JP4882724B2

JP4882724B2 - 移動体

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Publication number: JP4882724B2
Application number: JP2006340881A
Authority: JP
Inventors: 尚弘吉田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: JP2008154387A

Description

本発明は、燃料電池の電力により駆動されるモータを備えた移動体に関し、特にモータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機を備えた移動体に関するものである。

この種の移動体として、例えば特許文献１に記載の車両が知られている。この車両は、モータの動力を変速して駆動輪に伝達する変速機を備え、変速機の作動状態に応じて燃料電池の発電量を変更するものである。例えば、無段変速機がパワーモードで作動しているときに車両の加速要求があると、燃料電池を定格出力よりも高い出力で発電させる。
また、特許文献１には、変速機として、無段変速機のみならず有段の自動変速機を用いてもよい旨も開示されている。
特開２００５−１９０３３号公報

一般に、有段の自動変速機の場合には変速時に変速ショックが生じる。しかしながら、特許文献１はこの点について何ら検討されていない。このため、自動変速機を適用した場合には変速ショックが生じることが懸念される。また、特許文献１は、変速時における二次電池の蓄電量や、変速機の変速動作の開始タイミングについては何ら考慮しておらず、改善の余地がある。

本発明は、上記した懸念事項・改善事項に鑑みてなされたものであり、変速ショックを抑制することが可能な移動体を提供することを一つの目的としている。

上記課題を達成するべく、本発明の移動体は、駆動源としてのモータと、前記モータに電力を供給するための燃料電池及び前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系を含む燃料電池システムと、前記モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、を備え、更に、前記変速機のシフトアップの要求を受けた場合、シフトアップ完了後の前記モータのトルクの大きさを所定のマップに基づいて決定し、シフトアップの開始から当該シフトアップの完了までのシフトアップ時では前記モータのトルクの大きさを前記決定したトルクの大きさより小さくすると共に、前記シフトアップ完了後に要求される前記燃料電池システムの要求電力を前記決定したトルクの大きさを用いて所定の計算を行って予測し、前記シフトアップ時では当該予測に基づいて前記燃料電池が前記要求電力に応じた発電量を発電するように前記ガス供給系を制御する制御装置を備える。

このような構成によれば、シフトアップ時に過大なモータトルクが駆動軸に伝達されるのを回避できるので、シフトアップ時の変速ショックを抑制できる。また、モータのトルクを一時的に小さくする際に、シフトアップ完了後のモータのトルクに応じた発電量に燃料電池を制御しているので、シフトアップ完了後のモータへの発電電力の供給を適切に行うことができる。

より好ましくは、制御装置は、シフトアップ時では、前記決定したトルクの大きさではなく、これより小さくしたトルクの大きさに見合う電力が前記モータに供給されるように、前記燃料電池から前記モータに供給する電力を絞るとよい。

このように、シフトアップ時にモータへの供給電力量を絞ることで、一時的に小さくするトルクに対応した電力をモータに供給できる。

より好ましくは、本発明の移動体は、燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置を更に備え、蓄電装置は、シフトアップ時に、燃料電池の発電電力の一部を蓄電するとよい。

こうすることで、燃料電池の発電電力のうち過剰に発電された分を蓄電装置に蓄電することができる。

より好ましくは、前記制御装置は、前記変速機のシフトアップ動作の開始に先立って、前記ガス供給系を制御することによる前記燃料電池の発電制御を開始することが望ましい。

本発明の一つの移動体によれば、変速ショックを抑制することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る移動体について説明する。ここでは、移動体として車両を例に説明する。

図１は、実施形態に係る車両を模式的に示す構成図である。
車両１は、ＦＣシステム１１０、ＥＶシステム１２０及び制御装置１３０を備える。ＦＣシステム１１０における燃料電池２の発電電力が、ＥＶシステム１２０に供給可能に構成されており、制御装置１３０がＦＣシステム１１０及びＥＶシステム１２０を制御する。

先ず、ＦＣシステム１１０について説明する。
ＦＣシステム１１０は、燃料電池２と、燃料電池２に接続されたガス供給系としての酸化剤ガス系１０及び燃料ガス系２０と、を有する。燃料電池２の目標電力に応じた流量の酸化剤ガス及び燃料ガスが燃料電池２に供給されるように、酸化剤ガス系１０及び燃料ガス系２０が制御される。酸化剤ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称できる。

燃料電池２は、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。燃料電池２は、リン酸型など各種のものが存在するが、ここでは、常温で起動できしかも起動時間が比較的短い固体高分子電解質型で構成される。燃料電池２の発電量は、制御装置１３０によって制御される。

燃料電池２の空気極側には、空気等の酸化剤ガスを給排可能な酸化剤ガス系１０が接続される。酸化剤ガス系１０は、エアコンプレッサ１１、供給路１５、オフガス流路１６、圧力調整弁１７及び加湿器１８を備える。エアコンプレッサ１１により圧送された酸化剤ガスが、供給路１５を流れて空気極に供給される。燃料電池２の電池反応に供された酸化剤オフガスは、圧力調整弁１７による圧力調整、並びに加湿器１８での酸化剤ガスとの水分交換に供された後、オフガス流路１６を介して外部に放出される。

燃料電池２の水素極側には、水素ガス等の燃料ガスを給排可能な燃料ガス系２０が接続される。燃料ガス系２０は、供給路２１、水素貯蔵源２２、レギュレータ２３、遮断弁２４、オフガス路２５、ポンプ２６、排出路２７、及びパージ弁２８を備える。元弁として機能する遮断弁２４を開くことで、高圧水素タンク等の水素貯蔵源２２から水素ガスが供給路２１に放出され、レギュレータ２３で調圧されて水素極に供給される。なお、アルコールや圧縮天然ガス等の原料を改質して生成した水素ガスを燃料電池２に供給してもよい。

燃料電池２の電池反応に供された水素オフガスは、オフガス路２５に排出され、ポンプ２６により供給路２１に戻されて再び燃料電池２に供給される。パージ弁２８が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共にオフガス路２５から排出路２７へと排出される。これにより、水素循環ラインにおける水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

次に、ＥＶシステム１２０について説明する。
ＥＶシステム１２０は、トラクションモータ３０、変速機４０、ディファレンシャルギヤ５０、及び、蓄電装置６０を備える。

トラクションモータ３０（以下、単に「モータ３０」という。）は、車両走行の推進力を得るための例えば三相同期モータで構成され、車両１の駆動源として機能する。モータ３０の電源は、燃料電池２及び蓄電装置６０の少なくとも一方である。燃料電池２又は蓄電装置６０から出力される直流は、インバータ３１で三相交流に変換されてモータ３０に供給される。また、車両１００の制動時には、モータ３０が発電機として機能して三相交流発電し、この三相交流がインバータ３１により直流に変換されて蓄電装置６０に充電される。なお、リレー６４を開くことにより燃料電池２からインバータ３１への電力供給が遮断され、リレー６６を開くことにより蓄電装置６０からインバータ３１への電力供給が遮断される。

モータ３０をインホイールモータとして使用して、二輪駆動又は四輪駆動の構成を採用するには、燃料電池２の出力端子に対してインバータ３１を二つ又は四つ並列に接続し、各々のインバータ３１にモータ３０を接続すればよい。なお、モータ３０として直流モータを用いる場合にはインバータ３１は不要である。

変速機４０は、モータ３０に接続されており、モータ３０の動力を変速して駆動軸４２に伝達する。具体的には、モータ３０の出力軸３２が変速機４０に接続され、変速機４０の出力軸がディファレンシャルギヤ５０を介して車輪６，６の駆動軸４２に接続される。出力軸３２の動力、即ち、回転数やモータトルクが変速機４０を介して駆動軸４２に伝達されるようになっている。変速機４０は、モータ３０の動力を駆動軸４２に伝達する際の変速比を変更可能なものである。変速機４０としては、手動変速機及び自動変速機があるが、このいずれであってもよく、また、自動変速機については、有段であっても無段であってもよい。本実施形態では、変速機４０として、互いに異なる変速比を有する複数の変速段を備えた有段の自動変速機構を用いている。

蓄電装置６０は、モータ３０に対し、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を介して燃料電池２に並列接続される。蓄電装置６０は、高圧の蓄電装置として機能する充放電可能な二次電池である。蓄電装置６０は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池であるが、二次電池以外のキャパシタを用いてもよい。蓄電装置６０は、燃料電池２がモータ３０への供給電力量を越えて発電した電力や、車両１の制動時の回生電力を蓄電可能に構成される。一方で、蓄電装置６０は、高負荷運転時など、燃料電池２の出力電力だけでは不足する状態のときにパワーアシストを行う。すなわち、蓄電装置６０は、パワーアシストするために燃料電池２に電力を供給する。蓄電装置６０の蓄電量は、ＳＯＣセンサ６３によって検出される。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、蓄電装置６０から入力された直流電圧を調整してインバータ３１側に出力する機能と、燃料電池２又はモータ３０から入力された直流電圧を調整して蓄電装置６０に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、蓄電装置６０の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。なお、図示省略したが、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１と燃料電池２との間には、燃料電池２の運転に供せられる各種の補機がインバータを介して接続されている。本実施形態における補機としては、エアコンプレッサ１１及びポンプ２６などが該当する。

制御装置１３０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置１３０には、ＳＯＣセンサ６３、ガス供給系統（１０，２０）に用いられる各種の圧力センサや温度センサが接続される。また、車両１００のアクセル開度を検出するアクセルペダルポジションセンサ７１、並びに車両１の車速を検出する車速計７２が制御装置１３０に接続される。

次に、制御装置１３０が実行する基本的な制御について説明する。
制御装置１３０は、アクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力（例えば、走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２の出力電力が目標電力に一致するように制御する。ここで、走行電力とは、モータ３０の要求電力を意味し、補機電力とは、ＦＣシステム１１０の各種の補機の動作に必要な電力を合計した電力を意味する。

具体的には、制御装置１３０は、先ず、アクセル開度や車速等に基づいてモータ３０の要求電力を算出する。モータ３０の要求電力は、次のようにして求められる。最初に、制御装置１３０は、ＲＯＭに記憶されたマップから、モータ３０の目標回転数、目標トルクを設定する。これらの積は、モータ３０から出力すべき動力となる。この動力を、モータ３０の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比で除することにより、要求電力が求められる。モータ３０を発電機として機能させ、回生制動する際には、目標トルクが負の値となるから、要求電力も負の値となる。

モータ３０の要求電力が算出されると、制御装置１３０は、ＲＯＭ内のマップを用いて、モータ３０の要求電力に応じた補機の動作点を決定し、補機電力を算出する。そして、制御装置１３０は、システム要求電力が供給されるよう、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の運転を制御して、燃料電池２の動作点（出力電圧、出力電流）を調整する。このとき、制御装置１３０は、インバータ３１のスイッチングを制御して、走行電力に応じた三相交流をモータ３０に出力する。また、制御装置１３０は、エアコンプレッサ１１及びポンプ２６の各モータ（図示省略）の回転数を調整し、燃料電池２が目標電力に応じた電力（発電量）を発電するように酸化剤ガスと水素ガスの供給制御を行うと共に、図示省略した冷却系による燃料電池２の温度制御を行う。

次に、図２を参照して、変速機４０による変速時に、制御装置１３０が実行する制御について説明する。

シフトがＤレンジ（ドライブレンジ）にある車両１が定常状態で走行しているとき、変速機５０はある一つの変速段数を選択している（ステップＳ２１０）。この走行中では、制御装置１３０はユーザによる変速の要求があるか否かを随時判断する。シフトアップ（変速比の増加）の要求がない場合には（ステップＳ２２０；Ｎｏ）、本ルーチンを抜ける。

一方、ユーザのアクセルペダルの踏み込みによって車両１の加速が要求されるなど、シフトアップの要求があった場合には（ステップＳ２２０；Ｙｅｓ）、変速機５０がシフトアップする間（以下、シフトアップの開始から終了までのことを「シフトアップ時」という。）に、次に述べるモータトルクの制御（ステップＳ２３０）及び発電量の制御（ステップＳ２４０）が行われる。

先ず、ステップＳ２３０では、モータ３０のトルクが低減される。上記のとおり、モータ３０のトルク（目標トルク）は車速とアクセル開度との相関マップを用いて決定される。しかし、シフトアップ時においては、モータ３０の目標トルクを、相関マップから決定されるシフトアップ完了後のトルクよりも小さい値に設定する。

次いで、シフトアップ完了後の変速段数でのシステム要求電力を予測し、その予測に基づいて燃料電池２の発電量を制御する（ステップＳ２４０）。上記のとおり、システム要求電力の一例はモータ３０の要求電力と補機電力との総和であるので、ステップＳ２４０では、シフトアップ完了後の変速段数におけるモータ３０の要求電力と補機電力との総和を予測する。

ここで、モータ３０の要求電力の予測は、シフトアップ完了後に必要となるモータ３０の目標回転数と目標トルクとを積算した動力を計算することでなされる。そして、この予測されたモータ３０の要求電力から補機電力（予測値）を求めることでシステム要求電力を予測する。その後、この予測に基づいて燃料電池２が目標電力に応じた電力（発電量）を発電するように反応ガスの供給制御を行う。したがって、ステップＳ２４０では、燃料電池２の発電量を、シフトアップ完了後のモータ３０のトルクに応じた発電量に制御していることになる。

しかし、シフトアップ時においては、モータ３０の目標トルクは小さく設定されているので（参照：ステップＳ２３０）、この目標トルクを発生するために必要なモータ３０への供給電力は、ステップＳ２４０で予測したモータ３０の要求電力よりも小さくて済むことになる。換言すれば、シフトアップ時においては、燃料電池２が余剰に発電している状態となる。

そこで、本実施形態のシフトアップ時においては、ステップＳ２４０で予測したモータ３０の要求電力をモータ３０に供給するのではなく、ステップＳ２３０で小さく設定された目標トルクに見合う電力をモータ３０に供給するように、燃料電池２からモータ３０への供給電力を絞るようにしている。そして、燃料電池２の余剰の発電電力については蓄電装置６０に蓄電するようにしている。このような制御をシフトアップが完了するまで続行する（ステップＳ２５０；Ｎｏ）。

ここで、制御装置１３０が、変速機４０の変速動作（シフトアップ動作）に応じて燃料電池２の発電制御を変更する際（ステップＳ２４０）、実際にシフトアップ動作が開始されるタイミングと燃料電池２の発電制御の変更が開始されるタイミングとについては、次のいずれを採用してもよい。
なお、変速機４０の変速動作には、変速機４０の機構の作動時のほか、変速の指示が乗員により入力又はアクセルペダルポジションセンサ７１等により出力された場合が含まれる。また、燃料電池２の発電制御には、燃料電池２への反応ガスの供給量あるいは供給圧の制御、燃料電池２への燃料ガスと酸化剤ガスとの供給量比あるいは供給圧比の制御、燃料電池２の制御温度の制御、又は、燃料電池２から電力をひく電力変換機（インバータ３１、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１）の制御など、燃料電池２の出力を変更する制御が含まれる。

第１の例では、シフトアップ動作が開始されるのに先立って、燃料電池２の発電制御の変更を開始するのが好ましい。これは、一般に反応ガスの供給制御による発電制御では、供給制御の実行直後に燃料電池２の出力が変化するのではなく、供給制御を実行してから燃料電池２の出力が実際に変化するのに遅れが生じるからである。したがって、第１の例を採用することで、シフトアップ動作の開始タイミングに対応した燃料電池２の発電制御が可能となる。

第２の例では、燃料電池２の発電制御の変更の際、先ず反応ガスの供給制御や燃料電池２の温度制御を開始し、その後に電力変換機（インバータ３１、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１）を制御するとよい。これは、電力変換機の制御の応答性に比べて、反応ガスの供給制御及び温度制御の応答性は相対的に低いからである。そして、第２の例では、少なくとも反応ガスの供給制御や温度制御は、変速機４０によるシフトアップ動作よりも先に開始されることが好ましい。また、電力変換機の制御の開始は、変速機４０によるシフトアップ動作の開始と同じタイミングであっても良いし、これよりも先であってもよい。

制御装置１３０は、シフトアップが完了したところで（ステップＳ２５０；Ｙｅｓ）、モータ３０のトルクの低減を解除する（ステップＳ２６０）。これにより、モータ３０のトルクがシフトアップ完了後の車速とアクセル開度とから設定され、本ルーチンが終了する。

以上説明したように、本実施形態の車両１によれば、シフトアップ時にモータ３０のトルクを一時的に低減している。これにより、過大なモータトルクが駆動軸４２に伝達されるのを回避できるので、変速ショックを抑制できる。このようなシフトアップ時の制御は、特に高速走行中の車両１が追い越し加速をする場合に効果的である。なぜなら、モータ３０の特性上、回転数が上がればトルクが下がる傾向があり、これを変速機４０でトルクアップしながらも、変速ショックを抑制できるからである。

また、モータ３０のトルクを低減している間は、燃料電池２の発電量をシフトアップ完了後のモータ３０のトルクに応じた発電量に制御している。これにより、シフトアップ完了後の補機（エアコンプレッサ１１やポンプ２４）の応答遅れを抑制でき、モータ３０に必要な電力を燃料電池２から適切に供給できる。

さらに、シフトアップ時は燃料電池２からモータ３０への供給電力を絞り、燃料電池２が発電した余剰な電力を蓄電装置６０に蓄電するので、一時的に低減させるモータ３０のトルクに良好に対応できる。なお、この余剰電力を蓄電装置６０に蓄電するのではなく、インバータ３１のキャリア周波数を調整することで、余剰電力を熱エネルギーとエネルギー変換してもよい。このエネルギー変換は、蓄電装置６０の蓄電量が満杯のときに有用である。

他の実施態様では、本実施形態をシフトダウンの変速時に適用することもできる。また、別の実施態様では、燃料電池２の発電量を変速機５０の変速比の変化率に応じた発電量となるように制御してもよい。例えば、自動変速機の場合には、車速とアクセル開度との相関マップを用い、その相関マップより求めた変速後の変速比を、変速前の変速比と比べればよい。こうすることで、制御装置１３０は変速比の変化率の情報を得ることができる。また、手動変速機の場合には、ユーザにより指示された変速段の変速比と、指示前の変速段の変速比とを比べることで、変速比の変化率の情報を得ることができる。

別の実施態様では、制御装置１３０は、変速機４０の変速動作と蓄電装置６０の蓄電量とに応じて、燃料電池２の発電制御を変更してもよい。この場合には、ＳＯＣセンサ６３によって検知された蓄電装置６０の蓄電量の値に応じて、燃料電池２の発電量の制御を変えることが好ましい。

具体的には、蓄電装置６０の蓄電量が閾値（予め設定された値）よりも大きい場合には、それが小さい場合と比べて燃料電池２からの出力が小さくなるように制御を変えても良い。蓄電量が閾値よりも大きい場合としては、例えば蓄電装置６０がバッテリであれば、充電量が目標充電量よりも高い場合であって、回生電力の充電用の空き容量を確保したい場合が挙げられる。逆に、蓄電量が閾値よりも小さい場合としては、充電量が目標充電量よりも低い場合であってバッテリから出力可能な電力が小さい場合などが挙げられる。このように制御制御すれば、変速に伴う燃料電池２の出力制御を、蓄電装置６０の出力制御と協調して好適に実行できる。

本発明の移動体（乗物）は、上記した二輪又は四輪等の車両１のみならず、電車、船舶、ロボットなどであってもよい。

実施形態に係る車両を模式的に示す構成図である。実施形態に係る車両の変速時における一連の制御工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１…車両、２…燃料電池、６…車輪、１０…酸化剤ガス系、２０…燃料ガス系、３０…トラクションモータ、３１…インバータ、４０…変速機、４２…駆動軸、６０…蓄電装置、６１…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、１３０…制御装置

Claims

駆動源としてのモータと、
前記モータに電力を供給するための燃料電池及び前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給系を含む燃料電池システムと、
前記モータの動力を変速して駆動軸に伝達する変速機と、
を備えた移動体において、
前記変速機のシフトアップの要求を受けた場合、シフトアップ完了後の前記モータのトルクの大きさを所定のマップに基づいて決定し、シフトアップの開始から当該シフトアップの完了までのシフトアップ時では前記モータのトルクの大きさを前記決定したトルクの大きさより小さくすると共に、前記シフトアップ完了後に要求される前記燃料電池システムの要求電力を前記決定したトルクの大きさを用いて所定の計算を行って予測し、前記シフトアップ時では当該予測に基づいて前記燃料電池が前記要求電力に応じた発電量を発電するように前記ガス供給系を制御する制御装置を備える、移動体。
前記制御装置は、前記シフトアップ時では、前記決定したトルクの大きさではなく、これより小さくしたトルクの大きさに見合う電力が前記モータに供給されるように、前記燃料電池から前記モータに供給する電力を絞る、請求項１に記載の移動体。
前記燃料電池の発電電力を蓄電可能な蓄電装置を更に備え、
前記蓄電装置は、前記シフトアップ時に、前記燃料電池の発電電力の一部を蓄電する、請求項２に記載の移動体。
前記制御装置は、前記変速機のシフトアップ動作の開始に先立って、前記ガス供給系を制御することによる前記燃料電池の発電制御を開始する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の移動体。