JP2017011883A - 燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池（ＦＣ）と蓄電装置（バッテリ）とを直列に接続可能であって、且つＦＣ電圧を昇圧可能なコンバータを備える燃料電池自動車のシステム効率を向上させる。【解決手段】高負荷時には、ＦＣ電圧Ｖｆｃをコンバータ１８により昇圧した電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔを発生する電圧源と、ＦＣ１２及びバッテリ１４の直列電源との並列的電源によりモータ負荷２８を駆動する。低負荷時には、ＦＣ１２のみでモータ負荷２８を駆動するので、バッテリ１４のＳＯＣも減らず、コンバータ１８も動かずにシステム効率が向上する。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池及び／又は蓄電装置の電力を、走行用の動力を発生するモータに供給する燃料電池自動車に関する。

特許文献１には、直列接続した燃料電池と蓄電装置に対してコンバータを並列的に接続した構成からなる電源装置により、走行用の電力を発生するモータを駆動する電気自動車が開示されている（特許文献１の図１）。

特許文献１に開示された電気自動車では、燃料電池及び／又は蓄電装置の電圧をコンバータにより昇圧してモータに印加するか、前記燃料電池と蓄電装置の直列電圧を、コンバータを停止状態にしてモータに印加するように構成されている（特許文献１の［００４６］、［００４７］）。

特開２０１３−２７１４０号公報

上記したように、特許文献１には、燃料電池と蓄電装置の直列電源からモータに電力を供給する際に、コンバータを停止状態にして電力を供給する構成としてシステム効率を高くする技術が開示されている（特許文献１の［０００９］）。

ところで、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能で、且つコンバータを備える燃料電池自動車では、さらなるシステム効率の向上が希求されており、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、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能で、且つコンバータを備える燃料電池自動車において、さらに合理的にシステム効率を向上させることを可能とする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自動車は、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷と、燃料電池と、蓄電装置と、を有する燃料電池自動車において、前記モータ負荷に対する前記燃料電池及び前記蓄電装置の接続形態を直列又は前記燃料電池単独の並列に切り替える直並列切替器と、前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときに燃料電池電圧を昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧を前記モータ負荷に印加するコンバータと、前記直並列切替器及び前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記モータ負荷が、前記燃料電池の供給可能電力以下の第１閾値電力より小さい場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記第１閾値電力より大きい場合には、前記直並列切替器を直列に切り替える。

この発明によれば、直並列切替器を設け、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷の高低に応じて、燃料電池と蓄電装置とのモータ負荷に対する直並列接続形態及びコンバータの動作状態を制御するようにしたので、合理的にシステム効率を向上させることができる。

より具体的には、燃料電池の供給可能電力によりモータ負荷が賄える範囲（モータ負荷＜第１閾値電力）では、コンバータを停止状態とし電圧変換（昇圧変換）を行わないで、同時に並列接続形態とし、モータ負荷を燃料電池単独で駆動するように構成している。モータ負荷を燃料電池単独で駆動するため、蓄電装置のＳＯＣが減少しない。また、コンバータを停止状態にして電圧変換（昇圧変換）を行わないようにしているので、システム効率が向上する。

一方、燃料電池の供給可能電力によりモータ負荷が賄えない範囲（モータ負荷＞第１閾値電力）では、燃料電池と蓄電装置を直列に接続し直列電圧をモータ負荷に印加するように構成したので、例えば、ドライバビリティを損なうことがない。

この場合、前記制御装置は、前記蓄電装置の残容量が、前記蓄電装置が継続して負荷に対する電力供給が可能である蓄電量閾値以上である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータの動作を停止状態にし、前記蓄電量閾値未満である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータを昇圧状態にするようにしてもよい。

この発明によれば、蓄電装置の残容量に余裕があるときには、直列に切り替え且つコンバータを停止状態にするので、直列であるときに、よりシステム効率を向上させることができる。蓄電装置の残容量に余裕がないときには、直列に切り替え且つコンバータを昇圧状態にするので、大きなモータ負荷に対応して駆動でき、ドライバビリティを確保できる。

また、前記制御装置は、前記モータ負荷が前記第１閾値電力より大きく、前記燃料電池及び前記蓄電装置で供給可能な電力である第２閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を直列に切り替え、且つ前記コンバータの動作を停止状態にするようにしてもよい。

この発明によれば、直列であってもコンバータを停止状態にできるときは停止状態にするのでシステム効率を向上させることができる。

さらに、前記蓄電量閾値を、該燃料電池自動車の車速が大きいほど小さくしてもよい。車速が大きいときには回生電力の回収による蓄電装置の蓄電量の増加が見込まれるため、蓄電量を減らしてでも直列且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。

さらにまた、前記蓄電量閾値を、前記蓄電装置の温度が高いほど小さくしてもよい。蓄電装置の温度が高いときには蓄電装置の充放電効率が高いため、蓄電装置を積極的に使って且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。

さらにまた、前記蓄電量閾値を、外気温が高いほど小さくしてもよい。外気温が低いときには、停止時に燃料電池内のアノード流路及び／又はカソード流路内の残留ガス等をエアポンプ駆動による空気により掃気する。一方、外気温が高いときには、外気温が低いときに必要な前記エアポンプ駆動分の蓄電装置の残容量が少なくてもよいと考えられるため、蓄電量を減らすことに弊害がなく、外気温が高いときには直列且つコンバータを停止状態にすることでシステム効率を向上させることができる。

さらにまた、前記制御装置は、前記モータ負荷が、前記第１閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を並列に切り替える前に、さらに、前記モータの回転数を検出し、該回転数が閾値回転数未満である場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記回転数が前記閾値回転数以上である場合には、前記直並列切替器を並列ではなく直列に切り替えるようにしてもよい。

モータ負荷が小さい場合でも、モータの回転数が高いときには再加速時の出力の立ち上がりが早いため、電圧を確保できるよう直列を選択することでドライバビリティを損なわないようにする。

この発明によれば、燃料電池と蓄電装置とを直列に接続可能であって、且つコンバータを備える燃料電池自動車において、直並列切替器を設け、走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷の高低に応じて、燃料電池と蓄電装置とのモータ負荷に対する直並列接続形態及びコンバータの動作状態を制御するようにしたので、さらに合理的にシステム効率を向上させることができる。

この発明の実施形態に係る燃料電池自動車の概略全体構成図である。 主電源スイッチがＯＮ状態での一部省略概略全体構成図である。 モータ負荷の変化に対応する電源装置の接続・動作状態を説明する表図である。 極低負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 低負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 中負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 高負荷時の電源装置の接続・動作状態の説明図である。 実施形態に係る燃料電池自動車の動作説明に供されるタイムチャートである。 実施形態に係る燃料電池自動車の動作説明に供されるフローチャートである。 変形例３の動作説明に供されるフローチャートである。 変形例４の燃料電池自動車の概略全体構成図である。

以下、この発明の実施形態に係る燃料電池自動車について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自動車１０の概略全体構成図を示している。

図１に示すように、この実施形態に係る燃料電池自動車１０は、基本的に、燃料電池（以下、ＦＣともいう。）１２と、蓄電装置（ＢＡＴ、以下バッテリともいう。）１４と、直並列切替器１６と、コンバータ１８と、インバータ（ＩＮＶ）２０と、モータ（Ｍ）２２と、動力伝達装置２４と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという。）２６と、を備える。

バッテリ１４には、バッテリコンタクタ１０１の一端側が接続され、ＦＣ１２にはＦＣコンタクタ１０２の一端側が接続されている。ＦＣコンタクタ１０２の他端側には、エアポンプ等の補機（ＡＵＸ）１０３が接続されている。

バッテリコンタクタ１０１とＦＣコンタクタ１０２は、図示しない主電源スイッチ（内燃機関自動車のイグニッションスイッチに対応する。）をＯＮ又はＯＦＦすることに対応してＯＮ状態（閉状態：一端側と他端側の接続状態）又はＯＦＦ状態（開状態：一端側と他端側の非接続状態）に切り替えられる。

以降、基本的には、主電源スイッチがＯＮ状態（閉状態）になっていてバッテリコンタクタ１０１とＦＣコンタクタ１０２とが共にＯＮ状態（閉状態）になっているものとして、燃料電池自動車１０の構成を説明する。

燃料電池自動車１０を構成する、インバータ２０とモータ２２と動力伝達装置２４とを併せてモータ負荷２８といい、モータ負荷２８で消費される電力を、参照符号を変えて、モータ負荷（モータ要求電力又はモータ必要電力）Ｐｍ［ｋＷ］という。また、ＦＣ１２と、バッテリ１４と、直並列切替器１６と、コンバータ１８と、を併せて電源装置（直流電源装置）３６という。

動力伝達装置２４は、トランスミッション３０と車輪３２とにより構成されモータ２２が発生した動力を車輪３２に伝達して燃料電池自動車１０を走行させる。

インバータ２０は、双方向の直流交流変換器であり、モータ駆動部等として機能する。インバータ２０は、モータ２２の力行時に、ＦＣ１２及び／又はバッテリ１４により電源装置３６の出力端に発生した直流電圧である電源電圧Ｖｉｎｖを３相の交流電圧に変換してモータ２２に印加する。

インバータ２０は、また、モータ２２の減速時（回生時）に、モータ２２の両端に発生した交流の回生電圧を直流電圧の電源電圧Ｖｉｎｖに変換し、バッテリ１４を充電する等の機能を有する。

なお、電源電圧Ｖｉｎｖを平滑するコンデンサ３４が、電源装置３６の正極端子９１（バッテリ１４の正極端子９１ともいう。）と、電源装置３６の負極端子９４（ＦＣ１２の負極端子９４ともいう。）との間に接続されている。

ＦＣ１２、例えば、固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電セルが積層されて使用に供される。ＦＣ１２は、水素ガス及び空気がそれぞれ水素タンク（不図示）及びエアポンプ（不図示）から前記アノード電極及び前記カソード電極に供給されると電気化学的に反応し、直流の電圧（ＦＣ電圧ともいう。）Ｖｆｃを発生し直流の電流（ＦＣ電流ともいう。）Ｉｆｃを出力する。

バッテリ１４は、複数のバッテリセルを含む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次電池等の２次電池（バッテリ）を利用することができる。バッテリ１４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。

バッテリ１４は、直流の電圧（バッテリ電圧ともいう。）Ｖｂａｔを発生し直流の電流（放電電流ともいう。）Ｉｂｃを放電する。バッテリ１４は、また、直流の電流（充電電流ともいう。）Ｉｂｄを充電できる。放電電流Ｉｂｃ及び／又は充電電流Ｉｂｄを併せてバッテリ電流Ｉｂａｔという。

直並列切替器１６は、それぞれ、トランジスタ３８、４０に逆方向接続されたダイオード４２、４４を有する２つのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を並列的に備える。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の一端は共通接続されてＦＣ１２の正極端子９３に接続され、他端は、それぞれ、バッテリ１４の正極端子９１及び負極端子９２に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のスイッチング用の制御端子５３、５４は、接続線（不図示）を通じてＥＣＵ２６に接続されている。

コンバータ１８は、チョッパ型の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータであり、それぞれ、トランジスタ５８、６０に逆方向接続されたダイオード６２、６４を有するハイサイド側のスイッチング素子ＳＷ３とローサイド側のスイッチング素子ＳＷ４を備える。スイッチング素子ＳＷ３の低圧側及びスイッチング素子ＳＷ４の高圧側は共通接続されてリアクトル７４の一端に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ３の高圧側は、バッテリ１４の正極端子９１に接続され、スイッチング素子ＳＷ４の低圧側は、ＦＣ１２の負極端子９４に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４のスイッチング用の制御端子５５、５６は、接続線（不図示）を通じてＥＣＵ２６に接続されている。

リアクトル７４の他端は、バッテリ１４の負極端子９２に接続され、バッテリ１４の負極端子９２とＦＣ１２の負極端子９４との間には、平滑用等のコンデンサ８０が接続されている。

ＥＣＵ２６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が前記ＲＯＭに記録されているプログラムを読み出して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、ＥＣＵ２６は、１つのＥＣＵのみから構成するのではなく、複数のＥＣＵで構成することもできる。ＥＣＵ２６は、上記した入出力装置と、比較器と、波形発生器等からなる複数のデバイスで置き換えることもできる。

ＥＣＵ２６は、ＦＣ１２の状態、バッテリ１４の状態及びモータ２２を含むモータ負荷２８の状態の他、各種スイッチ及び各種センサ（例えば、外気温センサ８２、図示しないアクセルペダルセンサ、車速センサ、ブレーキペダルセンサ等）からの入力値に基づき決定した燃料電池自動車１０全体として電源装置３６に要求される負荷（負荷電力、この実施形態では、理解の便宜のためにモータ負荷Ｐｍのみとする。）に基づきＦＣ１２の発電電力、バッテリ１４の充放電電力、直並列切替器１６の切替制御、コンバータ１８の昇圧乃至停止制御、インバータ２０による力行・回生制御等を行う。

すなわち、ＥＣＵ２６は、ＦＣ１２、及びバッテリ１４を含めた電源装置３６全体のエネルギ管理（エネルギマネジメント）制御を行う。

ここで、ＦＣ１２の状態とは、ＦＣ温度Ｔｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、及び発電電力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｉｆｃ×Ｉｆｃ）等をいい、バッテリ１４の状態とは、バッテリ温度Ｔｂａｔ、バッテリ電圧Ｖｂａｔ、バッテリ電流Ｉｂａｔ（放電電流Ｉｂｄと充電電流Ｉｂｃ）、及びバッテリ１４の蓄電量（残容量）であるＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）（以下、蓄電量ＳＯＣという。）等をいい、これらの状態は、ＥＣＵ２６により常時検出されて管理される。

モータ負荷２８の状態とは、モータ２２の温度（モータ温度Ｔｍ）、モータ電流Ｉｍ（力行電流Ｉｍｄと回生電流Ｉｍｒ）、及びモータ回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］等をいい、これらの状態もＥＣＵ２６により常時検出乃至管理されている。

さらに、ＥＣＵ２６は、この実施形態では、車輪速を車速Ｖｓとして常時検出している。また、外気温Ｔａを外気温センサ８２により常時検出している。

この実施形態に係る燃料電池自動車１０は、基本的には、以上のように構成される。

次に、この燃料電池自動車１０のＥＣＵ２６による制御処理例動作について、以下の（１）、（２）、（３）の順で説明する。
（１）モータ負荷Ｐｍと電源装置３６の接続形態との対応関係（負荷状態）の説明
（２）各負荷状態におけるスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング損失の説明
（３）フローチャートを利用した動作説明

図２は、動作説明に供される燃料電池自動車１０の概略全体構成図であり、理解の便宜のために、図１中、主電源スイッチ（不図示）の閉状態への操作に伴い閉状態となっているバッテリコンタクタ１０１及びＦＣコンタクタ１０２、並びに補機１０３を省略して描いている。

（１）モータ負荷Ｐｍと電源装置３６の接続形態との対応関係（負荷状態）の説明
図３は、モータ負荷Ｐｍの状態Ｉ〜ＩＶに対応した電源装置３６の接続形態・動作状態（直並列切替器１６の接続形態及びコンバータ１８の動作状態を含む。）を説明するための表図である。

より具体的には、モータ負荷Ｐｍ［ｋＷ］と、電源装置３６の接続形態（スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のＯＮ／ＯＦＦ状態、直並列切替モード）と、の対応関係、及びモータ負荷Ｐｍと電源装置３６の動作状態との対応関係を示す表図である。

状態Ｉは、燃料電池自動車１０の信号待ち状態等のアイドリングストップ（ＩＳ）状態等の電源装置３６の極低負荷状態を示している。この極低負荷状態でのモータ負荷Ｐｍは、ゼロ値（Ｐｍ＝０）であり、補機１０３、例えばエアポンプが低負荷状態であって、ＦＣ１２の電力により作動されている。実際上、燃料電池自動車１０のアイドルストップ時には、走行時に比較して水素の供給量及び空気の供給量を絞って少なくする。このため、ＦＣ１２の負荷は、前記空気を供給するエアポンプ等の補機１０３（図１参照）の駆動に限定して小さくなる。

この極低負荷状態（状態Ｉ）においては、図４に示すように、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、ＳＷ１：ＯＦＦ又はＯＮ（図４では、ＯＦＦ）、ＳＷ２〜ＳＷ４：ＯＦＦに切り替えられ、直並列切替器１６の切替モード（直並列切替モード）がＯＦＦ状態又は並列状態とされる。

極低負荷状態（状態Ｉ）では、ＦＣ１２から補機１０３（図１参照）にのみ電力が供給され、ＦＣ１２及びバッテリ１４からモータ負荷２８に電力が供給されることがない。この場合、ＥＣＵ２６は、モータ負荷２８のインバータ２０を構成する全てのスイッチング素子をＯＦＦ状態（デューティ＝０）にしている。なお、図４において、×印を付けた構成要素は、ＯＦＦ状態を示している（以降に説明する図５〜図７でも同じ。）。

次に、図３中の状態ＩＩは、モータ負荷２８の低負荷状態を示し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、ＳＷ１：ＯＮ、ＳＷ２〜ＳＷ４：ＯＦＦに切り替えられ、直並列切替器１６の切替モードが並列状態とされる。

このモータ負荷２８の低負荷状態（状態ＩＩ）においては、図５に示すように、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、ＦＣ１２の電力のみで賄われる。すなわち、モータ負荷２８には、より具体的には、インバータ２０の入力端（負荷入力端）には、電源電圧Ｖｉｎｖとして、ＦＣ１２のＦＣ電圧Ｖｆｃのみが印加される状態（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ）になり、ＦＣ電流Ｉｆｃが、スイッチング素子ＳＷ１を構成するダイオード４２を通じ力行電流Ｉｍｄとしてモータ負荷２８に供給される。

なお、図４に示した状態Ｉから図５に示した状態ＩＩへのアクセルペダル（不図示）等の操作による停止時からの発進時への状態の遷移時（加速時）には、バッテリ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃより高い条件（Ｖｂａｔ＞Ｖｆｃ）下に、インバータ２０を動作させる（デューティ＞０）。これにより、バッテリ１４からモータ負荷２８に対して要求されたモータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍを瞬時に供給することができ、燃料電池自動車１０は、円滑に発進できる。この場合の電流の経路は、バッテリ１４の正極端子９１から流れ出た放電電流Ｉｂｄがモータ２２の力行電流Ｉｍｄとされ、この力行電流Ｉｍｄがモータ負荷２８に供給され、モータ負荷２８からの帰路電流がダイオード６４を通じてバッテリ１４の負極端子９２に戻る。その後、状態Ｉ（図４）から状態ＩＩ（図５）に遷移させることで、遷移時に、より力強く円滑な発進加速状態を得ることができる。

次に、図３中の状態ＩＩＩは、モータ負荷Ｐｍ（モータ負荷２８）の中負荷状態を示し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が、ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ、ＳＷ３、４：ＯＦＦに切り替えられ、直並列切替器１６の切替モードは、直列状態とされる。

このモータ負荷２８の中負荷状態（状態ＩＩＩ）においては、図６に示すように、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、直列接続されたＦＣ１２及びバッテリ１４の合成電力で賄われる。すなわち、モータ負荷２８には、より具体的には、インバータ２０の入力端（負荷入力端）には、電源電圧Ｖｉｎｖとして、ＦＣ電圧Ｖｆｃとバッテリ電圧Ｖｂａｔの直列電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔが印加される状態（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）になり、ＦＣ１２の正極端子９３から流れでるＦＣ電流Ｉｆｃがバッテリ１４を通じてバッテリ電流Ｉｂａｔとなり（Ｉｆｃ＝Ｉｂａｔ）、このバッテリ電流Ｉｂａｔがモータ電流Ｉｍ（Ｉｍ＝Ｉｍｄ）としてモータ負荷２８に流れこみ、帰路電流がＦＣ電流ＩｆｃとしてＦＣ１２の負極端子９４に戻る。

最後に、図３中の状態ＩＶは、モータ負荷Ｐｍ（モータ負荷２８）の高負荷状態を示し、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が、ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ、ＳＷ３、４：ＯＮとＯＦＦのスイッチング状態（ＯＮ／ＯＦＦと標記する。）に切り替えられ、直並列切替器１６の切替モードは、直列状態とされる。

このモータ負荷２８の高負荷状態（状態ＩＶ）においては、ＥＣＵ２６を通じてコンバータ１８によりＦＣ電圧Ｖｆｃが直列電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔとなるように昇圧され、図７に示すように、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、直列接続されたＦＣ１２及びバッテリ１４の電力と、ＦＣ電圧Ｖｆｃがコンバータ１８により直列電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔに昇圧されているときのＦＣ１２の電力との合成電力により賄われる。

つまり、ＦＣ１２から流れ出るＦＣ電流Ｉｆｃを、バッテリ１４を通過して流れるＦＣ電流Ｉｆｃａ（Ｉｆｃａ＝Ｉｂａｔ）に加えて、コンバータ１８を通過して流れるＦＣ電流Ｉｆｃｂまで増加する（Ｉｆｃ＝Ｉｆｃａ＋Ｉｆｃｂ）。

この場合、モータ負荷２８には、より具体的には、インバータ２０の入力端（負荷入力端）には、電源電圧Ｖｉｎｖとして、ＦＣ電圧Ｖｆｃとバッテリ電圧Ｖｂａｔの直列電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔが印加され、且つ状態ＩＩＩより大電力でモータ負荷２８が駆動される。

（２）各負荷状態（状態Ｉ〜ＩＶ）におけるスイッチング素子ＳＷ（ＳＷ１〜ＳＷ４）のスイッチング損失Ｌｓｗ（Ｌｓｗ１〜Ｌｓｗ４）の説明
図８は、燃料電池自動車１０の動作説明に供される或る走行状態（信号待ち状態等の停止状態も含む。）でのタイムチャートである。

次に、このタイムチャートを参照して、電源装置３６の上述した動作状態をより具体的に説明するのに併せて、各動作状態におけるスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング損失Ｌｓｗ［ｋＷ］を説明する。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチング損失Ｌｓｗをそれぞれスイッチング損失Ｌｓｗ１［ｋＷ］、Ｌｓｗ２［ｋＷ］、Ｌｓｗ３［ｋＷ］、及びＬｓｗ４［ｋＷ］と標記する。この実施形態では、スイッチング損失Ｌｓｗが少ないほど、燃料電池自動車１０のシステム効率を向上させることができるものとしている。

まず、時点ｔ０から時点ｔ１の間は、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍがアイドリングストップ（ＩＳ）状態等の最も小さい極低負荷状態（状態Ｉ）になっており、図３に示したように、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、全てＯＦＦ状態にすることが可能であるので、スイッチング損失Ｌｓｗ１〜Ｌｓｗ４は、全てゼロ値（０＝Ｌｓｗ１＝Ｌｓｗ２＝Ｌｓｗ３＝Ｌｓｗ４）である。

次に、時点ｔ１から時点ｔ４の間は、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、例えば、クルーズ走行状態等の低負荷状態（状態ＩＩ）になっており、図５を参照して説明したように、スイッチング素子ＳＷ１のみがＯＮ状態で他は全てＯＦＦ状態になっており、スイッチング損失Ｌｓｗは、スイッチング素子Ｓｗ１のスイッチング損失Ｌｓｗ１のみとなる。このときのスイッチング損失Ｌｓｗ１は、略ダイオード４２の順方向電力損失であるので比較的に小さい。

次いで、時点ｔ４から時点ｔ６の間は、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、例えば、緩やかな加速状態等の中負荷状態（状態ＩＩＩ）になっており、図６を参照して説明したように、ＯＮ状態のスイッチング素子ＳＷが、スイッチング素子Ｓｗ１からスイッチング素子Ｓｗ２に切り替えられる。この中負荷状態（状態ＩＩＩ）では、低負荷状態（状態ＩＩ）よりもモータ電流Ｉｍが増加する分、スイッチング素子Ｓｗ２のスイッチング損失Ｌｓｗ２（略ダイオード４４の順方向電力損失）が増加する。

さらに、時点ｔ６から時点ｔ１１の間は、モータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが、例えば、大きな動力が必要な高速道路上の坂道走行状態等の高負荷状態（状態ＩＶ）になっており、図７を参照して説明したように、コンバータ１８が昇圧動作され、スイッチング素子Ｓｗ２、Ｓｗ３、Ｓｗ４のスイッチング損失Ｌｓｗ２、Ｌｓｗ３、Ｌｓｗ４は、モータ負荷Ｐｍが大きくなるほど大きくなる。

最後に、時点ｔ１１から時点ｔ１４の間は、上述した中負荷状態（状態ＩＩＩ）、時点ｔ１４以降は、上述した低負荷状態（状態ＩＩ）と同じであるので説明を省略する。

（３）フローチャートを利用した動作説明
図９は、ＥＣＵ２６による制御処理例の動作説明に供されるフローチャートである。フローチャートに係るプログラムの実行主体は、ＥＣＵ２６（のＣＰＵ）である。なお、理解の便宜のために、図８のタイムチャートも参照して説明する。

燃料電池自動車１０の走行中に、ＥＣＵ２６は、ステップＳ１にて、検出したモータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１（図８参照）より大きいか否かを判定する。ここで、第１閾値電力Ｐｔｈ１は、概ね低負荷状態（状態ＩＩ）と中負荷状態（状態ＩＩＩ）を切り分ける値に設定される。

モータ負荷Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１より小さい（Ｐｍ≦Ｐｔｈ１）場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、ＥＣＵ２６は、ステップＳ２にて、低負荷状態（状態ＩＩ）と判定し、スイッチング素子ＳＷ１をＯＮ状態、スイッチング素子ＳＷ２〜ＳＷ４をＯＦＦ状態にし、直並列切替器１６を並列に切り替える。

そして、ＥＣＵ２６は、ステップＳ３にて、低負荷状態（状態ＩＩ）下、モータ負荷Ｐｍに応じてＦＣ１２を制御する（Ｖｆｃ＝Ｖｉｎｖ）。

その一方、モータ負荷Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１より大きい（Ｐｍ＞Ｐｔｈ１）場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ２６は、さらに、ステップＳ４にて、バッテリ１４の残容量である蓄電量ＳＯＣが、蓄電量閾値ＳＯＣｔｈ（図８参照）より大きいか否かを判定する。ここで、蓄電量閾値ＳＯＣｔｈは、蓄電量ＳＯＣがモータ負荷Ｐｍに対応する電力を継続して供給可能な十分な残容量であるか否かを切り分けるために設定され、具体的には、例えばＳＯＣ＝４０［％］〜６０［％］程度の間の所定値に設定される。

蓄電量ＳＯＣが蓄電量閾値ＳＯＣｔｈより大きい（ＳＯＣ＞ＳＯＣｔｈ）場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ２６は、ステップＳ５にて、さらに、モータ負荷Ｐｍが上記した第１閾値電力Ｐｔｈ１より大きな値に設定される第２閾値電力Ｐｔｈ２（図８参照、Ｐｔｈ２＞Ｐｔｈ１）より大きいか否かを判定する。ここで、第２閾値電力Ｐｔｈ２は、概ね中負荷状態（状態ＩＩＩ）と高負荷状態（状態ＩＶ）を切り分ける値に設定される。

モータ負荷Ｐｍが第２閾値電力Ｐｔｈ２より小さい（Ｐｔｈ１＜Ｐｍ＜Ｐｔｈ２）場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ＥＣＵ２６は、ステップＳ６にて、中負荷状態（状態ＩＩＩ）と判定し、ステップＳ６にて、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦ状態、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にし、直並列切替器１６を直列に切り替える。

そして、ＥＣＵ２６は、ステップＳ７にて、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４をＯＦＦ状態（コンバータ１８の停止状態）にし、中負荷状態（状態ＩＩＩ）下、モータ負荷Ｐｍに応じてＦＣ１２（のＦＣ電流Ｉｆｃ）を制御する。

その一方、ステップＳ５の判定にて、モータ負荷Ｐｍが第２閾値電力Ｐｔｈ２より大きい（Ｐｍ＞Ｐｔｈ２）場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ２６は、ステップＳ８にて、直並列切替器１６を直列に切り替え、ステップＳ９にて、スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４をＯＮ／ＯＦＦに切り替える昇圧状態としてコンバータ１８を作動させ、高負荷状態（状態ＩＶ）下、モータ負荷Ｐｍに応じてＦＣ１２（のＦＣ電流Ｉｆｃ）を制御する。

なお、ステップＳ４の判定にて、蓄電量ＳＯＣが蓄電量閾値ＳＯＣｔｈより小さい（ＳＯＣ≦ＳＯＣｔｈ）場合（ステップＳ４：ＮＯ）には、ＥＣＵ２６は、ステップＳ５の判定を省略し（モータ負荷Ｐｍが第２閾値電力Ｐｔｈ２より大きいか否かに拘わらず）、ステップＳ８、ステップＳ９の処理を行う。

［実施形態のまとめ及び変形例］
以上説明したように、上述した実施形態に係る燃料電池自動車１０は、走行用の動力を発生するモータ２２を含むモータ負荷２８と、ＦＣ１２と、バッテリ１４と、直並列切替器１６と、コンバータ１８と、ＥＣＵ２６とを備える。

直並列切替器１６は、モータ負荷２８に対するＦＣ１２及びバッテリ１４の接続形態を直列又はＦＣ１２単独の並列に切り替える。

コンバータ１８は、前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときにＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧（Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）をモータ負荷２８に印加する。

ＥＣＵ２６は、モータ負荷２８が、ＦＣ１２の供給可能電力以下の第１閾値電力Ｐｔｈ１より小さい場合には、直並列切替器１６を並列（スイッチング素子ＳＷ１：ＯＦＦ又はＯＮ、スイッチング素子ＳＷ２：ＯＦＦ）に切り替え、第１閾値電力Ｐｔｈ１より大きい場合には、直並列切替器１６を直列（ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ）に切り替える。

この実施形態によれば、直並列切替器１６を設け、走行用の動力を発生するモータ２２を含むモータ負荷２８の高低に応じて、ＦＣ１２とバッテリ１４とのモータ負荷２８に対する直並列接続形態及びコンバータ１８の動作（昇圧状態）・非作動（停止状態）を制御するようにしたので、合理的にシステム効率を向上させることができる。より具体的には、ＦＣ１２の供給可能電力によりモータ負荷Ｐｍが賄える範囲（Ｐｍ＜Ｐｔｈ１）では、コンバータ１８を停止状態とし電圧変換（昇圧変換）を行わないで、同時に並列接続形態とし、モータ負荷２８をＦＣ１２単独（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ）で駆動するように構成している。

このため、低負荷時（状態ＩＩ）には、バッテリ１４の蓄電池ＳＯＣが減少しない。また、この低負荷時（状態ＩＩ）では、コンバータ１８を停止状態にして電圧変換（昇圧変換）を行わないようにしているので、システム効率が向上する。

一方、ＦＣ１２の供給可能電力によりモータ負荷Ｐｍが賄えない範囲（Ｐｍ＞Ｐｔｈ１）では、ＦＣ１２とバッテリ１４を直列に接続し直列電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔを、モータ負荷２８を構成するインバータ２０に電源電圧Ｖｉｎｖとして印加するように構成したので、ドライバビリティを損なうことがない。

より簡潔に説明すると、この実施形態に係る燃料電池自動車１０では、高負荷時（状態ＩＶ）には、ＦＣ電圧Ｖｆｃをコンバータ１８により昇圧した電圧Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔを発生する電圧源と、ＦＣ１２及びバッテリ１４の直列電源（電圧は、Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）との並列的電源によりモータ負荷２８を駆動する。低負荷時（状態ＩＩ）には、ＦＣ１２のみでモータ負荷２８を駆動するので、バッテリ１４の蓄電量ＳＯＣも減らず、コンバータ１８も動かずにシステム効率が向上する。

この場合において、ＥＣＵ２６は、バッテリ１４の蓄電量ＳＯＣが、バッテリ１４が継続してモータ負荷２８に対する電力供給が可能である蓄電量閾値ＳＯＣｔｈ以上（ＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ）である場合には、直並列切替器１６を直列（ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ）に切り替え、且つコンバータ１８の動作を停止状態（ＳＷ３、ＳＷ４：ＯＦＦ）にし、蓄電量閾値ＳＯＣｔｈ未満（ＳＯＣ＜ＳＯＣｔｈ）である場合には、直並列切替器１６を直列（ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ）に切り替え且つコンバータ１８を昇圧状態（ＳＷ３、ＳＷ４：ＯＮ／ＯＦＦ）にする。

このように、バッテリ１４の残容量である蓄電量ＳＯＣに余裕があるときには、直列に切り替え且つコンバータ１８を停止状態にするので、直列であるときに、よりシステム効率を向上させることができる。蓄電量ＳＯＣに余裕がないときには、直列に切り替え且つコンバータ１８を昇圧状態にするので、大きなモータ負荷２８に対応して駆動でき、ドライバビリティを確保できる。

また、ＥＣＵ２６は、モータ負荷Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１より大きく（Ｐｍ＞Ｐｔｈ１）、ＦＣ１２及びバッテリ１４の両方で供給可能な電力である第２閾値電力Ｐｔｈ２より小さい（Ｐｔｈ２＞Ｐｍ＞Ｐｔｈ１）場合に、直並列切替器１６を直列（ＳＷ１：ＯＦＦ、ＳＷ２：ＯＮ）に切り替え、且つコンバータ１８の動作を停止状態（ＳＷ３、ＳＷ４：ＯＦＦ）にする。

このように、直列であってもコンバータ１８を停止状態にできるときは停止状態にするのでシステム効率を向上させることができる。

［変形例１］
上述した「ステップＳ１：ＮＯ」の低負荷であるとの判定に関し、ＥＣＵ２６は、検出したモータ負荷（モータ要求電力）Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１より小さくなった（Ｐｍ＜Ｐｔｈ１）ときと判定するようにしているが、この「ステップＳ１：ＮＯ」の判定は、モータ負荷Ｐｍの所定期間毎の平均値（Ｐｍｍｅａｎという。所定期間の移動平均値でもよい。）が第１閾値電力Ｐｔｈ１より低下したときと判定するように変更してもよい。モータ負荷Ｐｍの平均値Ｐｍｍｅａｎ、すなわちモータ平均負荷で判定することにより制御のハンチングの発生を防止することができる。

なお、制御のハンチングの発生を防止する観点からは、「ステップＳ１：ＮＯ」の判定は、モータ負荷Ｐｍが第１閾値電力Ｐｔｈ１よりも低下（Ｐｍ≦Ｐｔｈ１、ステップＳ１：ＮＯ）してから一定時間が経過したときに「ステップＳ１：ＮＯ」（Ｐｍ≦Ｐｔｈ１）が成立したと判定するように変更してもよい。

［変形例２］
上述したステップＳ４では、蓄電量ＳＯＣが蓄電量閾値ＳＯＣｔｈより大きいか否かにより判定しているが、この蓄電量閾値ＳＯＣｔｈを以下に説明する所定条件（条件Ａ、Ｂ、Ｃ）下で小さくすることにより、ステップＳ４の判定を成立し易くし、結果として、ステップＳ７の接続形態直列且つコンバータ１８のＯＦＦ状態の選択の可能性が大きくなり、結果としてシステム効率を高くすることができる。

条件Ａ：蓄電量閾値ＳＯＣｔｈを、燃料電池自動車１０の車速Ｖｓが大きいほど小さくする。つまり、車速Ｖｓが大きいときには車速Ｖｓの減速時にモータ２２の回生電力の回収（充電）によるバッテリ１４の蓄電量ＳＯＣの増加が見込まれるため、蓄電量ＳＯＣを減らしてでも直並列切替器１６の接続形態を直列且つコンバータ１８を停止状態にする（ステップＳ７）ことでシステム効率を向上させることができる。

条件Ｂ：蓄電量閾値ＳＯＣｔｈを、バッテリ１４の温度（バッテリ温度Ｔｂａｔ）が高いほど小さくする。つまり、バッテリ１４の温度（バッテリ温度Ｔｂａｔ）が高いときにはバッテリ１４の充放電効率が高いため、バッテリ１４を積極的に使って且つコンバータ１８を停止状態にする（ステップＳ７）ことでシステム効率を向上させることができる。

条件Ｃ：蓄電量閾値ＳＯＣｔｈを、外気温Ｔａが高いほど小さくする。つまり、例えば、氷点下等、外気温Ｔａが低いときには、停止時にＦＣ１２内のアノード流路及び／又はカソード流路内の残留ガス等をエアポンプ駆動による空気により十分に掃気する。その一方、外気温Ｔａが高いときには、外気温Ｔａが低いときに必要な前記エアポンプ駆動分の蓄電量ＳＯＣが少なくてもよいと考えられるため、蓄電量ＳＯＣを減らすことに弊害がなく、直並列切替器１６の接続形態を直列且つコンバータ１８を停止状態にする（ステップＳ７）ことでシステム効率を向上させることができる。

［変形例３］
図１０は、変形例３の動作説明に供されるフローチャートである。上述した図９のフローチャートのステップＳ１の判定では、モータ負荷Ｐｍが、例えば、クルーズ走行時等の低負荷走行時（Ｐｍ≦Ｐｔｈ１、ステップＳ１：ＮＯ）には、一律に、直並列切替器１６を並列に切り替え（ステップＳ２）、低負荷状態（状態ＩＩ）下、モータ負荷Ｐｍに応じてＦＣ１２を制御する（ステップＳ３）ようにしている。

しかしながら、この図１０の変形例３のフローチャートでは、ステップＳ１ａにて、モータ負荷Ｐｍが、例えば、クルーズ走行時等の低負荷走行時（Ｐｍ≦Ｐｔｈ１）であっても、さらに、検出しているモータ回転数Ｎｍと回転数閾値Ｎｍｔｈとを比較し、モータ回転数Ｎｍが回転数閾値Ｎｍｔｈより高い状態であった（ステップＳ１ａ：ＹＥＳ）場合には、高速クルーズ状態と判定し（ステップＳ１ａ：ＹＥＳ）、ステップＳ１１にて、直並列切替器１６を直列に切り替える。

そして、ＥＣＵ２６は、さらに、ステップＳ１２にて、加速操作があるか否かを判定し、加速操作がない（ステップＳ１２：ＮＯ）場合には、ステップＳ１３にて、コンバータ１８をＯＦＦ状態の停止状態に維持して処理を継続する（ここでは、ステップＳ１３→ステップＳ１ａ：ＹＥＳ→ステップＳ１２：ＹＥＳ→ステップＳ１３）。この処理の継続中に、加速操作がある（ステップＳ１２：ＹＥＳ）場合には、ステップＳ１４にて、コンバータ１８を作動させることで、既に、直列状態（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）を維持しているので（図６参照）、この加速操作に対応して、燃料電池自動車１０を、例えば、高速での加速状態（図７参照）に瞬時に遷移させることができる。

［変形例４］
さらに、この発明は、図１例の燃料電池自動車１０に適用することに限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、図１１に示すように、スイッチング素子ＳＷ１をダイオード４２のみからなるスイッチング素子Ｓｗ１ａを有する燃料電池自動車１０Ａとする等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

この場合、スイッチング素子ＳＷ２をＯＦＦ状態にすることで、ダイオード４２が導通してスイッチング素子ＳＷ１ａがＯＮ状態になり、直並列切替器１６ａが並列状態とされＦＣ１２のみによる電源装置３６（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ）になる。一方、スイッチング素子ＳＷ２をＯＮ状態にすることで、ダイオード４２が遮断してスイッチング素子ＳＷ１ａがＯＦＦ状態になり、直並列切替器１６ａが直列状態とされＦＣ１２とバッテリ１４の直列接続による電源装置３６（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）になる。

１０、１０Ａ…燃料電池自動車 １２…ＦＣ（燃料電池）
１４…バッテリ（蓄電装置） １６、１６ａ…直並列切替器
１８…コンバータ ２０…インバータ
２２…モータ ２４…動力伝達装置
２６…ＥＣＵ（電子制御ユニット） ２８…モータ負荷
３０…トランスミッション ３２…車輪
３６…電源装置

Claims (7)

1. 走行用の動力を発生するモータを含むモータ負荷と、
   燃料電池と、
   蓄電装置と、を有する燃料電池自動車において、
   前記モータ負荷に対する前記燃料電池及び前記蓄電装置の接続形態を直列又は前記燃料電池単独の並列に切り替える直並列切替器と、
   前記直列のとき若しくは前記並列のときに停止状態にされ、又は前記直列のときに燃料電池電圧を昇圧する昇圧状態にされ昇圧電圧を前記モータ負荷に印加するコンバータと、
   前記直並列切替器及び前記コンバータを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記モータ負荷が、前記燃料電池の供給可能電力以下の第１閾値電力より小さい場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記第１閾値電力より大きい場合には、前記直並列切替器を直列に切り替える
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記制御装置は、
   前記蓄電装置の残容量が、前記蓄電装置が継続して負荷に対する電力供給が可能である蓄電量閾値以上である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータの動作を停止状態にし、前記蓄電量閾値未満である場合には、前記直並列切替器を直列に切り替え且つ前記コンバータを昇圧状態にする
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池自動車において、
   前記制御装置は、
   前記モータ負荷が前記第１閾値電力より大きく、前記燃料電池及び前記蓄電装置で供給可能な電力である第２閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を直列に切り替え、且つ前記コンバータの動作を停止状態にする
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
4. 請求項２に記載の燃料電池自動車において、
   前記蓄電量閾値を、該燃料電池自動車の車速が大きいほど小さくする
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
5. 請求項２又は４に記載の燃料電池自動車において、
   前記蓄電量閾値を、前記蓄電装置の温度が高いほど小さくする
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
6. 請求項２、４又は５に記載の燃料電池自動車において、
   前記蓄電量閾値を、外気温が高いほど小さくする
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
7. 請求項１に記載の燃料電池自動車において、
   前記制御装置は、
   前記モータ負荷が、前記第１閾値電力より小さい場合に、前記直並列切替器を並列に切り替える前に、さらに、前記モータの回転数を検出し、該回転数が閾値回転数未満である場合には、前記直並列切替器を並列に切り替え、前記回転数が前記閾値回転数以上である場合には、前記直並列切替器を並列ではなく直列に切り替える
   ことを特徴とする燃料電池自動車。

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