JP5512423B2 - 燃料電池自動車 - Google Patents

Description

この発明は、走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給する燃料電池自動車に関する。

燃料電池を動力源とする燃料電池自動車が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１の燃料電池自動車では、モータ（２６）に対し、スタック構造の燃料電池（２２）とバッテリ（２４）を並列に接続する（図１参照）。そして、バッテリの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ（３６）により変圧し、ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側の電圧を調整することにより燃料電池の出力を制御する（例えば、段落［００４７］〜［００５０］参照）。また、モータが高出力で作動する際やバッテリを充電する際は、ＤＣ／ＤＣコンバータでの変圧を行わない直結制御を用いる（例えば、段落［００６６］〜［００６９］）。

さらに、負荷の変化に伴う燃料電池の劣化を防止するための技術も開発されている（特許文献２）。特許文献２では、燃料電池（１０）に含まれる白金の酸化反応及び酸化白金の還元反応（以下では、両者をまとめて「白金の酸化還元反応」という。）による白金の溶解及び溶出を避けるため（段落［００２２］）、単位セル電圧が、白金の酸化が促進される値以上である時間が所定値を超えて続いた場合、酸化白金の還元電位を超えるように運転制御を行う（段落［００２７］〜［００２９］）。或いは、単位セル電圧が、白金の酸化が促進される値を超える時間が所定値を超えて続いた場合、一旦、単位セル電圧の低下を小さくした上で、単位セル電圧を低くする（段落［００３４］〜［００３６］）。また、要求負荷に対して燃料電池の電力が不足した場合には、燃料電池に並列に接続した二次電池（２５）から電力供給を行うことによって、不足する電力を補う（段落［００１４］）。

特開２００９―２３２６３１号公報 特開２００８−０７７８８４号公報

上記のような特許文献２の制御では、単位セル電圧を高く維持することが必要となる。一般に、燃料電池の電流−電圧（ＩＶ）特性は、特許文献１の図４に示されるように、電圧が下がるほど、電流が増加する。このため、特許文献２のように単位セル電圧を高く維持すると、燃料電池からの出力電流が低く抑えられることとなり、その結果、二次電池からの電力供給が増加することとなる。

また、二次電池からの電力供給を、特許文献１のようにＤＣ／ＤＣコンバータを介して行う場合、電圧変換に伴う電力損失が発生する。例えば、図１７に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧と出力電圧の差Ｄｉｎ−ｏｕｔ［Ｖ］が大きくなるほど、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失Ｌ［Ｗ］が大きくなる。

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、燃料電池スタックの劣化を抑制しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける電力損失を低減することが可能な燃料電池自動車を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池自動車は、走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給するものであって、前記車両電源システムは、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置とを備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、前記制御装置は、前記負荷の必要電力値を演算するシステム負荷演算部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための直結動作判定電力閾値と、前記システム負荷演算部で演算された前記負荷の必要電力値とを比較し、前記負荷の必要電力値が、前記直結動作判定電力閾値を超えているとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部とを有し、前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給されることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池スタックの劣化を防止しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失を抑制することが可能となる。

前記制御装置は、さらに、前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックの出力を切り替える燃料電池出力切替部とを備え、前記燃料電池出力切替部は、前記残容量が使用下限値を下回ったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記使用可能下限電圧値以上且つ前記スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された下側目標電圧値とし、前記残容量が使用上限値を上回ったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記スタック劣化促進領域の上限電圧値以上且つ第２スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された上側目標電圧値とし、前記使用下限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の下限値として設定され、前記使用上限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の上限値として設定され、前記第２スタック劣化促進領域は、前記スタック劣化促進領域よりも高電位側にあり、酸化反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であってもよい。

この発明に係る燃料電池自動車は、走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給するものであって、前記車両電源システムは、複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置とを備え、前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、前記制御装置は、前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、前記燃料電池スタックの発電電圧が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための電圧閾値である直結動作開始電圧以下であると共に、前記蓄電装置の残容量が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための残容量閾値である直結動作開始残容量以下であるとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部とを有し、前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給されることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池スタックの劣化を防止しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失を抑制することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池自動車の概略全体構成図である。 前記実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成を示す回路図である。 ＥＣＵにおける基本的な制御のフローチャートである。 システム負荷を計算するフローチャートである。 アクセルペダルの開度及びエンジンの回転数と、モータの予想消費電力との関係を規定するマップを示す図である。 燃料電池セルの電位と、燃料電池セルの劣化量との関係を示す図である。 燃料電池セルの電位の変動速度が異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。 燃料電池スタックの電流―電圧特性と、バッテリの電流―電圧特性を示す図である。 車両電源システムのエネルギマネジメントを行うフローチャートである。 ＦＣ周辺制御のフローチャートである。 燃料電池スタックの発電電圧と、燃料電池スタックの目標電流との関係を規定するマップを示す図である。 燃料電池スタックの目標電流と、エアポンプの目標回転数との関係を規定するマップを示す図である。 燃料電池スタックの目標電流と、背圧弁の目標開度との関係を規定するマップを示す図である。 モータのトルク制御のフローチャートである。 前記実施形態における各種制御を用いた場合のタイムチャートの第１例である。 前記実施形態における各種制御を用いた場合のタイムチャートの第２例である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧と出力電圧の差と、ＤＣ／ＤＣコンバータによる電力損失との関係の一例を示す図である。

１．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池自動車１０（以下「ＦＣ自動車１０」という。）の概略全体構成図である。ＦＣ自動車１０は、車両電源システム１２（以下「電源システム１２」ともいう。）と、走行用のモータ１４と、インバータ１６とを有する。

電源システム１２は、燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、バッテリ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。

［駆動系］
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転する。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０に出力する。回生電力Ｐｒｅｇは、図示しない補機に対して出力してもよい。

インバータ１６は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流をＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じてバッテリ２０等に供給する。

なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。但し、負荷３０には、後述するエアポンプ３６、ウォータポンプ６８等の構成要素を含めることもできる。

［ＦＣユニット１８］
ＦＣユニット１８の燃料電池スタック３２（以下「ＦＣスタック３２」という。）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燃料電池セル（以下「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有する。ＦＣスタック３２には、水素タンク３４とエアポンプ３６が経路３８、４０を通じて接続されており、水素タンク３４からは一方の反応ガスである水素（燃料ガス）が、エアポンプ３６からは他方の反応ガスである圧縮空気（酸化剤ガス）が供給される。水素タンク３４及びエアポンプ３６からＦＣスタック３２に供給された水素と空気がＦＣスタック３２内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）［Ｗ］がモータ１４とバッテリ２０に供給される。

ＦＣスタック３２の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４２により検出され、ＦＣスタック３２の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）［Ａ］は、電流センサ４４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。また、ＦＣスタック３２を構成する各ＦＣセルの発電電圧（以下「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４６により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。

水素タンク３４とＦＣスタック３２とを結ぶ経路３８には、ノーマルクローズタイプのレギュレータ５０が設けられている。このレギュレータ５０には、エアポンプ３６とＦＣスタック３２とを結ぶ経路４０から分岐した経路５２が連結されており、エアポンプ３６からの圧縮空気が供給される。レギュレータ５０は、供給された圧縮空気の圧力に応じて弁の開度を変化させ、ＦＣスタック３２に供給する水素の流量を調整する。

ＦＣスタック３２の出口側に設けられた水素用の経路５４及び空気用の経路５６には、出口側の水素及び空気の圧力を調整する背圧弁５８、６０が設けられている。また、水素用の入口側の経路３８と出口側の経路５４とを結ぶ経路６２が設けられている。ＦＣスタック３２から排出された水素は、この経路６２を介してＦＣスタック３２の入口側に戻される。出口側の経路５４、５６には、圧力センサ６４、６６が設けられ、その検出値（圧力値）は、それぞれＥＣＵ２４に出力される。

さらに、ＦＣスタック３２を冷却するためのウォータポンプ６８がＦＣスタック３２に隣接して設けられている。

ＦＣユニット１８の詳細な構成については、例えば、特開２００７−１４９４９６号公報又は特開２００２−３５２８２６号公報に記載のものを用いることができる。

［バッテリ２０］
バッテリ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ７０により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ７２により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。さらに、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］は、ＳＯＣセンサ７４により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。

［ＤＣ／ＤＣコンバータ２２］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。

図２には、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の詳細が示されている。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３０とＦＣスタック３２との接続点である２次側２Ｓに接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。

図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル８０とから構成される。

相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８２とダイオード８４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８６とダイオード８８）とで構成される。上アームスイッチング素子８２と下アームスイッチング素子８６には、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル８０は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。

なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ９２に並列に設けられた電圧センサ９０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ９４により１次側の電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側の平滑コンデンサ９８に並列に設けられた電圧センサ９６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１００により２次側の電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。

［ＥＣＵ２４］
ＥＣＵ２４は、通信線７８を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、電圧センサ４２、４６、７０、９０，９６、電流センサ４４、７２、９４，１００、圧力センサ６４、６６、ＳＯＣセンサ７４等の各種センサの検出値を用いる。

ここでの各種センサには、開度センサ１１０、回転数センサ１１２及び車速センサ１１４（図１）が含まれる。開度センサ１１０は、アクセルペダル１１６の開度θ［度］を検出する。回転数センサ１１２は、モータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を検出する。車速センサ１１４は、ＦＣ自動車１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１１８（以下「メインＳＷ１１８」という。）。メインＳＷ１１８は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、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する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック３２の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ自動車１０全体として電源システム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック３２が負担すべき負荷と、バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２に指令を送出する。

２．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。

図３には、ＥＣＵ２４における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１１８がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１１８がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１１８がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、電源システム１２に要求される負荷（システム負荷Ｌｓ）［Ｗ］を計算する。

図４には、システム負荷Ｌｓを計算するフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１１０からアクセルペダル１１６の開度θを読み込む。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１１２からモータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を読み込む。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、開度θと回転数Ｎｍに基づいてモータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を算出する。具体的には、図５に示すマップにおいて、開度θ毎に回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍの関係を記憶しておく。例えば、開度θがθ１であるとき、特性１２０を用いる。同様に、開度θがθ２、θ３、θ４、θ５、θ６であるとき、それぞれ特性１２２、１２４、１２６、１２８、１３０を用いる。そして、開度θに基づいて回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍとの関係を示す特性を特定した上で、回転数Ｎｍに応じた予想消費電力Ｐｍを特定する。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機には、例えば、エアポンプ３６、ウォータポンプ６８及びエアコンディショナ（図示せず）が含まれる。エアポンプ３６及びウォータポンプ６８であれば、例えば、ポンプ回転数［ｒｐｍ］を読み込む。エアコンディショナであれば、その出力設定を読み込む。

ステップＳ１５において、ＥＣＵ２４は、各補機の現在の動作状況に応じて補機の消費電力Ｐａ［Ｗ］を算出する。ステップＳ１６において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の予想消費電力Ｐｍと補機の消費電力Ｐａを加算してＦＣ自動車１０全体での予想消費電力（すなわち、システム負荷Ｌｓ）を算出する。

図３に戻り、ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、電源システム１２のエネルギマネジメントを行う。

まず、本実施形態における電源システム１２のエネルギマネジメントの概要について説明しておく。同エネルギマネジメントでは、ＦＣスタック３２の劣化を抑制しつつ、ＦＣスタック３２から効率的に電力を引き出すことを企図している。

図６は、ＦＣスタック３２を構成するＦＣセルの電位（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］とセルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図６中の曲線１４０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図６において、電位Ｖ１（例えば、０．５Ｖ）を下回る領域（白金凝集増加領域Ｒ１）では、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電位Ｖ１から電位Ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（白金還元領域Ｒ２）である。

電位Ｖ２から電位Ｖ３（例えば、０．９Ｖ）までは、白金について酸化還元反応が進行する領域（白金酸化還元進行領域Ｒ３）である。電位Ｖ３から電位Ｖ４（例えば、０．９５Ｖ）までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域（白金酸化安定領域Ｒ４）である。電位Ｖ４からＯＣＶ（開放電圧）までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（カーボン酸化領域Ｒ５）である。

上記のように、図６では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が小さい。一方、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、又はカーボン酸化領域Ｒ５にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。

なお、図６では、曲線１４０を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線１４０は変化する。

図７には、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図７において、曲線１５０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１５２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図７からわかるように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電位Ｖ１〜Ｖ４は一義的に特定されない。また、ＦＣセルの個体差によっても各電位Ｖ１〜Ｖ４は変化し得る。このため、電位Ｖ１〜Ｖ４は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。

また、ＦＣセルの電流−電圧（ＩＶ）特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図８も参照）。加えて、ＦＣスタック３２の発電電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、セル電圧ＶｃｅｌｌにＦＣスタック３２内の直列接続数Ｎｆｃ（ＦＣスタック３２内で直列に接続されるＦＣセルの数）を乗算したものである。

以上を踏まえ、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、電圧変換動作を行っている際、ＦＣスタック３２の目標電圧（ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ）［Ｖ］を、白金還元領域Ｒ２におけるもの（下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌ）と、白金酸化安定領域Ｒ４におけるもの（上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈ）とを適宜切り替えて行う（具体例は、図１５及び図１６を用いて説明する。）。このようなＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒの切替えを行うことにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５（特に、白金酸化還元進行領域Ｒ３）内にある時間を極力短縮し、ＦＣスタック３２の劣化を防止することができる。

なお、上記の処理では、ＦＣスタック３２の供給電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）と、システム負荷Ｌｓが等しくならない場合が存在する。この点、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｌｓを下回っている場合、その不足分は、バッテリ２０から供給する。また、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｌｓを上回っている場合、その余剰分は、バッテリ２０に充電する（具体的な処理については後述する。）。

なお、図６では、電位Ｖ１〜Ｖ４を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線１４０からもわかるように、劣化量Ｄは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位Ｖ１〜Ｖ４は、適宜設定することができる。

但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１４０の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。白金酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線１４０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１４０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結動作を行っている際、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒによる制御は行わない。直結時のＦＣ電圧Ｖｆｃは、バッテリ電圧Ｖｂａｔと略等しくなる。本実施形態では、直結時にＦＣスタック３２の劣化を抑制しつつ、ＦＣ電力Ｐｆｃを高くするため、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、白金還元領域Ｒ２に収まるように設定する。例えば、図８に示すように、ＦＣスタック３２の電流−電圧（ＩＶ）特性１６０と、バッテリ２０の電流―電圧（ＩＶ）特性１６２とを設定する。

すなわち、図８中の電圧値Ｖ１×Ｎｆｃは、図６の電位Ｖ１にＦＣセルの直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。電圧値Ｖ２×Ｎｆｃは、図６の電位Ｖ２にＦＣセルの直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。図８に示すように、ＦＣスタック３２のＩＶ特性１６０と、バッテリ２０のＩＶ特性１６２が交差するのは、Ｖ１×Ｎｆｃより高く、Ｖ２×Ｎｆｃより低い値である。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせた際、ＦＣスタック３２を構成する各ＦＣセルのセル電圧Ｖｃｅｌｌは、白金還元領域Ｒ２内にあることとなる。

換言すると、本実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、Ｖ１×Ｎｆｃより大きくＶ２×Ｎｆｃより小さい値になるように、バッテリ２０を構成するバッテリセルの直列接続数Ｎｂａｔと、ＦＣスタック３２を構成するＦＣセルの直列接続数Ｎｆｃを調整している。例えば、バッテリ２０を構成するバッテリセルの電圧をセル電圧Ｖｂａｔ＿ｃｅｌｌ［Ｖ］とするとき、ＦＣスタック３２のＩＶ特性１６０とバッテリ２０のＩＶ特性１６２が交差する電圧（すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結動作をする時の電圧）では、次の式（１）の関係が成立する。

Ｖ１×Ｎｆｃ＜Ｖｂａｔ＿ｃｅｌｌ×Ｎｂａｔ＜Ｖ２×Ｎｆｃ （１）
図９には、ＥＣＵ２４が、電源システム１２のエネルギマネジメント（図３のＳ３）を行うフローチャートが示されている。ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２で計算したシステム負荷Ｌｓが、直結動作下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ（以下「下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ」ともいう。）［Ｗ］以上であるかどうかを判定する。下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせたときにＦＣスタック３２及びバッテリ２０から供給可能な電力の下限値（例えば、１０〜４０ｋＷ）である。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせた状態でＦＣスタック３２及びバッテリ２０からモータ１４に電力を供給するとき、２次電圧Ｖ２は、バッテリ電圧Ｖｂａｔと等しくなるため、ＦＣスタック３２の発電電流（ＦＣ電流Ｉｆｃ）は大きくなる。そこで、モータ１４の出力が高くなったときのみ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結動作が可能となる。

システム負荷Ｌｓが、下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ［Ｗ］以上である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の駆動デューティＤＵＴを１００％とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせる。その結果、ＦＣ電圧Ｖｆｃとバッテリ電圧Ｖｂａｔが等しくなり、ＦＣスタック３２及びバッテリ２０からの出力が最大値を取り得ることとなる。

システム負荷Ｌｓが、下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ［Ｗ］以上でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、電圧センサ４２からＦＣ電圧Ｖｆｃを読み込むと共に、ＳＯＣセンサ７４からバッテリ２０のＳＯＣを読み込む。

ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒ［Ｖ］以下であり、且つＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒ［％］以下であるかどうかを判定する。直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒ及び直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒは、いずれも高負荷状態を判定するための閾値である。

すなわち、直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒは、ＦＣスタック３２の劣化促進領域の下限電圧値（すなわち、セル劣化促進領域Ｒ３の下限電圧値Ｖ２にＦＣセルの直列接続数Ｎｆｃを乗算したもの）よりも低く、且つＦＣスタック３２の使用可能下限電圧値（すなわち、ＦＣセルを使用可能な下限電圧値Ｖ１にＦＣセルの直列接続数Ｎｎｃを乗算したもの）よりも高くなるように設定される。特に、本実施形態では、直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒは、後述する下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌよりも低く設定される（図１５及び図１６参照）。

また、直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒは、本実施形態では、使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗ［％］より所定値だけ低い値に設定される（図１５及び図１６参照）。使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗは、ＦＣ自動車１０の走行中におけるＳＯＣの下限値として設定するものであり、例えば、その時点でメインＳＷ１１８をオフにした場合でも、次回の起動時に必要となる電力を確保できる値（例えば、３５〜５０％）に設定する。また、前記所定値は、例えば、０〜５％の範囲から選択された値とすることができる。或いは、直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒは、使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗと同じ値又はそれよりも高い値であってもよい。

ＦＣ電圧Ｖｆｃが直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒ以下であり、且つＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒ以下である場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の駆動デューティＤＵＴを１００％とし、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせる。その結果、ＦＣ電力Ｐｆｃは、例えば、負荷３０及びバッテリ２０の両方に供給され、バッテリ２０が充電される。

ＦＣ電圧Ｖｆｃが直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒを超え、又はＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒを超える場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、ＳＯＣが前記使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗ［％］以上であるかどうかを判定する。ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗ以上でない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、フラグＦＬＧが１であるかどうかを判定する。

フラグＦＬＧは、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとして、下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌ又は上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈのいずれを用いるかを示すものである。すなわち、フラグＦＬＧが０のとき、上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈを用い、フラグＦＬＧが１のとき、下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを用いる。上述の通り、ＦＣ電力Ｐｆｃを大きくするとき、下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを用い、ＦＣ電力Ｐｆｃを小さくするとき、上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈを用いる。

また、フラグＦＬＧは、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗに到達したときに「１」とされ、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈに到達したときに「０」とされるものである。使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈは、ＦＣ自動車１０の走行中におけるＳＯＣの上限値として設定するものであり、例えば、バッテリ２０の劣化の進行度合が低い値（例えば、５０〜６５％）に設定する。

上記のような処理を行うことで、バッテリ２０のＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗに到達したときは、ＦＣ電力Ｐｆｃを大きくし、バッテリ２０を充電する。一方、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈに到達したときは、ＦＣ電力Ｐｆｃを小さくし、バッテリ２０からの放電を可能とする。

ステップＳ２６においてフラグＦＬＧが１である場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、フラグＦＬＧを変更せずにステップＳ３１に進む。すなわち、フラグＦＬＧは１のまま維持される。フラグＦＬＧが１でない場合（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２７において、ＥＣＵ２４は、フラグＦＬＧを０から１に変更する。すなわち、この場合、それまで上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈを用いており、これに伴って、バッテリ２０が放電をしてきたが、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗに到達したため、今度は、下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを用いてバッテリ２０に充電することとなる。

ステップＳ２５に戻り、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗ以上である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、ステップＳ２８において、ＥＣＵ２４は、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈ以下であるかどうかを判定する。ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈ以下である場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、フラグＦＬＧを変更せずにステップＳ３１に進む。ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈ以下でない場合（Ｓ２８：ＮＯ）、ステップＳ２９に進む。

ステップＳ２９において、ＥＣＵ２４は、フラグＦＬＧが１であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧが１でない場合、すなわち、フラグＦＬＧが０である場合（Ｓ２９：ＮＯ）、フラグＦＬＧを変更せずにステップＳ３１に進む。フラグＦＬＧが１である場合（Ｓ２９：ＹＥＳ）、ステップＳ３０において、ＥＣＵ２４は、フラグＦＬＧを１から０に変更する。すなわち、この場合、それまで下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを用いており、これに伴って、バッテリ２０を充電してきたが、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈに到達したため、今度は、上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを用いてバッテリ２０を放電させることとなる。

ステップＳ３１において、ＥＣＵ２４は、フラグＦＬＧが１であるかどうかを判定する。フラグＦＬＧが１でない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、ステップＳ３２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとして上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈを設定する。そして、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のデューティ比ＤＵＴを制御する。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを小さくし、バッテリ２０からの放電を可能とする。

フラグＦＬＧが１である場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃとして下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌを設定する。そして、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のデューティ比ＤＵＴを制御する。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを大きくし、バッテリ２０を充電する。

図３に戻り、ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック３２の周辺機器、すなわち、エアポンプ３６と背圧弁５８、６０の制御（ＦＣ周辺制御）を行う。

図１０には、ＦＣ周辺制御のフローチャートが示されている。ステップＳ４１において、ＥＣＵ２４は、電圧センサ４２からＦＣ電圧Ｖｆｃを読み込む。ステップＳ４２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃに基づいてＦＣスタック３２の目標電流（ＦＣ目標電流Ｉｆｃ＿ｔａｒ）［Ａ］を設定する。具体的には、図１１に示すマップを事前にＥＣＵ２４の記憶手段（図示せず）に記憶しておく。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃに対応するＦＣ目標電流Ｉｆｃ＿ｔａｒを当該マップから読み出す。

ステップＳ４３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ目標電流Ｉｆｃに基づいてエアポンプ３６の回転数Ｎａｐの目標値（目標回転数Ｎａｐ＿ｔａｒ）［ｒｐｍ］を設定する。具体的には、図１２に示すマップを事前にＥＣＵ２４の記憶手段に記憶しておく。そして、ＦＣ目標電流Ｉｆｃ＿ｔａｒに対応する目標回転数Ｎａｐ＿ｔａｒを当該マップから読み出す。

ステップＳ４４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ目標電流Ｉｆｃに基づいて背圧弁５８、６０の開度θｖの目標値（目標開度θｖ＿ｔａｒ）［度］を設定する。具体的には、図１３に示すマップを事前にＥＣＵ２４の記憶手段に記憶しておく。そして、ＦＣ目標電流Ｉｆｃ＿ｔａｒに対応する目標開度θｖ＿ｔａｒを当該マップから読み出す。

ステップＳ４５において、ＥＣＵ２４は、エアポンプ３６の回転数Ｎａｐについて経路５６における流量ＦＲに基づくフィードバック制御を行う。具体的には、ＥＣＵ２４は、圧力センサ６６からの圧力Ｐ２（流量ＦＲに対応する）に基づいて回転数Ｎａｐと目標回転数Ｎａｐ＿ｔａｒとの差を判定する。すなわち、圧力Ｐ２と回転数Ｎａｐとの関係を予めマップとして記憶しておき、当該マップと圧力Ｐ２に基づいて回転数Ｎａｐを算出する。そして、算出した回転数Ｎａｐと目標回転数Ｎａｐ＿ｔａｒとの差を算出して当該差をフィードバック項に反映する。

ステップＳ４６において、ＥＣＵ２４は、背圧弁５８、６０の開度θｖについて圧力センサ６４、６６からの圧力Ｐ１、Ｐ２に基づくフィードバック制御を行う。具体的には、ＥＣＵ２４は、圧力センサ６４、６６からの圧力Ｐ１、Ｐ２に基づいて開度θｖと目標開度θｖ＿ｔａｒとの差を判定する。すなわち、圧力Ｐ１、Ｐ２と開度θｖとの関係を予めマップとして記憶しておき、当該マップと圧力Ｐ１、Ｐ２に基づいて開度θｖを算出する。そして、算出した開度θｖと目標回転数Ｎａｐ＿ｔａｒとの差を算出して当該差をフィードバック項に反映する。

図３に戻り、ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制御を行う。

図１４には、モータ１４のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップＳ５１において、ＥＣＵ２４は、車速センサ１１４から車速Ｖを読み込む。ステップＳ５２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１１０からアクセルペダル１１６の開度θを読み込む。

ステップＳ５３において、ＥＣＵ２４は、車速Ｖと開度θに基づいてモータ１４の仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、図示しない記憶手段に車速Ｖと開度θと仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐを関連付けたマップを記憶しておき、当該マップと、車速Ｖ及び開度θとに基づいて仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐを算出する。

ステップＳ５４において、ＥＣＵ２４は、電源システム１２からモータ１４に供給可能な電力の限界値（限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ）［Ｗ］に等しいモータ１４の限界出力（モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍ）［Ｗ］を算出する。具体的には、限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ及びモータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍは、ＦＣスタック３２からのＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ２０から供給可能な電力の限界値（限界出力Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ）［Ｗ］との和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｍ＿ｌｉｍ＝Ｐｓ＿ｌｉｍ←Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ−Ｐａ）。

ステップＳ５５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制限値Ｔｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍを車速Ｖで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖ）。

ステップＳ５６において、ＥＣＵ２４は、目標トルクＴｔａｒ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、ＥＣＵ２４は、仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐに対してトルク制限値Ｔｌｉｍによる制限を加えたものを目標トルクＴｔａｒとする。例えば、仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍ以下である場合（Ｔｔａｒ＿ｐ≦Ｔｌｉｍ）、仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐをそのまま目標トルクＴｔａｒとする（Ｔｔａｒ←Ｔｔａｒ＿ｐ）。一方、仮目標トルクＴｔａｒ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍを超える場合（Ｔｔａｒ＿ｐ＞Ｔｌｉｍ）、トルク制限値Ｔｌｉｍを目標トルクＴｔａｒとする（Ｔｔａｒ←Ｔｌｉｍ）。

そして、算出した目標トルクＴｔａｒを用いてモータ１４を制御する。

図３に戻り、ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１１８がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１１８がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１１８がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。

３．各種制御の例
図１５には、本実施形態における各種制御を用いた場合のタイムチャートの第１例が示されている。図１５において、波形２００は、システム負荷Ｌｓを示し、波形２０２は、バッテリ２０のＳＯＣを示し、波形２０４は、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを示し、波形２０６は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを示し、波形２０８は、バッテリ電圧Ｖｂａｔを示し、曲線２１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２における損失Ｌｃ［Ｗ］を示す。

時点ｔ１において、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗを下回ると、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒが、上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈから下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに切り替わる。これに対応して、ＦＣ電圧Ｖｆｃも上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈに対応する値から下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに対応する値に変化する。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが高くなり、バッテリ２０への充電が開始される。

時点ｔ２において、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈに到達すると、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒが、下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌから上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈに切り替わる。これに対応して、ＦＣ電圧Ｖｆｃも下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに対応する値から上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈに対応する値に変化する。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが低くなり、バッテリ２０は放電を開始する。

時点ｔ３において、システム負荷Ｌｓが直結動作下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ以上になると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結動作を開始する。これに伴って、ＦＣスタック３２及びバッテリ２０からの出力が増大し、バッテリ電圧Ｖｂａｔの低下にＦＣ電圧Ｖｆｃが追従することで高負荷に対応する。なお、直結動作の間、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒは設定されない。

時点ｔ４において、システム負荷Ｌｓが下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ未満になると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結動作から電圧変換動作に切り替わる。これに伴って、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを用いた制御が再開される。

図１６には、本実施形態における各種制御を用いた場合のタイムチャートの第２例が示されている。図１６において、波形３００は、システム負荷Ｌｓを示し、波形３０２は、バッテリ２０のＳＯＣを示し、波形３０４は、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを示し、波形３０６は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを示し、波形３０８は、バッテリ電圧Ｖｂａｔを示し、曲線３１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２における損失Ｌｃ［Ｗ］を示す。

時点ｔ１１において、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗを下回ると、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒが、上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈから下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに切り替わる。これに対応して、ＦＣ電圧Ｖｆｃも上側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈに対応する値から下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに対応する値に変化する。但し、第２例では、直結動作下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗが比較的高く設定されており、また、システム負荷Ｌｓが比較的高いまま維持されているため、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒが下側目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌに切り替えられても、ＳＯＣ及びバッテリ電圧Ｖｂａｔは上がって行かない。

時点ｔ１２において、ＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗに到達するが、ＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒに到達しないため、ＤＣ/ＤＣコンバータ２２の直結動作には至らない。

時点ｔ１３において、ＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒに到達すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結動作を開始する。これに伴って、ＦＣスタック３２からの出力が増大し、バッテリ電圧Ｖｂａｔの低下にＦＣ電圧Ｖｆｃが追従することで高負荷に対応する。また、ＦＣ電力Ｐｆｃは、バッテリ２０にも充電される。なお、直結動作の間、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒは設定されない。

時点ｔ１４において、ＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒ未満になると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結動作から電圧変換動作に切り替わる。これに伴って、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを用いた制御が再開される。

４．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣスタック３２の劣化を防止しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２による変換損失を抑制することが可能となる。

すなわち、負荷３０に電力を供給する際にＤＣ／ＤＣコンバータ２２に直結動作をさせると、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、バッテリ電圧Ｖｂａｔに等しくなる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結動作をする際のバッテリ電圧Ｖｂａｔは、酸化還元劣化進行領域Ｒ３の下限値である電位Ｖ２にＦＣセルの直列接続数Ｎｆｃを乗算した値（Ｖ２×Ｎｆｃ）よりも低く、ＦＣスタック３２の使用可能下限電圧（すなわち、電位Ｖ１に直列接続数Ｎｆｃを乗算した値）よりも高くなるように設定される（図８）。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結時のＦＣ電圧Ｖｆｃも、Ｖ２×Ｎｆｃよりも低く、Ｖ１×Ｎｆｃよりも高くなる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結動作時において、ＦＣスタック３２の劣化を防止することができる。加えて、システム負荷Ｌｓが直結動作下限電力値Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗを超えたときに直結動作を行うため、直結動作を有効活用し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２による電力損失Ｌｃを抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、バッテリ２０のＳＯＣが使用下限値ＳＯＣ＿ｌｏｗを下回ったとき、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、Ｖ１×Ｎｆｃ以上且つＶ２×Ｎｆｃ以下にされ、ＳＯＣが使用上限値ＳＯＣ＿ｈｉｇｈを上回ったとき、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、Ｖ３×Ｎｆｃ以上且つＶ４×Ｎｆｃ以下にされる。従って、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、白金酸化還元進行領域Ｒ３又はカーボン酸化領域Ｒ５内に留まることを防止することが可能となる。従って、ＦＣスタック３２及びバッテリ２０の電力を有効活用しつつ、ＦＣスタック３２の劣化を防止することが可能となる。

本実施形態によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃが直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒ以下であり、且つＳＯＣが直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒ以下であるとき、ＤＣ/ＤＣコンバータ２２は直結動作を行う。従って、ＦＣスタック３２の劣化を防止しつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２による電力損失を抑制することが可能となる。

すなわち、直結動作を行う際、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、Ｖ２×Ｎｆｃよりも低く、Ｖ１×Ｎｆｃよりも高くなる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結動作時において、ＦＣスタック３２の劣化を防止することができる。加えて、直結動作開始電圧Ｖｆｃ＿ｄｉｒと直結動作開始残容量ＳＯＣ＿ｄｉｒを用いて高負荷状態を判定し、高負荷状態であると判定したとき、直結動作を利用する。従って、直結動作を利用することにより、高負荷状態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２による電力損失を抑制することが可能となる。

５．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、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。

上記実施形態では、電源システム１２をＦＣ自動車１０に搭載したが、これに限らず、別の対象に搭載してもよい。例えば、電源システム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、電源システム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。

上記実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２における上アームスイッチング素子８２及び下アームスイッチング素子８６の数をそれぞれ１つとしたが、これに限らず、２つ以上としてもよい。

１０…燃料電池自動車 １２…車両電源システム
１４…モータ ２０…バッテリ
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４…ＥＣＵ（ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置）
３０…負荷 ３２…ＦＣスタック
７４…ＳＯＣセンサ（残容量演算部） Ｌｓ…システム負荷（負荷の必要電力値） Ｎｆｃ…ＦＣセルの直列接続数 Ｎｂａｔ…バッテリセルの直列接続数 Ｐｄｉｒ＿ｌｏｗ…直結動作下限電力値
Ｒ３…白金酸化還元進行領域（セル劣化促進領域）
Ｒ５…カーボン酸化領域 ＳＯＣ…バッテリの残容量
ＳＯＣ＿ｄｉｒ…直結動作開始残容量
Ｖｂａｔ…バッテリ電圧（蓄電装置の総電圧値）
Ｖｆｃ…ＦＣ電圧（ＦＣスタックの総電圧値）Ｖｆｃ＿ｄｉｒ…直結動作開始電圧
Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｈ…上側ＦＣ目標電圧 Ｖｆｃ＿ｔａｒ＿ｌ…下側ＦＣ目標電圧
Ｖ１…電位（ＦＣセルを使用可能な下限電圧値）
Ｖ２…電位（セル劣化促進領域の下限電圧値）

Claims (3)

1. 走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給する燃料電池自動車であって、
   前記車両電源システムは、
   複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
   前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、
   前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置と
   を備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、
   前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、
   前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
   前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
   前記制御装置は、
   前記負荷の必要電力値を演算するシステム負荷演算部と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための直結動作判定電力閾値と、前記システム負荷演算部で演算された前記負荷の必要電力値とを比較し、前記負荷の必要電力値が、前記直結動作判定電力閾値を超えているとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部と
   を有し、
   前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、
   前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給される
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
2. 請求項１記載の燃料電池自動車において、
   前記制御装置は、さらに、
   前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池スタックの出力を切り替える燃料電池出力切替部と
   を備え、
   前記燃料電池出力切替部は、
   前記残容量が使用下限値を下回ったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記使用可能下限電圧値以上且つ前記スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された下側目標電圧値とし、
   前記残容量が使用上限値を上回ったとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して前記燃料電池スタックの総電圧値を、前記スタック劣化促進領域の上限電圧値以上且つ第２スタック劣化促進領域の下限電圧値以下に設定された上側目標電圧値とし、
   前記使用下限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の下限値として設定され、
   前記使用上限値は、前記燃料電池の走行中に用いる前記残容量の上限値として設定され、
   前記第２スタック劣化促進領域は、前記スタック劣化促進領域よりも高電位側にあり、酸化反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域である
   ことを特徴とする燃料電池自動車。
3. 走行モータを含む負荷に対して車両電源システムから電力を供給する燃料電池自動車であって、
   前記車両電源システムは、
   複数の燃料電池セルを有する燃料電池スタックと、
   前記走行モータに対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、複数の蓄電装置セルを有する蓄電装置と、
   前記走行モータ及び前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との間に配置されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置と
   を備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧変換を伴って前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する電圧変換動作と、電圧変換を伴わずに前記燃料電池スタックと前記蓄電装置とを接続する直結動作とを行い、
   前記蓄電装置の総電圧値が、酸化還元反応に起因して前記燃料電池スタックの劣化が促進される電圧領域であるスタック劣化促進領域の下限電圧値よりも低く且つ前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値よりも高くなるように、前記燃料電池セルの直列接続数と前記蓄電装置セルの直列接続数が設定され、
   前記スタック劣化促進領域の下限電圧値は、酸化還元反応に起因して前記燃料電池セルの劣化が促進される電圧領域であるセル劣化促進領域の下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
   前記燃料電池スタックの使用可能下限電圧値は、前記燃料電池セルを使用可能な下限電圧値に、前記燃料電池セルの直列接続数を乗じた電圧値として表され、
   前記制御装置は、
   前記蓄電装置の残容量を演算する残容量演算部と、
   前記燃料電池スタックの発電電圧が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための電圧閾値である直結動作開始電圧以下であると共に、前記蓄電装置の残容量が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせるか否かを判定するための残容量閾値である直結動作開始残容量以下であるとき、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに前記直結動作をさせる直結処理部と
   を有し、
   前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を下回る場合、前記燃料電池及び前記蓄電装置から前記負荷側に電力が供給され、
   前記燃料電池スタックの出力電力が、前記負荷の必要電力値を上回る場合、前記燃料電池から前記負荷側及び前記蓄電装置側に電力が供給される
   ことを特徴とする燃料電池自動車。

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