JP2007109469A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電システムの発電変化量下限値を補正することによってバッテリの過充電を起こすことなく運転者が要求する減速トルクを駆動モータに出力させることのできる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池発電システム１は、燃料電池を主電源として備えた燃料電池車両に搭載され、コントローラ３は燃料電池発電システム１の運転状態を検出する燃料電池発電システム運転状態検出部２１と、燃料電池車両を駆動する駆動モータ３３の消費電力を算出する駆動モータ消費電力算出部２２と、燃料電池発電システム１の運転状態と駆動モータ３３の消費電力とに基づいて燃料電池発電システム１の発電変化量下限値を補正する燃料電池発電変化量下限値補正部２３とを備えていることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池車両に搭載された燃料電池発電システムに係り、特にバッテリの過充電を起こすことなく運転者が要求する減速トルクを駆動モータに出力させる燃料電池発電システムに関する。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノードに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソードに酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
このような燃料電池を駆動用の主電源として搭載する燃料電池車両では、燃料電池から取り出した電気エネルギーで駆動モータを駆動して駆動輪を回転させている。そして、燃料電池は発電装置であり、蓄電池のように電力を蓄積することはできないので、余剰電力の蓄電用及び燃料電池の起動用、発進、再加速時における燃料電池の発電電力の遅れを補うなどのために、燃料電池車両にはバッテリなどの蓄電手段が備えられている。

そこで、燃料電池車両ではバッテリに充電される電力を制御する必要があり、特に駆動モータの回生時におけるバッテリへの充電電力を制御する燃料電池システムの従来例として、例えば特開２００５−４９７７号公報（特許文献１）が開示されている。

この従来例では、駆動モータの回生電力と二次電池への充電可能電力とを算出し、駆動モータの回生電力が二次電池の充電可能電力を上回っている場合には、二次電池に充電できない余剰の回生電力を水素ポンプの高負荷運転で消費させることにより所望とする減速が得られるように制御している。
特開２００５−４９７７号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池システムでは、システムの運転状態によっては水素ポンプの高負荷運転が不可能となる場合があり、このような場合には駆動モータの回生電力を充電及び消費することができず、結果として所望とする減速を確保することができないという問題点があった。

さらに、システムが高出力状態にある場合や、システムのガス運転点（ガス圧力、ガス流量）が高い状態にあり、尚且つシステムの発電電力を減少させるときで応答時間に制約がある場合には、駆動モータの回生電力を充電及び消費しきれない状態が生じ、結果として所望とする減速を確保することができないという問題点もあった。

上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池発電システムは、燃料電池を主電源として備えた燃料電池車両の燃料電池発電システムであって、当該燃料電池発電システムの運転状態を検出する燃料電池発電システム運転状態検出手段と、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータの消費電力を算出する駆動モータ消費電力算出手段と、前記燃料電池発電システムの運転状態と前記駆動モータの消費電力とに基づいて前記燃料電池の発電変化量下限値を補正する燃料電池発電変化量下限値補正手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システムの運転状態と駆動モータの消費電力とに基づいて燃料電池の発電変化量下限値を補正するので、バッテリが過充電を起こすことなく、運転者が要求する減速トルクを駆動モータに出力させることができる。

以下、本発明に係わる燃料電池発電システムの実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１を制御するコントローラ３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から供給される高圧水素の流量を制御する可変バルブ５と、燃料電池スタック２から排出された未使用の水素を上流へ還流するイジェクタ６と、水素ガス及び酸化ガスを加湿する加湿器７と、加湿器７に純水を供給する純水供給装置８と、燃料電池スタック２へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ９と、燃料電池スタック２の入口における水素圧力を検出する水素圧力センサ１０と、水素を外部に排出するパージ弁１１と、空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給する酸化ガス供給装置１２と、酸化ガス供給装置１２へ吸入される外気の温度を検出する温度センサ１３と、酸化ガス供給装置１２へ吸入される空気の圧力を検出する圧力センサ１４と、燃料電池スタック２へ流入する空気流量を検出する空気流量センサ１５と、燃料電池スタック２の入口における空気圧力を検出する空気圧力センサ１６と、燃料電池スタック２における空気の圧力及び流量を制御するスロットル１７と、燃料電池スタック２を構成するセル群の電圧を検出するセル電圧検出装置１８と、燃料電池スタック２から出力を取り出す駆動ユニット１９とを備えている。

上述した燃料電池システム１において、酸化ガス供給装置１２は空気を圧縮して加湿器７へ送り、加湿器７では純水供給装置８から供給された純水によって空気が加湿され、加湿された空気は燃料電池スタック２へ送り込まれている。

一方、水素系では水素タンク４から供給された高圧水素を可変バルブ５で流量を制御して、燃料電池スタック２の水素極における圧力が所望の圧力になるように制御している。そして、燃料電池スタック２で使用されなかった水素はイジェクタ６によって再循環されて合流し、加湿器７へ送られている。加湿器７では空気と同様に純水供給装置８から供給された純水で水素が加湿され、加湿された水素が燃料電池スタック２へ送り込まれている。

燃料電池スタック２では送り込まれた空気と水素を反応させて発電を行い、電流（電力）を車両等の外部システムへ供給している。燃料電池スタック２で反応に使用した残りの空気は燃料電池外へ排出される。このとき、スロットル１７で圧力の制御が行われる。また、反応に使用されなかった水素は、一部がパージ弁１１から燃料電池外へ排出され、その他の水素はイジェクタ６によって加湿器７の上流へ還流されて発電に再利用されている。

コントローラ３は、上述した各センサからの信号とセル電圧検出装置１８の出力を読み込んで、読み込んだ各値がそのときの目標発電量から決まる所定の目標値になるように酸化ガス供給装置１２やスロットル１７、可変バルブ５などの各アクチュエータを内蔵された制御ソフトウェアに基づいて駆動するとともに、目標値に対して実際に実現されている圧力、流量に応じて燃料電池スタック２から駆動ユニット１９へ取り出す出力（電流値）を指令して制御している。

ここで、コントローラ３の構成を図２に基づいて説明する。図２に示すようにコントローラ３は、燃料電池発電システム１の運転状態を検出する燃料電池発電システム運転状態検出部（燃料電池発電システム運転状態検出手段）２１と、燃料電池車両を駆動する駆動モータの消費電力を算出する駆動モータ消費電力算出部（駆動モータ消費電力算出手段）２２と、燃料電池発電システム１の運転状態と駆動モータの消費電力とに基づいて燃料電池スタック２の発電変化量下限値を補正する燃料電池発電変化量下限値補正部（燃料電池発電変化量下限値補正手段）２３とを備えている。上記コントローラ３を構成する各部の機能は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部などを備えたマイクロコンピュータにより実現されている。

次に、本実施例の燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両の構成を図３に基づいて説明する。図３に示すように、燃料電池車両は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２から出力を取り出す駆動ユニット１９と、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ３１と、車両の速度を検出する車速センサ３２と、車両の駆動輪を回転させる駆動モータ３３と、駆動モータ３３へ電力を供給して駆動する駆動モータインバータ３４と、補助電源となるバッテリ３５と、バッテリ３５の状態を推定してバッテリ３５の入出力電力の上限値を演算するバッテリコントローラ３６と、アクセル開度と車速から駆動モータインバータ３４に指令するための駆動モータトルクを演算するとともに、駆動モータ３３の消費電力を推定して駆動ユニット１９へ指令するための発電電力を演算するコントローラ３とを備えている。

次に、本実施例の燃料電池システム１による発電変化量下限値補正処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。尚、この処理は燃料電池の運転開始時から所定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に実行されている。

図４に示すように、まずステップＳ４０１ではコントローラ３によって燃料電池発電システム１の運転状態を検出する。この燃料電池発電システム１の運転状態は燃料電池発電システム１の供給電力Ｐｎｅｔ[ｋｗ]によって表され、この検出方法については後述する。

次に、ステップＳ４０２において駆動モータ３３及び駆動モータインバータ３４の消費電力Ｐｍｔｒ [ｋｗ]を算出する。この算出方法は、駆動モータインバータ３４から検出した駆動モータトルクをＴｒｑｍｔｒ[Ｎｍ]とし、駆動モータ３３の回転数をＮｍｔｒ [ｒｐｍ]、このトルク及び回転数のときの駆動モータ３３の損失電力をＬｏｓｓｍｔｒ [ｋｗ]とした場合に、駆動モータ３３及び駆動モータインバータ３４の消費電力Ｐｍｔｒ [ｋｗ]は

によって算出することができる。

次に、ステップＳ４０３では、ステップＳ４０１で検出した燃料電池発電システム１の運転状態を表す燃料電池発電システム１の供給電力Ｐｎｅｔと、Ｓ４０２で算出した駆動モータ３３及び駆動モータインバータ３４の消費電力Ｐｍｔｒ[ｋｗ]とに基づいて、燃料電池発電システム１の余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]を
Ｐｅｘ＝Ｐｎｅｔ−Ｐｍｔｒ （２）
によって算出する。

次に、ステップＳ４０４において、ステップＳ４０３で算出した余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０より大きいか否かを判定し、余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０より大きい場合には、ステップＳ４０５で燃料電池発電システム１の発電変化量下限値を補正して発電変化量下限補正値を算出する。この発電変化量下限補正値の算出処理については後述する。

そして、ステップＳ４０６ではステップＳ４０５で算出された発電変化量下限補正値によって燃料電池発電システム１の発電変化量を制限するようにして本実施例の燃料電池発電システム１による発電変化量下限値補正処理を終了する。

一方、ステップＳ４０４で余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０以下であると判定された場合には、ステップＳ４０７において通常の発電変化量下限値で燃料電池発電システム１の発電変化量を制限するようにして本実施例の燃料電池発電システム１による発電変化量下限値補正処理を終了する。

ここで、ステップＳ４０１における燃料電池発電システム１の運転状態を表す燃料電池発電システム１の供給電力Ｐｎｅｔ[ｋｗ]の算出処理を、図５のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ５０１では、燃料電池スタック２から出力を取り出す駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ[ｋｗ]を算出する。この駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓの算出方法としては、駆動ユニット１９に内蔵されている電圧センサ及び電流センサによって検出された入力電圧と入力電流とを乗算することによって算出することができる。

そして、ステップＳ５０２では、燃料電池発電システム１の補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]を算出する。この燃料電池発電システム１の補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]は燃料電池スタック２で発電するために必要な補機群（例えば、酸化ガス供給装置１２、純水供給装置８、駆動ユニット１９など）の消費電力を求め、これらの消費電力の総和を燃料電池発電システム１の補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]として算出する。

次に、ステップＳ５０３において、ステップＳ５０１で算出した駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ[ｋｗ]からステップＳ５０２で算出した燃料電池発電システム１の補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]を減算して、燃料電池発電システム１の供給電力Ｐｎｅｔ[ｋｗ]を
Ｐｎｅｔ＝Ｐｇｒｏｓｓ−Ｐｐａｕｘ （３）
によって算出して供給電力の算出処理を終了する。この燃料電池発電システム１の供給電力ＰｎｅｔはステップＳ４０１の燃料電池発電システムの運転状態を表している。

次に、上述したステップＳ４０５における燃料電池発電システム１の発電変化量下限補正値の算出処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。

まず、ステップＳ６０１において駆動モータインバータ３４から送られてくる駆動モータ３３の回転数Ｎｍｔｒ[ｒｐｍ]に基づいて車速Ｖｖｅｈｉｃｌｅ[ｋｍ／ｈ]を算出し、ステップＳ６０２ではこの車速Ｖｖｅｈｉｃｌｅ[ｋｍ／ｈ]（あるいは駆動モータ３３の回転数Ｎｍｔｒ[ｒｐｍ]）に基づいて、駆動モータ３３の回生トルク応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]を算出する。

ここで、駆動モータ３３の回生トルク応答時間目標値の算出方法を図７に基づいて説明する。図７に示すように予め実験などによって車速と回生トルク応答時間目標値との間の関係を求めておきマップに設定しておくようにする。このマップに基づいて車速Ｖｖｅｈｉｃｌｅ[ｋｍ／ｈ]から駆動モータ３３の回生トルク応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]を算出する。

そして、ステップＳ６０３では、ステップＳ６０２で算出した回生トルク応答時間目標値に基づいて燃料電池発電システム１の発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]を算出する。

ここで、燃料電池発電システム１の発電減少時応答時間目標値の算出方法を図８に基づいて説明する。図８は、通常の応答時間で発電電力を減少させた場合の燃料電池発電システム１の供給電力Ｐ１と、応答時間を早めて発電電力を減少させた場合の燃料電池発電システム１の供給電力Ｐ２の時間変化を示したものである。

図８に示すように、アクセルＯＦＦなどによって発電電力を減少させた場合に応答時間を早めた供給電力Ｐ２に対して通常の供給電力Ｐ１はバッテリ３５に充電される電力量がΔＰだけ増加している。この場合、バッテリ３５を過充電させてしまう恐れがあるので、通常は駆動モータ３３の回生量を制限する。すなわち、駆動モータ３３の回生トルクを制限するので、所望の回生トルクを実現することができない。

これに対して応答時間を早めた場合の供給電力Ｐ２は、応答時間を早めたことによってバッテリ３５に充電する電力量のうち燃料電池発電システム１の発電分の電力を軽減することができる。この結果、駆動モータ３３の回生トルクを制限することがなくなるので、所望の回生トルクを実現することが可能になる。

したがって、燃料電池発電システム１の発電電力減少時には応答時間を早めることによって所望の回生トルクを実現することができる。

ここで、本実施例では図８に示す回生トルク応答時間Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]を、燃料電池発電システム１の発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]として算出する。

次に、ステップＳ６０４では、燃料電池発電システム１の発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]に基づいて、燃料電池発電システム１の発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]を

によって算出して燃料電池発電システム１の発電変化量下限補正値の算出処理を終了する。

一方、燃料電池発電システム１における通常の発電変化量下限値ΔＰｎｅｔｄ[ｋｗ／ｓ]は

によって算出される。ここでＴｎｏｒ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]は図８に示す発電減少時通常応答時間である。

そして、上述した図４のフローチャートにおいて、ステップＳ４０３で算出された燃料電池発電システム１の余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０より大きい場合には、燃料電池発電システム１の発電減少時における発電変化量を発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]で制限するようにして応答時間を早め、これによってバッテリ３５の過充電を防止し、運転者が要求する減速トルクを駆動モータ３３に出力させるようにしている（Ｓ４０６）。

一方、燃料電池発電システム１の余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０以下の場合にはバッテリ３５を過充電することはないので、通常の発電変化量下限値ΔＰｎｅｔｄ[ｋｗ／ｓ]で燃料電池発電システム１の発電減少時における発電変化量を制限する（Ｓ４０７）。

このように、本実施例の燃料電池発電システム１では、燃料電池発電システム１の運転状態と駆動モータ３３の消費電力とに基づいて燃料電池発電システム１の発電変化量下限値を補正するので、バッテリ３５が過充電を起こすことなく、運転者が要求する減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項１の効果）。

また、本実施例の燃料電池発電システム１では、燃料電池発電システム１の運転状態を、駆動モータ３３の入力電力から補機の消費電力を減算して求めた燃料電池発電システム１の供給電力としたので、この供給電力が駆動モータ３３の消費電力を上回っていたとしても、減速時にバッテリ３５の過充電を起こすことなく、運転者が要求する減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項２の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池発電システム１では、燃料電池車両の車速に応じた駆動モータ３３の回生トルク応答時間目標値を算出し、この回生トルク応答時間目標値に基づいて燃料電池発電システム１の発電変化量下限値を補正するので、燃料電池発電システム１の供給電力が駆動モータ３３の消費電力を上回っていたとしても、減速時にバッテリ３５の過充電を起こすことなく、運転者が要求する減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項４の効果）。

次に、本発明の実施例２を図９に基づいて説明する。図９は、上述した実施例１で説明した図４のフローチャートのステップＳ４０１における燃料電池発電システムの運転状態を検出する処理を示すフローチャートである。尚、本実施例の燃料電池発電システムの構成及び図４のフローチャートで説明した処理は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。

図９に示すように、本実施例の燃料電池発電システムによる運転状態の検出処理は、まずステップＳ９０１において、燃料電池スタック２に供給されているガスの運転状態を検出する。

ここで、ステップＳ９０１における供給ガスの運転状態検出処理を図１０のフローチャートに基づいて説明する。まずステップＳ１００１において燃料電池入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ１６（あるいは、燃料電池入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ１０）によって燃料電池スタック２のガス圧力Ｐｒｇａｓ[ｋＰａ]を検出し、ステップＳ１００２では、燃料電池スタック２へ流入する空気流量を検出する空気流量センサ１５（あるいは、燃料電池へ流入する水素流量を検出する水素流量センサ９）によってガス流量Ｍｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｌ／ｍｉｎ]を検出して供給ガスの運転状態検出処理を終了する。

次に、ステップＳ９０２では、ステップＳ９０１で検出した供給ガスの運転状態に基づいて発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｋｗ]を算出する。この発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓの算出方法については後述する。

そして、ステップＳ９０３では、燃料電池発電システムの補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]を算出する。この燃料電池発電システムの補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]は燃料電池スタック２で発電するために必要な補機群（例えば、酸化ガス供給装置１２、純水供給装置８、駆動ユニット１９など）の消費電力を求め、これらの消費電力の総和を燃料電池発電システムの補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]として算出する。

次に、ステップＳ９０４において、ステップＳ９０２で算出した発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｋｗ]からステップＳ９０３で算出した燃料電池発電システム補機総消費電力Ｐｐａｕｘ[ｋｗ]を減算して、燃料電池発電システムの供給電力換算値Ｐｎｅｔ＿ｇａｓ[ｋｗ]を
Ｐｎｅｔ＿ｇａｓ＝Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ−Ｐｐａｕｘ （６）
によって算出して本実施例の燃料電池発電システムによる運転状態検出処理を終了する。

次に、上述した図９のステップＳ９０２における発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓの算出方法について図１１のフローチャートに基づいて説明する。

図１１に示すように、ステップＳ１１０１では駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ [ｋｗ]を算出する。この入力電力Ｐｇｒｏｓｓ [ｋｗ]の算出方法は実施例１で説明した図５のステップＳ５０１と同様の方法で算出することができる。

次に、ステップＳ１１０２では、燃料電池に供給されるガス圧力からガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐ[ｋｗ]を算出する。

ここで、ステップＳ１１０２のガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐ[ｋｗ]の算出方法を図１２に基づいて説明する。図１２に示すように、図１０のステップＳ１００１で検出した燃料電池スタック２のガス圧力Ｐｒｇａｓ[ｋＰａ]とガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐとの間の関係を予めマップに設定しておき、このマップに基づいてガス圧力Ｐｒｇａｓ[ｋＰａ]からガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐを算出する。

そして、ステップＳ１１０３では、ステップＳ１１０２で算出したガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐ[ｋｗ]に基づいてガス圧力総発電量補正係数ｋｇａｓｐを算出する。

ここで、ステップＳ１１０３のガス圧力総発電量補正係数ｋｇａｓｐの算出方法を図１３に基づいて説明する。図１３に示すように、ガス圧力総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｐ[ｋｗ]からステップＳ１１０１で算出した駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ[ｋｗ]を減算したものを求め、この減算した値とガス圧力総発電量補正係数ｋｇａｓｐとの間の関係を予めマップに設定しておき、このマップに基づいてガス圧力総発電量補正係数ｋｇａｓｐを算出する。

次に、ステップＳ１１０４では、燃料電池に供給されるガス流量からガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ]を算出する。

ここで、ステップＳ１１０４のガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ]の算出方法を図１４に基づいて説明する。図１４に示すように、図１０のステップＳ１００２で検出した燃料電池スタック２のガス流量Ｍｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｌ／ｍｉｎ]とガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ] との間の関係を予めマップに設定しておき、このマップに基づいてガス流量Ｍｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｌ／ｍｉｎ]からガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ]を算出する。

そして、ステップＳ１１０５では、ステップＳ１１０４で算出したガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ]に基づいてガス流量総発電量補正係数ｋｇａｓｍを算出する。

ここで、ステップＳ１１０５のガス流量総発電量補正係数ｋｇａｓｍの算出方法を図１５に基づいて説明する。図１５に示すように、ガス流量総発電量変換値Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓｍ[ｋｗ]からステップＳ１１０１で算出した駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ[ｋｗ]を減算したものを求め、この減算した値とガス流量総発電量補正係数ｋｇａｓｍとの間の関係を予めマップに設定しておき、このマップに基づいてガス流量総発電量補正係数ｋｇａｓｍを算出する。

次に、ステップＳ１１０６では、ステップＳ１１０１で算出した駆動ユニット１９の入力電力Ｐｇｒｏｓｓ[ｋｗ]と、ステップＳ１１０３で算出したガス圧力総発電量補正係数ｋｇａｓｐと、ステップＳ１１０５で算出したガス流量総発電量補正係数ｋｇａｓｍとを積算して発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓ[ｋｗ]を

によって算出し、発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓの算出処理を終了する。

そして、本実施例では、この発電可能電力Ｐｇｒｏｓｓ＿ｇａｓを図９のステップＳ９０２で利用して供給電力換算値Ｐｎｅｔ＿ｇａｓ[ｋｗ]を図９のフローチャートにしたがって算出し、この供給電力換算値Ｐｎｅｔ＿ｇａｓ[ｋｗ]を燃料電池発電システムの運転状態として図４のステップＳ４０１に入力して燃料電池発電システムの発電変化量下限値補正処理を図４のフローチャートにしたがって行なう。

このように、本実施例の燃料電池発電システムでは、燃料電池発電システムの運転状態を、発電可能電力から補機の消費電力を減算して算出した燃料電池発電システムの供給電力換算値としたので、燃料電池発電システムのガス運転点（ガス圧力、ガス流量）を発電可能電力に置き換えて車両への供給電力を求めることができ、この供給電力換算値が駆動モータ３３の消費電力を上回っていたとしても、減速時にバッテリ３５の過充電を起こすことなく、運転者が要求する減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項３の効果）。

次に、本発明の実施例３を図１６に基づいて説明する。尚、本実施例の燃料電池発電システムの構成は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。図１６は、本実施例の燃料電池発電システムによる発電変化量下限値及びトルク変化量下限値の補正処理を示すフローチャートである。ただし、図１６に示すフローチャートにおいて、ステップＳ１６０５及びＳ１６０６以外の処理は図４のフローチャートと同一なので詳しい説明は省略し、ステップＳ１６０５及びＳ１６０６における処理について説明する。

ステップＳ１６０５では、燃料電池発電システムの発電変化量下限値及び駆動モータ３３のトルク変化量下限値を補正する。

ここで、ステップＳ１６０５における燃料電池発電システムの発電変化量下限値及び駆動モータ３３の回生トルク変化量下限値の補正処理を図１７のフローチャートに基づいて説明する。

図１７に示すように、ステップＳ１７０１において駆動モータインバータ３４で検出される駆動モータ３３の回転数Ｎｍｔｒ[ｒｐｍ]に基づいて車速Ｖｖｅｈｉｃｌｅ[ｋｍ／ｈ]を算出し、ステップＳ１７０２ではステップＳ１７０１で算出した車速Ｖｖｅｈｉｃｌｅ[ｋｍ／ｈ]（あるいは駆動モータ回転数Ｎｍｔｒ[ｒｐｍ]）に基づいて、駆動モータ３３の回生トルク応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]を算出する。この算出方法は図６のステップＳ６０２と同様の方法で算出することができる。

そして、ステップＳ１７０３では、ステップＳ１７０２で算出した回生トルク応答時間目標値に基づいて燃料電池発電システムの発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]を算出する。この算出方法は図６のステップＳ６０３と同様の方法で算出することができる。

次に、ステップＳ１７０４では、燃料電池発電システムの発電減少時応答時間限界値Ｔｌｍｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]を算出する。この発電減少時応答時間限界値Ｔｌｍｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]の算出方法としては、予め実験などによって燃料電池発電システムの運転状態と発電減少時応答時間限界値との間の関係を求めておき、図４のステップＳ４０１で算出した燃料電池発電システムの運転状態に基づいて発電減少時応答時間限界値Ｔｌｍｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]を算出する。

そして、ステップＳ１７０５では、ステップＳ１７０３で算出した発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]と、ステップＳ１７０４で算出した発電減少時応答時間限界値Ｔｌｍｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]の大きさを比較し、発電減少時応答時間限界値が発電減少時応答時間目標値を上回っている場合には、ステップＳ１７０６において駆動モータ３３の回生トルク変化量下限値を補正して回生トルク変化量下限補正値ΔＴｒｑｍｔｒ’[Ｎｍ／ｓ]を算出する。

ここで、ステップＳ１７０６の駆動モータ３３の回生トルク変化量下限補正値の算出方法を説明する。まず、ステップＳ１７０２で算出した回生トルク応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]と、ステップＳ１７０３で算出した発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]と、Ｓ１７０４で算出した発電減少時応答時間限界値Ｔｌｍｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]とに基づいて、駆動モータ３３の回生トルク応答時間補正値Ｔａｄｊ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]を

によって算出する。

さらに、駆動モータインバータ３４で検出した駆動モータトルクＴｒｑｍｔｒ[Ｎｍ]と式（８）によって算出した回生トルク応答時間補正値Ｔａｄｊ＿ｔｒｑｄ[ｓｅｃ]とから回生トルク変化量下限補正値ΔＴｒｑｍｔｒ’[Ｎｍ／ｓ]を

によって算出する。

次に、ステップＳ１７０７では、発電減少時応答時間目標値Ｔｔａｒｇｅｔ＿ｎｅｔｄ[ｓｅｃ]に基づいて発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]を

によって算出して燃料電池発電システムの発電変化量下限補正値及び回生トルク変化量下限補正値の算出処理を終了する。

この処理によって、ステップＳ１７０５において発電減少時応答時間限界値が発電減少時応答時間目標値を上回っている場合には、回生トルク変化量下限補正値ΔＴｒｑｍｔｒ’[Ｎｍ／ｓ]と発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]とが算出され、ステップＳ１７０５において発電減少時応答時間限界値が発電減少時応答時間目標値以下となった場合には、発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]のみが算出される。

このようにして図１６のステップＳ１６０５における燃料電池発電システムの発電変化量下限補正値及び駆動モータ３３の回生トルク変化量下限補正値の算出処理が行われたら、燃料電池発電システムの発電減少時における発電変化量を発電変化量下限補正値ΔＰｎｅｔｄ’[ｋｗ／ｓ]で制限するとともに、駆動モータ３３の回生トルク変化量を回生トルク変化量下限補正値ΔＴｒｑｍｔｒ’[Ｎｍ／ｓ]で制限する（Ｓ１６０６）。

一方、燃料電池発電システムの余剰発電電力Ｐｅｘ[ｋｗ]が０以下の場合には通常の発電変化量下限値ΔＰｎｅｔｄ[ｋｗ／ｓ]で燃料電池発電システムの発電減少時における発電変化量を制限する（Ｓ１６０７）。

このように、本実施例の燃料電池発電システムでは、駆動モータの回生トルク応答時間限界値を算出し、回生トルク応答時間目標値が回生トルク応答時間限界値を下回ったときには、駆動モータ３３の回生トルク変化量下限値を補正するので、減速時にバッテリ３５の過充電を起こすことなく、目標とする減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項５の効果）。

さらに、本実施例の燃料電池発電システムでは、駆動モータ３３の回生トルク応答時間限界値に基づいて駆動モータ３３の回生トルク変化量下限値を補正するので、減速時にバッテリ３５の過充電を起こすことなく、目標とする減速トルクを駆動モータ３３に出力させることができる（請求項６の効果）。

以上、本発明の燃料電池発電システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムのコントローラの構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムを搭載した燃料電池車両の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムによる発電変化量下限値補正処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムの供給電力算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムによる発電変化量下限補正値の算出処理を示すフローチャートである。 駆動モータの回生トルク応答時間と車速との関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池発電システムの発電電力減少時における駆動モータ消費電力と応答時間との関係を示す図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムの供給電力換算値の算出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムの供給ガス運転状態検出処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る燃料電池発電システムの発電可能電力算出処理を示すフローチャートである。 ガス圧力とガス圧力総発電量変換値との関係を示す図である。 ガス圧力総発電量変換値から駆動ユニット入力電力を差し引いた差分とガス圧力総発電量補正係数との関係を示す図である。 ガス流量とガス流量総発電量変換値との関係を示す図である。 ガス流量総発電量変換値から駆動ユニット入力電力を差し引いた差分とガス流量総発電量補正係数との関係を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池発電システムによる発電変化量下限値及びトルク変化量下限値の補正処理を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る燃料電池発電システムによる発電変化量下限補正値及び駆動モータ回生トルク変化量下限補正値の算出処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池発電システム
２ 燃料電池スタック
３ コントローラ
４ 水素タンク
５ 可変バルブ
６ イジェクタ
７ 加湿器
８ 純水供給装置
９ 水素流量センサ
１０ 水素圧力センサ
１１ パージ弁
１２ 酸化ガス供給装置
１３ 温度センサ
１４ 圧力センサ
１５ 空気流量センサ
１６ 空気圧力センサ
１７ スロットル
１８ セル電圧検出装置
１９ 駆動ユニット
２１ 燃料電池発電システム運転状態検出部（燃料電池発電システム運転状態検出手段）
２２ 駆動モータ消費電力算出部（駆動モータ消費電力算出手段）
２３ 燃料電池発電変化量下限値補正部（燃料電池発電変化量下限値補正手段）
３１ アクセル開度センサ
３２ 車速センサ
３３ 駆動モータ
３４ 駆動モータインバータ
３５ バッテリ
３６ バッテリコントローラ

Claims (6)

1. 燃料電池を主電源として備えた燃料電池車両の燃料電池発電システムであって、
   当該燃料電池発電システムの運転状態を検出する燃料電池発電システム運転状態検出手段と、
   前記燃料電池車両を駆動する駆動モータの消費電力を算出する駆動モータ消費電力算出手段と、
   前記燃料電池発電システムの運転状態と前記駆動モータの消費電力とに基づいて前記燃料電池の発電変化量下限値を補正する燃料電池発電変化量下限値補正手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記燃料電池発電システムの運転状態は、前記駆動モータへの入力電力から当該燃料電池発電システムを構成する補機の消費電力を減算して算出した燃料電池発電システムの供給電力であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記燃料電池発電システムの運転状態は、前記燃料電池に供給されるガスの運転状態を前記燃料電池の発電可能電力に換算し、この発電可能電力から当該燃料電池発電システムを構成する補機の消費電力を減算して算出した燃料電池発電システムの供給電力換算値であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システム。
4. 前記燃料電池発電変化量下限値補正手段は、前記燃料電池車両の車速に応じた前記駆動モータの回生トルク応答時間目標値を算出し、この回生トルク応答時間目標値に基づいて前記燃料電池の発電変化量下限値を補正することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
5. 前記燃料電池発電変化量下限値補正手段は、前記駆動モータの回生トルク応答時間限界値を算出し、前記回生トルク応答時間目標値が前記回生トルク応答時間限界値を下回ったときには、前記駆動モータの回生トルク変化量下限値を補正する ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。
6. 前記燃料電池発電変化量下限値補正手段は、前記駆動モータの回生トルク応答時間限界値に基づいて前記駆動モータの回生トルク変化量下限値を補正することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池発電システム。
   

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