JP4501908B2 - 電動機システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を電源とした電動機システムに関し、特に燃料電池がアイドル停止状態からアイドル状態へ復帰する際に駆動モータのトルクを制御する電動機システムに関する。

従来、燃料電池における間欠運転の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献には、燃料電池と二次電池から負荷電力を供給する燃料電池システムにおいて、低負荷領域では燃料電池を停止し、二次電池から負荷電力を供給するようにして燃料電池の間欠運転を行う際に、燃料電池の停止・起動の閾値を停止状態の燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ）に応じて調整する技術が記載されている。このような技術を採用することで、燃料電池停止時の開回路電圧を維持するための燃料消費を回避すると共に、発電停止した燃料電池の開回路電圧が低下した状態からの再起動の応答性を向上させることができる。
特開２００５−７１７９７

上述したような燃料電池を電源とした駆動モータ等の電動機においては、一般的に低回転数領域（駆動モータの仕様によって異なる）では、駆動トルクの応答要求に対して駆動モータ回転数の増加は十分遅いことから、単位時間あたりの駆動モータ要求電力の変化は小さい。それに対して、駆動モータの中〜高回転数領域（駆動モータの仕様によって異なる）では、駆動モータが最大出力を出すことができ、トルク応答要求と駆動モータ要求電力の変化はほぼ等しくなる。

また、燃料電池車両の駆動にこの駆動モータを使用した場合に、駆動モータのトルク応答要求は車両の運転性の観点に基づいて設定されることから、駆動モータの中〜高回転数領域での駆動モータ要求電力の変化は大きくなることが一般的である。このため、駆動モータの回転数が中〜高回転数領域での燃料電池の発電動作は、基本的に高負荷、急峻となる。

一方、アイドルストップ（アイドル停止状態）を所定時間継続した燃料電池は、凝縮水量の増加、燃料電池本体の温度低下、非燃料ガス（窒素ガス）の増加などといった不活性状態となる。このため、同状態からアイドル状態に移行して高負荷、急峻な発電を行なうとセル電圧の低下により燃料電池が劣化するおそれがあり、これを回避して燃料電池を保護するために、燃料電池の出力制限が余儀なくされる可能性がある。

したがって、駆動モータの回転数が中〜高回転数領域においてアイドルストップを実施すると、上述した出力制限の影響を受けやすくなる。このため、燃料電池から駆動モータに供給する電力が不足して駆動モータのトルク制限が余儀なくされるおそれがあった、この結果、このような駆動モータを搭載した燃料電池車両においては、車両の運転性（加速性能）を悪化させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、アイドル停止状態時の燃料電池の状態に応じて、燃料電池から電力が供給される駆動モータのトルクを的確に制御する電動機システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータと、アイドル運転にある前記燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とし、このアイドル停止状態を終了して前記燃料電池の発電を再開するアイドル制御手段と、前記燃料電池のアイドル停止状態が終了したときの前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、前記状態検出手段で検出された前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の総電圧がアイドル運転時の電圧になるまでの復帰時間を推定する復帰時間推定手段と、前記復帰時間推定手段で推定された復帰時間に基づいて、前記駆動モータのトルクを補正制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、アイドル停止状態時の燃料電池の状態に応じて、アイドル状態復帰後に燃料電池から電力供給される駆動モータのトルクを的確に制御することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電動機システムの基本構成を示す図である。図１に示す実施例１の基本構成は、アイドル運転状態とアイドル停止状態との間を遷移して運転する間欠運転可能な燃料電池スタックから供給される電力を用いて駆動力を得る駆動モータを備えた電動機システムであって、燃料電池スタックのアイドル停止状態（以下、アイドルストップ）を終了した時の状態を検出するアイドルストップ終了状態検出手段１０１と、このアイドルストップ終了状態検出手段１０１で検出されたアイドルストップ終了状態に基づいて、燃料電池スタックの総電圧が通常のアイドル状態に復帰するまでの時間を推定する燃料電池スタック総電圧復帰時間推定手段１０２と、この燃料電池スタック総電圧復帰時間推定手段１０２で推定された燃料電池スタックの総電圧復帰時間に基づいて、駆動モータのトルクを指令する駆動モータ指令トルクを減少補正制御する駆動モータ指令トルク減少補正制御手段１０３とを備えている。

ここで、「燃料電池」とは、電解質とそれを挟んで設けられた一対の電極（アノード、カソード）とが一組となって構成される電池の基本構成単位である「単セル」、単セルの積層体であり、セパレータ、冷却板、出力端子などを含めた平板型燃料電池の基本構成単位である「セルスタック」、及び所定の出力を得るために複数のセルスタックで構成される「セルモジュール」を含む概念である。以後、「燃料電池」を燃料電池スタックと呼称する。

燃料電池スタックは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスを供給して発電する燃料電池システムを構成する。燃料電池システムには、燃料電池スタックへ燃料ガスや酸化ガス及び冷却水などを供給するための各補機が含まれる。

燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード）に酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる次式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード反応：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

燃料電池スタックの「アイドル運転」とは、外部負荷に電力を供給せず、運転（発電）に必要な最低負荷を自らが供給して運転している状態を示し、無負荷運転、待機運転（日本工業規格番号：JISC8800）を含む概念である。

「アイドル停止状態」とは、アイドル運転から燃料電池スタックの発電のみを停止した状態や、アイドル運転から燃料電池スタックの他に燃料電池システムを構成する各補機の運転も停止した状態を含む概念である。更に、燃料電池スタックの他に各補機の運転も停止した状態とは、燃料ガスの供給に係わる補機、酸化ガスの供給に係わる補機、反応ガスを加湿する水の供給に係わる補機の少なくとも何れか１つの運転を停止した状態を含む概念である。

図２はこの発明の一実施例の電動機システムを燃料電池車両に適用した一実施例を示す図である。図２において、この実施例の電動機システムは、燃料電池車両の駆動輪を駆動する駆動モータ２０１と、燃料電池スタックで得られた直流電力を交流電力に変換して駆動モータ指令トルクに応じた電力を駆動モータに供給する駆動モータインバータ２０２と、駆動モータ２０１の電源となる燃料電池スタック２０３と、この燃料電池スタック２０３から電力を取り出す駆動ユニット２０４と、燃料電池スタック２０３のセルもしくはセル群の電圧を検出するセル電圧検出装置２０５と、燃料電池スタック２０３で得られた電力で充電されて充電された電力が駆動モータに供給可能な二次バッテリ２０６と、二次バッテリ２０６の状態（電圧、充放電電流、充電量など）を制御検出するバッテリコントローラ２０７ならびにシステム全体をコントロールするコントローラ２１０を備えている。

コントローラ２１０は、本電動機システムの動作を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現され、図１に示す本発明の基本構成の機能を実現する。コントローラ２１０は、駆動モータインバータ２０２、駆動ユニット２０４、セル電圧検出装置２０５、バッテリコントローラ２０７、燃料電池車両のアクセル２０８のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２０９、燃料電池車両の車速を検出する車速センサ（図示せず）を含み、これらのセンサ類で得られない他の圧力、温度、電圧、電流等本電動機システムの制御動作に必要な情報を収集するセンサからの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本電動機システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する、駆動モータのトルク制御を含む本電動機システムの運転に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

コントローラ２１０は、アクセル開度センサ２０９で検出されたアクセル開度と車速センサで検出された車速と駆動モータインバータ２０２で検出された駆動モータ２０１の回転数とに基づいて駆動モータインバータ２０２に指令する駆動モータトルクを演算し、さらに駆動モータ２０１の消費電力を推定して燃料電池スタック２０３及び二次バッテリ２０６から取り出す電力を演算する。なお、駆動モータ２０１の回転数は予め設けられた回転数センサで計測するようにしてもよい。

次に、この電動機システムの作用を説明する。

概略の作用は、アイドルストップ終了時の諸条件に基づく燃料電池スタック総電圧復帰推定時間から駆動モータ指令トルクを減少補正制御するものである。

図３に示す主処理フロチャートを参照して、駆動モータ２０１の運転動作について詳しく説明する。本処理内容は、燃料電池運転開始時より所定時間毎、例えば１０［ms］毎に実行される。図３において、先ず燃料電池スタック２０３がアイドルストップした際の状態について検出し（ステップＳ３０１）、検出後検出したアイドルストップ終了時状態に基づいて燃料電池スタック総電圧復帰時間を推定し（ステップＳ３０２）、推定後推定した燃料電池スタック総電圧復帰時間推定値に基づいて駆動モータ指令トルクを減少補正制御する（ステップＳ３０３）。

次に、先のステップＳ３０１のアイドルストップ終了時状態検出方法について、図４のフロチャートを参照して説明する。図４において、先ずコントローラ２１０で設定しているアイドルストップ指令値（ｆＩＳＧＯ）［−］を確認し、燃料電池スタック２０３がアイドルストップ中であるか否かを確認する（ステップＳ４０１）。ここでは、例えばｆＩＳＧＯ＝１の時はアイドルストップ中とし、ｆＩＳＧＯ＝０の時は発電中とする。その後、先に確認したアイドルストップ指令値（ｆＩＳＧＯ）［−］が「１」または「０」かを判定する（ステップＳ４０２）。判定の結果、ｆＩＳＧＯ＝１すなわちアイドルストップ中である場合には、続いて前回（前演算時）のアイドルストップ指令値（アイドルストップ指令前回値、ｆＩＳＧＯｚ）［−］を判定し、前回演算時に燃料電池スタック２０３が発電中か否かを判定する（ステップＳ４０３）。判定の結果、ｆＩＳＧＯｚ＝０すなわち前回の演算時には燃料電池スタック２０３は発電中であった場合には、コントローラ２１０で計測するアイドルストップ継続時間（Ｔis）［sec］ を初期化して終了する（ステップＳ４０４）。

一方、先のステップＳ４０３の判定結果において、ｆＩＳＧＯｚ＝１すなわち前回燃料電池スタック２０３がアイドルストップ中であった場合には、それまで計測したアイドルストップ継続時間［sec ］に上述した主処理の周期ＪＯＢを加算する（ステップＳ４０５）。

一方、先のステップＳ４０２の判定結果において、ｆＩＳＧＯ＝０すなわち燃料電池スタック２０３は発電中である場合には、アイドルストップ継続時間［sec］ を保持する（ステップＳ４０６）。

次に、図３のステップＳ３０２に示す燃料電池スタック総電圧復帰時間の推定方法の一例について説明する。

先ず、予め実験などにより、図５に示すようなアイドルストップ継続時間と燃料電池スタック２０３のＩ−Ｖ特性との関係を求め、これらの関係をコントローラ２１０に記憶させておく。これらの関係は、図５に示すように一般的にはアイドルストップ継続時間（
Ｔis）が長くなるにつれて燃料電池スタック２０３のＩ−Ｖ特性は悪化する。さらに、予め実験等により、図６に示すような燃料電池スタック２０３のＩ−Ｖ特性と出力特性との関係を求め、これらの関係をコントローラ２１０に記憶させておく。これらの関係は、図６に示すように燃料電池スタック２０３のＩ−Ｖ特性がＴis＝０の通常状態（燃料電池スタックの仕様によって異なる）に復帰するまでに所定時間を要するため、結果として出力特性に凹みが生じ、復帰するまでの定格出力応答時間（Ｔnet） が長くなる。

そこで、コントローラ２１０に予め記憶した図５ならびに図６に示す特性に基づいて、先の図３に示すステップＳ３０１で検出したアイドルストップ継続時間に対応した定格出力応答時間（Ｔnet）［sec］を推定する。例えば、図６ではアイドルストップ継続時間がＴisC［sec］の時の定格出力応答時間はＴnetC［sec］となる。

次に、図７のフローチャートを参照して、図３のステップＳ３０３に示す駆動モータ指令トルクの制御方法の一例について説明する。

図７において、先ず駆動モータインバータ２０２で駆動モータ回転数Ｎmtr［rpm］を検出し（ステップＳ７０１）、検出した駆動モータ回転数Ｎmtr が予め設定された所定値以上か否かを判定する（ステップＳ７０２）。ここで、所定値は、駆動モータ２０１の仕様、性能に応じて設定された許容回転数の範囲において、前述した要件を考慮して駆動モータ２０１の仕様、性能に応じて設定される低域回転数領域と中〜高域回転領域とのしきい値として設定される。判定の結果、所定値以上の場合には、バッテリコントローラ２０７で駆動モータ２０１に供給可能なバッテリ供給可能電力Ｐbatt［kW］を検出する（ステップＳ７０３）。

続いて、算出したバッテリ供給可能電力Ｐbattと、先に説明したアイドルストップ継続時間に対応した燃料電池スタック２０３の定格出力Ｐnet［kW］ とに基づいて、駆動モータ供給可能電力Ｐall［kW］ を算出する（ステップＳ７０４）。算出後引き続き、先のステップＳ７０１で検出した駆動モータ回転数Ｎmtr に基づいて、駆動モータ出力特性
Ｐmtr_ul（Ｎmtr）［kW］ を算出する（ステップＳ７０５）。

算出後、先のステップＳ７０４で算出した駆動モータ供給可能電力Ｐall と先のステップＳ７０５で算出した駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） とを比較する（ステップＳ７０６）。比較において、駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） に対して駆動モータ供給可能電力Ｐall が十分か否かを判定する（ステップＳ７０７）。判定の結果、駆動モータ供給可能電力Ｐall が不十分であると判定した場合には、駆動モータ指令トルクの減少補正制御を実行する（ステップＳ７０８）。

一方、判定の結果、駆動モータ供給可能電力Ｐall が十分であると判定した場合には、トルクを減少補正することなく通常の駆動モータ指令トルク制御を実行する（ステップＳ７０９）。

次に、図７のステップＳ７０４で実行する駆動モータ供給可能電力Ｐall の算出方法の一例について説明する。

先ず、燃料電池スタック２０３ならびに二次バッテリ２０６からの給電を必要とする燃料電池車両の補機の消費電力をＰaux［kW］ とすると、以下の式（１）を用いて駆動モータ供給可能電力Ｐall を算出する。

（数１）
Ｐall＝Ｐnet＋Ｐbatt−Ｐaux …（１）
ここで、上述したようにＰnet は燃料電池スタックの定格出力であり、Ｐbattは二次バッテリ２０６の供給可能電力である。

次に、図７のステップＳ７０５で実行する駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） の算出方法の一例について説明する。

先ず、運転性、加速性能などの観点に基づいて予め設計した駆動モータ指令トルクの増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr）［Nm／sec］ に基づいて、実際に駆動モータ２０１を運転した際の駆動モータ出力特性から駆動モータ出力の増加側変化量上限値
ΔＰmtr_ul（Ｎmtr）［kW／sec］を算出する。さらに、上述したと同様にして運転性、加速性能などの観点に基づいて予め設計した駆動モータ指令トルクのＮ（回転数）−Ｔ（トルク）特性に基づいて駆動モータの出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr）［kW］ を算出する。この駆動モータ２０１の出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） と駆動モータ指令トルクのＮ−Ｔ特性との関係は、例えば図８に示すような関係となる。

このようにして算出された駆動モータ２０１の出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） と駆動モータ出力の増加側変化量上限値ΔＰmtr_ul（Ｎmtr） とに基づいて、駆動モータ回転数（
Ｎmtr） に対応した駆動モータ出力応答時間Ｔmtr［sec］は、以下の式（２）を用いて算出する。

（数２）
Ｔmtr（Ｎmtr）＝Ｐmtr_ul（Ｎmtr）／ΔＰmtr_ul（Ｎmtr） …（２）
また、駆動モータ２０１の回転数Ｎmtr 時の駆動モータ指令トルク上限値を
Ｔqmtr_ul（Ｎmtr）［Nm］とし、このトルク及び回転数時の駆動モータ２０１の損失電力をＬoss_mtr（Ｎmtr，Ｔqmtr_ul（Ｎmtr）［kW］とすると、駆動モータ出力特性
Ｐmtr_ul（Ｎmtr）［kW］ は、以下の式（３）を用いて算出する。

（数３）
Ｐmtr_ul（Ｎmtr）＝（２π×Ｎmtr×Ｔqmtr_ul（Ｎmtr））
／６０／１０００＋Ｌoss_mtr（Ｎmtr，Ｔqmtr_ul（Ｎmtr））…（３）
このようにして駆動モータ２０１の回転数に応じて算出された駆動モータ２０１の出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） において、駆動モータ２０１が回転数Ｎmtr0ならびにＮmtr1［rpm］（Ｎmtr0＜Ｎmtr1）で全開加速を行った場合の駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr0）ならびにＰmtr_ul（Ｎmtr1）は、例えば図９に示すような特性となる。

次に、図７のステップＳ７０６で実行する駆動モータ供給可能電力Ｐall と駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr） との比較の方法の一例について説明する。

先ず、図６に示すアイドルストップ継続時間ＴisC に対応した燃料電池スタック２０３の定格出力特性Ｐnet 、図９に示す駆動モータ回転数Ｎmtr1に対応した駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr1）、ならびにアイドルストップ継続時間Ｔis0 ，ＴisC に対応した駆動モータ供給可能電力Ｐall をまとめたものを図１０に示す。この図１０に示すように、駆動モータ出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr1）に対して、アイドルストップ継続時間Ｔis＝０（Ｔis0） の時の駆動モータ供給可能電力Ｐall は十分であるが、ＴisC の時の駆動モータ供給可能電力Ｐall は不十分であることがわかる。

次に、図７のステップＳ７０８で実行する駆動モータ指令トルク減少補正制御の一例について説明する。

駆動モータ回転数Ｎmtr1に対応して設定されていた駆動モータ指令トルクの増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr）［Nm／sec］ に基づいて、駆動モータ出力の増加側変化量上限値ΔＰmtr_ul（Ｎmtr1）［kW／sec］ を減少補正し、補正後の駆動モータ出力特性
Ｐmtr_ul（Ｎmtr1）’が駆動モータ供給可能電力Ｐall を下回った時の補正後の駆動モータ出力の増加側変化量上限値ΔＰmtr_ul（Ｎmtr1）’に基づいて、以下の式（４）を用いて補正後の駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr）’［Nm／sec］を算出する。

（数４）
ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr1）’＝（Ａ／Ｂ）／２π×Ｎmtr1 …（４）
Ａ＝ΔＰmtr_ul（Ｎmtr1）’−Ｌoss_mtr（Ｎmtr，Ｔqmtr_ul（Ｎmtr1））
Ｂ＝Ｐmtr_ul（Ｎmtr1）’／ΔＰmtr_ul（Ｎmtr1）’
図１１に補正前後の駆動モータ出力特性、駆動モータ供給可能電力ならびに燃料電池スタック定格出力特性との関係の一例を示す。

一方、他の算出例として、以下の式（５）を用いて算出する方法などがある。すなわち、例えばアイドルストップ継続時間ＴisC 時の燃料電池スタック２０３の定格出力応答時間ＴnetC、ならびに図８に示す駆動モータ回転数Ｎmtr1時の駆動モータＮ−Ｔ特性に基づいて駆動モータ２０１の最大トルクＴqmtr_ul（Ｎmtr）［Nm］を算出する。算出した同最大トルクＴqmtr_ul（Ｎmtr）を燃料電池スタック定格出力応答時間ＴnetCで割った値に、バッテリ供給可能電力Ｐbattに応じたトルク変化量補正係数ｋ（Ｐbatt）を乗算して、補正後の駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr）’を算出する。

（数５）
ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr1）’＝Ｔqmtr_ul／Tnet×ｋ（Ｐball） …（５）
このように、上記実施例１においては、アイドルストップにより不活性状態となっている燃料電池スタックの状態を考慮し、急峻な出力要求とならないように駆動モータ指令トルクを減少補正制御しているので、アイドルストップ時の燃料電池スタック２０３の状態に応じてアイドル状態復帰後に電力供給される駆動モータ２０１のトルクを的確に制御することが可能となる。これにより、燃料電池車両においては、燃料電池スタック保護のための出力制限による著しい運転性悪化（加速性能悪化）を防止することができる。

また、燃料電池スタック２０３に対して急峻な出力要求とならないように駆動モータ指令トルクの増加側変化量を減少補正しているため、燃料電池スタック保護のための出力制限による著しい運転性悪化（加速性能悪化）を防止することができる。

燃料電池スタック総電圧復帰時間を、燃料電池スタック発電開始までのアイドルストップ継続時間に基づいて推定しているので、精度の高い燃料電池スタック総電圧復帰時間を算出することができる。

駆動モータ回転数が所定値以上である場合に、駆動モータ指令トルクの増加側変化量減少補正を実施することで、燃料電池スタック保護のための出力制限による影響を受け難い駆動モータ低回転数領域では通常通りの運転性（加速性能）を実現することができる。

二次バッテリ出力上限値が所定値以下である場合に、駆動モータ指令トルクの増加側変化量減少補正を実施してるので、燃料電池スタック保護のための出力制限による影響を二次バッテリ２０６が吸収できる二次バッテリ出力上限値では通常通りの運転性（加速性能）を実現することができる。

次に、この発明の実施例２について説明する。先の実施例１では、アイドルストップ終了時の燃料電池スタック２０３の状態として、アイドルストップ終了状態検出手段１０１でアイドルストップ継続時間を検出したが、この実施例２の特徴とするところは、このアイドルストップ継続時間に代えて燃料電池スタック２０３の総電圧を検出し、この総電圧に基づいて燃料電池スタック総電圧復帰時間を推定するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

次に、図１２のフローチャートを参照して、アイドルストップ終了時状態検出方法について説明する。

図１２において、駆動ユニット２０４で燃料電池スタック２０３の総電圧Ｖstack［v］を検出する（ステップＳ１２０１）。

次に、検出された燃料電池スタック２０３の総電圧Ｖstack に基づいて、燃料電池スタック総電圧復帰時間の推定方法の一例について説明する。

先ず、予め実験などにより、図１３に示すようなアイドルストップ終了時の燃料電池スタック総電圧Ｖstack（Ｖstacknor＞Ｖstack1＞Ｖstack2＞Ｖstack3＞Ｖstack4） と燃料電池スタックＩ−Ｖ特性との関係を求め、これらの関係をコントローラ２１０に記憶させておく。図１３に示すように、一般的にはアイドルストップ終了時の燃料電池スタック総電圧が低下するにつれて燃料電池スタックＩ−Ｖ特性は悪化する。

このような燃料電池スタックＩ−Ｖ特性において、燃料電池スタック２０３で定格出力を発電させた場合の出力特性Ｐnet［kW］ の一例を図１４に示す。図１４に示すように、燃料電池スタックＩ−Ｖ特性が通常状態（Ｖstacknor、燃料電池スタックの仕様によって異なる）に復帰するまでに所定時間を要するため、結果として出力特性に凹みが生じ、復帰するまでの定格出力応答時間（Ｔnrt） が長くなる。これらの特性もコントローラ２１０に記憶させておく。

そこで、コントローラ２１０に予め記憶した図１３ならびに図１４に示す特性に基づいて、先の図１２に示すステップＳ１２０１で検出した燃料電池スタック総電圧に対応した定格出力応答時間（Ｔnet）［sec］を推定する。例えば、図１４では燃料電池スタック総電圧がＶstack3［V］ の時の定格出力応答時間はＴnet3［sec］ となる。

その後、このようにして推定された燃料電池スタック総電圧復帰時間（＝定格出力応答時間）に基づいて、先に説明した実施例１と同様の手順を実行して駆動モータ指令トルクを制御する。

このような実施例２においては、燃料電池スタック発電開始時の燃料電池スタック総電圧に基づいて燃料電池スタック総電圧復帰時間を推定することで、精度の高い燃料電池スタック総電圧復帰時間を得ることが可能となる。

次に、この発明の実施例３について説明する。先の実施例１では、アイドルストップ終了時の燃料電池スタック２０３の状態として、アイドルストップ終了状態検出手段１０１でアイドルストップ継続時間を検出したが、この実施例３の特徴とするところは、このアイドルストップ継続時間に代えて燃料電池スタック２０３のセルもしくはセル群の最小電圧を検出し、この最小電圧に基づいて燃料電池スタック総電圧復帰時間を推定するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。

次に、図１５のフローチャートを参照して、アイドルストップ終了時状態検出方法について説明する。

図１５において、セル電圧検出装置２０５で燃料電池スタック２０３内のセルまたは予め設定されたセル群の電圧［v］ を検出し、検出した電圧に基づいてコントローラ２１０で最小セル電圧もしくは最小セル群電圧を求める（ステップＳ１５０１）。なお、以下の説明では最小セル電圧として説明する。

次に、検出された燃料電池スタック２０３の最小セル電圧Ｃellminに基づいて、燃料電池スタック総電圧復帰時間の推定方法の一例について説明する。

先ず、予め実験などにより、図１６に示すようなアイドルストップ終了時の燃料電池スタック２０３のセル電圧Ｃell と燃料電池スタックＩ−Ｖ特性との関係を求め、これらの関係をコントローラ２１０に記憶させておく。一般的にはアイドルストップ終了時の燃料電池スタック最小セル電圧が低下するにつれて燃料電池スタックＩ−Ｖ特性は悪化する。

このような特性を示す燃料電池スタックＩ−Ｖ特性において、燃料電池スタック２０３で定格出力を発電させた場合の出力特性Ｐnet［kW］ の一例を図１７に示す。図１７に示すように、燃料電池スタックＩ−Ｖ特性が通常状態（Ｃellminnor） に復帰するまでに所定時間を要するため、結果として出力特性に凹みが生じ、復帰するまでの定格出力応答時間（Ｔnet） が長くなる。これらの特性もコントローラ２１０に記憶させておく。

そこで、コントローラ２１０に予め記憶した燃料電池スタックＩ−Ｖ特性ならびに図１７に示すような特性に基づいて、先の図１５に示すステップＳ１５０１で検出した燃料電池スタック２０３の最小セル電圧に対応した定格出力応答時間（Ｔnet）［sec］を推定する。例えば、図１７では燃料電池スタック２０３の最小セル電圧がＣellminiii［V］の時の定格出力応答時間はＴnetiii［sec］ となる。

その後、このようにして推定された燃料電池スタック総電圧復帰時間（＝定格出力応答時間）に基づいて、先に説明した実施例１と同様の手順を実行して駆動モータ指令トルクを制御する。

このような実施例３においては、燃料電池スタック発電開始時の燃料電池スタック２０３の最小セル電圧もしくは最小セル群電圧に基づいて燃料電池スタック総電圧復帰時間を推定することで、精度の高い燃料電池スタック総電圧復帰時間を得ることが可能となる。

次に、この発明の実施例４について説明する。先の実施例１では、図７のステップＳ７０８で実行する駆動モータトルクの減少補正制御において、駆動モータトルクの変化量を減少補正制御しているが、この実施例４の特徴とするところは、駆動モータトルクの変化量を減少補正制御することに代えて駆動モータトルクの上限値を減少補正するようにしたことにあり、他は先の実施例１、実施例２もしくは実施例３と同様である。

この実施例４では、図７に示すステップＳ７０８の処理は、図１８のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。図１５において、先ず実施例１で説明した駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr1）’［Nm／sec］と同様にして同トルク増加側変化量上限値を算出する（ステップＳ１８０１）。

その後、先のステップＳ１８０１で算出した駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr1）’ が予め設定された所定値、すなわち駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値の最小値ΔＴqmtr_ul_min（Ｎmtr1）［Nm／10ms］ 未満であるか否かを判定する（ステップＳ１８０２）。判定の結果、駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値が駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値の最小値未満である場合には、同トルク増加側変化量上限値の補正制御を停止し、駆動モータ指令トルク上限値の減少補正制御を実行する（ステップＳ１８０３）。

一方、判定の結果、駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値が駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値の最小値以上である場合には、同トルク増加側変化量上限値の補正制御を実行する（ステップＳ１８０４）。

次に、図１９を参照して図１８に示すステップＳ１８０３で実行される駆動モータ指令トルク上限値減少補正制御について説明する。

予め燃料電池車両の運転性、加速性能などの観点に基づいて設計した駆動モータ回転数に応じた駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値の最小値ΔＴqmtr_ul_min（Ｎmtr1） を電力変換して駆動モータ出力増加側変化量上限値の最小値ΔＰmtr_ul_min（Ｎmtr1）［kw／10ms］を算出する。続いて、駆動モータ出力増加側変化量上限値の最小値で実現しうる駆動モータ出力の最大出力ｍａｘ（Ｐmtr_ul_min（Ｎmtr1））［kw］を算出する。その後、以下の式（６）を用いて駆動モータ指令トルク上限値Ｔqmtr_ul（Ｎmtr1）’［Nm］を算出する。

（数６）
Ｔqmtr_ul（Ｎmtr1）’＝（Ｃ−Ｄ）／２π×Ｎmtr1 …（６）
Ｃ＝ｍａｘ（Ｐmtr_ul_min（Ｎmtr1））
Ｄ＝Ｌoss_mtr（Ｎmtr1，Ｔqmtr_ul（Ｎmtr1））（駆動モータ２０１のトルクＴqmtr_ul（Ｎmtr1）ならびに回転数Ｎmtr1時の損出電力）
このように、補正後の駆動モータ出力出力特性Ｐmtr_ul（Ｎmtr1）’を実現する駆動モータ指令トルク増加側変化量上限値ΔＴqmtr_ul（Ｎmtr1）’ では、車両の運転性、加速性能を著しく悪化させるおそれがある場合には、図１９に示すように駆動モータ指令トルクの上限値を減少補正するようにしている。

したがって、上記実施例４では、燃料電池スタック総電圧復帰時間推定値に基づいて算出した駆動モータ指令トルク増加側変化量の減少補正では運転性に影響がある場合には、駆動モータ指令トルクの上限値を減少補正することで、燃料電池スタック保護のための出力制限による著しい運転性悪化（加速性能悪化）を防止することができる。

本発明の基本構成を示す図である。 本発明の実施例１〜４に係る電動機システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１〜４に係る主処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る、図３に示す一部処理の手順を示すフローチャートである。 アイドルストップ継続時間と燃料電池スタックＩ−Ｖ特性との関係を示す図である。 アイドルストップ継続時間と燃料電池スタック定格出力応答要求時の出力特性との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る、図３に示す一部処理の手順を示すフローチャートである。 駆動モータのＮ−Ｔ特性と出力特性との関係を示す図である。 駆動モータの各回転数で全開加速を行ったときの駆動モータ出力特性を示す図である。 駆動モータの供給可能電力と出力特性との関係を示す図である。 駆動モータ指令トルクの減少補正制御に係る各諸量の変化を示す図である。 本発明の実施例２に係る、図３に示す一部処理の手順を示すフローチャートである。 アイドルストップ終了時の燃料電池スタック総電圧と燃料電池スタックＩ−Ｖ特性との関係を示す図である。 アイドルストップ終了時の燃料電池スタック総電圧と燃料電池スタック定格出力応答要求時の出力特性との関係を示す図である。 本発明の実施例３に係る、図３に示す一部処理の手順を示すフローチャートである。 アイドルストップ終了時のセル電圧の一例を示す図である。 アイドルストップ終了時のセル電圧最小値と燃料電池スタック定格出力応答要求時の出力特性との関係を示す図である。 本発明の実施例４に係る、図７に示す一部処理の手順を示すフローチャートである。 駆動モータ指令トルクの上限値補正制御に係る各諸量の変化を示す図である。

符号の説明

１０１…アイドルストップ終了状態検出手段
１０２…燃料電池スタック総電圧復帰時間推定手段
１０３…駆動モータ指令トルク減少補正制御手段
２０１…駆動モータ
２０２…駆動モータインバータ
２０３…燃料電池スタック
２０４…駆動ユニット
２０５…セル電圧検出装置
２０６…二次バッテリ
２０７…バッテリコントローラ
２０８…アクセル
２０９…アクセル開度センサ
２１０…コントローラ

Claims (9)

1. 燃料電池から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータと、
   アイドル運転にある前記燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とし、このアイドル停止状態を終了して前記燃料電池の発電を再開するアイドル制御手段と、
   前記燃料電池のアイドル停止状態が終了したときの前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
   前記状態検出手段で検出された前記燃料電池の状態に基づいて、前記燃料電池の総電圧がアイドル運転時の電圧になるまでの復帰時間を推定する復帰時間推定手段と、
   前記復帰時間推定手段で推定された復帰時間に基づいて、前記駆動モータのトルクを補正制御する制御手段と
   を有することを特徴とする電動機システム。
2. 前記復帰時間推定手段で前記復帰時間が予め設定された所定復帰時間よりも長いと推定された場合には、前記制御手段は、前記駆動モータのトルクの変化量を減少補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の電動機システム。
3. 前記復帰時間推定手段で前記復帰時間が予め設定された所定復帰時間よりも長いと推定された場合には、前記制御手段は、前記駆動モータのトルクの上限値を減少補正する
   ことを特徴とする請求項１記載の電動機システム。
4. 前記状態検出手段は、前記燃料電池の状態として前記燃料電池がアイドル停止状態にあるアイドル停止継続時間を検出し、
   前記復帰時間推定手段は、前記状態検出手段で検出されたアイドル停止継続時間が長くなる程、復帰時間が長くなるように復帰時間を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機システム。
5. 前記状態検出手段は、前記燃料電池の状態として前記燃料電池の総電圧を検出し、
   前記復帰時間推定手段は、前記状態検出手段で検出された前記燃料電池の総電圧が低くなる程、復帰時間が長くなるように復帰時間を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機システム。
6. 前記状態検出手段は、前記燃料電池の状態として前記燃料電池の最小セル電圧を検出し、
   前記復帰時間推定手段は、前記状態検出手段で検出された前記燃料電池の最小セル電圧が低くなる程、復帰時間が長くなるように復帰時間を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機システム。
7. 前記駆動モータの回転数を検出する回転数検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記回転数検出手段で検出された回転数が予め設定された所定回転数以上の場合に補正制御を行う
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電動機システム。
8. 前記駆動モータに電力を供給する蓄電装置を備え、
   前記制御手段は、前記蓄電装置の出力電力の上限値が予め設定された所定電力以下である場合に補正制御を行う
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機システム。
9. 前記電動機システムは、燃料電池で得られた電力で駆動される駆動モータで駆動輪が駆動される燃料電池車両に搭載されている
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電動機システム。

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