JP2011211770A - 燃料電池自動車及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池自動車において、エアコンプレッサの消費電力が大きく変動した場合でも走行モータおよびエアコンプレッサの制御の不安定化を防止して動力性能の低下および燃費悪化を抑制する。
【解決手段】燃料電池自動車は、燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、二次バッテリと、走行用モータと、エアコンプレッサおよびモータの駆動を制御する制御装置とを備える。制御装置は、バッテリ供給可能電力を一時拡大することが可能であるかを判定する第１判定部４２と、第１判定部４２によりバッテリ供給可能電力の一時拡大が許可されるとバッテリ供給可能電力の一時拡大の要求があるかを判定する第２判定部４４と、第２判定部４４によりバッテリ供給可能電力の一時拡大の要求があると判定されるとバッテリ供給可能電力の一時拡大処理を実行する処理部４６とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池自動車及びその制御方法に関し、特に、発電を行う燃料電池と充放電可能な蓄電装置とを搭載した燃料電池自動車及びその制御方法に関する。

従来、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池（以下、適宜にＦＣと記載する）を電源装置として搭載した燃料電池自動車が提案され、実用化に向けての走行試験等も行われている。このような燃料電池自動車では、燃料電池により発電された電力により走行モータを駆動して走行用動力を出力させるものである。

また、燃料電池自動車には、充放電可能な蓄電装置として二次バッテリが搭載されることが想定される。二次バッテリは、システム始動時等の燃料電池から電力供給できない状態のときに走行用モータに電力供給する、燃料電池による発電電力の余剰分を充電する、あるいは、例えばエアコンディショナ、オーディオ、照明等の車載された補機に電力供給するなどのために用いられる。

燃料電池に供給される空気は、車載のエアコンプレッサ（以下、適宜にＡＣＰと記載する）によって外気から取り込まれて圧送される。エアコンプレッサは、その駆動源として内蔵したモータが燃料電池の運転状態に応じて回転数制御されることで、燃料電池に供給される空気量が調整されるようになっている。一方、燃料電池に供給される水素は、車載の水素タンクと燃料電池とを接続する水素流路の途中に設けられた例えば電動式開閉弁の開度を制御することにより調節される。

上記のような燃料電池と二次バッテリとを搭載した燃料電池自動車における電力の供給と消費の関係は、次のような等式で表すことができる。
ＦＣ発電電力＋バッテリ供給可能電力＝走行モータ消費電力＋ＡＣＰ消費電力＋補機消費電力

ここで、燃料電池の発電電力は、水素および空気の各供給量を増やすことにより性能上の制約から設定される上限値までの範囲内で高めることができるが、急峻に変化させることはできない。また、バッテリ供給可能電力（またはバッテリ出力制限ともいう、以下適宜にＷｏｕｔと記載する）は、バッテリから持ち出される電力量を制限してバッテリを保護するために設定されるものであり、バッテリ供給可能電力の増加にも制約がある。

したがって、上記等式の左辺に示す電力供給量を急峻に大きく増加させることは困難であることから、上記等式の右辺ではエアコンプレッサによる消費電力が急増すると走行モータで消費できる電力が急減し、走行モータの駆動トルク、すなわち車両の動力性能が低下することになる。上記のようなエアコンプレッサの消費電力が急増する場合とは、例えば、自動車が一定速度で走行している状態でドライバがアクセルペダルを大きく踏み込んで車両の急加速を要求したとき、それに応答して燃料電池の発電電力量を大きくすべく、水素供給量の増加と併せて供給空気量を急増させるようにエアコンプレッサの回転数を急増する必要が生じた場合等である。

これに関連する先行技術文献として、例えば特開２００８−３０６７８４号公報（特許文献１）には、燃料電池を搭載した燃料電池自動車において、制御部の発電制限判断部によって燃料電池の発電電力を制限すると判断された場合には、エアコンディショナなどの燃料電池の作動に関係のない電気負荷への発電電力の供給を制限することにより、走行モータへの要求電力と、燃料電池を作動させるのに必要なエアコンプレッサやウォータポンプなどの電力とを確保できると記載されている。

特開２００８−３０６７８４号公報

上記特許文献１の燃料電池自動車では、燃料電池の発電電力に制限がかかっているときに燃料電池の作動に関係しない補機への電力供給を制限することで走行モータおよび燃料電池の作動に関係のあるエアコンプレッサ等のための電力の低下を若干は抑えられるものの、上記のようにエアコンプレッサの消費電力が急増するときに走行モータの動力性能が低下する問題には対処できない。

上述したような燃料電池自動車において、エアコンプレッサの消費電力が急増すると、これに伴って走行モータの駆動トルクが急減して動力性能が大きく低下すると、車両の急加速を欲するドライバの要求に反することとなるという不具合がある。

また、走行モータの駆動トルクおよび回転数が急変すると走行モータの制御が不安定となり、これに伴って燃料電池への発電電力要求制御も不安定になり、このように燃料電池の制御が不安定になることでエアコンプレッサへの供給電力も変動することになる。このような制御の不安定化が連鎖することで各制御がさらに不安定となる悪循環を招き、車両の動力性能に対するドライバの不満や燃費悪化につながることになる。

本発明の目的は、エアコンプレッサの消費電力が大きく変動した場合でも走行モータおよびエアコンプレッサの制御の不安定化を防止して動力性能の低下および燃費悪化を抑制することができる燃料電池自動車及びその制御方法を提供することにある。

本発明に係る燃料電池自動車は、燃料ガスと酸素を含む空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池または前記蓄電装置からの電力により駆動されて走行用動力を出力する走行用モータと、前記エアコンプレッサおよび前記走行用モータの駆動を制御する制御装置とを備える燃料電池自動車であって、前記制御装置が、前記燃料電池および蓄電装置の状態に基づき前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であるかを判定する第１判定部と、前記第１判定部により前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大が許可されると、前記供給可能電力の一時拡大の要求があるかを判定する第２判定部と、前記第２判定部により前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があると判定されると、前記供給可能電力の一時拡大処理を実行する処理部とを含む。

本発明に係る燃料電池自動車において、前記燃料電池または前記蓄電装置から前記走行用モータおよび前記エアコンプレッサへの電力供給を制御する電力変換装置をさらに備え、前記第２判定部は、前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があるか否かを、アクセル開度と前記燃料電池の運転状態とに加えて、前記電力変換装置に対する供給可能電力と前記電力変換装置が必要とする要求電力とを考慮して判定してもよい。

また、本発明に係る燃料電池自動車において、前記燃料電池または前記蓄電装置から前記走行用モータおよび前記エアコンプレッサへの電力供給を制御する電力変換装置をさらに備え、前記第２判定部は、前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があるか否かを、アクセル開度と前記燃料電池の運転状態とに加えて、前記蓄電装置が前記エアコンプレッサに対して供給可能な電力と、前記エアコンプレッサの回転数を急加速させるために必要となる電力変化量とを考慮して判定してもよい。

さらに、本発明にかかるこの場合において、前記処理部は、一時拡大処理前の前記蓄電装置の供給可能電力に、前記エアコンプレッサの回転数を急加速させるために必要となる電力変化量前記電力変化量を加算することにより一時拡大処理を実行してもよい。

この場合、前記処理部は、前記蓄電装置の状態から決められる一時拡大量上限値が前記変化量よりも小さいときは、前記変化量に代えて前記一時拡大量上限値を前記一時処理前の蓄電装置供給可能電力に加算してもよい。

また、本発明に係る燃料電池自動車において、前記第１判定部は、燃料電池が発電休止中でないこと、前記一時拡大処理が実行されたときに前記蓄電装置の充電量が所定充電量よりも低くならないこと、前記一時拡大処理が実行されたときに前記蓄電装置の電圧が所定電圧よりも低くならないこと、および、前記燃料電池の温度が常温範囲内であることを満たすことを条件に、前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であると判定してもよい。

本発明に係る燃料電池自動車の制御方法は、燃料ガスと空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池または前記蓄電装置からの電力により駆動されて走行用動力を出力する走行用モータと、前記エアコンプレッサおよび前記走行用モータの駆動を制御する制御装置とを備える燃料電池自動車の制御方法であって、前記蓄電装置の状態に基づき前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であるかを判定する第１ステップと、前記第１ステップにより前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大が許可されると、前記供給可能電力の一時拡大の要求があるかを判定する第２ステップと、前記第２ステップにより前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があると判定されると、前記供給電力の一時拡大処理を実行するステップとを含む。

本発明に係る燃料電池自動車及びその制御方法によれば、例えば、ドライバの急加速要求によってエアコンプレッサの消費電力が急増する場合にも、蓄電装置の供給可能電圧を一時的に拡大して蓄電装置からの供給電力を増やすことで賄うことができる。これにより、走行モータへの供給電力の急変が防止されて走行モータおよびエアコンプレッサの制御を安定に維持することができ、その結果、動力性能の低下および燃費悪化を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムの一実施形態を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの制御装置において実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。 図２に示す制御ルーチンの実施状況を説明するためのタイミングチャートである。 バッテリ供給可能電力の一時拡大量を一定とした場合のモータトルクの変動を示すタイミングチャートである。 バッテリ供給可能電力の一時拡大量をエアコンプレッサの回転加速に必要な電力に一致された場合のモータトルクの状態を示す、図３と同様のタイミングチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態である燃料電池自動車１に搭載される燃料電池システム１０の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸素を含む空気とが供給されて発電を行う燃料電池（燃料電池スタックと表示）１２と、燃料電池１２に空気を供給するエアコンプレッサ１４と、充放電可能な二次バッテリ（蓄電装置に相当、以下バッテリとだけいう）１６と、燃料電池１２またはバッテリ１６からの電力により駆動されて走行用動力を出力する走行用モータ１８と、エアコンプレッサ１４およびモータ１８の駆動を制御する制御装置２０とを備える。また、燃料電池システム１０は、エアコンプレッサ１４およびモータ１８に電気的に接続された電力変換装置２２をさらに備える。

燃料電池１２は、多数の例えば固体高分子電解質膜型の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層してなる燃料電池スタックである。燃料電池１２では、その燃料極（アノード極）に燃料ガスとして例えば水素が供給され、その酸化極（カソード極）に酸素を含む空気が供給される。各極に供給された水素および酸素は、それぞれ触媒作用によってイオン化し、水素イオンと酸素イオンとの化学反応によって水が生成され、燃料電池１２から排出される。そして、上記燃料極において水素がイオン化する際に放出される電子が発電電力として燃料電池１２から取り出される。

燃料電池１２による発電電力は、制御装置２０によって生成される発電指令または発電電力要求にしたがって制御される。具体的には、燃料電池１２に供給される水素および空気の各流量を調節することにより、燃料電池１２の発電電力が制御される。

上記水素は、図示しない水素供給系を介して車載タンクから燃料電池１２に供給される。その水素供給量は、水素供給系に設けられた流量調節部によって調節される。流量調節部は、例えばインジェクタや電動式開閉弁等によって好適に構成されることができる。制御装置２０は、燃料電池１２に対する発電電力要求に見合った量の水素が燃料電池１２へ供給されるように上記流量調節部の作動を制御する。

なお、水素は、上記タンク内に高圧ガスとして収容されてもよいし、あるいは、極低温の液体水素として収容されていてもよい。また、燃料ガスには、純粋な水素ガス以外に、例えば天然ガスを水蒸気で改質して生成される水素リッチな改質ガスが用いられてもよい。

上記空気は、エアコンプレッサ１４によって車外から取り込まれて図示しない空気供給系を介して燃料電池１２に供給される。空気の供給量は、エアコンプレッサ１４の回転数制御によって調節される。制御装置２０は、燃料電池１２に対する発電電力要求に見合った空気量を供給するようにエアコンプレッサ１４の作動を制御する。

燃料電池１２は、燃料電池用の昇圧コンバータ２４を介して電力変換装置２２に電気的に接続されている。昇圧コンバータ２４は、制御装置２０からの指令に応じて作動制御され、燃料電池１２の発電電力を所望の電圧まで昇圧して電力変換装置２２へと電力供給する機能を有する。

バッテリ１６は、例えばリチウムイオン組電池やニッケル水素組電池などにより好適に構成されることができる。バッテリ１６は、バッテリ用の昇圧コンバータ２６を介して電力変換装置２２に電気的に接続されている。昇圧コンバータ２６は、制御装置２０からの指令に応じて作動制御され、バッテリ１６からの直流電力を所望の電圧値に昇圧して電力変換装置２２に電力供給する機能を有する。また、昇圧コンバータ２６は、燃料電池自動車の制動時に上記モータ１８から電力変換装置２２を介して受け取る回生電力、および、燃料電池１２から昇圧コンバータ２４を介して受け取る発電電力を、バッテリ１６の充電に適した電圧値に降圧する機能も有する。

また、バッテリ１６は、例えば、例えばエアコンディショナ、オーディオ、照明等の補機２８に対して駆動電力を供給する。

電力変換装置２２は、燃料電池１２で発電された発電電力、または、バッテリ１６から供給された直流電力を例えば３相交流電圧に変換して、モータ１８およびエアコンプレッサ１４の駆動電力として供給する機能を有する。詳細には、電力変換装置２２は、モータ１８に電気接続されるインバータ（ＩＮＶmotと表示）３０と、エアコンプレッサ１４に内蔵される駆動モータに電気接続されるインバータ（ＩＮＶacpと表示）３２とを含んで構成される。制御装置２０は、各インバータ３０，３２へトルク指令を送信してインバータ内のスイッチング素子を作動制御する。これにより、モータ１８およびエアコンプレッサ１４が上記トルク指令にしたがったトルクおよび回転数で駆動されるように、インバータ３０，３２からエアコンプレッサ１４およびモータ１８へ印加される交流電力がそれぞれ制御される。

制御装置２０は、制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラムや制御マップ等を予め記憶するＲＯＭ、各種の検出値や演算値を書換え可能に一時記憶するＲＡＭ、入力および出力ポート等を含むマイクロコンピュータによって好適に構成されることができる。

制御装置２０の入力ポートには、ドライバ要求部３４が接続されている。ドライバ要求部３４は、ドライバによるアクセル踏み込み量を検出するアクセル開度センサと、シフトポジションを検出するシフトポジションセンサと、燃料電池自動車１の車速を検出する車速センサとを含み、各センサによる検出値が制御装置２０へ入力されるようになっている。

また、制御装置２０の入力および出力ポートには、燃料電池ＥＣＵ(Electronic Control Unit、以下に同じ)３６、バッテリＥＣＵ３８およびモータＥＣＵ４０が接続されている。各ＥＣＵ３６，３８，４０は、ＣＰＵおよびメモリ等を含むマイクロコンピュータにより好適に構成されることができる。なお、各ＥＣＵ３６，３８，４０は、制御装置２０のそれぞれ一部をなすものとして構成されてもよい。

燃料電池ＥＣＵ３６は、燃料電池１２の運転状態を監視および制御する機能を有し、制御装置２０との間で通信を行う。燃料電池ＥＣＵ３６は、制御装置２０から発電電力要求を受信し、それに応じたエアコンプレッサ回転数指令値Ｎａｃｐ＊をマップ参照または演算等により生成して、制御装置２０へ送信することができる。また、燃料電池ＥＣＵ３６は、図示しないセンサで検出される燃料電池１２の端子間電圧Ｖｆｃ、および、燃料電池１２から流れる燃料電池電流Ｉｆｃを監視しており、これらの検出値が制御装置２０へ送信される。

バッテリＥＣＵ３８は、バッテリ１６の状態を監視および制御する機能を有する。バッテリＥＣＵ１６には、図示しないセンサによって検出されるバッテリ温度、バッテリ電圧、およびバッテリ電流等が送信され、これらの検出値に基づいてバッテリ供給可能電力（またはバッテリ出力制限）Ｗｏｕｔを生成して、制御装置２０へ送信することができる。

モータＥＣＵ４０は、モータ１８の作動状態を監視および制御する機能を有し、制御装置２０との間で通信を行う。モータＥＣＵ４０は、モータ１８の実回転数Ｎｍｏｔを検出して制御装置２０へ送信するとともに、エアコンプレッサ１４の駆動モータの回転数Ｎａｃｐを検出して制御装置２０へ送信する。

制御装置２０は、上記各ＥＣＵ３４−４０から入力される各データに基づいて、燃料電池システム１０および燃料電池自動車１の運転状態を統括して制御する機能を有する。具体的には、ドライバ要求部３４からアクセル開度情報、シフトポジション情報および車速等を受信し、これらに基づいてモータ１８に対するトルク指令Ｔｍｏｔ＊およびエアコンプレッサ用駆動モータに対するトルク指令Ｔａｃｐ＊をマップ参照や演算等によって生成して、このトルク指令Ｔｍｏｔ＊に合致した駆動トルクでモータ１８およびエアコンプレッサ用駆動モータが駆動されるように、各昇圧コンバータ２４，２６および各インバータ３０，３２の作動を制御する。
また、モータＥＣＵ４０は、モータ１８に流れるモータ電流を常時監視しており、このモータ電流およびモータ回転数に基づいて演算されるトルク推定値が上記トルク指令と一致するようにインバータ３０に対してフィードバック制御を行うことができる。

制御装置２０は、さらに、バッテリ１６の状態に基づいてバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔを一時拡大することが可能であるか否かを判定する第１判定部４２と、第１判定部４２によりバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大が許可されたときに、バッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大の要求があるか否かを判定する第２判定部４４と、第２判定部４４によりバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大の要求があると判定されたときに、バッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大処理を実行する処理部４６とを含む。これらの第１判定部４２、第２判定部４４および処理部４６の各機能は、制御装置２０のＣＰＵにより実行される制御プログラムの処理手順の一部により好適に実現されることができるが、これに限定されるものではなく、ハードウェア要素によって実現されてもよい。

次に、図２および図３を参照して制御装置２０において実行されるバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大制御（以下、Ｗｏｕｔ一時拡大制御ということがある）について説明する。図２はＷｏｕｔ一時拡大制御の処理手順を示すフローチャートであり、図３はＷｏｕｔ一時拡大制御の実施状況を示すタイミングチャートである。Ｗｏｕｔ一時拡大制御のプログラムまたはソフトウェアは、燃料電池システム１０が起動されている間に所定時間間隔でＣＰＵにより読み出されて実行される。

図２を参照すると、まず、制御装置２０は、第１判定部４２において、バッテリ１６の状態に基づきバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔを一時拡大することが可能であるかを判定する（ステップＳ１０）。この判定では、（１）燃料電池１２が発電休止中でないこと、（２）Ｗｏｕｔ一時拡大処理が実行されたときにバッテリ１６のＳＯＣが所定の下限充電量よりも低くならないこと、（３）Ｗｏｕｔ一時拡大処理が実行されたときにバッテリ１６の電圧Ｖｂが所定の下限電圧よりも低くならないこと、および、（４）バッテリ１６の温度が常温範囲内であること、を満たしているときに、Ｗｏｕｔ一時拡大が可能であると判断する。

ただし、ここでは上記（１）〜（４）の全てを満たすことをＷｏｕｔ一時拡大の条件として説明するが、いずれかの条件、例えば上記（２）または／および（３）を満たしていなくても、Ｗｏｕｔ一時拡大が可能であると判断するようにしてもよい。これは、バッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔが一時的に拡大される時間が短時間であれば、ＳＯＣやバッテリ電圧が下限値を一時的に下回ってもバッテリ１６に大きなダメージを与えることはないからである。

ここで、燃料電池１２の発電休止状態とは、バッテリ１６から電力供給されてモータ１８が駆動されるときに燃料電池１２への水素及び空気の供給を停止して発電運転を一時休止している状態であって、制御装置２０から発電指令が発せられたときに水素及び空気の供給を再開して通常の発電運転状態に速やかに移行できる状態を意味する。また、上記所定下限充電量および所定下限電圧は、実機試験やシュミレーション等から得られたものをメモリに予め記憶しておくことにより利用可能であるが、これらは一定値であるとは限らず、例えばバッテリ温度や車両運転状態などに応じてそれぞれ変更され得るものであってもよい。

上記第１判定部によってＷｏｕｔ一時拡大が可能であると肯定判定されると、続くステップ１２にてＷｏｕｔ一時拡大許可するフラグＦを１（またはオン）に設定し、一方、上記第１判定部によってＷｏｕｔ一時拡大が可能ではないと否定判定されると、ステップＳ１４に進んでＷｏｕｔ一時拡大許可フラグＦを０（またはオフ）に設定して制御ルーチンをそのまま終了する。

上記ステップ１２によってＷｏｕｔ一時拡大許可フラグＦが１に設定されると、次に、第２判定部４４において、バッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大の要求があるか否かを判定する（ステップＳ１６）。この判定では、ドライバ要求部３４から入力されるアクセル開度と、燃料電池ＥＣＵ３６から入力される燃料電池１２の運転状態とに加えて、電力変換装置２２に対する供給可能電力と電力変換装置２２が必要とする要求電力とを考慮して判定する。

具体的には、上記第２判定部４４では、一例として次のような処理が実行される。

まず、ＡＣＰ回転数指令Ｎａｃｐ＊と現在のＡＣＰ実回転数Ｎａｃｐとに基づいてＡＣＰトルク指令Ｔａｃｐ＊を演算により求める。ＡＣＰ回転数指令Ｎａｃｐ＊は燃料電池ＥＣＵ３６から入力されたものを用い、ＡＣＰ実回転数ＮａｃｐはモータＥＣＵ４０から入力されたものを用いる。

次に、エアコンプレッサ１４が消費し得る消費電力Ｐａｃｐ＿ｅｓｔを演算により求める。詳細には、ＡＣＰ消費電力Ｐａｃｐ＿ｅｓｔは、上記ＡＣＰトルク回転数指令Ｎａｃｐ＊と上記ＡＣＰトルク指令Ｔａｃｐ＊とを乗算したものにエアコンプレッサ電力損失Ｐａｃｐ＿ｌｏｓｓを加算することによって求められる。

次に、ドライバ要求部３４から入力されるアクセル開度と車速などに基づいて、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑをマップ参照または演算により求め、それからこのモータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑを含めて燃料電池システム１０全体で必要となる電力を燃料電池１２の発電電力で賄うように燃料電池１２に対する発電要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑを演算により求める。

そして、燃料電池１２および二次バッテリ１６が電力変換装置２２に供給できるインバータ供給電力Ｐｉｎｖを演算により求める。詳細には、インバータ供給電力Ｐｉｎｖは、上記発電要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑと、バッテリＥＣＵ３８から入力されるバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔとを加算したものから、補機２８の消費電力Ｐａｕｘと燃料電池用昇圧コンバータ２４の電力損失Ｐｆｃｃｎｖ＿ｌｏｓｓとバッテリ用昇圧コンバータ２６の電力損失Ｐｂａｔｃｎｖ＿ｌｏｓｓとを減算して得られる。

次に、上記モータ要求電力Ｐｍｏｔ＊と上記エアコンプレッサ消費電力Ｐａｃｐ＿ｅｓｔとを加算して、電力変換装置２２が必要とするインバータ要求電力Ｐｉｎｖ＿ｒｅｑを算出する。

そして、上記インバータ供給電力Ｐｉｎｖと上記インバータ要求電力Ｐｉｎｖ＿ｒｅｑとを比較し、Ｐｉｎｖ＜Ｐｉｎｖ＿ｒｅｑが成立したとき、Ｗｏｕｔ一時拡大の要求または必要があると判断する。

このように本実施形態の燃料電池システム１０では、アクセル開度および燃料電池１２の運転状態に加えて、インバータ供給電力Ｐｉｎｖおよびインバータ要求電力Ｐｉｎｖ＿ｒｅｑも考慮してＷｏｕｔ一時拡大の必要性を判定することとしたことで、例えばドライバの急加速要求によってエアコンプレッサ１４の消費電力が急増する等の場合に燃料電池システム１０において必要となる電力の見積り精度が向上し、燃料電池自動車１の動力性能および燃費の向上につながる。

あるいは、上記第２判定部４４では、別の例としての次のような処理が実行されてもよい。

エアコンプレッサ１４が消費し得る消費電力Ｐａｃｐ＿ｅｓｔを演算により求め、そして燃料電池１２に対する発電要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑを演算により求めるのは、上記の例と同様である。

次に、エアコンプレッサ１４の回転数を目標の回転数指令Ｎａｃｐ＊まで加速するのに必要な電力推定値（以下、ＡＣＰ加速電力という）Ｐａｃｐ＿ａｃｃを演算により求める。詳細には、ＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃは、上記エアコンプレッサ消費電力Ｐａｃｐ＿ｅｓｔからエアコンプレッサ１４の定常運転時の消費電力Ｐａｃｐ＿ｓｔｄを減算して求められる。ここで、エアコンプレッサ１４の定常運転とは、エアコンプレッサ１４が一定回転数で運転されているか、または、その回転数の変化量または時間あたりの変化率が小さくて比較的安定した消費電力で運転されている状態をいい、例えばドライバの車両に対する急加速要求によってエアコンプレッサ１４の消費電力が急増する前の状態がこれに相当する。

続いて、バッテリ１６からモータ１８に供給されているモータ駆動電力Ｐｍｏｔ＿ｂａｔが演算により求められる。詳細には、モータ駆動電力Ｐｍｏｔ＿ｂａｔは、上記燃料電池発電要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑから現在の燃料電池発電電力Ｐｆｃ＿ｍｅｓと燃料電池用昇圧コンバータ損失Ｐｆｃｃｎｖ＿ｌｏｓｓとを減算することにより算出される。現在の燃料電池発電電力Ｐｆｃ＿ｍｅｓは、燃料電池ＥＣＵ３６からそれぞれ入力される燃料電池１２の端子間電圧Ｖｆｃと燃料電池電流Ｉｆｃとを乗算することにより算出できる。

そして、上記モータ駆動電力Ｐｍｏｔ＿ｂａｔがバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔから減算されることによって、エアコンプレッサ１４に対するバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔ＿ａｃｐが算出される。

次に、上記エアコンプレッサ１４に対するバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔ＿ａｃｐと、ＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃとが比較される。この比較により、Ｗｏｕｔ＿ａｃｐ＜Ｐａｃｐ＿ａｃｃが成立したとき、Ｗｏｕｔ一時拡大の要求または必要があると判断する。

このようにアクセル開度および燃料電池１２の運転状態に加えて、エアコンプレッサ１４に対するバッテリ供給可能電力インバータ供給電力Ｗｏｕｔ＿ａｃｐとＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃとを考慮してＷｏｕｔ一時拡大の必要性を判定することとしても、例えばドライバの急加速要求によってエアコンプレッサ１４の消費電力が急増する等の場合に燃料電池システム１０において必要となる電力の見積り精度が向上し、燃料電池自動車１の動力性能および燃費の向上につながる。

上記のようにして第２判定部４４においてＷｏｕｔ一時拡大の要求があると判定されると、続くステップＳ１８においてＷｏｕｔ一時拡大処理を実行する。

具体的には、Ｗｏｕｔ一時拡大処理の要求ありと判断されたタイミングでのＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｍｅｍをＲＡＭに記憶する。このＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｍｅｍは、エアコンプレッサ１４の実消費電力からエアコンプレッサ１４の定常運転時の消費電力を減算することにより算出される。エアコンプレッサ１４の実消費電力は、燃料電池ＥＣＵ３６によって監視されているエアコンプレッサ１４の駆動電圧および駆動電流の乗算によって求められる。

次に、上記エアコンプレッサ１４の実消費電力から上記記憶したＡＣＰ加速電力ＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｍｅｍを減算して、ＡＣＰ加速電力変化量Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｄｉｆを算出する。そして、このＡＣＰ加速電力変化量Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｄｉｆをバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄに設定し、この一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄが加算することによりバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔが一時的に増加されることになる。

このようにＷｏｕｔ一時拡大要求ありと判定されたときを基準点としてそこからのＡＣＰ加速電力変化量Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｄｉｆをバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔの一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄとすることで、この一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄがエアコンプレッサ１４でのみ消費されることとなり、モータ１８の消費電力すなわち動力性能が変動することはない。

図３は、上記Ｗｏｕｔ一時拡大制御の実施状況を示すタイミングチャートである。上から順に、アクセル開度、燃料電池１２の発電電力、エアコンプレッサ回転数Ｎａｃｐ、エアコンプレッサ消費電力Ｐａｃｐ、エアコンプレッサ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃ、Ｗｏｕｔ一時拡大量、バッテリ１６から供給される電力、および、モータ１８の駆動トルクが示されている。

図３中の最上部に示すように、時間ｔ１のタイミングで、ドライバによってアクセルペダルが大きく踏み込まれて燃料電池自動車１に対して急加速が要求されると（１段目参照）、これに応じて制御装置２０は発電指令を生成して燃料電池１２の発電電力を急増させるよう燃料電池１２への水素および空気の各供給量を増加させる（２段目参照）。しかし、点線で示される発電指令はアクセル開度に応答して急峻に大きくなっても、燃料電池１２で発電される実際の電力が増加するにはタイムラグがあり、かつ、その増加具合も緩やかとなる。

上記のように燃料電池１２に対する発電指令が急峻に大きくなるのに伴って、エアコンプレッサ１４に対する回転数指令Ｎａｃｐ＊も急増することになるが（３段目参照）、その傾斜はエアコンプレッサ１４の制御応答性から比較的緩やかな直線状に増加するように生成される。このような回転数指令Ｎａｃｐ＊に応答してエアコンプレッサ１４の実回転数Ｎａｃｐは、回転数指令Ｎａｃｐ＊に対して若干の遅れを伴って増加する。

エアコンプレッサ１４の回転数Ｎａｃｐを急増させるとき、エアコンプレッサ用駆動モータに大きな駆動トルクを生じさせる必要のためにエアコンプレッサ１４の実消費電力が一時的に急激に大きくなり、ピークをつけた後は急激に小さくなって上記Ｎａｃｐが回転数指令値Ｎａｃｐ＊に達するのに合わせて定常消費電力に一致することとなる（４段目参照）。なお、エアコンプレッサ１４の回転数を徐々に増加させる分には、点線で示される定常消費電力で足り、実消費電力が急増することはない。

このようにエアコンプレッサ１４の回転数Ｎａｃｐを急増させるときには、バッテリ１６から引き出される電力が一時的に急増することになり、それが５段目のＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃとして示されている。

上述したＷｏｕｔ一時拡大制御では、ステップＳ１８において上記ＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃをＷｏｕｔ一時拡大量に設定する。したがって、６段目に示されるＷｏｕｔ一時拡大量は、５段目のエアコンプレッサ消費電力と同じ山形状のプロファイルとなる。

同図７段目を参照すると、バッテリ１６から供給される電力は、エアコンプレッサ１４の消費電力の急増に伴って同様に急増するが、通常であればバッテリ供給可能電圧Ｗｏｕｔが上限となる。しかし、本実施形態では、上記Ｗｏｕｔ一時拡大量でもってバッテリ供給可能電圧Ｗｏｕｔを矢印４８で示すように一時かさ上げすることによって、エアコンプレッサ１４の消費電力をバッテリ１６から供給される電力で賄うことができる。

これにより、同図８段目に示すように、モータ１８への電力供給が安定し、モータトルクをアクセル開度に対応した形状のトルク指令にしたがって安定に制御することが可能になる。

上述したように本実施形態の燃料電池システム１０を搭載した燃料電池自動車１では、例えば、ドライバの急加速要求によってエアコンプレッサ１４の消費電力Ｐａｃｐが急増する場合にも、バッテリ１６の供給可能電圧Ｗｏｕｔを一時的に拡大してバッテリ１６からのエアコンプレッサ１４への供給電力を増やすことで賄うことができる。これにより、モータ１８への供給電力の急変が防止されてモータ１８およびエアコンプレッサ１４の制御を安定に維持することができ、その結果、燃料電池自動車１の動力性能の低下および燃費悪化を抑制することができる。

また、バッテリ供給可能電圧Ｗｏｕｔを一時的に拡大する時間は、エアコンプレッサ１４が回転数指令Ｎａｃｐ＊に到達するまでの短時間であるため、短寿命化させるようなダメージをバッテリ１６に与えることもない。

ここで、図４を参照すると、上記のようなＷｏｕｔ一時拡大処理において、図４中の２段目に示すようにＷｏｕｔ一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄを一定値として、同図の３段目示すようにバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔを前記一定値分だけかさ上げした場合には、同図の１段目および４段目に示すように、ＡＣＰ加速電力の立ち上がり部と立ち下り部とで余剰となる電力がモータ１８の駆動電力として消費されることで、モータトルクの制限値を超えたところで変動することになる。ここでのモータトルク制限値とは、一時拡大処理されていないバッテリ可能電力Ｗｏｕｔで出力することができるモータトルクの上限値に相当する。

これに対し、図５を参照すると、本実施形態のようにＷｏｕｔ一時拡大量Ｗｏｕｔ＿ａｄｄをＡＣＰ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃに合致した山形状に変化させることにより、上記のようなモータトルクの変動がなくトルク制限値で安定した状態にトルク制御できる。

なお、本発明に係る燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムは、上記の構成のものに限定されるのではなく、特許請求の範囲に記載される発明の範囲内において種々の変更や改良が可能である。

例えば、上記においてはバッテリ供給可能電圧Ｗｏｕｔの一時拡大量をエアコンプレッサ加速電力Ｐａｃｐ＿ａｃｃに設定すると説明したが、バッテリ１６の状態から決められる一時拡大量上限値ΔＷｏｕｔ＿ｌｉｍｔが設定されており、この一時拡大量上限値ΔＷｏｕｔ＿ｌｉｍｔが上記ＡＣＰ加速電力変化量Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｄｉｆよりも小さいときは、上記ＡＣＰ加速電力変化量Ｐａｃｐ＿ａｃｃ＿ｄｉｆに代えて一時拡大量上限値一時拡大量上限値ΔＷｏｕｔ＿ｌｉｍｔを上記Ｗｉｏｕｔ一時拡大処理前のバッテリ供給可能電力Ｗｏｕｔに加算してもよい。このようにすることで、何らかの原因で一時拡大量が過大に設定されてしまうことによってバッテリにダメージを与えるのを防止できる。

１ 燃料電池自動車、１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１４ エアコンプレッサ、１６ バッテリ、１８ モータ、２０ 制御装置、２２ 電力変換装置、２４，２６ 昇圧コンバータ、２８ 補機、３０，３２ インバータ、３４ ドライバ要求部、３６ 燃料電池ＥＣＵ、３８ バッテリＥＣＵ、４０ モータＥＣＵ、４２ 第１判定部、４４ 第２判定部、４６ 処理部。

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸素を含む空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池または前記蓄電装置からの電力により駆動されて走行用動力を出力する走行用モータと、前記エアコンプレッサおよび前記走行用モータの駆動を制御する制御装置とを備える燃料電池自動車であって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池および蓄電装置の状態に基づき前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であるかを判定する第１判定部と、
   前記第１判定部により前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大が許可されると、前記供給可能電力の一時拡大の要求があるかを判定する第２判定部と、
   前記第２判定部により前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があると判定されると、前記供給可能電力の一時拡大処理を実行する処理部と、
   を含む燃料電池自動車。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記燃料電池または前記蓄電装置から前記走行用モータおよび前記エアコンプレッサへの電力供給を制御する電力変換装置をさらに備え、前記第２判定部は、前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があるか否かを、アクセル開度と前記燃料電池の運転状態とに加えて、前記電力変換装置に対する供給可能電力と前記電力変換装置が必要とする要求電力とを考慮して判定することを特徴とする燃料電池自動車。
3. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記燃料電池または前記蓄電装置から前記走行用モータおよび前記エアコンプレッサへの電力供給を制御する電力変換装置をさらに備え、前記第２判定部は、前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があるか否かを、アクセル開度と前記燃料電池の運転状態とに加えて、前記蓄電装置が前記エアコンプレッサに対して供給可能な電力と、前記エアコンプレッサの回転数を急加速させるために必要となる電力変化量とを考慮して判定することを特徴とする燃料電池自動車。
4. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記処理部は、一時拡大処理前の前記蓄電装置の供給可能電力に、前記エアコンプレッサの回転数を急加速させるために必要となる電力変化量を加算して一時拡大処理を実行することを特徴とする燃料電池自動車。
5. 請求項４に記載の燃料電池自動車において、
   前記処理部は、前記蓄電装置の状態から決められる一時拡大量上限値が前記変化量よりも小さいときは、前記変化量に代えて前記一時拡大量上限値を前記一時処理前の供給可能電力に加算することを特徴とする燃料電池自動車。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池自動車において、
   前記第１判定部は、燃料電池が発電休止中でないこと、前記一時拡大処理が実行されたときに前記蓄電装置の充電量が所定充電量よりも低くならないこと、前記一時拡大処理が実行されたときに前記蓄電装置の電圧が所定電圧よりも低くならないこと、および、前記燃料電池の温度が常温範囲内であることを満たすことを条件に、前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であると判定することを特徴とする燃料電池自動車。
7. 燃料ガスと空気中の酸素とにより発電を行う燃料電池と、燃料電池に空気を供給するエアコンプレッサと、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池または前記蓄電装置からの電力により駆動されて走行用動力を出力する走行用モータと、前記エアコンプレッサおよび前記走行用モータの駆動を制御する制御装置とを備える燃料電池自動車の制御方法であって、
   前記蓄電装置の状態に基づき前記蓄電装置の供給可能電力を一時拡大することが可能であるかを判定する第１ステップと、
   前記第１ステップにより前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大が許可されると、前記供給可能電力の一時拡大の要求があるかを判定する第２ステップと、
   前記第２ステップにより前記蓄電装置の供給可能電力の一時拡大の要求があると判定されると、前記供給電力の一時拡大処理を実行するステップと、
   を含む燃料電池自動車の制御方法。

Images