JP5101583B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池と蓄電池を駆動源として走行する燃料電池車両に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極およびカソード電極を配置した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟んで保持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体およびセパレータからなるセルを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックにおいて、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素が反応して水が生成される。

このような燃料電池と蓄電池とを駆動源とし、動力源としてモータにより走行する燃料電池車両に係る技術が提案されている（特許文献１）。

この特許文献１に係る技術では、アクセル開度（負荷の要求出力）に対して、燃料電池の出力を追従させ、追従させる際に、蓄電池の残容量が少ないほど燃料電池の出力を高く設定するようにしている。

特開２００１−３２５９７６号公報（［００６４］〜［００６７］、図６）

しかしながら、上記特許文献１に係る技術のように、燃料電池の出力を負荷の要求出力に追従させて制御した場合には、燃料電池に対する負担が過度となり、上述した電解質膜が破損する確率が高くなる等、燃料電池の耐久性が低下し、結果として燃料電池車両の耐久性が低下するという課題がある。

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、燃料電池の耐久性の低下を防止することを可能とする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を構成する燃料電池出力制御部は、残容量検出部により検出された蓄電池の現在残容量が低くなるに従い燃料電池の出力の基本出力値を高く決定して制御するとともに、所定期間の負荷出力状況を参照し当該負荷出力状況が高負荷出力状態になるのに従い前記基本出力値が高くなるように制御するようにしている。

このように、燃料電池の出力を、リアルタイムの負荷の要求ではなく、蓄電池の現在残容量と、所定期間の負荷出力状況により決定するため、燃料電池の出力変動を抑制しつつ、高負荷出力時にも蓄電池の残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を抑制することができ、結果として、燃料電池及び蓄電池の耐久性の低下を防止できる。

一方、前記燃料電池出力制御部は、前記負荷からの回生出力を検出したとき、前記基本出力値が低くなるように制御することで、燃料電池による不必要な発電を防止して、前記回生出力により積極的に蓄電池を充電することができる。

なお、前記燃料電池出力制御部は、前記蓄電池の現在残容量の変動を、当該蓄電池の目標残容量と当該現在残容量との差により検出してもよい。

また、前記燃料電池出力制御部は、前記蓄電池の現在残容量が目標残容量より多い場合には、前記燃料電池の出力が最大効率発生出力となるように制御する。

このように制御すれば、負荷の出力に対して、蓄電池の現在残容量が目標残容量より多い場合には、前記燃料電池の最大効率発生出力は、前記燃料電池の低出力時であるので、前記燃料電池の出力を最大効率発生出力となるように制御することで、より高効率で蓄電できる。さらに負荷の出力の変動に対して燃料電池の出力の変動を回避できるため、燃料電池の耐久性の低下をより一層防止できる。

この場合、前記蓄電池の現在残容量が、上限残容量に達したとき、又は、所定時間、負荷の出力がゼロ値の場合、前記燃料電池の出力がゼロ値となるように制御することで、燃料ガスの消費が抑制でき、かつ蓄電池の過充電を防止することができる。

また、前記燃料電池出力制御部は、前記負荷の出力が、前記蓄電池の許容最大出力と、現在の前記燃料電池の出力との合成出力を上回る値である場合には、前記燃料電池の出力の制限を解放するように制御することが好ましい。

さらに、この発明に係る燃料電池車両は、燃料電池の出力と蓄電池の出力とを負荷に供給する燃料電池車両において、燃料電池の出力を制御する燃料電池出力制御部と、蓄電池の現在残容量（現在ＳＯＣ）を検出する残容量検出部と、を備え、燃料電池出力制御部は、前記負荷の出力に対して、蓄電池の現在残容量が目標残容量（目標ＳＯＣ）より多い場合には、蓄電池の出力により対応させる（蓄電池の放電電流を増減させ、蓄電池の出力負担を大きくする。）とともに、燃料電池の出力を所定値以下、好ましくは、最大効率発生出力に制限する。その一方、蓄電池の現在残容量が目標残容量より少なくなるに従い、燃料電池の出力が多くなるように制御することで、燃料電池の耐久性の低下を防止できる。

すなわち、蓄電池の現在残容量が目標残容量より多い場合には、概ね、前記蓄電池の出力により負荷出力が賄われ、前記蓄電池の前記現在残容量が前記目標残容量より少なくなるに従い、前記燃料電池の出力が多くなるように制御しているので、燃料電池が比較的低出力で使用できることから燃料電池の発熱量も低い領域で抑制され、高温時下に起こりうる電解質膜の破損の発生を皆無にすることができる。よって、燃料電池の耐久性の低下をより防止することができる。

この発明によれば、燃料電池の出力変動が抑制され、かつ高負荷出力時に蓄電池の残容量（ＳＯＣ）の変動が抑制されるので、燃料電池及び蓄電池の耐久性の低下を防止することができる。

また、蓄電池の現在残容量が目標残容量より多い場合には、概ね、蓄電池の出力により負荷の出力が賄われ、蓄電池の現在残容量が目標残容量より少なくなるに従い、前記燃料電池の出力の割合が多くなるように制御されるので、燃料電池が比較的低出力かつ残容量（ＳＯＣ）変化と同様の緩やかな出力変化となるため、燃料電池の耐久性の低下を防止することができる。

この発明に係る燃料電池車両の実施形態の全体構成図である。 一例としてのバッテリ出力とＦＣ出力の出力割合特性図である。 一例としてのバッテリの１０秒定格特性図である。 一例としての、燃料電池出力に対するセル電圧と効率との関係を示す特性図である。 負荷出力の構成を表す模式図である。 目標残容量と現在残容量との差に乗算される係数の調整例の特性図である。 高負荷補正制御と回生補正制御を考慮したバッテリ出力とＦＣ出力の出力割合特性図である。 図８Ａは、前記係数が一定の場合の負荷出力と燃料電池出力と現在残容量との関係図、図８Ｂは、前記係数を調整した場合の負荷出力と燃料電池出力と現在残容量との関係図である。 燃料電池車両の燃料電池出力制御部の動作説明に供されるフローチャートである。 図１０Ａは、負荷出力に対する本実施形態に係る燃料電池出力とバッテリ出力の時間的出力分担を示す模式図、図１０Ｂは、負荷出力に対する比較例に係る燃料電池出力とバッテリ出力の時間的出力分担を示す模式図である。 図１１Ａは、負荷出力に対する本実施形態に係る現在ＳＯＣと燃料電池出力とバッテリ出力の時間的出力分担を示す実測図、図１１Ｂは、負荷出力に対する比較例に係る燃料電池出力とバッテリ出力の時間的出力分担を示す実測図である。

以下、この発明に係る燃料電池車両の一実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る燃料電池車両１０の全体構成を示している。燃料電池車両１０は、昇圧器１２を有し、昇圧器１２の１次側に１次電圧Ｖ１である燃料電池電圧（ＦＣ電圧）Ｖｆ（Ｖｆ＝Ｖ１）を発生する燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）１４と、昇圧器１２の２次側に２次電圧Ｖ２であるバッテリ電圧Ｖｂ（Ｖｂ＝Ｖ２≧Ｖ１＝Ｖｆ）を発生する蓄電池としてのバッテリ１６と、から構成されるハイブリッド直流電源装置を備え、さらに、このハイブリッド直流電源装置からインバータ１８を通じて電力が供給される負荷としての走行用のモータ２０を備えている。

なお、燃料電池１４と昇圧器１２との間には、燃料電池１４への電流の流入を防止するダイオード２２が挿入されている。ダイオード２２が導通状態にある場合、その順方向電圧は、数百ボルトのＦＣ電圧Ｖｆに比較して無視できる程小さいので昇圧器１２の１次電圧Ｖ１とＦＣ電圧Ｖｆが等しいものとして説明する。

燃料電池１４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。燃料電池１４には、反応ガス供給部２４が配管を通じて接続されている。反応ガス供給部２４は、一方の反応ガスである水素（燃料ガス）を貯留する水素タンク２６と、他方の反応ガスである空気（酸化剤ガス）を圧縮するエアポンプ２８を備えている。

反応ガス供給部２４から燃料電池１４に供給された水素と空気の燃料電池１４内での電気化学反応により生成された発電電流Ｉｆが、昇圧器１２を通じて２次電流Ｉ２としてインバータ１８を介しモータ２０にモータ電流Ｉｍ（この場合、負荷電流）として供給されるとともに、余分な２次電流Ｉ２は、バッテリ１６にバッテリ電流Ｉｂ（この場合、充電電流）として供給される。

ＦＣシステム（燃料電池システム）３０は、燃料電池１４及び反応ガス供給部２４とから構成され、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：電子制御ユニット）６０に接続される。

ＥＣＵ６０は、機能部としてＦＣ出力制御部（燃料電池出力制御部）６２を有し、燃料電池１４のＦＣ温度（燃料電池温度）Ｔｆ、各セル電圧Ｖｃｅｌｌとセル電圧Ｖｃｅｌｌの合成電圧であるＦＣ電圧（燃料電池電圧）Ｖｆ及びＦＣ電流（燃料電池電流）Ｉｆをそれぞれ図示しない温度センサ、電圧センサ及び電流センサにより検出する。

昇圧器１２は、ＥＣＵ６０に接続され、１次電圧Ｖ１であるＦＣ電圧Ｖｆを２次電圧Ｖ２（Ｖ１≦Ｖ２）であるバッテリ電圧Ｖｂ（Ｖｆ≦Ｖｂ）に電圧変換（昇圧変換）する。

ＥＣＵ６０は、上述したように、１次電流Ｉ１であるＦＣ電流Ｉｆと１次電圧Ｖ１であるＦＣ電圧Ｖｆを検出するとともに、昇圧器１２から２次電流Ｉ２及び２次電圧Ｖ２を、図示しない電流センサ及び電圧センサにより検出する。

ＥＣＵ６０は、また、バッテリ１６からバッテリ温度Ｔｂ、バッテリ電圧Ｖｂ及びバッテリ電流Ｉｂをそれぞれ図示しない温度センサ、電圧センサ及び電流センサにより検出し、これらの値から現在の残容量である現在ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出（算出）する機能部としてのＳＯＣ検出部（残容量検出部）６４を有する。

さらに、ＥＣＵ６０は、インバータ１８を通じてモータ２０を駆動するとともに、モータ２０からモータ回転数Ｎｍを検出し、図示しない車輪速センサから車速Ｖｓを検出する。

モータ２０は、トランスミッション４８を通じて、車輪５０を回転させる。

メインスイッチ（電源スイッチ）５２、アクセルセンサ５４、及びブレーキセンサ５６がＥＣＵ６０に接続され、それぞれイグニッション信号Ｉｇ、アクセル開度信号θａ及びブレーキ操作量信号ＢｒをＥＣＵ６０に供給する。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（中央演算装置）、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）の他、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有し、各種スイッチの状態情報及び各種センサの検出情報（検出値）を共有し、各種機能部として動作する。

ＥＣＵ６０は、燃料電池１４の状態、バッテリ１６の状態、モータ２０の状態、及びエアポンプ２８や図示しないエアコンディショナ等の補機の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力に基づき決定した燃料電池車両１０の負荷（走行時においては、基本的にはモータ２０）の要求に対応して消費される負荷出力Ｌｔに対して、燃料電池１４が分担すべきＦＣ出力（燃料電池出力）Ｌｆと、バッテリ１６が分担すべきバッテリ出力Ｌｂと、モータ２０の回生時における回生電源が負担すべき回生出力Ｌｒとの各配分を調停しながら決定し、バッテリ１６、燃料電池１４、反応ガス供給部２４、インバータ１８、及びモータ２０を駆動制御する。

後に、詳しく説明するように、ＦＣ出力制御部６２は、バッテリ１６の現在ＳＯＣの変動に応じて燃料電池１４のＦＣ出力Ｌｆの基本出力値を決定して燃料電池１４を制御するとともに、所定期間の負荷出力状況を参照し当該負荷出力状況が高負荷出力状態になるのに従い前記基本出力値が高くなるように制御する。

なお、ＥＣＵ６０は、例えば、モータ２０等を制御するモータＥＣＵ、バッテリ１６を制御するバッテリＥＣＵ、及び燃料電池１４を制御する燃料電池ＥＣＵ並びにこれらＥＣＵを統括的に制御し指令を発する統括ＥＣＵに分割して構成してもよい。

図２は、ＥＣＵ６０の記憶部（出力割合特性記憶部）に予め記憶され、ＦＣ出力制御部６２が参照するための一例としての出力割合特性７０を示している。

図２に示すように、バッテリ１６は、基本的には、下限ＳＯＣと、上限ＳＯＣとの間で使用されるように設定し、さらに、バッテリ１６の目標ＳＯＣを設定している。

バッテリ１６の目標ＳＯＣを何％に設定するかは、バッテリ１６の仕様によるが、この実施形態に係るバッテリ１６は、残容量ＳＯＣに対して、図３に示すような、１０秒定格（単位［Ｗ］）特性を有している。なお、１０秒定格とは、１０秒連続して何Ｗ充電することができるか、あるいは何Ｗ放電することができるかを示す仕様である。バッテリ温度Ｔｂにより１０秒定格特性が変化することに留意する。図３の１０秒定格特性等から、目標ＳＯＣを設定する。

そして、ＳＯＣ検出部６４により検出されるバッテリ１６の現在ＳＯＣが、目標ＳＯＣより高くなっている場合（現在ＳＯＣ≧目標ＳＯＣ）、図３及び次の（１）式に示すように、バッテリ出力Ｌｂに余裕があるため、負荷出力Ｌｔは、概ね、バッテリ出力Ｌｂ（Ｌｂ＞＞Ｌｆ）で賄われる（図２も参照）。
Ｌｔ＝Ｌｂ＋Ｌｆ＝Ｌｂ＋ＦＣηｍａｘ≒Ｌｂ（現在ＳＯＣ≧目標ＳＯＣ）
・・・（１）

ＦＣηｍａｘは、図４に示す燃料電池１４の効率特性７２中、燃料電池１４の効率ηが最大効率ηｍａｘでのＦＣ出力Ｌｆであり、最大効率発生出力ＦＣηｍａｘという。図４では、ＦＣ出力Ｌｆ［ｋＷ］とセル電圧Ｖｃｅｌｌ［Ｖ］との関係を表す特性７４と、ＦＣ出力Ｌｆ［ｋＷ］と効率η［％］との関係を示す特性７２とを示している。

この図４から、燃料電池１４の最大効率ηｍａｘは、ＦＣ出力Ｌｆが低出力領域で、かつセル電圧Ｖｃｅｌｌが比較的に高電圧の領域で得られることが分かる。

図２を参照して説明したように、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより高くなっている範囲では、バッテリ１６の残容量に余裕があるので負荷出力Ｌｔに対して基本的にはバッテリ１６のバッテリ電流Ｉｂ（この場合、放電電流）により対応するようにしているが、燃料電池１４が停止と起動を繰り返して耐久性が低下しないように、上限ＳＯＣに達しない限り燃料ガス消費量が最も少ない効率の高い低発電量領域で燃料電池１４を安定して発電させるようにしているので耐久性の劣化を防止することができる。

次に、図２に示すように、ＳＯＣ検出部６４により検出される現在ＳＯＣが、目標ＳＯＣより低くなっている場合（現在ＳＯＣ≦目標ＳＯＣ）、現在ＳＯＣが低下する領域では、次の（２）式及び図５の負荷出力Ｌｔの分担内容を表す模式図に示すように、負荷出力Ｌｔに対するＦＣ出力Ｌｆの割合をバッテリ出力Ｌｂの割合に対して相対的に徐々に大きくしている。
Ｌｔ＝Ｌｂ＋Ｌｆ＝Ｌｂ＋α・ΔＳＯＣ＋ＦＣηｍａｘ（閾値ＳＯＣ≦現在ＳＯＣ≦目標ＳＯＣ） …（２）
（２）式において、差分ΔＳＯＣは、次の（３）式に示すように算出される。
ΔＳＯＣ＝目標ＳＯＣ−現在ＳＯＣ［％］ …（３）
αは、係数（燃料電池出力分担係数）であり、この実施形態において、基本的には、α＝αｒｅｆ（一定値であり基準値という。）に設定している。α・ΔＳＯＣを、燃料電池１４の出力の基本出力値と定義する。

ただし、図６の特性７６に示すように、連続的に負荷出力Ｌｔが高い場合（高負荷連続時間が閾値時間ｔＬｔｈより長い場合）、係数αの値を基準値αｒｅｆの値より大きくして（α＞αｒｅｆ）燃料電池１４の発電量を大きくする一方、バッテリ１６からの持ち出し電力を小さくし、バッテリ１６の現在ＳＯＣの低下を抑制する、いわゆる高負荷補正制御を行うようにすることが好ましい。

同様に、負荷であるモータ２０からの回生出力Ｌｒを検出し、連続的に回生出力Ｌｒが続く場合（回生連続時間が閾値時間ｔＲｔｈより長い場合）、係数αの値を基準値αｒｅｆの値より小さくして（α＜αｒｅｆ）燃料電池１４の発電によるバッテリ１６に対する充電を抑制し、バッテリ１６の充電における回生出力Ｌｒの割合を増加させ、燃料ガスを節約する、いわゆる回生補正制御を行うようにすることが好ましい。

なお、係数αの増加を開始する閾値時間ｔＬｔｈ及び係数αの減少を開始する閾値時間ｔＲｔｈ及び係数αの傾きは、それぞれ、実験あるいはシミュレーションにより設定することができる。また、現在ＳＯＣが目標ＳＯＣになるべく近づくように、閾値時間ｔＬｔｈ及び閾値時間ｔＲｔｈを可変できるように設定してもよい。

図７は、高負荷補正制御と回生補正制御を考慮したバッテリ出力ＬｂとＦＣ出力Ｌｆの出力割合特性図である。

図６及び図７の特性図から分かるように、ＦＣ出力制御部６２は、負荷出力Ｌｔに対して、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより多い場合には、燃料電池１４のＦＣ出力Ｌｆを所定値以下、ここでは、最大効率発生出力ＦＣηｍａｘに設定し、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより少なくなるに従い、係数αによりＦＣ出力Ｌｆの割合が多くなるように制御しているときに（図７中、太い実線で示す左上がりの傾斜）、負荷出力Ｌｔが高負荷出力であって、その高負荷出力が閾値時間ｔＬｔｈ（所定時間）以上継続していると判断したとき、係数αを係数αｒｅｆより大きくしてＦＣ出力Ｌｆの割合がさらに多くなるように制御する（図７中、太い一点鎖線で示す左上がりの急な傾斜を参照）。これによりバッテリＳＯＣの過度の減少を防止することができる。

また、ＦＣ出力制御部６２は、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより少なくなるに従い、係数αによりＦＣ出力Ｌｆの割合が多くなるように制御しているときに（図７中、太い実線で示す左上がりの傾斜）、負荷であるモータ２０からの回生出力Ｌｒを検出したとき、その回生出力Ｌｒの連続時間（回生連続時間）が閾値時間ｔＲｔｈ（所定時間）以上継続していると判断したとき、係数αを係数αｒｅｆより小さくしてＦＣ出力Ｌｆの割合が少なくなるように制御する（図７中、太い破線で示す左上がりの急な傾斜を参照）。これにより、ＦＣ出力Ｌｆを低下させ、かつ回生電力を無駄なくバッテリ１６に充電することができる。

係数αをα＝αｒｅｆ＝一定に制御した場合、図８Ａに示すように、負荷出力Ｌｔに対しＦＣ出力Ｌｆ＝Ｌｆ１を徐々に増加させたときには、現在ＳＯＣが現在ＳＯＣ１のように漸減するが、係数αを調整した場合、図８Ｂに示すように、負荷出力Ｌｔに対しＦＣ出力Ｌｆ＝Ｌｆ２がＦＣ出力Ｌｆ１に比較してより早く追いつくようになり、現在ＳＯＣが現在ＳＯＣ２に示すように、現在ＳＯＣ１ほど減らない値で下げ止まることが分かる。ただし、係数αを大きくした場合においても、燃料電池１４の電圧の時間変化率が大きいと燃料電池１４が劣化するおそれがあるので、セル電圧Ｖｃｅｌｌの時間変化率を、例えば、実験的に定めた所定値以下に抑制することが好ましい。

さらに、図２及び図７に示すように、ＳＯＣ検出部６４により検出される現在ＳＯＣが、閾値ＳＯＣ、この実施形態では、閾値ＳＯＣより低くなった場合には、ＦＣ出力Ｌｆを、基本的には、次の（４）式に示すように、最大ＦＣ出力Ｌｆｍａｘに設定（固定）する。
Ｌｔ＝Ｌｂ＋Ｌｆ＝Ｌｂ＋Ｌｆｍａｘ（現在ＳＯＣ≦閾値ＳＯＣ） …（４）

基本的には以上のように構成され、かつ動作する燃料電池車両１０のＦＣ出力制御部６２による動作、いわゆるエネルギマネジメント動作について図９のフローチャートを参照してさらに説明する。

ステップＳ１において、ＦＣ出力制御部６２は、ＳＯＣ検出部６４を通じてバッテリ１６の現在ＳＯＣを検出する。

次いで、ステップＳ２において、燃料電池車両１０の車速Ｖｓがゼロ値以上かどうか、換言すれば走行しているかどうかを判定する。

Ｖｓ≠０（前進中又は後退中）である場合、ステップＳ３において、上記した（２）式に基づき、目標ＳＯＣと現在ＳＯＣの差分ΔＳＯＣを算出し、さらにα・ΔＳＯＣ（基本出力値）を算出する。

なお、係数αがステップＳ４において図６及び図７を参照して説明したように調整されるが、係数αは、連続的に高負荷状態が続く（負荷出力Ｌｔが高い）場合には、現在ＳＯＣの減少幅が大きくなるため、燃料電池１４の発電量を早めに負荷出力に追いつかせる必要があり、この場合には、係数αを大きくし、バッテリ１６の現在ＳＯＣの低下（消費）を抑制する。

次いで、ステップＳ５において、α・ΔＳＯＣが最大効率発生出力ＦＣηｍａｘより小さいかどうかを判定し、小さい場合には（値が負の場合も含む。）、ステップＳ６において、燃料電池１４のＦＣ出力Ｌｆを最大効率発生出力ＦＣηｍａｘに設定（固定）する。

その一方、ステップＳ５の判定において、α・ΔＳＯＣが最大効率発生出力ＦＣηｍａｘより大きい場合には、ステップＳ７において、モータ２０が回生中であるかどうかを判定し、回生中でない場合には、ステップＳ８において、負荷出力Ｌｔが次の（５）式の条件に合致するかどうかを判定する。
Ｌｔ＞現在発電量出力＋バッテリ最大出力 …（５）

そして、燃料電池１４の現在の発電出力（ＦＣ出力）Ｌｆ（現在発電量出力）とバッテリ１６の最大出力の合計が、負荷出力Ｌｔを下回っている場合には、ステップＳ９において、必要最小限の頻度において瞬間的にＦＣ出力Ｌｆの制限（図２及び図７の出力割合特性７０で決定されるＦＣ出力の最大出力Ｌｆｍａｘ）を解放する。このように制御すれば、瞬間的にＦＣ出力Ｌｆを上昇させることができ、走行に伴う負荷出力Ｌｔが大きな場合にも追従することができる。

上述したステップＳ７の判定において、モータ２０が回生中である場合には、バッテリ１６の最大許容充電電流Ｉｃｈｇｍａｘから回生出力Ｌｒにより発生する充電電流Ｉｂを差し引いた値（Ｉｃｈｇｍａｘ−Ｉｂ）が、ＦＣ出力Ｌｆにより発生する発電電流Ｉｆを上回る値であるかどうかを判定し、上回る値である場合には、ステップＳ１１において、ＦＣ出力Ｌｆにより発生する発電電流ＩｆをＩｆ＝Ｉｃｈｇｍａｘ−Ｉｂに制限し、回生出力Ｌｒをできるだけバッテリ１６に充電するように制御する。

なお、ステップＳ１０の判定が否定的である場合には、ＦＣ出力Ｌｆは、ステップＳ４で決定したα・ΔＳＯＣに基づくＦＣ出力Ｌｆ（Ｌｆ＝α・ΔＳＯＣ＋ＦＣηｍａｘ）又はステップＳ６で決定したＦＣ出力Ｌｆ＝ＦＣηｍａｘ（図２参照）によるＦＣ出力Ｌｆとなるよう燃料電池１４の出力を制御する。

さらに、上述したステップＳ２の判定が否定的となって、燃料電池車両１０が停止中である場合又は所定時間、車両に対するアクセルペダルの操作等の操作がなかった場合には、ステップＳ１２において、バッテリ１６の現在ＳＯＣが、上限ＳＯＣを上回っているとき（現在ＳＯＣ＞上限ＳＯＣ）、又は負荷出力Ｌｔが所定時間略ゼロ値であるときには、ステップＳ１３において、ＦＣ出力Ｌｆをゼロ値とする。

ここでの所定時間は、いわゆる信号機待ち等で、ＦＣ出力Ｌｆをゼロ値とさせないための数分程度の時間に設定される。

なお、ステップＳ１２の判定が否定的である場合には、ステップＳ３以降の処理を行う。

以上説明したように上述した実施形態によれば、燃料電池１４の出力Ｌｆとバッテリ１６（蓄電池）の出力Ｌｂとをモータ２０等（負荷）に供給する燃料電池車両１０において、燃料電池１４の出力Ｌｆを制御するＦＣ出力制御部６２と、バッテリ１６の現在残容量である現在ＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部６４（残容量検出部）と、を備え、ＦＣ出力制御部６２は、モータ２０の負荷出力Ｌｔに対して、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより多い場合には、バッテリ１６の出力Ｌｂにより対応させる（バッテリ１６の放電電流を増減させ、バッテリ１６の出力負担割合を大きくする。）とともに、燃料電池１４の出力Ｌｆを所定値以下、この実施形態では、最大効率発生出力ＦＣηｍａｘに制限する。その一方、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより少なくなるに従い、燃料電池１４の出力Ｌｆの負担割合が多くなるように制御する（Ｌｔ＝Ｌｂ＋α・ΔＳＯＣ＋ＦＣηｍａｘ）。

この場合、ＦＣ出力制御部６２は、ＳＯＣ検出部６４により検出されたバッテリ１６の現在ＳＯＣの変動に応じてＦＣ出力Ｌｆの基本出力値α・ΔＳＯＣを決定して制御するとともに、所定期間の負荷出力状況を参照し当該負荷出力状況が高負荷出力状態になるのに従い前記基本出力値α・ΔＳＯＣが高くなるように制御するようにしている（図６、図７参照）。

このように、ＦＣ出力Ｌｆを、リアルタイムの負荷の要求ではなく、バッテリ１６の現在ＳＯＣと、所定期間の負荷出力状況により決定するため、燃料電池１４の出力変動を抑制しつつ、高負荷出力時にもバッテリ１６のＳＯＣを抑制することができ、結果として、燃料電池１４及びバッテリ１６の耐久性の低下を防止できる。

一方、ＦＣ出力制御部６２は、モータ２０からの回生出力Ｌｒを検出したとき、基本出力値α・ΔＳＯＣが低くなるように制御することで、燃料電池１４による不必要な発電を防止して、回生出力Ｌｒにより積極的にバッテリ１６を充電することができる。

このように制御することで、燃料電池１４の耐久性の低下を防止することができる。すなわち、アイドルストップ等により燃料電池１４の起動停止が頻繁に発生しないように、かつなるべく燃料電池１４の発電量が変化しないように制御しているので、燃料電池１４の耐久性の低下を防止することができる。

図１０Ａは、負荷出力Ｌｔに対する本実施形態に係るＦＣ出力Ｌｆとバッテリ出力Ｌｂの時間的出力分担を示す模式図、図１０Ｂは、負荷出力Ｌｔに対する比較例に係るＦＣ出力Ｌｆとバッテリ出力Ｌｂの時間的出力分担を示す模式図である。

図１０Ａに示す本実施形態では、負荷出力Ｌｔに対してバッテリ出力Ｌｂが即応して追従するのに対し、図１０Ｂに示す比較例では、同じ負荷出力Ｌｔに対してバッテリ出力Ｌｂ及びＦＣ出力Ｌｆの合成出力で追従しようとしていることが分かる。図１０Ｂの比較例のＦＣ出力Ｌｆの変化に対して図１０Ａの本実施形態のＦＣ出力Ｌｆの変化が緩やかであり、燃料電池１４の耐久性の低下を防止できることが分かる。

図１１Ａは、負荷出力Ｌｔに対する本実施形態に係る現在ＳＯＣ［％］とＦＣ出力Ｌｆとバッテリ出力Ｌｂ（バッテリ放電出力Ｌｂｄとバッテリ充電出力Ｌｂｃ）の時間的出力分担を示す一例の実測図、図１１Ｂは、負荷出力Ｌｔに対する比較例に係るＦＣ出力Ｌｆとバッテリ出力Ｌｂの時間的出力分担を示す実測図である。

図１１Ａに示す本実施形態では、負荷出力Ｌｔに対してバッテリ出力Ｌｂ（バッテリ出力Ｌｂｄは放電時、バッテリ出力Ｌｂｃは充電時を示すので、この場合バッテリ出力Ｌｂｄ）が即応して追従するのに対し、ＦＣ出力Ｌｆは徐々に追従するのに対し、図１１Ｂに示す比較例では、同じ負荷出力Ｌｔに対して基本的にはＦＣ出力Ｌｆで追従し、立ち上がり部分のみ、バッテリ出力Ｌｂｄで追従しようとしていることが分かる。なお、図１１Ａ、図１１Ｂの実測例において、反応ガス供給部２４からの反応ガスの増減回数、いわゆるサイクル数を比較すると、図１１Ａの本実施形態では、図１１Ｂの比較例に比較して大幅に減少することが分かった。

また、上記実施形態において、ＦＣ出力制御部６２は、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより少なくなるに従い、ＦＣ出力Ｌｆの割合が多くなるように制御しているときに（図２のα・ΔＳＯＣ部分）、前記負荷出力Ｌｔが回生出力Ｌｒとなったとき、ＦＣ出力Ｌｆを絞り、ＦＣ出力Ｌｆによるバッテリ１６への充電量を小さくするようにしているので（ステップＳ５：ＮＯ→ステップＳ７：ＹＥＳ→ステップＳ１０：ＹＥＳ→ステップＳ１１）、回生出力Ｌｒが最大限に利用され、その際、燃料電池１４のＦＣ出力Ｌｆを低出力とすることができるので、燃料ガスである水素ガスの消費を抑制ができるとともに、燃料電池１４の耐久性の低下をより防止することができる。

さらに、ＦＣ出力制御部６２は、前記負荷出力Ｌｔに対して、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより多い場合には、燃料電池１４のＦＣ出力を最大効率発生出力ＦＣηｍａｘとなるように制御しているので、高効率発電により燃料ガス消費量を低減でき、かつ負荷出力Ｌｔの変動に伴うＦＣ出力Ｌｆの変動が発生しないため、燃料電池１４の耐久性の低下を防止できる。

さらにまた、ＦＣ出力制御部６２は、バッテリ１６の現在ＳＯＣが、上限ＳＯＣに達したとき、ＦＣ出力Ｌｆをゼロ値とするようにしているので、バッテリ１６の過充電を防止しかつ燃料ガスの消費を抑制できる。

さらにまた、前記負荷出力Ｌｔに対して、バッテリ１６の現在ＳＯＣが目標ＳＯＣより少なくなるに従いＦＣ出力Ｌｆの割合が多くなるように制御しているときに、燃料電池１４のＦＣ出力Ｌｆが最大出力Ｌｆｍａｘとなったとき（図２例においては、現在ＳＯＣが閾値ＳＯＣになったとき）、ＦＣ出力Ｌｆを当該最大出力Ｌｆｍａｘに固定することで、燃料電池１４の耐久性の低下をより防止することができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、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。

１０…燃料電池車両 １４…燃料電池
１６…バッテリ ２０…モータ
６０…ＥＣＵ ６２…ＦＣ出力制御部
６４…ＳＯＣ検出部

Claims (6)

1. 燃料電池の出力と蓄電池の出力とを負荷に供給する燃料電池車両において、
   前記燃料電池の出力を制御する燃料電池出力制御部と、
   前記蓄電池の現在残容量を検出する残容量検出部と、を備え、
   前記燃料電池出力制御部は、
   前記蓄電池の現在残容量が低くなるに従い、前記燃料電池の基本出力値が高くなるように制御して前記燃料電池の出力負担を増加させ前記蓄電池の出力負担が減少するように制御するとともに、所定期間の負荷出力状況を参照し当該負荷出力状況が高負荷出力状態になるのに従い前記燃料電池の前記基本出力値がさらに高くなるように制御して、その分、前記蓄電池の出力負担がさらに減少するように制御する一方、所定期間の負荷からの回生出力状況を参照し当該回生出力状況が高回生出力状態になるのに従い前記燃料電池の前記基本出力値が低くなるように制御し回生出力により前記蓄電池がより多く充電されるように制御する
   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、
   前記燃料電池出力制御部は、
   前記蓄電池の現在残容量が前記蓄電池の目標残容量より多い場合には、前記燃料電池の出力を前記燃料電池の最大効率発生出力に制限する
   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、
   前記燃料電池出力制御部は、
   前記蓄電池の現在残容量が前記蓄電池の目標残容量より大きい上限残容量に達したとき、又は、所定時間、負荷の出力がゼロ値の場合、前記燃料電池の出力がゼロ値となるように制御する
   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、
   前記燃料電池出力制御部は、
   前記負荷の出力が、前記蓄電池の許容最大出力と、現在の前記燃料電池の出力との合成出力を上回る値である場合には、前記燃料電池の出力の制限を解放するように制御する
   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、
   前記負荷からの回生出力を検出したとき、前記燃料電池の発電電流を、前記蓄電池の最大許容充電電流から回生充電電流を差し引いた値以下に制限する
   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、
   前記燃料電池出力制御部は、
   前記蓄電池の現在残容量が前記蓄電池の目標残容量より少ない場合には、
   前記負荷の出力を、前記燃料電池の電圧を前記蓄電池の電圧に昇圧する昇圧器を通じて供給される前記燃料電池の出力と、前記蓄電池の出力との合成出力により分担し、前記負荷の出力に対して前記蓄電池の出力を即応して追従させる一方、前記燃料電池の出力を徐々に追従させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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