JP5902603B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の発電電力等により車両走行用の駆動モータを駆動する燃料電池自動車に関する。

従来から、この種の燃料電池自動車では、燃料電池で発電された直流電圧をチョッパ型の昇圧コンバータを介して昇圧し又は前記昇圧コンバータで昇圧しないで直結して負荷駆動回路に当該負荷駆動回路入力端電圧として印加し、印加された前記負荷駆動回路入力端電圧を前記負荷駆動回路により交流電圧に変換して車両走行用の駆動モータを駆動する燃料電池自動車が提案されている（特許文献１の［００３５］、［００３６］）。

前記昇圧コンバータで昇圧するのは、前記燃料電池のセルの積層枚数を低減して小型・軽量化・低コスト化等を図るためである。

一方、前記昇圧コンバータでの昇圧動作の際にはスイッチング損失が伴うことからできるだけ昇圧しないで直結し、前記燃料電池の前記直流電圧を前記負荷駆動回路入力端電圧として直接的に前記負荷駆動回路に印加することが好ましい。

特許文献１に記載された技術では、ＰＭモータ（永久磁石同期モータ）である駆動モータの逆起電圧が車両の速度上昇に応じて増加していくことを考慮し、目標車速を達成するのに必要な負荷駆動回路入力端電圧を算出したときに、算出した前記負荷駆動回路入力端電圧が前記燃料電池で発電されている直流電圧を下回る場合には前記昇圧コンバータを昇圧しないで前記燃料電池と前記負荷駆動回路とを直結する一方、前記負荷駆動回路入力端電圧が前記燃料電池で発電されている直流電圧を上回る場合には前記昇圧コンバータにより昇圧して前記負荷駆動回路に印加するシステム構成になっている（特許文献１の請求項１、［００１８］、［００３４］、［００３５］、［００３６］）。

特許文献１に係る燃料電池自動車では、車速１１０［ｋｍ／ｈ］が、前記昇圧コンバータの昇圧から直結への切り替わり車速に設定されている。

特開２００９−１６５２４４号公報（図１、図６）

しかしながら、上記従来技術に係る燃料電池自動車においては、走行中にドライバがアクセル（アクセルペダル）を踏み込んで駆動モータの要求駆動力（必要駆動力）を上げようとしたとき、前記直結状態から昇圧状態に移行する際の追従性が悪く、その結果、ドライバビリティ（加速性能等の操縦性能）が悪化し、商品性が低下するという問題があることが分かった。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ドライバのアクセル操作等に対する車両の追従性を良好にすることを可能とする燃料電池自動車を提供することを目的とする。

本願発明者は、直結状態から昇圧状態に移行する際の追従性が悪い原因を鋭意考究（シミュレーション含む。）の結果、以下のように突き止めた。

昇圧コンバータによる昇圧を行うか否（直結をする）かの判断は、要求される負荷駆動回路入力端電圧を算出し、算出した前記負荷駆動回路入力端電圧が前記燃料電池で発電されている直流電圧を上回る場合に、前記昇圧コンバータにより昇圧して前記負荷駆動回路に印加する手順（シーケンス）により行う。

このように駆動モータを駆動する際には、前記負荷駆動回路入力端電圧の算出が必須であるが、前記負荷駆動回路入力端電圧を算出するために、従来技術（例えば、特許文献１の［００５６］−［００５８］）では、まず、モータ要求トルクとモータ回転数とから負荷駆動回路入力端電力（以下、「負荷駆動回路要求電力」ともいう。）を算出し、次いで、算出した負荷駆動回路要求電力と前記モータ回転数とを引数とし負荷駆動回路入力端電圧マップを参照し、このマップから負荷駆動回路入力端電圧を算出する構成であるために、算出時間が長くなり、この算出の遅れを原因として、前記昇圧コンバータの直結状態から昇圧状態への遷移が遅延し、上述したように、前記直結状態から前記昇圧状態に移行する際の追従性が悪くなり、ドライバビリティ（操縦性能）が悪化しているということを突き止めた。

これを改善するために、この出願に係る燃料電池自動車では、燃料電池で発電された直流電圧を、昇圧コンバータを介して昇圧し又は前記昇圧コンバータで昇圧しないで直結して負荷駆動回路に印加し、前記負荷駆動回路により交流電圧に変換して駆動モータを駆動する燃料電池自動車において、前記駆動モータに対するモータ要求トルクを算出するモータ要求トルク算出部と、算出された前記モータ要求トルクとモータ回転数とから、前記負荷駆動回路の第１要求電力を算出する負荷駆動回路要求電力算出部と、算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う昇圧・直結判断部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行うために、従来技術のように負荷駆動回路入力端電圧を算出することなく、モータ要求トルクとモータ回転数とから算出される負荷駆動回路の第１要求電力に基づき判断するようにしたので、昇圧判断までの時間が短縮され、すなわち昇圧判断が迅速に行えるようになり、結果として、ドライバのアクセル操作等に対する車両の追従性（加速性能）を良好にすることができる。

なお、実際に駆動モータを駆動する際には、負荷駆動回路入力端電圧の算出が必須であるので、この発明では、負荷駆動回路の第１要求電力を算出する際に、並列的に負荷駆動回路入力端電圧を算出している。

また、この発明では、算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力の上昇率を算出する要求電力上昇率算出部をさらに備え、前記負荷駆動回路要求電力算出部は、前記負荷駆動回路の前記第１要求電力の前記上昇率が大きくなるに従い、算出しようとする前記負荷駆動回路の前記第１要求電力を、より大きな第２要求電力として算出し、前記昇圧・直結判断部は、前記第２要求電力が算出されたときは、算出された前記第２要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行うように構成することで、昇圧判断をさらに迅速に行うことが可能である。結果として、ドライバのアクセル操作等に対する車両の追従性（加速性能）を一層良好にすることができる。

ここで、前記駆動モータのモータ温度を検出するモータ温度センサをさらに備え、前記負荷駆動回路要求電力算出部は、検出された前記モータ温度に基づいて、前記負荷駆動回路の第３要求電力を算出し、前記昇圧・直結判断部は、算出された前記第１要求電力、前記第２要求電力、及び前記第３要求電力のうち、最も大きい要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行うように構成することで、第３要求電力が最も大きい場合に昇圧コンバータを昇圧したときには、負荷駆動回路入力端電圧が上昇するので弱め界磁電流を低減させ、界磁巻線に発生する発熱量を低減させて、駆動モータの発熱による劣化等を未然に保護することができる。

この発明によれば、昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行うために、従来技術のように負荷駆動回路入力端電圧を算出することなく、モータ要求トルクとモータ回転数とから算出される負荷駆動回路の第１要求電力に基づき判断するようにしたので、昇圧判断までの時間が短縮され、すなわち昇圧判断が迅速に行えるようになり、結果として、ドライバのアクセル操作等に対する車両の追従性（加速性能）を良好にすることができる。これにより燃料電池自動車の商品性を向上させることができる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池自動車の概略全体構成図である。 前記燃料電池自動車の電力系のブロック図である。 昇圧コンバータの模式的回路図である。 昇降圧コンバータの模式的回路図である。 第１実施例の説明に供されるフローチャートである。 第１実施例に係るＥＣＵの機能ブロック図である。 直結状態で燃料電池から引き出せる所定電力値を示す特性図である。 第１実施例による制御と従来制御とを比較して示すタイムチャートである。 第２実施例の説明に供されるフローチャートである。 第２実施例に係るＥＣＵの機能ブロック図である。 負荷駆動回路要求電力の上昇率に対する係数を示す特性図である。 第２実施例による制御と従来制御とを比較して示すタイムチャートである。 第３実施例の説明に供されるフローチャートである。 第３実施例に係るＥＣＵの機能ブロック図である。 モータ温度に対する要求電力の変化を示す特性図である。 第３実施例による制御を示すタイムチャートである。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池自動車１０（以下「ＦＣ自動車１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。図２は、ＦＣ自動車１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ自動車１０は、燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）と、駆動モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータである負荷駆動回路１６と、を有する。

ＦＣシステム１２は、１次側１Ｓｆに配置される燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、１次側１Ｓｂに配置される高電圧バッテリ２０（以下「バッテリ２０」ともいう。）（蓄電装置）と、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓ側との間に配置される昇圧コンバータ２１と、１次側１Ｓｂと２次側２Ｓ側との間に配置される昇降圧コンバータ２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）と、を有する。

モータ１４は、ＦＣユニット１８及び高電圧バッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。

負荷駆動回路１６は、３相ブリッジ型のインバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流電圧である負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ［Ｖ］を３相の交流電圧に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の直流電圧を昇降圧コンバータ２２を通じて高電圧バッテリ２０に供給する（図２参照）。

なお、この実施形態において、モータ１４は、ＰＭモータ（永久磁石同期モータ）を採用している。また、所定トルクでのモータ１４の回転数を上げるために弱め界磁制御を適用している。
図１において、モータ１４と負荷駆動回路１６を併せて負荷３０という。負荷３０には、昇降圧コンバータ２２、エアポンプ４２、ウォータポンプ４４、エアコンディショナ４６、降圧コンバータ４８等の構成要素を含めることもできる。

ＦＣユニット１８は、燃料電池スタック４０（以下「ＦＣスタック４０」又は「ＦＣ４０」という。）と、ＦＣスタック４０のアノード流路に対して遮断弁４３を介して水素（燃料ガス）を供給する水素タンク（Ｈ₂タンク）４５と、ＦＣスタック４０のカソード流路に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給する前記エアポンプ４２と、ＦＣスタック４０の冷却流路に対して冷却媒体（冷媒）を供給する前記ウォータポンプ４４とを備える。

ＦＣスタック４０は、例えば、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧Ｖｆｃ（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

ＦＣ４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）は、昇圧コンバータ２１、又はこの昇圧コンバータ２１と並列的に接続されている直結用かつ逆流防止用のダイオード１９を通じて、負荷駆動回路１６及びモータ１４に供給され（力行時）、及び／又は昇降圧コンバータ２２を通じて高電圧バッテリ２０並びにエアポンプ４２等に供給される（充電時等）。

一方、高電圧バッテリ２０からの電力は、昇降圧コンバータ２２を通じて、負荷駆動回路１６及びモータ１４に供給されると共に（力行時）、前記エアポンプ４２、前記ウォータポンプ４４、及びエアコンディショナ４６に供給され、さらに降圧コンバータ４８を通じて低電圧バッテリ５０に供給される（充電時等）。

低電圧バッテリ５０の電力は、アクセサリや各種センサ等の低電圧駆動される補機５２、ＥＣＵ２４、ラジエータファン５４、及び水素タンク４５の遮断弁４３に供給される。

高電圧バッテリ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えば、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

図３は、昇圧コンバータ２１の構成例を示す模式的回路図である。昇圧コンバータ２１は、インダクタ２１ａとスイッチング素子２１ｂとダイオード２１ｃとから構成され、ＥＣＵ２４を通じてスイッチング素子２１ｂがスイッチング（デューティ制御）されることで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを所定の負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。スイッチング素子２１ｂがオフ状態（開状態）に維持されると、ダイオード１９及び／又はインダクタ２１ａとダイオード２１ｃを通じて直結状態とされ、負荷駆動回路入力端電圧ＶｉｎｖがＦＣ電圧Ｖｆｃに直結される（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ＋ダイオード１９（及び／又はダイオード２１ｃ）の順方向電圧降下電圧、図１も参照）。

なお、ダイオード２１ｃは、ダイオード１９と同じように、直結用かつ逆流防止用として動作するので、ダイオード１９を省略してもよい。省略した場合、昇圧コンバータ２１は、昇圧動作の他に逆流防止動作、直結動作を行う。

図４は、昇降圧コンバータ２２の構成例を示す模式的回路図である。昇降圧コンバータ２２は、インダクタ２２ａと、スイッチング素子２２ｂ、２２ｄと、これらスイッチング素子２２ｂ、２２ｄにそれぞれ並列に接続されるダイオード２２ｃ、２２ｅとから構成される。昇圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｄがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｂがスイッチング（デューティ制御）されることでバッテリ電圧Ｖｂが所定の負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧される（力行時）。降圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｂがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｄがスイッチング（デューティ制御）されることで、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖが高電圧バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂまで降圧される。

なお、図３の昇圧コンバータ２１及び図４の昇降圧コンバータ２２において、１次側１Ｓｆ、１Ｓｂ、及び２次側２Ｓ間に配置される平滑コンデンサは図示を省略している。

ＥＣＵ２４は、実際上、通信線６８（図１）を介して、モータ１４、負荷駆動回路１６、ＦＣユニット１８、高電圧バッテリ２０、昇圧コンバータ２１及び昇降圧コンバータ２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ、ＦＣ温度Ｔｆｃ（ウォータポンプ４４により流通される冷媒の温度等）、高電圧バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ、負荷駆動回路１６の負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ、２次電流Ｉ２、モータ電流Ｉｍ、モータ温度Ｔｍ等の各種センサの検出値を用いる。

ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ６０及びモータ回転数センサ６２（図１）が含まれる。開度センサ６０は、アクセルペダル６４の開度θｐ［度、ｄｅｇ］を検出する。モータ回転数センサ６２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。

ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍに基づいてＦＣ自動車１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。ＦＣ自動車１０においてモータ回転数センサ６２は、車速センサを兼用するが別途設けてもよい。

さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ６６（以下「メインＳＷ６６」という。）が接続される。メインＳＷ６６は、ＦＣユニット１８及び高電圧バッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、高電圧バッテリ２０、昇圧コンバータ２１及び昇降圧コンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０の状態、高電圧バッテリ２０の状態及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ自動車１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック４０が負担すべき負荷と、高電圧バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、負荷駆動回路１６、ＦＣユニット１８、高電圧バッテリ２０、昇圧コンバータ２１及び昇降圧コンバータ２２に指令を送出する。

次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。

なお、この発明では、ＦＣ自動車１０の走行中にドライバがアクセルペダル６４を踏み込んでモータ１４の要求駆動力（必要駆動力）を上げようとしたときに、昇圧コンバータ２１の直結状態から昇圧状態に移行する際の追従性を良化させることが目的であるので、この発明の理解の便宜のために、実施形態では、既にメインＳＷ６６がＯＮ状態になっていてＦＣ４０が発電中であり、ＦＣ自動車１０が走行中におけるＥＣＵ２４の制御について説明する。

［第１実施例］
図５は、第１実施例に係るＥＣＵ２４により実行される制御のフローチャートを示している。このフローチャートは、例えば、ｍｓ（ミリ秒）オーダの処理周期で繰り返し実行される。

図６は、第１実施例に係るＥＣＵ２４の機能ブロック図を示している。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は、アクセルペダル６４が踏み込まれたか否かを開度センサ６０のアクセル開度θｐの増減により判定する。アクセル開度θｐが増加していない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。アクセル開度θｐが増加した場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２にて、モータ要求トルク算出部２４Ａは、要求駆動力（必要駆動力）に係わる前記アクセル開度θｐと、モータ回転数Ｎｍを検出し検出したモータ回転数Ｎｍに基づき算出した車速Ｖｓ［ｋｍｐｈ］とを引数として予め求められているモータ要求トルク算出マップを参照してモータ要求トルクＴｑを算出する。

次いで、ステップＳ３にて、負荷駆動回路要求電力算出部（Ｐｉｎｖ算出部）２４Ｂは、算出されたモータ要求トルクＴｑにモータ回転数Ｎｍを乗算することで負荷駆動回路要求電力（負荷駆動回路入力端電力）Ｐｉｎｖ［ｋＷ］を算出する。

なお、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂは、負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖを算出する際に、算出した負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖと、モータ回転数Ｎｍとモータ要求トルクＴｑと、を引数として予め求められているモータ効率のマップ（近似計算式又は特性でもよい。）を参照してモータ効率（ηｍとする。）を算出し、算出したモータ効率ηｍの１００［％］からの低下分を考慮して、負荷駆動回路要求電力ＰｉｎｖをＰｉｎｖ＝（Ｐｉｎｖ／ηｍ）×１００と補償して算出するようにしてもよい。

さらに、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂは、補償した負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖに対して、昇圧コンバータ２１の損失を算出し、その分、補償した負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖに加えるようにしてもよい。昇圧コンバータ２１の損失は、ＦＣ４０の出力であるＦＣ電力Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃに、昇圧コンバータ２１の効率ηｂ［％］を考慮することで算出することができる。昇圧コンバータ２１の損失Ｐｌｏｓｓは、Ｐｌｏｓｓ＝Ｐｆｃ（１００−ηｂ）／１００で算出することができる。なお、昇圧コンバータ２１の効率ηｂは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（昇圧コンバータ２１の１次側電圧）、ＦＣ電流Ｉｆｃ（昇圧コンバータ２１の１次側電流）、及び昇圧コンバータ２１の２次側電圧である負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを引数として予め求められている昇圧コンバータ２１の効率マップ（近似計算式又は特性でもよい。）を参照することにより算出することができる。

次いで、ステップＳ４にて、昇圧・直結判断部２４Ｃは、算出された負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖが、図７に示すように、直結状態でＦＣ４０から引き出せる所定電力値である所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄ（Ｐｆｃｄ＝Ｖｆｃｄ×Ｉｆｃｄ）より大きいか否かを判断し、負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖが、所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄより小さいと判断した場合（Ｐｉｎｖ≦Ｐｆｃｄ）には直結状態にすると判断し（直結状態であった場合には直結状態を維持すると判断し、昇圧状態であった場合には直結状態にすると判断する。）、ステップＳ５にて、ＥＣＵ２４は、昇圧フラグＦｂを下げ（Ｆｂ←０）昇圧コンバータ２１を停止状態、すなわちスイッチング素子２１ｂをオフ状態に維持する直結状態に制御する。

その一方、ステップＳ４にて、昇圧・直結判断部２４Ｃは、算出された負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖが、所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄより大きいと判断した場合（Ｐｉｎｖ＞Ｐｆｃｄ）には、ステップＳ６にてＥＣＵ２４は、昇圧フラグＦｂを上げ（Ｆｂ←１）、ステップＳ７にて、負荷駆動回路制御部２４Ｅは、ステップＳ８の処理（負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖの算出処理）を待たずに、昇圧コンバータ２１を作動状態（昇圧状態）に先行制御する。

すなわち、負荷駆動回路制御部２４Ｅは、昇圧コンバータ２１の昇圧制御（スイッチング制御、デューティ制御、チョッパ制御）を開始する。

なお、図５のフローチャートにおいて、ステップＳ４の直前に描いている（ステップＳ４の処理の前に実行される）ステップＳｘ、ステップＳｙの処理は、それぞれ、後述する第２実施例、第３実施例に係る処理ステップを意味している。

ＥＣＵ２４は、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂが、ステップＳ３にて、負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖを算出したとき、昇圧・直結判断部２４ＣによるステップＳ４の判断処理とは並列的に、負荷駆動回路入力端電圧算出部２４Ｄが、ステップＳ８にて、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを算出する。負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖは、負荷駆動回路入力端電力Ｐｉｎｖとモータ回転数Ｎｍを引数として予め作成されている負荷駆動回路入力端電圧マップ（近似計算式又は特性でもいい。）を参照することで算出することができる。

次いで、ステップＳ９にて、負荷駆動回路制御部２４Ｅは、算出した負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖとなるように昇圧コンバータ２１をデューティ駆動制御すると共に、算出したモータ要求トルクＴｑとなるように、負荷駆動回路１６を駆動制御する。この負荷駆動回路１６の駆動制御では、モータ１４に流れる少なくとも２相分のモータ電流Ｉｍをモータ電流センサにて検出し、検出したモータ電流ＩｍがステップＳ２で算出されているモータ要求トルクＴｑに対応した値に一致するように弱め界磁制御等を利用したフィードバック制御を行う。

なお、昇圧コンバータ２１で２次側２Ｓの電圧が負荷駆動回路入力端電圧ＶｉｎｖとなるまでＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧すると、負荷駆動回路１６に昇圧コンバータ２１から流れ込むＦＣ電流Ｉｆｃ対応の２次側ＦＣ電流Ｉｆｃ２が少なくなるが、負荷駆動回路入力端電力Ｐｉｎｖを維持するために、高電圧バッテリ２０に接続された昇降圧コンバータ２２の力行方向の２次側バッテリ電流Ｉｂ２が、負荷駆動回路入力端電力Ｐｉｎｖを維持できる２次電流Ｉ２（力行方向の電流）となるように、ＥＣＵ２４は、昇降圧コンバータ２２のデューティ制御を行う。この場合、昇降圧コンバータ２２のデューティ制御による所望の２次電流Ｉ２に対応する２次側バッテリ電流Ｉｂ２の増加制御は、ＦＣ４０の電気化学反応による２次側ＦＣ電流Ｉｆｃ２の電流増加制御に比較して瞬時に行うことができる。

［第１実施例のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態（第１実施例とする。）によれば、昇圧コンバータ２１を昇圧するのか直結するのかの判断を行うために、従来技術のように負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを算出することなく、モータ要求トルクＴｑとモータ回転数Ｎｍとから算出される負荷駆動回路１６の負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ（第１要求電力という。）に基づき判断するようにしたので、昇圧判断までの時間が短縮され、すなわち昇圧判断が迅速に行えるようになり、結果として、ドライバのアクセル操作（アクセルペダル６４の踏み込み）等に対する車両の追従性（加速性能）を良好にすることができる。

なお、駆動モータ１４を駆動する際には、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖの算出が必須であるので、負荷駆動回路１６の負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ（第１要求電力）を算出する際に、並列的に負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを算出している。

図８は、第１実施例による制御と従来制御とを比較して示すタイムチャートである。

時点ｔ１において、ドライバによりアクセルペダル６４がアクセル開度θｐの所定開度位置から全開開度位置に踏み込まれたものとすると（ステップＳ１）、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂにより負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ［ｋｗ］が算出され、時点ｔ１から所定周期（所定算出周期）毎に所定傾斜の立ち上がりで増加する。

負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖが所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄを上回ったとき（Ｐｉｎｖ＞Ｐｆｃｄ、ステップＳ４：ＹＥＳ）、昇圧フラグＦｂが立てられる（Ｆｂ←１：ステップＳ６）と共に、昇圧コンバータ２１の昇圧動作が開始される（ステップＳ７、時点ｔｐ）。

同時に、負荷駆動回路１６を弱め界磁制御を行い、モータ回転数Ｎｍを増加させる。

このように制御することにより、結果として、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ及び負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖに対応する実際の負荷駆動回路駆動可能電力Ｐｄｍ［ｋＷ］も、時点ｔｃでの破線で示す従来制御に比較して、時点ｔｐでの実線で示す第１実施例の波形のように、時点ｔ１でのアクセルペダル６４の踏み込み操作後に、時点ｔｐで速やかに立ち上がることとなり、車速Ｖｓが、速やかに増加され、ＦＣ自動車１０の加速性能が向上される。

［第２実施例］
図９は、第２実施例に係るＥＣＵ２４により実行される制御のフローチャートの一部｛ステップＳｘ（Ｓｘ１、Ｓｘ２、Ｓｘ３）の処理｝示している。

図１０は、第２実施例に係るＥＣＵ２４の機能ブロック図を示している。

上述したステップＳ３にて、負荷駆動回路要求電力算出部（Ｐｉｎｖ算出部）２４Ｂは、モータ要求トルクＴｑにモータ回転数Ｎｍを乗算することで負荷駆動回路要求電力（負荷駆動回路入力端電力）Ｐｉｎｖを算出する。負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂで算出した負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖを第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１（Ｐｉｎｖ１←Ｐｉｎｖ）とする。

次いで、ステップＳｘ１にて、第１負荷駆動回路要求電力上昇率算出部（Ｐｉｎｖ１上昇率算出部、以下、「要求電力上昇率算出部」という。）２４Ｂａは、処理周期（ΔＴとする。）毎に第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒを算出する。

第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒは、今回算出した第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１から前回算出した第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１（前回）を差し引いて処理周期ΔＴで割ることにより算出される。
ｉｒ＝｛Ｐｉｎｖ１（今回）−Ｐｉｎｖ１（前回）｝／ΔＴ ［ｋＷ／ｓｅｃ］

次いで、ステップＳｘ２にて、係数算出部２４Ｂｂは、図１１に示す係数ｋの算出用のマップ（近似計算式又は特性）１０２を参照して第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒに対応する係数ｋ（ｋ≧１．０）を算出する。

このマップ（係数算出用マップ）１０２は、第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒが閾値（所定値）ｉｒｔｈを上回ると、係数ｋが概ね２次関数的に上昇する関係に設定されている。

次に、ステップＳｘ３にて、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｃは、負荷駆動回路要求電力算出部２４ＢによりステップＳ３にて算出されている第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１に係数ｋをかけ算して第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２（Ｐｉｎｖ２＝Ｐｉｎｖ１×ｋ）を算出し、昇圧・直結判断部２４Ｃに供給する。昇圧・直結判断部２４Ｃによる、昇圧するか否か（直結するか）の判断処理は、第１実施例と同じ判断処理（ステップＳ４）であるので説明を省略する。

［第２実施例のまとめ］
この第２実施例では、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂにより算出された負荷駆動回路１６の第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１の上昇率、すなわち第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒを算出する要求電力上昇率算出部２４Ｂａをさらに備え、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｃは、第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒが大きくなるに従い算出しようとする負荷駆動回路１６の第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１を、より大きな第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２として算出する。昇圧・直結判断部２４Ｃは、算出された第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２に基づき、昇圧コンバータ２１を昇圧するのか直結するのかの判断を行うようにしたので、昇圧判断をさらに迅速に行うことが可能になる。結果として、ドライバのアクセル操作等に対する車両の追従性（加速性能）を一層良好にすることができる。

図１２は、第２実施例による制御と従来制御とを比較して示すタイムチャートである。

図１２の時点ｔ１において、ドライバによりアクセルペダル６４がアクセル開度θｐの所定開度位置から全開開度位置に踏み込まれたものとすると（ステップＳ１）、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂにより上述した第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１［ｋｗ］が算出され、時点ｔ１から所定周期（所定算出周期）毎に所定傾斜の立ち上がりで増加する。

このとき、さらに負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｃは、第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１に、前記第１負荷駆動回路要求電力上昇率ｉｒから導かれる係数ｋを掛けて、より大きな第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２を算出する。第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２の波形は、図１２に示すように、立ち上がりが第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１より急峻になり、行き過ぎ量（オーバーシュート）が存在する。

この場合において、第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２が所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄを上回ったとき（Ｐｉｎｖ２＞Ｐｆｃｄ、ステップＳ４：ＹＥＳ参照）、昇圧フラグＦｂが立てられる（Ｆｂ←１：ステップＳ６）と共に、昇圧コンバータ２１の昇圧動作が開始される（ステップＳ７、図１２の時点ｔｐ）。

同時に、負荷駆動回路１６を弱め界磁制御を行い、モータ回転数Ｎｍを増加させる。

このように制御することにより、結果として、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ及び負荷駆動回路駆動可能電力Ｐｄｍが、破線で示す従来制御（時点ｔｃ）に比較して、時点ｔｐでの実線で示す第２実施例の波形のように、より速やかに立ち上がり、車速Ｖｓが、より速やかに増加され、燃料電池自動車１０の加速性能が一層向上される。

［第３実施例］
図１３は、第３実施例に係るＥＣＵ２４により実行される制御のフローチャートの一部｛ステップＳｘ（Ｓｘ１、Ｓｘ２、Ｓｘ３）の処理＋ステップＳｙ（Ｓｙ１、Ｓｙ２）の処理｝を示している。

図１４は、第３実施例に係るＥＣＵ２４の機能ブロック図を示している。

上述したステップＳ３にて、負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂは、モータ要求トルクＴｑにモータ回転数Ｎｍを乗算することで負荷駆動回路要求電力（負荷駆動回路入力端電力）Ｐｉｎｖを算出する。負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂで算出した負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖを第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１として、最大値選択部（ＭＡＸ選択部）２４Ｂｅに供給する。

次いで、上記したように、ステップＳｘ（Ｓｘ１〜Ｓｘ３）にて、第２負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｃは、第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２を算出し、最大値選択部２４Ｂｅに供給する。

さらに、ステップＳｙ１にて、要求電力上昇率算出部２４Ｂａ、係数算出部２４Ｂｂ及び第３負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｄは、図１５に示す第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３の算出用マップ、すなわち第３負荷駆動回路要求電力算出用マップ１０４（近似計算式又は特性）を参照して、モータ温度Ｔｍ［℃］に基づき、第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３を算出し、最大値選択部２４Ｂｅに供給する。

この第３負荷駆動回路要求電力算出用マップ１０４は、モータ温度Ｔｍが上昇すると、第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３が２次関数的に上昇する関係に設定されている。すなわち、モータ温度Ｔｍが上昇してきたら負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖである第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３を上昇させることで、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを上昇させることとし、結果として、同じ電力であっても電圧を増加させることで、モータ電流Ｉｍを低減し、モータコイルの発熱を抑制することができる。

次いで、ステップＳｙ２にて、最大値選択部２４Ｂｅは、第１〜第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１〜Ｐｉｎｖ３のうち、最も大きな値を最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘとして選択して、昇圧・直結判断部２４Ｃに供給する。昇圧・直結判断部２４Ｃによる昇圧するか否か（直結するか）の判断処理は、第１実施例と同じ判断処理（ステップＳ４）であるので説明を省略する。

［第３実施例のまとめ］
この第３実施例では、モータ１４のモータ温度Ｔｍを検出するモータ温度センサ（図示はしないが、負荷駆動回路１６の半導体素子のチップ温度、モータ１４の巻線温度あるいはモータ１４を冷却する図示しない冷媒の温度等を検出する。）をさらに備え、第３負荷駆動回路要求電力算出部２４Ｂｄは、モータ温度センサで検出されたモータ温度Ｔｍに基づいて、負荷駆動回路１６の第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３を算出し、昇圧・直結判断部２４Ｃは、算出された第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１、第２負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ２、及び第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３のうち、最も大きい要求電力に基づき、昇圧コンバータ２１を昇圧するのか直結するのかの判断を行うようにしたので、例えば、第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３が最も大きい場合に昇圧コンバータ２１を昇圧したときには、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖを上昇させて界磁電流を低減させ、界磁巻線に発生する発熱量を低減させることで、モータ１４の発熱による劣化等を未然に保護することができる。

図１６は、第３実施例による制御と第１実施例による制御とを比較して示すタイムチャートである。

図１６において、モータ温度Ｔｍ［℃］の増加に応じて第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３が増加する。最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘは、最大値選択部２４Ｂｅにより第１負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ１と第３負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖ３中、大きい方の値が選択される。

最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘと所定電力値である所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄとが昇圧・直結判断部２４Ｃにより大小比較され、最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘが、所定ＦＣ電力Ｐｆｃｄを上回った時点ｔｐにて、ステップＳ４の昇圧・直結判断が成立し、昇圧フラグＦｂが立てられる（Ｆｂ←１：ステップＳ６）と共に、昇圧コンバータ２１の昇圧動作が開始される。

昇圧コンバータ２１を昇圧したときには、負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖが上昇するので弱め界磁電流を低減させ、界磁巻線に発生する発熱量を低減させて、モータ１４の発熱による劣化等を未然に保護する。

なお、アクセル開度θｐが増加した時点ｔ１（図１６）において、昇圧コンバータ２１は、既に、最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘとモータ回転数Ｎｍとに基づき負荷駆動回路入力端電圧算出部２４Ｄａで算出されている負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧されているので、昇圧幅（時点ｔ１直後の最大値負荷駆動回路要求電力Ｐｉｎｖｍａｘの波形中の階段状の段差）が少なくてすみ、負荷駆動回路制御部２４Ｅによる負荷駆動回路１６の駆動制御により、車速Ｖｓが速やかに増加され、ＦＣ自動車１０の加速性能が向上される。

なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池自動車（ＦＣ自動車） １２…燃料電池システム
１４…モータ（駆動モータ） １６…負荷駆動回路（インバータ）
２１…昇圧コンバータ ２２…昇降圧コンバータ
２４…ＥＣＵ ２４Ｂ…負荷駆動回路要求電力算出部
２４Ｃ…昇圧・直結判断部 ４０…燃料電池スタック

Claims (3)

1. 燃料電池で発電された直流電圧を、昇圧コンバータを介して昇圧し又は前記昇圧コンバータで昇圧しないで直結して負荷駆動回路に印加し、前記負荷駆動回路により交流電圧に変換して駆動モータを駆動する燃料電池自動車において、
   前記駆動モータに対するモータ要求トルクを算出するモータ要求トルク算出部と、
   算出された前記モータ要求トルクとモータ回転数とから、前記負荷駆動回路の第１要求電力を算出する負荷駆動回路要求電力算出部と、
   算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う昇圧・直結判断部と、を備える燃料電池自動車であって、
   算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力の上昇率を算出する要求電力上昇率算出部をさらに備え、
   前記負荷駆動回路要求電力算出部は、
   前記上昇率が大きくなるに従い、算出しようとする前記負荷駆動回路の前記第１要求電力を、より大きな第２要求電力として算出し、
   前記昇圧・直結判断部は、
   前記第２要求電力が算出されたときは、算出された前記第２要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記駆動モータのモータ温度を検出するモータ温度センサをさらに備え、
   前記負荷駆動回路要求電力算出部は、
   検出された前記モータ温度に基づいて、前記負荷駆動回路の第３要求電力を算出し、
   前記昇圧・直結判断部は、
   算出された前記第１要求電力、前記第２要求電力、及び前記第３要求電力のうち、最も大きい要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
3. 燃料電池で発電された直流電圧を、昇圧コンバータを介して昇圧し又は前記昇圧コンバータで昇圧しないで直結して負荷駆動回路に印加し、前記負荷駆動回路により交流電圧に変換して駆動モータを駆動する燃料電池自動車において、
   前記駆動モータに対するモータ要求トルクを算出するモータ要求トルク算出部と、
   算出された前記モータ要求トルクとモータ回転数とから、前記負荷駆動回路の第１要求電力を算出する負荷駆動回路要求電力算出部と、
   算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力に基づき、前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う昇圧・直結判断部と、
   を備える燃料電池自動車であって、
   算出された前記負荷駆動回路の前記第１要求電力の上昇率を算出する要求電力上昇率算出部をさらに備え、
   前記昇圧・直結判断部は、
   前記第１要求電力及び前記第１要求電力の前記上昇率に基づき前記昇圧コンバータを昇圧するのか直結するのかの判断を行う
   ことを特徴とする燃料電池自動車。

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