JP6174528B2 - ２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池から直接又は昇圧器を介してモータ等の負荷及び／又は蓄電装置に電力を供給すると共に、放電又は充電が可能な前記蓄電装置から直接又は電圧変換装置を介して前記モータ等の負荷に電力を供給する２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法、及び前記制御方法が実施される燃料電池自動車に関する。

従来から、例えば特許文献１の図１に示されるように、モータと該モータを駆動するインバータとを含む負荷と、燃料電池の出力端との間、及び前記インバータと、蓄電装置の入出力端との間、にそれぞれ昇降圧コンバータ（チョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータからなる第１電流・電圧制御器及び第２電流・電圧制御器）を設け、前記負荷（インバータと該インバータによる駆動されるモータ）を駆動するようにした２電源負荷駆動燃料電池システムを搭載する燃料電池自動車が知られている。

特許文献１の燃料電池自動車では、燃料電池及び蓄電装置の両方と前記負荷とを直結状態にすることで、前記第１及び第２電流・電圧制御器による電圧変換動作の実行を省略でき、電圧変換動作の実行に伴う電力損失の増大が抑制できる（特許文献１の段落［０００５］）。

特開２００５−３４８５３０号公報

ところで、特許文献１には、燃料電池及び蓄電装置の両方と前記負荷とを直結状態にする前提条件として、蓄電装置の残容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が満充電状態の開回路電圧｛ＯＣＶｍａｘ（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）｝と空充電状態の開回路電圧（ＯＣＶｍｉｎ）との間に燃料電池の平均出力電圧Ｖｆｃａｖｅ（発生頻度が最も高い走行状態）が含まれる（ＯＣＶｍａｘ＞Ｖｆｃａｖｅ＞ＯＣＶｍｉｎ）ように設定する技術が記載されている（特許文献１の段落［０００４］、［００２９］）。

しかしながら、燃料電池と蓄電装置との両方の直結状態においては、その出力｛両方直結状態での出力電圧である負荷端電圧（インバータの直流端側電圧）｝が不安定になり、改良の余地がある。

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、燃料電池と蓄電装置との両方が直結状態となることを防止して、インバータの直流端側電圧である負荷端電圧の不安定性の発生を回避すると共に、蓄電装置の入出力端とインバータの直流端側に接続される昇降圧コンバータの損失を低減することを可能とする２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法及び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２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法は、燃料電池電圧を出力する燃料電池と、蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、モータと、交流端側が前記モータに接続されるインバータと、前記燃料電池電圧を昇圧し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する昇圧コンバータと、前記蓄電装置電圧を昇圧し前記負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加するか、前記燃料電池電圧及び／又は前記モータの回生電圧に基づき前記インバータの直流端側に発生する前記負荷端電圧を降圧し前記蓄電装置に印加する昇降圧コンバータと、を備える２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法であって、前記蓄電装置電圧を検出する工程と、前記蓄電装置電圧を前記昇降圧コンバータでの昇圧を行わないで前記インバータの直流端側に前記負荷端電圧として印加する前記蓄電装置の直結状態の要求があるか否かを判定する工程と、前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定した場合に、前記蓄電装置のＳＯＣを増加させる工程と、を有する。

この発明によれば、燃料電池と蓄電装置とを有し、燃料電池電圧を昇圧する昇圧コンバータの出力端と蓄電装置に接続される昇降圧コンバータの昇圧端とをインバータの直流端側に接続しインバータの交流端側をモータに接続した２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法であって、昇降圧コンバータを昇圧も降圧もしないで蓄電装置を前記インバータの直流端側に直結状態にする場合、蓄電装置のＳＯＣを通常目標ＳＯＣより増加させ直結時目標ＳＯＣとすることで、燃料電池電圧よりも蓄電装置電圧を高く維持できることから燃料電池を直結状態にしないで燃料電池電圧を昇圧コンバータで昇圧しながら、蓄電装置のみの直結状態が可能となり、燃料電池電圧が制御できない状態になることが抑制され、両方直結状態の発生が防止できる。

従って、両方直結状態の発生を原因とするインバータの直流端側電圧である負荷端電圧の不安定性の発生を回避できると共に、蓄電装置側の昇降圧コンバータのスイッチング損失の発生頻度を少なくでき、２電源負荷駆動燃料電池システムの制御性を確保しながら電力効率を向上させることができる。

この場合、前記負荷端電圧は、前記モータの駆動時にはモータ要求電圧にされるものであり、前記蓄電装置の直結状態の要求があるか否かを判定する工程では、前記蓄電装置電圧と前記モータ要求電圧とを比較し、前記モータ要求電圧が前記蓄電装置電圧より低い場合に、前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定してもよい。

このように判定することで、蓄電装置電圧を、昇降圧コンバータでの昇圧を行わないでインバータの直流端側に負荷端電圧として印加する前記昇降圧コンバータの直結状態への遷移が可能か否かを簡便に判定できる。

さらに、前記燃料電池電圧の目標電圧である目標燃料電池電圧を算出する工程と、前記目標燃料電池電圧と前記蓄電装置電圧との電圧差を算出する工程と、を有し、前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定した場合に、前記蓄電装置のＳＯＣを増加させる工程は、算出された前記目標燃料電池電圧と前記蓄電装置電圧との電圧差が閾値以上であるときには、前記蓄電装置の前記ＳＯＣを維持したまま前記蓄電装置を直結状態にし、前記電圧差が前記閾値未満であるときには、前記蓄電装置の前記ＳＯＣを増加させる工程としてもよい。

すなわち、蓄電装置の直結状態の要求があると判定した場合に、目標燃料電池電圧と蓄電装置電圧との電圧差が閾値以上であるときには、前記蓄電装置のＳＯＣを通常目標ＳＯＣに維持したまま蓄電装置を直結状態にするので、モータの回生電力を蓄電装置に充電する余裕代を大きくできる。

上記の各発明は、燃料電池自動車で実施して好適である。

この発明によれば、燃料電池電圧を昇圧端側がインバータの直流端側に接続される昇圧コンバータにより制御しながら、昇圧端側がインバータの直流端側に接続され降圧端側が蓄電装置に接続される昇降圧コンバータを昇降圧状態にしないで蓄電装置のみの直結状態になるように蓄電装置のＳＯＣを通常より増加させることで、交流端側でモータを駆動するインバータの直流端側電圧となる蓄電装置電圧を高電圧に維持することができる。燃料電池電圧と蓄電装置電圧との差を大きくできるので、燃料電池のみを直結状態にでき昇降圧コンバータのスイッチング損失の発生頻度が低減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２電源負荷駆動燃料電池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。 図１例の燃料電池自動車中、昇圧コンバータと昇降圧コンバータの一例の詳細構成を含む模式的回路図である。 スイッチング素子の例としての電力素子の説明図である。 燃料電池のＩＶ特性図である。 実施形態の動作説明に供されるタイミングチャートである。 タイミングチャートの説明に供される図表である。 実施形態の動作説明に供されるフローチャートである。

以下、この発明に係る２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法について、これを実施する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ながら説明する。

図１は、２電源負荷駆動燃料電池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。

図２は、１次側１ｓｆと２次側２ｓ側との間に配置される燃料電池側コンバータであり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）、及び１次側１ｓｂと２次側２ｓ側との間に配置される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）の一例の詳細構成を含むＦＣ自動車１０の模式的回路図である。

図１及び図２に示すように、ＦＣ自動車１０は、ＦＣシステム１２と、車両走行用のモータ・ジェネレータである駆動モータ１４と、駆動モータ１４を駆動する負荷駆動回路１６（以下、「ＩＮＶ１６」という。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と、を有する。

ＦＣシステム１２は、一方の１次側１ｓｆに配置される燃料電池１８（以下、「ＦＣ１８」という。）と、他方の１次側１ｓｂに配置される高電圧バッテリ２０（以下「ＢＡＴ２０」という。）（蓄電装置）と、各直結時における直流電圧降下低減用のダイオード２５、２７と、前記ＳＵＣ２１と、前記ＳＵＤＣ２２と、高電圧入力の燃料電池補機（以下、「ＦＣ補機」という。）３１と、高電圧入力の車室内空気調和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、制御装置としての電子制御装置２４（以下、「ＥＣＵ２４」という。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を有する。

なお、ダイオード２５、２７は、ＳＵＣ２１の直結時、又はＳＵＤＣ２２の直結時（力行時）におけるＳＵＣ２１又はＳＵＤＣ２２の直流電圧降下を低減するために設けているので、ＦＣシステム１２の機能動作的には、省略可能である。

ＦＣ１８の出力端がダイオード２５のアノード端子側及びＳＵＣ２１の入力端（１次側１ｓｆ）に接続され、ダイオード２５のカソード端子側及びＳＵＣ２１の出力端（２次側２ｓ）がＩＮＶ１６の直流端側とＳＵＤＣ２２の一端（昇圧端側）側及びダイオード２７のカソード端子側に接続される。

ＢＡＴ２０の入出力端がＳＤＣ２３の入力側（１次側１ｓｂ）、ダイオード２７のアノード端子側、ＳＵＤＣ２２の他端側（降圧端側）、ＦＣ補機３１、及び空調補機３２に接続される。

ＳＤＣ２３の出力端側（２次側２ｓ）には、電圧Ｖｂｂ＝＋１２Ｖ等の低圧バッテリ２９と、ＥＣＵ２４及び低圧補機３３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。）という。

駆動モータ１４は、ＦＣ１８から供給されるＦＣ発電電力（ＦＣ電力）Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ）とＢＡＴ２０から供給されるＢＡＴ放電電力Ｐｂａｔｄ（Ｐｂａｔｄ＝Ｖｂａｔ×Ｉｂｄ）の合成電力値（Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ）に基づいてＩＮＶ１６を通じて駆動力を生成し、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からＳＵＣ２１を介してＦＣ電圧Ｖｆｃが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駆動モータ１４に供給する（力行時）。

ＩＮＶ１６は、また、ＢＡＴ２０からＳＵＤＣ２２を介してＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが昇圧された直流電圧である負荷端電圧Ｖｉｎｖを駆動モータ１４に供給する（力行時）。

駆動モータ１４は、ＦＣ１８及び／又はＢＡＴ２０の電力により駆動される（力行時）。

この実施形態において、ＩＮＶ１６と駆動モータ１４とを合わせて負荷３０という。

一方、駆動モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後のＩＮＶ１６の入力端（直流端側）に発生する負荷端電圧（直流端側電圧）Ｖｉｎｖは、ＳＵＤＣ２２を通じてバッテリ電圧Ｖｂａｔに降圧されてＢＡＴ２０に供給され、あるいはＳＵＤＣ２２が直結状態（スイッチング素子２２ｂ：オフ、スイッチング素子２２ｄ：オン）にされてＢＡＴ２０に供給され、ＢＡＴ２０を充電する。

また、ＢＡＴ２０には、ＦＣ１８による駆動モータ１４の駆動用の電力が余剰になった場合に、その余剰電力が、昇圧状態のＳＵＣ２１、及び昇圧状態又は直結状態のＳＵＤＣ２２を通じて供給され、ＢＡＴ２０が充電される。前記余剰電力は、余剰の程度に応じて、ＦＣ補機３１、及び空調補機３２にも供給される。

ＦＣ補機３１は、ＦＣ１８のアノード流路（不図示）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（不図示）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（不図示）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。

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、ＢＡＴ電圧（バッテリ電圧）Ｖｂａｔ、ＢＡＴ電流（バッテリ電流）Ｉｂ（放電電流Ｉｂｄ、充電電流Ｉｂｃ）、ＢＡＴ温度（バッテリ温度）、及びＢＡＴ２０の残容量であるＳＯＣがＥＣＵ２４により検出乃至管理される。

上記したように、ＦＣ１８のＦＣ電力Ｐｆｃは、ＦＣ電圧ＶｆｃがＳＵＣ２１を介して負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧されＩＮＶ１６を通じて駆動モータ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１ｓｂの各機器に分配される。

一方、ＢＡＴ２０のＢＡＴ放電電力Ｐｂａｔｄは、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔがＳＵＤＣ２２を通じて負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧され、ＩＮＶ１６を通じて駆動モータ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１ｓｂの各機器であるＦＣ補機３１、空調補機３２、及びＳＤＣ２３を通じてＥＣＵ２４及び低圧補機（低圧負荷）３３に供給される。

ここで、ＳＵＣ２１、ＳＵＤＣ２２及びＳＤＣ２３は、種々の構成を採用できるが、公知のように、基本的には、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。

具体的には、図２に示すように、ＳＵＣ２１は、リアクトル（インダクタ）２１ａと、スイッチング素子２１ｂとダイオード２１ｃ（単方向電流通過素子、逆方向電流阻止素子）と、１次側１ｓｆ間に配置される平滑コンデンサＣ１ｆと、２次側２ｓ間に配置される平滑コンデンサＣ２ｆとから構成され、コンバータ制御器として機能するＥＣＵ２４を通じてスイッチング素子２１ｂがスイッチング状態（デューティ制御）とされることで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。

なお、デューティ（駆動デューティ）が０［％］とされて、スイッチング素子２１ｂがオフ状態（開状態）に維持されると、リアクトル２１ａとダイオード２１ｃを通じてＦＣ１８と負荷３０とが直結状態（ＦＣ直結状態又はＦＣＶＣＵ直結状態という。）とされ、ＦＣ電圧Ｖｆｃが負荷端電圧Ｖｉｎｖに直結される（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ−Ｖｄ≒Ｖｆｃ、Ｖｄ＜＜Ｖｆｃ、Ｖｄ：ダイオード２１ｃ又はダイオード２５の順方向降下電圧）。ダイオード２１ｃは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、ＳＵＣ２１は、昇圧動作（力行時等）の他に逆流防止動作、直結動作（力行時等）を行う。なお、ＳＵＣ２１に並列に接続されているダイオード２５は、直結用且つ逆流防止用として動作する。

一方、ＳＵＤＣ２２は、図２に示すように、リアクトル２２ａと、スイッチング素子２２ｂ、２２ｄと、これらスイッチング素子２２ｂ、２２ｄにそれぞれ並列に接続されるダイオード２２ｃ、２２ｅと、１次側１ｓｂ間に配置される平滑コンデンサＣ１ｂと、２次側２ｓ間に配置される平滑コンデンサＣ２ｂとから構成される。

昇圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｄがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｂがスイッチング（デューティ制御）されることでＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ（蓄電電圧）が所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧される（力行時）。

降圧時には、ＥＣＵ２４により、スイッチング素子２２ｂがオフ状態とされ、スイッチング素子２２ｄがスイッチング（デューティ制御）されることで、スイッチング素子２２ｄがオフ状態であるときにダイオード２２ｃがフライホイールダイオードとして機能し、負荷端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔまで降圧される（回生充電時及び／又はＦＣ１８による充電時）。

また、スイッチング素子２２ｂをデューティが０［％］でのオフ状態、スイッチング素子２２ｄをデューティが１００［％］でのオン状態とすることで、ＢＡＴ２０と負荷３０とが直結状態（ＢＡＴ直結状態又はＢＡＴＶＣＵ直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時）とされる。

ＢＡＴ直結状態においては、ＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが負荷端電圧Ｖｉｎｖになる（Ｖｂａｔ≒Ｖｉｎｖ）。実際上、ＢＡＴ直結状態におけるＢＡＴ２０による力行時の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｂａｔ−ダイオード２２ｅ又はダイオード２７の順方向降下電圧」となり、充電時（回生充電時含む）の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｂａｔ＝Ｖｉｎｖ−スイッチング素子２２ｄのオン電圧＝Ｖｂａｔ（スイッチング素子２２ｄのオン電圧を０［Ｖ］と仮定した場合。）」になる。

なお、図３に示すように、スイッチング素子２１ｂ、２２ｂ、２２ｄには、上述したＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等の電力素子が用いられる。

ＦＣ１８は、図４のＩＶ（電流電圧）特性７０に示すように、ＦＣ電圧ＶｆｃがＦＣ開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖより低下するに従い、ＦＣ電流Ｉｆｃが増加する公知の電流電圧（ＩＶ）特性７０を有する。すなわち、ＦＣ電圧Ｖｆｃが相対的に高いＦＣ電圧ＶｆｃｈであるときのＦＣ電流Ｉｆｃｌに比較して、ＦＣ電圧Ｖｆｃが相対的に低いＦＣ電圧ＶｆｃｌであるときのＦＣ電流Ｉｆｃｈが大きな電流になる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃは、ＦＣ電流Ｉｆｃが大きくなるほど（ＦＣ電圧Ｖｆｃが低くなるほど）大きくなる。

ＦＣ１８のＦＣ電圧Ｖｆｃは、ＳＵＣ２１の直結時においては、昇圧状態（スイッチング状態）にあるＳＵＤＣ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｂａｔ）又は降圧状態（スイッチング状態）にあるＳＵＤＣ２２の降圧比（Ｖｂａｔ／Ｖｉｎｖ）で決定される負荷端電圧Ｖｉｎｖ｛ＳＵＤＣ２２の指令電圧（目標電圧）になる。｝により制御され、ＦＣ電圧Ｖｆｃが決定されると、ＩＶ特性７０に沿ってＦＣ電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

また、ＳＵＣ２１の昇圧時及びＳＵＤＣ２２の直結時においては、ＳＵＣ２１の１次側１ｓｆの電圧、すなわちＦＣ電圧ＶｆｃがＳＵＣ２１の指令電圧（目標電圧）とされ、ＩＶ特性７０に沿ってＦＣ電流Ｉｆｃが決定され、所望の負荷端電圧ＶｉｎｖとなるようにＳＵＣ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が決定される。

なお、この実施形態では、ＳＵＣ２１の昇圧時に、ＦＣ電圧Ｖｆｃが指令値（設定値、目標値）になるようにコンバータ制御器としてのＥＣＵ２４によりスイッチング素子２１ｂのデューティが調整されるフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御がなされているが、ＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃとの間にはＩＶ特性７０に基づく一意の関係があるのでＦＣ電流Ｉｆｃが指令値（設定値、目標値）になるようにＥＣＵ２４によりスイッチング素子２１ｂのデューティを調整するフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御をすることも可能である。

ＥＣＵ２４は、通信線６８（図２参照）を介して、駆動モータ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、駆動モータ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の状態及び駆動モータ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（駆動モータ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、駆動モータ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、ＥＣＵ２４による制御処理例について、理解の便宜のために、全期間Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、駆動モータ１４が力行状態にある図５のタイミングチャート、図６に示す前記タイミングチャートの説明図表、及び図７のフローチャートを参照して説明する。図５のタイミングチャートにおいて、破線で示すＢＡＴ電圧Ｖｂａｔｂは、比較例としての対策前ＢＡＴ電圧、破線で示すＦＣ電圧Ｖｆｃｂは、比較例としての対策前ＦＣ電圧、ＩＮＶ１６と駆動モータ１４（負荷３０）の合成損失である負荷損失Ｐｌｏｓｓｂは、対策前負荷損失である。

ＦＣ自動車１０では、ＦＣ１８の発電効率の観点、及びＦＣ１８の始動（非発電状態のＦＣ１８のＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔａｒになるまで）に時間がかかる等の観点から、イグニッションスイッチ（メインスイッチともいう。）がオン状態にされた後、走行中（信号待ち中も含む）、ＦＣ１８を連続的に発電させている。

このため、ＦＣ自動車１０では、ＦＣ１８の余剰発電電力を無駄なく利用するために、ＢＡＴ２０の目標ＳＯＣが、目標ＳＯＣ＝５０［％］程度に設定されている。この５０［％］程度の目標ＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒ（図５の一点鎖線参照）という。

時点ｔ０〜ｔ１の期間Ｉでは、図示しないアクセルペダルが徐々に踏み込まれ、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑ［ｋＷ］が徐々に増加している。

その期間Ｉでは、ＳＵＤＣ２２及びＳＵＣ２１がともにスイッチング状態の昇圧状態とされ、ＢＡＴ２０から放電電流Ｉｂｄが出力されるので、実線で示すＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが、徐々に低下し、実線で示すＢＡＴ２０のＳＯＣ［％］も徐々に低下する。

また、期間Ｉでは、ＢＡＴ２０の電力だけでは不足する分、ＦＣ１８の電力を増加するため、実線で示すＦＣ電圧Ｖｆｃが徐々に低下される。

負荷３０（ＩＮＶ１６と駆動モータ１４）の損失の合計である実線で示す負荷損失Ｐｌｏｓｓ［ｋＷ］は、基本的には、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑに比例するので、期間Ｉでは、徐々に増加する。

次いで、時点ｔ１〜ｔ２の期間ＩＩでは、図示しないアクセルペダルが徐々に戻され、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑが徐々に減少している。

その期間ＩＩでは、ＳＵＤＣ２２及びＳＵＣ２１がともにスイッチング状態の昇圧状態にされる。

時点ｔ１にて、ＢＡＴ２０は、放電状態から充電状態に切り替わるのでＢＡＴ電圧Ｖｂａｔは、階段状に跳ね上がり、以降時点ｔ２まで充電が継続されて徐々に増加する。

時点ｔ１〜ｔ２の期間ＩＩでは、ＢＡＴ２０のＳＯＣが一点鎖線で示す通常目標ＳＯＣｔａｒに向かって増加する。

期間ＩＩでは、ＦＣ１８の電力が徐々に低下され、ＦＣ電圧Ｖｆｃが徐々に増加する。

期間ＩＩでは、負荷損失Ｐｌｏｓｓは、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑの漸次低下に応じて漸次低下する。

図７のフローチャートは、全期間Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ中、所定時間毎にＥＣＵ２４により実行される。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は、各種スイッチ及び各種センサからの入力値｛Ｖｆｃ、Ｉｆｃ、Ｖｂａｔ、Ｉｂ、Ｖｉｎｖ、Ｉ２（ＩＮＶ１６に対する入出力電流、図１、図２参照）、Ｉｍ（駆動モータ１４に流れるモータ電流、通常２相分、図２参照）、Ｎｍ（駆動モータ１４の回転数）、θｐ（図示しないアクセルペダルの操作量）等｝を検出して、ＳＵＤＣ２２の直結要求の有無を判定する。

この実施形態において、ＳＵＤＣ２２の直結要求の有無は、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑが、一点鎖線で示す閾値電力Ｐｍｔｈ以下となった（Ｐｍｒｅｑ≦Ｐｍｔｈ）場合に、直結要求が「有り」と判定される。このＳＵＤＣ２２の直結要求の有無の判定は、モータ要求電圧が閾値電圧以下になったか否かにより判定することもできる。

この判定（Ｐｍｒｅｑ≦Ｐｍｔｈ）は、図５に示すように、時点ｔ２までは、否定的になり（ステップＳ１：ＮＯ）、その時点ｔ０〜ｔ２の期間Ｉ、ＩＩでは、ステップＳ２に示すように、ＳＵＤＣ２２が昇圧状態に維持されると共に、ＢＡＴ２０のＳＯＣが通常目標ＳＯＣｔａｒになるように充放電制御される。なお、上記したように、通常目標ＳＯＣｔａｒの値は、ＢＡＴ２０が力行（ＢＡＴ２０のみでの力行）、及び力行アシスト（ＦＣ１８との協働）ができ、且つ回生充電も可能な、例えば、４０［％］〜５５［％］程度のうちの所定値に設定される。所定値は、車種やＢＡＴ２０の容量、種類等によって予め実験乃至シミュレーション等により決定される。

時点ｔ２にて、図５に示すように、Ｐｍｒｅｑ≦Ｐｍｔｈが成立すると、ＳＵＤＣ２２の直結要求が有る（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定される。

このとき、ステップＳ３にて、ＦＣ１８に要求される目標電力を発生するためのＦＣ電圧Ｖｆｃ（ＦＣ目標電圧）と、現在のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとを比較し、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔに比較して閾値電圧（閾値）Ｖｔｈ以上高い電圧である（Ｖｆｃ−Ｖｂａｔ≧Ｖｔｈ）か、否かを判定する。

ステップＳ３の判定が否定的である（ステップＳ３：ＮＯ）とき、すなわち、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔに閾値電圧Ｖｔｈを足した電圧よりも低い電圧（Ｖｆｃ＜Ｖｂａｔ＋Ｖｔｈ）であるときには、ＳＵＤＣ２２を直結状態（スイッチング素子２２ｂをオフ状態、スイッチング素子２２ｄをオン状態）としても、ＦＣ電圧Ｖｆｃが十分に低い電圧であるので、ＦＣ電圧Ｖｆｃを、昇圧状態のＳＵＣ２１で制御可能であると判定する。

この場合（ステップＳ３：ＮＯ）、時点ｔ２以降の期間ＩＩＩ、ＩＶでは、ステップＳ４にて、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒから一点鎖線で示す直結時目標ＳＯＣｔａｒａに増加させる。ここで、直結時目標ＳＯＣｔａｒａは、通常目標ＳＯＣｔａｒの４０［％］に対応して５０［％］、通常目標ＳＯＣｔａｒの５５［％］に対応して７０［％］程度に設定する。このように設定することで、ＳＵＤＣ２２の直結時（ＢＡＴ２０の直結時）に、より高いＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを負荷端電圧Ｖｉｎｖとして供給することができる。

この場合、時点ｔ２〜ｔ３の期間ＩＩＩでは、ＦＣ電力Ｐｆｃを増加させる（ＦＣ１８の目標発電電力を増加させる）ために、ＦＣ電圧Ｖｆｃを、比較的急に低下させる。これにより、ＦＣ１８の余剰電力がＢＡＴ２０に比較的急に充電されＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが比較的急に増加する。結果として、ＢＡＴ２０のＳＯＣ（対策後）（図５参照）が通常目標ＳＯＣｔａｒ近傍から直結時目標ＳＯＣｔａｒａに向かって比較的急に増加する。

時点ｔ３にて、ＢＡＴ２０のＳＯＣが概ね直結時目標ＳＯＣｔａｒａになると、ＦＣ電力Ｐｆｃの増加は停止され、時点ｔ３以降の期間ＩＶでは、略一定のＦＣ電圧Ｖｆｃに保持される（以上、ステップＳ４）。

その結果、時点ｔ３にて、ＢＡＴ２０への充電量が階段状に低下されることになり、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが階段状に低下し、時点ｔ３以降、モータ要求電力Ｐｍｒｅｑが徐々に低下しているので、その低下分がＢＡＴ２０のＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの緩やかな増加分とされ、ＢＡＴ２０のＳＯＣが直結時目標ＳＯＣｔａｒａに概ね保持される。

一方、ステップＳ３の判定が、肯定的である（ステップＳ３：ＹＥＳ）とき、すなわち、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔに閾値電圧Ｖｔｈを足した電圧以上の電圧である場合、仮にＢＡＴ２０の目標ＳＯＣを直結時目標ＳＯＣｔａｒａまで上げてＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを増加させたとすると、ＳＵＤＣ２２を直結状態にしたときに、ＳＵＣ２１も直結状態になる両方直結状態になる可能性が高く、結果として、ＳＵＣ２１によりＦＣ電圧Ｖｆｃを制御できなくなる。このため、ステップＳ３の判定が肯定的である（ステップＳ３：ＹＥＳ）ときには、ステップＳ２にて、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒに維持し、ＳＵＤＣ２２を直結状態にする制御を行う。これにより、ＦＣ１８の目標発電電力が増加されることもない。この場合（ステップＳ１：ＹＥＳ→ステップＳ３：ＹＥＳ→ステップＳ２）、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、ＥＣＵ２４を通じて昇圧状態のＳＵＣ２１により制御可能である。

［実施形態のまとめ及び変形例］
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、ＦＣ電圧Ｖｆｃを出力するＦＣ１８と、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを出力するＢＡＴ２０と、駆動モータ１４と、交流端側が駆動モータ１４に接続されるＩＮＶ１６と、ＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧し負荷端電圧ＶｉｎｖとしてＩＮＶ１６の直流端側に印加する昇圧コンバータとしてのＳＵＣ２１と、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを昇圧し負荷端電圧ＶｉｎｖとしてＩＮＶ１６の直流端側に印加するか、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び／又は駆動モータ１４の回生電圧に基づきＩＮＶ１６の直流端側に発生する負荷端電圧Ｖｉｎｖを降圧しＢＡＴ２０に印加する昇降圧コンバータとしてのＳＵＤＣ２２と、を備える。

上述した実施形態に係るＦＣシステム１２の制御方法は、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを検出する工程（ステップＳ１）と、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔをＳＵＤＣ２２での昇圧を行わないでＩＮＶ１６の直流端側に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして印加するＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）の直結状態の要求があるか否かを判定する工程（ステップＳ１）と、ＳＵＤＣ２２（ＢＡＴ２０）の直結状態の要求がある（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定した場合に、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒから直結時目標ＳＯＣｔａｒａに増加させる工程（ステップＳ４）と、を有する。

このように、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒから直結時目標ＳＯＣｔａｒａに増加させることで、ＦＣ電圧ＶｆｃよりもＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを高く保持できることからＦＣ１８を直結状態にしないＢＡＴ２０のみの直結状態（時点ｔ２以降の期間ＩＩＩ、期間ＩＶ）が可能となり、結果として、両方直結状態を防止できる。このためＩＮＶ１６の直流端側電圧である負荷端電圧Ｖｉｎｖの不安定性の発生を回避できると共に、ＳＵＤＣ２２でのスイッチング損失の発生を無くすことができ、２電源負荷駆動燃料電池システムとしてのＦＣシステム１２の効率を向上させることができる。

この場合、負荷端電圧Ｖｉｎｖは、駆動モータ１４の駆動時（力行時）にはモータ要求電圧（モータ要求電力Ｐｍｒｅｑに比例）にされるものであり、ＢＡＴ２０（ＳＵＤＣ２２）の直結状態の要求の有無を判定する工程（ステップＳ１）では、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔと前記モータ要求電圧とを比較し、モータ要求電圧が低い場合に、ＢＡＴ２０（ＳＵＤＣ２２）の直結状態の要求がある（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定するようにすればよい。

このように判定することで、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを、ＳＵＤＣ２２での昇圧を行わないでＩＮＶ１６の直流端側に負荷端電圧Ｖｉｎｖとして印加するＳＵＤＣ２２の直結状態への遷移が可能か否かを簡便に判定できる。

さらに、ＦＣ電圧Ｖｆｃの目標電圧である目標燃料電池電圧としてのＦＣ電圧Ｖｆｃを算出する工程（ステップＳ３）と、このＦＣ電圧ＶｆｃとＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとの電圧差Ｖｆｃ−Ｖｂａｔを算出する工程（ステップＳ３）と、を有し、ＢＡＴ２０（ＳＵＤＣ２２）の直結状態の要求がある（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定した場合に、ＢＡＴ２０のＳＯＣを増加させる工程（ステップＳ２又はステップＳ４）は、電圧差Ｖｆｃ−Ｖｂａｔが閾値電圧Ｖｔｈ以上であるとき（ステップＳ３：ＹＥＳ）には、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒに維持したままＢＡＴ２０（ＳＵＤＣ２２）を直結状態にし、電圧差Ｖｆｃ−Ｖｂａｔが閾値Ｖｔｈ未満である（ステップＳ３：ＮＯ）ときには、ＳＵＤＣ２２を昇圧状態から直結状態に遷移させ、且つＢＡＴ２０のＳＯＣを直結時目標ＳＯＣｔａｒａに増加させる工程（ステップＳ４）とする。

このように、ＢＡＴ２０（ＳＵＤＣ２１）の直結状態の要求がある（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定した場合に、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（目標ＦＣ電圧）とＢＡＴ電圧Ｖｂａｔとの電圧差Ｖｆｃ−Ｖｂａｔが閾値Ｖｔｈ以上であるときには、ＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒに維持したまま直結するので、駆動モータ１４の回生発電時に、回生電力をＢＡＴ２０に充電するＢＡＴ２０のＳＯＣの余裕代を大きくすることができる。

この実施形態による対策前の技術（比較例に係る技術）では、ＢＡＴ２０のＳＯＣを制御してＳＵＤＣ２２の直結頻度を増加させることができないので（図５に示すように、対策前の技術では、全期間Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶで、ＳＵＤＣ２２の状態が、破線で示すように昇圧状態なので）、日本のＪＣ０８モード走行時や、米国等で採用されているＬＡ＃４モード走行時等のモード走行時においてはＳＵＤＣ２２の損失が嵩み、燃費が低下するという課題があった。

これに対して、この実施形態による対策後の技術では、ＳＵＤＣ２２の直結中にはＢＡＴ２０のＳＯＣを通常目標ＳＯＣｔａｒから直結時目標ＳＯＣｔａｒａ（ＳＯＣｔａｒａ＞ＳＯＣｔａｒ）まで上げることで、高電圧にしたＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを負荷３０に供給できるようにしたので、前記のモード走行時に期間ＩＩＩ、ＩＶでは、ＳＵＤＣ２２の損失を低減できると共に、負荷損失Ｐｌｏｓｓを負荷損失Ｐｌｏｓｓｂから負荷損失Ｐｌｏｓｓに低減でき、燃費を増加させることができる。

なお、図５に示したタイミングチャートでは、駆動モータ１４の力行時を例として説明しているが、駆動モータ１４の回生時に、ＳＵＤＣ２２を直結にしていてＢＡＴ電圧Ｖｂａｔが高い方が、負荷端電圧Ｖｉｎｖが高くなるので、負荷損失Ｐｌｏｓｓが小さくなり、有利である。

また、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…駆動モータ １６…負荷駆動回路
１８…燃料電池 ２０…高電圧バッテリ（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）
２４…ＥＣＵ

Claims (4)

1. 燃料電池電圧を出力する燃料電池と、
   蓄電装置電圧を出力する蓄電装置と、
   モータと、
   交流端側が前記モータに接続されるインバータと、
   前記燃料電池電圧を昇圧し負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加する昇圧コンバータと、
   前記蓄電装置電圧を昇圧し前記負荷端電圧として前記インバータの直流端側に印加するか、前記燃料電池電圧及び／又は前記モータの回生電圧に基づき前記インバータの直流端側に発生する前記負荷端電圧を降圧し前記蓄電装置に印加する昇降圧コンバータと、
   を備える２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法であって、
   前記蓄電装置電圧を検出する工程と、
   前記蓄電装置電圧を前記昇降圧コンバータでの昇圧を行わないで前記インバータの直流端側に前記負荷端電圧として印加する前記蓄電装置の直結状態の要求があるか否かを判定する工程と、
   力行状態において、前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定した場合に、前記蓄電装置のＳＯＣを増加させる工程と、
   を有することを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法において、
   前記負荷端電圧は、前記モータの駆動時にはモータ要求電圧にされるものであり、
   前記蓄電装置の直結状態の要求があるか否かを判定する工程では、
   前記蓄電装置電圧と前記モータ要求電圧とを比較し、前記モータ要求電圧が前記蓄電装置電圧より低い場合に、前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定する
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項１に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法において、
   さらに、前記燃料電池電圧の目標電圧である目標燃料電池電圧を算出する工程と、
   前記目標燃料電池電圧と前記蓄電装置電圧との電圧差を算出する工程と、
   を有し、
   前記蓄電装置の直結状態の要求があると判定した場合に、前記蓄電装置のＳＯＣを増加させる工程は、
   算出された前記目標燃料電池電圧と前記蓄電装置電圧との電圧差が閾値以上であるときには、前記蓄電装置の前記ＳＯＣを維持したまま前記蓄電装置を直結状態にし、前記電圧差が前記閾値未満であるときには、前記蓄電装置の前記ＳＯＣを増加させる工程とする
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムの制御方法を実施する燃料電池自動車。

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