(57)【要約】【課題】燃料電池とバッテリーのエネルギーを効率的に組み合わせ使用することができる燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及び制御方法を提供する。【解決手段】主動力源として用いられる燃料電池と、補助動力源として用いられるバッテリーと、前記バッテリーに連結されて電力が入出力されるようにする両方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池と前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結されるインバータと、前記インバータに連結されて電気エネルギーを車両を駆動する回転運動エネルギーに変換するモーターと、車両要求動力値を推定して、前記推定された車両要求動力値と燃料電池及びバッテリーの状態に基づいて燃料電池、バッテリー、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータの間の動力伝達を制御する制御部とを含む動力分配制御システム。【選択図】　　　　　図２
2004040994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムにおいて、
主動力源として用いられる燃料電池と、
補助動力源として用いられるバッテリーと、
前記バッテリーに連結されて電力が入出力されるようにする両方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記燃料電池と前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結されるインバータと、
前記インバータに連結されて電気エネルギーを車両を駆動する回転運動エネルギーに変換するモーターと、
車両要求動力を推定して、前記推定された車両要求動力と燃料電池及びバッテリーの状態に基づいて燃料電池、バッテリー、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータの間の動力伝達を制御する制御部とを含み、
前記制御部は現在車両の要求動力とバッテリー充電状態に基づいて、
前記燃料電池のエネルギーだけが前記インバータを通じて前記モーターを駆動するようにする燃料電池モードと、
前記燃料電池と前記バッテリーのエネルギーが同時に前記インバータを通じて前記モーターを駆動するようにするバッテリー放電モードと、
前記燃料電池から出力されるエネルギーの一部は前記インバータを通じて前記モーターを駆動し、他の一部は前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータを通じてバッテリーを充電するようにするバッテリー充電モードと、
前記インバータと前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて回生制動エネルギーでバッテリーを充電するリゼネレーションモード
のうちのいずれか一つのモードを択一的に実行することを特徴とする燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項２】
前記燃料電池モードは前記車両要求動力が設定された動力より小さく、前記バッテリーの充電度が設定された上限値以上である場合に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項３】
前記車両要求動力は現在モーターで用いられる動力、加速ペダルの踏込み量、及びブレーキペダルの踏込み量に基づいて計算されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項４】
前記バッテリー放電モードは前記車両要求動力が設定された動力より小さくなく、前記バッテリーの充電度が設定された下限値以上である場合に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項５】
前記バッテリー充電モードは前記車両要求動力が設定された動力より小さく、前記バッテリーの充電度が設定された上限値より小さい場合に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項６】
前記リゼネレーションモードは前記車両要求動力が０より小さい場合に実行されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム。
【請求項７】
主エネルギー源として用いられる燃料電池、補助エネルギー源として用いられるバッテリー、前記燃料電池及びバッテリーに電気的に連結される両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び前記燃料電池、バッテリー、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの間の動力伝達を制御する制御部を含む燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配システムを利用する燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法において、
現在状態で車両要求動力を推定する段階と、
前記推定された車両要求動力が０より小さいかを判断する判断段階と、
前記推定された車両要求動力が０より小さいと判断される場合に、燃料電池要求出力量を０に設定する設定段階と、
現在のバッテリー充電状態に基づいて前記バッテリーが充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定するバッテリー充電段階
とを含むことを特徴とする燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項８】
前記車両要求動力は現在モーターで用いられているモーター動力量と、加速ペダルの踏込み量と、ブレーキペダルの踏込み量に基づいて推定されることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項９】
前記バッテリー充電段階は、
前記バッテリーが過充電状態であるかどうかを判断する段階と、
前記バッテリーが過充電状態ではないと判断されたときは、バッテリー充電要求量を計算する段階と、
モーターの回生電力最大値を前記バッテリー充電要求量に設定する段階と、
前記計算されたバッテリー充電要求量が前記バッテリーが充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定する段階
とを含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１０】
前記バッテリー充電段階は
前記バッテリーが過充電状態であると判断されたときは、モーターの回生機能をオフする段階と、
前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を０に設定する段階
とをさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１１】
前記推定された車両要求動力が０より小さくないと判断されたときは、前記車両要求動力が設定された動力より小さいかを判断する段階と、
前記車両要求動力が前記設定された動力より小さいと判断されたときは、バッテリー充電が必要であるかどうかを判断する段階と、
バッテリー充電要求量を計算して、計算された充電要求量によってバッテリーが充電されるように制御するバッテリー充電段階
とをさらに含むことを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１２】
前記バッテリー充電段階は
現在のバッテリー充電状態に基づいてバッテリー充電要求量を計算する段階と、
前記設定された動力と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きいかどうかを判断する段階と、
前記設定された動力と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きいと判断される場合、前記計算された充電要求量がバッテリーが充電されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定する段階
とを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１３】
前記設定された動力と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きくないと判断される場合、前記設定された動力と前記車両要求動力の差に該当するエネルギーが前記バッテリーに保存されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１４】
前記バッテリーの充電が必要ではないと判断されたときは、前記バッテリーに充電されないように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電流を０に設定する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１５】
前記車両要求動力が前記設定された動力より小さくないと判断されたときは、前記バッテリーが放電可能な状態であるかどうかを判断する段階と、
前記バッテリーが放電可能な状態であると判断されたときは、バッテリー放電可能量を計算する段階と、
前記車両要求動力と前記設定された動力の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きいかどうかを判断する段階と、
前記車両要求動力と前記設定された動力の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きいと判断されたときは、前記計算されたバッテリー放電可能量に該当するエネルギーが前記バッテリーから放出されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定する段階
とをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１６】
前記車両要求動力と前記設定された動力の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きくないと判断されたときは、前記車両要求動力と前記設定された動力の差に該当するエネルギーが前記バッテリーから放出されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を設定する段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【請求項１７】
前記バッテリーが放電可能な状態ではないと判断されたときは、前記バッテリーからエネルギーの出入がないように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を０に設定することを特徴とする、請求項１５に記載の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムに係り、より詳しくは異種の動力源である燃料電池及びバッテリー（蓄電池）の特性と車両要求動力を考慮して二種類のエネルギー源の出力を効率的に分配する燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、燃料電池は水素などの活性を有する物質、例えばＬＮＧ、ＬＰＧ、メタノールなどを電気化学反応によって酸化させてその過程で放出される化学エネルギーを電気に変換させるもので、主に天然ガスから容易に生産できる水素と空中の酸素が用いられる。
【０００３】
燃料電池は既存の発電方式と比較すると、発電効率が高いだけでなく、発電による公害物質の排出が全くないので未来の発電技術として評価されている。このような理由で、エネルギー節約と環境公害の問題、そして最近話題に上っている地球温暖化問題などを解決するための自動車の代替動力源として、燃料電池を適用するための研究が多様に進められている。
【０００４】
しかし、燃料電池だけで車両を駆動するための動力源として使用する場合、次のような問題点が発生する。
【０００５】
燃料電池は特定範囲の出力密度（Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｎｓｉｔｙ、Ｗ／ｃｍ２）で最適効率を維持することができるが、純粋燃料電池車両の場合、燃料電池の高効率領域からはずれる場合が頻繁に起こり、効率が低下する問題がある。
【０００６】
また、燃料電池車両を駆動する電気モーターは高速運転領域で低速運転領域より高い直流電圧を要求するが、この要求とは逆に燃料電池は出力が増加すれば出力電圧が急激に減少する特性を有しているので、高速運転領域で電気モーター（以下、モーターと記す）が要求する十分な直流電圧を供給できず、モーターの加速性能が低下する現象が発生する。
【０００７】
なお、基本的に燃料電池は水素と酸素の化学的反応を利用して電気エネルギーを供給するので、車両が急激な動力増加を要求する場合、瞬間的に十分な動力を供給することが不可能である。
【０００８】
また、燃料電池は一方的に電力を出力するだけであり、車両駆動モーターの制動時に発生する回生電力が吸収できず、エネルギーの効率的利用が不可能である。
【０００９】
前記燃料電池の出力特性による制約を克服するために、燃料電池の出力特性を保障できる他のエネルギー源が補助的に適用（ハイブリッド化）されている。
先行技術文献としては、特開平１０−２７１７０６号公報、特開２００１−３０７７５８号公報、特開２００２−３２０３０３号公報がある。
【００１０】
図１には補助動力源としてバッテリーを使用する燃料電池ハイブリッド電気自動車に用いられる動力システムを示している。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池ハイブリッド電気自動車は主動力源として用いられる燃料電池１０、補助動力源として用いられるバッテリー２０、前記燃料電池１０と前記バッテリー２０の間に並列に連結されてモーターに安定的な電圧を供給するようにし、バッテリーと燃料電池の互いに異なる出力電圧の均衡を釣り合わせ、燃料電池の剰余電圧及び回生制動エネルギーをバッテリーの充電電流として提供する役割を果たす両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力端及び低電圧源である燃料電池１０の出力端に連結されてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によるＩＧＢＴスイッチングでモーター５０の挙動を制御するインバータ４０を含む。
【００１２】
上記の構成でＤＣ／ＤＣコンバータ３０は上位プロセッサーから印加される制御信号によって内部のトランジスタＴ１、Ｔ２がスイッチングされてダイオードを通じた電流経路の形成で、電圧エネルギーを蓄積・放出するキャパシタと電流エネルギーを蓄積・放出するコイルを併用して、高電圧源であるバッテリー２０から低電圧源である燃料電池１０に動力を伝達する機能（Ｂｕｃｋ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）と低電圧源である燃料電池１０から高電圧源であるバッテリー２０に動力を伝達する機能（Ｂｏｏｓｔ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を行う。
【００１３】
前記のように主エネルギー源である燃料電池と補助エネルギー源を同時に使用する燃料電池ハイブリッド電気自動車においては、二つのエネルギー源間の有機的かつ効率的な動力分配戦略が必須であるが、既存の燃料電池ハイブリッド電気自動車では、異種のエネルギー源間の適切な動力分配が行われないため電力の効率的利用及び車両の駆動に必要なエネルギーを安定的に供給できないという問題点がある。また、電気自動車の長所である回生制動エネルギーを回収するのにも問題点を持っている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述したような課題を解決するために創出されたものであって、異種のエネルギー源である燃料電池とバッテリーのエネルギーを効率的に使用して電力効率の極大化及び車両の駆動に必要な安定的なエネルギー供給を同時に図ることができる燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及び制御方法を提供することにその目的がある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムは、主動力源として用いられる燃料電池と、補助動力源として用いられるバッテリーと、前記バッテリーに連結されて電力が入出力できるようにする両方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記燃料電池と前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に連結されるインバータと、前記インバータに連結されて電気エネルギーを車両駆動用回転運動エネルギーに変換するモーターと、車両要求動力を推定した車両要求動力推定値及び燃料電池並びにバッテリーの状態に基づいて燃料電池、バッテリー、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及びインバータの間の動力伝達を制御する制御部とを含み、前記制御部は車両要求動力の現況とバッテリー充電状態に基づいて、前記燃料電池のエネルギーだけが前記インバータを通じて前記モーターを駆動するようにする燃料電池モードと、前記燃料電池と前記バッテリーのエネルギーが同時に前記インバータを通じて前記モーターを駆動するようにするバッテリー放電モードと、前記燃料電池から出力されるエネルギーの一部は前記インバータを通じて前記モーターを駆動し、他の一部は前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータを通じてバッテリーを充電するようにするバッテリー充電モードと、前記インバータと前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて回生制動エネルギーでバッテリーを充電するリゼネレーションモードのうちのいずれか一つを択一的に実行するようにプログラムされることを特徴とする。
【００１６】
前記燃料電池モードは前記車両要求動力が設定された動力値より小さく、前記バッテリーの充電度が設定された上限値以上である場合に実行されるのが好ましく、前記車両要求動力はモーターで用いられる動力、加速ペダルの踏込み量及びブレーキペダルの踏込み量の現況に基づいて推定されるのが好ましい。
【００１７】
また、前記バッテリー放電モードは前記車両要求動力が設定された動力値より小さくなく、前記バッテリーの充電度が設定された下限値以上である場合に実行されるのが好ましく、前記バッテリー充電モードは前記車両要求動力が設定された動力値より小さく、前記バッテリーの充電度が設定された上限値より小さい場合に実行されるのが好ましく、前記リゼネレーションモードは前記車両要求動力が０より小さい場合に動作するのが好ましい。
【００１８】
本発明の他の特徴による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法は、主エネルギー源として用いられる燃料電池、補助エネルギー源であるバッテリー、前記燃料電池と前記バッテリーの双方に電気的に連結される両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記燃料電池、バッテリー並びに両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの間の動力伝達を制御する制御部を含む燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配システムを利用し、現在状態から車両要求動力を推定する段階と、前記推定された車両要求動力が０より小さいかを判断する判断段階と、前記推定された車両要求動力が０より小さいと判断される場合に、燃料電池要求出力量を０に設定する設定段階と、現在のバッテリー充電状態に基づいて前記バッテリーが充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定するバッテリー充電段階とを含むことを特徴とする。
【００１９】
前記車両要求動力はモーターで用いられているモーター動力量、加速ペダルの踏込み量及びブレーキペダルの踏込み量の現況に基づいて推定されるのが好ましい。
【００２０】
前記バッテリー充電段階は、前記バッテリーが過充電状態であるかどうかを判断する段階と、前記バッテリーが過充電状態ではないと判断されたときは、バッテリー充電要求量を計算する段階と、モーターの回生電力許容最大値を前記バッテリー充電要求量に等しく設定する段階と、前記計算されたバッテリー充電要求量だけ前記バッテリーが充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定する段階とを含むのが好ましい。
【００２１】
また、前記バッテリー充電段階は、前記バッテリーが過充電状態であると判断されたときは、モーターの回生機能をオフする段階と、前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を０に設定する段階とをさらに含むのが好ましい。
【００２２】
なお、前記推定された車両要求動力が０より小さくないと判断されたときは、前記車両要求動力が設定された動力値より小さいかを判断する段階と、前記車両要求動力が前記設定された動力値より小さいと判断されたときは、バッテリー充電が必要であるかどうかを判断する段階と、バッテリー充電要求量を計算して、計算された充電要求量に応じてバッテリーが充電されるように制御するバッテリー充電段階とをさらに含むのが好ましい。
【００２３】
前記バッテリー充電段階は、現在のバッテリー充電状態に基づいてバッテリー充電要求量を計算する段階と、前記設定された動力値と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きいかどうかを判断する段階と、前記設定された動力と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きいと判断される場合、前記計算された充電要求量だけバッテリーが充電されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定する段階とを含むのが好ましく、前記設定された動力値と前記車両要求動力の差が前記バッテリー充電要求量より大きくないと判断される場合、前記設定された動力値と前記車両要求動力の差に相当するエネルギーが前記バッテリーに保存されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定する段階をさらに含むのが好ましい。
【００２４】
前記バッテリーの充電が必要でないと判断されたときは、前記バッテリーに充電されないように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電流目標値を０に設定する段階をさらに含むのが好ましい。
【００２５】
また、本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車動力分配制御方法は、前記車両要求動力が前記設定された動力値より小さくないと判断されたときは、前記バッテリーが放電可能な状態であるかどうかを判断する段階と、前記バッテリーが放電可能な状態であると判断されたときは、バッテリー放電可能量を計算する段階と、前記車両要求動力と前記設定された動力の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きいかどうかを判断する段階と、前記車両要求動力と前記設定された動力の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きいと判断されたときは、前記計算されたバッテリー放電可能量に相当するエネルギーが前記バッテリーから放出されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定する段階とをさらに含むのが好ましい。
【００２６】
また、前記車両要求動力と前記設定された動力値の差が前記計算されたバッテリー放電可能量より大きくないと判断されたときは、前記車両要求動力と前記設定された動力値の差に相当するエネルギーが前記バッテリーから放出されるように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を設定する段階をさらに含むのが好ましい。
【００２７】
そして、前記バッテリーが放電可能な状態ではないと判断されたときは、前記バッテリーからエネルギーの出入がないように前記両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流目標値を０に設定するのが好ましい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及び制御方法を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【００２９】
図２に示されているように、燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムは主動力源として用いられる燃料電池１０、補助動力源として用いられるバッテリー２０、燃料電池１０と前記バッテリー２０の間に並列に連結されてモーター５０に安定的な電圧が供給されるようにし、バッテリー２０と燃料電池１０の互いに異なる出力電圧の均衡をとり、燃料電池１０の剰余電圧及び回生制動エネルギーをバッテリー２０の充電電流として提供する役割を果たす両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０に電気的に連結されて電力の供給を受けてこれを交流電源に変換するインバータ４０、インバータ４０の交流電源の電気エネルギーを回転運動エネルギーに変換するモーター５０、及びモーター５０の回転力の伝達を受けてこれをホイール７０に伝達する減速機６０を含む。
【００３０】
前記のような燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力システムを制御するための制御システムは燃料電池１０の動作状態及び出力を制御するＦＣＣ（Ｆｕｅｌ−Ｃｅｌｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１００、バッテリー２０の動作状態監視及び充電状態管理をするＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）　２００、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が出力する電圧、電流及び電力を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御機３００、車両駆動用のモーター５０に印加される電力を制御するＭＣＵ（Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）４００、及び燃料電池ハイブリッド電気自動車の最上位制御機であるＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）５００を含む。
【００３１】
前記ＦＣＣ１００、ＢＭＳ２００、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御機３００、ＭＣＵ４００、及びＰＣＵ５００はＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ−Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信によって相互通信を行うのが好ましい。ＣＡＮ通信は車両の制御に多く用いられる直列通信の一種であり、これについての詳細な説明は省略する。
【００３２】
ＦＣＣ１００は燃料電池ハイブリッド電気自動車の主動力源である燃料電池１０からインバータ４０、ひいてはモーター５０への電力供給を制御し、ＢＭＳ２００は燃料電池ハイブリッド電気自動車の補助動力源であるバッテリー２０とインバータ４０の間の電力移動（供給と回生）を制御する。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ制御機３００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が異種エネルギー源である燃料電池１０とバッテリー２０のエネルギー配分を調整するようにＤＣ／ＤＣコンバータ３０を制御し、バッテリー充電量と放電量を調節する役割もする。
【００３４】
ＭＣＵ４００は車両駆動用のモーター５０に伝達される動力を制御し、車両制動時に回生制動で発生した電気エネルギーをバッテリー２０に伝達するように制御する役割を果たす。
【００３５】
ＰＣＵ５００は車両が要求する動力を燃料電池１０とバッテリー２０双方の状態を考慮してシステム全体の動力効率が最大になるように燃料電池とバッテリーの電力入出力量を分配する役割を果たす。
【００３６】
前記のようなＰＣＵ５００は車両要求動力量の推定、バッテリー充電及び放電要求量の推定、燃料電池出力要求量推定を行って、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータに出力指令を送って燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御を行う。
【００３７】
ＰＣＵ５００は車両駆動用モーター５０で用いられている現時点の動力量情報と、運転者の意志である加速ペダルとブレーキペダルの出力値変化量と車速変化量を利用して推定される加減速動力量情報を合算して車両要求動力量を決定する。
【００３８】
また、ＰＣＵ５００はバッテリーの現在充電状態（ＳＯＣ）制御機を利用してバッテリー充電要求量及び放電可能量を推定する。
【００３９】
そして、燃料電池最適効率運転領域の出力量と先に計算された車両要求動力量を比較してバッテリー放電必要量または充電可能量を計算する。
【００４０】
ＰＣＵ５００は前記のような過程を通じてバッテリーが放電または充電されるように制御するが、バッテリーを放電する場合には先に計算されたバッテリーの放電可能量とバッテリー放電必要量を比較して、そのうち小さい値を両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力指令を選定し、バッテリーを充電する場合には先に計算されたバッテリー充電要求量とバッテリー充電可能量を比較して、そのうち小さい値を両方向ＤＣ／ＤＣの出力指令に選定する。
【００４１】
前記のように、車両要求動力量と燃料電池及びバッテリーの状態に基づいて動力分配モードが決定されるが、本発明の燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配システムは燃料電池モード（Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｏｎｌｙ　Ｍｏｄｅ）、バッテリー放電モード、バッテリー充電モード、リゼネレーションモード（Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ）に動力分配モードを区分する。
【００４２】
図３は動力分配モードが燃料電池モードである場合のエネルギーの流れを示しているが、図に示されているように燃料電池モードでは燃料電池１０のエネルギーがインバータ４０を経てモーター５０に伝達される。
【００４３】
燃料電池モードは車両要求動力値が燃料電池１０の最適運転領域内に存在しており、バッテリー２０の充電状態が良好な場合に適用されるモードである。
【００４４】
即ち、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が燃料電池最適動力値（ＰＦＣ．Ｏｐｔ）以下であって、バッテリーの現在充電状態（ＳＯＣ）が設定された上限値以上である場合に選択されるモードである。
【００４５】
前記上限値はバッテリーに充電可能な最大値を意味し、前記ＢＭＳの電気信号を利用してＰＣＵ５００でこれを決定する。
【００４６】
この燃料電池モードは、バッテリー２０の充電状態が良好であって車両要求動力値が燃料電池１０の最適効率運転領域内に存在するとともに、バッテリー２０の充電や放電はシステムの動力効率を低下させる原因になることがあるので、バッテリー２０の充電や放電がなく車両要求動力値を燃料電池１０が全て担当する。
【００４７】
図４はバッテリー放電モードを示しているが、バッテリー放電モードでは燃料電池１０のエネルギーと共に、コンバータ３０を経由したバッテリー２０のエネルギーが、インバータ４０を通じてモーター５０に伝達される。
【００４８】
バッテリー放電モードは、車両要求動力値が燃料電池最適運転領域を逸脱しているが、バッテリーの充電状態が良好な場合に適用される。
【００４９】
即ち、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が燃料電池最適動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）より大きく、バッテリーの現在充電状態（ＳＯＣ；Ｓｔａｔｅ　Ｏｆ　Ｃｈａｒｇｅ）が設定された下限値以上である場合に選択される。
【００５０】
前記下限値はバッテリーが放電可能な最小充電量を意味し、前記ＢＭＳの電気信号を利用してＰＣＵ５００で決定する。
【００５１】
車両要求動力値が燃料電池最適運転領域を逸脱しているが、バッテリーの充電状態が良好であるから、最適運転領域を逸脱した超過動力量に相当する動力を両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通じてバッテリー２０から供給されるようにする。したがって、燃料電池を最適運転領域で稼動し、車両は必要な動力を得ることが可能である。
【００５２】
図５はバッテリー充電モードを示しているが、バッテリー充電モードでは燃料電池１０から放出されるエネルギーの一部が両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通じてバッテリー２０に供給されてバッテリー２０を充電する。
【００５３】
バッテリー充電モードは車両要求動力が存在して、バッテリー充電が必要な場合である。
【００５４】
即ち、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０より大きく燃料電池最適動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）以下であり、バッテリーの現在充電状態（ＳＯＣ）が前記設定された上限値以下の場合であるか、または車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が燃料電池最適動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）より大きくバッテリーの現在充電状態（ＳＯＣ）が設定された下限値より小さい場合である。
【００５５】
車両要求動力値が燃料電池最適運転領域以内に存在して、バッテリーが充電を要求する状態であるので、燃料電池最適運転領域を維持しながら車両要求動力を供給し、余分のエネルギーを両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通じてバッテリー２０に供給してバッテリーを充電する。
【００５６】
図６はリゼネレーションモードを示しているが、リゼネレーションモードで車両制動中は、制動エネルギーを動力源として回収する。
【００５７】
リゼネレーションモードは車両要求動力が存在しない場合である。つまり、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０未満（負値）または０（零）の場合である。
【００５８】
車両駆動源として用いられるモーター５０は、制動時に吸収しなければならない運動エネルギーを、電磁変換を利用して高レベルの電気的エネルギー、つまり、高電圧の電力に変換して、低電圧系統に放出し動力源として回生することができる。このような回生エネルギーを両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通じてバッテリーに充電し、バッテリーに充電されたエネルギーはその後バッテリー放電要求時に車両動力源として再生できる。
【００５９】
以下、図７乃至図９を参照して本発明の好ましい実施例による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法を説明する。
【００６０】
まず、ＰＣＵ５００は現在車両駆動用モーター５０で用いられている動力量情報と、運転者の意志である加速ペダルとブレーキペダルの出力値変化量と車速変化量を利用して推定される加減速動力量情報を合算して車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）を決定する（Ｓ７１０）。走行中に運転者が加速ペダルを踏むことは車両を加速しようという意志を表現することであるから現在モーターで消費されている動力よりさらに多くの動力が要求される。従って、加速ペダルの踏込み量に比例して要求動力値を増加させるのが好ましい。また、走行中に運転者がブレーキペダルを踏むことは減速または停止をしようとする意志を表現することであるから現在モーターで用いられている動力の削減が要求される。したがって、要求動力値を減少させるのが好ましい。
【００６１】
推定された車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０より小さいかを判断して（Ｓ７１５）、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０より小さいと判断されたときは、ＰＣＵ５００は動力分配モードをリゼネレーションモードに決定する（Ｓ７２０）。つまり、現在車両が要求する動力消費がないので燃料電池１０やバッテリー２０からエネルギーを放出する必要がないと判断する。
【００６２】
ＰＣＵ５００は燃料電池要求出力量を０に設定（Ｓ７２５）した後、バッテリー２０が過充電状態であるかどうかを判断する（Ｓ７３０）。
【００６３】
バッテリー過充電状態というのは現在バッテリーの充電度が設定された上限値以上であることを意味する。したがって、このような場合には、これ以上バッテリー２０を充電する必要がないだけではなく、バッテリーの種類によっては被害を生じることを意味する。
【００６４】
（Ｓ７３０）段階でバッテリーが過充電状態であると判断されたときは、ＰＣＵ５００はバッテリー充電可能量を０に設定して、モーターの回生機能をオフ（ｏｆｆ：停止）し、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を０に設定する（Ｓ７３５）。ただし、回生機能停止では安全上の問題が予想されるから、モーターの回生機能をオンのまま、出力回線をブレーキ用の電気抵抗に接続することも考えられる。
【００６５】
一方、（Ｓ７３０）段階で、バッテリー２０が過充電状態ではないと判断されたときは、ＰＣＵ５００は今後の定時間充電可能電力率を示すバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ、単位：Ｗａｔｔ）を算出し（Ｓ７４０）、モーターの回生電力（Ｗａｔｔ）の最大値を前記計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）に等しく設定する（Ｓ７４５）。
【００６６】
その後、ＰＣＵ５００は両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電流指令値を“−Ｐｂａｔ．ｃｈｇ／出力電圧”に設定する（Ｓ７５０）。つまり、バッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）に相当するエネルギーがバッテリーに充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の出力電流を設定する。
【００６７】
このような過程で回生制動力を利用してバッテリー２０を充電することができる。
【００６８】
一方、Ｓ７１５段階で車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０より小さくないと判断されたときは、段階（ａ）に進行するが、これについては図８を参照して説明する。
【００６９】
Ｓ７１５段階で車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が０より小さくないと判断されたときは、ＰＣＵ５００は車両要求動力値（Ｐｒｅｑ：Ｗａｔｔ）が設定された値（ＰＦＣ．ｏｐｔ：Ｗａｔｔ）より小さいかを判断する（Ｓ８１０）。
【００７０】
前記設定された値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）は燃料電池が高効率を維持できる動力発生上限値である。つまり、（Ｓ８１０）段階は車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が燃料電池の高効率作動領域内にあるかどうかを判断する過程である。
【００７１】
Ｓ８１０段階で、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が設定された値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）より小さいと判断されたときは、充電のための余力があるので、次にバッテリー充電が必要な状態であるか否かを判断する（Ｓ８１５）。
【００７２】
バッテリー充電が必要な場合、ＰＣＵ５００は現在の動力分配モードをバッテリー充電モードに決定し（Ｓ８２０）、バッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）を計算する（Ｓ８２５）。
【００７３】
その後、ＰＣＵ５００は前記設定された値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）と車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）の差（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）が前記計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）より大きいかどうかを判断する。
【００７４】
（Ｓ８３０）段階で、前記設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）が車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）と前記計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）の和より大きいと判断されたときは、両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を“−Ｐｂａｔ．ｃｈｇ／出力電圧”に設定し（Ｓ８３５）、大きくないと判断されたときは両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を“（ＰＦＣ．ｏｐｔ−Ｐｒｅｑ）／出力電圧”に設定する（Ｓ８４０）。
【００７５】
前記設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）と車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）の差が前記計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）より大きい場合にはバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）に該当するエネルギーを燃料電池からさらに出力しても燃料電池から出力される全体動力が燃料電池最適作動領域にあるので、計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）だけ充電されるように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を設定する。
【００７６】
これに対し、前記設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）と車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）の差が前記計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）より小さい場合にはバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）に相当するエネルギーを燃料電池からさらに出力すれば燃料電池から出力される全体動力が燃料電池最適作動領域を逸脱するので、計算されたバッテリー充電要求量（Ｐｂａｔ．ｃｈｇ）だけ充電されるようにするのでなく、燃料電池の最適作動領域内で燃料電池のエネルギーを利用してバッテリーを充電するように両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を設定する。
【００７７】
一方、（Ｓ８１５）段階でバッテリー充電が必要ではないと判断されたときは、ＰＣＵ５００は動力分配モードを燃料電池モードに決定して両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を０に設定する（Ｓ８４５、Ｓ８５０）。
【００７８】
そして、（Ｓ８１０）段階で車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）が設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）より小さくないと判断されたときは、段階（ｂ）に進行するが、これについては図９を参照して説明する。
【００７９】
まず、ＰＣＵ５００はバッテリーが放電可能な状態であるかどうかを判断する（Ｓ９１０）。バッテリー２０の充電度が設定された下限値以上であればバッテリーが定時間放電可能な状態であると判断することができる。
【００８０】
バッテリーが放電可能な状態であると判断されたときは、動力分配モードをバッテリー放電モードに設定してバッテリー放電可能量（Ｐｂａｔ．ｄｉｓ）を計算する（Ｓ９１５、Ｓ９２０）。
【００８１】
その後、ＰＣＵ５００は車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）と設定された動力値（ＰＦＣ．Ｏｐｔ）の差が前記計算されたバッテリー放電可能量（Ｐｂａｔ．ｄｉｓ）より大きいかどうかを判断する（Ｓ９２５）。
【００８２】
（Ｓ９２５）段階で、車両要求動力値（Ｐｒｅｑ）と設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）の差が前記計算されたバッテリー放電可能量（Ｐｂａｔ．ｄｉｓ）より大きいと判断されたときは、ＰＣＵ５００は両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を“Ｐｂａｔ．ｄｉｓ／出力電圧”に設定する（Ｓ９３０）。
【００８３】
即ち、車両要求動力のうち設定された動力値を超える部分はバッテリーから出力されるようにするが、この時不足部分全体がバッテリーから出力されるようにするのでなく、バッテリーの放電可能量を限度として、バッテリーから出力されるようにして燃料電池だけでは不足する動力の一部をバッテリーから充当すると同時に、バッテリーが過度に放電されることを防止する。燃料電池を最適作動範囲内で稼動しながら、不足した要求動力のうちの一部はバッテリーから出力されるようにすることである。
【００８４】
一方、（Ｓ９２５）段階で、車両要求動力と設定された動力値（ＰＦＣ．ｏｐｔ）の差が前記計算されたバッテリー放電可能量（Ｐｂａｔ．ｄｉｓ）より大きくないと判断されたときは、ＰＣＵ５００は両方向ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流値を“（Ｐｒｅｑ−ＰＦＣ．ｏｐｔ）／出力電圧”に設定する（Ｓ９３５）。
【００８５】
燃料電池は最適作動領域で作動するようにし、不足した動力はバッテリーが充当するようにすることである。
【００８６】
一方、（Ｓ９１０）段階で、バッテリーが放電可能でないと判断されたときは、ＰＣＵ５００は動力分配モードを燃料電池モードに設定して両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ出力電流を０に設定する（Ｓ９４０）。
【００８７】
車両要求動力（Ｐｒｅｑ）が燃料電池の最適作動領域を逸脱しても、バッテリーが放電可能な状態ではないので燃料電池だけが動力を充当するようにすることである。
【００８８】
【発明の効果】
前記のような本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システム及び制御方法によれば、車両の運行に必要な車両要求動力を燃料電池の最適運用範囲及びバッテリー状態を考慮して確保することができる。
【００８９】
その結果、燃料電池ハイブリッド電気自動車のエネルギー分配の最適化を図ることができ、同時に所望の車両性能のための動力も確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力システムを示す回路図である。
【図２】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムを示す構成図である。
【図３】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムによる動力分配状態を簡略に示す図面である。
【図４】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムによる動力分配状態を簡略に示す図面である。
【図５】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムによる動力分配状態を簡略に示す図面である。
【図６】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御システムによる動力分配状態を簡略に示す図面である。
【図７】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明による燃料電池ハイブリッド電気自動車の動力分配制御方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０　　燃料電池
２０　　バッテリー
３０　　両方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０　　インバータ
５０　　モーター
６０　　減速機
７０　　ホイール
１００　ＦＣＣ
２００　ＢＭＳ
３００　ＤＣ／ＤＣコンバータ制御機
４００　ＭＣＵ
５００　ＰＣＵ
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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