JP2014166110A - ２電源負荷駆動システム及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の増加時に、蓄電装置が過放電状態となる恐れを抑制すると共に、燃料電池の出力電力を円滑に増加させることを可能とする２電源負荷駆動システム及び燃料電池自動車を提供する。
【解決手段】負荷の増加時に、高電圧バッテリ用の昇圧コンバータにて負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄ（Ｖｉｎｖｃｏｍ）を上昇させると共に、燃料電池用の昇圧コンバータにて燃料電池発電電流Ｉｆｃの上昇速度を制限する。これにより、負荷の増加時に、高電圧バッテリの電力に加えて、制限しながらの燃料電池の電力により要求電力が賄われることになるので、高電圧バッテリの過放電状態を回避しつつ、膜湿度を上昇させ燃料電池の出力電力を円滑に増加させることができる。
【選択図】図５

Description

この発明は、並列的に接続した第１及び第２電源装置により負荷を駆動する２電源負荷駆動システムに関し、特に、前記第１電源装置を燃料電池にし、第２電源装置を蓄電装置にして、前記負荷を車両走行用の駆動モータにした燃料電池自動車に関する。

従来から、この種の燃料電池自動車では、特許文献１に示されるように、第１電源装置である燃料電池で発電された電圧（以下、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃという。）を、第１ＤＣ／ＤＣコンバータを介して昇圧してモータ駆動回路（インバータ）に当該インバータの入力端電圧（以下、負荷端電圧Ｖｉｎｖという。）として印加すると共に、第２電源装置である充放電可能な蓄電装置の出力電圧（以下、バッテリ電圧Ｖｂという。）を第２ＤＣ／ＤＣコンバータを介して昇圧して、前記負荷端電圧Ｖｉｎｖとして並列的に印加するようにした構成が知られている。

この場合、第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを制御し、第２ＤＣ／ＤＣコンバータは前記負荷端電圧Ｖｉｎｖを制御すると開示されている。

特開２０１０−１１３８９６号公報（図１、図８、［００１１］、［００１２］）

特許文献１では、負荷の要求電力が急激に増加した場合の動作について、図６の電流電圧座標（Ｉ［Ａ］、Ｖ［Ｖ］）での特性例を参照して説明されており、具体的には、まず、前記負荷の要求電力の増加に応じて、現在の負荷端電圧Ｖｐｉｎｖより高い電圧の目標負荷端電圧Ｖｔｉｎｖを算出すると共に、燃料電池の出力電力を増加させるために現在のＦＣ発電電圧Ｖｐｆｃより低い電圧の目標ＦＣ発電電圧Ｖｔｆｃを算出する。

次に、負荷端電圧Ｖｉｎｖについて、現在の負荷端電圧Ｖｐｉｎｖから第２ＤＣ／ＤＣコンバータにより図６のα方向（電圧増加方向）の目標負荷端電圧Ｖｔｉｎｖに制御する。

最後に、燃料電池のＦＣ発電電圧Ｖｆｃを、現在のＦＣ発電電圧Ｖｐｆｃから第１ＤＣ／ＤＣコンバータにより図６のβ方向（電圧低下方向）の目標ＦＣ発電電圧Ｖｔｆｃに制御すると開示されている。

特許文献１には、かかる制御により、第１ＤＣ／ＤＣコンバータに対して制御限界（制御可能な応答周波数範囲での動作）を越えるような動作が要求されることなく、制御破綻をきたしてしまうという問題を未然に防止することができ、安定なコンバータ制御を実現することが可能となると開示されている。

しかしながら、特許文献１に係る制御技術（以下、従来技術という。）では、負荷の要求電力の急激な増加の際に、負荷端電圧Ｖｉｎｖが目標負荷端電圧Ｖｔｉｎｖに到達するまでＦＣ発電電圧Ｖｆｃの低下制御を開始しないので、すなわち燃料電池の発電量を増加する制御を開始しないために、第２電源装置である蓄電装置から急激に電力が出力されて蓄電装置が過放電状態となる恐れがあり、その場合には、蓄電装置が劣化するという問題が発生する。

また、上記の従来技術では、負荷の要求電力の急激な増加の際に、負荷端電圧Ｖｉｎｖが目標負荷端電圧Ｖｔｉｎｖに到達するまでＦＣ発電電圧Ｖｆｃの低下制御を開始しないので、すなわち燃料電池の発電量を増加する制御を開始しないために、負荷端電圧Ｖｉｎｖが目標負荷端電圧Ｖｔｉｎｖに到達した場合に、燃料電池の膜湿度が比較的に低い状態でＦＣ発電電圧Ｖｆｃの低下制御が開始されることから、燃料電池から電流を引いて出力電力を円滑に増加させることが困難になるという問題もある。

この発明は、このような種々の問題を考慮してなされたものであり、負荷の増加時に、蓄電装置が過放電状態になる恐れを抑制すると共に、燃料電池の出力電力を円滑に増加させることを可能とする２電源負荷駆動システム及び燃料電池自動車を提供することを目的とする。

この発明に係る２電源負荷駆動システムは、１次電圧としての発電電圧を出力する燃料電池と、他の１次電圧としての蓄電電圧を出力する充放電可能な蓄電装置と、２次電圧としての負荷端電圧が印加される負荷と、前記発電電圧を、スイッチング状態で前記負荷端電圧に変換し又は直結状態で前記負荷端電圧として前記負荷に印加する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記蓄電電圧を、スイッチング状態で前記負荷端電圧に変換し又は直結状態で前記負荷端電圧として前記負荷に印加する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記負荷の増加時に、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記負荷端電圧の指令値である負荷端指令電圧を上昇させると共に、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記燃料電池の発電電流の上昇速度を制限する制御を実行することを特徴とする。

この発明では、前記制御装置は、前記負荷の増加時に、前記蓄電装置側の前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記負荷端指令電圧を上昇させると共に、前記燃料電池側の前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記発電電流の上昇速度を制限する制御を実行するようにしたので、負荷の増加時に、蓄電装置の電力に加えて燃料電池からの電力により要求電力が賄われることになり、蓄電装置が過放電状態となる恐れが抑制され、同時に、負荷の増加時に、燃料電池からの電力を制限しながらも増加させているので膜湿度を上昇させることができ燃料電池の出力電力を円滑に増加させることができる。

また、前記制御装置は、前記負荷の増加時に、前記負荷端指令電圧と負荷端実電圧（実負荷端電圧）との差が、所定値となったときに、前記燃料電池側の前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを直結状態からスイッチング状態に切り替えて、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側の前記発電電流の前記上昇速度の制限制御を開始させることで、負荷の要求電力の急激な増加の際に、負荷端電圧が目標負荷端電圧に到達するまで発電電圧の低下制御、すなわち発電電流の上昇制御を開始しない従来技術に比較して、燃料電池の発電電圧の固定期間を実質的に無くすことができる。

なお、上記の各発明は、前記２電源負荷駆動システムの前記負荷に、車両の駆動源であるモータが含まれる燃料電池自動車に適用して好適である。

この発明によれば、負荷の増加時に、蓄電装置側の第２ＤＣ／ＤＣコンバータにて負荷端指令電圧を上昇させると共に、燃料電池側の第１ＤＣ／ＤＣコンバータにて発電電流の上昇速度を制限する制御を実行するようにしたので、負荷の増加時に、蓄電装置の電力に加えて燃料電池からの電力により要求電力が賄われることになり、蓄電装置が過放電状態となる恐れが抑制され、同時に、負荷の増加時に、燃料電池からの電力を制限しながらも増加させているので膜湿度を上昇させることができ燃料電池の出力電力を円滑に増加させることができる。

この発明の実施形態に係る２電源負荷駆動システムが適用された燃料電池自動車の概略全体構成図である。 前記燃料電池自動車の電力系のブロック図である。 燃料電池のＩＶ特性図である。 実施形態の動作説明に供される機能ブロック図である。 実施形態の動作説明に供されるタイミングチャートである。 従来技術の説明に供される、負荷要求電力の増加に対するインバータの入力電圧と燃料電池の発電電圧の関係を例示した特性例図である。

以下、この発明に係る２電源負荷駆動システムについて、この発明の実施形態に係る２電源負荷駆動システムが適用された燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施形態に係る２電源負荷駆動システムとしての燃料電池システム１２（以下、「ＦＣシステム１２」という。）が適用された燃料電池自動車１０（以下、「ＦＣ自動車１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。

図２は、ＦＣ自動車１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ自動車１０は、ＦＣシステム１２と、駆動モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、負荷駆動回路１６（以下、ＩＮＶ１６という。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と、を有する。

ＦＣシステム１２は、基本的には、一方の１次側１Ｓｆに配置される燃料電池ユニット１８（以下、「ＦＣユニット１８」という。）と、他方の１次側１Ｓｂに配置される高電圧バッテリ２０（以下「ＢＡＴ２０」という。）（蓄電装置）と、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓ側との間に配置される昇圧コンバータ２１（以下、ＦＣＶＣＵ２１という。ＶＣＵ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、１次側１Ｓｂと２次側２Ｓ側との間に配置される昇降圧コンバータ２２（以下、ＢＡＴＶＣＵ２２という。）と、電子制御装置２４（以下、ＥＣＵ２４という。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を有する。なお、ＢＡＴＶＣＵ２２は、昇圧コンバータであってもよい。

モータ１４は、ＦＣユニット１８及びＢＡＴ２０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を回転させる。

ＩＮＶ１６は、３相ブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流電圧である負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ［Ｖ］（以下、負荷端電圧Ｖｉｎｖという。）を３相の交流電圧に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の負荷端電圧ＶｉｎｖをＢＡＴＶＣＵ２２を通じてＢＡＴ２０に供給（充電）する。

なお、この実施形態において、モータ１４は、ＰＭモータ（永久磁石同期モータ）を採用している。また、所定トルクでのモータ１４の回転数を上げるために弱め界磁制御を適用してもよい。

モータ１４とＩＮＶ１６を併せて負荷３０という。実際上、負荷３０には、モータ１４等の他に、ＢＡＴＶＣＵ２２、エアポンプ４２、ウォータポンプ４４、エアコンディショナ４６、降圧コンバータ４８等の構成要素を含めることもできる。エアポンプ４２、ウォータポンプ４４、及びエアコンディショナ４６は、高電圧の補機負荷であり、燃料電池スタック４０（以下、ＦＣ４０又はＦＣスタック４０という。）及び／又はＢＡＴ２０から電力が供給される。

ＦＣユニット１８は、ＦＣ４０と、ＦＣ４０のアノード流路に対して遮断弁４３を介して水素（燃料ガス）を供給する水素タンク（Ｈ₂タンク）４５と、ＦＣ４０のカソード流路に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給する前記エアポンプ４２と、ＦＣ４０の冷却流路に対して冷却媒体（冷媒）を供給する前記ウォータポンプ４４とを備える。

ＦＣ４０は、例えば、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燃料電池セル（以下、「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧Ｖｆｃ（以下、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃという。）を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

水が生成されることで、前記電解質膜を湿潤な状態、すなわち膜湿度を高い状態に保持することができ、前記反応を円滑に遂行することができる。

ＦＣ４０からの電力（以下、ＦＣ発電電力Ｐｆｃという。Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ、Ｉｆｃ：ＦＣ発電電流）は、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣＶＣＵ２１を介して昇圧されて又は直結状態とされてＩＮＶ１６及びモータ１４に供給される（力行時）と共に、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＢＡＴＶＣＵ２２を通じてエアポンプ４２等の補機に供給され、さらにＢＡＴ２０充電用として供給され、さらにまた、降圧コンバータ４８を通じて低電圧バッテリ５０等に供給される。

一方、ＢＡＴ２０からの電力（以下、ＢＡＴ電力Ｐｂａｔという。）は、バッテリ電圧ＶｂがＢＡＴＶＣＵ２２を通じて昇圧されて又は直結状態とされてＩＮＶ１６及びモータ１４に供給される（力行時）と共に、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、前記エアポンプ４２等の補機に供給され、さらに降圧コンバータ４８を通じて低電圧バッテリ５０等に供給される。

低電圧バッテリ５０の電力は、ライト、アクセサリや各種センサ等の低電圧駆動される補機５２、ＥＣＵ２４、ラジエータファン５４、及び水素タンク４５の遮断弁４３に供給される。

ＢＡＴ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（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、ニッケル水素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。

図１に示すように、ＦＣＶＣＵ２１は、インダクタ２１ａとスイッチング素子２１ｂとダイオード２１ｃとから構成され、ＥＣＵ２４を通じてスイッチング素子２１ｂがスイッチング状態（デューティ制御）とされることで、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。

スイッチング素子２１ｂがオフ状態（開状態）に維持されると、インダクタ２１ａとダイオード２１ｃを通じてＦＣ４０と負荷３０とが直結状態（ＦＣ直結状態又はＦＣＶＣＵ直結状態という。）とされ、負荷端電圧ＶｉｎｖがＦＣ発電電圧Ｖｆｃに直結される（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ−Ｖｄ≒Ｖｆｃ、Ｖｄ＜＜Ｖｆｃ、Ｖｄ：ダイオード２１ｃの順方向電圧降下電圧）。ダイオード２１ｃは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、ＦＣＶＣＵ２１は、昇圧動作（力行時等）の他に逆流防止動作、直結動作（力行時等）を行う。

ＢＡＴＶＣＵ２２は、インダクタ２２ａと、スイッチング素子２２ｂ、２２ｄと、これらスイッチング素子２２ｂ、２２ｄにそれぞれ並列に接続されるダイオード２２ｃ、２２ｅとから構成される。昇圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｄがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｂがスイッチング（デューティ制御）されることでバッテリ電圧Ｖｂ（蓄電電圧）が所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧される（力行時）。降圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｂがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｄがスイッチング（デューティ制御）されることで、負荷端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂまで降圧される（回生充電時、あるいはＦＣ４０による充電時）。また、スイッチング素子２２ｂをオフ状態、スイッチング素子２２ｄをオン状態とすることで、ＢＡＴ２０と負荷３０とが直結状態（ＢＡＴ直結状態又はＢＡＴＶＣＵ直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時）とされる。

ＢＡＴ直結状態においては、ＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂが負荷端電圧Ｖｉｎｖになる（Ｖｂ＝Ｖｉｎｖ）。実際上、ＢＡＴ直結状態におけるＢＡＴ２０による力行時の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｂ−ダイオード２２ｅの順方向降下電圧」となり、充電時（回生時含む）の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｉｎｖ＝Ｖｂ＋スイッチング素子２２ｄのオン電圧＝Ｖｂ（スイッチング素子２２ｄのオン電圧を０［Ｖ］と仮定した場合。）」になる。

なお、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２において、１次側１Ｓｆ、１Ｓｂ、及び２次側２Ｓ間に配置される平滑コンデンサは図示を省略している。

ＦＣ４０は、図３に示すように、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣ開放端電圧Ｖｆｃｏｃｖより低下するに従い、ＦＣ発電電流Ｉｆｃが増加する公知の特性７０を有する。

そのため、ＦＣＶＣＵ２１の直結時においては、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、昇圧状態（スイッチング状態）のＢＡＴＶＣＵ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｂ）で決定される負荷端電圧Ｖｉｎｖ｛ＢＡＴＶＣＵ２２の指令電圧（目標電圧）になる。｝により制御され、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃが決定されると、特性７０に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

また、ＦＣＶＣＵ２１の昇圧時においては、ＦＣＶＣＵ２１の１次側１Ｓｆの電圧、すなわちＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣＶＣＵ２１の指令電圧（目標電圧）とされ、特性７０に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが決定され、所望の負荷端電圧ＶｉｎｖとなるようにＦＣＶＣＵ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が決定される。

さらに、ＢＡＴＶＣＵ２２の回生時直結状態においては、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、ＦＣＶＣＵ２１の指令電圧（目標電圧）とされ、負荷端電圧Ｖｉｎｖの変化に応じてＦＣＶＣＵ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が変化するように決定され、特性７０に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

さらにまた、ＢＡＴＶＣＵ２２の力行時直結状態においては、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、ＦＣＶＣＵ２１の指令電圧（目標電圧）とされ、負荷端電圧Ｖｉｎｖの変化に応じてＦＣＶＣＵ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が変化するように決定され、ＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

なお、ＦＣＶＣＵ２１とＢＡＴＶＣＵ２２との同時直結状態は、負荷端電圧Ｖｉｎｖの制御が不能となったり、ＦＣ４０及びＢＡＴ２０を劣化させたり、損傷させる可能性があるので、回避されている。

ＥＣＵ２４は、通信線６８（図１）を介して、モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２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、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃ、ＦＣ発電電流Ｉｆｃ、ＦＣ温度Ｔｆｃ（ウォータポンプ４４により流通される冷媒の温度等）、ＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ、ＩＮＶ１６の負荷端電圧Ｖｉｎｖ、２次電流Ｉ２、モータ電流Ｉｍ、モータ温度Ｔｍ等の各種センサの検出値を用いる。

ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ６０及びモータ回転数センサ６２（図１）が含まれる。開度センサ６０は、アクセルペダル６４の開度θｐ［度、ｄｅｇ］を検出する。モータ回転数センサ６２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。

ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍに基づいてＦＣ自動車１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。ＦＣ自動車１０においてモータ回転数センサ６２は、車速センサを兼用するが別途設けてもよい。

さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ６６（以下「メインＳＷ６６」という。）が接続される。メインＳＷ６６は、内燃機関自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、ＦＣユニット１８及びＢＡＴ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。メインＳＷ６６がオン状態にされるとＦＣ４０が発電状態となり、オフ状態にされると発電停止状態となる。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。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、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０の状態、ＢＡＴ２０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自動車１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷から、ＦＣ４０が負担すべき負荷と、ＢＡＴ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２に指令を送出する。

次に、ＥＣＵ２４による制御について説明する。

なお、この発明の目的は、負荷３０の要求出力（負荷要求出力＝負荷要求電力）の増加時、すなわちモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加時に、ＢＡＴ２０が過放電状態となる恐れを抑制すると共に、ＦＣ４０の出力電力を円滑に増加させること、すなわち、ＦＣ４０のＦＣ発電電流Ｉｆｃを円滑に増加させること、換言すれば、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃを円滑に低下することにある。

このため、この発明の理解の便宜のために、ここでは、既にメインＳＷ６６がＯＮ状態になっていてＦＣ４０が発電中であり、ＦＣ自動車１０が、例えば走行時や停止時（アイドル時）において、アクセルペダル６４の踏み込みにより、速度を増加させようとするモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加時におけるＥＣＵ２４による制御処理であるＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２への指令の仕方について説明する。

図４は、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加時におけるＥＣＵ２４の機能ブロック図を示している。

図５は、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加時におけるＥＣＵ２４の制御処理を説明するタイミングチャートである。

以下、ＥＣＵ２４による制御処理について、図４及び図５を参照して説明する。

時点ｔ０〜ｔ１間の走行時や停止時（アイドル時）においては、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが小さく又はゼロ値であり、ＦＣ４０は、例えば、図３に示すＦＣ発電電圧Ｖｆｃｈ（ＦＣ発電電流Ｉｆｃｌ）でＦＣＶＣＵ２１が直結状態にあるものとする。この場合、スイッチング素子２１ｂが開放状態に保持されている。

ＥＣＵ２４は、指令電圧発生部１０２を有し、この指令電圧発生部１０２は、時点ｔ１において、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加を検出したときに、まずは、本制御を行わないときの通常制御での目標とする負荷端電圧Ｖｉｎｖを決定し、これを２点鎖線で示す通常負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄとして差演算部（減算部）１０４及びレート制限部１１４の一方の入力端に出力する。

同時に、通常負荷端指令電圧ＶｉｎｖｃｏｍｏｌｄとなるようにＢＡＴＶＣＵ２２の昇圧比を制御した場合のメモリ（記憶部）に記憶している、通常負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄに対応する２点鎖線で示す実負荷端電圧（負荷端実電圧）Ｖｒｉｎｖｏｌｄを差演算部１０４に出力する。実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖｏｌｄは、予め実験乃至シミュレーション等によって求めてマップ乃至演算式等の特性としてメモリに記憶しておけばよい。

このとき、差演算部１０４は、通常負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄと実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖｏｌｄとの差を取り、差電圧ΔＶを出力する。差電圧ΔＶは、絶対値部１０６（以下、ＡＢＳ部１０６という。）で絶対値が取られ、差電圧｜ΔＶ｜（｜ΔＶ｜＝｜Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄ−Ｖｒｉｎｖｏｌｄ｜）が比較部１０８に出力される。

比較部１０８は、図５の時点ｔ２に示すように差電圧｜ΔＶ｜が、閾値電圧ΔＶｔｈを上回る電圧になると、レート制限を開始させるためのレート制限フラグＦｒｌのＯＮ状態に対応するハイレベルの１（Ｆｒｌ＝１）を出力し、上回らない場合、レート制限フラグＦｒｌのＯＦＦ状態に対応するローレベル０（Ｆｒｌ＝０）を出力し、ＡＮＤ部（論理積部）１１２の一方の入力端に出力する。

時点ｔ１〜ｔ２のモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加中に、より具体的には、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの増加方向の変化率が所定値（閾値）より大きいときに、ＯＮ状態に対応するレート制限フラグＦｒｌが昇圧フラグ発生部１１０に入力されると、時点ｔ２に示すように、昇圧フラグ発生部１１０は、ＦＣＶＣＵ２１の状態を直結状態からスイッチング状態（昇圧状態）に切り替えるためのＯＮ状態に対応するハイレベルの１となる昇圧フラグＦｆｃ＝１をＡＮＤ部１１２の他方の入力端に出力する。

このとき（時点ｔ２）、ＡＮＤ部１１２の出力（論理積出力）がハイレベルの１となり、これがレート制限部１１４の他方の入力端に出力される。

レート制限フラグＦｒｌがＯＮ状態になっている時点ｔ２〜ｔ４の間でレート制限部１１４から通常負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄに代替してレート制限後の負荷端指令電圧ＶｉｎｖｃｏｍをＢＡＴＶＣＵ２２へ出力すると共に、レート制限部１１６の一方の入力端に出力する。

この時点ｔ２〜ｔ４の間で、レート制限部１１６から通常ＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍｏｌｄに代替してレート制限後のＦＣ発電指令電流ＩｆｃｃｏｍをＢＡＴＶＣＵ２２へ出力する。

時点ｔ４にて、差電圧｜ΔＶ｜が、閾値電圧ΔＶｔｈを下回る電圧になると、レート制限フラグＦｒｌがＯＦＦ状態のローレベル０となり、ＡＮＤ部１１２の論理積出力がローレベル０となり、時点ｔ４以降、レート制限後の負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍに代替して通常負荷端指令電圧ＶｉｎｖｃｏｍｏｌｄがＢＡＴＶＣＵ２２に出力される。

同じ時点ｔ４にて、レート制限後のＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍに代替して通常ＦＣ発電指令電流ＩｆｃｃｏｍｏｌｄがＦＣＶＣＵ２１に出力される。

モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの急増時（時点ｔ２〜ｔ３）を含む、ＦＣＶＣＵ２１とＢＡＴＶＣＵ２２の昇圧比の変化時（時点ｔ２〜ｔ４）に、昇圧比の変化率が、レート制限後の負荷端指令電圧ＶｉｎｖｃｏｍとＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍにより小さく抑制されるので、そのようにレート制限しなかった場合に発生する実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖが、ジグザグの実線で示す制御不能実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖｏｌｄｉとなることが回避される。

［実施形態のまとめ］
この実施形態に係る２電源負荷駆動システムとしての燃料電池システム１２は、１次電圧としてのＦＣ発電電圧Ｖｆｃを出力するＦＣ４０と、他の１次電圧としての蓄電電圧であるバッテリ電圧Ｖｂを出力する充放電可能な蓄電装置としてのＢＡＴ２０と、２次電圧としての負荷端電圧Ｖｉｎｖが印加される負荷３０と、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを、スイッチング状態で負荷端電圧Ｖｉｎｖに変換し又は直結状態で負荷端電圧Ｖｉｎｖとして負荷３０に印加する第１ＤＣ／ＤＣコンバータとしてのＦＣＶＣＵ２１と、バッテリ電圧Ｖｂを、スイッチング状態で負荷端電圧Ｖｉｎｖに変換し又は直結状態で負荷端電圧Ｖｉｎｖとして負荷３０に印加する第２ＤＣ／ＤＣコンバータとしてのＢＡＴＶＣＵ２２と、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２のスイッチング動作を制御する制御装置としてのＥＣＵ２４と、を備え、ＥＣＵ２４は、負荷３０の増加時に、ＢＡＴＶＣＵ２２にて負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄ（Ｖｉｎｖｃｏｍ）を上昇させると共に、ＦＣＶＣＵ２１にてＦＣ発電電圧Ｖｆｃの低下速度を制限するべくＦＣ発電電流Ｉｆｃの上昇速度を制限する（図５に示すように、ＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍを通常ＦＣ発電指令電流ＩｆｃｃｏｍｏｌｄからＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍに変更する。）制御を実行している。

このように、ＥＣＵ２４は、負荷３０の増加時に、ＢＡＴＶＣＵ２２にて負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄ（Ｖｉｎｖｃｏｍ）を上昇させると共に、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃの下降速度を制限するべくＦＣＶＣＵ２１にてＦＣ発電電流Ｉｆｃの上昇速度を制限する制御を実行するようにしたので、負荷３０の増加時に、ＢＡＴ２０の電力に加えてＦＣ４０からの電力により負荷３０の要求電力、ここでは、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが賄われることになり、従来技術（図５のｐｒｉｏｒ ａｒｔのバッテリ電力Ｐｂ参照）のようにＢＡＴ２０が過放電状態となる恐れが抑制され、同時に、負荷３０の増加時に、ＦＣ４０からの電力を制限しながらも増加させているので（図５のＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍとｐｒｉｏｒ ａｒｔのＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍ参照）、膜湿度Ｈｕを上昇させることができ（図５の時点ｔ２〜ｔ４の膜湿度Ｈｕとｐｒｉｏｒ ａｒｔのＨｕ参照）ＦＣ４０の出力電力を円滑に増加させることができる。

また、ＥＣＵ２４は、負荷３０の増加時に、負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍｏｌｄと実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖｏｌｄとの差の｜ΔＶ｜が、所定値である閾値Δｔｈとなったとき（時点ｔ２）に、ＦＣＶＣＵ２１を直結状態からスイッチング状態に切り替えて、ＦＣＶＣＵ２１の１次側１ｓｆのＦＣ発電電流Ｉｆｃの前記上昇速度の制限制御を開始させる｛ＦＣ発電指令電流ＩｆｃｃｏｍｏｌｄからＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍに切り替える（指令値の設定を変更する）｝ように制御しているので、負荷３０の要求電力であるモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの急激な増加の際に、実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖが目標負荷端電圧に到達するまでＦＣ発電電圧Ｖｆｃの低下制御、すなわちＦＣ発電電圧Ｖｆｃの上昇制御を開始しない従来技術（図５の時点ｔ２〜ｔ４間のｐｒｉｏｒ ａｒｔのＦＣ発電指令電流Ｉｆｃｃｏｍ参照）に比較して、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃの固定期間（時点ｔ２〜ｔ４）を実質的に無くすことができる。

なお、ＥＣＵ２４による制御をより確実にするために、ＦＣＶＣＵ直結状態とは、それぞれ数百ボルトであるＦＣ発電電圧Ｖｆｃとバッテリ電圧Ｖｂとを対象とした場合に、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃと実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖとの差電圧が±２０［Ｖ］程度以内の電圧範囲をいい、ＢＡＴＶＣＵ直結状態とは、バッテリ電圧Ｖｂと実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖとの差電圧が±２０［Ｖ］程度以内の電圧範囲をいう。

また、両方昇圧状態時には、実負荷端電圧Ｖｒｉｎｖが、Ｖｒｉｎｖ＞Ｖｂ＋許容電圧（マージン）となっていることを判定条件としている。許容電圧は＋２０［Ｖ］程度である。

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。

１０…燃料電池自動車（ＦＣ自動車） １２…燃料電池システム
１４…モータ（駆動モータ） １６…負荷駆動回路（インバータ）
２０…ＢＡＴ（蓄電装置） ２１…ＦＣＶＣＵ（昇圧コンバータ）
２２…ＢＡＴＶＣＵ（昇降圧コンバータ）
４０…ＦＣ（燃料電池スタック）

Claims (3)

1. １次電圧としての発電電圧を出力する燃料電池と、
   他の１次電圧としての蓄電電圧を出力する充放電可能な蓄電装置と、
   ２次電圧としての負荷端電圧が印加される負荷と、
   前記発電電圧を、スイッチング状態で前記負荷端電圧に変換し又は直結状態で前記負荷端電圧として前記負荷に印加する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記蓄電電圧を、スイッチング状態で前記負荷端電圧に変換し又は直結状態で前記負荷端電圧として前記負荷に印加する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記負荷の増加時に、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記負荷端電圧の指令電圧である負荷端指令電圧を上昇させると共に、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータにて前記燃料電池の発電電流の上昇速度を制限する制御を実行する
   ことを特徴とする２電源負荷駆動システム。
2. 請求項１に記載の２電源負荷駆動システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記負荷の増加時に、前記負荷端指令電圧と負荷端実電圧との差が、所定値となったときに、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを直結状態からスイッチング状態に切り替えて、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側の前記発電電流の前記上昇速度の制限制御を開始させる
   ことを特徴とする２電源負荷駆動システム。
3. 請求項１又は２に記載の前記２電源負荷駆動システムの前記負荷に、車両の駆動源であるモータが含まれる燃料電池自動車。

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