JP4525112B2 - 燃料電池車両の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池車両の電力供給システムを制御する制御装置に関し、特に、高地走行時等、空気密度低下時における加速フィーリングの違和感を緩和できる燃料電池車両の制御装置に関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びており、現在、このような燃料電池を主電源として搭載した燃料電池車両に関する研究開発が盛んに行われている。

ところで、燃料電池車両において、例えば高地走行時等のように空気密度が低下した場合、所望の圧力、流量の反応ガス（酸化ガス）の供給が困難になり、燃料電池の発電電圧が不安定になったり、反応ガスの供給不足のまま発電電流を取り出すことで、燃料電池の性能の劣化を引き起こす等の問題がある。

そこで、高地走行時等、空気密度低下時における燃料電池の制御技術として、例えば大気圧を検出して、要求発電電力に対して所望とする酸化ガス流量が得られるようにコンプレッサの回転数を補正し、燃料電池の発電を行うことが提案されている（例えば、特許文献１や特許文献２等を参照。）。
特開２００２−３５２８２６号公報 特開２００２−３５２８３３号公報

ところで、前記特許文献１や特許文献２等にて提案される従来技術では、高地走行時等のように大気圧が低下して空気密度が低下した状況において、コンプレッサの回転数を補正することで燃料電池に所望の流量の酸化ガスを供給し、要求される発電電力を実現するようにしているので、コンプレッサ回転数の増加やコンプレッサ圧力比の増加によるコンプレッサトルクの増加を余儀なくされ、コンプレッサの仕事量は増加することとなる。したがって、大気圧が低下すると、場合によっては燃料電池発電応答時間が長くなってしまうことになる。

一方、燃料電池車両の駆動モータに対するトルク指令値は、基本的に、燃料電池発電応答時間を考慮して、車速（駆動モータ回転数）に応じた駆動モータ消費電力応答時間となるように演算されている。しかしながら、前述のように大気圧が低下して燃料電池発電応答時間が長くなっている場合に、燃料電池の発電応答時間を推定しないで駆動モータにトルク指令を行ってしまうと、駆動モータ出力が駆動モータに供給可能な電力（車両に供給する燃料電池発電電力＋バッテリ放電電力）で制限されることとなってしまい、結果としてドライバは加速フィーリングに違和感を持ってしまうという問題点がある。

すなわち、駆動モータに対するトルク指令値は、基本的に１気圧時の燃料電池発電応答を考慮して過剰なトルク要求を行わないように設計されている。したがって、大気圧の低下に伴い空気密度が低下して、燃料電池の発電応答時間が長くなってしまうと、駆動モータのトルク指令値から求められる駆動モータの目標消費電力が、実際に駆動モータに供給できる駆動モータ供給電力を上回る場合も想定され、駆動モータの出力が急激に制限される状態が生じ得る。そして、このような状態が、加速フィーリングを大きく損なう要因となる。

本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、高地走行時等、空気密度低下により燃料電池発電応答時間が長くなっている場合にも、加速フィーリングの違和感を緩和することが可能な燃料電池車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池車両の制御装置は、燃料電池を主電源とし、駆動モータにより駆動される燃料電池車両の電力供給システムを制御する制御装置であり、大気圧を検出する大気圧センサと、この大気圧センサが検出した大気圧に基づいて燃料電池へ空気を供給するコンプレッサの１気圧における目標回転数を補正し、コンプレッサの回転数が補正した目標回転数に到達するまでの時間として燃料電池の発電応答時間を推定する燃料電池発電応答時間推定手段と、この燃料電池発電応答時間推定手段の推定結果に基づいて駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答時間制御手段とを備えている。

以上のような本発明に係る燃料電池車両の制御装置では、例えば、大気圧を検出した結果、空気密度の低下により燃料電池発電応答時間が通常時よりも長くなることが推定され、駆動モータに対する駆動トルク指令値が、駆動モータに供給可能な最大電力以下となる駆動モータ出力となるように、駆動モータ出力応答制御手段が駆動モータの出力応答時間を制御することで、急な電力制限による加速フィーリングの違和感を緩和する。

本発明に係る燃料電池車両の制御装置によれば、例えば高地走行時等、空気密度低下により燃料電池発電応答時間が長くなっている場合にも、これに対応して駆動モータの出力応答時間が制御されるので、急な電力制限による加速フィーリングの違和感を緩和することが可能である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

先ず、燃料電池車両に主電源として搭載される燃料電池及びこれを用いた燃料電池発電システムの具体的一例について、図１を参照しながら説明する。

この燃料電池発電システムは、燃料電池１と、この燃料電池１に燃料である水素（あるいは水素リッチガス）を供給する燃料供給系、酸化剤（空気）を供給する空気供給系とを備え、燃料電池１の発電によって得られた電力を、燃料電池車両の駆動ユニット２に供給する構成となっている。

燃料電池１は、水素が供給される燃料極と酸素（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされた発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。各発電セルの燃料極では、水素が供給されることで水素イオンと電子とが解離し、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極側にそれぞれ移動する。また、空気極では、供給された空気中の酸素と前記水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質が用いられる。固体高分子電解質は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

燃料電池１には、各発電セル、或いは発電セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置３が接続されており、このセル電圧検出装置３の出力は、システムコントローラ１００に取り込まれるようになっている。システムコントローラ１００は、内蔵された制御ソフトウエアに基づいて、本発明を適用した電力供給システム全体の動作を制御するものである。

燃料供給系は、高圧水素タンク４、可変バルブ５、エゼクタ６、水素供給配管７、水素循環配管８からなる。そして、水素供給源である高圧水素タンク４から供給される水素ガスは、可変バルブ５及びエゼクタ６を通って水素供給配管７へと送り込まれ、加湿器９において加湿された後、燃料電池１の燃料極に供給される。加湿器９には、加湿用純水経路１０及び純水ポンプ１１が設けられており、純水の流量や温度等によって水素ガスの加湿量が制御される。

燃料電池１では供給された水素ガスは全て消費されるわけではなく、残った水素ガス（燃料電池１から排出される水素ガス）が、水素循環配管８を通ってエゼクタ６により循環され、新たに供給される水素ガスと混合されて、再び燃料電池１の燃料極に供給される。なお、燃料電池１の出口側には、パージ弁１２及びパージ配管１３が設けられている。水素循環配管８内には水素を循環させることで不純物や窒素等が蓄積され、これにより水素分圧が降下して燃料電池１の効率が低下する場合もある。そこで、燃料電池１の出口側にパージ弁１２やパージ配管１３を設けることで、水素循環配管８内から不純物や窒素等を除去できるようにしている。

また、燃料供給系においては、水素供給配管７の中途部に水素圧力センサ１４及び水素流量センサ１５が設けられており、燃料電池１の燃料極に供給される水素の圧力や流量がこれらのセンサにより検出できるようになっている。

空気供給系は、空気を送り込むコンプレッサ１６、空気供給配管１７、及びスロットル１８によって構成されている。コンプレッサ１６によって供給される酸化剤としての空気は、水素ガスと同様、加湿器９を通って空気供給配管１７より燃料電池１の空気極に供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、燃料電池１からスロットル１８を介して排出される。

この空気供給系においても、空気供給配管１７の中途部に空気圧力センサ１９及び空気流量センサ２０が設けられており、燃料電池１に供給される空気の圧力や流量がこれらのセンサによって検出できるようになっている。

以上のように構成される燃料電池発電システムにおいては、燃料電池１の入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ１９、空気流量を検出する空気流量センサ２０、水素圧力を検出する水素圧力センサ１４、水素流量を検出する水素流量センサ１５、及びセル電圧検出装置３からの出力が、それぞれシステムコントローラ１００によってモニタリングされる。システムコントローラ１００では、これらの各検出手段から読み込んだ各検出値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように、コンプレッサ１６やスロットル１８、可変バルブ５等を制御する。同時に、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池１から駆動ユニット２へ取り出す出力（電流値）を指令する。

次に、以上のような燃料電池発電システムを用いた燃料電池車両の電力供給システムの全体構成について、図２を参照しながら説明する。

この電力供給システムは、主電源としての燃料電池１からの電力取り出しや補助電源としてのバッテリ２１からの電力取り出しを制御しながら、これら燃料電池１やバッテリ２１から取り出した電力を駆動モータ２２やその他の車両補機２３等に供給するものである。この電力供給システムは、その一部が上述した駆動ユニット２としてユニット化されている。そして、この駆動ユニット２に、上述したシステムコントローラ１００、主電源としての燃料電池１、補助電源としてのバッテリ２１、駆動モータ２２やその他の補機２３が接続された構成となっている。

駆動ユニット２には、燃料電池メインリレー２４、直流電圧変換装置２５、駆動モータインバータ２６、バッテリメインリレー２７、バッテリコントローラ２８が設けられている。

燃料電池メインリレー２４は、燃料電池１と駆動モータ２２等の負荷とを接続する燃料電池・負荷電気路に設けられており、システムコントローラ１００の制御によりオン・オフが切り替えられるようになっている。この燃料電池メインリレー２４がオン状態とされると、燃料電池・負荷電気路が導通状態とされ、オフ状態とされると、燃料電池・負荷電気路が遮断される。

直流電圧変換装置２５は、燃料電池１で発電した電力を直流電流に変換して出力するものである。この直流電圧変換装置２５の前段（燃料電池１側）には、この直流電圧変換装置２５の入力電流を検出する電流センサ２９及び入力電圧を検出する電圧センサ３０が接続されている。また、この直流電圧変換装置２５の後段（駆動モータ２２側）には、この直流電圧変換装置２５の出力電流を検出する電流センサ３１及び出力電圧を検出する電圧センサ３２が接続されている。

駆動モータインバータ２６は、システムコントローラ１００からの指令に応じて駆動モータ２２への供給電力を調整して、駆動モータ２６の回転数及びトルクが所望の値となるように制御するものである。

バッテリメインリレー２７は、バッテリ２１と駆動モータ２２等の負荷とを接続するバッテリ・負荷電気路に設けられており、システムコントローラ１００の制御によりオン・オフが切り替えられるようになっている。このバッテリメインリレー２７がオン状態とされると、バッテリ・負荷電気路が導通状態とされ、オフ状態とされると、バッテリ・負荷電気路が遮断される。

バッテリコントローラ２８は、バッテリ２１の状態を監視してその情報をシステムコントローラ１００に供給すると共に、システムコントローラ１００からの指令に応じてバッテリ２１からの電力取り出しを制御するものである。このバッテリコントローラ２８とバッテリ２１との間には、バッテリ２１の出力電流を検出する電流センサ３３及び出力電圧を検出する電圧センサ３４が接続されている。

さらに、システムコントローラ１００には、大気圧を検出する大気圧センサ３５や、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３６が接続されている。

以上のように構成される電力供給システムでは、システムコントローラ１００が、各電流センサ２９，３１，３３や電圧センサ３０，３２，３４、大気圧センサ３５、アクセル開度センサ３６からの検出信号、直流電圧変換装置２５、駆動モータインバータ２６、バッテリコントローラ２８からの情報等を適宜取り込んで、内蔵された制御ソフトウェアに基づき、電力供給システム全体の動作を制御するようにしている。そして、特に、本実施形態では、このシステムコントローラ１００によって駆動モータ２２に対する電力供給が制御され、大気圧低下時には駆動モータ２２の出力応答時間が制御されるようになっている。

ここで、以上のようなシステムコントローラ１００による制御の詳細について、本実施形態に特徴的な部分を中心に具体的に説明する。

システムコントローラ１００は、内蔵された制御ソフトウェアを実行することにより、例えば図３の機能ブロック図で示すように、燃料電池１の発電応答時間を推定する燃料電池発電応答時間推定手段１０１、燃料電池発電応答時間推定手段１０１の推定結果に基づいて最適な駆動モータ出力応答時間を演算する最適駆動モータ出力応答時間演算手段１０２、最適駆動モータ出力応答時間演算手段１０２の演算結果に基づいて駆動モータ２２の出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段１０３の各機能を実現する。そして、システムコントローラ１００は、大気圧センサ３５により検出された大気圧から燃料電池１の発電応答時間を推定し、この発電応答時間に基づき、駆動モータ２２の出力応答時間が燃料電池１の発電応答時間以上となるように駆動モータ２２に対するトルク指令値を演算し、駆動モータインバータ２６にこのトルク指令値を送信して、駆動モータ２２を制御する。

図４は、以上のようなシステムコントローラ１００により所定時間（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に実行される制御フローの一例を示すフローチャートである。

本制御フローがスタートすると、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ１において、大気圧センサ３５の検出値を取り込んで大気圧を検出し、ステップＳ２において、ステップＳ１で検出した大気圧に基づき燃料電池１の発電応答時間を推定する（燃料電池発電応答時間推定手段１０１）。そして、ステップＳ３において、ステップＳ２で推定した燃料電池１の発電応答時間に基づき、駆動モータ２２の最適出力応答時間を演算する（最適駆動モータ出力応答時間演算手段１０２）。次に、ステップＳ４において、ステップＳ３で演算した駆動モータ２２の最適出力応答時間に基づき、駆動モータ２２に対するトルク指令値を演算する。そして、ステップＳ５において、ステップＳ４で演算した駆動モータ２２に対するトルク指令値を駆動モータインバータ２６に送信することで、駆動モータ２２を駆動制御する（駆動モータ出力応答制御手段１０３）。

ここで、ステップＳ２における燃料電池１の発電応答時間の推定方法について、図５を用いて説明する。

図５（ａ）は、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサ１６の目標回転数と大気圧との関係を示すものである。この図５（ａ）から、大気圧が低下するに従って、燃料電池１の目標発電量を実現するためのコンプレッサ１６の目標回転数が徐々に増加することが分かる。なお、図中のＮ_{ｃｏｍｐ１０１．３２５}［ｒｐｍ］は１気圧（１０１．３２５ｋＰａ）時に燃料電池１に供給する必要のある空気流量を実現するためのコンプレッサ１６の目標回転数、Ｎ_{ｃｏｍｐ６０}［ｒｐｍ］は大気圧が６０［ｋＰａ］時に燃料電池１に供給する必要のある空気流量を実現するためのコンプレッサ１６の目標回転数、Ｎ_{ｃｏｍｐＰＡ}［ｒｐｍ］は大気圧がＰＡ［ｋＰａ］時に燃料電池１に供給する必要のある空気流量を実現するためのコンプレッサ１６の目標回転数をそれぞれ示しており、Ｎ_{ｃｏｍｐ１０１．３２５}＜Ｎ_{ｃｏｍｐＰＡ}＜Ｎ_{ｃｏｍｐ６０}となってる。

図５（ｂ）は、コンプレッサ１６の回転数と燃料電池１の実発電量との関係を、大気圧が１気圧のときと大気圧がＰＡ［ｋＰａ］のときとで対比しながら示したものである。この図５（ｂ）から、燃料電池１に対する発電電力指令値の変化量が一定であるとすると、コンプレッサ１６に対する回転数指令値の変化量も一定であるので、コンプレッサ１６の目標回転数到達時間が大気圧低下に伴ってΔＴ_ＰＡ分だけ遅れると、燃料電池１の発電電力応答時間（燃料電池１の実発電量が目標発電電力Ｇ_{Ｔａｒｇｅｔ}に到達するまでの応答時間）もΔＴ_ＰＡに相当する分だけ遅れが生じ、大気圧がＰＡ［ｋＰａ］のときでは、燃料電池１の発電応答時間がＴ_ＰＡ［ｓｅｃ］となることが分かる。

以上のように、燃料電池１の発電応答時間は大気圧に応じて変化することになるので、本実施形態のシステムコントローラ１００は、検出した大気圧に応じて燃料電池１の発電応答時間を推定するようにしている。なお、燃料電池１の発電応答時間を推定する方法としては、この他、コンプレッサ１６を駆動するためのモータのトルク変化量から燃料電池１の発電応答時間を推定する方法等も考えられる。

次に、ステップＳ３における駆動モータ２２の最適出力応答時間の演算方法について、図６を用いて説明する。図６は、燃料電池１で最大発電電力Ｇ_{ＮｅｔＭａｘ}［ｋＷ］を発電し、駆動モータ２２の出力を最大出力ＭＴＲ_{ＭａｘＰｏｗｅｒ}［ｋＷ］とする場合を例に挙げて、このときの燃料電池１の発電応答と駆動モータ２２の出力応答との関係を示すものである。また、図６では、駆動モータ２２に供給可能な最大電力Ｇ_{ＳｕｐｐｌｙＭａｘ}［ｋＷ］の応答性も合わせて示している。ここで、駆動モータ２２に供給可能な最大電力Ｇ_{ＳｕｐｐｌｙＭａｘ}［ｋＷ］は、燃料電池１の最大発電電力Ｇ_{ＮｅｔＭａｘ}［ｋＷ］とバッテリ２１の最大放電電力とを加算した値から、車両補機２３で消費される補機消費電力を減算した値であり、その応答時間は燃料電池１の発電応答時間と等しくなる。

この図６に示すように、本実施形態では、駆動モータ２２の出力応答時間を燃料電池１の発電応答時間に一致させるようにしている。すなわち、大気圧がＰＡ［ｋＰａ］のとき、燃料電池１の発電応答時間はＴ_ＰＡ［ｓｅｃ］となるので、駆動モータ２２の最適出力応答時間もＴ_ＰＡ［ｓｅｃ］とする。なお、この処理の具体的な内容については、詳細を後述する。

次に、ステップＳ４の駆動モータ２２に対するトルク指令値の演算方法について説明する。

出力時間を最適出力応答時間にした場合の駆動モータ２２の出力（図６参照）をＭＴＲ_{Ｐｏｗｅｒ}［ｋＷ］、駆動モータ２２での電力損失分（駆動モータ損失電力）をＭＴＲ_{ＰｏｗｅｒＬｏｓｓ}［ｋＷ］、駆動モータ２２の回転数をＮ_Ｍｔｒ［ｒｐｍ］とすると、駆動モータ２２のトルクＴ_ＭＴＲ［Ｎｍ］は下記式（１）から求めることができ、その値が駆動モータ２２に対するトルク指令値となる。ただし、駆動モータ２２の最大出力は駆動モータ２２に供給可能な最大電力Ｇ_{ＳｕｐｐｌｙＭａｘ}［ｋＷ］以下となるように、予め駆動モータ２２の出力特性を制限することとする。

本実施形態では、システムコントローラ１００が以上のような制御フローを所定周期毎に繰り返し実行することにより、高地走行時等で大気圧の低下により燃料電池１の発電応答時間に遅れが生じる場合でも、駆動モータ２２を適切に駆動制御して、加速フィーリングの違和感を緩和できるようにしている。

ここで、以上の制御フローにおけるステップＳ３の処理、すなわち、駆動モータ２２の最適出力応答時間を演算する処理の詳細について、図７のフローチャートを用いて具体的に説明する。

駆動モータ２２の最適出力応答時間を演算するにあたっては、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ１１において、駆動モータインバータ２６からの情報を読み取って、駆動モータ２２の回転数を検出する。そして、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で検出した駆動モータ２２の回転数に基づき、駆動モータ２２の上限トルクを算出する。なお、駆動モータ２２の回転数と上限トルクとの関係は、駆動モータ２２の規格等によって決まるものであり、例えば図８に示すような関係となる。

次に、ステップＳ１３において、予め実験等を行って求めた駆動モータ２２の回転数及びトルクと駆動モータ２２の電力損失分との関係から、ステップＳ１１で検出した駆動モータ２２の回転数と、ステップＳ１２で算出した駆動モータ２２の上限トルクとに基づき、駆動モータ２２の損失電力を演算する。そして、ステップＳ１４において、ステップＳ１１で検出した駆動モータ２２の回転数と、ステップＳ１２で算出した駆動モータ２２の上限トルクと、ステップＳ１３で演算した駆動モータ２２の損失電力とから、所定車速毎の駆動モータ２２の最大消費電力、すわなち、駆動モータ２２の回転数に対応した最大消費電力を算出する。駆動モータ２２の回転数と最大消費電力との関係を図８に合わせて示す。

次に、ステップＳ１５において、ステップＳ１４で算出した駆動モータ２２の回転数に対応した最大消費電力に基づき、駆動モータ２２の出力を所定出力変化量で最大消費電力にまで変化させた場合の駆動モータ２２の出力応答を演算によって求める。ここで、駆動モータ２２の出力応答は、図９に示すように、駆動モータ２２の回転数により異なることになる。なお、図９では、予め実験等を行って求めた駆動モータ２２の出力変化量の上限値に基づき、この出力変化量上限値で駆動モータ２２を駆動した場合において、所定の回転数Ｎ_ＭｔｒＡ［ｒｐｍ］，Ｎ_ＭｔｒＢ［ｒｐｍ］（ただし、Ｎ_ＭｔｒＡ＜Ｎ_ＭｔｒＢ）における駆動モータ２２の出力応答と、大気圧がＰＡ［ｋＰａ］時での燃料電池１の発電応答との関係を示している。ただし、駆動モータ２２の出力変化量の上限値は、１気圧相当時の燃料電池１の発電応答と駆動モータ２２に供給可能な電力、さらに車両運転性から算出したものである。

そこで、ステップＳ１６では、ステップＳ１５で演算した所定回転数における駆動モータ２２の出力応答と、駆動モータ２２に供給可能な最大電力Ｇ_{ＳｕｐｐｌｙＭａｘ}［ｋＷ］の応答性とを比較して、あるタイミングで駆動モータ２２の出力が駆動モータ２２に供給可能な電力を上回ることになるかどうかを判定する。

そして、ステップＳ１６での判定の結果、駆動モータ２２の出力が駆動モータ２２に供給可能な電力を上回ることが想定される場合には、ステップＳ１７において、駆動モータ２２の出力が駆動モータ２２に供給可能な電力を上回らないように、駆動モータ２２の出力応答時間を補正する。すなわち、図１０に示す例では、回転数がＮ_ＭｔｒＢ［ｒｐｍ］の場合の駆動モータ２２の出力が、図中のＡ点を過ぎたときに駆動モータ２２に供給可能な電力を上回ることになる。このような場合には、例えば駆動モータ２２に対するトルク指令値の時間毎の変化量を低下させることによって、駆動モータ２２の出力応答時間を燃料電池１の発電応答時間Ｔ_ＰＡ［ｓｅｃ］とほぼ等しくなるように補正する。これにより、駆動モータ２２の出力が駆動モータ２２に供給可能な電力を上回ることによって生じる加速フィーリングの違和感が緩和されることになる。

なお、本実施形態では、燃料電池車両に補助電源としてバッテリ２１が搭載され、駆動モータ２２への電力供給を燃料電池１とバッテリ２１とから行うことを前提にして説明しているが、燃料電池車両がバッテリ２１を搭載しておらず、駆動モータ２２への電力供給を燃料電池１での発電電力のみで賄う場合においても、同様の制御を行うことが可能である。

燃料電池車両にバッテリ２１が搭載されている場合には、上述した駆動モータ２２に供給可能な最大電力は、燃料電池１の発電電力とバッテリ２１の最大放電電力とを加算した値から、車両補機２３で消費される電力を減算することで求められる。一方、バッテリ２１が搭載されていない場合には、上述した駆動モータ２２に供給可能な最大電力を、燃料電池１の発電電力から車両補機２３での消費電力を減算した値とすればよい。なお、バッテリ２１の最大放電電力は、バッテリコントローラ２８からの情報に基づき、システムコントローラ１００での演算処理によって求めることができ、また、車両補機２３での消費電力は、電流センサ３３で検出されるバッテリ出力電流や電圧センサ３４で検出されるバッテリ電圧に基づいて推定することが可能である。

なお、車両補機２３での消費電力を推定するに際しては、システムコントローラ１００は、燃料電池１の発電応答時間に応じた車両補機２３の消費電力の上限値を演算し、車両補機２３の消費電力の推定値が前記上限値を上回らない範囲で、車両補機２３での消費電力を推定することが望ましい。具体的には、予め実験等により大気圧が低下した場合の車両補機消費電力の最大値の関係を調べておき、大気圧センサ３５により検出した大気圧に基づいて、大気圧変化に対応した車両補機消費電力の上限値、すなわち燃料電池１の発電応答時間に対応した車両補機消費電力の上限値を決定し、これを上限として車両補機２３での消費電力を推定する。これにより、大気圧低下によって車両補機２３での消費電力が増加した場合でも、これを適切に推定することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池車両の電力供給システムを制御するシステムコントローラ１００が、燃料電池１の発電応答時間を推定して、それに基づき駆動モータ２２の出力応答時間を制御するようにしているので、 駆動モータ２２の出力がそのときに供給可能な電力によって急激に制限されるといった状態を生じさせることなく、駆動モータ２２の駆動制御を適切に行うことができ、駆動モータ２２の出力が急激に制限されることに起因するドライバに対する加速フィーリングの違和感を緩和することができる。また、システムコントローラ１００は、大気圧センサ３５で検出した大気圧に基づいて燃料電池１の発電応答時間を推定しているので、燃料電池１の発電応答時間を精度良く推定することができ、駆動モータ２２の出力応答時間を最適に制御することができる。

さらに、本実施形態では、車速（駆動モータ２２の回転数）を検出して駆動モータ２２の最大消費電力を演算し、駆動モータ２２の最大消費電力が小さく、駆動モータ２２に供給可能な電力で駆動モータ２２の出力が賄えることが予めわかっている場合には、駆動モータ２２に対するトルク指令値の変化量を制限しないようにしているので、過剰に駆動モータ２２の出力を制限することなく、必要な場合にのみ駆動モータ２２の出力応答時間を制御して、ドライバに対する加速フィーリングの違和感を緩和することができる。

ところで、燃料電池車両の電力供給システムを制御する本実施形態のシステムコントローラ１００は、上述したような駆動モータ２２の出力応答時間を制御する機能に加え、燃料電池１に対して要求する要求発電電力の変化量を制御する機能（要求発電電力変化量制限手段）も有している。以下、このシステムコントローラ１００による要求発電電力の変化量の制御について、図１１乃至図１３を参照して説明する。

図１１は、システムコントローラ１００が燃料電池１に対して発電要求を行うために実行される制御フローの一例を示すフローチャートである。

本制御フローがスタートすると、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ２１において、バッテリコントローラ２８からの情報に基づいて、バッテリ２１への充電電力を算出する。また、ステップＳ２２において、上述した手法で車両補機２３の消費電力を算出し、ステップＳ２３において、駆動モータ２２が要求する駆動モータ要求電力を算出する。次に、ステップＳ２４において、ステップＳ２１で算出したバッテリ充電電力と、ステップＳ２２で算出した車両補機消費電力と、ステップＳ２３で演算した駆動モータ要求電力を加算して、燃料電池車両全体が要求する車両要求電力を演算する。そして、ステップＳ２５において、車両要求電力のうちで燃料電池１が賄う分の電力を燃料電池要求発電電力として算出し、ステップＳ２６において、ステップＳ２５で算出した燃料電池要求発電電力に基づき、燃料電池１に対して発電要求を行う。

ここで、ステップＳ２３における駆動モータ要求電力の演算方法について、図１２を用いて説明する。

駆動モータ２２の回転数がＮ_Ｍｔｒ［ｒｐｍ］のとき、駆動モータ２２の上限トルクは図１２中のＴ_Ｍａｘ［Ｎｍ］となる。このとき、実際に駆動モータ２２に要求される要求トルクＴ_{Ｒｅｑｕｅｓｔ}［Ｎｍ］は、ドライバによるアクセル踏み込み量ＡＰＯ［％］（アクセル全開のときにＡＰＯ＝１００とする。）に応じて、下記式（２）により決定される。なお、ドライバのアクセル踏み込み量は、アクセル開度センサ３６によって検出される。

また、このときの駆動モータ２２での電力損失分をＭＴＲ_{ＰｏｗｅｒＬｏｓｓＲ}［ｋＷ］とすると、駆動モータ要求電力ＭＴＲ_{ＰｏｗｅｒＲｅｑｕｅｓｔ}［ｋＷ］は、下記式（３）で表すことができる。

次に、ステップＳ２４における車両要求電力の演算方法について説明する。

バッテリ充電電力をＢＡＴＴ_ｉｎ［ｋＷ］とし、車両補機２３の消費電力をＰＡＵＸ［ｋＷ］とすると、燃料電池車両全体が要求する車両要求電力Ｖ_{ＲｅｑｕｅｓｔＰｏｗｅｒ}［ｋＷ］は、下記式（４）のように表すことができる。

次に、ステップＳ２５における燃料電池要求発電電力の演算方法について説明する。

バッテリ２１の放電電力（バッテリアシスト電力）をＢＡＴＴ_ｏｕｔ［ｋＷ］とすると、燃料電池１に要求する発電電力の目標値Ｖ_{ＴａｒｇｅｔＲｅｑｕｅｓｔＰｏｗｅｒ}［ｋＷ］は、下記式（５）のように表すことができる。なお、バッテリアシスト電力は、電流センサ３３や電圧センサ３４の検出値に基づき算出できる。

次に、ステップＳ２６における処理、すなわち燃料電池１に対して発電要求を行う際のシステムコントローラ１００の処理の詳細について、図１３のフローチャートを用いて説明する。システムコントローラ１００は、上述したように、図１１の制御フローにおけるステップＳ２５で算出した燃料電池要求発電電力に基づいて、ステップＳ２６において燃料電池１に対する発電要求を行うが、このとき、要求発電電力が急激に変化して大幅な応答遅れが生じないように、要求発電電力の変化量を制限するようにしている。そして、特に本実施形態では、駆動モータ２２のトルクが所定値以下である場合には、要求発電電力の変化量の制限を緩和させるこで、駆動モータ２２の稼働状態（燃料電池車両の車速）に応じて最適な状態で燃料電池１に対する発電要求を行い、バッテリ２１の過放電を有効に防止できるようにしている。

すなわち、燃料電池１に対して発電要求を行う場合、システムコントローラ１００は、先ず、ステップＳ３１において、駆動モータインバータ２６からの情報に基づいて、駆動モータ２２のトルクを検出する。そして、ステップＳ３２において、ステップＳ３１で検出した駆動モータ２２のトルクが所定値以下であるか否かを判定する。

ここで、駆動モータ２２のトルクが所定値以下である場合には、ステップＳ３３において、図１１の制御フローにおけるステップＳ２５で演算した燃料電池１に要求する発電電力の目標値Ｖ_{ＴａｒｇｅｔＲｅｑｕｅｓｔＰｏｗｅｒ}［ｋＷ］の変化量を、変化量上限値Ａ［ｋＷ／ｓｅｃ］で制限する。一方、駆動モータ２２のトルクが所定値を超えている場合には、ステップＳ３４において、燃料電池１に要求する発電電力の目標値Ｖ_{ＴａｒｇｅｔＲｅｑｕｅｓｔＰｏｗｅｒ}［ｋＷ］の変化量を、変化量上限値Ａよりも大きな値である変化量上限値Ｂ［ｋＷ／ｓｅｃ］で制限する。そして、以上のように変化量に制限が加えられた要求発電電力の目標値に基づき、ステップＳ３５において、燃料電池１に対する発電要求を行う。

以上のように、本実施形態のシステムコントローラ１００は、燃料電池１に対して要求する要求発電電力の変化量を制御する際に、駆動モータ２２のトルクが所定値以下の場合には要求発電電力の変化量の制限を緩和させるようにしているので、燃料電池１に対して要求する要求発電電力の変化量を過剰に制限してしまった場合に懸念されるバッテリ２１の過放電を有効に防止することができる。

燃料電池発電システムの一構成例を示す図である。 燃料電池車両の電力供給システムの全体構成を示す図である。 システムコントローラにて実現される各手段を示す機能ブロック図である。 システムコントローラが駆動モータの駆動制御を行う際の処理の概要を示すフローチャートである。 燃料電池の発電応答時間を推定する方法を説明するための図であり、（ａ）は大気圧と目標発電量を実現するコンプレッサ回転数との関係を示す特性図、（ｂ）はコンプレッサの回転数と燃料電池の実発電量との関係を示す特性図である。 駆動モータの最適出力応答時間を演算する方法を説明する図である。 駆動モータの最適出力応答時間を演算する処理の詳細を示すフローチャートである。 駆動モータの回転数と駆動モータ上限トルク及び駆動モータ最大消費電力との関係を示す特定図である。 駆動モータの回転数が異なる場合の出力応答を対比して示す図である。 駆動モータの出力応答を補正する様子を説明する図である。 システムコントローラが燃料電池に対する発電要求を行う際の処理の概要を示すフローチャートである。 駆動モータの要求電力を演算する方法を説明する図である。 燃料電池に要求する発電要求電力の変化量を制限する処理の詳細を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 駆動ユニット
２１ バッテリ
２２ 駆動モータ
２３ 車両補機
１００ システムコントローラ
１０１ 燃料電池発電応答時間推定手段
１０２ 最適駆動モータ出力応答時間演算手段
１０３ 駆動モータ出力応答制御手段

Claims (8)

1. 燃料電池を主電源とし、駆動モータにより駆動される燃料電池車両の電力供給システムを制御する制御装置であって、
   大気圧を検出する大気圧センサと、
   該大気圧センサが検出した大気圧に基づいて前記燃料電池へ空気を供給するコンプレッサの１気圧における目標回転数を補正し、前記コンプレッサの回転数が前記補正した目標回転数に到達するまでの時間として前記燃料電池の発電応答時間を推定する燃料電池発電応答時間推定手段と、
   前記燃料電池発電応答時間推定手段の推定結果に基づいて、前記駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
2. 前記燃料電池発電応答時間推定手段により前記燃料電池発電応答時間が通常時よりも長くなることが推定され、前記駆動モータに対する駆動トルク指令値が、駆動モータに供給可能な最大電力以下となる駆動モータ出力となるように、前記駆動モータ出力応答制御手段が、前記駆動モータの出力応答時間を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
3. 前記駆動モータ出力応答制御手段は、
   前記駆動モータの回転数に基づいて上限トルクを算出する駆動モータ上限トルク演算手段と、
   前記駆動モータの回転数と上限トルクとから損失電力を推定する駆動モータ損失電力推定手段と、
   前記駆動モータの回転数と上限トルクと損失電力とに基づき、当該駆動モータの最大消費電力を演算する駆動モータ最大消費電力演算手段と、
   前記駆動モータ最大消費電力演算手段の演算結果に基づき、前記駆動モータの出力を所定変化量で変化させた場合の駆動モータの出力応答を推定する駆動モータ出力応答推定手段とを有し、
   前記燃料電池発電応答時間推定手段の推定結果と、前記駆動モータ出力応答推定手段の推定結果とに基づき、前記駆動モータの出力が当該駆動モータに供給可能な電力を上回ることが予想される場合に、前記駆動モータの出力応答時間を長くする方向で補正することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両の制御装置。
4. 前記駆動モータ出力応答制御手段は、前記駆動モータの出力応答時間が前記燃料電池の出力応答時間と一致するように、前記駆動モータの出力応答時間を補正することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の制御装置。
5. 前記駆動モータ出力応答制御手段は、前記駆動モータに対するトルク指令値の変化量を低下させることで、前記駆動モータの出力応答時間を補正することを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池車両の制御装置。
6. 燃料電池車両には補助電源としてバッテリが搭載されており、
   前記駆動モータ出力応答制御手段は、
   前記バッテリの充電状態及びバッテリ出力電流・バッテリ電圧を管理するバッテリ制御装置からの情報に基づいて、前記バッテリの最大放電電力を演算するバッテリ最大放電電力演算手段と、
   前記バッテリ制御装置で検出されるバッテリ出力電流・バッテリ電圧に基づいて、車両補機が消費している電力を推定する車両補機消費電力推定手段とを更に有し、
   前記燃料電池が供給し得る最大電力と前記バッテリ最大放電電力演算手段の演算結果とを加算した値から前記車両補機消費電力推定手段の推定結果を減算して、前記駆動モータに供給可能な最大電力を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の制御装置。
7. 前記車両補機消費電力推定手段は、前記燃料電池発電応答時間推定手段の推定結果に基づいて前記車両補機の消費電力の上限値を演算し、前記車両補機の消費電力を前記上限値以下の値に推定することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池車両の制御装置。
8. 前記燃料電池に対して要求する要求発電電力の変化量を制限する要求発電電力変化量制限手段を更に備え、
   前記要求発電電力変化量制限手段は、前記駆動モータのトルクが所定値以下である場合には、前記燃料電池に対する要求発電電力の変化量の制限を緩和することを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池車両の制御装置。

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