JP2006280108A - 電動機システム及び電動機システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アイドル復帰時間における燃料電池の状態に基づいて、駆動モータの出力応答時間を適切に制御する電動機システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】電動機システムは、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータと、アイドル運転にある燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とするアイドル停止手段と、アイドル停止状態にある燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定するアイドル復帰時状態推定手段１と、アイドル復帰時状態推定手段１が推定した状態推定値に基づいて、駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池を備えた電動機システム及びその制御方法に関し、特に、所定のアイドル停止状態から所定のアイドル状態へ復帰する際の駆動モータの出力応答を制御する技術に関する。

近年の環境問題、特に、自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。燃料電池システムは、水素を含む燃料ガス及び空気等の酸化ガスを燃料電池スタックに供給して、電気化学反応を起こして化学エネルギーを電気エネルギーに変えるエネルギー変換システムである。

燃料電池車両は、通常、燃料電池の出力応答性を補うために、例えばバッテリやキャパシタ等の蓄電装置を備え、燃料電池やバッテリから電力の供給を受けて駆動モータ等の電動機を稼動している。

従来から、例えば特許文献１及び２に開示されたように、車速、駆動モータ出力などの車両の状態や蓄電装置の充電状態（残容量）が所定の状態である場合に燃料電池システムが所定のアイドル状態であると判断して、酸化ガス供給装置及び燃料電池スタックの発電を停止してアイドルストップ（アイドル停止状態）としていた。また、車両あるいは蓄電装置の充電状態が所定の状態ではない場合に、酸化ガス供給装置を駆動して燃料電池スタックを再起動させて電力を供給していた。
特開２００１−３５９２０４号公報 特開２００４−０５６８６８号公報

しかし、車両周囲の大気圧が低下し、或いは外気温が変化（上昇）すると、これに伴って、燃料電池スタックを再起動するために必要な制御を補正することが必要となる。例えば、燃料電池システムが備える各補機を駆動するモータの回転数あるいはモータトルクを増量する補正を行うことを余儀なくされ、各補機の仕事量は増加することとなる。さらに、上述したような環境条件や車両の状態の変化が起こると、各補機を過電流等から保護するために動作制限が必要となる場合がある。この場合、アイドル停止状態からアイドル発電までの復帰時間（アイドル復帰時間）が増加することとなる。

例えば、駆動モータのトルク指令値は、基本的に通常時（１気圧、常温程度）のアイドル復帰時間を考慮し、車速又は駆動モータの回転数に応じた駆動モータ消費電力応答時間を設計している。ところが、上述した特許文献１及び２の技術を用いると、上述したような環境条件や車両の状態の変化によりアイドル復帰時間が長くなっているにもかかわらず、アイドル復帰時間を推定しないで通常通りに駆動モータにトルク指令を行ってしまう。これにより、駆動モータの出力が駆動モータに供給可能な電力（車両に供給する燃料電池発電電力＋バッテリアシスト電力）を上回り、バッテリの過放電を起こす可能性があるという問題点があった。

さらには、バッテリの過放電を防止するため、駆動モータの出力を駆動モータに供給可能な電力に収まるようにトルク制御すると、ドライバの意図した加速を得ることができず、ドライバは加速フィーリングに違和感を持ってしまうという問題点もあった。

そこで本発明は、アイドル復帰時間における燃料電池の状態に基づいて、駆動モータの出力応答時間を適切に制御する技術を提案することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の特徴は、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータと、アイドル運転にある燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とするアイドル停止手段と、アイドル停止状態にある燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定するアイドル復帰時状態推定手段と、アイドル復帰時状態推定手段が推定した状態推定値に基づいて、駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段とを備える電動機システムであることである。

本発明の第２の特徴は、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータを備える電動機システムの制御方法であって、アイドル運転にある燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とし、アイドル停止状態にある燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定し、状態推定値に基づいて、駆動モータの出力応答時間を制御することである。

本発明によれば、アイドル復帰時間における燃料電池の状態に基づいて、駆動モータの出力応答時間を適切に制御する電動機システム及びその制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
（基本構成）
図１を参照して、本発明の実施形態の基本構成を説明する。本発明の実施形態の基本構成は、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータを備える電動機システムであって、アイドル運転にある燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とするアイドル停止手段と、アイドル停止状態にある燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定するアイドル復帰時状態推定手段１と、アイドル復帰時状態推定手段１が推定した状態推定値に基づいて、駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段４とを少なくとも備える。

例えば、アイドル停止手段は、車両の状態が所定のアイドル状態と判断された場合に、燃料電池の発電を停止する。アイドル復帰時状態推定手段１は、燃料電池システムにアイドル復帰を要求した場合に、燃料電池システムがアイドル停止状態からアイドル運転に復帰する間の状態を推定する。このアイドル復帰時の状態推定値に基づき、駆動モータの出力応答時間が制御される。

電動機システムは、状態推定値に基づいて駆動モータに供給可能な電力を演算する供給可能電力演算手段２と、状態推定値及び駆動モータに供給可能な電力に基づいて、駆動モータのトルク変化量の上限を演算する上限トルク変化量演算手段３とを更に備える。駆動モータ出力応答制御手段４は、トルク変化量の上限に基づいて駆動モータのトルクを制御する。

供給可能電力演算手段２は、アイドル復帰時状態推定手段１で推定したアイドル復帰時の状態推定値に基づき、燃料電池システムの定格出力を考慮して、駆動モータに供給可能な電力を推定する。上限トルク変化量演算手段３は、アイドル復帰時状態推定手段１で推定したアイドル復帰時の状態推定値、及び、供給可能電力演算手段２で推定した駆動モータに供給可能な電力の推定値に基づき、最適な駆動モータの上限トルクの変化量（トルク変化量の上限）を演算する。駆動モータ出力応答制御手段４は、上限トルク変化量演算手段３で演算した上限トルクの変化量に基づき、駆動モータのトルクの変化量を制御する。

ここで、「燃料電池」とは、電解質とそれを挟んで設けられた一対の電極（アノード、カソード）とが一組となって構成される電池の基本構成単位である「単セル」、単セルの積層体であり、セパレータ、冷却板、出力端子などを含めた平板型燃料電池の基本構成単位である「セルスタック」、及び所定の出力を得るために複数のセルスタックで構成される「セルモジュール」を含む概念である。以後、「燃料電池」を燃料電池スタックと呼称する。

「アイドル運転」とは、外部負荷に電力を供給せず、運転（発電）に必要な最低負荷を自らが供給して運転している状態を示し、無負荷運転、待機運転（日本工業規格番号：JISC8800）を含む概念である。

「アイドル停止状態」とは、アイドル運転から燃料電池スタックの発電のみを停止した状態や、アイドル運転から燃料電池スタックの他に燃料電池システムを構成する各補機の運転も停止した状態を含む概念である。更に、燃料電池スタックの他に各補機の運転も停止した状態とは、燃料ガスの供給に係わる補機、酸化ガスの供給に係わる補機、反応ガスを加湿する水の供給に係わる補機の少なくとも何れか１つの運転を停止した状態を含む概念である。

燃料電池スタックは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化ガスを供給して発電する燃料電池システムを構成する。燃料電池システムには、燃料電池スタックへ燃料ガスや酸化ガス及び冷却水などを供給するための各補機が含まれる。

燃料電池システムは、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード）に酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる次式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ⁻
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

本発明の実施の形態では、車両の状態が所定のアイドル状態と判断された場合に、酸化ガス供給装置を停止して、燃料電池スタックの発電を停止する。また、車両の状態が非アイドル状態と判断された場合、あるいは、蓄電装置（例えば、キャパシタ）の残容量が所定値以下に低下した場合に、酸化ガス供給装置を駆動して、燃料電池スタックを再起動する。環境条件の変化に応じて生じるアイドル停止状態からアイドル復帰時の間の燃料電池システムの状態推定に基づいた、駆動モータ出力応答制御の方法について提案する。

なお、アイドル停止手段、図１のアイドル復帰時状態推定手段１、供給可能電力演算手段２、上限トルク変化量演算手段３及び駆動モータ出力応答制御手段４は、ＣＰＵ、入力装置、出力装置、一時記憶装置（主記憶装置）等が備えられている通常の情報処理装置を制御装置（コントローラ）として用いて実現することができる。

（第１の実施の形態）
[構成]
図２に示すように、第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１へ供給される燃料ガス（水素ガス）及び酸化ガスを加湿する加湿器１２と、酸化ガスを圧送する酸化ガス供給装置１３と、高圧水素の流量を制御する可変バルブ１４と、酸化ガスの圧力、流量を制御するスロットル１５と、水素ガスを外部に排出するパージ弁１６と、酸化ガス及び水素ガスを加湿するための水（例えば純水）を加湿器１２に供給する純水ポンプ１７と、燃料電池スタック１１から排出される未使用の水素を上流へ還流するためのイジェクタ１８と、燃料電池スタック１１から出力を取り出す駆動ユニット１９と、燃料電池スタック１１入口の酸化ガス圧力を検出する酸化ガス圧力センサ２０と、燃料電池スタック１１入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ２１と、燃料電池スタック１１へ流入する酸化ガス流量を検出する酸化ガス流量センサ２２と、燃料電池スタック１１へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ２３と、燃料電池スタック１１から単セルあるいは単セル群の電圧を検出するセル電圧検出装置２５と、各センサの信号とセル電圧検出装置２５の出力を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ２４とを備える。

酸化ガス系において、酸化ガス供給装置１３は酸化ガスを圧縮して加湿器１２へ送る。加湿器１２は純水ポンプ１７で供給された純水で酸化ガスを加湿する。加湿された酸化ガスは燃料電池スタック１１のカソード入口へ送り込まれる。

水素ガス系において、高圧水素タンク２６に高圧状態で貯蔵された水素ガスは、可変バルブ１４によりその流量が制御されると同時に、燃料電池スタック１１における所望の水素圧力値に設定される。また、水素ガスは、イジェクタ１８において燃料電池スタック１１から排出される未使用の水素ガスからなる還流量と合流し、次に加湿器１２へ送られ、加湿器１２において酸化ガスと同様に純水ポンプ１７で供給された純水により加湿され、その後、燃料電池スタック１１へ送り込まれる。

燃料電池スタック１１は、送り込まれた酸化ガスと水素ガスを反応させて発電を行い、電流（電力）を車両等の外部システムへ供給する。燃料電池スタック１１で反応に使用した残りの酸化ガスは燃料電池スタック１１外へ排出される。スロットル１５の開度により酸化ガスの圧力が制御される。また、燃料電池スタック１１での反応に使用した残りの水素ガスは燃料電池スタック１１外へ排出されるが、未使用の水素ガスはイジェクタ１８によって加湿器１２よりも上流へ還流されて発電に再利用される。

酸化ガス圧力センサ２０は、燃料電池スタック１１のカソード入口における酸化ガスの圧力を検出する。酸化ガス流量センサ２２は、燃料電池スタック１１のカソード入口へ流入する酸化ガスの流量を検出する。水素圧力センサ２１は、燃料電池スタック１１のアノード入口における水素ガスの圧力を検出する。水素流量センサ２３は、燃料電池スタック１１のアノード入口へ流入する水素ガスの流量を検出する。温度センサ１７は、酸化ガス供給装置１３が吸入する酸化ガスの温度を検出する酸化ガス温度検出手段の例として、大気の温度を検出する。セル電圧検出装置２５は、燃料電池スタックを構成する単セルあるいは複数の単セルからなる単セル群（セルスタック）の電圧を検出する。これらの検出値はコントローラ２４へ読み込まれる。コントローラ２４では、読み込んだ各値が、そのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように酸化ガス供給装置１３、スロットル１５、可変バルブ１４を制御するとともに、燃料電池スタック１１から駆動ユニット１９へ取り出す出力（電流値）を指令し制御する。

図３は、図２の燃料電池スタックを含む電動機システム全体の構成を示す概略図である。電動機システムは、燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１に接続された燃料電池メインリレー（スイッチ）３１と、燃料電池スタック１１で発電した電力を直流電流に変換して出力する直流電圧変換装置３２と、直流電圧変換装置３２に接続された駆動モータインバータ３３と、駆動モータインバータ３３に接続された駆動モータ３４と、駆動モータインバータ３３と駆動モータ３４の間に接続されたバッテリメインリレー（スイッチ）３５と、バッテリメインリレー３５に接続されたバッテリ３７と、バッテリ３７を制御するバッテリコントローラ３６と、直流電圧変換装置３２の入力電流を検出する電流センサ４０と、直流電圧変換装置３２の入力電圧を検出する電圧センサ４１と、直流電圧変換装置３２の出力電流を検出する電流センサ４２と、直流電圧変換装置３２の出力電圧を検出する電圧センサ４３と、バッテリ３７の出力電流を検出する電流センサ４４と、バッテリ３７の出力電圧を検出する電圧センサ４５と、大気圧を検出する大気圧センサ４６と、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ４７と、各コントローラ・インバータ・センサの信号を取り込み、内蔵された制御ソフトウェアに基づいて各アクチュエータを駆動するコントローラ２４とから構成される。

図３の電動機システムは、燃料電池システムを主電源とし、バッテリを二次電源とする燃料電池車両に搭載されている。

図４は、図２及び図３のコントローラ２４が備えるその他の機能手段を示すブロック図である。コントローラ２４は、駆動モータ３４のトルク及び回転数を検出するトルク・回転数検出手段５１と、駆動モータ３４の回転数に基づいて、駆動モータ３４の上限トルクを演算する上限トルク演算手段５２と、駆動モータ３４の回転数及びトルクに基づいて、駆動モータ３４の損失電力を推定する損失電力推定手段５３と、駆動モータ３４の回転数、上限トルク及び損失電力に基づいて、駆動モータ３４の最大消費電力を演算する最大消費電力演算手段５４とを備える。この場合、図１の上限トルク変化量演算手段３は、駆動モータ３４に供給可能な電力と最大消費電力に基づいて、駆動モータ３４のトルク変化量の上限を演算する。図１の駆動モータ出力応答制御手段４は、駆動モータ３４の出力が駆動モータ３４に供給可能な電力を上回らないように駆動モータ３４のトルクを制御する。

図３の大気圧センサ４６は、燃料電池スタック１１の周囲の大気圧を検出する大気圧検出手段として機能する。アイドル復帰時状態推定手段１は、大気圧センサ４６が検出する大気圧に基づいて状態推定値を推定する。なお、前記した状態推定値はアイドル復帰時間であっても良いし、アイドル復帰時間における燃料電池システムを構成する補機の消費電力であっても構わない。

図４に示すように、電動機システムは、補機の消費電力に基づいて、駆動モータ３４に対する蓄電装置（バッテリ３７）の供給電力を演算する蓄電装置供給電力演算手段（バッテリ供給電力演算手段）５５を更に備える。この場合、駆動モータ３４に供給可能な電力は、燃料電池スタック１１の定格出力とバッテリの供給電力との和である。

[作用]
次に第１の実施の形態に係わる電動機システムの作用を説明する。

＜メインフロチャート（図９）＞
先ず、図９のフロチャートを参照して、全体の動作を説明する。電動機システムの制御方法の概略は、大気圧センサ４６により検出された大気圧から燃料電池スタック１１のアイドル復帰時の状態を推定し、アイドル復帰時の状態推定値を考慮して駆動モータ３４の上限トルクの変化量を制御するものである。図９の本処理内容は、電動機システムの運転開始時より所定時間毎（例えば１０[ms]毎）に実行される。

Ｓ１段階において、アイドル復帰時状態推定手段１が燃料電池システムのアイドル復帰時の状態を推定する。Ｓ２段階では、Ｓ１段階で推定したアイドル復帰時の状態推定値に基づき、供給可能電力演算手段２が駆動モータ３４に供給可能な電力を推定する。Ｓ３段階では、Ｓ２段階で推定した駆動モータ３４へ供給可能な電力の推定値に基づき、上限トルク変化量演算手段３が駆動モータ３４の上限トルクの変化量を演算する。Ｓ４段階では、Ｓ３段階で演算した上限トルクの変化量に基づき、駆動モータインバータ３３に指令する駆動モータトルク指令値を演算する。Ｓ５段階では、Ｓ４段階で演算した駆動モータへのトルク指令値を駆動モータインバータ３３に指令して終了する。

＜アイドル復帰時状態推定値演算フロチャート〜アイドル復帰時間推定編〜（図１０）＞
ここで、図１０のフロチャートを用いて図９のＳ１段階におけるアイドル復帰時の状態を推定する方法について説明する。Ｓ１１ａ段階では、大気圧センサ４６により大気圧を検出する。そして、Ｓ１２ａ段階では、Ｓ１１ａ段階で検出した大気圧に基づき、燃料電池システムのアイドル復帰時間を推定して終了する。

ここで、図５を用いて図１０のＳ１２ａ段階におけるアイドル復帰時間の推定方法について説明する。例えば、予め実験などにより大気圧と燃料電池システムのアイドル復帰時間の補正係数との関係を求める。また、図５（ａ）より、大気圧センサ４６により検出された大気圧がＰ_A [kPa]時の、アイドル復帰時間の補正係数をｋ_{idle_t} [-]とする。さらに、図５（ｂ）より、大気圧が１気圧（=101.325kPa）であるときの、燃料電池システムのアイドル復帰時間をｔ_{idle_nor} [sec]とすると、大気圧ががＰ_A [kPa]時のアイドル復帰時間ｔ_{idle_Pa} [sec]は、（１）式のように示すことができる。

＜駆動モータ供給可能電力推定フロチャート（図１１）＞
ここで、図１１のフロチャートを用いてＳ２段階の駆動モータ供給可能電力の推定方法について説明する。Ｓ２１段階では、駆動モータ３４に対するバッテリ３７からのアシスト電力を推定する。Ｓ２２段階では、燃料電池システムの定格出力（Net）を推定する。Ｓ２３段階では、Ｓ２１段階で推定したバッテリアシスト電力と、Ｓ２２段階で推定した燃料電池システムの定格出力（Net）との和から駆動モータへの供給可能な電力の推定値を演算して終了する。

ここで、図１１のＳ２１段階における駆動モータ３４に対するバッテリアシスト電力の推定方法について説明する。例えば、バッテリコントローラ３６から送信されるバッテリアシスト電力の最大値をBatt_MAX [kW]とし、アイドル復帰中の燃料電池システム補機の消費電力をＰ_{PP_idle_aux_nor} [kW]、車両補機の消費電力をＰ_{V_idle_aux} [kW]とすると、駆動モータ３４に対するバッテリアシスト電力Batt_MTR [kW]は、（２）式のように示すことができる。

ここで、図６を用いて図１１のＳ２２段階における燃料電池システム定格出力（Net）の推定方法について説明する。例えば、予め実験などにより、燃料電池スタック出力（Gross）Ｇ_gross [kW]とし、該出力を実現するための燃料電池システム補機の消費電力をＰ_{PP_aux} [kW]とすると、燃料電池システム出力（Net）Ｇ_net [kW]は、（３）式のように示すことができる。

また、（３）式で示される燃料電池システムの定格出力（Net）の最大値Ｇ_{max_net} [kW]を図６に示す。アイドル復帰の為の指令が出されてから所定アイドル復帰時間ｔ_{idle_Pa}まではバッテリアシスト電力のみが補機の消費電力に充てられる。所定アイドル復帰時間ｔ_{idle_Pa}以後から、燃料電池システムの出力Ｇ_net [kW]が立上り、これと同時に、駆動モータ供給可能電力MTR_supply [kW]も立ち上がる。

ここで、図６を用いて図１１のＳ２３段階における駆動モータ供給可能電力の推定方法について説明する。Ｓ２１段階で算出した駆動モータ３４に対するバッテリアシスト電力Batt_MTR [kW]、及び、Ｓ２２段階で算出した燃料電池システム出力（Net）Ｇ_net [kW]から、駆動モータ供給可能電力の推定値MTR_supply [kW]は、（４）式のように示すことができる。

＜最適駆動モータ上限トルク変化量演算フロチャート（図１２）＞
次に、図１２のフロチャートを用いて図９のＳ３段階における駆動モータ３４の上限トルクの変化量を演算する方法について説明する。Ｓ３１段階では、アイドル復帰時における駆動モータ３４の上限トルクの変化量補正係数を演算し、Ｓ３２段階では、Ｓ３１段階で演算した上限トルクの変化量補正係数に基づき、上限トルクの変化量を演算して終了する。

ここで、図７を用いてＳ３１段階における上限トルクの変化量補正係数を演算する方法の一例にについて説明する。予め実験などになどにより、図１０のＳ１２ａ段階で算出したアイドル復帰時間の補正係数と、上限トルクの変化量補正係数との関係を求める。また、アイドル復帰時間の補正係数がｋ_{idle_t} [-]である時、アイドル復帰時間の補正に対応した上限トルクの変化量補正係数をｋ_{idle_upperdTr_t} [-]とする。

ここで、図１２のＳ３２段階における上限トルクの変化量を演算する方法について説明する。燃料電池システムのアイドル復帰時間がｔ_{idle_nor} [sec]である場合、上限トルクの変化量を△Tr_{idle_nor} [Nm/sec]とすると、アイドル復帰時間がｔ_{idle_Pa} [sec]である場合の上限トルクの変化量△Tr_{idle_Pa} [Nm/sec]は、（５）式のように示すことができる。

次に、図８を用いて図９のＳ４段階における駆動モータトルク指令値の演算方法について説明する。アクセル開度センサ４７及び駆動モータインバータ３３により検出されたアクセル開度及び駆動モータ回転数に応じたドライバ要求トルクをTr_target [Nm]とし、ドライバ要求トルクTr_target [Nm]の変化量を△Tr_target [Nm/sec]とする。

△Tr_target≧△Tr_{idle_Pa}である場合には、ドライバ要求トルクTr_target [Nm]の変化量を最適な上限トルクの変化量△Tr_{idle_Pa} [Nm/sec]で制限して、駆動モータインバータ３３にトルク指令値△Tr_{target_lmt} [Nm]を送信する。

△Tr_target＜△Tr_{idle_Pa}である場合には、ドライバの要求どおりに駆動モータインバータ３３にトルク指令値Tr_target [Nm]を送信する。

駆動モータインバータ３３により検出された駆動モータ回転数をＮ_MTR [rpm]とし、該回転数Ｎ_MTR [rpm]と駆動モータ３４へのトルク指令値Tr_{target_lmt} [Nm]に基づく、駆動モータ損失分をLoss_MTR （Ｍ_MTR,Tr_{target_lmt}） [kW]とすると、駆動モータ３４の消費電力Ｗ_{MTR_lmt} [kW]は、（６）式のように示すことができる。

さらに、駆動モータ３４の消費電力Ｗ_MTR [kW]は、図８に示す駆動モータ供給可能電力MTR_supply [kW]を上回ることがないように、アイドル復帰時間の補正係数ｋ_{idle_t} [-]とアイドル復帰時の上限トルクの変化量の補正係数ｋ_{idle_upper_dTr} [-]との関係を求める。

[効果]
以上説明したように、第１の実施の形態に係わる電動機システムにおいて、駆動モータ出力応答制御手段４は、アイドル復帰時間における燃料電池スタック１１の状態を示す状態推定値に基づいて、駆動モータ３４の出力応答時間を制御する。これにより、アイドル復帰時間における燃料電池スタック１１の状態に基づいて、駆動モータ３４の出力応答時間を適切に制御することができ、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、さらにドライバに対する加速フィーリングの違和感を緩和することができる＜請求項１、８の効果＞。

上限トルク変化量演算手段３は、駆動モータ３４のトルク変化量の上限を演算し、駆動モータ出力応答制御手段４は、トルク変化量の上限に基づいて、駆動モータ３４のトルクを制御する。即ち、燃料電池システムのアイドル復帰時の状態を推定して、駆動モータ３４の上限トルク変化量を制御しているので、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、さらにドライバに対する加速フィーリングの違和感を緩和することができる＜請求項２、９の効果＞。

駆動モータ３４に供給可能な電力と駆動モータ３４の回転数に応じた駆動モータ３４の消費電力から駆動モータトルク指令値の変化量の上限値を演算している。これにより、過剰に駆動モータ３４の出力を制限することなく、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、さらにドライバに対する加速フィーリングの違和感を緩和することができる＜請求項３の効果＞。

アイドル復帰時状態推定手段１は、大気圧に基づいて状態推定値を推定する。これにより、大気圧が変化した場合においても、精度良くアイドル復帰時状態（状態推定値）を推定することができる＜請求項４の効果＞。

状態推定値をアイドル復帰時間であるとすることにより、アイドル復帰時間が変化した場合においても、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、駆動モータ３４を制御することができる＜請求項５の効果＞。

（第２の実施の形態）
[構成]
図１乃至図８、図１１、図１２に関する説明は、第１の実施の形態と同様であるので省略する。

[作用]
概略の作用は、第１の実施の形態と同様である。

＜アイドル復帰時状態推定値演算フロチャート〜補機消費電力推定編〜（図１６）＞
図１６のフロチャートを用いて、図９のＳ１段階においてアイドル復帰時における燃料電池スタックの状態を推定する方法について説明する。Ｓ１１ｂ段階において、大気圧センサ４６により大気圧を検出し、Ｓ１２ｂ段階において、Ｓ１１ｂ段階で検出した大気圧に基づき、燃料電池システムのアイドル復帰時間を推定する。そして、Ｓ１３ｂ段階において、Ｓ１１ｂ段階で検出した大気圧に基づき、燃料電池システム補機の消費電力を推定して終了する。

なお、Ｓ１２ｂ段階でのアイドル復帰時間の推定方法については、第１の実施の形態で説明した図１０のＳ１２ａ段階と同様であるので、ここでは省略する。

図８を用いて、図１６のＳ１２ｂ段階における補機消費電力の推定方法について説明する。例えば、図８（ａ）に示すように、予め実験などにより大気圧と燃料電池システム補機の補機消費電力の補正係数との関係を求める。また、大気圧センサ４６により検出された大気圧がＰ_A [kPa]である時の、補機消費電力の補正係数をｋ_{idle_p} [-]とする。さらに、図８（ｂ）より、大気圧が１気圧（=101.325kPa）である時の、燃料電池システムの補機消費電力をＰ_{PP_idle_aux_nor} [kW]とする。この場合、大気圧がＰ_A [kPa]時の補機消費電力Ｐ_{PP_idle_aux_Pa} [kW]は、（７）式のように示すことができる。

また、図９のＳ２段階における駆動モータ供給可能電力の推定方法及び図１１のフロチャートについては、第１の実施の形態で説明した図１０のＳ１２ａ段階の推定方法と同様であるので、ここでは図１１のＳ２１段階における駆動モータに対するバッテリアシスト電力の推定方法についてのみ説明する。

例えば、バッテリコントローラ３６から送信されるバッテリアシスト電力の最大値をBatt_max [kW]とし、車両補機の消費電力をＰ_{V_idle_aux} [kW]とする。この場合、Ｓ１２ｂ段階で演算した大気圧Ｐ_A [kPa]時の補機消費電力Ｐ_{PP_idle_aux_Pa} [kW]から、駆動モータ３４に対するバッテリアシスト電力Batt_MTR [kW]は、（８）式のように示すことができる。

また、Ｓ２２段階における燃料電池システム定格出力（Net）の推定方法で説明した（３）式と（８）式により示される燃料電池システムの定格出力（Net）Ｇ_{max_net} [kW]を図１４に示す。

また、図９のＳ３段階における最適駆動モータ上限トルク変化量の演算方法、及び図１２のフロチャートについては、第１の実施の形態で説明した演算方法と同様であるので、説明を省略する。ここでは図１２のＳ３１段階におけるアイドル復帰時の上限トルクの変化量補正係数を演算する方法、及びＳ３２段階における上限トルク変化量の演算方法についてのみ説明する。

予め実験などになどにより、図１６のＳ１２ｂ段階で算出したアイドル復帰時における補機消費電力の補正係数と、アイドル復帰時における駆動モータの上限トルク変化量の補正係数との関係を求める。また、アイドル復帰時における補機消費電力の補正係数がｋ_{idle_p} [-]である時の、補機消費電力に対応した駆動モータ３４の上限トルクの変化量補正係数をｋ_{idle_upperdTr_p} [-]とする。さらに、図１２のＳ３１段階で算出したアイドル復帰時間の補正係数がｋ_{idle_t} [-]である時の、アイドル復帰時間に対応した駆動モータ３４の上限トルクの変化量補正係数はｋ_{idle_upperdTr_t} [-]であることから、駆動モータ３４の上限トルク変化量の補正係数ｋ_{idle_upperdTr} [-]は、（９）式のように示すことができる。

燃料電池システムのアイドル復帰時間がｔ_{idle_nor} [sec]である場合の、駆動モータ３４の上限トルク変化量を△Tr_{idle_nor} [Nm/sec]とする。このとき、アイドル復帰時間ｔ_{idle_Pa} [sec]における、最適駆動モータ上限トルク変化量△Tr_{idle_Pa} [Nm/sec]は、（１０）式のように示すことができる。

最後に、第１の実施の形態で説明した図９のＳ４段階における駆動モータトルク指令値の演算方法と同様の演算方法で、駆動モータインバータ３３にトルク指令を送信する。

[効果]
以上説明したように、第２の実施の形態に係わる電動機システムにおいて、状態推定値をアイドル復帰時間における燃料電池システムを構成する補機の消費電力であるとすることにより、補機の消費電力が変化した場合においても、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、駆動モータ３４を制御することができる＜請求項６の効果＞。

駆動モータ３４へ供給可能な電力を燃料電池スタック１１の定格出力とバッテリ供給電力との和であるとする。即ち、供給可能な電力を、補機の消費電力を考慮したバッテリ供給電力と、燃料電池システムの定格出力との和により算出しているので、バッテリ３７の過放電を起こすことなく、駆動モータ３４を制御することができる＜請求項７の効果＞。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

第１の実施の形態では、図５（ｂ）に示したようにアイドル復帰時間ｔ_idleを補正する場合について説明し、第２の実施の形態では、図１３（ｂ）に示したようにアイドル復帰時間ｔ_idleのみならず、補機の消費電力Ｐ_{pp_idle_aux}に対しても補正を加えた場合について説明した。本発明は、これに限定されること無く、例えば、補機の消費電力Ｐ_{pp_idle_aux}に対してのみ補正を加え、アイドル復帰時間ｔ_idleに対しては補正を加えなくても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施形態の基本構成を示す図である。 第１の実施の形態に係わる燃料電池システムを示すブロック図である。 図２の燃料電池スタックを含む電動機システム全体の構成を示すブロック図である。 図２及び図３のコントローラの構成を示すブロック図である。 アイドル復帰時間推定方法の一例を説明する図であり、（ａ）は大気圧とアイドル復帰時間の補正係数との関係を示すグラフであり、（ｂ）はアイドル復帰時間と燃料電池システム出力との関係を示すグラフである。 アイドル復帰時における駆動モータ供給可能電力を推定する方法を説明するグラフである。 アイドル復帰時間の補正係数と上限トルク変化量の補正係数との関係を示すグラフである。 アイドル復帰時における駆動モータ供給可能電力を推定する方法を説明するためのグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係わる電動機システムの制御方法全体を示すフロチャートである。 アイドル復帰時における状態推定値（アイドル復帰時間）を演算する方法を示すフロチャートである。 駆動モータ供給可能電力を推定する方法を示すフロチャートである。 最適な駆動モータの上限トルクの変化量を演算する方法を示すフロチャートである。 アイドル復帰時における補機消費電力を推定する方法を説明するための図であり、（ａ）は大気圧と補機消費電力の補正係数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は大気圧をパラメータとするアイドル復帰時における補機消費電力を示すグラフである。 アイドル復帰時において駆動モータへ供給可能な電力を推定する方法を説明するためのグラフである。 アイドル復帰時における補機消費電力の補正係数と駆動モータ上限トルク変化量の補正係数との関係を示すグラフである。 アイドル復帰時における状態推定値（補機消費電力）を演算する方法を示すフロチャートである。

符号の説明

１…アイドル復帰時状態推定手段
２…供給可能電力演算手段
３…上限トルク変化量演算手段
４…駆動モータ出力応答制御手段
１１…燃料電池スタック
１２…加湿器
１３…酸化ガス供給装置
１４…可変バルブ
１５…スロットル
１６…パージ弁
１７…温度センサ
１７…純水ポンプ
１８…イジェクタ
１９…駆動ユニット
２０…酸化ガス圧力センサ
２１…水素圧力センサ
２２…酸化ガス流量センサ
２３…水素流量センサ
２４…コントローラ
２５…セル電圧検出装置
２６…高圧水素タンク
３２…直流電圧変換装置
３３…駆動モータインバータ
３４…駆動モータ
３５…バッテリメインリレー
３６…バッテリコントローラ
３７…バッテリ
４０、４２、４４…電流センサ
４１、４３、４５…電圧センサ
４６…大気圧センサ
４７…アクセル開度センサ
５１…トルク・回転数検出手段
５２…上限トルク演算手段
５３…損失電力推定手段
５４…最大消費電力演算手段

Claims (9)

1. 燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータと、
   アイドル運転にある前記燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とするアイドル停止手段と、
   前記アイドル停止状態にある前記燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定するアイドル復帰時状態推定手段と、
   前記アイドル復帰時状態推定手段が推定した前記状態推定値に基づいて、前記駆動モータの出力応答時間を制御する駆動モータ出力応答制御手段
   とを備えることを特徴とする電動機システム。
2. 前記状態推定値に基づいて前記駆動モータに供給可能な電力を演算する供給可能電力演算手段と、
   前記状態推定値及び前記供給可能な電力に基づいて、前記駆動モータのトルク変化量の上限を演算する上限トルク変化量演算手段とを更に備え、
   前記駆動モータ出力応答制御手段は、前記トルク変化量の上限に基づいて、前記駆動モータのトルクを制御することを特徴とする請求項１記載の電動機システム。
3. 前記駆動モータのトルク及び回転数を検出するトルク・回転数検出手段と、
   前記回転数に基づいて、前記駆動モータの上限トルクを演算する上限トルク演算手段と、
   前記回転数及び前記トルクに基づいて、前記駆動モータの損失電力を推定する損失電力推定手段と、
   前記回転数、前記上限トルク及び前記損失電力に基づいて、前記駆動モータの最大消費電力を演算する最大消費電力演算手段とを更に備え、
   前記上限トルク変化量演算手段は、前記供給可能な電力と前記最大消費電力に基づいて、前記駆動モータのトルク変化量の上限を演算し、
   前記駆動モータ出力応答制御手段は、前記駆動モータの出力が前記供給可能な電力を上回らないように前記トルクを制御することを特徴とする請求項２記載の電動機システム。
4. 前記燃料電池の周囲の大気圧を検出する大気圧検出手段を更に備え、
   前記アイドル復帰時状態推定手段は、前記大気圧に基づいて前記状態推定値を推定することを特徴とする請求項１記載の電動機システム。
5. 前記状態推定値は前記アイドル復帰時間であることを特徴とする請求項４記載の電動機システム。
6. 前記状態推定値は前記アイドル復帰時間における燃料電池システムを構成する補機の消費電力であることを特徴とする請求項４記載の電動機システム。
7. 前記補機の消費電力に基づいて、前記駆動モータに対する蓄電装置の供給電力を演算する蓄電装置供給電力演算手段を更に備え、
   前記供給可能な電力は、前記燃料電池の定格出力と前記蓄電装置供給電力との和であることを特徴とする請求項３又は６記載の電動機システム。
8. 燃料電池及び蓄電装置から供給される電力を用いて駆動力を生成する駆動モータを備える電動機システムの制御方法であって、
   アイドル運転にある前記燃料電池の発電を停止してアイドル停止状態とし、
   前記アイドル停止状態にある前記燃料電池の起動操作を開始してからアイドル運転に復帰するまでのアイドル復帰時間における燃料電池の状態を示す状態推定値を推定し、
   前記状態推定値に基づいて、前記駆動モータの出力応答時間を制御する
   ことを特徴とする電動機システムの制御方法。
9. 前記状態推定値に基づいて前記駆動モータに供給可能な電力を演算し、
   前記状態推定値及び前記供給可能な電力に基づいて、前記駆動モータのトルク変化量の上限を演算し、
   前記駆動モータの出力応答時間を制御することは、前記トルク変化量の上限に基づいて、前記駆動モータのトルクを制御することであることを特徴とする請求項８記載の電動機システムの制御方法。

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