JP2015035343A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】限られたバッテリの充電容量で早期に走行を許可する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１００は、バッテリ５５と、負荷に応じて発電する燃料電池１と、燃料電池１からの電力で駆動する補機５７と、燃料電池１の電力をバッテリ５５に供給するように設けられるコンバータ５６と、を備える。コントローラ６は、ステップＳ１０３で燃料電池１の低温時に、補機５７への電力供給によって燃料電池１自身を暖機する。またコントローラ６は、暖機中に、ステップＳ１０４でバッテリ５５との電力交換によって燃料電池１の電流を変化させると共に、そのときに取得する電流・電圧値に基づいて燃料電池１の電流電圧特性を推定する。そしてコントローラ６は、ステップＳ１０４で燃料電池１の暖機状態に応じて電流電圧特性の推定間隔を短くする。
【選択図】図５

Description

この発明は、燃料電池の電流電圧特性を推定する燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池の出力電流を変えながら出力電圧を検出して燃料電池の電流電圧特性を推定するものがある（特許文献１参照）。

特開２０００−３５７５２６号公報

現在開発中の燃料電池システムでは、零下起動時には、燃料電池の発電による自己発熱を利用して燃料電池自体を暖機する。自己発熱量を増やすためには発電量を増やす必要があるので、燃料電池の補機に発電電力を供給する他に、バッテリに余剰電力を供給することで燃料電池の発電量を増やすことを検討している。

また、零下起動時には燃料電池のＩＶ特性は悪くなる。特に燃料電池の出力電流が大きくなるほど出力電圧の低下量は大きくなる。車両の走行には大きな出力電流が必要となるため、ＩＶ特性の悪い燃料電池では、走行に必要な電力を駆動モータに供給することは困難となる。そのため、暖機中は、燃料電池が、走行に必要な電力を供給できるＩＶ特性になるまで待つ必要がある。

現在開発中の燃料電池システムでは、暖機中にＩＶ特性を逐次推定して、燃料電池が走行に必要なＩＶ特性となったら直ぐに走行許可を出せるシステムの構築を模索している。

具体的には、一定の間隔で、燃料電池の発電電力を補機に供給するとともに余剰電力をバッテリに供給することにより、燃料電池から出力される電流を一定の範囲で変化させて燃料電池の電流値及び電圧値を取得する。このＩＶ特性の出力電流の範囲は、走行に必要な出力電流よりも小さいので、取得したＩＶ特性に基づいて走行に必要な出力電流の範囲のＩＶ特性を推定する。そして、燃料電池のＩＶ特性が温度上昇によって回復してきたときに、取得した電流値及び電圧値に基づいて推定されたＩＶ特性が、車両の走行に必要なＩＶ特性になると、走行許可が出される。

しかしながら、燃料電池の余剰電力を受け入れるバッテリには充電容量に限りがある。例えば、燃料電池のＩＶ特性が回復する前にバッテリが満充電になると、燃料電池の余剰電力を受け入れるために一旦バッテリの電力を放電するような制御が必要となる。このため、走行許可を出すタイミングが遅くなってしまう。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、限られたバッテリの充電容量で早期に走行を許可する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による燃料電池システムのひとつの態様によれば、燃料電池システムは、バッテリと、負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの電力で駆動する補機と、前記燃料電池の電力を前記バッテリに供給するように設けられるコンバータと、を備える。そして燃料電池システムは、前記燃料電池の低温時に、前記補機への電力供給によって前記燃料電池自身を暖機する暖機運転部を含む。また燃料電池システムは、前記暖機中に、前記バッテリとの電力交換によって燃料電池の電流を変化させると共に、そのときに取得する電流・電圧値に基づいて燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部を含む。さらに燃料電池システムは、前記燃料電池の暖機状態に応じて推定部による燃料電池の電流電圧特性の推定間隔を短くする制御部と、を含むことを特徴とする。

この態様によれば、制御部が、燃料電池の暖機に応じて、推定部による燃料電池の電流電圧特性の推定間隔を短くする。

このため、燃料電池の電流電圧特性が回復してくる前は、推定間隔を長く設定することで、バッテリへの充電量を抑えつつ、走行許可の判断を逐次行うことができる。

そして電流電圧特性が回復したころに推定間隔を短く設定するとで、前半にバッテリ充電量を抑えた分、充電容量には余裕ができるため、より確実に電流電圧特性を取得することができる。そして燃料電池の電流電圧特性が回復するころに短い間隔で電流電圧特性を推定できるので、早期に車両の走行を許可することができる。

このように、燃料電池の電流電圧特性の回復度合いに合わせて推定間隔を短くすることで、限られたバッテリの充電容量で早期に車両の走行を許可することができる。

燃料電池システムの概略構成図である。 燃料電池スタックのＩＶ特性を示すマップである。 ＩＶ推定手法を説明するための図である。 本発明の第１実施形態における推定間隔切替テーブルを示す観念図である。 起動制御方法を示すフローチャートである。 ＩＶ推定処理の処理手順を示すフローチャートである。 ＩＶ推定によるＳＯＣ制御の処理手順を示すフローチャートである。 ＩＶ推定による暖機充電制御に関する図である。 ＩＶ推定によるＳＯＣ制御に関する図である。 第２実施形態における電流制御テーブルを示す観念図である。 ＩＶ推定処理の処理手順を示すフローチャートである。 ＩＶ推定処理に関する図である。

本発明の実施形態について図１を用いて説明する。図１は燃料電池システム１００の概略構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードガス排出通路２４と、カソードガス圧力調整弁２５とを備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。

カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。

カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、カソードガス圧力調整弁２５を通過して、他端が開口端となっている。

ここでは図示しないが、燃料電池スタック１の加湿をするために、カソードガス供給通路２１に加湿装置を設けてもよい。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１からアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２４に接続される。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２４に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８とを備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

ＰＴＣヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

第１水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。

第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を検出する。

電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７とを備える。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。

電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。

駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時にロータが外力によって回転させられることでステータコイルの両端に起電力を発生させる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、または、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、駆動モータ５３の回生電力又は燃料電池スタック１の発電電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び駆動モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、一方の電圧端子が燃料電池スタック１に接続され、他方の電圧端子がバッテリ６６に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ５５の電力に基づいて燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を昇圧又は降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御して、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力（出力電流×出力電圧）が制御される。

補機類５７は、バッテリ５５と並列に接続されている。補機類５７は、カソードコンプレッサ２３、循環ポンプ４５、ＰＴＣヒータ４６などによって構成され、バッテリ５５、または燃料電池スタック１から電力が供給されて駆動する。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６には、前述した第１水温センサ４７、第２水温センサ４８、電流センサ５１及び電圧センサ５２の他にも、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。

他のセンサとしては、外気温を検出する外気温センサ６１や、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６３がある。さらにバッテリ５５の充電率（以下「バッテリ充電率」という。）を検出するＳＯＣ（State Of Charge）センサ６４、バッテリ５５の温度を検出するバッテリ温度センサ６５などがある。

コントローラ６は、各種センサからの入力信号に基づいて、燃料電池システム１００を制御する。

ここで、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性を推定する制御（以下「ＩＶ推定」という。）について説明する。

燃料電池スタック１に関しては、発電特性を示すＩＶ特性が燃料電池スタック１の温度に応じて変化することが知られている。燃料電池スタック１の温度が低くなると、図２に示すように基準ＩＶに対してＩＶ特性が低下し、燃料電池スタック１の発電電力が低くなる。そのため、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１の温度が低い場合には、燃料電池スタック１の発電電力が、最小駆動電力以上となるまでは、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を禁止し、車両の走行を禁止している。最小駆動電力とは、車両を駆動させることが可能な電力の下限値である
図２において、燃料電池スタック１の発電電力が最小駆動電力となっているときの出力電流を電流Ａとし、出力電流Ａを取り出したときの出力電圧を電圧Ｖ１とする。

図２において破線で示すように燃料電池スタック１の温度が高い場合には、燃料電池スタック１から出力電流Ａを取り出したときの燃料電池スタック１の出力電圧は、電圧Ｖ１となる。この場合には、燃料電池スタック１から最小駆動電力を駆動モータ５３に供給することができるので、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を許可し、車両の走行を許可する。

一方、図２において一点鎖線で示すように燃料電池スタック１の温度が低い場合には、燃料電池スタック１から出力電流Ａを取り出したときの出力電圧は、電圧Ｖ２となる。この状態で、駆動モータ５３又はインバータ５４が動作できる最低電圧以上の電圧を燃料電池スタック１から供給できるようにＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御すると、燃料電池スタック１の発電電力は最小駆動電力よりも小さくなる。この場合には、燃料電池スタック１から最小駆動電力を駆動モータ５３に供給することができないので、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を禁止し、車両の走行を禁止する。

車両の走行を素早く許可するには、駆動モータ５３又はインバータ５４が動作できる最低電圧以上の電圧を燃料電池スタック１から供給できるように制御したときの燃料電池スタック１の発電電力が最小駆動電力となったことを正確に判定する必要がある。例えば、燃料電池スタック１の温度を正確に検出することができれば、温度に基づくＩＶ特性から燃料電池スタック１の発電電力を正確に検出することができる。

しかし、温度センサを燃料電池スタック１に取り付けるには、燃料電池スタック１と温度センサとを絶縁させる必要があるので、燃料電池スタック１に直接、温度センサを取り付けて燃料電池スタック１の温度を検出することは困難である。

そのため、本実施形態では、冷却水循環通路４１に第１水温センサ４７、第２水温センサ４８を設け、これらの検出信号に基づいて燃料電池スタック１の温度を推定している。この手法では、実際の燃料電池スタック１の温度と、第１水温センサ４７、及び第２水温センサ４８によって推定した温度とが乖離することがある。そのため、第１水温センサ４７、第２水温センサ４８によって推定した温度から、燃料電池スタック１のＩＶ特性を正確に特定することができない。

そこで、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧を取得してＩＶ特性を直接推定するＩＶ推定処理を行う。

燃料電池スタック１では、出力電流Ｉと、基準ＩＶに基づく基準電圧と実際の出力電圧との差ΔＶとの関係は、濃度過電圧の影響が小さい条件において、式（１）に示すように一次関数で近似することができることが知られている。

ΔＶ＝ａＩ＋ｂ・・・（１）
燃料電池スタック１の温度が低く、駆動モータ５３への電力供給を禁止されている場合には、燃料電池スタック１から、消費電力が駆動モータ５３よりも低い補機類５７に発電電力を供給する。そして、出力電流を所定幅で変化させて出力電圧（発電電圧）を複数計測して、出力電流と出力電圧とから式（１）のａ、ｂを算出し、算出したａ、ｂを用いて、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。

ａ、ｂが算出されると、燃料電池スタック１から駆動モータ５３に最小駆動電力を供給する場合の出力電流Ａに対する出力電圧がわかるので、出力電圧が電圧Ｖ１以上となると、燃料電池スタック１が最小駆動電力を駆動モータ５３に供給可能であることがわかる。なお、所定幅は、ａ、ｂを正確に算出するために広い範囲に設定することが望ましい。

このように、ＩＶ推定処理を開始してから、燃料電池スタック１が最小駆動電力を駆動モータ５３に供給可能になるまで、繰り返しＩＶ推定が実施される。

図３は、ＩＶ推定が繰り返し実施されているときの燃料電池システム１００の状態を示す図である。

図３（ａ）は、燃料電池スタック１の発電電力を示す図である。図３（ａ）には、燃料電池スタック１の発電電力が実線で示され、補機類５７で消費される電力（以下「補機消費電力」という。）が破線で示されている。図３（ｂ）は、バッテリ５５の充放電状態を示す図である。

図３（ｃ）は、ＳＯＣセンサ６４で検出されるバッテリ５５のＳＯＣを示す図である。図３（ｄ）は、スタック出口水温を示す図である。図３（ｅ）は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への供給可能電力を示す観念図である。図３（ｆ）は、走行許可フラグを示す図である。図３（ａ）乃至図３（ｆ）の横軸は、互いに共通の時間軸で示されている。

図３（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電流を所定振幅で上昇させた後、上昇させる直前の電流値まで出力電流を低下させる。この出力電流の振幅期間Ｔａ（例えば２秒）に電流センサ５１及び電圧センサ５２の両者から検出値を複数回取得し、その取得した電流値及ぶ電圧値を用いて式（１）の近似式を演算してＩＶ特性を推定する。

そして、出力電流の上昇を開始してから所定の推定間隔Ｔｅ（例えば５秒）経過後に、再び出力電流を所定振幅で上昇させた後に出力電流を元の値に戻す。このように、所定の推定間隔Ｔｅごとに、出力電流を繰り返し振幅させ、振幅させたときの電流値及び電圧値に基づいてＩＶ特性を推定する。

また、振幅期間Ｔａ以外の暖機期間Ｔｗ（例えば３秒）では、燃料電池スタック１が発電できるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介して補機類５７に発電電力が供給される。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う自己発熱によって燃料電池スタック１を暖機させることができる。さらに自己発熱によって冷却水が暖められ、暖まった冷却水を燃料電池スタック１に循環させることで燃料電池スタック１の暖機を更に促進させる。

このため、図３（ｄ）に示すように、時間が経過するに連れて冷却水の温度すなわち燃料電池スタック１の温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復してくるので、図３（ｅ）に示すように、発電可能電力が上昇し、発電可能電力が最小駆動電力に到達すると、図３（ｆ）に示すように、走行許可フラグが、「０」から「１」に切り替えられる。

また、出力電流の振幅期間Ｔａでは、燃料電池システム１００で負荷消費電力よりも大きな電力を発電させるために、発電電力がバッテリ５５にも供給される。このため、図３（ｂ）に示すように、発電電力の振幅に合わせてバッテリ５５への充電電力が増加する。これにより、図３（ｃ）に示すように、推定間隔Ｔｅごとにバッテリ５５のＳＯＣが階段状に上昇する。

このように、燃料電池スタック１の温度が低く、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給が禁止されている場合であっても、ＩＶ推定を行うことで燃料電池スタック１から駆動モータ５３へ電力を供給可能かどうかを正確に判定することができる。

しかしながら、ＩＶ推定を行うときに燃料電池スタック１から電力を受け入れるバッテリ５５には、充電容量に限りがある。例えば、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復する前にバッテリ５５が満充電になると、燃料電池スタック１の余剰電力を受け入れるために一旦バッテリ５５を放電するような制御が必要となる。その結果、走行許可を出すタイミングが遅くなってしまう。

そこで、本実施形態では、以下で説明するように燃料電池システム１００の起動制御を行う。

本実施形態の起動制御について図４のフローチャートを用いて説明する。ここでは、燃料電池システム１００が零下で起動されることを想定している。

まず、コントローラ６は、キーセンサ６２から始動要求を受け、燃料電池システム１００の起動処理を開始する。

そしてステップＳ１０１においてコントローラ６は、第１水温センサ４７から冷却水温度を取得し、その取得した値を初期スタック出口水温としてメモリ６９に保存する。なお、第１水温センサ４７の検出値に代えて、第２水温センサ４８や外気温センサ６１の検出値を用いても良い。

ステップＳ１０２においてコントローラ６は、ＩＶ推定の推定間隔を段階的に切り替えるための推定間隔切替テーブルを参照し、初期スタック出口水温に対応する推定間隔ごとの水温閾値を取得する。これにより、コントローラ６は、冷却水温度が各水温閾値を超えるたびに、その水温閾値に対応付けられた時間に推定間隔を変更することができるようになる。

推定間隔切替テーブルは、メモリ６９に記憶されており、このテーブルには、初期スタック出口水温ごとに各水温閾値に対応する推定間隔が示されている。水温閾値ごとの推定間隔は、燃料電池スタック１の冷却水温度が高くなるほど、推定間隔が短くなるように設定されている。これにより、燃料電池スタック１の温度上昇によってＩＶ推定の精度が良くなるときに、ＩＶ推定の実施頻度を増やすことができる。なお、推定間隔切替テーブルの詳細については図５で後述する。

ステップＳ１０３においてコントローラ６は、例えば、冷却水温度が５０℃よりも低い場合には、暖機運転を行う。具体的には、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電電力を、燃料電池システム１００の最大効率の運転点よりも上げ、発電に伴う自己発熱量を増やす。なお、暖機運転は、冷却水温度が５０℃に達すると終了する。

燃料電池スタック１で発電された電力は、補機類５７で消費され、ＰＴＣヒータ４６やカソードコンプレッサ２３の消費電力及びバッテリ５５への充電電力を調整することで、燃料電池システム１００のエネルギーバランスを保つ。補機類５７であるＰＴＣヒータ４６は燃料電池スタック１で発電した電力を消費するだけではなく、自己発熱によって冷却水を暖め、暖まった冷却水を燃料電池スタック１に循環させることで燃料電池スタック１の暖機を更に促進することができる。なお、燃料電池スタック１は、発電によって生じる熱によっても暖機される。

すなわち、ステップＳ１０３は、コントローラ６の構成のうち、燃料電池スタック１が低温時に、補機類５７への電力供給によって燃料電池スタック１自身を暖機する暖機運転部に相当する。

ステップＳ１０４においてコントローラ６は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するＩＶ推定処理を実行する。

具体的には、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電流を上昇させた後に出力電流を低下させると共に、出力電流を振幅させている間に電流センサ５１及び電圧センサ５２から電流値及び電圧値を複数回取得する。そしてコントローラ６は、これらの電流値及び電圧値に基づいてＩＶ特性を推定する。

すなわち、ステップＳ１０４は、コントローラ６の構成のうち、バッテリ５５との電力交換によって燃料電池スタック１の出力電流を変化させると共に、そのときに取得する電流・電圧値に基づいて燃料電池のＩＶ特性を推定する推定部に相当する。

なお、ＩＶ推定処理の詳細については、図６で後述する。また、コントローラ６は、冷却水温度がＩＶ推定禁止温度（例えば−３５℃）よりも高い場合にのみＩＶ推定処理を実行する。ＩＶ推定禁止温度は、ＩＶ推定による電流の変動によって燃料電池スタック１の電圧が最低保障電圧よりも低くなる可能性のある温度である。

ステップＳ１０５においてコントローラ６は、ＩＶ推定によって推定したＩＶ特性から、最小駆動電力に対応する出力電流に基づいて出力電圧を特定し、これらの値から現在の発電可能電力を算出する。

ステップＳ１０６においてコントローラ６は、発電可能電力と最小駆動電力とを比較する。コントローラ６は、発電可能電力が最小駆動電力以上の場合には、ステップＳ１０７に進み、発電可能電力が最小駆動電力よりも低い場合にはステップＳ１０４に戻る。

ステップＳ１０７においてコントローラ６は、ＲＥＡＤＹランプを点灯させて、燃料電池スタック１から駆動モータ５３への電力供給を許可し、起動制御方法の一連の処理を終了する。

次にメモリ６９に記憶される推定間隔切替テーブルの詳細について説明する。

図５は、推定間隔切替テーブル６９ａの一例を示す図である。

推定間隔切替テーブル６９ａには、初期スタック出口水温ごとに、各水温閾値に対応するＩＶ推定の実施頻度（推定間隔）が示されている。なお、燃料電池システム１の起動後の冷却水温度が初期スタック出口水温よりも低くなることは起こり得ないため、起こり得ない条件を「−」で示している。

水温閾値の各欄には、ＩＶ推定の実施頻度に関わる推定間隔の値が保持されている。例えば、−２０℃の水温閾値には、ＩＶ推定を行わずに「暖機のみ」実施するように０秒の推定間隔が対応付けられ、−１０℃の水温閾値には、ＩＶ推定を「低」頻度で実施するように１０秒の推定間隔が対応付けられている。また、−５℃の水温閾値には、ＩＶ推定を「中」頻度で実施するように５秒の推定間隔が対応付けられ、０℃の水温閾値には、ＩＶ推定を「高」頻度で実施するように２秒の推定間隔が対応付けられている。

また、各水温閾値に対応するＩＶ推定の実施頻度は、初期スタック出口水温の温度範囲ごとに定められている。

例えば、初期スタック出口水温が−３０℃から−２０℃までの温度範囲では、冷却水温度が−２０℃の水温閾値を超えるとＩＶ推定を行わずに「暖機運転のみ」実施し、冷却水温度が−１０℃の水温閾値を超えると「低」頻度の推定間隔でＩＶ推定を実施する。さらに冷却水温度が−５℃の水温閾値を超えると「中」頻度の推定間隔でＩＶ推定を実施し、冷却水温度が０℃の水温閾値を超えると「高」頻度の推定間隔でＩＶ推定を実施する。

なお、推定間隔切替テーブル６９ａでは、水温閾値に対応するＩＶ推定の実施頻度は、初期スタック出口水温の各温度範囲で同一の頻度が設定されているが、実験データなどによって温度範囲ごと異なる値を設定しても良い。これにより、初期スタック出口水温に応じて推定間隔の切替を適切に行うことができる。

このように、推定間隔切替テーブル６９ａを用いることにより、燃料電池スタック１の冷却水温度が高くなるほど、推定間隔を短くしてＩＶ推定の実施頻度を増やすことができる。このため、冷却水温度が−１０℃の低温下でＩＶ推定の精度が悪いときには、実施頻度を低くしてバッテリ５５への充電量を抑え、氷点付近では、走行許可が出やすいため実施頻度を高くしてバッテリ５５への充電量を低温時に抑えた分だけ増やすことができる。

これにより、ＩＶ推定によるバッテリ５５への充電量の増加を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。

また、燃料電池スタック１の温度（冷却水温度）と外気温（初期スタック入口温度）との温度差が大きくなるほど、燃料電池スタック１から外気への単位時間あたりの放熱量が多くなる。そして、燃料電池スタック１と外気との温度差は、走行許可が出される直前、すなわち冷却水温度が０℃付近まで上昇したタイミングで、最も大きくなる。

このため、氷点付近でＩＶ推定を頻繁に実施し発熱量を増加させることによって、燃料電池スタック１からの放熱量が最も大きくなるときに暖機が促進されて走行許可の時期が早まる。このため、放熱量が抑えられ、燃料電池スタック１のトータルの発電量を低減することができる。

図６は、ステップＳ１０５のＩＶ推定処理の処理手順を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１においてコントローラ６は、第１水温センサ４７から取得した冷却水温度を読み込む。

ステップＳ２０２においてコントローラ６は、読み込んだ冷却水温度と、図５のステップＳ１０２で取得した各推定間隔に対応する水温閾値とに基づいて、ＩＶ推定の推定間隔を設定する。

例えば、コントローラ６は、初期スタック出口水温が−２０℃である場合に、読み込んだ冷却水温度が−５℃であるときは、推定間隔切替テーブル６９ａによって中頻度の推定間隔が設定される。その後、冷却水温度が０℃まで上昇すると、推定間隔切替テーブル６９ａによって高頻度の推定間隔が設定される。すなわち、燃料電池スタック１の温度が上昇するほど、推定間隔が短く設定される。

すなわち、ステップＳ２０２は、コントローラ６の構成のうち、燃料電池スタック１の暖機状態に応じてＩＶ特性の推定間隔を短くする制御部に相当する。

また、コントローラ６は、ＩＶ推定時の出力電流の下限値（以下「下限電流」という。）を基準電流値に設定する。基準電流値とは、暖機運転時に燃料電池スタック１から補機類５７へ出力する出力電流の電流値である。

そしてコントローラ６は、基準電流値に所定の振幅を加算し、その加算した値を、ＩＶ推定時の出力電流の上限値（以下「上限電流」という。）に設定する。コントローラ６は、下限電流及び上限電流の設定値を用いてＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を振幅させる。

ステップＳ２０３においてコントローラ６は、バッテリ５５のＳＯＣが、切替閾値よりも大きいか否かを判断する。切替閾値は、バッテリ５５が満充電に近い状態か否かを判定するための閾値であり、例えば７０％のＳＯＣに設定される。

なお、バッテリ５５のＳＯＣは、一般的な手法により算出される。例えば、バッテリ５５の開放電圧を検出して開放電圧時のＳＯＣを求め、バッテリ５５に充電される電流と、バッテリ５５から放電される電流とを検出する。そしてこれらの検出値を積算してＳＯＣの変動量を演算し、その変動量を開放電圧時のＳＯＣに加算してバッテリ５５のＳＯＣを算出する。開放電圧とは、バッテリ５５に電流が流れていないときのバッテリ５５の電圧値のことである。

そしてステップＳ３００においてコントローラ６は、バッテリ５５のＳＯＣが、切替閾値よりも大きいと判断された場合には、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御を実行する。具体的には、コントローラ６は、出力電流を振幅させるたびに下限電流を段階的に低下させてＳＯＣの上昇を抑制する。ＩＶ推定によるＳＯＣ制御については、図７を参照して後述する。

一方、ステップＳ２０４においてコントローラ６は、バッテリ５５のＳＯＣが、切替閾値以下であると判断された場合には、ＩＶ推定による暖機充電制御を実行する。具体的には、コントローラ６は、出力電流の下限値を暖機運転時の出力電流に固定して出力電流を振幅させる。

このように、コントローラ６は、バッテリ５５のＳＯＣに応じて、出力電流を振幅させたときのバッテリ５５のＳＯＣの上昇率を制御する。

次にステップＳ２００のＩＶ推定によるＳＯＣ制御について説明する。

図７は、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御の処理手順を示すフローチャートである。

図７では、ＩＶ推定時の下限電流を増加させるための電流増加フラグと、ＩＶ推定時の下限電流を低下させるための電流低下フラグとが、メモリ６９に保持されている。

電流低下フラグ及び電流増加フラグは、バッテリ５５が満充電に近い状態のときには、それぞれ「１」及び「０」に設定される。一方、バッテリ５５に余裕があるときには、電流低下フラグに「０」が設定されると共に、電流増加フラグに「１」が設定される。また、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御の開始時は、電流低下フラグは「１」に設定されている。

ステップＳ３０１においてコントローラ６は、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御の処理を開始すると、電流低下フラグが「１」であるかを確認する。

電流低下フラグが「１」を示す場合には、ステップＳ３０２においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が最小値よりも大きいか否かを判断する。

下限電流の最小値は、例えば、燃料電池の高電位劣化を防止するための制限値や、暖機不足による燃料電池の再凍結を防止するための制限値などによって決められる。

燃料電池の高電位劣化とは、燃料電池のセル電圧が高くなり過ぎ、燃料電池自体が劣化してしまうことをいう。燃料電池は、図２に示したように、出力電流が小さくなるほどセル電圧が高くなるため、高電位劣化が起こらないように出力電流の下限を設定する必要がある。

また、燃料電池の再凍結とは、零下起動時では、発電に伴う発熱量が少なくなると、暖機によって解凍した燃料電池が再び凍結してしまうことをいう。燃料電池から取り出す出力電流が小さくなるほど、発電電力が小さくなるため、再凍結が起こらないように出力電流の下限を設定する必要がある。

このように、下限電流を最小値に制限することにより、電流低下に伴う高電位劣化を防止しつつ、再凍結を起こさないように発熱量を一定値以上に保つことができる。

ステップＳ３０３においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が最小値よりも大きい場合には、下限電流を所定のステップ幅だけ低下させる。これにより、燃料電池スタック１の発電電力が、補機類５７で消費される電力（以下「補機消費電力」という。）よりも小さくなるので、不足した電力がバッテリ５５から補機類５７に供給され、バッテリ５５のＳＯＣを低下させることができる。

ステップＳ３０６においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が最小値以下である場合には、下限電流を最小値に設定する。これにより、ＩＶ推定時の下限電流が最小値に維持される。

また、ステップＳ３０１で電流低下フラグが「０」を示した場合には、ステップＳ３１２においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が、最大値よりも大きいか否かを判断する。下限電流の最大値は、例えば、バッテリ５５に供給可能な電流の上限値から、ＩＶ推定時の出力電流の振幅を減算した値である。

ステップＳ３１３においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が最大値よりも小さい場合には、下限電流を所定のステップ幅だけ増加させる。これにより、燃料電池スタック１の発電電力が上昇するため、暖機が促進される。

なお、下限電流を増加させるステップ幅は、ステップＳ３０３で下限電流を低下させるステップ幅と異なる値でも、同じ値でも良い。例えば、下限電流を上昇させるステップ幅よりも、下限電流を低下させるステップ幅を大きくすることにより、バッテリ５５のＳＯＣを迅速に下げ、その後ＳＯＣの上昇率を低くすることができる。

ステップＳ３１６においてコントローラ６は、ＩＶ推定時の下限電流が最大値以上である場合には、下限電流を最大値に設定する。これにより、ＩＶ推定時の下限電流を最大値に制限することができる。

このように、電流低下フラグが「１」の場合には、ＩＶ推定時の下限電流を低下させことにより、バッテリ５５から補機類５７に電力が供給されるため、ＳＯＣの上昇を抑制することができる。一方、電流低下フラグ「０」の場合には、ＩＶ推定時の下限電流を上昇させることにより、燃料電池スタック１の発電電力が上昇するため、暖機を促進することができる。

ステップＳ３０３、Ｓ３０６、Ｓ３１３又はＳ３１６の処理が終了すると、ステップＳ３０４においてコントローラ６は、バッテリ５５のＳＯＣが、所定値よりも大きいか否かを判断する。所定値は、下限電流を増加させたときのバッテリ５５の過充電を防止するための閾値である。

過充電防止のための所定値は、実験データなどを使用して定められる。例えば、あらかじめ実験で、下限電流をステップＳ３１３で最大値まで増加させてからＳ３０３で低下させるまでの間に補機消費電力を超える電力量を求めておき、その超過電力をバッテリ５５に充電した際にバッテリ５５が満充電となるように、所定値を定める。

バッテリ５５のＳＯＣが所定値よりも大きい場合には、バッテリ５５の充電容量に余裕があるため、ステップＳ３０５においてコントローラ６は、電流増加フラグを「１」に設定すると共に電流低下フラグを「０」に設定する。

一方、バッテリ５５のＳＯＣが所定値以下である場合には、バッテリ５５が満充電に近いため、ステップＳ３０７においてコントローラ６は、電流増加フラグを「０」に設定すると共に、電流低下フラグを「１」に設定する。

そしてステップＳ３０５又はＳ３０７の処理が終了すると、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御が終了し、図４に示した起動制御方法に戻り、ステップＳ１０５に進む。

このように、ステップＳ３０４でＳＯＣが所定値を超えるか否かを判断する処理を設けることにより、バッテリ５５の過充電を回避しつつ、出力電流の下限値を増減させることができる。

次にＩＶ推定処理による燃料電池システム１００の状態について図面を参照して説明する。

図８は、ＩＶ推定による暖機充電制御に関するタイミングチャートである。

図８には、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値を超える前に走行許可が出された例が示されている。図８（ａ）から図８（ｆ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図３（ａ）から図３（ｆ）までの各図面と同じものである。

まず、燃料電池スタック１の起動時に初期スタック出口水温がメモリ６９に保持されると、推定間隔切替テーブルを参照し、初期スタック出口水温に対応付けられた各推定間隔の水温閾値が算出される。この例では、推定間隔５秒の水温閾値（−２０℃）と、推定間隔３秒の水温閾値（−１０℃）と、推定間隔２．５秒の水温閾値（−５℃）と、推定間隔２秒の水温閾値（０℃）とが設定されている。

時刻ｔ０では、冷却水温度が−１５℃前後であり、５秒の推定間隔ＴｅでＩＶ推定処理が開始される。このとき、バッテリ５５のＳＯＣは０（ゼロ）に近い状態である。そして時刻ｔ０から３秒の暖機期間Ｔｗを経過した後にＩＶ推定が１度実施される。その後、同じ推定間隔（５秒）で２度目のＩＶ推定が実施される。

時刻ｔ１では、冷却水温度が推定間隔３秒の水温閾値を超えるため、推定間隔が５秒から３秒に切り替えられ、１秒の暖機期間の経過後に３度目のＩＶ推定が実施される。時刻ｔ２では、冷却水温度が推定間隔２．５秒の水温閾値を超えため、推定間隔が３秒から２．５秒に切り替えられ、０．５秒の暖機期間後に４度目のＩＶ推定が実施される。

時刻ｔ３では、冷却水温度が２秒の水温閾値を超えるため、これ以降は、ＩＶ推定の合間に暖機期間Ｔｗを設けることなく２秒の推定間隔で連続して出力電流を振幅させる。

時刻ｔ４では、出力電流を振幅させたときの電流値及び電圧値に基づいて推定したＩＶ特性が供給可能電力に達したと判定され、図８（ｆ）に示すように走行許可フラグが「１」に設定される。

このように、冷却水温度が高くなるほど、ＩＶ推定の推定間隔を短くしている。これにより、ＩＶ推定処理の前半は、出力電流の振幅回数を減らしてバッテリ５５への充電量を抑え、その分を後半に配分して出力電流の振幅回数を増やしている。このため、バッテリ５５の充電容量の増加を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。

次にコントローラ６によって行われるＩＶ推定によるＳＯＣ制御について説明する。

図９は、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御に関するタイミングチャートである。図９（ａ）から図９（ｆ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図３（ａ）から図３（ｆ）までの各図面と同じものである。

時刻ｔ１０では、図９（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値よりも低いため、図８で示したようなＩＶ推定による暖機充電制御が実施される。

時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの期間は、２．５秒の推定間隔ＴｅでＩＶ推定が繰り返し実施される。このため、図９（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値近くまで高くなる。

時刻１１では、冷却水温度が、推定間隔２秒に対応する水温閾値を超えているため、推定間隔が２．５秒から２秒に切り替えられ、２秒の推定間隔ＴｅでＩＶ推定を実施する。

時刻ｔ１２の直前では、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値よりも高くなるため、ＩＶ推定処理の制御が暖機充電制御からＳＯＣ制御に切り替える。これにより、コントローラ６は、ＩＶ推定によるＳＯＣ制御を開始し、ＩＶ推定時の出力電流の下限値（下限電流）を、暖機運転時の基準電流値から所定のステップ幅だけ低く設定する。

これにより、時刻ｔ１２の直前においては、図９（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が補機消費電力よりも低下する。このため、図９（ｂ）に示すように、バッテリ５５から不足分の電力が補機類５７へ放電されるので、図９（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣが低下する。

そしてバッテリ５５のＳＯＣが、図７で述べた過充電防止のための所定値よりも小さくなり、電流増加フラグが「１」に、電流低下フラグが「０」に設定される。これにより、下限電流が所定のステップ幅だけ高く設定される。ここでは、増加時のステップ幅は、低下時のステップ幅よりも小さな値に設定されている。

このため、図９（ａ）に示すように、ＩＶ推定を実施するたびに下限電流が徐々に上がり、その後ＳＯＣが所定値を超えて電流増加フラグが「０」に、電流低下フラグが「１」に設定され、下限電流が暖機運転時の基準電流値から所定のステップ幅だけ低く設定される。このようにして、下限電流が基準電流値以下で均衡状態となる。

これにより、図９（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣの上昇が切替閾値付近で抑えられる。そして時刻ｔ１３において走行許可フラグが「１」に設定される。

このように、バッテリ５５が満充電に近いときにＩＶ推定時に発電電力を補機消費電力よりも低下させることにより、バッテリ５５のＳＯＣの増加を抑制しつつ、ＩＶ推定を繰り返し実施することができる。このため、走行許可直前にバッテリ５５が満充電となってＩＶ推定の実施が直ぐにできなくなるという事態を回避できる。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、バッテリ５５と、補機類５７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ５５及び補機類５７に供給するように設けられる。

コントローラ６を構成する暖機運転部は、図４に示したステップＳ１０３で燃料電池スタック１の温度が氷点よりも低い低温時に、補機類５７への電力供給によって燃料電池スタック１自身を暖機する。またステップＳ１０４において、コントローラ６を構成する推定部は、バッテリ５５への電力供給又はバッテリ５５から補機類５７への電力補充によって燃料電池スタック１の出力電流を変化させる。これと共に推定部は、出力電流を変化させたときに取得する電流値及び電圧値に基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。

そしてコントローラ６を構成する制御部は、図６に示したステップＳ２０２において燃料電池スタック１の暖機状態に応じて、燃料電池スタック１のＩＶ特性の推定間隔を短くする。具体的には、コントローラ６は、燃料電池スタック１の温度として、第１水温センサ４７で検出されるスタック出口水温を取得し、そのスタック出口水温に基づいてＩＶ推定処理の推定間隔を短くする。

これにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪い前半は、推定間隔を長くして、バッテリへの充電量を抑えつつ、走行許可の判断を逐次行うことができる。

そして暖機が進みＩＶ特性が回復してくる後半に推定間隔を短くすることにより、前半にバッテリ充電量を抑えた分、バッテリ５５には余裕ができるため、バッテリ５５の過充電を防ぎ、確実にＩＶ特性を推定することができる。

また、ＩＶ特性が回復してきたときに短い間隔でＩＶ推定を繰り返し実施するので、暖機が促進され早期に車両の走行を許可することができる。さらに燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復してくるほど、ＩＶ推定の推定精度は高くなるため、推定精度が高いときに頻度を増やしてＩＶ推定を実施することができる。

このように、燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復度合いに合わせて推定間隔を短くすることにより、限られたバッテリ５５の充電容量で早期に車両の走行を許可することができる。

また、本実施形態では、ステップＳ２０２においてコントローラ６は、燃料電池スタック１の冷却水温度が上昇するほど、ＩＶ推定処理の推定間隔を短くする。このように冷却水温度を検出することで、燃料電池スタック１の暖機の進み具合を精度よく把握することができるので、ＩＶ推定の推定間隔を暖機状態に応じて的確に切り替えることができる。

また、本実施形態の他にコントローラ６を構成する制御部は、零下起動時には、暖機状態として燃料電池スタック１の出力電流に出力電圧を積算して発電電力を算出し、燃料電池スタック１の発電電力が多くなるほど、ＩＶ特性の推定間隔を短くするようにしてもよい。あるいは、コントローラ６を構成する制御部は、発電電力に発電時間を積算して発電電力量を算出し、燃料電池スタック１の発電電力量が多くなるほど、ＩＶ特性の推定間隔を短くするようにしてもよい。

これにより、燃料電池スタック１の暖機が進むにつれて推定間隔を短くできるので、バッテリ５５のＳＯＣの増加を抑制しつつ、迅速に走行許可を出すことができる。

あるいは、コントローラ６を構成する制御部は、零下起動時には、燃料電池スタック１の暖機を開始してから所定時間を経過した後、ＩＶ特性の推定間隔を短くするようにしてもよい。

例えば、メモリ６９に、推定間隔を切り替える切替時間を初期スタック出口水温ごとに記憶しておき、起動時に検出したスタック出口水温に対応する切替時間を取得し、その取得した切替時間を経過した後に、推定間隔を例えば１０秒から４秒に切り替える。これにより、簡易な構成で推定間隔を切り替えることができる。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態におけるＩＶ推定処理の振幅制御について説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１００と同じ構成であるため、第１実施形態と同じ符号を付して説明する。

第２実施形態では、メモリ６９には、ＩＶ推定のための電流制御テーブルが保持されている。そしてコントローラ６は、ＩＶ推定処理において、電流制御テーブルを参照し、冷却水温度が大きくなるほど、燃料電池スタック１から取り出される出力電流の振幅を大きくする。

図１０は、メモリ６９に記憶される電流制御テーブル６９ｂの一例を示す図である。

電流制御テーブル６９ｂには、冷却水温度ごとに、ＩＶ推定のための出力電流の振幅の大きさが示されている。

例えば、冷却水温度が−１０℃まで上昇すると、ＩＶ推定の振幅が「小」から「中」に切り替えられ、冷却水温度が０℃まで上昇すると、ＩＶ推定の振幅が「中」から「大」に切り替えられる。例えば、振幅「中」には、振幅「小」の１．２倍の振幅値が対応付けられており、振幅「大」には、振幅「小」の１．５倍の振幅値が対応付けられている。

このように、電流制御テーブル６９ｂによって、冷却水温度が高くなるほど、ＩＶ推定時の振幅を大きくする。このようにする理由は、低温時には燃料電池スタック１の発電特性が悪いため、燃料電池スタック１から大きな電流を取り出すことできない。仮に大きな電流を取り出そうとすると、燃料電池スタック１の出力電力が極端に低下して、カソードコンプレッサ２３などの補機類５７に電力を供給できなくなってしまう。

そのため、燃料電池スタック１の発電特性が良くなるにつれて出力電流の振幅を大きくして上限電流を大きくすることで、出力電圧の極端な低下を防止しつつ、燃料電池スタック１の発熱量を大きくすることができる。

これにより、暖機が促進され、燃料電池システム１００が起動してから走行許可が出されるまでの起動時間を短縮することができる。また、上限電流を高くすることで、電流値及び電圧値の取得範囲が広がるため、ＩＶ推定の精度を向上させることができる。

図１１は、本実施形態におけるＩＶ推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図１１では、ステップＳ２１０の処理以外の処理は、図６で示した処理と同じであるため、同一符号を付してここでの詳細な説明を省略する。

ステップＳ２０１で冷却水温度が読み込まれると、ステップＳ２１０においてコントローラ６は、電流制御テーブル６９ｂを参照し、読み込んだ冷却水温度に対応する出力電流の振幅を算出する。

そしてステップＳ２０２においてコントローラ６は、推定間隔テーブルによって冷却水温度に応じた推定間隔を設定する。これと共にコントローラ６は、ステップＳ２１０で算出した出力電流の振幅を、暖機運転時の出力電流値に加算し、その値を上限電流として設定する。

これにより、電流制御テーブル６９ｂによって冷却水温度が大きくなるほど、ＩＶ推定時の振幅が大きくなるので、上限電流を大きくすることができる。

次にＩＶ推定処理による燃料電池システム１００の状態について図面を参照して説明する。

図１２は、第２実施形態におけるＩＶ推定によるＳＯＣ制御の制御手法を示すタイミングチャートである。

図１２（ａ）から図１２（ｆ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図３（ａ）から図３（ｆ）までの各図面と同じものである。

時刻ｔ２０では、図１２（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値よりも低いため、ＩＶ推定による暖機充電制御が行われる。

時刻ｔ２０から時刻ｔ２１までの間は、冷却水温度が上昇するにつれて、図１２（ａ）に示すように、ＩＶ推定の推定間隔が短くなると共に燃料電池スタック１から取り出される出力電流の上限値（上限電流）が大きくなる。これにより、低温時にＩＶ推定の実施に伴い燃料電池スタック１の出力電圧が極端に低下することを防止しつつ、燃料電池スタック１が回復するにつれて燃料電池スタック１の発熱量を大きくして暖機を促進することができる。

時刻２１では、図１２（ｃ）に示すように、バッテリ５５のＳＯＣが切替閾値を超えるため、コントローラ６によってＩＶ推定処理の電流制御がＩＶ推定による暖機充電制御からＩＶ推定によるＳＯＣ制御に切り替えられる。

ＩＶ推定によるＳＯＣ制御において、ＩＶ推定が実施されるたびに、図７で示したステップＳ３０３の処理によって下限電流が所定のステップ幅で下げられる。これにより、図１２（ｂ）に示すように、バッテリ５５への放電を大きくして、ＳＯＣの上昇率を抑制することができる。

このように、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、上限電流を大きくすると共に推定間隔を短くすることにより起動時間を短縮し、一方で、下限電流を低くすることにより、上限電流の上昇と推定間隔の短縮に伴うバッテリ５５へ充電電力の増加を抑制する。これにより、低温起動時における起動時間の短縮と、バッテリ５５の過充電の防止とを両立できる。

本発明の第２実施形態によれば、コントローラ６は、燃料電池スタック１の暖機が進むほど、電流制御テーブル６９ｂによって燃料電池スタック１からバッテリ５５へ放電される出力電流の上限値を大きくする。

これにより、低温時にＩＶ推定によって燃料電池スタック１の出力電圧が極端に低下するのを防止しつつ、燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復に合わせて発電量を大きくして暖機を促進することができる。

また、コントローラ６は、ＩＶ推定の推定間隔を短くするほど、燃料電池スタック１の出力電流の下限値を、暖機運転時に燃料電池スタック１から補機類５７に出力される電流値よりも小さくしてもよい。この場合、コントローラ６は、燃料電池スタック１の発電電力が補機類５７の消費電力よりも少ないと判断したときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６のバッテリ５５側の電圧を、燃料電池スタック１側の電圧よりも高くする。これにより、バッテリ５５から補機類５７に不足分の電力が供給される。

このように、ＩＶ推定の推定間隔を短くすることで暖機が促進される共に、ＩＶ推定時の出力電流の下限値を下げることにより、推定期間の短縮に伴うバッテリ５５への充電電力量の増加を抑制することができる。したがって、バッテリ５５の過充電の発生を抑制しつつ、起動時間を短縮することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、燃料電池スタック１の温度が上昇するほど、ＩＶ推定時の出力電流を振幅させる振幅期間を短くするようにしてもよい。燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復してくるにつれて、出力電流の変動による燃料電池スタック１の電圧の極端な低下は起こりにくくなる。このため、冷却水温度が高くなるほど、ＩＶ推定時の出力電流の上昇率と低下率を大きくすることで、起動時間を短くすることができる。

本実施形態では、暖機運転時に燃料電池スタック１の発電電力を補機消費電力と同じ値に設定しているが、発電電力を補機消費電力よりも低く設定しても、本発明の効果が得られる。

１００ 燃料電池システム
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
６ コントローラ（暖機運転部、推定部、制御部）
５５ バッテリ
５６ ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）
５７ 補機
Ｓ１０３ 暖機運転部
Ｓ１０４ 推定部
Ｓ２０２ 制御部

Claims (6)

1. バッテリと、負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの電力で駆動する補機と、前記燃料電池の電力を前記バッテリに供給するように設けられるコンバータと、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の低温時に、前記補機への電力供給によって前記燃料電池自身を暖機する暖機運転部と、
   前記暖機中に、前記バッテリとの電力交換によって前記燃料電池の電流を変化させると共に、そのときに取得する電流・電圧値に基づいて前記燃料電池の電流電圧特性を推定する推定部と、
   前記燃料電池の暖機状態に応じて前記推定部による前記燃料電池の電流電圧特性の推定間隔を短くする制御部と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池の温度が上昇するほど、前記推定間隔を短くする、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池の暖機が進むほど、前記燃料電池から前記バッテリへ放電される電流の上限値を大きくする、
   燃料電池システム。
4. 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システムにおいて、
   前記制御部は、前記燃料電池の温度に応じて前記推定間隔を短くし、前記推定間隔を短くするほど、前記燃料電池から取り出される電流の下限値を小さくし、
   前記コンバータは、前記燃料電池の電力が前記補機の消費電力よりも少ないときは、前記バッテリから前記補機に不足分の電力を供給する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、零下起動時に、前記燃料電池の発電電力又は発電電力量が多くなるほど、前記推定間隔を短くする、
   燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、零下起動時に、前記燃料電池の暖機を開始してから所定時間を経過した後、前記推定間隔を短くする、
   燃料電池システム。