JP3900813B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充放電制御に関し、特に、二次電池の置かれた環境や状態に基づき充放電電力を制限する充放電制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックに燃料を供給する場合、改質ガスを生成する燃料改質タイプと、水素を貯蔵する水素貯蔵タイプとの２つに大別される。
燃料改質タイプでは、メタノール水溶液を水蒸気により改質して生成された水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を燃料電池スタックのアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池スタックの外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００３】
車両に搭載するための燃料電池スタックでは、特に、定期的なルート走行を目的としない乗用車等においては、メタノール水溶液を補給することが困難なことが考えられる。このため、メタノールだけを補給し、必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方法が現実的である。
【０００４】
一方、水素貯蔵タイプでは、貯蔵された水素を加湿して燃料電池スタックのアノード側電極に供給するとともに、空気も加湿してカソード側電極に供給することにより、水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
車両に搭載するための燃料電池スタックでは、特に、定期的なルート走行を目的としない乗用車等においては、水素や空気を加湿するために必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方式が現実的であるため、比較的大容量の水タンクが必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料改質タイプでは、比較的大容量の水タンクを車両に設けるために、寒冷地で使用する際に、改質に必要な水が凍結するおそれがあり、燃料電池スタックの円滑な始動が困難になるといった問題があった。
また、水素貯蔵タイプの燃料電池システムを搭載した車両では、寒冷地で使用する際には、水素や空気を加湿するために必要な水が凍結する恐れがある。
【０００６】
このため、凍結した氷を電気ヒータで解凍する必要があり、氷を解凍するには大きな二次電池を搭載する必要があった。
また、二次電池は温度特性を持っており、低温時には使用できる電力容量が小さくなるため、温度特性を考慮するとさらに大きな二次電池が必要になるといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、二次電池の使用環境や状態に応じて最適な放電管理を行え、搭載電池量の低減と確実な起動に寄与することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池スタックにより発電された高電圧系の電力を蓄積する二次電池と、二次電池の電圧より低い低電圧系のバッテリと、二次電池の電圧からバッテリの電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、燃料電池スタックに供給する燃料および空気を加湿するための水を蓄積する水タンクと、バッテリからの電力により水タンクを解凍する電気ヒータとを備えた燃料電池システムであって、前記二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段と、前記二次電池の電圧に対応する二次電池容量を算出する二次電池容量算出手段と、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記バッテリの電圧に対応するバッテリ容量を算出するバッテリ容量算出手段と、算出されたバッテリ容量と二次電池容量に基づいて、使用可能電力を算出する使用可能電力算出手段と、前記水タンクの温度を検出する水タンク温度検出手段と、検出された水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出する解凍必要電力算出手段と、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御する制御手段とを備えたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御する電力制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記二次電池から前記バッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段を備え、前記制御手段は、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記バッテリからの電力により動作する補機と、前記バッテリから補機に供給される電力を停止する停止手段とを備え、前記制御手段は、前記水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように停止手段を制御することを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、外気温度を検出する外気温検出手段を備え、前記解凍必要電力算出手段は、外気温に応じて前記水タンクの容量を変更することを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、バッテリの電圧に対応するバッテリ容量と、二次電池の電圧に対応する二次電池容量とに基づいて、使用可能電力を算出し、水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出し、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御することで、二次電池の容量およびバッテリの容量を少なくでき、低温環境下でも確実に水タンクを解凍することができる。
【００１５】
また、請求項２記載の本発明によれば、二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御するので、二次電池からの電力を低くして電気ヒータに供給でき、二次電池の放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００１６】
また、請求項３記載の本発明によれば、バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、二次電池からバッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、バッテリの放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００１７】
また、請求項４記載の本発明によれば、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、二次電池の温度特性に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して二次電池からバッテリに電力を供給することができる。
【００１８】
また、請求項５記載の本発明によれば、水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように制御することで、水タンクを解凍する際の消費電力の削減に寄与することができる。
【００１９】
また、請求項６記載の本発明によれば、外気温に応じて水タンクの容量を変更することで、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を正確に算出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
燃料電池スタック１１は、燃料極に供給される純水素と、空気極に供給される空気中の酸素とを用いて発電を行うセルが多段積層された構造を有しており、例えば３４０Ｖ程度の電圧を発電可能である。この燃料電池スタック１１の電力取り出し端子には燃料電池スタック１１の出力を制御する強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接続されている。
【００２１】
この強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力には、強電電力（３４０Ｖ）を貯蔵する二次電池１５と、強電（３４０Ｖ）を１２Ｖに電力変換する１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、走行に用いるモータ１９に電力を供給するモータＩＮＶ（インバータ）２１とが並列に接続されている。
【００２２】
モータ１９は、減速機（図示せず）を介してタイヤを回転して車両を駆動させる。
１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力には、１２Ｖバッテリ２３が接続されている。さらに、１２Ｖバッテリ２３には、電気ヒータ２５に供給する電力を制御する電力制御部２７と、１２Ｖ補機３３が接続されている。
【００２３】
上述したモータインバータ２１、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、燃料電池スタック１１、電力制御部２７、燃料電池スタック１１の発電に必要な水素ガス、空気を加湿する加湿器３５がコントローラ３７によって制御される。
コントローラ３７は、内部に制御プログラムを記憶したＲＯＭと、制御時のワークエリアとなるＲＡＭと、水タンクを解凍するときの経過時間を計時する解凍タイマとを有している。コントローラ３７には、二次電池１５の温度を検出する二次電池温度検出部３９と、水タンク４１の温度を検出する水タンク温度検出部４３と、二次電池１５の電圧を検出する二次電池電圧検出部４５と、１２Ｖバッテリ２３の電圧を検出する１２Ｖバッテリ電圧検出部４７と、１２Ｖバッテリ２３の温度を検出する１２Ｖバッテリ温度検出部４９と、外気温度を検出する外気温度検出部５１が接続されている。また、コントローラ３７には、車両（システム）を起動するためのＩＧＮ ＳＷ５３と、運転者に解凍モードでの解凍時間や解凍の可否を表示するインストルメントパネル５５が接続されている。
【００２４】
次に、図２〜図５に示す制御フローチャートを参照して、第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図５に示す制御フローチャートは、コントローラ３７のＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
まず、運転者によりＩＧＮ ＳＷ５３に設けられたキーシリンダにキーが差し込まれ、スタート位置までキーが回転されたこととする。この時、１２Ｖバッテリ２３からの電力がコントローラ３７へ供給され、ステップＳ１０での解凍ステップが開始される。
ステップＳ２０では、ＩＧＮ ＳＷ５３の状態を検出しており、ＩＧＮ ＳＷ５３がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わった時からステップＳ３０へ進む。
【００２５】
ステップＳ３０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出し、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、二次電池電圧検出部４５で二次電池電圧を検出し、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で１２Ｖバッテリ電圧を検出し、１２Ｖバッテリ温度検出部４９で１２Ｖバッテリ温度を検出し、外気温度検出部５１で外気温度を検出して、それぞれの検出結果がコントローラ３７に出力されてＲＡＭに記憶される。
ステップＳ４では、コントローラ３７は、ステップＳ３０で測定した水タンク温度が０℃より高いかどうかを判断する。水タンク温度が０℃より高い場合にはステップＳ５０へ進み、水タンク温度が０℃より低い場合にはステップＳ７０へ進む。
【００２６】
ステップＳ５０では、水タンク温度が０℃より高いので解凍せずに燃料電池システムを起動ができると判断しステップＳ６０へ進み、解凍ステップによる処理を終了する。
一方、ステップＳ７０では、コントローラ３７は使用可能電力を計算するため、図３に示すサブルーチンのステップＳ３００に進む。
【００２７】
ここで、図３に示すサブルーチンを参照して、１２Ｖバッテリの使用可能電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ３００では、使用可能電力の計算ステップをスタートする。
【００２８】
ステップＳ３１０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出し、二次電池電圧検出部４５で二次電池電圧を検出し、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で１２Ｖバッテリ電圧を検出し、１２Ｖバッテリ温度検出部５１で１２Ｖバッテリ温度を検出して、それぞれの検出結果をコントローラ３７に記憶し、ステップＳ３２０へ進む。
【００２９】
ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０でＲＡＭに記憶した二次電池電圧および１２Ｖバッテリ電圧を読み出し、図６に示す二次電池の電圧−容量特性マップと、図７に示す１２Ｖバッテリの電圧−容量特性マップから、二次電池電圧Ａに応じた二次電池容量Ｂと、１２Ｖバッテリ電圧Ｃに応じた１２Ｖバッテリ容量Ｄを読み込み、ステップＳ３３０へ進む。
【００３０】
ステップＳ３３０では、ステップＳ３１０でＲＡＭに記憶した二次電池温度を読み出し、コントローラ３７に設けられているＲＯＭに予め記憶されている二次電池温度−温度係数の特性マップから当該二次電池温度に対応する温度係数を読み込み、ステップＳ３４０へ進む。
【００３１】
ステップＳ３４０では、コントローラ３７内に格納されている劣化係数（ステップＳ６１０）を読み込みステップＳ３５０へ進む。
ステップＳ３５０では、ステップＳ３２０で求めた二次電池容量Ｂ、１２Ｖバッテリ容量Ｄに対して、ステップＳ３３０で読み込んだ温度係数、ステップＳ３４０で読み込んだ劣化係数を加味した実際の二次電池容量、１２Ｖバッテリ容量として、
【数１】
１２Ｖバッテリ容量＝１２Ｖバッテリ容量Ｄ×温度係数×劣化係数
二次電池容量＝二次電池容量Ｂ×温度係数×劣化係数 ・・・（１）
をそれぞれ求め、ステップＳ３６０へ進む。
【００３２】
ステップＳ３６０では、１２Ｖバッテリ容量と１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の変換効率を加味して使用可能電力を（２）式に基づいて、求める。
【００３３】
【数２】
使用可能電力＝１２Ｖバッテリ容量＋（二次電池容量／（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の変換効率） ・・・（２）
そして、ステップＳ３７０では、使用可能電力のステップを終了してメインルーチンに復帰する。
【００３４】
そして、ステップＳ８０では、コントローラ３７は解凍必要電力を計算するため、図４に示すサブルーチンのステップＳ４００に進む。
【００３５】
ここで、図４に示す制御フローチャートを参照して、解凍必要電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ４００では、解凍電力計算ステップをスタートする。
ステップＳ４１０では、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶し、ステップＳ４２０へ進む。
【００３６】
ステップＳ４２０では、ステップＳ４１０でＲＡＭに記憶してある水タンク温度を読み出し、この水タンク温度と水タンクの容量（質量）に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を計算し、ステップＳ４３０へ進む。
【００３７】
【数３】
解凍必要電力＝水タンク質量×｜（０℃−水タンク温度）｜×４．１２／３６００ ・・・（３）
ステップＳ４３０では、解凍電力計算ステップを終了し、メインルーチンに復帰する。
【００３８】
図２に移り、ステップＳ９０では、ステップＳ７０で求めた使用可能電力の方がステップＳ８０で求めた解凍必要電力より大きいかどうかを比較する。使用可能電力≦解凍必要電力の場合にはステップＳ１００へ進み、使用可能電力＞解凍必要電力の場合にはステップＳ１３０へ進む。
ステップＳ１００では、使用可能電力の方が解凍必要電力よりも小さいので、解凍モードをスタートしないことと判断し、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０では、インストルメントパネル５５に解凍不能であることを表示し、ステップＳ１２０へ進み、解凍ステップを終了する。
【００３９】
一方、ステップＳ１３０では、使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きいので解凍モードを起動することとする。電気ヒータ２５に流す電力量を決定する。そして、コントローラ３７内で１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７で変換する電力を計算する。
【００４０】
ここで、図２に示すステップＳ１３０の処理内容として、図５に示すサブルーチンを参照して、電気ヒータ２５及び１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ１７の制御動作を説明する。
ステップＳ５００では、電気ヒータ２５及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の動作ステップをスタートする。
【００４１】
ステップＳ５１０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出してＲＡＭに記憶し、ステップＳ５２０へ進む。
ステップＳ５２０では、ステップＳ５１０でＲＡＭに記憶した二次電池温度を読み出し、この二次電池温度が０℃より高いかどうかを判断する。二次電池温度が０℃より高い場合にはステップＳ５５０へ進み、二次電池温度が０℃以下の場合にはステップＳ５３０へ進む。
【００４２】
ステップＳ５３０では、ステップＳ５１０で記憶した二次電池温度を読み出し、この二次電池温度が０℃以下の場合に、予め設定しておいた設定温度Ｔ１（例えば、−１０℃）より高いかどうかを判断する。設定温度Ｔ１より高い場合には、ステップＳ５６０へ進み、設定温度Ｔ１以下の場合には、ステップＳ５４０へ進む。
【００４３】
ステップＳ５４０では、ステップＳ５１０で記憶した二次電池温度が設定温度１以下の場合に、予め設定しておいた設定温度Ｔ２（例えば、−２０℃）より高いかどうかを判断する。二次電池温度が設定温度Ｔ２より高い場合には、ステップＳ５７０へ進み、二次電池温度が設定温度Ｔ２以下の場合には、ステップＳ５８０へ進む。
【００４４】
ここで、ステップＳ５５０では、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７により検出される１２Ｖバッテリ２３の電圧が１４Ｖになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
また、ステップＳ５６０では、二次電池１５の取り出し電流が２Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
なお、二次電池１５から取り出す電流の単位Ｃは、二次電池を満充電から空まで放電させる時に、１時間で放電できる電流値を１Ｃと表こととする。例えば、放電時間が２時間なら０．５Ｃ、３時間なら０．３３Ｃ、３０分なら２Ｃ、２０分なら３Ｃとういように表す。
【００４５】
ステップＳ５７０では、二次電池１５の取り出し電流が１Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
ステップＳ５８０では、二次電池１５の取り出し電流が０．５Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
【００４６】
ステップＳ５８５では、電流（単位電力量）を流す前の二次電池電圧を二次電池電圧検出部４５で検出し、１２Ｖバッテリ電圧を１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で検出し、検出結果をＲＡＭに記憶する。
ステップＳ５９０では、電気ヒータ２５に流す単位電力量を電力制御部２７で電気ヒータ２５の定格値として最大単位電力量を電気ヒータ２５に流せるように設定し、オン制御信号を電力制御部２７に出力して電気ヒータ２５への通電を開始する。
ステップＳ６００では、電流（単位電力量）を流した後の二次電池電圧を二次電池電圧検出部４５で検出し、１２Ｖバッテリ電圧を１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で検出し、検出結果をＲＡＭに記憶する。
【００４７】
ステップＳ６１０では、ステップＳ６００でＲＡＭに記憶しておいた電気ヒータ２５に電流（単位電力量）を流す前後の二次電池電圧、１２Ｖバッテリ電圧、流した電流、ステップＳ５１０でＲＡＭに記憶しておいた二次電池温度に基づいて、二次電池１５の内部抵抗、１２Ｖバッテリ２３の内部抵抗を計算し、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶する。
【００４８】
なお、二次電池１５の内部抵抗は、
【数４】
から算出し、この内部抵抗に二次電池温度係数を加味して実際の二次電池内部抵抗を算出し、予め算出しておいた新品時の内部抵抗と比較して現在の劣化係数とし、ＲＡＭに記憶する。
【００４９】
また、１２Ｖバッテリ２３の内部抵抗は、
【数５】
から算出し、この内部抵抗に１２Ｖバッテリ温度係数を加味して実際の１２Ｖバッテリ内部抵抗を算出し、予め算出しておいた新品時の内部抵抗と比較して現在の劣化係数とし、ＲＡＭに記憶する。
なお、ＲＡＭに記憶した二次電池と１２Ｖバッテリのそれぞれの現在の劣化係数は、次回のシステム立ち上げ時にステップＳ３４０において使用するものである。
【００５０】
ステップＳ６２０では、１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３（例えば、１０Ｖ）より低いかどうかを判断する。１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３より低い場合には、ステップＳ６３０へ進み、１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３以上の場合には、ステップＳ６６０へ進む。
ステップＳ６３０では、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７によって二次電池１５から取り出す電流を設定率ｋ４（例えば、１０％）分だけ増加するように制御する。
【００５１】
ステップＳ６４０では、二次電池電圧の方が二次電池１５の下限となる下限電圧Ｖmin より低いかどうかを判断する。二次電池電圧≧下限電圧Ｖmin の場合には、テップ６６０へ進み、二次電池電圧＜下限電圧Ｖmin の場合には、ステップＳ６５０へ進む。
【００５２】
ステップＳ６５０では、１２Ｖバッテリ２３から電気ヒータ２５に流す単位電力量を電力制御部２７で設定率ｋ５（例えば、１０％）分だけ減少するように制御し、処理を終了してメインルーチンに復帰する。
【００５３】
図２に移り、ステップＳ１４０では、ステップＳ７０で計算した解凍必要電力とステップＳ１３０で計算した電気ヒータ２５に流す単位電力量に基づいて、（６）式に従って、
【数６】
解凍時間＝解凍必要電力量／（電気ヒータに流す単位電力量）・・・（６）
解凍時間を計算し、ステップＳ１５０へ進む。
【００５４】
ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で求めた解凍時間をインストルメントパネル５５に表示し、ステップＳ１６０へ進む。
ステップＳ１６０では、コントローラ３７に設けられた解凍タイマをスタートさせ、ステップＳ１７０へ進む。
【００５５】
ステップＳ１７０では、ステップＳ１６０でスタートさせた解凍タイマの経過時間とステップＳ１４０で計算した解凍時間を比較し、経過時間が解凍時間を上回るまでステップＳ１７０の時間判断処理を繰り返す。
【００５６】
ステップＳ１８０では、水タンク４１の解凍に必要な時間を超えたので、コントローラ３７に設けられた解凍タイマを停止し、水タンクの解凍モードを終了する。同時に、燃料電池システムの起動が可能と判断し、インストルメントパネル５５に解凍終了と表示しステップＳ１９０へ進む。ステップＳ１９０では、解凍ステップを終了する。
【００５７】
本発明の第１の実施の形態に関する効果としては、バッテリの電圧に対応するバッテリ容量と、二次電池の電圧に対応する二次電池容量とに基づいて、使用可能電力を算出し、水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出し、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御することで、二次電池の容量およびバッテリの容量を少なくでき、低温環境下でも確実に水タンクを解凍することができる。
【００５８】
また、二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御するので、二次電池からの電力を低くして電気ヒータに供給でき、二次電池の放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００５９】
また、バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、二次電池からバッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、バッテリの放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００６０】
また、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、二次電池の温度特性に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して二次電池からバッテリに電力を供給することができる。
この結果、二次電池の使用環境や状態に応じて最適な放電管理を行え、搭載電池量の低減と、燃料電池スタックの確実な起動に寄与することができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
本実施の形態の特徴は、遮断可能１２Ｖ補機２９への電力供給を停止させる１２Ｖ電源供給停止部３１を１２Ｖバッテリ２３と遮断可能１２Ｖ補機２９との間に接続することにある。
【００６２】
次に、図２〜図４，図９に示す制御フローチャートを参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図４に示す制御フローチャートは、第１の実施の形態において説明したので、その説明を省略する。
図９に示す制御フローチャートの特徴は、ステップＳ５９０とステップＳ６００の間にステップＳ５９５を介在させたことにあり、他のステップは図５に示す制御フローチャートと同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
すなわち、ステップＳ５９５では、コントローラ３７から停止信号を１２Ｖ電源供給停止部３１に出力して、水タンクの解凍中には、１２Ｖバッテリ２３から遮断可能１２Ｖ補機２９に供給される電力を停止するように制御する。
【００６４】
本発明の第２の実施の形態に関する効果としては、水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように制御することで、水タンクを解凍する際の消費電力の削減に寄与することができる。
【００６５】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムを図１に示す燃料電池車のシステム構成に適用させて説明する。
次に、図２，図３，図５，図１０に示す制御フローチャートを参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図３，図５に示す制御フローチャートは、第１の実施の形態において説明したので、その説明を省略する。
【００６６】
ここで、図１０に示す制御フローチャートを参照して、解凍必要電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ４５０では、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、外気温度検出部５１で外気温度を検出して、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶し、ステップＳ４６０へ進む。
【００６７】
ステップＳ４６０では、ステップＳ４５０で検出した外気温度を図１１に示す外気温−水タンク容量特性に対応させて、当該外気温度ＴE に対応する水タンクの容量ＹF を読み出す。
【００６８】
ステップＳ４７０では、ステップＳ４５０でＲＡＭに記憶してある水タンク温度を読み出し、この水タンク温度とステップＳ４６０で算出した水タンクの容量（質量）に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を上述した（３）式を用いて計算し、ステップＳ４８０へ進む。
【００６９】
ステップＳ４８０では、解凍電力計算ステップを終了し、メインルーチンに復帰する。
本発明の第３の実施の形態に関する効果としては、外気温に応じて水タンクの容量を変更することで、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を正確に算出することができる。
なお、上述した第１〜３の実施の形態においては、１２Ｖバッテリを用いて説明したが、この１２Ｖバッテリに代わって、４２Ｖバッテリを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】第１の実施の形態における使用可能電力を算出するための制御フローチャートである。
【図４】第１の実施の形態における解凍必要電力を算出するための制御フローチャートである。
【図５】第１の実施の形態における電気ヒータ及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための制御フローチャートである。
【図６】二次電池の電圧−容量特性を示す図である。
【図７】１２Ｖバッテリの電圧−容量特性を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
【図９】第２の実施の形態における電気ヒータ及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１０】第３の実施の形態における解凍必要電力を算出するための制御フローチャートである。
【図１１】外気温−水タンク容量特性を示す図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池スタック
１３ 強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 二次電池
１７ １２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ モータ
２１ モータインバータ
２３ １２Ｖバッテリ
２５ 電気ヒータ
２７ 電力制御部
２９ 遮断可能１２Ｖ補機
３１ １２Ｖ電源供給停止部
３３ １２Ｖ補機
３５ 加湿器
３７ コントローラ
３９ 二次電池温度検出部
４１ 水タンク
４３ 水タンク温度検出部
４７ １２Ｖバッテリ電圧検出部
４９ １２Ｖバッテリ温度検出部
５１ 外気温度検出部
５３ ＩＧＮ ＳＷ
５５ インストルメントパネル
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次電池の充放電制御に関し、特に、二次電池の置かれた環境や状態に基づき充放電電力を制限する充放電制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックに燃料を供給する場合、改質ガスを生成する燃料改質タイプと、水素を貯蔵する水素貯蔵タイプとの２つに大別される。
燃料改質タイプでは、メタノール水溶液を水蒸気により改質して生成された水素ガスを含む改質ガス（燃料ガス）を燃料電池スタックのアノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、水素ガスがイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池スタックの外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
【０００３】
車両に搭載するための燃料電池スタックでは、特に、定期的なルート走行を目的としない乗用車等においては、メタノール水溶液を補給することが困難なことが考えられる。このため、メタノールだけを補給し、必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方法が現実的である。
【０００４】
一方、水素貯蔵タイプでは、貯蔵された水素を加湿して燃料電池スタックのアノード側電極に供給するとともに、空気も加湿してカソード側電極に供給することにより、水素がイオン化して固体高分子電解質膜内を流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得られるように構成されている。
車両に搭載するための燃料電池スタックでは、特に、定期的なルート走行を目的としない乗用車等においては、水素や空気を加湿するために必要な水は燃料電池スタックでの反応生成水を回収して利用する方式が現実的であるため、比較的大容量の水タンクが必要となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃料改質タイプでは、比較的大容量の水タンクを車両に設けるために、寒冷地で使用する際に、改質に必要な水が凍結するおそれがあり、燃料電池スタックの円滑な始動が困難になるといった問題があった。
また、水素貯蔵タイプの燃料電池システムを搭載した車両では、寒冷地で使用する際には、水素や空気を加湿するために必要な水が凍結する恐れがある。
【０００６】
このため、凍結した氷を電気ヒータで解凍する必要があり、氷を解凍するには大きな二次電池を搭載する必要があった。
また、二次電池は温度特性を持っており、低温時には使用できる電力容量が小さくなるため、温度特性を考慮するとさらに大きな二次電池が必要になるといった問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、二次電池の使用環境や状態に応じて最適な放電管理を行え、搭載電池量の低減と確実な起動に寄与することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池スタックにより発電された高電圧系の電力を蓄積する二次電池と、二次電池の電圧より低い低電圧系のバッテリと、二次電池の電圧からバッテリの電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、燃料電池スタックに供給する燃料および空気を加湿するための水を蓄積する水タンクと、バッテリからの電力により水タンクを解凍する電気ヒータとを備えた燃料電池システムであって、前記二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段と、前記二次電池の電圧に対応する二次電池容量を算出する二次電池容量算出手段と、前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、前記バッテリの電圧に対応するバッテリ容量を算出するバッテリ容量算出手段と、算出されたバッテリ容量と二次電池容量に基づいて、使用可能電力を算出する使用可能電力算出手段と、前記水タンクの温度を検出する水タンク温度検出手段と、検出された水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出する解凍必要電力算出手段と、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御する制御手段とを備えたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御する電力制御手段を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、前記バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記二次電池から前記バッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段を備え、前記制御手段は、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを要旨とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記バッテリからの電力により動作する補機と、前記バッテリから補機に供給される電力を停止する停止手段とを備え、前記制御手段は、前記水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように停止手段を制御することを要旨とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するため、外気温度を検出する外気温検出手段を備え、前記解凍必要電力算出手段は、外気温に応じて前記水タンクの容量を変更することを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、バッテリの電圧に対応するバッテリ容量と、二次電池の電圧に対応する二次電池容量とに基づいて、使用可能電力を算出し、水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出し、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御することで、二次電池の容量およびバッテリの容量を少なくでき、低温環境下でも確実に水タンクを解凍することができる。
【００１５】
また、請求項２記載の本発明によれば、二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御するので、二次電池からの電力を低くして電気ヒータに供給でき、二次電池の放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００１６】
また、請求項３記載の本発明によれば、バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、二次電池からバッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、バッテリの放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００１７】
また、請求項４記載の本発明によれば、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、二次電池の温度特性に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して二次電池からバッテリに電力を供給することができる。
【００１８】
また、請求項５記載の本発明によれば、水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように制御することで、水タンクを解凍する際の消費電力の削減に寄与することができる。
【００１９】
また、請求項６記載の本発明によれば、外気温に応じて水タンクの容量を変更することで、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を正確に算出することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
燃料電池スタック１１は、燃料極に供給される純水素と、空気極に供給される空気中の酸素とを用いて発電を行うセルが多段積層された構造を有しており、例えば３４０Ｖ程度の電圧を発電可能である。この燃料電池スタック１１の電力取り出し端子には燃料電池スタック１１の出力を制御する強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接続されている。
【００２１】
この強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の出力には、強電電力（３４０Ｖ）を貯蔵する二次電池１５と、強電（３４０Ｖ）を１２Ｖに電力変換する１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、走行に用いるモータ１９に電力を供給するモータＩＮＶ（インバータ）２１とが並列に接続されている。
【００２２】
モータ１９は、減速機（図示せず）を介してタイヤを回転して車両を駆動させる。
１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力には、１２Ｖバッテリ２３が接続されている。さらに、１２Ｖバッテリ２３には、電気ヒータ２５に供給する電力を制御する電力制御部２７と、１２Ｖ補機３３が接続されている。
【００２３】
上述したモータインバータ２１、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ１３、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、燃料電池スタック１１、電力制御部２７、燃料電池スタック１１の発電に必要な水素ガス、空気を加湿する加湿器３５がコントローラ３７によって制御される。
コントローラ３７は、内部に制御プログラムを記憶したＲＯＭと、制御時のワークエリアとなるＲＡＭと、水タンクを解凍するときの経過時間を計時する解凍タイマとを有している。コントローラ３７には、二次電池１５の温度を検出する二次電池温度検出部３９と、水タンク４１の温度を検出する水タンク温度検出部４３と、二次電池１５の電圧を検出する二次電池電圧検出部４５と、１２Ｖバッテリ２３の電圧を検出する１２Ｖバッテリ電圧検出部４７と、１２Ｖバッテリ２３の温度を検出する１２Ｖバッテリ温度検出部４９と、外気温度を検出する外気温度検出部５１が接続されている。また、コントローラ３７には、車両（システム）を起動するためのＩＧＮ ＳＷ５３と、運転者に解凍モードでの解凍時間や解凍の可否を表示するインストルメントパネル５５が接続されている。
【００２４】
次に、図２〜図５に示す制御フローチャートを参照して、第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図５に示す制御フローチャートは、コントローラ３７のＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
まず、運転者によりＩＧＮ ＳＷ５３に設けられたキーシリンダにキーが差し込まれ、スタート位置までキーが回転されたこととする。この時、１２Ｖバッテリ２３からの電力がコントローラ３７へ供給され、ステップＳ１０での解凍ステップが開始される。
ステップＳ２０では、ＩＧＮ ＳＷ５３の状態を検出しており、ＩＧＮ ＳＷ５３がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替わった時からステップＳ３０へ進む。
【００２５】
ステップＳ３０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出し、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、二次電池電圧検出部４５で二次電池電圧を検出し、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で１２Ｖバッテリ電圧を検出し、１２Ｖバッテリ温度検出部４９で１２Ｖバッテリ温度を検出し、外気温度検出部５１で外気温度を検出して、それぞれの検出結果がコントローラ３７に出力されてＲＡＭに記憶される。
ステップＳ４では、コントローラ３７は、ステップＳ３０で測定した水タンク温度が０℃より高いかどうかを判断する。水タンク温度が０℃より高い場合にはステップＳ５０へ進み、水タンク温度が０℃より低い場合にはステップＳ７０へ進む。
【００２６】
ステップＳ５０では、水タンク温度が０℃より高いので解凍せずに燃料電池システムを起動ができると判断しステップＳ６０へ進み、解凍ステップによる処理を終了する。
一方、ステップＳ７０では、コントローラ３７は使用可能電力を計算するため、図３に示すサブルーチンのステップＳ３００に進む。
【００２７】
ここで、図３に示すサブルーチンを参照して、１２Ｖバッテリの使用可能電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ３００では、使用可能電力の計算ステップをスタートする。
【００２８】
ステップＳ３１０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出し、二次電池電圧検出部４５で二次電池電圧を検出し、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で１２Ｖバッテリ電圧を検出し、１２Ｖバッテリ温度検出部５１で１２Ｖバッテリ温度を検出して、それぞれの検出結果をコントローラ３７に記憶し、ステップＳ３２０へ進む。
【００２９】
ステップＳ３２０では、ステップＳ３１０でＲＡＭに記憶した二次電池電圧および１２Ｖバッテリ電圧を読み出し、図６に示す二次電池の電圧−容量特性マップと、図７に示す１２Ｖバッテリの電圧−容量特性マップから、二次電池電圧Ａに応じた二次電池容量Ｂと、１２Ｖバッテリ電圧Ｃに応じた１２Ｖバッテリ容量Ｄを読み込み、ステップＳ３３０へ進む。
【００３０】
ステップＳ３３０では、ステップＳ３１０でＲＡＭに記憶した二次電池温度を読み出し、コントローラ３７に設けられているＲＯＭに予め記憶されている二次電池温度−温度係数の特性マップから当該二次電池温度に対応する温度係数を読み込み、ステップＳ３４０へ進む。
【００３１】
ステップＳ３４０では、コントローラ３７内に格納されている劣化係数（ステップＳ６１０）を読み込みステップＳ３５０へ進む。
ステップＳ３５０では、ステップＳ３２０で求めた二次電池容量Ｂ、１２Ｖバッテリ容量Ｄに対して、ステップＳ３３０で読み込んだ温度係数、ステップＳ３４０で読み込んだ劣化係数を加味した実際の二次電池容量、１２Ｖバッテリ容量として、
【数１】
１２Ｖバッテリ容量＝１２Ｖバッテリ容量Ｄ×温度係数×劣化係数
二次電池容量＝二次電池容量Ｂ×温度係数×劣化係数 ・・・（１）
をそれぞれ求め、ステップＳ３６０へ進む。
【００３２】
ステップＳ３６０では、１２Ｖバッテリ容量と１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の変換効率を加味して使用可能電力を（２）式に基づいて、求める。
【００３３】
【数２】
使用可能電力＝１２Ｖバッテリ容量＋（二次電池容量／（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の変換効率） ・・・（２）
そして、ステップＳ３７０では、使用可能電力のステップを終了してメインルーチンに復帰する。
【００３４】
そして、ステップＳ８０では、コントローラ３７は解凍必要電力を計算するため、図４に示すサブルーチンのステップＳ４００に進む。
【００３５】
ここで、図４に示す制御フローチャートを参照して、解凍必要電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ４００では、解凍電力計算ステップをスタートする。
ステップＳ４１０では、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶し、ステップＳ４２０へ進む。
【００３６】
ステップＳ４２０では、ステップＳ４１０でＲＡＭに記憶してある水タンク温度を読み出し、この水タンク温度と水タンクの容量（質量）に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を計算し、ステップＳ４３０へ進む。
【００３７】
【数３】
解凍必要電力＝水タンク質量×｜（０℃−水タンク温度）｜×４．１２／３６００ ・・・（３）
ステップＳ４３０では、解凍電力計算ステップを終了し、メインルーチンに復帰する。
【００３８】
図２に移り、ステップＳ９０では、ステップＳ７０で求めた使用可能電力の方がステップＳ８０で求めた解凍必要電力より大きいかどうかを比較する。使用可能電力≦解凍必要電力の場合にはステップＳ１００へ進み、使用可能電力＞解凍必要電力の場合にはステップＳ１３０へ進む。
ステップＳ１００では、使用可能電力の方が解凍必要電力よりも小さいので、解凍モードをスタートしないことと判断し、ステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０では、インストルメントパネル５５に解凍不能であることを表示し、ステップＳ１２０へ進み、解凍ステップを終了する。
【００３９】
一方、ステップＳ１３０では、使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きいので解凍モードを起動することとする。電気ヒータ２５に流す電力量を決定する。そして、コントローラ３７内で１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７で変換する電力を計算する。
【００４０】
ここで、図２に示すステップＳ１３０の処理内容として、図５に示すサブルーチンを参照して、電気ヒータ２５及び１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータ１７の制御動作を説明する。
ステップＳ５００では、電気ヒータ２５及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の動作ステップをスタートする。
【００４１】
ステップＳ５１０では、二次電池温度検出部３９で二次電池温度を検出してＲＡＭに記憶し、ステップＳ５２０へ進む。
ステップＳ５２０では、ステップＳ５１０でＲＡＭに記憶した二次電池温度を読み出し、この二次電池温度が０℃より高いかどうかを判断する。二次電池温度が０℃より高い場合にはステップＳ５５０へ進み、二次電池温度が０℃以下の場合にはステップＳ５３０へ進む。
【００４２】
ステップＳ５３０では、ステップＳ５１０で記憶した二次電池温度を読み出し、この二次電池温度が０℃以下の場合に、予め設定しておいた設定温度Ｔ１（例えば、−１０℃）より高いかどうかを判断する。設定温度Ｔ１より高い場合には、ステップＳ５６０へ進み、設定温度Ｔ１以下の場合には、ステップＳ５４０へ進む。
【００４３】
ステップＳ５４０では、ステップＳ５１０で記憶した二次電池温度が設定温度１以下の場合に、予め設定しておいた設定温度Ｔ２（例えば、−２０℃）より高いかどうかを判断する。二次電池温度が設定温度Ｔ２より高い場合には、ステップＳ５７０へ進み、二次電池温度が設定温度Ｔ２以下の場合には、ステップＳ５８０へ進む。
【００４４】
ここで、ステップＳ５５０では、１２Ｖバッテリ電圧検出部４７により検出される１２Ｖバッテリ２３の電圧が１４Ｖになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
また、ステップＳ５６０では、二次電池１５の取り出し電流が２Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
なお、二次電池１５から取り出す電流の単位Ｃは、二次電池を満充電から空まで放電させる時に、１時間で放電できる電流値を１Ｃと表こととする。例えば、放電時間が２時間なら０．５Ｃ、３時間なら０．３３Ｃ、３０分なら２Ｃ、２０分なら３Ｃとういように表す。
【００４５】
ステップＳ５７０では、二次電池１５の取り出し電流が１Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
ステップＳ５８０では、二次電池１５の取り出し電流が０．５Ｃになるように１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。
【００４６】
ステップＳ５８５では、電流（単位電力量）を流す前の二次電池電圧を二次電池電圧検出部４５で検出し、１２Ｖバッテリ電圧を１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で検出し、検出結果をＲＡＭに記憶する。
ステップＳ５９０では、電気ヒータ２５に流す単位電力量を電力制御部２７で電気ヒータ２５の定格値として最大単位電力量を電気ヒータ２５に流せるように設定し、オン制御信号を電力制御部２７に出力して電気ヒータ２５への通電を開始する。
ステップＳ６００では、電流（単位電力量）を流した後の二次電池電圧を二次電池電圧検出部４５で検出し、１２Ｖバッテリ電圧を１２Ｖバッテリ電圧検出部４７で検出し、検出結果をＲＡＭに記憶する。
【００４７】
ステップＳ６１０では、ステップＳ６００でＲＡＭに記憶しておいた電気ヒータ２５に電流（単位電力量）を流す前後の二次電池電圧、１２Ｖバッテリ電圧、流した電流、ステップＳ５１０でＲＡＭに記憶しておいた二次電池温度に基づいて、二次電池１５の内部抵抗、１２Ｖバッテリ２３の内部抵抗を計算し、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶する。
【００４８】
なお、二次電池１５の内部抵抗は、
【数４】
【００４９】
また、１２Ｖバッテリ２３の内部抵抗は、
【数５】
なお、ＲＡＭに記憶した二次電池と１２Ｖバッテリのそれぞれの現在の劣化係数は、次回のシステム立ち上げ時にステップＳ３４０において使用するものである。
【００５０】
ステップＳ６２０では、１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３（例えば、１０Ｖ）より低いかどうかを判断する。１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３より低い場合には、ステップＳ６３０へ進み、１２Ｖバッテリ電圧が設定電圧Ｖ３以上の場合には、ステップＳ６６０へ進む。
ステップＳ６３０では、１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ１７によって二次電池１５から取り出す電流を設定率ｋ４（例えば、１０％）分だけ増加するように制御する。
【００５１】
ステップＳ６４０では、二次電池電圧の方が二次電池１５の下限となる下限電圧Ｖmin より低いかどうかを判断する。二次電池電圧≧下限電圧Ｖmin の場合には、テップ６６０へ進み、二次電池電圧＜下限電圧Ｖmin の場合には、ステップＳ６５０へ進む。
【００５２】
ステップＳ６５０では、１２Ｖバッテリ２３から電気ヒータ２５に流す単位電力量を電力制御部２７で設定率ｋ５（例えば、１０％）分だけ減少するように制御し、処理を終了してメインルーチンに復帰する。
【００５３】
図２に移り、ステップＳ１４０では、ステップＳ７０で計算した解凍必要電力とステップＳ１３０で計算した電気ヒータ２５に流す単位電力量に基づいて、（６）式に従って、
【数６】
解凍時間＝解凍必要電力量／（電気ヒータに流す単位電力量）・・・（６）
解凍時間を計算し、ステップＳ１５０へ進む。
【００５４】
ステップＳ１５０では、ステップＳ１４０で求めた解凍時間をインストルメントパネル５５に表示し、ステップＳ１６０へ進む。
ステップＳ１６０では、コントローラ３７に設けられた解凍タイマをスタートさせ、ステップＳ１７０へ進む。
【００５５】
ステップＳ１７０では、ステップＳ１６０でスタートさせた解凍タイマの経過時間とステップＳ１４０で計算した解凍時間を比較し、経過時間が解凍時間を上回るまでステップＳ１７０の時間判断処理を繰り返す。
【００５６】
ステップＳ１８０では、水タンク４１の解凍に必要な時間を超えたので、コントローラ３７に設けられた解凍タイマを停止し、水タンクの解凍モードを終了する。同時に、燃料電池システムの起動が可能と判断し、インストルメントパネル５５に解凍終了と表示しステップＳ１９０へ進む。ステップＳ１９０では、解凍ステップを終了する。
【００５７】
本発明の第１の実施の形態に関する効果としては、バッテリの電圧に対応するバッテリ容量と、二次電池の電圧に対応する二次電池容量とに基づいて、使用可能電力を算出し、水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出し、算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御することで、二次電池の容量およびバッテリの容量を少なくでき、低温環境下でも確実に水タンクを解凍することができる。
【００５８】
また、二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御するので、二次電池からの電力を低くして電気ヒータに供給でき、二次電池の放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００５９】
また、バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、二次電池からバッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、バッテリの放電特性が低下している場合でも、確実に水タンクを解凍することができる。
【００６０】
また、二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するようにＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、二次電池の温度特性に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを制御して二次電池からバッテリに電力を供給することができる。
この結果、二次電池の使用環境や状態に応じて最適な放電管理を行え、搭載電池量の低減と、燃料電池スタックの確実な起動に寄与することができる。
【００６１】
（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
本実施の形態の特徴は、遮断可能１２Ｖ補機２９への電力供給を停止させる１２Ｖ電源供給停止部３１を１２Ｖバッテリ２３と遮断可能１２Ｖ補機２９との間に接続することにある。
【００６２】
次に、図２〜図４，図９に示す制御フローチャートを参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図４に示す制御フローチャートは、第１の実施の形態において説明したので、その説明を省略する。
図９に示す制御フローチャートの特徴は、ステップＳ５９０とステップＳ６００の間にステップＳ５９５を介在させたことにあり、他のステップは図５に示す制御フローチャートと同様であるので、その説明を省略する。
【００６３】
すなわち、ステップＳ５９５では、コントローラ３７から停止信号を１２Ｖ電源供給停止部３１に出力して、水タンクの解凍中には、１２Ｖバッテリ２３から遮断可能１２Ｖ補機２９に供給される電力を停止するように制御する。
【００６４】
本発明の第２の実施の形態に関する効果としては、水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように制御することで、水タンクを解凍する際の消費電力の削減に寄与することができる。
【００６５】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムを図１に示す燃料電池車のシステム構成に適用させて説明する。
次に、図２，図３，図５，図１０に示す制御フローチャートを参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明する。なお、図２〜図３，図５に示す制御フローチャートは、第１の実施の形態において説明したので、その説明を省略する。
【００６６】
ここで、図１０に示す制御フローチャートを参照して、解凍必要電力の計算処理方法を説明する。
ステップＳ４５０では、水タンク温度検出部４３で水タンク温度を検出し、外気温度検出部５１で外気温度を検出して、コントローラ３７に設けられているＲＡＭに記憶し、ステップＳ４６０へ進む。
【００６７】
ステップＳ４６０では、ステップＳ４５０で検出した外気温度を図１１に示す外気温−水タンク容量特性に対応させて、当該外気温度ＴE に対応する水タンクの容量ＹF を読み出す。
【００６８】
ステップＳ４７０では、ステップＳ４５０でＲＡＭに記憶してある水タンク温度を読み出し、この水タンク温度とステップＳ４６０で算出した水タンクの容量（質量）に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を上述した（３）式を用いて計算し、ステップＳ４８０へ進む。
【００６９】
ステップＳ４８０では、解凍電力計算ステップを終了し、メインルーチンに復帰する。
本発明の第３の実施の形態に関する効果としては、外気温に応じて水タンクの容量を変更することで、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を正確に算出することができる。
なお、上述した第１〜３の実施の形態においては、１２Ｖバッテリを用いて説明したが、この１２Ｖバッテリに代わって、４２Ｖバッテリを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御動作を説明するための制御フローチャートである。
【図３】第１の実施の形態における使用可能電力を算出するための制御フローチャートである。
【図４】第１の実施の形態における解凍必要電力を算出するための制御フローチャートである。
【図５】第１の実施の形態における電気ヒータ及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための制御フローチャートである。
【図６】二次電池の電圧−容量特性を示す図である。
【図７】１２Ｖバッテリの電圧−容量特性を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムを適用可能な燃料電池車のシステム構成を示す図である。
【図９】第２の実施の形態における電気ヒータ及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための制御フローチャートである。
【図１０】第３の実施の形態における解凍必要電力を算出するための制御フローチャートである。
【図１１】外気温−水タンク容量特性を示す図である。
【符号の説明】
１１ 燃料電池スタック
１３ 強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１５ 二次電池
１７ １２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ モータ
２１ モータインバータ
２３ １２Ｖバッテリ
２５ 電気ヒータ
２７ 電力制御部
２９ 遮断可能１２Ｖ補機
３１ １２Ｖ電源供給停止部
３３ １２Ｖ補機
３５ 加湿器
３７ コントローラ
３９ 二次電池温度検出部
４１ 水タンク
４３ 水タンク温度検出部
４７ １２Ｖバッテリ電圧検出部
４９ １２Ｖバッテリ温度検出部
５１ 外気温度検出部
５３ ＩＧＮ ＳＷ
５５ インストルメントパネル
Claims (6)
- 燃料電池スタックにより発電された高電圧系の電力を蓄積する二次電池と、
二次電池の電圧より低い低電圧系のバッテリと、
二次電池の電圧からバッテリの電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
燃料電池スタックに供給する燃料および空気を加湿するための水を蓄積する水タンクと、
バッテリからの電力により水タンクを解凍する電気ヒータとを備え、車両に搭載される燃料電池システムであって、
前記二次電池の電圧を検出する二次電池電圧検出手段と、
前記二次電池の電圧に対応する二次電池容量を算出する二次電池容量算出手段と、
前記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
前記バッテリの電圧に対応するバッテリ容量を算出するバッテリ容量算出手段と、
算出されたバッテリ容量と二次電池容量に基づいて、使用可能電力を算出する使用可能電力算出手段と、
前記水タンクの温度を検出する水タンク温度検出手段と、
検出された水タンクの温度と水タンクの容量に基づいて、水タンクの解凍に必要な解凍必要電力を算出する解凍必要電力算出手段と、
算出された使用可能電力の方が解凍必要電力よりも大きい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに電力の供給を開始するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記二次電池の電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて前記二次電池からバッテリを介して電気ヒータに供給する電力を所定率だけ低くなるように制御する電力制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、
前記バッテリの電圧が所定の基準電圧より低い場合には、前記二次電池から前記バッテリに供給する電力を所定率だけ高くなるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータ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。 - 前記二次電池の温度を検出する二次電池温度検出手段を備え、
前記制御手段は、
二次電池の温度に応じて、二次電池からバッテリに供給される電力を可変するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータ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。 - 前記バッテリからの電力により動作する補機と、
前記バッテリから補機に供給される電力を停止する停止手段とを備え、
前記制御手段は、
前記水タンクの解凍中には、バッテリから補機に供給される電力を停止するように停止手段を制御することを特徴とする請求項１乃至４項のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 外気温度を検出する外気温検出手段を備え、
前記解凍必要電力算出手段は、
外気温に応じて前記水タンクの容量を変更することを特徴とする請求項１乃至５項のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システム。
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