(57)【要約】【課題】燃料電池車両に必要な出力の過渡応答性能を確保しながら、空気供給装置が消費する電力を節減して燃費を向上させる。【解決手段】目標発電量演算部２３は、車速とアクセル操作量とに基づいて燃料電池本体２の目標発電量を算出する。走行抵抗推定部２４は、車速と、発電電力演算部２０が算出する走行用モータ８に供給する電力とに基づいて、燃料電池車両１の走行抵抗を推定する。この走行抵抗が低ければ低いほど、空気供給制御部２５は、コンプレッサ４から燃料電池本体６に供給する空気のストイキ比が低くなるように制御する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、
燃料電池本体に燃料を供給する燃料供給装置と、
燃料電池本体の発電反応で消費される酸化ガスの流量に対してストイキ比で示される倍率の流量で燃料電池本体に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
少なくとも燃料電池本体が発電する電力で駆動される走行用モータと、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、
車両の速度を検出する車速検出手段と、
該車速検出手段が検出する車両速度と前記走行用モータに供給する電力とに基づいて車両の走行抵抗を推定する走行抵抗推定手段と、
該走行抵抗推定手段が推定した走行抵抗が低ければ低いほど、前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの前記ストイキ比が低くなるように制御する酸化ガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
【請求項２】
前記車速検出手段が検出した車両速度が所定値以下の場合には、前記酸化ガス供給制御手段は、走行抵抗が低くても前記ストイキ比を低下させないこと特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項３】
燃料電池の発電電力を検出する発電電力検出手段を備え、
該発電電力検出手段が検出した発電電力が所定値以下の場合には、前記酸化ガス供給制御手段は、走行抵抗が低くても前記ストイキ比を低下させないこと特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項４】
前記走行抵抗推定手段が推定した走行抵抗が所定値以下に低下した場合には、前記酸化ガス供給制御手段は、前記ストイキ比を所定値以下にしないように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項５】
アクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量検出手段と、
該アクセル操作量検出手段が検出した操作量に基づいてアクセル操作特性を複数のパターンに分類するアクセル操作特性分類手段と、
予め分類された複数のパターン毎に前記ストイキ比の最低値を記憶するストイキ比最低値記憶手段と、
を備え、
前記酸化ガス供給制御手段は、前記アクセル操作特性分類手段が分類したアクセル操作特性の分類に対応するストイキ比の最低値を前記ストイキ比最低値記憶手段から読み出して、該最低値以下とならないように前記ストイキ比を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項６】
アクセルペダルの操作量を検出するアクセル操作量検出手段と、
該アクセル操作量検出手段が検出した操作量に基づいてアクセル操作特性を複数に分類するアクセル操作特性分類手段と、
前記ストイキ比の最低値を前記アクセル操作特性のパターン毎に記憶するストイキ比最低値記憶手段と、
前記複数のパターン毎に前記ストイキ比の最低値を学習し、該学習値で前記ストイキ比最低値記憶手段の記憶内容を更新する学習制御手段と、
を備え、
前記酸化ガス供給制御手段は、前記アクセル操作特性分類手段が分類したアクセル操作パターンに対応する前記ストイキ比最低値を前記ストイキ比最低値記憶手段から読み出して、該最低値以下とならないように前記ストイキ比を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項７】
前記アクセル操作特性分類手段が分類するアクセル操作特性は、アクセル操作の速さを示すパラメータを含み、
前記酸化ガス供給制御手段は、前記パラメータが示すアクセル操作が速ければ速いほど前記ストイキ比の最低値を大きくすることを特徴とする請求項５または請求項６記載の燃料電池車両の制御装置。
【請求項８】
燃料電池本体の余剰電力または制動時の回生電力で充電される一方、燃料電池本体の出力が不足するときに駆動用電力を供給する二次電池と、該二次電池の充電状態を検出または推定する充電状態検出手段と、を前記燃料電池車両に備え、
前記酸化ガス供給制御手段は、前記充電状態検出手段が検出した充電状態に応じて前記ストイキ比を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両の制御装置に係り、特に車両の走行抵抗に応じて、燃料電池本体へ供給する酸化ガスの過剰率を制御することができる燃料電池車両の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、アノードに供給する燃料ガス及びカソードに供給する酸化ガス（以下、燃料ガスと酸化ガスとを合わせて反応ガスと呼ぶ）の圧力及び流量が高いほど、出力電流を多く取り出すことができる。一般に、車両用等の負荷変動が比較的大きい用途の燃料電池では、負荷増加時の出力応答性を確保するため、現在の負荷で消費される反応ガスの圧力及び流量以上の反応ガスを供給している。
【０００３】
酸化ガスとして空気中の酸素を用いる燃料電池システムでは、コンプレッサにより空気を圧縮して酸化ガスの圧力を発生させているため、必要以上の酸化ガス圧力や流量を維持することは、コンプレッサを駆動する電力が無駄になり、燃料電池システムの効率を低下させることになる。
【０００４】
燃料電池車両の従来技術として、特開平１０−２７１７０６号公報記載の「電源装置および電気自動車」がある。
この従来技術によれば、燃料電池または二次電池から供給される直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータと、燃料電池の発電出力を二次電池を充電するコンバータに供給するか、負荷に交流電力を供給するインバータに供給するかを切り替える切り替えスイッチと、を備えている。
【０００５】
そして、アクセル開度が０の低負荷時には、燃料電池の発電出力をコンバータに供給するように切り替えスイッチを切り替えて、二次電池を充電する。このとき、燃料電池からの出力電圧は、燃料電池からの出力が最大となる状態でコンバータによって昇圧されて、二次電池に供給される。
【０００６】
また、アクセル開度が大きく、モータでの負荷量が所定量以上の時には、二次電池と燃料電池との両方からインバータを介してモータに電力が供給され、負荷量が所定量より小さいときには、燃料電池だけが電力を供給する。これにより、二次電池の残存容量の悪化を防止すると共に、大きさが変動する負荷に対して常に充分な電力を供給しようとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、車両走行状態に応じて燃料電池に供給する空気の過剰率を変化させているわけではないので、走行状態が変化して負荷が低いときでも、もしくは、所望の出力がすぐに取り出せる状態にあっても、空気供給用のコンプレッサを高い回転速度で運転していたため、コンプレッサを駆動するための電力消費が大きく、燃費が向上しないという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料と酸化ガスとを用いて発電する燃料電池本体と、燃料電池本体に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池本体の発電反応で消費される酸化ガスの流量に対してストイキ比で示される倍率の流量で燃料電池本体に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、少なくとも燃料電池本体が発電する電力で駆動される走行用モータと、を備えた燃料電池車両を制御する燃料電池車両の制御装置において、車両の速度を検出する車速検出手段と、該車速検出手段が検出する車両速度と前記走行用モータに供給する電力とに基づいて車両の走行抵抗を推定する走行抵抗推定手段と、該走行抵抗推定手段が推定した走行抵抗が低ければ低いほど、前記酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスの前記ストイキ比が低くなるように制御する酸化ガス供給制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、車速とモータ供給電力に基づいて走行抵抗を推定し、この走行抵抗が低ければ低いほど、ストイキ比が低くなるように酸化ガスの供給を制御する構成としたため、燃料電池の負荷応答性を確保しながら、酸化ガス供給装置を駆動する動力を低減し、燃料電池車両の燃費を向上することができるという効果がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態である制御装置を備えた燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。図１において、燃料電池車両１は、燃料電池本体２と、燃料電池本体２へ燃料ガスである水素を供給する水素供給装置３と、燃料電池本体２へ酸化ガスである空気を供給するコンプレッサ４と、二次電池５と、燃料電池本体２で発電した直流電力または二次電池５の直流電力を交流電力に変換するＤＣ／ＡＣインバータ６と、燃料電池本体２で発電した電圧を変換して二次電池５を充電するＤＣ／ＤＣコンバータ７と、ＤＣ／ＡＣインバータ６からの交流電力で駆動される走行用モータ８と、走行用モータ８の回転速度を減速するとともに左右の駆動輪に分配する差動装置９と、差動装置９から駆動輪に駆動力を伝える駆動軸１０と、駆動軸１０により回転駆動される駆動輪１１と、駆動軸１０の回転速度を検出する車速センサ１２と、アクセルペダル１３と、アクセルセンサ１４と、燃料電池本体２の出力電圧を検出する電圧センサ１５と、燃料電池本体２の出力電流を検出する電流センサ１６と、二次電池５の充電状態を検出する充電状態検出装置１７と、車両及び燃料電池システム全体を制御する制御装置１８とを備えている。
【００１１】
燃料電池本体２は、電解質として固体高分子電解質（例えば、パーフルオロカーボンスルフォン酸）膜を備えた高分子電解質型の燃料電池セルを数百積層した燃料電池スタックである。
【００１２】
燃料電池本体２は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟持して備え、アノードへは水素供給装置３から燃料ガスとしての水素ガスを供給し、カソードへはコンプレッサ４から酸化ガスとしての空気を供給する。
【００１３】
そして、燃料電池本体２は、アノード，カソードの両電極において以下に示す電気化学反応が生じる。
【化１】
アノード：２Ｈ２　→４Ｈ＋　＋４ｅ−　　　　　　　…▲１▼
カソード：４Ｈ＋　＋４ｅ−　＋Ｏ２　→２Ｈ２Ｏ　　　　…▲２▼
【００１４】
アノードに水素ガスが供給されると、▲１▼の反応式が進行して水素が水素イオンと電子に解離する。アノードで生成した水素イオンは、Ｈ＋　（ｘＨ２Ｏ）の水和状態で固体高分子電解質膜を透過（拡散）してカソードに至る。また電子は、アノードから外部回路（ＤＣ／ＡＣインバータ６、ＤＣ／ＤＣコンバータ７）を通って、カソードに至る。
【００１５】
カソードに酸化ガス含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは▲２▼の反応式が進行する。この▲１▼，▲２▼の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を呈することになる。本実施形態では、燃料電池本体２で発電した電力をＤＣ／ＡＣインバータ６で交流電力に変換して走行用モータ８を駆動させる。
【００１６】
水素供給装置３は、例えば、高圧水素ガスタンクや水素吸蔵合金タンクに水素を貯蔵し、制御装置１８からの指令に従って、水素ガスの圧力及び流量を制御して燃料電池本体２に供給する装置である。
【００１７】
コンプレッサ４は、図示しないエアフィルタにより濾過した空気を圧縮して酸化ガスとして燃料電池本体２へ供給する酸化ガス供給装置である。本実施形態ではコンプレッサ４にサーボ回路を有し、制御装置１８が計算したコンプレッサ回転速度指令値［ｒｐｍ］　をシリアル通信などでコンプレッサ４に送信し、コンプレッサ４は、その回転速度指令値［ｒｐｍ］　に従った回転速度で動作するものとする。
【００１８】
さらに、コンプレッサ４は、回転駆動用のモータを内蔵し、このモータは二次電池５から供給される電力により駆動される。そして、コンプレッサ４の駆動用電力を削減することは、燃料電池車両１の燃費を向上させることになる。
【００１９】
二次電池５は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等を用いた二次電池であり、燃料電池の起動時に電力を供給したり、燃料電池の出力が不足する場合、不足電力を駆動用に供給する。また充電状態検出装置１７が充電可能と判断した場合、燃料電池本体２の出力の余裕分や、走行用モータ８の回生電力により充電される。
【００２０】
ＤＣ／ＡＣインバータ６は、二次電池５の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧した直流電圧または燃料電池本体２の発電電圧を走行用モータ８に供給する交流電圧に変換するものである。また特に限定されないが、本実施形態では、車両制動時に走行用モータ８でエネルギー回生した回生交流電力を整流する整流回路を内蔵している。この内蔵整流回路で整流された直流電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して二次電池５を充電したり、コンプレッサ４を含む燃料電池補機の駆動用電力として利用することができる。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、燃料電池本体２の発電電圧、または走行用モータ８の回生電圧を整流した電圧を二次電池５の電圧に降圧して二次電池５を充電したり、燃料電池本体２の発電電力が不足する場合二次電池５の電圧を昇圧してＤＣ／ＡＣインバータ６へ供給する。
【００２２】
走行用モータ８は、例えば永久磁石型の３相同期モータであり、ＤＣ／ＡＣインバータ６から供給される交流電流で回転駆動される。走行用モータとしては、同期モータの他に、誘導モータ、リラクタンスモータ等の交流モータが利用できる。また交流モータに限らず、整流子やブラシの保守が容易に行えれば、直流モータを走行用モータに使用してもよい。この場合、ＤＣ／ＡＣインバータ６に代えて、直流制御回路が設けられる。尚、単一の走行用モータ８と差動装置９及び駆動軸１０に代えて、各駆動輪１１毎にホイールインモータを配設しても良い。
【００２３】
車速センサ１２は、駆動軸１０の回転速度を検出するセンサであり、例えば、駆動軸１０に固着されて駆動軸と一体となって回転する歯車と、車体側に固着され、この歯車の山谷形状を検出する素子を用いて、駆動軸の回転速度に比例した周波数のパルス信号を出力する。このパルス信号は、制御装置１８の後述する車速・モータ回転速度演算部２１へ入力され、車速、モータ回転速度の算出に利用される。
【００２４】
アクセルセンサ１４は、アクセルペダル１３の操作量（踏込量）を検出するセンサであり、レーザ変位計やポテンショメータ等を使用可能である。
【００２５】
電圧センサ１５は、燃料電池本体２の出力電圧（スタック電圧）を検出し、電流センサ１６は、燃料電池本体２の出力電流を検出する。これら電圧センサ１５、電流センサ１６の各検出値の積は、燃料電池の発電（出力）電力となる。
【００２６】
充電状態検出装置１７は、二次電池５の充電状態（ＳＯＣ）を検出して制御装置１８へ出力する装置である。
【００２７】
制御装置１８は、燃料電池の発電電力を演算する発電電力演算部２０と、車速センサ１２が検出したパルス信号に基づいて、車速［ｋｍ／ｈ］及びモータ回転速度［ｒｐｍ］　を演算する車速・モータ回転速度演算部２１と、アクセルセンサ１４が検出したアナログアクセル操作量をデジタルアクセル操作量に変換するアクセル操作量変換部２２と、車速及びアクセル操作量に基づいて燃料電池の目標発電量［ｋＷ］を演算する目標発電量演算部２３と、車速と目標発電量に基づいて走行抵抗［Ｎ］　を推定する走行抵抗推定部２４と、走行抵抗推定部２４が推定した走行抵抗が低ければ低いほど、コンプレッサ４から燃料電池本体２へ供給する空気の過剰率が低くなるように制御する空気供給制御部２５とを備えている。
【００２８】
制御装置１８は、特に限定されないが、本実施形態においては、ＣＰＵとメモリと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２９】
車速・モータ回転速度演算部２１は、車速センサ１２から入力したパルス信号に基づいて、歯車の歯数と、駆動輪の回転動半径から車速、車両の加速度を演算する。また、車速・モータ回転速度演算部２１は、差動装置９のディファレンシャルギヤ比とファイナルドライブギヤ比からモータ回転速度を算出する。
【００３０】
目標発電量演算部２３は、アクセル操作量変換部２２の出力であるデジタルアクセル操作量から要求されたトルクを算出し、トルクからモータ軸出力を算出し、モータ軸出力から燃料電池の目標発電量を算出する。トルク［Ｎｍ］の算出には、図３に示すようなトルク×アクセルペダルストロークマップを用いる。モータ軸出力［ｋＷ］の算出には、図４に示すようなモータ軸出力×モータ軸トルク×モータ回転速度マップを用いる。燃料電池の目標発電量［ｋＷ］は、モータ軸出力を効率η（η＝ＤＣ／ＡＣインバータ効率ηｉ　×モータ効率ηｍ　）で割って算出する。
【００３１】
空気供給制御部２５は、車速・モータ回転速度演算部２１が演算した車速と走行抵抗推定部２４が推定した走行抵抗［Ｎ］　に基づいて、コンプレッサ４から燃料電池本体２へ供給する空気のストイキ比（ＳＲ）を演算するストイキ比演算部２６と、このストイキ比と目標発電量演算部２３からの目標発電量に基づいて目標コンプレッサ回転速度［ｒｐｍ］　を演算する目標コンプレッサ回転速度演算部２７と、を備えている。
【００３２】
ここで酸化ガスまたは空気のストイキ比（ＳＲ）とは、ある発電量の電流を発電するのに燃料電池本体で消費する酸化ガス（空気）の流量Ｑｃｏｎ　に対して、燃料電池本体へ供給する酸化ガス（空気）の流量Ｑｓｕｐ　がどれだけ過剰かを次の式（１）で示すものである。このストイキ比は、酸化ガス利用率（空気利用率）の逆数である。
【００３３】
【数１】
ＳＲ＝Ｑｓｕｐ／Ｑｃｏｎ　　　　　　　…（１）
また、Ｑｃｏｎ　は、発電電流値を１秒当たりの酸化ガス当量に換算した値に、スタックを構成するセル数を乗じて算出される。
【００３４】
走行抵抗推定部２４が推定する車両の走行抵抗は、以下のようにして求められる。車両の走行抵抗Ｆは、転がり摩擦抵抗Ｆｒ　、空気抵抗Ｆｗ　、登坂抵抗Ｆｃ　の３つの和となり、式（２）で示される。
【００３５】
【数２】
Ｆ＝Ｆｒ　＋Ｆｗ　＋Ｆｃ　　　　　…（２）
ただし、転がり摩擦抵抗Ｆｒ　：Ｆｒ　＝μｍｔｇ（ｇ：重力加速度、９．８［ｍ／ｓ２］、μ：転がり摩擦係数、ｍｔ：車両総質量［ｋｇ］）、
空気抵抗Ｆｗ　：Ｆｗ　＝ρＣｄＳｖ２／２（ｖ：車速［ｍ／ｓ］、ρ：空気密度［ｋｇ／ｍ３］、Ｓ：前面投影面積［ｍ２］、Ｃｄ：空気抵抗係数）、
登坂抵抗Ｆｃ　：Ｆｃ　＝ｍｔｇ　ｓｉｎθ（θ：斜度［ｒａｄ］）。
【００３６】
これより、モータ出力Ｐｍ　［Ｗ］は、パワートレインのギヤ効率ηｔ　とすれば、式（３）となる。
【００３７】
【数３】
Ｐｍ　×ηｔ＝（Ｆ＋Ｆａ　）×ｖ　　　　…（３）
ここで、加速力Ｆａ　：Ｆａ　＝（ｍｔ＋ｍｎ）α（α：加速度［ｍ／ｓ２］、ｍｎ：車両回転部分相当質量［ｋｇ］）。
【００３８】
式（３）より、式（４）が成り立つ。
【００３９】
【数４】
Ｆａ×ｖ＝Ｐｍ×ηｔ−Ｆ×ｖ　　　　　…（４）
言い換えれば、走行用モータによる駆動力は、転がり摩擦抵抗Ｆｒ　、空気抵抗Ｆｗ　及び登坂抵抗Ｆｃ　からなる走行抵抗に打ち勝って、車両を加速度αで加速する加速力Ｆａ　を発生する。もちろん駆動力より走行抵抗が大きければ、αは負の値となって車速は減速する。
【００４０】
また、二次電池５の充放電を行わないとした場合、モータ出力Ｐｍ　は、燃料電池本体２の発電出力をＰｆ　［Ｗ］、ＤＣ／ＡＣインバータの電力変換効率をηｉ　、モータ効率をηｍ　とすれば、式（５）となる。
【数５】
Ｐｍ　＝Ｐｆ　×ηｉ　×ηｍ　　　　　　…（５）
【００４１】
式（５）を式（３）に代入すると、式（６）が得られる。
【数６】
Ｐｆ　×ηｉ　×ηｍ　×ηｔ＝（Ｆ＋Ｆａ　）×ｖ
Ｆ＝（Ｐｆ　×ηｉ　×ηｍ　×ηｔ）／ｖ−Ｆａ
Ｆ＝（Ｐｆ　×ηｉ　×ηｍ　×ηｔ）／ｖ−（ｍｔ＋ｍｎ）α
Ｆ＝Ｐｆ　×η／ｖ−（ｍｔ＋ｍｎ）α　　　　…（６）
ここで、効率η＝ηｉ　×ηｍ　×ηｔ　とする。
【００４２】
従って、車速センサ１２の検出値に基づいて、車速ｖ［ｍ／ｓ］及び加速度α［ｍ／ｓ２］を求め、発電出力Ｐｆ　［Ｗ］を電圧センサ１５と電流センサ１６の各検出値の積とすれば、上記ｍｔ　、ｍｎ、η（ηｔ　、ηｉ　、ηｍ　）を既知として、式（６）により、走行抵抗Ｆ［Ｎ］を求めることができる。
【００４３】
また、走行抵抗の算出には、たとえば図７のように車速と目標発電量（または燃料電池出力）［ｋｗ］から、走行抵抗を演算するマップを用いて、走行抵抗を算出してもよい。
【００４４】
また、ストイキ比演算部２６によるストイキ比の算出には、図８に示すように、車速（発電電力）が高ければ高いほどストイキ比を下げず、且つ走行抵抗が低ければ低いほどストイキ比を下げるマップを使用する方法や、図９に示すように、走行抵抗が低くなったときには、ストイキ比をある最低値以下に下げないように制御する方法がある。
【００４５】
目標コンプレッサ回転数演算部２７は、目標発電量演算部２３が算出した目標発電量で消費される必要空気流量を算出し、この必要空気流量にストイキ比演算部２６で算出されたストイキ比を乗じた値を目標空気流量とする。次いで、図１３のようなマップを用いて、目標空気流量から目標コンプレッサ回転速度を算出し、目標コンプレッサ回転速度を制御目標としてコンプレッサ４へ出力する。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態における制御装置１８の動作を詳細に説明する。尚、以下のフローチャート中に、二本の平行線（＝）で示す記号は、並列処理記号（ＪＩＳ　Ｘ０１２１参照）であり、コントローラ１５がマルチプロセッサ構成であれば並列処理できることを示す。コントローラ１５がシングルプロセッサの場合、並列処理可能なステップ同士の処理順序は任意である。
【００４７】
図２において、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０のアクセル操作量演算部と、Ｓ２０の車速・加速度・モータ回転速度演算部、Ｓ３０の発電電力演算部が並列に処理可能である。
【００４８】
Ｓ１０のアクセル操作量演算部は、アクセルセンサ１４から入力したアナログアクセル開度をデジタルアクセル開度に変換する。たとえば、アクセルペダル１３の操作量０〜１０［ｃｍ］（０〜１００％）が０〜５［Ｖ］というアナログ値になるようにアクセルセンサ１４を取り付ける。そしてアクセル操作量変換部２２が、たとえば８ｂｉｔの分解能をもつとき、アクセル操作量０〜１０［ｃｍ］は、０〜２５５という値になり、０．０３９ｃｍ／ｂｉｔの分解能でアクセル操作量を取り込むことが出来る。
【００４９】
Ｓ２０の車速・加速度・モータ回転速度演算部は、車速センサ１２から入力した車速パルスに基づいて、車両の速度である車速、車速の時間変化である車両の加速度、車速及びギア比から走行用モータ８の回転速度を演算する。Ｓ３０の発電電力演算部３０は、電圧センサ１５及び電流センサ１６から入力した燃料電池本体２の発電電圧及び発電電流をデジタル変換し、これらを乗算して燃料電池の発電電力を算出する。
【００５０】
Ｓ１０及びＳ２０が終了すると、Ｓ４０の目標発電量演算部が実行可能となる。目標発電量演算部は、Ｓ１０で算出したアクセル操作量に基づいて要求トルクを算出し、この要求トルクと、Ｓ２０で算出したモータ回転速度に基づいて、モータ軸出力を算出する。そしてモータ軸出力を効率で除算して燃料電池の目標発電量を算出する。
【００５１】
Ｓ２０及びＳ３０が終了すると、Ｓ５０の走行抵抗演算部が実行可能となる。走行抵抗演算部は、Ｓ２０で算出した車速・加速度と、Ｓ３０で算出した燃料電池の発電電力に基づいて、車両の走行抵抗を推定する。走行抵抗の推定には、上記の式（６）や、図７に示すようなマップを利用する方法がある。
【００５２】
Ｓ５０の走行抵抗の推定が終了すると、Ｓ６０のストイキ比演算部が実行可能となる。ストイキ比演算部は、Ｓ２０で算出された車速と、Ｓ５０で算出された走行抵抗に基づいて、目標発電量を当量換算した空気（酸化ガス）量の何倍の空気（酸化ガス）量を目標空気（酸化ガス）量として供給するかを示すストイキ比を算出する。この算出には、例えば図８に示すようなマップを参照して、車速が高ければ高いほど、酸化ガス供給装置から燃料電池本体に供給する酸化ガスのストイキ比が低くなるように制御するとともに、走行抵抗が低ければ低いほど、前記ストイキ比が低くなるように制御する。また、図９のようなマップを使用して、走行抵抗が低くなったときには、ストイキ比をある最低値以下に下げないように制御してもよい。
【００５３】
さらに、ストイキ比演算部は、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）と車速に応じてストイキ比ＳＲを変更する、図１２のマップを用いることができる。燃料電池本体６の出力を補う二次電池５を備えたシステムでは、二次電池５のＳＯＣが高ければ高いほど、二次電池５からＤＣ／ＤＣコンバータ７及びＤＣ／ＡＣインバータ６を介して走行用モータ８へ大きい電力を供給可能である。従って、図１２のマップは、車速が高ければ高いほどストイキ比を下げるとともに、二次電池５のＳＯＣが高ければ高いほど、二次電池５から過渡的に供給する電力を大きくできるので、ＳＯＣが高ければ高いほどストイキ比を小さくしている。
【００５４】
Ｓ４０及びＳ６０が終了すると、Ｓ７０の目標コンプレッサ回転速度演算部が実行可能となる。Ｓ７０では、Ｓ４０で算出した目標発電量を空気の当量換算した流量に、Ｓ６０で算出したストイキ比を乗じた目標空気流量を算出し、この目標空気流量が得られるコンプレッサ４の回転速度を図１３に示すマップ等を参照して算出する。そして算出した回転速度を目標回転速度としてコンプレッサ４へ出力する。
【００５５】
以上説明した第１実施形態によれば、車速とモータ供給電力に基づいて走行抵抗を推定し、この走行抵抗が低ければ低いほど、ストイキ比が低くなるように酸化ガスの供給を制御する構成としたため、燃料電池の負荷応答性を確保しながら、酸化ガス供給装置を駆動する動力を低減し、燃料電池車両の燃費を向上することができるという効果がある。
【００５６】
また、車両速度または発電電力が所定値以下の場合には、走行抵抗が低くてもストイキ比を低下させないように制御するので、燃料電池の発電出力が低出力のとき、燃料電池本体に供給する酸化ガスの流量を確保することができ、カソード（酸化剤極）及び酸化ガス通路に水滴が付着して発電性能が低下することを防止できる。
【００５７】
また、推定した走行抵抗が所定値以下に低下したときには、酸化ガスのストイキ比を所定値以下に低下させないように制御するので、急激な過渡応答にも対応でき、加速力が不十分になる可能性がなくなる。
【００５８】
さらに、燃料電池出力を補う二次電池を備えたシステムでは、二次電池の充電状態（ＳＯＣ）に応じて、効率よくストイキ比を調整する構成にしたため、ドライバ発電要求を満足しながら、コンプレッサ回転数を抑制できるため、走行性能を低下させることなく、燃費の向上が行える。
【００５９】
〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態の制御装置の構成を説明する制御ブロック図である。第２実施形態は、アクセル操作特性とストイキ比の最低値との関係を学習して、ストイキ比を制御する実施形態である。尚、本実施形態における制御装置以外の燃料電池システムの構成要素は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００６０】
図３の制御装置１８には、第１実施形態の制御装置に対して、アクセル操作特性分類部２８と、ストイキ比最低値記憶部２９と、学習制御部３０とが追加されている。その他の制御装置の構成要素は、図１の第１実施形態と同様である。
【００６１】
第１実施形態と同様に、制御装置１８は、特に限定されないが、本実施形態においては、ＣＰＵとメモリと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００６２】
アクセル操作特性分類部２８は、アクセル操作量変換部２２から出力されるデジタルアクセル操作量を時系列に一時記憶し、記憶したアクセル操作量の時系列パターンの特徴を抽出し、この特徴に基づいて、アクセル操作特性を分類する。
【００６３】
アクセル操作量の時系列的な一時記憶は、例えば、運転者がアクセルペダル１３を踏み込んでアクセル操作量に増加が検出されたとき毎に、変化前のアクセル操作量から変化後の準定常状態のアクセル操作量に達するまでの一定サンプリング時間（例えば、１［ｍｓ］）毎のデジタルアクセル操作量を記憶する。次いで、一定時間（例えば、５分）に、前記一時記憶を読み出して、アクセル操作毎の立ち上がり時間を算出し、この立ち上がり時間をアクセル操作特性を分類するパラメータとする。
【００６４】
例えば、０〜０．２［ｓｅｃ］、０．２〜０．４［ｓｅｃ］、０．４〜０．８［ｓｅｃ］、０．８［ｓｅｃ］〜、というように、アクセル操作の立ち上がり時間に複数のレンジを設ける。そして、アクセルセンサ１４から入力されたアクセル操作量の立ち上がり時間がいずれのレンジに該当するかを判断して、アクセル操作特性を分類したり、アクセル操作が速いか遅いかを判断する。
【００６５】
アクセル操作の立ち上がり時間の例を図１４（ａ）に示す。例えば、一般道における発進加速パターン（実線）は、アクセル開度が０％から４０％まで比較的緩慢な立ち上がり時間ｔ１で変化する。一般道追い越しパターン（一点鎖線）では、アクセル開度が３０％から７０％まで、比較的速い立ち上がり時間ｔ２で変化する。高速道パターン（破線）では、アクセル開度が４５％から１００％まで速い立ち上がり時間ｔ３で立ち上がる。
【００６６】
ここで、アクセル操作の立ち上がり時間は、アクセルの踏み込み開始時と踏み込み終了時の操作特性のバラツキの影響を減少するため、図１４（ｂ）に示すようにアクセル操作変化前のアクセル開度とアクセル操作変化後のアクセル開度との差を相対アクセル開度１００％として、相対アクセル開度が１０％から９０％までの変化時間ｔとする。
【００６７】
アクセル操作特性を分類するパラメータとしては、立ち上がり時間の他に、アクセル操作速度、即ち図１４グラフの傾きで示される、単位時間当たりのアクセル開度の増加率とすることもできる。
【００６８】
アクセル操作の立ち上がり時間のパターンは、図１４のように車両の走行状態によっても異なるが、運転者によっても異なることは明らかである。いずれにしても、アクセル操作の立ち上がり時間が短いときには、燃料電池出力に素早い立ち上がりが要求されるので、走行抵抗が低くてもストイキ比を下げる最低限界を設定し、素早いアクセル操作に応じられる酸化ガス過剰率を確保する。
【００６９】
ストイキ比最低値記憶部２９は、アクセル操作特性を示すアクセル操作立ち上がり時間のレンジ毎に、車速と走行抵抗に対するストイキ比の最低値を記憶するものである。
【００７０】
学習制御部３０は、アクセルセンサ１４からアクセル操作の変化が入力される毎に、目標コンプレッサ回転速度演算部２７から実際のストイキ比の変化を収集する。そして、アクセル操作特性の分類であるアクセル操作立ち上がり時間のレンジ毎に、車速と走行抵抗に対するストイキ比の最低値がいくら確保されていれば、アクセル操作に応じた燃料電池の出力応答が得られるかを学習し、この学習結果でストイキ比最低値記憶部２９の記憶内容を更新する学習制御を行う。
【００７１】
尚、学習制御部３０を除去し、ストイキ比最低値記憶部２９をＲＯＭ等の固定記憶とする簡易型の構成も可能である。この場合には、アクセル操作特性の学習を行わずに、アクセル操作の立ち上がり時間のレンジ毎に、ストイキ比最低値をストイキ比最低値記憶部２９から読み出して使用する。
【００７２】
次に、図４のフローチャートを参照して、第２実施形態における制御装置１８の動作を詳細に説明する。図４において、まず、Ｓ１０のアクセル操作量演算部と、Ｓ２０の車速・加速度・モータ回転速度演算部、Ｓ３０の発電電力演算部が並列に処理可能である。
【００７３】
Ｓ１０のアクセル操作量演算部は、アクセルセンサ１４から入力したアナログアクセル開度をデジタルアクセル開度に変換する。Ｓ２０の車速・加速度・モータ回転速度演算部は、車速センサ１２から入力した車速パルスに基づいて、車速、車両の加速度、走行用モータ８の回転速度を演算する。Ｓ３０の発電電力演算部３０は、電圧センサ１５及び電流センサ１６から入力した燃料電池本体２の発電電圧及び発電電流をデジタル変換し、これらを乗算して燃料電池の発電電力を算出する。
【００７４】
Ｓ１０が終了すると、Ｓ８０のアクセル操作特性分類部が実行可能となる。Ｓ８０のアクセル操作特性分類部は、Ｓ１０のアクセル操作量変換部２２が変換したデジタルアクセル操作量を時系列に一時記憶し、記憶したアクセル操作量の時系列パターンの特徴を抽出し、この特徴に基づいて、アクセル操作特性を分類する。
【００７５】
アクセル操作量の時系列的な一時記憶は、例えば、運転者がアクセルペダル１３を踏み込んでアクセル操作量に増加が検出されたとき毎に、変化前のアクセル操作量から変化後の準定常状態のアクセル操作量に達するまでの一定サンプリング時間（例えば、１［ｍｓ］）毎のデジタルアクセル操作量を記憶する。次いで、一定時間（例えば、５分）に、前記一時記憶を読み出して、アクセル操作毎の立ち上がり時間を算出し、この立ち上がり時間をアクセル操作特性を分類するパラメータとする。
【００７６】
次いで、Ｓ９０のストイキ比最低値学習部は、アクセル操作特性を示すアクセル操作立ち上がり時間のレンジ毎に、車速と走行抵抗に対する実際に必要とされたストイキ比の値をストイキ比最低値として学習する。
【００７７】
Ｓ１００のストイキ比最低値記憶部は、ストイキ比最低値学習部が学習したストイキ比最低値でストイキ比最低値記憶の記憶内容を更新する。
【００７８】
Ｓ１０及びＳ２０が終了すると、Ｓ４０の目標発電量演算部が実行可能となる。目標発電量演算部は、Ｓ１０で算出したアクセル操作量に基づいて要求トルクを算出し、この要求トルクと、Ｓ２０で算出したモータ回転速度に基づいて、モータ軸出力を算出する。そしてモータ軸出力を効率で除算して燃料電池の目標発電量を算出する。
【００７９】
Ｓ２０及びＳ３０が終了すると、Ｓ５０の走行抵抗演算部が実行可能となる。走行抵抗演算部は、Ｓ２０で算出した車速・加速度と、Ｓ３０で算出した燃料電池の発電電力に基づいて、車両の走行抵抗を推定する。走行抵抗の推定には、上記の式（６）や、図７に示すようなマップを利用する方法がある。
【００８０】
Ｓ１００のストイキ比最低値記憶部、Ｓ４０の目標発電量演算部、及びＳ５０の走行抵抗の推定が終了すると、Ｓ１１０のストイキ比演算部が実行可能となる。Ｓ１１０のストイキ比演算部は、Ｓ２０で算出された車速と、Ｓ５０で算出された走行抵抗と、Ｓ１００で記憶されたストイキ比最低値とに基づいて、目標発電量を当量換算した空気（酸化ガス）量の何倍の空気（酸化ガス）量を目標空気（酸化ガス）量として供給するかを示すストイキ比を算出する。
【００８１】
この算出には、まず車速と走行抵抗からストイキ比を図８のようなマップを参照して求め、次いでストイキ比最低値とマップから求めたストイキ比とを比較し、ストイキ比がストイキ比最低値以下であれば、ストイキ比をストイキ比最低値とする。
【００８２】
Ｓ４０及びＳ１１０が終了すると、Ｓ７０の目標コンプレッサ回転速度演算部が実行可能となる。Ｓ７０では、Ｓ４０で算出した目標発電量を空気の当量換算した流量に、Ｓ１１０で算出したストイキ比を乗じた目標空気流量を算出し、この目標空気流量が得られるコンプレッサ４の回転速度を図１３のようなマップを参照して算出する。そして算出した回転速度を目標回転速度としてコンプレッサ４へ出力する。
【００８３】
以上説明した第２実施形態によれば、図１０、図１１のように、アクセル操作速度が速いときには、走行抵抗が低くてもストイキ比をある程度以下に下げないように制御することができる。
【００８４】
このように本実施形態によれば、アクセル操作特性のパターン毎にストイキ比最低値を設定するので、アクセルワークが機敏なドライバ、もしくは、機敏な操作を要求されるような走行環境でも、加速性能を確保することができる。
【００８５】
さらに、アクセル操作特性から要求されるストイキ比を学習して、ストイキ比最低値を設定することができるので、必要な加速特性を確保しながらさらに酸化ガス供給装置の消費電力を低減し、更なる燃費の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における燃料電池車両の概略構成を例示するブロック図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３】第２実施形態における燃料電池車両の制御装置の要部ブロック図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】アクセル開度に対する要求トルクのマップ図である。
【図６】モータ回転速度に対するモータ軸トルク、モータ軸出力の例を示すマップ図である。
【図７】車速に対するモータ出力、駆動力、走行抵抗のマップ図の例である。
【図８】車速（発電電力）及び走行抵抗に対するストイキ比の例を示すマップ図である。
【図９】ストイキ比の最低値を設けた場合の車速（発電電力）及び走行抵抗に対するストイキ比の例を示すマップ図である。
【図１０】アクセル操作速度によるストイキ比最低値を設けた場合の、車速（発電電力）、走行抵抗に対するストイキ比のマップ図の例である。
【図１１】アクセル操作速度によるストイキ比最低値を設けた場合の、車速（発電電力）、走行抵抗に対するストイキ比のマップ図の別の例である。
【図１２】車速（発電電力）、ＳＯＣに対するストイキ比のマップ図である。
【図１３】目標空気流量に対するコンプレッサ回転速度のマップ図である。
【図１４】（ａ）各種走行条件によるアクセル操作時間の例を示すタイムチャートである。
（ｂ）アクセル操作時間の定義例を説明するタイムチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池車両
２　燃料電池本体
３　水素供給装置
４　コンプレッサ
５　二次電池
６　ＤＣ／ＡＣインバータ
７　ＤＣ／ＤＣコンバータ
８　走行用モータ
９　差動装置
１０　駆動軸
１１　駆動輪
１２　車速センサ
１３　アクセルペダル
１４　アクセルセンサ
１５　電圧センサ
１６　電流センサ
１７　充電状態検出装置
１８　制御装置
２０　発電電力演算部
２１　車速・モータ回転速度演算部
２２　アクセル操作量演算部
２３　目標発電量演算部
２４　走行抵抗推定部
２５　空気供給制御部
２６　ストイキ比演算部
２７　目標コンプレッサ回転速度演算部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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