JP2011003278A

JP2011003278A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2011003278A
Application number: JP2009142895A
Authority: JP
Inventors: Goji Katano; 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2011-01-06
Anticipated expiration: 2029-06-16
Also published as: DE112010002556B4; DE112010002556T5; WO2010146421A8; US20120095637A1; CN102458911A; WO2010146421A3; US8594874B2; CN102458911B; JP5077295B2; WO2010146421A2

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、燃料電池と、車両駆動モータ及び補機モータとの間にコンバータを設ける構成において、過渡応答性を高くしつつ、効率を向上させて、省燃費を図れる構造を実現することである。
【解決手段】燃料電池システム１０は、駆動モータ１４用及びエアコンプレッサモータ２０用の第１インバータ及び第２インバータに、燃料電池スタック１２の出力電圧を昇圧して供給するコンバータ２４と、電圧取得手段５４と、コンバータ制御手段５６とを備える。電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクに応じて、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を取得する。コンバータ制御手段５６は、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧と、駆動モータ１４の要求電圧とを比較して、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電する燃料電池と、車両駆動モータ用インバータと、補機モータ用インバータと、車両駆動モータ用インバータ及び補機モータ用インバータに、燃料電池の出力電圧を昇圧して供給するコンバータとを備える燃料電池システムに関する。

従来から燃料電池車等に搭載されて、車両の駆動源として車両駆動モータに燃料電池である燃料電池スタックから電力を供給し、車両駆動モータを駆動させる燃料電池システムが知られている。燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電する。

また、特許文献１には、燃料電池スタックへの酸化剤供給用のエアコンプレッサ及び駆動モータに電力供給する燃料電池スタックと、二次電池と、燃料電池スタックと接続され、二次電池から電圧を昇圧して電力を取り出す動作、または電圧を降圧して二次電池に電力を供給する動作をする電圧変換手段と、制御手段とを備える燃料電池システムが知られている。制御手段は、燃料電池スタックを起動する場合に、燃料電池スタックのエアコンプレッサ側と電圧変換手段との接続点の電位を、燃料電池スタックの開放電圧よりも高い電圧にする昇圧動作をして二次電池の電力をエアコンプレッサに供給するように電圧変換手段を制御し、エアコンプレッサを一定時間運転した後に、開放電圧よりも高い電圧から低くする降圧動作をしてスタックからの電力をエアコンプレッサに供給するように電圧変換手段を制御するとされている。

また、車両駆動モータと、燃料電池スタックへの酸化ガス供給用のエアコンプレッサ等の補機とに、燃料電池スタックからの電力を、電圧の変換動作を行う共通のコンバータを介して供給可能とする燃料電池システムも考えられる。この場合、コンバータは、燃料電池スタックと、車両駆動モータ及び補機との間に設けられる。この構成によれば、燃料電池の電圧をコンバータにより昇圧させて、車両駆動モータとエアコンプレッサとに供給することができる。

特開２００４−１４６１１８号公報

上記のように、燃料電池スタックと、車両駆動モータ及び補機との間にコンバータを設ける燃料電池システムの場合には、車両駆動モータと、エアコンプレッサ等の補機とへの入力電圧が同じになる。ここで、補機への入力電圧は、実際には、補機駆動用の補機モータへの入力電圧である。これに対して、車両駆動モータの使用電圧範囲をある範囲で設計するとともに、補機モータの電圧をその使用電圧範囲の最下限で設計する場合がある。ただし、車両駆動モータの実際の使用電圧に応じて補機モータの使用電圧も変化するため、実際の使用では補機モータが設計値よりも高い電圧で運転される場合があり、効率が悪化する要因となっている。このため、補機モータの使用電圧の設計値を実際の使用電圧に近くすることが望まれている。

これに対して、補機モータの使用電圧を上記の最下限よりも高い電圧で設計すると、燃料電池スタックの運転時の過渡応答、例えば、燃料電池車の加速等が生じる毎に補機モータからの要求で車両駆動モータへの入力電圧も昇圧され、コンバータが頻繁な昇圧動作を行うため損失が大きくなり、システム全体の効率が悪化する可能性がある。

本発明者は、このような不都合が生じる原因は、コンバータで大きく昇圧動作させなければならない過渡応答と、コンバータで小さく昇圧動作させれば済む過渡応答との区別がされていない点にあると考えた。そして、このような不都合を改良するために、補機モータの加速要求の程度に応じて、補機モータの要求電圧を変えることが重要であると考えるに至った。

本発明の目的は、燃料電池システムにおいて、燃料電池と、車両駆動モータ及び補機モータとの間にコンバータを設ける構成において、過渡応答性を高くしつつ、効率を向上させて、省燃費を図れる構造を実現することである。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電する燃料電池と、直流電力を供給され、車両駆動モータに交流電力を供給する車両駆動モータ用インバータと、直流電力を供給され、補機モータに交流電力を供給する補機モータ用インバータと、燃料電池と車両駆動モータ及び補機モータとの間に設けられ、車両駆動モータ用インバータ及び補機モータ用インバータに、燃料電池の出力電圧を昇圧して供給するコンバータと、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクに応じて、補機モータの要求電圧を取得する電圧取得手段と、取得された補機モータの要求電圧と、車両駆動モータの要求電圧とを比較して、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御するコンバータ制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システムである。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、電圧取得手段は、目標駆動モータトルクに応じて駆動モータの要求電圧を取得する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、コンバータ制御手段は、取得された補機モータの要求電圧と、車両駆動モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、コンバータ制御手段は、エコノミーモードが指示された場合に、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、車両駆動モータの要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御し、パワーモードが指示された場合に、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、コンバータ制御手段は、エコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標補機モータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分を超える場合には、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、車両駆動モータの要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、パワーモードが指示された場合と、エコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標補機モータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分以下の場合とのいずれか１の場合には、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、電圧取得手段は、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクと、加速要求に応じた次の演算工程までに到達する補機モータの到達予想回転数とから、補機モータの要求電圧を算出する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクと、補機モータの要求電圧変化との関係を表すマップを記憶するマップ記憶手段を備え、電圧取得手段は、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクから、マップを参照しつつ、補機モータの要求電圧を取得する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定する判定手段を備え、判定手段の判定結果に応じて、補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、判定手段は、指示手段により指示されたモードにより緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の加速を指示するための加速指示部の操作量を検出する操作量検出手段を備え、判定手段は、操作量検出手段の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の加速を指示するための加速指示部の操作量の変化速度を検出する操作量変化速度検出手段を備え、判定手段は、操作量変化速度検出手段の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、車両の速度を検出する車速検出手段を備え、判定手段は、車速の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、補機モータの温度を検出する温度検出手段を備え、電圧取得手段は、温度検出手段の検出値に応じて、補機モータの要求電圧を補正する。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、好ましくは、補機モータは、燃料電池用エアコンプレッサを駆動するエアコンプレッサモータである。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池と、車両駆動モータ及び補機モータとの間にコンバータを設ける構成において、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクに応じて、補機モータの要求電圧を取得し、取得された補機モータの要求電圧と、車両駆動モータの要求電圧とを比較してコンバータの昇圧比が設定されるので、設定条件に応じて、高い加速要求がある過渡応答時には、補機モータの要求電圧を高く設定でき、低い加速要求がある過渡応答時には、補機モータの要求電圧を低く設定できる。このため、過渡応答性を高くしつつ、コンバータで不必要に大きく昇圧動作されることを抑制し、効率を向上させて、省燃費を図れる構造を実現できる。

本発明の実施の形態の１例の燃料電池システムの基本構成を示す図である。図１のシステムにおいて、一部の構成を取り出して示す図である。図１のシステムを用いて、エアコンプレッサモータの要求電圧の算出方法を示すフローチャートである。エアコンプレッサモータの加速要求と目標トルクとの関係の１例を示す図である。図１のシステムでエアコンプレッサモータの要求電圧を算出する場合の、２例の過渡応答時の運転範囲を、エアコンプレッサモータの回転数及びトルクの関係で示す図である。本発明の実施の形態の別例において、エアコンプレッサモータの要求電圧の算出方法を示すフローチャートである。本発明の実施の形態の第２の別例において、エアコンプレッサモータの検出温度と、エアコンプレッサの要求電圧の補正量との関係の１例を示す図である。

以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態の１例につき詳細に説明する。図１から図５は、本発明の実施の形態の１例を示している。図１に示すように、燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池である燃料電池スタック１２を有する。燃料電池スタック１２は、燃料ガスである水素ガスと、酸化ガスである空気との電気化学反応により発電する。燃料電池スタック１２からは、車両を駆動するための駆動源である車両駆動モータ１４（Ｍａ）（以下、単に「駆動モータ１４」とする。）と、補機であるエアコンプレッサ１６との両方に電力を供給可能とする。このために、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、駆動モータ１４と、車両駆動モータ用インバータである第１インバータ１８（後述する図２参照）と、エアコンプレッサ１６駆動用のエアコンプレッサモータ２０（Ｍｂ）と、エアコンプレッサモータ用インバータである第２インバータ２２（後述する図２参照）と、コンバータ２４と、制御部２６とを備える。

燃料電池スタック１２は、例えば、複数の燃料電池セルを積層すると共に、燃料電池スタック１２の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、複数の燃料電池セルと集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。各燃料電池セルは、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。アノード側電極には水素ガスを供給可能とし、カソード側電極に空気を供給可能とする。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソードまで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成するとともに、アノード側電極からカソード側電極へ外部の電気回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。

水素ガスは、図示しない水素ガス源から水素ガス供給流路２８に供給され、水素ガス供給流路２８により燃料電池スタック１２へ供給された後、燃料電池スタック１２の内部流路で電気化学反応に供されてから、水素ガス排出流路３０を通じて排出される。水素ガス供給流路２８と水素ガス排出流路３０との間に還流路３２を設けており、還流路３２に水素循環ポンプである水素ポンプ３４を設けている。還流路３２は、水素ガス排出流路３０に排出された未反応の水素を含むガスである水素オフガスを水素ガス供給流路２８に戻すために使用される。また、水素ガス排出流路３０の下流側に排気排水弁であるパージ弁３６を設けている。水素ガス排出流路３０と還流路３２との間に図示しない気液分離器を設けている。

また、空気は、酸化ガス供給流路３８の上流側に設けられたエアコンプレッサ１６により、加圧された後、加湿器４０を通過してから燃料電池スタック１２の内部流路に供給される。内部流路に供給された空気は、電気化学反応に供された後、酸化ガス排出流路４２を通じて排出され、加湿器４０を通過してから大気へ排出される。加湿器４０は、燃料電池スタック１２から排出された、未反応の空気を含むガスである空気オフガスから得た水分を、燃料電池スタック１２に供給される前の空気に与えて、加湿する役目を果たす。

燃料電池スタック１２から出力される出力電圧は、電圧変換装置であり、ＤＣ／ＤＣコンバータであるコンバータ２４で昇圧するように変換してから、負荷である駆動モータ１４と、エアコンプレッサ１６駆動用のエアコンプレッサモータ２０とに供給可能としている。図２に示すように、実際には、コンバータ２４は、駆動モータ１４を駆動する第１インバータ１８と、エアコンプレッサモータ２０を駆動する第２インバータ２２とに接続されている。第１インバータ１８は、直流電力を供給され、駆動モータ１４に交流電力を供給することで、駆動モータ１４を駆動する。第２インバータ２２は、直流電力を供給され、エアコンプレッサモータ２０に交流電力を供給することで、エアコンプレッサモータ２０を駆動する。

コンバータ２４は、第１インバータ１８及び第２インバータ２２に、燃料電池スタック１２の出力電圧を昇圧して供給する。コンバータ２４の昇圧動作は、図１の制御部２６により制御される。制御部２６は、例えば車両のアクセルペダル操作量等の負荷要求を表す信号、燃料電池スタック１２や流路内の状態を検出するための圧力センサ、温度センサ等の各種のセンサの検知情報を表す信号を取得して、コンバータ２４及び各インバータ１８，２２を制御し、駆動モータ１４及びエアコンプレッサモータ２０の運転状態を制御する。例えば、制御部２６は、エアコンプレッサモータ２０の駆動量を制御することで、燃料電池スタック１２への空気の供給量を制御する。また、制御部２６は、水素ポンプ３４（図１）や、水素ガス供給流路２８に設けたガス供給弁４４、パージ弁３６等の弁の開閉も制御する。制御部２６は、ＣＰＵ、メモリ等を有するマイクロコンピュータを含む。

図２に示すように、燃料電池スタック１２の電圧Ｖｆｃは、コンバータ２４により昇圧され、例えば、３００Ｖから６５０Ｖ以下の範囲まで昇圧可能とする。この場合、例えば、駆動モータ１４とエアコンプレッサモータ２０とのそれぞれの電圧要求のうち、高い方の電圧要求がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定する。ただし、コンバータ２４の昇圧比が高くなると、例えば、コンバータ２４での効率が９０％等に低下するため、昇圧比を大きくする頻度を高くすることは好ましくない。本実施の形態は、このような改良すべき点を改良するものである。

また、図１に示すように、燃料電池システム１０は、モード指示手段であるモード指示部４６と、車両の加速を指示するための加速指示部である、アクセルペダルの操作量を検出するペダル操作量センサ４８と、車両の速度を検出する車速センサ５０とを備える。モード指示部４６は、運転者が操作可能なスイッチや、ボタン等であり、車両の燃費を優先する「エコノミーモード」と、車両の加速性能を優先する「パワーモード」とのいずれかのモードを選択可能に指示可能としている。なお、運転席周辺部に設けるディスプレイにエコノミーモードとパワーモードとを選択可能に表示させ、タッチスクリーンを用いて、またはボタン操作等により、モードを選択可能に指示可能とすることもできる。

また、制御部２６は、判定手段５２と、電圧取得手段５４と、コンバータ制御手段５６とを含む。判定手段５２は、モード指示部４６で指示されたモードを表す信号と、ペダル操作量センサ４８の検出信号との少なくとも１を用いて、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定する。

電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクに応じて、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出、すなわち取得し、目標駆動モータトルクに応じて駆動モータ１４の要求電圧を算出、すなわち取得する。目標駆動モータトルクは、例えば、ペダル操作量センサ４８や、車速センサ５０の検出値等を用いて電圧取得手段５４、または図示しない外部の制御部で算出する。外部の制御部での算出値である目標駆動モータトルクは、制御部２６に入力する。

また、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出する場合、電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクと、加速要求に応じた次の演算工程までに到達するエアコンプレッサモータ２０の到達予想回転数とから、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出する。すなわち、電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクと、エアコンプレッサモータ２０の加速要求に応じた次の演算工程までに到達するエアコンプレッサモータ２０の到達予想回転数とを実現できる、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出する。

例えば、判定手段５２は、モード指示部４６からの入力信号が表す選択されたモードから加速要求を判定する。この場合、選択されたモードがエコノミーモードである場合には、判定手段５２は、緩加速を要求する状態と判定する。逆に、選択されたモードがパワーモードである場合には、判定手段５２は、急加速を要求する状態と判定する。電圧取得手段５４は、その判定結果に応じてエアコンプレッサモータ２０を加速させる際の、回転数に対するトルクの設定値を後述するように切り替える。

コンバータ制御手段５６は、算出されたエアコンプレッサモータ２０の要求電圧と、駆動モータ１４の要求電圧とを比較して、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御する。より具体的には、コンバータ制御手段５６は、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧と、駆動モータ１４の要求電圧との高い方の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御する。

次に、図３から図５を用いて、判定手段５２（図１）により加速要求を判定した場合の、エアコンプレッサモータ２０（図１）の要求電圧を算出する方法の１例を説明する。図３は、図１のシステムを用いて、エアコンプレッサモータの要求電圧の算出方法の１例を示すフローチャートである。図４は、エアコンプレッサモータの加速要求と目標トルクとの関係の１例を示す図である。図５は、図１のシステムでエアコンプレッサモータの要求電圧を算出する場合の、２例の過渡応答時の運転範囲を、エアコンプレッサモータの回転数及びトルクの関係で示す図である。なお、以下の説明において、図１から図２に示した要素と同一の要素には同一の符号を付して説明する。

まず、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出する場合、図３のステップＳ１において、判定手段５２により判定された、エアコンプレッサモータ２０の加速要求に応じて、目標エアコンプレッサトルクを算出する。すなわち、図４に示す関係から明らかなように、エアコンプレッサモータ２０の加速要求が高くなるほど、エアコンプレッサモータ２０の目標トルクは高くなる。また、エアコンプレッサモータ２０の加速要求は、例えば、車両の加速等に応じて燃料電池スタック１２の発電負荷が高くなる場合に、エアコンプレッサ１６の回転数を高くして燃料電池スタック１２への供給空気量を多くする必要が生じることに伴って、エアコンプレッサモータ２０のトルクを高くする。また、定常運転状態からエアコンプレッサモータ２０を、高い回転数に移行させる場合の過渡状態で、急加速させるか緩加速させるかの加速要求に応じて、目標トルクが決定される。

図５では、曲線Ｌｃにより負荷トルク曲線を表しており、一点鎖線ＥＣＯでエコノミーモード時に加速する場合の過渡状態を示す曲線を表し、破線ＰＷＲでパワーモード時に加速する場合の過渡状態を示す曲線を表している。また、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３はエアコンプレッサモータ２０の入力側である第２インバータ２２の入力電圧ＶＨ（図２参照）の等圧曲線を表しており、Ｖ１からＶ２，Ｖ３に向かうにしたがって電圧が大きくなる（Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３）。図５に示すように、本実施の形態では、例えば、ある回転数とトルクとの値を持つＰ１の定常状態からエアコンプレッサモータ２０を加速させ、別の回転数とトルクとの値を持つＰ２の定常状態に移行する場合に、負荷トルク曲線のトルクに対して、過渡状態での目標トルクを高くする程度に応じてエアコンプレッサモータ２０の加速が定まる。

例えば、図５に示すように、エコノミーモードが指示された場合とパワーモードが指示された場合とで、トルクと回転数との関係で別の経路を通るようにすることができる。すなわち、パワーモードが指示された場合には、判定手段５２で急加速を要求する状態と判定されるので、電圧ＶＨに関して、電圧Ｖ１から電圧Ｖ２，Ｖ３と電圧要求が大きくなり、再びＶ２に電圧要求が低下するようにしている。すなわち、パワーモードが指示された場合には、判定手段５２で急加速を要求する状態と判定されるので、電圧ＶＨに関して、Ｐ１の電圧から電圧Ｖ１のトルクが高い点に電圧要求が大きくなり、さらに電圧Ｖ２，Ｖ３と電圧要求が大きくなり、再びＶ２に電圧要求が低下し、Ｐ２の定常状態に移行する。この場合には、昇圧量が大きくなるので、エアコンプレッサモータ２０の加速が高くなる。

また、エコノミーモードが指示された場合には、判定手段５２で緩加速を要求する状態と判定されるので、電圧ＶＨは、電圧Ｖ１のトルクが高い点から電圧Ｖ２へ電圧要求が大きくなるが、トルクが低くなることで、Ｐ２の定常状態に移行する。この場合には、昇圧量がパワーモードが指示された場合よりも小さくなるので、エアコンプレッサモータ２０の加速が低くなる。すなわち、本実施の形態において、電圧取得手段５４は、判定手段５２の判定結果に応じてエアコンプレッサモータ２０を加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換える。

この場合、エアコンプレッサモータ２０の目標トルクを出力する場合には、制御部２６で、入力電圧を設定した状態で、目標トルクに対応する電流指令を算出し、第２インバータ２２に電流指令に応じた駆動制御信号を出力することで、目標トルクを出力することができる。エアコンプレッサモータ２０の加速は、エアコンプレッサモータ２０のトルクと負荷トルク曲線Ｌｃのトルクとの差に応じて定まる。このため、目標トルクが高くなるパワーモードの場合には、十分に高い加速度で加速することができ、過渡応答時の応答性を高くできる。

逆に、目標トルクが低いエコノミーモードの場合には、低い加速度で加速されるため、過渡応答時の応答性は低くなるが、エコノミーモードでは加速性に対する運転者の要求が低いため、実用上の問題は生じない。また、コンバータ２４で不必要に電圧を大きく昇圧させずに済むため、コンバータ２４の効率を高くでき、低燃費を図れる。

本実施の形態は、このような原理に基づくもので、図３のステップＳ１において、判定手段５２により判定された、エアコンプレッサモータ２０の加速要求に応じて、エアコンプレッサモータ２０の目標トルクを算出し、ステップＳ２において、加速要求に応じた次の演算工程までに到達するエアコンプレッサモータ２０の到達予想回転数と到達予想トルクとを算出する。次いで、ステップＳ３において、この到達予想回転数と到達予想トルクとを実現できる、エアコンプレッサの要求電圧を算出する。例えば、パワーモードが指示された場合に、図５のＴ_O付近を目標トルクとして算出し、各演算工程での到達予想回転数とトルクとを、点Ａ，Ｂ，Ｃに対応する回転数ｎ及びトルクＴと算出する。このため、例えば、点Ｐ１，Ａ，Ｂに対応する各演算工程で、点Ａ，Ｂ，Ｃに対応する次の演算工程までに到達する予想回転数及び予想トルクを実現できる電圧を算出することができる。例えば、現在の演算工程で６０００min^-1で２９０Ｖの電圧で１０Ｎｍのトルクを出力している場合に、次の演算工程で６２００min^-1に到達し、２０Ｎｍのトルクを出力することが必要になると予想される場合には、現在の演算工程で、６２００min^-1で２０Ｎｍのトルクを実現できる電圧（例えば３００Ｖ）を、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧として算出する。

これに対して、エコノミーモードが指示された場合に、図５のＴ_O´を目標トルクとして算出し、各演算工程での到達予想回転数ｎとトルクＴとを算出する。そして、各演算工程で、次の演算工程までに到達する予想回転数及び予想トルクを実現できる電圧を、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧として算出することができる。エコノミーモードが指示された場合には、図５の斜線で示した領域の左右両側の縁を通る経路でトルク及び回転数が設定される。

このような燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック１２と、駆動モータ１４及びエアコンプレッサモータ２０との間にコンバータ２４を設ける構成において、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクに応じて、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を算出し、算出されたエアコンプレッサモータ２０の要求電圧と、駆動モータ１４の要求電圧とを比較してコンバータ２４の昇圧比が設定される。このため、高い加速要求がある過渡応答時には、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を高く設定でき、低い加速要求がある過渡応答時には、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を低く設定できる。この結果、過渡応答性を高くしつつ、コンバータ２４で不必要に大きく昇圧動作されることを抑制し、効率を向上させて、省燃費を図れる構造を実現できる。

なお、エアコンプレッサモータ２０の目標トルクを求める場合に、エアコンプレッサモータ２０の現在の回転数と、移行後の回転数との関係に応じて、加速要求毎に、適切な目標トルクを算出するようにすることもできる。例えば、判定手段５２は、エアコンプレッサモータ２０に関して、急加速を要求する状態と緩加速を要求する状態とのいずれかを加速要求として判定するのではなく、現在の定常状態のエアコンプレッサモータ２０の回転数及びトルクと、移行後の定常状態のエアコンプレッサモータ２０の回転数及びトルクと、モード指示部４６等からの入力等による急加速または緩加速の要求モードとから、算出、またはマップの参照等により、エアコンプレッサモータ２０の加速要求を求め、その加速要求に応じて目標エアコンプレッサモータトルクを算出等、取得することもできる。

また、図６は、本発明の実施の形態の別例において、エアコンプレッサモータの要求電圧の算出方法を示すフローチャートである。本実施の形態の場合、燃料電池システム１０は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクと、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧変化との関係を表すマップを記憶するマップ記憶手段５８（図１参照）を備える。そして、電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクから、マップを参照しつつ、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を取得する。

すなわち、図６のステップＳ１０で、図３のステップＳ１の場合と同様に、エアコンプレッサモータ２０の加速要求から目標エアコンプレッサトルクを算出する。次いで、ステップＳ１１で、電圧取得手段５４は、エアコンプレッサモータ２０の加速要求による目標エアコンプレッサモータトルクから、マップ記憶手段５８で記憶されたマップを参照しつつ、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を取得する。このような別例の構成によれば、上記の実施の形態の場合と異なり、図３のステップＳ２の計算工程を省略できる。

また、上記の各実施の形態において、判定手段５２は、ペダル操作量センサ４８の検出値によりエアコンプレッサモータ２０に関して、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段５４は、その判定結果に応じてエアコンプレッサモータ２０を加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えるようにすることもできる。例えば、判定手段５２は、ペダル操作量センサ４８の検出値であるアクセルペダルの踏み込み量が閾値以下である場合には、緩加速を要求する状態と判定し、アクセルペダルの踏み込み量が閾値を超える場合には、急加速を要求する状態と判定するように、加速要求を判定する。

また、上記の各実施の形態において、判定手段５２は、ペダル操作量センサ４８の変化速度を検出するペダル操作量変化速度検出手段（図示せず）の検出値によりエアコンプレッサモータ２０に関して、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段５４は、その判定結果に応じてエアコンプレッサモータ２０を加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えるようにすることもできる。例えば、判定手段５２は、ペダル操作量変化速度検出手段の検出値であるアクセルペダルの踏み込み量の変化速度、すなわち踏み込み速度が閾値以下である場合には、緩加速を要求する状態と判定し、アクセルペダルの踏み込み量の変化速度が閾値を超える場合には、急加速を要求する状態と判定するように、加速要求を判定する。

また、上記の各実施の形態において、判定手段５２は、車速センサ５０（図１）の検出値によりエアコンプレッサモータ２０に関して、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、電圧取得手段５４は、その判定結果に応じてエアコンプレッサモータ２０を加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えるようにすることもできる。例えば、判定手段５２は、車速センサ５０の検出値である車速が閾値以下である場合には、緩加速を要求する状態と判定し、車速が閾値を超える場合には、急加速を要求する状態と判定するように、加速要求を判定する。また、判定手段５２は、加速要求として、２の加速要求のいずれか１を判定するものに限定するものではなく、３以上の加速要求のいずれか１を判定することもできる。

さらに、上記の各実施の形態において、判定手段５２は、モード指示部４６で指示されたモードと、ペダル操作量センサ４８の検出値と、ペダル操作量変化速度検出手段の検出値と、車速センサ５０の検出値との２以上を用いて、それぞれのモードまたは検出値を用いた複数の条件の組み合わせで、エアコンプレッサモータ２０に関して、緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定することもできる。例えば、判定手段５２は、モード指示部４６でパワーモードが指示され、かつ、ペダル操作量センサ４８の検出値であるペダル操作量が閾値以上である場合である、特定条件成立時に、急加速を要求する状態と判定し、特定条件の非成立時で、かつ、ペダル操作量が閾値未満の第２閾値以上の場合に緩加速を要求する状態と判定することもできる。

また、上記の各実施の形態では、コンバータ制御手段５６は、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧と、駆動モータ１４の要求電圧との高い方の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御している。ただし、コンバータ制御手段５６は、モード指示部４６によりエコノミーモードが指示された場合に、駆動モータ１４の要求電圧と、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧とのうち、駆動モータ１４の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、すなわち、駆動モータ１４側の要求でコンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御し、逆に、パワーモードが指示された場合に、駆動モータ１４の要求電圧と、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御することもできる。このように構成した場合、エコノミーモードが指示された場合には、エアコンプレッサモータ２０の電圧、すなわち第２インバータ２２の入力電圧は、駆動モータ１４の要求電圧に応じて成り行きで設定される。ただし、エコノミーモードではエアコンプレッサモータ２０の加速性に対する運転者の要求が低いので、実用上の問題は少なく、しかもさらなる燃費低減を図れる。

また、コンバータ制御手段５６は、モード指示部４６によりエコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標エアコンプレッサモータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分（例えば＋１Ｎｍ）を超える場合には、駆動モータ１４の要求電圧と、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧とのうち、駆動モータ１４の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定し、パワーモードが指示された第１の場合と、エコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標エアコンプレッサモータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分（例えば＋１Ｎｍ）以下の第２の場合とのいずれか１の場合には、駆動モータ１４の要求電圧と、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータ２４から出力されるように、コンバータ２４の昇圧比を設定し、コンバータ２４を制御することもできる。この場合、エアコンプレッサモータ２０要求でコンバータ２４の昇圧比を決定できる許容量の幅を大きくできる。

また、上記の各実施の形態において、燃料電池システム１０に、エアコンプレッサモータ２０の温度を検出するサーミスタ等のモータ温度センサ６０（図１参照）を備えるようにすることもできる。この場合、電圧取得手段５４は、モータ温度センサ６０の検出値に応じて、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧を補正する。例えば、図７に示すように、モータ温度と電圧補正量との関係を表すマップを、予めマップ記憶手段５８（図１参照）に記憶させておき、モータ温度が予め設定した標準使用温度ｔ１の場合に、電圧取得手段５４は、検出されたモータ温度から、マップを参照して、取得されたエアコンプレッサモータ２０の要求電圧の補正量を０とし、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧をそのまま使用する。これに対して、モータ温度が標準使用温度ｔ１よりも低くなると、電圧取得手段５４は、マップを参照して電圧補正量を低く設定する、すなわち、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧が低くなるように補正し、その補正後のエアコンプレッサモータ２０の要求電圧を、駆動モータ１４の要求電圧と比較する。逆に、モータ温度が標準使用温度ｔ１よりも高くなると、電圧取得手段５４は、マップを参照して電圧補正量を高く設定する、すなわち、エアコンプレッサモータ２０の要求電圧が高くなるように補正し、その補正後のエアコンプレッサモータ２０の要求電圧を、駆動モータ１４の要求電圧と比較する。

このように構成すれば、モータ温度に応じて要求電圧を適切に設定しやすくできる。すなわち、モータ温度が低い場合には電圧が低くても所望のトルクを出力できるとともに、モータ温度が高い場合には電圧を高くしなければ所望のトルクを出力できない可能性があるので、エアコンプレッサモータ２０の使用状態に応じて、システム全体の効率をより向上させることができる。なお、モータ温度について、標準使用温度を中心とするある温度範囲で、電圧補正量を０とする範囲を設定することもできる。

なお、上記の各実施の形態では、補機がエアコンプレッサ１６であり、補機モータがエアコンプレッサモータ２０である場合を説明したが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、補機を水素ポンプ３４（図１参照）とし、補機モータは水素ポンプ３４の駆動のための水素ポンプモータとすることもできる。

１０燃料電池システム、１２燃料電池スタック、１４車両駆動モータ、１６エアコンプレッサ、１８第１インバータ、２０エアコンプレッサモータ、２２第２インバータ、２４コンバータ、２６制御部、２８水素ガス供給流路、３０水素ガス排出流路、３２還流路、３４水素ポンプ、３６パージ弁、３８酸化ガス供給流路、４０加湿器、４２酸化ガス排出流路、４４ガス供給弁、４６モード指示部、４８ペダル操作量センサ、５０車速センサ、５２判定手段、５４電圧取得手段、５６コンバータ制御手段、５８マップ記憶手段、６０モータ温度センサ。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電する燃料電池と、
直流電力を供給され、車両駆動モータに交流電力を供給する車両駆動モータ用インバータと、
直流電力を供給され、補機モータに交流電力を供給する補機モータ用インバータと、
燃料電池と車両駆動モータ及び補機モータとの間に設けられ、車両駆動モータ用インバータ及び補機モータ用インバータに、燃料電池の出力電圧を昇圧して供給するコンバータと、
補機モータの加速要求による目標補機モータトルクに応じて、補機モータの要求電圧を取得する電圧取得手段と、
取得された補機モータの要求電圧と、車両駆動モータの要求電圧とを比較して、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御するコンバータ制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
電圧取得手段は、目標駆動モータトルクに応じて駆動モータの要求電圧を取得することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
コンバータ制御手段は、取得された補機モータの要求電圧と、車両駆動モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、
コンバータ制御手段は、
エコノミーモードが指示された場合に、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、車両駆動モータの要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御し、
パワーモードが指示された場合に、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、
コンバータ制御手段は、
エコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標補機モータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分を超える場合には、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、車両駆動モータの要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、
パワーモードが指示された場合と、エコノミーモードが指示された場合で、かつ、目標補機モータトルクの定常状態からの上昇分が予め設定された所定上昇分以下の場合とのいずれか１の場合には、車両駆動モータの要求電圧と、補機モータの要求電圧とのうち、高い方の要求電圧がコンバータから出力されるように、コンバータの昇圧比を設定し、コンバータを制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
電圧取得手段は、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクと、加速要求に応じた次の演算工程までに到達する補機モータの到達予想回転数とから、補機モータの要求電圧を算出することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
補機モータの加速要求による目標補機モータトルクと、補機モータの要求電圧変化との関係を表すマップを記憶するマップ記憶手段を備え、
電圧取得手段は、補機モータの加速要求による目標補機モータトルクから、マップを参照しつつ、補機モータの要求電圧を取得することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項７のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定する判定手段を備え、
判定手段の判定結果に応じて、補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の燃費を優先するエコノミーモードと、車両の加速性能を優先するパワーモードとのいずれかを指示可能な指示手段を備え、
判定手段は、指示手段により指示されたモードにより緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、
電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の加速を指示するための加速指示部の操作量を検出する操作量検出手段を備え、
判定手段は、操作量検出手段の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、
電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の加速を指示するための加速指示部の操作量の変化速度を検出する操作量変化速度検出手段を備え、
判定手段は、操作量変化速度検出手段の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、
電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
車両の速度を検出する車速検出手段を備え、
判定手段は、車速の検出値により緩加速と急加速とのいずれの加速を要求する状態かを判定し、
電圧取得手段は、その判定結果に応じて補機モータを加速させる際の回転数に対するトルクの設定値を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項１２のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
補機モータの温度を検出する温度検出手段を備え、
電圧取得手段は、温度検出手段の検出値に応じて、補機モータの要求電圧を補正することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１から請求項１３のいずれか１に記載の燃料電池システムにおいて、
補機モータは、燃料電池用エアコンプレッサを駆動するエアコンプレッサモータであることを特徴とする燃料電池システム。