JP2019096400A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変換装置における余分な昇圧を低減して、燃費の向上を図る。【解決手段】発明の燃料電池システムの電圧変換装置による電圧の昇圧率を制御する制御装置は、入力側電圧センサにより測定された測定入力電圧値に対応する入力側電圧センサの入力誤差値の推定値を求める。出力側電圧センサにより測定された測定出力電圧値に対応する出力側電圧センサの出力誤差値の推定値を求める。入力誤差値の推定値および出力誤差値の推定値を用いて電圧変換装置から出力される電圧のズレの推定値を求める。測定入力電圧値にズレの推定値を加算した値を電圧変換装置から出力される電圧の出力下限値とする。電圧変換装置から出力される電圧として設定された設定出力電圧値が出力下限値以下である場合には、出力下限値を新たな設定出力電圧値として設定し、出力側電圧センサで検出される電圧値が新たな設定出力電圧値となるように昇圧率を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池から出力される電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、昇圧した電圧を電力消費装置に供給する燃料電池システムが記載されている。昇圧コンバータでは、出力側電圧センサで測定される電圧値が所定の目標値となるように、入力側電圧センサで測定される電圧値に対する昇圧コンバータの電圧の昇圧率を制御している。

特開２０１３−１１０７９３号公報

昇圧コンバータは、入力電圧を昇圧する回路であるため、昇圧率≧１の状態で制御されることが要求される。しかしながら、入力側電圧センサおよび出力側電圧センサは、それぞれ、測定誤差を有している。このため、設定される燃料電池の電圧値（以下、「入力電圧値」とも呼ぶ）および設定される昇圧コンバータの出力電圧値（目標値）によっては、入力側電圧センサで測定された入力電圧値と出力側電圧センサで測定された出力電圧値との関係では昇圧率≧１となっていても、実際には昇圧率＜１の状態での制御が昇圧コンバータに要求される可能性がある。

上記問題を解決するためには、以下の手法が考えられる。すなわち、入力側電圧センサで測定された燃料電池の出力電圧（昇圧コンバータの入力電圧）の値に、入力側電圧センサの最大誤差および出力側電圧センサの最大誤差を考慮した最大のズレ値を加えた値を、出力下限値と設定し、設定される出力電圧値（目標値）を出力下限値以上に制限する手法が考えられる。この手法によれば、電圧センサの最大誤差を考慮して、昇圧コンバータにおける実際の電圧の昇圧率が昇圧率＜１となることを抑制することができる。

ここで、電圧センサの最大誤差は測定する電圧の大きさに依存し、測定する電圧値が大きいほど大きくなる特性を示す。このため、入力側電圧センサの最大誤差には、測定される入力電圧のうちの最大値における誤差が用いられ、出力側電圧センサの最大誤差には、測定される出力電圧値のうちの最大値における誤差が用いられて、最大のズレ値が設定される。

しかしながら、上記のように設定される出力下限値によって設定可能な出力電圧の下限値が制限される場合、入力電圧および出力電圧が最大値よりも小さい値であっても、常に最大のズレ値によって定める出力下限値で出力電圧の下限値が制限されるため、本来許容できる出力電圧の値よりも大きな値で制限されることになる。これにより、本来必要とする燃料よりも多く燃料を必要として、燃費が低下する場合がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは；燃料電池と；前記燃料電池が発電した電力を消費する電力消費装置と；前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池から入力された電力の電圧を昇圧して、前記電力を前記電力消費装置に出力する電圧変換装置と；前記燃料電池から前記電圧変換装置に入力される電圧を測定する入力側電圧センサと；前記電圧変換装置から前記電力消費装置に向けて出力される電圧を測定する出力側電圧センサと；前記電圧変換装置による電圧の昇圧率を制御する制御装置と；を備える。前記制御装置は；（ａ）前記入力側電圧センサにより測定された測定入力電圧値に対応する前記入力側電圧センサの入力誤差値の推定値を求め；（ｂ）前記出力側電圧センサにより測定された測定出力電圧値に対応する前記出力側電圧センサの出力誤差値の推定値を求め；（ｃ）前記入力誤差値の推定値および前記出力誤差値の推定値を用いて前記電圧変換装置から出力される電圧のズレの推定値を求め；（ｄ）前記測定入力電圧値に前記ズレの推定値を加算した値を、前記電圧変換装置から出力される電圧の出力下限値とし；（ｅ）前記電圧変換装置から出力される電圧として設定された設定出力電圧値が前記出力下限値よりも大きい場合には、前記出力側電圧センサで検出される電圧値が前記設定出力電圧値となるように前記昇圧率を制御し、前記設定出力電圧値が前記出力下限値以下である場合には、前記出力下限値を新たな設定出力電圧値として設定し、前記出力側電圧センサで検出される電圧値が前記新たな設定出力電圧値となるように前記昇圧率を制御する。
上記形態によれば、入力側電圧センサの測定入力電圧値および出力側電圧センサの測定出力電圧値に応じて変化するズレの推定値を用いて、随時、電圧変換装置の出力下限値を設定することができるので、課題で説明したように固定の最大のズレ値を用いて出力下限値を設定する場合に比べて、電圧変換装置の出力下限値を低くすることができる。これにより、余分な昇圧を抑制して昇圧損失を低減することが可能であり、燃費の向上を図ることが可能である。

本発明の形態は、燃料電池システムに限るものではなく、例えば、燃料電池システムが搭載された車両等の移動体の態様とすることも可能である。また、燃料電池システムの制御方法の態様とすることも可能である。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 燃料電池用コンバータの昇圧率を１以上の状態とする条件について示す説明図である。 ＦＤＣ制御装置による燃料電池用コンバータの昇圧率の制御中に実行される出力電圧の制限処理を示すフローチャートである。 入力側電圧センサの測定入力電圧に対する入力電圧の特性の一例を示すグラフである。 出力側電圧センサの測定出力電圧に対する出力電圧の特性の一例を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、動力を発生する駆動モータ（ＴＭ）２２０を動作させるための電力を発生させるシステムとして車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、不図示のパワースイッチのＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。

燃料電池システム１０は、燃料電池（ＦＣ）１００と、反応ガス給排系１０２と、燃料電池用コンバータ１１０と、二次電池（ＢＴ）１２０と、二次電池用コンバータ１３０と、補機１４０と、モータ用インバータ１５０と、駆動モータ（ＴＭ）２２０と、エアコンプレッサ用インバータ１６０と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）１０４と、を備える。また、燃料電池システム１０は、ＰＭ制御装置１７０と、ＦＣ制御装置１８０と、ＦＤＣ制御装置１９０と、ＭＧ制御装置２００と、を備える。また、燃料電池システム１０には、燃料電池１００と燃料電池用コンバータ１１０とを接続するＦＣ配線ＦＣＬに設けられた第１電流センサＳＡ１および第１電圧センサＳＶ１と、燃料電池用コンバータ１１０とモータ用インバータ１５０およびエアコンプレッサ用インバータ１６０とを接続する高圧配線ＨＣＬに設けられた第２電流センサＳＡ２および第２電圧センサＳＶ２と、を備える。なお、燃料電池システム１０には、図示は省略するが、その他、燃料タンクや燃料電池１００の温度、反応ガス（水素、空気）の流量や圧力、温度、冷媒の温度、冷媒の流量、各種バルブの動作状態、エアコンプレッサ１０４や水素ポンプの回転数等の動作状態、等を検出するための各種センサや、燃料電池１００のセル電圧を検出するセルモニタ等が設けられている。

燃料電池１００は、反応ガスである水素と酸素の電気化学反応によって発電するユニットであり、駆動モータ２２０の動力源として機能する。燃料電池１００は、単セルを複数積層して形成される。単セルは、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜を有する膜電極接合体の両面にガス拡散層が配された膜電極ガス拡散層接合体と、膜電極ガス拡散層接合体の両外側に配置されるセパレータと、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池１００は、種々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いている。燃料電池１００は、ＦＣ配線ＦＣＬを介して燃料電池用コンバータ１１０と電気的に接続されている。なお、燃料電池１００から出力されて燃料電池用コンバータ１１０に入力される電力は、ＦＣ配線ＦＣＬに設けられた第１電流センサＳＡ１および第１電圧センサＳＶ１で測定される電流および電圧から求められる。

反応ガス給排系１０２は、燃料電池１００のアノードに燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）である水素を供給するための燃料ガス供給部と、カソードに酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）である酸素を含む空気を燃料電池１００に供給するための酸化ガス供給部と、冷却媒体（例えば、冷却水）を燃料電池１００の冷媒流路に供給する冷媒供給部と、有する。各供給部の図示および説明は省略する。なお、エアコンプレッサ１０４は、酸化ガス供給部の一部であり、燃料電池１００のカソードに空気を供給する。

燃料電池用コンバータ１１０は、燃料電池１００の出力電圧を目標の電圧まで昇圧する昇圧動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータであり、「ＦＣ昇圧コンバータ」とも呼ばれ、単に「ＦＤＣ」とも呼ばれる。燃料電池用コンバータ１１０は、高圧配線ＨＣＬを介してモータ用インバータ１５０およびエアコンプレッサ用インバータ１６０に電気的に並列に接続されている。燃料電池用コンバータ１１０が発明の「電圧変換装置」に相当する。

モータ用インバータ１５０は、燃料電池１００および二次電池１２０から高圧配線ＨＣＬを介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換する。モータ用インバータ１５０は、車両に備えられた駆動モータ２２０と電気的に接続し、三相交流電力を駆動モータ２２０に供給する。また、モータ用インバータ１５０は、駆動モータ２２０において発生する回生電力を直流電力に変換して高圧配線ＨＣＬに出力する。エアコンプレッサ用インバータ１６０も、燃料電池１００および二次電池１２０から高圧配線ＨＣＬを介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換する。エアコンプレッサ用インバータ１６０は、エアコンプレッサ１０４と電気的に接続し、三相交流電力をエアコンプレッサ１０４に供給する。

駆動モータ２２０は、燃料電池１００および二次電池１２０からの電力が供給されて駆動する動力発生装置である。

なお、モータ用インバータ１５０および駆動モータ２２０と、エアコンプレッサ用インバータ１６０およびエアコンプレッサ１０４とは、本実施形態において、燃料電池が発電した電力を消費する「電力消費装置」として機能する。

二次電池１２０は、燃料電池１００とともに、駆動モータ２２０およびエアコンプレッサ１０４の動力源として機能する。本実施形態では、二次電池１２０は、リチウムイオン電池によって構成される。他の実施形態では、二次電池１２０は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池など他の種類の電池であってもよい。二次電池１２０は、ＢＴ配線ＢＣＬを介して、二次電池用コンバータ１３０と電気的に接続されている。

二次電池用コンバータ１３０は、昇降型のコンバータ装置であり、燃料電池用コンバータ１１０と類似の構成を有する。二次電池用コンバータ１３０は、高圧配線ＨＣＬを介して、燃料電池用コンバータ１１０とモータ用インバータ１５０およびエアコンプレッサ用インバータ１６０と電気的に並列に接続されている。二次電池用コンバータ１３０は、モータ用インバータ１５０およびエアコンプレッサ用インバータ１６０の入力電圧である高圧配線ＨＣＬにおける電圧を調整し、二次電池１２０の充放電を制御する。

二次電池用コンバータ１３０は、燃料電池用コンバータ１１０からの出力電力が目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池１２０に放電させて、二次電池１２０の出力電力を変換して高圧直流配線ＤＣＨ側に出力する。二次電池用コンバータ１３０から高圧直流配線ＤＣＨに出力された電力は、モータ用インバータ１５０およびエアコンプレッサ用インバータ１６０を介して駆動モータ２２０およびエアコンプレッサ１０４に供給される。一方、二次電池用コンバータ１３０は、駆動モータ２２０において回生電力が発生する場合には、この回生電力を変換してＢＴ配線ＢＣＬ側に出力する。また、二次電池用コンバータ１３０は、燃料電池１００の出力電力を変換してＢＴ配線ＢＣＬ側に出力する。これにより、二次電池用コンバータ１３０は、ＢＴ配線ＢＣＬに出力した電力を、二次電池１２０に充電するとともに、補機１４０に供給することができる。なお、二次電池用コンバータ１３０は、燃料電池用コンバータ１１０とは異なる構成を有していてもよい。

補機１４０は、燃料電池１００の運転に使用される補機であり、反応ガス給排系１０２の一部を構成する。補機１４０は、二次電池１２０と二次電池用コンバータ１３０とを電気的に接続するＢＴ配線ＢＣＬに接続されている。補機１４０には、例えば、燃料電池１００にアノードガスとしての水素を循環させるための水素循環ポンプ、燃料電池１００を冷却する冷却装置の冷媒ポンプ等が含まれる。

ＰＭ制御装置１７０は、燃料電池システム１０の各部の動作を制御する。ＰＭ制御装置１７０は、燃料電池システム１０の各部の動作を制御するために、ＦＣ制御装置１８０、ＦＤＣ制御装置１９０、および、ＭＧ制御装置２００等の各種制御装置の動作を統括して制御する統括制御装置である。

ＰＭ制御装置１７０は、駆動モータ２２０へ要求するＴＭ出力要求値およびエアコンプレッサ１０４へ要求するＡＣＰ出力要求値に応じて、燃料電池１００に要求するＦＣ出力要求値（電力値）、および、二次電池１２０に要求するＢＴ出力要求値(電力値）を求める。また、ＰＭ制御装置１７０は、ＦＣ出力要求値を示すＦＣ出力要求信号をＦＣ制御装置１８０に出力する。また、ＰＭ制御装置１７０は、燃料電池１００から出力されるＦＣ出力要求値に応じた電力の電圧を、駆動モータ２２０およびエアコンプレッサ１０４に供給可能な電圧の電力に変換して、燃料電池用コンバータ１１０から出力させるためのＦＤＣ制御信号をＦＤＣ制御装置１９０に出力する。また、ＰＭ制御装置１７０は、ＢＴ出力要求値に応じた電力を二次電池用コンバータ１３０から出力させるためのＢＴ制御信号をＭＧ制御装置２００に出力する。また、ＰＭ制御装置１７０は、エアコンプレッサ１０４をＦＣ出力要求値に応じて稼働させるためのＡＣＰ制御信号をＭＧ制御装置２００に出力する。また、ＰＭ制御装置１７０は、ＴＭ出力要求値（モータトルク要求値）に応じた状態で駆動モータ２２０を作動させるためのＴＭ制御信号をＭＧ制御装置２００に出力する。

ＦＣ制御装置１８０は、ＦＣ出力要求値に応じた状態で燃料電池１００の運転（発電）が実行されるように、反応ガス給排系１０２の動作を制御する。これにより、反応ガス給排系１０２は、ＦＣ出力要求値に応じた燃料電池１００への反応ガスの供給動作および燃料電池１００の冷却動作を実行する。この結果、燃料電池１００は、ＦＣ出力要求値に応じた電圧値および電流値の積で表される値の電力を出力し、燃料電池用コンバータ１１０に入力する。なお、以下では、ＦＣ出力要求値に応じた電力値に対応する電圧値および電流値のうちの電圧値を「設定入力電圧値」あるいは単に「入力電圧値」とも呼ぶ。

ＦＤＣ制御装置１９０は、第１電圧センサＳＶ１で測定された電圧値と、第２電圧センサＳＶ２で測定された電圧値とに基づいて、燃料電池用コンバータ１１０の動作を制御する。具体的には、燃料電池用コンバータ１１０から出力される電圧として第２電圧センサＳＶ２で測定された電圧値が、目標値となるように、燃料電池用コンバータ１１０の電圧昇圧率を、第１電圧センサＳＶ１で測定された電圧値と、第２電圧センサＳＶ２で測定された電圧値と、目標値とに基づいて制御する。また、ＦＤＣ制御装置１９０は、後述するように、燃料電池用コンバータ１１０の出力電圧の制限処理を実行する。ＦＤＣ制御装置１９０が発明の「制御装置」に相当する。目標値は、駆動モータ２２０へのＴＭ出力要求値およびエアコンプレッサ１０４へのＡＣＰ出力要求値要求するＴＭ出力要求値と、駆動モータ２２０およびエアコンプレッサ１０４を駆動できる電圧値と、燃料電池用コンバータ１１０が出力可能な上限電流値と、二次電池１２０の出力電圧値と、後述する出力電圧の制限処理で設定される出力下限値と、に応じて設定される電圧値である。なお、以下では、目標値を「設定出力電圧値」あるいは単に「出力電圧値」とも呼ぶ。また、第１電圧センサＳＶ１を「入力側電圧センサＳＶ１」とも呼び、第１電圧センサＳＶ１で測定された電圧値を「測定入力電圧値」とも呼ぶ。同様に、第２電圧センサＳＶ２を「出力側電圧センサＳＶ２」とも呼び、第２電圧センサＳＶ２で測定された電圧値を「測定出力電圧値」とも呼ぶ。

ＭＧ制御装置２００は、ＡＣＰ制御信号に応じてエアコンプレッサ用インバータ１６０の動作を制御し、エアコンプレッサ１０４を動作させる。また、ＭＧ制御装置２００は、ＢＴ制御信号に応じて二次電池用コンバータ１３０の動作を制御する。二次電池用コンバータ１３０は、ＢＴ出力要求値に応じた電力を高圧配線ＨＣＬに出力する。また、二次電池用コンバータ１３０は、駆動モータ２２０からモータ用インバータ１５０を介して高圧配線ＨＣＬに電力が回生される場合には、回生された電力をＢＴ配線ＢＣＬに出力する。また、ＭＧ制御装置２００は、ＴＭ制御信号に応じてモータ用インバータ１５０の動作を制御する。モータ用インバータ１５０は、ＴＭ出力要求値に応じた状態で駆動モータ２２０を作動させるための電力を駆動モータ２２０に供給する。

ＰＭ制御装置１７０、ならびに、ＰＭ制御装置１７０が統括制御するＦＣ制御装置１８０、ＦＤＣ制御装置１９０、および、ＭＧ制御装置２００は、それぞれ、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ、および、インタフェース等を有し、それぞれ、対応する装置を電子制御するコンピュータ（ＥＣＵ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。各制御装置は、メモリに記憶されているソフトウェアを実行することにより、上述したそれぞれの機能を実行する。

図２は、燃料電池用コンバータ１１０の昇圧率Ｇｕを１以上の状態とする条件について示す説明図である。Ｇｕ≧１で燃料電池用コンバータ１１０を動作させるためには、以下で説明するように、燃料電池用コンバータ１１０の出力電圧Ｖｈｔの値（以下、「出力電圧値Ｖｈｔ」とも呼ぶ）として設定される電圧指令値（以下、「設定出力電圧値」とも呼ぶ）ＶＨＳが、単純計算上、下式（１）を満たすことが要求される。
ＶＨＳ≧Ｖｆｃｍ＋ＦＣｅｒｒ＋ＶＨｅｒｒ ・・・（１）
Ｖｆｃｍは燃料電池用コンバータ１１０への入力電圧Ｖｆｃｔの値（以下、「入力電圧値Ｖｆｃｔ］とも呼ぶ）の入力側電圧センサＳＶ１による測定入力電圧値である。ＦＣｅｒｒは入力側電圧センサＳＶ１の誤差値（以下、「入力誤差値」とも呼ぶ）であり、ＶＨｅｒｒは出力側電圧センサＳＶ２の誤差値（以下、「出力誤差値」とも呼ぶ）である。

Ｇｕ≧１で燃料電池用コンバータ１１０を動作させるための条件は、入力側電圧センサＳＶ１の誤差については、燃料電池用コンバータ１１０への入力電圧値Ｖｆｃｔよりも測定入力電圧値Ｖｆｃｍが小さくなる場合の方が、入力電圧値Ｖｆｃｔよりも測定入力電圧値Ｖｆｃｍが大きくなる場合よりも厳しい条件となる。反対に、出力側電圧センサＳＶ２の誤差については、燃料電池用コンバータ１１０からの出力電圧値Ｖｈｔよりも出力側電圧センサＳＶ２により測定された出力電圧値（以下、「測定出力電圧値」とも呼ぶ）Ｖｈｍが大きくなる場合の方が、出力電圧値Ｖｈｔよりも測定出力電圧値Ｖｈｍが小さくなる場合よりも厳しい条件となる。

そこで、入力側電圧センサＳＶ１の測定入力電圧値Ｖｆｃｍは、入力電圧値Ｖｆｃｔおよび誤差値ＦＣｅｒｒ（ＦＣｅｒｒは正の実数値）により、下式（２）で表されるものとする。また、出力側電圧センサＳＶ２の測定出力電圧値Ｖｈｍは、出力電圧値Ｖｈｔおよび誤差値ＶＨｅｒｒ（ＶＨｅｒｒは正の実数値）により、下式（３）で表されるものとする。
Ｖｆｃｍ＝Ｖｆｃｔ−ＦＣｅｒｒ ・・・（２）
Ｖｈｍ＝Ｖｈｔ＋ＶＨｅｒｒ ・・・（３）

上式（１）の第１項の測定入力電圧値Ｖｆｃｍは上式（２）で表されるので、上式（１）は下式（４）で表される。
ＶＨＳ≧（Ｖｆｃｔ−ＦＣｅｒｒ）＋ＦＣｅｒｒ＋ＶＨｅｒｒ
≧Ｖｆｃｔ＋ＶＨｅｒｒ ・・・（４）

燃料電池用コンバータ１１０は、Ｖｈｍ＝ＶＨＳとなるような昇圧率Ｇｕに制御されるので、上式（４）は、上式（２）を用いて、下式（５）のように表され、下式（６）が得られる。
Ｖｈｍ＝ＶＨＳ≧Ｖｆｃｔ＋ＶＨｅｒｒ
Ｖｈｔ＋ＶＨｅｒｒ≧Ｖｆｃｔ＋ＶＨｅｒｒ ・・・（５）
Ｖｈｔ／Ｖｆｃｔ≧１ ・・・（６）

上式（６）のＶｈｔ／Ｖｆｃｔは昇圧率Ｇｕであるので、昇圧率ＧｕはＧｕ≧１となる。従って、上式（１）を満たせば、昇圧率ＧｕをＧｕ≧１の状態とすることが可能となる。

なお、入力側電圧センサＳＶ１において発生する誤差と出力側電圧センサＳＶ２において発生する誤差とは互いに独立する偶然誤差である。このため、上式（１）の入力側電圧センサＳＶ１の誤差値ＦＣｅｒｒと出力側電圧センサＳＶ２の誤差値ＶＨｅｒｒの和の部分（以下、「ズレ値」とも呼ぶ）Ｖｅｒｒは、誤差伝播の法則に則って、下式（７）に示すように、誤差値ＦＣｅｒｒおよび誤差値ＶＨｅｒｒの二乗和平方根とすることができ、上式（１）は下式（８）で表すことができる。
Ｖｅｒｒ＝√（ＦＣｅｒｒ^２＋ＶＨｅｒｒ^２） ・・・（７）
ＶＨＳ≧Ｖｆｃｍ＋√（ＦＣｅｒｒ^２＋ＶＨｅｒｒ^２） ・・・（８）

課題で説明したように、電圧センサは、測定対象の電圧値が大きくなるほど誤差が大きくなる特性を有しているので、単純には、入力電圧Ｖｆｃｔの最大値に対応する最大誤差値および出力電圧Ｖｈｔの最大値に対応する誤差値を用いて上式（７）からズレ値Ｖｅｒｒの最大値を設定し、上式（８）から設定出力電圧値ＶＨＳの下限値を設定すればよい。しかしながら、この場合、入力電圧Ｖｆｃｔおよび出力電圧Ｖｈｔが最大値より小さい電圧値であった場合でも、ズレ値Ｖｅｒｒの最大値を用いて設定出力電圧値ＶＨＳの下限値が設定されるため、燃料電池用コンバータ１１０がＧｕ≧１で動作するのに本来許容できる下限値よりも大きな電圧値で制限されることになる。そこで、本実施形態では、以下で説明するように設定出力電圧値ＶＨＳを制御することとした。

図３は、ＦＤＣ制御装置１９０による燃料電池用コンバータ１１０の昇圧率の制御中に実行される出力電圧の制限処理を示すフローチャートである。この制限処理は、ＦＤＣ制御装置１９０による燃料電池用コンバータ１１０の電圧昇圧率の制御中において、一定のサイクルで常時実行される。

まず、ステップＳ１１０において、入力側電圧センサＳＶ１により入力電圧Ｖｆｃｔ（入力電圧値Ｖｆｃｔ）を測定し、測定入力電圧値Ｖｆｃｍを取得するとともに、ステップＳ１２０において、出力側電圧センサＳＶ２により出力電圧Ｖｈｔ（出力電圧値Ｖｈｔ）を測定し、測定出力電圧値Ｖｈｍを取得する。なお、ステップＳ１１０とステップＳ１２０の順番は逆であってもよい。

そして、ステップＳ１３０では、測定入力電圧値Ｖｆｃｍにおける入力誤差の推定値ＦＣｅｒｒ（以下、単に「入力誤差値ＦＣｅｒｒ」とも呼ぶ）を求める。これは、下式（９）に従った計算を行なうことにより、求められる。
ＦＣｅｒｒ（Ｖｆｃｍ）＝Ｖｆｃｔｅ（Ｖｆｃｍ）−Ｖｆｃｔ（Ｖｆｃｍ）
＝（Ｖｆｃｍ×Ａｖ１＋Ｂｖ１）−Ｖｆｃｍ ・・・（９）
ＦＣｅｒｒ（Ｖｆｃｍ）は測定入力電圧値Ｖｆｃｍにおける入力誤差の推定値を示している。Ｖｆｃｔｅ（Ｖｆｃｍ）は、入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含む場合の測定入力電圧値Ｖｆｃｍに対する入力側電圧センサＳＶ１の測定対象である燃料電池用コンバータ１１０への入力電圧値Ｖｆｃｔを示している。Ｖｆｃｔ（Ｖｆｃｍ）は入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含まない場合の測定入力電圧値Ｖｆｃｍに対する入力側電圧センサＳＶ１の測定対象である燃料電池用コンバータ１１０への入力電圧値Ｖｆｃｔを示している。なお、以下では、ＦＣｅｒｒ（Ｖｆｃｍ）、Ｖｆｃｔｅ（Ｖｆｃｍ）、Ｖｆｃｔ（Ｖｆｃｍ）を、単にＦＣｅｒｒ、Ｖｆｃｔｅ、Ｖｆｃｔと略す場合もある。

ここで、上式（９）の第１項は、下式（１０）で示したように、入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含む場合の測定入力電圧Ｖｆｃｍに対する入力電圧Ｖｆｃｔｅの特性を示す一次近似直線式であり、第２項は、下式（１１）で示すように、入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含まない場合の測定入力電圧Ｖｆｃｍに対する入力電圧Ｖｆｃｔの特性を示す直線式である。
Ｖｆｃｔｅ（Ｖｆｃｍ）＝Ｖｆｃｍ×Ａｖ１＋Ｂｖ１ ・・・（１０）
Ｖｆｃｔ（Ｖｆｃｍ）＝Ｖｆｃｍ ・・・（１１）
Ａｖ１は、一次近似直線の傾き、Ｂｖ１は一次近似直線の切片である。

図４は、入力側電圧センサＳＶ１の測定入力電圧Ｖｆｃｍに対する入力電圧Ｖｆｃｔ，Ｖｆｃｔｅの特性の一例を示すグラフである。入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含まない場合の特性を示す上式（１１）は、図４に実線で示すように、傾きＡｖ１＝１で切片Ｂｖ１＝０の直線である。これに対して、入力側電圧センサＳＶ１が誤差を含む場合の特性を示す上式（１０）は、図４に一点鎖線で示すように、１より大きい傾きＡｖ１（Ａｖ１は正の実数）と切片Ｂｖ１（Ｂｖ１は実数）で表される一次近似直線である。なお、誤差を含む場合の一次近似直線には、図４の一点鎖線で示された一次近似直線の他に、１未満の正の傾きと切片で表される一次近似直線もある。但し、Ｇｕ≧１の動作状態を維持するための制約条件として考慮すべき誤差は、図２を用いて説明したように、入力電圧値Ｖｆｃｔｅよりも測定入力電圧値Ｖｆｃｍが小さくなる場合、すなわち、図４に示した一次近似直線の場合である。例えば、図４に示した一次近似直線の場合、Ｖｆｃｍ＝Ｖａに対して、Ｖｆｃｔｅ（Ｖａ）＝Ｖａ＋ＦＣｅｒｒ（Ｖａ）＝（Ｖａ×Ａｖ１＋Ｂｖ１）＞Ｖａとなり、入力電圧Ｖｆｃｔｅよりも測定入力電圧Ｖｆｃｍの方が小さくなる。従って、図４に示した一次近似直線から求まる入力誤差値ＦＣｅｒｒを考慮すれば良い。

なお、図３のステップＳ１３０において、上式（９）を用いて入力誤差の推定値ＦＣｅｒｒを求める際には、一次近似直線の傾きＡｖ１および切片Ｂｖ１が既知である必要がある。この傾きＡｖ１および切片Ｂｖ１については、予め、入力側電圧センサＳＶ１として用いる電圧センサについて実際に測定を行ない、その測定結果から一次近直線式を求めることにより取得することができる。取得した傾きＡｖ１および切片Ｂｖ１を、予めＦＤＣ制御装置１９０のメモリに記憶しておき、ステップＳ１３０の処理において利用すればよい。

次に、図３のステップＳ１４０では、測定出力電圧値Ｖｈｍにおける出力誤差の推定値ＶＨｅｒｒ（以下、「出力誤差値ＶＨｅｒｒ」とも呼ぶ）を求める。これは、下式（１２）に従った計算を行なうことにより、求められる。
ＶＨｅｒｒ（Ｖｈｍ）＝Ｖｈｔｅ（Ｖｈｍ）−Ｖｈｔ（Ｖｈｍ）
＝（Ｖｈｍ×Ａｖ２＋Ｂｖ２）−Ｖｈｍ ・・・（１２）
ＶＨｅｒｒ（Ｖｈｍ）は測定出力電圧値Ｖｈｍにおける出力誤差の推定値を示している。Ｖｈｔｅ（Ｖｈｍ）は、出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含む場合の測定出力電圧値Ｖｈｍに対する出力側電圧センサＳＶ２の測定対象電圧である燃料電池用コンバータ１１０からの出力電圧値Ｖｈｔを示している。Ｖｈｔ（Ｖｈｍ）は出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含まない場合の測定出力電圧値Ｖｈｍに対する出力側電圧センサＳＶ２の測定対象電圧である燃料電池用コンバータ１１０からの出力電圧値Ｖｈｔを示している。なお、以下では、ＶＨｅｒｒ（Ｖｈｍ）、Ｖｈｔｅ（Ｖｈｍ）、Ｖｈｔ（Ｖｈｍ）を、単にＶＨｅｒｒ、Ｖｈｔｅ、Ｖｈｔと略す場合もある。

ここで、上式（１２）の第１項は、下式（１３）で示したように、出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含む場合の測定出力電圧Ｖｈｍに対する出力電圧Ｖｈｔｅの特性を示す一次近似直線式であり、第２項は、下式（１４）で示すように、出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含まない場合の測定出力電圧Ｖｈｍに対する出力電圧Ｖｈｔの特性を示す直線式である。
Ｖｈｔｅ（Ｖｈｍ）＝Ｖｈｍ×Ａｖ２＋Ｂｖ２ ・・・（１３）
Ｖｈｔ（Ｖｈｍ）＝Ｖｈｍ ・・・（１４）
Ａｖ２は、一次近似直線の傾き、Ｂｖ２は一次近似直線の切片である。

図５は、出力側電圧センサＳＶ２の測定出力電圧Ｖｈｍに対する出力電圧Ｖｈｔ，Ｖｈｔｅの特性の一例を示すグラフである。出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含まない場合の特性を示す上式（１４）は、図５に実線で示すように、傾きＡｖ２＝１で切片Ｂｖ２＝０の直線である。これに対して、出力側電圧センサＳＶ２が誤差を含む場合の特性を示す上式（１３）は、図５に二点鎖線で示すように、１より小さい正の傾きＡｖ２（Ａｖ２は正の実数）と切片Ｂｖ２（Ｂｖ２は実数）で表される一次近似直線である。なお、誤差を含む場合の一次近似直線には、図５の二点鎖線で示された一次近似直線の他に、１より大きい傾きＡｖ２と切片Ｂｖ２で表される一次近似直線もある。但し、Ｇｕ≧１の動作状態を維持するための制約条件として考慮すべき誤差は、図２を用いて説明したように、出力電圧値Ｖｈｔｅよりも測定出力電圧値Ｖｈｍが大きくなる場合、すなわち、図５に示した一次近似直線の場合である。例えば、図５に示した一次近似直線の場合、Ｖｈｍ＝Ｖｂに対して、Ｖｈｔｅ（Ｖｂ）＝Ｖｂ−ＶＨｅｒｒ（Ｖａ）＝（Ｖｂ×Ａｖ２＋Ｂｖ２）＜Ｖｂとなり、出力電圧Ｖｈｔｅよりも測定出力電圧Ｖｈｍの方が大きくなる。従って、図５に示した一次近似直線から求まる出力誤差値ＶＨｅｒｒを考慮すれば良い。

なお、図３のステップＳ１４０において、上式（１２）を用いて出力誤差の推定値ＶＨｅｒｒを求める際には、一次近似直線の傾きＡｖ２および切片Ｂｖ２が既知である必要がある。この傾きＡｖ２および切片Ｂｖ２については、予め、出力側電圧センサＳＶ２として用いる電圧センサについて実際に測定を行ない、その測定結果から一次近直線式を求めることにより取得することができる。取得した傾きＡｖ２および切片Ｂｖ２を、予めＦＤＣ制御装置１９０のメモリに記憶しておき、ステップＳ１４０の処理において利用すればよい。

次に図３のステップＳ１５０では、測定入力電圧値Ｖｆｃｍおよび測定出力電圧値Ｖｈｍに対応するズレの推定値Ｖｅｒｒ（以下、単に「ズレ値Ｖｅｒｒ」とも呼ぶ）を求める。これは、下式（１５）に示すように、入力誤差値ＦＣｅｒｒおよび出力誤差値ＶＨｅｒｒの二乗和平方根の計算を行なうことにより、求められる。
Ｖｅｒｒ＝√（ＦＣｅｒｒ^２＋ＶＨｅｒｒ^２） ・・・（１５）

そして、ステップＳ１６０では、測定入力電圧値Ｖｆｃｍおよび測定出力電圧値Ｖｈｍに対応する出力下限値ＶＨＬを求める。これは、下式（１６）に示すように、測定入力電圧値Ｖｆｃｍにズレ値Ｖｅｒｒを加算することにより、求められる。
ＶＨＬ＝Ｖｆｃｍ＋Ｖｅｒｒ ・・・（１６）

そして、ステップＳ１７０では、現在の設定出力電圧値ＶＨＳが出力下限値ＶＨＬより大きいか否か判断する。ＶＨＳ＞ＶＨＬの場合には（ステップＳ１７０：ＹＥＳ）、Ｇｕ＞１で動作すると考えられるので、現在の設定出力電圧値ＶＨＳの状態を維持して（ステップＳ１８０ａ）、燃料電池用コンバータ１１０による昇圧動作を行なわせる。これに対して、ＶＨＳ≦ＶＨＬの場合には（ステップＳ１７０：ＮＯ）、Ｇｕ≦１で動作すると考えられるので、出力下限値ＶＨＬを新たな設定出力電圧値ＶＨＳとして設定し（ステップＳ１８０ｂ）、燃料電池用コンバータ１１０による昇圧動作を行なわせる。

以上説明したように、本実施形態では、設定出力電圧値ＶＨＳに応じて出力電圧値Ｖｈｔが出力されるように、燃料電池用コンバータ１１０において燃料電池１００からの入力電圧Ｖｆｃｔを昇圧している。そして、この昇圧動作における燃料電池用コンバータ１１０の昇圧率Ｇｕが１未満とならないように、設定出力電圧値ＶＨＳとして設定できる電圧値（指令値）を出力下限値ＶＨＬ以上に制限している。また、測定入力電圧値Ｖｆｃｍおよび測定出力電圧値Ｖｈｍに応じて随時変化する入力側電圧センサＳＶ１の誤差の推定値および出力側電圧センサＳＶ２の誤差の推定値を用いて、出力下限値ＶＨＬを設定している。これにより、入力電圧値Ｖｆｃｔおよび出力電圧値Ｖｈｔとして取り得る最大値における入力側電圧センサＳＶ１の最大誤差値および出力側電圧センサＳＶ２の最大誤差値を用いて、出力下限値ＶＨＬを設定する場合に比べて、出力下限値ＶＨＬを低く設定することができ、昇圧損失を低減することができるので、燃費を向上させることが可能となる。

Ｂ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。

（１）上記実施形態では、測定入力電圧値Ｖｆｃｍに対応する入力側電圧センサＳＶ１の入力誤差値ＦＣｅｒｒを、上式（９）に示した計算式から求める場合を例として説明したが、あらかじめ測定入力電圧値Ｖｆｃｍに対応する入力誤差値ＦＣｅｒｒをマップ等の形式でメモリに記憶しておき、測定入力電圧値Ｖｆｃｍに対応する入力誤差値ＦＣｅｒｒを、マップ等から取得するようにしてもよい。測定出力電圧値Ｖｈｍに対応する出力側電圧センサＳＶ２の出力誤差値ＶＨｅｒｒについても、同様である。

（２）上記実施形態では、二次電池用コンバータ１３０、モータ用インバータ１５０、および、エアコンプレッサ用インバータ１６０は、ＭＧ制御装置２００で制御されるものとしているが、それぞれ独立した制御装置で制御されるようにしてもよい。また、制御装置１８０，１９０，２００は、ＰＭ制御装置１７０に含まれる構成としてもよい。

（３）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（駆動モータ）の動力源とする船舶、飛行機などの種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。すなわち、種々の電力消費装置を負荷とする種々の燃料電池システムに適用可能である。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池（ＦＣ）
１０２…反応ガス給排系
１０４…エアコンプレッサ（ＡＣＰ）
１１０…燃料電池用コンバータ
１２０…二次電池（ＢＴ）
１３０…二次電池用コンバータ
１４０…補機
１５０…モータ用インバータ
１６０…エアコンプレッサ用インバータ
１７０…ＰＭ制御装置
１８０…ＦＣ制御装置
１９０…ＦＤＣ制御装置
２００…ＭＧ制御装置
２２０…駆動モータ（ＴＭ）
ＦＣＬ…ＦＣ配線
ＨＣＬ…高圧配線
ＢＣＬ…ＢＴ配線
ＳＡ１…第１電流センサ
ＳＶ１…第１電圧センサ（入力側電圧センサ）
ＳＡ２…第２電流センサ
ＳＶ２…第２電圧センサ（出力側電圧センサ）

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池が発電した電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置され、前記燃料電池から入力された電力の電圧を昇圧して、前記電力を前記電力消費装置に出力する電圧変換装置と、
   前記燃料電池から前記電圧変換装置に入力される電圧を測定する入力側電圧センサと、
   前記電圧変換装置から前記電力消費装置に向けて出力される電圧を測定する出力側電圧センサと、
   前記電圧変換装置による電圧の昇圧率を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   （ａ）前記入力側電圧センサにより測定された測定入力電圧値に対応する前記入力側電圧センサの入力誤差の推定値を求め、
   （ｂ）前記出力側電圧センサにより測定された測定出力電圧値に対応する前記出力側電圧センサの出力誤差の推定値を求め、
   （ｃ）前記入力誤差の推定値および前記出力誤差の推定値を用いて前記電圧変換装置から出力される電圧のズレの推定値を求め、
   （ｄ）前記測定入力電圧値に前記ズレの推定値を加算した値を、前記電圧変換装置から出力される電圧の出力下限値とし、
   （ｅ）前記電圧変換装置から出力される電圧として設定された設定出力電圧値が前記出力下限値よりも大きい場合には、前記出力側電圧センサで検出される電圧値が前記設定出力電圧値となるように前記昇圧率を制御し、前記設定出力電圧値が前記出力下限値以下である場合には、前記出力下限値を新たな設定出力電圧値として設定し、前記出力側電圧センサで検出される電圧値が前記新たな設定出力電圧値となるように前記昇圧率を制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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