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【発明の名称】 車両に搭載された燃料電池システムの制御
【発明者】 【氏名】山下 勝司
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内
【要約】 【課題】車両の運転に必要な運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することのできる技術を提供する。

【解決手段】制御装置は、車両の運転に必要な運転パワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態を制御するための制御部と、を備える。運転パワー推定部は、変化し得る車両の総重量を決定するための重量決定部を備え、決定された総重量を用いて車両の走行に必要な走行パワーＰｒを推定することにより、走行パワーを少なくとも含む運転パワーＰｔを求める。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 車両に搭載された燃料電池システムを制御するための制御装置であって、前記車両の運転に必要な運転パワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御するための制御部と、を備え、前記運転パワー推定部は、変化し得る前記車両の総重量を決定するための重量決定部を備え、決定された前記総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを求めることを特徴とする制御装置。
【請求項２】 請求項１記載の制御装置であって、前記重量決定部は、前記車両の搭乗人数を計測するための計測部を備え、計測結果を用いて前記総重量を決定する、制御装置。
【請求項３】 請求項１記載の制御装置であって、前記車両は、所定の運行経路を走行し、前記重量決定部は、時間的な周期で変化する前記車両の総重量を推定するためのマップを備える、制御装置。
【請求項４】 請求項１記載の制御装置であって、前記車両は、所定の運行経路を走行し、前記運転パワー推定部は、前記所定の運行経路内における前記車両の位置に応じて前記走行パワーを推定するためのマップを備える、制御装置。
【請求項５】 請求項１記載の制御装置であって、前記走行パワーは、前記車両に作用するころがり抵抗に起因するパワーを含む、制御装置。
【請求項６】 請求項５記載の制御装置であって、前記走行パワーは、さらに、前記車両に作用する空気抵抗と勾配抵抗と加速抵抗とのうちの少なくとも１つに起因するパワーを含む、制御装置。
【請求項７】 請求項１記載の制御装置であって、前記運転パワー推定部は、さらに、補機の動作に必要な動作パワーを推定し、前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーとを含む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行する、制御装置。
【請求項８】 請求項７記載の制御装置であって、前記補機は、前記車両室内の温度を調節するための空調装置を含み、前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記動作パワーを推定するためのマップを備える、制御装置。
【請求項９】 請求項１記載の制御装置であって、前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を調整する、制御装置。
【請求項１０】 請求項１記載の制御装置であって、前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記燃料ガス供給部は、所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成するための改質器を備え、前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記改質器に供給される前記原料の流量を調整する、制御装置。
【請求項１１】 車両に搭載された燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記車両の運転に必要な運転パワーを推定する工程と、（ｂ）推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御する工程と、を備え、前記工程（ａ）は、変化し得る前記車両の総重量を決定し、決定された前記総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを求める工程を含むことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両に搭載された燃料電池システムの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池システムを搭載した車両では、通常、燃料電池と二次電池とが車両の電源装置を構成している。二次電池は、燃料電池を補助する機能を有しており、二次電池からの電力は、例えば、燃料電池の発電停止期間中に使用されたり、車両の過渡的な走行（例えば、加速）の際に使用されたりする。
【０００３】車両が走行する際には、車両に作用する走行抵抗よりも大きな駆動力を発生させるための走行パワーが必要である。また、車両では、室内の温度を調節するための空調装置などの補機を動作させるための動作パワーが必要である。このため、電源装置は、車両の運転に必要な運転パワーよりも大きな電力を出力する必要がある。
【０００４】通常、車両が要求する運転パワーと燃料電池の出力電力とは、相違する。二次電池は、この相違を吸収する。具体的には、要求される運転パワーが燃料電池の出力電力よりも大きい場合には、二次電池は不足電力を補う。逆に、要求される運転パワーが燃料電池の出力電力よりも小さい場合には、二次電池は余剰電力を蓄える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来では、要求される運転パワーと燃料電池の出力電力との相違が比較的大きいという問題があった。このため、従来では、比較的大型の二次電池を用いる必要があった。なお、上記の問題は、路線バスなどのように、車両の総重量が乗客の乗降によって変化する場合に顕著となる。これは、車両の走行に必要な走行パワーが車両の総重量に応じて変化するためである。
【０００６】本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、車両の運転に必要な運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することのできる技術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】上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、車両に搭載された燃料電池システムを制御するための制御装置であって、前記車両の運転に必要な運転パワーを推定するための運転パワー推定部と、推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御するための制御部と、を備え、前記運転パワー推定部は、変化し得る前記車両の総重量を決定するための重量決定部を備え、決定された前記総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを求めることを特徴とする。
【０００８】この制御装置では、運転パワー推定部は、変化し得る車両の総重量に応じて、走行パワーを推定することができる。したがって、制御装置は、走行パワーを少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することが可能となる。
【０００９】上記の装置において、前記重量決定部は、前記車両の搭乗人数を計測するための計測部を備え、計測結果を用いて前記総重量を決定するようにしてもよい。
【００１０】このように搭乗人数を計測すれば、車両の総重量を比較的正確に決定することができる。
【００１１】上記の装置において、前記車両は、所定の運行経路を走行し、前記重量決定部は、時間的な周期で変化する前記車両の総重量を推定するためのマップを備えるようにしてもよい。
【００１２】路線バスのように車両が所定の運行経路を走行する場合には、搭乗人数が時間的な周期で変化する。このような場合には、上記のマップを用いることによって、車両の総重量を容易に決定することが可能となる。なお、マップは、１日の周期や、１週の周期、１年の周期などに基づいて作成可能である。
【００１３】上記の装置において、前記車両は、所定の運行経路を走行し、前記運転パワー推定部は、前記所定の運行経路内における前記車両の位置に応じて前記走行パワーを推定するためのマップを備えるようにしてもよい。
【００１４】路線バスのように車両が所定の運行経路を走行する場合には、車両の位置に応じて走行パワーを推定することができる。したがって、上記のマップを用いることによって、走行パワーを容易に決定することが可能となる。
【００１５】上記の装置において、前記走行パワーは、前記車両に作用するころがり抵抗に起因するパワーを含むことが望ましい。
【００１６】車両が走行する際には、車両には、必ずころがり抵抗が作用する。したがって、上記のようにすれば、走行パワーを比較的正確に推定することができる。
【００１７】また、上記の装置において、前記走行パワーは、さらに、前記車両に作用する空気抵抗と勾配抵抗と加速抵抗とのうちの少なくとも１つに起因するパワーを含むことが好ましい。
【００１８】車両が走行する際には、車両には、ころがり抵抗と共に空気抵抗が作用する。空気抵抗は、車両が高速走行する際にかなり大きくなる。勾配抵抗は、坂路走行の際に車両に作用し、加速抵抗は、加減速走行の際に車両に作用する。走行パワーが上記のような種々の抵抗に起因するパワーを含んでいれば、車両の走行に必要な走行パワーをより正確に推定することが可能となる。
【００１９】上記の装置において、前記運転パワー推定部は、さらに、補機の動作に必要な動作パワーを推定し、前記制御部は、前記走行パワーと前記動作パワーとを含む前記運転パワーに応じて、前記制御を実行することが好ましい。
【００２０】こうすれば、運転パワーと燃料電池の出力電圧とがより整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することができる。
【００２１】また、上記の装置において、前記補機は、前記車両室内の温度を調節するための空調装置を含み、前記運転パワー推定部は、時間的な周期で変化する前記動作パワーを推定するためのマップを備えるようにしてもよい。
【００２２】空調装置の動作状態は、１日の周期や１年の周期などによって変化する。このため、空調装置を含む補機の動作に必要な動作パワーは推定可能である。したがって、上記のマップを用いることによって、動作パワーを比較的容易に決定することができる。
【００２３】上記の装置において、前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスの流量を調整するようにしてもよい。
【００２４】あるいは、上記の装置において、前記燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備え、前記燃料ガス供給部は、所定の原料を改質して、前記燃料ガスを生成するための改質器を備え、前記制御部は、前記運転パワーに基づいて、前記改質器に供給される前記原料の流量を調整するようにしてもよい。
【００２５】このように、燃料電池に供給される燃料ガスの流量を要求される運転パワーに応じて調整すれば、運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することができる。なお、燃料ガス供給部が改質器を含む場合には、燃料電池に供給される燃料ガスの流量と改質器に供給される原料の流量との双方を調整するようにしてもよい。
【００２６】本発明の方法は、車両に搭載された燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記車両の運転に必要な運転パワーを推定する工程と、（ｂ）推定された前記運転パワーに応じて、前記燃料電池システムの運転状態を制御する工程と、を備え、前記工程（ａ）は、変化し得る前記車両の総重量を決定し、決定された前記総重量を用いて前記車両の走行に必要な走行パワーを推定することにより、前記走行パワーを少なくとも含む前記運転パワーを求める工程を含むことを特徴とする。
【００２７】この方法を用いる場合にも、本発明の装置を用いる場合と同様の作用・効果を奏し、走行パワーを少なくとも含む運転パワーと燃料電池の出力電力とが整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することが可能となる。
【００２８】なお、本発明は、制御方法、制御装置、その方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】Ａ．装置の全体構成：次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、燃料電池システムを搭載する電気自動車の概略構成を示す説明図である。なお、本実施例の電気自動車は、所定の運行経路を走行する路線バスである。
【００３０】電気自動車は、電源装置２０と、第１の補機群３０と、ＤＣ／ＡＣインバータ４０と、第２の補機群５０と、三相モータ６０と、減速ギヤ７０と、を備えている。電源装置２０は、第１の補機群３０とインバータ４０とに電気的に接続されており、インバータ４０は、モータ６０と第２の補機群５０とに電気的に接続されている。また、モータ６０の出力軸は、減速ギヤ７０を介して、駆動軸に機械的に接続されている。
【００３１】電源装置２０は、第１の補機群３０とインバータ４０とに電力を供給する。インバータ４０に与えられた電力は、第２の補機群５０とモータ６０とに供給される。なお、第１の補機群３０は、燃料電池システム（後述する）に含まれる流量制御弁などを含む。第２の補機群５０は、電気自動車の室内の温度を調節するための空調装置などを含む。
【００３２】電源装置２０は、燃料電池２２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、二次電池２６と、を備えている。燃料電池２２は、コンバータ２４に並列に接続されており、コンバータ２４は、二次電池２６に接続されている。
【００３３】燃料電池２２は、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電する。本実施例では、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池が用いられている。なお、燃料電池２２を含む燃料電池システムについては、後述する。
【００３４】二次電池（蓄電池）２６は、燃料電池２２を補助する機能を有している。具体的には、二次電池２６は、電気自動車の走行（駆動）に必要な走行パワーが燃料電池２２の出力電力を超えるときに、コンバータ２４を介して、インバータ４０に電力を供給する。また、二次電池２６は、燃料電池２２の発電開始時に、燃料電池システムに含まれる流量制御弁などを動作させるために、コンバータ２４を介して、第１の補機群３０に電力を供給する。二次電池２６は、電気自動車の制動時に発生する回生エネルギを蓄える機能も有している。すなわち、本実施例の三相モータ６０は、電気自動車の制動時には発電機として機能し、運動エネルギを電気エネルギに変換する。そして、二次電池２６は、コンバータ２４を介して、変換済みの電気エネルギを蓄える。
【００３５】ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、電源装置２０（燃料電池２２）の出力電圧の目標値を設定する。これにより、燃料電池２２の動作ポイントが決定される。すなわち、コンバータ２４が燃料電池２２の出力電圧を設定することにより、燃料電池２２の出力電流および出力電力（発電量）が決定される。図２は、燃料電池の出力特性を示すグラフである。図２では、燃料電池の出力電流と出力電圧と出力電力との関係が模式的に示されている。図示するように、燃料電池の出力すべき電力ＰFC（＝ＩFC・ＶFC）が決定されると、出力電流ＩFCと出力電圧ＶFCとが決定される。
【００３６】また、電気自動車（図１）は、コンバータ２４と第１の補機群３０とインバータ４０とを制御するための制御装置４００を備えている。制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態（発電）を制御する。
【００３７】具体的には、制御装置４００は、運転パワー推定部４１０と制御部４２０とを備えている。運転パワー推定部４１０は、電気自動車の運転に必要な運転パワーを推定する。すなわち、運転パワー推定部４１０は、変化し得る電気自動車（路線バス）の総重量を決定するための重量決定部４１２を備えており、決定された総重量を用いて電気自動車の走行に必要な走行パワーを推定する。また、運転パワー推定部４１０は、第１の補機群３０および第２の補機群５０の動作に必要な動作パワーを推定する。そして、運転パワー推定部４１０は、走行パワーと動作パワーとを含む運転パワーを求める。制御部４２０は、推定された運転パワーに応じて、燃料電池システムの運転状態（発電）を制御する。なお、制御装置４００の処理については、さらに、後述する。
【００３８】Ｂ．燃料電池システムの構成：図３は、燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システムは、燃料電池２２（図１）と燃料ガス供給部２００と酸化ガス供給部３００とを備えている。
【００３９】燃料ガス供給部２００（図３）は、水素ガスを含む燃料ガスを生成して燃料電池２２に供給する。燃料ガス供給部２００は、原料タンク２１２と、水タンク２１４と、３つの流量制御弁２２２，２２４，２２６と、２つの流量計２３２，２３４と、改質器２４０と、を備えている。改質器２４０は、燃焼部２４２と、熱交換器２４３と、蒸発部２４４と、改質部２４６と、ＣＯ酸化部２４８と、を備えている。なお、本実施例の原料タンク２１２には、メタンガスが貯蔵されている。
【００４０】改質器２４０内の蒸発部２４４には、原料タンク２１２から原料（メタンガス）が導入されるとともに、水タンク２１４から水が導入される。原料タンク２１２と蒸発部２４４との間の通路には、第１の流量制御弁２２２と第１の流量計２３２とが設けられており、水タンク２１４と蒸発部２４４との間の通路には、第２の流量制御弁２２４と第２の流量計２３４とが設けられている。
【００４１】燃焼部２４２には、燃焼燃料が導入される。本実施例では、燃料燃料として、原料タンク２１２から供給されるメタンガスが用いられている。原料タンク２１２と蒸発部２４４との通路には、第３の流量制御弁２２６が設けられている。
【００４２】燃焼部２４２は、ブロワ２５１によって供給される空気中の酸素を用いて、燃焼燃料（メタンガス）を燃焼させる。熱交換器２４３は、燃焼部２４２で発生する熱を蒸発部２４４に伝える。蒸発部２４４は、与えられた熱を利用して、導入された水を蒸発させる。これにより、蒸発部２４４は、原料（メタンガス）と水蒸気との混合ガスを生成する。
【００４３】改質部２４６は、改質反応を促進させる触媒を担持しており、蒸発部２４４から供給された混合ガスを改質して、水素ガスを含む改質ガスを生成する。なお、触媒としては、例えば、Ｎｉ触媒が用いられる。改質部２４６では、次の式（１），式（２）に示す化学反応が順次進行し、全体では、式（３）に示す改質反応が進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれている。
【００４４】
ＣＨ4 ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ2 …（１）
ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ Ｈ2 …（２）
ＣＨ4 ＋ ２Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2 …（３）
【００４５】ＣＯ酸化部２４８は、ブロワ２５２によって供給される空気中の酸素を用いて、改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスを酸化する。そして、ＣＯ酸化部２４８からは、一酸化炭素ガス濃度の低い燃料ガスが排出される。このような燃料ガスを燃料電池２２に供給することにより、燃料電池内部の貴金属触媒が一酸化炭素ガスによって被毒することを防止することができる。
【００４６】酸化ガス供給部３００（図３）は、ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池２２に供給する。
【００４７】燃料電池２２（図３）は、燃料ガス供給部２００から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部３００から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。具体的には、燃料電池２２内部では、以下に示す電気化学反応が進行する。なお、式（４）はアノード（水素極）における反応を示しており、式（５）はカソード（酸素極）における反応を示している。そして、全体では、式（６）に示す反応が進行する。
【００４８】
Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- …（４）
（１／２）Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（５）
Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（６）
【００４９】制御装置４００は、図３に示すように、燃料ガス供給部２００および酸化ガス供給部３００を構成する各部に電気的に接続されている。具体的には、制御装置４００は、第１の補機群３０（図１）を構成する３つの流量制御弁２２２，２２４，２２６と、２つの流量計２３２，２３４と、３つのブロワ２５１，２５２，３１０と、に接続されている。
【００５０】Ｃ．燃料電池システムの制御：式（４）から分かるように、燃料電池２２の出力電流（出力電力）は、燃料ガス供給部２００から燃料電池２２へ供給される水素ガス流量に応じて決定される。そこで、本実施例の制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な運転パワーを推定することにより、燃料電池２２に要求される出力電力を決定し、要求される出力電力に応じて燃料電池に供給される水素ガスの流量を調整する。具体的には、制御装置４００は、改質器２４０に供給される原料の流量と水の流量とを調整することにより、燃料電池２２に供給される水素ガスの流量を調整する。このようにして、制御装置４００は、燃料電池２２の出力電力を制御する。
【００５１】図４は、制御装置４００による燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【００５２】ステップＳ１０１では、運転パワー推定部４１０が電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔを推定する。具体的には、ステップＳ１０１ａでは、電気自動車の走行に必要な走行パワーＰｒが推定され、ステップＳ１０１ｂでは、第１の補機群３０および第２の補機群５０の動作に必要な動作パワーＰｗが推定される。そして、ステップＳ１０１ｃでは、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとが加算され、運転パワー（トータルパワー）Ｐｔが決定される。
【００５３】ステップＳ１０１ａで推定される走行パワーＰｒは、電気自動車の走行抵抗に関係する。すなわち、電気自動車が走行する際には、電気自動車に作用する走行抵抗よりも大きな駆動力が必要である。ここで、走行抵抗は、ころがり抵抗や、空気抵抗、勾配抵抗、加速抵抗などを含んでいる。走行抵抗に等しい駆動力を得るためにモータ６０に要求される走行パワーＰｒ（Ｊ／ｓ）は、式（７）で表される。
【００５４】
Ｐｒ＝Ｐ１＋Ｐ２＋Ｐ３＋Ｐ４ ＝（Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４）・Ｖ …（７）
【００５５】ここで、Ｒ１（Ｎ）〜Ｒ４（Ｎ）は、それぞれ、ころがり抵抗、空気抵抗、勾配抵抗、加速抵抗であり、Ｖ（ｍ／ｓ）は電気自動車の速度である。また、Ｐ１（Ｊ／ｓ）〜Ｐ４（Ｊ／ｓ）は、それぞれ抵抗Ｒ１〜Ｒ４に起因して要求されるパワーである。
【００５６】各抵抗Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ、式（８），式（９），式（１０），式（１１）で表される。
【００５７】
Ｒ１＝Ｋ１・Ｍ・ｇ …（８）
Ｒ２＝Ｋ２・Ａ・Ｖ2 …（９）
Ｒ３＝Ｍ・ｇ・sin θ …（１０）
Ｒ４＝Ｍ・α …（１１）
【００５８】ここで、Ｋ１はころがり抵抗係数であり、路面の状況やタイヤの材料などによって決定される値である。Ｍ（Ｋｇ）は車両総質量である。ｇ（ｍ／ｓ2 ）は重力加速度である。Ｋ２は空気抵抗係数であり、電気自動車の側方形状に応じて決定される値である。なお、Ｋ２は、流線型の場合には比較的小さく、箱型の場合には比較的大きい。Ａは電気自動車の前面投影面積（ｍ2 ）である。θは路面の傾斜角度である。α（ｍ／ｓ2 ）は電気自動車の加速度である。
【００５９】なお、式（８）〜式（１１）から分かるように、電気自動車が走行する際には、ころがり抵抗Ｒ１は必ず電気自動車に作用する。空気抵抗Ｒ２は、ころがり抵抗Ｒ１と共に、必ず電気自動車に作用し、高速走行の際にかなり大きくなる。勾配抵抗Ｒ３は、坂路走行の際に電気自動車に作用し、加速抵抗Ｒ４は、加減速走行の際に電気自動車に作用する。
【００６０】走行パワーＰｒを求めるための式（７）〜式（１１）中の各パラメータＭ，Ｖ，α，θは、運転パワー推定部４１０によって以下のように決定される。
【００６１】電気自動車の総質量Ｍは、空車状態における車両質量と乗客質量との和にほぼ等しい。車両質量は、既知であり、乗客質量は、搭乗人数と標準体重（質量）との積にほぼ等しい。したがって、搭乗人数を決定することにより、電気自動車（路線バス）の総質量Ｍを決定することができる。重量決定部４１２は、搭乗人数を計測するための計測部４１４を備えており、計測結果を用いて電気自動車の総重量（Ｍ・ｇ）を決定する。計測部４１４は、搭乗券の発行枚数および回収枚数を計測することにより、搭乗人数を決定する。あるいは、計測部４１４は、乗車人数および降車人数を直接計測することにより、搭乗人数を決定する。乗車人数および降車人数は、路線バスの乗降口に、人の乗車および降車を検出可能なセンサを設けることによって、計測可能である。なお、センサとしては、光電管センサや赤外線センサなどを用いることができる。このように、搭乗人数を計測すれば、重量決定部４１２は、路線バスの停留所毎に変化する電気自動車の総重量を比較的正確に決定することができる。
【００６２】なお、本実施例では、重量決定部４１２は、搭乗人数を計測することによって電気自動車の総重量を決定しているが、これに代えて、路線バスの特徴を考慮して、マップを用いて総重量を決定するようにしてもよい。例えば、総質量Ｍは、路線バスの運行経路内における位置に応じた総質量の変化を示すマップを用いることによって決定可能である。このようにすれば、重量決定部４１２は、路線バスの停留所毎に変化する電気自動車の総重量（Ｍ・ｇ）を比較的容易に決定することができる。ここで、路線バスの運行経路内における位置は、例えば、ＧＰＳ情報や、所定の起点（発車場など）からの累積走行距離情報などを用いて決定可能である。なお、累積走行距離情報は、例えば、トリップメータから得られる。さらに、路線バスが所定のタイムスケジュールに従って走行する場合には、時刻から上記の位置を推定することも可能である。
【００６３】また、路線バスの搭乗人数は、換言すれば、路線バスの総質量Ｍは、時間的な周期で変化する。図５は、路線バスの１日の総質量Ｍの変化を示すマップである。図示するように、１日の周期では、搭乗人数の比較的多い朝・夕の時間帯に、総質量Ｍが比較的大きくなる。また、図６は、路線バスの１週の総質量Ｍの変化を示すマップである。図示するように、１週の周期では、搭乗人数の比較的多い平日に、総質量Ｍが比較的大きくなる。さらに、１年の周期では、搭乗人数の比較的少ない夏期および冬期の長期休暇期間中に、総質量Ｍが比較的小さくなる。このように、路線バスの総質量Ｍの変化は、周期性を有している。したがって、１日、１週、１年などの時間的な周期に応じた総質量Ｍを示すマップを用いれば、重量決定部４１２は、総重量Ｍ・ｇを比較的容易に決定することができる。
【００６４】電気自動車の速度Ｖは、実際の速度を測定することによって決定される。なお、実際の速度は、駆動軸の回転数を測定するセンサを用いて求められる。
【００６５】電気自動車の加速度αは、実際の加速度を測定することによって決定される。なお、加速度は、上記の速度Ｖの測定結果を用いて算出可能である。
【００６６】路面の傾斜角度θは、ＧＰＳ情報を取得することによって決定される。具体的には、傾斜角度θは、経時的に変化する電気自動車の水平位置情報の変化量と垂直位置情報の変化量とを算出することによって決定される。
【００６７】なお、速度Ｖと加速度αと傾斜角度θとは、上記の総質量Ｍと同様に、路線バスの特徴を考慮して、マップを用いて決定されるようにしてもよい。例えば、速度Ｖは、路線バスの位置に応じた速度の変化を示すマップを用いることによって決定可能である。同様に、加速度αは、路線バスの位置に応じた加速度の変化を示すマップを用いることによって決定可能であり、傾斜角度θは、路線バスの位置に応じた傾斜角度の変化を示すマップを用いることによって決定可能である。このようなマップを用いれば、運転パワー推定部４１０は、路線バスの運行経路内の位置に応じて変化する走行パワーＰｒを比較的容易に推定することができる。
【００６８】上記のようにして、運転パワー推定部４１０は、各パラメータＭ，Ｖ，α，θを決定して、走行パワーＰｒを求める。
【００６９】ステップＳ１０１ｂで推定される動作パワーＰｗは、第１の補機群３０および第２の補機群５０の動作に必要なパワーである。図７は、路線バスの１年の動作パワーＰｗの変化を示すマップである。図示するように、１年の周期では、動作パワーＰｗは、夏期に比較的大きくなっている。これは、第２の補機群５０に含まれる空調装置の動作に必要なパワーが、夏期に大きくなるためである。なお、１日の周期では、気温の比較的高い昼の時間帯に、動作パワーＰｗが比較的大きくなる。このように、路線バスの動作パワーＰｗの変化は、周期性を有している。したがって、１年、１日などの周期に応じた動作パワーの変化を示すマップを用いれば、運転パワー推定部４１０は、動作パワーＰｗを比較的容易に決定することができる。
【００７０】ステップＳ１０１ｃでは、運転パワー推定部４１０は、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを加算して、電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔ（＝Ｐｒ＋Ｐｗ）を求める。
【００７１】次に、ステップＳ１０２（図４）では、制御部４２０は、ステップＳ１０１で推定された運転パワーＰｔに応じて、改質器２４０に供給される原料（メタンガス）と水との目標流量を算出する。
【００７２】電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔを満足するために燃料電池２２に要求される出力電力ＰFC（Ｊ／ｓ）は、式（１２）で表される。なお、Ｋｍｅは機械−電気変換効率などを含む定数である。
【００７３】
ＰFC＝Ｋｍｅ・Ｐｔ …（１２）
【００７４】図２で説明したように、燃料電池２２に要求される出力電力（発電量）ＰFCが決まると、燃料電池の出力電圧ＶFC（Ｖ）と出力電流ＩFC（Ａ）とが決定される。燃料電池２２に要求される出力電流ＩFCは、式（１３）で表される。
【００７５】
ＩFC＝ＰFC／ＶFC …（１３）
【００７６】なお、燃料電池の出力電圧ＶFCは、コンバータ２４（図１）の出力電圧（電源装置２０の目標電圧値）に等しい。式（１３）の電圧ＶFCとしては、電圧計を用いて測定された値を用いてもよいし、近似的な定数を用いてもよい。
【００７７】出力電流ＩFCを得るために必要な水素ガス流量Ｆｈ（ｍｏｌ／ｓ）は、式（４）から分かるように、式（１４）で表される。
【００７８】
Ｆｈ＝ＩFC・Ｋｈ／（２・Ｆ） …（１４）
【００７９】ここで、Ｋｈは、燃料電池２２における水素利用率の逆数である。Ｆ（Ｃ／ｍｏｌ）は、ファラデー定数であり、電子１モル当たりの電荷量を示す。
【００８０】水素ガス流量Ｆｈを改質器２４０で生成する際に必要となるメタンガス流量Ｆｍ（ｍｏｌ／ｓ）および水流量Ｆｗ（ｍｏｌ／ｓ）は、式（３）から分かるように、それぞれ式（１５），式（１６）で表される。
【００８１】
Ｆｍ＝Ｆｈ／４ …（１５）
Ｆｗ＝Ｆｈ／２ …（１６）
【００８２】式（１２）〜式（１６）を用いれば、メタンガスの目標流量Ｆｍおよび水の目標流量Ｆｗは、推定された運転パワーＰｔの関数で表される。
【００８３】ステップＳ１０３では、制御部４２０は、改質器２４０に供給されるメタンガス流量および水流量を制御する。具体的には、制御部４２０は、メタンガス流量および水流量がそれぞれ目標流量Ｆｍ（Ｐｔ），Ｆｗ（Ｐｔ）に等しくなるように、２つの流量制御弁２２２，２２４を開度を設定するための２つの流量制御値（電圧値）ＶVM，ＶVWを求め、各流量制御値ＶVM，ＶVWを用いて各流量制御弁２２２，２２４を制御する。
【００８４】ところで、流体は、圧力に応じて密度が変化する圧縮性を有している。特に、メタンガスは、高い圧縮性を有している。このため、フィードフォワード制御のみで決定される流量制御値を用いる場合には、メタンガス流量を精度良く調整することは困難である。そこで、本実施例では、制御部４２０は、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた式（１７）を用いて、第１の流量制御弁２２２を制御するための流量制御値（電圧値）ＶVMを決定している。
【００８５】
ＶVM＝Ｖｍ＋Ｋｐ・（Ｆｍ−Ｆｍｋ）＋Ｋｉ・Σ（Ｆｍ−Ｆｍｋ）
…（１７）
【００８６】ここで、Ｖｍは、目標流量Ｆｍを実現するために設定される初期フィードフォワード値（電圧値）である。Ｆｍｋは、実際の流量である。Ｋｐは比例演算を行うための係数であり、Ｋｉは積分演算を行うための係数である。
【００８７】なお、実際の流量Ｆｍｋは、第１の流量計２３２による測定値である。第１の流量計２３２としては、比較的精度の高い測定が可能な熱線式流量計や、カルマン渦式流量計などを用いることが好ましい。
【００８８】このように、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを組み合わせた制御（２自由度制御）を採用して第１の流量制御弁２２２を制御すれば、改質器２４０に供給されるメタンガスの流量を精度良く調整することが可能となる。また、本実施例の制御は、メタンガスの予測使用量を用いた見込み制御であるため、ハイゲインのフィードバック制御が不要であり、この結果、制御系の安定性を向上させることができる。
【００８９】なお、本実施例では、制御部４２０は、式（１７）と同様の式を用いて、第２の流量制御弁２２４を制御するための流量制御値ＶVWを決定している。
【００９０】制御部４２０は、決定された流量制御値ＶVM，ＶVWを用いて各流量制御弁２２２，２２４の開度を調整し、メタンガスの流量と水の流量とを調整する。このとき、燃料電池２２に供給される水素ガス流量が調整され、この結果、燃料電池２２の出力電力（発電量）が調整される。
【００９１】このようにして、制御部４２０は、要求される運転パワーＰｔに応じて、燃料電池の出力電力を制御することができる。
【００９２】以上説明したように、本実施例の制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔを推定するための運転パワー推定部４１０と、推定された運転パワーＰｔに応じて、燃料電池システムの運転状態を制御するための制御部４２０と、を備えている。運転パワー推定部４１０は、変化し得る電気自動車の総重量を決定するための重量決定部４１２を備えており、変化する電気自動車の総重量に応じて走行パワーＰｒを推定することにより、走行パワーＰｒを含む運転パワーＰｔを求めることができる。このような構成を採用することにより、制御装置４００は、電気自動車の運転に必要な運転パワーＰｔと燃料電池２２の出力電力ＰFCとが整合するように、燃料電池システムの運転状態（発電）を制御することが可能となる。換言すれば、要求される運転パワーＰｔに対する燃料電池２２の出力電力ＰFCの多寡を、低減させることが可能となる。この結果、二次電池２６を小型化することも可能となる。
【００９３】また、本実施例では、燃料電池２２は、必要な時に必要な量だけ発電する。このため、燃料電池２２や改質器２４０、燃料電池を構成する補機群の耐用寿命を比較的長くすることができるという利点がある。また、改質器２４０に供給される原料を低減させ、この結果、燃費を向上させることができるという利点もある。さらに、余分な改質ガスの発生を低減させ、この結果、改質ガス中に存在するＣＯ2 量（式（３））を低減させることができるという利点もある。
【００９４】Ｄ．変形例：この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００９５】Ｄ１．変形例１：上記実施例では、式（７）に示すように、走行パワーＰｒは、４つの抵抗Ｒ１〜Ｒ４に起因して要求される４つのパワーＰ１〜Ｐ４を含んでいる。ところで、路線バスが比較的低速で走行する場合には、空気抵抗Ｒ２は比較的小さい。また、路線バスが平坦な路面を走行する場合には、勾配抵抗Ｒ３は比較的小さい。さらに、路線バスが急激な加減速を行わない場合には、加速抵抗Ｒ４は比較的小さい。したがって、上記のような場合には、走行パワーＰｒは、電気自動車に必ず作用するころがり抵抗Ｒ１に起因して要求される第１のパワーＰ１のみを含むようにしてもよい。このようにしても、運転パワー推定部４１０は、走行パワーＰｒを比較的正確に推定することができる。
【００９６】ただし、走行パワーＰｒは、第１のパワーＰ１とともに、空気抵抗Ｒ２と勾配抵抗Ｒ３と加速抵抗Ｒ４とのうちの少なくとも１つに起因して要求されるパワーＰ２，Ｐ３，Ｐ４を含むことが好ましい。このようにすれば、電気自動車の走行パワーをより正確に推定することが可能となる。
【００９７】Ｄ２．変形例２：上記実施例では、運転パワーＰｔは、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを含んでいるが、走行パワーＰｒのみを含むようにしてもよい。ただし、上記実施例のようにすれば、制御装置４００は、運転パワーＰｔと燃料電池２２の出力電力ＰFCとがより整合するように、燃料電池システムの運転状態を制御することが可能となる。
【００９８】また、上記実施例では、運転パワーＰｔは、走行パワーＰｒと動作パワーＰｗとを含んでいるが、さらに、他のパワーを含むようにしてもよい。
【００９９】Ｄ３．変形例３：上記実施例では、原料としてメタンガスが用いられているが、これに代えて、メタンガスを主成分とする都市ガスを用いるようにしてもよい。ただし、この場合には、式（１５）のＦｍに代えて、Ｆｍ’（＝Ｋｔ×Ｆｈ／４）が用いられる。なお、Ｋｔは、都市ガス中に混入する窒素を無視するための係数である。
【０１００】Ｄ４．変形例４：上記実施例では、改質部２４６は、水蒸気改質によって水素ガスを生成しているが、これに代えて、または、これと共に、部分酸化によって水素ガスを生成するようにしてもよい。なお、部分酸化によって水素ガスを生成する場合には、改質部２４６に空気（酸素）を供給すればよい。
【０１０１】Ｄ５．変形例５：上記実施例では、燃料電池システムは、メタンガスを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部２００を備えているが、これに代えて、他のガスや、アルコール、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素原子を含有する種々の炭化水素系化合物を用いることができる。
【０１０２】Ｄ６．変形例６：上記実施例では、制御装置４００は、改質器２４０に供給されるメタンガスおよび水の流量を調整しているが、これに代えて、または、これと共に、燃料ガス供給部２００から燃料電池２２へ供給される燃料ガスの流量を調整するようにしてもよい。
【０１０３】また、上記実施例では、燃料ガス供給部２００は、メタンガスを改質して水素ガスを生成する改質器２４０を備えているが、改質器は省略可能である。この場合には、燃料ガス供給部は、水素吸蔵合金や水素ボンベなどの水素貯蔵装置を備えていればよい。そして、制御装置は、推定された運転パワーＰｔに基づいて、燃料ガス供給部から燃料電池へ供給される燃料ガスの流量を調整すればよい。
【０１０４】Ｄ７．変形例７：上記実施例では、固体高分子型の燃料電池を備える燃料電池システムに本発明の制御装置４００を適用する場合について説明したが、他のタイプの燃料電池を備える燃料電池システムにも適用可能である。
【０１０５】Ｄ８．変形例８：上記実施例では、電気自動車に搭載された燃料電池システムに本発明の制御装置４００を適用する場合について説明したが、列車に搭載された燃料電池システムにも適用可能である。
【出願人】 【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地
【出願日】 平成１４年２月１日（２００２．２．１）
【代理人】 【識別番号】１１０００００２８
【氏名又は名称】特許業務法人明成国際特許事務所
【公開番号】 特開２００３−２３０２０３（Ｐ２００３−２３０２０３Ａ）
【公開日】 平成１５年８月１５日（２００３．８．１５）
【出願番号】 特願２００２−２５０００（Ｐ２００２−２５０００）