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JP2004248432A - 駆動装置およびこれを備える自動車 - Google Patents

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JP2004248432A
JP2004248432A JP2003036757A JP2003036757A JP2004248432A JP 2004248432 A JP2004248432 A JP 2004248432A JP 2003036757 A JP2003036757 A JP 2003036757A JP 2003036757 A JP2003036757 A JP 2003036757A JP 2004248432 A JP2004248432 A JP 2004248432A
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drive
capacitor
braking force
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Tetsuhiro Ishikawa
哲浩 石川
Hiroshi Yoshida
寛史 吉田
Hitoshi Sato
仁 佐藤
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Toyota Motor Corp
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Abstract

【課題】燃料電池を接続する際に生じ得る突入電流の発生を防止すると共に燃料電池の運転効率を高く維持する。
【解決手段】燃料電池３０からキャパシタ３２への充電が可能な方向にダイオード５８を設け、使用電圧の最大値が燃料電池３０の開放端子間電圧より高いキャパシタ３２を燃料電池３０に並列接続し、モータ３６の制御やキャパシタ３２の端子間電圧に拘わらず、遮断器５６による燃料電池３０の遮断は行なわない。そして、モータ３６を回生制御する際に、キャパシタ３２の端子間電圧が開放端子間電圧近傍のときにはモータ３６による回生電力が大きくなるよう制御する。この結果、遮断された燃料電池３０を接続する際に生じ得る突入電流の発生を防止することができると共に燃料電池３０の運転効率の低い領域を短時間で通過することにより燃料電池３０の運転効率を高く維持することがことができる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、駆動装置およびこれを備える自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の駆動装置として、電動機を駆動する駆動回路に電圧変換器を介さずに燃料電池，二次電池，大容量コンデンサ，電気分解装置を並列接続すると共に燃料電池と二次電池とを駆動回路から切り離す第１スイッチおよび電気分解装置を切り離す第２スイッチを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、通常運転時には第１スイッチがオンで第２スイッチがオフの状態とされており、電動機が回生制御されるときには、第１スイッチをオフとして燃料電池と二次電池とを駆動回路から切り離して回生電力により大容量コンデンサを充電し、大容量コンデンサの端子間電圧が二次電池の端子間電圧を上回ると第２スイッチをオンとして大容量コンデンサからの電力や回生電力を用いて電気分解装置により水を電気分解する。そして、水の電気分解により得られる水素と酸素を燃料電池の燃料として用いている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２５３４０９号公報（図１，図２，第４頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした駆動装置では、電動機が回生制御される毎に第１スイッチをオフとして燃料電池と二次電池とを切り離す必要があり、電動機の回生制御が頻繁に行なわれるときには制御が複雑になると共に第１スイッチの負荷も大きくなる。
【０００５】
また、この駆動装置では、二次電池や電気分解装置を備えることから、装置が大型化すると共に複雑なものとなる。装置の小型化やシンプル化を図るために二次電池や電気分解装置のない装置を考えると、第１スイッチにより燃料電池を切り離した後に再び接続するときに、大容量コンデンサの端子間電圧によっては燃料電池に大電流が流れる場合が生じる。こうした大電流はスイッチの寿命を低下させるなどの不都合を招いてしまう。
【０００６】
本発明の駆動装置およびこれを備える自動車は、電動機を駆動する駆動回路に電圧変換器を介さずに並列接続された燃料電池と充放電手段とを有する駆動装置およびこの駆動装置を備える自動車において、燃料電池に予期しない大電流が流れないようにすることを目的の一つとする。また、本発明の駆動装置は、電動機を駆動する駆動回路に電圧変換器を介さずに並列接続された燃料電池と充放電手段とを備える駆動装置およびこの駆動装置を備える自動車において、燃料電池を駆動回路から遮断する遮断手段の劣化を抑制することを目的の一つとする。さらに、本発明の駆動装置は、電動機を駆動する駆動回路に電圧変換器を介さずに並列接続された燃料電池と充放電手段とを備える駆動装置およびこの駆動装置を備える自動車において、燃料電池の運転効率を高く維持することを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の駆動装置およびこれを備える自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明の駆動装置は、
駆動軸に動力を入出力可能な駆動装置であって、
前記駆動軸に動力を入出力する電動機と、
該電動機を駆動制御する駆動回路と、
該駆動回路に電圧変換器を介さずに接続された燃料電池と、
該燃料電池に並列接続され、充放電が可能で満充電時の電圧が前記燃料電池の開放端子電圧より高い電圧となるよう使用電圧が設定された少なくとも一つのキャパシタを有する充放電手段と、
前記燃料電池から前記充放電手段への充電が可能な方向に取り付けられたダイオードと、
前記駆動軸への要求動力に基づいて前記電動機が駆動されるよう前記駆動回路を制御する駆動制御手段と、
を備えることを要旨とする
【０００９】
この本発明の駆動装置では、電動機が回生制御される際には、得られる回生電力は満充電時の電圧が燃料電池の開放端子電圧より高い電圧となるよう使用電圧が設定された少なくとも一つのキャパシタを有する充放電手段に充電される。このとき、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子電圧より高くなる場合も生じるが、燃料電池から充放電手段への充電が可能な方向に取り付けられたダイオードの存在により、燃料電池に逆電流が流れることはない。この結果、電動機の回生制御の際に燃料電池を駆動回路から切り離す必要がない。また、本発明の駆動装置では、こうした電動機の回生制御の後に電動機が力行制御される際には、電動機は、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子間電圧より高いときには充放電手段からの出力により駆動され、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子間電圧に低下した後は燃料電池と充放電電圧とからの出力により駆動される。この結果、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子間電圧より低い電圧のときに燃料電池が接続されることによって生じ得る燃料電池に大電流が流れる現象を回避することができる。
【００１０】
こうした本発明の駆動装置において、前記充放電手段の端子間電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際に前記電圧検出手段により検出された端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧と該開放端子間電圧より低い所定電圧との間の電圧のときには前記電動機による回生電力が大きくなるよう前記駆動回路を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子間電圧と所定電圧との間の電圧となる状態を迅速に通り過ぎることができるから、開放端子間電圧と所定電圧との間の電圧で運転したときに比較的運転効率がよくないタイプの燃料電池を用いる場合には、燃料電池の運転効率の低下を抑制すること、即ち燃料電池の運転効率の向上を図ることができる。この態様の本発明の駆動装置において、機械的な作用により前記駆動軸に制動力を付与可能な制動力付与手段を備え、前記駆動制御手段は、前記駆動軸への要求動力が制動力のときには要求動力を前記電動機の回生制御による第１の制動力と前記制動力付与手段による第２の制動力とに分配して該第１の制動力と該第２の制動力とが前記駆動軸に作用するよう前記駆動回路と前記制動力付与手段とを制御し、前記電動機が回生制御される際に前記電圧検出手段により検出された端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧を含む所定の範囲の電圧のときには前記第１の制動力が大きくなるよう調整することにより前記電動機による回生電力が大きくなるよう制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、駆動軸に付与する制動力を変更することなく回生電力を大きくすることができる。
【００１１】
また、本発明の駆動装置において、前記燃料電池を前記駆動回路から遮断可能な遮断手段を備え、前記駆動制御手段は前記電動機による前記駆動軸への動力の入出力の際に前記燃料電池が前記駆動回路から遮断されないよう前記遮断手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、遮断手段の負荷が大きくなることによる遮断手段の劣化を抑制することができる。この態様の本発明の駆動装置において、前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際にも前記燃料電池が前記駆動回路から遮断されないよう前記遮断手段を制御する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
さらに、本発明の駆動装置において、前記充放電手段は、複数のキャパシタを並列接続してなるものとすることもできる。この態様の本発明の駆動装置において、前記充放電手段は、前記複数のキャパシタの少なくとも一つのキャパシタの接続および接続の解除を司る接続スイッチを備えるものとすることもできる。こうすれば、複数のキャパシタのうちの一部のキャパシタだけを用いることができる。この態様の本発明の駆動装置において、前記充放電手段の端子間電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際には、前記少なくとも一つのキャパシタの接続が解除されるよう前記接続スイッチを制御すると共に該少なくとも一つのキャパシタの接続が解除された状態で前記電圧検出手段により検出される端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧より所定電圧だけ大きくなったときに該少なくとも一つのキャパシタが接続されるよう前記接続スイッチを制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、充放電手段の端子間電圧が燃料電池の開放端子間電圧と所定電圧との間の電圧となる状態を迅速に通り過ぎることができるから、開放端子間電圧と所定電圧との間の電圧で運転したときに比較的運転効率がよくないタイプの燃料電池を用いる場合には、燃料電池の運転効率の低下を抑制すること、即ち燃料電池の運転効率の向上を図ることができる。
【００１３】
こうした上述のいずれかの態様の駆動装置は、少なくとも一つの車軸が機械的に駆動装置の駆動軸に接続された自動車に搭載することができる他、自動車以外の船舶や航空機などの移動体にも搭載することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車１０は、図示するように、水素高圧タンク２２から供給され循環ポンプ２６により循環される燃料ガスとしての水素ガスとエアコンプレッサ２８やアキュムレータ２４から切替バルブ５０を介して供給される空気中の酸素とにより発電する燃料電池３０と、この燃料電池３０に遮断器５６を介して並列に接続されたキャパシタ３２と、燃料電池３０およびキャパシタ３２からの直流電力を三相交流電力に変換するインバータ３４と、インバータ３４により変換された三相交流電力により駆動しデファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１２に動力を出力する走行用モータ３６と、車両全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。
【００１５】
燃料電池３０は、図示しないが、電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とからなる単セルをセル間の隔壁をなすセパレータと共に複数積層してなる燃料電池スタックにより構成されており、セパレータに形成されたガス流路を通じてアノード電極に供給された水素ガスとカソード電極に供給された空気による電気化学反応により発電する。燃料電池３０には、図示しないが、冷却媒体（例えば、冷却水）が循環可能な循環路が形成されており、この循環路内の冷却媒体の循環により燃料電池３０内の温度が適温（例えば、６５℃〜８５℃）に保持されるようになっている。
【００１６】
キャパシタ３２は、例えば、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）として構成されており、実施例の電気自動車１０には、使用電圧の最大値が燃料電池３０の開放端子間電圧より高いものが用いられている。
【００１７】
走行用モータ３６は、例えば、電動機として機能すると共に発電機として機能する周知の同期発電電動機として構成されており、運転者のアクセルペダル８３やブレーキペダル８５の踏み込み量や車速Ｖに応じて電動機として又は発電機として駆動する。走行用モータ３６にデファレンシャルギヤ１４を介して接続された駆動輪１２には、ディスクブレーキなどの機械的な作用により制動力を付与することができる機械ブレーキ１３が取り付けられている。
【００１８】
燃料電池３０およびキャパシタ３２からの電力ラインには燃料電池３０およびキャパシタ３２からの高電圧を低電圧（例えば、１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ５４が取り付けられており、１２Ｖ電源としての２次電池６０や車両に搭載された補機６２に電力を供給している。また、この電力ラインには、燃料電池３０からのキャパシタ３２への充電が可能な方向にダイオード５８が取り付けられており、キャパシタ３２側が高電圧になったときでも燃料電池３０には逆電流が流れないようになっている。
【００１９】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に、処理プログラム等が記憶されたＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートとを備える。この電子制御ユニット７０には、キャパシタ３２とインバータ３４との間に並列に取り付けられた電圧センサ５２からの電源電圧Ｖｐや走行用モータ３６の回転子の位置を検出する回転位置検出センサ３７からの回転位置，シフトレバー８１のポジションを検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジション，アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度ＡＰ，ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキポジションＢＰ，車両の走行速度を検出する車速センサ８８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、機械ブレーキ１３への駆動信号や循環ポンプ２６への駆動信号，エアコンプレッサ２８への駆動信号，インバータ３４へのスイッチング信号，ＤＣ／ＤＣコンバータ５４への直流電力変換信号，遮断器５６への開閉信号，切替バルブ５０への切替信号等が出力ポートを介して出力されている。
【００２０】
次に、こうして構成された実施例の電気自動車１０の動作、特に制動時の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００２１】
駆動制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度ＡＰやブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキポジションＢＰ，走行用モータ３６の回転数Ｎｍ，電圧センサ５２からの電源電圧Ｖｐ，車速センサ８８からの車速Ｖなどを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。ここで、走行用モータ３６の回転数Ｎｍについては、実施例では、図示しない回転数検出ルーチンにより回転位置検出センサ３７によって検出される回転子の回転位置に基づいて算出されるものを入力するものとしたが、車速Ｖから換算するものとしてもよいし、走行用モータ３６の回転数を直接検出するセンサを取り付けてこのセンサにより検出されるものを入力するものとしてもよい。
【００２２】
続いて、読み込んだアクセル開度ＡＰやブレーキポジションＢＰ，車速Ｖに基づいて車両に要求される要求トルクＴ＊を設定する（ステップＳ１１０）。要求トルクＴ＊は、実施例では、アクセル開度ＡＰとブレーキポジションＢＰと車速Ｖと要求トルクＴ＊との関係を予め設定して要求トルク設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度ＡＰとブレーキポジションＢＰと車速Ｖとを与えることにより、要求トルク設定マップから対応する要求トルクＴ＊を導出して設定するものとした。要求トルク設定マップの一例を図３に示す。
【００２３】
次に、アクセル開度ＡＰやブレーキポジションＢＰ，モータ回転数Ｎｍに基づいて走行用モータ３６から出力すべきトルク（モータトルク）Ｔｍ＊を設定する（ステップＳ１２０）。モータトルクＴｍ＊は、実施例では、アクセル開度ＡＰとブレーキポジションＢＰと回転数ＮｍとモータトルクＴｍ＊との関係を予め設定してモータトルク設定マップとしてＲＯＭ７４に記憶しておき、アクセル開度ＡＰとブレーキポジションＢＰと回転数Ｎｍとを与えることにより、モータトルク設定マップから対応するモータトルクＴｍ＊を導出して設定するものとした。モータトルク設定マップの一例を図４に示す。このモータトルクＴｍ＊は、図４を図３と比較すると解るように、正のトルクを設定するときには要求トルクＴ＊と同一の値が設定され、負のトルクを設定するときにはその絶対値が要求トルクＴ＊より小さな値が設定される。これは、実施例では、車両に正の加速度を与えるパワーソースは走行用モータ３６だけであるが、車両に負の加速度を与えるパワーソースとしては走行用モータ３６の他に機械ブレーキ１３が存在することに基づく。即ち、車両を正の加速度で走行するときには走行用モータ３６から正の要求トルクＴ＊と同一のモータトルクＴｍ＊を出力し、車両を負の加速度で走行するとき、即ち制動力を与えるときには走行用モータ３６による制動力と機械ブレーキ１３による制動力とを併用するのである。機械ブレーキ１３に作用させるトルクについては後述する。
【００２４】
こうしてモータトルクＴｍ＊を設定すると、設定したモータトルクＴｍ＊が負の値か否かを判定する（ステップＳ１３０）。これは、車両に正の加速度を作用させるのか負の加速度（制動力）を作用させるのかを判定する処理に等しい。前述したように、制動力を作用させるときには走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とを併用するから、モータトルクＴｍ＊が負の値か否かの判定は、走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とを併用するか否かの判定とも言える。モータトルクＴｍ＊が負の値でないときには、機械ブレーキ１３を作動させないために機械ブレーキ１３に作用させるべきトルク（ブレーキトルク）Ｔｂ＊に値０を設定して（ステップＳ１４０）、走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とを制御して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。走行用モータ３６の制御は、具体的には、設定したモータトルクＴｍ＊が走行用モータ３６から出力されるよう燃料電池３０およびキャパシタ３２から供給される電源電圧Ｖｐの直流電力をインバータ３４のスイッチング制御により擬似的な三相交流電力に変換して走行用モータ３６に印加することにより行なわれる。機械ブレーキ１３の制御は、ブレーキの作動を解除することにより行なわれる。
【００２５】
一方、モータトルクＴｍ＊が負の値のときには、要求トルクＴ＊からモータトルクＴｍ＊を減じた値をブレーキトルクＴｂ＊に設定し（ステップＳ１５０）、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から燃料電池３０の開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内の電圧であるか否かを判定し（ステップＳ１６０）、電源電圧Ｖｐがこの範囲内の電圧のときには設定したモータトルクＴｍ＊から調整値ΔＴを減じた値を新たなモータトルクＴｍ＊として設定すると共に（ステップＳ１７０）、ブレーキトルクＴｂ＊を要求トルクＴ＊から新たに設定したモータトルクＴｍ＊を減じた値に設定し直して（ステップＳ１８０）、走行用モータ３６および機械ブレーキ１３を制御し（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。このように、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内の電圧のときにモータトルクＴｍ＊を再設定するのは、走行用モータ３６による回生電力を大きくして迅速に電源電圧Ｖｐが開放端子間電圧Ｖｏｃｖより高くなるようにするためである。以下、この理由について説明する。
【００２６】
図５に燃料電池３０の電流電圧特性（ＩＶ特性）の一例を示す。図中、Ｖｍａｘはキャパシタ３２の使用電圧における最大電圧、即ちキャパシタ３２の満充電時の電圧である。Ｖｒ２については後述する。実施例の燃料電池３０は、固体高分子型の燃料電池として構成されているから、固体高分子型の燃料電池の一般的な特性として開放端子間電圧Ｖｏｃｖ近傍の領域では他の領域に比して運転効率が低い特性を示す。そこで、こうした運転効率の低い領域を迅速に通過するために、キャパシタ３２が迅速に充電されるよう走行用モータ３６による回生電力を大きくするのである。ここで、運転効率の低い領域で燃料電池３０を運転しないために、従来例では、電源電圧Ｖｐがこの領域になるときには遮断器５６により燃料電池３０を遮断している。しかし、こうした従来例では、運転者がブレーキペダル８５を踏み込む毎に遮断器５６を遮断することになるから、遮断器５６の作動頻度が多くなり、遮断器５６の故障の発生頻度が高くなってしまう。また、アクセルペダル８３が踏み込まれて走行用モータ３６が力行制御され電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１未満になったときに遮断器５６により遮断されていた燃料電池３０が接続されるから、接続時の電源電圧Ｖｐにもよるが、燃料電池３０からキャパシタ３２に過大な突入電流が流れる場合が生じ、その場合には遮断器５６に大電流が流れ、遮断器５６を固着させるなどの不都合も生じてしまう。実施例では、こうした不都合を回避するために、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内となる運転効率の低い領域であっても遮断器５６による燃料電池３０の遮断は実行せず、その代わり、こうした運転効率の低い領域を短時間で通り過ぎるために走行用モータ３６の回生電力を大きくするのである。既に説明したように、図２の駆動制御ルーチンは、モータトルクＴｍ＊が正の値のとき、即ち、走行用モータ３６が力行制御されるときにも用いられるから、実施例では、走行用モータ３６の制御や電源電圧Ｖｐに拘わらず、遮断器５６による燃料電池３０の遮断は行なわれない。このため、従来例で説明したような燃料電池３０を接続することにより生じ得るキャパシタ３２への突入電流は生じない。したがって、実施例のこうした処理は、燃料電池３０に予期しない大電流が流れることによって生じ得る遮断器５６の固着などの不都合を回避すると共に燃料電池３０の運転効率を高く維持する処理となる。なお、電源電圧Ｖｐが開放端子間電圧Ｖｏｃｖより大きくなったときには、遮断器５６側（燃料電池３０側）に電源電圧Ｖｐが作用することになるが、実施例の電気自動車１０では、ダイオード５８が取り付けられているから、開放端子間電圧Ｖｏｃｖより高い電源電圧Ｖｐが燃料電池３０側に作用することはない。
【００２７】
ステップＳ１６０の処理で電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内の電圧ではないと判定されたときには、走行用モータ３６の回生電力を大きくする処理を行なう必要がないから、ステップＳ１２０で設定されたモータトルクＴｍ＊とステップＳ１５０で設定されたブレーキトルクＴｂ＊とが走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とから出力されるよう走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とを制御して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。なお、機械ブレーキ１３の制御は、設定されたブレーキトルクＴｂ＊が作用するよう、例えばディスクブレーキのパッドに作用させる力を調整することにより行なわれる。
【００２８】
以上説明した実施例の電気自動車１０によれば、走行用モータ３６の制御や電源電圧Ｖｐに拘わらず、遮断器５６による燃料電池３０の遮断は行なわないから、遮断器５６の作動頻度を少なくして遮断器５６の故障の発生頻度を抑制することができると共に燃料電池３０を接続する際に生じ得る遮断器５６の固着などの不都合を回避することができる。しかも、燃料電池３０からのキャパシタ３２への充電が可能な方向にダイオード５８が取り付けられているから、燃料電池３０の開放端子間電圧Ｖｏｃｖより高い電源電圧Ｖｐが燃料電池３０側に作用することはない。また、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内となる燃料電池３０の運転効率の低い領域のときには、走行用モータ３６による回生電力を大きくしてキャパシタ３２の充電を促進し、こうした運転効率の低い領域を短時間で通り過ぎるようにするから、燃料電池３０の運転効率を高く維持することができる。
【００２９】
実施例の電気自動車１０では、電力ラインに燃料電池３０と並列にキャパシタ３２を接続するものとしたが、複数のキャパシタを並列接続すると共に走行用モータ３６の回生時には、複数のキャパシタを順次充電するものとしてもよい。以下、この場合を本発明の第２実施例の電気自動車１０Ｂとして説明する。第２実施例の電気自動車１０Ｂは、キャパシタ３２を除いて第１実施例の電気自動車１０と同一の構成をしている。したがって、キャパシタ３２に相当する部分以外の説明は重複するから、その図示および説明は省略する。なお、以下の第２実施例の電気自動車１０Ｂの説明では、第１実施例の電気自動車１０と同一の符号を用いる。
【００３０】
図６は、第２実施例の電気自動車１０Ｂが備える第１実施例のキャパシタ３２に相当するキャパシタ装置３２Ｂの構成の概略を示す構成図である。第２実施例のキャパシタ装置３２Ｂは、図示するように、総和が第１実施例のキャパシタ３２と同一の容量となる同一の二つのキャパシタ（第１キャパシタ１３２と第２キャパシタ１３４）を並列接続すると共に第２キャパシタ１３４に対して直列にスイッチ素子１３５を接続して構成されている。スイッチ素子１３５は、信号ラインにより電子制御ユニット７０の出力ポートに接続されており、電子制御ユニット７０によるオンオフ制御を受けるようになっている。
【００３１】
次に、こうして構成された第２実施例の電気自動車１０Ｂの動作、特に制動時の動作について説明する。図７は、第２実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。この駆動制御ルーチンは、図２の駆動制御ルーチンからステップＳ１６０〜Ｓ１８０の処理を除いたものとなる。即ち、電源電圧Ｖｐの値に拘わらず、アクセル開度ＡＰやブレーキポジションＢＰ，車速Ｖ，モータ回転数Ｎｍにより設定されたモータトルクＴｍ＊とブレーキトルクＴｂ＊とが走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とから出力されるよう走行用モータ３６と機械ブレーキ１３とが制御されるのである。なお、第２実施例の電気自動車１０でも走行用モータ３６の制御や電源電圧Ｖｐに拘わらず、遮断器５６による燃料電池３０の遮断は行なわれない。
【００３２】
第２実施例の電気自動車１０では、こうした駆動制御ルーチンの他に図８に例示する充電管理ルーチンが実行される。このルーチンは、モータトルクＴｍ＊が負の値のとき、即ち、走行用モータ３６が回生制御されるときに実行される。充電管理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、電圧センサ５２からの電源電圧Ｖｐを読み込み（ステップＳ３００）、読み込んだ電源電圧Ｖｐを開放端子間電圧Ｖｏｃｖと比較する処理を実行する（ステップＳ３１０）。そして、電源電圧Ｖｐが開放端子間電圧Ｖｏｃｖ未満のときには、スイッチ素子１３５をオフとする（ステップＳ３２０）。
【００３３】
続いて、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ２以上か否かを判定し（ステップＳ３３０）、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ２以上のときにはスイッチ素子１３５をオンとして（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。ここで、閾値Ｖｒ２は、開放端子間電圧Ｖｏｃｖより大きな値であってキャパシタ装置３２Ｂの作動電圧の最大電圧Ｖｍａｘより若干小さな値として設定されている。図５に示したＶｒ２がこの閾値Ｖｒ２である。
【００３４】
したがって、この充電管理ルーチンでは、電源電圧Ｖｐが開放端子間電圧Ｖｏｃｖ未満のときにはスイッチ素子１３５がオフとされて終了し、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ２以上のときにはスイッチ素子１３５がオンとされて終了する。即ち、走行用モータ３６の回生時には、まず、スイッチ素子１３５がオフとされて第１キャパシタ１３２だけが充電され、第１キャパシタ１３２が満充電近傍になると、スイッチ素子１３５がオンとされて第２キャパシタ１３４が充電されるのである。したがって、第２実施例の電気自動車１０Ｂでは、第１実施例の電気自動車１０のキャパシタ３２の半分の容量の第１キャパシタ１３２が充電された後に第２キャパシタ１３４の充電が行なわれるから、第１キャパシタ１３２の充電は迅速なものとなる。この結果、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内となる燃料電池３０の運転効率の低い領域を短時間で通り過ぎることができる。
【００３５】
以上説明した第２実施例の電気自動車１０Ｂによれば、並列接続した第１キャパシタ１３２と第２キャパシタ１３４に対して、走行用モータ３６の回生時には、まず第１キャパシタ１３２だけを充電し、第１キャパシタ１３２が満充電近傍になった後に第２キャパシタ１３４を充電するようスイッチ素子１３５をオンオフ制御するから、電源電圧Ｖｐが閾値Ｖｒ１から開放端子間電圧Ｖｏｃｖの範囲内となる燃料電池３０の運転効率の低い領域を短時間で通り過ぎることができる。この結果、燃料電池３０の運転効率を高く維持することができる。もとより、第２実施例の電気自動車１０Ｂでも、走行用モータ３６の制御や電源電圧Ｖｐに拘わらず、遮断器５６による燃料電池３０の遮断は行なわないから、遮断器５６の作動頻度を少なくして遮断器５６の故障の発生頻度を抑制することができると共に燃料電池３０を接続する際に生じ得る遮断器５６の固着などの不都合を回避することができる。しかも、燃料電池３０からのキャパシタ３２への充電が可能な方向にダイオード５８が取り付けられているから、燃料電池３０の開放端子間電圧Ｖｏｃｖより高い電源電圧Ｖｐが燃料電池３０側に作用することはない。
【００３６】
第２実施例の電気自動車１０Ｂでは、二つの同一容量のキャパシタを並列接続したが、二つの異なる容量のキャパシタを並列接続するものとしてもよい。また、並列接続するキャパシタの数は、二つに限定されるものではなく、三つ以上のキャパシタを並列接続するものとしてもよい。
【００３７】
第１実施例の電気自動車１０や第２実施例の電気自動車２０では、燃料電池３０として水素高圧タンク２２から供給される水素により発電する固体高分子型の燃料電池を搭載するものとしたが、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池３０に供給する改質器を備えるタイプの固体高分子型の燃料電池を搭載するものとしてもよく、固体高分子型の燃料電池とは異なるタイプの燃料電池を搭載するものとしてもかまわない。
【００３８】
第１実施例の電気自動車１０や第２実施例の電気自動車１０Ｂでは、一つの走行用モータ３６を用いるものとして構成したが、駆動輪１２に内蔵される二つのホイールインモータを用いる構成としてもよく、また、異なる車軸、即ち前輪の車軸と後輪の車軸に異なるモータを取り付ける構成としてもよいのは勿論である。
【００３９】
実施例では、本発明としての駆動装置を電気自動車に搭載するものとして説明したが、こうした駆動装置は、自動車に搭載する他、列車などの車両や船舶，航空機などの移動体に搭載するものとしてもよく、建設機械の駆動装置として用いるなど、移動体以外の機器に組み込むものとしてもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図３】要求トルク設定マップの一例を示す説明図である。
【図４】モータトルク設定マップの一例を示す説明図である。
【図５】燃料電池３０の電流電圧特性（ＩＶ特性）の一例を示す説明図である。
【図６】第２実施例の電気自動車１０Ｂが備えるキャパシタ装置３２Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図７】第２実施例の電子制御ユニット７０により実行される駆動制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図８】充電管理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０，１０Ｂ 電気自動車、１２ 駆動輪、１３ 機械ブレーキ、１４ デファレンシャルギヤ、２２ 水素高圧タンク、２４ アキュムレータ、２６ 循環ポンプ、２８ エアコンプレッサ、３０ 燃料電池、３２ キャパシタ、３２Ｂキャパシタ装置、３４ インバータ、３６ 走行用モータ、３７ 回転位置検出センサ、５４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、６０ ２次電池、６２ 補機、７０ 電子制御ユニット、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８８ 車速センサ、１３２ 第１キャパシタ、１３４ 第２キャパシタ、１３５ スイッチ素子。

Claims (9)

  1. 駆動軸に動力を入出力可能な駆動装置であって、
    前記駆動軸に動力を入出力する電動機と、
    該電動機を駆動制御する駆動回路と、
    該駆動回路に電圧変換器を介さずに接続された燃料電池と、
    該燃料電池に並列接続され、充放電が可能で満充電時の電圧が前記燃料電池の開放端子電圧より高い電圧となるよう使用電圧が設定された少なくとも一つのキャパシタを有する充放電手段と、
    前記燃料電池から前記充放電手段への充電が可能な方向に取り付けられたダイオードと、
    前記駆動軸への要求動力に基づいて前記電動機が駆動されるよう前記駆動回路を制御する駆動制御手段と、
    を備える駆動装置。
  2. 請求項１記載の駆動装置であって、
    前記充放電手段の端子間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際に前記電圧検出手段により検出された端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧と該開放端子間電圧より低い所定電圧との間の電圧のときには前記電動機による回生電力が大きくなるよう前記駆動回路を制御する手段である
    駆動装置。
  3. 請求項２記載の駆動装置であって、
    機械的な作用により前記駆動軸に制動力を付与可能な制動力付与手段を備え、
    前記駆動制御手段は、前記駆動軸への要求動力が制動力のときには要求動力を前記電動機の回生制御による第１の制動力と前記制動力付与手段による第２の制動力とに分配して該第１の制動力と該第２の制動力とが前記駆動軸に作用するよう前記駆動回路と前記制動力付与手段とを制御し、前記電動機が回生制御される際に前記電圧検出手段により検出された端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧を含む所定の範囲の電圧のときには前記第１の制動力が大きくなるよう調整することにより前記電動機による回生電力が大きくなるよう制御する手段である
    駆動装置。
  4. 請求項１ないし３いずれか記載の駆動装置であって、
    前記燃料電池を前記駆動回路から遮断可能な遮断手段を備え、
    前記駆動制御手段は、前記電動機による前記駆動軸への動力の入出力の際に前記燃料電池が前記駆動回路から遮断されないよう前記遮断手段を制御する手段である
    駆動装置。
  5. 前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際にも前記燃料電池が前記駆動回路から遮断されないよう前記遮断手段を制御する手段である請求項４記載の駆動装置。
  6. 前記充放電手段は、複数のキャパシタを並列接続してなる請求項１ないし５いずれか記載の駆動装置。
  7. 前記充放電手段は、前記複数のキャパシタの少なくとも一つのキャパシタの接続および接続の解除を司る接続スイッチを備える請求項６記載の駆動装置。
  8. 請求項７記載の駆動装置であって、
    前記充放電手段の端子間電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記駆動制御手段は、前記電動機が回生制御される際には、前記少なくとも一つのキャパシタの接続が解除されるよう前記接続スイッチを制御すると共に該少なくとも一つのキャパシタの接続が解除された状態で前記電圧検出手段により検出される端子間電圧が前記燃料電池の開放端子間電圧より所定電圧だけ大きくなったときに該少なくとも一つのキャパシタが接続されるよう前記接続スイッチを制御する手段である
    駆動装置。
  9. 請求項１ないし８いずれか記載の駆動装置を備え、少なくとも一つの車軸が機械的に前記駆動軸に接続されてなる自動車。
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