JP5375036B2 - 発電システム - Google Patents

Description

本発明は、発電システムに関する。

例えば、特許文献１には、変換手段であるＤＣ／ＤＣコンバータの通過電力を制限する手法が開示されている。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側は二次電池に接続され、二次側は発電手段である燃料電池とトラクションモータとに並列接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の放電時には、二次電池の出力電圧を昇圧してトラクションモータに供給する一方で、二次電池の充電時には、燃料電池の出力電圧またはトラクションインバータが回生した直流電圧を降圧して二次電池を充電する。そして、二次電池の放電時と充電時とで通過電力の上限値を変更する。
特開２００６−２０４０３２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、通過電力を制限することで、変換手段の発熱は抑えられるが、発電手段の発電量を減らす必要があり、発電手段の出力を制限しなければならない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、通過電力を制限することなく、変換手段の発熱を抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、変換手段の温度が、高温状態を判定するための判定値よりも高い場合、かつ、変換手段の発電手段側の電圧が、変換手段の蓄電手段側の電圧よりも小さい場合には、変換手段の蓄電手段側に接続された補機の消費電力を増加させることにより、変換手段の蓄電手段側の電圧を低下させる抑制制御を行う。

本発明によれば、抑制制御を行うことにより、変換手段の素子温度上昇に伴う抵抗増による損失を小さくすることができ、電圧変換効率が向上する。そのため、同じ通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなく変換手段の発熱量を抑えることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる発電システムの構成を模式的に示すブロック図である。第１の実施形態にかかる発電システムは、移動体である車両に搭載されており、当該車両は、電力によって駆動する。発電システムは、燃料電池システム１０、負荷である電動モータ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、二次電池４０およびコントローラ６０を主体に構成されている。

発電手段である燃料電池システム１０は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１１を備える。この燃料電池スタック１１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１１に水素を供給するための水素系（図示せず）と、燃料電池スタック１１に空気を供給するための空気系（図示せず）とが備えられている。水素系および空気系には、燃料電池スタック１１が発電を行うために必要な種々の補機１２、例えば、水素および空気を供給するための循環ポンプやコンプレッサなどが設けられている。

燃料電池スタック１１には、車両を駆動する電動モータ２０がインバータ（図示せず）を介して接続されており、燃料電池スタック１１において発電された電力（以下「スタック電力」という）は、インバータを介して電動モータ２０へ供給される。インバータは、後述する第１の電源ラインＬｓから分岐した負荷系ラインＬｍを介して燃料電池スタック１１と電気的に接続されている。

燃料電池スタック１１には、変換手段であるＤＣ／ＤＣコンバータ３０が接続されるとともに、このＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して蓄電手段である二次電池４０が接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と燃料電池スタック１１との間は、第１の電源ラインＬｓによって電気的に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と二次電池４０との間は、第２の電源ラインＬｂによって電気的に接続されている。燃料電池スタック１１から出力されるスタック電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して二次電池４０に供給可能である。また、燃料電池スタック１１から出力されるスタック電力は、燃料電池スタック１１において発電を行うために必要な種々の補機１２および車両に搭載されるに種々の補機５０（例えば、エアコンなど）に供給可能となっている。これらの補機１２，５０は、第２の電源ラインＬｂから分岐した電力供給ラインＬｌに接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、燃料電池スタック１１からの出力（スタック出力）、すなわち、第１の電源ラインＬｓから入力する電流を電圧変換して第２の電源ラインＬｂに出力する。本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、電流を双方向に流す双方向性のコンバータであり、二次電池４０からの出力、すなわち、第２の電源ラインＬｂから入力する電流を電圧変換して第１の電源ラインＬｓに出力することもできる。

二次電池４０は、電力を充電可能であるとともに、この充電した電力を放電可能な蓄電手段であり、次に示すような機能を担っている。まず、二次電池４０は、補機１２，５０に対してそれを駆動するために必要な電力を供給する。また、車両側から要求される電力（要求電力）に対して、燃料電池スタック１１のスタック電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ２０および補機１２，５０に供給する。さらに、燃料電池スタック１１のスタック電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ２０の回生電力を蓄電する。

コントローラ（制御手段）６０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。コントローラ６０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。このコントローラ６０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。

コントローラ６０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。スタック側電圧センサ６１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の燃料電池スタック１１側の電圧（以下「スタック側電圧」という）を検出する。二次電池側電圧センサ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の二次電池４０側の電圧（以下「二次電池側電圧」という）を検出する。電流センサ６３は、燃料電池スタック１１の電流（以下「スタック電流」という）を検出する。二次電池温度センサ６４は、二次電池４０の温度（以下「二次電池温度」という）を検出する。ＰＭ温度センサ６５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度（以下「ＰＭ温度」という）を検出する。また、コントローラ６０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０から、このＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通過する電力（以下「ＰＭ通過電力」という）を示す信号、および、温度上昇を抑制する観点から出力の制限（通過電力の制限）を行う信号が入力される。また、二次電池４０からは、二次電池の充電量を示す信号が入力されている。さらに、コントローラ６０には、ドライバによるアクセル操作量、例えば、アクセルペダルの踏込量を検出するセンサ（図示せず）から、アクセル操作量を示す信号が入力されている。

本実施形態との関係において、コントローラ６０は、ＰＭ温度が高温状態を判定するための判定値よりも高い場合、スタック側電圧Ｖｓと、二次電池側電圧Ｖｂとの差が小さくなるような抑制制御を行う。

図２は、本発明の第１の実施形態にかかる発電システムの制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、コントローラ６０によって所定の周期で実行される。なお、コントローラ６０は、フローチャートに示す一連の処理を行う前提として、各種センサ等からセンサ信号を読み込んでいる。

まず、ステップ１（Ｓ１）において、コントローラ６０は、後述するステップ２（Ｓ２）からステップ４（Ｓ４）またはステップ５（Ｓ５）までの一連の処理を実行するための温度条件を具備するか否かを判断する。具体的には、コントローラ６０は、ＰＭ温度が温度判定値よりも大きいか否かを判断する。この温度判定値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を構成する素子に高温にともなう不具合の発生を抑制する観点から、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の高温状態を判定するための判定値（上限温度）であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。

ステップ１において肯定判定された場合、すなわち、ＰＭ温度が温度判定値よりも大きい場合には、ステップ２に進む。一方、ステップ１において肯定判定された場合、すなわち、ＰＭ温度が温度判定値以下の場合には、後述するステップ６（Ｓ６）に進む。

ステップ２において、コントローラ６０は、スタック側電圧Ｖｓおよび二次電池側電圧Ｖｂが、以下に示す関係式のいずれか一方を満足するか否かを判断する。
（数式１）
Ｖｓ ＜ Ｖｂ−α ・・・（１）
Ｖｓ ＞ Ｖｂ＋β ・・・（２）
定数αは、二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓよりも確実に大きいことを判定するための値であり、定数βは、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも確実に大きいことを判定するための値である。定数α，βは、実験やシミュレーションを通じて、最適値が予め設定されている。

ステップ２において肯定判定された場合、二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓよりも確実に大きい、或いは、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも確実に大きい場合には、ステップ３（Ｓ３）に進む。一方、ステップ２において否定判定された場合、二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓよりも確実に大きくない、或いは、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも確実に大きくない場合には、ステップ６に進む。

ステップ３において、コントローラ６０は、現在の電圧状態が、二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓよりも確実に大きい状態であるか否かを判断する（Ｖｓ＜Ｖｂ−α）。このステップ３において肯定判定された場合には、ステップ４に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合には、ステップ５に進む。

ステップ４において、コントローラ６０は、第１の抑制制御を行う。図３は、第１の抑制制御ルーチンを示すフローチャートである。まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、コントローラ６０は、車両の駆動出力Ｐｖを読み込む。コントローラ６０は、アクセル操作量や、二次電池の充電量、燃料電池スタック１１の発電量などに基づいて、電動モータ２０の駆動出力Ｐｖを制御しており、この値が読み込まれる。

ステップ１１（Ｓ１１）において、スタック電圧Ｖｓと二次電池電圧Ｖｂとに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０における燃料電池スタック１１側と二次電池４０側との電位差Ｖsb（以下「ＰＭ電位差」という）を算出する。ＰＭ電位差Ｖsbは、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとの差であり、本実施形態では、スタック側電圧Ｖから二次電池側電圧Ｖｂを減算することにより算出される。

ステップ１２において、コントローラ６０は、ＰＭ電位差Ｖsbに基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の効率であるＰＭ効率ηを算出する。図４は、ＰＭ電位差ＶsbとＰＭ効率ηとの対応関係を示す説明図である。同図に示すように、ＰＭ効率ηは、ＰＭ電位差Ｖsbが０に近づく程高くなる傾向を有している。ＰＭ電位差ＶsbとＰＭ効率ηとの対応関係は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の特性を事前に評価することにより取得することができる。コントローラ６０は、ＰＭ電位差ＶsbとＰＭ効率ηとの対応関係をＲＯＭに保持しており、この対応関係を参照し、ＰＭ電位差Ｖsbに基づいてＰＭ効率ηを算出する。

ステップ１３（Ｓ１３）において、コントローラ６０は、発電ゲインＧｐを演算する。発電ゲインＧｐは、補機１２に供給される電力に対するスタック電力の比率である。発電ゲインＧｐは、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１１の発電状態に応じてその値を予め求めておき、ＲＯＭ内に格納しておいてもよく、あるいは、直近の発電状態から算出してもよい。

ステップ１４（Ｓ１４）において、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度上昇を抑制するために守るべきＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量の上限値Ｎmax（以下「上限発熱量」という）を読み込む。上限発熱量Ｎmaxは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の特性を評価することにより、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。

ステップ１５（Ｓ１５）において、コントローラ６０は、ＰＭ通過電力の上限値Ｐpmupを演算する。この上限値Ｐpmupは、下式に基づいて算出される。
（数式２）
Ｐpmup ＝ Ｎmax／（１−η）
ここで、上限値Ｐpmupは、正の値であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を二次電池４０側から燃料電池スタック１１側へと通過する電力の上限値を表す。

ステップ１６（Ｓ１６）において、コントローラ６０は、スタック電力の下限値Ｐsmin（以下「スタック下限電力」という）を算出する。このスタック下限電力Ｐsminは、下式に基づいて算出される。
（数式３）
Ｐsmin ＝ Ｐｖ−Ｐpmup

ステップ１７（Ｓ１７）において、コントローラ６０は、スタック電力の上限値Ｐsmax（以下「スタック上限電力」という）を算出する。このスタック上限電力Ｐsmaxは、下式に基づいて算出される。
（数式４）
Ｐsmax ＝ Ｇｐ／（Ｇｐ−１）×Ｐｖ

ステップ１８（Ｓ１８）において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１１の発電電力（スタック電力）Ｐｓがスタック下限電力Ｐsminからスタック上限電力Ｐsmaxまでの範囲となるように、燃料電池スタック１１の発電状態を制御する。この制御により、二次電池４０が放電されることとなり、結果的に、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとが近づく傾向となる。

一方、ステップ５において、コントローラ６０は、第２の抑制制御を行う。図５は、第２の抑制制御ルーチンを示すフローチャートである。第２の抑制制御において、ステップ２０（Ｓ２０）からステップ２３（Ｓ２３）までの処理は、第１の抑制制御におけるステップ１０からステップ１４までの処理（ステップ１３は除く）にそれぞれ対応している。

ステップ２３に続くステップ２４（Ｓ２４）において、コントローラ６０は、ＰＭ通過電力の下限値Ｐpmloを演算する。この下限値Ｐpmloは、下式に基づいて算出される。
（数式５）
Ｐpmlo ＝ Ｎmax／（１−η）
ここで、下限値Ｐpmloは、負の値であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を燃料電池スタック１１側から二次電池４０側へと通過する電力の下限値を表す。

ステップ２５（Ｓ２５）において、コントローラ６０は、スタック下限電力Ｐsminを算出する。このスタック下限電力Ｐsminは、下式に基づいて算出される。
（数式６）
Ｐsmin ＝ Ｐｖ

ステップ２６（Ｓ２６）において、コントローラ６０は、スタック上限電力Ｐsmaxを算出する。このスタック上限電力Ｐsmaxは、下式に基づいて算出される。
（数式７）
Ｐsmax ＝ Ｐｖ−Ｐpmlo

ステップ１８（Ｓ１８）において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１１の発電電力（スタック電力）Ｐｓがスタック下限電力Ｐsminからスタック上限電力Ｐsmaxまでの範囲となるように、燃料電池スタック１１の発電状態を制御する。この制御により、二次電池４０が充電されることとなり、結果的に、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとが近づく傾向となる。

図２を参照するに、ステップ６において、コントローラ６０は、上述した第１の抑制制御または第２の抑制制御を行うことなく、通常の発電制御を行う。

以下、本実施形態にかかる発電システムの制御概念について説明する。図６は、本実施形態の制御手法を適用しないケースに関するタイミングチャートである。同図は、スタック出力（スタック電力）と車両の駆動出力とがともに低い状態から、加速のためにスタック出力を１００ｋＷおよび車両の駆動出力を９０ｋＷまで増加させたシーンにおける種々のパラメータの推移を示す。具体的に、（ａ）から（ｇ）は、出力、補機電力、電圧、ＰＭ通過電力、二次電池電力、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量（以下「ＰＭ発熱量」という）、ＰＭ効率に関する推移をそれぞれ示す。ここで、（ａ）の出力または（ｃ）の電圧の推移において、実線は、スタック出力またはスタック側電圧を示し、破線は、駆動出力または二次電池側電圧を示している。

ＰＭ発熱量は、ＰＭ通過電力ＰpmとＰＭ効率ηとに基づいて算出される。
（数式８）
ＰＭ発熱量 ＝ Ｐpm×η

図６において、タイミングＡより左側に位置する、車両の加速シーンを示す領域（一点鎖線で囲んだ領域）では、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとの差が大きい。この場合、図４に示すように、ＰＭ効率ηが比較的低い状態（例えば、９２％）であるため、損失が大きくなる（損失８％）。登坂走行などのように冷却性能が低いシーンでは、ＰＭ発熱量が比較的大きくなるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が高温になってしまう虞がある。上記の領域において、ＰＭ通過電力が１０ｋＷとなるシーンでは、ＰＭ発熱量は０．８ｋＷとなる。

ここで、タイミングＡにおいて、温度上昇による素子の不具合を抑制するために、ＰＭ発熱量を最大で０．４ｋＷとする出力制限を行うことを考える。具体的には、スタック出力を５０ｋＷ、駆動出力を４５ｋＷまで制限する。ＰＭ通過電力が５ｋＷに抑制され、損失が８％のままであるため、ＰＭ発熱量が０．４ｋＷに抑制されることとなる。ただし、車両の駆動出力が、９０ｋＷから４５ｋＷに制限されることになる。そのため、車両の動力性能は大きく低下し、そのままで登坂走行を続けることさえ困難になってしまう可能性がある。

図７は、本実施形態の制御手法を適用した第１のケースに関するタイミングチャートである。同図に示す各パラメータは、図６のそれと対応している。図６と同様の走行シーンにおいて、温度上昇を抑制するために、ＰＭ発熱量を最大で０．４ｋＷとする出力制限がタイミングＢにおいて必要な場合を考える。

本実施形態では、駆動出力は９０ｋＷのままで、スタック出力を９０ｋＷまで低下させる。この場合、スタック出力の低下に伴い、補機１２の消費電力も１０ｋＷから９ｋＷへと低下する。ここで、スタック出力と駆動出力とを同等とするため、燃料電池スタック１１から補機１２へ供給できる電力はゼロとなり、補機１２で消費する電力は二次電池４０から放電されることになる。

スタック出力を１００ｋＷから９０ｋＷに変更することでスタック電流が低下すると、図８に示すように、スタック電圧が増加する。また、図９に示すように、二次電池４０は、放電側に制御すると電圧が低下する特性をもっている。そのため、図７（ｃ）に示すように、タイミングＢからタイミングＣにかけて、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとの差が小さくなる。タイミングＢからタイミングＣまでの区間では、スタック出力と駆動出力とがほぼ同等であるため、ＰＭ通過電力は概ねゼロとなる。数式８で示すように、ＰＭ発熱量は概ねゼロとなり、ＰＭ発熱量が最大値を越えるといった事態を抑制することができる。また、駆動出力を変更していないため、タイミングＢ以降であっても、タイミングＢ以前の状態と同様の動力性能で走行することが可能となる。

また、この状態で走行を続けると二次電池４０の放電が継続される。図１０に示すように、二次電池４０の蓄電量と二次電池４０の電圧と間には、蓄電量が低下すると電圧が低下するという関係がある。そのため、タイミングＢからタイミングＣまでの区間で二次電池４０を放電して蓄電量が低下する。そして、タイミングＣにおいて、スタック出力を９０ｋＷから１００ｋＷに変更することでスタック電流が増加すると、図８に示すように、スタック電圧が低下する。これにより、タイミングＣにおいて、二次電池４０からの放電を行わなくても、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとがほぼ対応する状態を実現することができる。

ここで、タイミングＢ以前では、損失が８％程度の状態で走行している。ところが、二次電池４０の放電が行われることで、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとが対応することにより、損失４％程度の状態で走行することができる。また、タイミングＣ以降は、タイミングＢ以前と同様に、スタック出力を９０ｋＷから１００ｋＷまで引き上げる。この場合、ＰＭ通過電力は１０ｋＷとなるが、損失（１−η）が８％から４％へと低下している。そのため、ＰＭ発熱量を０．４ｋＷまで低下した上で、駆動性能は低下させることがない。よって、その後も登坂走行が可能となる。

図１１は、本実施形態の制御手法を適用した第２のケースに関するタイミングチャートである。同図に示す各パラメータは、図６のそれと対応している。図１１に示す状態は、図６の加速時と同様の走行シーンでＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度が上昇した後にアクセルを緩めることにより、スタック出力が５０ｋＷの状態に、車両の駆動出力が４５ｋＷの状態になった場合を示している。この場合、それまでのＰＭ発熱量が大きかったため、ＰＭ通過電力が５ｋＷで、ＰＭ発熱量が０．４ｋＷの状態でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が上限温度に到達してしまう可能性がある。

ここで、温度上昇を抑制するために、ＰＭ発熱量を最大で０．２２ｋＷとする出力制限がタイミングＤにおいて必要な場合を考える。この場合、駆動出力は４５ｋＷのままで、スタック出力を５０ｋＷから５０．５ｋＷまで増加させる。図１１のタイミングＤの直前では、二次電池側電圧Ｖｂよりもスタック側電圧Ｖｓが高い状態となっている。ところで、スタック出力の増加に伴い、燃料電池スタック１１の発電のために必要な補機１２の消費電力も５ｋＷから５．０５ｋＷへと増加する。スタック出力の増加に伴いＰＭ通過電力は、５ｋＷから５．５ｋＷへ増加する。補機１２の消費電力は５．０５ｋＷまでしか増加しないため、その差である０．４５ｋＷは二次電池４０へ充電されることとなる。

スタック出力を５０ｋＷから５０．５ｋＷに変更することでスタック電流が大きくなると、図８に示すように、スタック電圧が低下する。また、図９に示すように、二次電池４０は、充電側に設定すると電圧が増加する。これにより、図１１（ｃ）に示すように、タイミングＤからタイミングＥにかけて、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとの電位差が小さくなる。また、タイミングＤからタイミングＥまでの区間では、ＰＭ通過電力をわずかに増加させている。スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧ＶｂとをそろえることでＰＭ効率ηを大きく（すなわち、損失を小さく）する効果と、ＰＭ通過電力をわずかに増やすことでＰＭ発熱量を増やす側の効果とがある。そのため、これらのトータルでＰＭ発熱量が最大値を越えないように制御することで、駆動出力を変更することなく、タイミングＤ以前の状態と同様の動力性能で走行することが可能となる。上述の例では、ＰＭ通過電力が５．５ｋＷで損失が４％となるため、ＰＭ発熱量は０．２２ｋＷとなり上限温度に到達するといった事態を抑制することができる。

また、この状態で走行を続けると二次電池４０への充電が継続される。図１０に示すように、二次電池４０の蓄電量と二次電池４０の電圧との間には、蓄電量が低下すると電圧が低下するという関係がある。そのため、タイミングＤからタイミングＥまでの区間において二次電池４０を充電して蓄電量が増加する。そして、タイミングＥにおいて、スタック出力を５０．５ｋＷから５０ｋＷに変更することでスタック電流が低下すると、図８に示すように、スタック電圧が増加する。これにより、タイミングＥにおいて、二次電池４０への充電を行わなくても、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｓとがほぼ対応する状態を実現することができる。

ここで、タイミングＤ以前では、損失８％程度の状態で走行している。ところが、二次電池４０の充電が行われることで、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとが対応することにより、損失４％程度の状態で走行することができる。また、タイミングＥ以降は、タイミングＤ以前と同様に、スタック出力を５０．５ｋＷから５０ｋＷまで引き下げる。この場合、ＰＭ通過電力は５ｋＷとなるが、損失（１−η）が８％から４％へと低下している。そのため、ＰＭ発熱量を０．２ｋＷ（＜０．２２ｋＷ）まで低下した上で、駆動性能は低下させることがない。よって、その後も登坂走行が可能となる。

このように本実施形態において、コントローラ６０は、ＰＭ温度が高温状態を判定するための判定値よりも高い場合、スタック側電圧Ｖｓと、二次電池側電圧Ｖｂとの差が小さくなるような抑制制御を行う。かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の素子温度上昇に伴う抵抗増による損失を小さくすることができ、電圧変換効率が向上する。そのため、同じ通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

また、本実施形態において、コントローラ６０は、抑制制御において、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０における燃料電池スタック１１側から二次電池４０側への通過電力を、補機１２の消費電力以下とする制御を行う。かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力を補機消費電力以下に制御することで、二次電池４０の放電を行って二次電池側電圧Ｖｂを下げることができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の両端の電位差が縮小するため損失を低減することができる。その結果、同じＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

また、本実施形態において、コントローラ６０は、抑制制御において、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも大きい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度が上限温度を超えない範囲で、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０における燃料電池スタック１１側から二次電池４０側への通過電力を増加させる制御を行う。かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力を増やすことで、二次電池４０の充電が行われ、二次電池側電圧Ｖｂが増加する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の両端の電位差が縮小するため、損失を低減させることができる。その結果、同じＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

また、本実施形態において、コントローラ６０は、抑制制御において、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも小さい場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータおける燃料電池スタック１１側から二次電池４０側への通過電力をゼロに近づける制御を行う。かかる構成によれば、二次電池４０の放電を行って二次電池側電圧Ｖｂを低下させることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の両端の電位差が縮小するため、損失を低減させることができる。その結果、同じＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

なお、このケースでは、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度が上限温度を超えない範囲内で、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０における通過電力を二次電池４０側から燃料電池スタック１１側へと通過させる制御を行ってもよい。かかる構成であっても、二次電池４０の放電を促進することができる。

また、本実施形態において、コントローラ６０は、抑制制御を行うことにより、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとが差が判定値よりも小さいことを判断した場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を通過する電力を通常状態で制御する。かかる構成によれば、抑制制御を行うことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の両端の電位差を縮小し損失を低減させた状態としている。そのため、二次電池の充放電をなくした通常の運転制御として二次電池への負担を軽減した状態でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力による熱が発生しにくくなる。よって、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

（第２の実施形態）
図１２は、第２の実施形態にかかる第１の抑制制御ルーチンを示すフローチャートである。第２の実施形態にかかる発電システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、第１の抑制制御ルーチンの手法である。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度上昇時、二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓより高い場合に、補機１２の消費電力を増加させることで、二次電池４０の放電を促進させることある。なお、本実施形態にかかる発電システムのシステム構成および基本的な制御方法は、第１の実施形態のそれと同じであるため、重複する説明は省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。

まず、ステップ３０（Ｓ３０）において、コントローラ６０は、発電ゲインＧｐを小さくするように制御する。たとえば、コントローラ６０は、燃料電池スタック１１に供給する空気の流量を現在の状態よりも多くなるように設定したり、供給ガスの圧力を高くしたりて空気供給装置（例えば、コンプレッサ）の消費電力を増加させたりする。これにより、燃料電池スタック１１において所定の電力で発電するのに必要な補機１２の消費電力が増加するため、発電ゲインＧｐを小さくする。

ステップ３１（Ｓ３１）において、コントローラ６０は、燃料電池スタック１１の発電量を、ステップ１において温度条件を具備する以前と同様の値に維持して発電を継続する。発電ゲインＧｐを小さくしていることから、スタック電力Ｐｓを発電するための補機１２の消費電力が増大することになる。

ステップ３２（Ｓ３２）において、発電とは無関係な補機５０の消費電力を増大させるように制御する。

このように本実施形態において、コントローラ６０は、抑制制御において、スタック側電圧Ｖｓが二次電池側電圧Ｖｂよりも小さい場合には、燃料電池スタック１１側の補機１２および車両側の補機５０の消費電力を増加させることにより、二次電池電圧Ｖｓを低下させる制御を行う。かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の両端の電位差が縮小するので、その損失を低減させることができる。その結果、同じＤＣ／ＤＣコンバータ３０の通過電力でも発熱しにくくなるので、通過電力を制限することなくＤＣ／ＤＣコンバータ３０の発熱量を抑えることができる。これにより、走行性能に影響なく車両走行の継続が可能となる。

なお、本実施形態では、補機１２，５０の消費電力を増加させることにより二次電池４０の放電を促進し、これにより、スタック側電圧Ｖｓと二次電池側電圧Ｖｂとの差を小さくする手法である。しかしながら、コントローラ６０は、二次電池４０の電圧を下げるのではなく、スタック電圧を上げるように操作してもよい。例えば、スタック電圧の増加は、燃料電池スタック１１の温度を上げたり、発電性能が向上するように湿度を変えたり、反応ガスの流量や圧力を上げることで実現できる。反応ガスの流量や圧力を上げた場合には、二次電池４０の放電を促進することも可能である。そのため、二次電池側電圧の低下とスタック側電圧の上昇との両方を同時に実現できることもある。

二次電池側電圧Ｖｂがスタック側電圧Ｖｓよりも低い場合には、スタック電圧を下げるように操作してもよい。例えば、スタック電圧の低下は、燃料電池スタック１１の温度を下げたり、発電性能が低下するように湿度を変えたり、反応ガスの流量や圧力を下げることで実現できる。また、二次電池４０側の電圧を上げるような操作を行うことも有効である。この場合、発電とは無関係な補機５０の消費電力を下げることが可能な場合は、これを積極的に下げることで二次電池４０の放電を抑制し、これにより、二次電池４０の電圧を上げるように操作することも可能である。

さらに、上述した各実施形態では、発電手段として燃料電池システムを例示したが本発明はこれに限定されない。発電手段としては、エンジンにより発電機を駆動し、その電力で走行するタイプの車両であってもよい。

第１の実施形態にかかる発電システムの構成を模式的に示すブロック図 第１の実施形態にかかる発電システムの制御方法を示すフローチャート 第１の抑制制御ルーチンを示すフローチャート ＰＭ電位差ＶsbとＰＭ効率ηとの対応関係を示す説明図 第２の抑制制御ルーチンを示すフローチャート 第１の実施形態の制御手法を適用しないケースに関するタイミングチャート 第１の実施形態の制御手法を適用した第１のケースに関するタイミングチャート スタック電流とスタック電圧との関係を示す説明図 二次電池電力と二次電池電圧との関係を示す説明図 二次電池蓄電量と二次電池電圧との関係を示す説明図 第２の実施形態の制御手法を適用した第１のケースに関するタイミングチャート 第２の実施形態にかかる第１の抑制制御ルーチンを示すフローチャート

符号の説明

１０…燃料電池システム
１１…燃料電池スタック
１２…補機
２０…電動モータ
４０…二次電池
５０…補機
６０…コントローラ
６１…スタック側電圧センサ
６２…二次電池側電圧センサ
６３…電流センサ
６４…二次電池温度センサ
６５…ＰＭ温度センサ

Claims (3)

1. 発電を行う発電手段と、
   電力を充電可能であるとともに、当該充電した電力を放電可能な蓄電手段と、
   第１の電源ラインを介して前記発電手段と電気的に接続するとともに第２の電源ラインを介して前記蓄電手段と電気的に接続しており、前記発電手段または前記蓄電手段からの電流を電圧変換して出力する双方向性の変換手段と、
   前記変換手段の前記発電手段側の電圧と、前記変換手段の前記蓄電手段側の電圧との差を検出する電圧検出手段と、
   前記変換手段の温度を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出される温度と、前記電圧検出手段によって検出される電圧の差とに基づいて、前記変換手段の前記発電手段側と、前記変換手段の前記蓄電手段側との電位差を制御する制御手段と、
   前記第２の電源ラインから分岐する電力供給ラインに接続されるとともに、前記発電手段を動作させるための第１の補機およびシステム外の電動要素を動作させるための第２の補機とを有し、
   前記変換手段は、前記電圧検出手段によって検出される電圧の差が０に近づく程変換効率が高くなる特性を有し、
   前記制御手段は、前記温度検出手段によって検出される温度が、前記変換手段の高温状態を判定するための判定値よりも高い場合、かつ、前記変換手段の前記発電手段側の電圧が、前記変換手段の前記蓄電手段側の電圧よりも小さい場合には、前記第１の補機および前記第２の補機の消費電力を増加させることにより、前記変換手段の前記蓄電手段側の電圧を低下させる抑制制御を行うことを特徴とする発電システム。
2. 前記制御手段は、前記抑制制御において、前記変換手段の前記発電手段側の電圧と、前記変換手段の前記蓄電手段側の電圧とが差が、当該電圧差が小さいことを判定する判定値よりも小さいことを判断した場合には、前記蓄電手段が充放電しないように制御することを特徴とする請求項１に記載された発電システム。
3. 前記発電手段は、反応極に供給された反応ガスを電荷化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムであることを特徴とする請求項１または２に記載された発電システム。

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