JP4397739B2 - 燃料電池車両の電圧状態設定方法 - Google Patents
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Description
この発明は、燃料電池車両の電圧状態設定方法に関するものである。
従来、例えば固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極（アノード）と酸素極（カソード）とで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えており、燃料極に燃料として水素が供給され、酸素極に酸化剤として空気が供給されて、燃料極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過して酸素極まで移動して、酸素極で酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えばキャパシタやバッテリ等の蓄電装置を備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている。
このような燃料電池車両において、蓄電装置は、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成される出力制御器の電力変換動作は、例えば燃料電池車両の走行状態や燃料電池の作動状態や蓄電装置の状態に応じて制御されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開平１１−６７２５３号公報
特開２００１−２０４１０６号公報
そして、このような燃料電池を駆動用電源として搭載する燃料電池車両として、従来、例えばキャパシタやバッテリ等の蓄電装置を備え、燃料電池の発電エネルギーを蓄電すると共に走行用モータと電気エネルギーの授受を行うように構成した燃料電池車両が知られている。
このような燃料電池車両において、蓄電装置は、燃料電池の出力電流および出力電圧を制御する出力制御器を介して燃料電池に並列に接続されており、出力制御の動作、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成される出力制御器の電力変換動作は、例えば燃料電池車両の走行状態や燃料電池の作動状態や蓄電装置の状態に応じて制御されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
ところで、上記従来技術に係る燃料電池車両において、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成される出力制御器により電力変換動作を実行した場合には、適宜の電力損失が発生することから、この出力制御器の作動頻度を低減して、電力損失の増大を抑制することが望まれている。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池車両において電力変換動作に伴う電力損失の増大を抑制すると共に、蓄電装置を小型化することが可能な燃料電池車両の電圧状態設定方法を提供することを目的とする。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池車両において電力変換動作に伴う電力損失の増大を抑制すると共に、蓄電装置を小型化することが可能な燃料電池車両の電圧状態設定方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法は、車両の動力源としてのモータと、該モータの作動状態を制御するモータ制御手段（例えば、実施の形態でのパワードライブユニット１５）と、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力により充電されると共に、前記モータ制御手段を介して前記モータと電気エネルギーの授受を行う蓄電装置とを備える燃料電池車両の電圧状態設定方法であって、前記燃料電池の出力電圧の電圧値（例えば、実施の形態での平均出力電圧ＶＦＣａｖｅ、最大出力電圧および最小出力電圧）を、前記蓄電装置の開路電圧の最大値（例えば、実施の形態での最大開路電圧ＯＣＶｍａｘ）と最小値（例えば、実施の形態での最小開路電圧ＯＣＶｍｉｎ）との間の範囲内の値に設定することを特徴としている。
上記の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の出力電圧の電圧値が蓄電装置の開路電圧の最大値および最小値を超えてしまうことが防止され、例えば燃料電池と蓄電装置とが直結状態であっても、蓄電装置が過充電状態や過放電状態になることが防止されることにより、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法では、前記燃料電池の出力電圧の平均値（例えば、実施の形態での平均出力電圧ＶＦＣａｖｅ）を、前記蓄電装置の開路電圧の最大値（例えば、実施の形態での最大開路電圧ＯＣＶｍａｘ）と最小値（例えば、実施の形態での最小開路電圧ＯＣＶｍｉｎ）との間の範囲内の値に設定することを特徴とする。
上記の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、例えば燃料電池の出力特性や燃料電池車両の走行状態に応じた燃料電池の出力電圧の平均値が蓄電装置の開路電圧の最大値および最小値を超えてしまうことを防止することにより、蓄電装置の蓄電可能容量を過剰に増大させる必要なしに、蓄電装置を小型化することができると共に、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
また、請求項３に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法は、車両の動力源としてのモータと、該モータの作動状態を制御するモータ制御手段（例えば、実施の形態でのパワードライブユニット１５）と、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力により充電されると共に、前記モータ制御手段を介して前記モータと電気エネルギーの授受を行う蓄電装置とを備える燃料電池車両の電圧状態設定方法であって、前記蓄電装置の端子電圧の最大値（例えば、実施の形態での最大許容端子電圧ＶＢｍａｘ）を、前記蓄電装置の開路電圧の平均値（例えば、実施の形態での平均開路電圧ＯＣＶａｖｅ）と、前記蓄電装置に充電される充電電流の最大値（例えば、実施の形態での最大充電電流ＩＢｍａｘ）に対応した前記蓄電装置の端子電圧（例えば、実施の形態でのＩＢｍａｘ×Ｒ）との和よりも大きな値に設定することを特徴としている。
上記の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の発電電力あるいはモータの回生作動により出力される回生電力によって蓄電装置を充電する際に、充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法は、前記蓄電装置の端子電圧の最大値（例えば、実施の形態での最大許容端子電圧ＶＢｍａｘ）を、前記蓄電装置の開路電圧の平均値（例えば、実施の形態での平均開路電圧ＯＣＶａｖｅ）と、前記蓄電装置に充電される充電電流の最大値（例えば、実施の形態での最大充電電流ＩＢｍａｘ）に対応した前記蓄電装置の端子電圧（例えば、実施の形態でのＩＢｍａｘ×Ｒ）との和よりも大きな値に設定することを特徴としている。
上記の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度、さらには、蓄電装置の充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
さらに、請求項５に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法では、前記燃料電池車両は、前記燃料電池と前記蓄電装置との間の接続状態を、遮断状態から直結状態の間の適宜の接続状態となるように制御する変圧手段（例えば、実施の形態での第１電流・電圧制御器１２、第２電流・電圧制御器１３）を備える。
さらに、請求項５に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法では、前記燃料電池車両は、前記燃料電池と前記蓄電装置との間の接続状態を、遮断状態から直結状態の間の適宜の接続状態となるように制御する変圧手段（例えば、実施の形態での第１電流・電圧制御器１２、第２電流・電圧制御器１３）を備える。
請求項１に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、蓄電装置の蓄電可能容量を過剰に増大させる必要なしに、蓄電装置を小型化することができると共に、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減することができる。
さらに、請求項２に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、蓄電装置の蓄電可能容量を過剰に増大させる必要なしに、蓄電装置を小型化することができると共に、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減することができる。
また、請求項３に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両を効率よく駆動させることができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度、さらには、蓄電装置の充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減することができる。
さらに、請求項４に記載の本発明の燃料電池車両の電圧状態設定方法によれば、燃料電池の出力電圧あるいは蓄電装置の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度、さらには、蓄電装置の充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減することができる。
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の電圧状態設定方法について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態に係る燃料電池車両１は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３と、蓄電装置１４と、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５と、モータ１６と、コンプレッサ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、各種の電気負荷２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、端子電圧センサ２４とを備えて構成されている。
この燃料電池１では、走行用のモータ１６の駆動力は、例えばオートマチックトランスミッション（ＡＴ）あるいはマニュアルトランスミッション（ＭＴ）等の変速機（Ｔ／Ｍ）を介して車両の駆動輪Ｗ，Ｗに伝達される。また、燃料電池車両１の減速時に駆動輪Ｗ側からモータ１２側に駆動力が伝達されると、モータ１２は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
本実施の形態に係る燃料電池車両１は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３と、蓄電装置１４と、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５と、モータ１６と、コンプレッサ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、各種の電気負荷２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、端子電圧センサ２４とを備えて構成されている。
この燃料電池１では、走行用のモータ１６の駆動力は、例えばオートマチックトランスミッション（ＡＴ）あるいはマニュアルトランスミッション（ＭＴ）等の変速機（Ｔ／Ｍ）を介して車両の駆動輪Ｗ，Ｗに伝達される。また、燃料電池車両１の減速時に駆動輪Ｗ側からモータ１２側に駆動力が伝達されると、モータ１２は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。
燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は第１電流・電圧制御器１２に入力されており、この第１電流・電圧制御器１２には、さらに、第２電流・電圧制御器１３を介して、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ等の蓄電装置１４が接続されている。
そして、燃料電池１１および第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３および蓄電装置１４とは、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５を介して、走行用のモータ１６と、例えば燃料電池１１や蓄電装置１４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる電気負荷２１と、エアーコンプレッサ出力制御器１７とに対して並列に接続されている。
そして、燃料電池１１および第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３および蓄電装置１４とは、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５を介して、走行用のモータ１６と、例えば燃料電池１１や蓄電装置１４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる電気負荷２１と、エアーコンプレッサ出力制御器１７とに対して並列に接続されている。
第１および第２電流・電圧制御器１２、１３は、例えばチョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを備えて構成され、このＤＣ−ＤＣコンバータのチョッピング動作つまりＤＣ−ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値、および、蓄電装置１４の充電電流および放電電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置２０から入力される制御パルスのデューティつまりオン／オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から第１および第２電流・電圧制御器１２，１３に入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、各電流・電圧制御器１２，１３のＤＣ−ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１と蓄電装置１４とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１と蓄電装置１４とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧と蓄電装置１４の端子電圧とが同等の値となる。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から第１および第２電流・電圧制御器１２，１３に入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、各電流・電圧制御器１２，１３のＤＣ−ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１と蓄電装置１４とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１と蓄電装置１４とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧と蓄電装置１４の端子電圧とが同等の値となる。
また、例えば、第１電流・電圧制御器１２に入力される制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜の値に設定されると、第１電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
また、例えば、第２電流・電圧制御器１３に入力される制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜の値に設定されると、第２電流・電圧制御器１２は、蓄電装置１４の充電電流または放電電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限する。
また、例えば、第２電流・電圧制御器１３に入力される制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜の値に設定されると、第２電流・電圧制御器１２は、蓄電装置１４の充電電流または放電電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限する。
ＰＤＵ１５は、トランジスタのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路を具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えて構成され、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用のモータ１６の駆動および回生動作を制御する。例えばモータ１６の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、第１および第２電流・電圧制御器１２，１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換してモータ１６へ供給する。一方、モータ１６の回生時には、モータ１６から出力される３相交流電力を直流電力に変換して、第２電流・電圧制御器１３を介して蓄電装置１４へ供給し、蓄電装置１４を充電する。
このＰＤＵ１５の電力変換動作は、制御装置２０からＰＷＭインバータの各スイッチング素子に入力されるパルス、つまりパルス幅変調（ＰＷＭ）により各スイッチング素子をオン／オフ駆動させるためのパルスに応じて制御され、このパルスのデューティつまりオン／オフの比率のマップ（データ）は予め制御装置２０に記憶されている。
このＰＤＵ１５の電力変換動作は、制御装置２０からＰＷＭインバータの各スイッチング素子に入力されるパルス、つまりパルス幅変調（ＰＷＭ）により各スイッチング素子をオン／オフ駆動させるためのパルスに応じて制御され、このパルスのデューティつまりオン／オフの比率のマップ（データ）は予め制御装置２０に記憶されている。
なお、モータ１６は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、ＰＤＵ１５から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、燃料電池車両１の減速時において駆動輪Ｗ側から駆動力が伝達されると、発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するコンプレッサ出力制御器１７によって制御されている。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するコンプレッサ出力制御器１７によって制御されている。
制御装置２０は、例えば、燃料電池車両車両１の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、第１電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、第１電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。
また、制御装置２０は、ＰＤＵ１５に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えばモータ１６の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令をＰＤＵ１５に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流がモータ１６の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタからなる蓄電装置１４の状態、例えば蓄電装置１４の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまり蓄電装置１４の端子電圧の検出値等に基づき、モータ１６の回生動作を制御する。
さらに、制御装置２０は、例えばキャパシタからなる蓄電装置１４の状態、例えば蓄電装置１４の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまり蓄電装置１４の端子電圧の検出値等に基づき、モータ１６の回生動作を制御する。
また、制御装置２０は、蓄電装置１４の状態に基づき、第２電流・電圧制御器１３の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、蓄電装置１４の充電電流または放電電流の電流値を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ（図示略）から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、蓄電装置１４の端子電圧を検出する端子電圧センサ２４から出力される検出信号と、蓄電装置１４の温度を検出する温度センサ（図示略）から出力される検出信号とが入力されている。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ（図示略）から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、蓄電装置１４の端子電圧を検出する端子電圧センサ２４から出力される検出信号と、蓄電装置１４の温度を検出する温度センサ（図示略）から出力される検出信号とが入力されている。
以下に、上記構成を備える燃料電池車両１の電圧状態設定方法について説明する。
先ず、蓄電装置１４の電圧特性として、無負荷状態での端子電圧、いわゆる開路電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）に対し、例えば下記数式（１）および図２に示すように、蓄電装置１４の満充電状態（つまり、蓄電装置１４の残容量（ＳＯＣ：State of charge）が所定の上限残容量である状態）での開路電圧である最大電圧（最大開路電圧）ＯＣＶｍａｘと、蓄電装置１４の空充電状態（つまり、蓄電装置１４の残容量が所定の下限残容量である状態）での開路電圧である最小電圧（最小開路電圧）ＯＣＶｍｉｎとの間の電圧範囲内に、燃料電池１１の平均出力電圧ＶＦＣａｖｅが含まれるように設定する。
上記数式（１）において、燃料電池１１の平均出力電圧ＶＦａｖｅは、燃料電池１１の出力特性および燃料電池車両１の所定の走行状態に応じた燃料電池１１の出力電圧の平均値であって、所定の走行状態として、例えば発生頻度が最も高い走行状態等が設定されている。
つまり、所定の走行状態に応じた所定の平均出力電圧ＶＦａｖｅに対して、上記数式（１）を満たすようにして、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）により構成される蓄電装置１４の積層数を設定する。
つまり、所定の走行状態に応じた所定の平均出力電圧ＶＦａｖｅに対して、上記数式（１）を満たすようにして、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）により構成される蓄電装置１４の積層数を設定する。
さらに、蓄電装置１４の電圧特性として、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）の各端子電圧の総和に対する許容最大値等である最大許容端子電圧ＶＢｍａｘが、例えば下記数式（２）に示すように、最大充電状態での蓄電装置１４の端子電圧よりも大きくなるように設定する。
上記数式（２）において、最大充電状態での端子電圧は、蓄電装置１４の平均開路電圧ＯＣＶａｖｅと、最大充電電流ＩＢｍａｘと蓄電装置１４の内部抵抗Ｒとの積（ＩＢｍａｘ×Ｒ）との和として定義され、さらに、蓄電装置１４の平均開路電圧ＯＣＶａｖｅは、蓄電装置１４の平均残容量に対応する開路電圧であって、例えば、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において燃料電池１１の出力特性および燃料電池車両１の所定の走行状態に応じた蓄電装置１４の残容量の平均値に対する開路電圧である。なお、所定の走行状態としては、例えば発生頻度が最も高い走行状態等が設定されている。
つまり、所定の走行状態に応じた所定の平均開路電圧ＯＣＶａｖｅに対して、上記数式（２）を満たすようにして、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）により構成される蓄電装置１４の積層数を設定する。
つまり、所定の走行状態に応じた所定の平均開路電圧ＯＣＶａｖｅに対して、上記数式（２）を満たすようにして、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）により構成される蓄電装置１４の積層数を設定する。
さらに、蓄電装置１４の電圧特性として、例えば直列接続された複数のセル（例えば、キャパシタセル）の各端子電圧の総和に対する許容最小値等である最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎと、蓄電装置１４の開路電圧ＯＣＶとに基づき記述される燃料電池１１および蓄電装置１４の各出力の和が、例えば下記数式（３）に示すように、燃料電池１２および蓄電装置１４からなる電力供給系の最大出力Ｐｍａｘと同等となるように設定する。
上記数式（３）において、左辺第１項は、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において蓄電装置１４の端子電圧が最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎである状態での燃料電池１１の出力ＰＦＣｍｉｎであり、左辺第２項は、蓄電装置１４の端子電圧が最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎである状態での蓄電装置１４の出力である。
なお、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において、燃料電池１の出力ＰＦＣと蓄電装置１４の端子電圧ＶＢとは、例えば図３に示すように、燃料電池１１の出力特性等に応じて適宜の相関関係があることから、上記数式（３）において、燃料電池１１の出力ＰＦＣｍｉｎを最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎの関数として記述してもよい。
なお、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において、燃料電池１の出力ＰＦＣと蓄電装置１４の端子電圧ＶＢとは、例えば図３に示すように、燃料電池１１の出力特性等に応じて適宜の相関関係があることから、上記数式（３）において、燃料電池１１の出力ＰＦＣｍｉｎを最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎの関数として記述してもよい。
そして、燃料電池１２および蓄電装置１４からなる電力供給系において、例えば最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎが未知である場合に上記数式（３）に基づき最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎを算出すると、この最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎは、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において所定の最大出力Ｐｍａｘを発生させるために要する蓄電装置１４の端子電圧の最小値となる。
また、例えば蓄電装置１４の開路電圧ＯＣＶ、さらに、蓄電装置１４の残容量ＳＯＣが未知である場合に上記数式（３）に基づき開路電圧ＯＣＶを算出すると、この開路電圧ＯＣＶは、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において所定の最大出力Ｐｍａｘを発生させた際に、蓄電装置１４の端子電圧が所定の最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎ以上となるために要する開路電圧ＯＣＶとなる。さらに、例えば初期状態等の劣化のない蓄電装置１４の無負荷状態での電圧特性により作成された開路電圧ＯＣＶと残容量ＳＯＣとの関係を示すマップ（図示せず）等を参照することで、蓄電装置１４の端子電圧が所定の最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎ以上となるために要する開路電圧ＯＣＶに対応する残容量ＳＯＣを算出することができる。
また、例えば蓄電装置１４の開路電圧ＯＣＶ、さらに、蓄電装置１４の残容量ＳＯＣが未知である場合に上記数式（３）に基づき開路電圧ＯＣＶを算出すると、この開路電圧ＯＣＶは、燃料電池１１と蓄電装置１４との直結状態において所定の最大出力Ｐｍａｘを発生させた際に、蓄電装置１４の端子電圧が所定の最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎ以上となるために要する開路電圧ＯＣＶとなる。さらに、例えば初期状態等の劣化のない蓄電装置１４の無負荷状態での電圧特性により作成された開路電圧ＯＣＶと残容量ＳＯＣとの関係を示すマップ（図示せず）等を参照することで、蓄電装置１４の端子電圧が所定の最小許容端子電圧ＶＢｍｉｎ以上となるために要する開路電圧ＯＣＶに対応する残容量ＳＯＣを算出することができる。
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０の車両搭載構造によれば、例えば燃料電池１１の出力特性や燃料電池車両１の走行状態に応じた燃料電池１１の平均出力電圧ＶＦａｖｅが蓄電装置１４の最大開路電圧ＯＣＶｍａｘおよび最小開路電圧ＯＣＶｍｉｎを超えてしまうことを防止することにより、蓄電装置１４の蓄電可能容量を過剰に増大させる必要なしに、蓄電装置を小型化することができると共に、燃料電池１１の出力電圧あるいは蓄電装置１４の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両１を効率よく駆動させることができる。
また、燃料電池１１の発電電力あるいはモータ１６の回生作動により出力される回生電力によって蓄電装置１４を充電する際に、充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両１を効率よく駆動させることができる。
また、燃料電池１１の発電電力あるいはモータ１６の回生作動により出力される回生電力によって蓄電装置１４を充電する際に、充電電流の電流値を制限する電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両１を効率よく駆動させることができる。
なお、上述した実施の形態において、燃料電池車両１は、第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３とを備えるとしたが、これに限定されず、第１電流・電圧制御器１２または第２電流・電圧制御器１３の一方を省略してもよい。
なお、上述した実施の形態においては、燃料電池１１の平均出力電圧ＶＦａｖｅが、蓄電装置１４の最大開路電圧ＯＣＶｍａｘと、最小開路電圧ＯＣＶｍｉｎとの間の電圧範囲内に含まれるように設定するとしたが、これに限定されず、例えば燃料電池１１の所定の最大出力電圧および最小出力電圧が、蓄電装置１４の最大開路電圧ＯＣＶｍａｘと、最小開路電圧ＯＣＶｍｉｎとの間の電圧範囲内に含まれるように設定してもよい。
これにより、燃料電池１１の出力電圧あるいは蓄電装置１４の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両１を効率よく駆動させることができる。
これにより、燃料電池１１の出力電圧あるいは蓄電装置１４の端子電圧を降圧あるいは昇圧させる電圧変換動作の実行頻度を低減、さらには、電圧変換動作の実行を省略することができ、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大を抑制し、燃料電池車両１を効率よく駆動させることができる。
１ 燃料電池車両
１１ 燃料電池
１２ 第１電流・電圧制御器（変圧手段）
１３ 第２電流・電圧制御器（変圧手段）
１５ パワードライブユニット（モータ制御手段）
１１ 燃料電池
１２ 第１電流・電圧制御器（変圧手段）
１３ 第２電流・電圧制御器（変圧手段）
１５ パワードライブユニット（モータ制御手段）
Claims (5)
- 車両の動力源としてのモータと、該モータの作動状態を制御するモータ制御手段と、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力により充電されると共に、前記モータ制御手段を介して前記モータと電気エネルギーの授受を行う蓄電装置とを備える燃料電池車両の電圧状態設定方法であって、
前記燃料電池の出力電圧の電圧値を、前記蓄電装置の開路電圧の最大値と最小値との間の範囲内の値に設定することを特徴とする燃料電池車両の電圧状態設定方法。 - 前記燃料電池の出力電圧の平均値を、前記蓄電装置の開路電圧の最大値と最小値との間の範囲内の値に設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の電圧状態設定方法。
- 車両の動力源としてのモータと、該モータの作動状態を制御するモータ制御手段と、反応ガスが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力により充電されると共に、前記モータ制御手段を介して前記モータと電気エネルギーの授受を行う蓄電装置とを備える燃料電池車両の電圧状態設定方法であって、
前記蓄電装置の端子電圧の最大値を、前記蓄電装置の開路電圧の平均値と、前記蓄電装置に充電される充電電流の最大値に対応した前記蓄電装置の端子電圧との和よりも大きな値に設定することを特徴とする燃料電池車両の電圧状態設定方法。 - 前記蓄電装置の端子電圧の最大値を、前記蓄電装置の開路電圧の平均値と、前記蓄電装置に充電される充電電流の最大値に対応した前記蓄電装置の端子電圧との和よりも大きな値に設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両の電圧状態設定方法。
- 前記燃料電池車両は、前記燃料電池と前記蓄電装置との間の接続状態を、遮断状態から直結状態の間の適宜の接続状態となるように制御する変圧手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１つに記載の燃料電池車両の電圧状態設定方法。
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