JP5986977B2 - 電源システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池から直接あるいは昇圧器を介して主機及び蓄電装置に電力を供給すると共に、前記蓄電装置から電圧変換装置を介して前記主機に電力を供給する電源システムに関する。

特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータが直列に接続されたバッテリと、燃料電池と、を並列接続して主機であるモータに電力を供給すると共に、前記燃料電池の余剰電力及び前記モータの回生電力を前記バッテリに充電するように構成した電源システム（特許文献１の図１参照）が開示されている。

この電源システムでは、前記バッテリと前記ＤＣ／ＤＣコンバータとの接続ラインに、前記燃料電池に燃料ガスを供給するポンプ等の燃料電池補機が電源入力ラインを介して接続されている。

このため、特許文献１に係る技術では、前記燃料電池補機に前記バッテリから直接電力を供給することができ、この電力はＤＣ／ＤＣコンバータを経由せずに供給されるため、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障した場合でも、電力の供給に支障はない。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータの故障時でも、燃料電池補機の駆動、ひいては燃料電池の運転、さらには燃料電池車両の走行を保証することができる。

特開２００２−１１８９８１号公報（図１、［０００６］）

しかしながら、特許文献１に係る技術では、ＤＣ／ＤＣコンバータの故障時には、前記燃料電池から前記バッテリに充電用の電力を供給することができなくなるため、前記燃料電池補機で前記バッテリの電力を多く消費してしまい、ひいてはバッテリの過放電を引き起こしてしまう可能性がある。

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、バッテリ等の蓄電装置の放電過多を抑制することを可能とする電源システムを提供することを目的とする。

この発明に係る電源システムは、燃料電池から直接、主機に電力を供給すると共に、前記燃料電池と並列的に蓄電装置から電圧変換装置を介して前記主機に電力を供給する電源システム、又は、前記燃料電池から昇圧器を介して前記主機に電力を供給すると共に、前記燃料電池及び前記昇圧器に対して並列的に前記蓄電装置から電圧変換装置を介して前記主機に電力を供給する電源システムにおいて、前記燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池補機の電源入力ラインが、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との接続ライン上に接続され、前記燃料電池補機の消費可能電力上限値は、前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より高い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値との和の電力値に設定され、前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より低い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との合成値に設定されることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池補機の電源入力ラインが、蓄電装置と電圧変換装置との接続ライン上に接続されている場合、前記燃料電池補機の消費可能電力上限値は、前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より高い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値との和の電力値に設定され、前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より低い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との和の電力値に設定される。

ここで、電圧変換装置の通過可能電力は、当該電圧変換装置を構成するスイッチング素子の定格電力及び素子温度により制限される。仮に、電圧変換装置の通過可能電力に制限が加えられていない場合には、燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池補機の消費電力が大きかったとしても、燃料電池補機は、燃料電池からの発電電力と蓄電装置からの放電電力により、運転を殆ど制限されることがないので、結果として、燃料電池へのガス供給が不足することなく良好に発電を行うことができる。

しかし、電圧変換装置の通過可能電力に制限が加えられた場合、その分、燃料電池から燃料電池補機に所望の電力を供給することができなくなるため、蓄電装置から限界を超えて燃料電池補機に電力が供給されてしまい、前記蓄電装置が放電過多となる。このような場合であっても、この発明によれば、前記燃料電池補機への電力が、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との和の電力値に設定（制限）されるので、前記蓄電装置の放電電力による前記燃料電池補機での過度の電力消費を抑制でき、前記蓄電装置が放電過多となってしまうことを抑制できる。

前記主機が、車両駆動用のモータ・ジェネレータである場合、前記燃料電池から前記モータ・ジェネレータを直接駆動しているときには、前記燃料電池の発電可能電力上限値を全てモータ・ジェネレータに供給できるし、前記燃料電池から昇圧器を介してモータ・ジェネレータを駆動している場合には、昇圧器は、当然に、前記燃料電池の発電可能電力上限値を通過できるように設定（設計）されるので、この場合にも、前記燃料電池の発電可能電力上限値を全て前記昇圧器を介して前記モータ・ジェネレータに供給できる。換言すれば、前記燃料電池により前記モータ・ジェネレータを駆動する際には、前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値を考慮する必要がない。

さらに、車室を空調する空調補機を備える場合、前記空調補機の電源入力ラインが、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との前記接続ライン上に接続されるとき、前記空調補機の消費可能電力上限値は、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値との和の電力値、及び前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との和の電力値のうち小さい方の電力値から前記燃料電池補機の実消費電力値を差し引いた電力値に設定することで、前記燃料電池補機に対する電力の供給が前記空調補機に対する電力の供給よりも優先される。

このため、例えば、前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値が比較的に低い値であって、前記空調補機に対する電力の供給が制限されているが、前記燃料電池補機に対しては電力の供給が制限されていない場合に、ユーザ等により前記空調補機がオン状態からオフ状態へ及びオフ状態からオン状態に切り替えられたとしても、このオン・オフを原因として前記燃料電池補機の電力消費が上下することを防止することができるので、電源システム及び燃料電池自動車等の電源システム適用機器の商品性が向上する。

また、前記燃料電池補機に対する電力の供給が優先されているので、前記燃料電池補機の電力消費が優先され、仮に、前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値が比較的に低い値であるときでも、可能な限り前記燃料電池の発電が良好になされ、その発電電力を前記モータ・ジェネレータで消費することができる。よって、車両の駆動力に対する制限を極力小さくすることができる。

さらに、前記蓄電装置の残容量が管理下限値を下回る場合には、前記空調補機の消費可能電力上限値が、ゼロ値に設定されるので、前記蓄電装置の残容量が僅かでも残っていれば、前記燃料電池補機をその分作動させることができ、前記燃料電池の発電を継続することができる。

この発明によれば、燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池補機への電力が、蓄電装置の放電可能電力上限値と、前記燃料電池の発電可能電力上限値又は電圧変換装置の通過可能電力上限値と、の和の電力値に設定されるので、燃料電池補機での前記蓄電装置の放電電力による過度の電力消費を抑制でき、前記蓄電装置が放電過多となってしまうことを抑制できるという効果が達成される。

この発明の実施形態に係る電源システムとしての燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概略全体構成図である。 燃料電池の発電電力及び蓄電装置の放電電力の各種補機に対する電力分配（電力管理）の一制御例を示すＥＣＵの機能ブロック図である。 蓄電装置の残容量と放電可能電力上限値との関係例を示す特性図である。 燃料電池補機と空調補機に対する消費可能電力上限値の決定等に係わるフローチャートである。 空調補機に対する消費可能電力上限値の決定に係わるフローチャートである。 燃料電池補機と空調補機と低圧補機の電力分配の推移例を示す棒グラフである。

以下、この発明に係る電源システムについて、この実施形態に係る電源システムが適用された燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施形態に係る電源システムとしての燃料電池システム１２（以下、「ＦＣシステム１２」という。）が適用された燃料電池自動車１０（以下、「ＦＣ自動車１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。

ＦＣ自動車１０は、ＦＣシステム１２と、主機としての車両走行駆動モータであるモータ・ジェネレータ１４と、負荷駆動回路１６（以下、ＩＮＶ１６という。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と、を有する。

ＦＣシステム１２は、燃料電池１８（以下、「ＦＣ１８」という。）と、高電圧バッテリ２０（以下「ＢＡＴ２０」という。）（蓄電装置）と、逆方向電流阻止用のダイオード２５と、昇圧器としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ２１（以下、ＳＵＣ２１という。ＳＵＣ：Ｓｔｅｐ Ｕｐ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、チョッパ方式の電圧変換装置としての昇降圧コンバータ２２（以下、ＳＵＤＣ２２という。ＳＵＤＣ：Ｓｔｅｐ Ｕｐ／Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、高電圧入力の燃料電池補機（以下、ＦＣ補機という。）３１と、車室内空調用の高電圧入力の空調装置である空調補機３２と、降圧器としてのチョッパ方式の降圧コンバータ２３（以下、ＳＤＣ２３という。ＳＤＣ：Ｓｔｅｐ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と、電子制御装置２４（以下、ＥＣＵ２４という。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を有する。逆方向電流阻止用のダイオード２５は、通常、ＳＵＣ２１内のダイオードにより代替可能である。

ＦＣ１８の出力端がダイオード２５を通じてＳＵＣ２１の入力端（１次側）に接続され、ＳＵＣ２１の出力端（２次側）がＩＮＶ１６の直流端とＳＵＤＣ２２の一端側に接続される。

ＳＵＤＣ２２の他端側は、接続ライン（接続線路、電源ライン）１００を通じてＢＡＴ２０に接続される。この接続ライン１００に電源入力ライン（接続ライン）１０２を通じてＦＣ補機３１が接続されると共に、前記接続ライン１００に電源入力ライン（接続ライン）１０３を通じて空調補機３２が接続される。

また、接続ライン１００に電源入力ライン（接続ライン）１０４を通じてＳＤＣ２３の入力端（１次側）が接続される。

ＳＤＣ２３の２次側には、電圧Ｖｂｂ＝＋１２Ｖ等の低圧バッテリ２８と、ＥＣＵ２４及び図示しない低圧補機が接続される。この実施形態では、ＳＤＣ２３を含めて低圧補機（低圧負荷ともいう。）３３という。

したがって、接続ライン１００に、接続ライン１０２を介して前記ＦＣ補機３１が接続され、また接続ライン１０３を介して前記空調補機３２が接続される他、電源入力ライン（接続ライン）１０４を介して低圧補機３３が接続される。

モータ・ジェネレータ１４は、ＦＣ１８から供給されるＦＣ発電電力値ＰｆｃとＢＡＴ２０から供給されるＢＡＴ電力値Ｐｂａｔの合成電力値（Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ）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（不図示）を通じてあるいは直接的に車輪（不図示）を回転させる。

ＩＮＶ１６は、例えば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、ＦＣ１８及び／又はＢＡＴ２０からＳＵＣ２１及び／又はＳＵＤＣ２２を介して昇圧された直流電圧である負荷端電圧Ｖｉｎｖを３相の交流電圧に変換してモータ・ジェネレータ１４に供給する一方、モータ・ジェネレータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の負荷端電圧ＶｉｎｖをＳＵＤＣ２２を通じてバッテリ電圧Ｖｂに変換しＢＡＴ２０に供給（充電）する。

ＦＣ補機３１は、ＦＣ１８のアノード流路に対して水素（燃料ガス）を供給する水素タンク（不図示）と、ＦＣ１８のカソード流路に対して酸素を含む圧縮された空気（酸化剤ガス）を供給するエアポンプと、ＦＣ１８の冷却流路に対して冷却媒体（冷媒）を供給するウォータポンプ（不図示）とを備える。なお、水素と酸化剤ガスをそれぞれ反応ガスという。

ここで、ＦＣ補機３１を構成する主要な（消費電力が最も大きい）構成要素であるエアポンプで圧縮された空気は、以下に説明するＦＣ１８の発電用途の他、ＦＣ１８のオフガス（水素含有ガス）を大気に放出する際に、水素濃度を低下（希釈）させるために、前記オフガスに混合されて放出される、いわゆる水素希釈用途等にも使用される。

ＦＣ１８は、例えば、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。）を積層したスタック構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスが、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧（ＦＣ発電電圧Ｖｆｃ）を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して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、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

水が生成されることで、前記電解質膜を湿潤な状態、すなわち膜湿度を高い状態に保持することができ、前記反応を円滑に遂行することができる。

ＢＡＴ２０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、ニッケル水素２次電池等を利用することができる。蓄電装置としてキャパシタを利用することもできる。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。ＢＡＴ２０は、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ（放電電流Ｉｂｄ、充電電流Ｉｂｃ）、バッテリ温度Ｔｂ、及びＳＯＣがＥＣＵ２４（後述）により検出及び管理される。

ＦＣ１８のＦＣ発電電力値Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）は、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＳＵＣ２１を介して負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧されＩＮＶ１６を通じてモータ・ジェネレータ１４に供給される（力行時）と共に、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＦＣ１８からＳＵＣ２１及びＳＵＤＣ２２を通じて１次側の各機器に分配される。

一方、ＢＡＴ２０の放電電力値Ｐｂａｔｄ（ＢＡＴ放電電力値Ｐｂａｔｄという。）は、バッテリ電圧ＶｂがＳＵＤＣ２２を通じて負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧され、ＩＮＶ１６を通じてモータ・ジェネレータ１４に供給される（力行時）と共に、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて１次側の各機器であるＦＣ補機３１、空調補機３２、及び低圧補機（低圧負荷）３３に直接分配される。

このＦＣシステム１２のＦＣ発電電力値ＰｆｃとＢＡＴ放電電力値Ｐｂａｔｄは、ＥＣＵ２４により、ＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐ、空調補機実消費電力値Ｐａｃ、及び低圧補機実消費電力値Ｐｌｖに分配（分配制御）される。

ここで、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３は、種々の構成を採用できるが、基本的には、公知のように、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、ダイオードと、リアクトルと、コンデンサ（平滑コンデンサも含む）とから構成され、接続される負荷の要求電力に基づきＥＣＵ２４により前記スイッチング素子がオン・オフスイッチング制御（デューティ制御）される。

ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３の各通過可能電力値は、これを構成するスイッチング素子の定格電力値により決定されるが、定格電力値はスイッチング素子の素子温度Ｔｃが室温より上昇すると徐々に減少する。そのため通過可能電力値は、温度センサにより素子温度Ｔｃを測定して、ＥＣＵ２４により計算される。なお、この実施形態では、ＳＵＤＣ２２の負荷端電圧Ｖｉｎｖ側（ＦＣ１８側）からバッテリ電圧Ｖｂ側（ＢＡＴ２０側）への通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘが、制御処理に利用される。

ＥＣＵ２４は、図示しない通信線を介して、モータ・ジェネレータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣ１８、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２、ＳＤＣ２３、ＦＣ補機３１、及び空調補機３２等の各部を制御する。当該制御に際しては、ＥＣＵ２４のメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、各種センサ（図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、圧力センサ、水素濃度センサ、各種回転数センサ、及びアクセルペダルの開度センサ等）の検出値及び各種スイッチ（空調スイッチやイグニッションスイッチ等）のオンオフ情報等を用いる。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみから構成するのではなく、モータ・ジェネレータ１４、ＦＣ１８とＦＣ補機３１、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１とＳＵＤＣ２２とＳＤＣ２３毎の複数のＥＣＵで構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣ１８の状態、ＢＡＴ２０の状態及びモータ・ジェネレータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力値に基づき決定したＦＣ自動車１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷（負荷電力）から、ＦＣ１８が負担すべき負荷（負荷電力）と、ＢＡＴ２０が負担すべき負荷（負荷電力）と、回生電源（モータ・ジェネレータ１４）が負担すべき負荷（負荷電力）の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ・ジェネレータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣ１８、ＢＡＴ２０、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３を制御する。

この実施形態に係る燃料電池システム１２が適用されたＦＣ自動車１０は、基本的には、以上のように構成される。

次に、この実施形態の要部に係るＥＣＵ２４によるＦＣ補機３１、空調補機３２、及び低圧補機３３に対するＦＣ１８のＦＣ発電電力値ＰｆｃとＢＡＴ放電電力値Ｐｂａｔｄの電力分配（電力管理）の一制御例について説明する。

図２は、この電力分配の一制御例を実行するＥＣＵ２４の機能ブロック図を示している。

図３は、この電力分配の一制御例に適用される、ＢＡＴ２０の残容量（以下、ＳＯＣという。ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に対する、ＢＡＴ２０から実際に放電可能な電力値であるＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘの特性２０１と、ＳＯＣの管理下限値ＳＯＣｔｈ１、ＳＯＣｔｈ２未満では、ＢＡＴ２０からの放電可能な電力値をゼロ値に管理する放電可能な電力値であるＢＡＴ２０の放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍの特性２０２を示している。

実線で示しているＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘは、ＳＯＣ＝０値からＳＯＣ＝ＳＯＣｓ値までは、所定勾配でＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘが増加し、ＳＯＣ＝ＳＯＣｓ値からＳＯＣ＝１００［％］値までは緩勾配でＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘが増加する特性２０１になっている。

破線で示しているＢＡＴ２０の放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍは、ＳＯＣ＝０値からＳＯＣ＝ＳＯＣｔｈ１値（管理下限値）までは、Ｐｂａｔｍａｘｍ＝０値とされ、ＳＯＣ＝ＳＯＣｔｈ１からＳＯＣ＝ＳＯＣｔｈ２（管理下限値）までは急勾配で放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍが増加し、ＳＯＣ＝ＳＯＣｔｈ２からＳＯＣ＝１００［％］値までは、放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘと同勾配で増加する特性２０２になっている。

図３において、ＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘ（特性２０１）中、ハッチング領域のＢＡＴ放電電力値Ｐｂａｔｄは、ＦＣ補機３１と低圧補機３３にのみ使用可能に管理される。

［高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘの算出及び分配］
まず、図４のフローチャートを参照して、特性２０１の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘを利用した場合の図２中、高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘの算出の仕方について説明する。ここで言う高圧補機は、ＦＣ補機３１と空調補機３２である。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４により、現在の状態（現状）での、ＦＣ１８のＦＣ発電電流上限値Ｉｆｃｍａｘが決められる。この場合、ＦＣ温度Ｔｆｃをパラメータ（引数）として予め決定されている図示しない複数のＩＶ特性（電流・電圧特性）中、対応するものが参照され、又は対応するものがない場合には補間されて前記ＦＣ温度Ｔｆｃに対応するＩＶ特性が算出されて、現状でのＦＣ１８のＦＣ発電電流上限値Ｉｆｃｍａｘが決められる（読み出される）。

次に、ステップＳ２にて、前記ＩＶ特性を参照してＦＣ発電電流上限値Ｉｆｃｍａｘに対応するＦＣ発電電圧上限値Ｖｆｃｍａｘが決められる（読み出される）。

そして、ステップＳ３にて、ＦＣ１８の発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘが次の（１）式により算出される。
Ｐｆｃｍａｘ＝Ｉｆｃｍａｘ×Ｖｆｃｍａｘ …（１）

次いで、ステップＳ４にて、減算器５２によりＦＣ１８の発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘから、ＳＵＣ２１の電力損失Ｐｓｕｃｌｏｓｓ及びＳＵＤＣ２２の電力損失Ｐｓｕｄｃｌｏｓｓの合成電力損失（和電力損失）Ｐｐａｓｓｌｏｓｓ（Ｐｐａｓｓｌｏｓｓ＝Ｐｓｕｃｌｏｓｓ＋Ｐｓｕｄｃｌｏｓｓ）を差し引いたＦＣ１８側からＢＡＴ２０側へのＳＵＤＣ２２を通過する予定の発電電力通過上限値Ｐｆｃｐａｓｓｍａｘを算出する。

次に、ステップＳ５にて、ＳＵＤＣ２２のＦＣ１８側からＢＡＴ２０側への通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘを、ＳＵＤＣ２２を構成するスイッチング素子の素子温度Ｔｃ及び前記スイッチング素子の定格電力及び前記定格電力のディレイテイング特性に基づき決定する。これは、前記スイッチング素子の発熱による破壊、ひいてはＳＵＤＣ２２の発熱による破壊を防止するためである。

次いで、ステップＳ６にて、比較器５４により発電電力通過上限値Ｐｆｃｐａｓｓｍａｘと通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘとの大小比較を行い、小さい方の電力値Ｐｓｍａｌｌ｛接続ライン１００に接続された負荷で消費可能なＦＣ１８に係わる消費可能発電電力上限値Ｐｆｃａｖｍａｘともいう。｝を選択することで、ＳＵＤＣ２２のＢＡＴ２０側で消費可能な消費可能発電電力上限値Ｐｆｃａｖｍａｘ｛発電電力通過上限値Ｐｆｃｐａｓｓｍａｘ自体、又は通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘに絞られた（制限された）発電電力通過上限値Ｐｆｃｐａｓｓｍａｘ｝を決定する。

次いで、ステップＳ７にて、減算器５６により消費可能発電電力上限値Ｐｆｃａｖｍａｘ（ＦＣ１８からダイオード２５、ＳＵＣ２１、及びＳＵＤＣ２２を通じてＢＡＴ２０側に供給される電力値）から低圧補機３３に供給されている低圧補機実消費電力値Ｐｌｖが差し引かれて高圧補機であるＦＣ補機３１と空調補機３２に対してＦＣ１８から供給可能な供給可能電力上限値Ｐｆｃｈｖｍａｘが決定される（図１の電力値の流れ参照：Ｐｆｃａｖｍａｘ−Ｐｌｖ＝Ｐｆｃｈｖｍａｘ）。

次に、ステップＳ８にて、ＢＡＴ２０のＳＯＣ値を引数として、図３に示したＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘの特性２０１が参照され、前記ＳＯＣ値でのＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘが決定される。この放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘは、ＢＡＴ２０から高圧補機であるＦＣ補機３１と空調補機３２に対してＦＣ１８から供給可能な電力である。

そこで、ステップＳ９にて、加算器５８によりＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＦＣ１８に係わる供給可能電力上限値Ｐｆｃｈｖｍａｘとの和の電力値が求められ、この和の電力値が、現在の状態（現状）で、ＦＣ補機３１及び空調補機３２からなる高圧負荷に対してＦＣ１８及びＢＡＴ２０から供給可能な高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘに決定される。

最後に、ステップＳ１０にて、高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘの電力値は、ＥＣＵ２４により、後述するＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘとして優先的にＦＣ補機３１に分配され、ＦＣ補機３１で実際に使用されたＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐの残りの電力値が空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘとして空調補機３２に分配される。

この空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘの分配（決定）は、図３のＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘの特性２０１を利用した場合であることに留意する。

［空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘの他の算出例］
次に、図５のフローチャートを参照して、図３のＢＡＴ２０の放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍの特性２０２を利用した場合の図２に示した、空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘの算出の仕方について説明する。

まず、上記のステップＳ１と同様に、ステップＳ２１にて、ＦＣ発電電流上限値Ｉｆｃｍａｘを決定する。

次いで、ステップＳ２２にて、上記のステップＳ３にて決定したＦＣ１８の発電可能電力上限値ＰｆｃｍａｘをＦＣ１８で発電し出力するためのＦＣ補機３１の必要電力値（ＦＣ補機必要電力値）Ｐａｐｒｅｑｍａｘを決定する。この場合、ＦＣ１８に対する酸化剤ガス及び水素の供給を十分（リッチ）にするためのＦＣ補機３１のＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘに決定される。

次に、ステップＳ２３にて、比較器６２により、現在のＦＣ補機実消費電力値ＰａｐとＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘとの大小比較を行い、大きい方の電力値Ｐａｐｌａｒｇｅを選択する。なお、通常の場合には、現在のＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐの方が、ＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘより小さな値（Ｐａｐ＜Ｐａｐｒｅｑｍａｘ）になっている。

しかし、ＦＣ補機３１を構成する主要な（消費電力が最も大きい）構成要素であるエアポンプで圧縮された空気は、ＦＣ１８の実際の発電以外の用途にも使用される。例えば、ＦＣ１８に発電不調の兆候が検出されたときにＦＣ１８のオフガス（水素含有ガス）を大気に放出して新鮮な水素をＦＣ１８内に導入しようとするが、大気に放出するオフガスの水素濃度を閾値以下に低下（希釈）させるために、前記オフガスに圧縮空気が混合されて放出される、いわゆる希釈用途等にも使用される。

ＦＣ補機３１が希釈用途等に使用された場合には、通常、短時間ではあるが、ＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐが、ＦＣ１８で発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘを発電し出力するためのＦＣ補機３１用のＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘを上回る場合がある。

このような場合に、ＦＣ補機３１を優先的に駆動できるようにすることを考慮して、比較器６２により、現在のＦＣ補機実消費電力値ＰａｐとＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘのうち、大きい方の電力値Ｐａｐｌａｒｇｅを選択するようにしている。

次いで、ステップＳ２４にて、ＢＡＴ２０の現在のＳＯＣ値でのＢＡＴ２０の放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍを図３の特性２０２を参照して決定した後、このＢＡＴ２０の放電可能電力管理上限値Ｐｂａｔｍａｘｍに、ステップＳ７で決定した供給可能電力上限値Ｐｆｃｈｖｍａｘを加算器６４により加算した和の電力値が求められ、この和の電力値が、現在の状態（現状）で、ＦＣ補機３１及び空調補機３２からなる高圧負荷に対してＦＣ１８及びＢＡＴ２０から供給可能で高圧補機で消費可能な高圧補機消費可能電力上限値（高圧補機消費可能管理電力上限値ともいう。）Ｐｈｖｍａｘｍ（ＳＯＣ値が下限ＳＯＣ値ＳＯＣｔｈ２以上では、ステップＳ９にて算出した高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘと同値になる。）に決定される。

最後に、ステップＳ２５にて、減算器６６により、高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘｍから、ＦＣ補機実消費電力値ＰａｐとＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘのうち大きい方の電力値Ｐａｐｌａｒｇｅが差し引かれて空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘが決定される。

［燃料電池システム１２を搭載した燃料電池自動車１０上での電力分配の説明］
図６は、ステップ９で算出した高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘ（特性２０１利用）及びステップＳ２４で算出した高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘ（特性２０２利用）の燃料電池システム１２の各種状態（状態Ａ〜状態Ｅ）下におけるＦＣ補機３１の実消費電力値Ｐａｐ（ＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐ）と、空調補機３２の実消費電力値Ｐａｃ（空調補機実消費電力値Ｐａｃ）と、低圧補機３３の実消費電力値Ｐｌｖ（低圧補機実消費電力値Ｐｌｖ）の電力分配の推移例についての棒グラフを示している。

図６から分かるように、全ての状態Ａ〜状態Ｅ下で、燃料電池システム１２及び燃料電池自動車１０を制御管理するＥＣＵ２４を有する低圧補機３３の実消費電力値Ｐｌｖは、略一定の比較的小さな値の電力値となっている。

高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘ／Ｐｈｖｍａｘｍに余裕のある状態Ａ下では、ＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘ及び空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘが十分に確保され、ＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐと空調補機要求電力値Ｐａｃｒｅｃ分の空調補機実消費電力値Ｐａｃが消費電力として発生している。

電力余裕分Ｐｍｇｎ１、Ｐｍｇｎ２は、モータ・ジェネレータ１４に供給（分配）可能である。

高圧補機消費可能電力上限値Ｐｈｖｍａｘ／Ｐｈｖｍａｘｍが減少した状態Ｂ及び状態Ｃ下では、空調補機実消費電力値Ｐａｃは、空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘとされ、状態Ｂでは、ＦＣ補機３１の電力余裕分Ｐｍｇｎ１のみが残った状態となっており、状態Ｃでは、電力余裕分Ｐｍｇｎ１、Ｐｍｇｎ２がゼロ値の状態となっている。なお、状態Ｃでは、ＦＣ補機実消費電力値ＰａｐがＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘまで増加した状態になっている。

状態Ｄは、例えば、上述した水素希釈処理の付加等により突発的且つ短期的にＦＣ補機実消費電力値ＰａｐがＦＣ補機必要電力値Ｐａｐｒｅｑｍａｘを上回って増加した状態を示しており、この状態Ｄ下では、空調補機実消費電力値Ｐａｃが先に制限される。

状態Ｅ下では、空調補機要求電力値Ｐａｃｒｅｃに対しての電力分配がゼロ値とされ、空調補機実消費電力値Ｐａｃがゼロ値になっており、ＦＣ補機実消費電力値Ｐａｐに対しても制限が加えられている。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態に係るＦＣシステム１２は、ＦＣ１８からＳＵＣ２１を介してモータ・ジェネレータ１４に電力を供給すると共に、ＦＣ１８及びＳＵＣ２１に対して並列的にＢＡＴ２０からＳＵＤＣ２２を介してモータ・ジェネレータ１４に電力を供給するＦＣシステム１２である。

なお、ＦＣシステム１２は、ＦＣ１８から直接（この場合、ＳＵＣ２１は省略されダイオード２５のカソード端子がＩＮＶ１６及びＳＵＤＣ２２に直接接続状態になる。Ｐｓｕｃｌｏｓｓ＝０値）モータ・ジェネレータ１４に電力を供給すると共に、ＦＣ１８と並列的にＢＡＴ２０からＳＵＤＣ２２を介してモータ・ジェネレータ１４に電力を供給するＦＣシステムに代替してもよい。

いずれのシステムの場合にも、ＦＣ１８に反応ガスを供給するＦＣ補機３１の電源入力ライン１０２が、ＢＡＴ２０とＳＵＤＣ２２との接続ライン１００上に接続され、ＦＣ補機３１の消費可能電力上限値Ｐａｐｍａｘは、ＦＣ１８の発電可能電力上限値ＰｆｃｍａｘがＳＵＤＣ２２のＦＣ１８側からＢＡＴ２０側への通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘより高い場合（Ｐｆｃｍａｘ＞Ｐｐａｓｓｍａｘ）には、ＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＳＵＤＣ２２の通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘとの和（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｐａｓｓｍａｘ）の電力値に設定｛Ｐａｐｍａｘ＝（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｐａｓｓｍａｘ）｝され、ＦＣ１８の発電可能電力上限値ＰｆｃｍａｘがＳＵＤＣ２２のＦＣ１８側からＢＡＴ２０側への通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘより低い場合（Ｐｆｃｍａｘ＜Ｐｐａｓｓｍａｘ）には、ＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＦＣ１８の発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘとの和（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｆｃｍａｘ）の電力値に設定｛Ｐａｐｍａｘ＝（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｆｃｍａｘ）｝される。

従来技術のように、仮に、ＳＵＤＣ２２の通過可能電力に制限が加えられていない場合には、ＦＣ１８に反応ガスを供給するＦＣ補機３１の消費電力が大きかったとしても、ＦＣ補機３１は、ＦＣ１８からのＦＣ発電電力値ＰｆｃとＢＡＴ２０からの放電電力値Ｐｂａｔｄにより、運転を殆ど制限されることがないので、結果として、ＦＣ１８へのガス供給が不足することなく良好に発電を行うことができる。しかし、ＳＵＤＣ２２の通過可能電力に制限が加えられた場合、その分、ＦＣ１８からＦＣ補機３１に所望の電力を供給することができなくなるため、ＢＡＴ２０から限界を超えてＦＣ補機３１に電力が供給されてしまい、ＢＡＴ２０が放電過多となる。

このような場合であっても、この実施形態によれば、ＦＣ補機３１への電力が、ＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＦＣ１８の発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘとの和の電力値（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｆｃｍａｘ）又はＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＳＵＤＣ２２の通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘとの和の電力値（Ｐｂａｔｍａｘ＋Ｐｐａｓｓｍａｘ）に設定されるので、ＦＣ補機３１でのＢＡＴ２０の放電電力による過度の電力消費を抑制でき、ＢＡＴ２０が放電過多となってしまうことを抑制できる。

ＦＣ自動車１０の車室を空調する空調補機３２の電源入力ライン１０３が、ＢＡＴ２０とＳＵＤＣ２２との接続ライン１００に接続されている場合、空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘが、ＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＳＵＤＣ２２の通過可能電力上限値Ｐｐａｓｓｍａｘとの和の電力値、及びＢＡＴ２０の放電可能電力上限値ＰｂａｔｍａｘとＦＣ１８の発電可能電力上限値Ｐｆｃｍａｘとの和の電力値のうち小さい方の電力値からＦＣ補機３１の実消費電力値Ｐａｐを差し引いた電力値に設定しているので、ＦＣ補機３１に対する電力の供給が空調補機３２に対する電力の供給よりも優先される。

このため、空調補機３２の作動は可能であるがモータ・ジェネレータ１４による走行が不可能である等のドライバに取って不満足な事態の発生を回避することができる。

特性２０１のＢＡＴ２０の放電可能電力上限値Ｐｂａｔｍａｘを用いた場合、ＢＡＴ２０のＳＯＣ値が管理下限値ＳＯＣｔｈ１を下回る場合には、空調補機３２の消費可能電力上限値Ｐａｃｍａｘを、ゼロ値に設定するので、ＢＡＴ２０のＳＯＣが僅かでも残っていれば、ＦＣ補機３１をその分作動させることができ、ＦＣ１８の発電を継続することができるという効果も達成される。

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。

１０…燃料電池自動車 １２…燃料電池システム
１４…モータ・ジェネレータ １６…負荷駆動回路
１８…燃料電池 ２０…蓄電装置
２１…昇圧コンバータ（昇圧器） ２２…昇降圧コンバータ（電圧変換装置）
２３…降圧コンバータ（降圧器） ２４…ＥＣＵ
３１…ＦＣ補機 ３２…空調補機
３３…低圧補機（低圧負荷） １００…接続ライン
１０２、１０３、１０４…電源入力ライン（接続ライン）
Ｉｆｃｍａｘ…ＦＣ発電電流上限値
Ｖｆｃｍａｘ…ＦＣ発電電圧上限値
Ｐｆｃｍａｘ…発電可能電力上限値
Ｐｓｕｃｌｏｓｓ…ＳＵＣの電力損失
Ｐｓｕｄｃｌｏｓｓ…ＳＵＤＣの電力損失
Ｐｐａｓｓｌｏｓｓ…ＳＵＣの電力損失とＳＵＤＣの電力損失の合成電力損失
Ｐｐａｓｓｍａｘ…通過可能電力上限値
Ｐｆｃｐａｓｓｍａｘ…発電電力通過上限値
Ｐｓｍａｌｌ…小さい方の電力値
Ｐｆｃａｖｍａｘ…ＳＵＤＣのＢＡＴ側で消費可能な消費可能発電電力上限値
Ｐｌｖ…低圧補機実消費電力値
Ｐｆｃｈｖｍａｘ…ＦＣ補機と空調補機に対してＦＣから供給可能な供給可能電力上限値
Ｐｂａｔｍａｘ…ＢＡＴの放電可能電力上限値
Ｐｂａｔｍａｘｍ…ＢＡＴの放電可能電力管理上限値
Ｐｈｖｍａｘ…高圧補機消費可能電力上限値
Ｐａｐｒｅｑｍａｘ…ＦＣ補機必要電力値
Ｐａｃｍａｘ…空調補機の消費可能電力上限値

Claims (4)

1. 燃料電池から直接、主機に電力を供給すると共に、前記燃料電池と並列的に蓄電装置から電圧変換装置を介して前記主機に電力を供給する電源システム、又は、前記燃料電池から昇圧器を介して前記主機に電力を供給すると共に、前記燃料電池及び前記昇圧器に対して並列的に前記蓄電装置から電圧変換装置を介して前記主機に電力を供給する電源システムにおいて、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する燃料電池補機の電源入力ラインが、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との接続ライン上に接続され、
   前記燃料電池補機の消費可能電力上限値は、
   前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より高い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値との和の電力値に設定され、
   前記燃料電池の発電可能電力上限値が前記電圧変換装置の前記燃料電池側から前記蓄電装置側への通過可能電力上限値より低い場合には、前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との和の電力値に設定される
   ことを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載の電源システムにおいて、
   前記主機が、車両駆動用のモータ・ジェネレータである
   ことを特徴とする電源システム。
3. 請求項２に記載の電源システムにおいて、
   さらに、車室を空調する空調補機を備え、
   前記空調補機の電源入力ラインが、前記蓄電装置と前記電圧変換装置との前記接続ライン上に接続されるとき、
   前記空調補機の消費可能電力上限値は、
   前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記電圧変換装置の前記通過可能電力上限値との和の電力値、及び前記蓄電装置の放電可能電力上限値と前記燃料電池の前記発電可能電力上限値との和の電力値のうち小さい方の電力値から前記燃料電池補機の実消費電力値を差し引いた電力値に設定される
   ことを特徴とする電源システム。
4. 請求項３に記載の電源システムにおいて、
   前記蓄電装置の残容量が管理下限値を下回る場合には、前記空調補機の消費可能電力上限値が、ゼロ値に設定される
   ことを特徴とする電源システム。

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