車両用燃料電池システムの制御装置及びコンプレッサ制御方法
【課題】燃料電池を定格運転からアイドル運転に移行させる際にコンプレッサ回転数が制御禁止領域に入ることを抑制し、車両加速の応答性低下を有効に防止できるようにする。
【解決手段】コントローラ３０が、圧力センサ３２からの圧力信号と予め保持している乖離度合い推定データとに基づいて、燃料電池１が定格運転からアイドル運転へと移行する際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定する。そして、その乖離度合いの推定結果に基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定し、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合に、例えばコンプレッサモータ２６に対して一時的な回生制御を実行するといった手法で、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを低減させる制御を行う。
【解決手段】コントローラ３０が、圧力センサ３２からの圧力信号と予め保持している乖離度合い推定データとに基づいて、燃料電池１が定格運転からアイドル運転へと移行する際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定する。そして、その乖離度合いの推定結果に基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定し、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合に、例えばコンプレッサモータ２６に対して一時的な回生制御を実行するといった手法で、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを低減させる制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に空気を供給する手段としてコンプレッサを用いた車両用燃料電池システムの制御装置に関し、特に、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際のコンプレッサの動作を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に空気と燃料ガスとを供給し、空気中の酸素と燃料ガスの水素とを燃料電池内部で電気化学的に反応させて出力を取り出すものであり、クリーンな排気を実現する環境性能に優れたシステムとして、例えば、燃料電池車両の動力源として実用化されている。
【０００３】
このような燃料電池システムを動力源として搭載する燃料電池車両においては、燃費向上を図るために、運転者がアクセルオフした場合には、燃料電池を速やかにアイドル運転状態に移行させることが望まれる。ここで、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムでは、燃料電池に空気を供給する手段として一般的にコンプレッサが用いられるが、燃料電池を定格運転状態からアイドル運転状態へと移行させる際には、コンプレッサ回転数の低下開始時にコンプレッサ下流〜燃料電池カソード入口間の圧力が高くなっているために、コンプレッサに対して空気を圧縮する方向とは逆の向きの圧力がかかることになる。そして、この逆向きの圧力の作用により、コンプレッサの回転数がアイドル回転数（燃料電池をアイドル運転状態に維持するために必要なコンプレッサの回転数）で安定する過程において、アイドル回転数を一時的に下回るアンダーシュートが発生し、コンプレッサに対する指令回転数とコンプレッサの実際の回転数との間に乖離が発生してしまう。
【０００４】
このコンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離度合いが大きいと、アイドル回転数が０ｒｐｍに近い場合には、コンプレッサが逆回転してしまうという現象が生じ、振動やノイズの要因となるといった問題が発生するほか、コンプレッサの実回転数が０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入ると、その制御禁止領域から抜けるまでの間はコンプレッサのモータを制御できないため、応答性悪化につながるといった問題がある。すなわち、燃料電池車両の燃費向上のためにコンプレッサ回転数の急低下を実施する車両用燃料電池システムにおいては、回転センサからの回転検知遅れ、また回転センサレス運転においては演算遅れに起因する微小コンプレッサ回転数付近での誤動作や、０ｒｐｍを挟んだ正逆回転の回転ハンチングを防止する手段の一つとして、通常、０ｒｐｍ付近にコンプレッサモータに対する制御を禁止する制御禁止領域を設けるようにしている。この制御禁止領域にコンプレッサ回転数が入っている期間はモータ制御ができないため、例えばこの期間に運転者がアクセルオンした場合にはコンプレッサ加速が遅れることとなり、車両加速の応答性が悪化するという問題点がある。
【０００５】
コンプレッサモータの急停止及び停止時の逆回転防止を実現する技術としては、例えば空調用のコンプレッサモータに関する制御技術として、特許文献１にて開示されるように、ゼロベクトル通電（上アームか下アームのすべてのスイッチング素子をＯＮ）もしくは直流励磁通電（上アームと下アーム１つずつのスイッチング素子をＯＮ）を行うことにより、惰性回転速度を速やかに低減させるというものが知られている。
【特許文献１】特開平９−１６３７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にて開示される制御技術を車両用燃料電池システムにおけるコンプレッサの制御に利用すれば、速やかな運転停止・逆回転防止は達成されるが、燃料電池を定格運転から速やかにアイドル運転に移行したい場合に、コンプレッサ下流圧の影響により発生するコンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離には対応ができない。
【０００７】
また、電気ブレーキをかけるだけであると、再加速時にコンプレッサ下流圧が残っている状態ではコンプレッサが逆回転方向のトルクを受けるために、やはりコンプレッサの加速応答が悪くなってしまう。また、レゾルバ等の絶対位置検出手段を用いれば、電気角内の絶対位置が確定できるため制御禁止領域を廃止することは可能となり、コンプレッサ減速時に制御禁止領域に入ることによる制御不能期間の発生を回避することができるが、センサレス制御と比較するとコスト及びユニットサイズの増大につながることとなる。また、燃料電池車両に搭載されている２次電池を利用してコンプレッサモータについて常時回生制御を行えば、コンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離は改善されるが、制御遅れが発生するため完全に零にすることはできない。また、長い下り坂を下り終わった状態では、フットブレーキの焼きつき防止のため駆動モータの回生ブレーキを併用するため、２次電池のＳＯＣ（State of charge）はフル充電の状態となっていることが想定され、コンプレッサモータの回生制御には制限が必要で、常時回生制御を行うことは難しい。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池を定格運転からアイドル運転に移行させる際にコンプレッサ回転数が制御禁止領域に入ることを抑制し、車両加速の応答性低下を有効に防止することができる車両用燃料電池システムの制御装置及びコンプレッサ制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際のコンプレッサに対する指令回転数とコンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定し、この乖離度合いに基づいて、コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定する。そして、コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合には、前記乖離度合いを減少させる制御を行うことにより前記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際、コンプレッサ下流圧の影響によりコンプレッサに逆回転方向のトルクがかかった場合でも、アンダーシュートによりコンプレッサ回転数が所定の制御禁止領域に入るといった不都合を抑制でき、車両加速の応答性低下を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
まず、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムの具体的な構成例について、図１を用いて簡単に説明する。この図１に示す車両用燃料電池システムは、燃料電池１への燃料供給源として高圧圧縮水素容器２を備え、また、燃料電池１への空気供給源として空気コンプレッサ３を備えている。なお、本実施形態では、燃料供給源としての高圧圧縮水素容器２は１本構成のものを例示するが、勿論、複数本で構成されていてもよい。
【００１３】
燃料電池１は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電するものであり、発電要素である多数のセルが多段に積層されたスタック構造を有する。この燃料電池１の水素極（アノード）には、高圧圧縮水素容器２から水素供給弁４を介して取り出された高圧水素ガスが、水素調圧弁５、水素供給配管６を通って、燃料電池１手前の加湿装置７で最適温度に温度調整されて供給される。また、燃料電池１の空気極（カソード）には、空気コンプレッサ３で圧縮された空気が、空気供給配管８を通って加湿装置７で温度調整されながら供給される。燃料電池１は、これら水素極に供給された水素と空気極に供給された空気中の酸素とを反応させて発電を行う。加湿装置７は、水ポンプ９で循環される冷却水によって燃料電池１に供給される高圧水素ガスや空気を温調することでこれらを適度に加湿する。この加湿装置７での熱交換により加熱された冷却水は、ラジエータ１０でラジエータファン１１の送風により冷却される。なお、燃料電池１の水素極や空気極からの排ガスは、それぞれ水素排出配管１２、空気排出配管１３から排出され、例えば下段の処理装置（図示せず）などで処理される。
【００１４】
燃料電池１で発電された電力は、コンバータ２０を介して駆動モータインバータ２１やコンプレッサモータ用インバータ２２、その他の補機負荷２３に供給され、燃料電池車両の駆動輪２４に連結された駆動モータ２５や空気コンプレッサ３に連結されたコンプレッサモータ２６、その他の補機類を駆動しながら、余剰電力は２次電池２７へ供給され、受電される。また、燃料電池車両の減速により生じる回生電力は、駆動モータインバータ２１から、コンバータ２０を介して補機負荷２３に供給され、あるいは２次電池２７に供給されて充電される。車両用燃料電池システム全体の発電要求に対して燃料電池１の発電力が足りない時は、２次電池２７がアシスト電源として利用され、２次電池２７からシステム発電要求の不足分に見合う電力が放電されて、補機負荷２３あるいは駆動モータインバータ２１に供給される。さらに、空気コンプレッサ２６の制御のために発生した回生電力は、駆動モータ２５の場合と同様に、コンバータ２０を介して、補機負荷２３に供給され、あるいは２次電池２７へ供給されて充電される。
【００１５】
コントローラ３０は、各種センサからの信号に基づいて演算を行い、車両用燃料電池システム全体の動作を統括的に制御する。例えば燃料電池１への空気の供給に関して、コントローラ３０は、アクセル開度センサ３１からのアクセル開度信号や、空気供給配管８に設置された圧力センサ３２からの圧力信号などを取り込み、燃料電池１に必要な空気量を演算して、コンプレッサモータ用インバータ２２に回転指令を与える。これにより、コンプレッサモータインバータ２２が、コントローラ３０からの回転数指令に追従するようにコンプレッサモータ２６及びこれに機械的に接合されている空気コンプレッサ３の駆動を行う。本発明は、このコントローラ３０による空気コンプレッサ３の動作制御に関するものであり、特に、燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる際に、コントローラ３０による空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが大きく、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定する過程において０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入ってしまうことが予測される場合に、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させる制御を行うことを大きな特徴としている。以下、この特徴点について、具体例を挙げながら詳しく説明する。なお、コントローラ３０による空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させるにはコンプレッサモータ２６の回生制御が有効であるが、２次電池２７の充電状態（ＳＯＣ）によっては回生制御が制限される。以下では、２次電池２７のＳＯＣがフル充電に近い状態となっており、コンプレッサモータ２６に対する常時回生制御は行うことができない状態であることを前提とする。
【００１６】
燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数（つまり、コンプレッサモータ２６に対する指令回転数と実回転数）の変化の様子を図２に示す。この図２に示す変化挙動は、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行わない場合のものである。回生しないモータ制御であるため、空気コンプレッサ３は羽根及びモータのロータの慣性により惰性で回転し、徐々に回転数が落ちている。指令回転数と実回転数がクロスした時点でコンプレッサモータ用インバータ２２はトルクを出力するが、制御遅れ及びコンプレッサモータ用インバータ２２がモータ電流を出力しコンプレッサモータ２６からトルクが出力されるまでの遅れがあるため、図２に示すように、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数とに乖離が発生してしまう。なお、仮にコンプレッサモータ２６の回生が可能であったとしても、回生なしの場合と比較すると追従性は良くなるが、制御遅れはやはり発生する。このため、回生なしの場合と比較すると低減するが、やはり空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数とに乖離が発生してしまう。
【００１７】
図３に示すのが、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力と、図２に示す乖離回転数との関係を示す図である。この図３に示すように、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力が高ければ高いほど乖離回転数の幅（乖離度合い）が大きく、空気コンプレッサ３の下流圧力が低くなるにつれて、乖離回転数は小さくなるが、図３中のＰ１を境に乖離回転数がほぼ一定となる傾向にある。これは、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力が定格運転圧力からＰ１までの間では、空気コンプレッサ３が下流側圧力により圧縮方法とは逆方向に回される力を受けているが、空気コンプレッサ３の下流側圧力がＰ１より下がった場合には、空気コンプレッサ３が下流側圧力の影響はほとんど受けず、コンプレッサモータ２６のロータのイナーシャが支配的になっているためであると考えられる。
【００１８】
この図３に示すような特性を利用することにより、燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる場合の空気コンプレッサ３の回転数の挙動を推測することが可能となる。なお、図３に示した特性は、あるシステムで取得したデータの一例を示したものであり、空気コンプレッサ３の形式をはじめとして、適用対象となる車両用燃料電池システムの構成によってその特性に多少の違いがあるので、適用対象となる車両用燃料電池システムの構成に応じた特性を予め実験等によって取得しておく必要がある。
【００１９】
本実施形態では、コントローラ３０が車両用燃料電池システムの構成に応じた図３に示すようなデータ（乖離度合い推定データ）を保持しており、圧力センサ３２からの圧力信号とこの乖離度合い推定データとに基づいて、燃料電池１が定格運転からアイドル運転へと移行する際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定する（推定手段）。そして、コントローラ３０は、乖離度合いの推定結果に基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定し（判定手段）、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合に、例えばコンプレッサモータ２６に対して一時的な回生制御を実行するといった手法で、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを低減させる制御を行う（制御手段）。なお、制御禁止領域は、空気コンプレッサ３の回転数が０ｒｐｍ付近にあるときの制御遅れに起因する誤動作や、０ｒｐｍを挟んだ正逆回転の回転ハンチングを防止するために、０ｒｐｍ付近でのモータ制御を禁止する領域であり、予め実験等を行って最適な範囲に設定されている。また、コントローラ３０は、コンプレッサモータ２６に対する一時的な回生制御などにより乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入るか否かを判定し（第２判定手段）、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合は、コンプレッサモータ２６に対してロック電流を流してモータ軸をロックさせる（制御手段）。
【００２０】
図４は、本実施形態での制御処理の流れを示すフローチャートである。以下、この図４のフローチャートを参照しながら本実施形態の制御処理を説明する。この図４に示す制御処理は、燃料電池車両の運転者がアクセルオフし、コントローラ３０の演算している燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力（燃料電池目標発電Ｇｒｏｓｓ電力（総電力）から補機消費電力を除いた正味電力）が０になった場合に、コントローラ３０により実行される。また、本実施形態での制御処理を行っている間に燃料電池車両の運転者がアクセルを踏んだ場合には、アイドル回転数から速やかに加速を行う必要があるが、アイドル回転数に回転数が近づくまでは本制御処理を継続するものとする。なお、以下では、図４に示す制御処理を実行しない状態を便宜的に通常制御と呼ぶ。通常制御とは、コンプレッサモータ用インバータ２２がコントローラ３０からの回転数指令を受け、その指令に追従するようにフィードバック制御を行っている状態とする。
【００２１】
コントローラ３０は、通常制御中において、アクセルオフしたときの空気コンプレッサ３の回転数が定格回転数であり、かつ燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０となった場合に、燃料電池１の運転状態が定格発電からアイドル運転に移行したと判断する（ステップＳ１）。ここで、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０とは、燃料電池１の出力が駆動モータ２５及び発電に関与していない補機での電力消費はなく、燃料電池車両は惰性で動いている状態である。このような状態の場合には、燃料である水素の消費を抑えて、燃費効率を向上させるために速やかに水素及び空気の供給を減らす必要がある。しかしながら、例えばラジエータファン１１や水ポンプ９などの補機への供給や２次電池２７への充電が必要な場合には、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力は０とならない。このため空気コンプレッサ３の回転数もアイドル回転数よりは高くなる。このような場合に本実施形態の制御処理を実行すると通常制御に影響がでてしまうため、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０である場合に本実施形態の制御処理を実行する。
【００２２】
アクセルオフにより燃料電池１が定格運転からアイドル運転に移行する場合、空気コンプレッサ３も定格回転数からアイドル回転数へと移行することになる。このような状態において、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近づいた場合に、制御遅れが存在するため、指令回転数と実回転数との間に乖離が発生してしまう。この場合に、アイドル回転数が低い値に設定されているシステムであればあるほど、モータ誤制御防止のために０ｒｐｍ付近に設定している所定の制御禁止領域にコンプレッサ３の回転数が入ってしまう可能性がある。その場合には、制御禁止領域ではモータ制御ができないため、この間に燃料電池車両の運転者がアクセルを踏んだ場合でも、空気コンプレッサ３が応答できず、燃料電池車両の加速応答性能の低下を招いてしまう。また、空気コンプレッサ３の逆回転方向に加わるトルクの大きさによっては、空気系統の逆流により、アノード側からカソード側への水素混入の懸念が発生する。本実施形態の制御は、このような問題を生じさせないように、空気コンプレッサ３の応答性の向上、及び逆回転の防止を実現するためのものである。
【００２３】
次に、空気コンプレッサ３の回転数が落ち、制御判断線(回転数)を通過したら（ステップＳ２）、コントローラ３０は、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いの推定を行う（ステップＳ３）。ここで、制御判断線は、予め実験等を行って、ハードウエアの制約から算出される最大の回生制御を行った場合、つまりコンプレッサモータ用インバータ２２やコンプレッサモータ２６にかかる負荷の許容範囲内で最大の回生制御を行った場合において、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入らないように乖離度合いを減少させることが可能な最小の回転数に設定される。これは、制御判断の回転数を高い値に設定すれば乖離度合いはより小さくできるが、コンプレッサモータ用インバータ２２やコンプレッサモータ２６などにダメージを与えることになるので、これらのハードウェアにダメージを与えない範囲で制御を実行するためである。
【００２４】
ステップＳ３における乖離度合いの推定は、図５に示すように、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力をもとに、図３に示したような乖離度合い推定データを用いて行う。すなわち、コントローラ３０は、まず、ステップＳ３−１において、空気供給配管８に設けられた圧力センサ３２からの圧力信号を読み込む。また、ステップＳ３−２において、予め実験等で求めて保持している図３に示したような乖離度合い推定データ、つまり、アイドル運転移行時における空気コンプレッサ３の下流側圧力と回転数乖離度合いとの関係を示す乖離度合い推定データをメモリから読み出す。そして、ステップＳ３−３において、ステップＳ３−１で読み込んだ圧力信号をステップＳ３−２でメモリから読み出した乖離度合い推定データと照らし合わせて、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合い（乖離回転数）を推定する。
【００２５】
次に、コントローラ３０は、ステップＳ４において、ステップＳ３で推定した乖離度合いに基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ることになるか否かを判定する。ここで、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定すると判定した場合は、ステップＳ１１に進んで制御を解除して、通常制御に復帰する。一方、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ると判定した場合は、次のステップＳ５において、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行うための回生量の演算を行う。
【００２６】
ステップＳ５における回生量の演算は、図６に示すように、ステップＳ３の推定結果をもとに、予め作成しておいた乖離度合い（乖離回転数）とコンプレッサモータ２６に対する回生量との関係を示すデータを用いて行う。このとき、２次電池２７のＳＯＣがフル充電に近い状態で常時回生制御はできないが、ごく短時間であれば回生は許可されるとし、回生量演算に２次電池２７のＳＯＣの状態及び温度から算出される回生量の制約を反映する。すなわち、コントローラ３０は、まず、ステップＳ５−１において、ステップＳ３で推定した乖離回転数の推定値を読み込む。また、ステップＳ５−２において、予め実験等で求めて保持している乖離回転数と回生量との関係を示すデータをメモリから読み出す。また、ステップＳ５−３において、２次電池２７による回生制限量を読み込む。そして、ステップＳ５−４において、ステップＳ５−１で読み込んだ乖離回転数の推定値をステップＳ５−２でメモリから読み出したデータに照らし合わせ、さらにステップＳ５−３で読み込んだ回生制限量による制約を加えて、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させるための最適な回生量を演算する。
【００２７】
次に、コントローラ３０は、ステップＳ６において、ステップＳ５で演算した回生量でコンプレッサモータ２６を回生制御を行った場合の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定し、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行って乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ることになるか否かを判定する。ここで、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行うことで空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定すると判定した場合は、次のステップＳ７において、ステップＳ５で演算した回生量を追加してコンプレッサモータ２６の制御を行う。そして、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いたら（ステップＳ８）、ステップＳ１１に進んで本実施形態の回成制御を解除して、通常制御に復帰する。なお、回生量を追加したコンプレッサモータ２６の制御とは、通常制御でフィードバック制御している回生トルクに加えて、ステップＳ５で演算した回生量に応じた回生トルクを追加して（下駄履きさせて）、フィードバック制御を行うことである。
【００２８】
一方、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行って乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合には、空気コンプレッサ３が逆回転する恐れもあるため、ステップＳ９において、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いたら、例えば直流通電手段によりコンプレッサモータ２６にモータロック電流を流してモータ軸をロックさせ、回転数を０とする。そして、空気コンプレッサ３の下流側圧力が空気コンプレッサ３の逆回転を生じさせない圧力、例えば図３に示したＰ１以下にまで低下したら（ステップＳ１０）、ステップＳ１１に進んでコンプレッサモータ２６に対するモータロック電流の通電を解除して、通常制御に復帰する。
【００２９】
図７乃至図９は、本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数の挙動を示す図である。なお、図７はコンプレッサモータ２６に対する回生制御が不要と判断されて直ぐに通常制御に復帰した場合の例（例１）であり、図８はコンプレッサモータ２６に対する一時的な回生制御により空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数の乖離度合いを減少させた例（例２）であり、図９はコンプレッサモータ２６に対してロック電流を流して空気コンプレッサ３の逆回転を防止した例（例３）である。
【００３０】
図７に示す例１では、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定した結果、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定する挙動となるので、コンプレッサモータ２６に対する回生制御は行っていない。これに対して、図８に示す例２では、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが例１と比較して大きく、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程において制御禁止領域に入ることが予測されるので、２次電池２７のＳＯＣも加味して算出された回生量でコンプレッサモータ２６に対する回生制御を行っている。これにより、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが減少し、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定する挙動となる。
【００３１】
図９に示す例３は、２次電池２７のＳＯＣも加味して算出された回生量でコンプレッサモータ２６に対する回生制御を行ってもなお、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程において制御禁止領域に入ることが予測されるので、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いた段階（図９中の回転数Ｎ１となった段階）でコンプレッサモータ２６にロック電流を通電して強制的に回転数を０にしている。これにより、空気コンプレッサ３の逆回転が防止される。
【００３２】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１が定格運転からアイドル運転に移行する際、空気コンプレッサ３の下流側圧力の影響により空気コンプレッサ３に逆回転のトルクがかかった場合でも、例えばコンプレッサモータ２６に対する回生制御により空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが減少するので、空気コンプレッサ３の回転数が所定の制御禁止領域に入ることを抑制して、燃料電池車両の加速応答性能の低下を有効に防止することができる。また、２次電池２７のＳＯＣにより十分な回生制御が行えず、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることが不可避な場合には、コンプレッサモータ２６がロックされるので、空気コンプレッサ３の逆回転が防止され、空気コンプレッサ３の逆回転に起因するノイズや振動の発生、アノードからカソードへの水素の流出といった不都合を有効に防止することができる。
【００３３】
なお、以上は本発明の一実施形態を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。例えば、本発明の適用対象となる車両用燃料電池システムは、図１に示した構成に限らず、様々な変形が可能である。また、コントローラ３０によって実行される制御処理の詳細についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、システムに要求される仕様などに応じて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】車両用燃料電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】コンプレッサモータに対する回生制御を行わない場合における、アイドル運転移行時の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の変化の様子を示す図である。
【図３】アクセルオフ時における空気コンプレッサの下流側圧力と乖離回転数との関係を示す図である。
【図４】本発明を適用したコントローラにより実行される制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳ３における回転数乖離度合い推定処理の詳細を示す図である。
【図６】図４のステップＳ５における回生量演算処理の詳細を示す図である。
【図７】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対する回生制御が不要と判断されて直ぐに通常制御に復帰した場合の例を示す図である。
【図８】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対する一時的な回生制御により空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の乖離度合いを減少させた例を示す図である。
【図９】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対してロック電流を流して空気コンプレッサの逆回転を防止した例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 燃料電池
２ 高圧圧縮水素容器
３ 空気コンプレッサ
２２ コンプレッサモータ用インバータ
２６ コンプレッサモータ
２７ ２次電池
３０ コントローラ
３１ アクセル開度センサ
３２ 圧力センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に空気を供給する手段としてコンプレッサを用いた車両用燃料電池システムの制御装置に関し、特に、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際のコンプレッサの動作を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に空気と燃料ガスとを供給し、空気中の酸素と燃料ガスの水素とを燃料電池内部で電気化学的に反応させて出力を取り出すものであり、クリーンな排気を実現する環境性能に優れたシステムとして、例えば、燃料電池車両の動力源として実用化されている。
【０００３】
このような燃料電池システムを動力源として搭載する燃料電池車両においては、燃費向上を図るために、運転者がアクセルオフした場合には、燃料電池を速やかにアイドル運転状態に移行させることが望まれる。ここで、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムでは、燃料電池に空気を供給する手段として一般的にコンプレッサが用いられるが、燃料電池を定格運転状態からアイドル運転状態へと移行させる際には、コンプレッサ回転数の低下開始時にコンプレッサ下流〜燃料電池カソード入口間の圧力が高くなっているために、コンプレッサに対して空気を圧縮する方向とは逆の向きの圧力がかかることになる。そして、この逆向きの圧力の作用により、コンプレッサの回転数がアイドル回転数（燃料電池をアイドル運転状態に維持するために必要なコンプレッサの回転数）で安定する過程において、アイドル回転数を一時的に下回るアンダーシュートが発生し、コンプレッサに対する指令回転数とコンプレッサの実際の回転数との間に乖離が発生してしまう。
【０００４】
このコンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離度合いが大きいと、アイドル回転数が０ｒｐｍに近い場合には、コンプレッサが逆回転してしまうという現象が生じ、振動やノイズの要因となるといった問題が発生するほか、コンプレッサの実回転数が０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入ると、その制御禁止領域から抜けるまでの間はコンプレッサのモータを制御できないため、応答性悪化につながるといった問題がある。すなわち、燃料電池車両の燃費向上のためにコンプレッサ回転数の急低下を実施する車両用燃料電池システムにおいては、回転センサからの回転検知遅れ、また回転センサレス運転においては演算遅れに起因する微小コンプレッサ回転数付近での誤動作や、０ｒｐｍを挟んだ正逆回転の回転ハンチングを防止する手段の一つとして、通常、０ｒｐｍ付近にコンプレッサモータに対する制御を禁止する制御禁止領域を設けるようにしている。この制御禁止領域にコンプレッサ回転数が入っている期間はモータ制御ができないため、例えばこの期間に運転者がアクセルオンした場合にはコンプレッサ加速が遅れることとなり、車両加速の応答性が悪化するという問題点がある。
【０００５】
コンプレッサモータの急停止及び停止時の逆回転防止を実現する技術としては、例えば空調用のコンプレッサモータに関する制御技術として、特許文献１にて開示されるように、ゼロベクトル通電（上アームか下アームのすべてのスイッチング素子をＯＮ）もしくは直流励磁通電（上アームと下アーム１つずつのスイッチング素子をＯＮ）を行うことにより、惰性回転速度を速やかに低減させるというものが知られている。
【特許文献１】特開平９−１６３７９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１にて開示される制御技術を車両用燃料電池システムにおけるコンプレッサの制御に利用すれば、速やかな運転停止・逆回転防止は達成されるが、燃料電池を定格運転から速やかにアイドル運転に移行したい場合に、コンプレッサ下流圧の影響により発生するコンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離には対応ができない。
【０００７】
また、電気ブレーキをかけるだけであると、再加速時にコンプレッサ下流圧が残っている状態ではコンプレッサが逆回転方向のトルクを受けるために、やはりコンプレッサの加速応答が悪くなってしまう。また、レゾルバ等の絶対位置検出手段を用いれば、電気角内の絶対位置が確定できるため制御禁止領域を廃止することは可能となり、コンプレッサ減速時に制御禁止領域に入ることによる制御不能期間の発生を回避することができるが、センサレス制御と比較するとコスト及びユニットサイズの増大につながることとなる。また、燃料電池車両に搭載されている２次電池を利用してコンプレッサモータについて常時回生制御を行えば、コンプレッサの指令回転数と実回転数との乖離は改善されるが、制御遅れが発生するため完全に零にすることはできない。また、長い下り坂を下り終わった状態では、フットブレーキの焼きつき防止のため駆動モータの回生ブレーキを併用するため、２次電池のＳＯＣ（State of charge）はフル充電の状態となっていることが想定され、コンプレッサモータの回生制御には制限が必要で、常時回生制御を行うことは難しい。
【０００８】
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、燃料電池を定格運転からアイドル運転に移行させる際にコンプレッサ回転数が制御禁止領域に入ることを抑制し、車両加速の応答性低下を有効に防止することができる車両用燃料電池システムの制御装置及びコンプレッサ制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際のコンプレッサに対する指令回転数とコンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定し、この乖離度合いに基づいて、コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定する。そして、コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合には、前記乖離度合いを減少させる制御を行うことにより前記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際、コンプレッサ下流圧の影響によりコンプレッサに逆回転方向のトルクがかかった場合でも、アンダーシュートによりコンプレッサ回転数が所定の制御禁止領域に入るといった不都合を抑制でき、車両加速の応答性低下を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
まず、燃料電池車両に搭載される車両用燃料電池システムの具体的な構成例について、図１を用いて簡単に説明する。この図１に示す車両用燃料電池システムは、燃料電池１への燃料供給源として高圧圧縮水素容器２を備え、また、燃料電池１への空気供給源として空気コンプレッサ３を備えている。なお、本実施形態では、燃料供給源としての高圧圧縮水素容器２は１本構成のものを例示するが、勿論、複数本で構成されていてもよい。
【００１３】
燃料電池１は、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電するものであり、発電要素である多数のセルが多段に積層されたスタック構造を有する。この燃料電池１の水素極（アノード）には、高圧圧縮水素容器２から水素供給弁４を介して取り出された高圧水素ガスが、水素調圧弁５、水素供給配管６を通って、燃料電池１手前の加湿装置７で最適温度に温度調整されて供給される。また、燃料電池１の空気極（カソード）には、空気コンプレッサ３で圧縮された空気が、空気供給配管８を通って加湿装置７で温度調整されながら供給される。燃料電池１は、これら水素極に供給された水素と空気極に供給された空気中の酸素とを反応させて発電を行う。加湿装置７は、水ポンプ９で循環される冷却水によって燃料電池１に供給される高圧水素ガスや空気を温調することでこれらを適度に加湿する。この加湿装置７での熱交換により加熱された冷却水は、ラジエータ１０でラジエータファン１１の送風により冷却される。なお、燃料電池１の水素極や空気極からの排ガスは、それぞれ水素排出配管１２、空気排出配管１３から排出され、例えば下段の処理装置（図示せず）などで処理される。
【００１４】
燃料電池１で発電された電力は、コンバータ２０を介して駆動モータインバータ２１やコンプレッサモータ用インバータ２２、その他の補機負荷２３に供給され、燃料電池車両の駆動輪２４に連結された駆動モータ２５や空気コンプレッサ３に連結されたコンプレッサモータ２６、その他の補機類を駆動しながら、余剰電力は２次電池２７へ供給され、受電される。また、燃料電池車両の減速により生じる回生電力は、駆動モータインバータ２１から、コンバータ２０を介して補機負荷２３に供給され、あるいは２次電池２７に供給されて充電される。車両用燃料電池システム全体の発電要求に対して燃料電池１の発電力が足りない時は、２次電池２７がアシスト電源として利用され、２次電池２７からシステム発電要求の不足分に見合う電力が放電されて、補機負荷２３あるいは駆動モータインバータ２１に供給される。さらに、空気コンプレッサ２６の制御のために発生した回生電力は、駆動モータ２５の場合と同様に、コンバータ２０を介して、補機負荷２３に供給され、あるいは２次電池２７へ供給されて充電される。
【００１５】
コントローラ３０は、各種センサからの信号に基づいて演算を行い、車両用燃料電池システム全体の動作を統括的に制御する。例えば燃料電池１への空気の供給に関して、コントローラ３０は、アクセル開度センサ３１からのアクセル開度信号や、空気供給配管８に設置された圧力センサ３２からの圧力信号などを取り込み、燃料電池１に必要な空気量を演算して、コンプレッサモータ用インバータ２２に回転指令を与える。これにより、コンプレッサモータインバータ２２が、コントローラ３０からの回転数指令に追従するようにコンプレッサモータ２６及びこれに機械的に接合されている空気コンプレッサ３の駆動を行う。本発明は、このコントローラ３０による空気コンプレッサ３の動作制御に関するものであり、特に、燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる際に、コントローラ３０による空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが大きく、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定する過程において０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入ってしまうことが予測される場合に、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させる制御を行うことを大きな特徴としている。以下、この特徴点について、具体例を挙げながら詳しく説明する。なお、コントローラ３０による空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させるにはコンプレッサモータ２６の回生制御が有効であるが、２次電池２７の充電状態（ＳＯＣ）によっては回生制御が制限される。以下では、２次電池２７のＳＯＣがフル充電に近い状態となっており、コンプレッサモータ２６に対する常時回生制御は行うことができない状態であることを前提とする。
【００１６】
燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数（つまり、コンプレッサモータ２６に対する指令回転数と実回転数）の変化の様子を図２に示す。この図２に示す変化挙動は、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行わない場合のものである。回生しないモータ制御であるため、空気コンプレッサ３は羽根及びモータのロータの慣性により惰性で回転し、徐々に回転数が落ちている。指令回転数と実回転数がクロスした時点でコンプレッサモータ用インバータ２２はトルクを出力するが、制御遅れ及びコンプレッサモータ用インバータ２２がモータ電流を出力しコンプレッサモータ２６からトルクが出力されるまでの遅れがあるため、図２に示すように、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数とに乖離が発生してしまう。なお、仮にコンプレッサモータ２６の回生が可能であったとしても、回生なしの場合と比較すると追従性は良くなるが、制御遅れはやはり発生する。このため、回生なしの場合と比較すると低減するが、やはり空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数とに乖離が発生してしまう。
【００１７】
図３に示すのが、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力と、図２に示す乖離回転数との関係を示す図である。この図３に示すように、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力が高ければ高いほど乖離回転数の幅（乖離度合い）が大きく、空気コンプレッサ３の下流圧力が低くなるにつれて、乖離回転数は小さくなるが、図３中のＰ１を境に乖離回転数がほぼ一定となる傾向にある。これは、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力が定格運転圧力からＰ１までの間では、空気コンプレッサ３が下流側圧力により圧縮方法とは逆方向に回される力を受けているが、空気コンプレッサ３の下流側圧力がＰ１より下がった場合には、空気コンプレッサ３が下流側圧力の影響はほとんど受けず、コンプレッサモータ２６のロータのイナーシャが支配的になっているためであると考えられる。
【００１８】
この図３に示すような特性を利用することにより、燃料電池１を定格運転からアイドル運転へと移行させる場合の空気コンプレッサ３の回転数の挙動を推測することが可能となる。なお、図３に示した特性は、あるシステムで取得したデータの一例を示したものであり、空気コンプレッサ３の形式をはじめとして、適用対象となる車両用燃料電池システムの構成によってその特性に多少の違いがあるので、適用対象となる車両用燃料電池システムの構成に応じた特性を予め実験等によって取得しておく必要がある。
【００１９】
本実施形態では、コントローラ３０が車両用燃料電池システムの構成に応じた図３に示すようなデータ（乖離度合い推定データ）を保持しており、圧力センサ３２からの圧力信号とこの乖離度合い推定データとに基づいて、燃料電池１が定格運転からアイドル運転へと移行する際の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定する（推定手段）。そして、コントローラ３０は、乖離度合いの推定結果に基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、０ｒｐｍ付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定し（判定手段）、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合に、例えばコンプレッサモータ２６に対して一時的な回生制御を実行するといった手法で、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを低減させる制御を行う（制御手段）。なお、制御禁止領域は、空気コンプレッサ３の回転数が０ｒｐｍ付近にあるときの制御遅れに起因する誤動作や、０ｒｐｍを挟んだ正逆回転の回転ハンチングを防止するために、０ｒｐｍ付近でのモータ制御を禁止する領域であり、予め実験等を行って最適な範囲に設定されている。また、コントローラ３０は、コンプレッサモータ２６に対する一時的な回生制御などにより乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入るか否かを判定し（第２判定手段）、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合は、コンプレッサモータ２６に対してロック電流を流してモータ軸をロックさせる（制御手段）。
【００２０】
図４は、本実施形態での制御処理の流れを示すフローチャートである。以下、この図４のフローチャートを参照しながら本実施形態の制御処理を説明する。この図４に示す制御処理は、燃料電池車両の運転者がアクセルオフし、コントローラ３０の演算している燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力（燃料電池目標発電Ｇｒｏｓｓ電力（総電力）から補機消費電力を除いた正味電力）が０になった場合に、コントローラ３０により実行される。また、本実施形態での制御処理を行っている間に燃料電池車両の運転者がアクセルを踏んだ場合には、アイドル回転数から速やかに加速を行う必要があるが、アイドル回転数に回転数が近づくまでは本制御処理を継続するものとする。なお、以下では、図４に示す制御処理を実行しない状態を便宜的に通常制御と呼ぶ。通常制御とは、コンプレッサモータ用インバータ２２がコントローラ３０からの回転数指令を受け、その指令に追従するようにフィードバック制御を行っている状態とする。
【００２１】
コントローラ３０は、通常制御中において、アクセルオフしたときの空気コンプレッサ３の回転数が定格回転数であり、かつ燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０となった場合に、燃料電池１の運転状態が定格発電からアイドル運転に移行したと判断する（ステップＳ１）。ここで、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０とは、燃料電池１の出力が駆動モータ２５及び発電に関与していない補機での電力消費はなく、燃料電池車両は惰性で動いている状態である。このような状態の場合には、燃料である水素の消費を抑えて、燃費効率を向上させるために速やかに水素及び空気の供給を減らす必要がある。しかしながら、例えばラジエータファン１１や水ポンプ９などの補機への供給や２次電池２７への充電が必要な場合には、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力は０とならない。このため空気コンプレッサ３の回転数もアイドル回転数よりは高くなる。このような場合に本実施形態の制御処理を実行すると通常制御に影響がでてしまうため、燃料電池目標発電Ｎｅｔ電力が０である場合に本実施形態の制御処理を実行する。
【００２２】
アクセルオフにより燃料電池１が定格運転からアイドル運転に移行する場合、空気コンプレッサ３も定格回転数からアイドル回転数へと移行することになる。このような状態において、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近づいた場合に、制御遅れが存在するため、指令回転数と実回転数との間に乖離が発生してしまう。この場合に、アイドル回転数が低い値に設定されているシステムであればあるほど、モータ誤制御防止のために０ｒｐｍ付近に設定している所定の制御禁止領域にコンプレッサ３の回転数が入ってしまう可能性がある。その場合には、制御禁止領域ではモータ制御ができないため、この間に燃料電池車両の運転者がアクセルを踏んだ場合でも、空気コンプレッサ３が応答できず、燃料電池車両の加速応答性能の低下を招いてしまう。また、空気コンプレッサ３の逆回転方向に加わるトルクの大きさによっては、空気系統の逆流により、アノード側からカソード側への水素混入の懸念が発生する。本実施形態の制御は、このような問題を生じさせないように、空気コンプレッサ３の応答性の向上、及び逆回転の防止を実現するためのものである。
【００２３】
次に、空気コンプレッサ３の回転数が落ち、制御判断線(回転数)を通過したら（ステップＳ２）、コントローラ３０は、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いの推定を行う（ステップＳ３）。ここで、制御判断線は、予め実験等を行って、ハードウエアの制約から算出される最大の回生制御を行った場合、つまりコンプレッサモータ用インバータ２２やコンプレッサモータ２６にかかる負荷の許容範囲内で最大の回生制御を行った場合において、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入らないように乖離度合いを減少させることが可能な最小の回転数に設定される。これは、制御判断の回転数を高い値に設定すれば乖離度合いはより小さくできるが、コンプレッサモータ用インバータ２２やコンプレッサモータ２６などにダメージを与えることになるので、これらのハードウェアにダメージを与えない範囲で制御を実行するためである。
【００２４】
ステップＳ３における乖離度合いの推定は、図５に示すように、アクセルオフ時における空気コンプレッサ３の下流側圧力をもとに、図３に示したような乖離度合い推定データを用いて行う。すなわち、コントローラ３０は、まず、ステップＳ３−１において、空気供給配管８に設けられた圧力センサ３２からの圧力信号を読み込む。また、ステップＳ３−２において、予め実験等で求めて保持している図３に示したような乖離度合い推定データ、つまり、アイドル運転移行時における空気コンプレッサ３の下流側圧力と回転数乖離度合いとの関係を示す乖離度合い推定データをメモリから読み出す。そして、ステップＳ３−３において、ステップＳ３−１で読み込んだ圧力信号をステップＳ３−２でメモリから読み出した乖離度合い推定データと照らし合わせて、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合い（乖離回転数）を推定する。
【００２５】
次に、コントローラ３０は、ステップＳ４において、ステップＳ３で推定した乖離度合いに基づいて、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ることになるか否かを判定する。ここで、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定すると判定した場合は、ステップＳ１１に進んで制御を解除して、通常制御に復帰する。一方、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ると判定した場合は、次のステップＳ５において、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行うための回生量の演算を行う。
【００２６】
ステップＳ５における回生量の演算は、図６に示すように、ステップＳ３の推定結果をもとに、予め作成しておいた乖離度合い（乖離回転数）とコンプレッサモータ２６に対する回生量との関係を示すデータを用いて行う。このとき、２次電池２７のＳＯＣがフル充電に近い状態で常時回生制御はできないが、ごく短時間であれば回生は許可されるとし、回生量演算に２次電池２７のＳＯＣの状態及び温度から算出される回生量の制約を反映する。すなわち、コントローラ３０は、まず、ステップＳ５−１において、ステップＳ３で推定した乖離回転数の推定値を読み込む。また、ステップＳ５−２において、予め実験等で求めて保持している乖離回転数と回生量との関係を示すデータをメモリから読み出す。また、ステップＳ５−３において、２次電池２７による回生制限量を読み込む。そして、ステップＳ５−４において、ステップＳ５−１で読み込んだ乖離回転数の推定値をステップＳ５−２でメモリから読み出したデータに照らし合わせ、さらにステップＳ５−３で読み込んだ回生制限量による制約を加えて、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを減少させるための最適な回生量を演算する。
【００２７】
次に、コントローラ３０は、ステップＳ６において、ステップＳ５で演算した回生量でコンプレッサモータ２６を回生制御を行った場合の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定し、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行って乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程で制御禁止領域に入ることになるか否かを判定する。ここで、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行うことで空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定すると判定した場合は、次のステップＳ７において、ステップＳ５で演算した回生量を追加してコンプレッサモータ２６の制御を行う。そして、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いたら（ステップＳ８）、ステップＳ１１に進んで本実施形態の回成制御を解除して、通常制御に復帰する。なお、回生量を追加したコンプレッサモータ２６の制御とは、通常制御でフィードバック制御している回生トルクに加えて、ステップＳ５で演算した回生量に応じた回生トルクを追加して（下駄履きさせて）、フィードバック制御を行うことである。
【００２８】
一方、コンプレッサモータ２６に対する回生制御を行って乖離度合いを減少させてもなお、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ると判定した場合には、空気コンプレッサ３が逆回転する恐れもあるため、ステップＳ９において、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いたら、例えば直流通電手段によりコンプレッサモータ２６にモータロック電流を流してモータ軸をロックさせ、回転数を０とする。そして、空気コンプレッサ３の下流側圧力が空気コンプレッサ３の逆回転を生じさせない圧力、例えば図３に示したＰ１以下にまで低下したら（ステップＳ１０）、ステップＳ１１に進んでコンプレッサモータ２６に対するモータロック電流の通電を解除して、通常制御に復帰する。
【００２９】
図７乃至図９は、本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数の挙動を示す図である。なお、図７はコンプレッサモータ２６に対する回生制御が不要と判断されて直ぐに通常制御に復帰した場合の例（例１）であり、図８はコンプレッサモータ２６に対する一時的な回生制御により空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数の乖離度合いを減少させた例（例２）であり、図９はコンプレッサモータ２６に対してロック電流を流して空気コンプレッサ３の逆回転を防止した例（例３）である。
【００３０】
図７に示す例１では、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いを推定した結果、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定する挙動となるので、コンプレッサモータ２６に対する回生制御は行っていない。これに対して、図８に示す例２では、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが例１と比較して大きく、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程において制御禁止領域に入ることが予測されるので、２次電池２７のＳＯＣも加味して算出された回生量でコンプレッサモータ２６に対する回生制御を行っている。これにより、空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが減少し、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることなくアイドル回転数で安定する挙動となる。
【００３１】
図９に示す例３は、２次電池２７のＳＯＣも加味して算出された回生量でコンプレッサモータ２６に対する回生制御を行ってもなお、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数で安定するまでの過程において制御禁止領域に入ることが予測されるので、空気コンプレッサ３の回転数がアイドル回転数に近付いた段階（図９中の回転数Ｎ１となった段階）でコンプレッサモータ２６にロック電流を通電して強制的に回転数を０にしている。これにより、空気コンプレッサ３の逆回転が防止される。
【００３２】
以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態によれば、燃料電池１が定格運転からアイドル運転に移行する際、空気コンプレッサ３の下流側圧力の影響により空気コンプレッサ３に逆回転のトルクがかかった場合でも、例えばコンプレッサモータ２６に対する回生制御により空気コンプレッサ３の指令回転数と実回転数との乖離度合いが減少するので、空気コンプレッサ３の回転数が所定の制御禁止領域に入ることを抑制して、燃料電池車両の加速応答性能の低下を有効に防止することができる。また、２次電池２７のＳＯＣにより十分な回生制御が行えず、空気コンプレッサ３の回転数が制御禁止領域に入ることが不可避な場合には、コンプレッサモータ２６がロックされるので、空気コンプレッサ３の逆回転が防止され、空気コンプレッサ３の逆回転に起因するノイズや振動の発生、アノードからカソードへの水素の流出といった不都合を有効に防止することができる。
【００３３】
なお、以上は本発明の一実施形態を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。例えば、本発明の適用対象となる車両用燃料電池システムは、図１に示した構成に限らず、様々な変形が可能である。また、コントローラ３０によって実行される制御処理の詳細についても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、システムに要求される仕様などに応じて適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】車両用燃料電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】コンプレッサモータに対する回生制御を行わない場合における、アイドル運転移行時の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の変化の様子を示す図である。
【図３】アクセルオフ時における空気コンプレッサの下流側圧力と乖離回転数との関係を示す図である。
【図４】本発明を適用したコントローラにより実行される制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】図４のステップＳ３における回転数乖離度合い推定処理の詳細を示す図である。
【図６】図４のステップＳ５における回生量演算処理の詳細を示す図である。
【図７】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対する回生制御が不要と判断されて直ぐに通常制御に復帰した場合の例を示す図である。
【図８】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対する一時的な回生制御により空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の乖離度合いを減少させた例を示す図である。
【図９】本実施形態の制御処理を行った場合の空気コンプレッサの指令回転数と実回転数の挙動を示す図であり、コンプレッサモータに対してロック電流を流して空気コンプレッサの逆回転を防止した例を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 燃料電池
２ 高圧圧縮水素容器
３ 空気コンプレッサ
２２ コンプレッサモータ用インバータ
２６ コンプレッサモータ
２７ ２次電池
３０ コントローラ
３１ アクセル開度センサ
３２ 圧力センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサからの空気と燃料供給源からの燃料ガスとを燃料電池に供給して燃料電池から出力を取り出す車両用燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際の前記コンプレッサに対する指令回転数と前記コンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定する推定手段と、
前記推定手段で推定された乖離度合いに基づいて、前記コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記乖離度合いを減少させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記推定手段は、アイドル運転移行時における前記コンプレッサの下流側圧力と前記乖離度合いとの関係を示す乖離度合い推定データを保持しており、当該乖離度合い推定データと、実際に前記コンプレッサの下流側圧力を測定した測定結果とに基づいて、前記乖離度合いを推定することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記車両用燃料電池システムは充放電可能な２次電池を有し、
前記制御手段は、前記２次電池に充電可能な電力の範囲で前記コンプレッサのモータを回生制御することで、前記乖離度合いを減少させることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記コンプレッサのモータに対する回生制御を行って前記乖離度合いを減少させてもなお、前記コンプレッサの回転数が前記制御禁止領域に入るか否かを判定する第２判定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第２判定手段により前記コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記コンプレッサのモータにロック電流を流してモータ軸をロックさせることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記コンプレッサの下流側圧力が前記コンプレッサの逆回転を生じさせない圧力にまで低下した段階で、前記コンプレッサのモータに対するロック電流の供給を停止させることを特徴とする請求項４に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記コンプレッサの実際の回転数が、当該コンプレッサのモータにかかる負荷の許容値に応じて定まる所定の回転数まで低下した段階で、前記推定手段と前記判定手段と前記制御手段とによる一連の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
コンプレッサからの空気と燃料供給源からの燃料ガスとを燃料電池に供給して燃料電池から出力を取り出す車両用燃料電池システムの前記コンプレッサの動作を制御する方法であって、
前記燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際の前記コンプレッサに対する指令回転数と前記コンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定し、この乖離度合いに基づいて、前記コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記乖離度合いを減少させる制御を行うことを特徴とするコンプレッサ制御方法。
【請求項１】
コンプレッサからの空気と燃料供給源からの燃料ガスとを燃料電池に供給して燃料電池から出力を取り出す車両用燃料電池システムの制御装置であって、
前記燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際の前記コンプレッサに対する指令回転数と前記コンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定する推定手段と、
前記推定手段で推定された乖離度合いに基づいて、前記コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入るか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記乖離度合いを減少させる制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記推定手段は、アイドル運転移行時における前記コンプレッサの下流側圧力と前記乖離度合いとの関係を示す乖離度合い推定データを保持しており、当該乖離度合い推定データと、実際に前記コンプレッサの下流側圧力を測定した測定結果とに基づいて、前記乖離度合いを推定することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
前記車両用燃料電池システムは充放電可能な２次電池を有し、
前記制御手段は、前記２次電池に充電可能な電力の範囲で前記コンプレッサのモータを回生制御することで、前記乖離度合いを減少させることを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記コンプレッサのモータに対する回生制御を行って前記乖離度合いを減少させてもなお、前記コンプレッサの回転数が前記制御禁止領域に入るか否かを判定する第２判定手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第２判定手段により前記コンプレッサの回転数が制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記コンプレッサのモータにロック電流を流してモータ軸をロックさせることを特徴とする請求項３に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記コンプレッサの下流側圧力が前記コンプレッサの逆回転を生じさせない圧力にまで低下した段階で、前記コンプレッサのモータに対するロック電流の供給を停止させることを特徴とする請求項４に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記コンプレッサの実際の回転数が、当該コンプレッサのモータにかかる負荷の許容値に応じて定まる所定の回転数まで低下した段階で、前記推定手段と前記判定手段と前記制御手段とによる一連の制御を開始することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
コンプレッサからの空気と燃料供給源からの燃料ガスとを燃料電池に供給して燃料電池から出力を取り出す車両用燃料電池システムの前記コンプレッサの動作を制御する方法であって、
前記燃料電池が定格運転からアイドル運転に移行する際の前記コンプレッサに対する指令回転数と前記コンプレッサの実際の回転数との乖離度合いを推定し、この乖離度合いに基づいて、前記コンプレッサの回転数がアイドル回転数で安定するまでの間に、回転数０の付近に設定された所定の制御禁止領域に入ると判定された場合に、前記乖離度合いを減少させる制御を行うことを特徴とするコンプレッサ制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２７０１３２（Ｐ２００８−２７０１３２Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１５３４３（Ｐ２００７−１１５３４３）
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２５日（２００７．４．２５）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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