CN110165252B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池系统。燃料电池系统(10)具备FC(12)、TRC(26)、氧化剂气体供给装置(20)、蓄电池(16)、以及能够实施利用氧化剂气体供给装置(20)使TRC(26)的再生时的电力消耗的电力消耗控制的ECU(24)。ECU(24)构成为针对蓄电池(16)的充电限制值(Clim)设定充电余量(72)，而且设定为电力消耗控制开始后的充电余量(72)小于电力消耗控制实施前的充电余量(72)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及在具有燃料电池、电动机以及蓄电池的结构中控制蓄电池的充电状态的燃料电池系统。
背景技术
如日本特开2017-152280号公报所公开那样，在燃料电池系统中，在燃料电池与电机(电动机)之间并列连接蓄电池(蓄电部)，将燃料电池的发电电力以及电机的再生电力向蓄电池充入，另一方面，从蓄电池供给发电电力的不足部分。另外，在燃料电池与蓄电池之间，并列连接气泵等辅助设备。除了从燃料电池向辅助设备供给电力以外，从蓄电池向辅助设备供给发电电力的不足部分。
为了应对辅助设备的电力的过渡变动，这种燃料电池系统在蓄电池的充电放电限制范围的限制值之前分别设定余量(充电余量、放电余量)。例如，蓄电池根据充电余量来吸收气泵的消耗电力的过渡变动(实际电力相对于稳态时的估计电力过量(日文：あばれ))，即使从气泵向蓄电池供给再生电力也能保护蓄电池免于成为过充电状态。
发明内容
这样，这种燃料电池系统在再生电机的再生电力时，为了消耗蓄电池没有充尽的剩余部分的电力而进行电力消耗控制。在电力消耗控制下，例如，通过使气泵的转速增加来使电力消耗量增加。
然而，在电力消耗控制时，当如上述那样对蓄电池设定充电余量时，尽管直至充电放电限制范围的限制值为止有余裕，但再生时的电力向气泵回送后也会被消耗。也就是说，超过电力消耗控制所需的电力地进行电力消耗动作，会产生燃料消耗劣化、噪音、气泵过热之类的问题。
本发明是为了解决上述的问题而完成的，其目的在于提供根据控制的状态变化变更余量由此在电动机再生电力时以所需最小限度的电力消耗来保护蓄电池免于成为过充电状态的燃料电池系统。
为了实现所述的目的，本发明所涉及的燃料电池系统具备：燃料电池；电动机，其一方面利用电力的供给进行旋转驱动，另一方面伴随旋转来再生电力；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池供给氧化剂气体；蓄电部，其与所述燃料电池、所述电动机以及所述氧化剂气体供给装置电连接，能够充电和放电；以及控制部，其控制所述电动机、所述氧化剂气体供给装置以及所述蓄电部的电力分配，并且能够实施利用所述氧化剂气体供给装置使所述电动机的再生时的电力消耗的电力消耗控制，其中，所述控制部构成为针对所述蓄电部的充电限制值设定充电余量，并且所述电力消耗控制开始后的所述充电余量设定得比所述电力消耗控制实施前的所述充电余量小。
如上所述，燃料电池系统利用使电力消耗控制开始后的充电余量小于电力消耗控制实施前的通常充电余量的简单结构，能够在电动机的再生时保护蓄电池免于成为过充电状态。另外，氧化剂气体供给装置减少电力消耗控制时消耗的电力，能够抑制氧化剂气体供给装置的过热。即，燃料电池系统能够有效地运用系统整体的电能，并且能够实现稳定的驱动。
另外，优选的是，所述控制部在所述电力消耗控制中系统的再生时的电力发生变化的状态变化时，使所述充电余量大于所述电力消耗控制开始后的所述充电余量。
燃料电池系统在系统的再生时的电力发生变化的状态变化时，使充电余量大于电力消耗控制开始后的充电余量，由此吸收用于减少气泵的转速的消耗电力的过渡变动。
还可以构成为，所述控制部将所述充电余量设定为与所述氧化剂气体供给装置的稳态动作对应的电力幅度，作为所述电力消耗控制开始后的所述充电余量，而在所述电力消耗控制不实施时，所述控制部使所述充电余量变化为与所述氧化剂气体供给装置的驱动状态变化的过渡动作时的响应性能对应的电力幅度，作为所述状态变化时的所述充电余量。
燃料电池系统通过设定成与氧化剂气体供给装置的稳态动作对应的电力幅度，由此能够将充电余量设得足够小并且能够容许氧化剂气体供给装置的稳态动作时的电力变化。还有，在状态变化时，使充电余量变化为与氧化剂气体供给装置的驱动状态变化的过渡动作时的响应性能对应的电力幅度，由此能够以最佳的状态兼顾保护蓄电部免于成为过充电状态以及抑制氧化剂气体供给装置过热。
另外，还能够构成为，该燃料电池系统搭载于燃料电池车辆。
搭载于燃料电池车辆的燃料电池系统能够使燃料电池车辆的驱动时的电力使用高效化。
根据本发明，燃料电池系统根据控制的状态变化来变更余量，由此能够在电动机再生电力时保护蓄电池免于成为过充电状态。
根据参照附图所作的对以下的实施方式进行的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统的整体结构的框图。
图2是表示气泵的AP估计电力与AP实际电力的关系的曲线图。
图3是例示通常行驶时的电力的分配的说明图。
图4是例示再生时的电力的分配的说明图。
图5是说明余量的设定的说明图。
图6是表示ECU的电力管理中的功能部的框图。
图7是表示设定燃料电池系统的余量时的处理的流程图。
图8是表示再生时的电力的变化的时序图。
具体实施方式
以下，关于本发明，例举优选的实施方式，参照附图进行详细说明。
如图1所示，本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统10是使用燃料电池12(以下也称为FC 12)来进行电力供给的系统。例如，构成为将与FC 12的发电相伴的电力向负载14和蓄电池16(蓄电部)供给电力，另外，将负载14的再生电力向蓄电池16供给。该燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆18(以下也简称为车辆18)。
燃料电池系统10的FC 12构成为堆结构，在其内部使氢与氧反应，将反应时的电力向外部输出。因此，燃料电池系统10具备向FC 12供给氢气的未图示的氢气供给装置、以及向FC 12供给作为氧化剂气体的空气的氧化剂气体供给装置20。氧化剂气体供给装置20包括未图示的氧化剂气体供给路以及配置于氧化剂气体供给路的途中位置的气泵22，从车辆18的外部取入空气来向FC 12供给。
另外，燃料电池系统10具备进行车辆18的电力管理(能量管理)的ECU 24(控制部：Erectronic Control Unit)。ECU 24由具有未图示的处理器、存储器以及输入输出接口的计算机构成。ECU 24既可以由一个ECU构成，也可以由多个具有固有功能的ECU组合而成。
关于燃料电池系统10，FC 12与作为负载14的牵引电机26(电动机：以下称为TRC26)在电连接。在FC 12与TRC 26之间，从FC 12起依次串联连接FC接触器28、升压转换器30(称为FCVCU 30)以及逆变器32(称为MOTPDU 32)。
另外，蓄电池16经由BAT接触器34和升降压转换器36(也称为BATVCU 36)来与TRC26连接。FCVCU 30和BATVCU 36分别在次级侧的接点38处相对于TRC 26并列连接。并且，作为负载14的多个辅助设备40并列连接于BA TVCU 36的初级侧。作为辅助设备40，例如能够举出上述的气泵22、空气调节器(日文：エアコンディショナ)42(称为A/C42)、加热器44以及降压转换器46(称为DC/DC46)等。
FC接触器28连接于ECU 24，在ECU 24的控制下使FC 12与FCVCU 30的初级侧之间在连接与断开之间进行切换。
FCVCU 30是具备斩波电路的电压调整装置(Voltage Control Unit)。FC VCU 30连接于ECU 24，在ECU 24的控制下使初级侧的电压上升后向次级侧施加。
MOTPDU 32构成为三相桥型，将接点38(FCVCU 30以及BATVCU 36)侧的直流电压变换为交流电压，根据从ECU 24输出的目标转速的控制信号来对TRC 26的驱动进行控制。另外，MOTPDU 32在TRC 26的再生时作为整流的转换器来发挥功能，将由TRC 26产生的交流电压变换为直流电压。
TRC 26利用MOTPDU 32的三相交流电力来进行旋转驱动，将该旋转力经由未图示的变速器等向车轮传递由此推进车辆18。另外，在车辆18的减速时等，TRC 26成为将再生电力向蓄电池16和辅助设备40输出的发电机。在T RC 26设置编码器48，编码器48检测TRC 26的转速，将转速信号向ECU 24输出。
蓄电池16构成为能够充电放电，在动力行驶(日文：力行)时蓄电池16放电FC 12的发电量相对于负载14的实际消耗电力的不足部分，在再生时蓄电池16充电FC 12、负载14的发电量相对于实际消耗电力的超过部分。ECU 24监视蓄电池16的充电状态(SOC：state ofcharge)。在蓄电池16设置温度传感器50，该温度传感器50检测蓄电池16的温度状态并且向ECU 24输出。
BAT接触器34连接于ECU 24，在ECU 24的控制下使蓄电池16与BATV CU 36的初级侧之间在连接与断开之间进行切换。
BATVCU 36与FCVCU 30同样地构成为具备斩波电路的电压调整装置。BATVCU 36连接于ECU 24，在ECU 24的控制下，在动力行驶时使初级侧的电压上升并且向次级侧施加，在再生时使次级侧的电压下降并且向初级侧施加。
辅助设备40中的气泵22经由气泵PDU 52(称为A/PPDU 52)来与BATVC U 36的初级侧连接。A/PPDU 52具备三相桥型的逆变器，将初级侧的直流电压变换为交流电压，根据从ECU 24输出的目标转速的控制信号来对气泵22进行驱动控制。另外，泵转速传感器54检测气泵22的转速，并且将转速信号向ECU 24输出。
ECU 24执行存储于存储器的程序由此对燃料电池系统10的整体动作进行控制。此时，ECU 24对BATVCU 36进行控制，以使蓄电池16的充电放电不超过后述的充电放电限制范围60(参照图3)。并且，关于本实施方式所涉及的燃料电池系统10，针对蓄电池16的充电放电限制范围60设定余量70，以确保不超过充电放电限制范围60。
下面，具体说明燃料电池系统10的充电放电限制范围60以及余量70的意义。关于燃料电池系统10，基本上利用FC 12的输出来供给车辆18(TRC 26、包括气泵22的辅助设备40等)的电力。但是，如图2所示，在供给电力、消耗电力的过渡变动时，FC 12的电力变得过剩和不足(图2示出在FC 12的输出下降的情况下气泵22的电力变化)。蓄电池16在ECU 24的控制下放出该不足部分的电力、充入该过剩部分的电力。
ECU 24在电力管理的控制中计算作为由车辆18整体消耗的电力的消耗要求电力，根据该消耗要求电力来计算FC 12的发电量(目标电力)。另外，为了实现与目标电力相应的空气的流量和压力比(气泵22的吸入侧压力与喷出侧压力之比)，还计算气泵22所需的电力。将该电力称为“AP估计电力”。AP估计电力例如是根据ECU 24中以流量和压力比作为输入的电力计算对应关系来求出的。
如图2中的双点划线所示那样，在FC 12以稳定的发电量进行发电的稳定发电时，AP估计电力与由气泵22实际消耗的AP实际电力(参照图2中的粗线)大致一致。AP实际电力是指在气泵22中微小时间内存在振幅的电力(交流)的实际有效值(参照图2中的AP稳态误差)。
而且，在FC 12的发电量下降的发电下降时，气泵22的转速先下降，因此从气泵22获得再生电力。也就是说，气泵22引起AP实际电力变得比AP估计电力小的过渡动作，能够将此时的再生电力向蓄电池16充入。相反地，在FC 12的发电量上升的情况下，气泵22的转速先上升，因此AP实际电力变得比气泵22的AP估计电力大(在图2中未图示)。在本发明的说明书中，将上述那样的气泵22的过渡动作中的AP实际电力与AP估计电力之差(＝AP实际电力-AP估计电力)称为“ΔAP”。
而且，在ΔAP在负侧变大的过渡变动中，向蓄电池16充入除气泵22的再生电力以外，还充入FC 12的超过的电力。另一方面，在ΔAP在正侧变大的过渡变动中，使蓄电池16基于气泵22的电力消耗的上升和FC 12的发电量的不足来进行放电。
另外，如图3所示，蓄电池16根据其规格(蓄电池端电力)而具有禁止变成过充电的充电限制值Clim、以及禁止变成过放电的放电限制值Dlim。燃料电池系统10禁止在超过充电限制值Clim和放电限制值Dlim的范围使用蓄电池16，而在充电限制值Clim与放电限制值Dlim之间的充电放电限制范围60内使用蓄电池16。
此外，关于充电放电限制范围60，蓄电池16的SOC越大则可放电的电力幅度越大，SOC越小则可充电的电力幅度越大。在图3中，示出蓄电池16的SOC为50％的电力分配例子，充电放电限制范围60的中间点为充放电零点。还有，关于充电放电限制范围60，设定为如果蓄电池16的温度为常温(例如，0℃以上)则整体的电力幅度变大，如果蓄电池16的温度为低温(例如，小于0℃)则整体的电力幅度变小。
而且，在本实施方式所涉及的燃料电池系统10中，针对蓄电池16的充电放电限制范围60设定余量70，来防止蓄电池16的电力达到充电放电限制范围60。作为该余量70，包括在充电限制值Clim之前设定的充电余量72和在放电限制值Dlim之前设定的放电余量74。
例如，在车辆18的加减速度小的通常行驶时，充电余量72设定为作为气泵22的再生(负)侧的过渡变动的ΔAP不会超过的再生电力幅度RW，吸收从气泵22再生的电力(也参照图2)。以下将通常行驶时的充电余量72也称为通常充电余量72a。另一方面，在通常行驶时，放电余量74设定为作为气泵22的驱动(正)侧的过渡变动的ΔAP不会超过的驱动电力幅度DW，容许气泵22的急剧的电力消耗。以下将通常行驶时的放电余量74也称为通常放电余量74a。
换言之，余量70(充电余量72、放电余量74)的电力被分配至气泵22的过渡变动部分，来吸收气泵22的再生时以及驱动时的AP实际电力的过量(过冲等)，从而防止蓄电池16的过充电以及过放电。另一方面，除充电余量72和放电余量74之外的范围(以下称为EM控制范围62)的电力分配至TRC 26、除气泵22之外的辅助设备40的消耗电力的过渡变动部分。
燃料电池系统10的ECU 24管理上述的充电余量72、放电余量74以及EM控制范围62，来控制蓄电池16的充电放电。即，在车辆18的通常行驶时，计算气泵22的AP估计电力以及车辆18的消耗要求电力，用FC 12单体的输出电力(发电量)和蓄电池16的放电电力来提供基于该AP估计电力和消耗要求电力的电力。
具体来讲，使车辆18的消耗电力90(TRC 26的消耗电力(TRC消耗电力91)、除了气泵22之外的辅助设备40的消耗电力(辅助设备等消耗电力92)、气泵22的AP实际电力93的合计)与FC 12的输出电力80相等。
由此，关于蓄电池16的电力，将车辆18的状态变化时的过渡变动部分作为辅助量来进行充电放电。例如，将EM控制范围62中的放电侧的范围的电力作为与TRC消耗电力91以及辅助设备等消耗电力92(也就是说，除了气泵22以外的元件)的驱动(正)侧的过渡变动94a相应的辅助量来使用。另一方面，将EM控制范围62中的充电侧的范围的电力作为与TRC消耗电力91以及辅助设备等消耗电力92(也就是说，除了气泵22之外)的再生(负)侧的过渡变动94b相应的充电容许量来使用。而且，ECU 24在车辆18的行驶中对各设备的电力进行控制，以使蓄电池16的辅助量、充电容许量收敛于EM控制范围62内。
另外，在车辆18的通常行驶时，因蓄电池16的余量70而容许作为气泵22的过渡变动的ΔAP。充电余量72吸收再生时过渡变动95a(负的ΔAP)，由此防止蓄电池16的充电量超过充电限制值Clim。相反地，放电余量74吸收驱动时过渡变动95b(正的ΔAP)，由此防止蓄电池16的放电量超过放电限制值Dlim。
而且，如图4所示，燃料电池系统10在车辆18的行驶中的减速时等将由TRC 26再生的电力(TRC再生电力84)向蓄电池16充入。也就是说，在车辆18的减速时，对FC 12单体的输出电力80加上TRC再生电力84，向蓄电池16或者辅助设备40供给电力。因而，大量的电力向蓄电池16输送。因此，燃料电池系统10在TRC 26的再生时根据需要向包括气泵22在内的辅助设备40等引导电力，来实施消耗多余的电力的电力消耗控制(废电控制)。
在该电力消耗控制下，优先地使气泵22的转速上升来在气泵22中消耗电力。另外，在电力消耗控制下，氧化剂气体供给装置20使由气泵22增加了供给量的空气不在FC 12中流动而是经由氧化剂气体流路排出。
ECU 24对电力消耗控制的实施进行判断，将燃料电池系统10整体的再生电力82(输出电力80和TRC再生电力84)适当分配至蓄电池16、辅助设备40。特别是，ECU 24使在实施电力消耗控制前的通常行驶时所设定的充电余量72在电力消耗控制开始后减小。下面，对该充电余量72的设定控制进行说明。
如上所述，为了吸收作为气泵22的再生(负)侧的过渡变动的ΔAP而设定蓄电池16的充电余量72。此处，考虑图3中的即使在电力消耗控制下也继续设定通常充电余量72a的情况。电力消耗控制是在TRC 26的再生时抑制向蓄电池16的充电并消耗燃料电池系统10整体的多余电力的处理。因此，在TRC 26的再生时，当通常充电余量72a保持这样的设定时，向蓄电池16充入的电力减少通常充电余量72a的部分，并被输送给电力消耗控制(被气泵22消耗)。
另一方面，气泵22在电力消耗控制下因转速的增加而消耗电力，因此不会从气泵22向蓄电池16再生电力。也就是说，即使在电力消耗控制时设定通常充电余量72a，该通常充电余量72a不仅没有被使用，从TRC 26向蓄电池16再生的电力(未消耗电力)还会减少。
根据以上所述，本实施方式所涉及的燃料电池系统10构成为如图4以及图5所示那样在电力消耗控制时更替为比通常充电余量72a小的充电余量72(以下称为废电充电余量72b)。由此，在TRC 26的再生时，能够使朝向蓄电池16的电力增加来进行更多的充电。
具体来讲，相对于通常充电余量72a为能够从气泵22吸收再生电力的再生电力幅度RW，废电充电余量72b构成为吸收气泵22的稳态动作中的微小时间振幅的稳态电力幅度SW。与再生电力幅度RW相比，稳态电力幅度SW为足够(吸收微小时间内存在振幅的交流部分的程度)小的电力量。
ECU 24在电力消耗控制开始时从通常充电余量72a改为设定成上述的废电充电余量72b，因此能够使蓄电池16大量地接收再生时的电力。此外，也可以是，ECU 24在电力消耗控制时设为没有废电充电余量72b(稳态电力幅度SW)，能够进行充电电机再生直至蓄电池16的充电限制值Clim。
还有，燃料电池系统10构成为在电力消耗控制中在燃料电池系统10的废电要求(包括TRC再生电力84在内的系统的再生电力82)变化的状态变化下吸收变化时的过冲。例如，作为再生电力82减少的电力消耗控制的状态变化，可以举出以下情况等：当由车辆18的用户在减速期间稍微进行加速器操作而减速变弱的情况、使加速度或减速度保持为固定并且使车辆18在向上斜坡行驶。
详细地说，废电充电余量72b具有电力消耗控制开始后、稳定期的稳定期余量72bx、以及电力消耗控制的状态变化时的状态变化余量72by。稳定期余量72bx的电力幅度是上述的稳态电力幅度SW。状态变化余量72by是例如基于再生信号值(加速器开度)计算出的，是比稳态电力幅度SW大的电力幅度。另外，状态变化余量72by成为从状态变化的开始时伴随着时间经过使电力幅度逐渐增大并且之后使电力幅度逐渐减小的变动电力幅度FW。关于从逐渐增大向逐渐减小的折返时间，既可以根据状态变化的量(例如，TRC再生电力84的变化量)等来适当计算，另外也可以设为逐渐增大期间比逐渐减小期间短。
在再生电力82变化的状态变化时，由于气泵22的转速也变化，与该过渡变动相伴地产生过冲。但是，ECU 24应用计算出的状态变化余量72by来利用状态变化余量72by吸收气泵22的暂时的过渡变动，能够抑制电力超过蓄电池16的充电限制值Clim。
另外，也可以是，ECU 24构成为在从通常行驶时转移成电力消耗控制时，还与电余量72相匹配地更替放电余量74。具体来讲，电力消耗控制时的放电余量74(以下称为废电放电余量74b)的电力幅度设定为大于通常放电余量74a的驱动电力幅度DW。例如，ECU 24在电力消耗控制的稳定期，与废电充电余量72b的负的变化幅度相匹配地设定废电放电余量74b(稳定期余量74bx)的正的变化幅度，以使EM控制范围62的电力幅度不变。
由此，蓄电池16对气泵22的响应性(废电响应性)提升，能够在气泵22的驱动侧的过渡变动时(驱动时过渡变动95b)等直接进行放电。此外，在TRC 26的再生时，当用户进行制动器操作、车辆18在向下斜坡行驶等时，也存在再生电力82增加的状态变化的情况。在该状态变化时，与废电充电余量72b的状态变化余量72by相匹配地，废电放电余量74b的电力幅度逐渐减小，并且设定在经过折返时间之后逐渐增大的状态变化余量74by。因而，即使在气泵22的转速上升的过渡变动时，也能够利用蓄电池16的废电充电余量72b(状态变化余量72by)以及废电放电余量74b(状态变化余量74by)来吸收气泵22的过量的部分。
为了实现上述的处理，如图6所示，在ECU 24的内部，构建AP估计电力计算部100、消耗要求电力计算部102、FC发电量计算部103、充电放电限制范围计算部104、余量计算部106、判定部108、余量设定部110、AP限制值计算部112以及AP驱动部114。
AP估计电力计算部100基于气泵22的流量以及气泵22的压力比来计算气泵22的AP估计电力。消耗要求电力计算部102计算由燃料电池系统10要求的消耗要求电力。FC发电量计算部103基于所计算出的消耗要求电力来计算作为FC 12的发电量的目标电力。充电放电限制范围计算部104基于蓄电池16的SOC以及温度来计算限制蓄电池端电力的充电限制值Clim以及放电限制值Dlim。
另外，余量计算部106使用由充电放电限制范围计算部104计算出的充电限制值Clim以及放电限制值Dlim来计算气泵22的余量70(充电余量72以及放电余量74)。在余量70的计算中，例如从预先存储于存储器的、未图示的对应关系提取与充电限制值Clim以及放电限制值Dlim对应的余量。而且，首先设定基本的通常行驶时的通常充电余量72a以及通常放电余量74a。
还有，在由后述的判定部108判定电力消耗控制实施的情况下，余量计算部106改为计算废电充电余量72b以及废电放电余量74b。如上所述，在废电充电余量72b中，除了存在稳态电力幅度SW的稳定期余量72bx以外，还存在与电力消耗控制中的状态变化对应的状态变化余量72by。因此，余量计算部106监视向ECU 24输入的再生信号值(未图示的加速器开度传感器的加速器开度)和ECU 24内的计时器，来进行稳定期余量72bx或者状态变化余量72by的计算。另外，此时余量计算部106以与充电余量72联动的方式还计算放电余量74。
判定部108基于从车辆18发送的再生信号值、蓄电池16的SOC等来判定TRC 26的再生时是否进行电力消耗控制。例如，在由车辆18的用户进行减速操作从而再生信号值变为规定值以下并且蓄电池16的SOC多的情况下，判定部108判定蓄电池16的电力消耗控制的实施。
余量设定部110根据判定部108的判定结果来设定当前应该应用的余量70。也就是说，在不实施电力消耗控制的情况下，设定作为基本的余量70的通常充电余量72a以及通常放电余量74a。另一方面，在实施电力消耗控制的情况下，设定废电充电余量72b(稳定期余量72bx、状态变化余量72by)、以及废电放电余量74b(稳定期余量74bx、状态变化余量74by)。
AP限制值计算部112基于由余量设定部110设定的余量70、以及AP估计电力计算部100的AP估计电力来计算气泵22的AP电力限制120(参照图8)。在气泵22进行驱动时为了限制AP实际电力而使用AP电力限制120，AP电力限制120包括电力上限值122和电力下限值124。
AP驱动部114基于由FC 12的发电控制部(未图示)计算的气泵22的转速指令来计算AP实际电力，以使AP实际电力收敛于AP电力限制120(电力上限值122与电力下限值124之间)。而且，将与计算结果相应的控制信号向A/PPD U 52输出来使气泵22旋转驱动。
本实施方式所涉及的燃料电池系统10基本上如以上构成，下面说明该作用和效果。
燃料电池系统10的ECU 24在车辆18的动作时进行电力管理的控制处理。即，利用AP估计电力计算部100计算AP估计电力，利用消耗要求电力计算部102计算消耗要求电力，利用充电放电限制范围计算部104计算蓄电池16的充电限制值Clim以及放电限制值Dlim。另外，ECU 24的FC发电量计算部103基于所计算出的消耗要求电力来计算FC 12的发电量。而且，ECU 24在设定蓄电池16的余量70时实施图7所示的处理流程。
在该情况下，ECU 24的余量计算部106首先计算与充电限制值Clim以及放电限制值Dlim对应的基本的余量70(步骤S1)。即，燃料电池系统10以车辆18的通常行驶时为基准，分别计算能够吸收气泵22的再生时和驱动时的过渡变动的ΔAP的通常充电余量72a以及通常放电余量74a。
接着，ECU 24的判定部108基于向ECU 24发送的再生信号值、蓄电池16的SOC等来判定是否进行电力消耗控制(步骤S2)。例如，在再生信号值大的情况下，TRC 26的再生电力变大，因此实施电力消耗控制。燃料电池系统10在电力消耗控制实施时最优先地对气泵22进行驱动来利用气泵22消耗大量的电力。
当由判定部108判定为实施电力消耗控制(步骤S2：是)，ECU 24的余量计算部106计算电力消耗控制时的废电充电余量72b(以及废电放电余量74b)(步骤S3)。如上所述，废电充电余量72b有稳定期余量72bx和状态变化余量72by，燃料电池系统10根据再生信号值的变化使余量70的电力幅度变化。因而，在电力消耗控制下，利用余量计算部106在每次实施处理流程时重新计算废电充电余量72b以及废电放电余量74b，由此获得在时间轴上电力幅度适当变化的余量70。
在步骤S3之后，ECU 24的余量设定部110进行从通常充电余量72a以及通常放电余量74a向所计算出的废电充电余量72b以及废电放电余量74b的更替(步骤S4)。而且，将更替后的废电充电余量72b以及废电放电余量74b向AP限制值计算部112输出。
AP限制值计算部112基于由余量设定部110设定的余量70和预先计算出的AP估计电力，计算气泵22的AP电力限制120(电力上限值122以及电力下限值124)(步骤S5)。即，在设定了废电充电余量72b的情况下，计算与废电充电余量72b对应地使电力上限值122以及电力下限值124逐渐地上升的AP电力限制120。由此，AP驱动部114在所计算出的AP电力限制120的范围内对气泵22的转速进行控制(使其上升)。
另外，在步骤S2中，当由判定部108判定为不实施电力消耗控制时(步骤S2：否)，余量设定部110不更替余量70而设定所计算出的通常充电余量72a以及通常放电余量74a(步骤S6)。而且，在设定了通常充电余量72a的情况下，在步骤S5中，AP限制值计算部112计算与通常充电余量72a对应的AP电力限制120。由此，AP驱动部114在所计算出的AP电力限制120的范围内对气泵22的转速进行控制(设为与FC 12的发电量相匹配地大致固定)。
这样本实施方式所涉及的ECU 24在电力消耗控制实施时进行更替在通常行驶时设定的蓄电池16的余量70的处理。接下来，为了更加深入理解本发明，参照图8的时序图，举出一例来说明燃料电池系统10的电力消耗控制下的电力的动作。此外，该时序图是基于FC12以规定的发电量持续发电并且蓄电池16的SOC为大致50％的情况作为前提。
车辆18基于用户的加速器操作来实施通常行驶直至图8的时间点t1(加速器开度以任意量保持为固定)。因此，TRC 26消耗与加速器开度相应的电力来进行旋转驱动，此时的再生信号值为零。即，燃料电池系统10为从系统输出电力的状态(在图8中燃料电池系统10整体的电力处于比零边界靠上的驱动侧)，另外还通过驱动辅助设备40等来消耗电力。
在直至该时间点t1的期间，ECU 24通过上述的处理流程来设定通常行驶时的余量70。也就是说，针对充电限制值Clim设定通常充电余量72a，并且针对放电限制值Dlim设定通常放电余量74a，由此蓄电池16吸收作为气泵22的过渡变动的ΔAP。另外ECU 24(AP限制值计算部112)根据通常充电余量72a和AP估计电力来计算AP电力限制120，进行气泵22的驱动控制。由此，气泵22以与AP估计电力大致近似的AP实际电力进行驱动。
而且，当在时间点t1在用户的操作下加速器开度消失时，车辆18开始减速。此时，TRC 26作为发电机进行驱动来产生TRC再生电力84，将该TRC再生电力84向燃料电池系统10供给。也就是说，TRC 26从电力消耗(驱动)转移成电力供给源(再生)，系统整体也从输出电力的状态转移成接收电力的状态(燃料电池系统整体的电力成为比零边界靠下的再生侧)。
ECU 24在该再生时，当判定电力消耗控制实施时，计算废电充电余量72b(稳定期余量72bx)，将余量70从通常充电余量72a改为设定成废电充电余量72b。同样地，通常放电余量74a也改为设定成废电放电余量74b。由此，TRC 26的再生时的再生电力82朝向蓄电池16以及气泵22，而且根据废电充电余量72b，与通常行驶时相比大量的电力被向蓄电池16供给。
另外，ECU 24在电力消耗控制时计算与加速器开度(再生信号值)相应的AP电力目标值，使气泵22的转速增大，由此向AP电力目标值控制AP估计电力。此时，气泵22的转速不会直接上升，因此用在时间点t1～t2之间逐渐上升的斜率来计算AP估计电力。还有，ECU 24基于废电充电余量72b以及AP估计电力来计算AP电力限制120(电力上限值122、电力下限值124)，使气泵22的转速上升以收敛于AP电力限制120的范围，从而将电力消耗控制时的电力消耗。此外，在电力消耗控制开始时的时间点t1～t2的期间，气泵22的AP实际电力因过渡变动而变得大于AP估计电力。因此，从蓄电池16放出的电力与由系统整体接受的电力相比缓慢地减少。
在此，在电力消耗控制中的时间点t3，因用户的加速器操作而加速器开度稍微上升(再生信号值下降)，TRC 26的再生电力减小。ECU 24当接收该状态变化的再生信号值时，计算并设定基于再生信号值的状态变化余量72by、74by(还参照图5)。由此，在时间点t3～t4之间，废电充电余量72b的电力幅度逐渐地增大，并且废电放电余量74b的电力幅度逐渐地减小。因此，气泵22的AP电力限制120也缓慢地变化。
而且，气泵22根据再生信号值减小的状态变化来使转速(电力消耗量)减小。但是，使气泵22的AP电力限制120缓慢地下降，由此抑制因过渡变动引起的过冲(AP实际电力低于AP估计电力)。另外，在该状态变化时，废电充电余量72b增大，蓄电池16即使稍微产生了过冲，也抑制瞬间大的电力充入的过充电状态。
然后，当经过时间点t4时，由于过冲收敛，ECU 24在至时间点t5为止的时间使状态变化余量72by逐渐地恢复至稳定期余量72bx。由此，AP电力限制120的下降程度也缓慢地推移。在时间点t5以后，再次应用稳定期余量72bx、74bx。
之后，在时间点t6，当因用户的加速器操作而加速器开度大幅度上升时，TRC 26从再生电力的状态变为进行旋转驱动来消耗电力的状态。与此相伴地，燃料电池系统10整体的电力也从接收电力的状态变化为输出的状态。
ECU 24在从电力消耗控制转移成通常行驶时，将蓄电池16的余量70从稳定期余量72bx、74bx转移成状态变化余量72by、74by，并且恢复至通常充电余量72a(以及通常放电余量74a)。由此，也以逐渐地变化的方式计算气泵22的AP电力限制120，抑制AP实际电力低于电力下限值124、即抑制向蓄电池16供给气泵22的冲击电力(日文：突入電力)。
如以上那样，本实施方式所涉及的燃料电池系统10实现以下的效果。
燃料电池系统10利用电力消耗控制开始后的废电充电余量72b小于实施电力消耗控制前的通常充电余量72a的简单结构，能够在TRC 26的再生时以所需最小限度的电力消耗来保护蓄电池免于成为过充电状态。另外，氧化剂气体供给装置20(气泵22)减少电力消耗控制时所消耗的电力，由此能够抑制氧化剂气体供给装置20的过热。即，燃料电池系统10能够有效地运用整个系统的电能，并且能够实现稳定的驱动。
另外，燃料电池系统10在系统的再生时的电力发生变化的状态变化时使废电充电余量72b(状态变化余量72by)大于电力消耗控制开始后的废电充电余量72b(稳定期余量72bx)。由此，能够抑制瞬间大的电力对蓄电池16充入的过充电状态。
还有，燃料电池系统10在电力消耗控制时设定为与氧化剂气体供给装置20(气泵22)的稳态动作对应的稳态电力幅度SW。由此，能够使废电充电余量72b(稳定期余量72bx)足够小，并且容许氧化剂气体供给装置20的稳态动作时的电力变化。还有，在状态变化时，使废电充电余量72b变化为与氧化剂气体供给装置20的驱动状态变化的过渡动作时的响应性能对应的电力幅度。由此，能够以最佳的状态兼顾保护蓄电池16免于成为过充电状态以及抑制氧化剂气体供给装置20过热。
而且，燃料电池系统10搭载于燃料电池车辆18，由此能够使燃料电池车辆18的驱动时的电力使用高效化。
此外，本发明不限定于上述的实施方式，能够根据发明的主旨进行各种各样的改变。例如，在燃料电池系统10中，构成为在TRC 26的再生时无法向蓄电池16充入的电力优先地向气泵22供给来消耗电力，但是也可以构成为向与气泵22不同的负载14供给电力来消耗电力。即使在该情况下，将通常行驶时设定的通常充电余量72a在电力消耗控制时更替为废电充电余量72b，由此能够保护蓄电池16免于成为过充电状态。

Claims (4)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，具备：
燃料电池；
电动机，其一方面利用电力的供给进行旋转驱动，另一方面伴随旋转来再生电力；
氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池供给氧化剂气体；
蓄电部，其与所述燃料电池、所述电动机以及所述氧化剂气体供给装置电连接，能够充电和放电；以及
控制部，其控制所述电动机、所述氧化剂气体供给装置以及所述蓄电部的电力分配，并且能够实施利用所述氧化剂气体供给装置使所述电动机的再生时的电力消耗的电力消耗控制，
其中，所述控制部构成为对所述蓄电部的充电限制值设定充电余量并基于该充电余量来进行所述电力消耗控制，并且所述电力消耗控制开始后的所述充电余量设定得比所述电力消耗控制实施前的所述充电余量小。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述电力消耗控制中系统的再生时的电力发生变化的状态变化时，所述控制部使所述充电余量大于所述电力消耗控制开始后的所述充电余量。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部将所述充电余量设定为与所述氧化剂气体供给装置的稳态动作对应的电力幅度，作为所述电力消耗控制开始后的所述充电余量，
而在所述电力消耗控制不实施时，所述控制部使所述充电余量变化为与所述氧化剂气体供给装置的驱动状态变化的过渡动作时的响应性能对应的电力幅度，作为所述状态变化时的所述充电余量。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池系统搭载于燃料电池车辆。
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