JP6015736B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

ガソリン自動車とは異なる新しい自動車として、燃料電池を搭載した燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が注目されている。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

燃料電池に関し、例えば特許文献１には、ガス流量計で検知される燃料ガスの検知流量が目標ガス流量となるように、ガス搬送源の電気入力量に関する物理量を正常値に対して接近または同一となるようにフィードバック制御する点が記載されている。

特開２０１３−１９１３１２号公報

燃料電池に供給される酸化ガスの流量は、要求に応じた目標値に収束するように、例えば電子制御ユニット（ECU: Electronic Control Unit）によりフィードバック制御されるため、目標値の近傍で周期的に変動する。ここで、燃料電池から引き出し可能な電流の許容値、つまり上限値は、燃料電池に供給される酸化ガスの流量に応じて決定されるため、負荷が高い場合には、燃料電池からモータに出力される電流が変動し、これに伴って車両の駆動トルクも変動するという問題がある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、車両の駆動トルクの変動を低減する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、車両を駆動するモータに電流を出力する燃料電池と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給部と、前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測する流量計測部と、前記流量計測部の流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御する処理を行う制御部とを備え、前記制御部は、前記流量計測値に応じて許容電流値を決定し、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御する処理を行い、さらに、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第２の所定値以下である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う。

上記の構成において前記制御部は、前記許容電流値に対し、前記緩変化処理を開始する時点での前記許容電流値を初期値として前記緩変化処理を行ってもよい。

上記の構成において、前記制御部は、前記要求電流値の前記所定時間内における変動幅が前記第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が前記第２の所定値以下であり、さらに、前記流量計測値が第３の所定値より大きく、前記要求電流値が第４の所定値以上である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行ってもよい。

上記の構成において、前記制御部は、前記緩変化処理を行う際に、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に一定値を加えて得た値以下である場合、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値以下に制限し、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値より大きい場合、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値以下に制限してもよい。

本明細書に記載の燃料電池システムの制御方法は、供給部から燃料電池に酸化ガスを供給するステップと、流量計測部により前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測するステップと、車両を駆動するモータに前記燃料電池から電流を出力するステップと、前記流量計測部により計測された流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御するステップと、前記流量計測値に応じて許容電流値を決定するステップと、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御するステップと、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第２の所定値以下である状態が、一定時間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップとが実行される。

本発明によれば、車両のトルク変動を低減できる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。 空気流量の目標値に対する計測値の変動の一例を示すグラフである。 空気流量に対する電流の許容値の一例を示すグラフである。 出力電流が変動しない場合及び出力電流が変動する場合の指令電流値及び許容値の関係の一例を示すグラフである。 許容値の緩変化処理の一例を示すグラフである。 燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 緩変化処理の実行フラグの制御処理の一例を示すフローチャートである。 指令電流値の変化の一例を示すグラフである。 燃料電池の出力電流の上限値の切り替えの一例を示す図である。 燃料電池の出力電流の上限値の切り替え処理の一例を示すフローチャートである。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータＭに電力を供給する。燃料電池システム１は、ＥＣＵ１０と、燃料電池１１と、エアコンプレッサ１２と、フローメータ１３と、レギュレータ１４と、水素タンク１５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６と、ＤＣ−ＡＣインバータ１７と、バッテリ１８とを備える。

ＥＣＵ１０は、制御部の一例であり、燃料電池システム１の動作を制御する。ＥＣＵ１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。もっとも、ＥＣＵ１０は、これに限定されず、ハードウェアのみで動作してもよい。

ＥＣＵ１０は、センサ部２からの入力信号に基づいて、エアコンプレッサ１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６、ＤＣ−ＡＣインバータ１７、及びレギュレータ１４に制御信号Ｓ１，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５をそれぞれ送信する。センサ部２は、複数のセンサを含む。このようなセンサとしては、例えば、車両のアクセルの開度（踏み込みの度合い）を検出するアクセルポジションセンサが挙げられる。

水素タンク１５、レギュレータ１４、及び燃料電池１１は、配管により、この順に接続されている。水素タンク１５は、燃料である水素（Ｈ_２）の供給装置の一例である。水素は、水素タンク１５からレギュレータ１４を経由して燃料電池１１に供給される。レギュレータ１４は、例えば調圧弁であり、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ５に基づいて弁の開度を調整することで、水素の供給量を制御する。

エアコンプレッサ１２、フローメータ１３、及び燃料電池１１は、配管により、この順に接続されている。エアコンプレッサ１２は、供給部の一例であり、酸素（Ｏ_２）を含む酸化ガスを燃料電池１１に供給する。エアコンプレッサ１２は、例えば車両の外部から空気を取り込み、フローメータ１３を介して燃料電池１１に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。

フローメータ１３は、流量計測部の一例であり、エアコンプレッサ１２からの空気の流量を計測する。フローメータ１３は、空気の流量の計測値を示す通知信号Ｓ２をＥＣＵ１０に出力する。ＥＣＵ１０は、フローメータ１３の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御する。なお、計測値は流量計測値の一例であり、目標値は流量目標値の一例である。

燃料電池１１は、電気的に直列接続され複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成される。燃料電池１１は、燃料の水素が供給されるアノード（燃料極）１１ａと、空気が供給されるカソード（空気極）１１ｂとを備える。燃料電池１１は、水素と酸素（空気）を化学反応させることにより発電する。これにより、燃料電池１１は、車両を駆動するモータＭに電流を出力する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、例えば昇降圧チョッパ回路を含み、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ３に基づいて燃料電池１１の出力電圧及び出力電流を変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６は、昇降圧チョッパ回路内に設けられたＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの複数のスイッチング素子を、制御信号Ｓ３に基づいてオンオフ制御する。このため、燃料電池１１の出力電圧及び出力電流は、制御信号Ｓ３のデューティー比に応じて変換される。ＤＣ−ＤＣコンバータ１６の出力電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ１７に入力される。

バッテリ１８は、余剰電力の貯蔵手段、回生制動時の回生エネルギの貯蔵手段、及び車両の加減速に伴う負荷変動時のエネルギバッファとして機能する。バッテリ１８としては、例えばリチウム二次電池が挙げられる。バッテリ１８の出力電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ１７に入力される。

ＤＣ−ＡＣインバータ１７は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６及びバッテリ１８の出力電流を直流から三相交流に変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ１７は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式に基づき、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ４によりスイッチング素子がオンオフ制御されることで電流を変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ１７の出力電流は、車両を駆動するモータＭに出力される。

本例の燃料電池システムにおいて、ＥＣＵ１０は、センサ部２からの入力に基づいて、エアコンプレッサ１２の空気の供給量の目標値を算出し、フローメータ１３の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御する。このため、フローメータ１３の計測値は、目標値の近傍で変動する。

図２は、空気流量の目標値に対する計測値の変動の一例を示すグラフである。図２において、横軸は時刻を示し、縦軸は空気の流量を示す。また、グラフ内の実線はフローメータ１３の計測値を示し、点線は目標値を示す。

目標値は、例えば車両のアクセルが踏み込まれることにより上昇する。計測値は、ＥＣＵ１０のフィードバック制御のため、常時、目標値に収束するように目標値の近傍を周期的に変動する。より具体的には、ＥＣＵ１０は、計測値が目標値を下回る場合、エアコンプレッサ１２の出力を増加させ、計測値が目標値を上回る場合、エアコンプレッサ１２の出力を低下させる。このため、計測値は、目標値の変化に追従しつつ、目標値を追い抜いた後、目標値以下になることを繰り返す。

また、ＥＣＵ１０は、センサ部２からの入力に基づいて、燃料電池１１の指令電流値Ｉｒｅｆを算出する。指令電流値Ｉｒｅｆは、燃料電池１１に対して要求される要求電流値の一例である。ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆに基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ１６の制御信号Ｓ３を生成する。

このとき、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１に供給される空気の流量に応じて燃料電池１１の出力電流の許容値Ｉａｌｗを決定し、燃料電池１１の出力電流を許容値Ｉａｌｗ以下に制限する。つまり、許容値Ｉａｌｗは、フローメータ１３の計測値に応じて決定され、燃料電池１１から引き出し可能な電流の上限値である。このため、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆを許容値Ｉａｌｗ以下に制限する。なお、許容値Ｉａｌｗは、許容電流値の一例である。

図３は、空気流量に対する電流の許容値Ｉａｌｗの一例を示すグラフである。許容値Ｉａｌｗは、一例として、空気の供給量に比例するように決定される。より具体的には、ＥＣＵ１０は、フローメータ１３の計測値に所定の比例係数を乗じて得た値を許容値Ｉａｌｗとして決定する。

このように、ＥＣＵ１０は、計測値に応じて許容値Ｉａｌｗを決定し、燃料電池１１が出力する電流を、許容値Ｉａｌｗ以下に制限し、指令電流値Ｉｒｅｆに従って制御する。これにより、燃料電池１１の出力電圧が、空気供給量の不足のために低下することが防止されるとともに、燃料電池１１から指令電流値Ｉｒｅｆに応じた電流が引き出され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６に入力される。

しかし、フローメータ１３の計測値は、上述したように、ＥＣＵ１０のフィードバック制御により変動するため、許容値Ｉａｌｗも同様に変動する。このため、ＥＣＵ１０が、仮に許容値Ｉａｌｗをそのまま電流制御に用いた場合、以下に述べるように、燃料電池１１の出力電流が変動することがある。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、出力電流が変動しない場合及び出力電流が変動する場合の指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの関係の一例を示すグラフである。図４（ａ）及び図４（ｂ）において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は指令電流値Ｉｒｅｆ（出力電流値）を示し、点線は許容値Ｉａｌｗを示す。

図４（ａ）に示されるように、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分Ｄが十分に大きいとき、燃料電池１１の出力電流は、許容値Ｉａｌｗに影響されないため、変動しない。

一方、図４（ｂ）に示されるように、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分Ｄが微差であるとき、指令電流値Ｉｒｅｆが許容値Ｉａｌｗの制限を受けることで、燃料電池１１の出力電流は変動する。このため、高い指令電流値Ｉｒｅｆが与えられる高負荷の状態（例えばアクセル全開で車両が加速される場合）では、燃料電池１１からモータＭに出力される電流が変動し、これに伴って車両の駆動トルクも変動するという問題がある。

そこで、ＥＣＵ１０は、駆動トルクの変動が発生し得る状態を検知したとき、許容値Ｉａｌｗの変動幅を縮小する緩変化処理を行う。

図５は、許容値Ｉａｌｗの緩変化処理の一例を示すグラフである。図５において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗを示し、点線は緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔを示す。

ＥＣＵ１０は、時刻Ｔｏｎにおいて、後述する緩変化処理の条件が満たされたことを検知し、許容値Ｉａｌｗの緩変化処理を開始する。緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔは、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗと比較すると、振幅が小さく、変動幅が縮小されている。緩変化処理の手段としては、例えばｎ次フィルタ（ｎ：正の整数）やレート処理が挙げられる。

ＥＣＵ１０は、ｎ次フィルタを用いる場合、緩変化処理の前後で許容値Ｉａｌｗ，Ｉａｌｗ＿ｆｌｔの連続性が維持されるように、許容値Ｉａｌｗに対し、許容値Ｉａｌｗの現在値を初期値として緩変化処理を行うことが望ましい。つまり、ＥＣＵ１０は、開始時刻Ｔｏｎにおける許容値Ｉａｌｗの値Ｉｏを取得し（符号Ｐｏ参照）、値Ｉｏを初期値としてフィルタ処理を開始する。なお、値Ｉｏは、緩変化処理を開始する時点での許容値Ｉａｌｗの一例である。

これにより、緩変化処理の前後で許容値Ｉａｌｗ，Ｉａｌｗ＿ｆｌｔの連続性が維持される。これに対し、仮に、緩変化処理の条件が満たされる時刻Ｔｏｎ以前から緩変化処理を定常的に行った場合、符号Ｐｘで示されるように、時刻Ｔｏｎにおける緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔの値が、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗの値（符号Ｐｏ参照）から大きく離れてしまう場合がある。この場合、時刻Ｔｏｎの前後で許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ，Ｉａｌｗが大きく変化するため、モータＭの駆動トルクに悪影響を与え得る。

このように、ＥＣＵ１０は、許容値Ｉａｌｗの変動幅を縮小する緩変化処理を行うことにより、燃料電池１１の出力電流の変動を低減し、これにより、車両の駆動トルクの変動が低減される。しかし、許容値Ｉａｌｗの緩変化処理を無条件に行うと、車両の挙動にかえって悪影響を与える場合があるため、本例の燃料電池システム１では、後述する条件が満たされた場合にだけ、許容値Ｉａｌｗの緩変化処理が行われる。以下に、燃料電池システム１の動作を、より具体的に述べる。

図６は、燃料電池システム１の動作の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ１０は、センサ部２からの入力に基づき、エアコンプレッサ１２の空気の供給量の目標値と、指令電流値Ｉｒｅｆとを算出する（ステップＳｔ１）。ＥＣＵ１０は、例えば、予めメモリなどの記憶手段に、センサ部２からの各種の入力パラメータに対応する空気の供給量の目標値及び指令電流値Ｉｒｅｆをテーブルとして記憶しておき、テーブルを参照することで空気の供給量の目標値及び指令電流値Ｉｒｅｆを取得してもよい。

次に、フローメータ１３は、エアコンプレッサ１２からの空気の流量Ｍｆを計測する（ステップＳｔ２）。空気の流量Ｍｆ（計測値）は、通知信号Ｓ２によりＥＣＵ１０に通知される。

なお、ステップＳｔ３の処理とステップＳｔ４〜Ｓｔ８の一連の処理は、並行して行われる。まず、ステップＳｔ３の処理を説明し、次に、ステップＳｔ４〜Ｓｔ８の一連の処理を説明する。

ＥＣＵ１０は、空気の流量Ｍｆに基づきエアコンプレッサ１２を制御する（ステップＳｔ３）。すなわち、ＥＣＵ１０は、フローメータ１３により計測された計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御する。

より具体的には、ＥＣＵ１０は、例えば、目標値と計測値の差分に応じた数値を制御信号Ｓ１に含めてエアコンプレッサ１２に通知する。これにより、目標値に従って、エアコンプレッサ１２から燃料電池１１に空気が供給される。

また、ＥＣＵ１０は、空気の流量Ｍｆに応じて燃料電池１１の出力電流の許容値Ｉａｌｗを決定する（ステップＳｔ４）。上述したように、ＥＣＵ１０は、例えば図３に示されるような関係に基づいて、許容値Ｉａｌｗを決定する。

次に、ＥＣＵ１０は、緩変化処理の実行フラグＦｌｇが‘１’であるか否かを判定する（ステップＳｔ５）。後述するように、ＥＣＵ１０は、別途、実行フラグＦｌｇの制御処理を周期的に行う。

ＥＣＵ１０は、実行フラグＦｌｇ＝‘１’の場合（ステップＳｔ５のＹｅｓ）、許容値Ｉａｌｗの変動幅を縮小する緩変化処理を行う（ステップＳｔ６）。一方、実行フラグＦｌｇ＝‘０’の場合（ステップＳｔ５のＮｏ）、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を行わない。

次に、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗ（Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ）に基づいて制御信号Ｓ３を生成する（ステップＳｔ７）。より具体的には、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆに応じたデューティー比の制御信号Ｓ３を生成する。このとき、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆが許容値Ｉａｌｗ（Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ）を上回る場合、指令電流値Ｉｒｅｆを許容値Ｉａｌｗ（Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ）と同じ値にした上で制御信号Ｓ３を生成する。

次に、ＥＣＵ１０は、制御信号Ｓ３をＤＣ−ＤＣコンバータ１６に出力する（ステップＳｔ８）。すなわち、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１から出力される電流を、フローメータ１３の計測値に応じた許容値Ｉａｌｗ以下に制限し、燃料電池１１に対する指令電流値Ｉｒｅｆに従って制御する。

次に、燃料電池１１からモータＭに電流が出力される（ステップＳｔ９）。このようにして、燃料電池システム１は動作する。

図７は、緩変化処理の実行フラグＦｌｇの制御処理の一例を示すフローチャートである。本処理において、ＥＣＵ１０は、後述する複数の条件が満たされた状態が、一定期間継続することを、タイマにより検出する。なお、本処理は、例えば周期的に実行され、実行されるたびに実行フラグＦｌｇが更新される。

ＥＣＵ１０は、実行フラグＦｌｇを‘０’に初期化する（ステップＳｔ２１）。次に、ＥＣＵ１０は、タイマ値を０に初期化する（ステップＳｔ２２）。次に、ＥＣＵ１０は、以下の式（１）〜（４）で示される条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳｔ２３）。以下に条件判定の内容について述べる。

Ｍｆ≧Ｍｒｅｆ ・・・（１）
Ｉｒｅｆ≧ｔｈ ・・・（２）
ΔＩｒｅｆ≦Ｗ ・・・（３）
Ｉａｌｗ−Ｉｒｅｆ≦Ｄｒｅｆ ・・・（４）

式（１）の条件に関し、ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ１２からの空気の流量Ｍｆ、つまりフローメータ１３の計測値が、所定値Ｍｒｅｆ（第３の所定値）以上であるか否かを判定する。これにより、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１に十分な量の空気が供給されているか否かを判定する。

十分な量の空気が供給されていない場合、燃料電池１１は、間欠運転中、または間欠運転の終了の直後であると判断される。この状態において、燃料電池１１の出力電流は、定常状態の場合より非常に小さいため、ＥＣＵ１０は緩変化処理を行わない。

式（２）の条件に関し、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆが閾値ｔｈ（第４の所定値）以上であるか否かを判定する。これにより、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１の負荷の高低を判定する。

負荷が低い場合、燃料電池１１の出力電流が低いため、出力電流の変動に伴う駆動トルクの変動も小さい。また、負荷が低い場合には、バッテリ１８からの出力電流が、補助としてモータＭに入力されるので、燃料電池１１の出力電流の変動が相殺されることで駆動トルクが安定化される。したがって、この場合、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を行わない。

式（３）の条件に関し、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆの変動幅ΔＩｒｅｆが、所定値Ｗ（第１の所定値）以下であるか否かを判定する。これにより、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆの急激な変化の有無を判定する。なお、変動幅ΔＩｒｅｆは、一定の時間間隔おきに指令電流値Ｉｒｅｆを取得しておき、前回取得した値と今回取得した値の差分として算出される。すなわち、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆの所定時間内における変動幅ΔＩｒｅｆが、所定値Ｗ以下であるか否かを判定する。

図８は、指令電流値Ｉｒｅｆの変化の一例を示すグラフである。図８において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。

指令電流値Ｉｒｅｆは、期間Ａ１において閾値ｔｈ以上の一定値に維持されているが、次の期間Ａ２において減少している。このような場合としては、例えば、車両が一定速度で走行している状態から減速した場合が挙げられる。この場合、仮にＥＣＵ１０が、許容値Ｉａｌｗの緩変化処理を実行すると、符号Ｉｘで示されるように、指令電流値Ｉｒｅｆの減少の度合いが緩やかになるため、車両の減速に影響する。したがって、この場合、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を行わない。すなわち、ＥＣＵ１０は、車両の速度の指令値が一定である場合に、緩変化処理を実行する。

式（４）の条件に関し、ＥＣＵ１０は、許容値Ｉａｌｗ及び指令電流値Ｉｒｅｆの差分（Ｉａｌｗ−Ｉｒｅｆ）が所定値Ｄｒｅｆ（第２の所定値）以下であるか否かを判定する。これにより、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆが、過渡状態ではなく、図４（ｂ）に示されるように許容値Ｉａｌｗの近傍の値であるか否かを判定する。

上述したように、許容値Ｉａｌｗ及び指令電流値Ｉｒｅｆの差分が十分に大きい場合（図４（ａ）参照）、駆動トルクは変動しない。したがって、この場合、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を行わない。

ＥＣＵ１０は、式（１）〜（４）で示される条件の少なくとも１つが満たされていない場合（ステップＳｔ２３のＮｏ）、処理を終了する。一方、式（１）〜（４）で示される条件が全て満たされている場合（ステップＳｔ２３のＹｅｓ）、ＥＣＵ１０は、タイマをスタートさせる（ステップＳｔ２４）。すなわち、ＥＣＵ１０は、計時を開始する。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳｔ２３と同様に、上記の式（１）〜（４）で示される条件が満たされているか否かを判定する（ステップＳｔ２５）。ＥＣＵ１０は、式（１）〜（４）で示される条件の少なくとも１つが満たされていない場合（ステップＳｔ２５のＮｏ）、タイマをストップして（ステップＳｔ３１）、処理を終了する。一方、式（１）〜（４）で示される条件が全て満たされている場合（ステップＳｔ２５のＹｅｓ）、ＥＣＵ１０は、タイマ値が所定値Ｔｍａｘに達したか否かを判定する（ステップＳｔ２９）。

ＥＣＵ１０は、タイマ値が所定値Ｔｍａｘに達していない場合（ステップＳｔ２９のＮｏ）、再びステップＳｔ２５の判定処理を実施する。一方、タイマ値が所定値Ｔｍａｘに達している場合（ステップＳｔ２９のＹｅｓ）、ＥＣＵ１０は、実行フラグＦｌｇを‘１’とする（ステップＳｔ３０）。

すなわち、ＥＣＵ１０は、タイマ値が所定値Ｔｍａｘに達するまでの一定期間、ステップＳｔ２５の各条件が満たされた状態が継続した場合、実行フラグＦｌｇを‘１’とする。このため、ＥＣＵ１０は、図６のステップＳｔ６において、指令電流値Ｉｒｅｆの所定時間内における変動幅が所定値Ｗ以下であり、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分が所定値Ｄｒｅｆ以下であり、さらに、フローメータ１３の計測値が所定値Ｍｒｅｆより大きく、指令電流値Ｉｒｅｆが閾値ｔｈ以上である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ｉａｌｗの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うこととなる。

したがって、ＥＣＵ１０は、緩変化処理が必要となる状態を的確に判断した上で緩変化処理を行う。なお、ステップＳｔ２３及びＳｔ２５の各条件の判定処理の順序に限定はない。

次に、ＥＣＵ１０は、タイマをストップして（ステップＳｔ３１）、処理を終了する。このようにして、緩変化処理の実行フラグＦｌｇの制御処理は行われる。なお、燃料電池１１の出力電流が低くても許容値Ｉａｌｗの変動が車両の駆動トルクに大きな影響を与える場合、ＥＣＵ１０は、上記のステップＳｔ２３及びＳｔ２５において条件（１）及び（２）の判定を省略することができる。

緩変化処理を行った場合、緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔが、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗより大きくなることがある。このとき、緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔが、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗに対してあまりに大きいと、燃料電池１１に対し、空気の供給量に見合わない程度の大きな電流を要求することになるため、好ましくない。

そこで、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を行う際に、燃料電池１１が出力する電流を、緩変化処理を施す前の許容値Ｉａｌｗに一定値αを加えて得た値（以下、補正値と表記）、及び緩変化処理を施した後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔのうち、小さいほうの値以下に制限するとよい。この場合、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１の出力電流の上限値を、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗの補正値（Ｉａｌｗ＋α）と緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔの間で切り替える。

図９には、燃料電池１１の出力電流の上限値の切り替えの一例が示されている。図９において、横軸は時刻を示し、縦軸は電流値を示す。また、実線は、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗを示し、点線は、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗの補正値（Ｉａｌｗ＋α）を示す。さらに、一点鎖線は、緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔを示す。なお、時刻Ｔｏｎは、緩変化処理が開始された時刻を示す。

開始時刻Ｔｏｎ後の期間Ａ３において、緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔは、許容値Ｉａｌｗの補正値を下回っているため、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１の出力電流を緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ以下に制限する。しかし、次の期間Ａ４では、緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔは、許容値Ｉａｌｗの補正値を上回っているため、矢印で示されるように、燃料電池１１の出力電流を許容値Ｉａｌｗの補正値以下に制限する。これにより、燃料電池１１に対して要求される電流値が低減される。

図１０は、燃料電池１１の出力電流の上限値の切り替え処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、例えば、図６に示された制御信号Ｓ３の生成処理（ステップＳｔ７）において実行される。

ＥＣＵ１０は、緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗの補正値（Ｉａｌｗ＋α）と緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔを比較する（ステップＳｔ４１）。ＥＣＵ１０は、Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ≦Ｉａｌｗ＋αが成立する場合（ステップＳｔ４１のＹｅｓ）、燃料電池１１の出力電流を緩変化処理後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ以下に制限する（ステップＳｔ４２）。つまり、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を施した後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔが、緩変化処理を施す前の許容値Ｉａｌｗに一定値αを加えて得た値以下である場合、燃料電池１１から出力される電流を、緩変化処理を施した後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ以下に制限する。

一方、Ｉａｌｗ＿ｆｌｔ＞Ｉａｌｗ＋αが成立する場合（ステップＳｔ４１のＮｏ）、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１の出力電流を緩変化処理前の許容値Ｉａｌｗの補正値以下に制限する（ステップＳｔ４３）。つまり、ＥＣＵ１０は、緩変化処理を施した後の許容値Ｉａｌｗ＿ｆｌｔが、緩変化処理を施す前の許容値Ｉａｌｗに一定値αを加えて得た値より大きい場合、燃料電池１１から出力される電流を、緩変化処理を施す前の許容値Ｉａｌｗに一定値αを加えて得た値以下に制限する。このようにして、燃料電池１１の出力電流の上限値の切り替え処理は行われる。

ＥＣＵ１０は、上記の処理で決定した上限値に応じて制御信号Ｓ３を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１６に出力する。これにより、燃料電池１１の出力電流が低減される。

これまで述べたように、本発明に係る燃料電池システム１は、燃料電池１１と、エアコンプレッサ１２と、フローメータ１３と、ＥＣＵ１０とを備える。燃料電池１１は、車両を駆動するモータＭに電流を出力する。エアコンプレッサ１２は、燃料電池１１に空気を供給する。

フローメータ１３は、エアコンプレッサ１２からの空気の流量を計測する。ＥＣＵ１０は、フローメータ１３の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御する処理を行う。ＥＣＵ１０は、計測値に応じて許容値Ｉａｌｗを決定し、燃料電池１１が出力する電流を、許容値Ｉａｌｗ以下に制限し、燃料電池１１に対する指令電流値Ｉｒｅｆに従って制御する処理を行う。

制御部１０は、指令電流値Ｉｒｅｆの所定時間内における変動幅が所定値Ｗ以下であり、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分が所定値Ｄｒｅｆ以下である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ｉａｌｗの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う。

上記の構成によると、ＥＣＵ１０は、フローメータ１３の計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御するので、計測値が変動する。

また、ＥＣＵ１０は、燃料電池１１が出力する電流を、計測値に応じた許容値Ｉａｌｗ以下に制限し、燃料電池１１に対する指令電流値Ｉｒｅｆに従って制御する。このため、燃料電池１１の出力電圧が、空気供給量の不足のために低下することが防止されるとともに、燃料電池１１から、要求に応じた電流が引き出される。

さらに、ＥＣＵ１０は、指令電流値Ｉｒｅｆの所定時間内における変動幅が所定値Ｗ以下であり、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分が所定値Ｄｒｅｆ以下である状態が、一定期間継続した場合に、許容値Ｉａｌｗの変動幅を縮小する緩変化処理を行う。このため、車両の速度の指令値が一定であって、許容値Ｉａｌｗが計測値に応じて変動する場合に、許容値Ｉａｌｗの所定時間内における変動幅が縮小される。

燃料電池１１は、車両を駆動するモータＭに電流を出力するため、許容値Ｉａｌｗの変動幅が縮小されることで、モータＭの駆動トルクの変動が低減される。

また、これまで述べたように、本発明に係る燃料電池システム１の制御方法は、以下のステップを含む。
（１）エアコンプレッサ１２から燃料電池１１に酸素を供給するステップ
（２）フローメータ１３によりエアコンプレッサ１２からの空気の流量を計測するステップ
（３）車両を駆動するモータＭに燃料電池１１から電流を出力するステップ
（４）フローメータ１３により計測された計測値が目標値に収束するようにエアコンプレッサ１２をフィードバック制御するステップ
（５）計測値に応じて許容値Ｉａｌｗを決定するステップ
（６）燃料電池１１が出力する電流を、許容値Ｉａｌｗ以下に制限し、燃料電池１１に対する指令電流値Ｉｒｅｆに従って制御するステップ
（７）指令電流値Ｉｒｅｆの所定時間内における変動幅が所定値Ｗ以下であり、指令電流値Ｉｒｅｆ及び許容値Ｉａｌｗの差分が所定値Ｄｒｅｆ以下である状態が、一定時間継続した場合に、許容値Ｉａｌｗの所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップ

本発明に係る燃料電池システム１の制御方法は、上記の燃料電池システム１と同様の構成を有するため、上記の内容と同様の作用効果を奏する。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１ 燃料電池システム
１０ ＥＣＵ
１１ 燃料電池
１２ エアコンプレッサ
１３ フローメータ
１６ ＤＣ−ＤＣコンバータ

Claims (5)

1. 車両を駆動するモータに電流を出力する燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給部と、
   前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測する流量計測部と、
   前記流量計測部の流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御する処理を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記流量計測値に応じて許容電流値を決定し、
   前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御する処理を行い、
   さらに、前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第２の所定値以下である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記許容電流値に対し、前記緩変化処理を開始する時点での前記許容電流値を初期値として前記緩変化処理を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記要求電流値の前記所定時間内における変動幅が前記第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が前記第２の所定値以下であり、さらに、前記流量計測値が第３の所定値より大きく、前記要求電流値が第４の所定値以上である状態が、一定期間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行う請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記緩変化処理を行う際に、前記燃料電池が出力する前記電流を、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に一定値を加えて得た値以下である場合、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値以下に制限し、前記緩変化処理を施した後の前記許容電流値が、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値より大きい場合、前記緩変化処理を施す前の前記許容電流値に前記一定値を加えて得た値以下に制限することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
5. 供給部から燃料電池に酸化ガスを供給するステップと、
   流量計測部により前記供給部からの前記酸化ガスの流量を計測するステップと、
   車両を駆動するモータに前記燃料電池から電流を出力するステップと、
   前記流量計測部により計測された流量計測値が流量目標値に収束するように前記供給部をフィードバック制御するステップと、
   前記流量計測値に応じて許容電流値を決定するステップと、
   前記燃料電池が出力する前記電流を、前記許容電流値以下に制限し、前記燃料電池に対する要求電流値に従って制御するステップと、
   前記要求電流値の所定時間内における変動幅が第１の所定値以下であり、前記要求電流値及び前記許容電流値の差分が第２の所定値以下である状態が、一定時間継続した場合に、前記許容電流値の前記所定時間内における変動幅を縮小する緩変化処理を行うステップとが実行される燃料電池システムの制御方法。

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