JP4444343B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧して走行モータに供給する燃料電池車両に関する。より詳細には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの省電力化及び小型化を実現可能とする燃料電池車両に関する。
燃料電池からの電力を走行モータに供給することにより駆動力を得る燃料電池車両が知られている。このような燃料電池車両の中には、燃料電池の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧して走行モータに供給するものがある（特許文献１、２）。特許文献１、２の燃料電池車両は、燃料電池に加えて、蓄電装置を備えており、燃料電池からの電力と蓄電装置からの電力を組み合わせることにより走行モータを駆動する。
特開２００５−３４８５３０号公報 特開２００７−３１８９３８号公報
特許文献１、２に記載されたＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を制御する上で効果を発揮するが、省電力化や小型化の点で未だ改善の余地がある。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、走行モータに対する燃料電池の出力電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータの省電力化及び小型化を実現することが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。
この発明に係る燃料電池車両は、走行モータと、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記走行モータに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記走行モータへの電力供給を制御する制御装置とを備えるものであって、前記燃料電池の出力電圧は、前記走行モータが連続定格出力を下回って作動する定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を上回り、前記走行モータが前記連続定格出力を上回って作動する非定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を下回るように設定され、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電圧が、前記走行モータの必要電圧を下回ると判定したとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに昇圧動作を行わせることを特徴とする。
この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、非定常走行時に昇圧動作を行い、定常走行時に昇圧動作を行わない。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、定常走行時に昇圧を行う必要がなくなり、省電力化を実現することができる。加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータの仕様として、連続定格を考慮する必要がほとんどなくなり、時間定格のみを考慮すればよくなる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータの小型化が可能となる。
上記において、さらに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをバイパスして前記燃料電池から前記走行モータに電力を供給するバイパスダイオードを有することもできる。
前記燃料電池車両は、さらに、蓄電装置と、前記走行モータと前記蓄電装置との間に配置された第２ＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記制御装置は、前記定常走行時及び前記非定常走行時のいずれにおいても、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに対する電圧目標値制御を行い、前記定常走行時と前記非定常走行時とで異なる電圧目標値を用いてもよい。
この場合、前記制御装置は、前記燃料電池の目標電流を算出し、この目標電流から前記燃料電池の目標電圧を算出し、前記定常走行時には、前記燃料電池の目標電圧を前記電圧目標値として用い、前記非定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を前記電圧目標値として用いることが好ましい。
上記に代えて、前記制御装置は、前記定常走行時には、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに対する電流目標値制御を行い、前記非定常走行時には、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに対する電圧目標値制御を行うこともできる。
この場合、前記制御装置は、前記燃料電池の目標電流を算出し、前記定常走行時には、前記燃料電池の目標電流を前記電流目標値として用い、前記非定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を前記電圧目標値として用いることが好ましい。
また、前記燃料電池車両は、前記走行モータの要求出力と必要電圧とをマップ化して記憶した記憶部を備えることが好ましい。
前記制御装置は、前記燃料電池の目標電圧と前記走行モータの必要電圧とを比較し、その比較結果に基づいて、前記定常走行時と前記非定常走行時とを判別してもよい。
前記連続定格出力は、車両動力性能目標値であるターゲット車速におけるターゲット勾配登坂時に必要な前記走行モータの出力としての定常保証出力であり、前記定常走行は、前記定常保証出力以下の出力で前記走行モータを運転する走行モータ駆動状態であり、前記非定常走行は、前記定常保証出力を超える出力で前記走行モータを運転する走行モータ駆動状態であることが好ましい。
この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、非定常走行時に昇圧動作を行い、定常走行時に昇圧動作を行わない。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータは、定常走行時に昇圧を行う必要がなくなり、省電力化を実現することができる。加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータの仕様として、連続定格を考慮する必要がほとんどなくなり、時間定格のみを考慮すればよくなる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータの小型化が可能となる。
以下、この発明の複数の実施形態に係る燃料電池車両について図面を参照して説明する。
Ａ．第１実施形態
１．燃料電池車両１０の構成
（１）全体構成
図１は、第１実施形態に係る燃料電池車両１０（以下、「ＦＣ車両１０」とも称する。）の回路図である。ＦＣ車両１０は、基本的には、モータユニット２０と、ＦＣユニット４０と、バッテリユニット６０と、統括制御部８０とを有する。
モータユニット２０は、ＦＣ車両１０の力行時には、走行用のモータ２２を用いて燃料電池車両１０の走行駆動力を生成し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ２２が発生した回生電力（モータ回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリユニット６０に供給する。
ＦＣユニット４０は、ＦＣ車両１０の力行時には、モータユニット２０に対して燃料電池４２（以下、「ＦＣ４２」とも称する。）が発生した発電電力（ＦＣ発電電力Ｐｆｃ）［Ｗ］を供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、ＦＣ発電電力Ｐｆｃをバッテリユニット６０に供給する。
バッテリユニット６０は、ＦＣ車両１０の力行時には、エネルギストレージである蓄電装置６２（以下、「バッテリ６２」とも称する。）からの出力電力（バッテリ出力電力Ｐｂａｔ）［Ｗ］をモータユニット２０に対して供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ回生電力Ｐｒｅｇ及びＦＣ発電電力Ｐｆｃをバッテリ６２に蓄電する。
統括制御部８０は、モータユニット２０、ＦＣユニット４０及びバッテリユニット６０を制御する。詳細については後述する。
なお、モータ回生電力Ｐｒｅｇ、ＦＣ発電電力Ｐｆｃ及びバッテリ出力電力Ｐｂａｔは、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機等の図示しない補機に供給してもよい。
（２）モータユニット２０
モータユニット２０は、モータ２２に加え、パワー・ドライブ・ユニット２４（以下、「ＰＤＵ２４」とも称する。）と、減速機２６と、シャフト２８と、車輪３０と、モータ制御部３２とを備える。
ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の力行時において、ＦＣ４２からの発電電流（ＦＣ発電電流Ｉｆ）［Ａ］及びバッテリ６２からの出力電流（バッテリ出力電流Ｉｂａｔ）［Ａ］とを直流／交流変換し、モータ２２を駆動する電流（モータ駆動電流Ｉｍｄ）［Ａ］としてモータ２２に供給する。このモータ駆動電流Ｉｍｄの供給に伴うモータ２２の回転は、減速機２６、シャフト２８を通じて車輪３０に伝達される。
また、ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の回生時において、モータ２２からの回生電流（モータ回生電流Ｉｍｒ）を交流／直流変換し、バッテリ充電電流Ｉｂｃとしてバッテリユニット６０に供給する。このバッテリ充電電流Ｉｂｃの供給によりバッテリ６２が充電される。
モータ制御部３２は、モータ２２及びＰＤＵ２４の動作を制御する。
（３）ＦＣユニット４０
ＦＣユニット４０は、ＦＣ４２に加え、水素タンク４４と、エアコンプレッサ４６と、ＦＣ制御部４８と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、第１コンバータ制御部５２と、バイパスダイオード５４と、ディスコネクトダイオード５６と、電流センサ５８とを有する。
ＦＣ４２は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。ＦＣ４２には、水素タンク４４とエアコンプレッサ４６が配管により接続されている。水素タンク４４内の加圧水素は、ＦＣ４２のアノード電極に供給される。また、エアコンプレッサ４６により空気がＦＣ４２のカソード電極に供給される。水素タンク４４及びエアコンプレッサ４６の動作は、ＦＣ制御部４８により制御される。ＦＣ４２内で反応ガスである水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）の電気化学反応によりＦＣ発電電流Ｉｆが生成される。ＦＣ発電電流Ｉｆは、電流センサ５８、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０、バイパスダイオード５４及びディスコネクトダイオード５６を介し、ＦＣ車両１０の力行時にはＰＤＵ２４に供給され、回生時にはバッテリユニット６０に供給される。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、いわゆるチョッパ方式の昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＦＣ発電電流Ｉｆが第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を通過する際、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、ＦＣ４２の発電電圧（ＦＣ発電電圧Ｖｆ）［Ｖ］を昇圧する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の動作は、統括制御部８０からの指令及び電流センサ５８の検出値に基づいて、第１コンバータ制御部５２により制御される。
（４）バッテリユニット６０
バッテリユニット６０は、バッテリ６２に加え、電圧センサ６４、６６と、電流センサ６８、７０と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２と、第２コンバータ制御部７４とを有する。
バッテリ６２は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の１次側１Ｓに接続されており、例えばリチウムイオン２次電池やニッケル水素２次電池又はキャパシタを利用することができる。第１実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。電圧センサ６４は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を検出し、電圧センサ６６は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］を検出する。電流センサ７０は、一次側１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）を検出し、電流センサ７０は、２次側２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）を検出する。
第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、いわゆるチョッパ方式の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータであり、力行時には、１次電圧Ｖ１を昇圧して２次側２Ｓに供給し、回生時には、２次電圧Ｖ２を降圧して１次側１Ｓに供給する。すなわち、モータ２２が発生した回生電圧（モータ回生電圧Ｖｒｅｇ）［Ｖ］又はＦＣ４２のＦＣ発電電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２が第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１によりバッテリ６２を充電する。
第２コンバータ制御部７４は、統括制御部８０からの指令並びに電圧センサ６４、６６及び電流センサ６８、７０の検出値に基づいて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２を制御する。
（５）統括制御部８０
統括制御部８０は、モータ２２の要求出力（モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑ）［Ｗ］やＦＣユニット４０（エアコンプレッサ４６等）の要求電力、図示しない補機の要求電力に基づいて、モータ制御部３２、ＦＣ制御部４８、第１コンバータ制御部５２及び第２コンバータ制御部７４を制御する。詳細は後述する。
統括制御部８０、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している。モータ制御部３２、ＦＣ制御部４８、第１コンバータ制御部５２及び第２コンバータ制御部７４も同様である。
統括制御部８０と、モータ制御部３２、ＦＣ制御部４８、第１コンバータ制御部５２及び第２コンバータ制御部７４とは、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信線８２を通じて相互に接続されている。これらの制御部は、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。
（６）その他
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、上述した電圧センサ６４、６６、電流センサ５８、６８、７０の他、通信線８２に接続されるイグニッションスイッチ８４、アクセルセンサ８６、ブレーキセンサ８８、及び車速センサ９０等がある。
２．各種制御／処理
（１）統括制御部８０における処理
図２には、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２で用いる制御目標値を統括制御部８０において算出するフローチャートが示されている。
ステップＳ１において、統括制御部８０は、アクセルセンサ８６から通知された図示しないアクセルペダルの踏込み量等に応じてモータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑを算出する。
続くステップＳ２において、統括制御部８０は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑからモータ２２の必要電圧（モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃ）［Ｖ］を算出する。モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの算出に際しては、統括制御部８０のメモリ８１に記憶されているモータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃとの関係（マップ化されたデータ）が用いられる。
図３に示すように、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００（図３中、点線で表されている。）は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑの一次関数である。また、第１実施形態のＦＣ４２は、一般的な燃料電池と同様、ＦＣ発電電流Ｉｆが上がるほど、ＦＣ発電電圧Ｖｆが下がる特性（Ｉ−Ｖ特性１０２）を有する（図４参照）。このため、図３中、一点鎖線で表されているＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４は、モータ２２の出力（モータ出力Ｐｍｒ）［Ｗ］が増加するに連れて減少する。そして、第１実施形態では、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００とＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４とが交差するモータ出力Ｐ２が、モータ２２の連続定格出力Ｐｃｒとなるようにモータ２２及びＦＣ４２の仕様が決定される。なお、以下では、モータ出力Ｐｍｒが、連続定格出力Ｐｃｒ以下である状態を「定常走行状態」と呼び、連続定格出力Ｐｃｒを上回る状態を「非定常走行状態」と呼ぶ。
図５には、連続定格出力Ｐｃｒを決定する方法の説明図が示されている。第１実施形態の連続定格出力Ｐｃｒは、車両動力目標値であるターゲット車速Ｖｔａｒ［ｋｍ／ｈ］におけるターゲット勾配登坂時に必要なモータ出力Ｐｍｒとしての定常保証出力Ｐｃｇ［Ｗ］である。このため、定常走行状態は、定常保証出力Ｐｃｇ以下の出力でモータ２２を運転する走行モータ駆動状態であり、非定常走行状態は、定常保証出力Ｐｃｇを超える出力でモータ２２を運転する走行モータ駆動状態である。
図３に戻り、ＰＤＵ２４の目標電圧（ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ）［Ｖ］の特性１０６（図３中、実線で表されている。）は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑに応じて設定される｛Ｖｐ＿ｔａｒ＝ｆ（Ｐｍｒ＿ｒｅｑ）｝。そして、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑがゼロのときは、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒは、ＦＣ発電電圧Ｖｆよりも低くなるように設定される。
さらに、モータ出力Ｐ１（ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒの特性１０６とＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４とが接するモータ出力Ｐｍｒ）以上、モータ出力Ｐ２（モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００とＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４とが交差するモータ出力Ｐｍｒ、すなわち連続定格出力Ｐｃｒ）未満では、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒの特性１０６は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑの増加に応じて減少する。例えば、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒの特性１０６は、モータ出力Ｐ１、Ｐ２の間で、ＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４と同じである。
さらにまた、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑがモータ出力Ｐ２（連続定格出力Ｐｃｒ）より大きいとき、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒの特性１０６は、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００と等しくなる。なお、図３中、モータ出力Ｐ１からＰ３の間において二点鎖線で示す特性１０８は、後述する比較例のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃの特性である。
図２に戻り、ステップＳ３において、統括制御部８０は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑやＦＣユニット４０（エアコンプレッサ４６等）の要求電力、図示しない補機の要求電力に基づいて、ＦＣ４２の目標電流（ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒ）［Ａ］を算出する。そして、算出したＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒは、ＦＣ制御部４８に通知される。ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒを受信したＦＣ制御部４８は、ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒと、電流センサ５８が検出したＦＣ発電電流Ｉｆとの誤差ΔＩｆ１（ΔＩｆ１＝Ｉｆ＿ｔａｒ−Ｉｆ）等に基づいて、ＦＣ４２、水素タンク４４及びエアコンプレッサ４６を制御する。
続くステップＳ４において、統括制御部８０は、ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２（図４）を用いてＦＣ４２の目標電圧（ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒ）を算出する。なお、このＩ−Ｖ特性１０２は、統括制御部８０のメモリ８１にマップ化されて記憶されている。また、ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒは、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑのみに基づいて算出されるのではなく、ＦＣユニット４０の要求電力や補機の要求電力をも考慮して算出される。このため、図３中の横軸におけるモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの位置とＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒの位置が異なる場合もあることに留意されたい。
ステップＳ５において、統括制御部８０は、ＦＣ車両１０が定常走行状態にあるかどうかを判定する。具体的には、ステップＳ４で算出したＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒが、ステップＳ２で算出したモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃ以上であるかどうかを判定する。上述の通り、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００とＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４とは、連続定格出力Ｐｃｒ（モータ出力Ｐ２）において交差する。また、連続定格出力Ｐｃｒ以下のとき定常走行状態であり、連続定格出力Ｐｃｒを超えるとき非定常走行状態である。このため、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒがモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃ以上である場合、定常走行状態であり、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒがモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを下回る場合、非定常走行状態である。
ＦＣ車両１０が定常走行状態である場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、ステップＳ６において、統括制御部８０は、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒを第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の昇圧後の電圧目標値（電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒ）として設定し（Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒ←Ｖｆ＿ｔａｒ）、この電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒを第２コンバータ制御部７４に通知する。一方、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧後の目標値は算出せず、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は動作させない。これにより、ＦＣ発電電圧Ｖｆは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０ではなく、バイパスダイオード５４を介してＰＤＵ２４に供給される。
ＦＣ車両１０が非定常走行状態である場合（Ｓ５：Ｎｏ）、ステップＳ７において、統括制御部８０は、ステップＳ２で算出したモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒとして設定し（Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒ←Ｖｍｒ＿ｎｅｃ）、この電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒを第２コンバータ制御部７４に通知する。続くステップＳ８において、統括制御部８０は、ステップＳ３で求めたＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒを第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の燃料電池側電流目標値（電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒ）として設定し（Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒ←Ｉｆ＿ｔａｒ）、この電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒを第１コンバータ制御部５２に通知する。
（２）第１コンバータ制御部５２における処理
図６には、第１コンバータ制御部５２が行う処理のフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、第１コンバータ制御部５２は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒを受信したかどうかを判定する。電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒを受信していない場合（Ｓ１１：Ｎｏ）、ＦＣ車両１０は定常走行状態（図３の連続定格出力Ｐｃｒ以下の状態）であると考えられる。そこで、第１コンバータ制御部５２は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を動作させず（ＦＣ発電電圧Ｖｆを昇圧せず）、バイパスダイオード５４を介してＦＣ発電電流ＩｆをＰＤＵ２４に供給する。
一方、電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒを受信した場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、ＦＣ車両１０は非定常走行状態（図３の連続定格出力Ｐｃｒを超える状態）であると考えられる。そこで、ステップＳ１３において、第１コンバータ制御部５２は、電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒを用いて第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０をフィードバック制御する。具体的には、電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒ（＝Ｉ１＿ｔａｒ）と、電流センサ５８が検出したＦＣ発電電流Ｉｆとの誤差ΔＩｆ２（ΔＩｆ２＝Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒ−Ｉｆ）を算出し、ＦＣ発電電流Ｉｆが、電流目標値Ｉ１ｃｏｎ＿ｔａｒと等しくなるように駆動デューティを調整してＦＣ発電電圧Ｖｆを昇圧する。この際、例えば、比例・積分・微分制御（ＰＩＤ制御）を用いることができる。
（３）第２コンバータ制御部７４における処理
図７には、第２コンバータ制御部７４が行う処理のフローチャートが示されている。ステップＳ２１において、第２コンバータ制御部７４は、図２のステップＳ６又はステップＳ７で送信された第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒを受信する。続くステップＳ２２において、第２コンバータ制御部７４は、電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒを用いて第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２を制御する。具体的には、下記の式（１）〜式（７）で規定されるデューティＤＵＴを算出し、このデューティＤＵＴを用いて第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の図示しないスイッチング素子を駆動することにより昇圧を行う。
ＤＵＴ＝ＦＦ項＋ＦＢ項 （１）
ＦＦ項＝１−（Ｖ１／Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒ） （２）
ＦＢ項＝Ｐ項＋Ｉ項＋Ｄ項 （３）
Ｐ項＝Ｋｐ×ΔＶ２ （４）
Ｉ項＝Ｉ項前回＋Ｋｉ×ΔＶ２ （５）
Ｄ項＝Ｋｄ×（ΔＶ２−ΔＶ２前回） （６）
ΔＶ２＝Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒ−Ｖ２ （７）
式（１）のＦＦ項は、フィードフォワード項であり、ＦＢ項は、フィードバック項である。式（３）のＰ項、Ｉ項及びＤ項は、それぞれ比例・積分・微分制御（ＰＩＤ制御）の比例項、積分項及び微分項である。式（４）〜式（６）の係数Ｋｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、それぞれ比例係数、積分係数及び微分係数である。
（４）比較例
図８には、図３に示された第１実施形態の各特性と比較するための比較例が示されている。この比較例は、例えば、特許文献２の図３に基づくものである。図８において、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００及びＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４は、図３と同様である。一方、図３の連続定格出力Ｐｃｒは、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００とＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４とが交差するモータ出力Ｐ２に設定される（Ｐｃｒ＝Ｐ２）のに対し、図８の連続定格出力Ｐｃｒは、前記モータ出力Ｐ２よりも大きい値に設定される（Ｐｃｒ＞Ｐ２）。
また、図８のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃは、モータ出力Ｐｍｒが増加するに連れて増加する特性である。このため、図３のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒは、下記の点で比較例のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃと異なる。
すなわち、比較例（図８）のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃは、モータ出力ＰｍｒがＰ１からＰ２の間、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒがＶｐ＿ｐ１からＶｐ＿ｐ２’まで増加し、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒが、ＦＣ発電電圧Ｖｆを上回る。このため、モータ出力ＰｍｒがＰ１からＰ２の間、比較例では、ＦＣ発電電圧Ｖｆを昇圧する必要がある。
一方、第１実施形態（図３）のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒは、モータ出力ＰｍｒがＰ１からＰ２の間、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒがＶｐ＿ｐ１からＶｐ＿ｐ２まで減少する。換言すると、モータ出力ＰｍｒがＰ１であるときのＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｐ１から、モータ出力ＰｍｒがＰ２であるときのＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｐ２までのＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒの特性１０６は、ＦＣ発電電圧Ｖｆの特性１０４と等しく減少する。これにより、モータ出力ＰｍｒがＰ１からＰ２の間、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０による昇圧が不要となる。
さらに、比較例（図８）では、モータ出力ＰｍｒがＰ２からＰ３の間、ＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃの特性１０８が、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの特性１００を上回る。モータ出力Ｐ３は、比較例のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃが、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃと交差するモータ出力Ｐｍｒである。このため、モータ出力ＰｍｒがＰ２からＰ３の間、比較例では、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを超えるようにＦＣ発電電圧Ｖｆを昇圧する必要がある。
一方、第１実施形態（図３）のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒは、モータ出力ＰｍｒがＰ２からＰ３の間、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃと同じ特性を有する。これにより、比較例のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒ＿ｃと比較して、第１実施形態のＰＤＵ目標電圧Ｖｐ＿ｔａｒは、モータ出力ＰｍｒがＰ２からＰ３の間、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃに近付けることができるので、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０による余計な昇圧を避けることができる。
３．第１実施形態の効果
以上のように、第１実施形態では、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、非定常走行時に昇圧動作を行い、定常走行時に昇圧動作を行わない。これにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、定常走行時に昇圧を行う必要がなくなり、省電力化を実現することができる。加えて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の仕様として、連続定格を考慮する必要がほとんどなくなり、時間定格のみを考慮すればよくなる。その結果、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の小型化が可能となる。
第１実施形態では、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０をバイパスしてＦＣ４２からモータ２２にＦＣ発電電力Ｐｆｃを供給するバイパスダイオード５４が設けられる。これにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０が昇圧動作を行わないときには、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を介さずに、ＦＣ４２からモータ２２に電力供給することが可能となり、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の内部抵抗による電力消費を防止することができる。
第１実施形態の第２コンバータ制御部７４は、定常走行時及び非定常走行時のいずれにおいても、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２に対する電圧目標値制御を行い、定常走行時と非定常走行時とで異なる制御目標値（ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒ、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃ）を用いる。定常走行時と非定常走行時とで異なる電圧制御目標値を用いることにより、定常走行時と非定常走行時を区別して第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の動作制御が可能となる。
さらに、第２コンバータ制御部７４は、定常走行時には、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒを電圧制御目標値として用い、非定常走行時には、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを電圧制御目標値として用いる。定常走行時には、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒを電圧制御目標値として制御を行うため、ＦＣ４２の発電効率を考慮することが可能になると共に、非定常走行時には、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを電圧制御目標値として制御を行うため、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを確実に実現することができる。
第１実施形態では、ＦＣ車両１０は、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃとをマップ化して記憶した統括制御部８０のメモリ８１を備える。モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃとをマップ化することにより、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを迅速に判定することができる。
第１実施形態では、統括制御部８０は、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｔａｒとを比較し、その比較結果に基づいて、定常走行時と非定常走行時とを判別する。ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃとの比較結果に基づくため、ＦＣ発電電圧Ｖｆが、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを下回るかどうかを確実に判別することができる。
Ｂ．第２実施形態
１．第１実施形態との相違
図９は、第２実施形態に係る燃料電池車両１０Ａ（以下、「ＦＣ車両１０Ａ」とも称する。）の回路図である。第２実施形態のＦＣ車両１０Ａは、基本的に、第１実施形態のＦＣ車両１０と同じであるが、第１実施形態と異なり、バイパスダイオード５４を備えない。代わりに、ＦＣ車両１０Ａでは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の図示しないスイッチング素子のデューティＤＵＴを１００％とし、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のＦＣ４２側とＰＤＵ２４側とを直結する。これにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の昇圧動作を介さずにＦＣ発電電圧ＶｆをＰＤＵ２４に供給する。
図１０には、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２で用いる制御目標値をＦＣ車両１０Ａの統括制御部８０において算出するフローチャートが示されている。
図１０のステップＳ３１〜Ｓ３５、Ｓ３８、Ｓ３９は、図２のステップＳ１〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ８と同じである。ステップＳ３６では、統括制御部８０は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の制御目標値として、昇圧後の電圧目標値Ｖ２ｃｏｎ＿ｔａｒを算出するのではなく、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の燃料電池側電流を第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の制御目標値とした電流目標値Ｉ２ｃｏｎ＿ｔａｒを算出する。この電流目標値Ｉ２ｃｏｎ＿ｔａｒは、第２コンバータ制御部７４に送信される。電流目標値Ｉ２ｃｏｎ＿ｔａｒを受信した第２コンバータ制御部７４は、電流目標値Ｉ２ｃｏｎ＿ｔａｒと、電流センサ５８が検出したＦＣ発電電流Ｉｆとの誤差ΔＩｆ３（ΔＩｆ３＝Ｉ２ｃｏｎ＿ｔａｒ―Ｉｆ）を算出し、この誤差ΔＩｆ３をゼロとするように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２をフィードバック制御する。
続くステップＳ３７では、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の制御目標値（制御指令）として、１００％の目標デューティＤＵＴ１ｃｏｎ＿ｔａｒを算出する。１００％の目標デューティＤＵＴ１ｃｏｎ＿ｔａｒは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０に送信される。１００％の目標デューティＤＵＴ１ｃｏｎ＿ｔａｒを受信した第１コンバータ制御部５２は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０の図示しないスイッチング素子をオンさせ続けて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０のＦＣ４２側とＰＤＵ２４側とを直結させる。これにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、昇圧動作を行わずに、ＦＣ発電電圧ＶｆをＰＤＵ２４に供給する。
２．第２実施形態の効果
第１実施形態で述べた効果に加え又は第１実施形態で述べた効果に代えて、第２実施形態は以下の効果を奏する。
すなわち、第２実施形態の第２コンバータ制御部７４は、定常走行時には、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２に対する電流目標値制御を行い、非定常走行時には、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２に対する電圧目標値制御を行う。これにより、定常走行時には、電流目標値制御を行い、非定常走行時には電圧目標値制御を行うことにより、定常走行時と非定常走行時を区別して第２ＤＣ／ＤＣコンバータ７２の動作制御が可能となる。
さらに、第２コンバータ制御部７４は、定常走行時には、ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒを電流目標値として用い、非定常走行時には、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｔａｒを電圧目標値として用いる。定常走行時には、ＦＣ目標電流Ｉｆ＿ｔａｒを電流目標値として制御を行うため、ＦＣ４２の発電効率を考慮することが可能になると共に、非定常走行時には、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを電圧目標値として制御を行うため、モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを確実に実現することができる。
Ｃ．変形例
なお、この発明は、上記各実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記各実施形態では、電力供給源として、ＦＣ４２に加え、バッテリ６２を備えていたが、ＦＣ４２のみを有する構成も可能である。
上記実施形態では、定常走行時と非定常走行時とを判定するために、ＦＣ目標電圧Ｖｆ＿ｔａｒとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃとの比較結果を用いたが、これに限られず、例えば、ＦＣ発電電圧Ｖｆとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃの比較結果を用いることもできる。
上記各実施形態では、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑとモータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃをマップ化して記憶したが、これに限られない。例えば、モータ要求出力Ｐｍｒ＿ｒｅｑに基づいて逐次モータ必要電圧Ｖｍｒ＿ｎｅｃを演算してもよい。
上記各実施形態では、複数の制御部（統括制御部８０、モータ制御部３２、ＦＣ制御部４８、第１コンバータ制御部５２、第２コンバータ制御部７４）に処理を分散させたが、１つの制御部（例えば、統括制御部８０）において全ての処理をまとめて行ってもよい。
この発明の第１実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 第１実施形態の統括制御部における処理のフローチャートである。 第１実施形態におけるモータ必要電圧の特性、燃料電池の発電電圧の特性及びＰＤＵ目標電圧の特性の説明図である。 燃料電池の電流電圧特性の説明図である。 連続定格出力を決定する方法を示す説明図である。 第１実施形態の第１コンバータ制御部における処理のフローチャートである。 第１実施形態の第２コンバータ制御部における処理のフローチャートである。 比較例におけるモータ必要電圧の特性、燃料電池の発電電圧の特性及びＰＤＵ目標電圧の特性の説明図である。 この発明の第２実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 第２実施形態の統括制御部における処理のフローチャートである。
符号の説明
１０、１０Ａ…燃料電池車両 ２２…モータ
４２…燃料電池 ５０…第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
５２…第１コンバータ制御部 ５４…バイパスダイオード
６２…バッテリ（蓄電装置） ７２…第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
７４…第２コンバータ制御部 ８０…統括制御部
８１…メモリ
Ｉｆ＿ｔａｒ…ＦＣ目標電流 Ｐｃｇ…定常保証出力
Ｐｃｒ…連続定格出力 Ｐｍｒ＿ｒｅｑ…モータ要求出力
Ｖｆ…ＦＣ発電電圧 Ｖｆ＿ｔａｒ…ＦＣ目標電圧
Ｖｍｒ＿ｎｅｃ…モータ必要電圧 Ｖｔａｒ…ターゲット車速

Claims (6)

  1. 走行モータと、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して前記走行モータに供給する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電装置と、前記走行モータと前記蓄電装置との間に配置された第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記走行モータへの電力供給を制御する制御装置とを備える燃料電池車両であって、
    前記燃料電池の出力電圧は、前記走行モータが連続定格出力を下回って作動する定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を上回り、前記走行モータが前記連続定格出力を上回って作動する非定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を下回るように設定され、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の出力電圧が、前記走行モータの必要電圧を下回ると判定したとき、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに昇圧動作を行わせ、
    前記定常走行時には、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに対する電流目標値制御を行い、
    前記非定常走行時には、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに対する電圧目標値制御を行う
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項１記載の燃料電池車両において、さらに、
    前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータをバイパスして前記燃料電池から前記走行モータに電力を供給するバイパスダイオードを有する
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、
    前記制御装置は、
    前記燃料電池の目標電流を算出し、
    前記定常走行時には、前記燃料電池の目標電流を前記電流目標値として用い、前記非定常走行時には、前記走行モータの必要電圧を前記電圧目標値として用いる
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、さらに、
    前記走行モータの要求出力と必要電圧とをマップ化して記憶した記憶部を備える
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
    前記制御装置は、前記燃料電池の目標電圧と前記走行モータの必要電圧とを比較し、その比較結果に基づいて、前記定常走行時と前記非定常走行時とを判別する
    ことを特徴とする燃料電池車両。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
    前記連続定格出力は、車両動力性能目標値であるターゲット車速におけるターゲット勾配登坂時に必要な前記走行モータの出力としての定常保証出力であり、
    前記定常走行は、前記定常保証出力以下の出力で前記走行モータを運転する走行モータ駆動状態であり、
    前記非定常走行は、前記定常保証出力を超える出力で前記走行モータを運転する走行モータ駆動状態である
    ことを特徴とする燃料電池車両。
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