(57)【要約】【課題】  燃料電池車両に搭載された燃料電池システムのアイドルストップ期間の最適化を図ることを課題とする。【解決手段】  燃料電池の電流−電圧特性ならびに燃料電池のフラッディングの発生状態に基づいて、燃料電池が発電を開始した際に、発電電力の応答速度を推定し、二次電池１６の蓄電状態に基づいて、二次電池１６が燃料電池車両の駆動系に供給可能な電力を演算し、燃料電池車両の走行状態に基づいて、燃料電池車両の駆動に必要な電力の最大値の時間的な推移を推定し、上記応答速度、供給可能電力、ならびに電力の推移に基づいて、燃料電池システムがアイドルストップ状態から発電を復帰するタイミングを決定する。【選択図】  図１
2006223061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により燃料電池で発電を行い、発電で得られた電力を走行用モータに供給制御する燃料電池システムと、前記燃料電池システムで得られた電力ならびに前記走行用モータからの回生電力で充電され、充電した電力を前記走行用モータに供給する蓄電手段とを備え、前記走行用モータで駆動走行する燃料電池車両の制御装置において、
前記燃料電池の電流−電圧特性ならびに前記燃料電池のフラッディングの発生状態に基づいて、前記燃料電池が発電を開始した際に、発電電力の応答速度を推定する発電応答推定手段と、
前記蓄電手段の蓄電状態に基づいて、前記蓄電手段が前記燃料電池車両の駆動系に供給可能な電力を演算する放電可能電力演算手段と、
前記燃料電池車両の走行状態に基づいて、前記燃料電池車両の駆動走行に必要な電力の最大値の時間的な推移を推定する駆動電力推移推定手段と、
前記発電応答推定手段で推定された応答速度、前記放電可能電力演算手段で得られた供給可能電力、ならびに前記駆動電力推移推定手段で推定された電力の推移に基づいて、前記燃料電池システムがアイドルストップ状態から発電を復帰するタイミングを決定する起動タイミング演算手段と
を有することを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池システムがアイドルストップ状態から発電を復帰する際に、前記走行モータが発生する駆動トルクの最大値を選択的に制限し、かつ駆動トルクを制限した場合に、駆動トルクを制限しない場合に比べて駆動トルクの応答特性を速めるトルク演算手段を備え、
前記起動タイミング演算手段は、前記燃料電池の発電を復帰するタイミングを駆動トルクを制限しない場合に比べて遅くする
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。
【請求項３】
前記トルク演算手段は、前記燃料電池車両が走行する道路勾配、前記燃料電池車両が走行している交通状態、運転者が操作するアクセルペダルの開速度、ならびに前記燃料電池車両の質量の少なくとも１つに基づいて、前記走行モータの発生する駆動トルクを選択的に制限する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に搭載された燃料電池システムのアイドルストップ期間を制御する燃料電池車両の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、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）。この文献に記載された技術では、燃料電池車両の速度、走行用モータ等のモータ出力（電気負荷）、ブレーキのオン／オフ状態の判定結果、ならびに蓄電装置の残蓄電量に基づいて、燃料電池動作の停止／起動判断を行う構成となっていた。すなわち、燃料電池車両の車速が所定の速度よりも小さく、走行用モータ等の出力が所定のモータ出力よりも小さく、ブレーキがオン状態で、蓄電装置の端子間電圧が所定電圧よりも大きいという条件がすべて成立した場合に、アイドル停止の実行許可を与えていた。
【特許文献１】特開２００１−３５９２０４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような上記従来の燃料電池車両の制御装置においては、燃料電池車両の運転状態や燃料電池システムの運転状態で、燃料電池のアイドル停止や起動のタイミングが一義的に決まってしまい、燃料電池車両にとって必ずしも最適なアイドル停止期間を実現することができないおそれがあった。
【０００４】
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、燃料電池車両に搭載された燃料電池システムのアイドルストップ期間の最適化を図った燃料電池車両の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により燃料電池で発電を行い、発電で得られた電力を走行用モータに供給制御する燃料電池システムと、前記燃料電池システムで得られた電力ならびに前記走行用モータからの回生電力で充電され、充電した電力を前記走行用モータに供給する蓄電手段とを備え、前記走行用モータで駆動走行する燃料電池車両の制御装置において、前記燃料電池の電流−電圧特性ならびに前記燃料電池のフラッディングの発生状態に基づいて、前記燃料電池が発電を開始した際に、発電電力の応答速度を推定する発電応答推定手段と、前記蓄電手段の蓄電状態に基づいて、前記蓄電手段が前記燃料電池車両の駆動系に供給可能な電力を演算する放電可能電力演算手段と、前記燃料電池車両の走行状態に基づいて、前記燃料電池車両の駆動走行に必要な電力の最大値の時間的な推移を推定する駆動電力推移推定手段と、前記発電応答推定手段で推定された応答速度、前記放電可能電力演算手段で得られた供給可能電力、ならびに前記駆動電力推移推定手段で推定された電力の推移に基づいて、前記燃料電池システムがアイドルストップ状態から発電を復帰するタイミングを決定する起動タイミング演算手段とを有することを特徴とする
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、燃料電池の発電応答速度、駆動系が要求する駆動電力、二次電池から駆動系に供給可能な電力に基づいて、燃料電池システムの起動タイミングを決定することで、アイドルストップ期間を最適化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【実施例１】
【０００８】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池車両の制御装置を含む燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料ガスを貯留する燃料ガスタンク１と、燃料ガスタンク１から供給される燃料ガスの圧力を制御する圧力制御弁２と、圧力制御弁２によって圧力が制御された燃料ガスを燃料電池７に供給する流路３と、燃料電池７から排出された燃料ガスが循環する流路と流路３の合流部分に設けられたエゼクタ４と、燃料電池７に酸化剤ガスの空気を供給するコンプレッサ５と、コンプレッサ５から供給される空気を燃料電池７に供給する流路６と、燃料ガスと空気を利用して発電する燃料電池７と、燃料電池７が排出した空気を排出する排気管９と、排気管９から排出される空気の圧力を制御する圧力制御弁８とを備えている。
【０００９】
一方、上記燃料電池システムの制御系は、流路６内を流れる空気の流量を検出する空気流量計１０と、燃料電池７の出力電流を検出する電流計１１と、燃料電池７の出力電圧を検出する電圧計１２と、燃料電池７の出力を制御する出力制御器１３と、燃料電池７の温度を検出する温度センサ１４と、圧力制御弁２及びコンプレッサ５を制御することにより、燃料電池７に供給する燃料ガス及び空気の圧力や流量を制御するコントローラ１５とを備えている。
【００１０】
コントローラ１５は、本システムの運転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る。コントローラ１５は、本システムにおける空気流量計１０、電流計１１、電圧計１２、温度センサ１４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、本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明するアイドルストップ期間の制御動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。したがって、コントローラ１５は、マイクロコンピュータ等で構成することで、後述する図２に示す処理手順を実行する図３〜図６に示す手段を実現する機能を備えている。
【００１１】
燃料電池７の出力を制御する出力制御器１３には、駆動モータ制御手段１７が接続され、燃料電池７から取り出された電力が駆動モータ制御手段１７を介して燃料電池車両の駆動走行モータへ供給される。また、充放電可能な二次電池１６が駆動モータ制御手段１７と並列に接続され、出力制御器１３を介して燃料電池７から取り出された電力、ならびに駆動走行モータの回生電力は二次電池１６に充電され、あるいは二次電池１６に蓄電された電力が駆動モータ制御手段１７を介して駆動走行モータへ供給可能な構成となっている。
【００１２】
次に、図２のフローチャートを参照して、この実施例１の制御手順を説明する。
【００１３】
図２に示す制御手順は、所定時間毎、例えば１０［ｍｓｅｃ］毎に実行され、また先の図１に示す燃料電池システムの発電を停止し、所定のアクチュエータも停止した状態（以下アイドルストップと呼ぶ）からの復帰に際してのみ、処理が有効となる。
【００１４】
図２において、先ずアイドルストップからの復帰要求があるか否かを判定し（ステップＳ１０１）、復帰要求がある場合には、以下に説明するステップＳ１０２〜Ｓ１０４の処理を実行する一方、復帰要求がない場合には制御処理を終了する。
【００１５】
アイドルストップの復帰要求がある場合には、アイドルストップからの復帰時に、駆動走行モータの最大トルク値を制限してよいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。その後、駆動走行モータのトルクを制限する際には、そのトルク制限値の演算、及びトルク応答目標の変更を設定する（ステップＳ１０３）。続いて、アイドルストップ復帰要求後の燃料電池システムの発電開始タイミングを決定する（ステップＳ１０４）。
【００１６】
次に、図３〜図６のブロック図を参照して、図２のフローチャートに示す制御手順を実現する手段について詳細に説明する。
【００１７】
図３は図２のステップＳ１０２、ステップＳ１０３を実行する手段を示すブロック図であり、図３に示す手段で車両状態を推定してトルク最大値を制限し、トルク応答を早くしてもよいか否かを判定する。
【００１８】
図３において、制御手順を実行する手段は、勾配検出手段３１、アクセル開速度検出手段３２、車両総重量検出手段３３、渋滞判定手段３４ならびに判定演算手段３５を備えて構成されている。
【００１９】
勾配検出手段３１は、車両が進行しようとしている道路の路面勾配を検出する機能手段で、衛星からの位置情報及び地図情報から路面勾配を算出してもよく、あるいは車両前後方向の斜度を検出する手段を設けてもよい。
【００２０】
アクセル開速度検出手段３２は、運転者の操作するアクセルペダルの開速度を検出する機能手段で、アクセル開度を検出する手段と、この検出手段で得られたアクセル開度情報の時間当たりの変化量を検出する手段とを有することで実現される。
【００２１】
車両総重量検出手段３３は、車両の総重量を検出する手段で、乗員数や積載状態によって変化する車両総重量を推定する。推定方法としては、トルクの最大値を制限してよいか否かを判定する以前に、勾配検出手段３１と同様な機能を有する手段で平坦路と判定された状態で、駆動力と車両加速度を検出し、検出結果から車両重量を推定する。あるいは、車両のサスペンション部のコイルスプリングの長さを検出する手段を設け、車両停止中で鍵がキーシリンダに差し込まれ、燃料電池システムが起動され、全てのドアが閉じられている状態、即ち人や荷物が載せ終わり、走行開始準備が整っていると想定される状態を、積載時の長さとして検出し、その長さとコイルスプリングのばね定数から車両重量を推定するようにしてもよい。
【００２２】
渋滞判定手段３４は、走行路の交通状態が渋滞しているか否かを判定する機能手段で、ある所定時間前の平均車速を検出する手段を設け、その検出された速度が所定値以下か否かを判定し、所定値以下であれば渋滞路を走行中と判定する。あるいは、道路交通情報センターで編集、処理された渋滞や交通規制などの道路交通情報をリアルタイムに送信し、カーナビゲーションなどの車載機に文字、図形で表示する情報通信システムのＶＩＣＳ等外部からの交通情報を受信し、それに基づいて判断してもよい。
【００２３】
判定演算手段３５は、上記勾配検出手段３１、アクセル開速度検出手段３２、車両総重量検出手段３３ならびに渋滞判定手段３４で得られた情報を集約し、駆動走行モータのトルク最大値を制限してもよいか否かの許可判定、及びその制限値の演算を行う。
【００２４】
具体的には、車両が登り勾配にあると判定された場合には、トルク最大値の制限は許可せず、登坂性能を維持する。また、アクセル開速度がある所定値より小さい場合には、運転者が早急な加速を要求していないと判定し、トルク最大値の制限を許可し、同時にトルクの応答を通常（駆動トルクを制限しない場合）より速くし、加速感の減少を少なくする。また、車両総重量がある所定値以上であるか否かを判定し、ある所定値以上である場合には、トルク最大値の制限を許可せず、加速性能を維持する。また、渋滞の中を走行していると判定された場合には、トルク最大値の制限を許可し、同時にトルクの応答を通常より速くし、加速感の減少を少なくする。
【００２５】
なお、トルク制限値は、予め決められた係数、例えば７０％程度を用いて、制限する前の値に計数を乗算して算出してもよく、あるいはアクセル開速度の遅さ加減、または車両総重量の軽さ加減に基づいて可変する係数を用いて求めてもよい。
【００２６】
なおまた、車両が登り勾配にあると判定された場合にはトルク最大値を制限せず、トルクの応答だけを通常より速くするようにしてもよい。これにより、坂道発進等で起こりえるロールバック感の低減が期待できるという効果が得られる。
【００２７】
図４は図２のステップＳ１０４を実行する手段を示すブロック図であり、燃料電池システムの起動タイミングを決定する手段を示す。図４において、制御手順を実行する手段は、ＩＶ推定手段４１、フラッディング発生推定手段４２、発電応答推定手段４３、放電可能電力演算手段４４、駆動電力推移推定手段４５ならびに起動タイミング演算手段４６を備えて構成されている。
【００２８】
ＩＶ推定手段４１は、燃料電池７の電流−電圧特性を推定する手段で、温度センサ１４により燃料電池７を代表する温度を検出し、予め実験等で算出された温度毎の電流−電圧特性を参照することにより、その時点での電流−電圧特性を推定する。
【００２９】
フラッディング発生推定手段４２は、燃料電池７内でフラッディングが発生している可能性があるか否かを推定する手段である。燃料電池７でフラッディングが発生し、水分がガス流路の一部を塞いだ場合には、反応面積が減少することで電圧の低下が部分的に起こることがある。その結果として燃料電池全体の電圧が想定している値を下回ることも考えられる。
【００３０】
したがって、燃料電池７から所望の出力を得るには、ＩＶ推定手段４１で推定した電流−電圧特性から想定した電流より、更に大きな電流値を引き出すことが必要となり、それに応じて空気流量を増大させることになり、フラッディングが発生していない場合に比べて燃料電池７の出力応答として時間を余計に要する結果となる。よって、燃料電池７の内部でフラッディングが発生している可能性があるか否かを推定し、その結果に応じて燃料電池システムの応答速度の推定値を補正するようにしている。
【００３１】
フラッディングの推定方法としては、燃料電池７の温度を代表する値、例えば冷却水の出口温度を検出する温度センサを設け、温度センサで計測された冷却水温度の単位時間当たりの変化量が、予め設定されたしきい値を超えて低下したと判定された場合に、フラッディングが起き易いと判断してもよい。あるいは、燃料電池７を構成する各セルの電圧を検出する手段と、検出されたセル電圧のバラツキを判定する手段とを設け、最小の値を示すセル電圧が他のセルの電圧より予め設定された所定値以上下回り、かつ他セルの電圧が予め設定された所定値以内で揃っていると判定された場合には、フラッディングが発生していると判定してもよい。
【００３２】
発電応答推定手段４３は、ＩＶ推定手段４１で推定された電流−電圧特性と、フラッディング発生推定手段４２で推定されたフラッディングの発生状態とに基づいて、燃料電池７の発電に関する応答速度を推定する。即ちアイドルストップからの復帰に際して、復帰開始からの経過時間に対して燃料電池７がどの程度の電力を発電できるかを推定する。この発電応答推定手段４３は、図５に示す手段で構成されている。
【００３３】
図５において、発電応答推定手段４３は、ＩＶ補正手段５１、空気系応答算出手段５２、電流−供給空気流量特性算出手段５３ならびに発電応答推定手段５４を備えて構成されている。
【００３４】
ＩＶ補正手段５１は、図４に示すＩＶ推定手段４１で推定された電流−電圧特性を、図４に示すフラッディング発生推定手段４２で判定されたフラッディング推定値を用いて補正を行う。補正の内容は、電流−電圧特性の電圧値をフラッディングが予想された場合に、予め設定された所定値だけ減じてもよい。あるいは、最小の電圧を示すセルの電圧値と、他のセルの平均値との乖離幅に応じて、電圧値を減じてもよい。
【００３５】
空気系応答算出手段５２は、空気供給系の応答、即ちどの程度の時間で燃料電池７へ供給する空気量を増加させることができるかを算出して出力する。なお、この空気の応答情報は、予め実験等で算出してもよく、あるいは走行中の吸入空気温度や気圧等からその質量流量を補正するようにしてもよい。
【００３６】
電流−供給空気流量特性算出手段５３は、燃料電池７の発電電流と供給空気流量との関係を算出して記憶する。燃料電池７の発電電流と供給空気流量との関係は、実験や机上検討により算出される。
【００３７】
発電応答推定手段５４は、空気系応答算出手段５２で得られた空気流量特性と、電流−供給空気流量特性算出手段５３に記憶されている発電電流と供給空気流量との関係とに基づいて、アイドルストップからの復帰時における発電電流の立ち上がり応答特性を得る。発電応答推定手段５４は、得られた発電電流の立ち上がり応答特性と、ＩＶ補正手段５１で補正された電圧特性とを乗算することで、燃料電池７の発電電力の応答特性を得る。
【００３８】
図５に戻って、放電可能電力演算手段４４は、二次電池１６からどれだけの電力を放電することができるかを推定演算する機能を備えた手段であり、例えば蓄電装置の蓄電状態を認識するバッテリマネージャー等で構成される。
【００３９】
駆動電力推移推定手段４５は、駆動系から要求される電力最大値の時間変化を推定する手段であり、図６に示すように構成されている。図６において、駆動電力推移推定手段４５は、勾配検出手段６１、車両総重量検出手段６２、走行抵抗演算手段６３、車両速度推移演算手段６４ならびに駆動電力推移演算手段６５を備えて構成されている。
【００４０】
勾配検出手段６１は、車両が走行する道路状況を判定し、カーナビゲーションシステムに代表される、衛星からの位置情報と予め記録された地図情報とに基づいて、道路勾配を推定し、先の図３に示す勾配検出手段３１と同様に構成される。
【００４１】
車両総重量検出手段６２は、走行中の発生トルクと加速度との関係から車両の総重量を算出してもよく、あるいは各サスペンションのばねの長さを停止中や加速度が低いことを検出した際に計測し、計測結果を車両総重量に置き換え換算して求めてもよい。もしくは空車重量と乗員１人分程度の重量を予め固定値として記憶しておき、これを用いてもよい。
【００４２】
走行抵抗演算手段６３は、勾配検出手段６１で検出された道路勾配情報、車両総重量検出手段６２で検出された車両の総重量情報、ならびに車両の空気抵抗係数や前面投影面積といった車両諸元とに基づいて、車両の走行抵抗を演算する。
【００４３】
車両速度推移演算手段６４は、走行抵抗演算手段６３で得られた走行抵抗と、図３に示す判定演算手段３５で決定したトルクの制限された最大値とに基づいて、車両の加速度を算出し、更にその加速度を積分することで車両速度の推移を推定する。
【００４４】
駆動電力推移演算手段６５は、車両速度推移演算手段６４で得られた車両速度の推移と、図３に示す判定演算手段３５で決定したトルクの制限された最大値とを乗算し、駆動走行モータの駆動に必要な電力の最大値の推移を得る。
【００４５】
図４に戻って、起動タイミング演算手段４６は、上述した発電応答推定手段４３、放電可能電力演算手段４４ならびに駆動電力推移推定手段４５で得られた情報に基づいて、駆動走行モータのトルク制限値及びトルク応答値を演算する。
【００４６】
車両がアイドルストップ状態から発進する際に、駆動系が消費する電力が増大しつつ、燃料電池システムの発電が立ち上がるまでは、二次電池１６が駆動系へ電力を供給する構成としている。即ち、駆動系が消費する電力が、二次電池１６が供給できる電力を超える直前に燃料電池７からの電力供給が開始されないと、駆動系の消費電力をそれ以降その値以上に増やすことができなくなる。この場合には、駆動力の変化に違和感を生じるおそれがある。
【００４７】
そこで、発電応答推定手段４３で推定した燃料電池システムからの発電出力の時間応答と、放電可能電力演算手段４４で演算した二次電池１６の最大放電電力と、駆動電力推移推定手段４５で推定した駆動系が要求する電力の推移推定結果とに基づいて、駆動系が要求する要求電力が、二次電池１６の最大放電可能電力を超えない時間内で、燃料電池システムからの発電が開始されるように、駆動系の最大トルク制限値、ならびに燃料電池システムの起動開始タイミングを演算する。
【００４８】
このように、アイドルストップからの復帰時に、図７（ａ）に示すように、駆動走行モータの発生トルクの最大値を制限し、同時にトルクの応答速度を通常時に比べて速める制御を実施することで、同図（ｂ）に示すように、燃料電池システムがアイドルストップからの復帰時に必要とする電力（要求出力）の増加速度を、車両の加速感を損なわずに低減することができる。この結果、図７（ｂ）に示すように、燃料電池システムの発電タイミングを従来に比べて遅らせることが可能となり、アイドルストップ期間を延長することができる。
【００４９】
また、車両の走行状態に基づいて発生トルクの最大値を制限することで、車両の運転性能への影響を極力減らすことができる。
【００５０】
さらに、燃料電池７の発電応答速度、駆動系が要求する駆動電力ならびに二次電池１６が供給可能な電力に基づいて、燃料電池システムのアイドルストップ復帰タイミングを決定することで、アイドルストップ期間の最適化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池車両の制御装置を含む燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の動作の手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１の一動作手順を実現する手段を示す図である。
【図４】燃料電池システムのアイドルストップ後の起動タイミングを決定する手段を示す図である。
【図５】図４に示す発電応答推定手段の構成を示す図である。
【図６】図４に示す駆動電力推移推定手段の構成を示す図である。
【図７】モータのトルク、燃料電池出力、燃料電池の要求出力、ならびに二次電池出力の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…燃料ガスタンク
２…圧力制御弁
３，６…流路
４…エゼクタ
５…コンプレッサ
７…燃料電池
８…圧力制御弁
９…排気管
１０…空気流量計
１１…電流計
１２…電圧計
１３…出力制御器
１４…温度センサ
１５…コントローラ
１６…二次電池
１７…駆動モータ制御手段
３１，６１…勾配検出手段
３２…アクセル開速度検出手段
３３，６２…車両総重量検出手段
３４…渋滞判定手段
３５…判定演算手段
４１…ＩＶ推定手段
４２…フラッディング発生推定手段
４３…発電応答推定手段
４４…放電可能電力演算手段
４５…駆動電力推移推定手段
４６…起動タイミング演算手段
５１…ＩＶ補正手段
５２…空気系応答算出手段
５３…供給空気流量特性算出手段
５４…発電応答推定手段
６３…走行抵抗演算手段
６４…車両速度推移演算手段
６５…駆動電力推移演算手段
【図１】
2006223061.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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