JP2011239639A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的な走行を可能とした電動車両を提供する。
【解決手段】制御部５１は、ＦＣ起動時間推定部５１ａにより燃料電池１０を次回起動する際の起動時間を推定し、ＦＣ起動エネルギ推定部５１ｂにより前記起動時間に基づいて燃料電池１０を起動するのに必要な起動エネルギを推定し、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値算出部５１ｃにより前記起動エネルギに基づいてＥＶ走行を終了するときに必要な蓄電量を算出する。また、起動時間は、温度センサ５５〜５７により得られるシステム温度に基づいて推定し、さらに起動時間を大気圧、外気温度、燃料電池１０の劣化度合いなどに基づいて補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力供給されたモータにより駆動される電動車両に関する。

燃料電池やバッテリの電力によりモータを駆動して走行させる車両が種々提案されている。例えば、特許文献１には、カーナビゲーション装置を搭載した車両において、目的地が近いときに燃料電池の起動を禁止して、エンジンのみを駆動エネルギ源として使用する技術が提案されている。特許文献２には、次回システム起動時の燃料電池の温度を推定し、バッテリがその際の必要充電量に達していなかったら充電を行う技術が提案されている。特許文献３には、エンジンを備えて、バッテリでの駆動を主体として、バッテリの容量が少なくなった場合には燃料電池を起動し、バッテリから燃料電池への電源切替の過渡期の場合には、燃料電池の不足分の電力をバッテリやエンジンで補う技術が提案されている。

特開２００２−３４３４０１号公報（段落００６８、図８） 特開２００７−１６５０５５号公報（段落００４０〜００４５、図２） 特開２００１−２２４１０５号公報（段落０１２７〜０１３６、図１２）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池の起動や停止にはエネルギを使うので、その部分を大きく占める使い方（頻繁に起動と停止を繰り返す使い方）をすると効率が低下するという問題がある。また、特許文献２に記載の技術では、次回起動がいつになるかの予測が非常に不確実となる問題がある。また、特許文献３に記載の技術では、仮にエンジンを搭載していない場合、バッテリのＳＯＣ（State Of Charge：残容量）を適切に利用しないと、燃料電池が立ち上がる前に走行不能となる問題がある。

本発明は、前記従来の各問題を解決するものであり、より効率的な走行を可能とした電動車両を提供することを課題とする。

本発明は、蓄電装置と、前記蓄電装置を充電することが可能な発電装置と、を備えて、電力を得たモータにより駆動される車両において、充電中でない前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動した際、停止された前記発電装置の次回の起動に必要な蓄電量を推定し、前記モータでの電力消費による現在の蓄電残量と前記次回の起動に必要な蓄電量との比較に基づいて、前記発電装置を起動させるか否かを判断する発電装置起動要否判定手段を備えることを特徴とする。

これによれば、蓄電装置の電力のみでモータを駆動して走行している際、停止している発電装置を次回起動するときに必要な蓄電量を推定し、モータでの電力消費による現在の蓄電残量と推定した必要な蓄電量とを比較し、その比較した結果に基づいて発電装置を起動させるか否かを判断する。これにより、発電装置を次回起動するのに必要な蓄電量を確保できるので、発電装置の確実な起動を保証することができる。しかも、発電装置を次回起動するのに必要な蓄電量まで蓄電装置の電力を利用できるので、蓄電装置による走行をより長くすることが可能になる。よって、より効率的な走行が可能となる。

また、前記発電装置起動要否判定手段は、前記発電装置を次回起動する際の起動時間を推定する発電装置起動時間推定部と、前記発電装置起動時間推定部により推定された前記起動時間に基づいて前記発電装置を起動するのに必要な起動エネルギを推定する発電装置起動エネルギ推定部と、前記発電装置起動エネルギ推定部により推定された前記必要な起動エネルギに基づいて電力のみによる走行を終了するときに必要な蓄電量を算出する蓄電装置蓄電量算出部と、を備え、前記発電装置起動時間推定部による処理、前記発電装置起動エネルギ推定部による処理、前記蓄電装置蓄電量算出部による処理を順に実施することを特徴とする。

これによれば、発電装置起動時間推定部により発電装置を次回起動する際の起動時間を推定し、そして、推定した起動時間から発電装置を起動するのに必要な起動エネルギを推定し、そして、推定した起動エネルギから電力のみによる走行を終了するときに必要な蓄電量を推定することで、発電装置の次回起動に必要な蓄電量を算出することができる。その結果、発電装置を次回起動するのに必要な蓄電量を確保した上で、蓄電装置のみによる走行をより長く行うことが可能になる。

また、前記発電装置起動時間推定部は、システム温度、発電停止時間、大気圧、外気温度、前記発電装置の劣化度合いのうち少なくとも一つを用いて次回の起動時間を推定することを特徴とする。

これによれば、発電装置の起動に必要な起動時間を精度よく決定することができ、起動エネルギおよび必要な蓄電量を精度よく確保することが可能になる。

また、前記発電装置起動時間推定部は、システム温度に基づいて次回の起動時間を推定し、発電停止時間、大気圧、外気温度、前記発電装置の劣化度合いのうち少なくとも一つを用いて、推定された前記起動時間を補正することを特徴とする。

これによれば、システム温度を基本とすることで起動時間を高精度に推定することができ、さらに推定した起動時間を補正することで、発電装置の起動に必要なエネルギをさらに精度よく確保することが可能になる。

本発明によれば、より効率的な走行を可能とした電動車両を提供できる。

本実施形態の電動車両に搭載される燃料電池システムの全体構成図である。 バッテリ走行中の動作を示すフローチャートである。 燃料電池の起動時間を推定する際の動作を示すフローチャートである。 起動時間推定用のマップである。 燃料電池の起動エネルギを推定する際の動作を示すフローチャートである。 起動エネルギ推定用のマップである。 バッテリ走行終了ＳＯＣ閾値を算出する際の動作を示すフローチャートである。 バッテリ走行終了ＳＯＣ閾値算出用のマップである。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、燃料電池システム１（発電システム）を電動車両Ｖに適用した場合を例に挙げて説明するが、四輪車に限定されず、二輪車などに適用してもよく、また鉄道車両などに適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の電動車両Ｖに搭載される燃料電池システム１は、燃料電池（発電装置）１０、アノード系２０、カソード系３０、高電圧系４０、制御系５０などで構成されている。

燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。

ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノードおよびカソード等で挟持して構成されている。セパレータには、水素（燃料ガス）が通流するアノード流路１１、空気（酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２がそれぞれ形成されている。また、アノード流路１１が形成されたセパレータと、これに隣接するカソード流路１２が形成されたセパレータとが対向する面には、燃料電池１０を冷却する冷媒が通流する冷媒流路１３が形成されている。

このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに空気（酸素）が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。

また、燃料電池１０は、後記する高圧バッテリ（蓄電装置）４１と電気的に接続され、高圧バッテリ４１を充電する構成となっている。また、燃料電池１０は、後記するエアコンプレッサ３１、走行モータ４４などの外部負荷と電気的に接続され、エアコンプレッサ３１、高圧バッテリ４１、走行モータ４４などから電力の取り出しが開始されることによって発電するようになっている。

アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排するものであり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ５などで構成されている。また、アノード系２０は、水素タンク２１が、配管ａ１、遮断弁２２、配管ａ２、エゼクタ２３、配管ａ３を介してアノード流路１１の入口と接続されている。アノード流路１１の出口は、配管ａ４を介してパージ弁２４と接続されている。また、配管ａ４には配管ａ５が分岐して接続され、配管ａ５の下流側がエゼクタ２３の吸い口に接続されている。

水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮充填した容器である。遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、後記する制御部（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）５１によって開閉制御される。エゼクタ２３は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を吸引してアノードに再び戻して再循環させる真空ポンプの一種である。パージ弁２４は、例えば、電磁作動式のものであり、燃料電池１０の発電中に定期的に開弁して、循環流路（配管ａ３〜ａ５、アノード流路１１）に蓄積した不純物（生成水、窒素など）を排出するようになっている。

なお、図示していないが、遮断弁２２の下流には、水素タンク２１からの高圧の水素を所定の圧力まで減圧する減圧弁などが設けられている。

カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気（酸素）を給排するものであり、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、掃気ガス導入弁３３、配管ｂ１〜ｂ４などで構成されている。また、カソード系３０は、エアコンプレッサ３１が配管ｂ１を介してカソード流路１２の入口と接続されている。カソード流路１２の出口は、配管ｂ２を介して背圧制御弁３２と接続されている。

エアコンプレッサ３１は、例えば、モータ（図示せず）で駆動される機械式の圧送機であり、車外から取り込んだ外気（空気）を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する。背圧制御弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気の圧力を調節する機能を有する。

配管ｂ１には、配管ｂ３が分岐して接続され、配管ｂ３の下流側が、掃気ガス導入弁３３および配管ｂ４を介してアノード側の配管ａ３と接続されている。掃気ガス導入弁３３は、配管ｂ３，ｂ４の流路を開閉する開閉弁であり、燃料電池システム１の運転停止時においてアノードを掃気（掃気については後述）する際に、後記する制御部５１によって開弁制御されるようになっている。

なお、図示していないが、背圧制御弁３２の下流には、パージ弁２４を介してアノードから排出される水素を希釈する希釈器が設けられている。希釈器は、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスとカソード流路１２から排出されたカソードオフガスとを混合し、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガス（空気等）で希釈するようになっている。希釈後のガスは車外に排出される。

また、図示していないが、カソード系３０の配管ｂ１には、加湿器が設けられている。加湿器は、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿して、燃料電池１０のカソードに供給し、電解質膜を適度に加湿するようになっている。なお、配管ｂ３の上流側の端部は、加湿器よりも上流側の配管ｂ１に接続されている。

また、冷媒流路１３には、図示しない冷却システムが設けられている。この冷却システムは、放熱器、燃料電池と放熱器との間を繋いで循環流路を形成する配管、冷媒に推力を与え循環させる冷媒ポンプ、放熱器をバイパスするバイパス配管、冷媒のバイパス配管への流れと放熱器への流れとを切り替える切替弁などで構成されている。

高電圧系４０は、高圧バッテリ（蓄電装置）４１、コンタクタ４２、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）４３、走行モータ４４、ＰＤＵ（Power Drive Unit）４５などで構成されている。

高圧バッテリ４１は、放電することにより、走行モータ４４に電力を供給して、電動車両Ｖを駆動させるようになっている。なお、高圧バッテリ４１としては、例えば、リチウムイオン、リチウムポリマー、ニッケル水素などの二次電池などを挙げることができる。また、高圧バッテリ４１に替えて、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどからなるキャパシタであってもよい。また、蓄電装置として、高圧バッテリ４１とキャパシタとを組み合わせものでもよい。

また、高圧バッテリ４１は、単電池を複数直列に接続してケースに収容して構成されたものであり、電動車両Ｖの床下などに配設される。

コンタクタ４２は、電磁開閉器などを備え、燃料電池１０と外部負荷（エアコンプレッサ３１、高圧バッテリ４１、走行モータ４４など）とを電気的に接続、遮断するものである。また、コンタクタ４２は、燃料電池１０と高圧バッテリ４１との間に設けられ、後記する制御部５１によって適宜開閉制御されるようになっている。よって、コンタクタ４２を開成（電気的に遮断）することにより、燃料電池１０から高圧バッテリ４１への充電が停止され、コンタクタ４２を閉成（電気的に接続）することにより、燃料電池１０から高圧バッテリ４１への充電が可能となっている。

ＶＣＵ４３は、昇降圧コンバータなどを備えて構成され、コンタクタ４２と外部負荷との間に接続され、燃料電池１０から出力される発電電力を制御するようになっている。なお、ＶＣＵ４３は、走行モータ４４側に分岐する電力線の分岐点（図１参照）よりも燃料電池１０側に設けられている。また、ＶＣＵ４３は、後記する制御部５１から出力される電圧指令値（電流指令値）つまり燃料電池１０に対する発電指令値に基づいて燃料電池１０から出力される発電電力を制御する。

走行モータ（モータ）４４は、例えば永久磁石式の３相交流同期モータであり、燃料電池１０や高圧バッテリ４１から供給される電力によって燃料電池自動車に設けられた駆動輪を回転駆動させる。

ＰＤＵ４５は、インバータ回路などで構成され、高圧バッテリ４１からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を走行モータ４４に供給するようになっている。また、ＰＤＵ４５は、減速時に発生する走行モータ４４の回生電力を直流電力に変換して高圧バッテリ４１に充電するようになっている。

なお、図示していないが、燃料電池システム１には、高圧バッテリ４１からのまたは高圧バッテリ４１への直流の電圧を別の直流の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、高圧バッテリ４１と外部負荷との接続を遮断するバッテリコンタクタが備えられている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、高圧バッテリ４１とＶＣＵ４３との間に接続され、またＤＣ／ＤＣコンバータと高圧バッテリ４１との間にバッテリコンタクタが接続されている。

また、前記したエアコンプレッサ３１は、図示しないインバータを介して燃料電池１０などと接続されている。

制御系５０は、制御部５１、電圧センサ５２、電流センサ５３、温度センサ５４〜５７、外気温度センサ５８、大気圧センサ５９、タイマ６０、ＩＧ（イグニッションスイッチ）６１などで構成されている。

制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４、掃気ガス導入弁３３を開閉制御し、背圧制御弁３２の開度を調整し、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を制御し、コンタクタ４２を閉成・開成（オン・オフ）制御し、ＶＣＵ４３によって電力を分配し、センサ５２〜５９からの各検出値(電圧値、電流値、温度、大気圧、外気温度)、タイマ６０からの時間、ＩＧ６１からのＩＧオン信号、ＩＧオフ信号をそれぞれ取得する。

また、制御部５１は、電圧センサ５２によって高圧バッテリ４１のトータルの電圧値を検出し、電流センサ５３によって高圧バッテリ４１に流れる電流値を検出し、温度センサ５４によって高圧バッテリ４１の温度を検出する。また、制御部５１は、電圧センサ５２からの電圧値、電流センサ５３からの電流値、温度センサ５４からの温度を取得することにより、高圧バッテリ４１のＳＯＣ（充電量、蓄電残量）を算出するようになっている。なお、ＳＯＣは、電圧と電流のみから算出してもよく、電圧のみから算出してもよい。また、ＳＯＣは、温度センサ５４からの温度によってＳＯＣを補正してもよい。

温度センサ５５は、システム温度（燃料電池１０の温度）を検出するものであり、例えばアノード流路１１の出口近傍に設けられている。なお、温度センサ５５に替えて、カソード流路１２の出口側に設けられた温度センサ５６からの検出値をシステム温度としてもよく、または冷媒流路１３の出口側に設けられた温度センサ５７からの検出値をシステム温度としてもよい。また、システム温度を検出できれば、これらの位置に限定されず、アノード流路１１の入口側、カソード流路１２の入口側、冷媒流路１３の入口側であってもよく、あるいは燃料電池１０の温度を直接に検出するものであってもよい。

外気温度センサ５８は、電動車両Ｖの外部の温度を検出するものである。大気圧センサ５９は、電動車両Ｖが位置している大気圧を検出するものであり、絶対圧力を基準としても、相対圧力を基準としてもよい。

タイマ６０は、例えば、ＩＧ６１をオフにして燃料電池システム１を停止してからＩＧ６１をオンするまでの時間（発電停止時間）を計測する。また、詳細については後記するが、燃料電池システム１の停止後（ＩＧオフ後）に燃料電池システム１を掃気するか否かを判断する際の経過時間を計測する。

ＩＧ６１は、燃料電池システム１の起動および停止を行うスイッチであり、車室内の運転席周りに設けられている。制御部５１は、ＩＧオン信号を取得することにより、燃料電池システム１を起動する制御を行い、ＩＧオフ信号を取得することにより、燃料電池システム１の起動を停止する制御を行う。

また、制御部５１は、燃料電池起動時間推定部５１ａ（以下、ＦＣ起動時間推定部と表記する）、燃料電池起動エネルギ推定部５１ｂ（以下、ＦＣ起動エネルギ推定部と表記する）、バッテリ走行終了ＳＯＣ閾値算出部５１ｃ（以下、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値算出部と表記する）、燃料電池劣化監視部５１ｄ（以下、ＦＣ劣化監視部と表記する）を備えている。

ＦＣ起動時間推定部（発電装置起動時間推定部）５１ａは、燃料電池１０の発電が停止して、高圧バッテリ４１の電力のみで電動車両ＶがＥＶ走行（高圧バッテリ４１の電力のみによる走行）している状態において、停止状態にある燃料電池１０を次回起動する際の起動時間を推定する。燃料電池１０の発電が停止しているとは、例えば、遮断弁２２が閉じられて水素タンク２１からアノードへの水素の供給が停止され、エアコンプレッサ３１の駆動が停止されてカソードへの空気（酸素）の供給が停止され、燃料電池１０からの電力の取り出しが停止している状態である。なお、このときコンタクタ４２は、開成（電気的に遮断）した状態である。

ところで、起動時間は、セル電圧の立ち上がる速度、言い換えると燃料電池１０のＯＣＶ（Open Circuit voltage：開回路電圧）の立ち上がり速度によって変動するものである。すなわち、燃料電池１０の起動時に燃料電池１０のＯＣＶが所定電圧に達したときに、コンタクタ４２を接続して、燃料電池１０から発電電流を取り出すようになっている。つまり、起動時間は、ＯＣＶが所定電圧に達するまでの時間（ＯＣＶのチェックが完了するまでの時間）とすることができる。

ＦＣ起動エネルギ推定部（発電装置起動エネルギ推定部）５１ｂは、ＦＣ起動時間推定部５１ａにより推定された起動時間に基づいて必要な起動エネルギを推定する。前記のように、起動時間が変動することにより、燃料電池１０を次回起動する際に必要な起動エネルギも変動することになる。なお、起動エネルギとは、遮断弁２２を開くのに必要なエネルギ、エアコンプレッサ３１を駆動するのに必要なエネルギ、コンタクタ４２を閉成する（接続する）のに必要なエネルギなど、燃料電池１０から発電電力を取り出すことができるまでに必要なエネルギ、言い換えると燃料電池１０のＯＣＶのチェックが完了するまでに必要なエネルギである。

ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値算出部（蓄電装置蓄電量算出部）５１ｃは、ＥＶ走行を終了するときの高圧バッテリ４１に必要な蓄電量を推定する。高圧バッテリ４１に必要な蓄電量とは、必要な起動エネルギ分に相当する高圧バッテリ４１の残容量である。

ＦＣ劣化監視部５１ｄは、燃料電池１０の劣化度合い（ＦＣ劣化度合い）を監視する機能を有し、燃料電池１０の総運転時間、燃料電池１０の内部抵抗値などに基づいてＦＣ劣化度合いを判断できる。例えば、総運転時間が長くなることにより、また内部抵抗値が上昇することにより、ＦＣ劣化度合いが大きくなると判断できる。なお、これら関係のマップを予め実験などによって用意しておくことにより、ＦＣ劣化度合いを判断できる。

次に、本実施形態の電動車両Ｖに搭載された燃料電池システム１の動作について図２ないし図８を参照して説明する。なお、図２では、電動車両ＶがＥＶ走行している状態からの処理について説明する。ＥＶ走行中には、遮断弁２２が閉じられ、エアコンプレッサ３１が停止され、コンタクタ４２が開成されて（電気的に遮断されて）、燃料電池１０の発電が停止している。

制御部５１は、ステップＳ１０において、ＦＣ起動時間（燃料電池１０を次回起動する際の起動時間）を推定する。このＦＣ起動時間は、図３のステップＳ１１に示すように、システム温度、発電停止時間、大気圧、外気温度、ＦＣ劣化度合いの少なくともひとつに基づいて推定することができる。

例えば、図４のマップに示すように、実線で示すシステム温度（ＴＨ、ＴＡ、ＴＷなど（図１参照））を基準として起動時間を推定することができる。ちなみに、システム温度が低くなるにつれて、燃料電池１０の触媒などの活性が低下し、起動時間が長くなる。システム温度が０℃以下の場合には、例えば、遮断弁２２や背圧制御弁３２の弁部や燃料電池１０の膜（固体高分子電解質膜）が凍結して、その凍結を解消（解凍）する時間が長くかかるからである。

なお、図４において破線Ａで示すように、発電停止時間に基づいて起動時間を補正してもよい。なお、図示されていないが、０℃以下での破線Ａは実線と同様である。このように、発電停止時間が長いと起動時間が長くなるのは、システム温度がより低下し起動時に必要温度に至るまで時間が掛かること、またＭＥＡの膜に供給される水分（加湿状態）が電極面に対して均一でなくなることによる。

また、図４において破線Ｂで示すように、大気圧、外気温度、ＦＣ劣化度合いに基づいて起動時間を補正してもよい。すなわち、大気圧が低くなること、また外気温度が低くなること、またＦＣ劣化度合いが大きくなることにより、起動時間が長くなる方向に補正される。このように、大気圧が低いときに起動時間が長くなるのは、カソードに供給される空気に含まれる酸素の供給能力が低下することによる。また、外気温度が低いと起動時間が長くなるのは、システム温度の場合と同様に活性が低下することによる。また、ＦＣ劣化度合いが大きいと起動時間が長くなるのは、燃料電池１０内での反応性が低下し、また燃料電池１０の昇温が遅れることによる。なお、燃料電池１０の昇温とは、燃料電池１０を安定して発電させることができる温度まで上昇させることである。また、図４に示すシステム温度と起動時間との関係、また補正したときのシステム温度と起動時間との関係を示すマップは、事前の実験やシミュレーションなどによって決められる。

なお、図４に示すマップは一例であり、発電停止時間を基準として起動時間を推定してもよく、また大気圧、外気温度、ＦＣ劣化度合いに基づいて起動時間を補正してもよい。この場合も図４と同様に、事前の実験やシミュレーションなどによって決められたマップを参照することにより、起動時間を推定、また起動時間の補正をすることができる。

そして、図２のフローに戻って、制御部５１は、ステップＳ２０において、燃料電池１０の起動エネルギ（ＦＣ起動エネルギ）を推定する。なお、ＦＣ起動エネルギは、図５のステップＳ２１に示すように、ステップＳ１０で推定されたＦＣ起動時間に基づいて推定される。このＦＣ起動エネルギは、図６に示すように、ＦＣ起動時間とＦＣ起動エネルギとの関係を示すマップに基づいて推定できる。このように、起動時間が長くなるにつれて、ＦＣ起動エネルギが大きくなるのは、遮断弁２２や背圧制御弁３２の解凍に時間がかかり、またＯＣＶのチェックに時間がかかるからである。図６に示すマップは、事前の実験やシミュレーションによって求められる。

そして、図２のフローに戻って、制御部５１は、ステップＳ３０において、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値を算出する。ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値とは、ＥＶ走行（電力のみによる走行）を終了するときに高圧バッテリ４１に残っていることが必要な蓄電量である。なお、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値は、図７のステップＳ３１に示すように、ステップＳ２０で推定したＦＣ起動エネルギに基づいて算出される。また、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値としては、例えば、走行モータ４４を駆動させるのに必要な下限電圧と、燃料電池１０を１回起動させるのに必要なエネルギとを加算した値に設定される。

ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値は、図８に示すマップに基づいて算出できる。ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値とは、高圧バッテリ４１の全体の蓄電量に対する残量であり、百分率（％）で表される。このように、ＦＣ起動エネルギが大きくなるにつれて、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値は大きくなる。図８に示すマップは、事前の実験やシミュレーションによって求められる。

このように、ＦＣ起動時間を推定し（ステップＳ１０）、そして推定されたＦＣ起動時間に基づいてＦＣ起動エネルギを推定し（ステップＳ２０）、そして推定されたＦＣ起動エネルギに基づいてＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値（必要な蓄電量）を算出する（ステップＳ３０）ことで、ＥＶ走行終了後に、燃料電池１０を確実に起動できる。

そして、ステップＳ４０に進み、制御部５１は、ＩＧ６１からオフ信号を取得（いわゆるイグニッションオフ）したか否か、つまり燃料電池システム１の運転を停止する指令が出されたか否かを判断する。制御部５１は、イグニッションオフされていないと判断した場合には（Ｓ４０、Ｎｏ）、ステップＳ５０に進み、高圧バッテリ４１のＳＯＣ（現在の蓄電残量）がＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値（次回の起動に必要な蓄電量）以下であるか否かを判断する。

また、制御部５１は、イグニッションオフを検出した場合には（Ｓ４０、Ｙｅｓ）、ＥＶ走行を終了する。すなわち、高圧バッテリ４１から走行モータ４４への電力の供給を停止する。

ステップＳ５０において、制御部５１は、高圧バッテリ４１のＳＯＣ（現在の蓄電量）がＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値（必要な蓄電量）以下ではない、つまりＳＯＣがＥＶ走行を終了するＳＯＣ閾値まで減少せずＳＯＣが十分であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻る。

また、ステップＳ５０において、制御部５１は、高圧バッテリ４１のＳＯＣがＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値以下である、つまりＳＯＣがＥＶ走行を終了するＳＯＣ閾値まで達したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６０に進む。

ステップＳ６０において、制御部５１は、ＥＶ走行を終了する。すなわち、高圧バッテリ４１から走行モータ４４への電力供給を停止する。

そして、ステップＳ７０に進み、制御部５１は、燃料電池１０を起動させる要求（ＦＣ起動要求）があるか否かを判断する。

ステップＳ６０において、制御部５１は、ＦＣ起動要求ありを検出した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ８０に進む。例えば、高圧バッテリ４１の電力のみで走行するＥＶモード（バッテリ走行モード）と、燃料電池１０の電力での走行とＥＶ走行とを自動的に切り替て走行する自動切替モードとを備えた切替スイッチを有する電動車両Ｖにおいて、自動切替モードで走行している場合である。

また、ステップＳ７０において、制御部５１は、ＦＣ起動要求ありを検出しなかった場合には（Ｎｏ）、処理を終了する。このときの例としては、前記切替スイッチを備えた電動車両Ｖにおいて、運転者がＥＶモードを固定した状態で走行中に高圧バッテリ４１のＳＯＣが仮に空になってしまって電動車両Ｖが停止した場合である。

ステップＳ８０において、制御部５１は、燃料電池１０を起動する（ＦＣ起動する）。すなわち、制御部５１は、高圧バッテリ４１に残っているＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値に相当するエネルギを利用して、遮断弁２２を開弁してアノードに水素を供給し、背圧制御弁３２を調整するとともにエアコンプレッサ３１を駆動してカソードに酸素（空気）を供給する。

これにより、燃料電池１０のＯＣＶが上昇し、ＯＣＶが所定電圧以上になったと判断したときに、高圧バッテリ４１からの電力を利用して、コンタクタ４２を閉じ（電気的に接続し）、燃料電池１０から発電電力（発電電流）を取り出す。なお、所定電圧とは、燃料電池１０から発電電力を安定して取り出すことができる閾値であり、事前の実験などに基づいて決定される。

燃料電池１０から取り出した発電電力は、エアコンプレッサ３１を駆動させる電力、走行モータ４４を駆動させる電力、遮断弁２２や背圧制御弁３２などを駆動させる電力、冷却系の循環ポンプを駆動させる電力、ランプ類などの低電圧補機を作動させるための低電圧バッテリを充電する電力などとして利用される。

そして、ステップＳ９０に進み、制御部５１は、高圧バッテリ４１のＳＯＣが所定値以上であるか否かを判断する。燃料電池１０の起動（ＦＣ起動）中には、発電電力が走行モータ４４に供給されるとともに、高圧バッテリ４１に充電が行われることで、高圧バッテリ４１のＳＯＣが増加する。なお、ＳＯＣの所定値としては、例えば８０％に設定される。なお、高圧バッテリ４１のＳＯＣは、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを制御して、高圧バッテリ４１に流れる電流を一時的にゼロとなるように制御して、バッテリＯＣＶを検出することで、現在のＳＯＣを精度よく検出することが可能になる。また、図示しない高圧バッテリ４１用のコンタクタを遮断した状態でバッテリＯＣＶを検出するようにしてもよい。

ステップＳ９０において、制御部５１は、高圧バッテリ４１のＳＯＣが所定値以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ９０の処理を繰り返し、高圧バッテリ４１のＳＯＣが所定値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１００に進み、燃料電池１０の発電を停止して、ＥＶ走行に切り替える。燃料電池１０からの電力による走行からＥＶ走行に切り替える場合には、遮断弁２２を閉じてアノードへの水素の供給を停止するとともに、エアコンプレッサ３１の駆動を停止してカソードへの空気の供給を停止して発電を停止し、さらにコンタクタ４２を開成（電気的に遮断）する。

このように本実施形態の電動車両Ｖは、燃料電池１０を起動せずに高圧バッテリ４１の電力のみでも走行可能なシステムであり、前記したように、ＥＶ走行を基本として、高圧バッテリ４１のＳＯＣが不足したときにＥＶ走行を終了するとともに燃料電池１０を起動して、燃料電池１０の電力により走行し、その間に燃料電池１０の電力を高圧バッテリ４１に充電するようになっている。

また、イグニッションオフされたとき（Ｓ４０、Ｙｅｓ）やＦＣ起動要求無しのとき（Ｓ７０、Ｎｏ）にシステム（燃料電池システム１）が停止すると、制御部５１は、システムを監視する状態に移行する。なお、システムを監視する状態とは、燃料電池システム１の現在の状態を定期的に確認する処理であり、例えば、タイマ６０と、時間監視に必要な制御部５１の一部の回路のみを起動させておき、タイマ６０によって所定時間が経過したと判断されたときに制御部５１の全体を起動して、以下に示す掃気処理を実行する。このとき、掃気処理に必要な電力が高圧バッテリ４１に残っていない場合には、システムを停止する前に、燃料電池１０の発電電力を利用して高圧バッテリ４１に対して掃気処理に必要な電力と、次回起動するのに必要な電力とを加算した分となるまで充電を行う。

すなわち、制御部５１は、掃気を開始する制御を実行する。なお、掃気を開始するタイミングは、タイマ６０によって所定時間が経過したときに、システム温度（ＴＨ、ＴＡ、ＴＷ）が所定温度以下であると判断したときに掃気を開始する。所定温度は、例えば、燃料電池システム１の凍結を防止するための温度であり、例えば、１０℃などに設定される。

なお、ここでの掃気とは、以下の処理操作をいう。例えば、高圧バッテリ４１の電力を利用して、掃気ガス導入弁３３を閉じた状態において、背圧制御弁３２を全開にするとともにエアコンプレッサ３１を所定の回転速度で駆動する。所定の回転速度とは、カソード流路１２などに残留する生成水を車外に排出できる圧力となる回転速度である。エアコンプレッサ３１から導入される空気（掃気ガス）によって、配管ｂ１、カソード流路１２、配管ｂ２などに残留する生成水（凝縮水）が押し出され、車外に排出される。

そして、掃気を開始してから所定時間経過後、制御部５１は、背圧制御弁３２を閉じ、掃気ガス導入弁３３およびパージ弁２４を開いた状態で、エアコンプレッサ３１を所定の回転速度で駆動する。この場合の所定の回転速度も、アノード流路１１などに残留する生成水を車外に排出できる圧力となる回転速度である。エアコンプレッサ３１から導入される空気によって、配管ａ３、アノード流路１１、配管ａ４などに残留する生成水（凝縮水）が押し出され、車外に排出される。

そして、制御部５１は、予め設定された時間が経過したかで掃気が完了したか否かを判断する。なお、掃気に必要な時間は、事前の実験等によって決められた時間で判断できる。

そして、制御部５１は、再びシステムを監視する状態に移行し、イグニッションオン（ＩＧ−ＯＮ）されるまで、燃料電池システム１の状態を定期的に監視する。

また、ここでは、カソード側の掃気後にアノード側を掃気する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、先にアノード側を掃気して、その後にカソード側を掃気するようにしてもよく、またはカソード側とアノード側を同時に掃気するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態の電動車両Ｖによれば、ＥＶ走行中に、ＦＣ起動時間推定部５１ａによって燃料電池１０を次回起動する際の起動時間を推定する。そして、当該推定された起動時間に基づいてＦＣ起動エネルギ推定部５１ｂによって燃料電池１０を起動するのに必要な起動エネルギを推定する。そして、当該推定された起動エネルギに基づいてＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値算出部５１ｃによってＥＶ走行を終了するときに必要な蓄電量（ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値）を算出する。これにより、高圧バッテリ４１においてＦＣ起動に必要なエネルギを精度よく確保でき、燃料電池１０の起動を確実に保証可能とした上で、ＥＶ走行をより長く走行できるようになる。その結果、本実施形態では、より効率的な走行を可能とした電動車両Ｖを得ることができる。

ところで、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値を一定にした状態でＥＶ走行を終了させると、起動エネルギ不足となるおそれがあり、さらに悪い条件が重なった場合、例えばエアコンプレッサ３１が駆動しなくなるとかエアコンプレッサ３１が回転している途中で停止してしまうことで、燃料電池１０を発電させることができなくなる問題がある。また、このような条件が重なることを予め予想して、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値を底上げ（高めに設定）しておくことで、ＥＶ走行を早めに終了させる必要性が生じるという問題がある。

そこで、本実施形態では、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値を、燃料電池１０を次回起動するのに必要な蓄電量を精度よく確保できる値としておき、このＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値を用いてＥＶ走行を終了することで、燃料電池１０の次回の起動を確実に保証して走行不能になることを防止でき、高圧バッテリ４１に再度充電を行うことができる。しかも、燃料電池１０を次回起動する分の蓄電量のみを残しておくことでＥＶ走行をより長くすることが可能となる。

また、本実施形態によれば、システム温度、発電停止時間、大気圧、外気温度、ＦＣ劣化度合いに基づいて起動時間を推定する、つまり起動時間に関係のあるパラメータを用いることで、起動時間を精度よく推定することが可能になる。

また、本実施形態によれば、システム温度に基づいて燃料電池の次回の起動時間を推定し、発電停止時間、大気圧、外気温度、ＦＣ劣化度合いのうち少なくとも一つを用いて推定された起動時間を補正することで、起動時間をさらに精度よく推定することが可能になる。その結果、起動エネルギをさらに精度よく推定することができ、ＥＶ走行終了ＳＯＣ閾値をさらに精度よく算出することが可能になる。

なお、本実施形態では、発電装置として燃料電池１０、蓄電装置として高圧バッテリ４１を搭載した電動車両Ｖを例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、発電装置として内燃機関（エンジン）および発電機を搭載し、かつ、蓄電装置として高圧バッテリを搭載した電動車両、いわゆるＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle：ハイブリッド電気自動車、シリーズタイプ、パラレルタイプ含む）に適用することもできる。

なお、前記した実施形態で挙げた起動時間の推定については、ＦＣ劣化度合を、高圧バッテリの劣化度合い、またはエンジンの劣化度合いに置き換えて推定することができる。

１０ 燃料電池（発電装置）
４１ 高圧バッテリ（蓄電装置）
４２ コンタクタ
４３ ＶＣＵ
４４ 走行モータ（モータ）
４５ ＰＤＵ
５１ 制御部（発電装置起動要否判定手段）
５１ａ 燃料電池起動時間推定部（発電装置起動時間推定部）
５１ｂ 燃料電池起動エネルギ推定部（発電装置起動エネルギ推定部）
５１ｃ バッテリ走行終了ＳＯＣ閾値算出部（蓄電装置蓄電量算出部）
５２ 電圧センサ
５３ 電流センサ
５４〜５７ 温度センサ
５８ 外気温度センサ
５９ 大気圧センサ
Ｖ 電動車両

Claims (4)

1. 蓄電装置と、
   前記蓄電装置を充電することが可能な発電装置と、を備えて、電力を得たモータにより駆動される車両において、
   充電中でない前記蓄電装置からの電力により前記モータを駆動した際、
   停止された前記発電装置の次回の起動に必要な蓄電量を推定し、
   前記モータでの電力消費による現在の蓄電残量と前記次回の起動に必要な蓄電量との比較に基づいて、前記発電装置を起動させるか否かを判断する発電装置起動要否判定手段を備えることを特徴とする電動車両。
2. 前記発電装置起動要否判定手段は、
   前記発電装置を次回起動する際の起動時間を推定する発電装置起動時間推定部と、
   前記発電装置起動時間推定部により推定された前記起動時間に基づいて前記発電装置を起動するのに必要な起動エネルギを推定する発電装置起動エネルギ推定部と、
   前記発電装置起動エネルギ推定部により推定された前記必要な起動エネルギに基づいて電力のみによる走行を終了するときに必要な蓄電量を算出する蓄電装置蓄電量算出部と、を備え、
   前記発電装置起動時間推定部による処理、前記発電装置起動エネルギ推定部による処理、前記蓄電装置蓄電量算出部による処理を順に実施することを特徴とする請求項１に記載の電動車両。
3. 前記発電装置起動時間推定部は、
   システム温度、発電停止時間、大気圧、外気温度、前記発電装置の劣化度合いのうち少なくとも一つを用いて次回の起動時間を推定することを特徴とする請求項２に記載の電動車両。
4. 前記発電装置起動時間推定部は、
   システム温度に基づいて次回の起動時間を推定し、発電停止時間、大気圧、外気温度、前記発電装置の劣化度合いのうち少なくとも一つを用いて、推定された前記起動時間を補正することを特徴とする請求項２に記載の電動車両。

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