JP2011015551A - 燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池の劣化を抑制しつつ、エアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えることを防止することができる燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】燃料電池車両１０の制御方法では、負荷３０の要求電力が低下する際に燃料電池３２の発電電圧が所定電圧以上となる頻度が低下するように燃料電池３２の発電電力を低下させるレートリミット制御を行うと共に、燃料電池３２の発電電力を低下させるときは、エアポンプ３６の回転数を負荷３０の要求電力に応じて変化させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素貯蔵装置からの水素及びエアポンプからの酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電電力を用いて駆動する負荷を備える燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法に関する。より詳細には、前記負荷の要求電力が低下する際に、燃料電池の劣化を抑制しつつ、エアポンプの出力音についてのユーザの違和感を防止することができる燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法に関する。
近年、燃料電池の研究開発が盛んである。燃料電池は、アノード電極に水素が供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで電力を発生させる。アノード電極に対する水素の供給は、水素を高圧で貯蔵した水素貯蔵装置から行われ、また、カソード電極に対する酸化剤ガスの供給は、エアポンプ（エアコンプレッサ）により行われることが知られている（例えば、特許文献１、２）。
特許文献１では、酸化剤ガスの流量をエアコンプレッサ（３６）で調整すると共に、この酸化剤ガスの圧力に応じて燃料ガスの流量を調整する（例えば、特許文献１の段落［００１４］、［００１６］参照）。特許文献２でも同様である（例えば、特許文献２の段落［００１３］、［００１７］参照）。さらに、特許文献２では、アクセル開度（ＡＣ）に応じて燃料電池（１１）の目標発電電流（ＩＦＣ）を算出し、この目標発電電流に応じた反応ガスの目標流量（ＱＭ）及び目標圧力（ＰＭ）を算出する。また、目標発電電流に基づいてエアコンプレッサ（２１）の回転数（Ｎ）を算出して、エアコンプレッサを制御する（例えば、特許文献２の図２、段落［００３１］、［００３３］参照）。
また、燃料電池を車両の動力源として用いられることが知られている（例えば、特許文献３、４）。特許文献３では、燃料電池及びバッテリの一方又は両方から走行用モータに対して電力を供給することにより、走行用モータを駆動する（例えば、引用文献３の段落［００２６］参照）。特許文献４では、燃料電池の劣化防止等の観点から、負荷の変化が高い側から低い側への変化であることが検知されたとき、セル電圧変化速度を所定値以下に制御する（例えば、特許文献４の要約参照）。
特開２００７−１４９４９６号公報 特開２００２−３５２８２６号公報 特開２００６−０７３５０６号公報 特開２００９−０３２４１８号公報
特許文献２のようにエアポンプの回転数をアクセル開度（すなわち、負荷の大きさ）に応じて決定する構成に特許文献４の制御を適用する場合、燃料電池の劣化抑制を図ることができる一方で、エアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えるおそれがある。
すなわち、特許文献４の制御によれば、セル電圧変化速度を所定値以下に抑制するため、燃料電池の電流−電圧特性より、セル電流変化速度も抑制されることとなる。その結果、燃料電池の発電電力の低下は、アクセル開度に対応する負荷の要求電力の低下と比較して緩やかになる。このため、特許文献４の制御において、エアポンプの回転数を燃料電池の発電電力に対応させると、負荷の要求電力が低下しても、エアポンプの回転数がそれほどには減少せず、エアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えかねない。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化を抑制しつつ、エアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えることを防止することができる燃料電池車両及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
この発明に係る燃料電池車両の制御方法は、水素貯蔵装置からの水素及びエアポンプからの酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電電力を用いて駆動する負荷を備えた燃料電池車両の制御方法であって、前記負荷の要求電力が低下する際に前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以上となる頻度が低下するように前記燃料電池の発電電力を低下させるレートリミット制御を行うと共に、前記燃料電池の発電電力を低下させるときは、前記エアポンプの回転数を前記負荷の要求電力に応じて変化させることを特徴とする。
この発明によれば、負荷の要求電力が低下する際にレートリミット制御により燃料電池の劣化を抑制することができると共に、レートリミット制御中のエアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えることを防止することができる。
すなわち、レートリミット制御では、燃料電池の発電電圧の上昇を制限するため、負荷の要求電力の低下と比較して燃料電池の発電電力の低下を緩やかにする。これにより、燃料電池の劣化を抑制することができる。また、レートリミット制御において、エアポンプの回転数を燃料電池の発電電力に対応させると、負荷の要求電力が低下しても、エアポンプの回転数がそれほどには減少せず、エアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えかねない。この発明によれば、レートリミット制御において、エアポンプの回転数を負荷の要求電力に対応させるため、負荷の要求電力が低下すると、エアポンプの回転数もこれに伴って減少する。従って、上記のような出力音についての違和感を防止することができる。
上記において、前記レートリミット制御時の余剰電力を蓄電装置に充電してもよい。これにより、レートリミット制御時の充電に伴う蓄電装置の劣化を抑制することが可能となる。
すなわち、レートリミット制御において、エアポンプの回転数を燃料電池の発電電力に対応させると、負荷の要求電力が低下しても、エアポンプの回転数がそれほどには減少せず、燃料電池には、負荷の要求電力に対応する量よりも多い量の酸化剤ガス（及び構成によっては水素）が供給される。この場合、燃料電池の発電電力は負荷の要求電力を超え、蓄電装置に対して余剰電力の急激な充電が行われることで蓄電装置を劣化させる可能性がある。
この発明によれば、レートリミット制御において、エアポンプの回転数を負荷の要求電力に対応させるため、負荷の要求電力が低下すると、エアポンプの回転数もこれに伴って減少する。このため、燃料電池には、負荷の要求電力に対応する量しか酸化剤ガス（及び構成によっては水素）が供給されない。従って、レートリミット制御に伴う余剰電力は減少するため、上記のような余剰電力の急激な充電に伴う蓄電装置の劣化を抑制することができる。
前記レートリミット制御では、前記負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の要求発電電流を設定すると共に、前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以上とならないように前記要求発電電流を制限した目標発電電流を用いて前記燃料電池の発電電流を制御し、前記レートリミット制御時は、前記エアポンプの回転数を前記要求発電電流に基づいて制御してもよい。これにより、目標発電電流ではなく要求発電電流に基づいてエアポンプの回転数を制御することにより、レートリミット制御の影響をエアポンプの出力に与えない。従って、エアポンプの出力音を好適に制御することが可能となる。
この発明に係る燃料電池システムの制御方法は、水素貯蔵装置からの水素及びエアポンプからの酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電電力を用いて駆動する負荷を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記負荷の要求電力が低下した際に前記燃料電池の発電電圧の上昇に制限を加える電圧上昇制限制御を実行し、前記電圧上昇制限制御の際、前記制限を加える前の前記燃料電池の要求発電電力に対応させて前記エアポンプの出力を制御することを特徴とする。
この発明によれば、負荷の要求電力が低下した際に燃料電池の発電電圧の上昇に制限を加える電圧上昇制限制御の最中であっても、エアポンプの出力は、当該制限の影響を受けず、負荷の要求電力の低下に伴って減少する。従って、電圧上昇制限制御の際、発電電圧の上昇に伴う燃料電池の劣化を当該制限制御により防止しつつ、負荷の要求電力の低下にエアポンプの出力音が追従しないことに伴う違和感を防止することが可能となる。
この発明によれば、負荷の要求電力が低下する際にレートリミット制御により燃料電池の劣化を抑制することができると共に、レートリミット制御中のエアポンプの出力音についてユーザに違和感を与えることを防止することができる。
この発明の一実施形態に係る制御方法を実施する燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。 上記実施形態に係る電力分配装置を構成するＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成を示す回路図である。 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ及びエアポンプの基本制御のフローチャートである。 前記燃料電池車両に搭載された燃料電池の出力−電圧特性を示す図である。 前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの指令値を算出するフローチャートである。 電流減算量の決定方法を説明するための図である。 前記エアポンプへの指令値を算出するフローチャートである。 第１比較例の各種値と第２比較例の各種値の時間変化を比較した図である。 本実施形態の各種値と前記第２比較例の各種値の時間変化を比較した図である。
１．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この発明の一実施形態に係る制御方法を実施する燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」ともいう。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」ともいう。）の概略全体構成図である。
このＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行用のモータ１４と、インバータ１６とを有する。ＦＣシステム１２は、第１の電源としての燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、第２の電源としてのバッテリ２０と、電力分配装置２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」ともいう。）とを有する。
［駆動系］
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転する。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０に出力する。回生電力Ｐｒｅｇは、図示しない補機に対して出力してもよい。
インバータ１６は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を電力分配装置２２を通じてバッテリ２０等に供給する。
なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。
［ＦＣユニット１８］
ＦＣユニット１８の燃料電池３２（以下「ＦＣ３２」ともいう。）は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。ＦＣ３２には、水素タンク３４とエアポンプ３６が経路３８、４０を通じて接続されており、水素タンク３４からは一方の反応ガスである水素（燃料ガス）が、エアポンプ３６からは他方の反応ガスである圧縮空気（酸化剤ガス）が供給される。水素タンク３４及びエアポンプ３６からＦＣ３２に供給された水素と空気がＦＣ３２内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）［Ｗ］がモータ１４とバッテリ２０に供給される。ＦＣ３２の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４２により検出され、ＦＣ３２の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）［Ａ］は、電流センサ４４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。また、ＦＣ３２を構成する各セルの発電電圧（以下「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４６により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。
水素タンク３４とＦＣ３２とを結ぶ経路３８には、ノーマルクローズタイプのレギュレータ５０が設けられている。このレギュレータ５０には、エアポンプ３６とＦＣ３２とを結ぶ経路４０から分岐した経路５２が連結されており、エアポンプ３６からの圧縮空気が供給される。レギュレータ５０は、供給された圧縮空気の圧力に応じて弁の開度を変化させ、ＦＣ３２に供給する水素の流量を調整する。
ＦＣ３２の出口側に設けられた水素用の経路５４及び空気用の経路５６には、出口側の水素及び空気の圧力を調整する背圧弁５８、６０が設けられている。また、水素用の入口側の経路３８と出口側の経路５４とを結ぶ経路６２が設けられている。ＦＣ３２から排出された水素は、この経路６２を介してＦＣ３２の入口側に戻される。出口側の経路５４、５６には、圧力センサ６４、６６が設けられ、その検出値（圧力値）は、それぞれＥＣＵ２４に出力される。
ＦＣユニット１８の詳細な構成については、例えば、特許文献１又は特許文献２に記載のものを用いることができる。
［バッテリ２０］
バッテリ２０は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ７０により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ７２により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。
［電力分配装置２２］
電力分配装置２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。
図２には、本実施形態における電力分配装置２２の詳細が示されている。図２に示すように、電力分配装置２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３０とＦＣ３２との接続点である２次側２Ｓに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ８０を有する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。
図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル８１とから構成される。
相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８２とダイオード８４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８６とダイオード８８）とで構成される。
上アームスイッチング素子８２と下アームスイッチング素子８６には、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。
リアクトル８１は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。
上アームスイッチング素子８２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ９２に並列に設けられた電圧センサ９０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ９４により１次電流Ｉ１を検出し、２次側の平滑コンデンサ９８に並列に設けられた電圧センサ９６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１００により２次電流Ｉ２を検出する。
［ＥＣＵ２４］
ＥＣＵ２４は、通信線１０２を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及び電力分配装置２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、電圧センサ４２、４６、７０、９０、９６、電流センサ４４、７２、９４、１００、圧力センサ６４、６６等の各種センサの検出値を用いる。ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及び電力分配装置２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。
ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ車両１０の総負荷要求量Ｌｔから、ＦＣ３２が負担すべき燃料電池分担負荷量（要求出力）Ｌｆと、バッテリ２０が負担すべきバッテリ分担負荷量（要求出力）Ｌｂと、回生電源（モータ１４）が負担すべき回生電源分担負荷量Ｌｒの配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及び電力分配装置２２に指令を送出する。
２．本実施形態の制御
次に、エアポンプ３６及びＤＣ／ＤＣコンバータ８０の制御について説明する。
図３には、ＥＣＵ２４により駆動制御されるエアポンプ３６及びＤＣ／ＤＣコンバータ８０の基本制御のフローチャートが示されている。以下では、説明の便宜のため、今回の処理で演算したものに「今回」と記載し、前回の処理で演算したものに「前回」と記載する。
ステップＳ１において、ＥＣＵ２４により、それぞれが負荷要求であるモータ１４の電力要求とＦＣユニット１８（エアポンプ等）の電力要求から総負荷要求量Ｌｔが決定（算出）されると、ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、決定した総負荷要求量Ｌｔを出力するための燃料電池分担負荷量Ｌｆと、バッテリ分担負荷量Ｌｂと、回生電源分担負荷量Ｌｒの配分を決定する。
次いで、ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、燃料電池分担負荷量Ｌｆに応じてＦＣ３２の要求発電電流｛要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）｝［Ａ］を決定する。すなわち、ＦＣ３２の出力は、ＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃとにより算出されるが、ＦＣ３２のＩ−Ｖ特性に基づいて燃料電池分担負担量Ｌｆと要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑとの組合せをＥＣＵ２４の図示しない記憶手段にマップ化して記憶しておく。そして、燃料電池分担負担量Ｌｆを用いて要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑを読み出す。
続くステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ８０に対する指令値を算出する。ここでの指令値は、２次電圧Ｖ２の目標値（目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒ）［Ｖ］である。
目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒの算出に際し、本実施形態では、ＦＣ３２の劣化を抑制しつつ、ＦＣ電力Ｐｆｃを効果的に利用するため、下記のような制御を行う。
まずＦＣ３２の出力特性（以下「出力特性Ｃｆｃ」という。）について述べておくと、ＦＣ３２の出力特性Ｃｆｃは、一般的な燃料電池と同様、ＦＣ電圧Ｖｆｃが低くなるほど、ＦＣ電力Ｐｆｃは高くなる（図４参照）。そこで、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０により２次電圧Ｖ２を制御することで、ＦＣ３２のＦＣ電圧Ｖｆｃを制御し、これにより、ＦＣ３２のＦＣ電力Ｐｆｃをも制御する。
また、図４からもわかるように、ＦＣ電力Ｐｆｃが低くなるほど、ＦＣ電流Ｉｆｃの変化に対するＦＣ電圧Ｖｆｃの変化は大きくなる。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化が大きいほど、ＦＣ３２の劣化が進む。
この点を考慮し、本実施形態では、単位時間当たりのＦＣ電圧Ｖｆｃの変化量（電圧変化量ΔＶｆｃ）［Ｖ／ｓｅｃ］に制限を加える。
図５には、目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒを算出するフローチャートが示されている。なお、図３と同様、説明の便宜のため、今回の処理で演算したものに「今回」と記載し、前回の処理で演算したものに「前回」と記載する。
ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、電圧センサ７０が検出したバッテリ電圧Ｖｂａｔに基づいて、バッテリ２０の充電量ＳＯＣ［％］が、閾値ＴＨ＿ｓｏｃ以下であるかどうかを判定する。閾値ＴＨ＿ｓｏｃは、バッテリ２０が過充電状態となっているかどうかを判定するための充電量ＳＯＣの閾値であり、充電量ＳＯＣが閾値ＴＨ＿ｓｏｃを超えるとき、バッテリ２０が過充電状態であると判定する。
充電量ＳＯＣが閾値ＴＨ＿ｓｏｃを超える場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ＦＣ３２の出力低下を制限し、余剰電力をバッテリ２０に充電すると、バッテリ２０が劣化するおそれがある。そこで、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の出力低下を制限せずに、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）を、ＦＣ電流Ｉｆｃの目標値｛目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）｝として設定する。そして、ステップＳ１８に進む。
充電量ＳＯＣが閾値ＴＨ＿ｓｏｃ以下である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＦＣ３２の出力低下を制限し、余剰電力をバッテリ２０に充電してもバッテリ２０が劣化するおそれは少ない。
そこで、ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力を制限中であるかどうかを確認する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力を制限する場合としては、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０が故障中である場合や、上アームスイッチング素子８２が過熱状態にある場合がある。ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力を制限中である場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、ＦＣ３２の出力低下を制限すると、余剰電力がＤＣ／ＤＣコンバータ８０を介してバッテリ２０に供給されることとなり、結果として、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力が増加してしまう。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力を制限中である場合、そのような処理を行うことができない。そこで、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の出力低下を制限せずに、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）として設定する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力を制限中でない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、ＦＣ３２の出力低下を制限し、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０を介してバッテリ２０に余剰電力を供給しても上記のような問題は生じない。そこで、ステップＳ１４に進む。
ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、電圧センサ４６が検出したセル電圧Ｖｃｅｌｌが異常であるかどうかを判定する。セル電圧Ｖｃｅｌｌが異常であるとは、例えば、何らかの原因により特定のセルに燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されず、セル電圧Ｖｃｅｌｌが異常値を示す場合をいう。この場合、速やかにＦＣ電流Ｉｆｃを絞らないと、ＦＣ３２がダメージを受ける可能性があるため、ＦＣ３２の出力低下を制限せずに速やかにＦＣ電流Ｉｆｃを絞る必要がある。
そこで、セル電圧Ｖｃｅｌｌが異常である場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の出力低下を制限せずに、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）として設定する。セル電圧Ｖｃｅｌｌが異常でない場合（Ｓ１４：ＮＯ）、ＦＣ３２の出力低下を制限しても上記のような問題は生じない。そこで、ステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５において、ＥＣＵ２４は、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）が目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）未満であるかどうかを判定する。要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）が目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）未満でない場合（Ｓ１５：ＮＯ）、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴うＦＣ３２の劣化は生じず、ＦＣ３２の出力低下を制限する必要性は少ない。そこで、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の出力低下を制限せずに、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）として設定する。
要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）が目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）未満である場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴うＦＣ３２の劣化が生じる可能性があり、ＦＣ３２の出力低下を制限する必要性が生じる。
そこで、まずステップＳ１６において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）とＦＣ電圧Ｖｆｃ（今回）とに基づいて電流減算量Ｄｉｓ［Ａ］を決定する。電流減算量Ｄｉｓは、１回の処理で許容されるＦＣ電流Ｉｆｃの低下量を示す。
図６は、電流減算量Ｄｉｓの決定方法を説明するための図である。図６において、曲線１１０は、劣化が生じていないＦＣ３２のＩ−Ｖ特性であり、曲線１１２は、劣化後のＦＣ３２のＩ−Ｖ特性である。
図６に示すように、本実施形態では、ＦＣ電流Ｉｆｃを３つの領域に分け、ＦＣ電流Ｉｆｃが低い領域（低負荷領域）では、単位時間当たりのＦＣ電圧Ｖｆｃの変化量（電圧変化量ΔＶｆｃ）を「小」に制限する。また、ＦＣ電流Ｉｆｃが中くらいの領域（中負荷領域）では、電圧変化量ΔＶｆｃを「中」に制限する。さらに、ＦＣ電流Ｉｆｃが高い領域（高負荷領域）では、電圧変化量ΔＶｆｃを「大」（制限を設けない場合を含む。）に制限する。ＦＣ３２の劣化は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが高い程、進み易いことから、上記のような制限を設けることにより、ＦＣ３２の劣化を防止すると共に、高負荷領域（及び中負荷領域）においてＦＣ３２の出力を有効に利用することが可能となる。
また、図６に示すように、ＦＣ３２の劣化が進むと、ＦＣ電流Ｉｆｃが同じでもＦＣ電圧Ｖｆｃが下がり、低負荷領域でのＩ−Ｖ特性の傾きは急になる。
上記を踏まえ、本実施形態では、ＦＣ３２の劣化に伴うＩ−Ｖ特性の変化を考慮しつつ、低負荷領域及び中負荷領域における電圧変化量ΔＶｆｃの制限を一定化するため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）とＦＣ電圧Ｖｆｃ（今回）とに応じた電流減算量Ｄｉｓを予めマップ化して記憶しておく。目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）及びＦＣ電圧Ｖｆｃ（今回）と、電流減算量Ｄｉｓとの関係を規定するマップは、ＥＣＵ２４の図示しない記憶手段に記憶されている。
ＦＣ３２の劣化にかかわらず、低負荷領域及び中負荷領域で電圧変化量ΔＶｆｃを一定化するため、上記マップでは、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）が小さくなるほど、また、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（今回）が低くなるほど、電流減算量Ｄｉｓを小さくする（図６参照）。なお、図６では、マップ中の具体的な数値の例は示されていないことに留意されたい。
図５に戻り、ステップＳ１７において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）から電流減算量Ｄｉｓ（今回）を差し引いたものを目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）として設定する。
ステップＳ１２又はステップＳ１７の後、ステップＳ１８において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）を次回の処理のために図示しない記憶手段に保持する。続くステップＳ１９において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）に基づいて目標Ｖ２電圧Ｖ２＿ｔａｒ（今回）を決定する。なお、目標Ｖ２電圧Ｖ２＿ｔａｒの算出に当たっては、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御を併せて用いることで、２次電圧Ｖ２（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒ（目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ）に合わせ込む。
図３に戻り、ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、算出した目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒ（今回）となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８０を駆動制御する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、昇圧動作、降圧動作等を行う。
ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３で決定した要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）に基づいてエアポンプ３６に対する指令値を算出する。ここでの指令値は、エアポンプ３６により供給されるエア流量の目標値（目標エア流量ＦＲ＿ｔａｒ）である。
図７には、目標エア流量ＦＲ＿ｔａｒを算出するフローチャートが示されている。なお、図３及び図５と同様、説明の便宜のため、今回の処理で演算したものに「今回」と記載し、前回の処理で演算したものに「前回」と記載する。
ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）に対応するエア流量｛要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑ（今回）｝を決定する。ＥＣＵ２４の図示しない記憶手段には、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑと要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑとの対応関係を規定するマップが記憶されており、ＥＣＵ２４は、当該マップを用いて要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑ（今回）を特定する。
ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑ（今回）を差圧補正してエア流量の目標値｛目標エア流量ＦＲ＿ｔａｒ（今回）｝を算出する。差圧補正は、アノード電極の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧Ｄｐが、ＦＣ３２内の滞留水を外部に飛ばせるだけの流速が得られる差圧（差圧閾値ＴＨ＿Ｄｐ）以上でない場合に、エアポンプ３６の回転数Ｎ［ｒｐｍ］を増加させレギュレータ５０の開度を大きくすることで、上流側の圧力を増加させる処理である。従って、差圧Ｄｐが差圧閾値ＴＨ＿Ｄｐ未満である場合、その程度に応じて要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑ（今回）を増加させて目標エア流量ＦＲ＿ｔａｒ（今回）とする。
図３に戻り、ステップＳ７において、ＥＣＵ２４は、算出した目標エア流量ＦＲ＿ｔａｒ（今回）となるようにエアポンプ３６を駆動制御する。
３．比較例との比較
次に、本実施形態の動作と、２つの比較例の動作とを比較する。第１比較例は、上述した図５のように電圧変化量ΔＶｆｃに制限を設ける制御（レートリミット制御）を行わずに要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑに基づいて目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒを決定する場合（換言すると、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑをそのまま目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒとする場合）であり、第２比較例は、上述した本実施形態においてエアポンプ３６の出力を（要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑではなく）目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒに応じて制御する場合である。
説明の便宜上、まずは、第１比較例と第２比較例の相違について説明する。図８は、第１比較例の各種値と第２比較例の各種値の時間変化を比較した図である。図８において、第１比較例は破線で示し、第２比較例は一点鎖線で示す。
図８の時点ｔ０から時点ｔ１までは、ＦＣ車両１０が定速走行をしておりモータ１４の負荷｛燃料電池分担負荷量Ｌｆ（以下「負荷量Ｌｆ」ともいう。）｝が一定であり、これに伴って、第１比較例及び第２比較例のいずれも、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ、エアポンプ３６の回転数Ｎ及びバッテリ電流Ｉｂａｔが一定である。
時点ｔ１において、例えば、運転者がアクセルペダル（図示せず）を原位置まで戻すことにより負荷量Ｌｆが急減すると、第１比較例では、これに伴って、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ及び目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒを急減させるため、エアポンプ３６の回転数Ｎも急減させる。その結果、ＦＣ３２の出力が急減するため、バッテリ電流Ｉｂａｔは、ゼロアンペア近傍までしか低下しない。
これに対し、第２比較例では、時点ｔ１において負荷量Ｌｆが急減しても、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒの低下を緩やかにするため、ＦＣ３２の劣化を防止することができる。その一方、第２比較例では、時点ｔ１において目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ及び目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒの低下を緩やかにするため、エアポンプ３６の回転数Ｎも緩やかに減少する。その結果、ＦＣ３２の出力は緩やかに低下するため、バッテリ電流Ｉｂａｔはマイナス方向（充電を行う極性）に大きく増加する。従って、負荷量Ｌｆの急減にかかわらず、エアポンプ３６の回転数Ｎは比較的高いままであり、エアポンプ３６の出力音は比較的大きなものとなり、ユーザに違和感を与えるおそれがある。また、バッテリ電流Ｉｂａｔの変化が大きいため、不必要なＦＣ電流Ｉｆｃを発生させ燃費を低下させると共に、バッテリ２０の負担増加により劣化を促進しかねない。
次に、本実施形態と第２比較例の相違について説明する。図９は、本実施形態の各種値と第２比較例の各種値の時間変化を比較した図である。図９において、本実施形態は実線で示し、第２比較例は一点鎖線で示す。
図９の時点ｔ０から時点ｔ１までは、ＦＣ車両１０が定速走行をしておりモータ１４の負荷（負荷量Ｌｆ）が一定であり、これに伴って、本実施形態及び第２比較例のいずれも、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ、エアポンプ３６の回転数Ｎ及びバッテリ電流Ｉｂａｔが一定である。
時点ｔ１において、例えば、運転者がアクセルペダル（図示せず）を原位置まで戻すことにより負荷量Ｌｆが急減すると、第２比較例では、上述の通り、ＦＣ３２の劣化防止を図ることができる一方で、エアポンプ３６の出力音についてユーザに違和感を与えるおそれがあり、また、燃費を低下させると共に、バッテリ２０の負担増加により劣化を促進しかねない。
これに対し、本実施形態では、時点ｔ１において負荷量Ｌｆが急減しても、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（目標２次電圧Ｖ２＿ｔａｒ）の低下を緩やかにするため、ＦＣ３２の劣化を防止することができる。さらに、エアポンプ３６の出力は、主として、要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑに基づいて決定される。要求エア流量ＦＲ＿ｒｅｑは、上記レートリミット制御を行う前の要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑに対応するものである。このため、時点ｔ１において負荷量Ｌｆが急減すると、エアポンプ３６の回転数Ｎも急減し、第２比較例のように回転数Ｎが比較的緩やかに減少するのではない。従って、第２比較例のような違和感をユーザに与えるおそれをなくすことができる。
また、本実施形態では、レギュレータ５０の働きにより、エアポンプ３６の回転数Ｎが低下すると、ＦＣ３２に対する水素及び酸素の供給量が低下する。このため、エアポンプ３６の回転数Ｎが急減すると、ＦＣ３２に対する水素及び酸素の供給量が急減する。その結果、第２比較例と比べて、ＦＣ３２の出力はより大きく低下し、ＦＣ３２からバッテリ２０に流れ込むＦＣ電流Ｉｆｃも少なくなる。従って、不必要なＦＣ電流Ｉｆｃを発生させることがなくなり、燃費を向上できると共に、バッテリ２０の負担増加による劣化を抑制することが可能となる。
４．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、主としてモータ１４の要求電力に対応する燃料電池分担負荷量Ｌｆが低下する際にレートリミット制御によりＦＣ３２の劣化を抑制することができると共に、レートリミット制御中のエアポンプ３６の出力音についてユーザに違和感を与えることを防止することができる。
すなわち、レートリミット制御では、ＦＣ電圧Ｖｆｃの上昇を制限するため、負荷量Ｌｆの低下と比較してＦＣ電力Ｐｆｃの低下を緩やかにする。これにより、ＦＣ３２の劣化を抑制することができる。また、レートリミット制御において、エアポンプ３６の回転数Ｎを目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）に対応させると、負荷量Ｌｆが低下しても、エアポンプ３６の回転数Ｎがそれほどには減少せず、エアポンプ３６の出力音についてユーザに違和感を与えかねない。本実施形態によれば、レートリミット制御において、エアポンプ３６の回転数Ｎを負荷量Ｌｆに対応させるため、負荷量Ｌｆが低下すると、エアポンプ３６の回転数Ｎもこれに伴って減少する。従って、上記のような出力音についての違和感を防止することができる。
また、上記実施形態によれば、レートリミット制御時のＦＣ３２の余剰電力をバッテリ２０に充電する。これにより、レートリミット制御時の充電に伴うバッテリ２０の劣化を抑制することが可能となる。
すなわち、レートリミット制御において、エアポンプ３６の回転数ＮをＦＣ電力Ｐｆｃに対応させると、負荷量Ｌｆが低下しても、エアポンプ３６の回転数Ｎがそれほどには減少せず、ＦＣ３２には、負荷量Ｌｆに対応する量よりも多い量の酸化剤ガス及び水素が供給される。この場合、ＦＣ電力Ｐｆｃは負荷量Ｌｆを超え、バッテリ２０に対して余剰電力の急激な充電が行われることでバッテリ２０を劣化させる可能性がある。
本実施形態によれば、レートリミット制御において、エアポンプ３６の回転数Ｎを負荷量Ｌｆに対応させるため、負荷量Ｌｆが低下すると、エアポンプ３６の回転数Ｎもこれに伴って減少する。このため、ＦＣ３２には、負荷量Ｌｆに対応する量しか酸化剤ガス及び水素が供給されない。従って、レートリミット制御に伴う余剰電力は減少するため、上記のような余剰電力の急激な充電に伴うバッテリ２０の劣化を抑制することができる。
本実施形態によれば、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒではなく要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑに基づいてエアポンプ３６の回転数Ｎを制御することにより、レートリミット制御の影響をエアポンプ３６の出力に与えない。従って、エアポンプ３６の出力音を好適に制御することが可能となる。
５．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限られず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。
上記実施形態では、空気の圧力に応じて開度が決定されるレギュレータ５０を用いて水素の流量を制御したが、その他の構成（例えば、ＥＣＵ２４からの電気信号により制御される弁）により水素の流量を制御してもよい。
上記実施形態において、電力分配装置２２は、バッテリ２０とモータ１４及びＦＣ３２との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータ８０を有していたが、これに限られない。例えば、ＦＣ３２とモータ１４との間に昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを設けることもできる。
上記実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０における上アームスイッチング素子８２及び下アームスイッチング素子８６の数をそれぞれ１つとしたが、これに限られず、２つ以上としてもよい。
上記実施形態では、２次電圧Ｖ２又はＦＣ電圧Ｖｆｃを制御することにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを制御したが、これに限られない。例えば、ＦＣ３２を構成する各セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌを制御することにより、各セルの出力を制御してもよい。
上記実施形態では、単位時間当たりのＦＣ電圧Ｖｆｃの変化量（電圧変化量ΔＶｆｃ）に制限を設けるレートリミット制御によりＦＣ電力Ｐｆｃを制限したが、これに限られない。例えば、上記の制限以外にも、主としてモータ１４の要求電力を示す負荷量Ｌｆが低下する際にＦＣ電圧Ｖｆｃが所定電圧以上となる頻度が低下するようにＦＣ電力Ｐｆｃを低下させるものを用いることができる。ここにいう所定電圧とは、例えば、特許文献４に記載されているようなセル電圧Ｖｃｅｌｌが０．７ＶとなるときのＦＣ電圧Ｖｆｃをいう。
上記実施形態では、レートリミット制御時の余剰電力をバッテリ２０に充電したが、その他の方法で消費してもよい。例えば、図示しないオーディオ機器やナビゲーション装置等の補機又は放電回路に余剰電力を供給することもできる。
上記実施形態の図５では、バッテリ２０の充電量ＳＯＣが閾値ＴＨ＿ＳＯＣを超える場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０の出力制限中である場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、セル電圧Ｖｃｅｌｌが異常である場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、又は要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）が目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）未満でない場合（Ｓ１５：ＮＯ）、電流減算量Ｄｉｓを用いた制限を実行しなかったが、これらのいずれかを用いない又は選択的に用いることも可能である。さらに、電流減算量Ｄｉｓを用いた制限を実行しないのではなく、電流減算量Ｄｉｓを増加させることで対応することもできる。
上記実施形態の図５では、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）と目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）との比較（Ｓ１５）の後に、電流減算量Ｄｉｓの決定（Ｓ１６）を行ったが、ステップＳ１６の処理をステップＳ１５の前に行うこともできる。この場合、ステップＳ１５では、要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）が、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）及び電流減算量Ｄｉｓ（今回）の差より小さいかどうか｛Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）＜Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）―Ｄｉｓ（今回）｝を判定してもよい。これにより、目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（前回）と要求ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑ（今回）との差が、電流減算量Ｄｉｓよりも小さいときに目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ（今回）をより細かく設定することが可能となる。
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…モータ １６…インバータ
１８…燃料電池ユニット ２０…バッテリ
２２…電力分配装置 ２４…ＥＣＵ
３０…負荷 ３２…燃料電池
３４…水素タンク（水素貯蔵装置） ３６…エアポンプ

Claims (4)

  1. 水素貯蔵装置からの水素及びエアポンプからの酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電電力を用いて駆動する負荷を備えた燃料電池車両の制御方法であって、
    前記負荷の要求電力が低下する際に前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以上となる頻度が低下するように前記燃料電池の発電電力を低下させるレートリミット制御を行うと共に、前記燃料電池の発電電力を低下させるときは、前記エアポンプの回転数を前記負荷の要求電力に応じて変化させる
    ことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  2. 請求項１記載の燃料電池車両の制御方法において、
    前記レートリミット制御時の余剰電力を蓄電装置に充電する
    ことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両の制御方法において、
    前記レートリミット制御では、前記負荷の要求電力に基づいて前記燃料電池の要求発電電流を設定すると共に、前記燃料電池の発電電圧が所定電圧以上とならないように前記要求発電電流を制限した目標発電電流を用いて前記燃料電池の発電電流を制御し、
    前記レートリミット制御時は、前記要求発電電流に基づいて前記エアポンプの回転数を制御する
    ことを特徴とする燃料電池車両の制御方法。
  4. 水素貯蔵装置からの水素及びエアポンプからの酸化剤ガスにより発電する燃料電池の発電電力を用いて駆動する負荷を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
    前記負荷の要求電力が低下した際に前記燃料電池の発電電圧の上昇に制限を加える電圧上昇制限制御を実行し、
    前記電圧上昇制限制御では、前記制限を加える前の前記燃料電池の要求発電電力に対応させて前記エアポンプの出力を制御する
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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