JP2016091648A - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷が低負荷である場合に、燃料電池システムの効率を向上させる燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車を提供する。【解決手段】負荷３０、例えばモータ電力Ｐｍが低負荷であると判定した（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合には、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃの中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程（ステップＳ６又はステップＳ９）を設けたので、負荷３０に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、ＦＣシステム１２の効率を向上させることができる。【選択図】図６

Description

この発明は、燃料電池及び蓄電装置の２電源から駆動モータ等の負荷に電力を供給する燃料電池システムの制御方法、及び前記制御方法が実施される燃料電池自動車に関する。

従来から、例えば特許文献１の図１に示されるように、駆動モータを駆動するインバータと燃料電池の出力端との間、及び前記インバータと蓄電装置の入出力端との間、にそれぞれ昇圧コンバータを設け、負荷（前記インバータと前記駆動モータ）を駆動するようにした燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車が知られている。

特許文献１には、負荷に所定の駆動力を発揮させるために前記２電源（前記燃料電池及び前記蓄電装置）から前記負荷に供給する駆動要求負荷端電圧（モータ必要電圧、モータ駆動要求電圧、駆動要求電圧ともいう。）と燃料電池電圧との相関関係に基づいて、前記燃料電池電圧が前記駆動要求負荷端電圧より高い場合には、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータによる昇圧を行わないで直結させ、前記燃料電池側の前記昇圧コンバータのスイッチング損失を低減するようにした技術が開示されている（特許文献１の［００１１］、［００１２］）。

国際公開第２００９／０８４６５０号パンフレット

ところで、前記燃料電池システムでは、常に、前記燃料電池システムの効率を向上させることが望まれている。

しかしながら、特許文献１には、前記蓄電装置側のコンバータのスイッチング損失を低減する技術については開示されていないので改良の余地がある。

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って、燃料電池側の第１電圧変換装置と蓄電装置側の第２電圧変換装置と負荷との関係において、より一層燃料電池システムの効率を向上させることを可能とする燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、前記燃料電池の燃料電池電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する第１電圧変換装置と、前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し前記負荷端電圧として前記インバータの前記直流端側に印加する第２電圧変換装置と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。

この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程を設けたので、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

この場合、前記電圧低下工程後に、前記第１及び第２電圧変換装置の電圧変換動作を停止して、前記燃料電池と前記蓄電装置を前記負荷に直結する電圧変換停止工程を有するように制御することが好ましい。負荷が低負荷と判定され、低電圧を供給することで損失を低減できる領域においては第１及び第２電圧変換装置の電圧変換を停止する。これにより、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減でき、さらに電圧変換による損失も皆無にすることができるので、燃料電池システムの効率を一層向上させることができる。

さらに、前記電圧低下工程後、前記電圧変換停止工程の前に、前記燃料電池電圧及び前記蓄電装置電圧の電圧差を把握する電圧差把握工程と、把握された前記電圧差が前記第１及び第２電圧変換装置の停止を許容できる所定値以内となるように制御する電圧差制御工程と、を実施することにより、燃料電池電圧と蓄電装置電圧との電圧差を小さくしてから直結するので、燃料電池や蓄電装置の制御性を損なうことなく円滑に直結することができる。

この場合、前記電圧差把握工程で、前記蓄電装置電圧が前記燃料電池電圧に比べて高いと把握された場合に、前記電圧差制御工程では、前記蓄電装置のＳＯＣを低減させることで、簡便な方法で燃料電池電圧と蓄電装置電圧との電圧差を小さくすることができる。

なお、前記電圧差把握工程で、前記燃料電池電圧が前記蓄電装置電圧に比べて高いと把握された場合に、前記電圧差制御工程では、前記燃料電池の膜含水率及び又はストイキ比を低減させることで、簡便な方法で燃料電池電圧と蓄電装置電圧の電圧差を低減させることができる。

また、前記低負荷判定工程の判定値である前記閾値は、前記インバータ及び前記モータの合計損失に基づいて決定されていることとすれば、燃料電池システム全体の効率が考慮されるので、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、前記燃料電池の燃料電池電圧もしくは前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する電圧変換装置と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置の中、前記電圧変換装置を介さずに前記インバータの直流端側に接続されている前記燃料電池もしくは前記蓄電装置の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。

この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、燃料電池及び蓄電装置の中、電圧変換装置を介さずにインバータの直流端側に接続されている前記燃料電池もしくは前記蓄電装置の電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、前記負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

さらに、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、を備える燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、低負荷と判定された場合、前記燃料電池電圧を前記モータの駆動要求電圧もしくは前記燃料電池の下限電圧まで低下させる電圧低下工程と、を有する。

この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、モータの駆動要求電圧もしくは燃料電池の下限電圧まで電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、前記負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができる。

上記の各発明は、燃料電池自動車で実施して好適である。

この発明によれば、負荷が低負荷と判定された場合に、蓄電装置電圧及び燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程を設けたので、負荷に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、燃料電池システムの効率を向上させることができるという効果が達成される。

この発明の実施形態に係る燃料電池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。 図１例の燃料電池自動車中、昇圧コンバータと昇降圧コンバータの一例の詳細構成を含む模式的回路図である。 スイッチング素子の例としての電力素子の説明図である。 燃料電池のＩＶ特性図である。 この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。 この実施形態の動作説明に供されるフローチャートである。 モータ要求電力と、負荷端電圧としての駆動要求負荷端電圧との関係を示す特性図である。 負荷端電圧をパラメータとしたモータ電力と負荷損失との関係を示す特性図である。 図９Ａは、低負荷状態では蓄電装置の目標残容量を低下させた後に、両方直結状態で使用に供される燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概念図、図９Ｂは、図９Ａの燃料電池自動車から燃料電池側の昇圧器を省略した燃料電池自動車の概念図、図９Ｃは、燃料電池のみにより駆動モータが駆動される燃料電池自動車の概念図、図９Ｄは、低負荷状態では燃料電池の目標膜含水率を低下させた後に、両方直結状態で使用に供される燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概念図、図９Ｅは、図９Ｄの燃料電池自動車から蓄電装置側の昇降圧器を省略した燃料電池自動車の概念図、図９Ｆは、レンジエクステンダー型電気自動車の概念図である。

以下、この発明に係る燃料電池システムの制御方法について、これを実施する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ながら説明する。

図１は、この実施形態に係る燃料電池システム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、１次側１ｓｆと２次側２ｓ側との間に配置される燃料電池側コンバータであり電圧変換装置（昇圧器）としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ２１（以下、ＳＵＣ２１という。ＳＵＣ：Ｓｔｅｐ Ｕｐ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）、及び１次側１ｓｂと２次側２ｓ側との間に配置されるチョッパ方式の電圧変換装置（昇降圧器）としての昇降圧コンバータ２２（以下、ＳＵＤＣ２２という。ＳＵＤＣ：Ｓｔｅｐ Ｕｐ／Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の一例の詳細構成を含むＦＣ自動車１０の模式的回路図である。

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、車両走行用のモータ・ジェネレータである駆動モータ１４と、駆動モータ１４を駆動する負荷駆動回路としてのインバータ１６（以下、「ＩＮＶ１６」という。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と、を有する。

ＦＣシステム１２は、一方の１次側１ｓｆに配置される燃料電池１８（以下、「ＦＣ１８」という。）と、他方の１次側１ｓｂに配置される蓄電装置である高電圧バッテリ２０（以下「ＢＡＴ２０」という。）と、前記ＳＵＣ２１と、前記ＳＵＤＣ２２と、高電圧｛蓄電装置電圧（ＢＡＴ電圧）Ｖｂａｔ｝入力の燃料電池補機（以下、「ＦＣ補機」という。）３１と、高電圧入力の車室内空気調和装置である空調補機３２と、降圧器としてのチョッパ方式の降圧コンバータ２３（以下、「ＳＤＣ２３」という。ＳＤＣ：Ｓｔｅｐ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、制御装置としての電子制御装置２４（以下、「ＥＣＵ２４」という。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を有する。

ＦＣ１８の出力端がＳＵＣ２１の入力端（１次側１ｓｆ）に接続され、ＳＵＣ２１の出力端（２次側２ｓ）がＩＮＶ１６の直流端側とＳＵＤＣ２２の一端（昇圧端側）側に接続される。

ＢＡＴ２０の入出力端がＳＤＣ２３の入力側（１次側１ｓｂ）、ＳＵＤＣ２２の他端側（降圧端側）、及び高圧補機３５（ＦＣ補機３１、空調補機３２）に接続される。

ＳＤＣ２３の出力端側（２次側）には、電圧Ｖｂｂ＝＋１２Ｖ等の低圧バッテリ２９と、ＥＣＵ２４及びライト等の低圧補機３３が接続される。なお、低圧補機３３とＳＤＣ２３とＥＣＵ２４とを併せて低圧補機（低圧負荷）３３´という。

駆動モータ１４は、ＦＣ１８から供給されるＦＣ発電電力（ＦＣ電力）Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）とＢＡＴ２０から供給される蓄電電力であるＢＡＴ放電電力Ｐｂａｔｄ（Ｐｂａｔｄ＝Ｖｂａｔ×Ｉｂｄ）の合成電力値（Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔｄ）がＩＮＶ１６を通じて供給されることで駆動力を生成し、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、例えば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、ＦＣ１８からＳＵＣ２１を介してＦＣ電圧Ｖｆｃが昇圧された直流電圧である負荷端電圧Ｖｉｎｖを３相の交流電圧に変換して駆動モータ１４に供給する（力行時）。

ＩＮＶ１６は、また、ＢＡＴ２０からＳＵＤＣ２２を介してＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが昇圧された直流電圧である前記負荷端電圧Ｖｉｎｖを３相の交流電圧に変換して駆動モータ１４に供給する（力行時）。

つまり、駆動モータ１４は、ＦＣ１８及び／又はＢＡＴ２０の電力により駆動される（力行時）。

この実施形態において、ＩＮＶ１６と駆動モータ１４とを合わせて負荷３０という。負荷には、負荷３０の他に、ＦＣ補機３１、空調補機３２等の高圧補機３５及び前記した低圧補機３３´が含まれる。

一方、駆動モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後のＩＮＶ１６の入力端（直流端側）に発生する負荷端電圧（直流端側電圧）Ｖｉｎｖは、降圧コンバータとして動作するＳＵＤＣ２２を通じてＢＡＴ電圧Ｖｂａｔに降圧されてＢＡＴ２０に供給され、あるいはＳＵＤＣ２２が直結状態（スイッチング素子２２ｂ：オフ、スイッチング素子２２ｄ：オン）にされてＢＡＴ２０に供給され、ＢＡＴ２０を充電する。

また、ＢＡＴ２０には、ＦＣ１８による駆動モータ１４の駆動用の電力が余剰になった場合に、その余剰電力が、昇圧状態のＳＵＣ２１又は直結状態のＳＵＣ２１を介し、降圧状態又は直結状態のＳＵＤＣ２２を通じて供給され、ＢＡＴ２０が充電される。前記余剰電力は、余剰の程度に応じて、高圧補機３５（ＦＣ補機３１、空調補機３２）、及び低圧補機３３´にも供給される。

ＦＣ補機３１は、ＦＣ１８のカソード流路（不図示）に対して流路入口から酸素を含む圧縮された空気（酸化剤ガス）を加湿器（ＨＵＭ）３９を介して供給するエアポンプ（Ａ／Ｐ）３１ａと、膜含水率計３１ｂと、ＦＣ１８の冷却流路（不図示）に対して冷却媒体（冷媒）を供給するウォータポンプ（不図示）とを備える。

さらに、ＦＣ１８の外部に、ＦＣ１８のアノード流路（不図示）に対して水素（燃料ガス）を供給する水素タンク３７と、前記加湿器３９とを備える。加湿器３９は、エアポンプ３１ａから供給される酸化剤ガスと前記カソード流路の流路出口から排出されるカソードオフガスとの間で水分と温度を交換して前記流路入口から前記カソード流路に供給する前記酸化剤ガスを加湿する中空糸膜部（不図示）を含む。なお、水素と酸化剤ガスをそれぞれ反応ガスという。

ＦＣ１８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。）を積層したスタック構造を有し、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が、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（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）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前記酸化剤ガス（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、すなわち膜含水率（膜湿度）Ｚｍ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。なお、発電期間中、膜含水率Ｚｍを所定範囲に保持するため、加湿器３９は、前記中空糸膜部を通じて前記酸化剤ガスを加湿すると共に、加湿した前記酸化剤ガスと、Ａ／Ｐ３１ａから前記中空糸膜部をバイパスして供給される乾燥された前記酸化剤ガスとを混合して前記カソード電極に供給している。混合比を調整することで膜含水率Ｚｍを調整できる。

膜含水率Ｚｍは、該膜含水率Ｚｍと一意に対応する前記電解質膜のインピーダンスを測定する膜含水率計３１ｂによって計測される。膜含水率Ｚｍは、前記電解質膜の前記インピーダンスが所定値範囲内になるように前記加湿器３９のバイパス量等を制御することで管理・調整される。

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次電池等を利用することができる。蓄電装置としてキャパシタを利用することもできる。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。ＢＡＴ２０は、ＢＡＴ電圧（バッテリ電圧）Ｖｂａｔ、ＢＡＴ電流（バッテリ電流）Ｉｂ（放電電流Ｉｂｄ、充電電流Ｉｂｃ）、ＢＡＴ温度（バッテリ温度）、及びＢＡＴ２０の残容量であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）がＥＣＵ２４により検出乃至管理される。

上記したように、ＦＣ１８のＦＣ電力Ｐｆｃは、ＦＣ電圧ＶｆｃがＳＵＣ２１を介して負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧されＩＮＶ１６を通じて駆動モータ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、ＦＣ１８からＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２を通じて１次側１ｓｂの各機器（高圧補機３５、低圧補機３３´、ＢＡＴ２０）に分配される。

一方、ＢＡＴ２０のＢＡＴ放電電力Ｐｂａｔｄは、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＳＵＤＣ２２を通じて負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧され、ＩＮＶ１６を通じて駆動モータ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１次側１ｓｂの各機器である高圧補機３５（ＦＣ補機３１、空調補機３２）、及び低圧補機３３´（ＳＤＣ２３、ＥＣＵ２４、低圧補機３３）に供給される。

ここで、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３は、種々の構成を採用できるが、公知のように、基本的には、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、ダイオードと、リアクトルと、コンデンサ（平滑コンデンサも含む）とから構成され、接続される負荷の要求電力に基づきＥＣＵ２４により前記スイッチング素子がオン・オフスイッチング制御（デューティ制御）される。

具体的には、図２に示すように、ＳＵＣ２１は、リアクトル（インダクタ）２１ａと、スイッチング素子２１ｂとダイオード２１ｃ（単方向電流通過素子、逆方向電流阻止素子）と、１次側１ｓｆ間に配置される平滑コンデンサＣ１ｆと、２次側２ｓ間に配置される平滑コンデンサＣ２ｆとから構成され、コンバータ制御器として機能する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電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。

なお、デューティ（駆動デューティ）が０［％］とされて、スイッチング素子２１ｂがオフ状態（開状態）に維持されると、リアクトル２１ａとダイオード２１ｃを通じてＦＣ１８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、ＦＣ電圧Ｖｆｃが負荷端電圧Ｖｉｎｖに直結される（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ−Ｖｄ≒Ｖｆｃ、Ｖｄ＜＜Ｖｆｃ、Ｖｄ：ダイオード２１ｃの順方向降下電圧）。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、ＳＵＣ２１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。

一方、ＳＵＤＣ２２は、図２に示すように、リアクトル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、１次側１ｓｂ間に配置される平滑コンデンサＣ１ｂと、２次側２ｓ間に配置される平滑コンデンサＣ２ｂ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ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ（蓄電装置電圧）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、スイッチング素子２２ｄがオフ状態であるときにダイオード２２ｃがフライホイールダイオードとして機能し、負荷端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔまで降圧される（回生充電時及び／又はＦＣ１８による充電時）。

また、スイッチング素子２２ｂをデューティが０［％］でのオフ状態、スイッチング素子２２ｄをデューティが１００［％］での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ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが負荷端電圧Ｖｉｎｖになる（Ｖｂａｔ≒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、「Ｖｂａｔ−ダイオード２２ｅの順方向降下電圧」となり、充電時（回生充電時含む）の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｂａｔ＝Ｖｉｎｖ−スイッチング素子２２ｄのオン電圧＝Ｖｂａｔ（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、図３に示すように、低電圧側と高電圧側との間に接続されるスイッチング素子２１ｂ、２２ｂ、２２ｄには、上述したＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等の電力素子が用いられる。

また、ＦＣシステム１２において、それぞれ図示はしないが、ＳＵＣ２１の直結時（ＦＣ１８の直結時と同意）、又はＳＵＤＣ２２の直結時（力行時）（ＢＡＴ２０の直結時と同意）におけるＳＵＣ２１又はＳＵＤＣ２２の直流電圧降下を低減するために、ＳＵＣ２１の１次側１ｓｆにアノード端子が接続され２次側２ｓにカソード端子が接続されたダイオード及び／又はＳＵＤＣ２２の１次側１ｓｂにアノード端子が接続され２次側２ｓにカソード端子が接続されたダイオードを設けてもよい。

ＦＣ１８は、図４のＩＶ（電流電圧）特性７０に示すように、ＦＣ電圧ＶｆｃがＦＣ開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖより低下するに従い、ＦＣ電流Ｉｆｃが増加する公知の電流電圧（ＩＶ）特性７０を有する。すなわち、ＦＣ電圧Ｖｆｃが相対的に高いＦＣ電圧ＶｆｃｈであるときのＦＣ電流Ｉｆｃｌに比較して、ＦＣ電圧Ｖｆｃが相対的に低いＦＣ電圧ＶｆｃｌであるときのＦＣ電流Ｉｆｃｈが大きな電流になる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃは、ＦＣ電流Ｉｆｃが大きくなるほど（ＦＣ電圧Ｖｆｃが低くなるほど）大きくなる。破線で示している低ストイキ状態の特性７０ｐ、７０ｑについては後述する。

ＦＣ１８のＦＣ電圧Ｖｆｃは、ＳＵＣ２１の直結時においては、昇圧状態（スイッチング状態）にあるＳＵＤＣ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｂａｔ）又は降圧状態（スイッチング状態）にあるＳＵＤＣ２２の降圧比（Ｖｂａｔ／Ｖｉｎｖ）で決定される負荷端電圧Ｖｉｎｖ｛ＳＵＤＣ２２の指令電圧（目標電圧）になる。｝により制御され、ＦＣ電圧Ｖｆｃが決定されると、ＩＶ特性７０に沿ってＦＣ電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

また、ＳＵＣ２１の昇圧時及びＳＵＤＣ２２の直結時においては、ＳＵＣ２１の１次側１ｓｆの電圧、すなわちＦＣ電圧ＶｆｃがＳＵＣ２１の指令電圧（目標電圧）とされ、ＩＶ特性７０に沿ってＦＣ電流Ｉｆｃが決定され、所望の負荷端電圧ＶｉｎｖとなるようにＳＵＣ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が決定される。

なお、この実施形態では、ＳＵＣ２１の昇圧時に、ＦＣ電圧Ｖｆｃが指令値（設定値、目標値）になるようにコンバータ制御器としてのＥＣＵ２４によりスイッチング素子２１ｂのデューティが調整されるフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御がなされているが、ＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃとの間にはＩＶ特性７０に基づく一意の関係があるのでＦＣ電流Ｉｆｃが指令値（設定値、目標値）になるようにＥＣＵ２４によりスイッチング素子２１ｂのデューティを調整するフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御をすることも可能である。

ＥＣＵ２４は、通信線６８（図２参照）を介して、駆動モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣ１８、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２、ＳＤＣ２３、ＦＣ補機３１、空調補機３２、及び低圧補機３３´等の各部を制御する。当該制御に際しては、ＥＣＵ２４のメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、各種センサ（膜含水率計３１ｂを含む図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、圧力センサ、水素濃度センサ、各種回転数センサ、及びアクセルペダルの開度センサ等）の検出値及び各種スイッチ（空調スイッチやイグニッションスイッチ等）のオンオフ情報等を用いる。

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）、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみから構成するのではなく、駆動モータ１４、ＦＣ１８とＦＣ補機３１、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１とＳＵＤＣ２２とＳＤＣ２３毎の複数のＥＣＵで構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣ１８の状態、ＢＡＴ２０の状態及び駆動モータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力値に基づき決定したＦＣ自動車１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷（負荷電力）から、ＦＣ１８が負担すべき負荷（負荷電力）と、ＢＡＴ２０が負担すべき負荷（負荷電力）と、回生電源（駆動モータ１４）が負担すべき負荷（負荷電力）の配分（分担）を調停しながら決定し、駆動モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣ１８、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３を制御する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣ１８、ＢＡＴ２０、負荷３０、高圧補機３５及び低圧補機３３´を含めた燃料電池自動車１０全体のエネルギ管理（エネルギマネジメント）制御を行う。

この実施形態に係る燃料電池システム１２が適用されたＦＣ自動車１０は、基本的には、以上のように構成される。

次に、ＥＣＵ２４による制御処理例について、図５のタイミングチャート及び図６のフローチャートを参照して説明する。なお、図６に示すフローチャートに係るプログラムの実行主体は、ＥＣＵ２４のＣＰＵである。

図５において、縦軸の項目は、上側から順に、駆動モータ１４のモータ電力Ｐｍ［ｋＷ］、電圧低下判断フラグＦｌｏｗ、ＢＡＴ２０の残容量であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）［％］、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ［Ｖ］、膜含水率Ｚｍ［％］、及びＦＣ電圧Ｖｆｃ［Ｖ］を示し、各波形はそれぞれの時間変化を示している。

ただし、図５では、理解の便宜のために、ＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの電圧低下処理に関連するＳＯＣの波形とＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの波形と、ＦＣ１８のＦＣ電圧Ｖｆｃの電圧低下処理に関連する膜含水率Ｚｍの波形とＦＣ電圧Ｖｆｃの波形と、を同一時間軸上に描いているが、実際には、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの電圧低下処理とＦＣ電圧Ｖｆｃの電圧低下処理は、同一時間軸上では、時点ｔ２で電圧が高い方の一方に対してのみ電圧低下処理が実施されることに留意する。

つまり、時点ｔ２にてＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃより高い（Ｖｂａｔ＞Ｖｆｃ）場合には、ＳＯＣの波形とＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの波形とを参照して説明するＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの電圧低下処理が実施される一方、時点ｔ２にてＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔより高い（Ｖｆｃ＞Ｖｂａｔ）場合には、膜含水率Ｚｍの波形とＦＣ電圧Ｖｆｃの波形とを参照して説明するＦＣ電圧Ｖｆｃの電圧低下処理が実施される。

なお、図５中、実線で示す波形と一点鎖線で示す波形とを同一項目で描いている波形は、それぞれ、実線で示す波形が対策後（実施例）の波形、一点鎖線で示す波形が対策前（比較例）の波形を示している。対策後の波形を示す場合、符号の末尾に“ａ”を付け、対策前の波形を示す場合、符号の末尾に“ｂ”を付けている。

また、図５中、時点ｔ１近傍は、モータ電力Ｐｍが０［ｋＷ］以下の負の値になっており、駆動モータ１４が回生発電状態になっており、ＢＡＴ２０が回生充電されていることを示している。

そこで、図６のフローチャートのステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は、各種スイッチ及び各種センサからの入力値｛Ｖｆｃ、Ｉｆｃ、Ｖｂａｔ、Ｉｂ、Ｖｉｎｖ、Ｉ２（ＩＮＶ１６に対する入出力電流、図１、図２参照）、Ｉｍ（駆動モータ１４に流れるモータ電流、通常２相分、図２参照）、Ｎｍ（駆動モータ１４の回転数）、θｐ（図示しないアクセルペダルの操作量）等｝を検出して、駆動モータ１４に対するモータ要求電力Ｐｍｒｅｑ［ｋＷ］を算出する。

より具体的には、駆動モータ１４のモータ要求電力Ｐｍｒｅｑ[ｋＷ]が、アクセルペダルの操作量θｐに基づくモータ回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］と必要トルクＴｒｅｑ［Ｎ・ｍ］とに基づき算出される。

図７は、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑと、このモータ要求電力Ｐｍｒｅｑを実現するための最低電圧であるインバータ１６の負荷端電圧Ｖｉｎｖとしての駆動要求負荷端電圧（単に、駆動要求電圧ともいう。）Ｖｉｎｖｄ［Ｖ］との関係を表す特性７２を示している。特性７２は、予めＥＣＵ２４内の記憶装置に記憶されている。

ステップＳ１にて、さらに、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑ［ｋＷ］に基づき図７の特性７２を参照し駆動要求負荷端電圧Ｖｉｎｖｄ［Ｖ］を算出する。なお、駆動要求負荷端電圧Ｖｉｎｖｄは、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑを確保する駆動モータ１４への最小電圧であり、負荷３０の効率を優先する場合には、この駆動要求負荷端電圧Ｖｉｎｖｄより高い電圧である効率要求負荷端電圧ＶｉｎｖηをＩＮＶ１６に印加するように制御を変更してもよい。効率要求負荷端電圧Ｖｉｎｖηは、モータ回転数Ｎｍとモータトルクとに応じて予め求めておくことができる。負荷端電圧Ｖｉｎｖとして、より高電圧を印加することによりインバータ１６を通じて駆動モータ１４に流れるモータ電流Ｉｍ（負荷電流）の自乗に比例する負荷３０での電力損失を低下させることができ、結果として燃料電池システム１２のシステム効率を向上させることができる。

次いで、ステップＳ２にて、実際のモータ電力Ｐｍ（Ｐｍ＝Ｉｍ×Ｖｉｎｖ）を検出する。

さらに、ステップＳ３にて、モータ電力Ｐｍから移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎを算出する。移動平均を算出するのは、ハンチングが発生しない安定な制御を行うためである。

次に、ステップＳ４にて、移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎが、負荷３０が低負荷であると判定し、負荷端電圧Ｖｉｎｖを低下させた方が負荷損失（インバータ１６と駆動モータ１４との合計損失）Ｐｍｌｏｓｓが小さくなる閾値電力Ｐｍｔｈを下回っているか否かを判定する。

図８は、負荷端電圧Ｖｉｎｖをパラメータとしたモータ電力Ｐｍと負荷損失Ｐｍｌｏｓｓとの関係を示す特性図である。

負荷損失Ｐｍｌｏｓｓは、モータ電力Ｐｍが閾値電力Ｐｍｔｈを下回ると、低負荷端電圧Ｖｉｎｖｌｏｗ、例えば３００［Ｖ］近傍での損失特性７４が高負荷端電圧Ｖｉｎｖｈｉｇｈ、例えば５００［Ｖ］近傍での損失特性７６を下回る性質になっていることに留意する。なお、図８の横軸は、閾値電力Ｐｍｔｈに対応する閾値回転数Ｎｍｔｈを有するモータ回転数Ｎｍに代替することができる。

モータ電力Ｐｍとモータ回転数Ｎｍは、一意の関係がある。従って、負荷３０が低負荷であるとは、例えば、モータ回転数Ｎｍが０〜４０００［ｒｐｍ］の一般道等での低速走行範囲、負荷３０が高負荷であるとは、例えば、モータ回転数Ｎｍが４０００〜１００００［ｒｐｍ］の高速道等での高速走行範囲で判定することが可能である。この場合、閾値回転数Ｎｍｔｈは、概ね４０００［ｒｐｍ］に設定可能である。

ステップＳ４の判定が否定的である（ステップＳ４：ＮＯ、Ｐｍｍｅａｎ≧Ｐｍｔｈ）場合には、この実施形態の要部に係る制御は実施されない。

ステップＳ４の判定が肯定的である（ステップＳ４：ＹＥＳ、Ｐｍｍｅａｎ＜Ｐｍｔｈ）場合には、負荷３０が低負荷状態になっていると判定する。時点ｔ２にて、ステップＳ４の判定（Ｐｍｍｅａｎ＜Ｐｍｔｈ）が肯定的（ステップＳ４：ＹＥＳ）になる。

そこで次に、ステップＳ５にて、ＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの大小を判定する。

ステップＳ５にて、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ以上の高い電圧（ステップＳ５：ＮＯ、Ｖｆｃ≧Ｖｂａｔ）であると判定した場合には、ステップＳ６にて、ＦＣ電圧Ｖｆｃを一定ＦＣ電圧量（微小ＦＣ電圧量）ΔＶｆｃだけ低下させる（Ｖｆｃ←Ｖｆｃ−ΔＶｆｃ：右辺に示す現在のＦＣ電圧Ｖｆｃから一定ＦＣ電圧量ΔＶｆｃを減じたＦＣ電圧Ｖｆｃを左辺に示すＦＣ電圧Ｖｆｃにする）処理を実施する。

同一のＦＣ電流Ｉｆｃであっても、ＦＣ電圧Ｖｆｃを図４に示すように、Ｖｆｃ１、Ｖｆｃ２と低下させるためには、図４に示す標準のＩＶ特性７０を、ＩＶ特性７０ｐやＩＶ特性７０ｑに変化（低下）させることが必要である。

通常のＩＶ特性７０をＩＶ特性７０ｐやＩＶ特性７０ｑのように低下させるために、目標膜含水率Ｚｍｔａｒを、通常の目標膜含水率Ｚｍｔａｒｎｏｒｍから低い目標膜含水率Ｚｍｔａｒｌｏｗに設定し、例えば、加湿器３１ｃによる酸化剤ガスの加湿量を低減することで、対策前の実膜含水率Ｚｍｂを目標膜含水率Ｚｍｔａｒｌｏｗに対応する、対策後の実膜含水率Ｚｍａまで下げればよい。

あるいは、通常のＩＶ特性７０をＩＶ特性７０ｐやＩＶ特性７０ｑのように低下させるために、ＦＣ１８に供給する水素の量又は酸化剤ガスの量が低ストイキ状態（ストイキ比が通常ストイキ比より小さい、例えば１以上１．５未満の状態）になるように、例えば、エアポンプ３１ａの流量を少なくすることにより低下させればよい。なお、通常のＩＶ特性７０は、ストイキ比を低下させてもセル電圧が安定するように、酸素及び水素のストイキ比（供給流量÷消費流量）を１以上の適値、例えば１．５に設定しているときの特性である。

次いで、ステップＳ７にて、低下させたＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとの偏差ΔＶ（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜）を算出し、ステップＳ８にて、偏差ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜が閾値偏差ΔＶｔｈ未満の微小電圧まで偏差ΔＶが狭くなった（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖ｜＜ΔＶｔｈ）か、否かを判定する。

このようにして、ステップＳ５：ＮＯ→ステップＳ６→ステップＳ７→ステップＳ８の処理をステップＳ８の判定が肯定的（ステップＳ８：ＹＥＳ）になるまで繰り返す。

一方、ステップＳ５のＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの大小判定にて、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃより高い電圧である（ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｖｆｃ＜Ｖｂａｔ）と判定した場合には、ステップＳ９にて、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを一定ＢＡＴ電圧量（微小ＢＡＴ電圧量）ΔＶｂａｔだけ低下させる（Ｖｂａｔ←Ｖｂａｔ−ΔＶｂａｔ：右辺に示す現在のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔから一定ＢＡＴ電圧量ΔＶｂａｔを減じたＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを左辺に示すＢＡＴ電圧Ｖｂａｔにする。）処理を実施するために、ＢＡＴ２０の目標ＳＯＣｔａｒ［％］を、一定ΔＳＯＣ［％］だけ低下させる（ＳＯＣｔａｒ←ＳＯＣｔａｒ−ΔＳＯＣ）。

例えば、ＢＡＴ２０の通常の目標ＳＯＣｔａｒであるＳＯＣｔａｒ＝５０［％］を１［％］ずつ、４０［％］までの低下範囲で低下させればよい。この場合、ＢＡＴ２０のＳＯＣを強制的に低下させるためには、例えば、ＥＣＵ２４によって管理される、要求される負荷３０の電力に対するＢＡＴ２０が負担すべき負荷電力の割合をＦＣ１８が負担すべき割合より多くすればよく、それでも低下量が十分でない場合には、ＦＣ補機３１を構成するエアポンプ３１ａを空回ししたり、空調補機３２を構成するファン（不図示）を空回しすることで、ＢＡＴ２０の蓄電電力を消費させればよい。

このようにして、ステップＳ５：ＹＥＳ→ステップＳ９→ステップＳ７→ステップＳ８の処理をステップＳ８の判定が肯定的（ステップＳ８：ＹＥＳ）になるまで繰り返す。

時点ｔ３にて、ステップＳ８の判定が肯定的となった（ステップＳ８：ＹＥＳ）とき、ステップＳ１０にて、両電圧変換装置であるＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２のデューティ比を０［％］にすることで、スイッチング素子２１ｂをオフ状態に保持して、ＦＣ電圧Ｖｆｃが負荷端電圧Ｖｉｎｖになるように処理すると共に、スイッチング素子２２ｂをオフ状態（スイッチング素子２２ｄもオフ状態にするが、電流の流れる方向がＢＡＴ２０側からインバータ１６側なので、オフ状態でもオン状態でもよい。）にして、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが負荷端電圧Ｖｉｎｖになるように処理する。

すなわち、ステップＳ１０では、ＦＣ１８とＢＡＴ２０とが低電圧の状態で、両方がインバータ１６（負荷３０）に対して直結状態に制御される。

このようにこの実施形態では、インバータ１６と駆動モータ１４からなる負荷３０の電力である移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎが、低負荷とみなす閾値電力Ｐｍｔｈを連続して下回る場合、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ以上の電圧である場合には、ＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させ、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔと所定電圧差である偏差ΔＶを閾値偏差ΔＶｔｈ未満の値にして、ＳＵＣ２１（ＦＣ１８）とＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）の両方とも直結状態に制御する。これによりＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２のスイッチング損失を皆無とすることができ、燃料電池システム１２、ひいては燃料電池自動車１０の効率を向上させることができる。

あるいは、インバータ１６と駆動モータ１４からなる負荷３０の電力である移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎが、低負荷とみなす閾値電力Ｐｍｔｈを連続して下回る場合、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃ以上の電圧である場合には、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを低下させ、ＦＣ電圧Ｖｆｃと所定電圧差である偏差ΔＶを閾値偏差ΔＶｔｈ未満の値にして、ＳＵＣ２１（ＦＣ１８）とＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）の両方とも直結状態に制御する。これによりＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２のスイッチング損失を皆無とすることができ、燃料電池システム１２、ひいては燃料電池自動車１０の効率を向上させることができる。

図９Ａ〜図９Ｆは、この実施形態の適用例及び変形例を示している。

図９ＡのＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２を有する燃料電池システム１２Ａを搭載する燃料電池自動車１０Ａでは、Ｖｆｃ＞Ｖｂａｔに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、ＳＵＣ２１を直結状態、ＳＵＤＣ２２を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、ＢＡＴ２０の目標残容量ＳＯＣｔａｒを低下させ、ＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。

図９ＢのＳＵＣ２１が省略された燃料電池システム１２Ｂを搭載する燃料電池自動車１０Ｂでは、Ｖｆｃ＞Ｖｂａｔに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、ＦＣ１８を直結状態、ＳＵＤＣ２２を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された状態では、ＢＡＴ２０の目標残容量ＳＯＣｔａｒを低下させ、ＳＵＤＣ２２を直結状態とする両方直結状態で使用に供する。

図９ＣのＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２が省略された燃料電池システム１２Ｃを搭載する燃料電池自動車１０Ｃでは、低負荷状態であると判定された場合には、ＦＣ１８の目標膜含水率Ｚｍｔａｒを低下させ又は低ストイキ比として使用に供する。

図９ＤのＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２を有する燃料電池システム１２Ｄを搭載する燃料電池自動車１０Ｄでは、Ｖｂａｔ＞Ｖｆｃに設定されており、低負荷状態ではないと判定された場合には、ＳＵＤＣ２２を直結状態、ＳＵＣ２１を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、ＦＣ１８の目標膜含水率Ｚｍｔａｒを低下させ又は低ストイキ比とし、ＳＵＣ２１（ＦＣ１８）も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。

図９ＥのＳＵＤＣ２２が省略された燃料電池システム１２Ｅを搭載する燃料電池自動車１０Ｅでは、Ｖｂａｔ＞Ｖｆｃに設定されており、ＳＵＤＣ２２は省略され、低負荷状態ではないと判定された場合には、ＢＡＴ２０を直結状態、ＳＵＣ２１を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合には、ＦＣ１８の目標膜含水率Ｚｍｔａｒ又はストイキ比を低下させ、ＳＵＣ２１（ＦＣ１８）も直結状態とする両方直結状態で使用に供する。

図９Ｆのレンジエクステンダー型電気自動車１１では、エンジン（ＥＮＧ）１３で発電機（ＧＥＮ）１５を発電させ発電電圧ＶｇｅｎをＳＵＣ２１の１次側に供給し、且つＳＵＤＣ２２を昇圧状態で使用し、低負荷状態であると判定された場合、ＢＡＴ２０の目標残容量ＳＯＣｔａｒを低下させ、ＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）を直結状態として使用に供する。

［実施形態のまとめ及びさらなる変形例］
以上説明したように上述した実施形態に係るＦＣシステム１２は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを出力するＦＣ１８と、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを出力するＢＡＴ２０と、インバータ１６とインバータ１６を通じて駆動される駆動モータ１４とからなる負荷３０と、ＦＣ１８のＦＣ電圧Ｖｆｃを電圧変換（昇圧）し負荷端電圧Ｖｉｎｖとしてインバータ１６の直流端側に印加する第１電圧変換装置としてのＳＵＣ２１と、ＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを電圧変換（昇圧）し負荷端電圧Ｖｉｎｖとしてインバータ１６の前記直流端側に印加する第２電圧変換装置としてのＳＵＤＣ２２と、を備えるＦＣシステム１２の制御方法において、ＦＣシステム１２の負荷３０の要求（モータ要求電力Ｐｍｒｅｑ）に基づいて、駆動モータ１４のモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍを設定するモータ制御設定工程（ステップＳ１）と、設定されたモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍが、閾値（例えば、移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎに対応して設定される閾値電力Ｐｍｔｈ）より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程（ステップＳ４）と、低負荷と判定された（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃの中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程（ステップＳ６又はステップＳ９）と、を有する。

この実施形態によれば、負荷３０、例えばモータ電力Ｐｍが低負荷と判定された（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合に、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃの中、高い方の電圧を低下する電圧低下工程（ステップＳ６又はステップＳ９）を設けたので、負荷３０に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、ＦＣシステム１２の効率を向上させることができる。

この場合、電圧低下工程（ステップＳ６又はステップＳ９）後に、ＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２の電圧変換動作を停止して、ＦＣ１８とＢＡＴ２０を負荷３０に直結する電圧変換停止工程（ステップＳ１０）を有することが好ましい。

負荷３０が低負荷と判定（ステップＳ４：ＹＥＳ）され、低電圧を供給することで損失を低減できる領域（図８中、閾値電力Ｐｍｔｈ以下の領域）においてはＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２の電圧変換を停止する。これにより、負荷３０に低電圧を供給できて負荷損失を低減でき、さらにＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２の電圧変換によるスイッチング損失も皆無にすることができるので、燃料電池システム１２の効率を確実に向上させることができる。

この場合において、電圧低下工程（ステップＳ６又はステップＳ９）後、電圧変換停止工程（ステップＳ１０）の前に、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの電圧差である偏差ΔＶ（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜）を把握する電圧差把握工程（ステップＳ７）と、把握された偏差ΔＶ（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜）がＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２の同時停止を許容できる所定値以内（閾値偏差ΔＶｔｈ未満の微小電圧）となるように制御する電圧差制御工程（ステップＳ８：ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜＜ΔＶｔｈ）と、を実施することにより、ＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとの電圧差を小さくしてから直結するので、ＦＣ１８及びＢＡＴ２０の制御性を損なうことなく円滑に直結することができる。閾値偏差ΔＶｔｈは、予め燃料電池システム１２毎に決定しておくことができる。

なお、電圧差把握工程（ステップＳ５）で、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃに比べて高いと把握された（ステップＳ５：ＹＥＳ）場合に、電圧差制御工程（ステップＳ９）では、ＢＡＴ２０の目標ＳＯＣを低減させるように制御することで、簡便な方法でＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとの電圧差である偏差ΔＶ（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜）を小さくすることができる。

また、電圧差把握工程（ステップＳ５）で、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔに比べて高いと把握された（ステップＳ５：ＮＯ）場合に、電圧差制御工程（ステップＳ６）では、ＦＣ１８の膜含水率Ｚｍ及び又はストイキ比を低減させることで、同様に、簡便な方法でＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの電圧差である偏差ΔＶ（ΔＶ＝｜Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ｜）を小さくすることができる。

低負荷判定工程（ステップＳ４）の判定値である閾値電力Ｐｍｔｈは、インバータ１６及び駆動モータ１４の合計損失である負荷損失Ｐｍｌｏｓｓに基づいて決定することで、概ねＦＣシステム１２全体の効率が考慮されることになり、ＦＣシステム１２の効率を向上させることができる。

さらに上述した実施形態に係るＦＣシステム１２Ｂは、図９Ｂに示したように、インバータ１６とインバータ１６を通じて駆動される駆動モータ１４とからなる負荷３０と、ＦＣ電圧Ｖｆｃをインバータ１６の直流端側に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして直接印加するＦＣ１８と、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを出力するＢＡＴ２０と、ＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを電圧変換（昇圧）し負荷端電圧Ｖｉｎｖとしてインバータ１６の前記直流端側に印加する電圧変換装置としてのＳＵＤＣ２２と、を備えるＦＣシステム１２Ｂの制御方法において、ＦＣシステム１２Ｂの負荷３０の負荷要求に基づいて、駆動モータ１４のモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍを設定するモータ制御設定工程（ステップＳ１）と、設定されたモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍが、閾値（例えば、移動平均モータ電力Ｐｍｍｅａｎに対応して設定される閾値電力Ｐｍｔｈ）より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程（ステップＳ４）と、低負荷と判定された（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合に、ＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させる電圧低下工程（ステップＳ６）と、を設けたので、負荷３０に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、ＦＣシステム１２Ｂの効率を向上させることができる。

［変形例Ａ］
さらにまた上述した実施形態に係るＦＣシステム１２Ｂ（図９Ｂ）及びＦＣシステム１２Ｅ（図９Ｅ）の接続例のいずれか一方を対象として、ＦＣ電圧Ｖｆｃを出力するＦＣ１８と、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを出力するＢＡＴ２０と、インバータ１６とインバータ１６を通じて駆動される駆動モータ１４とからなる負荷３０と、ＦＣ１８のＦＣ電圧ＶｆｃもしくはＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを電圧変換し負荷端電圧Ｖｉｎｖとしてインバータ１６の直流端側に印加する一つの電圧変換装置（図９ＢのＳＵＤＣ２２もしくは図９ＥのＳＵＣ２１）と、を備える燃料電池システム１２Ｂ、１２Ｅの制御方法において、燃料電池システム１２Ｂ、１２Ｅの負荷３０の要求（モータ要求電力Ｐｍｒｅｑ）に基づいて、駆動モータ１４のモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍを設定するモータ制御設定工程と、設定されたモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍが、閾値（閾値回転数Ｎｍｔｈ、例えば、低速走行範囲の上限のモータ回転数Ｎｍである上述した４０００［ｒｐｍ］、もしくは閾値電力Ｐｍｔｈ、例えば、前記閾値回転数Ｎｍｔｈと駆動モータ１４の要求トルクとから決定される値。）より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程（類推するステップＳ４）と、低負荷と判定された場合、ＦＣ１８及びＢＡＴ２０の中、前記電圧変換装置（図９ＢのＳＵＤＣ２２もしくは図９ＥのＳＵＣ２１）を介さずにインバータ１６の直流端側に接続されているＦＣ１８（図９Ｂ）もしくはＢＡＴ２０（図９Ｅ）の電圧を低下させる電圧低下工程と、を有する。

このように図９ＢのＦＣシステム１２Ｂ及び図９ＥのＦＣシステム１２Ｅのいずれか一方を対象とする変形例Ａでは、負荷３０が低負荷と判定された場合に、ＦＣ１８及びＢＡＴ２０中、電圧変換装置（ＳＵＣ２１又はＳＵＤＣ２２）を介さずにインバータ１６の直流端側に直接接続されているＦＣ１８もしくはＢＡＴ２０の電圧を低下させる電圧低下工程を設けたので、負荷３０に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、ＦＣシステム１２Ｂ、１２Ｅの効率を向上させることができる。

［変形例Ｂ］
さらにまた上述した実施形態に係るＦＣシステム１２Ｃ（図９Ｃ）の接続例を対象として、ＦＣ電圧Ｖｆｃを出力するＦＣ１８と、インバータ１６とインバータ１６を通じて駆動される駆動モータ１４とからなる負荷３０と、を備える燃料電池システム１２Ｃの制御方法において、燃料電池システム１２Ｃの負荷３０の要求（モータ要求電力Ｐｍｒｅｑ）に基づいて、駆動モータ１４のモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍを設定するモータ制御設定工程と、設定されたモータ回転数Ｎｍもしくはモータ電力Ｐｍが、閾値（閾値回転数Ｎｍｔｈ、例えば、低速走行範囲の上限のモータ回転数Ｎｍである上述した４０００［ｒｐｍ］、もしくは閾値電力Ｐｍｔｈ、例えば、前記閾値回転数Ｎｍｔｈと駆動モータ１４の要求トルクとから決定される値。）より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程（類推するステップＳ４）と、低負荷と判定された場合、駆動モータ１４の駆動要求電圧（駆動要求負荷端電圧Ｖｉｎｖｄ）もしくはＦＣ１８の安定的な発電を行える下限電圧までＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させる電圧低下工程と、を有する。

このように図９ＣのＦＣシステム１２Ｃを対象とする変形例Ｂでは、負荷３０が低負荷と判定された場合に、ＦＣ電圧Ｖｆｃを駆動モータ１４の駆動要求電圧（駆動要求負荷端電圧Ｖｉｎｖｄ）もしくはＦＣ１８の下限電圧まで低下させる電圧低下工程を設けたので、負荷３０に低電圧を供給できて負荷損失を低減することができる。この結果、ＦＣシステム１２Ｃの効率を向上させることができる。なお、ＦＣ１８の下限電圧とは、例えば、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）についての還元反応が安定的に進行する領域、いわゆる白金還元安定領域の下限電圧をいう。

また、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、１０Ａ〜１０Ｅ…燃料電池自動車（ＦＣ自動車）
１２、１２Ａ〜１２Ｅ…燃料電池システム（ＦＣシステム）
１４…駆動モータ １６…インバータ（ＩＮＶ）
１８…燃料電池（ＦＣ） ２０…蓄電装置、高電圧バッテリ（ＢＡＴ）
２１…昇圧コンバータ（昇圧器、電圧変換装置、ＳＵＣ）
２２…昇降圧コンバータ（昇降圧器、電圧変換装置、ＳＵＤＣ）
２４…ＥＣＵ

Claims (9)

1. 燃料電池電圧を出力する燃料電池と、
   蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、
   インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、
   前記燃料電池の燃料電池電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する第１電圧変換装置と、
   前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し前記負荷端電圧として前記インバータの前記直流端側に印加する第２電圧変換装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、
   設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、
   低負荷と判定された場合、前記蓄電装置電圧及び前記燃料電池電圧の中、高い方の電圧を低下させる電圧低下工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記電圧低下工程後に、前記第１及び第２電圧変換装置の電圧変換動作を停止して、前記燃料電池と前記蓄電装置を前記負荷に直結する電圧変換停止工程を有する
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記電圧低下工程後、前記電圧変換停止工程の前に、前記燃料電池電圧及び前記蓄電装置電圧の電圧差を把握する電圧差把握工程と、把握された前記電圧差が前記第１及び第２電圧変換装置の停止を許容できる所定値以内となるように制御する電圧差制御工程と、を実施する
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記電圧差把握工程で、前記蓄電装置電圧が前記燃料電池電圧に比べて高いと把握された場合に、
   前記電圧差制御工程では、前記蓄電装置のＳＯＣを低減させる
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記電圧差把握工程で、前記燃料電池電圧が前記蓄電装置電圧に比べて高いと把握された場合に、
   前記電圧差制御工程では、前記燃料電池の膜含水率及び又はストイキ比を低減させる
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記低負荷判定工程の判定値である前記閾値は、前記インバータ及び前記モータの合計損失に基づいて決定されている
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 燃料電池電圧を出力する燃料電池と、
   蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、
   インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、
   前記燃料電池の燃料電池電圧もしくは前記蓄電装置の蓄電装置電圧を電圧変換し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する電圧変換装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、
   設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、
   低負荷と判定された場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置の中、前記電圧変換装置を介さずに前記インバータの直流端側に接続されている前記燃料電池もしくは前記蓄電装置の電圧を低下させる電圧低下工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 燃料電池電圧を出力する燃料電池と、
   インバータと前記インバータを通じて駆動されるモータとからなる負荷と、
   を備える燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池システムの前記負荷の要求に基づいて、前記モータのモータ回転数もしくはモータ電力を設定するモータ制御設定工程と、
   設定された前記モータ回転数もしくは前記モータ電力が、閾値より低い低負荷であるか否かを判定する低負荷判定工程と、
   低負荷と判定された場合、前記燃料電池電圧を前記モータの駆動要求電圧もしくは前記燃料電池の下限電圧まで低下させる電圧低下工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法を実施する燃料電池自動車。

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