JP2019160402A - 燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両、および、燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】供給電力の増加要求に対する応答に遅れが生じることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、外部負荷からの出力要求を検出する要求検出部と;反応ガスの供給を受けて発電した電力を前記外部負荷に出力する燃料電池と;充電された電力を前記外部負荷に出力する二次電池と;(i)前記外部負荷に供給される電力において前記二次電池の出力電力が前記出力要求に応じて予め決められた割合を占めるように、前記燃料電池の出力電力と前記二次電池の出力電力とを制御する第1制御を実行し、(ii)前記第1制御の実行中に、前記第1制御では前記二次電池の出力電力が限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす前記出力要求の増加を、前記要求検出部によって検出した場合に、前記二次電池の出力電力が前記第1制御のときより低下するように制御する第2制御に切り替える制御部と;を備える。【選択図】図2

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両、および、燃料電池システムの制御方法に関する。
燃料電池システムには、燃料電池からの出力電力と、二次電池からの出力電力と、を用いて、外部負荷から要求された電力を出力するものがある。例えば、下記の特許文献1の燃料電池システムでは、燃料電池システムのシステム効率が高くなるように、燃料電池からの出力電力と、二次電池からの出力電力の配分を制御している。
特開2006−196221号公報
二次電池は、通常、そのときの温度や充電状態によって、出力できる電力の限界値が変動する。上述したような二次電池の出力電力を用いる燃料電池システムにおいては、システム効率を得るために、二次電池に、そうした限界値の電力を出力させる場合もある。二次電池がそうした限界値に近い電力を出力しているときに、外部負荷から要求される電力が増加すると、二次電池の出力電力の増加による補助が得られないため、燃料電池の出力電力の増大のみで、その要求電力の増大に対応することになる。しかしながら、この場合には、燃料電池への反応ガスの供給量を増大させるのにかかる時間などに起因して、二次電池の出力電力で補助されているときより、要求電力に対する応答時間が遅くなってしまう可能性がある。このように、燃料電池システムにおいては、二次電池の出力電力が限界値に到達してしまうと、外部負荷に供給される供給電力のさらなる増加要求に対して、二次電池の出力電力による補助が得られていたときよりも応答が遅れる可能性があるという課題があった。
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]第1の形態は、出力要求に応じた電力を外部負荷に供給する燃料電池システムとして提供される。この燃料電池システムは、前記出力要求を検出する要求検出部と;反応ガスの供給を受けて発電した電力を前記外部負荷に出力する燃料電池と;充電された電力を前記外部負荷に出力する二次電池と;(i)前記外部負荷に供給される電力において前記二次電池の出力電力が前記出力要求に応じて予め決められた割合を占めるように、前記燃料電池の出力電力と前記二次電池の出力電力とを制御する第1制御を実行し、(ii)前記第1制御の実行中に、前記第1制御では前記二次電池の出力電力が限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす前記出力要求を前記要求検出部によって検出した場合に、前記二次電池の出力電力が前記第1制御のときより低下するように、前記燃料電池の出力電力の目標値を設定する第2制御に切り替える制御部と;を備える。
この形態の燃料電池システムによれば、第1制御によって、燃料電池の出力電力に加えて、二次電池の出力電力を利用することによって高い効率で燃料電池システムを運転することが可能になる。そして、第1制御において二次電池の出力電力が、それ以上、上昇させることができない限界値に到達してしまう可能性があるような出力要求の増加を検出した場合に、第2制御に切り替えることによって、二次電池の負荷を、予め低減させておくことができる。そのため、その後、供給電力のさらなる増加が外部負荷から要求されたとしても、二次電池の出力電力が限界値に到達していることが抑制され、供給電力の増加の際に、二次電池の出力電力を用いることができない状態に陥ることが抑制される。よって、二次電池の出力電力の補助が得られずに、外部負荷への供給電力の増加要求に対する応答が、二次電池の出力電力の補助が得られているときより遅れてしまうことを抑制できる。
[2]上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第1制御の実行中に、前記要求検出部によって、前記予め決められた条件を満たす前記出力要求として、(a)前記出力要求に応じた電力が予め決められた第1閾値より大きくなる前記出力要求、または、(b)前記出力要求に応じた電力の単位時間あたりの増加量が予め決められた第2閾値より大きくなる前記出力要求の変化、の少なくとも一方を検出したときに、前記第2制御に切り替えてよい。
この形態の燃料電池システムによれば、第1制御において、二次電池の出力電力が限界値に到達してしまう可能性がある出力要求の増加を検出することができる。
[3]上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第2制御において前記二次電池の出力電力が0まで低下するように制御してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、第2制御において二次電池の負担が大きく低減される。そのため、二次電池の電池容量が小さい場合であっても、二次電池の出力電力がその限界値にまで到達してしまうことを効果的に抑制することができる。
[4]上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の運転中に、前記二次電池の出力電力の上限値を、前記二次電池の状態に応じて決定し、前記第1制御において、前記二次電池の出力電力が、前記上限値を越えないように制御してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、第1制御において、二次電池の出力電力がその限界値に到達しないように、上限値を定めることができる。よって、二次電池に、出力限界に対して余裕がある状態を保たせることができ、外部負荷に供給される供給電力の急激な増加要求などに対応できなくなることを抑制することができる。
[5]上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、前記制御部は、前記温度検出部の計測値に応じて前記上限値を決定してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の温度状態に起因して二次電池の出力電力の限界値が低下して、その限界値近傍において二次電池が出力する状態に陥ることを抑制できる。そのため、供給電力の増加要求がされたときに、二次電池の出力電力で対応できなくなることを、効果的に抑制することができる。
[6]上記形態の燃料電池システムは、さらに、前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部を備え、前記制御部は、前記二次電池の前記充電状態に応じて前記上限値を決定してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の充電量が低下して二次電池の限界値が低下しても、二次電池がその限界値近傍において出力する状態に陥ることを抑制できる。そのため、供給電力の増加要求がされたときに、二次電池の出力電力で対応できなくなることを、効果的に抑制することができる。
[7]上記形態の燃料電池システムは、前記燃料電池に前記反応ガスとして圧縮空気を供給するエアコンプレッサと;前記エアコンプレッサに供給される電力を制御する補機インバータと;を備え、前記制御部は、前記補機インバータを介して前記エアコンプレッサの回転数を制御し、前記エアコンプレッサの回転数が大きいほど前記上限値の値を大きくしてよい。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電力を増加させるときにエアコンプレッサで消費される電力が小さいと見込まれるときほど、第1制御における二次電池の出力電力に対する制限を緩和することができる。よって、第1制御において二次電池の出力電力が過度に制限されて、システム効率が低下してしまうことを抑制できる。
[8]第2の形態は、車両として提供される。この形態の車両は、上記記載の燃料電池システムを備え、前記外部負荷は、前記車両の駆動力を発生するモータを含み、前記要求検出部は、運転者による前記車両の加速要求を受け付けるアクセルを含んでよい。
この形態の車両によれば、二次電池の現時点での出力性能の限界に起因して、モータに供給される電力の増加要求に対する応答が遅れてしまうことを抑制できる。よって、運転者の操作に対してモータでのトルクの発生が遅れて、運転者に不快感を生じさせることを抑制できる。
[9]第3の形態は、燃料電池の出力電力と、二次電池の出力電力と、を用いて、出力要求に応じた電力を外部負荷に供給する燃料電池システムの制御方法として提供される。この形態の制御方法は、前記外部負荷に供給される電力において前記二次電池の出力電力が前記要求電力に応じて予め決められた割合を占めるように、前記燃料電池の出力電力と、前記二次電池の出力電力と、を制御する第1制御を実行する工程と;前記第1制御の実行中に、前記二次電池の出力電力が限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす前記出力要求の増加を検出したときに、前記二次電池の出力電力を前記第1制御のときより低下させる第2制御に切り替える工程と;を備える。
この形態の制御方法によれば、第1制御において二次電池の出力電力が限界値に到達する可能性がある場合に、第2制御によって、二次電池の負担を予め低減させることができる。よって、二次電池の出力電力が限界値に到達して、二次電池の出力電力の補助が得られなくなり、二次電池の出力電力の補助が得られているときよりも、外部負荷に供給される供給電力の増加要求に対する応答が遅れてしまうことを抑制することができる。
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成の一部について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを備える車両、および、燃料電池システムの制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを制御する制御装置、二次電池の出力を制御する方法や二次電池の制御装置、前述の制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
第1実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略ブロック図。 第1実施形態の燃料電池システムにおける運転制御のフローを示す説明図。 第1制御における要求電力と二次電池の出力電力との関係の一例を示す説明図。 二次電池の出力電力の時間変化の一例を示す説明図。 比較例の運転制御において供給電力の応答遅れが生じる例を示す説明図。 第2実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略ブロック図。 第2実施形態の燃料電池システムにおける運転制御のフローを示す説明図。 二次電池の出力電力の上限値を説明するための説明図。 第3実施形態の燃料電池システムの構成を示す概略ブロック図。 推定電力を求めるためのマップの一例を示す説明図。
1.第1実施形態:
図1は、第1実施形態における燃料電池システム10Aの構成を示す概略ブロック図である。燃料電池システム10Aは、出力要求に応じた電力を外部負荷OLに供給する。第1実施形態では、燃料電池システム10Aは、モータMTが発生する駆動力によって走行する車両100に搭載される。モータMTは、燃料電池システム10Aが電力を供給する外部負荷OLのひとつである。第1実施形態では、モータMTは、三相交流モータによって構成される。燃料電池システム10Aは、要求検出部11と、制御部15と、燃料電池20と、二次電池30と、を備える。
要求検出部11は、燃料電池システム10Aに対する出力要求を受け付ける。第1実施形態では、要求検出部11は、運転者からの車両100に対する加速要求を受け付けるアクセルペダルAPを含む。運転者による操作量を表すアクセルペダルAPの開度が、燃料電池システム10Aに対する出力要求として、要求検出部11から制御部15に入力される。
要求検出部11は、運転者の操作に応じた出力要求の他に、車両100の走行を自動制御する車両100の制御ユニットからの出力要求を受け付けて、制御部15に入力するものとしてもよい。また、要求検出部11は、車両100に搭載されている電装部品や補機類において消費させる電力要求を受け付けて、外部負荷OLからの燃料電池システム10Aに対する出力要求として、制御部15に入力してもよい。なお、外部負荷OLには、燃料電池システム10Aの補機類は含まれない。
制御部15は、燃料電池システム10Aを制御する。制御部15は、後述する運転制御において、要求検出部11から入力された出力要求に応じて、燃料電池20の出力電力と、二次電池30の出力電力と、を制御する。制御部15は、それぞれに発揮する機能が異なる複数の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)によって構成される。ECUは、例えば、1つ、または、複数のプロセッサーと、主記憶装置と、を備えるコンピュータによって構成される。ECUは、種々の機能を有する複数の電子回路によって構成されてもよい。
燃料電池20は、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する。第1実施形態では、燃料電池20は、固体高分子形燃料電池によって構成される。燃料電池20としては、固体高分子形燃料電池に限定されることはなく、種々のタイプの燃料電池を採用することが可能である。燃料電池20としては、固体高分子形燃料電池に代えて、例えば、固体酸化物型燃料電池が採用されてもよい。
燃料電池システム10Aは、制御部15の制御下において燃料電池20に反応ガスを供給する反応ガス供給部を備えている(図示は省略)。第1実施形態では、反応ガス供給部の構成についての詳細な説明は省略する。
二次電池30は、例えば、リチウムイオン電池によって構成される。二次電池30は、制御部15の制御下において、充電されている電力を出力する。制御部15は、モータMTにおいて発生した回生電力や、燃料電池20において発電された電力によって二次電池30を充電する。
燃料電池システム10Aは、燃料電池20の出力電力と二次電池30の出力電力とを、車両100に搭載されているモータMTを含む外部負荷OLおよび燃料電池システム10Aの補機類に供給する。燃料電池システム10Aは、燃料電池20と二次電池30の出力電力を制御するための構成要素として、第1コンバータ51と、インバータ53と、第2コンバータ55と、を備えることが望ましい。
第1コンバータ51は、第1配線L1を介して燃料電池20と接続されている。また、第1コンバータ51は、第2配線L2を介してインバータ53と接続されている。インバータ53は、モータMTに接続されている。第2コンバータ55は、第2配線L2に接続されている。また、第2コンバータ55は、第3配線L3を介して二次電池30に接続されている。
第1コンバータ51は、昇圧コンバータによって構成される。第1コンバータ51は、第1配線L1を介して入力された燃料電池20の出力電圧を昇圧して第2配線L2に出力する。制御部15は、第1コンバータ51のデューティ比を制御して、第2配線L2の電圧を制御する。
インバータ53は、第2配線L2を介して入力される直流電流を三相交流に変換してモータMTに出力する。制御部15は、インバータ53によって、モータMTに供給される三相交流の周波数および電圧を制御し、モータMTの回転数およびモータMTによって発生するトルクを制御する。
第2コンバータ55は、昇降圧コンバータによって構成される。制御部15は、二次電池30に充電された電力をモータMTに出力するときには、第2コンバータ55に、第3配線L3の電圧を昇圧して第2配線L2へと出力させる。制御部15は、二次電池30を充電するときには、第2コンバータ55に、第2配線L2の電圧を降圧して、第3配線L3へと出力させる。
図2は、制御部15が実行する燃料電池システム10Aの運転制御のフローを示す説明図である。制御部15は、この運転制御のフローを、車両100の走行中に繰り返し実行する。
ステップS10では、制御部15は、要求検出部11を介して、燃料電池システム10Aに対する出力要求を受け付ける。制御部15は、出力要求に対して燃料電池システム10Aが出力すべき目標値である要求電力を算出する。
ステップS20は、後述する第1制御と第2制御とを切り替えるための判定処理である。ステップS20では、制御部15は、受け付けた出力要求について、第1制御で制御された場合に二次電池30の出力電力が後述する限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす出力要求であるか否かを判定する。第1実施形態では、次の第1条件と第2条件の少なくとも一方が満たされる出力要求であるか否かを判定する。
第1条件は、出力要求に応じた要求電力の大きさが、予め決められた第1閾値以上である出力要求であることである。第1条件は、アクセルペダルの開度が予め決められた閾値以上である出力要求であること、としてもよい。第2条件は、単位時間あたりの要求電力の増加量が、予め決められた第2閾値以上である出力要求であることである。第2条件は、単位時間あたりのアクセルペダルの開度の増加量が予め決められた閾値以上である出力要求であること、としてもよい。
制御部15は、第1条件と第2条件のいずれの条件も満たされなかったときには、ステップS30の第1制御を実行する。つまり、制御部15は、要求電力の大きさが予め決められた第1閾値未満であり、単位時間あたりの要求電力の増加量が予め決められた第2閾値未満であったときに、ステップS30の第1制御を実行する。
一方、制御部15は、第1条件と第2条件の少なくとも一方が満たされたときに、ステップS40の第2制御を実行する。つまり、制御部15は、要求電力の大きさが予め決められた第1閾値以上であるとき、または、単位時間あたりの要求電力の増加量が予め決められた第2閾値以上であるとき、の少なくとも一方の場合に、ステップS40の第2制御を実行する。
このように、燃料電池システム10Aでは、例えば、車両100の走行が開始されたばかりの低速の状況など、要求電力が0から増加し始める運転初期には、ステップS30の第1制御が実行される。そして、第1制御の実行中に、要求電力が閾値を超えるような加速操作がされた場合や、要求電力の単位時間あたりの増加量が閾値を超えるような急速な加速操作がされた場合には、第1制御からステップS40の第2制御に切り替えられる。
ステップS30の第1制御では、制御部15は、要求検出部11によって検出された出力要求に応じて、燃料電池20の出力電力と、二次電池30の出力電力と、を制御する。制御部15は、予め決められたマップを参照して、要求電力に対する燃料電池20の出力電力の目標値を決定する。そして、その目標値の電力を出力できるように、例えば、反応ガスの供給量を調整するなどして燃料電池20の発電を制御する。
第1制御では、燃料電池20の出力電力の目標値は、ステップS10で算出した要求電力以下の値になるように決定される。要求電力と燃料電池20の出力電力の目標値との差分に相当する電力は、二次電池30の出力電力によって補償される。また、第1制御では、反応ガスの燃料電池20に対する供給遅れなどに起因して、実際の燃料電池20の出力電力がその目標値に到達するまでに不足する電力についても、二次電池30の出力電力によって補償される。
第1制御では、燃料電池システム10Aのシステム効率が高くなるように、燃料電池システム10Aが外部負荷OLに供給する電力のうちで二次電池30の出力電力が占める割合が出力要求に応じて予め決められた値となるように制御されることが望ましい。「燃料電池システム10Aのシステム効率」は、燃料電池システム10Aにおける燃料ガスの消費量に対する燃料電池システム10Aの出力電力量の割合に相当する。上述した燃料電池20の出力電力の目標値を決定するためのマップは、そうした割合の二次電池30の出力電力の分だけ、要求電力に対して低い値の燃料電池20の出力電力の目標値が得られるように予め設定されている。
図3は、第1制御における要求電力Wrと二次電池30の出力電力Wbとの関係の一例を示す説明図である。図3の例では、要求電力Wrがwi以下であるときには、二次電池30の出力電力が0になるように、燃料電池20の出力電力の目標値が決定される。そして、要求電力Wrがwiより大きいときには、要求電力Wrが大きいほど二次電池30の出力電力Wbが増加するように、燃料電池20の出力電力の目標値が決定される。
ただし、二次電池30の出力電力Wbは、限界値Woutに到達した後は、要求電力Wrが増加しても限界値Woutを越えることはない。限界値Woutは、二次電池30が現時点において物理的に出力可能な電力の最大値であり、現在の二次電池30の状態に応じて変動する値である。限界値Woutは、例えば、二次電池30の現在の温度や、二次電池30の現在の充電残量などに応じて変動する。
なお、上述したように、ステップS20での判定条件は、出力要求が、第1制御では二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達することが見込まれる出力要求であるときに満たされるように予め決められている。このように条件が決められていれば、第1制御において、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達する前に、第1制御から以下に説明する第2制御へと切り替えられるようにすることができる。そのため、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまうことが抑制され、二次電池30からの出力電力が得られなくなる状況に陥ることを抑制できる。
ステップS40の第2制御では、制御部15は、二次電池30の出力電力が第1制御のときよりも低下するように、燃料電池20の出力電力と二次電池30の出力電力とを制御する。第1実施形態では、制御部15は、二次電池30の出力電力が0まで低下するように制御する。制御部15は、燃料電池20の出力電力の目標値を、燃料電池システム10Aに対する要求電力と等しい値に設定する。
第2制御では、要求出力の大きさやシステム効率にかかわらず、二次電池30の出力負荷が第1制御のときよりも低減され、二次電池30の余力が温存された状態となる方向に制御される。そのため、この後に、さらに要求電力が増加する指令がなされた場合でも、二次電池30の出力電力が限界値に到達し、二次電池30の出力電力による補助が得られなくなってしまうことが抑制される。
制御部15は、第1制御から第2制御に切り替わった後、要求電力がステップS20での第1条件における閾値未満であり、要求電力の単位時間あたりの増加量が第2条件における閾値未満の状態になったときには、第2制御から、再び第1制御へと切り替える。この場合、第2制御において二次電池30の負荷が低下している間に、二次電池30が充電されていることによって、二次電池30の限界値Woutが高められる。そのため、第2制御から切り替えられた後の第1制御において、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまうような状態に陥ることが抑制される。
図4は、第1制御から第2制御に切り替えられたときの二次電池30の出力電力Wbの時間変化の一例を示す説明図である。図4では、要求電力Wrの時間変化のグラフが実線で示され、それに対する二次電池30の出力電力Wbの時間変化のグラフが一点鎖線で示されている。
図4の例では、時刻t0において燃料電池システム10Aの運転制御が開始された後、時刻t1まで、第1制御が実行されて、要求電力Wrが次第に増加していくのに従って、二次電池30の出力電力Wbも増加している。そして、時刻t1において、要求電力Wrが、ステップS20での判定条件の閾値に相当するw1に到達して、第2制御に切り替えられている。
第2制御では、制御部15は、燃料電池20の出力電力の目標値を要求電力Wrに設定する。これによって、時刻t1〜t2の期間に示すように、燃料電池20の実際の出力電力が目標電力である要求電力Wrに到達するまでの間、二次電池30の出力電力Wbは0に向かって次第に低下していき、二次電池30の負荷が低減される。その後、要求電力Wrがw1より大きいw2の状態が続き、第2制御が継続されている間、二次電池30の出力電力Wbは0のままで維持され、外部負荷OLへの供給電力は、燃料電池20の出力電力によって賄われる。
時刻t3〜t4において、要求電力Wrが、さらに、w2からw3へと増加すると、制御部15は、燃料電池20の出力電力の目標値を、現在の要求電力Wrであるw3に設定する。時刻t3の直後には、燃料電池20に目標供給量の反応ガスが到達するまでの遅れ時間や、燃料電池20の発電制御に関わる補機類の応答遅れなどに起因して、燃料電池20の出力電力が、目標値であるw3に到達するまでの時間に遅れが生じる場合がある。こうした場合でも、時刻t3〜t4に示されているように、二次電池30の出力電力Wbによって、燃料電池20の出力電力の目標値と実際の燃料電池20の出力電力との差分が補償される。よって、燃料電池システム10Aは、第1制御において二次電池30の出力電力が限界値に到達していない状態のときと同じように、出力要求の増加に対して応答することができる。
このように、第1実施形態の燃料電池システム10Aによれば、第1制御では二次電池30の出力電力が限界値Woutに到達する可能性がある場合には、第1制御から第2制御に切り替わり、二次電池30に余力が温存される方向に制御される。そのため、二次電池30からの出力電力Wbの補助が得られない状態になり、出力要求に対する燃料電池システム10Aの応答が、二次電池30からの出力電力Wbの補助が得られているときよりも遅れてしまうことが抑制される。よって、車両100の運転者が加速操作したときに、二次電池30による出力電力の補助が得られないことによって、モータMTのトルクの発生が遅れてしまう事態が抑制される。これにより、要求トルクと実際のトルクとの差によって生じる、いわゆるトルクショックを、運転者が受けてしまうことが抑制される。
図5を参照して、第1実施形態の運転制御に対する比較例としての運転制御を説明する。図5は、比較例の運転制御において供給電力の増加要求に対する応答遅れが生じる例を示す説明図である。図5では、図4と同様に、要求電力Wrの時間変化のグラフが実線で示され、それに対する二次電池30の出力電力Wbの時間変化のグラフが一点鎖線で示されている。また、図5には、時刻t2以降における燃料電池システム10Aの実際の出力電力Wactの時間変化を示すグラフが破線で示されている。
この比較例では、第2制御への切り替えがおこなわれることなく、要求電力Wrの大きさにかかわらず、第1制御と同様な制御が継続して実行される。そのため、要求電力Wrがw1まで増大した時刻t1において、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達している。その後の要求電力Wrの増加にかかわらず、二次電池30の出力電力Wbは、限界値Woutのまま維持される。
時刻t2〜t3では、要求電力Wrがw1からw2まで増加する出力要求がされている。この比較例の運転制御では、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達しているため、二次電池30による出力の補助が得られない。そのため、要求電力Wrの増加分については、燃料電池20の出力電力を増大させることで対応することになる。しかしながら、燃料電池20の出力電力を増大させる場合には、上述したような応答遅れが生じる場合がある。この場合には、比較例の運転制御では、要求電力Wrの増加に対して、燃料電池システム10Aの実際の出力電力Wactの増加が遅れ、二次電池30の出力電力の補助が得られているときよりも、供給電力の応答に遅れが生じてしまう。そのため、車両100の運転者の加速操作に対してモータMTのトルク発生が、二次電池30の出力電力の補助が得られている通常の運転時よりも遅れてしまい、運転者が上述したトルクショックを受けてしまう可能性がある。
以上のように、第1実施形態の燃料電池システム10Aおよび燃料電池システム10Aの運転制御において実現されている制御方法によれば、二次電池30の出力電力が限界値に到達する可能性がある出力要求がされた場合には、二次電池30の出力電力を活用する第1制御から、二次電池30の余力を温存する第2制御への切り替えがおこなわれる。そのため、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまうことが抑制され、二次電池30の出力電力Wbによる補助が得られずに、外部負荷OLに供給される供給電力の増加要求に対する応答遅れが発生してしまうことを抑制できる。
第1実施形態では、要求電力Wrの大きさが予め決められた閾値以上であるときに、第1制御から第2制御へと切り替えられる。これによって、第1制御において、要求電力Wrが大きい高負荷の状態になって二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまう前に、予め第2制御へと予め切り替えられるようにすることができる。また、第1実施形態では、単位時間あたりの要求電力Wrの増加量が、予め決められた閾値以上であるときに、第1制御から第2制御へと切り替えられる。これによって、要求電力Wrの急速な増大によって、二次電池30の負荷が増加し、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまう可能性が高くなる場合に、予め第2制御へと予め切り替えられるようにすることができる。加えて、第1実施形態では、要求電力Wrの大きさが予め決められた閾値以上であるときと、単位時間あたりの要求電力Wrの増加量が、予め決められた閾値以上であるときに、第1制御から第2制御へと切り替えられる2つの判定条件が使用されている。そのため、燃料電池システム10Aが、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまうような運転状態に陥ることを、より一層、抑制することができる。
第1実施形態では、第2制御において、燃料電池20の出力電力が目標値に到達している状態では、二次電池30の出力電力Wbは0になり、二次電池30の負荷が最小限に低減される。この構成であれば、二次電池30として電池容量が小さいタイプのものを採用している場合に、特に、二次電池30の出力電力Wbが限界値Woutに到達してしまうことを効果的に抑制することができる。その他に、第1実施形態の燃料電池システム10Aおよび燃料電池システム10Aの運転制御において実現されている制御方法によれば、第1実施形態中で説明した種々の作用効果を奏することができる。
2.第2実施形態:
図6は、第2実施形態における燃料電池システム10Bの構成を示す概略ブロック図である。第2実施形態の燃料電池システム10Bは、二次電池30の現在の状態を監視するための二次電池状態検出部35を備えている点以外は、第1実施形態の燃料電池システム10Aの構成とほぼ同じである。二次電池状態検出部35は、二次電池30の現在の状態を監視して、二次電池30の現在の状態を表す情報を制御部15に出力する。二次電池状態検出部35は、温度検出部36と、SOC検出部37と、を備える。
温度検出部36は、二次電池30の現在の温度を検出し、制御部15に出力する。温度検出部36は、例えば、二次電池30に内蔵される温度センサによって構成される。SOC検出部37は、二次電池30の現在の充電状態(SOC;State Of Charge)を検出し、制御部15に送信する。SOCは、二次電池30の蓄電容量に対する蓄電残量の比率を意味する。SOCは、例えば、蓄電電流及び放電電流を積算することにより求めることができる。SOCは、二次電池電解液比重と二次電池電圧とに基づいて求められてもよい。
図7は、第2実施形態の燃料電池システム10Bにおいて制御部15が実行する運転制御のフローを示す説明図である。第2実施形態の運転制御は、ステップS5の処理が追加されている点と、第1制御での二次電池30の出力電力Wbの制御が異なっている点以外は、図2に示されている第1実施形態の運転制御とほぼ同じである。
ステップS5では、制御部15は、燃料電池20の運転中に、二次電池30の出力電力Wbの上限値Wlimを決定する。第2実施形態では、制御部15は、二次電池状態検出部35によって検出された情報に応じて、上限値Wlimを決定する。制御部15は、予め準備されたマップを用いて、二次電池30の現在の温度の計測値と、二次電池30の現在のSOCの計測値と、に応じて上限値Wlimを決定する。当該マップには、二次電池30の現在の温度と二次電池30の現在のSOCの組み合わせに対して、上限値Wlimが一意に定まる関係が設定されている。
上限値Wlimは、ステップ30Aの第1制御において用いられる。第2実施形態の第1制御では、制御部15は、要求電力Wrが増加しても、二次電池30の出力電力Wbが上限値Wlimを越えないように制御する。第2実施形態の第1制御では、その他の点については、第1実施形態で説明したのと同様な制御が実行される。
図8を参照して、二次電池30の出力電力Wbの上限値Wlimについて説明する。図8には、第2実施形態の第1制御における要求電力Wrと二次電池30の出力電力Wbとの関係の一例を示す説明図である。
上限値Wlimは、第1実施形態で説明した二次電池30の現在出力可能な電力の限界値Woutより低い値である。第1実施形態で説明したように、限界値Woutは、二次電池30の現在の温度と二次電池30の現在のSOCに応じて変動する。ステップS5で用いられる上述のマップは、二次電池30の現在の温度と二次電池30の現在のSOCとから求められる現在の限界値WoutよりΔDだけ低い値の上限値Wlimが得られるように設定されている。
ΔDは、実験等に基づいて予め決められた値でよく、少なくとも、燃料電池20の出力電力を増加させるときに補機類で消費される電力に相当する値であることが望ましい。ΔDは、燃料電池20の出力電力を予め決められた電圧範囲で増加させたときに補機類において消費される電力の平均値としてよい。なお、ここでの「補機類」には、少なくとも、後述する第3実施形態において説明されるような酸化剤ガスの供給に用いられるエアコンプレッサが含まれる。
第2実施形態の運転制御によれば、第1制御において、二次電池30の出力電力Wbが、二次電池30の現在の温度または現在のSOCに応じて変更される上限値Wlimを越えないよう制御される。そのため、第1制御において、二次電池30の出力電力Wbが、二次電池30の状態に応じて変動する限界値Woutにまで到達してしまうことが抑制される。また、第2実施形態の運転制御によれば、二次電池30が、現在の限界値Woutと上限値Wlimの差であるΔDの分だけの余力を有している状態で、第1制御から第2制御へと切り替えることができる。そのため、たとえ、二次電池30の出力電力Wbが上限値Wlimに近い状態で第2制御に切り替わったとしても、燃料電池20の出力電力を増加させるために補機類で消費される電力を、二次電池30から出力させることができる。よって、燃料電池20の補機類に対する供給電力が不足して、燃料電池20の出力電力を増加させることができずに、出力要求に対する応答が遅れてしまうことを抑制できる。
以上のように、第2実施形態の燃料電池システム10Bによれば、第2制御に切り替わった直後に、二次電池30からの出力電力Wbが得られず、補機類に供給される電力が不足して、燃料電池20の出力電力を増加させることができなくなることが抑制される。よって、外部負荷OLからの供給電力の増加要求に対する応答が遅れてしまうことが抑制される。その他に、第2実施形態の燃料電池システム10Bおよびその運転制御において実現されている制御方法によれば、第2実施形態中で説明した作用効果に加えて、第1実施形態中で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
3.第3実施形態:
図9は、第3実施形態における燃料電池システム10Cの構成を示す概略ブロック図である。図9には、図1および図6において図示が省略されていた反応ガス供給部40が図示されている。第3実施形態の燃料電池システム10Cの構成は、第2実施形態の燃料電池システム10Bの構成と実質的に同じである。
反応ガス供給部40は、制御部15の制御下において、燃料電池20に反応ガスを供給する。反応ガス供給部40は、外気に含まれる酸素を酸化剤ガスとして燃料電池20に供給する。反応ガス供給部40は、エアコンプレッサ41と、補機インバータ42と、を備える。エアコンプレッサ41は、外気を取り込んで圧縮した圧縮空気を燃料電池20へと送り出す。エアコンプレッサ41は、三相交流モータによって構成された駆動モータ(図示は省略)によって駆動する。
補機インバータ42は、直流電流を三相交流に変換して、エアコンプレッサ41の駆動モータに供給する。補機インバータ42は、モータMTに接続されているインバータ53と並列に、第2配線L2に接続されている。制御部15は、補機インバータ42からエアコンプレッサ41の駆動モータに供給される電力を制御して、エアコンプレッサ41の回転数を制御し、燃料電池20に供給される空気の圧力や流量を調整する。反応ガス供給部40は、その他に、酸化剤ガスの供給のための構成要素として、例えば、調圧バルブ等を備える(図示および詳細な説明は省略)。
反応ガス供給部40は、さらに、燃料ガスとして水素を供給する。反応ガス供給部40は、水素を供給するための構成要素として、例えば、水素を貯蔵する高圧タンクや、水素の流れを制御する開閉バルブ、水素の圧力を調整する調圧弁、水素の流量を調整するインジェクタ、水素を循環させるポンプ等を備える。本明細書では、これらの構成要素の図示および詳細な説明は、便宜上、省略する。
第3実施形態の燃料電池システム10Cにおいて制御部15が実行する運転制御は、ステップS5の処理における二次電池30の出力電力Wbの上限値Wlimを設定する方法が異なっている点以外は、図7に示されている第2実施形態の運転制御とほぼ同じである。
第3実施形態では、ステップS5において、制御部15は、まず、予め準備されているマップを用いて、二次電池状態検出部35によって検出された情報に基づいて、二次電池30の現時点における出力電力の限界値Woutを求める。当該マップには、二次電池30の現在の温度と二次電池30の現在のSOCの組み合わせに対して、限界値Woutが一意に定まる関係が設定されている。制御部15は、次に、以下に説明するマップMPを用いて、現在のエアコンプレッサ41の現在の回転数から、燃料電池20の出力電力を現在の値から増加させるのに必要な推定電力を求める。
図10は、制御部15が推定電力Pを求めるために用いるマップMPの一例を示す説明図である。マップMPには、エアコンプレッサ41の回転数ARが大きいほど出力される推定電力Pの値が小さくなる関係が設定されている。このマップMPの例では、エアコンプレッサ41の回転数ARが大きいほど、推定電力Pの値は反比例的に減少する。
通常、燃料電池20の発電制御のために消費される電力では、エアコンプレッサ41の消費電力が占める割合が大きい。また、燃料電池20の出力電力を上げる際には、エアコンプレッサ41の回転数が増加される。そして、エアコンプレッサ41の回転数を増加させるときに消費される電力は、回転数を増加させる前のエアコンプレッサ41の回転数が大きいほど小さくなる。そのため、図10に示されているような、エアコンプレッサ41の回転数ARが大きいほど推定電力Pの値が小さくなる関係が得られる。
制御部15は、現在の限界値Woutから推定電力Pを減算した値を上限値Wlimとして設定する。上限値Wlimは、エアコンプレッサ41の回転数が大きいほど大きい値が設定されることになる。制御部15は、第2実施形態で説明したのと同様に、ステップS30Aの第1制御においては、二次電池30の出力電力Wbが上限値Wlimを越えないように制御する。こうした運転制御によれば、第2制御に切り替わって燃料電池20の出力電力を増加させるときのエアコンプレッサ41での消費電力の増加量が小さいと見込まれるときには、第1制御における二次電池30の出力電力Wbに対する制限が緩和される。
第3実施形態の燃料電池システム10Cによれば、第1制御から第2制御に切り替わったときに燃料電池20の出力電力の増加のために消費される電力に応じた適切な上限値Wlimが設定される。そのため、第1制御において二次電池30の出力電力Wbが必要以上に制限されて、システム効率が低下してしまうことや、出力要求に対する燃料電池システム10Cの応答が遅れてしまうことが抑制される。その他に、第3実施形態の燃料電池システム10Cおよびその運転制御において実現されている制御方法によれば、第3実施形態中で説明した作用効果に加えて、上記第1実施形態および第2実施形態において説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。
4.他の実施形態:
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、発明を実施するための形態の一例として位置づけられる。
4−1.他の実施形態1:
第1制御から第2制御への切り替えを判定するステップS20での判定条件は、上記の各実施形態において説明した第1条件と第2条件の両方を用いる条件に限定されることはない。ステップS20での判定条件としては、上記の第1条件と第2条件のうちの一方のみが用いられてもよい。また、ステップS20の判定条件は、例えば、予め決められた値以上の供給電力が予め決められた期間より長く継続して要求されたときに、第1制御から第2制御へと切り変わるように定められていてもよい。あるいは、二次電池30の充電量が予め決められた閾値より低いときに、供給電力の増加を要求する出力要求が検出されたときに、第1制御から第2制御へと切り替わるように定められていてもよい。
4−2.他の実施形態2:
上記の各実施形態の第2制御において、二次電池30の出力電力Wbを0まで低下させない構成が採用されてもよい。第2制御において、二次電池30の出力電力Wbを第1制御から切り替わったときより低下させる制御が実行されることにより、第1制御のときよりも二次電池30の負荷が減るため、上記の各実施形態において説明したような効果を得ることができる。
4−3.他の実施形態3:
上記の第2実施形態および第3実施形態では、二次電池状態検出部35によって、二次電池30の現在の温度と、二次電池30の現在のSOCと、が検出されている。これに対して、二次電池状態検出部35によって、二次電池30の現在の温度のみが検出される構成が採用されてもよい。この場合には、二次電池30の現在の温度に応じて上限値Wlimが変更される。また、二次電池状態検出部35によって、二次電池30の現在のSOCのみが検出される構成が採用されてもよい。この場合には、二次電池30の現在のSOCに応じて上限値Wlimが変更される。二次電池状態検出部35は、二次電池30の現在の温度と現在のSOC以外の二次電池30の状態を表す情報を検出して、制御部15に送信してもよい。二次電池状態検出部35は、例えば、現在の二次電池30の電圧を検出して制御部15に送信してもよい。この場合には、上限値Wlimが現在の二次電池30の電圧に応じて変更されてもよい。
4−4.他の実施形態4:
上記の各実施形態において、燃料電池システム10A〜10Cは、車両100以外の船舶などの移動体や、建物などの施設に対して、電力の供給源として適用されてもよい。
4−5.他の実施形態5:
上記実施形態において、マップによって実現されている構成は、マップと同等な出力結果を得ることができる関数式や演算式によって実現されてもよい。そうした出力結果を得るためのハードウェアは、コンピュータに限らず、種々の電子回路や演算装置によって実現することができる。上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。
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、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又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ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10A…燃料電池システム
10B…燃料電池システム
10C…燃料電池システム
11…要求検出部
15…制御部
20…燃料電池
30…二次電池
35…二次電池状態検出部
36…温度検出部
37…SOC検出部
40…反応ガス供給部
41…エアコンプレッサ
42…補機インバータ
51…第1コンバータ
53…インバータ
55…第2コンバータ
100…車両
AP…アクセルペダル
L1…第1配線
L2…第2配線
L3…第3配線
MT…モータ
OL…外部負荷
MP…マップ

Claims (9)

  1. 出力要求に応じた電力を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
    前記出力要求を検出する要求検出部と、
    反応ガスの供給を受けて発電した電力を前記外部負荷に出力する燃料電池と、
    充電された電力を前記外部負荷に出力する二次電池と、
    (i)前記外部負荷に供給される電力において前記二次電池の出力電力が前記出力要求に応じて予め決められた割合を占めるように、前記燃料電池の出力電力と前記二次電池の出力電力とを制御する第1制御を実行し、(ii)前記第1制御の実行中に、前記第1制御では前記二次電池の出力電力が限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす前記出力要求を前記要求検出部によって検出した場合に、前記二次電池の出力電力が前記第1制御のときより低下するように、前記燃料電池の出力電力の目標値を設定する第2制御に切り替える制御部と、
    を備える、燃料電池システム。
  2. 請求項1記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記第1制御の実行中に、前記要求検出部によって、前記予め決められた条件を満たす前記出力要求として、(a)前記出力要求に応じた電力が予め決められた第1閾値より大きくなる前記出力要求、または、(b)前記出力要求に応じた電力の単位時間あたりの増加量が予め決められた第2閾値より大きくなる前記出力要求の変化、の少なくとも一方を検出したときに、前記第2制御に切り替える、燃料電池システム。
  3. 請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記第2制御において前記二次電池の出力電力が0まで低下するように制御する、燃料電池システム。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記燃料電池の運転中に、前記二次電池の出力電力の上限値を、前記二次電池の状態に応じて決定し、前記第1制御において、前記二次電池の出力電力が、前記上限値を越えないように制御する、燃料電池システム。
  5. 請求項4記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二次電池の温度を検出する温度検出部を備え、
    前記制御部は、前記温度検出部の計測値に応じて前記上限値を決定する、燃料電池システム。
  6. 請求項4または請求項5記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部を備え、
    前記制御部は、前記二次電池の前記充電状態に応じて前記上限値を決定する、燃料電池システム。
  7. 請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
    前記燃料電池に前記反応ガスとして圧縮空気を供給するエアコンプレッサと、
    前記エアコンプレッサに供給される電力を制御する補機インバータと、
    を備え、
    前記制御部は、前記補機インバータを介して前記エアコンプレッサの回転数を制御し、前記エアコンプレッサの回転数が大きいほど前記上限値の値を大きくする、燃料電池システム。
  8. 車両であって、
    請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備え、
    前記外部負荷は、前記車両の駆動力を発生するモータを含み、
    前記要求検出部は、運転者による前記車両の加速要求を受け付けるアクセルを含む、車両。
  9. 燃料電池の出力電力と、二次電池の出力電力と、を用いて、出力要求に応じた電力を外部負荷に供給する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記外部負荷に供給する電力において前記二次電池の出力電力が、前記出力要求に応じて予め決められた割合を占めるように、前記出力要求に応じて、前記燃料電池の出力電力と、前記二次電池の出力電力と、を制御する第1制御を実行する工程と、
    前記第1制御の実行中に、前記二次電池の出力電力が限界値に到達することが見込まれる予め決められた条件を満たす前記出力要求の増加を検出したときに、前記二次電池の出力電力が前記第1制御のときより低下するように、前記燃料電池の出力電力の目標値を設定する第2制御に切り替える工程と、
    を備える、制御方法。
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