JP3855657B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の出力を増減する補機及び燃料電池の出力の増減に寄与しない補機を制御して、燃料電池から発電した電力を駆動モータ等の負荷回路に供給する燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池からの発電電力を駆動源として駆動する燃料電池搭載車両が知られている。この燃料電池搭載車両では、燃料電池からなるエネルギー発生手段と、バッテリ等の蓄電手段とを有し、燃料電池からの発電電力を駆動モータやバッテリに供給する制御をする制御装置を備える。
【０００３】
この制御装置では、燃費及び運転性の向上を図り、車両減速時に駆動モータで使用されずに発生する回生電力を蓄電手段に充電する制御を行うことが多く、特開２０００−９２６１０号公報で開示されている。
【０００４】
この特開２０００−９２６１０号公報で開示されている制御装置は、車両速度が高い場合には蓄電手段の目標充電レベルを低く設定することで、例えば車両速度が高速から低速に減速したときに発生する大きな回生電力を蓄電手段に充電することを可能にする。一方、この制御装置では、車両速度が低い場合には蓄電手段の目標充電レベルを高く設定することで、車両速度が低速から高速に加速したときに必要な電力を確保する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、以下に示す問題点がある。
【０００６】
第１に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、車速により蓄電手段の充電レベル（ＳＯＣ）状態を変化させて回生電力の充電量を確保するという構成となっていたため、例えば下り坂を車両が走行しているときに駆動モータによる駆動力を発生すること無く車両速度が高くなるような場合にも、蓄電手段の充電レベルが低下したままであるため、従来の制御装置では、回生電力を蓄えるための十分な充電容量を確保することができない問題がある。
【０００７】
第２に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、低車速では充電レベルを高く設定するので、燃料電池搭載車両が停止したすぐ後に最低出力状態（アイドル状態）で余剰電力が発生した場合に、初めのうちは蓄電手段に余剰電力を充電することが可能であるが、最低出力状態が長時間連続すると、充電容量を十分に確保することができなくなり、余剰電力を消費できなくなる。
【０００８】
第３に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、蓄電手段を備えることを前提としているが、近年より蓄電手段を備えない燃料電池搭載車両が提案されており、この場合には、回生電力や最低出力状態での余剰電力を蓄電することができないため、この余剰電力を処理するための手段が必要になってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実状に鑑みて提案されたものであり、常に十分な充電レベルを保つと共に、余剰電力を確実に消費することができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、上述の課題を解決するために、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、この燃料電池からの発電電力を使用して駆動する負荷手段と、上記燃料電池が発電する電力を増減させるために消費電力が増減される電力出力増減用補機と、消費電力が増減されても上記燃料電池が発電する電力を増減させない電力出力増減用外補機とを備えた燃料電池システムの制御装置において、外部からのセンサ信号に基づいて、上記燃料電池の運転状態を検出する状態判定手段と、上記燃料電池で発電し、上記負荷手段で消費されない総発電力を演算する総発電力演算手段と、上記電力出力増減用補機が動作する目標となる第１目標消費電力を演算する第１演算手段と、上記電力出力増減用外補機が動作する目標となる第２目標消費電力を演算する第２演算手段と、上記電力出力増減用補機の消費電力を演算する消費電力演算手段と、上記総発電力から上記消費電力演算手段で演算した消費電力を減算して、上記電力出力増減用補機で消費されない余剰電力を演算する余剰電力演算手段と、上記状態判定手段により上記燃料電池の運転状態が最低出力状態であると判定したときに、上記総発電力演算手段により総発電力を演算し、上記第１演算手段により演算された第１目標消費電力で上記電力出力増減用補機が動作したときの消費電力を上記消費電力演算手段で演算し、この消費電力を総発電力から減算して上記余剰電力演算手段により余剰電力を演算し、この余剰電力を上記電力出力増減用外補機で消費する第２目標消費電力を演算するように上記第２演算手段を制御する制御手段とを備える。
【００１１】
請求項２に係る発明では、上記制御手段は、上記燃料電池の出力を増加させない範囲で上記電力出力増減用補機での消費電力を増加させるように第１演算手段を制御する処理を更に行う。
【００１２】
請求項３に係る発明では、上記総発電力演算手段は、上記負荷手段で消費されない回生電力と上記最低出力状態における上記燃料電池の発電量との和を上記総発電力量とし、上記余剰電力演算手段は上記回生電力を含む総発電量を用いて余剰電力を演算する。
【００１３】
請求項４に係る発明では、上記制御手段は、上記回生電力を含む余剰電力が上記電力出力増減用外補機の消費可能な電力以下となるように、回生電力を制御する。
【００１４】
請求項５に係る発明では、上記燃料電池車両は上記燃料電池で発電した電力を充電すると共に放電する蓄電手段を更に備え、上記余剰電力演算手段は、上記燃料電池の最低出力状態時の発電電力から上記燃料電池の電力出力増減用補機での第１消費電力と上記蓄電手段の充電可能電力を減算した値を上記余剰電力とし、上記制御手段は、演算した余剰電力以上で、且つ余剰電力と充電可能電力及び放電可能電力との合計以下の電力量を上記電力出力増減用外補機で消費するように上記第２演算手段を制御する。
【００１５】
請求項６に係る発明では、上記電力出力増減用補機は、上記燃料電池に空気を供給するコンプレッサを少なくとも含む。
【００１６】
請求項７に係る発明では、上記電力出力増減用外補機は、上記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給用ポンプ、上記燃料電池に供給する空気及び水素を加湿する水の流量を制御する加湿用ポンプ、上記冷却水を冷却するためのラジエータファンのうち少なくとも１つを含む。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、状態判定手段により燃料電池の運転状態が最低出力状態であると判定したときに、余剰電力量を電力出力増減用外補機で消費するように第２演算手段を制御するので、燃料電池での発電量を変化させることなく、常に十分な充電レベルを保つと共に、余剰電力を確実に消費することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、請求項１の発明により奏する効果に加えて、燃料電池の出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力を増加させるので、余剰電力の消費を燃料電池の電力出力増減用補機と電力出力増減用外補機で分担することができ、消費可能な余剰電力の範囲を広げることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、請求項２の発明により奏する効果に加えて、負荷手段で消費されない回生電力と最低出力状態における上記燃料電池の発電量との和を総発電力量とし、余剰電力演算手段により回生電力を含む総発電量を用いて余剰電力を演算するので、回生電力が蓄電手段に蓄電されることによる蓄電手段の過充電を防止することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、請求項１の発明により奏する効果に加えて、回生電力を含む余剰電力が電力出力増減用外補機の消費可能な電力以下となるように、回生電力を制御するので、補機を保護しつつ回生することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の最低出力状態時の発電電力から燃料電池の電力出力増減用補機での第１消費電力と蓄電手段の充電可能電力を減算した値を余剰電力とし、演算した余剰電力以上で、且つ余剰電力と充電可能電力及び放電可能電力との合計以下の電力量を電力出力増減用外補機で消費するように第２演算手段を制御するので、蓄電手段の充放電可能範囲を利用して余剰電力を消費することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、電力出力増減用補機として燃料電池に空気を供給するコンプレッサを少なくとも含むので、燃料電池の最低出力を増加させない範囲でコンプレッサの消費電力を増加させて、余剰電力の消費を容易とすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によれば、電力出力増減用外補機として燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給用ポンプ、燃料電池に供給する空気及び水素を加湿する水の流量を制御する加湿用ポンプ、冷却水を冷却するためのラジエータファンのうち少なくとも１つを含むので、燃料電池システム全体の運転状態に応じて最適な電力出力増減用外補機を用いて、容易に余剰電力を消費することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明は、例えば図１に示す燃料電池車両に適用される。
【００２６】
［本発明を適用した燃料電池車両の構成（図１）］
図１からわかるように、燃料電池車両は、水素含有ガス及び空気が供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をする。
【００２７】
燃料電池車両は、燃料電池スタック１に供給する空気及び水素ガスを加湿するのに使用される純水を貯蔵する図示しない純水タンク内の純水を流通させる純水供給ポンプ２と、燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給ポンプ４と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素ボンベ５とを備える。
【００２８】
また、この燃料電池車両は、後述の制御装置からの制御信号に従って、燃料電池スタック１で発電した直流電圧を所定周波数の交流電圧にする純水供給インバータ６と、コンプレッサインバータ７と、冷却水供給インバータ８とを備える。
【００２９】
更に、この燃料電池車両は、純水供給ポンプ２からの純水を用いてコンプレッサ３からの空気及び水素ボンベ５からの水素ガスに加湿をして燃料電池スタック１に空気及び水素ガスを供給する加湿器９を備える。
【００３０】
更にまた、この燃料電池車両は、燃料電池スタック１からの発電電力を蓄えるバッテリ１０と、負荷を駆動するための駆動用インバータ１１と、負荷となる駆動モータ１２と、駆動モータ１２による駆動力を伝達する作動装置１３と、作動装置１３から伝達された駆動力で駆動する駆動輪１４とを備える。
【００３１】
更にまた、燃料電池車両は、上述した各部を制御する制御装置１５を備える。制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８、シフトスイッチ１９と接続され、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７及びブレーキセンサ１８からセンサ信号が入力されると共に、シフトスイッチ１９からスイッチ信号が入力される。制御装置１５は、センサ信号及びスイッチ信号に基づいて、純水供給インバータ６、コンプレッサインバータ７、冷却水供給インバータ８及び駆動用インバータ１１に制御信号を出力して各部の動作を制御する。
【００３２】
このような燃料電池車両では、燃料電池スタック１で発電させて駆動モータ１２を駆動させるときには、純水供給ポンプ２を駆動して加湿器９に純水を供給するように純水供給インバータ６を制御すると共に、コンプレッサ３を駆動して加湿器９を介して燃料電池スタック１に空気及び水素ガスを供給するようにコンプレッサインバータ７及び水素ボンベ５を駆動し、冷却水供給ポンプ４を駆動して冷却水を燃料電池スタック１に供給するように冷却水供給インバータ８を制御する。これにより、燃料電池スタック１では、酸化剤極に空気が供給されると共に燃料極に水素ガスが供給されて発電をする。
【００３３】
制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８及びシフトスイッチ１９からの信号に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力を認識し、燃料電池車両の状態を制御する。
【００３４】
制御装置１５は、燃料電池車両の速度を加速するアクセル操作がされたことを示すセンサ信号がアクセル開度センサ１６から入力されたことに応じて、燃料電池スタック１の発電量を多くするようにコンプレッサインバータ７及び水素ボンベ５に制御信号を出力する。
【００３５】
また、制御装置１５は、燃料電池車両の速度を減速するブレーキ操作がされたことを示すセンサ信号がブレーキセンサ１８から入力されたことに応じて、燃料電池スタック１の発電量を少なくするようにコンプレッサ３及び水素ボンベ５に制御信号を出力する。
【００３６】
ここで、燃料電池スタック１は、燃料電池車両が停止又は減速したことに応じて燃料電池スタック１の発電を停止すると、燃料電池スタック１内部のイオン交換膜の乾きや燃料極への空気通過が発生し、燃料電池スタック１を再起動するのに時間がかかるため、燃料電池を停止せずに最低出力電力（アイドル発電電力）を出力している最低出力状態がある。したがって、バッテリ１０の充電レベル（ＳＯＣ）が十分に高く、燃料電池車両が停止している場合や減速時で燃料電池スタック１の発電出力を必要としない場合には燃費向上のために発電を停止することが望ましいが、制御装置１５は、最低出力電力を発電する状態を継続するように各部を制御する必要がある。しかし、最低出力電力を継続して発電しているときに燃料電池スタック１から出力される電力から、補機を駆動する電力を差し引いた正味発電量が正の値であり、余剰であるときにはバッテリ１０の充電レベルが連続的に上昇して過電圧状態となってしまう恐れがある。これに対し、制御装置１５では、燃料電池スタック１を最低出力状態としているときに、補機により余剰な電力を消費する電力消費処理をする。
【００３７】
制御装置１５は、燃料電池スタック１からの最低出力電力から電力出力増減に使用される電力出力増減用補機での消費電力を除いた電力量をバッテリ１０に充電できる範囲内で充電し、バッテリ１０に充電できない余剰電力量を電力出力増減に使用されない電力出力増減用外補機で消費する制御をする電力消費処理をする。また、制御装置１５は、例えば燃料電池車両の速度が減速したことにより駆動モータ１２で使用されずに発生する回生電力を含む余剰電力量を補機で消費する電力消費処理をする。
【００３８】
更に、制御装置１５は、バッテリ１０への充電をせずに電力消費処理をする。すなわち制御装置１５は、余剰電力をバッテリ１０に充電せずに、燃料電池車両を構成する補機のみを使用して電力消費をする電力消費処理をする。
【００３９】
これにより、制御装置１５はバッテリ１０を過電圧状態とすることなく、最低出力状態を継続する。
【００４０】
ここで、上記電力出力増減用補機は例えばコンプレッサ３であり、上記電力出力増減用外補機は例えば純水供給ポンプ２、冷却水供給ポンプ４や図示しないラジエータ用ファンなどがある。
【００４１】
「制御装置の構成（図２）」
図２に、制御装置１５の内部構成を示す。図２からわかるように、制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８やその他のセンサからセンサ信号を入力する入力ポート２１と、入力ポート２１で入力したセンサ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２２と、Ａ／Ｄ変換器２２からのデータを使用して電力消費処理をするＣＰＵ（Central Processing Unit）２３と、電力消費処理を実行するための電力消費プログラムや各種データなどを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）２４と、ＣＰＵ２３のプログラム実行中の作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）２５と、ＣＰＵ２３で生成した制御信号を各部に出力する出力ポート２６とを備える。
【００４２】
このような制御装置１５では、各種センサからセンサ信号がＡ／Ｄ変換器２２を介して入力され、センサ信号に基づいて、燃料電池車両を構成する補機の駆動量などを演算して、純水供給ポンプ２やコンプレッサ３、冷却水供給ポンプ４及び純水供給インバータ６に制御信号を出力ポート２６から出力する。
【００４３】
また、制御装置１５では、各種センサ信号に基づいて電力消費処理をするときには、ＲＯＭ２４から電力消費処理プログラムや各種データを読み出して、ＲＡＭ２５を作業領域として使用して補機を駆動する制御信号を出力ポート２６を介して出力する。
【００４４】
「ＣＰＵの機能的な構成（図３）」
図３に、ＣＰＵ２３の機能的な構成を示す。図３からわかるように、ＣＰＵ２３は、各種センサ信号に基づいて燃料電池スタック１が最低出力状態となっているか否かを判定する最低出力制御判定部３１と、電力出力増減用補機の消費電力を演算する電力出力増減用補機消費電力演算部３２と、燃料電池スタック１の総発電電力を演算する総発電力演算部３３と、最低出力制御判定部３１、電力出力増減用補機消費電力演算部３２及び総発電力演算部３３からの出力情報に基づいて余剰電力を演算する余剰電力演算部３４と、最低出力制御判定部３１からの出力情報に基づいて電力出力増減用補機を駆動する目標点となる目標動作点を演算する電力出力増減用補機目標動作点演算部３５と、余剰電力演算部３４からの出力情報に基づいて電力出力増減用外補機を駆動する目標点となる目標動作点を演算する電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６とを備える。
【００４５】
このような構成のＣＰＵ２３では、最低出力制御判定部３１により燃料電池スタック１が最低出力状態となっている場合に、上記電力消費処理を行うに際して、コンプレッサ３等の電力出力増減用補機での消費電力を電力出力増減用補機消費電力演算部３２で演算すると共に、最低出力電力或いは回生電力を含む総発電力量を総発電力演算部３３で演算して、余剰電力演算部３４により余剰電力を演算し、余剰電力を消費するための電力出力増減用補機の目標動作点及び電力出力増減用外補機の目標動作点を電力出力増減用補機目標動作点演算部３５及び電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６で演算して、電力出力増減用補機及び電力出力増減用外補機に制御信号を出力する。
【００４６】
「コンプレッサの消費電力と燃料電池出力との関係」
図４に、コンプレッサ３の消費電力と燃料電池スタック１からの発電電力との関係を示す。図４からわかるように、コンプレッサ３での消費電力が大きくなることに応じて燃料電池スタック１での発電電力が大きくなる。図４では、通常の空気流量及び圧力におけるコンプレッサ３の消費電力（ｘ１）と燃料電池スタック１の発電電力との関係をｆ（ｘ）、ｆ（ｘ）からコンプレッサ３での消費電力（ｘ１）分を除いた電力をｆ（ｘ）−ｘ１、空気圧力を高くしたときにおけるコンプレッサ３の消費電力（ｘ２）と燃料電池スタック１の発電電力との関係をｆ’（ｘ）、ｆ’（ｘ）からコンプレッサ３での消費電力（ｘ２）分を除いた電力をｆ’（ｘ）−ｘ２で示す。特性ｆ（ｘ）においてコンプレッサ３以外の補機の消費電力をＰload、特性ｆ’（ｘ）においてコンプレッサ３以外の補機の消費電力をＰload’とする。
【００４７】
図４によれば、コンプレッサ３から燃料電池スタック１に供給する空気の圧力を大きくすることで、燃料電池スタック１の発電電力が同じときに、コンプレッサ３の消費電力がｘ１からｘ２に増加することがわかる。これにより、制御装置１５は、空気圧力制御の目標値を高くするようにコンプレッサ３を制御することで、同じ発電電力を得るためのコンプレッサ３の消費電力を増加させて余剰電力を消費することができる。したがって、制御装置１５は、空気圧力を高くすることでコンプレッサ３での消費電力を増加して、コンプレッサ３以外の補機で消費できる電力と合わせて消費可能な電力の範囲を大きくすることができる。
【００４８】
<<制御装置による電力消費処理手順（第１実施例）>>
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図５に示すように、燃料電池スタック１（ＦＣ）の最低出力電力を総発電力Ｐallとし、総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理をする。
【００４９】
図６に、制御装置１５により電力消費処理を行うときの処理手順を示す。図６に示す処理は、ＣＰＵ２３によりＲＯＭ２４に格納された電力消費プログラム等を読み出して実行され、所定時間毎に実行することで要求に追従して消費電力量を制御する。
【００５０】
図６によれば、先ず、ステップＳ１では、制御装置１５は外部からのセンサ信号に基づいて燃料電池車両が要求する燃料電池要求出力tPfcを演算して、ステップＳ２に処理を進める。
【００５１】
ステップＳ２では、制御装置１５はステップＳ１で演算された燃料電池要求出力tPfcに基づいてコンプレッサ３からの空気圧力の要求である空気圧力要求値tPr_air0を演算して、ステップＳ３に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ３では、制御装置１５はステップＳ１で演算された燃料電池要求出力tPfcに基づいてコンプレッサ３の目標回転数tNcompを演算して、ステップＳ４に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ４では、現在の燃料電池スタック１での発電電力が最低出力電圧（アイドル状態）であるか否かの判定を、各種センサ信号に基づいて最低出力制御判定部３１により行う。燃料電池スタック１が最低出力状態であると最低出力制御判定部３１で判定したときにはステップＳ５に処理を進め、最低出力状態でないと判定したときにはステップＳ９に処理を進める。
【００５４】
ステップＳ５では、総発電力演算部３３により総発電力Ｐallを演算してＲＡＭ２５に格納してステップＳ６に処理を進める。総発電力演算部３３により総発電力Ｐallを演算するときには、図７に示すように、先ず、ステップＳ１１では最低出力Ｐidlを演算し、次のステップＳ１２では最低出力Ｐidlに基づいて総発電力Ｐallを演算する。ここで、総発電力演算部３３は燃料電池車両が最低出力状態にあることから、最低出力Ｐidlと総発電力Ｐallとの値を同じとする。
【００５５】
ステップＳ６では、コンプレッサ３の消費電力を総発電力Ｐallから減算して余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算して、ステップＳ７に処理を進める。余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算するときには、図８に示すように、先ず、ステップＳ２１ではステップＳ５で演算した総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、次のステップＳ２２では現在のコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを電力出力増減用補機消費電力演算部３２で演算し、次のステップＳ２３では演算して得た総発電力Ｐallからコンプレッサ消費電力Ｐcompを減算して余剰電力Ｐsurpを求めてＲＡＭ２５に格納してステップＳ７に処理を進める。
【００５６】
ステップＳ７では、ステップＳ６で求めた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費するように燃料電池車両の各部を制御して、ステップＳ８に処理を進める。余剰電力Ｐsurpを消費するときには、図９に示すように、先ず、ステップＳ３１ではＲＡＭ２５から余剰電力Ｐsurpを読み出し、次のステップＳ３２では余剰電力Ｐsurpに基づいて補機消費電力Ｐloadを電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算する。この実施例では、補機消費電力Ｐloadを余剰電力Ｐsurpと同じ値とするように補機消費電力Ｐload'だけ増加させる。次のステップＳ３３では、演算した補機消費電力に基づいて、補機の動作目標点を演算して処理を終了する。ここで、制御装置１５は熱制御や水制御による補機の目標動作点、例えば冷却水供給ポンプ４の回転数として動作目標点tNpompを演算し、動作目標点tNpompを補機消費電力Ｐloadの関数ｇ（）として表現する。
【００５７】
ステップＳ８では、ステップＳ７で求めた動作目標点にしたがって、電力出力増減用外補機に制御信号を出力することで、余剰電力Ｐsurpを消費する。この例では、制御装置１５から冷却水供給ポンプ４に動作目標点tNpompの回転数で動作することを示す制御信号を冷却水供給インバータ８に出力して、余剰電力Ｐsurpを消費する。
【００５８】
一方、ステップＳ４で現在の燃料電池スタック１での発電電力が最低出力電圧でないと判定したステップＳ９では、コンプレッサ３からの目標空気圧力tPr_airを演算してステップＳ１０に処理を進める。
【００５９】
ステップＳ１０では、熱制御や水制御を行う電力出力増減用外補機の目標動作点を演算してステップＳ８の処理をして処理を終了する。
【００６０】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両では、燃料電池スタック１が最低出力状態となっているときには、ステップＳ５〜ステップＳ７までの処理を行うことにより、余剰電力Ｐsurpを冷却水供給ポンプ４などの電力出力増減用外補機で消費する処理をするので、燃料電池スタック１での発電量を変化させることなく、余剰電力Ｐsurpを消費することができる。したがって、この燃料電池車両によれば、燃料電池の発電電力を制御することなく余剰電力Ｐsurpを確実に消費することができる。
【００６１】
また、この燃料電池車両によれば、バッテリ１０を過電圧状態とすることなく、アイドル発電状態を継続することが可能である。
【００６２】
更に、この燃料電池車両によれば、制御装置１５により燃料電池システム全体の運転状態に応じて最適な電力出力増減用外補機を選択して、余剰電力を消費する制御をすることで、容易に余剰電力を消費することができる。
【００６３】
<<制御装置による電力消費処理手順（第２実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第２実施例では上述の第１実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００６４】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１０に示すように、燃料電池スタック１の最低出力電力を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲でコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを増加させ、総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理をする。
【００６５】
第２実施例では、上述の図６のステップＳ６において、図１１に示す処理を行って余剰電力Ｐsurpを演算する点で、第１実施例と異なる。図１１によれば、先ず、ステップＳ４１では、ステップＳ５で演算した総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出す処理をしてステップＳ４２に処理を進める。
【００６６】
ステップＳ４２では、ステップＳ２で演算した空気圧力要求値tPr_air0に空気圧力の変化分dPr_airを加算して補正することで空気圧力目標値tPr_airを演算して、ステップＳ４３に処理を進める。ここで、変化分dPr_airは、燃料電池スタック１からの最低出力電力を増加させない範囲とする。
【００６７】
ステップＳ４３では、ステップＳ４２で演算した空気圧力目標値tPr_airで動作したときのコンプレッサ３の消費電力Ｐcomp’を演算して、ステップＳ４４に処理を進める。
【００６８】
ステップＳ４４では、ステップＳ４１で読み出した総発電力ＰallからステップＳ４３で演算した消費電力Ｐcomp’を減算して余剰電力Ｐsurpを演算する。
【００６９】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、最低出力を増加させない範囲でコンプレッサ３の消費電力を増加させて余剰電力Ｐsurpの一部を消費すると共に、その小さくした余剰電力を電力出力増減用外補機で消費することができ、余剰電力Ｐsurpの消費を電力出力増減用補機及び電力出力増減用外補機で分担することができるので、第１実施例で発揮する効果に加えて、消費可能な余剰電力の範囲を広げることができる。
【００７０】
<<制御装置による電力消費処理手順（第３実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第３実施例では上述の第１実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００７１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１２に示すように、総発電力Ｐallを燃料電池スタック１の最低出力電力と回生電力との和とし、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理を行う。
【００７２】
第３実施例では、上述の図６のステップＳ５において、図１３に示す処理を行って総発電力Ｐallを演算する点で、第１実施例と異なる。図１３によれば、先ず、ステップＳ５１では燃料電池スタック１の最低電力Ｐidlを演算してステップＳ５２に処理を進める。
【００７３】
ステップＳ５２では、ステップＳ５１で最低電力Ｐidlを演算したときの回生電力Ｐrecを演算して、ステップＳ５３に処理を進める。
【００７４】
ステップＳ５３では、ステップＳ５１で求めた最低電力Ｐidlと回生電力Ｐrecとを加算して総発電力Ｐallを求めて、ステップＳ６に処理を進めて、ステップＳ６以降の処理を行う
これにより、燃料電池車両では、求めた総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを減算して余剰電力Ｐsurpを求め、この余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する。
【００７５】
このような処理を行う制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、総発電力Ｐallに回生電力Ｐrecを含めて余剰電力Ｐsurpを消費するので、例えば車速が減速したときに回生電力Ｐrecが発生したときでもバッテリ１０を過電圧とすることがない。
【００７６】
また、この燃料電池車両では、第３実施例で説明した処理及び第２実施例で説明した処理を行っても良いことは勿論であり、これにより、第１実施例及び第２実施例で発揮できる効果を併せて発揮することができる。
【００７７】
<<制御装置による電力消費処理手順（第４実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第４実施例では上述実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００７８】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１４に示すように、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力Ｐrecとの和を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機の消費電力を増加させ、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力を除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理を行う。
【００７９】
このような処理を行う制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、回生電力を燃料電池スタック１の電力出力増減用外補機でその時に消費可能な電力で消費するので、補機を保護すると共に、回生することができる。
【００８０】
<<制御装置による電力消費処理手順（第５実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第５実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００８１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図１５に示すように、燃料電池スタック１の最低出力を総発電力Ｐallとし、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０の充電上限値Ｐchglmtを減算した電力量を余剰電力Ｐsurpとする。制御装置１５は、バッテリ１０の充電上限の範囲の充電可能電力がある場合には総発電力Ｐallを、電力出力増減用補機、電力出力増減用外補機、バッテリ１０の充電により消費する。また、制御装置１５は、バッテリ１０の放電上限の範囲の放電可能電力がある場合には、総発電力Ｐallの一部を消費すると共に、バッテリ１０から放電上限値Ｐdchglmtを補機に供給して、バッテリ１０の電力を放電することができる。このように、制御装置１５は、余剰電力Ｐsurpを消費したうえで、バッテリ１０での充放電可能範囲でバッテリ１０へ充放電するように電力出力増減用外補機の駆動量を制御する。
【００８２】
第５実施例では、制御装置１５は、図１６に示す手順で図６中のステップＳ６での処理をし、次いで図１７に示す手順で図６中のステップＳ７での処理をする。第５実施例では、ステップＳ５での処理が終了するとステップＳ６１に処理を進め、ステップＳ６１では、ステップＳ５で求めた総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、ステップＳ６２に処理を進める。
【００８３】
ステップＳ６２では、その時のコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを電力出力増減用補機目標動作点演算部３５により演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ６３に処理を進める。
【００８４】
ステップＳ６３では、バッテリ１０に充電可能な電力である充電上限値Ｐchglmtを演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ６４に処理を進める。
【００８５】
ステップＳ６４では、ステップＳ６１で読み出した総発電力Ｐallから、消費電力Ｐcomp及び充電上限値Ｐchglmtを減算して、余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを求めてＲＡＭ２５に格納して、次の図１７に示すステップＳ７１に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ７１では、ステップＳ６１でＲＡＭ２５に格納した余剰電力Ｐsurpを読み出してステップＳ７２に処理を進める。
【００８７】
ステップＳ７２では、ステップＳ６３でＲＡＭ２５に格納されたバッテリ１０の充電上限値Ｐchglmtを読み出す処理をして、ステップＳ７３に処理を進める。
【００８８】
ステップＳ７３では、その時にバッテリ１０から放電可能な電力である放電上限値Ｐdchglmtを演算して、ステップＳ７４に処理を進める。
【００８９】
ステップＳ７４では、ステップＳ７１で読み出した余剰電力Ｐsurp、ステップＳ７２で読み出した充電上限値Ｐchglmt及びステップＳ７３で演算した放電上限値Ｐdchglmtに基づいて電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadを所定の範囲内の値となるように電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算して、ステップＳ７５に処理を進める。このとき、制御装置１５では、余剰電力Ｐsurp以上で、且つ余剰電力Ｐsurp、充電上限値Ｐchglmt及び放電上限値Ｐdchglmtの合計以下となるとなるように電力出力増減用外補機での消費電力Ｐloadを演算する。
【００９０】
ステップＳ７５では、ステップＳ７４で演算した消費電力Ｐloadに基づいて、電力出力増減用外補機の目標動作点tNpompを電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算して、次のステップＳ８に処理を進める。ここで、制御装置１５は熱制御や水制御による補機の目標動作点、例えば冷却水供給ポンプ４の回転数として動作目標点tNpompを演算し、動作目標点tNpompを補機消費電力Ｐloadの関数ｇ（）として表現する。
【００９１】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、燃料電池車両が充電可能なバッテリ１０を備えており、コンプレッサ３以外の補機で余剰電力Ｐsurpを消費する際に、少なくとも余剰電力Ｐsurp以上で、且つ余剰電力Ｐsurpと充電上限値Ｐchglmt及び放電上限値Ｐdchglmtの合計以下となるように例えば冷却水供給ポンプ４などの電力出力増減用外補機の目標動作点となるように消費電力Ｐloadを決定するので、バッテリ１０の充放電可能範囲を利用して余剰電力Ｐsurpを消費することができる。
【００９２】
<<制御装置による電力消費処理手順（第６実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第６実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００９３】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図１８に示すように、燃料電池スタック１の最低出力を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力Ｐcompを増加させる制御をする。また、制御装置１５は、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０への充電上限値を減算した余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する。このとき、制御装置１５は、充放電可能範囲でバッテリ１０を使用して、電力出力増減用外補機の消費電力を制御する。
【００９４】
第６実施例では、制御装置１５は、図１９に示す手順で図６中のステップＳ６での処理をする。第６実施例では、ステップＳ５での処理が終了するとステップＳ８１に処理を進め、ステップＳ８１では、ステップＳ５で求めた総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、ステップＳ８２に処理を進める。
【００９５】
ステップＳ８２では、上述のステップＳ２で演算した空気圧力要求値を第２実施例と同様に処理することで空気圧力制御の目標値tPr_airを演算して、ステップＳ８３に処理を進める。
【００９６】
ステップＳ８３では、その時のコンプレッサ３の消費電力Ｐcomp'を電力出力増減用補機消費電力演算部３２により演算して、ステップＳ８４に処理を進める。
【００９７】
ステップＳ８４では、バッテリ１０に充電可能な電力である充電上限値Ｐchglmtを演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ８５に処理を進める。
【００９８】
ステップＳ８５では、ステップＳ８１で読み出した総発電力Ｐall、ステップＳ８３で演算した消費電力Ｐcomp'及びステップＳ８４で演算した充電上限値Ｐchglmtに基づいて余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算して、ステップＳ７に処理進める。
【００９９】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、コンプレッサ３の消費電力を燃料電池スタック１の出力が増加しない範囲で増加させると共に、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadをバッテリ１０の放充電可能範囲で変化させて余剰電力Ｐsurpを決定することができる。
【０１００】
<<制御装置による電力消費処理手順（第７実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第７実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【０１０１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図２０に示すように、総発電力Ｐallを、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力との和とする。また、制御装置１５は、余剰電力Ｐsurpを、コンプレッサ３での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０での充電上限値を除いた値とする。更に、制御装置１５では、求めた余剰電力Ｐsurpを補機で消費すると共に、コンプレッサ３を駆動して消費し、電力出力増減用外補機で消費すると共に、バッテリ１０に充電をする制御をする。
【０１０２】
<<制御装置による電力消費処理手順（第８実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第８実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【０１０３】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図２１に示すように、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力との和を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力を増加させる制御をする。また、制御装置１５は、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力及びバッテリ１０への充電上限値を除算した余剰電力を電力出力増減用外補機で消費する。このとき、制御装置１５は、充放電可能範囲でバッテリ１０を使用して、電力出力増減用外補機の消費電力を制御する。
【０１０４】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池車両の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図４】コンプレッサの消費電力と燃料電池スタックからの発電電力との関係を示す図である。
【図５】第１実施例の電力消費処理における総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図６】制御装置による電力消費処理（第１実施例）を行うときの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】制御装置により総発電力Ｐallを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図８】制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図９】制御装置により余剰電力を消費するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施例の電力消費処理における総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１１】第２実施例における余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】第３実施例の電力消費処理において、回生電力を含む総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１３】第３実施例の電力消費処理における総発電力Ｐallを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】第４実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１５】第５実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１６】第５実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】第５実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを消費するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１８】第６実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１９】第６実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図２０】第７実施例の電力消費処理において、回生電力を含む総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図２１】第８実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 純水供給ポンプ
３ コンプレッサ
４ 冷却水供給ポンプ
５ 水素ボンベ
６ 純水供給インバータ
７ コンプレッサインバータ
８ 冷却水供給インバータ
９ 加湿器
１０ バッテリ
１１ 駆動用インバータ
１２ 駆動モータ
１３ 作動装置
１４ 駆動輪
１５ 制御装置
１６ アクセル開度センサ
１７ 車速センサ
１８ ブレーキセンサ
１９ シフトスイッチ
２１ 入力ポート
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ ＣＰＵ
２４ ＲＯＭ
２５ ＲＡＭ
２６ 出力ポート
３１ 最低出力制御判定部
３２ 電力出力増減用補機消費電力演算部
３３ 総発電力演算部
３４ 余剰電力演算部
３５ 電力出力増減用補機目標動作点演算部
３６ 電力出力増減用外補機目標動作点演算部
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の出力を増減する補機及び燃料電池の出力の増減に寄与しない補機を制御して、燃料電池から発電した電力を駆動モータ等の負荷回路に供給する燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池からの発電電力を駆動源として駆動する燃料電池搭載車両が知られている。この燃料電池搭載車両では、燃料電池からなるエネルギー発生手段と、バッテリ等の蓄電手段とを有し、燃料電池からの発電電力を駆動モータやバッテリに供給する制御をする制御装置を備える。
【０００３】
この制御装置では、燃費及び運転性の向上を図り、車両減速時に駆動モータで使用されずに発生する回生電力を蓄電手段に充電する制御を行うことが多く、特開２０００−９２６１０号公報で開示されている。
【０００４】
この特開２０００−９２６１０号公報で開示されている制御装置は、車両速度が高い場合には蓄電手段の目標充電レベルを低く設定することで、例えば車両速度が高速から低速に減速したときに発生する大きな回生電力を蓄電手段に充電することを可能にする。一方、この制御装置では、車両速度が低い場合には蓄電手段の目標充電レベルを高く設定することで、車両速度が低速から高速に加速したときに必要な電力を確保する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、以下に示す問題点がある。
【０００６】
第１に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、車速により蓄電手段の充電レベル（ＳＯＣ）状態を変化させて回生電力の充電量を確保するという構成となっていたため、例えば下り坂を車両が走行しているときに駆動モータによる駆動力を発生すること無く車両速度が高くなるような場合にも、蓄電手段の充電レベルが低下したままであるため、従来の制御装置では、回生電力を蓄えるための十分な充電容量を確保することができない問題がある。
【０００７】
第２に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、低車速では充電レベルを高く設定するので、燃料電池搭載車両が停止したすぐ後に最低出力状態（アイドル状態）で余剰電力が発生した場合に、初めのうちは蓄電手段に余剰電力を充電することが可能であるが、最低出力状態が長時間連続すると、充電容量を十分に確保することができなくなり、余剰電力を消費できなくなる。
【０００８】
第３に、従来の燃料電池搭載車両の制御装置では、蓄電手段を備えることを前提としているが、近年より蓄電手段を備えない燃料電池搭載車両が提案されており、この場合には、回生電力や最低出力状態での余剰電力を蓄電することができないため、この余剰電力を処理するための手段が必要になってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した実状に鑑みて提案されたものであり、常に十分な充電レベルを保つと共に、余剰電力を確実に消費することができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、上述の課題を解決するために、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、この燃料電池からの発電電力を使用して駆動する負荷手段と、上記燃料電池が発電する電力を増減させるために消費電力が増減される電力出力増減用補機と、消費電力が増減されても上記燃料電池が発電する電力を増減させない電力出力増減用外補機とを備えた燃料電池システムの制御装置において、外部からのセンサ信号に基づいて、上記燃料電池の運転状態を検出する状態判定手段と、上記燃料電池で発電し、上記負荷手段で消費されない総発電力を演算する総発電力演算手段と、上記電力出力増減用補機が動作する目標となる第１目標消費電力を演算する第１演算手段と、上記電力出力増減用外補機が動作する目標となる第２目標消費電力を演算する第２演算手段と、上記電力出力増減用補機の消費電力を演算する消費電力演算手段と、上記総発電力から上記消費電力演算手段で演算した消費電力を減算して、上記電力出力増減用補機で消費されない余剰電力を演算する余剰電力演算手段と、上記状態判定手段により上記燃料電池の運転状態が最低出力状態であると判定したときに、上記総発電力演算手段により総発電力を演算し、上記第１演算手段により演算された第１目標消費電力で上記電力出力増減用補機が動作したときの消費電力を上記消費電力演算手段で演算し、この消費電力を総発電力から減算して上記余剰電力演算手段により余剰電力を演算し、この余剰電力を上記電力出力増減用外補機で消費する第２目標消費電力を演算するように上記第２演算手段を制御する制御手段とを備える。
【００１１】
請求項２に係る発明では、上記制御手段は、上記燃料電池の出力を増加させない範囲で上記電力出力増減用補機での消費電力を増加させるように第１演算手段を制御する処理を更に行う。
【００１２】
請求項３に係る発明では、上記総発電力演算手段は、上記負荷手段で消費されない回生電力と上記最低出力状態における上記燃料電池の発電量との和を上記総発電力量とし、上記余剰電力演算手段は上記回生電力を含む総発電量を用いて余剰電力を演算する。
【００１３】
請求項４に係る発明では、上記制御手段は、上記回生電力を含む余剰電力が上記電力出力増減用外補機の消費可能な電力以下となるように、回生電力を制御する。
【００１４】
請求項５に係る発明では、上記燃料電池車両は上記燃料電池で発電した電力を充電すると共に放電する蓄電手段を更に備え、上記余剰電力演算手段は、上記燃料電池の最低出力状態時の発電電力から上記燃料電池の電力出力増減用補機での第１消費電力と上記蓄電手段の充電可能電力を減算した値を上記余剰電力とし、上記制御手段は、演算した余剰電力以上で、且つ余剰電力と充電可能電力及び放電可能電力との合計以下の電力量を上記電力出力増減用外補機で消費するように上記第２演算手段を制御する。
【００１５】
請求項６に係る発明では、上記電力出力増減用補機は、上記燃料電池に空気を供給するコンプレッサを少なくとも含む。
【００１６】
請求項７に係る発明では、上記電力出力増減用外補機は、上記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給用ポンプ、上記燃料電池に供給する空気及び水素を加湿する水の流量を制御する加湿用ポンプ、上記冷却水を冷却するためのラジエータファンのうち少なくとも１つを含む。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、状態判定手段により燃料電池の運転状態が最低出力状態であると判定したときに、余剰電力量を電力出力増減用外補機で消費するように第２演算手段を制御するので、燃料電池での発電量を変化させることなく、常に十分な充電レベルを保つと共に、余剰電力を確実に消費することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、請求項１の発明により奏する効果に加えて、燃料電池の出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力を増加させるので、余剰電力の消費を燃料電池の電力出力増減用補機と電力出力増減用外補機で分担することができ、消費可能な余剰電力の範囲を広げることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、請求項２の発明により奏する効果に加えて、負荷手段で消費されない回生電力と最低出力状態における上記燃料電池の発電量との和を総発電力量とし、余剰電力演算手段により回生電力を含む総発電量を用いて余剰電力を演算するので、回生電力が蓄電手段に蓄電されることによる蓄電手段の過充電を防止することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、請求項１の発明により奏する効果に加えて、回生電力を含む余剰電力が電力出力増減用外補機の消費可能な電力以下となるように、回生電力を制御するので、補機を保護しつつ回生することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の最低出力状態時の発電電力から燃料電池の電力出力増減用補機での第１消費電力と蓄電手段の充電可能電力を減算した値を余剰電力とし、演算した余剰電力以上で、且つ余剰電力と充電可能電力及び放電可能電力との合計以下の電力量を電力出力増減用外補機で消費するように第２演算手段を制御するので、蓄電手段の充放電可能範囲を利用して余剰電力を消費することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、電力出力増減用補機として燃料電池に空気を供給するコンプレッサを少なくとも含むので、燃料電池の最低出力を増加させない範囲でコンプレッサの消費電力を増加させて、余剰電力の消費を容易とすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によれば、電力出力増減用外補機として燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給用ポンプ、燃料電池に供給する空気及び水素を加湿する水の流量を制御する加湿用ポンプ、冷却水を冷却するためのラジエータファンのうち少なくとも１つを含むので、燃料電池システム全体の運転状態に応じて最適な電力出力増減用外補機を用いて、容易に余剰電力を消費することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
本発明は、例えば図１に示す燃料電池車両に適用される。
【００２６】
［本発明を適用した燃料電池車両の構成（図１）］
図１からわかるように、燃料電池車両は、水素含有ガス及び空気が供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をする。
【００２７】
燃料電池車両は、燃料電池スタック１に供給する空気及び水素ガスを加湿するのに使用される純水を貯蔵する図示しない純水タンク内の純水を流通させる純水供給ポンプ２と、燃料電池スタック１に空気を供給するコンプレッサ３と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水を供給する冷却水供給ポンプ４と、燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素ボンベ５とを備える。
【００２８】
また、この燃料電池車両は、後述の制御装置からの制御信号に従って、燃料電池スタック１で発電した直流電圧を所定周波数の交流電圧にする純水供給インバータ６と、コンプレッサインバータ７と、冷却水供給インバータ８とを備える。
【００２９】
更に、この燃料電池車両は、純水供給ポンプ２からの純水を用いてコンプレッサ３からの空気及び水素ボンベ５からの水素ガスに加湿をして燃料電池スタック１に空気及び水素ガスを供給する加湿器９を備える。
【００３０】
更にまた、この燃料電池車両は、燃料電池スタック１からの発電電力を蓄えるバッテリ１０と、負荷を駆動するための駆動用インバータ１１と、負荷となる駆動モータ１２と、駆動モータ１２による駆動力を伝達する作動装置１３と、作動装置１３から伝達された駆動力で駆動する駆動輪１４とを備える。
【００３１】
更にまた、燃料電池車両は、上述した各部を制御する制御装置１５を備える。制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８、シフトスイッチ１９と接続され、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７及びブレーキセンサ１８からセンサ信号が入力されると共に、シフトスイッチ１９からスイッチ信号が入力される。制御装置１５は、センサ信号及びスイッチ信号に基づいて、純水供給インバータ６、コンプレッサインバータ７、冷却水供給インバータ８及び駆動用インバータ１１に制御信号を出力して各部の動作を制御する。
【００３２】
このような燃料電池車両では、燃料電池スタック１で発電させて駆動モータ１２を駆動させるときには、純水供給ポンプ２を駆動して加湿器９に純水を供給するように純水供給インバータ６を制御すると共に、コンプレッサ３を駆動して加湿器９を介して燃料電池スタック１に空気及び水素ガスを供給するようにコンプレッサインバータ７及び水素ボンベ５を駆動し、冷却水供給ポンプ４を駆動して冷却水を燃料電池スタック１に供給するように冷却水供給インバータ８を制御する。これにより、燃料電池スタック１では、酸化剤極に空気が供給されると共に燃料極に水素ガスが供給されて発電をする。
【００３３】
制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８及びシフトスイッチ１９からの信号に基づいて、燃料電池スタック１の発電電力を認識し、燃料電池車両の状態を制御する。
【００３４】
制御装置１５は、燃料電池車両の速度を加速するアクセル操作がされたことを示すセンサ信号がアクセル開度センサ１６から入力されたことに応じて、燃料電池スタック１の発電量を多くするようにコンプレッサインバータ７及び水素ボンベ５に制御信号を出力する。
【００３５】
また、制御装置１５は、燃料電池車両の速度を減速するブレーキ操作がされたことを示すセンサ信号がブレーキセンサ１８から入力されたことに応じて、燃料電池スタック１の発電量を少なくするようにコンプレッサ３及び水素ボンベ５に制御信号を出力する。
【００３６】
ここで、燃料電池スタック１は、燃料電池車両が停止又は減速したことに応じて燃料電池スタック１の発電を停止すると、燃料電池スタック１内部のイオン交換膜の乾きや燃料極への空気通過が発生し、燃料電池スタック１を再起動するのに時間がかかるため、燃料電池を停止せずに最低出力電力（アイドル発電電力）を出力している最低出力状態がある。したがって、バッテリ１０の充電レベル（ＳＯＣ）が十分に高く、燃料電池車両が停止している場合や減速時で燃料電池スタック１の発電出力を必要としない場合には燃費向上のために発電を停止することが望ましいが、制御装置１５は、最低出力電力を発電する状態を継続するように各部を制御する必要がある。しかし、最低出力電力を継続して発電しているときに燃料電池スタック１から出力される電力から、補機を駆動する電力を差し引いた正味発電量が正の値であり、余剰であるときにはバッテリ１０の充電レベルが連続的に上昇して過電圧状態となってしまう恐れがある。これに対し、制御装置１５では、燃料電池スタック１を最低出力状態としているときに、補機により余剰な電力を消費する電力消費処理をする。
【００３７】
制御装置１５は、燃料電池スタック１からの最低出力電力から電力出力増減に使用される電力出力増減用補機での消費電力を除いた電力量をバッテリ１０に充電できる範囲内で充電し、バッテリ１０に充電できない余剰電力量を電力出力増減に使用されない電力出力増減用外補機で消費する制御をする電力消費処理をする。また、制御装置１５は、例えば燃料電池車両の速度が減速したことにより駆動モータ１２で使用されずに発生する回生電力を含む余剰電力量を補機で消費する電力消費処理をする。
【００３８】
更に、制御装置１５は、バッテリ１０への充電をせずに電力消費処理をする。すなわち制御装置１５は、余剰電力をバッテリ１０に充電せずに、燃料電池車両を構成する補機のみを使用して電力消費をする電力消費処理をする。
【００３９】
これにより、制御装置１５はバッテリ１０を過電圧状態とすることなく、最低出力状態を継続する。
【００４０】
ここで、上記電力出力増減用補機は例えばコンプレッサ３であり、上記電力出力増減用外補機は例えば純水供給ポンプ２、冷却水供給ポンプ４や図示しないラジエータ用ファンなどがある。
【００４１】
「制御装置の構成（図２）」
図２に、制御装置１５の内部構成を示す。図２からわかるように、制御装置１５は、アクセル開度センサ１６、車速センサ１７、ブレーキセンサ１８やその他のセンサからセンサ信号を入力する入力ポート２１と、入力ポート２１で入力したセンサ信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器２２と、Ａ／Ｄ変換器２２からのデータを使用して電力消費処理をするＣＰＵ（Central Processing Unit）２３と、電力消費処理を実行するための電力消費プログラムや各種データなどを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）２４と、ＣＰＵ２３のプログラム実行中の作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）２５と、ＣＰＵ２３で生成した制御信号を各部に出力する出力ポート２６とを備える。
【００４２】
このような制御装置１５では、各種センサからセンサ信号がＡ／Ｄ変換器２２を介して入力され、センサ信号に基づいて、燃料電池車両を構成する補機の駆動量などを演算して、純水供給ポンプ２やコンプレッサ３、冷却水供給ポンプ４及び純水供給インバータ６に制御信号を出力ポート２６から出力する。
【００４３】
また、制御装置１５では、各種センサ信号に基づいて電力消費処理をするときには、ＲＯＭ２４から電力消費処理プログラムや各種データを読み出して、ＲＡＭ２５を作業領域として使用して補機を駆動する制御信号を出力ポート２６を介して出力する。
【００４４】
「ＣＰＵの機能的な構成（図３）」
図３に、ＣＰＵ２３の機能的な構成を示す。図３からわかるように、ＣＰＵ２３は、各種センサ信号に基づいて燃料電池スタック１が最低出力状態となっているか否かを判定する最低出力制御判定部３１と、電力出力増減用補機の消費電力を演算する電力出力増減用補機消費電力演算部３２と、燃料電池スタック１の総発電電力を演算する総発電力演算部３３と、最低出力制御判定部３１、電力出力増減用補機消費電力演算部３２及び総発電力演算部３３からの出力情報に基づいて余剰電力を演算する余剰電力演算部３４と、最低出力制御判定部３１からの出力情報に基づいて電力出力増減用補機を駆動する目標点となる目標動作点を演算する電力出力増減用補機目標動作点演算部３５と、余剰電力演算部３４からの出力情報に基づいて電力出力増減用外補機を駆動する目標点となる目標動作点を演算する電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６とを備える。
【００４５】
このような構成のＣＰＵ２３では、最低出力制御判定部３１により燃料電池スタック１が最低出力状態となっている場合に、上記電力消費処理を行うに際して、コンプレッサ３等の電力出力増減用補機での消費電力を電力出力増減用補機消費電力演算部３２で演算すると共に、最低出力電力或いは回生電力を含む総発電力量を総発電力演算部３３で演算して、余剰電力演算部３４により余剰電力を演算し、余剰電力を消費するための電力出力増減用補機の目標動作点及び電力出力増減用外補機の目標動作点を電力出力増減用補機目標動作点演算部３５及び電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６で演算して、電力出力増減用補機及び電力出力増減用外補機に制御信号を出力する。
【００４６】
「コンプレッサの消費電力と燃料電池出力との関係」
図４に、コンプレッサ３の消費電力と燃料電池スタック１からの発電電力との関係を示す。図４からわかるように、コンプレッサ３での消費電力が大きくなることに応じて燃料電池スタック１での発電電力が大きくなる。図４では、通常の空気流量及び圧力におけるコンプレッサ３の消費電力（ｘ１）と燃料電池スタック１の発電電力との関係をｆ（ｘ）、ｆ（ｘ）からコンプレッサ３での消費電力（ｘ１）分を除いた電力をｆ（ｘ）−ｘ１、空気圧力を高くしたときにおけるコンプレッサ３の消費電力（ｘ２）と燃料電池スタック１の発電電力との関係をｆ’（ｘ）、ｆ’（ｘ）からコンプレッサ３での消費電力（ｘ２）分を除いた電力をｆ’（ｘ）−ｘ２で示す。特性ｆ（ｘ）においてコンプレッサ３以外の補機の消費電力をＰload、特性ｆ’（ｘ）においてコンプレッサ３以外の補機の消費電力をＰload’とする。
【００４７】
図４によれば、コンプレッサ３から燃料電池スタック１に供給する空気の圧力を大きくすることで、燃料電池スタック１の発電電力が同じときに、コンプレッサ３の消費電力がｘ１からｘ２に増加することがわかる。これにより、制御装置１５は、空気圧力制御の目標値を高くするようにコンプレッサ３を制御することで、同じ発電電力を得るためのコンプレッサ３の消費電力を増加させて余剰電力を消費することができる。したがって、制御装置１５は、空気圧力を高くすることでコンプレッサ３での消費電力を増加して、コンプレッサ３以外の補機で消費できる電力と合わせて消費可能な電力の範囲を大きくすることができる。
【００４８】
<<制御装置による電力消費処理手順（第１実施例）>>
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図５に示すように、燃料電池スタック１（ＦＣ）の最低出力電力を総発電力Ｐallとし、総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理をする。
【００４９】
図６に、制御装置１５により電力消費処理を行うときの処理手順を示す。図６に示す処理は、ＣＰＵ２３によりＲＯＭ２４に格納された電力消費プログラム等を読み出して実行され、所定時間毎に実行することで要求に追従して消費電力量を制御する。
【００５０】
図６によれば、先ず、ステップＳ１では、制御装置１５は外部からのセンサ信号に基づいて燃料電池車両が要求する燃料電池要求出力tPfcを演算して、ステップＳ２に処理を進める。
【００５１】
ステップＳ２では、制御装置１５はステップＳ１で演算された燃料電池要求出力tPfcに基づいてコンプレッサ３からの空気圧力の要求である空気圧力要求値tPr_air0を演算して、ステップＳ３に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ３では、制御装置１５はステップＳ１で演算された燃料電池要求出力tPfcに基づいてコンプレッサ３の目標回転数tNcompを演算して、ステップＳ４に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ４では、現在の燃料電池スタック１での発電電力が最低出力電圧（アイドル状態）であるか否かの判定を、各種センサ信号に基づいて最低出力制御判定部３１により行う。燃料電池スタック１が最低出力状態であると最低出力制御判定部３１で判定したときにはステップＳ５に処理を進め、最低出力状態でないと判定したときにはステップＳ９に処理を進める。
【００５４】
ステップＳ５では、総発電力演算部３３により総発電力Ｐallを演算してＲＡＭ２５に格納してステップＳ６に処理を進める。総発電力演算部３３により総発電力Ｐallを演算するときには、図７に示すように、先ず、ステップＳ１１では最低出力Ｐidlを演算し、次のステップＳ１２では最低出力Ｐidlに基づいて総発電力Ｐallを演算する。ここで、総発電力演算部３３は燃料電池車両が最低出力状態にあることから、最低出力Ｐidlと総発電力Ｐallとの値を同じとする。
【００５５】
ステップＳ６では、コンプレッサ３の消費電力を総発電力Ｐallから減算して余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算して、ステップＳ７に処理を進める。余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算するときには、図８に示すように、先ず、ステップＳ２１ではステップＳ５で演算した総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、次のステップＳ２２では現在のコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを電力出力増減用補機消費電力演算部３２で演算し、次のステップＳ２３では演算して得た総発電力Ｐallからコンプレッサ消費電力Ｐcompを減算して余剰電力Ｐsurpを求めてＲＡＭ２５に格納してステップＳ７に処理を進める。
【００５６】
ステップＳ７では、ステップＳ６で求めた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費するように燃料電池車両の各部を制御して、ステップＳ８に処理を進める。余剰電力Ｐsurpを消費するときには、図９に示すように、先ず、ステップＳ３１ではＲＡＭ２５から余剰電力Ｐsurpを読み出し、次のステップＳ３２では余剰電力Ｐsurpに基づいて補機消費電力Ｐloadを電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算する。この実施例では、補機消費電力Ｐloadを余剰電力Ｐsurpと同じ値とするように補機消費電力Ｐload'だけ増加させる。次のステップＳ３３では、演算した補機消費電力に基づいて、補機の動作目標点を演算して処理を終了する。ここで、制御装置１５は熱制御や水制御による補機の目標動作点、例えば冷却水供給ポンプ４の回転数として動作目標点tNpompを演算し、動作目標点tNpompを補機消費電力Ｐloadの関数ｇ（）として表現する。
【００５７】
ステップＳ８では、ステップＳ７で求めた動作目標点にしたがって、電力出力増減用外補機に制御信号を出力することで、余剰電力Ｐsurpを消費する。この例では、制御装置１５から冷却水供給ポンプ４に動作目標点tNpompの回転数で動作することを示す制御信号を冷却水供給インバータ８に出力して、余剰電力Ｐsurpを消費する。
【００５８】
一方、ステップＳ４で現在の燃料電池スタック１での発電電力が最低出力電圧でないと判定したステップＳ９では、コンプレッサ３からの目標空気圧力tPr_airを演算してステップＳ１０に処理を進める。
【００５９】
ステップＳ１０では、熱制御や水制御を行う電力出力増減用外補機の目標動作点を演算してステップＳ８の処理をして処理を終了する。
【００６０】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両では、燃料電池スタック１が最低出力状態となっているときには、ステップＳ５〜ステップＳ７までの処理を行うことにより、余剰電力Ｐsurpを冷却水供給ポンプ４などの電力出力増減用外補機で消費する処理をするので、燃料電池スタック１での発電量を変化させることなく、余剰電力Ｐsurpを消費することができる。したがって、この燃料電池車両によれば、燃料電池の発電電力を制御することなく余剰電力Ｐsurpを確実に消費することができる。
【００６１】
また、この燃料電池車両によれば、バッテリ１０を過電圧状態とすることなく、アイドル発電状態を継続することが可能である。
【００６２】
更に、この燃料電池車両によれば、制御装置１５により燃料電池システム全体の運転状態に応じて最適な電力出力増減用外補機を選択して、余剰電力を消費する制御をすることで、容易に余剰電力を消費することができる。
【００６３】
<<制御装置による電力消費処理手順（第２実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第２実施例では上述の第１実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００６４】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１０に示すように、燃料電池スタック１の最低出力電力を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲でコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを増加させ、総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理をする。
【００６５】
第２実施例では、上述の図６のステップＳ６において、図１１に示す処理を行って余剰電力Ｐsurpを演算する点で、第１実施例と異なる。図１１によれば、先ず、ステップＳ４１では、ステップＳ５で演算した総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出す処理をしてステップＳ４２に処理を進める。
【００６６】
ステップＳ４２では、ステップＳ２で演算した空気圧力要求値tPr_air0に空気圧力の変化分dPr_airを加算して補正することで空気圧力目標値tPr_airを演算して、ステップＳ４３に処理を進める。ここで、変化分dPr_airは、燃料電池スタック１からの最低出力電力を増加させない範囲とする。
【００６７】
ステップＳ４３では、ステップＳ４２で演算した空気圧力目標値tPr_airで動作したときのコンプレッサ３の消費電力Ｐcomp’を演算して、ステップＳ４４に処理を進める。
【００６８】
ステップＳ４４では、ステップＳ４１で読み出した総発電力ＰallからステップＳ４３で演算した消費電力Ｐcomp’を減算して余剰電力Ｐsurpを演算する。
【００６９】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、最低出力を増加させない範囲でコンプレッサ３の消費電力を増加させて余剰電力Ｐsurpの一部を消費すると共に、その小さくした余剰電力を電力出力増減用外補機で消費することができ、余剰電力Ｐsurpの消費を電力出力増減用補機及び電力出力増減用外補機で分担することができるので、第１実施例で発揮する効果に加えて、消費可能な余剰電力の範囲を広げることができる。
【００７０】
<<制御装置による電力消費処理手順（第３実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第３実施例では上述の第１実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００７１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１２に示すように、総発電力Ｐallを燃料電池スタック１の最低出力電力と回生電力との和とし、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcompを除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理を行う。
【００７２】
第３実施例では、上述の図６のステップＳ５において、図１３に示す処理を行って総発電力Ｐallを演算する点で、第１実施例と異なる。図１３によれば、先ず、ステップＳ５１では燃料電池スタック１の最低電力Ｐidlを演算してステップＳ５２に処理を進める。
【００７３】
ステップＳ５２では、ステップＳ５１で最低電力Ｐidlを演算したときの回生電力Ｐrecを演算して、ステップＳ５３に処理を進める。
【００７４】
ステップＳ５３では、ステップＳ５１で求めた最低電力Ｐidlと回生電力Ｐrecとを加算して総発電力Ｐallを求めて、ステップＳ６に処理を進めて、ステップＳ６以降の処理を行う
これにより、燃料電池車両では、求めた総発電力Ｐallからコンプレッサ３での消費電力Ｐcompを減算して余剰電力Ｐsurpを求め、この余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する。
【００７５】
このような処理を行う制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、総発電力Ｐallに回生電力Ｐrecを含めて余剰電力Ｐsurpを消費するので、例えば車速が減速したときに回生電力Ｐrecが発生したときでもバッテリ１０を過電圧とすることがない。
【００７６】
また、この燃料電池車両では、第３実施例で説明した処理及び第２実施例で説明した処理を行っても良いことは勿論であり、これにより、第１実施例及び第２実施例で発揮できる効果を併せて発揮することができる。
【００７７】
<<制御装置による電力消費処理手順（第４実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力消費処理について説明する。なお、以下に説明する第４実施例では上述実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００７８】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、図１４に示すように、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力Ｐrecとの和を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機の消費電力を増加させ、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力を除いた余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する電力消費処理を行う。
【００７９】
このような処理を行う制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、回生電力を燃料電池スタック１の電力出力増減用外補機でその時に消費可能な電力で消費するので、補機を保護すると共に、回生することができる。
【００８０】
<<制御装置による電力消費処理手順（第５実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第５実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００８１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図１５に示すように、燃料電池スタック１の最低出力を総発電力Ｐallとし、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０の充電上限値Ｐchglmtを減算した電力量を余剰電力Ｐsurpとする。制御装置１５は、バッテリ１０の充電上限の範囲の充電可能電力がある場合には総発電力Ｐallを、電力出力増減用補機、電力出力増減用外補機、バッテリ１０の充電により消費する。また、制御装置１５は、バッテリ１０の放電上限の範囲の放電可能電力がある場合には、総発電力Ｐallの一部を消費すると共に、バッテリ１０から放電上限値Ｐdchglmtを補機に供給して、バッテリ１０の電力を放電することができる。このように、制御装置１５は、余剰電力Ｐsurpを消費したうえで、バッテリ１０での充放電可能範囲でバッテリ１０へ充放電するように電力出力増減用外補機の駆動量を制御する。
【００８２】
第５実施例では、制御装置１５は、図１６に示す手順で図６中のステップＳ６での処理をし、次いで図１７に示す手順で図６中のステップＳ７での処理をする。第５実施例では、ステップＳ５での処理が終了するとステップＳ６１に処理を進め、ステップＳ６１では、ステップＳ５で求めた総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、ステップＳ６２に処理を進める。
【００８３】
ステップＳ６２では、その時のコンプレッサ３の消費電力Ｐcompを電力出力増減用補機目標動作点演算部３５により演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ６３に処理を進める。
【００８４】
ステップＳ６３では、バッテリ１０に充電可能な電力である充電上限値Ｐchglmtを演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ６４に処理を進める。
【００８５】
ステップＳ６４では、ステップＳ６１で読み出した総発電力Ｐallから、消費電力Ｐcomp及び充電上限値Ｐchglmtを減算して、余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを求めてＲＡＭ２５に格納して、次の図１７に示すステップＳ７１に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ７１では、ステップＳ６１でＲＡＭ２５に格納した余剰電力Ｐsurpを読み出してステップＳ７２に処理を進める。
【００８７】
ステップＳ７２では、ステップＳ６３でＲＡＭ２５に格納されたバッテリ１０の充電上限値Ｐchglmtを読み出す処理をして、ステップＳ７３に処理を進める。
【００８８】
ステップＳ７３では、その時にバッテリ１０から放電可能な電力である放電上限値Ｐdchglmtを演算して、ステップＳ７４に処理を進める。
【００８９】
ステップＳ７４では、ステップＳ７１で読み出した余剰電力Ｐsurp、ステップＳ７２で読み出した充電上限値Ｐchglmt及びステップＳ７３で演算した放電上限値Ｐdchglmtに基づいて電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadを所定の範囲内の値となるように電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算して、ステップＳ７５に処理を進める。このとき、制御装置１５では、余剰電力Ｐsurp以上で、且つ余剰電力Ｐsurp、充電上限値Ｐchglmt及び放電上限値Ｐdchglmtの合計以下となるとなるように電力出力増減用外補機での消費電力Ｐloadを演算する。
【００９０】
ステップＳ７５では、ステップＳ７４で演算した消費電力Ｐloadに基づいて、電力出力増減用外補機の目標動作点tNpompを電力出力増減用外補機目標動作点演算部３６により演算して、次のステップＳ８に処理を進める。ここで、制御装置１５は熱制御や水制御による補機の目標動作点、例えば冷却水供給ポンプ４の回転数として動作目標点tNpompを演算し、動作目標点tNpompを補機消費電力Ｐloadの関数ｇ（）として表現する。
【００９１】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、燃料電池車両が充電可能なバッテリ１０を備えており、コンプレッサ３以外の補機で余剰電力Ｐsurpを消費する際に、少なくとも余剰電力Ｐsurp以上で、且つ余剰電力Ｐsurpと充電上限値Ｐchglmt及び放電上限値Ｐdchglmtの合計以下となるように例えば冷却水供給ポンプ４などの電力出力増減用外補機の目標動作点となるように消費電力Ｐloadを決定するので、バッテリ１０の充放電可能範囲を利用して余剰電力Ｐsurpを消費することができる。
【００９２】
<<制御装置による電力消費処理手順（第６実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第６実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【００９３】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図１８に示すように、燃料電池スタック１の最低出力を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力Ｐcompを増加させる制御をする。また、制御装置１５は、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０への充電上限値を減算した余剰電力Ｐsurpを電力出力増減用外補機で消費する。このとき、制御装置１５は、充放電可能範囲でバッテリ１０を使用して、電力出力増減用外補機の消費電力を制御する。
【００９４】
第６実施例では、制御装置１５は、図１９に示す手順で図６中のステップＳ６での処理をする。第６実施例では、ステップＳ５での処理が終了するとステップＳ８１に処理を進め、ステップＳ８１では、ステップＳ５で求めた総発電力ＰallをＲＡＭ２５から読み出し、ステップＳ８２に処理を進める。
【００９５】
ステップＳ８２では、上述のステップＳ２で演算した空気圧力要求値を第２実施例と同様に処理することで空気圧力制御の目標値tPr_airを演算して、ステップＳ８３に処理を進める。
【００９６】
ステップＳ８３では、その時のコンプレッサ３の消費電力Ｐcomp'を電力出力増減用補機消費電力演算部３２により演算して、ステップＳ８４に処理を進める。
【００９７】
ステップＳ８４では、バッテリ１０に充電可能な電力である充電上限値Ｐchglmtを演算してＲＡＭ２５に格納して、ステップＳ８５に処理を進める。
【００９８】
ステップＳ８５では、ステップＳ８１で読み出した総発電力Ｐall、ステップＳ８３で演算した消費電力Ｐcomp'及びステップＳ８４で演算した充電上限値Ｐchglmtに基づいて余剰電力演算部３４により余剰電力Ｐsurpを演算して、ステップＳ７に処理進める。
【００９９】
このような処理をする制御装置１５を備えた燃料電池車両によれば、コンプレッサ３の消費電力を燃料電池スタック１の出力が増加しない範囲で増加させると共に、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadをバッテリ１０の放充電可能範囲で変化させて余剰電力Ｐsurpを決定することができる。
【０１００】
<<制御装置による電力消費処理手順（第７実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第７実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【０１０１】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図２０に示すように、総発電力Ｐallを、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力との和とする。また、制御装置１５は、余剰電力Ｐsurpを、コンプレッサ３での消費電力Ｐcomp及びバッテリ１０での充電上限値を除いた値とする。更に、制御装置１５では、求めた余剰電力Ｐsurpを補機で消費すると共に、コンプレッサ３を駆動して消費し、電力出力増減用外補機で消費すると共に、バッテリ１０に充電をする制御をする。
【０１０２】
<<制御装置による電力消費処理手順（第８実施例）>>
つぎに、制御装置１５による他の電力制御処理について説明する。なお、以下に説明する第８実施例では上述の実施例と同じ部分の説明は省略する。
【０１０３】
制御装置１５は、最低出力状態としている場合において、電力消費処理を行うときには、図２１に示すように、燃料電池スタック１の最低出力とその時の回生電力との和を総発電力Ｐallとし、燃料電池スタック１の最低出力を増加させない範囲で電力出力増減用補機での消費電力を増加させる制御をする。また、制御装置１５は、総発電力Ｐallから電力出力増減用補機での消費電力及びバッテリ１０への充電上限値を除算した余剰電力を電力出力増減用外補機で消費する。このとき、制御装置１５は、充放電可能範囲でバッテリ１０を使用して、電力出力増減用外補機の消費電力を制御する。
【０１０４】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池車両の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した制御装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【図４】コンプレッサの消費電力と燃料電池スタックからの発電電力との関係を示す図である。
【図５】第１実施例の電力消費処理における総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図６】制御装置による電力消費処理（第１実施例）を行うときの処理手順を示すフローチャートである。
【図７】制御装置により総発電力Ｐallを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図８】制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図９】制御装置により余剰電力を消費するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施例の電力消費処理における総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１１】第２実施例における余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】第３実施例の電力消費処理において、回生電力を含む総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１３】第３実施例の電力消費処理における総発電力Ｐallを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１４】第４実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１５】第５実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐall、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１６】第５実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１７】第５実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを消費するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１８】第６実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図１９】第６実施例の電力消費処理において、制御装置により余剰電力Ｐsurpを演算するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図２０】第７実施例の電力消費処理において、回生電力を含む総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【図２１】第８実施例の電力消費処理において、総発電力Ｐsurp、コンプレッサの消費電力Ｐcomp、バッテリの放電上限値Ｐdchglmt及び充電上限値Ｐchglmt、余剰電力Ｐsurp、電力出力増減用外補機の消費電力Ｐloadの関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 純水供給ポンプ
３ コンプレッサ
４ 冷却水供給ポンプ
５ 水素ボンベ
６ 純水供給インバータ
７ コンプレッサインバータ
８ 冷却水供給インバータ
９ 加湿器
１０ バッテリ
１１ 駆動用インバータ
１２ 駆動モータ
１３ 作動装置
１４ 駆動輪
１５ 制御装置
１６ アクセル開度センサ
１７ 車速センサ
１８ ブレーキセンサ
１９ シフトスイッチ
２１ 入力ポート
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ ＣＰＵ
２４ ＲＯＭ
２５ ＲＡＭ
２６ 出力ポート
３１ 最低出力制御判定部
３２ 電力出力増減用補機消費電力演算部
３３ 総発電力演算部
３４ 余剰電力演算部
３５ 電力出力増減用補機目標動作点演算部
３６ 電力出力増減用外補機目標動作点演算部
Claims (7)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電をする燃料電池と、この燃料電池からの発電電力を使用して駆動する負荷手段と、上記燃料電池が発電する電力を増減させるために消費電力が増減される電力出力増減用補機と、消費電力が増減されても上記燃料電池が発電する電力を増減させない電力出力増減用外補機とを備えた燃料電池システムの制御装置において、
外部からのセンサ信号に基づいて、上記燃料電池の運転状態を検出する状態判定手段と、
上記燃料電池で発電し、上記負荷手段で消費されない総発電力を演算する総発電力演算手段と、
上記電力出力増減用補機が動作する目標となる第１目標消費電力を演算する第１演算手段と、
上記電力出力増減用外補機が動作する目標となる第２目標消費電力を演算する第２演算手段と、
上記電力出力増減用補機の消費電力を演算する消費電力演算手段と、
上記総発電力から上記消費電力演算手段で演算した消費電力を減算して、上記電力出力増減用補機で消費されない余剰電力を演算する余剰電力演算手段と、
上記状態判定手段により上記燃料電池の運転状態が最低出力状態であると判定したときに、上記総発電力演算手段により総発電力を演算し、上記第１演算手段により演算された第１目標消費電力で上記電力出力増減用補機が動作したときの消費電力を上記消費電力演算手段で演算し、この消費電力を総発電力から減算して上記余剰電力演算手段により余剰電力を演算し、この余剰電力を上記電力出力増減用外補機で消費する第２目標消費電力を演算するように上記第２演算手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。 - 上記制御手段は、上記燃料電池の出力を増加させない範囲で上記電力出力増減用補機での消費電力を増加させるように第１演算手段を制御する処理を更に行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
- 上記総発電力演算手段は、上記負荷手段で消費されない回生電力と上記最低出力状態における上記燃料電池の発電量との和を上記総発電力量とし、
上記余剰電力演算手段は上記回生電力を含む総発電量を用いて余剰電力を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。 - 上記制御手段は、上記回生電力を含む余剰電力が上記電力出力増減用外補機の消費可能な電力以下となるように、回生電力を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
- 上記燃料電池車両は上記燃料電池で発電した電力を充電すると共に放電する蓄電手段を更に備え、
上記余剰電力演算手段は、上記燃料電池の最低出力状態時の発電電力から上記燃料電池の電力出力増減用補機での第１消費電力と上記蓄電手段の充電可能電力を減算した値を上記余剰電力とし、
上記制御手段は、演算した余剰電力以上で、且つ余剰電力と充電可能電力及び放電可能電力との合計以下の電力量を上記電力出力増減用外補機で消費するように上記第２演算手段を制御することを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか一に記載の燃料電池システムの制御装置。 - 上記電力出力増減用補機は、上記燃料電池に空気を供給するコンプレッサを少なくとも含むことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 上記電力出力増減用外補機は、上記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給用ポンプ、上記燃料電池に供給する空気及び水素を加湿する水の流量を制御する加湿用ポンプ、上記冷却水を冷却するためのラジエータファンのうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか一に記載の燃料電池システムの制御装置。
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