JP4849349B2 - 燃料電池システムおよび移動体 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに係り、より具体的には、燃料電池の発電有無に応じて駆動装置の駆動状態が大きく変動することを防止する技術に関する。
燃料電池の補助的な電力源として蓄電装置を備えた燃料電池システムとして、例えば、特開平９−２３１９９１号公報に記載されたようなものが知られていた。この公報には、移動体である自動車に適用した燃料電池システムが開示されている。この公報記載の発明では、システムの始動時には、燃料電池を低効率で運転することにより発熱を促す暖機運転が行われ、暖機運転の期間中、駆動装置であるモータに対しては蓄電装置である二次電池から電力を供給するようになっている。二次電池がモータに電力を供給している間、暖機状態検出手段が暖機中の燃料電池の暖機状態を検出するようになっている。この検出結果から燃料電池が十分に暖機されたと判断されると、燃料電池とモータとが電気的に接続され、燃料電池からモータに対して電力の供給が行われるようになる。このようなシステムによれば、十分に暖機されたことが検出されてから燃料電池とモータとが接続されるため、燃料電池の温度が低いことに起因して生ずる電圧降下が生じないといった効果を奏していた。
特開平９−２３１９９１号公報
しかしながら、上記のように低効率運転中に蓄電装置からの電力で駆動装置を駆動している場合において低効率運転終了後に燃料電池と駆動装置とを電気的に接続すると、駆動装置における駆動状態が急激に変化し、駆動状態の安定性が損なわれるという可能性があった。
すなわち、燃料電池の出力電力容量は補助的な蓄電装置の電力容量に比べて大きいため、低効率運転を終了した燃料電池を駆動装置に接続した瞬間に駆動装置に供給される駆動パワー量が急激に増え、駆動状態の安定性が損なわれてしまうのである。
このような燃料電池システムを自動車に適用した場合、燃料電池をモータに接続した後の自動車の走行状態が安定しないことから、自動車の乗り心地が大変悪いものになってしまう可能性があった。
そこで、本発明は、燃料電池から駆動装置への電力供給開始直後であっても滑らかな駆動状態の変化を提供することが可能な燃料電池システムおよび移動体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と蓄電装置とが駆動装置に電力を供給可能に構成された低効率駆動を行う燃料電池システムにおいて、蓄電装置による電力供給によって駆動装置を駆動する蓄電装置走行から、燃料電池の発電を開始し、燃料電池から駆動装置に電力を供給する通常走行に移行する際に、駆動装置に指令する駆動量を、駆動装置に供給可能な電力に対応した第１の駆動量に対して制限する制限手段を備え、制限手段は、燃料電池の発電開始後、駆動装置に指令する駆動量を、燃料電池の発電を開始する直前に指令していた駆動量から第１の駆動量に向けて線形的に増大させることを特徴とする。
上記構成によれば、蓄電装置による電力供給によって駆動装置を駆動する蓄電装置走行から、燃料電池の発電を開始し、燃料電池から駆動装置に電力供給を供給する通常走行に移行する際に、駆動装置に指令する駆動量を、燃料電池の発電を開始する直前に指令していた駆動量から第１の駆動量に向けて線形的に増大させるので、いきなり供給電力が高くなって急激に駆動量が増加し駆動装置の駆動状態が不安定になることを防止可能である。
ここで「制限する」とは、制限しない場合よりも低い値の駆動量を出力することをいい、制限しない場合よりも小さい変化率で駆動量を変化させることも含んでもよい。具体的には、制限しない場合よりも低い値で駆動量を出力した後、制限量を漸次減少させることで、駆動量を制限のない値に収束させていくことである。
さらに具体的な構成として、本発明のハイブリッド形燃料電池システムは、移動体に搭載され、燃料電池と蓄電装置とが駆動装置に電力を供給可能に構成された燃料電池システムにおいて、駆動要求信号に応じて駆動装置に必要なトルクを演算する駆動トルク演算手段と、トルクに対応して駆動要求パワー量を演算する駆動要求パワー演算手段と、補機類損失量を演算する補機類損失パワー演算手段と、駆動要求パワー量と補機類損失とに基づきシステム要求パワー量を演算するシステム要求パワー演算手段と、システム要求パワー量に基づいて燃料電池へのガス供給指令量を出力するガス供給量指令手段と、ガス供給指令量に対応して実際に供給されたガスの流量に基づいて燃料電池に許可しうる燃料電池発電許可パワー量を特定する燃料電池発電許可パワー特定手段と、システム要求パワー量および燃料電池発電許可パワー量のうち少ない方のパワー量を出力する最小値選択手段と、選択された該パワー量と蓄電装置から供給可能なパワー量とに基づき駆動装置へ許可すべき駆動許可パワー量を演算する駆動許可パワー演算手段と、蓄電装置による電力供給によって駆動装置を駆動する蓄電装置走行から、燃料電池の発電が開始され、燃料電池から駆動装置に電力を供給する通常走行に移行した際に、駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限する制限手段と、を備える。
また上記構成において、蓄電装置走行期間における駆動要求パワー量を、駆動要求信号に対応した駆動要求量の大きさに関わらず、蓄電装置から供給可能な電力量から補機類損失を差し引いた差分以下に制限する駆動要求パワー制限手段をさらに備えるようにしてもよい。
さらに上記構成において、制限手段は、システム要求パワー量を制限することにより、駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限するシステム要求パワー制限手段である。
また上記構成において、燃料電池発電許可パワー特定手段は、ガス流量と当該ガス流量に対して許容すべき燃料電池発電許可パワー量との関係を特定するストイキ特性を参照して燃料電池発電許可パワー量を決定し、制限手段は、ストイキ特性を複数保持し、燃料電池発電許可パワー特定手段が参照するストイキ特性を、ガス流量に対して許容すべき燃料電池発電許可パワー量が相対的に制限されているストイキ特性に変更することにより、駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限するストイキ変更手段である。
また本発明は、上記いずれかに記載のハイブリッド形燃料電池システムを備えた移動体でもある。ここで、「移動体」とは、駆動装置によって移動可能に構成されたものをいい、駆動装置がモータであり車輪により推進する車両の他、駆動装置が生成するパワーを推進力に変換して移動するものを含む。水上を移動する船舶類、水中を移動する潜水艇類、空中を移動する飛行体、さらに宇宙空間を移動する宇宙船類も含む概念である。
本発明の原理を説明するブロック図 実施形態１のハイブリッド形燃料電池システムのシステム構成図 実施形態１の機能ブロック図 燃料電池のＩ−Ｖ特性と動作点の説明図 バッテリ許可パワーと制限されるモータ要求パワーとの関係図 低効率駆動期間における制限前のモータ要求パワーと制限されたモータ要求パワーの推移 低効率駆動期間とその直後における制限されたシステム要求パワーの推移 実施形態２の機能ブロック図 通常駆動用のストイキ特性と緩和ストイキ特性 低効率駆動期間とその直後における緩和された燃料電池許可パワーの推移
以下、本発明の好適な実施の形態を、図面に基づいて説明する。
（原理説明）
図１に本発明の原理を説明するブロック図を示す。
図１に示すように、本発明の燃料電池システムは、複数（ｎ個）の電力供給源１１、１２、…、１ｎを備え、それぞれが電力を駆動装置２１に供給可能に構成されている。例えば、電力供給源として、燃料電池および補助的電源である蓄電装置が挙げられる。図１に示すように、電力供給源１が燃料電池、電力供給源２が蓄電装置とすることができる。電力供給源の数に限定はなく、３以上の電力供給源から駆動装置２１に電力を供給可能とすることができる。
駆動装置２１は、１以上の電力供給源から供給された電力を消費する装置であり、消費装置ということもできる。駆動装置２１は、制御量である指令駆動量に対応した駆動量で動作する。すなわち、電力供給源から供給される電力量の大きさとは無関係に、指令された駆動量に対応した電力を消費するように構成されている。例えば、この燃料電池システムが自動車に適用される場合には、車両走行用モータ、その他補機類を駆動装置２１として利用可能である。
さらに燃料電池システムは、電力供給源選択手段２０、指令駆動量演算手段２２、および制限手段２３または２４を備える。これら手段は、主として、コンピュータ装置が本発明の電力制御方法を実現させるためのソフトウェアプログラムを実行することにより機能的に実現される機能ブロックである。
電力供給源選択手段２０は、複数の電力供給源１ｘ（１＜ｘ＜ｎ）の中から、駆動装置２１に対して電力を供給する電力供給源を選択する機能ブロックである。電力供給源の数は複数を同時に選択してもよい。例えば、電力供給源からコンバータやインバータを介して駆動装置２１に電力が供給されるシステムでは、上記コンピュータにより制御される当該コンバータやインバータも、電力供給源選択手段２０の一部に相当する。電力供給源選択手段２０からは、電源供給が許可された電力供給源からの総電力Ｐtotalが最大限、駆動装置２１に供給可能となる。但し、駆動装置２１の実際の駆動量は指令駆動量によって制限される。
指令駆動量演算手段２２は、燃料電池システムの動作状態に影響する１以上の得検出値Ｓ１、Ｓ２、…、Ｓｎに基づいて駆動装置２１に指令する駆動量を演算する機能ブロックである。演算要素としては、センサから供給される検出信号、他のコンピュータ装置から供給される制御信号や状態信号が含まれる。
制限手段２３・２４は、指令駆動量を制限する機能ブロックである。この制限手段２３は、駆動量を制限することで、駆動量の急激な変化を緩和するよう機能する。例えば、電力供給源選択手段２０が駆動装置２１に電力を供給する電力供給源１ｘを変更する際に、変更した電力供給源１ｘから供給可能な総電力Ｐtotalに応じた駆動量を指令する代わりに、駆動量の変化に制限を加えて総電力Ｐtotalに応じた駆動量よりも低い駆動量を指令させ、その駆動量を線形的に増加させていくのである。電力供給源１ｘを変更する直前に指令していた駆動量が滑らかに変化することが好ましく、電力供給源の変更前後で指令する駆動量が連続していることや、変更後は線形的に変化させることとなる。制限手段２３・２４は、駆動装置２１に出力する駆動量を、一定の時間をかけて総電力Ｐtotalに応じた駆動量に追従（収束）させていくことになる。言い換えれば、制限手段２３・２４は、電力供給源の切り替え直後に大きな制限量を付加し、経時的に制限量を減少させる機能ともいえる。
上記のような制限手段は、様々な形でシステムに組み入れることが可能である。例えば、制限手段２３で示すように、指令駆動量演算手段２２の中に組み入れる場合、制限手段２４で示すように、駆動装置２１に出力される駆動量を操作する場合が考えられる。
制限手段２３は、駆動量の演算過程で生じる制御パラメータの変化に制限を課すことで、駆動装置２１に指令する駆動量の変化を緩やかにする機能ブロックであるすなわち、変更後の電力供給源１ｘの構成から演算される制御パラメータを用いずに、制御パラメータの変化量または変化率に制限を加えることで、制限手段２３は制御系に積分要素を組み入れたのと同様の機能を奏するのである。このような制御パラメータは、システムに応じて種々に定めることが可能である。例えば、自動車に組み入れる燃料電池システムでは、燃料電池からの発電が開始された後におけるシステム要求電力量や、ガス流量と当該ガス流量に対して許容すべき燃料電池発電許可電力量との関係を特定するストイキ特性が、制限対象となる制御パラメータとして挙げられるが、無論これに限定されることはない。
制限手段２４は、駆動装置２１に指令する駆動量に対し直接操作することにより駆動量の変化を緩やかにする機能ブロックである。指令駆動量演算手段２２が出力した駆動量またはその変化率に制限を加えることで、制限手段２４は制御系に積分要素を組み入れたのと同様の機能を奏する。
上記の原理説明から明らかなように、本発明では制限手段を設けることにより制御量の急激な変化を抑制し、電力供給状態に変化を生じた場合であっても駆動装置に対する駆動量を徐々に変化させるので、急激な駆動量の変化に伴って駆動装置の駆動状態が不安定になることを防止可能である。
以下、本発明の燃料電池システムを、本発明の燃料電池システムを移動体である電気自動車に搭載した実施形態を説明する。但し、本発明はこれらの実施形態に限定されることなく種々に変形して実施可能である。
（実施形態１）
本実施形態１は、上記制御パラメータとしてシステム要求パワー量を制限することにより指令すべき駆動量である駆動許可パワーを制限する例に関する。
（システム構成）
図２に本実施形態における自動車に適用した燃料電池システムにおけるシステム構成図を示す。
図２に示すように、当該燃料電池システムは、燃料ガス供給系１、酸化ガス供給系２、燃料電池３、電力系４、並びにハイブリッド制御部１００及び燃料電池制御部２００を備えている。
燃料ガス供給系１は、燃料電池３に対して燃料ガスとして水素ガスを供給する系である。燃料ガス供給系１の構成には限定は無いが、例えば、水素タンクや水素吸蔵合金から水素ガスを供給する構成の場合、各種遮断弁、レギュレータ、水素ポンプ等を備える。改質器から水素ガスを供給するよう構成してもよい。燃料電池３から排出される燃料オフガスは、パージ遮断弁等を介して放出される。
酸化ガス供給系２は、燃料電池３に対して酸化ガスとして空気を供給する系である。酸化ガス供給系２の構成には限定は無いが、例えば、エアクリーナ、コンプレッサ、加湿器等を備えている。
燃料電池３は、任意の発電方式を採用可能であり、その方式や構造には特に限定はないが、本実施形態では、単セルが積層されたスタックとして構成されている。単セルは高分子電解質膜をアノード及びカソードの二つの電極を挟み込んだ構造をしたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）で構成され、単セル間はセパレータで仕切られている。セパレータは、燃料ガスである水素ガス、酸化ガスである空気、冷却水の流路を提供するものである。ＭＥＡでは、アノードにはアノード用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソードにはカソード用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。燃料電池は水の電気分解の逆反応を起こすものであるために、アノード側には燃料ガスである水素ガスが燃料ガス供給系１から供給され、カソード側には酸化ガスである空気が酸化ガス供給系２から供給される。燃料電池３は単セルを直列接続させることによって、出力端子であるアノード極とカソード極との間に所定の高圧電圧（例えば約５００Ｖ）を発生させ、電力系４に供給している。
その他、図示しないが、燃料電池３に冷却液を循環供給する冷却系を備えている。
電力系４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０、バッテリ４１、バッテリコンピュータ４２、トラクションインバータ４３、トラクションモータ４４、補機インバータ４５、補機モータ４６、電圧センサ４７、電流センサ４８、車輪５０を備えている。なお、電力系４の接続方法や構成部品に限定はなく、燃料電池システムとして電力を供給可能に構成されていればよい。
ＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、異なる電源電圧系統間の電力を交換する装置である。本実施形態では、一次側（燃料電池３側）の電圧（例えば５００Ｖ）を二次側（バッテリ４１側）の電圧（例えば約２００Ｖ）に降圧し、または、二次側の電圧を一次側の電圧に昇圧するものである。例えばＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、三相ブリッジ形コンバータとしての回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバータは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子およびインダクタで構成されており、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分とその交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされている。またＤＣ−ＤＣコンバータ４０は、ハイブリッド制御部１００からの制御信号ＳCONVに基づき一次側の出力電圧を正弦変動させることで交流インピーダンス測定のための正弦波を電源に重畳することが可能になっている。
バッテリ４１は、本発明の蓄電装置に相当する。バッテリ４１は、例えばニッケル水素等のバッテリモジュールを多数積層して構成されており、所定の電圧（例えば２００Ｖ）で電力を供給したり、余剰電力を充電したりすることが可能になっている。つまり、ハイブリッド型燃料電池システムでは、バッテリ４１は、システムで要求されるシステム要求電力（パワー）が燃料電池３から出力可能な電力（パワー）を超える場合に、その電力不足分を補う。また電気自動車が減速してトラクションモータ４４により回生電力が生成された場合や、燃料電池３の発電量がシステム要求電力を上回って余剰電力が生じた場合に、これら回生電力や余剰電力を充電することが可能になっている。
バッテリコンピュータ４２は、バッテリ４１の出力端子に接続されており、バッテリ４１の充電状態（ＳＯＣ）を適正な範囲に維持するよう制御可能に構成されている。例えば、加速時などの高負荷時には電力不足分を供給するために放電され、減速時には回生制動によって発生した回生電力が充電される。バッテリコンピュータ４２は、バッテリ４１を構成する単セルの電圧、温度、電流、雰囲気温度などを検出し、バッテリ４１の充放電量を積算して充電状態を示す検出信号ＳSOCとしてハイブリッド制御部１００に出力するようになっている。
トラクションインバータ４３は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子を有する電圧形ＰＷＭインバータの回路構成を備え、加速時には、ハイブリッド制御部１００から供給されたトルク指令値に基づいて電力系４の一次側から供給された直流電流を所定の振幅の三相交流電流に変換し、主機であるトラクションモータ４４に供給するようになっている。また、減速時には、トラクションモータ４４から供給された三相交流の回生電力を、それに対応する直流電流に変換してバッテリ４１に供給可能になっている。
トラクションモータ４４は、いわゆる交流同期電動機であり、加速時にはトラクションインバータ４３から三相交流として供給された直流電流に対応するトルクを発生させ、車輪５０の回転エネルギーに変換するようになっている。また、減速時には車輪５０の回転力を電気エネルギーに変換して回生電力を発生させ、車輪５０に回生制動力を及ぼすようになっている。
補機インバータ４５は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の直流電力から交流電力を発生させ補機モータ４６に供給するようになっている。補機モータ４６はＤＣ−ＤＣコンバータ４０の二次側の低圧系供給電圧によって駆動される補機類の総称である。補機モータ４５としては、例えば燃料ガスを供給する水素ポンプや酸化ガスを供給するコンプレッサ、冷却液を循環させる冷却液ポンプが相当する。
電圧センサ４７は、燃料電池３の出力電圧を検出し検出信号ＳＶとして出力する。電流センサ４８は、燃料電池の出力電流を検出し検出信号ＳＩとして出力する。これらの検出電圧及び検出電流は、燃料電池３のインピーダンスを測定し、滞留水分量を把握するためのものである。
ハイブリッド制御部１００は、ＥＣＵ（Electric Control Unit）等の公知のコンピュータシステムであり、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）やＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェース回路を備え、ＣＰＵがＲＯＭ等に格納されているソフトウェアプログラムを逐一実行することにより、燃料電池３とバッテリ４１との電力を併用したハイブリッド制御をすることが可能になっている。
またハイブリッド制御部１００には、図示しない複数のセンサから当該電気自動車の操作状態、走行状態を測定するための検出信号が各種入力されている。例えば、ドライバが踏み込んで操作するアクセルペダルの操作状態が図示しないアクセル位置センサによって検出され、アクセル位置信号Ｓａとして入力されている。また、シフトレバーのシフトポジションがシフト位置センサによって検出され、シフト位置信号Ｓｓとして入力されている。さらにトラクションモータ４４の回転数が車輪５０について設けられた車輪速センサによって検出され、車輪速信号Ｓｒとして入力されている。
燃料電池制御部２００は、ハイブリッド制御部１００とは独立したコンピュータシステムであり、燃料電池３の動作状態を制御するため燃料ガス供給系１の水素ポンプに対する駆動量や各弁等に対する開閉を制御するようになっている。また燃料電池制御部２００は、酸化ガス供給系２のコンプレッサ回転数を指示し、酸化ガスの供給量を制御可能になっている。
なお、本実施形態では、ハイブリッド制御を行うハイブリッド制御部１００と燃料電池を制御する燃料電池制御部２００とが独立して制御する構成を採用したが、これに限定されない。全体が一つの制御部として動作しても、さらに細分化されたコンピュータシステムの相互通信によって同様の制御をしてもよい。
（機能ブロックの構成）
図３に、ハイブリッド制御部１００と燃料電池制御部２００によって実現される機能ブロックを示す。
図３に示すように、ハイブリッド制御部１００は、機能ブロックとして、モータトルク演算手段１０１、モータ要求パワー演算手段１０２、モータ要求パワー制限手段１０３、補機類損失パワー演算手段１０４、システム要求パワー演算手段１０５、システム要求パワー制限手段１０６、ＦＣ要求電力演算手段１１０、最小値選択手段１１１、燃料電池許容電流演算手段１１２、燃料電池電流指令手段１１３、燃料電池電圧指令手段１１４、駆動許可パワー演算手段１１６、バッテリ許可パワー演算手段１１７、及びトルク指令手段１１８を備えている。また燃料電池制御部２００は、空気流量指令手段２０１、コンプレッサ回転数指令手段２０２、及び燃料電池発電許可パワー特定手段２０３を備えている。
ハイブリッド制御部１００において、モータトルク演算手段１０１は、駆動要求信号であるアクセル位置信号Ｓａ及びシフト位置信号Ｓｓを入力し、これらの信号が示す駆動要求に応じて、駆動装置であるトラクションモータ４４に必要なトルクを演算する機能ブロックである。モータ要求パワー演算手段１０２は、演算されたトルクに車輪速信号Ｓｒに対応して把握されるモータ回転数を乗じて駆動要求パワー量であるモータ要求パワーＭｒを演算する。
モータ要求パワー制限手段１０３は、本発明に係り、モータ要求パワーＭｒに制限を加え、制限モータ要求パワーＭｒ*を出力する機能ブロックである。モータ要求パワー制限手段１０３は、バッテリ４１からの電力供給でシステムを動作させる低効率駆動期間において機能し、通常運転においては不要な機能ブロックであり、詳しくは後述する。
補機類損失パワー演算手段１０４は、補機モータ４６等において生ずる損失を合計して補機類損失Ｐｈを出力する機能ブロックである。補機モータ４６以外の損失としては、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ４０、トラクションインバータ４３、補機インバータ４５等において生じる損失が挙げられる。
システム要求パワー演算手段１０５は、モータ要求パワーＭｒ（または制限モータ要求パワーＭｒ*と補機類損失Ｐｈとに基づきシステム要求パワーＰｒを演算する機能ブロックである。単純には、モータ要求パワーＭｒ（または制限モータ要求パワーＭｒ*）と補機類損失Ｐｈとを合計する。システム要求パワーＰｒは、当該燃料電池システム全体で現在要求されている必要電力量を示す。
システム要求パワー制限手段１０６は、本発明の制限手段に相当し、システム要求パワーＰｒに制限を加え、制限システム要求パワーＰｒ*を出力する機能ブロックであり、詳しくは後述する。
燃料電池要求電力演算手段１１０は、システム要求パワーＰｒ（または制限システム要求パワーＰｒ*）に基づいて燃料電池３に指令すべきシステム要求電流量Ｉｒを演算する機能ブロックである。
燃料電池制御部２００において、空気流量指令手段２０１は、システム要求電流量Ｉｒを発電させるための空気流量を決定し出力する機能ブロックである。コンプレッサ回転数指令手段２０２は、指令された空気流量を燃料電池３に供給するために必要なコンプレッサの回転数を演算し、コンプレッサ回転数指令信号ＣO2として酸化ガス供給系２のコンプレッサに出力する機能ブロックである。空気流量指令手段２０１及びコンプレッサ回転数指令手段２０２によって、システム要求パワーＰｒに基づく燃料電池３へのガス供給指令量を決定していることになる。酸化ガス供給系２において、図示しないが、エアコンプレッサは指令された回転数で回転し、空気が燃料電池３へ供給される。実際の空気流量はエアフローメータにより検出され、流量検出信号ＳQとして燃料電池制御部２００に入力される。
燃料電池制御部２００において、燃料電池許可パワー特定手段２０３は、流量検出信号ＳQに基づいて、コンプレッサ回転数指令に対応して実際に供給された空気流量を把握する機能ブロックである。そしてこの空気流量に基づいて燃料電池３に許可しうる燃料電池発電許可パワーＰafcを特定する。酸化ガスを含む空気も燃料電池３における電気化学反応の原料であり、実際の空気流量が発電量に影響するからである。具体的には、燃料電池許可パワー特定手段２０３は、空気流量から燃料電池３に許可可能な電流量を決定する。
ハイブリッド制御部１００において、最小値選択手段１１１は、燃料電池制御部２００から入力された燃料電池発電許可パワーＰafcとシステム要求パワーＰｒ（または制限システム要求パワーＰｒ*）とを比較し、小さい方の電力量を選択して出力する機能ブロックである。システム要求パワーＰｒが燃料電池発電許可パワーＰafcよりも小さい場合には、燃料電池３に発電可能な電力よりも現在必要とされる電力が少ないのであるから、小さい方のシステム要求パワーＰｒを出力すれば十分である。逆に、燃料電池発電許可パワーＰafcがシステム要求パワーＰｒよりも小さい場合には、燃料電池３で発電可能な電力が少ないからシステムに大きな電力が要求されていても、実際に発電可能な電力で発電指示をせざるを得ない。よって、最小値選択手段１１１から出力された許可パワーＰafc*が、現時点で燃料電池３に指令すべき電力量を規定しているのである。
燃料電池許可電流演算手段１１２は、許可パワーＰafc*に対応する燃料電池の許容電流量を演算する機能ブロックであり、燃料電池電流指令手段１１３は、燃料電池３に対する電流指令値を出力する機能ブロックである。燃料電池電圧指令手段１１４は、システム要求パワーＰｒ（また制限システム要求パワーＰｒ*）と燃料電池３のＩ−Ｖ（出力電流−出力電圧）特性から特定される動作点を求め、動作点における電圧値をコンバータ電圧指令信号ＣCONVとして出力する機能ブロックである。燃料電池３は、出力電圧を制御することで動作点を変更可能になっているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ４０の一次側電圧を調整して、所望の燃料電池の出力電流を得ることができるからである。
図４に、燃料電池のＩ−Ｖ特性と動作点Ａとの関係を示す。
図４に示すように、燃料電池に発電を許可する発電許可パワーＰafcが定まると、電力供給曲線とＩ−Ｖ特性との交点から動作点Ａが定まり、燃料電池の出力電流と出力電圧が定まる。本実施形態では、先に指令する電流値Ｉａが定まるため、その電流値ＩａとＩ−Ｖ特性とによりＤＣ−ＤＣコンバータ４０に指示すべき一次側電圧Ｖａが定まる。
さて、図３において、燃料電池３に対する電流指令値は、駆動許可パワー演算手段１１６にも出力されている。駆動許可パワー演算手段１１６は、バッテリ許可パワー演算手段１１７から入力されたバッテリ許可パワーＰｂと電流指令値と補機類損失Ｐｈに基づき、現在、トラクションインバータ４３に供給してよい駆動許可パワーＰｄを演算する機能ブロックである。トルク指令手段１１８は、駆動許可パワーＰｄに基づきトラクションモータ４４に発生させるべきトルクを決定し、トルク指令信号ＣINVTとして、トラクションインバータ４３に出力する機能ブロックである。
なお、バッテリ許可パワー演算手段１１７は、バッテリコンピュータ４２から供給される充電状態検出信号ＳSOCに基づきバッテリ４１から出力可能なバッテリ許可パワーＰｂを演算する機能ブロックである。
（低効率駆動期間に係る構成及び動作）
次に本発明のもう一つの特徴部分である低効率駆動期間に係る構成を説明する。
低効率駆動期間とは、燃料電池システムの始動時等、燃料電池の暖機運転が必要であったり、燃料電池の発電を一時停止することが必要であったり、する期間をいう。この期間は、バッテリ４１からの電力供給で電気自動車を駆動するバッテリ走行期間である。
本発明では、モータ要求パワー制限手段１０３が適切にモータ要求パワーＭｒを制限する。また、低効率駆動期間の終了直後に燃料電池の発電が開始され、いきなりトラクションモータ４４へトルクが急増することを防止するため、上記原理説明で説明したパワー上昇の制限手段を設ける。本実施形態１においては、システム要求パワー制限手段１０６がそれに相当し、実施形態２においては空気流量から発電許可パワーを特定する際のストイキ特性の緩和がそれに相当する。
＜モータ要求パワーの制限＞
図３において、モータ要求パワー制限手段１０３は、低効率駆動期間におけるモータ要求パワーを、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓに対応したトラクションモータ４４への駆動要求の大きさに関わらず、バッテリ４１から供給可能な電力量Ｐｂから補機類損失Ｐｈを差し引いた差分以下（Ｍｒ*≦Ｐｂ−Ｐｈ）に制限する。この制限モータ要求パワーＭｒ*は、最終的に駆動許可パワー演算手段１１６により演算される駆動許可パワーＰｄとなる。
図５に、バッテリ許可パワーＰｂと制限モータ要求パワーＭｒ*との関係を示す。
図５に示すように、低効率駆動期間においてトラクションモータ４４に供給可能な駆動許可パワーＰｂは、バッテリ４１が供給可能なバッテリ許可パワーＰｂから補機類損失Ｐｈを除いた残りの部分となる。低効率駆動期間において実際に供給できないモータ要求パワーを計上しても、結局、指令した駆動許可パワーに対し現実に出力できたパワーが不足することになる。そのため、モータ要求パワー制限手段１０３によって、実質的に許可可能なパワーとするため、モータ要求パワーＭｒに制限を加えるのである。
図６に、低効率駆動期間においてモータ要求パワーを制限した場合（Ｍｒ*）と制限しなかった場合（Ｍｒ）との比較を示す。
アクセルが踏み込まれると、アクセル開度に応じたアクセル位置信号Ｓａが入力される。またシフトレバーが‘Ｒ’、‘Ｄ’、‘Ｂ’に操作されると、そのシフトポジションを示すシフト位置信号Ｓｓが入力される。これに対応してアクセルトルク要求がモータトルク演算手段１０１から出力される。モータ要求パワー制限手段１０３は、現実のモータ要求パワーＭｒの大きさとは無関係に、図５のような対応関係で補機類損失Ｐｈに応じた制限をモータ要求パワーＭｒに加え、制限モータ要求パワーＭｒ*として出力する。
図６に示すように、モータ要求パワーＭｒが小さく、補機類損失Ｐｈも小さい場合には、制限量が少ないが、モータ要求パワーＭｒが大きくなるに連れ、バッテリ許可パワーＰｂに対する補機類損失Ｐｈの占めるウエイトが大きくなり、モータ要求パワーは、バッテリ許可パワーＰｂから補機類損失Ｐｈを除いた残量以下のモータ要求パワーＭｒ*に制限されるようになる。
＜システム要求パワーの制限＞
図３において、システム要求パワー制限手段１０６は、低効率駆動期間内に、アクセル位置信号Ｓａやシフト位置信号Ｓｓが入力されてトラクションモータ４４の駆動が要求された場合、燃料電池３からの発電が開始された後に、システム要求パワー演算手段１０５が出力している通常システム要求パワーＰｒをそのままの値で出力するのではなく、一定の制限を課する。すなわち通常システム要求パワーＰｒより低い値を出力し、その後、徐々に大きくしていき、通常システム要求パワーＰｒに近づくように漸次増加させる。
図７に、システム要求パワー演算手段１０５が出力する通常システム要求パワーＰｒとシステム要求パワー制限手段１０６が出力する制限システム要求パワーＰｒ*とを示す。
制限前の通常システム要求パワーＰｒは、アクセルやシフトレバーの操作に応じて低効率駆動期間中から、本来要求されるシステム全体の電力量に対応している。しかしながら、制限システム要求パワーＰｒ*は、低効率駆動期間中は、一定値（本実施形態ではゼロ）に維持され、燃料電池３の発電開始から漸次増加するように制御されている。この制限システム要求パワーＰｒ*は通常通常システム要求パワーへ収束していく。
制限システム要求パワーＰｒ*の変化特性や最終的に通常システム要求パワーＰｒの値に収束するまでに要する時間の設定は任意に変更可能である。制限システム要求パワーの増加は、最終的に駆動許可パワーＰｄの増加に現れる。制限システム要求パワーＰｒ*の増加量は、この駆動許可パワーＰｄの増加によって電気自動車の運転者や搭乗者が急激なトルク変動により違和感のない程度に制御されればよい。
また、制限システム要求パワーＰｒ*は、図７に示すように、直線的に増加させてもよいがこれに限定されない。また、制限システム要求パワーＰｒ*が通常システム要求パワーＰｒから一定の範囲に近づいた場合には、システム要求パワーの制限を終了させるように制御してもよい。また、アクセルやシフトレバーの操作状態が変わり駆動要求量が変更された場合に、システム要求パワーの制限を解除するようにしてもよい。電気自動車の運転者や搭乗者が急激なトルク変動により違和感を生じない範囲で、システム要求パワーの制限解除が可能である。
（実施形態１における利点）
以上のような実施形態１によれば、以下の利点がある。
１）本実施形態１によれば、駆動許可パワーＰｄに影響を与えるシステム要求パワーを、本来の演算値Ｐｒと切り離して、制限値Ｐｒ*として小さい値で出力し、漸次増加させるように構成したので、急激な駆動状態の変化を抑制することが可能である。
２）本実施形態１によれば、モータ要求パワーも低効率駆動期間においてバッテリ４１から出力可能な電力の範囲に推定しているので、モータが一時的に駆動要求に対してトルク不足となることを防止可能である。
３）本実施形態１によれば、トラクションモータ４４に急激なトルク変化を生じさせないので、運転者や搭乗者に違和感を与えることを回避可能である。また、当初制限するシステム要求パワーを漸次収束させるので、適切な漸次増加の制御により、必要とされるトルク量を短期間に回復させることも可能である。
（実施形態２）
本実施形態２は、ストイキ特性を変更することにより駆動許可パワーを制限する例に関する。
本実施形態２における電気自動車のハイブリッド形燃料電池システムは、前記実施形態１におけるシステム構成（図２）と同様であり、説明を省略する。
図８に、本実施形態２におけるハイブリッド制御部１００と燃料電池制御部２００によって実現される機能ブロックを示す。
図８に示すように、本実施形態２では、前記実施形態１で説明した機能ブロック（図２）と異なる点として、ハイブリッド制御部１００におけるシステム要求パワー制限手段１０６が存在しない点、及び、燃料電池制御部２００において本発明の制限手段としてストイキ変更手段２０４を備える点がある。その他の機能ブロックは、前記実施形態１と同様であり、説明を省略する。
システム要求パワーの制限を行わない場合、燃料電池発電許可パワー特定手段２０３により特定される実際の燃料電池の許可パワーＰafcが極端に少なくない限り、最小値選択手段１１１により、システム要求パワーＰｒが選択され、低効率駆動期間の終了と同時に大きな駆動許可パワーＰｄが出力されてしまう。
そこで、本実施形態２では、燃料電池発電許可パワー特定手段２０３において出力する空気流量に基づく発電電流量を少なくなるように制限し、発電開始当初から大きな電力が取り出されないように制御する。具体的にはストイキ特性の変更によって以下のように制御する。
燃料電池発電許可パワー特定手段２０３は、エアフローメータから入力された空気流量に対して妥当な発電電流量を推定するためのストイキ特性を用いて、許可パワーを推測している。例えば、図９において、通常運転時に用いられるストイキ特性を示す変換テーブルを用いて、入力された空気流量Ｑに対する電流量Ｉを特定している。
ストイキ変更手段２０４は、空気流量と空気流量に対して許容すべき燃料電池発電許可パワーとの関係を特定するストイキ特性を、通常運転時と低効率駆動期間からの切り替わり時とに分けて保持している。そして、低効率駆動期間から通常駆動期間に切り替わってからしばらくの間、通常運転時に用いるストイキ特性に比べストイキ比係数を相対的に小さく設定した緩和ストイキ特性を利用するよう動作する。
図９に示すように、ストイキ変更手段２０４は、低効率駆動期間に駆動要求が出された場合、通常駆動用のストイキ特性では駆動許可パワーＰｄの変化が急激になると判断し、緩和ストイキ特性を示す変換テーブルに切り換えて使用する。この緩和ストイキ特性を用いる限り、実際に発電可能な電力値よりも低い電力を推測値である燃料電池発電許可パワーＰafc*としてハイブリッド制御部１００に出力するので、それに基づいて演算される駆動許可パワーＰｄも低めの値となる。
緩和ストイキ特性として、どの程度ストイキ比係数を変更するかは任意であるが、緩和したストイキ特性に基づき演算され指令されるトルクの変化が、電気自動車の運転者や搭乗者に違和感を与えない程度に発電量の変化を制限するものであればよい。図９の例では、ストイキ比係数を半分になるように設定してある。なお、低効率駆動期間中は、燃料電池発電許可パワーＰafcを出力する必要はないので、その期間中の許可パワーは一定値（本実施形態ではゼロ）に設定しておけばよい。
図１０に、通常駆動時におけるストイキ特性で得られる燃料電池発電許可パワーＰafcと本実施形態における緩和ストイキ特性で得られる燃料電池発電許可パワーＰafc*との関係を示す。
燃料電池３は発電開始直後であっても豊富な空気流量があるため、通常のストイキ特性で演算される許可パワーＰafcは低効率駆動期間直後から高いものとなる。これに対し、本実施形態では緩和ストイキ特性に基づき緩和された許可パワーＰａafc*を演算するので、燃料電池３の発電開始から漸次増加するように制御されている。このため、この緩和された許可パワーＰafc*に基づき演算される駆動許可パワーＰｄも漸次増加していき、本来の通常駆動時において出力されるべきモータ要求パワーＭｒに収束していく。
駆動許可パワーＰｄが制限無しで演算されるモータ要求パワーＭｒから一定の範囲に近づいた場合には、緩和ストイキ特性の利用を終了させ、通常のストイキ特性に変換するように制御してもよい。また、アクセルやシフトレバーの操作状態が変わり駆動要求量が変更された場合に、緩和ストイキ特性の利用を終了するように制御してもよい。電気自動車の運転者や搭乗者が急激なトルク変動により違和感を生じない範囲で、緩和ストイキ特性の利用解除が可能である。
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。
上記実施形態では、システム要求パワーの制限やストイキ特性を制限することによって、低効率駆動期間の終了後の急激なトルク変動を防止していたが、最終的、トラクションモータ４４に対するトルク指令に急激な変化を生じることを防止する方法なら、上記に限定されることなく採用可能である。
例えば、上記実施形態は、駆動量の演算過程で生じる制御パラメータの変化に制限を課す、図１の原理説明における制限手段２３に相当するものである。よって、システム要求パワーの制限やストイキ特性以外の制御パラメータを制限するように構成してもよい。
また、図１の原理説明における制限手段２４に相当する機能を設けてもよい。すなわち、駆動許可パワーＰｄまたはトラクションモータ４４に対するトルク指令信号ＣINVTを直接制限することによっても同様の作用効果を奏する。具体的には、燃料電池の発電許可直後に出力する駆動許可パワーＰｄやトルク指令信号ＣINVTを一時的に低い値（例えば、ゼロ）とし線形的に増加させて、制限しない場合の駆動許可パワーＰｄやトルク指令信号ＣINVTの値にまで一定期間をかけて収束させるように制御することが考えられる。
（産業上の利用可能性）
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池からの電力供給が可能となっても駆動装置に対する駆動量が急激に変化することを制限するので、システムの駆動状態が急激に変動し不安定になることを抑制可能である。
本発明の燃料電池システムを搭載する移動体によれば、駆動装置をトラクションモータとした場合の急激な駆動状態の変動が抑制されるので、搭乗者に違和感を与えることを回避可能である。

Claims (6)

  1. 移動体に搭載され、燃料電池と蓄電装置とが駆動装置に電力を供給可能に構成された燃料電池システムにおいて、
    前記蓄電装置による電力供給によって前記駆動装置を駆動する蓄電装置走行から、前記燃料電池の発電を開始し、前記燃料電池から前記駆動装置に電力を供給する通常走行に移行する際に、前記駆動装置に指令する駆動量を、前記駆動装置に供給可能な電力に対応した第１の駆動量に対して制限する制限手段を備え、
    前記制限手段は、前記燃料電池の発電開始後、前記駆動装置に指令する駆動量を、前記燃料電池の発電を開始する直前に指令していた駆動量から前記第１の駆動量に向けて線形的に増大させる、
    燃料電池システム。
  2. 移動体に搭載され、燃料電池と蓄電装置とが前記駆動装置に電力を供給可能に構成された燃料電池システムにおいて、
    駆動要求信号に応じて前記駆動装置に必要なトルクを演算する駆動トルク演算手段と、
    前記トルクに対応して駆動要求パワー量を演算する駆動要求パワー演算手段と、
    補機類損失量を演算する補機類損失パワー演算手段と、
    前記駆動要求パワー量と前記補機類損失とに基づきシステム要求パワー量を演算するシステム要求パワー演算手段と、
    前記システム要求パワー量に基づいて前記燃料電池へのガス供給指令量を出力するガス供給量指令手段と、
    前記ガス供給指令量に対応して実際に供給されたガスの流量に基づいて前記燃料電池に許可しうる燃料電池発電許可パワー量を特定する燃料電池発電許可パワー特定手段と、
    前記システム要求パワー量および前記燃料電池発電許可パワー量のうち少ない方のパワー量を出力する最小値選択手段と、
    選択された前記パワー量と前記蓄電装置から供給可能なパワー量とに基づき前記駆動装置へ許可すべき駆動許可パワー量を演算する駆動許可パワー演算手段と、
    前記蓄電装置による電力供給によって前記駆動装置を駆動する蓄電装置走行から、前記燃料電池の発電が開始され、前記燃料電池から前記駆動装置に電力を供給する通常走行に移行した際に、前記駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限する制限手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記蓄電装置走行期間における前記駆動要求パワー量を、前記蓄電装置から供給可能な電力量から前記補機類損失を差し引いた差分以下に制限する駆動要求パワー制限手段をさらに備える、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制限手段は、
    前記システム要求パワー量を制限することにより、前記駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限するシステム要求パワー制限手段である、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池発電許可パワー特定手段は、ガス流量と当該ガス流量に対して許容すべき燃料電池発電許可パワー量との関係を特定するストイキ特性を参照して前記燃料電池発電許可パワー量を決定し、
    前記制限手段は、
    前記ストイキ特性を複数保持し、前記燃料電池発電許可パワー特定手段が参照するストイキ特性を、前記ガス流量に対して許容すべき前記燃料電池発電許可パワー量が相対的に制限されているストイキ特性に変更することにより、前記駆動装置へ許可する駆動許可パワー量を制限するストイキ変更手段である、
    請求項３に記載の燃料電池システム。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システムを備えた移動体。
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