JP5113635B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と二次電池とを併用して負荷へ電力を供給する燃料電池システムに関し、特に、モータに電力を供給する燃料電池システムに関する。

燃料電池（Fuel Cell：ＦＣ）と二次電池（以下、バッテリという）とを並列接続して負荷に電力を供給する電源システムは燃料電池ハイブリッドシステムとも呼ばれているが、以下の説明では燃料電池システムということにする。このような燃料電池システムにおいて、低負荷では燃料電池の発電効率が急激に低下するため、所定の低負荷領域では燃料電池の発電出力（以下、ＦＣ出力という）に下限リミットを設け、それ以下の領域では燃料電池を発電させないように設定されている。その下限リミットは、あらかじめ取得した燃料電池のＦＣ出力と発電効率との関係を示す発電効率特性から、発電効率が低下し始めるポイント（つまり、発電効率が最大となる燃料電池のＦＣ出力の値）に設定されている。したがって、燃料電池を発電させない低負荷領域においてはバッテリから負荷へ電力を供給している。また、バッテリのＳＯＣ（State Of Charge：残容量：請求項における蓄電量）が所定の値より低下したときには、燃料電池の発電電力を充電することによってバッテリのＳＯＣの確保を図っている。このようにして、燃料電池からの電力供給とバッテリからの電力供給との電力配分を適正に行うことにより、燃料電池システムとしての電力効率（以下、システム効率という）を高い状態に維持して燃料電池の運転を行うことができる。

また、燃料電池とバッテリとを併用して負荷（例えば、モータ）に電力を供給するとき、燃料電池からの出力系統とバッテリからの出力系統とを独立して（つまり、燃料電池とバッテリとを並列接続しないで）、１つの負荷（モータ）へ電力を供給する燃料電池システムも開示されている。この燃料電池システムの場合も、発電効率の高い領域で燃料電池を定常運転し、発電効率の低い領域ではバッテリから負荷（モータ）へ電力を供給することにより、燃料電池システムのシステム効率を高い状態に維持することができる（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献１には、燃料電池を効率よく運転可能であるような出力範囲の上限値及び下限値を設定する旨の記載がある。
特開平０８−３３１７０５号公報

しかしながら、負荷であるモータに電力を供給する燃料電池システムの場合、回転中のモータに制動力が加わったときにはそのモータに回生電力が発生する。例えば、燃料電池システムで走行する電気自動車（ＥＶ（Electric Vehicle））やハイブリッド車（ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle））がブレーキをかけながら下り坂を走行するようなとき（以下、降坂中という）や、減速時などにはモータに回生電力が発生する。そのとき、モータの回生電力のエネルギは、通常はバッテリへ回収（充電）される。ところが、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の発電を停止させる下限リミットの点を、予め取得した燃料電池システムの発電効率において、この発電効率が低下し始める領域（例えば、発電効率が最大となる燃料電池のＦＣ出力）において設定している。このとき、燃料電池もまたバッテリに充電を行っていることになる。したがって、このときは降坂中などのモータから回生電力をバッテリへ充電することはできない。つまり、降坂中などにおいてモータの回生電力をバッテリへ回収することができないため、燃料電池は無駄な発電を行っていることになり、結果的に、燃料電池システムのシステム効率が悪化する状態となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池とバッテリとを併用してモータへ電力を供給する電力系統において、モータからの回生電力を効率的に回収することができるような燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から供給される電力により駆動する走行モータと、燃料電池の出力電力及び走行モータの回生電力により充電される蓄電装置と、走行モータの回生電力を算出する回生電力算出手段と、燃料電池の出力可能範囲の元となる下限値を算出する下限値算出手段と、回生電力算出手段によって算出された回生電力が高くなるにつれて燃料電池の出力可能範囲の下限値を低下させることで、出力可能範囲を補正する下限補正手段と、を備え、下限補正手段で補正された出力可能範囲内で燃料電池の出力電力を制御する構成を採っている。

請求項１に記載の燃料電池システムによれば、走行モータに制動力が加わって回生電力が発生する場合、燃料電池の下限発電電力が下がり、その結果、燃料電池の出力電力が低下するために燃料電池から蓄電装置への充電電力が低下する。これによって、走行モータから蓄電装置への回生電力の受け入れ量（充電量）を増加させることができる。したがって、燃料電池の無駄な発電を抑制し、走行モータの回生電力を有効に回収することができるため、燃料電池システムのシステム効率が向上する。また、回生電力を受け入れることができるので、ブレーキ操作に違和感を生じさせない。

また、請求項２に係る発明の燃料電池システムは、請求項１の発明の構成に加えて、さらに、走行モータの回生トルクを算出する回生トルク算出手段を有し、この回生電力算出手段は、回生トルク算出手段が算出した回生トルクにより回生電力を算出する構成を採っている。

請求項２に記載の燃料電池システムによれば、降坂時や、減速時などにおける走行モータの回転速度の減速勾配から回生トルクを算出し、さらに、回転速度と回生トルクから降坂時などの回生軸出力を算出してＰＤＵ（Power Drive Unit）の変換効率をかければ、一義的に走行モータの回生電力を算出することができる。これによって、走行モータから得られる回生電力を精度よく算定することが可能となる。

また、請求項３に係る発明の燃料電池システムは、請求項１又は２の発明の構成に加えて、さらに、蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を有し、下限補正手段は、蓄電量検出手段の検出した蓄電量が所定の値より低い場合は、燃料電池の出力可能範囲の補正を制限する構成を採っている。

請求項３に記載の燃料電池システムによれば、蓄電装置の蓄電量が所定の値より少ない場合は、下限補正手段が燃料電池の下限発電電力の補正を制限して、燃料電池の出力可能範囲の下限値がさらに低下しないようにしている。そのため、蓄電装置の蓄電量がさらに低下することを防止することができる。

また、請求項４に係る発明の燃料電池システムは、前記各発明の構成に加えて、下限補正手段は、出力可能範囲の下限値が燃料電池の劣化が生じはじめる燃料電池の出力電力である劣化下限値を下回らない範囲で該燃料電池を発電させるように、燃料電池の出力可能範囲の下限値を補正する構成を採っている。

請求項４に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の劣化下限値より下限発電電力が下回らないように、発電電力の下限値を補正しているので、燃料電池の劣化を助長させてしまうことを防止することができる。

また、請求項５に係る発明の燃料電池システムは、前記各発明の構成に加えて、下限補正手段は、燃料電池の下限発電電力補正量を算出し、下限値算出手段により算出された下限値から下限発電電力補正量を減算する構成を採っている。

請求項５に記載の燃料電池システムによれば、走行モータの回生軸出力や蓄電装置の蓄電量に基づいて燃料電池の下限発電電力補正量を算出し、あらかじめ設定されている燃料電池の出力可能範囲における下限発電電力値からこの下限発電電力補正量を減算することにより、燃料電池の出力可能範囲の下限値を容易に変更することができる。

また、請求項６に係る発明の燃料電池システムは、前記発明の構成において、下限発電電力補正量はローパスフィルタを通過させる構成を採っている。

請求項６に記載の燃料電池システムによれば、ローパスフィルタの平滑作用によって、燃料電池の下限発電電力が急激に変化しないようにしている。これによって、燃料電池の発電電力が急峻に変動するおそれがないので、燃料電池が劣化することを防止することができる。

また、請求項７に係る発明の燃料電池システムは、前記発明の構成において、下限発電電力補正量は電力により表され、この下限発電電力補正量は回生電力算出手段で算出された回生電力より大きくなるように構成されている。

請求項７に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池の下限発電電力補正量の電力値を回生電力より大きくすることにより、燃料電池の下限発電電力を変化させるまでの応答性能を向上させることができる。

また、請求項８に係る発明の燃料電池システムによれば、下限値算出手段によって算出される下限値は、燃料電池の発電効率が最大となる発電電力に基づいて決定されるか、燃料電池に劣化を発生させない発電電力と、蓄電装置の蓄電量に基づいて決定されるか、のいずれかであることを特徴としている。

請求項８に記載の燃料電池システムによれば、下限値算出手段が、燃料電池の発電効率が最大となる発電電力を下限値として決定し、下限補正手段が、この下限値を基に下限値の補正を行う方法と、下限値算出手段が、燃料電池の劣化を発生させない発電電力と、蓄電装置の蓄電量とに基づいて、下限値を決定し、下限補正手段が、この下限値を基に下限値の補正を行う方法との２通りの方法があり、これら２通りの方法を適宜に使い分けることにより、回生電力を効果的に回収することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の下限発電電力を降坂中などの走行モータの回生電力に基づいて下げることにより、蓄電装置への回生電力の受け入れ量（充電量）を増加させることができる。これによって、降坂中などに走行モータで発生した回生電力を廃棄することなく、その走行モータからの回生電力を効率的に回収することができる。その結果、燃料電池システムのシステム効率を向上させることが可能となる。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の下限発電電力を発電効率の最大点に固定しないで、降坂中などにおける走行モータの回生電力に基づいて、発電効率が最大点より低くなる点に下限発電電力を補正している。つまり、降坂中などの走行モータの回生電力の変化に応じて燃料電池の下限発電電力を補正している。これによって、降坂中などにおいて高圧バッテリ（蓄電装置）への回生電力の受け入れ量（充電量）を増加させることができるので、燃料電池システムのシステム効率を向上させることが可能となる。以下、本発明の燃料電池システムにおける技術的手法について実施形態で詳細に説明する。

《実施形態》
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、例えば、燃料電池とバッテリを電源とする電気自動車や船舶や航空機などに利用される。

図１に示すように、燃料電池システム２０は、燃料電池１、蓄電装置としての高圧バッテリ２、電力分配装置３、インバータなどで構成されるＰＤＵ（Power Drive Unit）４、電気負荷としての走行モータ５、走行モータ５の駆動力をタイヤ７に伝達するトランスミッション６、燃料電池システム２０全体の制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit）８、燃料電池１へ燃料ガスや、酸化剤ガスを供給するガス供給装置９、ダウンコンバータ１０、エアコンディショナ（Ａ／Ｃ）１１、低圧バッテリ１２、アクセサリ１３などを有してなる。

この燃料電池システム２０の主要な電力系統は、燃料電池１と高圧バッテリ２とが電力分配装置３を介して並列に接続され、電力分配装置３から出力された直流電圧がＰＤＵ４によって三相交流電圧に変換されて走行モータ５を駆動するように構成されている。そして、走行モータ５の駆動力がトランスミッション６を介して駆動輪であるタイヤ７に伝達され、車両を走行させるように構成されている。なお、高圧バッテリ２は、リチウム−イオン電池やニッケル水素電池などの単位セルが組み合わされた組電池によって高圧電圧を発生する。

また、高圧バッテリ２の出力側にはダウンコンバータ１０、及びＡ／Ｃ１１が接続されていて、ガス供給装置９の駆動によって燃料電池１は、燃料ガスを供給され、ダウンコンバータ１０によって高圧バッテリ２の高圧電圧（例えば、２５０Ｖ）を低圧電圧（例えば、１２Ｖ）に降圧して低圧バッテリ１２を充電すると共に、カーラジオやカーナビゲーションなどのアクセサリ１３に低圧電力を供給するように構成されている。なお、上記の主要な電力系統以外の、これらの構成要素（ガス供給装置９、ダウンコンバータ１０、Ａ／Ｃ１１、低圧バッテリ１２、及びアクセサリ１３）については、本実施形態とは直接的には関係ないのでこれ以上の説明は省略する。

燃料電池１は、ガス供給装置９を構成するアノードガス供給装置から供給される燃料ガス（水素ガス）と、同様にガス供給装置９を構成するエアコンプレッサから供給される酸化剤ガス（酸素）との化学反応によって発電し、走行モータ５等の電気負荷に対し電力供給可能なものである。高圧バッテリ２は、燃料電池１と並列に接続され、電力分配装置３を介して、燃料電池１から発電電力（ＦＣ出力）を受けることによって充電可能であると共に、走行モータ５等の電気負荷に対して電力供給可能なものである。

電力分配装置３は、ＥＣＵ８による出力電力の配分指令に基づいて、走行モータ５へ供給する燃料電池１と高圧バッテリ２との出力電力の配分を行う。また、走行モータ５は、トランスミッション６を介して、タイヤ７を回転駆動させて車両を走行させる駆動力を発生させるものである。

また、車両の降坂中などにおいてはタイヤ７にブレーキがかかるので、トランスミッション６を介して走行モータ５に制動力が働きその走行モータ５に回生電力が発生する。この回生電力はＰＤＵ４によって直流電圧に変換され、電力分配装置３を介して高圧バッテリ２に充電されるように構成されている。

ＥＣＵ８は、高圧バッテリ２から電流Ｉ、電圧Ｖ、温度Tempを検出して高圧バッテリ２のＳＯＣ（残容量：請求項における蓄電量）を計算し、そのＳＯＣの値に基づいて、電力分配装置３に対して燃料電池１の出力電力と高圧バッテリ２の出力電力の配分指令を行う。さらに、ＥＣＵ８は、走行モータ５の回転速度を検出してその走行モータ５の回生トルクを計算し、その回生トルクに対応した回生電力に基づいて、燃料電池１の下限発電電力の補正値（下限発電電力補正量）を求め、この補正値に基づいて燃料電池１の下限発電電力の値を補正する。すなわち、燃料電池１は、ＥＣＵ８からの補正値に基づいて下限発電電力の値を低下させる。

次に、図１を参照しつつ、図２に沿って本実施形態の概要を説明する。
図２は、燃料電池の発電出力と発電効率との関係を示す発電効率特性図であり、横軸に燃料電池の発電出力（ＦＣ出力）を表わし、縦軸に発電効率を表わしている。図２に示すように、燃料電池は所定のＦＣ出力Ｐ２のときに最大発電効率となり、ＦＣ出力が増加するにしたがって発電効率が徐々に低下してゆく。また、最大の発電効率となるＦＣ出力Ｐ２よりＦＣ出力の値を減少させてゆくと急激に発電効率が低下して行く。通常は、最大発電効率となるＦＣ出力Ｐ２を下限発電電力とし、ＦＣ出力を増加させて行き発電効率が所定の値まで低下したときのＦＣ出力Ｐ３をＦＣ出力上限値（上限発電電力）としている。そして、燃料電池はＦＣ出力Ｐ２（下限発電電力）からＦＣ出力Ｐ３（上限発電電力）までの範囲で発電電力を発生させ、その範囲外の領域（つまり、ＦＣ出力Ｐ２以下の領域とＦＣ出力Ｐ３以上の領域）では運転を停止している。ＦＣ出力Ｐ２’，Ｐ２’’については、後記して説明する。

ところが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、降坂中などにおける走行モータ５の回生電力の大きさに応じた補正値αだけ、燃料電池１の下限発電電力をＦＣ出力Ｐ２より減少させている。すなわち、走行モータ５の回生電力の大きさに応じて補正値αだけ下限発電電力を低下させ、例えば、ＦＣ出力Ｐ１を下限発電電力としている。このことは、走行モータ５に回生電力が発生したとき、ＥＣＵ８は、最大発電効率となるＦＣ出力Ｐ２から発電効率の低いＦＣ出力Ｐ１まで下限発電電力を低下させることにより、燃料電池１から高圧バッテリ２への出力を落とし、走行モータ５からの回生電力を高圧バッテリ２に充電しやすくしていることを意味している。したがって、走行モータ５の回生電力が大きいほど補正値αの値を大きくして、下限発電電力であるＦＣ出力Ｐ１を小さくする必要がある。このようにして、本実施形態の燃料電池システムでは、ＦＣ出力Ｐ１からＦＣ出力Ｐ３までの範囲で燃料電池の発電電力を発生させ、その範囲外の領域では燃料電池の運転を停止させている。

次に、図１を参照しつつ、図３に沿って本実施形態に係るＥＣＵ８の機能構成を説明する。図３は、図２に示す燃料電池システムにおけるＥＣＵの機能構成を示すブロック図である。図３において、車両が降坂するときに、走行モータ５から回生制御部２１へ減速時のモータ回転速度が入力されると、回生制御部２１は、減速勾配を推定して、制動力に対応した目標減速度となるように、走行モータ５の回生電力量を増加させる制御を行う。以下、このような制御を回生制御という。さらに、回生制御部２１は、回生制御によって増加した回生電力量から回生トルクＴを算出して出力すると共に、モータ回転速度Ｎを出力する。

次に、回生トルクＴとモータ回転速度Ｎは第１の乗算器２２で乗算され、さらに、第２の乗算器２３によってＴ×Ｎの値に所定の係数βが乗算されて回生軸出力Ｑが求められ、この回生軸出力Ｑが下限発電電力補正量算出部２４へ入力される。すなわち、第１の乗算器２２及び第２の乗算器２３によって回生軸出力Ｑが計算されて下限発電電力補正量算出部２４へ入力される。

一方、ＳＯＣ算出部２５は、高圧バッテリ２に設置されている各センサから電流Ｉ、電圧Ｖ、及び温度Tempを入力し、入力された電流Ｉ、電圧Ｖ、及び温度Tempを基に高圧バッテリ２のＳＯＣを算出する。そして、ＳＯＣ算出部２５は、算出したＳＯＣを下限発電電力補正量算出部２４へ出力すると共に下限基準値算出部２８へ出力する。

下限発電電力補正量算出部２４は、燃料電池１の下限発電電力を補正するための補正量（下限発電電力補正量）αを算出するために図４及び図５に示すようような特性図（補正量ＭＡＰ）を備えている。すなわち、図４は、図３に示す下限発電電力補正量算出部２４が格納する回生軸出力Ｑに対する補正量α１（第１の補正量）の変化を示す特性図であり、横軸に回生軸出力Ｑを表わし、縦軸に補正量α１を表わしている。また、図５は、図３に示す下限発電電力補正量算出部２４が格納する高圧バッテリ２のＳＯＣに対する補正量α２（第２の補正量）の変化を示す特性図であり、横軸にＳＯＣを表わし、縦軸に補正量α２を表わしている。

下限発電電力補正量算出部２４は、入力された回生軸出力Ｑに基づいて図４の特性図（補正量ＭＡＰ）から下限発電電力の補正量α１を求め、さらに、入力されたＳＯＣに基づいて図５の特性図（補正量ＭＡＰ）から下限発電電力の補正量α２を求める。すなわち、図４に示すように、走行モータ５の回生軸出力Ｑが大きいほど（言い換えると、走行モータ５の回生電力量が大きいほど）、下限発電電力の補正量α１を大きくして下限発電電力の値を低下させる。また、図５に示すように、高圧バッテリ２のＳＯＣが高いほど（言い換えると、高圧バッテリ２の充電状態が良いほど）、下限発電電力の補正量α２を大きくして下限発電電力の値を低下させる。

再び図３に戻り、次に、下限発電電力補正量算出部２４で求められた下限発電電力の補正量α１及び補正量α２は、ＬＰＦ（Low Pass Filter）２６によって平滑化される。さらに、レートリミット処理部２７が、回生電力等の過渡的な変動に対して下限発電電力が急激に変化しないように、補正量α１及び補正量α２を遅延させている。

一方、下限基準値算出部２８が、図２に示す発電効率を基に発電電力下限基準値を算出する（第１の方法）。下限基準値算出部２８は、まず発電効率が最大となるＦＣ出力（図２のＦＣ出力Ｐ２）を発電電力下限基準値とする。そして、下限基準値算出部２８は、入力されたＳＯＣを基に、この発電電力下限基準値をさらに補正する。つまり、下限基準値算出部２８は、ＳＯＣが高い値を示しているときは、発電電力下限基準値をＳＯＣに応じて低くし（ＦＣ出力Ｐ２’）、ＳＯＣが低い値を示しているときは、発電電力下限基準値をＳＯＣに応じて高くする（ＦＣ出力Ｐ２’’）。この処理は、ＳＯＣが高いときは、下限発電電力を低くすることにより、無駄な発電を抑え、ＳＯＣが低いときは、下限発電電力を高くすることにより積極的に充電することを目的とするものである。

そして、加算器２９が、下限基準値算出手段２８から入力された発電電力下限基準値（＋の値）とレートリミット処理部２７から入力された下限発電電力の補正量α１及び補正量α２（何れも−の値）とを加算して下限発電電力を求める。さらに、リミッタ３０は、求めた下限発電電力が、燃料電池１の劣化が生じはじめる出力電力値である劣化下限値以下であれば、燃料電池１を停止させるか、燃料電池１の出力を劣化下限値の値にするリミット処理を行う。すなわち、図２に対応して説明すると、加算器２９が、ＦＣ出力Ｐ２（発電電力下限基準値）から補正値α（補正量α１及び補正量α２）を減算し、下限発電電力Ｐ１を求める。ここでは、発電電力下限基準値をＦＣ出力Ｐ２としたが、発電電力下限基準値が図２のＦＣ出力Ｐ２’や、ＦＣ出力Ｐ２’’に補正されている場合、加算器２９は、これら補正された発電電力下限基準値から補正値αを減算する。そして、リミッタ３０は、下限発電電力Ｐ１が、燃料電池１の劣化を促進させる値である劣化下限値以下であれば、燃料電池１の出力を停止させるか、燃料電池１の出力を劣化下限値の値にすることにより最終的な下限発電電力を出力する。

これによって、車両の降坂中などにおいて走行モータ５に回生電力が発生したとき、下限発電電力は発電電力下限基準値（図２のＦＣ出力Ｐ２，Ｐ２’，Ｐ２’’）から、補正後の下限発電電力（図２のＦＣ出力Ｐ１など）となるので、燃料電池１（図１）の出力電力が低下して、燃料電池１から高圧バッテリ２（図１）への充電電力も低下する。これにより、走行モータ５（図１）の回生電力の高圧バッテリ２への受け入れ量（充電量）が増加することとなる。その結果、燃料電池システム２０のシステム効率を向上させることができる。すなわち、燃料電池の発電効率低下を無視してでも、回生電力を高圧バッテリ２へ回収した方が燃料電池システム全体の発電効率を向上させることができる。

なお、本実施形態から分かるように、請求項１に記載の回生電力算出手段は、回生制御部２１、第１の乗算器２２、及び第２の乗算器２３によって実現される。また、請求項１に記載の下限値算出手段は、下限基準値算出手段２８によって実現される。また、請求項１に記載の下限補正手段は下限発電電力補正量算出部２４及び加算器２９によって実現される。また、請求項１に記載の燃料電池の出力制御の実行は、電力分配装置３によって実現される。また、請求項２に記載の回生トルク算出手段は回生制御部２１によって実現される。また、請求項３に記載の蓄電量検出手段はＳＯＣ算出部２５によって実現される。

図６は、ＥＣＵが回生電力に基づいて下限発電電力を求める処理の流れを示すフローチャートである。図１に示す燃料電池システム２０及び図３に示すＥＣＵ８の機能構成図を参照しながら図６のフローチャートを説明する。ＥＣＵ８の回生制御部２１は、降坂中などにおいて、モータ回転速度Ｎを検出して回生トルクＴを算出し（ステップＳ１）、さらに、加算器２２，２３は、この回生トルクＴとモータ回転速度Ｎとに基づいて回生軸出力Ｑを算出する（ステップＳ２）。

次に、下限発電電力補正量算出部２４が、走行モータ５の回生軸出力Ｑ又は高圧バッテリ２のＳＯＣに基づいて図４又は図５に示すような補正量ＭＡＰを検索し、下限発電電力補正量（補正量α１及び補正量α２）を求める（ステップＳ３）。そして、ＬＰＦ２６が、この下限発電電力補正量（補正量α１及び補正量α２）を平滑処理して（ステップＳ４）有効成分のみを抽出し、レートリミット処理部２７が、下限発電電力補正量（補正量α１及び補正量α２）に対し、回生電力等の過渡的な変動に対して下限発電電力が急激に変化しないように、下限発電電力補正量（補正量α１及び補正量α２）を遅延させるレートリミット処理を行う（ステップＳ５）。

次に、下限基準値算出手段２８が、基準値補正ＭＡＰを検索して発電電力下限基準値を求める（ステップＳ６）。このときの発電電力下限基準値の求め方には、燃料電池１の発電出力（ＦＣ出力）に基づいて求める方法（前記した第１の方法）と、高圧バッテリ２のＳＯＣに基づいて求める方法（後記する第２の方法）の２通りの方法がある。

図７は、高圧バッテリのＳＯＣに基づいて発電電力下限基準値（第２の基準値）を求める（第２の方法）基準値補正ＭＡＰの特性図であり、横軸にＳＯＣを表わし、縦軸に発電電力下限基準補正値を表わしている。この発電電力下限基準値を求める第２の方法において、下限基準値算出部２８は、ＳＯＣ算出部２５によって算出されたＳＯＣに対応する発電電力下限基準補正値を、図７に示す特性図（ＭＡＰ）を検索することによって取得する。そして、取得した発電電力下限基準補正値をＦＣ劣化基準値に加算して発電電力下限基準値を算出する。ここで、ＦＣ劣化基準値は、燃料電池毎に定まる値であり、燃料電池が、これより低い電力を出力しようとすると、燃料電池を構成する部品から電子を供給しはじめることにより、燃料電池の劣化が生じはじめる出力電力である。つまり、ＳＯＣがＺの値を示したとき、発電電力下限基準補正値は、０であるので発電電力下限基準値は、ＦＣ劣化基準値と一致する。ＳＯＣがＺより小さい値を示したとき、下限基準値算出部２８は、対応する発電電力下限基準補正値（＋の値）を加算して発電電力下限基準値を算出する。また、ＳＯＣがＺより大きい値を示したとき、下限基準値算出部２８は、対応する発電電力下限基準補正値（−の値）を加算して発電電力下限基準値を算出する。なお、図７に示す基準値補正ＭＡＰは、ＥＣＵ８に設けられているＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶されている。

発電電力下限基準値を求める他の方法である燃料電池１の発電電力（ＦＣ出力）に基づいて発電電力下限基準値を求める方法（第１の方法）は、前記した方法であり、図２に示した燃料電池のＦＣ出力と発電効率との関係を示す発電効率特性図のように、発電効率が最大となるＦＣ出力の値（Ｐ２）を基に発電電力下限基準値（第１の基準値）を算出する方法である（Ｐ２’，Ｐ２’’）。

以上のような２通りの方法のいずれかによって発電電力下限基準値を求めたら、再び図６に戻って、発電電力下限基準値（＋の値）に対して、前述のステップＳ５までで求められた下限発電電力補正量（−の値）を加算して補正後の下限発電電力を算出する（ステップＳ７）。この後、リミッタ３０が、求めた下限発電電力が、燃料電池１の劣化が生じはじめる値である劣化下限値以下であれば、燃料電池１を停止させるか、燃料電池１の出力を劣化下限値の値にするリミット処理を行い、最終的な下限発電電力を出力する。

すなわち、第２の方法として、ＳＯＣに基づいて発電電力下限基準値を求めた場合は、ステップＳ５までで求められた第１の方法による下限発電電力補正量として補正量α（補正量α１及び補正量α２）を加算して下限発電電力を求め、これを燃料電池１の下限発電電力とする。また、第１の方法として、燃料電池１の発電出力（ＦＣ出力）に基づいて発電電力下限基準値を求めた場合は、やはりステップＳ５までで求められた第２の方法による下限発電電力補正量として補正量α（補正量α１及び補正量α２）を加算して下限発電電力を求め、これを燃料電池１の下限発電電力とする。

以上述べたように、本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池の下限発電電力を降坂中などの走行モータの回生電力に基づいて下げることにより、高圧バッテリへの回生電力の受け入れ量を増加させることができるので、降坂中などに走行モータで発生した回生電力を廃棄することなく有効に回収することが可能となる。その結果、燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。

《実験結果》
図８は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの実験結果による各種特性図であり、横軸に経過時間を表わし、縦軸に各種特性のデータ値を表わしている。すなわち、図８は、実施形態に係る燃料電池システムを搭載している車両が降坂しているときの各種特性を示す実験データである。

図８に示すように、車両がスタートしてから経過時間Ａ１〜Ａ２の間のときに降坂し、降坂中において車速（モータ回転速度）（ａ）が減速し、これによって、走行モータには負の値を有する回生トルク（ｃ）が発生している。なお、全走行中において燃料電池から高圧バッテリへ充電が行われているので、バッテリＳＯＣ（ｂ）は緩やかに上昇している。また、太い実線で示す燃料電池の下限発電電力（ｄ）は、降坂時において０に補正されている。すなわち、燃料電池の下限発電電力（ｄ）は０まで許容されている（燃料電池は、停止させられる）。

このような状態の降坂中において、走行モータの回生軸出力（ｅ）は負の値の電力が発生している。この回生軸出力（ｅ）に基づいて下限発電電力補正量（ｆ）は、回生軸出力（ｅ）より小さな値となり、ローパスフィルタを通過して、平滑された後の下限発電電力補正量（フィルタ後の補正量）（ｇ）も下限発電電力補正量（ｆ）とほぼ同様の値となっている。このとき、下限発電電力は、補正前の発電電力と、下限発電電力補正量とを足し合わせた値となるが、この値は負の値となっとおり、このような燃料電池の出力は、あり得ず、また燃料電池の劣化も促進させるので、リミッタによって下限発電電力は０Ｗに調整される（電力のグラフにおける太い実線参照）。燃料電池の出力が低下（ここでは、停止）しているため、燃料電池から高圧バッテリへの充電がなくなり、走行モータからの回生電力を高圧バッテリへまわすことができる。これにより、燃料電池システムのシステム効率が向上することになる。また、回生制動によりブレーキの効き方に関する違和感を生じさせない。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 燃料電池の発電出力と発電効率との関係を示す発電効率特性図である。 図２に示す燃料電池システムにおけるＥＣＵの機能構成を示すブロック図である。 図３に示す下限発電電力補正量算出部が格納する回生軸出力Ｑに対する補正量α１の変化を示す特性図である。 図３に示す下限発電電力補正量算出部が格納する高圧バッテリ２のＳＯＣに対する補正量α２の変化を示す特性図である。 ＥＣＵが回生電力に基づいて下限発電電力を求める処理の流れを示すフローチャートである。 高圧バッテリのＳＯＣに基づいて発電電力下限基準値の求める基準値補正ＭＡＰの特性図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの実験結果による各種特性図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 高圧バッテリ（蓄電装置）
３ 電力分配装置
４ ＰＤＵ（Power Drive Unit）
５ 走行モータ
６ トランスミッション
７ タイヤ
８ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
９ ガス供給装置
１０ ダウンコンバータ
１１ Ａ／Ｃ
１２ 低圧バッテリ
１３ アクセサリ
２０ 燃料電池システム
２１ 回生制御部（回生電力算出手段）
２２ 第１の乗算器（回生電力算出手段）
２３ 第２の乗算器（回生電力算出手段）
２４ 下限発電電力補正量算出部（下限補正手段）
２５ ＳＯＣ算出部
２６ ＬＰＦ（Low Pass Filter）
２７ レートリミット処理部
２８ 下限基準値算出手段（下限値算出手段）
２９ 加算器（下限補正手段）
３０ リミッタ

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から供給される電力により駆動する走行モータと、
   前記燃料電池の出力電力及び前記走行モータの回生電力により充電される蓄電装置と、
   前記走行モータの回生電力を算出する回生電力算出手段と、
   前記燃料電池の出力可能範囲の元となる下限値を算出する下限値算出手段と、
   前記回生電力算出手段によって算出された回生電力が高くなるにつれて前記燃料電池の出力可能範囲の下限値を低下させることで、前記出力可能範囲を補正する下限補正手段と、
   を備え、
   前記下限補正手段で補正された出力可能範囲内で前記燃料電池の出力電力を制御すること
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記走行モータの回生トルクを算出する回生トルク算出手段を有し、
   前記回生電力算出手段は、前記回生トルク算出手段が算出した回生トルクにより前記回生電力を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記蓄電装置の蓄電量を検出する蓄電量検出手段を有し、
   前記下限補正手段は、前記蓄電量検出手段の検出した蓄電量が所定の値より低い場合は、前記燃料電池の出力可能範囲の補正を制限することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記下限補正手段は、前記出力可能範囲の下限値が前記燃料電池の劣化が生じはじめる燃料電池の出力電力である劣化下限値を下回らない範囲で該燃料電池を発電させるように、前記燃料電池の出力可能範囲の下限値を補正することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記下限補正手段は、前記燃料電池の下限発電電力補正量を算出し、前記下限値算出手段により算出された下限値から前記下限発電電力補正量を減算することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記下限発電電力補正量はローパスフィルタを通過させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記下限発電電力補正量は電力により表され、該下限発電電力補正量は前記回生電力算出手段で算出された回生電力より大きいことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記下限値算出手段によって算出される下限値は、
   前記燃料電池の発電効率が最大となる発電電力に基づいて決定されるか、前記燃料電池に劣化を発生させない発電電力と、前記蓄電装置の蓄電量とに基づいて決定されるか、のいずれかであることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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