JP2014143851A - 電動車両用の燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池（ＦＣ）の所期の性能を維持できる期間を延長する。
【解決手段】燃料電池システム１は、駆動力を発生するモータ４と、燃料電池１２と、二次電池２とを備えた電動車両１００に搭載されるものであって、制御ユニット１５とを備える。制御ユニット１５は、燃料電池１２の出力電力を用いてモータ４を動作させると同時に二次電池２を充電する動作状態において、モータ４の出力変動に伴う燃料電池１２の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて燃料電池１２の出力電力を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両が備えるモータを動作させると同時に二次電池を充電するための電力供給を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池（以下、ＦＣと称する）を用いて発電し、その電気エネルギーを用いてモータを駆動し走行するようにした燃料電池自動車が既に存在する。

一般的な燃料電池自動車は、ＦＣと共に小容量の２次電池を搭載するが、基本的には走行に必要なエネルギの大部分をＦＣからの出力に頼る。そしてこの燃料電池自動車は、アクセル全開加速等で瞬時的にエネルギが不足する場合に、２次電池からの出力を利用する。また２次電池への充電は、基本的に減速時の回生エネルギーで賄われる。

一方で、大容量のバッテリを備えるとともに、このバッテリへの交流商業電源からの充電（Plug-in）機能を有して、基本的に電気自動車（ＥＶ）として走行し、ＦＣをレンジエクステンダとして使用する自動車が想定される。つまり、一般的な燃料電池自動車に搭載されるＦＣに対して低出力なＦＣを搭載し、このＦＣをバッテリのＳＯＣ（State Of Charge）が低下している時にのみ起動／発電してバッテリの充電およびモータへの走行エネルギの供給の少なくともいずれか一方を行う。

なお、ＦＣとバッテリとを併用するシステムに関しては、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。

特開２００２−１４１０７３号公報 特許第４６８６８４２号公報

ＦＣは、大きな出力変動に伴う電位変動によって、触媒粒子の粗大化／溶出が進行し、出力性能が低下する。

つまり、ＦＣの出力電圧の急速かつ過大な変動が繰り返されると、ＦＣが所期の性能を維持できる期間が短くなるという課題があった。

本発明は、燃料電池（ＦＣ）の所期の性能を維持できる期間を延長することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載される発明の燃料電池システムは、駆動力を発生するモータと、燃料電池と、二次電池とを備えた電動車両に搭載されるものであって、前記燃料電池の出力電力を用いて前記モータを動作させると同時に前記二次電池を充電する動作状態において、前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて前記燃料電池の出力電力を制御する制御手段とを備える。

請求項２に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項１の記載において、前記制御手段は、前記動作状態において、かつ前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量が第１の既定値以上となり、かつ前記出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化速度が第２の既定値以上となる期間に前記燃料電池の出力電力を制御する。

請求項３に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項２の記載において、前記制御手段は、前記二次電池から前記モータへ電力を出力し、前記モータの出力変動に伴って要求される前記燃料電池の出力電圧の変化量よりも前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が小さくなるように前記燃料電池を制御する。

請求項４に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項２の記載において、前記制御手段は、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満である状態と前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御する。

請求項５に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項２〜４のいずれか一項の記載において、前記制御手段は、前記期間において、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することができない可能性があり、かつ前記二次電池の残量が第３の既定値以上である場合には、前記燃料電池からの電力出力を休止とするように前記燃料電池を制御する。

請求項６に記載される発明の燃料電池システムでは、請求項５の記載において、前記制御手段は、前記燃料電池からの電力出力を前記休止とした前記期間が終了したのちには、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満となる状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満となる状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池からの電力出力を上昇するように前記燃料電池を制御する。

本発明によれば、ＦＣの所期の性能を維持できる期間を延長することが可能な燃料電池システムを提供できる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した電動車両のブロック図。 図１中の燃料電池の出力特性の一例を示す図。 図１中の燃料電池システムが備える制御ユニットのフローチャート。 アクセル開度とモータ要求電力Ｐｍとの関係の一例を示す図。 アクセルポジションセンサの検出値の変化速度と燃料電池の出力の遅れ時間との関係を示す図。 燃料電池の出力電圧の変化量と燃料電池における白金の表面積との関係を示す図。 燃料電池の出力電圧の変化速度と燃料電池における白金の表面積との関係を示す図。 アクセルポジションセンサの検出値、燃料電池の目標出力、燃料電池の補正出力および燃料電池の出力電圧のそれぞれの時間変化の一例を比較して表す図。 触媒の劣化が特に促進される動作領域を表す図。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム（以下、ＦＣシステムと称する）を搭載した電動車両を、図１〜９を用いて説明する。なお、電動車両は、典型的には自動車である。

図１は電動車両１００のブロック図である。なお図１では、電動車両１００を構成する要素のうちの本発明に拘わる一部の要素のみを示している。電動車両１００は、既存の電動車両が備える周知の各種の要素を適宜に備える。

電動車両１００は、ＦＣシステム１、二次電池（以下、バッテリと称する）２、インバータ３、モータ４、制御ユニット５、統合制御ユニット６、アクセルポジションセンサ（以下、ＡＰＳと称する）７、ＡＣ−ＤＣコンバータ８、電源プラグ９およびダイオード１０を含む。

ＦＣシステム１は、燃料タンク１１、燃料電池（以下、ＦＣと称する）１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、ダイオード１４および制御ユニット１５を含む。

燃料タンク１１は、燃料としての水素ガスを収容する。

ＦＣ１２は、水素ガスを用いた電気化学反応によって直流電力を発生する。ＦＣ１２としては、既知の様々な構造のものを適宜に利用できる。ＦＣ１２は典型的には、それぞれが電気化学反応を起こす多数のセルを電気的に直列接続となる状態で積層したスタックを備える。このスタックとしての出力電力がＦＣ１２の出力電力である。なお以下においては、ＦＣ１２が出力する電力、電圧および電流を、それぞれＦＣ電力、ＦＣ電圧およびＦＣ電流と称することとする。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、ＦＣ１２の出力電圧を昇圧もしくは降圧する。

ダイオード１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３への電流の逆流を阻止する。

制御ユニット１５は、統合制御ユニット６からの指示の下に、ＦＣシステム１の出力電力が所要の電力となるようにＦＣ１２およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３を制御する。

バッテリ２は、化学反応により直流電力を発生するものであり、充電可能である。バッテリ２としては、既知の様々なタイプのものを適宜に利用できるが、典型的にはリチウムイオン電池が利用される。なお以下においては、バッテリ２が出力する電力および電圧を、それぞれバッテリ電力およびバッテリ電圧と称することとする。

インバータ３は、ＦＣシステム１およびバッテリ２の少なくとも一方から供給される直流電力を、モータ４を動作させるのに適する交流電力に変換する。

モータ４は、インバータ３から供給される交流電力によって動作し、電動車両１００を走行させるための駆動力を発生する。

制御ユニット５は、統合制御ユニット６から指示される所要駆動力をモータ４が発生するようにインバータ３を制御する。

統合制御ユニット６は、ＡＰＳ７などの各種センサで検出される車両状態の情報に基づいて所要駆動力を判定する。統合制御ユニット６は、ＡＰＳ７が出力するＡＰＳ値の通知を伴って、ＦＣ電力および昇圧比の調整を制御ユニット１５に指示する。また統合制御ユニット６は、所要駆動力を得るためのインバータ３の制御を制御ユニット５に指示する。

ＡＰＳ７は、図示しないアクセルペダルの位置を検出し、アクセル開度を表す値をＡＰＳ値として出力する。

ＡＣ−ＤＣコンバータ８は、電源プラグ９を介して交流商業電源から供給される交流電力を直流電力に変換する。このＡＣ−ＤＣコンバータ８で得られた直流電力は、バッテリ２を充電するために利用される。

ダイオード１０は、ＡＣ−ＤＣコンバータ８への電流の逆流を阻止する。

次に以上のように構成された電動車両１００の動作について説明する。

電動車両１００は、モータ４により駆動力を発生する走行状態として、次の３つの状態を持つ。これら３つの状態は、制御ユニット１５の制御の下に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次電圧を変化させることにより切り換える。

なお図１において、Ｖｆｃ_ｂはＦＣ１２の出力電圧、ＶｆｃはＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次電圧、Ｖｂｏはバッテリ２の無負荷時電圧、ＰｆｃはＦＣシステム１の出力電力量、Ｐｂｃはバッテリ２の充電電力、Ｐｂｄｃはバッテリ２の出力電力Ｐｍはモータ要求電力をそれぞれ表す。

（第１の状態）
ＶｆｃをＶｂｏよりも小さくし、かつＰｍがＰｂｄｃの最大値よりも小さい状態である。この場合、ＰｂｄｃがＰｍと等しくなり、Ｐｆｃは０になる。つまり、モータ４で必要とされるエネルギの全てがバッテリ２から供給される状態である。

（第２の状態）
ＶｆｃをＶｂｏよりも大きくし、かつＰｍがＰｆｃの最大値よりも小さい状態である。この場合、ＰｆｃがＰｍとＰｄｃとの和と等しくなる。つまり、モータ４で必要とされるエネルギの全てがＦＣ１２から供給されるとともに、ＦＣ１２からの供給エネルギによってバッテリ２が充電される状態である。

（第３の状態）
ＶｆｃをＶｂｏよりも大きくし、かつＰｍがＰｆｃの最大値よりも大きい状態である。この場合、ＰｆｃとＰｂｄｃとの和がＰｍと等しくなる。つまり、モータ４で必要とされるエネルギがバッテリ２およびＦＣ１２の双方から供給される状態である。

つまり電動車両１００は、基本的に電気自動車（ＥＶ）として走行し、ＦＣ１２をレンジエクステンダとして使用する。

図２はＦＣ１２の出力特性の一例を示す図である。

図２に示すように、ＦＣ電流（正味電流）の増加に伴ってＦＣ電圧が低下するが、ＦＣ電力（正味電力）は増加する。

統合制御ユニット６は、予め定められた単位時間ｄｔの間隔で、ＡＰＳ７などの各種センサで検出される車両状態の情報に基づく所要駆動力の判定を繰り返し行う。そして統合制御ユニット６は、所要駆動力を判定する毎に、ＡＰＳ７が出力するＡＰＳ値の通知を伴って、ＦＣ電力および昇圧比の調整を制御ユニット１５に指示する。かくして当該指示は、単位時間ｄｔの間隔で繰り返し行われる。

電動車両が第２の状態にあるとき、制御ユニット１５は、統合制御ユニット６から上記のように指示が行われる毎に図３に示す処理を開始する。なお、以下に説明する処理の内容は一例であって、同様な結果を得ることが可能な様々な処理を適宜に利用できる。

ステップＳａ１において制御ユニット１５は、統合制御ユニット６から通知されるＡＰＳ値を変数Ｐｃの値として設定する。なお変数Ｐｃは、現在のＡＰＳ値を表すものである。

ステップＳａ２において制御ユニット１５は、変数Ｆの値がゼロであるか否かを確認する。変数Ｆは、後述する充電休止状態にあるか否かを表すフラグであり、その値は、充電休止状態ではない場合にゼロである。変数Ｆの値がゼロであるためにＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ３へと進む。

ステップＳａ３において制御ユニット１５は、アクセル開度の変化量ΔＡＰＳと変化速度ΔＡＰＳ／ｄｔとを算出する。ΔＡＰＳは、変数Ｐｃと、後述するように更新される変数Ｐｐの値との差の絶対値として算出する。変化速度ΔＡＰＳ／ｄｔは、ΔＡＰＳを単位時間ｄｔで除することにより算出する。なお、変数Ｐｐの値は、現在よりも単位時間ｄｔだけ過去におけるＡＰＳ値を表す。

ステップＳａ４において制御ユニット１５は、変数Ｐｃの値に基づいてＦＣ電力の目標値（以下、ＦＣ目標出力と称する）を算出する。ＦＣ目標出力は、モータ要求電力Ｐｍと充電電力量Ｐｂｃの規準値Ｍとの和に相当する電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１３により昇圧されたのちの出力電力量Ｐｆｃとして得られるようなＦＣ１２の出力電力量として算出する。なお、モータ要求電力Ｐｍは、例えば図４に示すように予め定められたアクセル開度とモータ要求電力Ｐｍとの関係に基づいて、変数Ｐｃの値が表すアクセル開度に応じたモータ要求電力Ｐｍを得ることにより定まる。規準値Ｍは、バッテリ２の特性を考慮した上で、例えば一定の値として設計者などによって予め定められる。

ステップＳａ５において制御ユニット１５は、ＦＣ電圧Ｖｆｃ_ｂの変化量ΔＶと変化速度ΔＶ／ｄｔとを推定する。変化量ΔＶは、ＦＣ目標出力を得るべくＦＣ１２を動作させた場合における単位時間当たりのＦＣ電圧の変化量である。ＦＣ１２は、制御ユニット１５による制御に対してＦＣ電力の変化に遅れを生じる。そしてこの遅れは、ＡＰＳ値の変化速度（アクセル開度の変化速度）に応じて例えば図５に示すように変化する。そこで、制御ユニット１５は、この遅れを考慮して、現時点から単位時間ｄｔが経過するまでの期間におけるＦＣ電圧の変化量ΔＶを推定する。また、このように推定した変化量ΔＶを単位時間ｄｔで除した値として変化速度ΔＶ／ｄｔを推定する。

ステップＳａ６において制御ユニット１５は、変化量ΔＶが既定値Ｘ以上であり、かつ変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｙ以上であるか否かを確認する。既定値Ｘは、ＦＣ電圧の変化量とＰｔ表面積との関係を考慮して設計者などによって予め定められる。

Ｐｔ表面積は、ＦＣ１２に内蔵された白金（Ｐｔ）触媒の表面積である。ＦＣ電圧の変化に伴って酸化・還元が生じることに起因して触媒粒子の粗大化／溶出が生じることで、Ｐｔ触媒が劣化し、Ｐｔ表面積が減少する。そしてＰｔ表面積の減少は、変化量ΔＶが大きいほどに大きくなるのであり、その関係は例えば図６に示すような特性となる。そこで例えば、この図６に示すような特性を試験などによって求めて、Ｐｔ表面積が許容値ＡＬとなる変化量ΔＶの値として既定値Ｘを定める。許容値ＡＬは、ＦＣ１２の所期の性能を維持したい期間に応じて、実験、シミュレーション、あるいは経験則などに基づいて設計者などにより任意に定められて良い。またＰｔ表面積の減少は、変化速度ΔＶ／ｄｔが大きいほどに大きくなるのであり、その関係は例えば図７に示すような特性となる。そこで例えば、この図７に示すような特性を試験などによって求めて、Ｐｔ表面積が許容値ＡＬとなる変化速度ΔＶ／ｄｔの値として既定値Ｙを定める。

上記の条件が成立しないためにステップＳａ６にてＮＯと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ７へと進む。

ステップＳａ７にて制御ユニット１５は、ステップＳａ４にて算出したＦＣ目標出力が得られるようにＦＣ１２を制御する。

ステップＳａ８にて制御ユニット１５は、変数Ｐｃの値を変数Ｐｐの値としてセットする。これにより、単位時間ｄｔが経過した後に次に図３の処理を実行するときには、現在のＡＰＳ値を過去のＡＰＳ値として参照可能とする。

そしてステップＳａ８を終えたならば制御ユニット１５は、今回の図３の処理を終了する。

ところで、ステップＳａ６にて上記の条件が成立するためにＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ９へと進む。

ステップＳａ９において制御ユニット１５は、変数Ｐｃの値から変数Ｐｐの値を減じて求まるＡＰＳ増加量が既定値Ｚ以上であるか否かを確認する。なお、既定値Ｚについては後述する。そして、ＡＰＳ増加量が既定値Ｚ未満であるためにＮＯと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１０へと進む。

ステップＳａ１０において制御ユニット１５は、ＦＣ補正出力を算出する。ＦＣ補正出力は、ＦＣ目標出力よりもΔＶまたはΔＶ／ｄｔが小さくなるように求めたＦＣ電力である。ＦＣ補正出力は、より好ましくは、ΔＶが既定値Ｘ未満となるか、またはΔＶ／ｄｔが既定値Ｙ未満となるようにＦＣ目標出力を補正して求めたＦＣ電力とする。

ステップＳａ１１において制御ユニット１５は、ＦＣ補正出力が得られるようにＦＣ１２を制御する。そしてこの後に制御ユニット１５は、ステップＳａ８を経て今回の図３の処理を終了する。

図８（ａ）はＡＰＳ値の変化の一例を示す。

図８（ｂ）は図８（ａ）に示すＡＰＳ値の変化に応じたＦＣ目標出力の一例を示す。図８（ｂ）に示すようにＦＣ目標出力は、充電電力量Ｐｂｃの規準値Ｍに、ＡＰＳ値の変化に応じて変化するモータ要求電力Ｐｍが重畳されたものとなる。

図８（ｃ）の実線は図８（ａ）に示すＡＰＳ値の変化に応じたＦＣ補正出力の一例を示す。そして図８（ｃ）のうちで期間ＰＡにおけるＦＣ補正出力が、上記のステップＳａ１０での算出されたものを示し、破線で示すＦＣ目標出力に比して減じられている。

期間ＰＡにおいては、電力量Ｐｆｃは充電電力量Ｐｂｃの規準値Ｍとモータ要求電力Ｐｍとの和よりも小さくなっているが、モータ要求電力Ｐｍは変化していない。従って、充電電力量ＰｂｃがＦＣ補正出力からモータ要求電力Ｐｍを減じた値となり、図８（ｃ）に一点鎖線で示すように規準値Ｍよりも小さくなる。

つまりこのときに制御ユニット１５は、充電電力量Ｐｂｃを低減することによってＦＣ電力の低減を図るのである。

図８（ｄ）の実線はＦＣ補正出力が得られるようにＦＣ１２を制御した場合のＦＣ電圧の変化の一例を示す。期間ＰＡにおいてはＦＣ電力が減じられていることによって、ＦＣ目標出力とする場合における破線で示したＦＣ電圧に比して変化が小さくなっている。

ところで、アクセルが急激かつ大量に踏み込まれた場合には、充電電力量Ｐｂｃをゼロとして電力量Ｐｆｃをモータ要求電力Ｐｍのみとしても、変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ未満とならない恐れがある。

ＡＰＳ値が急峻に増大するような状況においては上記の状況となる恐れがある。そこで変数Ｐｃの値から変数Ｐｐの値を減じて求まるＡＰＳ増加量が既定値Ｊ以上であるためにステップＳａ９にてＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１２へ進む。既定値Ｊは、小さい程に変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ以上となることを防止できる可能性が高まる反面、バッテリ２のＳＯＣが低下してしまう恐れが高まる。そこで既定値Ｊは、ＦＣ１２の劣化防止とバッテリ２のＳＯＣの安定性とのバランスを考慮して設計者などによって予め定められれば良い。

ステップＳａ１２において制御ユニット１５は、バッテリ２のＳＯＣ（State Of Charge）が既定値Ｋ以上であるか否かを確認する。そしてここでＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１３へ進む。

ステップＳａ１３において制御ユニット１５は、ＦＣ補正出力をゼロとする。

ステップＳａ１４において制御ユニット１５は、変数Ｆに１をセットする。

こののちに制御ユニット１５は、ステップＳａ１１およびステップＳａ８を前述と同様にして行う。これにより、電力量Ｐｆｃはゼロとされ、バッテリ２の出力電力Ｐｂｄｃがモータ要求電力Ｐｍと等しくなる。つまり、モータ要求電力Ｐｍの全てがバッテリ２からの出力電力により賄われる状態となり、充電休止状態が開始される。そしてこのように充電休止状態が開始されたことに応じて、変数Ｆの値が１とされる。ただし、充電休止状態における電力量Ｐｆｃは必ずしもゼロでなくとも良く、極微少の電力量となる「ほぼゼロ」の状態としても良い。

なお、バッテリ２のＳＯＣが既定値Ｋ以上ではないならば、制御ユニット１５はステップＳａ１２からステップＳａ１０へ進み、ステップＳａ１０以降を前述と同様にして行う。つまり、ＡＰＳ値が急激に増大していても、バッテリ２のＳＯＣが既定値Ｋ未満にまで低下した状態にあっては、ステップＳａ１０において前述したように算出されるＦＣ補正出力を得るようにする。

このように、モータ要求電力Ｐｍの全てがバッテリ２からの出力電力により賄われている状態において図３に示す処理を開始した場合には、変数Ｆが１であるから、制御ユニット１５はステップＳａ２でＮＯと判定し、ステップＳａ１５へと進む。

ステップＳａ１５において制御ユニット１５は、変数Ｐｃの値が変数Ｐｐの値未満であるか否かを確認する。つまり、アクセル開度が低下しているか否かを確認する。そしてアクセル開度が低下していて変数Ｐｃの値が変数Ｐｐの値未満であるためにＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１６へ進む。

ステップＳａ１６において制御ユニット１５は、図３に示す処理を前回行った際に決定したＦＣ補正出力から一定量を増加した値を新たなＦＣ補正出力として決定する。ここでのＦＣ補正出力の増加分は、この増加による変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ未満となる値であるとともに、標準値Ｍの整数分の１の値として定めておく。標準値Ｍは、出力電力量Ｐｆｃが充電電力量Ｐｂｃと等しくなるときのＦＣ電力とする。

ステップＳａ１７において制御ユニット１５は、ＦＣ補正出力が標準値Ｍと一致するか否かを確認する。そしてＦＣ補正出力が標準値Ｍと一致するためにＹＥＳと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１８へ進む。

ステップＳａ１８において制御ユニット１５は、変数Ｆにゼロをセットする。そしてこののちに制御ユニット１５は、ステップＳａ１１へ進む。なお、ＦＣ補正出力が標準値Ｍと一致しないためにステップＳａ１７にてＮＯと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１８を実行することなしにステップＳａ１１へ進む。また、変数Ｐｃの値が変数Ｐｐの値以上であるためにステップＳａ１５にてＮＯと判定したならば制御ユニット１５は、ステップＳａ１６〜１８を実行することなしにステップＳａ１１へ進む。かくして、ステップＳａ１３にてＦＣ補正出力をゼロとしたのちには、アクセル開度が低下するに連れてＦＣ補正出力が一定量ずつ標準値Ｍまで増加されてゆく。

こののちに制御ユニット１５は、ステップＳａ１１以降を前述と同様にして行う。かくして、モータ要求電力Ｐｍの全てをバッテリ２からの出力電力により賄う状態からは、アクセル開度が低下するに連れて出力電力量Ｐｆｃが一定量ずつ充電電力量Ｐｂｃに相当する大きさまで徐々に増加されてゆく。そして出力電力量Ｐｆｃが充電電力量Ｐｂｃと等しくなると、変数Ｆがゼロとなり第２の状態に戻る。これにより、充電休止状態が終了する。

図８（ｃ）のうちで実線で示した期間ＰＢにおけるＦＣ補正出力の変化が、上記のステップＳａ１３でゼロとされたのち、ステップＳａ１６を繰り返すことによって緩やかに上昇される様子を示す。

期間ＰＢにおいては、ＦＣ電力は充電電力量Ｐｂｃの規準値よりも小さくなっていて、破線で示すようなエネルギの全てが不足する。そしてこの破線で示すようなエネルギが、バッテリ２からの出力電力により賄われる。

図８（ｄ）に実線で示したＦＣ電圧の変化は、期間ＰＢにおいてはＦＣ電力が減じられていることによって、ＦＣ目標出力とする場合における破線で示したＦＣ電圧に比して変化が小さくなっている。

このようにＦＣシステム１によれば、以下の条件<A><B><C>のいずれもが成立する状況においては、バッテリ２の充電のためのＦＣ１２の出力エネルギを低減する。
<A> バッテリ２を充電している。
<B> ＦＣ１２の出力電圧の変化量ΔＶが既定値Ｘ以上である。
<C> ＦＣ１２の出力電圧の変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｙ以上である。
そしてこれによってＦＣシステム１では、ＦＣ電圧の変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔの最大値の低下が図られることとなり、ＦＣ１２が搭載する触媒の劣化を抑えて、ＦＣ１２の所期の性能を維持できる期間を延長することが可能となる。

またＦＣシステム１によれば、変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ以上とならないようにバッテリ２の充電のためのＦＣ１２の出力エネルギ量を調整するので、予め想定した期間にわたりＦＣ１２の所期の性能を維持できるとともに、バッテリ２の充電のためのエネルギを可能な範囲で最大限に供給すること
またＦＣシステム１によれば、上記の条件<A><B><C>に加えて以下の条件<D>が成立する状況においては、変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ未満とすることができない恐れがある。
<D> アクセル開度の単位時間における増加量が規定量以上（ΔＡＰＳが規定値Ｊ以上）である。
そこで、以下の<E>の条件がさらに成立することを条件として、ＦＣ電力をゼロとする。
<E> ＳＯＣが規定値Ｋ以上である。
これによって、変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ以上となってしまうことを確実に防止できる。なお、アクセル開度の単位時間における増加量が規定量以上となるのは、急加速の場合であり、その継続時間は短く、かつそのような状況が発生する頻度も一般的な走行状況においては少ない。このため、ＳＯＣが既定値Ｋ以上であれば、モータ要求電力Ｐｍの全てをバッテリ２からの出力電力により賄うことが可能である。

モータ要求電力Ｐｍの全てをバッテリ２からの出力電力により賄う状態を解除するに際してＦＣ電力を急激に上昇すると、変化量ΔＶおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ以上となってしまう恐れがある。しかしながらＦＣシステム１によれば、単位時間ｄｔ毎に一定量ずつ増加させることによって、すなわちいわゆるテーリングによってＦＣ電力を上昇する。この結果、変化量Δおよび変化速度ΔＶ／ｄｔが既定値Ｘ，Ｙ以上となってしまうことがなく、このときのＦＣ電力の上昇に伴う触媒の劣化を防止できる。

このようにＦＣシステム１によれば、図９にハッチングに示すような触媒の劣化が特に促進される領域での出力電圧の変化が生じないようにＦＣ１２が動作することとなり、ＦＣ１２の性能を維持できる。

一般に、ＦＣ１２における初期触媒量あるいは電極面積×積層数などは、想定される使用条件・期間において目標とする性能を維持できるように設定される。ＦＣシステム１のように出力変動に伴う触媒の劣化を抑制することができれば、初期触媒量あるいは電極面積×積層数を削減することができ、これは性能を維持した状態でのコスト削減につながる。

この実施形態は、次のような種々の変形実施が可能である。

ＦＣ補正出力は、ＦＣ目標出力よりもΔＶまたはΔＶ／ｄｔが小さくなるのであれば、ＦＣ目標出力をＦＣ電力とする場合に比べてＦＣ補正出力をＦＣ電力とする場合の触媒の劣化を減少することができる。従って、ＦＣ補正出力は、ΔＶが既定値Ｘ未満となるか、またはΔＶ／ｄｔが既定値Ｙ未満となるまで小さな値としなくても良い。

この発明は、上述した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述した実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、上述した実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

１…燃料電池（ＦＣ）システム、２…二次電池（バッテリ）、３…インバータ、４…モータ、５…制御ユニット、６…統合制御ユニット、７…アクセルポジションセンサ（ＡＰＳ）、１１…燃料タンク、１２…燃料電池（ＦＣ）、１３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１４…ダイオード、１５…制御ユニット、１００…電動車両。

Claims (6)

1. 駆動力を発生するモータと、
   燃料電池と、
   二次電池とを備えた電動車両に搭載される燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の出力電力を用いて前記モータを動作させると同時に前記二次電池を充電する動作状態において、前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量および変化速度に基づいて前記燃料電池の出力電力を制御する制御手段とを具備したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記動作状態において、かつ前記モータの出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化量が第１の既定値以上となり、かつ前記出力変動に伴う前記燃料電池の出力電圧の変化速度が第２の既定値以上となる期間に前記燃料電池の出力電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記二次電池から前記モータへ電力を出力し、前記モータの出力変動に伴って要求される前記燃料電池の出力電圧の変化量よりも前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が小さくなるように前記燃料電池を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記期間において、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満である状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満である状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池を制御することができない可能性があり、かつ前記二次電池の残量が第３の既定値以上である場合には、前記燃料電池からの電力出力を休止とするように前記燃料電池を制御することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記燃料電池からの電力出力を前記休止とした前記期間が終了したのちには、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化量が前記第１の既定値未満となる状態と、前記燃料電池の実際の出力電圧の変化速度が前記第２の既定値未満となる状態とのうちの少なくともいずれか一方が成立するように前記燃料電池からの電力出力を上昇するように前記燃料電池を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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