JP4135325B2 - ハイブリッド式駆動源を備える移動体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２つの駆動源を使い分けて移動する移動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池を電源とする電動機によって走行する車両が提案されている。燃料電池とは、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置をいう。燃料電池から排出されるのは主として水蒸気であり、有害な成分が含まれないため、環境性に非常に優れるという利点がある。
【０００３】
燃料電池の他に、駆動源として熱機関とを併用する車両も提案されている。かかる車両は、特性の異なる駆動源を２種類備えることにより、両者の長所を組み合わせて効率的な運転を実現することができる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池と熱機関とを備える車両について、従来、燃料電池はバッテリの充電にのみ使用されたり、高負荷時の熱機関のアシスト源として使用されたりするに過ぎなかった。燃料電池および熱機関の運転効率は運転状態によって変化するが、こうした変化を考慮した両者の使い分けは実現されていなかった。従って、運転効率向上という観点から、改善の余地が残されていた。また、この際、エネルギ効率の観点のみならず、エミッションの排出など多面的な効率改善の実現が望まれていた。
【０００５】
本発明は、燃料電池と熱機関のように、２以上の駆動源を備える移動体に対し、両者の使い分けにより運転効率を高めることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、次の構成を採用した。
本発明の移動体は、
該移動体の運転状態と効率との間に第１の関係を有する第１の駆動源と、
該移動体の運転状態と効率との間に第２の関係を有する第２の駆動源と、
該移動体の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
検出された運転状態に応じて、前記第１の駆動源と第２の駆動源の効率比較に基づき、いずれかの駆動源を利用して駆動を行う制御手段とを備えることを要旨とする。
ここでいう移動体には、例えば、車両、航空機、船舶が含まれる。
【０００７】
運転状態検出手段は、移動体の運転状態を表す種々のパラメータを検出する手段である。パラメータには、例えば、移動速度、要求トルク、駆動源の残燃料、温度などが含まれる。
【０００８】
本発明の移動体では、駆動源の効率比較に基づいて駆動源を選択するため、移動体の効率を向上することができる。
【０００９】
制御手段は、例えば第１および第２の駆動源の運転効率を運転状態ごとに予め比較した上で駆動源を特定したマップを用意し、これを参照して上記使い分けを行うものとしてもよい。また、両者の運転効率を逐次求めて両者の使い分けを行うものとしてもよい。
【００１０】
後者の態様は、例えば、
前記制御手段は、
前記運転状態に基づいて、前記第１の駆動源を用いて駆動を行う場合の第１の効率を求める第１の効率特定手段と、
前記運転状態に基づいて、前記第２の駆動源を用いて駆動を行う場合の効率を求める第２の効率特定手段と、
前記第１および第２の駆動源のうち、効率の高い側の出力を利用して駆動を行う駆動制御手段とを備えることにより実現される。
【００１１】
かかる効率特定手段を設ける場合には、
前記第１の関係を記憶する第１の記憶手段と、
前記第２の関係を記憶する第２の記憶手段とを備え、
前記第１の効率特定手段および前記第２の効率特定手段は、それぞれ前記第１の記憶手段、第２の記憶手段を参照して前記効率を求めるものとすることが望ましい。
記憶手段には、運転状態を表す所定のパラメータと、効率との関係を、関数、テーブルなどの形式で予め記憶させておけばよい。
【００１２】
本発明の移動体において、
前記第１の関係および第２の関係の少なくとも一方は、各駆動源の運転状態に応じて変動する関係である場合には、
前記制御手段は、前記駆動源の運転状態をも考慮して前記効率比較を行うことが望ましい。
駆動源の効率は、温度その他の運転状態に応じて変動する場合がある。かかる場合には、その運転状態を考慮することにより、より精度良く効率比較を行うことが可能となる。例えば、第１または第２の記憶手段において、運転状態に関するパラメータを含めて、多元的に関係を記憶しておくことにより容易に実現することができる。別の方法として、標準の運転状態を想定して効率を算出した後、運転状態に応じた補正を施すものとしてもよい。
【００１３】
本発明の移動体において、例えば、
前記第１の駆動源は、熱機関であり、
前記第２の駆動源は、燃料電池を電源とする電動機であるものとすることができる。
【００１４】
熱機関の効率は、回転数、トルク、温度に応じて変動することが知られている。熱機関を駆動源とする場合には、前記第１の記憶手段には、これらのパラメータと効率との関係を、関数、テーブルなどの形式で予め記憶しておくことが望ましい。また、熱機関についての効率特定手段は、例えば、該熱機関の少なくとも原動機効率を考慮して効率を求める手段、少なくとも燃料効率を考慮して効率を求める手段、少なくとも原動機効率および燃料効率を考慮して効率を求める手段などの態様で構築可能である。
【００１５】
燃料電池の効率には、燃料電池自体の効率の他、電動機の効率も含まれる。燃料電池についての効率特定手段は、燃料電池に要求された出力、電動機の回転数、トルクなどのパラメータと効率との関係を予め記憶しておき、これを参照することによって運転効率を特定する。また、燃料電池についての効率特定手段は、例えば、少なくとも該燃料電池のシステム温度を考慮して効率を特定する手段、少なくとも発電量を考慮して効率を特定する手段、少なくとも始動からの経過時間を考慮して効率を特定する手段、少なくとも燃料電池の劣化度に関与する所定のパラメータ値を考慮して効率を特定する手段、およびこれらを組み合わせて考慮して効率を特定する手段など種々の態様で構築することができる。ここで、システム温度には、燃料電池自体の温度の他、改質器などの温度を含めることもできる。
【００１６】
本発明の移動体においては、例えば、
前記効率は、エネルギ効率、経済効率、および排出物抑制効率の少なくとも一つを用いて表されるものとすることができる。駆動源の使い分け時に着目する効率により、各効率の向上を図ることができる。
【００１７】
エネルギ効率とは、単位燃料当たりに出力可能な理想的エネルギと、実際に出力されるエネルギとの比を言う。エネルギ効率が高い程、消費燃料が少なくなる。エネルギ効率は、単位駆動力の出力に消費される燃料の逆数で表すこともできる。従って、駆動源の使い分け時に、エネルギ効率を考慮することにより、燃料消費の抑制を図ることができる。
【００１８】
経済効率とは、単位駆動力の出力対価の逆数に相当する。駆動力の出力時に消費される燃料量と燃料単価によって決定される。例えば、エネルギ効率が高く燃料消費量が少ない駆動源であっても、燃料単価が高ければ、経済効率は低くなる可能性がある。従って、経済効率を考慮することにより、ユーザの経済的負担の軽減を図ることができる。
【００１９】
なお、経済効率の特定時には、燃料単価を入力する必要がある。従って、移動体には、燃料単価を入力するためのインタフェースを備えておくことが望ましい。例えば、運転者が入力するためのタッチパネルなどを用いることができる。また、外部からの無線通信によって、燃料単価を取得する手段を設けても良い。
【００２０】
排出物抑制効率とは、単位駆動力の出力時に排出される排出物、いわゆるエミッションの量の逆数に相当する。エミッションが少ない程、排出物抑制効率が高いことを意味する。従って、駆動源の使い分け時に、排出物抑制効率を考慮することにより、環境性に優れた運転を実現することができる。ここでは、エミッションの量を例示したが、移動体から発せられる騒音をパラメータとしてもよい。
【００２１】
本発明の移動体においては、
前記制御手段は、前記第１および第２の駆動源について、複数種類の前記効率を比較して前記駆動を行うものとすることができる。
【００２２】
こうすることにより、複数の効率を総合的に考慮した駆動源の使い分けを行うことができる。一例として、先に例示したエネルギ効率、経済効率、排出物抑制効率の３種類を考慮することができる。これらの効率に予め重みを設定しておくことにより、３種類の効率を総合的に最大にする駆動源の使い分けを実現することができる。
【００２３】
複数種類の効率を考慮する場合には、
前記制御手段は、前記複数種類の効率を、所定の優先順位に従って考慮するものとしてもよい。
移動体の運転状態等に応じて優先順位を変更させてもよい。
【００２４】
また、運転者が、前記複数種類の効率の少なくとも一部について、前記制御時における考慮の可否または前記優先順位を設定可能な設定手段を備えるものとしてもよい。
【００２５】
このように優先順位を考慮したり、運転者に設定自由度を認めることにより、運転時の環境、運転者の意図などの実情に即した駆動源の使い分けを行うことが可能となる。
【００２６】
本発明の移動体においては、
前記第１の駆動源の使用可否を判定する第１の使用可否判定手段と、
前記第２の駆動源の使用可否を判定する第２の使用可否判定手段とを備え、
前記制御手段は、該第１および第２の駆動源の双方が使用可能な状態にあると判定される場合にのみ前記制御を実行する手段であるものとすることが望ましい。こうすることにより、運転効率算出の負担軽減を図ることができる。
【００２７】
使用可否は、熱機関および燃料電池の故障の有無、暖機状態、残燃料などに基づいて判断することができる。「使用否」に相当する状態は、必ずしも熱機関、燃料電池が一切運転できない場合に限定する必要はない。駆動源としての使用を制限すべきものとして設定された任意の状態が該当する。例えば、燃料電池の残燃料が一定値に満たなくなった時点で使用否と判断しても良い。このとき、燃料電池は、本発明の制御上は「使用否」と判断されるが、他の制御では使用される可能性を残っていることになる。例えば、使用可否は、燃料電池のみならず燃料電池からの電源で駆動する電動機の状態に基づいて判断してもよい。これらの観点から、第２の使用可否判定手段は、例えば、少なくとも燃料電池を電源として駆動する電動機の出力定格を考慮して使用可否を判定する手段、少なくとも燃料電池の発電定格を考慮して使用可否を判定する手段、これらを組み合わせて使用可否を判定する手段など種々の態様で構築することができる。
【００２８】
本発明の移動体においては、
前記第１の駆動源は、熱機関であり、
前記第２の駆動源は、燃料電池を電源とする電動機であり、
更に、前記燃料電池の代替電源となる蓄電器と、
前記運転状態に基づいて、該蓄電器の出力を用いて駆動する場合の運転効率を求める蓄電器効率特定手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池が使用不可状態にある場合には、前記熱機関と蓄電器のうち、運転効率の高い側の出力を利用して駆動を行う手段であるものとすることもできる。蓄電器には、二次電池、キャパシタなどが含まれる。
【００２９】
これは、２種類の電源、即ち燃料電池と蓄電器について、燃料電池を蓄電器よりも優先的に使いつつ、電動機と熱機関との駆動源の使い分けを実現する態様である。蓄電器は、電力の放電時の損失だけでなく、充電時にも有る程度の損失を伴うのが通常である。従って、燃料電池を蓄電器よりも優先使用することにより、効率を向上することができる。燃料電池が使用不能な状態では、蓄電器と熱機関との効率比較により、状況に応じて効率的な運転を実現することができる。蓄電器効率特定手段は、例えば、運転状態と効率との関係を予め記憶しておくなどの態様で構成することができる。蓄電器を利用した場合の運転効率は、消費電力を熱機関により充電した場合の効率に換算して求めることができる。
【００３０】
本発明においては、エネルギ出力源、即ち熱機関、燃料電池、蓄電器の使用状態の頻繁な切り替えを抑制する抑制手段を制御手段に適用することもできる。例えば、抑制手段は、エネルギ出力源の切り替えが行われた後、所定の条件が成立しない間は切り替えを抑制する手段である。この際の条件としては、切り替え後の経過期間、切り替え後の走行距離、切り替え後の操作部の操作状態などを適用することができる。操作部の操作状態としては、例えば、変速機のシフトポジションがニュートラルになることを適用できる。
【００３１】
本発明においては、例えば、所定の走行状態においては、効率の比較に関わらずいずれかのエネルギ出力源を使用する制御を適用してもよい。
【００３２】
本発明は上述した移動体の他、該移動体の制御方法、駆動源を使い分ける制御方法など種々の態様で構成可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、ハイブリッド車両に適用した実施例を、以下の項目に分けて説明する。
Ａ．装置の構成：
Ｂ．一般的動作：
Ｃ．運転制御：
【００３４】
Ａ．装置の構成：
図１は実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。本実施例のハイブリッド車両の動力源は、エンジン１０とモータ２０である。図示する通り、本実施例のハイブリッド車両の動力系統は、上流側からエンジン１０、入力クラッチ１８、モータ２０、トルクコンバータ３０、および変速機１００を直列に結合して構成されている。変速機１００の出力軸１５はディファレンシャルギヤ１６を介して車軸１７に結合されている。入力クラッチ１８は、エンジン１０のクランクシャフト１２とモータ２０間の動力の伝達を断続する機構である。
【００３５】
エンジン１０は種々の熱機関を適用できる。本実施例では通常のガソリンエンジンとした。モータ２０は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できる。本実施例では、三相の同期モータを用いた。トランジスタインバータとして構成された駆動回路５２で生成される三相交流によってモータ２０は回転する。モータ２０の電源としては、バッテリ５０と燃料電池５４とが備えられている。主電源は燃料電池５４であり、バッテリ５０は燃料電池５４の発電が不十分な状況下でこれを補償する電源として使用される。バッテリ５０の電力は、制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器に主として供給される。燃料電池５４は、水素と酸素の電気化学反応で発電する装置であり、種々のタイプを適用可能であるが、本実施例では、固体高分子型を用いるものとした。燃料電池５４に供給される水素は直接貯蔵するものとしてもよいが、所定の原料を改質して生成してもよい。本実施例では、燃料電池５４用の燃料タンクＦＣに貯蔵されたメタノールを改質して水素を生成するものとした。改質用の原料としては、天然ガス、ガソリンなどの炭化水素系化合物、メタノールその他のアルコール、アルデヒドなどを用いることが可能である。
【００３６】
トルクコンバータ３０はいわゆる流体継手である。変速機１００は、前進５段、後進１段の有段変速機を用いた。変速機１００の変速段の切り替えは、油圧制御部１０４がポンプ１０２から変速機１００への油圧系統を切り替えることにより実現される。なお、運転者がシフトレバーを操作することによって変速段の切り替え範囲を調整することができる。シフトレバーは、パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブポジション（Ｄ）、および４ポジション〜Ｌポジションの各ポジションを選択可能である。変速段は、各シフトポジションに応じて予め設定された範囲で行われる。
【００３７】
車軸１７への動力伝達系統の他に、エンジン１０には補機駆動装置８２が結合されている。補機には、エアコンのコンプレッサやパワーステアリング用のポンプ、燃料電池５４の冷却用のポンプなどが含まれる。ここでは、エンジン１０の動力を利用して駆動される補機類をまとめて補機駆動装置８２として示した。補機駆動装置８２は、具体的にはエンジン１０のクランクシャフトに補機クラッチ１９を介して設けられたプーリにベルトを介して結合されており、クランクシャフトの回転動力によって駆動される。
【００３８】
補機駆動装置８２には、補機駆動用モータ８０も結合されている。補機駆動用モータ８０は、直流モータ、交流モータのいずれも適用できる。本実施例では、三相同期モータとした。補機駆動用モータ８０は、トランジスタインバータとして構成された駆動回路５６で、バッテリ５０および燃料電池５４を電源として生成された三相交流により回転する。エンジン１０が運転を停止している時は、補機駆動用モータ８０により、補機駆動装置８２を駆動することができる。このときは、負荷軽減のため、クラッチ１９が解放される。補機駆動用モータ８０は、エンジン１０の動力によって発電する発電機としても機能する。こうして発電された電力は、バッテリ５０に充電することができる。
【００３９】
駆動回路５２、５６と各電源との間には、接続状態を３カ所に切り替え可能な切替スイッチ５１，５５が設けられている。切替スイッチ５５の動作により、燃料電池５４は、駆動回路５６に接続された状態（図中の回路ａ）、駆動回路５２に接続された状態（図中の回路ｂ）、バッテリ５０に接続された状態（図中の回路ｃ）の３通りの接続状態を実現することができる。同様に、切替スイッチ５１の動作により、バッテリ５０は、選択先を駆動回路５６、駆動回路５２、燃料電池５４の３通りに切り替えることができる。
【００４０】
上述した各ユニットの動作は、制御ユニット７０により制御される。制御ユニットは、内部にＣＰＵ、メモリ等を備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット７０には、制御の実行上必要となる種々の信号が入力される。入力される信号としては、例えば、アクセルペダル、ブレーキペダル、シフトレバー、パーキングブレーキなどの操作部７４の各操作状態を検出する操作状態センサ７３からの信号、エンジン１０用の燃料タンクＥＧのガソリン残量を検出する残量センサ７５、燃料電池５４用の燃料タンクＦＣのＦＣ燃料残量を検出する残量センサ７６、車速センサ７８などが挙げられる。その他種々のセンサからの信号が制御ユニット７０に入力されるが、ここでは図示を省略した。
【００４１】
制御ユニット７０には、制御を実現するための種々の機能ブロックが用意されている。図１中には、本実施例に特徴的な機能ブロックとして、効率演算部７１と駆動制御部７２を示した。効率演算部７１は、操作部７４の状態に基づいて定まる要求トルクや車速などに基づいて、その運転状態での動力源のエネルギ効率を算出する。効率演算部７１は、エンジン１０のエネルギ効率、燃料電池５４を電源としてモータ２０を駆動する場合のエネルギ効率、バッテリ５０を電源としてモータ２０を駆動する場合のエネルギ効率をそれぞれ算出する。駆動制御部７２は、算出されたエネルギ効率を比較して、動力源の使い分けを行う。これらの機能ブロックにより実現される制御処理については、後に詳述する。本実施例では、これらの機能ブロックは、ソフトウェア的に構成されているが、もちろん、ハードウェア的に構築しても構わない。
【００４２】
Ｂ．一般的動作：
本実施例のハイブリッド車両は、車速およびトルクに応じて２つの動力源、即ちエンジン１０とモータ２０を使い分けて走行する。両者の使い分けは予めマップとして設定され、制御ユニット７０内のＲＯＭに記憶されている。
【００４３】
図２は車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。図中の領域ＭＧはモータ２０とエンジン１０とを使い分けて走行する領域である。領域ＭＧの外側の領域、即ちＥＧ領域は、エンジン１０を動力源として走行する領域である。本実施例の車両は、エンジン１０とモータ２０の双方を動力源として走行することも可能ではあるが、かかる運転モードは原則的には使用しないものとした。
【００４４】
ＭＧ領域でモータ２０が動力源として選択されると、ハイブリッド車両は、入力クラッチ１８をオフにしてモータ２０の動力により発進する。車速およびアクセル開度が、領域ＭＧと領域ＥＧの境界近傍の走行状態に達すると、制御ユニット７０は、入力クラッチ１８をオンにするとともに、エンジン１０を始動する。その後は、エンジン１０のみを動力源として走行する。エンジン走行中は、モータ２０は単に空回りした状態となる。ＭＧ領域内での動力源の使い分けに関する判断は、頻繁に行われる。従って、ＭＧ領域内でモータ２０からエンジン１０へ、またはその逆に動力源が切り替わることもある。なお、例えば、図２に示したマップ中の領域Ａのように、特定の領域では必ずモータ２０を動力源とするものとしてもよい。かかる領域を設けない制御も可能である。
【００４５】
制御ユニット７０は、動力源の使い分けとともに、変速段の切り替え制御も行う。変速段の切り替えは、車両の走行状態に予め設定されたマップに基づいてなされる。図２にはＤポジションにおけるマップを示した。図示するように制御ユニット７０は、車速が増すにつれて変速比が小さくなるように変速段の切り替えを実行する。
【００４６】
Ｃ．運転制御：
ＭＧ領域における動力源の使い分けは以下に示す制御処理によって実現される。図３は駆動制御処理ルーチンのフローチャートである。車速および要求トルクがＭＧ領域（図２参照）にある場合に、制御ユニット７０内のＣＰＵが他の制御処理と共に繰り返し実行する処理である。
【００４７】
ＣＰＵはＦＣ燃料残量、ガソリン残量に応じて、次の４通りに制御内容を切り替える。ＦＣ燃料残量が十分あり（ステップＳ１０）、ガソリンの残量が不足している場合（ステップＳ１２）には、燃料電池５４を電源としてモータ２０を駆動して走行する（ステップＳ１８）。ＦＣ燃料残量、ガソリン残量が十分あるか不足しているかの判断は、各燃料に対応して設けられた所定値と残量との大小関係に応じて行われる。
【００４８】
ＦＣ燃料残量およびガソリン残量が共に十分あると判断された時は（ステップＳ１０、Ｓ１２）、運転効率に基づいて、燃料電池５４とエンジン１０との使い分けを行う。ＣＰＵは、燃料電池５４でモータ２０を駆動した場合の運転効率ηｆと、エンジン１０で駆動した場合の運転効率ηｅをそれぞれ計算し（ステップＳ１４）、運転効率の高い側を動力源として選択する。つまり、「ηｅ＞ηｆ」の場合は、エンジン１０を動力源として走行し（ステップＳ１６，Ｓ２０）、その他の場合には、燃料電池５４を電源とするモータ２０を動力源として走行する（ステップＳ１６，Ｓ１８）。
【００４９】
ここで、運転効率ηｅ、ηｆの算出方法について説明する。一般に運転効率は、車速、要求トルク、各ユニットの温度など種々のパラメータによって変動する。また、出力された動力を車軸１７に伝達する際の損失も考慮する必要がある。本実施例では、動力の出力に関与するいくつかの要素ごとに運転効率への影響（以下、「要素効率」と呼ぶ）を予め求めておき、これらの乗算によって総合効率を算出するものとした。
【００５０】
具体的に、エンジン１０を動力源とした場合の運転効率ηｅは次式で与えられる。
ηｅ＝ηｅｎｇ×ηｍ×ηｇ；
各要素効率ηｅｎｇ、ηｍ、ηｇの内容は、それぞれ次の通りである。
ηｅｎｇ（０＜ηｅｎｇ＜１．０の実数）は、エンジン１０の熱機関としてのエネルギ効率を示しており、単位体積の燃料から各運転状態でエンジン１０が出力可能な動力と、最も効率の良い状態で出力可能な動力との比を表している。つまり、運転状態の相違が運転効率に与える影響を表す値である。
【００５１】
ηｍ（０＜ηｍ＜１．０の実数）は、トルクコンバータ３０、変速機１００、ディファレンシャルギヤ１６などで構成される動力伝達系統における動力伝達効率、即ち車軸１７に伝達された動力とエンジン１０から出力された動力との比である。
【００５２】
ηｇ（０＜ηｇ＜１．０の実数）は、ガソリン効率を表しており、単位体積辺りのガソリンからエンジン１０が現実に取り出せるエネルギと理想的な状態で取り出すことができるエネルギとの比である。
【００５３】
燃料電池５４によりモータ２０を駆動した場合の運転効率ηｆは次式で与えられる。
ηｆ＝ηｍｏｔ×ηｍ×ηＬ×ηａ；
各要素効率ηｍｏｔ、ηｍ、ηＬ、ηａの内容は、それぞれ次の通りである。
ηｍｏｔ（０＜ηｍｏｔ＜１．０の実数）は、電動機による運転効率である。つまり、モータ２０から出力される動力と消費電力との比である。モータ２０の温度、回転数、トルクに応じて変動する値である。
【００５４】
ηｍ（０＜ηｍ＜１．０の実数）は、既に説明した動力伝達効率である。本実施例では、エンジン１０とモータ２０の動力伝達効率がほぼ同等とみなせるが、構成によっては、運転効率ηｅの算出時とは異なる値を用いることができる。
【００５５】
ηＬ（０＜ηＬ＜１．０の実数）は、ＦＣ燃料効率である。燃料電池５４が単位体積当たりのＦＣ燃料から実際に出力される電力と、理想的な運転状態で出力可能な電力との比である。
【００５６】
ηａ（０＜ηａ＜１．０の実数）は、燃料電池５４の発電効率である。各運転状態において燃料電池５４が実際に出力できる電力と、理想的な運転状態で出力できる電力との比である。燃料電池５４の温度、発電量、始動からの経過時間、燃料電池の劣化度などに応じて変化する値となる。一般に、発電効率は、温度が低いほど低下する。燃料電池５４の定格に対し小さすぎても大きすぎても、発電効率は低下する。始動開始直後の暖機が十分に完了していない状態では、発電効率は低い。長期間使用された燃料電池では性能が低下し、発電効率が低くなる。発電効率ηａは、これらのパラメータに応じて予め用意された関数またはマップに基づいて設定される。
【００５７】
運転効率ηｅ、ηｆの算出に用いられる各要素効率は、回転数、トルク、エンジン水温、燃料電池温度など運転状態を表すパラメータに応じて予めマップまたは関数として用意され、制御ユニット７０内のメモリに記憶されている。ＣＰＵは、このマップ等を参照して各要素効率を算出し、上式によって運転効率ηｅ、ηｆを求めることができる。なお、上式を用いた運転効率ηｅの計算は、一例に過ぎず、更に多くの要素効率を考慮するものとしてもよいし、運転状態を表すパラメータから直接運転効率ηｅ、ηｆを与えるマップまたは関数を用意しておく方法を採っても良い。
【００５８】
図４は運転効率を与えるマップを例示する説明図である。説明の便宜のため、簡略化したマップを示した。曲線ＣＥ１〜ＣＥ３はエンジン１０の運転効率ηｅを与えるマップである。運転効率ηｅは、動力に応じて変化する。実際には、同じ動力であっても回転数およびトルクが変われば運転効率が変動する。また、エンジン１０の水温、過給器の作動有無、空燃比がリーン状態かストイキ状態かの差違などの運転状態によっても変動する。これらの運転状態に応じて、図中の曲線ＣＥ１〜ＣＥ３に示すように運転効率を与えるマップは、複数用意される。以下の説明では、エンジン１０の運転状態が曲線ＣＥ２に対応しているものとする。
【００５９】
曲線Ｃ１〜Ｃ３は燃料電池５４の運転効率ηｆを与えるマップである。燃料電池５４の温度に応じて３段階の曲線を例示した。実際には、更に多くのパラメータに応じて曲線が描かれることになる。それぞれ要求される負荷、即ち電力に応じて効率が変動する。なお、燃料電池５４の運転効率が所定以下の負荷範囲で描かれているのは、運転領域をこの範囲に制限しているからであり、エンジン１０と同程度の広範囲で効率を求めることも可能である。かかるマップは、予め実験的または解析的に設定される。
【００６０】
このマップによれば、燃料電池５４の温度が曲線Ｃ１に相当する場合には、負荷が値ａよりも低い領域では燃料電池５４の運転効率が上回り、値ａより大きい領域ではエンジン１０の運転効率が上回る。温度が曲線Ｃ２に相当する場合については値ｂ、温度が曲線Ｃ３に相当する場合については値ｃの負荷を境界として燃料電池５４とエンジン１０の運転効率が逆転する。各運転状態で、このようにマップを参照することにより、運転効率に基づき燃料電池５４とエンジン１０との使い分けを実現することができる。
【００６１】
図３に戻り、駆動制御処理について引き続き説明する。ステップＳ１０，Ｓ１２において、ＦＣ燃料残量が不足しており、ガソリン残量が十分あると判断された時は、燃料電池５４の使用が避けられる。ＣＰＵは、運転効率に基づいて、バッテリ５０とエンジン１０との使い分けを行う。ＣＰＵは、バッテリ５０でモータ２０を駆動した場合の運転効率ηｂと、エンジン１０で駆動した場合の運転効率ηｅをそれぞれ計算し（ステップＳ２６）、運転効率の高い側を動力源として選択する。つまり、「ηｅ＞ηｂ」の場合は、エンジン１０を動力源として走行し（ステップＳ２８，Ｓ２０）、その他の場合には、バッテリ５０を電源とするモータ２０を動力源として走行する（ステップＳ２８，Ｓ３０）。
【００６２】
エンジン１０の運転効率の算出方法は、ステップＳ１４と同じである。バッテリ５０の運転効率ηｂは、次式により与えられる。
ηｂ＝ηｅｃｈ×ηｇｅｎ×ηｏｕｔ×ηｍｏｔ×ηｍ；
各要素効率の内容は、それぞれ次の通りである。
【００６３】
ηｅｃｈ（０＜ηｅｃｈ＜１．０の実数）は、バッテリ５０を充電する際のエンジン１０の運転効率である。バッテリ５０は主として補機駆動用モータ８０を用いた発電により充電されるものと仮定して充電効率を算出した。この値は、ステップＳ２６の演算が行われる運転状態におけるエンジン１０の運転効率ではなく、バッテリ５０の充電時の比較的高率が高い状態での運転効率である。
【００６４】
ηｇｅｎ（０＜ηｇｅｎ＜１．０の実数）は、補機駆動用モータ８０による発電効率である。発電される電力と、充電用にエンジン１０から出力される動力との比に相当する。
【００６５】
ηｏｕｔ（０＜ηｏｕｔ＜１．０の実数）は、バッテリ５０の放電効率である。各運転状態においてバッテリ５０から現実に出力される電力と、理論的に出力可能な電力との比に相当する。ηｍｏｔおよびηｍは、先に説明した通りである。
【００６６】
ステップＳ１０，Ｓ１２において、ＦＣ燃料残量およびガソリン残量が共に不足していると判断された時は、燃料電池５４、エンジン１０ともに使用不能であるため、動力源の運転を停止する（ステップＳ２４）。バッテリ５０の電力が十分に残っている場合には、非常時の運転モードとして、電力を過度に消費しない範囲で、バッテリ５０を電源とするモータ２０の駆動を行うものとしてもよい。
【００６７】
なお、図３のフローチャートには明示しなかったが、動力源の頻繁な切り替えを回避するため、その使い分けの判断処理（ステップＳ１０，Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ１６，Ｓ２８）には一定のヒステリシスを設けることが望ましい。同じ目的で、駆動制御処理の実行周期を比較的長くしてもよい。一例として、走行距離または走行時間が所定値に達する度に実行するようにしてもよい。さらに、車両の操作部が動力源切り替えへの影響が低い所定の状態にあるときにのみ駆動制御処理を実行するようにしてもよい。例えば、変速機１００のシフトレバーがニュートラルポジションなど、所定の状態にあるときにのみ実行するようにしてもよい。
【００６８】
以上で説明した本実施例のハイブリッド車両によれば、各運転状態における運転効率に基づいて燃料電池５４とエンジン１０との使い分けを行うことができる。従って、効率的な運転を実現することができる。図３に示した処理から明らかな通り、ＦＣ燃料とガソリンが共に十分残っている場合にのみ、燃料電池５４、エンジン１０の効率比較を行うため、これらの運転効率計算による負荷増大を回避できる。ＦＣ燃料、ガソリンが十分残っているか否かの判断基準値を適宜設定することにより、駆動制御処理における各燃料の浪費を回避することもできる。
【００６９】
本実施例では、ＦＣ燃料が不足した状況では、バッテリ５０とエンジン１０の運転効率比較により、両者の使い分けを行う。従って、燃料電池５４が使用できない状況下でも、可能な範囲で効率的な運転を実現することができる。
【００７０】
また、本実施例では、ＦＣ燃料が十分に残っている状態、即ち、燃料電池５４とバッテリ５０の双方が利用可能な状態にあるときは、燃料電池５４を優先的に使用する。燃料電池５４の方がバッテリ５０よりもエネルギ効率が高いことが多いため、かかる使い分けを行うことにより、効率的な運転を実現できる。
【００７１】
Ｄ．第２実施例：
第１実施例では、運転効率、即ちエネルギ効率を考慮して駆動源を使い分ける制御を例示した。第２実施例では、エネルギ効率も含め複数種類の効率を総合的に判断して駆動源の使い分けを行う制御を例示する。一例として、第２実施例では、経済効率、エネルギ効率、エミッション抑制効率の３種類を考慮する制御を例示する。
【００７２】
図５は第２実施例の概略構成図である。第２実施例は、制御ユニット７０の効率演算部７１への入力要素が増える点で第１実施例と相違する。その他の構成については、第１実施例と同じである。
【００７３】
第２実施例では、駆動制御時に経済効率を考慮するか否かを、タッチパネル９０によって運転者が設定可能となっている。制御ユニット７０に設けられたパネル表示部７９は、タッチパネル９０を用いたデータの入出力を司る。パネル表示部７９の作用により、タッチパネル９０には、図示する通り、経済効率のオン・オフおよび燃料単価を設定するためのインタフェースが表示される。図の状態は、経済効率の設定がオン、即ち後述する制御において、経済効率が考慮される状態に設定されている。運転者は、タッチパネル９０の操作によって、経済効率設定をオフに切り換えることが可能である。経済効率設定用のスイッチは、必ずしもタッチパネルを用いる必要はなく、オン・オフの２つの状態を採り得る押しボタンその他のスイッチを用いても良い。
【００７４】
燃料単価設定は、経済効率を算出する際に用いられる値である。本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０の燃料としてガソリン、燃料電池５４の燃料としてメタノールが用いられるから、それぞれの単価を入力可能となっている。これらの単価は、運転者が入力するものとしてもよいし、パネル表示部７９に無線通信機能を持たせ、ネットワークＮＥＴを介して外部の情報センターＩＣから取得するものとしてもよい。
【００７５】
図６は第２実施例としての駆動制御処理のフローチャートである。ここでは、燃料電池５４およびエンジン１０の双方が運転可能な状態であることを前提とした処理を例示した。図６に示す処理に先立ち、第１実施例と同様、ＦＣ燃料、ガソリンの残量に基づいて、双方が運転可能であるか否かの判断を行うものとしてもよい。また、図６では、燃料電池５４とエンジン１０の使い分けを例示したが、燃料電池５４が使用不能である場合には、バッテリとエンジン１０の使い分けを行うものとしてもよい。
【００７６】
駆動制御が開始されると、制御ユニット７０のＣＰＵは、経済効率を優先するモードが設定されているか否かを判断する（ステップＳ１１０）。これは、図５に示したタッチパネル９０での設定に基づいて判断される。経済効率設定がオンとなっている場合には、燃料電池５４とエンジン１０の経済効率を比較して、両者の使い分けを実行する。即ち、ＣＰＵは、燃料電池５４の経済効率εｆとエンジン１０の経済効率εｅを算出し（ステップＳ１１２）、経済効率の高い方を駆動源として選択する（ステップＳ１１４，Ｓ１１６，Ｓ１１８）。
【００７７】
経済効率の算出方法を説明する。第１実施例で説明した式によってエンジン１０のエネルギ効率ηｅおよび燃料電池６４のエネルギ効率ηｆが算出される。エネルギ効率は、単位体積の燃料から得られるエネルギについて、理論値と実際の値の比を表している。単位体積の燃料から得られるエネルギの理論値は、既知であるから、この理論値とエネルギ効率を用いることにより、燃料消費率を求めることができる。もちろん、運転状態と燃料消費率との関係を予めマップ等で保持しておいてもよい。これらの方法によって得られた燃料消費率に対し、各燃料の単価を乗じることにより、単位エネルギを得るためのコストが算出される。経済効率は、このコストの逆数を採ることによって得られる。従って、経済効率が高い程、低コストでエネルギが得られることを意味する。
【００７８】
一方、ステップＳ１１０において、経済効率設定がオフと判断された場合には、ＣＰＵは、エミッション抑制効率とエネルギ効率を考慮して、駆動源の使い分けを実行する。ＣＰＵは車両の運転状態がエミッション抑制効率を優先すべき状態にあると判断すると（ステップＳ１２０）、燃料電池を駆動源として選択する（ステップＳ１２６）。エミッション抑制効率を優先すべきか否かの判定方法は、後述する。ＣＰＵは、ステップＳ１２０において、エミッション抑制効率を優先する必要がないとすると、燃料電池６４のエネルギ効率ηｆ、エンジンのエネルギ効率ηｅを算出し（ステップＳ１２２）、エネルギ効率の高い方を駆動源として選択する（ステップＳ１２４，Ｓ１２６，Ｓ１１８）。エネルギ効率の算出方法は、第１実施例と同じである。
【００７９】
ステップＳ１２０の判定方法について説明する。エミッション抑制効率とは、単位エネルギの出力に対するエミッション量の逆数を意味する。低エミッションでエネルギを出力できる程、エミッション抑制効率が高くなる。燃料電池６４は、エミッションが極端に少ないため、本実施例では、エンジン１０のエミッションが許容範囲にあるか否かでエミッション抑制効率の判定を行うものとした。つまり、エンジン１０のエミッションが許容範囲にある場合には、エミッション抑制効率を優先する必要はなく、許容範囲を外れる場合には、エミッション抑制効率を優先するものとした。本実施例では、車両の速度およびトルクに基づく第１の条件、車両が走行している地域に基づく第２の条件、時間帯に基づく第３条件のいずれか一つを満足する時に、エミッション抑制効率を優先すべきものと判断される。
【００８０】
第１の条件について説明する。エンジン１０は、例えば、比較的低車速、低トルクの時には、エミッションの排出量が多いことが知られている。車速およびトルクとの関係で予め目標量を上回るエミッションが排出される領域を設定しておき、車両の走行状態がこの運転領域に属している場合には、第１の条件が満足されていると判断される。
【００８１】
第２の条件について説明する。エミッションの許容量は、車両の走行地域によって変動する。例えば、大都市圏、住宅街、病院内などでは、エミッションの許容量は低い。予めエミッションを抑制すべき地域を設定しておき、車両がこれらの地域を走行中には、第２の条件が満足されていると判断される。車両の走行地域は、ナビゲーションシステムから取得することが可能である。
【００８２】
第３の条件について説明する。エミッションの許容量は、走行する時間帯によっても変動する。例えば、早朝や深夜などにはエミッションの許容量は低い。これらの時間帯は、エミッションのみならず騒音も抑制すべき時間帯である。ここでは、双方を考慮し、エミッションの許容量で代表させて扱った。現在の時刻が、早朝や深夜など予め設定された時間帯に属する場合には、第３の条件が満足されていると判断される。
【００８３】
以上で説明した第２実施例の制御によれば、経済効率、エミッション抑制効率、エネルギ効率を所定の優先順位で考慮することにより、車両の走行に関する種々の事情に即した運転を実現することができる。例えば、経済効率を考慮することにより、運転者の経済的負担を軽減することができる。エミッション抑制効率を考慮することにより、状況に応じて環境に配慮した運転を実現することができる。
【００８４】
Ｅ．変形例：
実施例では、マップまたは関数によって燃料電池５４、エンジン１０、バッテリ５０の運転効率を逐次求める場合を例示した。これに対し、運転状態に応じて予め駆動源を特定するマップを用いるものとしてもよい。負荷、燃料電池５４の温度、エンジン水温などの運転状態を表すパラメータに、駆動源を特定するフラグが対応づけられたマップを利用することができる。かかるマップを利用することにより、駆動源の特定時の演算負荷を軽減することができる。
【００８５】
実施例では、バッテリ５０も電源として使用可能な車両を例示した。本発明は、バッテリ５０を搭載しない車両にも適用可能である。この場合には、図３において、ステップＳ２６，Ｓ２８，Ｓ３０の処理を省略するとともに、ガソリンの有無（ステップＳ２２）に応じてエンジン駆動（ステップＳ２０）と運転停止（ステップＳ２４）とを切り替えるように構成した制御処理を適用することができる。
【００８６】
エンジン１０の運転効率ηｅの特定は、実施例で例示した要素効率を全て考慮する場合の他、原動機効率ηｅｎｇ、ガソリン効率ηｇのいずれか一方を考慮して求めるものとしてもよい。運転効率ηｅは、その他種々の態様で特定可能である。
【００８７】
燃料電池５４の運転効率ηｆは、実施例で例示した要素効率を全て考慮する場合の他、燃料電池のシステム温度、発電量、始動からの経過時間、燃料電池の劣化度に関与する所定のパラメータ値のいずれかを少なくとも考慮する種々の態様で特定することができる。これらのパラメータは、先に例示した要素効率ごとに適用してもよいし、要素効率に分けることなく運転効率ηｆを特定するように適用してもよい。システム温度は、燃料電池５４単体の温度の他、改質器などが備えられている場合には、その温度も考慮することができる。
【００８８】
実施例では、ＦＣ燃料の有無で燃料電池５４の使用可否判定を行う場合を例示した（図３のステップＳ１０）。使用可否は、燃料電池５４の発電定格を考慮して使用可否を判定する態様を採ることもできる。その他、燃料電池５４の温度などを考慮してもよい。また、燃料電池５４を電源とするモータ２０の出力定格を考慮して燃料電池５４の使用可否を判定してもよい。モータ２０の出力定格が要求トルクおよび回転数に満たない場合には、燃料電池５４を電源とする駆動方法が適用できないという意味で、燃料電池５４を使用不可と判定することができる。
【００８９】
第２実施例においては、例示した３つの効率に限らず、種々の観点からの効率を含めることができる。また、複数の効率を考慮する優先順位も、例示した順位に限定されない。例えば、優先順位を運転者が設定可能としてもよい。
【００９０】
以上の実施例では、燃料電池およびエンジンを駆動源とする場合を例示したが、本発明は、運転状態と効率に関する特性の異なる２以上の駆動源を併用する種々の移動体に適用可能である。実施例では、エンジン１０とモータ２０を直列的に結合したハイブリッド車両を例示したが、これに限らず両者が動力源となる種々の構成を採用可能である。
【００９１】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。例えば、以上の制御処理はソフトウェアで実現する他、ハードウェア的に実現するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としてのハイブリッド車両の概略構成図である。
【図２】車両の走行状態と動力源との関係を示す説明図である。
【図３】駆動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図４】運転効率を与えるマップを例示する説明図である。
【図５】第２実施例における制御ユニット７０近傍の概略構成図である。
【図６】第２実施例における駆動制御処理ルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…クランクシャフト
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…入力クラッチ
１９…補機クラッチ
２０…モータ
３０…トルクコンバータ
５０…バッテリ
５１，５５…切替スイッチ
５２、５６…駆動回路
５４…燃料電池
７０…制御ユニット
７１…効率演算部
７２…駆動制御部
７３…操作状態センサ
７４…操作部
７５、７６…残量センサ
７８…車速センサ
７９…パネル表示部
８０…補機駆動用モータ
８２…補機駆動装置
９０…タッチパネル
１００…変速機
１０２…ポンプ
１０４…油圧制御部

Claims (12)

1. 移動体であって、
   第１の駆動源と、
   第２の駆動源と、を備え、
   前記第１の駆動源は、第１の燃料を使用して駆動され、前記第１の燃料による駆動の第１の効率と前記移動体の運転状態との間に第１の関係を有し、
   前記第２の駆動源は、前記第１の燃料とは異なる第２の燃料を使用して駆動され、前記第２の燃料による駆動の第２の効率と前記移動体の運転状態との間に第２の関係を有し、
   前記移動体は、さらに、
   該移動体の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態に基づいて、前記第１の駆動源を用いて駆動を行う場合の前記第１の効率を求める第１の効率特定手段と、
   前記運転状態に基づいて、前記第２の駆動源を用いて駆動を行う場合の前記第２の効率を求める第２の効率特定手段と、
   前記第１および第２の効率のうち効率の高い方の駆動源を利用して駆動を行う制御手段とを備える移動体。
2. 請求項１記載の移動体であって、
   前記第１の関係を記憶する第１の記憶手段と、
   前記第２の関係を記憶する第２の記憶手段とを備え、
   前記第１の効率特定手段および前記第２の効率特定手段は、それぞれ前記第１の記憶手段、第２の記憶手段を参照して前記効率を求める移動体。
3. 請求項１記載の移動体であって、
   前記第１の関係および第２の関係の少なくとも一方は、各駆動源の運転状態に応じて変動する関係であり、
   前記制御手段は、前記駆動源の運転状態をも考慮して前記効率の比較を行う移動体。
4. 請求項３記載の移動体であって、
   前記運転状態は、移動速度、要求トルク、駆動源の残燃料、前記駆動源の運転温度の少なくとも一つをパラメータとして表される移動体。
5. 請求項１記載の移動体であって、
   前記第１の駆動源は、熱機関を含み、
   前記第２の駆動源は、燃料電池と、前記燃料電池を電源とする電動機とを含む、移動体。
6. 請求項１記載の移動体であって、
   前記効率は、エネルギ効率、経済効率、および排出物抑制効率の少なくとも一つを用いて表される移動体。
7. 請求項１記載の移動体であって、
   前記制御手段は、前記第１および第２の駆動源について、前記第１と第２の効率を含む複数種類の効率を比較して前記駆動を行う移動体。
8. 請求項７記載の移動体であって、
   前記制御手段は、前記複数種類の効率を、所定の優先順位に従って考慮する移動体。
9. 請求項８記載の移動体であって、
   運転者が、前記複数種類の効率の少なくとも一部について、前記制御時における考慮の可否または前記優先順位を設定可能な設定手段を備える移動体。
10. 請求項１記載の移動体であって、
    前記第１の駆動源の使用可否を判定する第１の使用可否判定手段と、
    前記第２の駆動源の使用可否を判定する第２の使用可否判定手段とを備え、
    前記制御手段は、該第１および第２の駆動源の双方が使用可能な状態にあると判定される場合にのみ前記制御を実行する手段である移動体。
11. 請求項１０記載の移動体であって、
    前記第１の駆動源は、熱機関を含み、
    前記第２の駆動源は、燃料電池と、前記燃料電池を電源とする電動機とを含み、
    更に、前記燃料電池の代替電源となる蓄電器と、
    前記運転状態に基づいて、該蓄電器の出力を用いて駆動する場合の運転効率を求める蓄電器効率特定手段とを備え、
    前記制御手段は、前記燃料電池が使用不可状態にある場合には、前記熱機関と蓄電器のうち、運転効率の高い側の出力を利用して駆動を行う手段である移動体。
12. 移動体において第１の駆動源と第２の駆動源との使い分けを実現する制御方法であって、
    前記第１の駆動源は、第１の燃料を使用して駆動され、前記第１の燃料による駆動の第１の運転効率と前記移動体の運転状態との間に第１の関係を有し、
    前記第２の駆動源は、前記第１の燃料とは異なる第２の燃料を使用して駆動され、前記第２の燃料による駆動の第２の運転効率と前記移動体の運転状態との間に第２の関係を有し、
    前記制御方法は、
    （ａ） 前記移動体の運転状態を検出する工程と、
    （ｂ） 検出された運転状態に基づいて、前記第１の駆動源の出力を用いて駆動を行う場合の、前記第１の運転効率を求める工程と、
    （ｃ） 検出された運転状態に基づいて、前記第２の駆動源の出力を用いて駆動を行う場合の、前記第２の運転効率を求める工程と、
    （ｄ） 前記第１および第２の運転効率のうち運転効率の高い方の駆動源を、使用すべき駆動源として選択する工程とを備える制御方法。

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