JP4154997B2

JP4154997B2 - 燃料電池車両の制御装置

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Publication number: JP4154997B2
Application number: JP2002316117A
Authority: JP
Inventors: 博充豊田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: JP2004152598A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を動力源とす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、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。この燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。
【０００３】
すなわち、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００４】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量は基本的にドライバが要求する駆動力に応じて決定される。車両を駆動する駆動仕事率は、アクセルペダルの操作量や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量もそれに応じて変化する。
【０００５】
燃料電池は前述のように、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電気エネルギを取り出すものであり、燃料電池へのガス供給量を発電量にしたがって変化させるのが効率的である。例えば、従来の内燃機関車両と同様なアイドルストップ機能を実現するために、燃料電池車両が一時停止した場合に、燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を一時停止すると共に、燃料電池からの電力の取り出しを停止すると燃費性能がさらに向上する（例えば、特許文献１）。
【０００６】
また、燃料電池車両に用いられる燃料電池は、固体高分子型燃料電池が多い。これは、運転温度が常温から１００℃と比較的低温度で、起動時間が短く、小型・軽量化が可能であり、高出力密度であるなどの理由からである。
【０００７】
この固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子電解質膜は、燃料極で電離した水素イオンを酸化剤極まで導電するが、電解質膜の湿潤状態が十分でないと、導電率が低下する特性を有する。従って、電解質膜の乾燥を防ぐために燃料電池に供給するガスを加湿器で加湿していた。
【０００８】
このような燃料電池システムの運転を停止した場合、燃料電池の温度が低下するため、加湿ガスの温度も低下し、水蒸気が凝縮することになる。加湿器から燃料電池スタックに至る配管内や燃料電池内の水蒸気が凝縮すると、電解質膜やこれに接する電極が過度に濡れ、水素や酸素の拡散が阻害されてしまう。
【０００９】
このような水蒸気の凝縮の対策としては、加湿器から燃料電池スタックまでの配管の温度を加湿器の温度より高く維持することで、水蒸気の凝縮を防止する技術が知られている（例えば、特許文献２）。
【００１０】
【特許文献１】
特願２００２−１７８９８２号
【００１１】
【特許文献２】
特開２００２−２５１９１２号公報（第５ページ）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２記載の技術を燃料電池車両に適用したとしても、アイドリングストップ中に燃料電池スタックの温度が低下すれば、燃料電池スタック及びその前後の配管内部に凝縮水が生じることが避けられない。このため、発電停止状態から燃料電池システムを再起動させた場合、凝縮水の影響により燃料電池の発電効率が低下し、ある場合は燃料電池の劣化につながることもあるという問題点があった。
【００１３】
また、燃料電池へのガスの供給量を増加させて燃料電池内部に凝縮した凝縮水を燃料電池外部へ排出することも必要になるが、その場合、燃料電池システムの再起動のための時間が長引くという問題点があった。
【００１４】
さらに、凝縮水の排出のためにガス供給量を増加させると、空気コンプレッサの作動音やガスの排出音等の問題が発生するという問題点があった。
【００１５】
【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、燃料電池を動力源とする燃料電池車両の制御装置において、車両の駆動及び制動を制御する車両運動制御手段と、該車両運動制御手段からの要求発電量に基づいて燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段と、燃料電池の温度が凝縮水が発生しない所定値を超えた場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くなると、前記発電量制御手段に燃料電池の発電を停止させる一方、燃料電池の温度が前記所定値以下の場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くても、前記発電量制御手段に燃料電池の保温のための発電を継続させる発電継続判定手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の温度が所定値以下の場合には、燃料電池に対する発電要求が無くても燃料電池の保温のための発電を継続させるようにしたため、燃料電池内部の水蒸気が凝縮することを最小限に抑制した燃料電池車両を実現することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
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、本発明に係る燃料電池車両の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。
【００１８】
図１において、燃料電池車両１は、車両の電源となる燃料電池システム３と、燃料電池システム３が発電した電力を変換するパワーマネージャ５と、パワーマネージャ５から充放電制御される二次電池７と、燃料電池システム３の発電電力または二次電池７の電力で回転され車両を駆動する駆動モータ９と、駆動モータの駆動力を左右に分配する差動装置１１と、駆動軸１３と、駆動輪１５と、従動輪１７と、ブレーキ１９と、各車輪毎に設けられ車輪回転速度を検出する車輪回転センサ２１と、アクセルペダル踏込量を検出するアクセルセンサ２３と、ブレーキペダル踏込量を検出するブレーキセンサ２５と、ステアリングホイールの回転角度を検出するステアリングセンサ２７と、車両重心を通る鉛直軸周りの角速度を検出するヨーレイトセンサ２９と、車両の前後方向及び左右方向の加速度を検出するＧセンサ３１と、燃料電池システム３の温度を検出する温度センサ３３と、燃料電池車両１全体を制御する制御装置３５とを備えている。
【００１９】
制御装置３５は、燃料電池車両１の駆動及び制動を制御する車両運動制御手段３７と、車両運動制御手段３７からの要求発電量に基づいて燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段４１と、温度センサ３３が検出した燃料電池温度が所定値を超えた場合には、車両運動制御手段３７からの発電要求が無くなると、発電量制御手段４１に燃料電池の発電を停止させる一方、温度センサ３３が検出した燃料電池温度が所定値以下の場合には、車両運動制御手段３７からの発電要求が無くても、発電量制御手段４１に燃料電池システム３の保温のための発電を継続させる発電継続判定手段３９と、を備えている。
【００２０】
制御装置３５は、特に限定されないが、本実施形態では、ＣＰＵとメモリとＩ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサとして構成されている。
【００２１】
燃料電池システム３は、制御装置３５の発電量制御手段４１が指示する要求発電量に基づいて発電量を制御するとともに、温度センサ３３が検出した燃料電池温度を制御装置３５へ送る燃料電池システムである。
【００２２】
そして、制御装置３５は、運転者の操作量に基づいて演算した目標車両挙動と、各センサの検出値に基づいて演算した実際の車両挙動とが誤差の範囲を超える場合に、実際の車両挙動を目標車両挙動に近づけるように、駆動力と各輪の制動力を制御する。この制御のために、発電量制御手段４１に発電量信号を送ると共に、図示しないブレーキ制御装置を介してブレーキ１９により各輪の制動力を制御するものである。
【００２３】
この際、車両の挙動状態に応じては、発電量制御手段４１は、燃料電池システム３に発電量カット指令を行うとともに、パワーマネージャ５から駆動モータ９への電力供給を停止して急激な駆動軸トルクダウンを実現し、車両を安定させる機能を有する。
【００２４】
また、本実施形態の車両運動制御手段３７による燃料電池車両１の駆動及び制動の具体的な制御としては、駆動輪のスリップを検出したときに駆動力を抑制する駆動力制御（トラクションコントロールシステム、以下ＴＣＳ）、制動時の車輪ロックを防止するアンチロックブレーキシステム（以下ＡＢＳ）、旋回時の車両姿勢を安定化させる車両姿勢制御（ヴィークルスタビリティコントロール、以下ＶＳＣ）、及び前車との車間距離を自動制御する車間追従制御（アクティブクルーズコントロール、以下ＡＣＣ）を含んでいる。
【００２５】
これらの制御のために、制御装置３５には、各車輪毎の車輪回転センサ２１、アクセルセンサ２３、ブレーキセンサ２５、ステアリングセンサ２７、ヨーレイトセンサ２９、Ｇセンサ３１、温度センサ３３、及び前車との車間距離を計測する図示しない車間距離計測用レーダ装置がそれぞれ接続されている。
【００２６】
制御装置３５の車両運動制御手段３７は、４つの車輪回転センサ２１の検出信号を入力し、各車輪毎の回転速度から推定車両速度を算出し、各車輪の回転速度と推定車両速度を比較して、各車輪のスリップ率を算出する。
【００２７】
車両運動制御手段３７によるＴＣＳ制御は、上記算出された各輪のスリップ率が適正なスリップ率の範囲から外れる駆動輪１５があれば、駆動力低減または駆動力カットを行う。更に必要が有ればブレーキ１９により駆動輪１５を制動する。
【００２８】
車両運動制御手段３７によるＡＢＳ制御は、上記算出された各輪のスリップ率に基づいて、スリップ率が大きくなりすぎる車輪があれば、この車輪のブレーキ力を弱め、逆にスリップ率が小さすぎる車輪があれば、この車輪のブレーキ力を強めるように制御することにより、車輪のロックを防止して車両の操舵性と方向安定性を維持する。
【００２９】
車両運動制御手段３７によるＶＳＣ制御は、アクセルセンサ２３から運転者のアクセル操作量、ブレーキセンサ２５から運転者のブレーキ操作量、ステアリングセンサ２７から運転者のステアリング操作量をそれぞれ検出し、併せてヨーレイトセンサ２９、Ｇセンサ３１、車輪回転センサ２１などから車両の旋回状態におけるアンダーステア、オーバステアの程度を判断し、ブレーキ１９の車輪毎の制動力と駆動モータ９の駆動力とを制御して、車両の安定性を向上させる。
【００３０】
車両運動制御手段３７によるＡＣＣ制御は、図示しない車間距離測定用レーダ装置で前車との車間距離を測定し、設定された車両速度の範囲内で車間距離を適正に維持するように駆動モータ９の駆動力とブレーキ１９の制動力を制御する。
【００３１】
図２は、燃料電池システム３の詳細を説明する構成図である。燃料電池システム３は、水素を高圧で貯蔵する水素タンク５１と、水素タンク５１の圧力を検出する水素圧力センサ５３と、水素タンク５１からの水素ガス圧力を調整する水素圧力調整弁５５と、水素極７９からの排気と水素圧力調整弁５５からの水素を混合するエゼクタ５７と、空気を加圧するコンプレッサ５９と、空気加湿部６７と水素加湿部６９のより空気及び水素を加湿する加湿器６５と、空気極７７と水素極７９とを備え加湿器６５から供給される加湿した水素及び空気を用いて発電する燃料電池スタック７５と、空気極７７の出口からの排気圧を調整する空気圧力調整弁８１と、水素極７９出口から水素を外部へ放出する水素パージ弁８３と、空気極７７の入口圧力を検出する空気圧力センサ７１と、水素極７９の入口圧力を検出する水素圧力センサ７３と、燃料電池スタック７５の冷却水温度を検出する温度センサ３３と、燃料電池システム制御装置８５とを備えている。
【００３２】
空気は、大気からコンプレッサ５９で加圧され、空気加湿部６７で加湿された後、燃料電池スタック７５の空気極７７へ供給され、燃料電池スタック７５で未使用の空気は、空気圧力調整弁８１により大気へ排出される。
【００３３】
燃料電池スタック７５の空気極７７へ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ５９の回転数および空気圧力調整弁８１の開度により制御される。
【００３４】
コンプレッサ５９はコンプレッサモータ６１により駆動され、燃料電池システム制御装置８５はモータ回転センサ６３を参照して、コンプレッサモータ６１が目標の回転数となるように制御する。
【００３５】
また、燃料電池システム制御装置８５は空気圧力センサ７１を参照し、燃料電池スタック７５の空気極７７へ供給される空気の圧力が目標の圧力となるようにコンプレッサ５９の目標回転数と空気圧力調整弁８１の開度を制御する。
【００３６】
燃料ガスである水素は、水素タンク５１から水素圧力調整弁５５、エゼクタ５７を経由して、水素加湿器１２２で図示しない純水で加湿された後、燃料電池スタック７５の水素極７９へ供給され、燃料電池スタック７５で未使用の水素は、エゼクタ５７によって燃料電池スタック７５の水素極７９へ循環される。燃料電池スタック７５の水素極７９へ供給される水素の圧力は、水素圧力調整弁５５の開度で制御される。燃料電池システム制御装置８５は、水素圧力センサ７３を参照して、燃料電池スタック７５の水素極７９へ供給される水素の圧力が目標の圧力となるように水素圧力調整弁５５を制御する。
【００３７】
水素パージ弁８３は、燃料電池スタック７５の状態に応じて開閉することにより、燃料電池スタック７５の内部の水つまりや、空気極７７から水素極７９への空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用される。
【００３８】
燃料電池システム制御装置８５は、燃料電池車両の制御装置３５から要求発電量を受け取り、この要求発電量が発電できるように上記の水素圧力及び空気圧力を制御する。また、燃料電池システム制御装置８５は、発電量制御手段４１から要求発電量０の指令、または発電量カット指令を受けると、水素圧力調整弁５５を閉じて燃料カットするとともに、コンプレッサ５９の回転停止を行う。また、燃料電池システム３からは、燃料電池温度として温度センサ３３が検出した温度が燃料電池車両の制御装置３５へ送られる。
【００３９】
尚、図１の燃料電池車両の制御装置３５と、図２の燃料電池システム制御装置８５とを一体とすることもできる。
【００４０】
図１に示した燃料電池車両１には、従来の油圧制御ブレーキでも使用可能であるが、ブレーキペダル踏力をアシストする負圧式ブレーキ倍力装置を備えようとしてもエンジン吸気負圧を利用することができない。このため吸気負圧に代わる負圧供給源である電動負圧ポンプ等を設けるよりも、ブレーキ自体を電動化した電動ブレーキが好適である。さらに電動ブレーキには、各車輪毎のアンチロック制御が電子制御装置による電気的操作のみで容易に実現することができるという利点がある。
【００４１】
図３は、ブレーキ１９として利用可能な電動ブレーキの例を示す構成図であり、浮動キャリパー式ブレーキを電動化した例である。図３において、モータ５４０の正逆回転がボールネジ５３０により直線往復運動に変換され、この直線往復運動により、ブレーキディスク５２０の両面に２つのパッド５１０が押しつけられたり、離されたりしてブレーキが作動するようになっている。
【００４２】
図４は、図２の燃料電池スタック７５における電力取り出しを停止した後の燃料電池温度の低下幅ΔＴと、燃料電池スタック７５内の凝縮水量Ｗの変化を表した凝縮特性図である。図４に示すように、発電停止後、燃料電池スタックの温度が低下し、時間の経過と共に温度低下幅ΔＴが大きくなればなるほど、凝縮水量Ｗは増加する。
【００４３】
〔第１実施形態〕
図５、図６は、図１に構成を示した燃料電池車両の制御装置の第１実施形態における制御動作を説明するフローチャートであり、図５は、車両運動制御手段３７の動作を示し、図６は、発電継続判定手段３９及び発電量制御手段４１の動作を示す。これらのフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。メインルーチンは、例えば、アクセルセンサ２３、ブレーキセンサ２５の検出値に基づいて、車両の駆動力及び要求発電量を算出したり、車両の制動力を算出している。
【００４４】
図５において、車両運動制御手段３７は、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、アクセルセンサ２３、ブレーキセンサ２５、ステアリングセンサ２７の各検出値を読み込む。次いで、Ｓ１２で各車輪の回転速度センサ２１を読み込む。次いで、Ｓ１４でアイドリングストップ条件が成立しているか否かを判定する。アイドリングストップ条件としては、例えばアクセルオフで車両が停止していて、燃料電池の補機や電動ブレーキ等の使用電力量があまり大きくなく、二次電池７の充電が不要である場合である。
【００４５】
Ｓ１４の判定でアイドリングストップ条件が成立していれば、Ｓ２４へ移る。Ｓ１４でアイドリングストップ条件が成立していなければ、Ｓ１６で駆動輪１９のスピンがあるか否かを判定する。４輪の車輪回転センサ２１の検出回転速度及びこれらから算出される車速に基づいて各輪のスリップ率を計算し、所定のスリップ率を超えている駆動輪１９をスピンしていると判定する。Ｓ１６の判定で駆動輪スピンが有れば、Ｓ２４へ移る。Ｓ２４では、要求発電量Ｐｒを０として、メインルーチンへリターンする。
【００４６】
Ｓ１６の判定で、駆動輪スピンが無ければ、Ｓ１８で、ヨーレイトセンサ２９の検出値に基づいて車両が旋回中か否かを判定する。Ｓ１８の判定で車両が旋回中でなければ、Ｓ２６へ移る。Ｓ１８の判定で車両が旋回中であれば、Ｓ２０で車両姿勢が適正か否かを判定する。車両姿勢が適正か否かの判定には、アクセルセンサ２３、ブレーキセンサ２５、ステアリングセンサ２７から入力される運転者の操作量と、ヨーレイトセンサ２９、Ｇセンサ３１、各車輪回転センサ２１から入力される情報に基づいて、アンダーステア、オーバステアの程度を判断し、アンダーステア、オーバステアの程度が所定以内であれば、車両姿勢は適正と判断する。
【００４７】
Ｓ２０で車両姿勢が適正であると判定した場合、Ｓ２６へ移る。Ｓ２０で車両姿勢が適正でないと判定した場合、Ｓ２２でオーバステアか否かを判定する。Ｓ２２でオーバーステアでないと判定した場合、Ｓ２６へ移る。Ｓ２６では、アクセル開度と車速に応じた要求発電量Ｐｒを算出して、メインルーチンへリターンする。
【００４８】
Ｓ２２でオーバステアと判定した場合、Ｓ２８で駆動力を低減した要求発電量Ｐｒを算出して、メインルーチンへリターンする。
【００４９】
図６は、以上の車両運動制御手段３７による要求発電量Ｐｒの算出を受けて、発電継続判定手段３９及び発電量制御手段４１による燃料電池システム３の発電制御動作を示す。
【００５０】
まず、Ｓ３０で要求発電量Ｐｒを読み込む。Ｓ３２でＰｒ＝０か否かを判定する。Ｐｒ＝０でなければ、Ｓ３８へ移り、要求発電量Ｐｒを燃料電池システム制御装置８５へ送り、要求発電量Ｐｒを発電させる。
【００５１】
Ｓ３２の判定でＰｒ＝０であれば、次いでＳ３４で燃料電池温度Ｔｗを温度センサ３３から読み込み、Ｓ３６でＴｗが所定値Ｔ０以下か否かを判定する。
【００５２】
Ｓ３６の判定で、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ０以下でなければ（燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ０を超えていれば）、Ｓ４０で発電を停止させるべく、要求発電量Ｐｒ＝０を燃料電池システム３へ出力する。要求発電量Ｐｒ＝０を受けた燃料電池システム制御装置８５は、水素圧力調整弁５５を閉じて燃料カットするとともに、コンプレッサ５９の回転を停止させて空気供給も停止させる。
【００５３】
Ｓ３６の判定で、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ０以下であれば、Ｓ４２で燃料電池システム３に保温のための発電を継続させるべく、例えば最低発電量Ｐmin を要求発電量Ｐｒとして、燃料電池システム３へ要求発電量を送る。この最低発電量Ｐmin は、例えば、図示しない外気温度センサの検出値と燃料電池温度Ｔｗとの差に応じて決定してもよい。
【００５４】
以上の制御により、燃料電池温度が所定値以下の場合には、車両運動制御手段３７からの要求発電量が０であっても燃料電池システム３の保温のための発電を継続させることにより、燃料電池システムにおける凝縮水による水詰まりを防止することができる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の第２実施形態を説明する。第２実施形態は、発電停止可能の判定温度にヒステリシス特性を持たせて、要求発電量が０の場合に、頻繁に発電停止と燃料電池保温のための発電再開が繰り返されることを防止したものである。
【００５６】
図７（ａ）は、図１乃至図４に構成及び特性を示した燃料電池車両の制御装置の第２実施形態における制御動作を説明するフローチャートである。このフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。尚、制御装置３５の車両運動制御手段３７の動作は、第１実施形態で説明した図５と同様の動作であるので、重複する説明は省略する。
【００５７】
図７（ｂ）は、図７（ａ）のフローチャートが利用する発電停止可能フラグの制御マップである。図７（ｂ）において、今回の燃料電池温度Ｔｗと、前回の燃料電池温度Ｔｗ−１とがそれぞれ第１の所定値Ｔ１と、第２の所定値Ｔ２（＜Ｔ１）とを閾値とする９通りの組み合わせに対して、発電停止可能フラグのセット（ＳＥＴ）、リセット（ＲＥＳＥＴ）または保持（ＨＯＬＤ）が図示のように定義されている。これは、第１の所定値Ｔ１と第２の所定値Ｔ２（＜Ｔ１）とで燃料電池温度判定のヒステリシス特性を実現し、燃料電池の発電停止と、燃料電池保温のための発電再開とが頻繁に繰り返されることを防止するものである。
【００５８】
即ち、図７（ｂ）において、今回の燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１を超えた場合（Ｔ１＜Ｔｗ）には、前回の燃料電池温度Ｔｗ−１に関わらず発電停止可能フラグをセットし、今回の燃料電池温度Ｔｗが第２の所定値Ｔ２未満の場合（Ｔｗ＜Ｔ２）には、前回の燃料電池温度Ｔｗ−１に関わらず発電停止可能フラグをリセットするように制御する。しかし、今回の燃料電池温度Ｔｗが第２の所定値Ｔ２と第１の所定値Ｔ１との間にある場合（Ｔ２＜Ｔｗ≦Ｔ１）、前回の燃料電池温度Ｔｗ−１の範囲に応じて、Ｔ１＜Ｔｗ−１ならば発電停止可能フラグをセット、Ｔ２＜Ｔｗ−１≦Ｔ１ならば発電停止可能フラグを保持、Ｔｗ−１＜Ｔ２ならば発電停止可能フラグをリセットするように制御している。
【００５９】
図７（ａ）において、発電継続判定手段３９は、まずＳ５０で燃料電池温度Ｔｗを温度センサ３３から読み込む。次いでＳ５２で車両運動制御手段３７から要求発電量Ｐｒを読み込み、Ｓ５４で要求発電量Ｐｒが０か否かを判定する。Ｓ５４で要求発電量Ｐｒが０でなければ、Ｓ６２へ進み、発電量制御手段４１から要求発電量Ｐｒを燃料電池システム３へ指令して、要求発電量Ｐｒを発電させる。
【００６０】
Ｓ５４の判定で要求発電量Ｐｒが０であれば、Ｓ５６へ移り、前回の燃料電池温度Ｔｗ−１を読み込む。次いで、Ｓ５８で今回の燃料電池温度Ｔｗと前回の燃料電池温度Ｔｗ−１から、図７（ｂ）の制御マップを参照して、発電停止可能フラグをセット（ＳＥＴ）、リセット（ＲＥＳＥＴ）または保持（ＨＯＬＤ）する発電停止フラグの更新を行う。
【００６１】
次いで、Ｓ６０で発電停止可能フラグの値が１か否かを判定する。発電停止可能フラグの値が１であれば、Ｓ６４へ移り、燃料電池システム３の発電を停止させるために要求発電量Ｐｒ＝０を燃料電池システム３へ出力する。Ｓ６０の判定で発電停止可能フラグの値が１でなければ、Ｓ６６へ移り、燃料電池システム３の保温の為の発電を継続（または発電再開）させるために、要求発電量Ｐｒを最小発電量Ｐmin として、燃料電池システム３へ出力する。
【００６２】
ここで、Ｓ６０、Ｓ６２、及びＳ６６のステップが発電継続判定手段３９に相当する。
【００６３】
以上説明した本実施形態によれば、制御ハンチングを防止した燃料電池車両の制御装置を提供することができるという効果がある。
【００６４】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態として、燃料電池システムの起動中に、燃料電池温度が所定値以上にならなければ発電を停止しない第３実施形態を説明する。燃料電池車両１の構成、燃料電池システム３の構成及び特性は、図１乃至図４に示した第１実施形態と同様である。
【００６５】
例えば、図２の燃料電池システム３の起動時には、燃料電池スタック７５が冷え切っていることが考えられる。特に寒冷時には、温度センサ３３で検出する冷却水温度が第１の所定値Ｔ１以上になっても、燃料電池スタック７５を構成するセパレータ内部や、燃料電池スタック７５の表面等は、第１の所定値Ｔ１まで上昇していないことが考えられる。
【００６６】
従って、燃料電池システムの起動時に、燃料電池温度Ｔｗが温度Ｔ１を超えたときに、要求発電量が０となって発電を停止すると、比較的短時間に水分の凝縮を起こすことがある。この現象を回避するために、本実施形態では、第１の所定値Ｔ１より高い第３の所定値Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ３）を設定し、燃料電池システムの起動中は、燃料電池温度Ｔｗが第３の所定値Ｔ３を超えるまでは、要求発電量Ｐｒが０であっても発電を継続するようにして、燃料電池スタックの内部及び表面が十分暖機されるようにしている。
【００６７】
図８は、第３実施形態における制御装置３５の発電継続判定手段３９及び発電量制御手段４１の動作を示す。このフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。尚、制御装置３５の車両運動制御手段３７の動作は、第１実施形態で説明した図５と同様の動作であるので、重複する説明は省略する。
【００６８】
図８において、まずＳ７０で発電継続判定手段３９が要求発電量Ｐｒを読み込む。次いでＳ７２で要求発電量Ｐｒが０か否かを判定する。要求発電量Ｐｒが０でなければ、Ｓ８４へ移り、要求発電量Ｐｒを発電量制御手段４１を介して燃料電池システム３へ出力して、要求発電量Ｐｒに応じた発電を行わせる。
【００６９】
Ｓ７２の判定で要求発電量Ｐｒが０であれば、Ｓ７４へ移り、起動中フラグを読み込み、Ｓ７６で燃料電池温度Ｔｗを読み込む。次いで、Ｓ７８で起動中フラグが１か否かを判定する。起動中フラグが１でなければ、Ｓ８０へ進む。
【００７０】
Ｓ８０では、起動中ではないので、第１実施形態と同様の通常の温度判定基準に従って、燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下であるか否かを判定する。燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下であれば、Ｓ８８へ移って燃料電池保温のために発電を継続して、メインルーチンへリターンする。Ｓ８０の判定で、燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下でなければ、Ｓ９０へ移って発電を停止し、メインルーチンへリターンする。
【００７１】
Ｓ７８の判定で起動中フラグが１であれば、次いでＳ８２で燃料電池温度Ｔｗが第３の所定値Ｔ３（Ｔ１＜Ｔ３）以上か否かを判定する。燃料電池温度Ｔｗが第３の所定値Ｔ３以上であれば、Ｓ８６で起動中フラグをリセットし、Ｓ９０へ移る。Ｓ８２の判定で燃料電池温度Ｔｗが第３の所定値Ｔ３以上でなければ、発電を継続すべく、Ｓ８８へ移る。
【００７２】
以上説明した第３実施形態によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタック内部及び表面が十分暖機されるまで発電を継続させることができ、暖機を促進し、制御ハンチングを防止した燃料電池車両の制御装置を提供することができるという効果がある。
【００７３】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態として、ブレーキシステムがエネルギ回生機能を備えた燃料電池車両の実施の形態を説明する。燃料電池車両１の構成、燃料電池システム３の構成及び特性は、図１乃至図４に示した第１実施形態と同様である。
【００７４】
第４実施形態では、図１のパワーマネージャ５が制御装置３５と協働して回生ブレーキによるエネルギ回生機能を実現する。このため燃料電池車両１の制動時に、駆動輪１５の回転力は、駆動軸１３、差動装置１１を介して駆動モータ９を回転させ、駆動モータ９が発電機となって車両の走行エネルギーを回生電力に変換する。駆動モータ９で発電された電力は、パワーマネージャ５で電圧変換及び整流され、二次電池７に充電されたり、燃料電池の補機等で消費される。
【００７５】
図９は、第４実施形態における制御装置３５の動作を示す。このフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。
【００７６】
図９において、まずＳ１００で二次電池７が充電可能か否かを判定する。これは、パワーマネージャ５が二次電池７の充放電状態を常に監視して、二次電池７の残存容量又はＳＯＣを把握し、その値を制御装置３５に通知しているものとする。二次電池７が充電可能でなければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。
【００７７】
Ｓ１００の判定で二次電池７が充電可能であれば、Ｓ１０２へ進み、エネルギ回生要求があるか、即ち燃料電池車両１の制動が必要か否かを判定する。このエネルギ回生要求には、運転者がブレーキペダルを操作したことをブレーキセンサ２５で検出したり、制御装置３５がＴＲＣ制御、ＶＳＣ制御、ＡＣＣ制御を行うときに制動力を要する場合である。Ｓ１０２でエネルギ回生要求がなければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。
【００７８】
Ｓ１０２でエネルギ回生要求があれば、Ｓ１０４へ移って、燃料電池温度Ｔｗを温度センサ３３から読み込む。次いで、Ｓ１０６で燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下であるか否かを判定する。燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下であれば、Ｓ１１２へ移り、燃料電池の保温のために発電を継続して、燃料電池スタック７５の発電電力で二次電池７の充電を行う。
【００７９】
Ｓ１０６の判定で燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下でなければ、Ｓ１０８へ移り、燃料電池システム３に対する要求発電量Ｐｒ＝０として燃料電池の発電を停止させる。次いで、Ｓ１１０で回生ブレーキによるエネルギ回生を実施して、駆動モータ９が発電した回生電力をパワーマネージャ５が二次電池７に充電する。
【００８０】
本実施形態によれば、燃料電池システムの温度が所定値以下のときには、回生エネルギで二次電池を充電可能であっても、エネルギ回生を行わず、熱源確保のため発電を継続させる構成としたため、凝縮水の影響を最小限に抑制した燃料電池車両を提供することができるという効果がある。
【００８１】
〔第５実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の第５実施形態を説明する。第５実施形態は、燃料電池の温度が所定値を超えた場合、燃料電池に対する要求発電量が０を含む第１制御マップを選択する一方、燃料電池の温度が所定値以下の場合、燃料電池に対する要求発電量が常に０を超える第２制御マップを選択するように制御マップを切り換える燃料電池車両の制御装置の実施形態である。燃料電池車両１の構成、燃料電池システム３の構成及び特性は、図１乃至図４に示した第１実施形態と同様である。本実施形態では、燃料電池車両の車間距離制御（ＡＣＣ）機能を制御する制動トルクマップの切換を例に説明する。
【００８２】
図１０は、第５実施形態における制御装置３５の動作を説明するフローチャートである。このフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。
【００８３】
図１０において、まずＳ１２０で制動トルク要求があるか否かを判定する。制動トルク要求がなければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。Ｓ１２０の判定で制動トルク要求があれば、Ｓ１２２へ移り、燃料電池温度Ｔｗを温度センサ３３から読み込む。次いで、Ｓ１２４で燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下か否かを判定し、燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１を超えていればＳ１２６へ移り、燃料電池温度Ｔｗが第１の所定値Ｔ１以下ならばＳ１２８へ移る。Ｓ１２６では、燃料電池に対する要求発電量が０を含む第１制御マップである第１の制動トルクマップを選択してＳ１３０へ移る。Ｓ１２８では、燃料電池に対する要求発電量が常に０を超える第２制御マップである第２の制動トルクマップを選択してＳ１３０へ移る。Ｓ１３０では、選択されたトルクマップで制動制御を行う。
【００８４】
図１１は、第１、第２の制動トルクマップの例を説明する図であり、先行車両との距離と、先行車との相対速度の逆数から、目標制動Ｇを算出するマップである。第１の制動トルクマップは、燃料電池温度が所定値を超えている場合に選択される通常の制動トルクマップであり、図１１において、メッシュで示されている。第２の制動トルクマップは、燃料電池温度が所定値以下の場合に選択される通常より強い制動を行う制動トルクマップであり、図１１において矢印で示されている。
【００８５】
尚、制御マップを切り換える代わりに、例えば数式を用いて算出する場合はその数式を変化させたり、スケジュール的に制動が決まっている場合はそのスケジュールを変更することも適用できる。
【００８６】
本実施形態によれば、上記の制御を行うことにより、凝縮水の生成を事前に阻止し、燃料電池に大きな影響を及ぼす前に燃料電池からの電力取り出しを行い、燃料電池の水つまりを防ぐことが可能となる。
【００８７】
〔第６実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池車両の制御装置の第６実施形態を説明する。第６実施形態は、車両挙動を安定化させるトルクカットにより燃料電池の発電停止した後に、所定時間経過すれば、燃料電池の保温のための発電を再開させる実施形態である。燃料電池車両１の構成、燃料電池システム３の構成及び特性は、図１乃至図４に示した第１実施形態と同様である。
【００８８】
図１２は、第６実施形態における制御装置の動作を説明するフローチャートである。このフローチャートは、所定時間（例えば、１０msec）毎にメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。
【００８９】
図１２において、まずＳ１４０で車両挙動制御の有り（ＯＮ）／なし（ＯＦＦ）を判定する。車両挙動制御ありの場合、Ｓ１４２へ、車両挙動制御なしの場合い、何もせずにメインルーチンへ戻る。
【００９０】
Ｓ１４２では、車両挙動安定化させるトルクカット要求が有るか否かを判定し、トルクカット要求がない場合には、何もせずにメインルーチンへ戻る。
【００９１】
Ｓ１４２の判定でトルクカット要求がある場合、Ｓ１４４へ移り、燃料電池温度Ｔｗを温度センサ３３から読み込む。次いでＳ１４６でトルクカット中フラグが１か否かを判定し、１ならばＳ１４８へ、０ならばＳ１５０へ移る。
【００９２】
Ｓ１４８では、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ１以下か否かを判定し、所定値Ｔ１以下であれば、Ｓ１５２へ移る。Ｓ１４８の判定で、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ１を超えていれば、Ｓ１５８へ移り、トルクカット時間を計測するトルクカットタイマを更新し、Ｓ１６０でトルクカットタイマが示すトルクカット時間が所定時間以上であるか否かを判定する。トルクカット時間が所定時間以上であれば、トルクカットを中断して、燃料電池システム３の保温のための発電を再開させるべく、Ｓ１５２へ移る。
【００９３】
Ｓ１６０の判定で、トルクカット時間が所定時間未満であれば、トルクカットを継続すべく、Ｓ１６２へ移り、燃料電池システム３に対する要求発電量Ｐｒ＝０を継続して、メインルーチンへリターンする。
【００９４】
Ｓ１５０では、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ１以下か否かを判定し、所定値Ｔ１以下であれば、Ｓ１５２へ移る。Ｓ１５０の判定で、燃料電池温度Ｔｗが所定値Ｔ１を超えていれば、Ｓ１６４へ移り、トルクカット中を示すトルクカットフラグをセットする。次いで、Ｓ１６６でトルクカット時間を積算するため、トルクカットタイマをスタートさせ、Ｓ１６８で燃料電池システム３に対する要求発電量Ｐｒを０として、メインルーチンへリターンする。
【００９５】
Ｓ１５２では、トルクカットフラグをリセットし、Ｓ１５４ではトルクカットタイマをリセットする。そしてＳ１５６で、燃料電池システム３に対する要求発電量Ｐｒを保温のための最小発電量として、メインルーチンへリターンする。
【００９６】
以上説明した本実施形態によれば、トルクカットにより燃料電池の発電を停止した後、所定時間が経過すれば、要求発電量が０であっても発電を再開させるようにしたので、燃料電池内の水の凝縮による水詰まりを防止することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池車両の制御装置を備えた燃料電池車両の全体構成を説明する構成図である。
【図２】燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図３】図１の燃料電池車両に好適な電動式ブレーキの構成図である。
【図４】図２に示した燃料電池システムにおける燃料電池温度の低下幅ΔＴと凝縮水量Ｗの関係を示す特性図である。
【図５】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示すフローチャートである。
【図６】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示すフローチャートである。
【図７】（ａ）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示すフローチャート、（ｂ）第２実施形態で使用する発電停止可能フラグの更新制御テーブルである。
【図８】第３実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】第４実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図１０】第５実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【図１１】第５実施形態の燃料電池車両の制御装置が使用する制動トルクマップの例を示す図である。
【図１２】第６実施形態における燃料電池車両の制御装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池車両
３…燃料電池システム
５…パワーマネージャ
７…二次電池
９…駆動モータ
１１…差動装置
１３…駆動軸
１５…駆動輪
１７…従動輪
１９…ブレーキ
２１…車輪回転センサ
２３…アクセルセンサ
２５…ブレーキセンサ
２７…ステアリングセンサ
２９…ヨーレイトセンサ
３１…Ｇセンサ
３３…温度センサ
３５…制御装置
３７…車両運動制御手段
３９…発電継続判定手段
４１…発電量制御手段

Claims

燃料電池を動力源とする燃料電池車両の制御装置において、
車両の駆動及び制動を制御する車両運動制御手段と、
該車両運動制御手段からの要求発電量に基づいて燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段と、
燃料電池の温度が凝縮水が発生しない所定値を超えた場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くなると、前記発電量制御手段に燃料電池の発電を停止させる一方、燃料電池の温度が前記所定値以下の場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くても、前記発電量制御手段に燃料電池の保温のための発電を継続させる発電継続判定手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
前記発電継続判定手段は、
燃料電池の起動後、燃料電池の温度が凝縮水が発生しない所定値を超えるまでは、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くても、前記発電量制御手段に燃料電池の暖機のための発電を継続させ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。
前記車両運動制御手段は、
燃料電池の温度が凝縮水が発生しない所定値を超えた場合、燃料電池に対する要求発電量が０を含む第１制御マップを選択する一方、燃料電池の温度が前記所定値以下の場合、燃料電池に対する要求発電量が常に０を超える第２制御マップを選択するように制御マップを切り換えて、車両の駆動及び制動を制御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。
前記車両運動制御手段は、
駆動輪のスリップを検出したときに一時的に駆動力を抑制する駆動力制御手段を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記車両運動制御手段は、
旋回時の車両姿勢を安定化させる車両姿勢制御手段を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記車両運動制御手段は、
制動時の車輪ロックを防止するＡＢＳ制御手段を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記車両運動制御手段は、
前車との車間距離を制御する車間追従制御手段を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記発電量制御手段は、発電を停止してから所定時間が経過すると燃料電池の発電を再開させることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
エネルギ回生可能なブレーキシステム、燃料電池、及び二次電池を備え、燃料電池及び二次電池の少なくとも一方を動力源とする燃料電池車両の制御装置において、
燃料電池の温度が所定値を超えた場合、前記ブレーキシステムから回生電力が得られるときに燃料電池の発電を一時停止して、前記回生電力で二次電池を充電する一方、燃料電池の温度が所定値以下の場合に、前記ブレーキシステムにエネルギ回生を行わせず燃料電池の発電電力で二次電池を充電する充電制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
燃料電池を動力源とする燃料電池車両の制御装置において、
車両の駆動及び制動を制御する車両運動制御手段と、
該車両運動制御手段からの要求発電量に基づいて燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段と、
燃料電池の温度が凝縮水が発生しない第１の所定値を超えた場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くなると、前記発電量制御手段に燃料電池の発電を停止させる一方、燃料電池の温度が前記第１の所定値より小さい第２の所定値未満の場合には、前記車両運動制御手段からの発電要求が無くても、前記発電量制御手段に燃料電池の保温のための発電を継続させる発電継続判定手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池車両の制御装置。