JP4337188B2 - ハイブリッド式移動体およびその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と熱機関とをエネルギ出力源として備えるハイブリッドシステムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エンジンと電動機とを搭載したハイブリッド車両が提案されている。ハイブリッド車両の一形態として、電動機とエンジンの双方の動力を駆動軸に出力可能なパラレルハイブリッド車両と呼ばれる構成がある。パラレルハイブリッド車両は、機械的動力および電力の双方を含めた意味でのエネルギ出力源として、エンジンおよびバッテリの２種類を備えている。即ち、パラレルハイブリッド車両は、エンジンから動力を出力して走行する他、バッテリから供給される電力で電動機をして走行することもできる。このように２種類のエネルギ出力源を適宜使い分けることによって、エンジンを効率の良い領域で運転させることができる。また、電動機による回生制動を行うことにより、車両の運動エネルギを電力としてバッテリに回収することができる。これらの作用に基づき、パラレルハイブリッド車両は、燃費および環境性に優れるという特性を有する。
【０００３】
ハイブリッド車両には、他の形態として、シリーズハイブリッド車両と呼ばれる構成がある。シリーズハイブリッド車両は、駆動軸に結合された電動機から出力される動力で走行する。エンジンは駆動軸と切り離されて設けられており、発電機を駆動して電力を発生させる。駆動軸に結合された電動機は、こうして発電された電力、およびバッテリから供給される電力の少なくとも一方により駆動される。シリーズハイブリッド車両も、２種類のエネルギ出力源を有するとともに、両者を適宜使い分けることができ、燃費および環境性に優れる特性を有する。
【０００４】
こうしたパラレルハイブリッド車両の中には、エネルギ出力源の一つとして、燃料電池を搭載した車両も提案されている（例えば、特開平３−１４８３３０記載の車両）。燃料電池とは、燃料として最終的に供給される水素の酸化により発電を行う装置をいう。燃料電池から排出されるのは、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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃料電池は、昨今開発が行われている装置である。従って、燃料電池と熱機関という２種類のエネルギ出力源の有する特性の長所どうしを最適に組みあわせる点でまだ不十分であった。特に、燃料電池は電気的エネルギを出力する点で二次電池と共通するものの、二次電池と異なり不可逆的なエネルギ出力源である特徴がある。二次電池はハイブリッド車両の走行中においても充電によりエネルギ状態を回復することができるのに対し、燃料電池は燃料を外部から補給しないことには、発電能力を回復することができない。また、燃料電池は応答性が低いという特性も有している。
【０００６】
従来、提案されていた燃料電池を備えるハイブリッド車両では、かかる特徴を踏まえて燃料電池および熱機関をエネルギ出力源として、どのように活用すべきかという点について十分検討されてはいなかった。特に、通常の走行時と異なる特定の条件下での運転時における、エネルギ出力源の使い分けについてはほとんど検討されていなかった。また、高効率かつ環境性に優れた電源としての燃料電池の特性を活用してハイブリッド車両の利便性を向上する観点からの検討もなされていなかった。これらの課題は、ハイブリッド車両のみならず燃料電池を含む種々のハイブリッドシステムにおいて共通の課題であった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、燃料電池を搭載したハイブリッドシステムにおいて、燃料電池をエネルギ出力源として有効活用し、燃費、環境性、利便性を向上したハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題を解決するために、本発明は次の構成を採った。
本発明のハイブリッドシステムは、
少なくとも燃料電池と熱機関とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを利用可能な形態で外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッドシステムであって、
出力すべき総エネルギを設定する要求エネルギ設定手段と、
前記燃料電池を優先的に使用して前記総エネルギを出力する態様で、前記燃料電池、熱機関および前記エネルギ伝達手段の各目標運転状態を設定する目標運転状態設定手段と、
前記システムの作動状態に関する所定の条件が満たされているか否かを判定する判定手段と、
該所定の条件が満たされている場合には、前記燃料電池、熱機関およびエネルギ伝達手段の少なくとも一つの目標運転状態を前記所定の条件に応じて予め設定された状態に変更する状態変更手段と、
前記エネルギ出力源および前記エネルギ伝達手段のそれぞれを設定された目標運転状態に制御する運転制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００８】
本発明のハイブリッドシステムは、エネルギ出力源として燃料電池と熱機関とを備える。エネルギ出力源とは、機械的エネルギおよび電気的エネルギなど種々の形態でエネルギを出力する源を意味する。燃料電池は電気的エネルギを出力するエネルギ出力源に相当する。熱機関は機械的エネルギを出力するエネルギ出力源に相当する。また、エネルギ伝達手段は、エネルギ出力源から出力されるエネルギおよび外部に出力するエネルギの種類に応じたものを備える。電気的エネルギを伝達および出力するための手段としては導電線およびコンセントなどが相当する。機械的エネルギを伝達および出力するための手段としてはギヤ等の伝達機構および駆動軸などが相当する。また、エネルギ伝達手段には、エネルギ出力源から出力されるエネルギの形態を変更する装置も含まれる。即ち、機械的エネルギを出力すべき場合には、エネルギ出力源から出力された電気的エネルギを機械的エネルギに変換する電動機が含まれる。また、電気的エネルギを出力すべき場合には、エネルギ出力源から出力された機械的エネルギを用いて発電する発電機が含まれる。
【０００９】
上記ハイブリッドシステムは、通常の作動時は燃料電池を優先して運転する。優先とは、要求された総エネルギを出力するために使用するエネルギ出力源に選択の余地がある場合に、燃料電池を優先して使用する意味である。例えば、燃料電池と熱機関のいずれかによりエネルギを出力すれば足りる場合には燃料電池を使用することになる。この場合、熱機関は、燃料電池では十分なエネルギを出力できない場合などに使用されることになる。また、優先には、複数のエネルギ出力源のうち燃料電池から出力されるエネルギの割合を最も高くする態様も含まれる。燃料電池は、高効率で発電を行うことができ、また、有害な排出物を伴わないことから、環境性にも優れるエネルギ出力源である。本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池を優先的に使用することにより、作動時の効率および環境性を向上することができる。なお、ここで、作動とは、必ずしもハイブリッドシステムが走行、飛行など移動等している場合のみならず、停止している場合であっても利用可能な何らかのエネルギをハイブリッドシステムから出力している状態をいう。
【００１０】
本発明のハイブリッドシステムは、上述の通り、基本的には燃料電池を優先的に使用するが、所定の条件が満たされている場合には、状態変更手段がエネルギ出力源およびエネルギ伝達手段という各要素の運転状態を変更する。変更後の運転状態は「所定の条件」に応じて、種々設定される。所定の条件とは、システムの作動状態に関するものを意味しており、例えば、特定の運転モードが選択されている場合や、システムの構成要素が特定の運転状態にある場合などが含まれる。基本的には燃料電池を優先して使用することで効率および環境性に優れた作動を実現することができるが、多岐に亘る作動状態の一部では、エネルギ出力源のかかる使い分けが適さない場合もある。例えば、効率および環境性を犠牲にしつつも燃料電池の運転を控える必要が生じる場合もある。また、燃料電池の使用による運転効率の向上効果が十分に現れない場合もある。本発明のハイブリッドシステムによれば、所定の条件下では、各要素の運転状態を変更することにより、それぞれ適した作動を実現することができる。
【００１１】
ここで、本発明における上記制御の意義について説明する。既に説明した通り、燃料電池は不可逆的な特性を有するエネルギ出力源である。バッテリ等の二次電池は、ハイブリッドシステムの走行中でも充電を行えばエネルギ状態の回復を図ることができる。これに対し、燃料電池用の燃料（以下、ＦＣ燃料と呼ぶ）は一旦消費すると、外部から補給しない限りエネルギ状態を回復することができない。燃料電池のかかる特性を考慮すると、必ずしも燃料電池を優先的に使用することによりハイブリッドシステムの効率および環境性を向上できるという保証はなかった。ＦＣ燃料を早期に消費してしまえば、その後は熱機関など比較的低効率のエネルギ出力源を使用せざるを得なくなり、平均した運転効率の低下を招く可能性もあったからである。
【００１２】
本願の発明者は、燃料電池と熱機関を含むエネルギ出力源を搭載したハイブリッドシステムが採る種々の作動状態およびその頻度を検討した。エネルギ出力源の使い分けについては、「燃料電池を優先して使用する態様」、「燃料電池の使用をできるだけ控え、ＦＣ燃料の消費を抑制する態様」、「燃料電池と熱機関を均等に使用する態様」など種々の態様が考えられる中、上記検討結果に基づき、燃料電池を優先して使用する態様が運転効率および環境性の向上に寄与し得るとの結論に達し、本発明を完成するに至った。また、特定の条件下では、各要素をそれに応じた運転状態に変更することにより、さらに適切な作動を実現するとの結論に達した。本願は、このように燃料電池の特性およびハイブリッドシステムに搭載した場合の使用頻度などを考慮して適切な運転を実現した点に意義がある。
【００１３】
なお、ハイブリッドシステムにおいては、単位時間当たりのエネルギを考慮して運転の制御がなされることが多い。従って、本明細書において、エネルギという用語は、特に断らない限り、単位時間当たりのエネルギを意味するものとする。従って、本明細書では、エネルギは、原則として動力および電力と同義の用語である。
【００１４】
本発明のハイブリッドシステムにおいて、「所定の条件」およびそれに応じた各要素の運転状態は、種々の態様があげられる。
第１の態様として、
運転者が運転モードを指定するために操作するスイッチを備えるハイブリッドシステムにおいては、
前記判定手段における所定の条件は、前記スイッチの操作状態であるものとすることができる。
こうすることにより、燃料電池、熱機関等の各要素の運転状態を運転者がスイッチ操作で任意に設定することができ、ハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。
【００１５】
このようにスイッチ操作で運転モードを指定可能なハイブリッドシステムにおいては、
前記エネルギは電気的エネルギであり、
前記所定の条件は、前記スイッチにより、電気的エネルギの外部への出力を許可する運転モードが指定されている条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記熱機関の運転の禁止であるものとすることができる。
【００１６】
上記ハイブリッドシステムは、電気的エネルギを外部に出力することができる。熱機関の機械的エネルギを電気的エネルギに変換するための発電機、熱機関および燃料電池から出力された電気的エネルギを出力するためのコンセント等をエネルギ伝達手段として備えることになる。かかるコンセントを設けることにより、例えば目的地で種々の電気製品を利用することが可能となるなど、ハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。
【００１７】
本発明のハイブリッドシステムは、通常の運転モードでは、燃料電池を優先的に使用し、燃料電池の出力が要求出力に満たないなどの場合に熱機関を運転する。これに対し、上記構成において、コンセント等から電力の供給を許可する運転モードが指定されている場合には、熱機関の運転を禁止する。一般に目的地での電力の使用は、比較的重要性の低い要求である場合が多い。かかる場合に、熱機関の運転を許可したままにしておくと、電力の供給時に熱機関が始動され、ハイブリッドシステムの効率および環境性を損ねる。また、熱機関は作動音が大きいのが通常であるため、静粛性を損ねる場合もある。上記構成のハイブリッドシステムによれば、電気的エネルギを利用する運転モードにおいては、熱機関の運転を禁止することができるため、かかる弊害を回避することができる。
【００１８】
このように熱機関の運転を停止する場合においては、
さらに、運転者が前記熱機関の始動を指示するために操作する始動スイッチを備え、
前記所定の条件は、前記運転モードが指定されている状態において、前記始動スイッチの操作により前記熱機関の始動が指示される条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記熱機関の始動であるものとすることも望ましい。
こうすれば、目的地において電力を供給する必要性が高い場合には、運転者の操作により熱機関を始動して電力を出力することができる。従って、ハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。ここでは、燃料電池と熱機関の運転にのみ言及しているが、その他のエネルギ出力源を備えるものを排除する趣旨ではない。
【００１９】
このようにスイッチ操作で運転モードを指定可能なハイブリッドシステムにおいては、別の態様として、
前記エネルギは機械的エネルギであり、
前記所定の条件は、前記スイッチにより、燃料電池および熱機関のいずれか一方を用いる運転モードが選択されている条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、該選択されたエネルギ出力源の運転実行、および他方のエネルギ出力源の運転禁止であるものとすることもできる。
【００２０】
上記ハイブリッドシステムは、機械的エネルギを外部に出力することができる。燃料電池の電気的エネルギを機械的エネルギに変換するための電動機、熱機関および燃料電池から出力された機械的エネルギを出力する駆動軸などをエネルギ伝達手段として備えることになる。出力された動力を走行に使用するものとすれば、燃料電池および熱機関のいずれによっても走行可能となる。
【００２１】
本発明のハイブリッドシステムは、通常の運転モードでは、燃料電池を優先的に使用し、燃料電池の出力が要求出力に満たないなどの場合に熱機関を運転する。これに対し、上記ハイブリッドシステムによれば、動力源を運転者が任意に選択することができる。第１の例として、目的地において燃料電池から出力される電力を利用したい場合には、熱機関を用いる運転モードを選択することにより、目的地に到着するまでのＦＣ燃料の消費を抑制することができる。この結果、目的地で燃料電池をより有効に活用することができる。第２の例として、車両の応答性に対する要求に応じた使い分けをすることもできる。一般に燃料電池は出力の応答性が低い特性を有している。かかる場合に熱機関を用いる運転モードを選択すれば、高い応答性で車両を運転することができる。第３の例として、騒音の抑制に関する要求に応じた使い分けをすることもできる。一般に熱機関は作動音が大きいため、深夜の走行時など騒音を抑制する要求が高い場合には、燃料電池を用いる運転モードを選択することにより、静粛性を保った運転を実現することができる。このように動力源を運転者が任意に選択可能とすることにより、ハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。
【００２２】
熱機関の運転を停止する場合においては、
さらに、運転者が前記他方のエネルギ出力源の始動を指示するために操作する始動スイッチを備え、
前記所定の条件は、前記運転モードが指定されている状態において、前記始動スイッチの操作により前記他方のエネルギ出力源の始動が指示される条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、該他方のエネルギ出力源の始動であるものとすることが望ましい。
こうすれば、必要に応じて他方のエネルギ出力源を始動することができる。従って、動力を出力する必要性に応じてエネルギ出力源の運転を行うことができ、ハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。ここでは、燃料電池と熱機関の運転にのみ言及しているが、その他のエネルギ出力源を備えるものを排除する趣旨ではない。
【００２３】
また、類似の態様として、
前記エネルギは機械的エネルギであり、
前記所定の条件は、前記スイッチにより、燃料電池のみをエネルギ出力源とする運転モードが選択されている条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記燃料電池の運転実行、かつ前記熱機関の暖機禁止であるものとしてもよい。
【００２４】
運転者がスイッチの操作によって動力源を選択することができる利点は、上述の態様と同様である。ここに示した類似の態様では、燃料電池のみをエネルギ出力源とする運転モードが選択されている場合には、熱機関の運転を禁止するのみならず、暖機、即ち運転準備をも禁止する点で相違する。こうすれば、熱機関の暖機をも禁止することにより、ハイブリッドシステムの燃費および環境性をより向上することができる。
【００２５】
なお、熱機関の暖機を禁止するため、熱機関の動力が必要になった場合に若干応答が遅れるという不利益はあるものの、燃料電池のみをエネルギ出力源とする運転モードは運転者が自らの意思で選択するものであるため、かかる応答性の低下が生じても運転感覚に与える影響は小さい。運転感覚に大きな変動が生じないように各運転モードを設定するのが通常であるが、運転モードはその特性を理解した上で運転者の意思で選択するものであるという着眼から、運転感覚の変動という制限を考慮することなく、燃費および環境性を特に重視した運転モードを設けた点に、この態様の意義がある。
【００２６】
もちろん、こうした制御は、燃料電池が運転可能な状態にあることが前提であり、燃料電池のみをエネルギ出力源とする運転モードが選択されている場合であっても、燃料電池が運転不可能な場合には、自動または手動で熱機関の運転を許可するものとしてもよい。
【００２７】
「所定の条件」およびそれに応じた各要素の運転状態に関する第２の態様として、
前記燃料電池の発電能力を検出する検出手段を備えるハイブリッドシステムにおいては、
前記所定の条件は、該発電能力が所定値以下に低下する条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記燃料電池の出力の抑制であるものとすることができる。
【００２８】
この場合において、発電能力は種々のパラメータにより検出することができ、例えば、前記検出手段は、前記燃料電池用の残燃料量に基づいて前記発電能力を検出する手段であるものとしてもよいし、
前記検出手段は、前記燃料電池の温度に基づいて前記発電能力を検出する手段であるものとしてもよい。
【００２９】
ＦＣ燃料の残量に応じて発電能力を検出する場合、発電能力の低下は、ＦＣ燃料の残量の低下を意味する。上記構成のハイブリッドシステムでは、このようにＦＣ燃料の残量が低下した場合には、燃料電池の出力を抑制することにより、ＦＣ燃料の過度の消費を抑制することができる。既に説明した通り、燃料電池は不可逆的なエネルギ出力源であるから、ＦＣ燃料を消費した後は、燃料電池を使用することができなくなる。これに対し、上記構成のハイブリッドシステムでは、ＦＣ燃料の消費を抑制することができ、長期間に亘って燃料電池を使用可能な状態に維持することができるため、燃料電池をより有効性が高い作動時に活用することができる。
【００３０】
燃料電池の温度に応じて発電能力を検出する場合、発電能力の低下は、燃料電池が異常に高温になった場合や、いわゆる暖機前の状態で発電を行える温度に十分達していない場合などが対応する。かかる場合に燃料電池に高い出力を要求すれば、燃料電池の寿命を著しく縮める等の弊害を生じる可能性がある。上記構成によれば、燃料電池の出力を抑制することにより、かかる弊害を回避することができる。
【００３１】
発電能力に応じて燃料電池の出力を抑制するハイブリッドシステムでは、
前記状態変更手段における前記変更は、前記熱機関の出力の増大であるものとしてもよい。
こうすれば、燃料電池の出力低下による影響を抑制し、要求された総エネルギを出力することが可能となる。
【００３２】
また、
前記エネルギは回転軸の回転エネルギであり、
前記エネルギ伝達手段は、前記エネルギ出力源から出力された回転エネルギを２以上の変速比で変速して出力可能な変速手段である場合には、
前記状態変更手段における前記変更は、前記変速手段の変速比の増大であるものとすることもできる。
回転エネルギの場合、出力の低下に伴うトルク低下の影響が比較的大きい。上記構成によれば、変速比を大きくすることにより、出力トルクの低下を抑制することができる。
【００３３】
「所定の条件」およびそれに応じた各要素の運転状態に関する第３の態様として、
前記熱機関の温度を検出する温度検出手段を備えるハイブリッドシステムにおいては、
前記所定の条件は、検出された熱機関の温度が所定値以下である条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記熱機関の暖機運転実行であるものとすることができる。
【００３４】
一般に熱機関の運転効率および排気浄化性を向上するためには、運転時に十分暖機をしておくことが望ましい。本発明のハイブリッドシステムは、燃料電池をエネルギ出力源として作動している場合には、熱機関の温度が低下する可能性がある。上記ハイブリッドシステムによれば、熱機関の温度が低くなった場合には、その暖機を行うことができる。従って、出力が要求される際の熱機関の運転効率および排気浄化性を向上することができる。なお、上記構成において、さらに条件を追加し、熱機関からの出力が要求される可能性が高いと判断される場合に暖機を行うものとしてもよい。こうすれば、暖機に要する燃料を抑制することができ、さらに運転効率を向上することができる。
【００３５】
「所定の条件」およびそれに応じた各要素の運転状態に関する第４の態様として、
前記熱機関の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池で発生した熱エネルギの少なくとも一部を前記熱機関に搬送する熱搬送手段とを備えるハイブリッドシステムにおいては、
前記所定の条件は、検出された熱機関の温度が所定値以下である条件であり、
前記状態変更手段における前記変更は、前記燃料電池の出力の増大であるものとすることもできる。
熱搬送手段は種々の構成を適用することができ、例えば燃料電池と熱機関の冷却機構を両者共通の機構として構成することにより熱搬送手段として活用することができる。
【００３６】
かかる構成のハイブリッドシステムにおいても熱機関の暖機を行うことができる。但し、上記構成のハイブリッドシステムでは、燃料電池から発生した熱を利用して熱機関の暖機を行う点で相違する。熱機関を別途暖機運転する必要がないため、燃料消費を抑制することができる。なお、上記構成においても熱機関からの出力が要求される可能性が高いと判断される場合に暖機を行うものとすれば、さらに運転効率を向上することができる。
【００３７】
また、本発明は、少なくとも燃料電池と熱機関とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを利用可能な形態で外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッドシステムであって、
前記エネルギ出力源のいずれを使用するかを該ハイブリッドシステムの運転者の操作により選択するためのエネルギ出力源選択スイッチと、
該エネルギ出力源選択スイッチにより選択状態に応じて、前記燃料電池、熱機関およびエネルギ伝達手段の各目標運転状態を設定する目標運転状態設定手段と、
前記エネルギ出力源および前記エネルギ伝達手段のそれぞれを設定された目標運転状態に制御する運転制御手段とを備えるハイブリッドシステムとして構成することもできる。
かかつ場合において、
前記目標運転状態設定手段は、前記エネルギ出力源選択スイッチにより、前記燃料電池のみがエネルギ出力源として選択されている場合には、前記熱機関の運転を禁止するのみならず、暖機をも禁止する状態に目標運転状態を設定する手段であるものとしてもよい。
【００３８】
こうすれば、エネルギ出力源選択スイッチを操作することによって、運転者が自由にエネルギ出力源を使い分けることができる。一例として、燃料電池、熱機関を備える場合のエネルギ出力源の選択態様としては、燃料電池のみを使用する場合、熱機関のみを使用する場合、双方を使用する場合の３つが考えられる。上記ハイブリッドシステムによれば、これらの態様の中から運転者の意志に沿った態様を選択することができ、エネルギ出力源を意志に応じて使い分けることができるためハイブリッドシステムの利便性を向上することができる。更に、燃料電池のみが選択されている場合に熱機関の暖機をも禁止する制御を併せて行うものとすれば、既に説明した通り、ハイブリッドシステムの燃費および環境性を共に向上することができる。
【００３９】
以上で説明した種々のハイブリッドシステムは、必ずしも燃料電池と熱機関のみを備える場合に限定されるものではない。
さらに、可逆的なエネルギ出力手段である蓄電手段を備えることもでき、
この場合において、
前記目標運転状態設定手段は、前記蓄電手段に入出力される電気的エネルギを考慮して前記目標運転状態を設定する手段であるものとすることができる。
【００４０】
蓄電手段は、ハイブリッドシステムの作動中において充電によりエネルギ状態を回復することができる可逆的なエネルギ出力源である。蓄電手段としては、いわゆる二次電池やキャパシタなどが挙げられる。上記ハイブリッドシステムは、電気的エネルギを出力するエネルギ出力源として、高効率であるが不可逆的な特性を有する燃料電池と、可逆的である蓄電手段とを備える。このように特性の異なるエネルギ出力源を併用することにより、それぞれの特性を活用し、ハイブリッドシステムの効率、環境性、利便性を向上することができる。なお、上記ハイブリッドシステムにおいては、蓄電手段を燃料電池よりも優先的に使用するものとしてもよいし、燃料電池を蓄電手段よりも優先的に使用するものとしてもよい。いずれを優先して使用するかは、それぞれの出力定格や蓄電手段が蓄えておくことができる電力量に応じて設定可能である。
【００４１】
本発明は、プラント、産業機械など種々のシステムに適用することができる。また、地上に固定されたシステムのみならず移動体に適用することもできる。移動体には、車両、船舶、航空機、飛行船その他の飛翔体など動力を利用して移動する種々の移動体が含まれる。必ずしも人や物を輸送するものに限られない。また、乗員が搭乗するものにも限らない。
【００４２】
本発明は、
少なくとも燃料電池と熱機関とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを利用可能な形態で外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッドシステムであって、
前記燃料電池および熱機関の双方がエネルギを出力可能な状態にある場合は、燃料電池を優先的に使用してエネルギを出力するよう、該燃料電池および熱機関の運転を制御する制御手段を備えるハイブリッドシステムとして構成することもできる。
【００４３】
かかるハイブリッドシステムによれば、燃料電池を優先的に使用するため、先に説明したハイブリッドシステムと同様、システム運転時の効率および環境性を大きく向上することができる。なお、かかるハイブリッドシステムにおいても、上記ハイブリッドシステムで説明した種々の付加的要素を考慮することができることはいうまでもない。
【００４４】
本発明をハイブリッド式移動体として構成する場合、例えば、以下の構成を採ることができる。即ち、
少なくとも燃料電池と熱機関とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを利用可能な形態で外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッド式移動体であって、
前記燃料電池および熱機関のうち少なくとも一方の劣化を検出する劣化検出手段と、
前記燃料電池および熱機関の一方に劣化が検出された場合には、該劣化に伴うエネルギ出力への影響を補償する方向に、少なくとも他方の出力を制御する劣化時制御手段とを備えるハイブリッド式移動体とすることもできる。
【００４５】
また、少なくとも燃料電池と熱機関とを含む動力出力源と、該動力出力源から出力された動力を変速機を介して駆動軸に伝達する伝達機構とを備えるハイブリッド式移動体であって、
前記燃料電池の劣化を検出する劣化検出手段と、
前記燃料電池の劣化が検出された場合には、該劣化に伴うエネルギ出力への影響を補償する方向に、前記変速機を制御する変速機制御手段とを備えるハイブリッド式移動体とすることもできる。
【００４６】
前者のハイブリッド式移動体によれば、燃料電池または熱機関の劣化が生じている場合には、劣化が生じていない側の出力を制御して、その影響を抑制することができる。ここで劣化とは故障、燃料の不足、経時変化などにより、本来の出力が得られなくなる状態をいう。また、上記構成においては、燃料電池と熱機関の双方の劣化を検出するものとしてもよいし、いずれか一方のみを検出するものとしてもよい。後者のハイブリッド式移動体によれば、燃料電池の劣化が生じている場合には、変速機を制御することにより、劣化の影響を抑制することができる。なお、これらのハイブリッド式移動体において、先にハイブリッドシステムで説明した種々の付加的要素を併せて適用することができることはいうまでもない。
【００４７】
本発明は、以下に示すハイブリッドシステムの制御方法として構成することもできる。
即ち、本発明の制御方法は、
少なくとも燃料電池と熱機関とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを利用可能な状態で外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッドシステムの運転を制御する制御方法であって、
（ａ） 出力すべき総エネルギを設定する工程と、
（ｂ） 前記燃料電池を優先的に使用して前記総エネルギを出力する態様で、前記燃料電池、熱機関および前記エネルギ伝達手段の各目標運転状態を設定する工程と、
（ｃ） 前記システムの作動状態に関する所定の条件が満たされているか否かを判定する工程と、
（ｄ） 該所定の条件が満たされている場合には、前記燃料電池、熱機関およびエネルギ伝達手段の少なくとも一つの目標運転状態を前記所定の条件に応じて予め設定された状態に変更する工程と、
（ｅ） 前記エネルギ出力源および前記エネルギ伝達手段を制御して、前記設定された総エネルギを出力する工程とを備える制御方法である。
【００４８】
かかる制御方法によれば、先にハイブリッドシステムで説明したのと同様の作用により、燃料電池および熱機関という２種類のエネルギ出力源を、種々の作動状態において有効に活用することができる。この結果、ハイブリッドシステムの運転効率、環境性、利便性を向上することができる。なお、制御方法の発明においても、先にハイブリッドシステムの発明で説明した種々の付加的要素を考慮することができることはいうまでもない。
【００４９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、ハイブリッド車両に適用した場合の実施例に基づいて、以下の順序で説明する。
Ａ．装置の構成：
Ｂ．一般的動作：
Ｃ．ＥＶ走行制御処理：
Ｄ．外部電源稼働制御処理：
Ｅ．第１の変形例：
Ｆ．第２の変形例：
Ｇ．第３の変形例：
Ｈ．第２実施例：
Ｉ．第２実施例における変形例：
Ｊ．第３実施例：
Ｋ．４輪駆動への適用：
【００５０】
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を直列に結合した構成を有している。即ち、エンジン１０のクランクシャフト１２は、入力クラッチ１８を介してモータ２０に結合されている。入力クラッチ１８をオン・オフすることにより、エンジン１０からの動力の伝達を断続することができる。モータ２０の回転軸１３は、また、トルクコンバータ３０にも結合されている。トルクコンバータの出力軸１４は変速機１００に結合されている。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。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００５１】
エンジン１０は通常のガソリンエンジンである。但し、エンジン１０は、ガソリンと空気の混合気をシリンダに吸い込むための吸気バルブ、および燃焼後の排気をシリンダから排出するための排気バルブの開閉タイミングを、ピストンの上下運動に対して相対的に調整可能な機構を有している（以下、この機構をＶＶＴ機構と呼ぶ）。ＶＶＴ機構の構成については、周知であるため、ここでは詳細な説明を省略する。エンジン１０は、ピストンの上下運動に対して各バルブが遅れて閉じるように開閉タイミングを調整することにより、いわゆるポンピングロスを低減することができる。この結果、エンジン１０をモータリングする際にモータ２０から出力すべきトルクを低減させることもできる。ガソリンを燃焼して動力を出力する際には、ＶＶＴ機構は、エンジン１０の回転数に応じて最も燃焼効率の良いタイミングで各バルブが開閉するように制御される。
【００５２】
モータ２０は、三相の同期モータであり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータ２２と、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されたステータ２４とを備える。モータ２０はロータ２２に備えられた永久磁石による磁界とステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。なお、モータ２０には、ロータ２２とステータ２４との間の磁束密度が円周方向に正弦分布する正弦波着磁モータを適用することも可能であるが、本実施例では、比較的大きなトルクを出力可能な非正弦波着磁モータを適用した。
【００５３】
モータ２０の電源としては、バッテリ５０と燃料電池システム６０とが備えられている。但し、主電源は燃料電池システム６０である。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や十分な電力を出力することができない過渡的な運転状態にある場合などに、これを補完するようモータ２０に電力を供給する電源として使用される。バッテリ５０の電力は、主としてハイブリッド車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器に主として供給される。
【００５４】
モータ２０と各電源との間には、接続状態を切り替えるための切替スイッチ８４が設けられている。切替スイッチ８４は、バッテリ５０，燃料電池システム６０，モータ２０の３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ステータ２４は切替スイッチ８４および駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続される。また、切替スイッチ８４および駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユニット７０と電気的に接続されている。制御ユニット７０が駆動回路５１，５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御するとバッテリ５０および燃料電池システム６０を電源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、かかる回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００５５】
図２は燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム６０は、メタノールを貯蔵するメタノールタンク６１、水を貯蔵する水タンク６２、燃焼ガスを発生するバーナ６３、空気の圧縮を行なう圧縮機６４、バーナ６３と圧縮機６４とを併設した蒸発器６５、改質反応により燃料ガスを生成する改質器６６、燃料ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を低減するＣＯ低減部６７、電気化学反応により起電力を得る燃料電池６０Ａを主な構成要素とする。これらの各部の動作は、制御ユニット７０により制御される。
【００５６】
燃料電池６０Ａは、固体高分子電解質型の燃料電池であり、電解質膜、カソード、アノード、およびセパレータとから構成されるセルを複数積層して構成されている。電解質膜は、例えばフッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソードおよびアノードは、共に炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス不透過の導電性部材により形成されている。カソードおよびアノードとの間に燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。
【００５７】
燃料電池システム６０の各構成要素は次の通り接続されている。メタノールタンク６１は配管で蒸発器６５に接続されている。配管の途中に設けられたポンプＰ２は、流量を調整しつつ、原燃料であるメタノールを蒸発器６５に供給する。水タンク６２も同様に配管で蒸発器６５に接続されている。配管の途中に設けられたポンプＰ３は、流量を調整しつつ、水を蒸発器６５に供給する。メタノールの配管と、水の配管とは、それぞれポンプＰ２，Ｐ３の下流側で一つの配管に合流し、蒸発器６５に接続される。
【００５８】
蒸発器６５は、供給されたメタノールと水とを気化させる。蒸発器６５には、バーナ６３と圧縮機６４とが併設されている。蒸発器６５は、バーナ６３から供給される燃焼ガスによってメタノールと水とを沸騰、気化させる。バーナ６３の燃料は、メタノールである。メタノールタンク６１は、蒸発器６５に加えてバーナ６３にも配管で接続されている。メタノールは、この配管の途中に設けられたポンプＰ１により、バーナ６３に供給される。バーナ６３には、また、燃料電池６０Ａでの電気化学反応で消費されずに残った燃料排ガスも供給される。バーナ６３は、メタノールと燃料排ガスのうち、後者を主として燃焼させる。バーナ６３の燃焼温度はセンサＴ１の出力に基づいて制御されており、約８００℃から１０００℃に保たれる。バーナ６３の燃焼ガスは、蒸発器６５に移送される際にタービンを回転させ、圧縮機６４を駆動する。圧縮機６４は、燃料電池システム６０の外部から空気を取り込んでこれを圧縮し、この圧縮空気を燃料電池６０Ａの陽極側に供給する。
【００５９】
蒸発器６５と改質器６６とは配管で接続されている。蒸発器６５で得られた原燃料ガス、即ちメタノールと水蒸気の混合ガスは、改質器６６に搬送される。改質器６６は、供給されたメタノールと水とからなる原燃料ガスを改質して水素リッチな燃料ガスを生成する。なお、蒸発器６５から改質器６６への搬送配管の途中には、温度センサＴ２が設けられており、この温度が通常約２５０℃の所定値になるようにバーナ６３に供給するメタノール量が制御される。なお、改質器６６における改質反応では酸素が関与する。この改質反応に必要な酸素を供給するために、改質器６６には外部から空気を供給するためのブロワ６８が併設されている。
【００６０】
改質器６６とＣＯ低減部６７とは配管で接続されている。改質器６６で得られた水素リッチな燃料ガスは、ＣＯ低減部６７に供給される。改質器６６での反応課程において、通常は燃料ガスに一酸化炭素（ＣＯ）が一定量含まれる。ＣＯ低減部６７は、この燃料ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる。固体高分子型の燃料電池では、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素が、アノードにおける反応を阻害して燃料電池の性能を低下させてしまうからである。ＣＯ低減部６７は、燃料ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素へと酸化することにより、一酸化炭素濃度を低減させる。
【００６１】
ＣＯ低減部６７と燃料電池６０Ａのアノードとは配管で接続されている。一酸化炭素濃度が下げられた燃料ガスは、燃料電池６０Ａの陰極側における電池反応に供される。また、先に説明した通り、燃料電池６０Ａのカソード側には圧縮された空気を送り込むための配管が接続されている。この空気は、酸化ガスとして燃料電池６０Ａの陽極側における電池反応に供される。
【００６２】
以上の構成を有する燃料電池システム６０は、メタノールと水を用いた化学反応によって電力を供給することができる。本実施例では、メタノールタンク６１，水タンク６２内のメタノールおよび水の残量に応じて、燃料電池の運転状態を制御する。かかる制御を実現するため、それぞれのタンクには、容量センサ６１ａ、６２ａが設けられている。なお、本実施例では、メタノールおよび水を用いる燃料電池システム６０を搭載しているが、燃料電池システム６０は、これに限定されるものではなく、種々の構成を適用することができる。
【００６３】
燃料電池システム６０には、冷却系統が備えられている。エンジン１０にも冷却系統が備えられているが、図１では図示を省略した。燃料電池システム６０の冷却系統は、エンジン１０の冷却系統とは個別に備えられている。この冷却系統は、図示する通り、冷却水が通過する冷媒路９４と、冷却水の放熱を行うためのラジエータ９２と、冷却水を循環させるためのポンプ９３とからなる。ポンプ９３は、後述する補機駆動装置８２で駆動される。
【００６４】
なお、以下の説明では燃料電池システム６０をまとめて燃料電池６０と称するものとする。また、燃料電池での発電に使用されるメタノールおよび水を総称してＦＣ燃料と呼ぶものとする。両者の容量は常に同一とは限らない。以下の説明においてＦＣ燃料量というときは、燃料電池での発電に制約を与える側の容量を意味するものとする。つまり、メタノールおよび水のうち、発電を継続した場合に先に不足する側の容量を意味するものとする。
【００６５】
本実施例のハイブリッド車両は、外部に電力を供給するためのコンセント９１を備えており、燃料電池６０およびバッテリ５０は、このコンセント９１の電源としても活用される。コンセント９１と燃料電池６０およびバッテリ５０とは、切替スイッチ９０を介して接続されており、切替スイッチ９０の切り替えによって電源を燃料電池６０とバッテリ５０との間で切り替えることができる。切替スイッチ９０は制御ユニット７０からの制御信号によって切り替えられる。コンセント９１は、後述する補機駆動用モータ８０とも電気的に接続されている。従って、補機駆動用モータ８０を発電機として駆動すれば、その電力をコンセント９１から出力することも可能である。
【００６６】
トルクコンバータ３０は、流体を利用した周知の動力伝達機構である。トルクコンバータ３０の入力軸、即ちモータ２０の出力軸１３と、トルクコンバータ３０の出力軸１４とは機械的に結合されてはおらず、互いに滑りをもった状態で回転可能である。両者の末端には、それぞれ複数のブレードを有するタービンが備えられており、モータ２０の出力軸１３のタービンとトルクコンバータ３０の出力軸１４のタービンとが互いに対向する状態でトルクコンバータ内部に組み付けられている。トルクコンバータ３０は密閉構造をなしており、中にはトランスミッション・オイルが封入されている。このオイルが前述のタービンにそれぞれ作用することで、一方の回転軸から他方の回転軸に動力を伝達することができる。しかも、両者はすべりをもった状態で回転可能であるから、一方の回転軸から入力された動力を、回転数およびトルクの異なる回転状態に変換して他方の回転軸に伝達することができる。トルクコンバータ３０には、両回転軸の滑りが生じないよう、所定の条件下で両者を結合するロックアップクラッチも設けられている。ロックアップクラッチのオン・オフは制御ユニット７０により制御される。
【００６７】
変速機１００は、内部に複数のギヤ、クラッチ、ワンウェイクラッチ、ブレーキ等を備え、変速比を切り替えることによってトルクコンバータ３０の出力軸１４のトルクおよび回転数を変換して出力軸１５に伝達可能な機構である。図３は変速機１００の内部構造を示す説明図である。本実施例の変速機１００は、大きくは副変速部１１０（図中の破線より左側の部分）と主変速部１２０（図中の破線より右側の部分）とから構成されており、図示する構造により前進５段、後進１段の変速段を実現することができる。
【００６８】
変速機１００の構成について回転軸１４側から順に説明する。図示する通り、回転軸１４から入力された動力は、オーバードライブ部として構成された副変速部１１０によって所定の変速比で変速されて回転軸１１９に伝達される。副変速部１１０は、シングルピニオン型の第１のプラネタリギヤ１１２を中心に、クラッチＣ０と、ワンウェイクラッチＦ０と、ブレーキＢ０により構成される。第１のプラネタリギヤ１１２は、遊星歯車とも呼ばれるギヤであり、中心で回転するサンギヤ１１４、サンギヤの周りで自転しながら公転するプラネタリピニオンギヤ１１５、更にプラネタリピニオンギヤの外周で回転するリングギヤ１１８の３種類のギヤから構成されている。プラネタリピニオンギヤ１１５は、プラネタリキャリア１１６と呼ばれる回転部に軸支されている。
【００６９】
一般にプラネタリギヤは、上述の３つのギヤのうち２つのギヤの回転状態が決定されると残余の一つのギヤの回転状態が決定される性質を有している。プラネタリギヤの各ギヤの回転状態は、機構学上周知の計算式（１）によって与えられる。
Ｎｓ＝（１＋ρ）／ρ×Ｎｃ−Ｎｒ／ρ；
Ｎｃ＝ρ／（１＋ρ）×Ｎｓ＋Ｎｒ／（１＋ρ）；
Ｎｒ＝（１＋ρ）Ｎｃ−ρＮｓ；
Ｔｓ＝Ｔｃ×ρ／（１＋ρ）＝ρＴｒ；
Ｔｒ＝Ｔｃ／（１＋ρ）；
ρ＝サンギヤの歯数／リングギヤの歯数 ・・・（１）；
【００７０】
ここで、
Ｎｓはサンギヤの回転数；
Ｔｓはサンギヤのトルク；
Ｎｃはプラネタリキャリアの回転数；
Ｔｃはプラネタリキャリアのトルク；
Ｎｒはリングギヤの回転数；
Ｔｒはリングギヤのトルク；
である。
【００７１】
副変速部１１０では、変速機１００の入力軸に相当する回転軸１４がプラネタリキャリア１１６に結合されている。またこのプラネタリキャリア１１６とサンギヤ１１４との間にワンウェイクラッチＦ０とクラッチＣ０とが並列に配置されている。ワンウェイクラッチＦ０はサンギヤ１１４がプラネタリキャリア１１６に対して相対的に正回転、即ち変速機への入力軸１４と同方向に回転する場合に係合する方向に設けられている。サンギヤ１１４には、その回転を制止可能な多板ブレーキＢ０が設けられている。副変速部１１０の出力に相当するリングギヤ１１８は回転軸１１９に結合されている。回転軸１１９は、主変速部１２０の入力軸に相当する。
【００７２】
かかる構成を有する副変速部１１０は、クラッチＣ０又はワンウェイクラッチＦ０が係合した状態ではプラネタリキャリア１１６とサンギヤ１１４とが一体的に回転する。先に示した式（１）に照らせば、サンギヤ１１４とプラネタリキャリア１１６の回転数が等しい場合には、リングギヤ１１８の回転数もこれらと等しくなるからである。このとき、回転軸１１９は入力軸１４と同じ回転数となる。またブレーキＢ０を係合させてサンギヤ１１４の回転を止めた場合、先に示した式（１）においてサンギヤ１１４の回転数Ｎｓに値０を代入すれば明らかな通り、リングギヤ１１８の回転数Ｎｒはプラネタリキャリア１１６の回転数Ｎｃよりも高くなる。即ち、回転軸１４の回転は増速されて回転軸１１９に伝達される。このように副変速部１１０は、回転軸１４から入力された動力を、そのままの状態で回転軸１１９に伝える役割と、増速して伝える役割とを選択的に果たすことができる。
【００７３】
次に、主変速部１２０の構成を説明する。主変速部１２０は三組のプラネタリギヤ１３０，１４０，１５０を備えている。また、クラッチＣ１，Ｃ２、ワンウェイクラッチＦ１，Ｆ２およびブレーキＢ１〜Ｂ４を備えている。各プラネタリギヤは、副変速部１１０に備えられた第１のプラネタリギヤ１１２と同様、サンギヤ、プラネタリキャリアおよびプラネタリピニオンギヤ、並びにリングギヤから構成されている。三組のプラネタリギヤ１３０，１４０，１５０は次の通り結合されている。
【００７４】
第２のプラネタリギヤ１３０のサンギヤ１３２と第３のプラネタリギヤ１４０のサンギヤ１４２とは互いに一体的に結合されており、これらはクラッチＣ２を介して入力軸１１９に結合可能となっている。これらのサンギヤ１３２，１４２が結合された回転軸には、その回転を制止するためのブレーキＢ１が設けられている。また、該回転軸が逆転する際に係合する方向にワンウェイクラッチＦ１が設けられている。さらにこのワンウェイクラッチＦ１の回転を制止するためのブレーキＢ２が設けられている。
【００７５】
第２のプラネタリギヤ１３０のプラネタリキャリア１３４には、その回転を制止可能なブレーキＢ３が設けられている。第２のプラネタリギヤ１３０のリングギヤ１３６は、第３のプラネタリギヤ１４０のプラネタリキャリア１４４および第４のプラネタリギヤ１５０のプラネタリキャリア１５４と一体的に結合されている。更に、これら三者は変速機１００の出力軸１５に結合されている。
【００７６】
第３のプラネタリギヤ１４０のリングギヤ１４６は、第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２に結合されるとともに、回転軸１２２に結合されている。回転軸１２２はクラッチＣ１を介して主変速部１２０の入力軸１１９に結合可能となっている。第４のプラネタリギヤ１５０のリングギヤ１５６には、その回転を制止するためのブレーキＢ４と、リングギヤ１５６が逆転する際に係合する方向にワンウェイクラッチＦ２とが設けられている。
【００７７】
変速機１００に設けられた上述のクラッチＣ０〜Ｃ２およびブレーキＢ０〜Ｂ４は、それぞれ油圧によって係合および解放する。図１中に示す通り、変速機１００には電動式の油圧ポンプ１０２から、これらのクラッチおよびブレーキを作動させるための作動油が供給されている。詳細な図示は省略したが、変速機１００には作動を可能とする油圧配管および油圧を制御するためのソレノイドバルブ等が設けられた油圧制御部１０４により、油圧を制御することができる。本実施例のハイブリッド車両では、制御ユニット７０が油圧制御部１０４内のソレノイドバルブ等に制御信号を出力することによって、各クラッチおよびブレーキの作動を制御する。
【００７８】
本実施例の変速機１００は、クラッチＣ０〜Ｃ２およびブレーキＢ０〜Ｂ４の係合および解放の組み合わせによって、前進5段・後進1段の変速段を設定することができる。また、いわゆるパーキングおよびニュートラルの状態も実現することができる。図４は各クラッチ、ブレーキ、およびワンウェイクラッチの係合状態と変速段との関係を示す説明図である。この図において、○印はクラッチ等が係合した状態であることを意味し、◎は動力源ブレーキ時に係合することを意味し、△印は係合するものの動力伝達に閑係しないことを意味している。動力源ブレーキとは、エンジン１０およびモータ２０による制動をいう。なお、ワンウェイクラッチＦ０〜Ｆ２の係合状態は、制御ユニット７０の制御信号に基づくものではなく、各ギヤの回転方向に基づくものである。
【００７９】
図４に示す通り、パーキング（Ｐ）およびニュートラル（Ｎ）の場合には、クラッチＣ０およびワンウェイクラッチＦ０が係合する。クラッチＣ２およびクラッチＣ１の双方が解放状態であるから、主変速部１２０の入力軸１１９から下流には動力の伝達がなされない。
【００８０】
第１速（１ｓｔ）の場合には、クラッチＣ０，Ｃ１およびワンウェイクラッチＦ０，Ｆ２が係合する。また、エンジンブレーキをかける場合には、さらにブレーキＢ４が係合する。この状態では、変速機１００の入力軸１４は第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２に直結された状態に等しくなり、動力は第４のプラネタリギヤ１５０の変速比に応じた変速比で出力軸１５に伝達される。リングギヤ１５６は、ワンウェイクラッチＦ２の作用により逆転しないように拘束され、事実上回転数は値０となる。
【００８１】
第２速（２ｎｄ）の場合には、クラッチＣ１、ブレーキＢ３、ワンウェイクラッチＦ０が係合する。また、エンジンブレーキをかける場合には、さらにクラッチＣ０が係合する。この状態では、変速機１００の入力軸１４は第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２および第３のプラネタリギヤ１４０のリングギヤ１４６に直結された状態に等しい。一方、第２のプラネタリギヤ１３０のプラネタリキャリア１３４は固定された状態となる。第２のプラネタリギヤ１３０および第３のプラネタリギヤ１４０について見れば、両者のサンギヤ１３２、１４２の回転数は等しい。また、リングギヤ１３６とプラネタリキャリア１４４の回転数は等しい。これらの条件下で、先に説明した式（１）に照らせば、プラネタリギヤ１３０、１４０の回転状態は一義的に決定される。出力軸１５の回転数Ｎｏｕｔは第１速（１ｓｔ）の回転数よりも高くなり、トルクＴｏｕｔは第１速（１ｓｔ）のトルクよりも低くなる。
【００８２】
第３速（３ｒｄ）の場合には、クラッチＣ０，Ｃ１、ブレーキＢ２、ワンウェイクラッチＦ０，Ｆ１が係合する。また、エンジンブレーキをかける場合には、さらにブレーキＢ１が係合する。この状態では、変速機１００の入力軸１４は第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２および第３のプラネタリギヤ１４０のリングギヤ１４６に直結された状態に等しい。一方、第２および第２のプラネタリギヤ１３０、１４０のサンギヤ１３２、１４２はブレーキＢ２およびワンウェイクラッチＦ１の作用により逆転が禁止された状態となり、事実上回転数は値０となる。かかる条件下で、第２速（２ｎｄ）の場合と同様、先に説明した式（１）に照らせば、プラネタリギヤ１３０、１４０の回転状態は一義的に決定され、出力軸１５の回転数も一義的に決定される。出力軸１５の回転数Ｎｏｕｔは第２速（２ｎｄ）の回転数よりも高くなり、トルクＴｏｕｔは第２速（２ｎｄ）のトルクよりも低くなる。
【００８３】
第４速（４ｔｈ）の場合には、クラッチＣ０〜Ｃ２およびワンウェイクラッチＦ０が係合する。ブレーキＢ２も同時に係合するが、動力の伝達には無関係である。この状態では、クラッチＣ１，Ｃ２が同時に係合するため、入力軸１４は第２のプラネタリギヤ１３０のサンギヤ１３２、第３のプラネタリギヤ１４０のサンギヤ１４２およびリングギヤ１４６、第４のプラネタリギヤ１５０のサンギヤ１５２に直結された状態となる。この結果、第３のプラネタリギヤ１４０は入力軸１４と同じ回転数で一体的に回転する。従って、出力軸１５も入力軸１４と同じ回転数で一体的に回転する。従って第４速（４ｔｈ）では、出力軸１５は第３速（３ｒｄ）よりも高い回転数で回転する。出力軸１５の回転数Ｎｏｕｔは第３速（３ｒｄ）の回転数よりも高くなり、トルクＴｏｕｔは第３速（３ｒｄ）のトルクよりも低くなる。
【００８４】
第５速（５ｔｈ）の場合には、クラッチＣ１、Ｃ２、ブレーキＢ０が係合する。ブレーキＢ２も係合するが、動力の伝達には無関係である。この状態では、クラッチＣ０が解放されるため、副変速部１１０で回転数が増速される。つまり、変速機１００の入力軸１４の回転数は、増速されて主変速部１２０の入力軸１１９に伝達される。一方、クラッチＣ１，Ｃ２が同時に係合するため、第４速（４ｔｈ）の場合と同様、入力軸１１９と出力軸１５とは同じ回転数で回転する。先に説明した式（１）に照らせば、副変速部１１０の入力軸１４と出力軸１１９の回転数、トルクの関係を求めることができ、出力軸１５の回転数、トルクを求めることができる。出力軸１５の回転数Ｎｏｕｔは第４速（４ｔｈ）の回転数よりも高くなり、トルクＴｏｕｔは第４速（４ｔｈ）のトルクよりも低くなる。
【００８５】
リバース（Ｒ）の場合には、クラッチＣ２、ブレーキＢ０、Ｂ４が係合する。このとき、入力軸１４の回転数は副変速部１１０で増速された上で、第２のプラネタリギヤ１３０のサンギヤ１３２、第３のプラネタリギヤ１４０のサンギヤ１４２に直結された状態となる。既に説明した通り、リングギヤ１３６、プラネタリキャリア１４４、１５４の回転数は等しくなる。リングギヤ１４６とサンギヤ１５２の回転数も等しくなる。また、第４のプラネタリギヤ１５０のリングギヤ１５６の回転数はブレーキＢ４の作用により値０となる。これらの条件下で先に説明した式（１）に照らせば、プラネタリギヤ１３０、１４０、１５０の回転状態は一義的に決定される。このとき出力軸１５は負の方向に回転し、後進が可能となる。
【００８６】
以上で説明した通り、本実施例の変速機１００は、前進５段、後進１段の変速を実現することができる。入力軸１４から入力された動力は、回転数およびトルクの異なる動力として出力軸１５から出力される。出力される動力は、第１速（１ｓｔ）から第５速（５ｔｈ）の順に回転数が上昇し、トルクが低減する。これは入力軸１４に負のトルク、即ち制動力が付加されている場合も同様である。入力軸１４にエンジン１０およびモータ２０により、一定の制動力が付加された場合、第１速（１ｓｔ）から第５速（５ｔｈ）の順に出力軸１５に付加される制動力は低減する。なお、変速機１００としては、本実施例で適用した構成の他、周知の種々の構成を適用可能である。変速段が前進５速よりも少ないものおよび多いもののいずれも適用可能である。
【００８７】
変速機１００の変速段は、制御ユニット７０が車速等に応じて設定する。運転者は、車内に備えられたシフトレバーを手動で操作し、シフトポジションを選択することによって、使用される変速段の範囲を変更することが可能である。図５は本実施例のハイブリッド車両におけるシフトポジションの操作部１６０を示す説明図である。この操作部１６０は車内の運転席横のフロアに車両の前後方向に沿って備えられている。
【００８８】
図示する通り、操作部としてシフトレバー１６２が備えられている。運転者はシフトレバー１６２を前後方向にスライドすることにより種々のシフトポジションを選択することができる。シフトポジションは、前方からパーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）、ドライブポジション（Ｄ）、４ポジション（４）、３ポジション（３）、２ポジション（２）およびローポジション（Ｌ）の順に配列されている。
【００８９】
パーキング（Ｐ）、リバース（Ｒ）、ニュートラル（Ｎ）は、それぞれ図４で示した係合状態に対応する。ドライブポジション（Ｄ）は、図４に示した第１速（１ｓｔ）から第５速（５ｔｈ）までを使用して走行するモードの選択を意味する。以下、４ポジション（４）は第４速（４ｔｈ）まで、３ポジション（３）は第３速（３ｒｄ）まで、２ポジション（２）は第２速（２ｎｄ）までおよびローポジション（Ｌ）は第１速（１ｓｔ）のみを使用して走行するモードの選択を意味する。
【００９０】
操作部１６０には、この他、車両の作動状態を運転者が指示するための種々のスイッチが設けられている。スポーツモードスイッチ１６３、動力源切替スイッチ１６４、およびマニュアル発電スイッチ１６５である。スポーツモードスイッチ１６３は、頻繁に加減速を行う場合などに運転者により操作される。通常、変速機１００の変速段は車速とアクセル開度に応じて設定されたマップに従って切り替えられる。スポーツモードスイッチ１６３がオンになっている場合は、全体に低速段側の変速段が使用されるようにマップが変更される。
【００９１】
動力源切替スイッチ１６４は、走行時における動力源の使い分けを指示するためのスイッチである。このスイッチは、図中の「ＡＵＴＯ」の表示が付されている部分を中心にシーソーのように前後方向に回動し、３態様の操作状態を採る。図中の「ＥＧ」の表示を付した部分を押して前方に倒した状態（以下、この状態に対応する運転モードをエンジンモードと呼ぶ）、図中の「ＦＣ」の表示を付した部分を押して後方に倒した状態（以下、この状態に対応する運転モードをＦＣモードと呼ぶ）、そして、中立状態（以下、この状態に対応する運転モードを自動モードと呼ぶ）の３態様である。それぞれの運転モードの意味については、後述する制御処理と併せて説明する。
【００９２】
マニュアル発電スイッチ１６５は、コンセント９１からの電力の取り出しを許可するスイッチである。マニュアル発電スイッチ１６５がオンになっている期間は、後述する制御処理により、ハイブリッド車両に電力を供給する能力が残されていれば、コンセント９１にプラグを差し込むことにより、種々の電気機器を使用することができる状態になる。マニュアル発電スイッチ１６５がオフになっている場合は、車両に発電能力があるか否かに関わらずコンセント９１を利用することはできない。
【００９３】
なお、シフトポジションの選択を行うための操作部は、本実施例で示した構成（図５）以外にも種々の構成を適用することが可能である。また、スポーツモードスイッチ１６３に代えて、またはスポーツモードスイッチ１６３とともに運転者が変速段をマニュアルで切り替えられるモードを設けるものとしてもよい。変速段をマニュアルで切り替えるモードを設けた場合、シフトレバー１６２で変速段を切り替えるものとしてもよいし、これとは別の操作部を設けるものとしてもよい。後者としては、例えば、ステアリング部に変速段をアップ・ダウンするためのスイッチを設ける構成が挙げられる。
【００９４】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０などのエネルギ出力源から出力される動力は、補機の駆動にも用いられる。図１に示す通り、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６０の冷却系統に含まれるポンプ９３等が含まれる。ここでは、エンジン１０など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。
【００９５】
補機駆動装置８２には、また、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、切替スイッチ８３を介して燃料電池６０およびバッテリ５０に接続されている。補機駆動用モータ８０は、モータ２０と同様の構成を有しており、エンジン１０の動力によって運転され、発電を行うことができる。補機駆動用モータ８０で発電された電力はバッテリ５０に充電することができる。また、補機駆動用モータ８０は、バッテリ５０および燃料電池６０から電力の供給を受けて力行することもできる。本実施例のハイブリッド車両は、後述する通り、所定の条件下では、エンジン１０の運転が停止される。補機駆動用モータ８０を力行すれば、エンジン１０が停止している時でも補機駆動装置８２を駆動することができる。もちろん、エンジン１０が停止している場合に、入力クラッチ１８をオンにして、モータ２０の動力で補機駆動装置８２を駆動するものとしてもよい。補機駆動用モータ８０で補機を駆動する際には、負担を軽減するために、エンジン１０と補機駆動装置８２との間の補機クラッチ１９を解放する。
【００９６】
本実施例のハイブリッド車両は、主なエネルギ出力源としてエンジン１０と燃料電池６０とを備える。バッテリ５０の電力は主として走行に使用されるものではないため、ここでは主なエネルギ出力源には含めない。燃料電池６０からは電気的エネルギを出力することができ、また、モータ２０を力行することにより駆動軸１５に機械的エネルギを出力することもできる。エンジン１０は駆動軸１５に機械的エネルギを出力することができ、また、モータ２０または補機駆動用モータ８０を発電機として駆動することにより電気的エネルギを出力することもできる。本実施例では、後述する通り、これら２つの主なエネルギ出力源を使い分けて走行する。両者の使い分けは、ＦＣ燃料に応じて変動する。本実施例では、運転者が違和感なく運転できるよう、両者のいずれをエネルギ源として走行しているかを運転者に知らせるための表示部が設けられている。
【００９７】
図６は本実施例におけるハイブリッド車両の計器板を示す説明図である。この計器板は、通常の車両と同様、運転者の正面に設置されている。計器板には、運転者から見て左側にガソリンの燃料計２０２、燃料電池用の燃料計２０３、速度計２０４が設けられており、右側にエンジン水温計２０８、エンジン回転計２０６が設けられている。エンジン回転計２０６の下方には、ＥＶインジケータ２２３が設けられている。ＥＶインジケータ２２３はモータ２０の動力によって走行している場合に点灯する。速度計の下方には、外部電源インジケータ２２４が設けられている。外部電源インジケータ２２４はコンセント９１から電力を取り出し得る場合に点灯する。エンジン燃料電池用の燃料計２０３は、図示する通り、メタノールの残量と、改質に用いられる水の残量とを左右の指針でそれぞれ示すように構成されている。中央部にはシフトポジションを表示するシフトポジションインジケータ２２０が設けられており、その左右に方向指示器インジケータ２１０Ｌ、２１０Ｒが設けられている。また、スポーツモードインジケータ２２２がシフトポジションインジケータ２２０の上方に設けられている。スポーツモードインジケータ２２２は、スポーツモードが選択されている場合に点灯する。
【００９８】
本実施例のハイブリッド車両では、エンジン１０、モータ２０、トルクコンバータ３０、変速機１００、補機駆動用モータ８０等の運転を制御ユニット７０が制御している（図１参照）。制御ユニット７０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ，ＲＯＭ等を備えるワンチップ・マイクロコンピュータであり、ＲＯＭに記録されたプログラムに従い、ＣＰＵが後述する種々の制御処理を行う。制御ユニット７０には、かかる制御を実現するために種々の入出力信号が接続されている。図７は制御ユニット７０に対する入出力信号の結線を示す説明図である。図中の左側に制御ユニット７０に入力される信号を示し、右側に制御ユニット７０から出力される信号を示す。
【００９９】
制御ユニット７０に入力される信号は、種々のスイッチおよびセンサからの信号である。かかる信号には、例えば、ガソリン残量、ＦＣ燃料残量、燃料電池温度、エンジン１０の回転数、エンジン１０の水温、イグニッションスイッチ、バッテリ残容量ＳＯＣ、バッテリ温度、車速、トルクコンバータ３０の油温、シフトポジション、サイドブレーキのオン・オフ、フットブレーキの踏み込み量、エンジン１０の排気を浄化する触媒の温度、アクセル開度、スポーツモードスイッチ１６３のオン・オフ、車両の加速度センサ、動力源切替スイッチ１６４の状態、マニュアル発電スイッチ１６５のオン・オフなどがある。制御ユニット７０には、その他にも多くの信号が入力されているが、ここでは図示を省略した。
【０１００】
制御ユニット７０から出力される信号は、エンジン１０，モータ２０，トルクコバータ３０，変速機１００等を制御するための信号である。かかる信号には、例えば、エンジン１０の点火時期を制御する点火信号、燃料噴射を制御する燃料噴射信号、補機駆動用モータ８０の運転を制御する補機駆動用モータ制御信号、モータ２０の運転を制御するモータ制御信号、変速機１００の変速段を切り替える変速機制御信号、変速機１００の油圧を制御するためのＡＴソレノイド信号およびＡＴライン圧コントロールソレノイド信号、エンジン１０からモータ２０側への動力の伝達をオン・オフする入力クラッチ１８を制御する入力クラッチ１８コントロールソレノイド、トルクコンバータ３０のロックアップを行うためのＡＴロックアップコントロールソレノイド、モータ２０の電源の切替スイッチ８４の制御信号、補機駆動用モータ８０の電源の切替スイッチ８３の制御信号、燃料電池システム６０の制御信号などがある。制御ユニット７０からは、その他にも多くの信号が出力されているが、ここでは図示を省略した。
【０１０１】
Ｂ．一般的動作：
次に、本実施例のハイブリッド車両の一般的動作について説明する。先に図１で説明した通り、本実施例のハイブリッド車両は動力源としてエンジン１０とモータ２０とを備える。制御ユニット７０は、車両の走行状態、即ち車速およびトルクに応じて両者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。
【０１０２】
図８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を動力源として走行する領域である。領域ＭＧの外側の領域は、エンジン１０を動力源として走行する領域である。以下、前者をＥＶ走行と呼び、後者をエンジン走行と呼ぶものとする。図１の構成によれば、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、本実施例では、かかる走行領域は設けていない。
【０１０３】
図示する通り、本実施例のハイブリッド車両は、まずＥＶ走行で発進する。かかる領域では、入力クラッチ１８をオフにして走行する。ＥＶ走行により発進した車両が図８のマップにおける領域ＭＧと領域ＥＧの境界近傍の走行状態に達した時点で、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。入力クラッチ１８をオンにすると、エンジン１０はモータ２０により回転させられる。制御ユニット７０は、エンジン１０の回転数が所定値まで増加したタイミングで燃料を噴射し点火する。また、ＶＶＴ機構を制御して、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングをエンジン１０の運転に適したタイミングに変更する。
【０１０４】
こうしてエンジン１０が始動して以後、領域ＥＧ内ではエンジン１０のみを動力源として走行する。かかる領域での走行が開始されると、制御ユニット７０は駆動回路５１，５２のトランジスタを全てシャットダウンする。この結果、モータ２０は単に空回りした状態となる。
【０１０５】
制御ユニット７０は、このように車両の走行状態に応じて動力源を切り替える制御を行うとともに、変速機１００の変速段を切り替える処理も行う。変速段の切り替えは動力源の切り替えと同様、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。マップは、シフトポジションによっても相違する。図８にはＤポジション、４ポジション、３ポジションに相当するマップを示した。このマップに示す通り、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。
【０１０６】
ドライブポジション（Ｄ）では、図８に示す通り、第５速（５ｔｈ）までの変速段を用いて走行する。４ポジションでは、このマップにおいて、第４速（４ｔｈ）までの変速段を用いて走行する。４ポジションでは、図８における５ｔｈの領域であっても第４速（４ｔｈ）が使用される。同様に３ポジションの場合には、図８のマップにおいて、第３速（３ｒｄ）までの変速段を用いて走行する。
【０１０７】
２ポジション、Ｌポジションでは、マップを各シフトポジションに固有のものに変更して変速段の制御を行う。図９は２ポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。２ポジションでは、第１速および第２速の変速段が使用される。２ポジションのマップ（図９）において、第１速と第２速の切り替えを行う境界は、Ｄポジションのマップ（図８）と同じである。２ポジションでは、Ｄポジションに比較して領域ＭＧの範囲が相違する。
【０１０８】
２ポジションでは、第３速が使用されないため、領域ＭＧについて、Ｄポジションのマップ（図８）中の第３速を使用する領域（ハッチングを付した部分）を領域ＭＧから除外する設定とすることも可能である。本実施例では、かかる領域よりも広い範囲で２ポジションにおける領域ＭＧを設定した。図９中の破線は、Ｄポジションのマップとの対比のために示したものであり、Ｄポジションのマップ中の第２速と第３速との境界に対応する曲線である。このように領域ＭＧ中で第２速に対応する領域を広げることにより、２ポジションにおいても十分にモータ２０を動力源として活用することができ、ハイブリッド車両の燃費を向上することができる。なお、第２速に対応する領域の設定に当たっては、モータ２０の定格を考慮して、広げた領域（図９中のハッチングを付した領域）における走行感覚がＤポジションにおける該当領域と大差ないよう設定することが望ましい。
【０１０９】
図１０はＬポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。Ｌポジションでは、第１速のみが使用される。２ポジションにおけるマップの設定で説明したのと同様の理由により、Ｌポジションでは、２ポジションに比較して領域ＭＧの範囲が相違する。Ｌポジションにおける領域ＭＧは、２ポジションのマップにおいて、領域ＭＧ中の第１速に対応する領域よりも広い範囲に設定されている。図１１はＲポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。Ｒポジションでは後進するため、領域ＭＧの広さは前進方向のシフトポジションにおけるマップとは個別に設定した。
【０１１０】
変速段の切り替えはこのマップによる切り替えの他、運転者がアクセルペダルを急激に踏み込むことにより一段変速比が高い側に変速段を移す、いわゆるキックダウンと呼ばれる切り替えも行われる。また、スポーツモードが選択されている場合には、変速比の低い変速段を使用する領域をそれぞれ拡張して設定したマップに基づいて変速が行われる。これらの切り替え制御は、エンジンのみを動力源とし、自動変速装置を備えた周知の車両と同様である。なお、変速段と車両の走行状態との関係は、図８〜図１１に示した他、変速機１００の変速比に応じて種々の設定が可能である。
【０１１１】
なお、図８〜図１１では、車両の走行状態に応じてＥＶ走行とエンジン走行とを使い分ける場合のマップを示した。本実施例の制御ユニット７０は、全ての領域をエンジン走行で行う場合のマップも備えている。かかるマップは、図８〜図１１において、ＥＶ走行の領域（領域ＭＧ）を除いたものとなっている。ＥＶ走行には電力が必要である。制御ユニット７０は、バッテリ５０および燃料電池システム６０から電力を確保できる場合には、ＥＶ走行とエンジン走行とを使い分けて運転を行う。十分な電力を確保できない場合には、エンジン走行で運転する。ＥＶ走行で発進を開始した場合でも、発進後に電力が十分確保できない状況に至った場合には、車両の走行状態が領域ＭＧ内にあってもエンジン走行に切り替えられる。かかる使い分けの制御については後述する。
【０１１２】
次に、本実施例のハイブリッド車両の制動について説明する。本実施例のハイブリッド車両は、ブレーキペダルを踏み込むことによって付加されるホイールブレーキと、エンジン１０およびモータ２０からの負荷トルクによる動力源ブレーキの２種類のブレーキによる制動が可能である。モータ２０の負荷トルクによるブレーキとは、いわゆる回生制動であり、ハイブリッド車両の運動エネルギをモータ２０で電力として回収する制動方法である。回収された電力はバッテリ５０に充電される。動力源ブレーキによる制動は、アクセルペダルの踏み込みを緩めた場合に行われる。ブレーキペダルを踏み込めば、車両には動力源ブレーキとホイールブレーキの総和からなる制動力が付加される。
【０１１３】
本実施例のハイブリッド車両は、制御ユニット７０が、エンジン１０、モータ２０等を制御することによって、上述した走行を可能としている。制御は、車両の種々の運転モードごとに用意された所定の制御処理を実行することにより、行われる。以下では、本実施例のハイブリッド車両について、代表的な運転モードに対し、それぞれ制御処理の内容を説明する。
【０１１４】
Ｃ．ＥＶ走行制御処理：
図１２はＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。制御ユニット７０内のＣＰＵが所定の時間間隔で周期的に実行する処理である。車両の走行状態が図８〜図１１に示したＭＧ領域にある場合に実行される処理である。この処理が開始されると、ＣＰＵは車両の運転状態を入力する（ステップＳ１０）。図７で示した種々のセンサからの入力がなされるが、特に、シフトポジション、車速、アクセル開度、ガソリン残量ＧＳＬ、バッテリ残容量ＳＯＣ、燃料電池用の残燃料量ＦＣＬ、イグニッションスイッチの状態、動力源切替スイッチ１６４の状態などが以後の処理に関与する。
【０１１５】
次に、ＣＰＵは動力源切替スイッチ１６４の状態に基づいて、エンジンモードが指定されているか否かを判定する（ステップＳ２０）。エンジンモードとは、エンジン１０のみを動力源として走行する運転モードである。エンジンモードが指定されている場合には、車両の走行状態がＭＧ領域にある場合でも、モータ２０を動力源とするＥＶ走行は行わない。ステップＳ２０においてエンジンモードが指定されていると判断された場合、ＣＰＵはガソリン残量ＧＳＬが所定の値Ｇ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ６０）。残量が所定の値Ｇ１以上の場合には、エンジン１０を運転してもよい状態にあると判定し、エンジン１０を動力源とする走行を行う（ステップＳ６５）。残量が所定の値Ｇ１に満たない場合には、エンジン１０の運転を停止すべきと判定し、エンジン１０の運転を停止する（ステップＳ７０）。この際、エンジンモードではモータ２０の運転も停止される（ステップＳ７０）。
【０１１６】
所定の値Ｇ１は、上述の通り、エンジン１０の運転を許可するか否かの判定基準となる値であり、０以上の任意の値に設定することができる。Ｇ１を値０に設定すれば、ガソリンを完全に消費するまでエンジンモードで走行することが可能となる。本実施例では、エンジンモードは運転者が任意に選択するモードである点を考慮し、Ｇ１の値を正の所定値とした。即ち、エンジンモードでは、実際にはエンジン１０の運転を継続可能な状態でその運転が禁止されることになる。運転者は、例えば自動モードを選択することにより、モータ２０とエンジン１０とを使い分けた走行を継続することが可能となる。
【０１１７】
ステップＳ２０においてエンジンモードが選択されていない場合、即ち自動モードまたはＦＣモードが選択されていると判断される場合には、ＣＰＵはそれぞれの運転モードに対応した状態で動力源の使い分けを実行する。ＣＰＵは燃料電池６０が使用可能な状態にあるか否かを判定するため、ＦＣ燃料の残量ＦＣＬが所定の値Ｆ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。所定の値Ｆ１の設定については後述する。残量がＦ１以上である場合には、燃料電池６０が使用可能であると判定し、モータ２０を動力源とする走行を行う（ステップＳ３５）。また、違和感のない運転を実現するため、ＥＶインジケータ２２３を点灯する。モータ２０を動力源とする旨を運転者ににこのとき、エンジン１０は停止される。（ステップＳ３５）。ここではエンジンの運転可否を特定するフラグをオフにする。実際には、別途用意されたエンジンの運転の制御処理で、その運転が停止される。
【０１１８】
モータ２０を駆動するために、ＣＰＵは、電源の切替スイッチ８４を制御して、燃料電池６０とモータ２０とを接続する。また、モータ２０の運転の可否を示すフラグをオンにするとともに、モータ２０の目標運転状態、即ち目標回転数と目標トルクとを特定する。本実施例では、モータ２０の運転自体は、別途用意されたルーチンで実行するものとしているため、ここでは、該ルーチンに受け渡すデータの設定を行うのである。目標回転数は、ステップＳ１０で入力された車速に変速機１００の変速比およびディファレンシャルギヤの変速比などを乗じることで特定される。目標トルクは、車速とアクセル開度とに応じて予め設定されたマップによって特定される。これらの目標運転状態が、別途用意された制御処理に受け渡されることにより、モータ２０は該目標運転状態で運転される。
【０１１９】
モータ２０を駆動する制御処理について説明する。図１３はモータ駆動制御ルーチンを示すフローチャートである。この処理が開始されると、ＣＰＵはモータ２０の駆動を許可する運転フラグがオンになっているか否かを判定する（ステップＳ１）。運転フラグがオンでない場合には、モータ２０を駆動すべきでないと判断して、何も処理を行うことなくモータ駆動制御ルーチンを終了する。
【０１２０】
モータ２０の運転フラグがオンになっている場合には、次に、モータ２０の目標運転状態、即ち目標回転数および目標トルクを入力する（ステップＳ２）。目標運転状態は、上述のＥＶ走行制御処理などの運転制御処理でそれぞれ設定されている。こうして入力された目標運転状態に基づき、ＣＰＵはモータ２０に印加すべき電圧Ｖｄ、Ｖｑを設定する（ステップＳ３）。Ｖｄ，Ｖｑとは、それぞれモータ２０のｄ軸電圧、ｑ軸電圧を意味する。本実施例では、同期モータの制御方法として周知の技術であるベクトル制御を適用する。ベクトル制御では、ロータの回転とともに回転するｄ軸およびｑ軸方向の電圧がモータ２０の出力トルクを制御する本質的なパラメータとして扱われる。これらの電圧は、目標回転数および目標トルクに応じて予め設定され、テーブルとして記憶されている。ＣＰＵはステップＳ２で入力された目標運転状態に基づき、このテーブルを参照して、印加電圧Ｖｄ，Ｖｑを設定するのである。
【０１２１】
こうしてｄ軸方向、ｑ軸方向の電圧を設定すると、ＣＰＵはそれらの電圧をモータ２０のＵ，Ｖ，Ｗ相の各コイルに印加すべき電圧に変換する（ステップＳ４）。かかる変換は、２相／３相変換と呼ばれる。ｄ軸方向およびｑ軸方向の電圧値に、ロータの回転位置に応じた周知のマトリックスを乗じることで変換することができる。こうして設定された各相の電圧に基づき、ＣＰＵはトランジスタをＰＷＭ制御する（ステップＳ５）。即ち、各相に接続されたそれぞれのトランジスタのオン・オフの割合を電圧に応じて調整する制御を行う。以上の処理により、ＣＰＵはモータ２０の運転を制御することができる。
【０１２２】
なお、燃料電池６０は要求された電力が出力されるまでに通常、一定の遅れ時間を要する。本実施例では、かかる立ち上がり遅れによる影響を抑制するために、バッテリ５０を補助的に使用する。即ち、要求された電力が十分出力されるまでの間、不足分の電力を補償するようにバッテリ５０から電力を供給し、燃料電池６０から所望の電力が出力されるようになった時点で完全に燃料電池６０を電源とする。かかる制御は、モータ２０をバッテリ５０および燃料電池６０の双方に接続された状態にし、各駆動回路５１，５２のスイッチングをそれぞれ制御して、各電源から供給される電圧を徐々に変更することにより実現可能である。もちろん、立ち上がり遅れが生じるか否かに関わらず、当初から燃料電池６０のみを電源としても構わない。
【０１２３】
ステップＳ３０において、ＦＣ燃料の残量ＦＣＬが所定の値Ｆ１よりも小さい場合には、燃料電池６０を使用すべきでないと判断する。ＣＰＵは、次に動力源切替スイッチ１６４の状態に基づいてＦＣモードが設定されているか否かを判定する（ステップＳ４０）。ＦＣモードは、燃料電池６０をエネルギ出力源として走行する運転モードである。自動モードは燃料電池６０とエンジン１０とを使い分けて走行する運転モードである。従って、ＦＣモードが選択されていない場合においてＦＣ燃料の残量が消費されている場合には、エンジン１０を動力源として走行する（ステップＳ６５）。エンジン１０を動力源として走行する場合には、ＥＶインジケータ２２３は消灯される。
【０１２４】
一方、ＦＣモードが選択されている場合には、エンジン１０の使用が原則として禁止される。ＣＰＵは次にイグニッションスイッチがオンになっているか否かを判定する（ステップＳ５０）。イグニッションスイッチがオンになっていない場合には、原則通り、エンジン１０の運転を禁止し、燃料電池６０の運転も停止する（ステップＳ５５）。ハイブリッド車両は、動力源を失い停車することになる。一方、イグニッションスイッチがオンになっている場合には、運転者からエンジン１０の始動要求があったものと判断され、換言すれば、ＦＣモードが解除されたものと判断され、エンジン１０を動力源として走行する（ステップＳ６５）。
【０１２５】
エンジン１０を動力源として走行する場合には（ステップＳ６５）、バッテリ５０の残容量ＳＯＣを増加する処理を同時に行う。本実施例ではバッテリ５０の残容量ＳＯＣが所定の下限値以上を維持するように制御されている。バッテリ５０の残容量がこの下限値に満たない場合には、エンジン１０の動力で補機駆動用モータ８０を発電機として駆動することによる充電や、燃料電池６０による充電を行う。ステップＳ６５でエンジン１０を動力源として走行する場合には、ＦＣ燃料が不足している可能性が高い。従って、電力の要求に即応できるようバッテリ５０の下限値を増大するのである。
【０１２６】
ここで、バッテリ５０の残容量ＳＯＣの設定について説明する。図１４はバッテリ５０の充電状態と回生電力の活用との関係を示す説明図である。ここでは、バッテリ５０の充電状態をＣＡＳＥ１〜ＣＡＳＥ３の３通りに変化させた場合の状態をそれぞれ示した。ＣＡＳＥ１は比較的高い充電状態値ＳＯＣ１にある場合に対応する。バッテリ５０には、図中のハッチングで示す電力が維持される。かかる状態でハイブリッド車両を回生制動した場合を考える。回生制動によって得られる電力（以下、回生電力と呼ぶ）は制動前後の車速や車両の重量に応じて変動するが、ここでは平均的な回生電力を図示した。バッテリ５０の下限値を高い値に設定したＣＡＳＥ１では、バッテリ５０の充電限界内で回生電力を全て充電することができなくなる。従って、ＣＡＳＥ１では回生電力の一部（図中の塗りつぶした部分）が廃棄される。この分、ハイブリッド車両は、車両の運動エネルギを活用できなくなるため、エネルギ効率が低下する。
【０１２７】
ＣＡＳＥ２は中程度の充電状態ＳＯＣ２にある場合に対応する。かかる状態では、回生電力を充電限界内でバッテリ５０に充電することができる。ＣＡＳＥ３は低い充電状態ＳＯＣ３にある場合に対応する。かかる状態でも、回生電力を十分にバッテリ５０に充電することができる。これらの設定であれば、ハイブリッド車両の運動エネルギを効率的に活用することが可能となる。このように回生電力を有効に活用する観点からは、バッテリ５０の充電量は低い値に維持しておくことが望ましい。
【０１２８】
一方、バッテリ５０の充電量は、要求される電力を十分出力することができる値以上に維持する必要がある。先に説明した通り、バッテリ５０の電力は、燃料電池６０の運転開始当初の立ち上がり遅れを補償するのに使用される。この場合は、比較的多くの電力を出力する必要がある。通常は、これらを考慮して、バッテリ５０の充電状態の下限値を、図中のＳＯＣ３に相当する値に設定されている。上記ステップＳ６５では、バッテリ５０の残容量の下限値を、例えば図中のＳＯＣ２に相当する値など、回生電力を充電可能な範囲で増大する。
【０１２９】
次に、上述の処理で用いられたＦ１（ステップＳ３０）の設定について説明する。所定の値Ｆ１は燃料電池６０を電源として使用するか否かの基準となる値である。所定の値Ｆ１については、値０以上の範囲で任意に設定可能である。値０に設定すれば、燃料が残っている限り、燃料電池６０を電源として使用することになる。ＥＶ走行のみを考慮すれば、値０として設定するのが運転効率および環境性の観点から好ましい。しかし、値０にした場合には、他の運転モードで燃料電池を使用する必要性が生じた場合に、ＥＶ走行で既に燃料が消費されており、燃料電池を使用し得ない可能性も生じる。
【０１３０】
本実施例では、他の運転モードを考慮して、正の所定値に設定した。即ち、ＥＶ走行制御処理では、燃料電池用の燃料を完全に消費することがないように設定した。本実施例のハイブリッド車両は、後述する通り、ＥＶ走行以外の運転モードにおいても、種々のモードで電源を必要とする。運転効率および環境性の観点から、ＥＶ走行よりも電源の必要性が高い運転モードも存在する。かかるモードで燃料電池を電源として確保しやすくするため、本実施例では、ＥＶ走行時には、燃料電池用の燃料の使用を抑制するものとした。換言すれば、所定の値Ｆ１以上の燃料が存在し、燃料に比較的余裕がある場合にのみ燃料電池を電源とすることにしているのである。なお、本実施例の処理では、ＦＣモードが選択されている場合と、自動モードが選択されている場合とで所定の値Ｆ１は共通としている。Ｆ１の値は、運転モードに応じて変更することも可能である。
【０１３１】
以上で説明したＥＶ走行制御処理によれば、ＭＧ領域において、通常は燃料電池６０を優先的に使用して走行することができる。従って、効率および環境性に優れた運転を実現することができる。また、上記実施例では、動力源切替スイッチ１６４の操作により、走行中に使用する動力源を運転者が任意に指定することができる。従って、運転者の意図に応じた作動状態を実現することができ、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。
【０１３２】
動力源の選択により利便性が向上する場面の具体例を示す。第１の例として、目的地において燃料電池６０を用いてコンセント９１を利用したい場合には、エンジンモードを選択することにより、目的地に到着するまでのＦＣ燃料の消費を抑制することができる。この結果、目的地で燃料電池６０をより有効に活用することができる。第２の例として、車両の応答性に対する要求に応じた使い分けをすることもできる。一般に燃料電池６０は出力の応答性が低い特性を有している。かかる場合にエンジンモードを選択すれば、高い応答性で車両を運転することができる。第３の例として、騒音の抑制に関する要求に応じた使い分けをすることもできる。一般にエンジン１０は作動音が大きいため、深夜の走行時など騒音を抑制する要求が高い場合には、ＦＣモードを選択することにより、静粛性を保った運転を実現することができる。このように動力源を運転者が任意に選択可能とすることにより、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。
【０１３３】
なお、上記制御処理では、ＦＣモードが選択されている場合において、ＦＣ燃料が少なくなると、イグニッションスイッチが操作されるまでハイブリッド車両は停車する場合を例示した（図１２のステップＳ５５参照）。運転者が予期しないまま、ＦＣ燃料の消費により停車すれば、運転者が故障と誤判断するなど、ハイブリッド車両の利便性を損ねる可能性もある。かかる誤判断を回避するため、上記制御処理においては、所定値Ｆ１付近にまでＦＣ燃料が低減した時点で、ＥＶインジケータ２２３を点滅させるなどして、運転者に報知する処理を含めることも望ましい。
【０１３４】
Ｄ．外部電源稼働制御処理：
図１５は外部電源稼働制御処理のフローチャートである。図１に示した通り、本実施例のハイブリッド車両は、電気機器を接続して利用するためのコンセント９１を備えている。外部電源稼働制御処理は、コンセント９１への電力の供給を制御する処理である。
【０１３５】
この処理が開始されると、ＣＰＵは各センサおよびスイッチからの信号を入力する（ステップＳ１１０）。図７で示した種々のセンサ等からの入力がなされるが、特に、マニュアル発電スイッチ１６５、シフトポジション、バッテリ残容量ＳＯＣ、ＦＣ燃料の残量ＦＣＬ、イグニッションスイッチのオン・オフが以後の処理に関与する。
【０１３６】
次に、ＣＰＵはマニュアル発電スイッチ１６５がオンになっているか否かを判定する（ステップＳＳ１１０）。マニュアル発電スイッチ１６５がオフになっている場合には、コンセント９１の使用が許可されない。従って、ＣＰＵは外部電源をオフにする処理、即ちコンセント９１への電力の供給を禁止する処理を行い、外部電源インジケータ２２４を消灯する（ステップＳ１４０）。外部電源のオフは、切替スイッチ９０を中立状態にすることで実現される。
【０１３７】
マニュアル発電スイッチ１６５がオンとなっている場合には、次にＣＰＵはシフトポジションがＰポジションであるか否かを判定する（ステップＳＳ１１５）。この判定は、必ずしも必要となるものではないが、本実施例では、コンセント９１の使用は停車中である可能性が高いという事情を考慮し、確認のためにかかる判定を行っている。Ｐポジションでない場合には、外部電源の使用は許可されない。従って、ＣＰＵは外部電源をオフにする処理を行い、外部電源インジケータ２２４を消灯する（ステップＳ１４０）。走行中にもコンセント９１を使用する必要性が高い場合には、ステップＳ１１５の判断処理を省略するものとしてもよい。
【０１３８】
一方、Ｐポジションであると判断された場合には、コンセント９１から電力を出力するための処理を行う。ハイブリッド車両はバッテリ５０と燃料電池６０という２種類の電源を備えている。さらに、エンジン１０により補機駆動用モータ８０を発電機として駆動することにより電源として使用することもできる。本実施例では、バッテリ５０、燃料電池６０、エンジン１０の優先順位で電源を使用するものとした。
【０１３９】
上記使い分けを実現するために、ＣＰＵはまず、バッテリ５０の残容量ＳＯＣが所定の値Ａ％以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。Ａ％以上のＳＯＣの場合には、バッテリ５０に余裕があるものと判断して、外部電源をオンにするとともに、外部電源インジケータ２２４を点灯する処理を行う（ステップＳ１２５）。この際、コンセント９１に電力を供給する電源はバッテリ５０であり、燃料電池６０およびエンジン１０はともに運転を停止している。
【０１４０】
所定の値Ａ％は、バッテリ５０の電力を使用するか否かの判断基準となる値であり、任意の値に設定可能である。本実施例では、既に説明した通り、燃料電池６０の立ち上がり遅れをバッテリ５０で補償するものとしている。このため、バッテリ５０には、かかる補償を実現可能な電力を残しておくことが望ましい。本実施例では、かかる観点から、所定の値Ａ％を図１４におけるＳＯＣ３に若干余裕を見込んだ値に設定した。もちろん、これ以外の値に設定するものとしても構わない。
【０１４１】
ステップＳ１２０において、残容量ＳＯＣがＡ％に満たない場合、ＣＰＵはＦＣ燃料の残容量ＦＣＬが所定の値Ｆ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。残容量ＦＣＬが値Ｆ２以上である場合には、燃料電池６０の発電能力に余裕があるものと判断して、外部電源をオンにするとともに、外部電源インジケータ２２４を点灯する処理を行う（ステップＳ１５０）。この際、コンセント９１に電力を供給する電源は燃料電池６０であり、エンジン１０はともに運転を停止している。
【０１４２】
所定の値Ｆ２は、燃料電池６０を使用するか否かの判断基準となる値であり、任意の値に設定可能である。ここで、コンセント９１は、ハイブリッド車両の利便性を向上するための装備であり、車両の本質的な機能に必須の装備ではない。かかる観点から、本実施例では、外部電源の使用は、燃料電池６０の発電能力に十分な余裕がある場合に制限している。従って、所定の値Ｆ２は、正の所定値に設定した。また、先に説明したＥＶ走行制御処理（図１２）における必要性も考慮し、値Ｆ２はＥＶ走行制御処理で用いられる所定の値Ｆ１よりも大きい値に設定した。もちろん、値Ｆ２はかかる設定に限定されるものではないことは言うまでもない。
【０１４３】
ステップＳ１３０において残容量ＦＣＬが所定の値Ｆ２に満たない場合は、原則として外部電源の使用が禁止される。つまり、エンジン１０を動力源とするコンセント９１への電力の供給は、運転者により別途指示された場合にのみ実行する。かかる判断を行うため、ＣＰＵはイグニッションスイッチがオンになっているか否かを判定する（ステップＳ１３５）。イグニッションスイッチがオンになっていない場合には、原則通り、外部電源の使用を禁止し、外部電源インジケータ２２４を消灯する（ステップＳ１４０）。一方、イグニッションスイッチがオンになっている場合には、運転者からエンジン１０を動力源とする電源供給が指示されたものと判断され、外部電源をオンにするとともに、外部電源インジケータ２２４を点灯する処理を行う（ステップＳ１４５）。この際、コンセント９１に電力の供給るエンジン１０の動力で補機駆動用モータ８０を発電機として駆動することにより行われる。燃料電池６０は運転を停止する。
【０１４４】
以上で説明した外部電源稼働制御処理ルーチンによれば、コンセント９１から電力を出力することができ、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。この際、可逆的な電源であるバッテリ５０を優先的に使用することにより、車両の本質的機能である走行に影響を与えることなく電力を出力することができる。バッテリ５０および燃料電池６０を電源として使用し、原則としてエンジン１０を動力源とする電力の供給を禁止することにより、燃費および環境性を損ねることなくコンセント９１からの電力を活用することができる。また、エンジン１０の運転を禁止することにより、コンセント９１を使用する際の静粛性も確保することができる。
【０１４５】
上記制御処理では、イグニッションスイッチをオンにすることで、エンジン１０を用いた電力の供給を行うことができる。従って、コンセント９１を利用する必要性が高い場合には、運転者の意志により電力の供給を確保することができ、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。
【０１４６】
Ｅ．第１の変形例：
以上で説明した第１実施例のハイブリッド車両によれば、燃料電池６０をエンジン１０よりも優先的に使用することにより、車両の作動時の運転効率および環境性を向上することができる。また、運転者がマニュアルで運転モードを選択したり、コンセント９１の作動状態を指定したりすることができるため、運転者の意図に応じた作動状態を実現することができ、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。さらに、エンジン１０を使用するのが適さない運転モードにおいては、原則としてエンジン１０の運転を禁止するため、エンジン１０の運転に伴う燃費および環境性の低下を回避することができる。また、かかる場合においても、イグニッションスイッチの操作によってエンジン１０の運転を許可することにより、運転者の意図に応じた作動状態を実現でき、ハイブリッド車両の利便性を向上することができる。
【０１４７】
上記実施例のハイブリッド車両および制御処理においては、種々の変形例を構成することができる。ＥＶ走行制御処理における変形例について第１の変形例として説明する。図１６は第１の変形例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。ここでは、第１実施例と相違する部分のみを図示した。第１実施例では、ＦＣ燃料の残量ＦＣＬが所定の値Ｆ１以上であるか否かによって燃料電池６０を使用するか否かを判定した（図１２のステップＳ３０）。この際、所定の値Ｆ１は一定値であるものとした。これに対し、第１の変形例では残容量ＦＣＬが所定の値ＦＧＳＬ以上であるか否かによって燃料電池６０の使用の可否を変更する点で相違する。所定の値ＦＧＳＬはガソリンの残量ＧＳＬに応じて変化する値である。
【０１４８】
図１７はガソリンの残量ＧＳＬと所定の値ＦＧＳＬとの関係を示す説明図である。図示する通り、ガソリンの残量ＧＳＬが多くなるにつれて所定の値ＦＧＳＬが多くなる。これは、ガソリンの残量ＧＳＬが多い程、早期に燃料電池６０の使用が抑制されることを意味する。ガソリンの残量ＧＳＬが多い場合には、ハイブリッド車両が走行する時間が長い可能性が高い。従って、燃料電池６０を使用すべき機会も多くなる可能性が高い。図１７に示した設定とすれば、ガソリンの残量ＧＳＬが多くなる程、ＦＣ燃料の使用が抑制されるから、燃料電池６０の発電能力が長時間に亘って確保されるようになる。この結果、燃料電池６０をより有効性の高い場面で活用することができる。なお、図１７ではガソリンの残量ＧＳＬに応じて値ＦＧＳＬを直線的に変化させた場合を例示した。値ＦＧＳＬはかかる設定のみならず、曲線的に変化させるものとしてもよいし、段階的に変化させるものとしてもよい。
【０１４９】
Ｆ．第２の変形例：
第１実施例および第１の変形例では、ＦＣ燃料の残量に基づいて燃料電池６０の発電能力を評価して、その使用を抑制する場合を例示した。燃料電池６０の発電能力は、その他のパラメータで評価することも可能である。燃料電池６０の発電能力を温度で評価した場合の制御処理を第２の変形例として説明する。
【０１５０】
図１８は第２の変形例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。第１実施例等と同様、この処理が開始されると、ＣＰＵは車両の運転状態を入力する（ステップＳ２１０）。ここでは、燃料電池６０の温度、車速、アクセル開度、シフトポジション、バッテリ残容量ＳＯＣ、が以後の処理に関与する。
【０１５１】
ＣＰＵは次に燃料電池６０の温度が所定の値ＴＦＣ１以上であるか否かを判定する（Ｓ２３０）。燃料電池６０の温度が非常に高い場合には、発電を継続すると過熱状態になり、燃料電池６０の寿命を著しく縮める等の弊害を招く可能性がある。上記温度ＴＦＣ１は、燃料電池６０が過熱状態になる可能性を判断する基準となる値であり、燃料電池ごとに適切な温度を設定することができる。
【０１５２】
ステップＳ２３０において、燃料電池６０の温度が所定の値ＴＦＣ１に満たない場合には、燃料電池６０の使用を継続することができると判断し、ＣＰＵは燃料電池６０を電源としてモータ２０を駆動する処理を実行する（ステップＳ２４０）。これに対し、燃料電池６０の温度が所定の値ＴＦＣ１以上である場合には、燃料電池６０の使用を抑制すべきと判断し、他の動力源を使う処理に移行する。ここで、第１実施例および第１変形例では、ＥＶ走行時にはバッテリ５０を使用しない場合を例示した。第２変形例では、バッテリ５０を使用する場合を示す。
【０１５３】
バッテリ５０の使用可能性を判断するため、ＣＰＵは残容量ＳＯＣが所定の値ＬＯ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。値ＬＯは任意の値に設定可能であるが、ここでは正の所定値に設定した。第２変形例の場合、温度で燃料電池６０の発電能力を評価しているため、しばらく使用を抑制し、温度が低下すれば、再び燃料電池６０を使用する可能性が生じる。かかる場合には、燃料電池６０の立ち上がり遅れをバッテリ５０の電力で補償する必要が生じる。所定の値ＬＯは、かかる場合の電力を確保できる範囲で設定した。つまり、先に示した図１４中の値ＳＯＣ３以上の範囲で設定した。
【０１５４】
バッテリ５０の残容量ＳＯＣが値ＬＯ以上である場合には、バッテリ５０に余裕があるものと判断し、バッテリ５０を電源としてモータ２０を駆動する（ステップＳ２６０）。残容量ＳＯＣが値ＬＯに満たない場合には、バッテリ５０を使用すべきでないと判断し、エンジン１０を動力源として使用する（ステップＳ２７０）。
【０１５５】
図１９は第２の変形例における燃料電池の温度等の変化を示す説明図である。図１８に示した制御処理が実行された場合について、燃料電池の温度（ＦＣ温度）、燃料電池の出力（ＦＣ出力）、エンジン１０の出力、およびモータ２０の出力の時間的変化を示した。当初、燃料電池６０を電源とするＥＶ走行がなされていたものとする。図示する通り、ＦＣ出力およびモータ２０の出力は正の所定値を採り、エンジン１０の出力は０となる。また、時間の経過とともにＦＣ温度は上昇する。
【０１５６】
図示する通り、時刻ａ１においてＦＣ温度が所定の値ＴＦＣ１を超えたものとする。先に示した制御処理に基づき、燃料電池６０の出力が抑制され、図示する通り、時刻ａ２で出力は０となる。ここではバッテリ５０の残容量ＳＯＣが十分でなかったものとする。かかる場合には、燃料電池６０の出力の低下とともにエンジン１０を動力源とする走行が行われる。従って、図示する通り、時刻ａ１〜ａ２の区間において、モータ２０の出力が低下するとともに、エンジン１０の出力が増大する。こうして燃料電池６０の温度が値ＴＦＣ１よりも低くなるまでエンジン１０を動力源とする走行が継続される。
【０１５７】
燃料電池６０の使用が停止された結果、時刻ａ５において燃料電池６０の温度が再びＴＦＣ１よりも低くなったものとする。この結果、燃料電池６０の運転が再開され、その出力は時刻ａ５〜ａ６の区間に示す通り上昇する。また、これに伴い、エンジン１０の出力が低下し、モータ２０の出力が増大する。かかる制御処理により燃料電池６０は、温度が値ＴＦＣ１を大きく超えない範囲で運転される。なお、第２変形例において、燃料電池６０の温度がＴＦＣ１近傍である場合に運転と停止が頻繁に切り替わることを回避するために、ステップＳ２３０においては適当なヒステリシスを設けておくことが望ましい。
【０１５８】
以上で説明した第２変形例の制御処理によれば、燃料電池６０の温度に基づいて発電能力を評価し、過熱状態を招かない範囲で燃料電池６０を使用することができる。従って、第２変形例の制御処理によれば、過熱状態に起因する燃料電池６０の寿命低下を回避することができる。また、所定の温度ＴＦＣ１以上になった時点で燃料電池６０の使用が抑制されるため、燃料電池６０の冷却系統は温度ＴＦＣ１までの範囲で適切な冷却を行う構成とすれば済む。この結果、燃料電池６０の全ての作動状態において適切な冷却を確保する必要がなくなり、冷却系統の小型化を図ることができる。
【０１５９】
なお、第２変形例では、バッテリ５０を走行に使用する。第２変形例の場合、バッテリ５０は、燃料電池６０の温度が低下するまでの一時的な使用でよい。従って、補助的な使用を目的としたバッテリ５０でもこの用途に活用することができる。このようにバッテリ５０を用いることにより、エンジン１０の運転を抑制することができ、ハイブリッド車両の運転効率、環境性の低下を回避することができる。もちろん、第２変形例の制御処理は一例に過ぎず、バッテリ５０を用いない処理を行うものとしても構わない。この処理は、図１８のステップＳ２５０の条件を必ず満たさないものと判断した場合の処理に相当する。
【０１６０】
第２変形例では、燃料電池６０の温度が所定以上の場合には、完全にその使用を停止し、電源をバッテリ５０に切り替える場合を例示した。これに対し、温度の上昇を抑制できる程度に燃料電池６０の出力を低減しつつ、低減した分の電力をバッテリ５０で補償するものとしてもよい。
【０１６１】
また、以上で説明した実施例および変形例において、エンジン１０を動力源とする場合には、種々の態様でその運転を制御することができる。例えば、エンジン１０のみを動力源とする通常の車両と同様、停車中もエンジン１０をアイドル運転するものとしてもよい。また、別の態様として、停車中はエンジン１０の運転を停止するものとしてもよい。但し、この場合、停車中でも空調装置やパワーステアリング、燃料電池６０の冷却系統を駆動するポンプ９３などの補機は駆動する必要がある。従って、停車中にはエンジン１０の運転を停止しつつ、バッテリ５０を電源として補機駆動用モータ８０を駆動するものとしてもよい。かかる制御を行う場合には、さらに残容量ＳＯＣに応じて、バッテリ５０による補機の駆動と、エンジン１０による補機の駆動とを使い分けることもできる。
【０１６２】
Ｇ．第３の変形例：
以上で説明した実施例および変形例では、図８〜図１１に示すマップに従って、所定の走行領域でのみモータ２０を使用する場合を例示した。これに対し、全ての走行領域でエンジン１０とモータ２０とを使用することもできる。かかる場合の制御処理を第３の変形例として説明する。図２０は第３の変形例における出力配分について示す説明図である。駆動軸１５に出力されるトルクは変速機１００の変速段によって変動するため、ここでは、変速機１００の入力軸１４のトルクとアクセル開度との関係を示した。図示する通り、第３変形例では、アクセル開度の全範囲においてモータ２０とエンジン１０とを動力源として使用する。アクセル開度に応じて設定された総出力をエンジン１０とモータ２０とで配分して出力するのである。
【０１６３】
ここで第３変形例では、燃料電池６０の発電能力に応じてモータ２０とエンジン１０との出力の配分を変更する。通常は、図２０に示す曲線Ｃ１で示す配分が適用される。曲線Ｃ１より下方の範囲がエンジン１０の出力トルクに相当し、総出力（図中の実線）と曲線Ｃ１の間の範囲がモータ２０の出力トルクに相当する。これに対し、燃料電池６０の発電能力が低下した場合には、モータ２０の出力トルクを低下させる。つまり、出力配分を図中の曲線Ｃ２に切り替える。図示する通り、通常時よりもモータ２０の出力を低下し、その分をエンジン１０の出力配分を増大することで補償する。かかる制御を実現する処理内容について以下に説明する。
【０１６４】
図２１は第３の変形例における走行制御処理ルーチンのフローチャートである。この処理が開始されるとＣＰＵは車両の運転状態を入力する（ステップＳ３０５）。ここでは、車速、アクセル開度、シフトポジション、ＦＣ燃料の残量、バッテリ５０の残容量ＳＯＣ、燃料電池６０から出力されている電力などが関与する。
【０１６５】
次に、ＣＰＵは燃料電池６０が劣化しているか否かを判定する（ステップＳ３１０）。この判定は、燃料電池６０への要求電力と、現実に出力されている電力との偏差に基づいて行われる。現実に出力されている電力が要求電力に満たない方向に所定以上の偏差が現れている場合には、燃料電池６０が劣化しているものと判断される。燃料電池６０は既に説明した通り、立ち上がり遅れが生じることが知られているから、誤判断を回避するため、かかる判断は燃料電池６０の温度が十分に上昇してから行われる。
【０１６６】
燃料電池６０が劣化していないと判断された場合には、燃料電池６０の電力でモータ２０を駆動し、アクセル開度に応じたトルクを出力する（ステップＳ３４５）。フローチャートでは図示を省略したが、図２０の曲線Ｃ１で設定された運転状態に相当し、ステップＳ３４５では、燃料電池６０とともにエンジン１０も図２０の曲線Ｃ１で設定される所定のトルクを出力するように運転される。
【０１６７】
ステップＳ３１０において、燃料電池６０が劣化していると判断された場合には、劣化に伴う出力低下を補償するための処理に移行する。ＣＰＵはまずバッテリ５０の残容量ＳＯＣが所定の値ＬＯＳ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１５）。残容量ＳＯＣがＬＯＳ以上である場合には、バッテリ５０に余裕があると判断され、バッテリ５０の電力を用いてモータ２０を駆動する（ステップＳ３２０）。この場合は、図２０に示した曲線Ｃ１の配分のままモータ２０を駆動する。上述の値ＬＯＳは、モータ２０からかかるトルクを出力可能な電力を確保可能な範囲で設定することができる。
【０１６８】
残容量ＳＯＣが所定の値ＬＯＳよりも低い場合には、次にＦＣ燃料の残量ＦＣＬが所定の値Ｆ４以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２５）。即ち、劣化しているものの燃料電池６０の運転を継続することが可能であるか否かを判定するのである。所定の値Ｆ４はかかる判定の基準となる値であり、既に説明した実施例等と同様、他の運転モードも考慮して適切な値を設定することができる。
【０１６９】
残量ＦＣＬが所定の値Ｆ４に満たない場合には、燃料電池６０の運転を継続することができないため、エンジン１０を動力源とする運転に切り替え、燃料電池６０の運転を停止する（ステップＳ３５０）。この場合は、アクセル開度に応じて出力の全てをエンジン１０から出力する。但し、図２０に示した総出力に相当するトルクを十分出力することはできないため、エンジン１０が出力可能な範囲のトルクを出力する。
【０１７０】
一方、残量ＦＣＬがＦ４以上である場合には、燃料電池６０の出力とエンジン１０との出力配分を変更しつつ、両者の運転を継続する。つまり、ＣＰＵは燃料電池６０を電源とするモータ２０の運転を継続する（ステップＳ３３０）。この場合、モータ２０の出力は、図２０中の曲線Ｃ２で設定された範囲に抑制される。一方、モータ２０の出力が抑制された分、エンジン１０の出力を増大する（ステップＳ３３５）。図２０中の曲線Ｃ２で設定されたトルクを出力する。なお、これと同時に変速機１００の変速段を制御し、変速比を大きくする（ステップＳ３４０）。図２０では説明の便宜上、モータ２０とエンジン１０の出力配分を曲線Ｃ２に変更することにより、通常と同じ総出力を維持できる状態を示した。実際には、通常時の出力はモータ２０およびエンジン１０のトルクを十分に活用できる範囲で設定されているため、燃料電池６０の劣化が生じた場合には、出力配分を変更しても総出力を維持できない場合がある。かかる場合には、変速比を大きくすることにより駆動軸１５に出力されるトルクを通常時と同等に維持することができる。ステップＳ３４０では、かかる目的で変速比を大きい側に切り替えるのである。
【０１７１】
以上で説明した第３の変形例における制御処理によれば、燃料電池６０の発電能力が低下した場合でも、エンジン１０とモータ２０との出力配分を変更することにより、通常時と同等の出力を維持することができる。また、変速機１００の変速段を制御することにより、駆動軸１５の出力トルクを同等に維持することができる。この結果、上記制御処理によれば、燃料電池６０の劣化が生じた場合でも違和感のない運転を実現することができる。
【０１７２】
なお、第３の変形例では、エンジン１０とモータ２０の出力配分の変更と変速段の制御とを併せて行う場合を例示した。両者の制御はいずれか一方のみを行うものとしても構わない。また、第３の変形例では、全走行領域でモータ２０とエンジン１０とを併用する場合を例示した。これに対し、アクセル開度が所定値以上になった場合にのみモータ２０とエンジン１０とを併用する場合に適用することもできる。
【０１７３】
Ｈ．第２実施例：
次に第２実施例について説明する。図２２は第２実施例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。第２実施例では、冷却系統の構成が第１実施例と相違する。第１実施例では、燃料電池６０の冷却系統とエンジン１０の冷却系統とは個別に構成されていた。第２実施例では、両者は共通の冷却系統として構成されている。即ち、第２実施例では、冷却水を搬送する冷媒路９４’は燃料電池６０およびエンジン１０の双方を通過するように構成されている。冷却水はポンプ９３によって冷媒路９４’を通過し、ラジエータ９２で放熱することで燃料電池６０およびエンジン１０の冷却を行う。
【０１７４】
第２実施例のハイブリッド車両における走行の制御処理は、第１実施例と同様である。第２実施例では、冷却系統の構成の相違に起因して、エンジン１０の暖機を行う処理に特徴がある。以下、この処理について説明する。
【０１７５】
図２３は第２実施例におけるエンジン暖機処理ルーチンのフローチャートである。第１実施例と同様、制御ユニット７０のＣＰＵが繰り返し実行する処理である。この処理が開始されると、ＣＰＵは車両の運転状態を入力する（ステップＳ４０５）。車速、アクセル開度、シフトポジション、エンジン水温、ＦＣ燃料の残量などが以下の処理に関与する。
【０１７６】
次に、ＣＰＵはアクセル開度および車速に基づき、車両の走行状態が図８〜図１１に示したＭＧ領域に該当するか否かを判定する（ステップＳ４１０）。この領域に該当しない場合には、エンジン１０の暖機が済んでいるか否かに関わらずエンジン１０を動力源として走行する（ステップＳ４４０）。
【０１７７】
一方、ＭＧ領域に該当すると判断された場合には、次にエンジン１０の暖機が必要であるか否かを判定する（ステップＳ４１５）。この判断は、エンジン水温が所定以上であるか否かに基づいて行われる。エンジン１０の暖機が必要でない場合には、ＭＧ領域における通常の運転状態に従い、モータ２０を燃料電池６０で駆動して走行する（ステップＳ４２０）。
【０１７８】
エンジン１０の暖機が必要であると判断された場合には、次にエンジン走行の可能性があるか否かを判定する（ステップＳ４２５）。この判定方法は、種々の態様が挙げられるため、後述する。エンジン走行の可能性がないと判定された場合には、無用なエンジン１０の暖機を避け、ＭＧ領域における通常の運転状態、即ちモータ２０を燃料電池６０で駆動して走行する（ステップＳ４２０）。
【０１７９】
エンジン走行の可能性があると判定された場合には、ＭＧ領域における通常の運転状態としてモータ２０を燃料電池６０で駆動しつつ（ステップＳ４３０）、併せてエンジン１０の暖機運転を行う（ステップＳ４３５）。エンジン１０の暖機運転とは、エンジン１０をいわゆるアイドル回転数で運転することをいう。第２実施例では、暖機運転を行う際には、エンジン１０とモータ２０との間に設けられた入力クラッチ１８を解放する。こうすることにより、エンジン１０の動力が駆動軸１５の出力に影響を与えることを回避できる。また、暖機中は通常、エンジン１０の運転効率および排気浄化性が非常に低い。入力クラッチ１８を係合したままエンジン１０を暖機運転すると、車両の走行状態によってはエンジン１０の回転数がアイドル回転数よりも高くなる可能性がある。暖機中にエンジン１０の回転数を増大させれば、ハイブリッド車両の運転効率等の低下を招く。入力クラッチ１８を解放して暖機運転を行うことにより、かかる弊害を回避することができる。
【０１８０】
ここで、エンジン走行の可能性の判断方法について説明する。この判断は、種々の方法で行うことができる。例えば、ＭＧ領域内における車速の変化に基づいて、エンジン領域での走行が行われるか否かを判断するものとしてもよい。また、ＦＣ燃料の残量に基づいて判断することもできる。第２実施例のハイブリッド車両は、燃料電池６０とエンジン１０の冷却系統が共通の系統として構成されている。このことは燃料電池６０で発生した熱が冷却水を媒介としてエンジン１０に搬送されることを意味する。つまり、燃料電池６０の運転時に発生する熱によってエンジン１０の暖機運転を行うことができることを意味する。
【０１８１】
図２４はエンジン温度と暖機までに要するＦＣ燃料との関係を示す説明図である。図中の温度ＴＨはエンジン１０の暖機が完了したと判断される温度である。エンジン温度が低い程、温度ＴＨに到達するまでに長時間を要する。燃料電池６０の熱によって暖機を行う場合には、その間に消費するＦＣ燃料が増大する。従って、エンジン温度が低くなる程、暖機に必要なＦＣ燃料が増大する図２４の関係が得られる。なお、ここでは両者の関係を直線で示したが、冷却系統、エンジン１０の熱容量などに応じて両者の関係は変化する。
【０１８２】
ＦＣ燃料の残容量が、図２４の関係に基づいて定まる所定量よりも多い場合には、燃料電池６０の運転を継続することによりエンジン１０の暖機を完了することができる。ＦＣ燃料の残容量が上記所定量よりも少ない場合には、燃料電池６０の運転のみではエンジン１０の暖機を完了することができない。第１実施例で示したＥＶ走行制御処理（図１２）によれば、エンジン１０の暖機を完了する前にＦＣ燃料の残量が低下し、モータ２０からエンジン１０への動力源の切り替えが行われることになる。かかる意味で、ＦＣ燃料の残容量が上記所定量よりも少ない場合には、ＭＧ領域での走行が継続される場合であっても、エンジン１０の運転が開始される可能性があると判断される。
【０１８３】
また、別の態様として、予め走行経路が既知の場合には、該走行経路に基づいてエンジン１０の運転の可能性を判断することもできる。近年では、いわゆるナビゲーションシステム、即ち予め設定された車両の走行経路を表示するシステムなどが提案されている。かかるシステムを搭載している車両の場合には、その入力から、制御ユニット７０が将来の走行予定経路を知ることができ、高速道路など明らかにエンジン領域で走行する区間が存在するか否かを判断することができる。上記ステップＳ４２５では、かかる情報に基づいて、エンジン走行の可能性を判断することもできる。なお、エンジン走行の可能性判断においては、これら種々の態様のいずれかを適用するものとしてもよいし、複数を適用し、総合的に判断するものとしてもよい。
【０１８４】
以上で説明した第２実施例のハイブリッド車両によれば、駆動軸１５から出力する動力とは独立にエンジン１０を暖機運転することができる。従って、ハイブリッド車両の運転効率、環境性の極端な低下を招くことなくエンジン１０の暖機を行うことができる。また、エンジン１０の運転の可能性があると判断された場合に暖機を行うため、無用な暖機を回避することができ、運転効率の低下を回避することができる。さらに、燃料電池６０で発生する熱を利用してエンジン１０の暖機を行うことができるため、エネルギ効率を高めることができる。なお、上述の第２実施例では、燃料電池６０とエンジン１０の冷却系統を共通化した構成を例示したが、燃料電池６０の熱を利用した暖機を考慮しない場合には、両者の冷却系統を個別に設けた構成（第１実施例の構成）に適用することも可能である。
【０１８５】
Ｉ．第２実施例における変形例：
第２実施例においても変形例を構成することができる。図２５は第２実施例における変形例としてのエンジン暖機処理ルーチンのフローチャートである。ここでは第２実施例における処理（図２３）と相違する部分のみを示した。
【０１８６】
第２実施例では、エンジン１０の運転可能性があると判断された場合には（図２３のステップＳ４２５）、エンジンの暖機を行うものとした。変形例では、エンジン１０の運転の可能性を、図２４に示したＦＣ燃料に基づいて判断する。即ち、変形例では、図２３のステップＳ４２５に代えて、ＦＣ燃料がエンジン１０の暖機までに必要な量以上あるか否かを判定する（ステップＳ４２５’）。ＦＣ燃料が十分残っていないと判断された場合には、燃料電池６０の運転だけではエンジン１０の暖機を完了することができないことを意味するから、エンジン１０の暖機処理を実行する（ステップＳ４２７）。
【０１８７】
これに対し、ＦＣ燃料が十分残っていると判断された場合には、燃料電池６０の運転によるエンジン１０の暖機を行う。この際、エンジン１０の暖機を速やかに完了するため、ＣＰＵは燃料電池６０の出力を増大する（ステップＳ４３０’）。燃料電池６０の出力は、基本的にはモータ２０の駆動に使用され、余剰の電力はバッテリ５０に充電される。また、これと同時にエンジン１０とモータ２０との間に設けられた入力クラッチ１８を係合する（ステップＳ４３２）。入力クラッチ１８を係合することにより、モータ２０の動力でエンジン１０をモータリングすることができる。従って、エンジン１０のピストンとシリンダ間で摩擦熱が生じ、またシリンダ内の空気の圧縮などに起因する熱が生じる。かかる発熱もエンジン１０の暖機に寄与する。
【０１８８】
変形例のエンジン暖機処理によれば、ＦＣ燃料が十分残っている場合に燃料電池６０の出力を増大することにより、エンジン１０の暖機を速やかに行うことができる。従って、暖機による燃料消費を回避することができ、ハイブリッド車両の運転効率および環境性を向上することができる。燃料電池６０から余剰に出力された電力は一旦バッテリ５０に蓄えられ、必要に応じて使用されるため、運転効率の極端な低下を招くことはない。なお、変形例ではエンジン１０の暖機処理を完了するまでに必要となる量だけＦＣ燃料が残っているか否かの判断を行う場合を例示した（ステップＳ４２５’）。必ずしもかかる判断を行う必要はなく、ＦＣ燃料が残っている範囲で、燃料電池６０によるエンジン１０の暖機を行うものとしてもよい。即ち、ステップＳ４２５’の判断を省略し、常にステップＳ４３０’、Ｓ４３２の処理を実行するものとしてもよい。また、入力クラッチの係合を省略するものとしても構わない。
【０１８９】
Ｊ．第３実施例：
次に、第３実施例としてのハイブリッド車両について説明する。第３実施例のハイブリッド車両は、基本的なハードウェア構成は第１実施例と同じであるが（図１〜図７参照）、選択可能な運転モードの種類が第１実施例と相違する。第１実施例では、図５に示す通り、動力源切替スイッチ１６４により、エンジンモード、ＦＣモード、自動モードの３種類の運転モードを選択可能であった。これに対し、第３実施例では、「エンジン単独モード」、「ＦＣ単独モード」、「併用モード」の３種類を選択可能である。これらの運転モードは、図５に示した動力源切替スイッチ１６４と同様のスイッチにより選択することができる。
【０１９０】
「エンジン単独モード」とは、エンジン１０のみを動力源として走行する運転モード、「ＦＣ単独モード」は、燃料電池６０によりモータ２０を駆動して走行する運転モードを意味する。「併用モード」は車両の走行状態に応じてエンジン１０とモータ２０とを切り替えて使用する運転モードである。両者の切り替えは、第１実施例と同様、図８〜図１１に例示したマップに従って行われる。
【０１９１】
第１実施例における「エンジンモード」「ＦＣモード」は車両の走行状態が図８〜図１１中のＭＧ領域にある場合に、動力源の使い分けを行うための運転モードであった。これに対し、第３実施例の「エンジン単独モード」、「ＦＣ単独モード」はハイブリッド車両の運転領域全体を対象としている点で相違する。つまり、「エンジン単独モード」が選択されている場合には、ＭＧ領域内であってもモータ２０は走行に使用されず、「ＦＣ単独モード」の場合には、ＭＧ領域外であってもエンジン１０の運転に切り替わらない。従って、「ＦＣ単独モード」では、高速走行時に出力されるトルクが併用モードに比べて低くなる。本実施例では、このように運転モードによって運転感覚に相違があることを許容している。運転モードごとに運転感覚が変ることを認識した上で、運転者は運転モードを選択すると考えられ、ハイブリッド車両の運転に大きな支障はないと考えられるからである。かかる観点から、エンジン１０は高速での走行状態を重視して排気量などが設定されており、「エンジン単独モード」が選択された場合、低速の領域では「ＦＣ単独モード」よりもトルクが小さくなる。このように設定することで、エンジン１０の出力トルクを不必要に高くする必要がなく、エンジン１０を小型化できる利点がある。
【０１９２】
第３実施例では、上述の３つの運転モードの使い分けにおいて、より燃費および環境性を重視した制御を行う点に特徴がある。ＦＣ単独モードが選択されている場合には、エンジン１０を使用する可能性は非常に低いため、燃料電池６０が使用可能な状態にある限り、エンジン１０の暖機をも禁止するのである。こうすることによって、エンジン１０の暖機に要する無駄な燃料消費を抑制することができ、燃費および環境性が向上するのである。かかる制御の内容について説明する。
【０１９３】
図２６は第３実施例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。第１実施例と同様、制御ユニット７０のＣＰＵが実行する処理である。この処理が開始されると、ＣＰＵは車両の運転状態を入力する（ステップＳ４１０）。図７で示した種々のセンサからの入力がなされるが、特に、シフトポジション、車速、アクセル開度、ガソリン残量ＧＳＬ、バッテリ残容量ＳＯＣ、燃料電池用の残燃料量ＦＣＬ、イグニッションスイッチの状態、動力源切替スイッチ１６４の状態などが以後の処理に関与する。
【０１９４】
次に、ＣＰＵはエンジン１０のみを動力源とする条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳ４２０）。この条件とは、燃料電池６０が使用が禁止されるべき状態にあること、即ちＦＣ燃料の残量ＦＣＬが所定の値Ｆ１に満たない状態にあること、またはエンジン単独モードが選択されていることである。これらの条件の少なくとも一方が満たされている場合には、エンジン１０を動力源として走行することになる。所定の値Ｆ１は第１実施例と同様、正の一定値に設定されている。この場合、ＣＰＵはエンジン１０を動力源として選択するとともに、必要に応じてエンジン１０を暖機する制御を実行する（ステップＳ４３０）。
【０１９５】
ステップＳ４３０における処理内容には、種々の態様が考えられる。例えば、エンジン１０の暖機が完了しているか否かに関わらず、エンジン１０のみを使用して走行するものとしてもよい。かかる場合には、暖機処理は改めて実行する必要はない。これに対し、エンジン１０の暖機を完了してから、動力源として使用するものとしてもよい。かかる場合は、暖機が完了していない間は、エンジン１０をアイドル運転して暖機する一方、一時的に燃料電池６０とモータ２０を用いて走行することができる。さらに、エンジン単独モードが選択されている場合には前者の態様で運転を行い、その他のモードが選択されている場合には後者の態様で運転を行うものとしてもよい。ステップＳ４３０の処理は、これらの態様のいずれかを選択して設定しておくものとする。
【０１９６】
ステップＳ４２０における条件をいずれも満たさない場合には、燃料電池６０をも用いて走行すべき運転状態にあるものと判断される。次に、ＣＰＵは運転モードがＦＣ単独モードであるか否かを判定し（ステップＳ４４０）、その結果に応じて動力源を選択する。ＦＣ単独モードが選択されている場合には、燃料電池６０を電源としてモータ２０を駆動して走行する（ステップＳ４５０）。この運転モードが選択されている場合には、燃料電池６０が使用可能な状態にある限り、エンジン１０が動力源として使用されることはない。従って、ＣＰＵはエンジン１０の運転のみならず、暖機をも禁止する（ステップＳ４５０）。エンジンの運転可否を特定するフラグをオフにすることで、別途用意されたエンジンの運転の制御処理で、その一切の運転が停止される。
【０１９７】
なお、上記ステップＳ４４０とＳ４５０の間に、燃料電池６０が故障などによって使用不能な状態になっていないかどうかを判断する処理を設け、燃料電池６０が使用可能な場合にのみ上記ステップＳ４５０の処理を実行し、使用不能な場合には、エンジン１０の暖機を許可するものとしてもよい。一例として、燃料電池６０が使用不能と判断された場合には、エンジン１０を動力源として走行するステップＳ４３０の処理を実行するものとしてもよい。
【０１９８】
一方、ステップＳ４４０において、併用モードが選択されている場合には、車両の走行状態に応じてエンジン１０とモータ２０とを使い分けて走行する（ステップＳ４６０）。図８〜図１１に示したＭＧ領域にある間はエンジン１０は使用されないが、併用モードでは車両の運転状態によって動力源をエンジン１０に速やかに切り替える必要があるため、ＭＧ領域にある間もエンジンの暖機処理を実行する（ステップＳ４６０）。
【０１９９】
以上で説明した第３実施例のハイブリッド車両によれば、原則的にエンジン１０を使用しない「ＦＣ単独モード」を設け、この場合にエンジンの暖機をも禁止することにより、ハイブリッド車両の燃費および環境性を大きく向上することができる。かかる運転モードでは、ＦＣ燃料の消費などによって燃料電池６０が使用できなくなった場合や運転者が他の運転モードを選択した場合に、動力源をエンジン１０に切り替える際、暖機が必要となり応答性が低下するなどの不利益が生じる可能性があるが、運転者はかかる特徴を了解した上で運転モードの選択を行うと考えられるため、こうした不利益はハイブリッド車両を運転する上で支障にはならないと言える。なお、ここでは、車両の全走行領域を対象として、スイッチで動力源の使い分けを行う場合を例示したが、第１実施例のようにＭＧ領域を対象として動力源を使い分ける場合についてもエンジン１０の暖機を禁止して燃費および環境性を向上する制御を適用可能であることはいうまでもない。
【０２００】
Ｋ．４輪駆動への適用：
以上で説明した実施例および変形例では、いわゆる２輪駆動するハイブリッド車両を例示した。本発明は、４輪駆動するハイブリッド車両に適用するものとしてもよい。図２７は４輪駆動するハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。ここでは、２つの車軸１７、１７Ａの双方に動力を出力可能な構成を示す。
【０２０１】
車軸１７に動力を出力するための構成は、実施例と同じである。即ち、エンジン１０、モータ２０、トルクコンバータ３０および変速機１００が直列に結合された構成となっている。モータ２０への電力は実施例と同様、バッテリ５０および燃料電池６０のそれぞれから供給可能となっている。
【０２０２】
車軸１７Ａに動力を出力するための構成は次の通りである。車軸１７Ａにはディファレンシャルギヤ１６Ａを介してモータ２０Ａが結合されている。モータ２０Ａはモータ２０と同様、三相同期モータである。モータ２０Ａにはバッテリ５０、燃料電池６０および補機駆動用モータ８０の３種類から電力を供給することができる。バッテリ５０および燃料電池６０の電力は、それぞれ駆動回路５１Ａ，５２Ａを介してモータ２０Ａに供給される。駆動回路５１Ａ，５２Ａは駆動回路５１，５２と同様、トランジスタインバータで構成されている。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ことができる。モータ２０Ａには補機駆動用モータ８０で発電された電力を直接供給することが可能となっている。
【０２０３】
モータ２０Ａに電力を供給する電源は、切替スイッチ８５，８６の接続状態により切り替えることができる。図示する通り、切替スイッチ８６を切り替えることにより、バッテリ５０および燃料電池６０側と補機駆動用モータ８０側との間で電源を切り替えることができる。切替スイッチ８５を切り替えることにより、バッテリ５０と燃料電池６０との間で電源を切り替えることができる。
【０２０４】
なお、車軸１７、１７Ａはいずれを前車軸および後車軸としても構わない。エンジン１０が車両の前方に搭載されている場合、車軸１７側を後車軸として構成すれば、エンジン１０からの機械的な動力を車体を縦断して後車軸に伝達するためのプロペラシャフトが必要となる。これに対し、車軸１７Ａ側を後車軸として構成すれば、プロペラシャフトが不要となる。従って、エンジン１０と車軸１７とを近接させる構成を採ることにより、動力系統の構成を比較的簡易なものにすることができる利点がある。
【０２０５】
かかる構成のハイブリッド車両においても、上述した種々の制御処理を適用することができ、燃料電池６０を優先的に使用することで、効率および環境性に優れた運転を実現することができる。また、特定の条件下では上述した種々の制御処理に従い、燃料電池６０、エンジン１０等の使い分けをすることができる。
【０２０６】
以上で説明した種々の実施例では、バッテリ５０を備える場合を例示した。本発明の適用に際しては、必ずしもバッテリ５０を搭載する必要はない。各実施例からバッテリ５０を省略した構成を適用するものとしてもよい。また、バッテリ５０に代えてキャパシタなど別の蓄電手段を用いることもできる。
【０２０７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態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、更に種々なる形態で実施し得ることは勿論である。例えば、本実施例のハイブリッド車両ではガソリンエンジンを用いたが、ディーゼルエンジンその他の熱機関を用いることができる。本実施例では、モータとして全て三相同期モータを適用したが、誘導モータその他の交流モータおよび直流モータを用いるものとしてもよい。本実施例では、種々の制御処理をＣＰＵがソフトウェアを実行することにより実現しているが、かかる制御処理をハード的に実現することもできる。本実施例では、車両に適用した場合を示したが、本発明は列車、船舶、航空機、飛行船その他の飛翔体など種々の移動体に適用することが可能である。また、必ずしも運転者が搭乗するものに限らず、遠隔操作するものであっても構わない。
【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】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図３】変速機１００の内部構造を示す説明図である。
【図４】各クラッチ、ブレーキ、およびワンウェイクラッチの係合状態と変速段との関係を示す説明図である。
【図５】本実施例のハイブリッド車両におけるシフトポジションの操作部１６０を示す説明図である。
【図６】本実施例におけるハイブリッド車両の計器板を示す説明図である。
【図７】制御ユニット７０に対する入出力信号の結線を示す説明図である。
【図８】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９】２ポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。
【図１０】Ｌポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。
【図１１】Ｒポジションにおける変速段の切り替えの様子を示す説明図である。
【図１２】ＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図１３】モータ駆動制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図１４】バッテリ５０の充電状態と回生電力の活用との関係を示す説明図である。
【図１５】外部電源稼働制御処理のフローチャートである。
【図１６】第１の変形例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図１７】ガソリンの残量ＧＳＬと所定の値ＦＧＳＬとの関係を示す説明図である。
【図１８】第２の変形例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図１９】第２の変形例における燃料電池の温度等の変化を示す説明図である。
【図２０】第３の変形例における出力配分について示す説明図である。
【図２１】第３の変形例における走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図２２】第２実施例のハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【図２３】第２実施例におけるエンジン暖機処理ルーチンのフローチャートである。
【図２４】エンジン温度と暖機までに要するＦＣ燃料との関係を示す説明図である。
【図２５】第２実施例における変形例としてのエンジン暖機処理ルーチンのフローチャートである。
【図２６】第３実施例におけるＥＶ走行制御処理ルーチンのフローチャートである。
【図２７】４輪駆動するハイブリッド車両の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…エンジン
１２…クランクシャフト
１３、１４，１５…回転軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１６Ａ…ディファレンシャルギヤ
１７，１７Ａ…車軸
１８…入力クラッチ
１９…補機クラッチ
２０，２０Ａ…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
５０…バッテリ
５１，５１Ａ，５２，５２Ａ…駆動回路
６０…燃料電池
６０Ａ…燃料電池
６１…メタノールタンク
６１ａ…容量センサ
６２…水タンク
６３…バーナ
６４…圧縮機
６５…蒸発器
６６…改質器
６８…ブロワ
７０…制御ユニット
８０…補機駆動用モータ
８２…補機駆動装置
８３…切替スイッチ
８４…切替スイッチ
８５，８６，９０…切替スイッチ
９１…コンセント
９２…ラジエータ
９３…ポンプ
９４…冷媒路
１００…変速機
１０２…油圧ポンプ
１０４…油圧制御部
１１０…副変速部
１１２…第１のプラネタリギヤ
１１４…サンギヤ
１１５…プラネタリピニオンギヤ
１１６…プラネタリキャリア
１１８…リングギヤ
１１９…出力軸
１２０…主変速部
１２２…回転軸
１３０，１４０，１５０…プラネタリギヤ
１３２，１４２，１５２…サンギヤ
１３４，１４４，１５４…プラネタリキャリア
１３６，１４６，１５６…リングギヤ
１６０…操作部
１６２…シフトレバー
１６３…スポーツモードスイッチ
１６４…動力源切替スイッチ
１６５…マニュアル発電スイッチ
２０２，２０３…燃料計
２０４…速度計
２０６…エンジン回転計
２０８…エンジン水温計
２１０Ｒ，２１０Ｌ…方向指示器インジケータ
２２０…シフトポジションインジケータ
２２２…スポーツモードインジケータ
２２３…ＥＶインジケータ
２２４…外部電源インジケータ

Claims (15)

1. 少なくとも併用可能な燃料電池と熱機関と充電可能な蓄電手段とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを駆動軸からの機械的なエネルギとして外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッド式移動体であって、
   当該ハイブリッド移動体の前記駆動軸に結合され、前記蓄電手段からの電力によって駆動可能であり、前記ハイブリッド移動体の制動エネルギの回収を行なう際には、前記蓄電手段を充電する電動機と、
   前記エネルギ出力源のうち、前記燃料電池および前記熱機関のいずれを使用するかを該ハイブリッド式移動体の運転者の操作により選択するためのスイッチであって、前記燃料電池および前記熱機関のいずれか一方を使用するモードまたは双方を併用する特定のモードを選択可能なエネルギ出力源選択スイッチと、
   該エネルギ出力源選択スイッチによる選択状態に応じて、前記燃料電池、熱機関およびエネルギ伝達手段の少なくとも一つの目標運転状態を、予め設定された状態に変更する状態変更手段と、
   前記エネルギ出力源および前記エネルギ伝達手段のそれぞれを設定された目標運転状態に制御する運転制御手段と、
   を備え、
   当該ハイブリッド式移動体が、前記電動機を動力源として走行すべき走行領域として予め定められた走行領域にあり、かつ前記エネルギ出力源選択スイッチにより、前記エネルギ出力源として、前記燃料電池および前記熱機関のいずれか一方を使用するモードが選択されたとき、該燃料電池および該熱機関のいずれか一方を運転すると共に、前記蓄電手段の電力を用いて前記電動機を駆動するＥＶ走行を実施しないハイブリッド式移動体。
2. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記エネルギ出力源選択スイッチにより、前記エネルギ出力源として、前記燃料電池および前記熱機関の双方を使用する前記特定のモードが選択されたとき、前記蓄電手段の電力を用いて前記電動機を駆動するＥＶ走行を実施しないハイブリッド式移動体。
3. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記エネルギ出力源選択スイッチは、前記エネルギ出力源として、前記燃料電池および前記熱機関のいずれか一方を使用するモードとして、燃料電池および熱機関のいずれか一方を用いる運転モードを選択可能であり、
   前記いずれか一方を用いる運転モードが選択されると、該選択されたエネルギ出力源の運転を実行すると共に、他方のエネルギ出力源の運転を禁止するハイブリッド式移動体。
4. 請求項３記載のハイブリッド式移動体であって、
   さらに、運転者が前記他方のエネルギ出力源の始動を指示するために操作する始動スイッチを備え、
   前記いずれか一方を用いる運転モードが指定されている状態において、前記始動スイッチの操作により前記他方のエネルギ出力源の始動を指示されたとき、該他方のエネルギ出力源を始動するハイブリッド式移動体。
5. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記エネルギ出力源選択スイッチにより、燃料電池のみをエネルギ出力源とする運転モードが選択されている場合には、前記燃料電池の運転を実行すると共に、前記熱機関の暖機を禁止するハイブリッド式移動体。
6. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記燃料電池の発電能力を検出する検出手段を備え、
   前記エネルギ出力源選択スイッチより、前記燃料電池を用いるモードが選択されており、前記検出した発電能力が所定値以下に低下している場合には、前記燃料電池の出力を抑制するハイブリッド式移動体。
7. 請求項６記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記検出手段は、前記燃料電池用の残燃料量に基づいて前記発電能力を検出する手段であるハイブリッド式移動体。
8. 請求項６記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記検出手段は、前記燃料電池の温度に基づいて前記発電能力を検出する手段であるハイブリッド式移動体。
9. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
   前記燃料電池の発電能力を検出する検出手段を備え、
   前記エネルギ出力源選択スイッチより、前記燃料電池を用いるモードが選択されており、前記検出した発電能力が所定値以下に低下している場合には、前記熱機関の出力を増大するハイブリッド式移動体。
10. 請求項９記載のハイブリッド式移動体であって、
    前記エネルギは前記駆動軸の回転エネルギであり、
    前記エネルギ伝達手段は、前記エネルギ出力源から出力された回転エネルギを２段階以上の変速比で変速して出力可能な変速手段であり、
    前記熱機関の出力の増大に合わせて、前記変速手段の変速比を増大するハイブリッド式移動体。
11. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
    前記目標運転状態設定手段は、前記エネルギ出力源選択スイッチにより、前記燃料電池のみがエネルギ出力源として選択されている場合には、前記熱機関の運転を禁止するのみならず、暖機をも禁止する状態に目標運転状態を設定する手段であるハイブリッド式移動体。
12. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、
    前記目標運転状態設定手段は、前記蓄電手段に入出力される電気的エネルギを考慮して前記目標運転状態を設定する手段であるハイブリッド式移動体。
13. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、さらに、
    前記燃料電池の劣化を検出する劣化検出手段と、
    前記燃料電池および前記熱機関の双方を併用するときには、前記燃料電池から出力されるエネルギの割合を最も高くするとともに、前記燃料電池および熱機関の一方に劣化が検出された場合には、該劣化に伴うエネルギ出力への影響を補償する方向に、少なくとも他方の出力を制御する劣化時制御手段とを備えるハイブリッド式移動体。
14. 請求項１記載のハイブリッド式移動体であって、さらに、
    前記燃料電池の劣化を検出する劣化検出手段と、
    前記燃料電池および前記熱機関の双方を併用するときには、前記燃料電池から出力されるエネルギの割合を最も高くするとともに、前記燃料電池の劣化が検出された場合には、該劣化に伴うエネルギ出力への影響を補償する方向に、前記変速機を制御する変速機制御手段とを備えるハイブリッド式移動体。
15. 少なくとも併用可能な燃料電池と熱機関と充電可能な蓄電手段とを含むエネルギ出力源と、該エネルギ出力源のエネルギを駆動軸からの機械的なエネルギとして外部に出力するエネルギ伝達手段とを備えるハイブリッド式移動体の運転を制御する制御方法であって、
    前記蓄電手段からの電力によって当該ハイブリッド式移動体の前記駆動軸に結合された電動機を駆動するＥＶ走行や、前記蓄電手段を充電するためにハイブリッド移動体のエネルギの回収を該電動機によって行なう回生モードを実施可能とし、
    前記エネルギ出力源のうち、前記燃料電池および前記熱機関のいずれを使用するかを前記ハイブリッド式移動体の利用者の操作により選択するためのエネルギ出力源選択スイッチの選択状態によって、前記燃料電池および前記熱機関のいずれか一方を使用するモードまたは双方を併用する特定のモードを選択し、
    該エネルギ出力源選択スイッチによる選択状態に応じて、前記燃料電池、熱機関およびエネルギ伝達手段の少なくとも一つの目標運転状態を、予め用意された状態の一つに設定し、
    前記エネルギ出力源および前記エネルギ伝達手段のそれぞれを、該設定された目標運転状態に制御し、
    当該ハイブリッド式移動体が、前記電動機を動力源として走行すべき走行領域として予め定められた走行領域にあり、かつ前記エネルギ出力源選択スイッチにより、前記エネルギ出力源として、前記燃料電池および前記熱機関のいずれか一方を使用するモードが選択されたときには、該燃料電池および該熱機関のいずれか一方を運転すると共に、前記蓄電手段の電力を用いて前記電動機を駆動するＥＶ走行を実施しない
    ハイブリッド式移動体の制御方法。

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