるためのタイミングである。

すなわち、時刻ｔ５ａにおいて、図３におけるマイコン２０の内部構成図及び制御線図に示すように、マイコン２０内のモータ要求電力決定部２１が、モータ回転速度やモータ消費電力に基づいてモータ要求電力を決定し、電力分配決定部２２が、モータ要求電力に基づいてＦＣ要求電力を算出してバッテリ供給電力とＦＣ供給電力の分配比を決定し、電力分配器１１に対してバッテリ供給電力とＦＣ供給電力の分配比を指示する。さらに、ＦＣ要求電力抽出部２３が、電力分配決定部２２からＦＣ要求電力のみを抽出し、抽出されたＦＣ要求電力に基づいて燃料ガス制御部２４とエアコンプレッサ制御部２５に対して制御指令を行う。

これによって、時刻ｔ５ａにおいて、燃料ガス制御部２４が、アノードガス供給システム１０を制御してＦＣスタック８への水素ガスの供給量をコントロールし、エアコンプレッサ制御部２５が、エアコンプレッサ６の回転速度を制御してＦＣスタック８へのエアの供給量をコントロールする。このようにして、時刻ｔ５ａの時点から、図４に示すエア供給量（Ｃ）は、実線で示すように、ＦＣ発電電力（Ｄ）におけるＦＣ要求電力の予測値の上昇特性（つまり、一点鎖線の特性）に応じて、ベース・エア供給量のレベルから増加する方向へ供給量の上昇を開始する。

このようにしてＦＣ要求電力の予測値がバッテリ走行中において算出されるため、バッテリ走行中の時刻ｔ５ａ以降においてエア供給量（Ｃ）が実線のように増加するので、時刻ｔ６において、状態遷移（Ａ）に示すように、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時点から、ＦＣ発電電力（Ｄ）は実線で示すようにＦＣ要求電力の予測値（一点鎖線）に向かって急激に上昇し、時刻ｔ６から極めて近い時刻ｔ６ａにおいてＦＣ発電電力（Ｄ）はＦＣ要求電力の予測値（一点鎖線）に到達する。そして、時刻ｔ６ａ以降ではＦＣ発電電力（Ｄ）はＦＣ要求電力の予測値の特性を辿って上昇する。したがって、モータ消費電力（Ｂ）は時刻ｔ６から急上昇し、ＦＣ発電走行開始の時刻ｔ６から極めて近い時刻ｔ６ａにおいてＦＣシステムからモータ５に供給できる電力に到達する。すなわち、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時刻ｔ６以降の加速時において、ＦＣ発電による電力（つまり、モータ消費電力（Ｂ））はモータ５が要求するモータ要求電力へ急激に到達する。

すなわち、従来のシステムでは、エア供給量（Ｃ）は、破線で示すように、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時刻ｔ６からＦＣベース・エア供給量から出力要求電力に応じて上昇する傾向を辿るので、ＦＣ発電電力（Ｄ）も時刻ｔ６以降において破線で示すように徐々に上昇して時刻ｔ７においてモータ５が要求するモータ要求電力に到達する。そのため、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、時刻ｔ６においてバッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時点より遅れて、時刻ｔ７でＦＣ要求電力に達するため、ＦＣ発電走行開始時（時刻ｔ６から時刻ｔ７まで）に充分な加速性能が得られない。

しかし、本発明のシステムでは、エア供給量（Ｃ）は、実線で示すように、バッテリ走行中の途中の時刻ｔ５ａを基点にＦＣベース・エア供給量のレベルからＦＣ要求電力に応じて上昇する傾向を辿るので、ＦＣ発電電力（Ｄ）は、実線で示すように、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時刻ｔ６から急激に上昇し、時刻ｔ６に極めて近い時刻ｔ６ａからモータ５が要求するモータ要求電力（つまり、ＦＣ要求電力）の特性を辿ることができる。したがって、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時点（時刻ｔ６）から充分な加速性能が得られる。

なお、前記の実施形態では、マイコン２０が、バッテリ走行中にＦＣ要求電力を予測してＦＣスタック８へのエア供給量を増加させる形態について説明したが、ＦＣ要求電力の代わりに、アクセル開度、モータ回転速度、モータ要求電力、バッテリ状態など、ＦＣ要求電力が高くなると予想できる項目の情報を単独又は複数で用いてエア供給量を増加させるようにしてもよい。また、ＦＣの起動状態、あるいは、あとどれくらいでＦＣ発電走行に切り替わるかの時間を示すＦＣ残起動時間に基づいて、バッテリ走行中にＦＣ要求電力の予測を行ってエア供給量を増加させるタイミングを決定するようにしてもよい。

また、本実施形態によるＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスでは、エアコンプレッサ制御部２５がエアコンプレッサ６の制御を開始する時刻ｔ５ａは、ＦＣ発電走行の開始時刻ｔ６から、エアコンプレッサ制御部２５によるエアコンプレッサ６の制御開始のタイミングからＦＣスタック８が目標反応ガス供給状態になるまでの時間（つまり、エアの供給量が目標値に到達するまでの時間）である反応ガス応答時間分（例えば、ｔ６−ｔ５ａ）だけ以前の時刻であればよい。このことは、エアコンプレッサ６の制御を開始する時刻ｔ５ａは、ＦＣスタック８が目標反応ガス供給状態になるまでの時間（エア供給量が目標値に到達するまでの時間）に応じて随時に可変できることを意味している。

以上説明したように、本実施形態によるＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスでは、バッテリ走行中にＦＣ要求電力の予測を行ってエア供給量を増加させている。すなわち、バッテリ走行を実施していてＦＣ発電の準備中のときに、ＦＣ発電走行に切り替わったときに最初にＦＣに要求される電力（つまり、最初のＦＣ要求電力）をあらかじめ算出する。そして、バッテリ走行中のときに、算出されたＦＣ要求電力に基づいて、ＦＣスタックに供給するカソード側のエア圧力とエア流量（以下、カソードガス圧・ガス量という）及びアノード側の水素ガス圧力と水素ガス流量（以下、アノードガス圧・ガス量という）をＦＣ要求電力に応じて増減させる。これによって、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった直後からスムーズに必要なＦＣ電力を取り出すことができる。したがって、加速時などにおいてタイムリに必要電力をＦＣスタック８からモータ５へ供給することができるので、燃料電池搭載車両の使い勝手がよくなって商品性が向上する。

また、前記したように、マイコン２０は、ＦＣスタック８のＦＣ起動状態を監視したり、ＦＣ発電走行に切り替わるまでの予想時間を示すＦＣ残起動時間などをカウントする機能も備えている。したがって、本実施形態によるＦＣ発電前バッテリ走行のシーケンスでは、ＦＣスタック８の起動状態（以下、ＦＣ起動状態という）や、あとどれくらいの時間でＦＣ発電走行に切り替わるかの時間を示すＦＣ残起動時間などに基づいて、バッテリ走行中のどの時点でカソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量をＦＣ要求電力に応じて増減させるかのタイミングを最適に決定することができる。これによって、エアコンプレッサ６やその他の補機７の電力を無駄に消費させることがなくなる。

次に、バッテリ走行中にＦＣ電力を予測して、ＦＣ発電前にバッテリ走行を行う実施形態をフローチャートを用いて説明する（以下、適宜、図３、図４参照）。図５は、本発明の実施形態におけるＦＣ発電前バッテリ走行の流れを示すフローチャートである。まず、バッテリ走行が許可されたか否かを判断し（ステップＳ１）、バッテリ走行が許可されなければ（ステップＳ１でＮｏ）、許可されるまで待つ。また、バッテリ走行が許可されたならば（ステップＳ１でＹｅｓ）、ＦＣ起動は終了したか否かを判断する（ステップＳ２）。ここで、ＦＣ起動が終了していれば（ステップＳ２でＹｅｓ）、直ちにＦＣ発電走行に移行する（ステップＳ３）。

一方、ステップＳ２でＦＣ起動が終了していなければ（ステップＳ２でＮｏ）、バッテリ走行中であるので（ステップＳ４）、マイコン２０が、あとどれくらいの時間でＦＣ発電走行に切り替わるかの残時間を示すＦＣ残起動時間が所定の閾値より大きいか（つまり、ＦＣ残起動時間＞閾値であるか）を判断する（ステップＳ５）。ここで、ＦＣ残起動時間＞閾値であれば（ステップＳ５でＹｅｓ）、マイコン２０は、エアコンプレッサ６からＦＣスタック８へＦＣ起動時のエア量を供給するように指示する（ステップＳ６）。すなわち、マイコン２０は、エアコンプレッサ６からＦＣスタック８へのベース・エア供給量を持続させながら、ＦＣスタック８のＦＣ起動状態の監視を継続する。

一方、ステップＳ５でＦＣ残起動時間＞閾値でなければ、すなわち、ＦＣ残起動時間が所定の閾値より小さければ（ステップＳ５でＮｏ）、マイコン２０において、モータ要求電力決定部２１がモータ要求電力を算出し、電力分配決定部２２がモータ要求電力に基づいてＦＣ要求電力を算出する（ステップＳ７）。

図６は、図３のシステム構成におけるモータ要求電力決定部２１と電力分配決定部２２の詳細な構成を示すブロック図である。すなわち、この図は、モータ要求電力決定部２１がモータ要求電力を算出し、電力分配決定部２２がモータ要求電力に基づいてＦＣ要求電力を決定する構成を詳細に示している。また、図７は、図６の構成で実現されるモータ要求電力とＦＣ要求電力との関係を示す特性図であり、横軸にモータ要求電力を示し、縦軸にＦＣ要求電力を示している。なお、パラメータとしてＳＯＣ（バッテリ充電状態）を示している。

マイコン２０のモータ要求電力決定部２１においては、図６に示すように、モータ要求トルク算出部２１ａが、入力されたモータ回転速度やアクセルペダルの開度に基づいてモータ要求トルクを算出する。次に、モータ要求電力算出部２１ｂが、入力されたモータ回転速度とモータ要求トルクとに基づいてモータ要求電力を算出する。さらに、電力分配決定部２２が、モータ要求電力に基づいてＦＣ要求電力を決定する。

電力分配決定部２２は、図７の特性図を参照して、モータ要求電力からＦＣ要求電力を求める。ちなみに、モータ要求電力が大きいときはＦＣ要求電力を大きくするという前提においてＳＯＣ（バッテリ残量）を考慮すると、ＳＯＣが小さいときにはＦＣから多くの電力を供給しなければならないのでＦＣ要求電力は大きくなり、ＳＯＣが大きいときにはＦＣから少ない電力を供給すればよいのでＦＣ要求電力は小さくなる。したがって、電力分配決定部２２は、図７に示す特性図におけるＳＯＣの大きさに応じてＦＣ要求電力を決定する。

再び、図５のフローチャートに戻って、ステップＳ７においてＦＣ要求電力が算出されると、図３のＦＣ要求電力抽出部２３が、電力分配決定部２２からＦＣ要求電力を抽出し、このＦＣ要求電力に基づいて、燃料ガス制御部２４及びエアコンプレッサ制御部２５に対して制御指令を与える。これによって、エアコンプレッサ制御部２５は、ＦＣ要求電力に必要なエア供給量を算出して（ステップＳ８）、エアコンプレッサ６の回転速度制御を行う。

図８は、図３の構成で実現されるＦＣ要求電力とエアコンプレッサ６からのエア供給量の関係を示す特性図であり、横軸にＦＣ要求電力を示し、縦軸にエア供給量を示す。エアコンプレッサ制御部２５（図３参照）は、図８に示すように、ＦＣ要求電力が所定の値Ａ以下の場合にエア量が一定になっているのは、エアにより水素ガスを希釈するとき、所定の水素希釈度を維持するためなどであり、エアコンプレッサ６は、ＦＣ要求電力が少ないときでも一定レベルのエア量をＦＣスタック８へ供給する。

つまり、図４のタイムチャートにおける時刻ｔ５以降のベース・エア供給量は、図８における水素希釈分のエア供給量に相当する。そして、ＦＣ要求電力が所定の値Ａより大きくなると、図８に示すように、ＦＣ要求電力に必要なエア供給量に増加して行く。すなわち、エアコンプレッサ６は、ＦＣ要求電力がＡ値より大きくなると、ＦＣ要求電力の増加に比例してエア供給量を増加させて行く。

再び図５に戻り、ステップＳ８においてＦＣ要求電力に必要なエア供給量が算出されると、ＦＣ起動エア供給量（ベース・エア供給量）がＦＣ要求電力に必要なエア供給量より大きいか否か（つまり、ＦＣ起動エア供給量＞ＦＣ要求電力に必要なエア供給量、であるか否か）を判断し（ステップＳ９）、ＦＣ起動エア供給量＞ＦＣ要求電力に必要なエア供給量であれば、すなわち、ＦＣ起動エア供給量がＦＣ要求電力に必要なエア供給量より多ければ（ステップＳ９でＹｅｓ）、エアコンプレッサ６は、エアコンプレッサ制御部２５の制御指令により、それ以上エア供給量を上昇させないで、そのままのＦＣ起動エア供給量をＦＣスタック８へ供給する（ステップＳ６）。そして、ＦＣ起動状態を更新して（ステップＳ１１）、ステップＳ２に戻り前記の処理を繰り返す。

また、ＦＣ起動エア供給量＞ＦＣ要求電力に必要なエア供給量でなければ、すなわち、ＦＣ起動エア供給量がＦＣ要求電力に必要なエア供給量より少なければ、（ステップＳ９でＮｏ）、エアコンプレッサ６は、エアコンプレッサ制御部２５の制御指令により、エア供給量を上昇させて、ＦＣ要求電力に必要なエア供給量をＦＣスタック８へ供給する（ステップＳ１０）。そして、ＦＣ起動状態を更新して（ステップＳ１１）、ステップＳ２に戻り前記の処理を繰り返す。なお、時刻ｔ５ａからｔ６において、要求に応じてエアを無制限に供給していたのではバッテリ残量が少なくなってしまうので、エア供給量に制限をかけている。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池搭載車両は、ＦＣ発電準備中のバッテリ走行を実施する際に、ＦＣ発電走行に切り替わるより前の時点でＦＣ要求電力を算出し、そのＦＣ要求電力に基づいてバッテリ走行中にＦＣスタックへ供給するカソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量を増減させる。あるいは、ＦＣ要求電力の代わりに、アクセル開度、モータ回転速度、モータ要求電力、バッテリ状態など、ＦＣ要求電力が高くなると予想できる情報を用いてカソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量を増減させてもよい。このとき、ＦＣ起動状態又はＦＣ残起動時間に基づいて、カソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量を増減させるタイミングを決定する。

このような制御を行うことにより、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わったときでも、ＦＣスタックへのエア供給量が不足することがないので、バッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わった時点からＦＣ要求電力に応じたＦＣ供給電力をモータへ出力することができる。また、カソードガス圧・ガス量及びアノードガス圧・ガス量を増減させるタイミングを適切に判断することができるので、バッテリ走行中にエア供給を開始することによる補機の電力消費量の増加を最小限に押えることが可能となる。

参考例としての燃料電池搭載車両における電力系統のシステム構成図である。 図１に示す電力系統のシステムにおいて、燃料電池搭載車両の走行開始後にバッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わる過程を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態の燃料電池搭載車両における電力系統のシステム構成図である。 図３に示す電力系統のシステムにおいて、燃料電池搭載車両の走行開始後にバッテリ走行からＦＣ発電走行に切り替わる過程を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態におけるＦＣ発電前バッテリ走行の流れを示すフローチャートである。 図３のシステム構成におけるモータ要求電力決定部２１と電力分配決定部２２の詳細な構成を示すブロック図である。 図６の構成で実現されるモータ要求電力とＦＣ要求電力との関係を示す特性図である。 図３の構成で実現されるＦＣ要求電力とエアコンプレッサからのエア供給量の関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 高圧バッテリ（蓄電装置）
２ バッテリコンタクタ
３ ダウンコンバータ
４ インバータ
５ モータ
６ エアコンプレッサ（反応ガス供給装置）
７ 補機
８ ＦＣスタック（燃料電池スタック）
９ ＦＣコンタクタ
１０ アノードガス供給システム
１１ 電力分配器
１２ ダイオード
２０ マイコン（マイクロコンピュータ、制御手段）
２１ モータ要求電力決定部
２１ａ モータ要求トルク算出部
２１ｂ モータ要求電力算出部
２２ 電力分配決定部
２３ ＦＣ要求電力抽出部
２４ 燃料ガス制御部
２５ エアコンプレッサ制御部（反応ガス供給装置制御手段）

Claims (2)

1. 燃料ガスと反応ガスとによって発電し、発電電力をモータヘ供給する燃料電池と、
   前記燃料電池に対して前記反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
   前記燃料電池に要求される燃料電池要求電力に基づいて、前記反応ガス供給装置から供給される前記反応ガスの供給量を制御する反応ガス供給装置制御手段と、
   前記燃料電池に対して並列系統で接続され、蓄電電力を前記モータヘ供給する蓄電装置とを備え、
   車両起動時の燃料電池発電準備中に前記蓄電電力を前記モータヘ供給して走行する蓄電装置走行と、燃料電池発電準備完了後に前記燃料電池からの発電電力を前記モータへ供給して走行する燃料電池発電走行とを行う燃料電池搭載車両であって、
   前記反応ガス供給装置制御手段は、前記燃料電池発電走行を開始したときに前記燃料電池に要求される燃料電池要求電力の推定値に基づいて、燃料電池発電準備中に、前記反応ガス供給装置から供給される前記反応ガスの供給量を制御することを特徴とする燃料電池搭載車両。
2. 前記反応ガス供給装置制御手段が前記反応ガス供給装置を介しての反応ガス供給の制御を開始する時刻は、
   前記反応ガス供給装置制御手段による制御開始のタイミングから前記燃料電池が、推定された前記燃料電池電力を発電可能な状態になるまでの時間である反応ガス応答時間分だけ、前記燃料電池発電走行の開始時刻より以前の時刻であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池搭載車両。

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