JP6174553B2 - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池自動車 - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池と、蓄電装置と、1次側電圧としての蓄電装置電圧と2次側電圧としてのモータ駆動電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、前記2次側電圧により駆動され前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するエアポンプと、を有する燃料電池システムの制御方法及び該制御方法を実施す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、1次側電圧としての蓄電装置電圧を2次側電圧としてのモータ駆動電圧に変換してモータ駆動部に印加する電圧変換装置を備える燃料電池システムが開示されている。
この特許文献1の燃料電池システムには、前記2次側電圧がエアポンプ駆動電圧としてエアポンプ駆動部にも印加され、前記エアポンプ駆動部を介して、エアポンプから燃料電池に酸化剤ガスを供給する技術が開示されている。
特開2005−348530号公報
しかしながら、特許文献1に開示された燃料電池システムでは、エアポンプ駆動電圧の制御については何ら考慮がなされていないため、エアポンプ駆動電圧が不足し燃料電池の発電電力が目標発電電力よりも低下してしまう場合があるという課題がある。燃料電池の発電電力が目標発電電力よりも低下した場合には、モータの動力性能が低下し、燃料電池自動車のドライバビリティが悪化する。
また、燃料電池の負荷としてのモータが低負荷状態である場合に、モータ駆動電圧を優先してエアポンプ駆動電圧を決定した場合には、燃料電池システムの効率(システム効率という。)が悪化するという課題もある。
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、エアポンプ駆動電圧が不足して燃料電池の発電電力が目標発電電力よりも低下し、モータの動力性能が低下してしまうことを防止すると共に、負荷としてのモータが低負荷である場合にシステム効率を向上させることの可能な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。
この発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電し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、モータ駆動部を通じて駆動されるモータと、1次側電圧としての前記蓄電装置電圧と、前記モータ駆動部に印加される2次側電圧としてのモータ駆動電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、エアポンプ駆動部を通じて駆動されるエアポンプと、を有し、前記エアポンプは、前記2次側電圧が印加される前記エアポンプ駆動部を通じて駆動されると、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の目標発電電力に応じて前記エアポンプ駆動部に印加が必要なエアポンプ必要電圧を設定するエアポンプ必要電圧設定工程と、前記エアポンプ必要電圧を満足するように、前記電圧変換装置の前記2次側電圧を設定する電圧変換装置電圧設定工程と、を備える。
この発明によれば、エアポンプ必要電圧を満足するように、電圧変換装置の2次側電圧を設定するので、エアポンプ駆動電圧が不足して燃料電池の発電電力が目標発電電力より低下し、モータの動力性能が低下してしまうことを防止できる。
この場合、前記モータの駆動要求に応じてモータ必要電圧を設定するモータ必要電圧設定工程と、前記モータ必要電圧と前記エアポンプ必要電圧とを比較する電圧比較工程と、をさらに有し、前記電圧変換装置電圧設定工程では、前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より高い電圧である場合には、前記モータ必要電圧を前記電圧変換装置の前記2次側電圧に設定し、前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より低い電圧である場合には、エアポンプ必要電圧を満足する範囲で、前記燃料電池電圧、前記蓄電装置電圧、及び前記エアポンプ必要電圧のうち、最も高い電圧を前記電圧変換装置の前記2次側電圧に設定することが好ましい。
このように、モータ必要電圧がエアポンプ必要電圧より高い電圧である場合には、モータ必要電圧を電圧変換装置の2次側電圧に設定することで、モータの動力性能を確保する一方、モータ必要電圧がエアポンプ必要電圧より低い電圧である場合には、モータ必要電圧ではなくエアポンプ必要電圧を満足する範囲で、前記電圧変換装置の2次側電圧、すなわちエアポンプ駆動電圧を設定するようにしたので、低負荷時(エアポンプ必要電圧>モータ必要電圧)のシステム効率を向上させることができる。
また、前記燃料電池システムは、前記燃料電池電圧と前記2次側電圧との間で、昇圧状態又は直結状態に切り替えられる他の電圧変換装置をさらに備え、前記制御方法は、前記燃料電池システムから外部に給電を行う外部給電の有無を判定する外部給電有無判定工程をさらに有し、前記外部給電が行われると判定された場合に、外部給電電力に応じた前記燃料電池の発電電力を発電可能なエアポンプ必要電圧を算出するエアポンプ必要電圧算出工程と、をさらに有し、前記電圧変換装置電圧設定工程では、前記蓄電装置電圧と前記燃料電池電圧と前記エアポンプ必要電圧とのうち、最も高い電圧を前記2次側電圧に設定するようにしてもよい。
このように、モータの駆動が不要な外部給電時にエアポンプ必要電圧を電圧変換装置の2次側電圧に設定するようにしたので、燃料電池の発電電力により効率のよい外部給電を行うことができる。
なお、外部給電時には、電圧変換装置制御工程をさらに有し、前記電圧変換装置制御工程では、前記蓄電装置の電力収支がゼロ値となるように、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の昇降圧状態と直結状態を制御するようにすることで、効率のよい外部給電を燃料電池の発電電力により連続して行うことができる。
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、エアポンプ必要電圧を満足するように、電圧変換装置の2次側電圧を設定するので、エアポンプ駆動電圧が不足して燃料電池の発電電力が目標発電電力より低下し、モータの動力性能が低下してしまうことを防止できる。
また、燃料電池の負荷としてのモータが低負荷状態である場合に、エアポンプ駆動電圧を優先して決定するので、低負荷時のシステム効率を向上させることができる。
この発明の実施形態に係る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。 燃料電池のIV特性図である。 この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。 この実施形態の動作説明に供されるフローチャートである。 モータ要求電力と、モータ必要電圧との関係を示す特性図である。 エアポンプ要求回転数と、エアポンプ必要電圧との関係を示す特性図である。 この実施形態の変形例1の動作説明に供されるフローチャートである。 この実施形態の変形例2の動作説明に供されるフローチャートである。 この実施形態の変形例3の動作説明に供されるフローチャートである。 外部給電時の節電優先処理の詳細フローチャートである。 図12Aは、この実施形態の燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概念図、図12Bは、他の実施形態の燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概念図である。
以下、この発明に係る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、この実施形態に係る燃料電池システム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第1電圧変換装置(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蓄電装置側コンバータであり第2電圧変換装置(昇降圧器)としてのチョッパ方式の双方向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(モータ駆動部)としてのインバータ16(以下、「INV16」という。INV:Inverter)と、外部給電器34と、を有する。
FCシステム12は、基本的には、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に配置される蓄電装置である高電圧バッテリ20(以下「BAT20」という。)と、前記SUC21と、前記SUDC22と、高電圧(2次側電圧V2)入力のエアポンプユニット40と、外部給電器34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。
エアポンプユニット40は、FC18に空気を圧送するエアポンプ(A/P)31と、エアポンプモータ29と、エアポンプモータ29を通じてエアポンプ31を駆動するエアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23とから構成される。
外部給電器34は、外部給電コネクタ36が接続される外部給電駆動部としての外部給電インタフェース(外部給電I/F)32と、図示しないイグニッションスイッチの走行可能位置(ドライブ位置)と択一的に切り替えられる外部給電位置でのみオン状態(閉状態)になる外部給電スイッチ33とから構成される。外部給電スイッチ33は、イグニッションスイッチの走行可能位置等ではオフ状態(開状態)になる。
FC自動車10の駐車時等に外部給電コネクタ36に外部負荷(External Load)35が給電コード(給電線)39を通じて接続(装着)され、外部給電スイッチ33がオン状態にされると、外部給電状態とされ、FC18のFC電力(発電電力)Pfcが、SUC21、SUDC22、外部給電スイッチ33、外部給電I/F32、外部給電コネクタ36、及び給電コード39を通じて外部負荷35に供給される。なお、外部負荷35には、基本的に、外部給電I/F32を通じて、FC電力Pfcのみが供給されるように設定される。結果として、BAT電圧Vbatが充放電のない開放回路電圧(Open Circuit Voltage、OCV電圧)に設定される。
外部給電I/F32は、1次側電圧V1を外部給電電圧Vextに変換する機能を有するが、外部負荷35が家屋等である場合には、商用交流電圧に変換して供給する。なお、外部給電電圧Vextは、外部給電I/F32を、例えば降圧コンバータ{SDC(Step Down Converter)}で構成して一定電圧の直流電圧で供給するようにし、前記家屋側にインバータ(直流電圧・商用交流電圧変換器)を設けて外部負荷35に供給するように変更してもよい。なお、外部負荷35の大きさは、コスト等の観点から、通常、駆動モータ14等の負荷30を含むFC自動車10の内部負荷の大きさに比較して、1/2〜1/100程度内の大きさの低負荷に設定される。
FC18の出力端がSUC21の入力端(1次側1sf)に接続され、SUC21の出力端(2次側2s)がINV16及びエアポンプインバータ23(INV23)の直流端側とSUDC22の一端(高圧端側)側に接続される。
SUDC22の他端側(低圧端側)にBAT20の入出力端が接続される。このBAT20の入出力端には、図示しない降圧コンバータを通じて、+12V等の低圧バッテリや、ECU24及びライト等の低圧補機が接続される。
走行時に、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から供給される蓄電電力であるBAT放電電力Pbatd(Pbatd=Vbat×Ibd)の合成電力値(Pfc+Pbatd)がINV16を通じて供給されることで駆動力を生成し、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2次側電圧V2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前記2次側電圧V2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)。
つまり、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。実際上、燃料電池システム12の負荷には、負荷30の他に、エアポンプユニット40、図示しない空調装置、及び前記した低圧補機が含まれる。
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)の2次側2sに発生する2次側電圧(直流端側電圧)V2は、降圧コンバータとして動作するSUDC22を通じてBAT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FC電力Pfcが余剰になった場合に、その余剰電力が、昇圧状態のSUC21又は直結状態のSUC21を介し、降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。
エアポンプ駆動部としてのエアポンプインバータ23も、例えば3相フルブリッジ型の構成とされてエアポンプモータ29を駆動する。エアポンプモータ29の出力により駆動されるエアポンプ31は、そのファンが回転されることによりFC18のカソード流路(不図示)に対して流路入口から酸素を含む圧縮した空気(酸化剤ガス)を供給する。
さらに、FC18の外部に、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37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前記酸化剤ガス(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、すなわち膜含水率(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(State Of Charge)がECU24により検出乃至管理される。
上記したように、走行時に、FC18のFC電力Pfcは、SUC21を介しINV16を通じて駆動モータ14に供給されると共に、エアポンプインバータ23、及びエアポンプモータ29を通じてエアポンプ31に供給される(力行時)。
上記したように、外部給電スイッチ33がオン状態の外部給電中は、FC電力Pfcが、直結状態又は昇圧状態のSUC21を通じ、降圧状態又は直結状態のSUDC22を通じて外部給電器34に供給される。外部給電中は、FC電力Pfcのみが、SUC21、及びSUDC22を通じて外部給電I/F32の入力端に供給されるように制御される。
一方、外部給電時ではない走行時や起動時には、BAT20のBAT放電電力Pbatdが、SUDC22を介しINV16を通じて駆動モータ14に供給される(力行時)と共に、FC自動車10の起動時等にエアポンプユニット40に供給される。
ここで、SUC21、及びSUDC22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2次側電圧V2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2次側電圧V2に直結される(V2=Vfc−Vd≒Vfc、Vd<<Vfc、Vd:ダイオード21c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。
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(蓄電装置電圧)が所定の2次側電圧V2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、2次側電圧V2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2次側電圧V2になる(Vbat≒V2)。実際上、BAT直結状態におけるBAT20による力行時の2次側電圧V2は、「Vbat−ダイオード22eの順方向降下電圧」となり、充電時(回生充電時含む)の2次側電圧V2は、「Vbat=V2−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、スイッチング素子21b、22b、22dには、図示しているMOSFETの他、IGBT等の電力素子が用いられる。
また、FCシステム12において、それぞれ図示はしないが、SUC21の直結時(FC18の直結時と同意)、又はSUDC22の直結時(力行時)(BAT20の直結時と同意)におけるSUC21又はSUDC22の直流電圧降下を低減するために、SUC21の1次側1sfにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオード及び/又はSUDC22の1次側1sbにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオードを設けてもよい。
FC18は、図3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(V2/Vbat)又は降圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の降圧比(Vbat/V2)で決定される2次側電圧V2{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2次側電圧V2となるようにSUC21の昇圧比(V2/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、エアポンプユニット40、及び外部給電器34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。
ここで、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が前記ROMに記録されている前記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、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、エアポンプユニット40、外部給電I/F32、FC18、BAT20、SUC21、及びSUDC22を制御する。すなわち、ECU24は、FC18、BAT20、負荷30、外部給電器34及び低圧補機を含めた燃料電池自動車10全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
さらに、ECU24は、FC自動車10を車両としてではなく外部給電システムとして利用する際には、FC18の状態、BAT20の状態、及び外部負荷35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外部給電システム全体としてFCシステム12に要求される負荷(負荷電力)からFC18、BAT20、SUC21、SUDC22、エアポンプユニット40及び外部給電器34を制御する。すなわち、ECU24は、FC18、及びBAT20を含めた燃料電池システム12全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
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、図4のタイミングチャート及び図5のフローチャートを参照して説明する。なお、図5に示すフローチャートに係るプログラムの実行主体は、ECU24のCPUである。
図4において、縦軸の項目は、上側から順に、エアポンプ31の要求回転数(エアポンプ要求回転数)Napreq[rpm]、このエアポンプ要求回転数Napreqを満足するためのエアポンプ必要電圧Vapd[V]、FC18の目標電力(FC目標電力)Pfctar、再掲したエアポンプ必要電圧Vapd[V]、2次側電圧V2、BAT電圧Vbat、FC電圧Vfc、及びFC直結フラグFfcを示し、各波形は、それぞれの時間変化を示している。FC直結フラグFfcは、BAT20側の電圧変換装置であるSUDC22の動作状態を示し、ローレベルがSUC21の昇圧状態、ハイレベルがSUC21の直結状態を示している。
図5のフローチャートのステップS1にて、ECU24は、モータ必要電圧Vmdと、エアポンプ必要電圧Vapdを算出する。
モータ必要電圧Vmdを算出する場合、ECU24は、まず、駆動モータ14のモータ要求電力Pmreq[kW]を、アクセルペダル操作量θpと車速Vs[km/h]に応じて、モータ回転数Nm[rpm]に対する必要トルクTreq[N・m]の特性・マップ(不図示)を参照して算出する。次に、図6に示す特性72を参照して、モータ要求電力Pmreqに比例するモータ必要電圧Vmdを算出する。モータ必要電圧Vmdは、モータ要求電力Pmreqを実現するためのインバータ16の直流端に印加されるSUC21又はSUDC22の2次側電圧V2の最低必要電圧である。
エアポンプ必要電圧Vapdは、エアポンプ要求回転数Napreqに基づき算出される。この場合、まず、前記のモータ要求電力Pmreq(外部給電の場合には、Pmreq=0)、又は外部給電電力Pext及び図示しない空調装置等の補機の要求電力を賄うFC18の目標発電電力Pfctarを算出し、次に、この目標発電電力Pfctarを発電するのに必要なFC18に供給する目標エア流量を発生可能なエアポンプ要求回転数Napreqを算出し、次いで、このエアポンプ要求回転数Napreqに基づきエアポンプ必要電圧Vapdを算出する。この場合、水素流量は、基本的には、目標発電電力Pfctarに対応して設定され、例えば、水素流量が増加すると水素タンク37からレギュレータ(不図示)を通じて供給される水素の供給量が増加するように構成されている。
なお、エアポンプ必要電圧Vapdは、エアポンプ要求回転数Napreqに基づいて算出(決定)する他に、エアポンプ目標消費電力やエアポンプトルクに基づいて算出(決定)してもよい。
図7は、エアポンプ要求回転数Napreq[rpm]とエアポンプ必要電圧Vapd[V]との関係を表す特性74を示している。特性74は、予め実験乃至シミュレーションにより求められECU24内の記憶装置に記憶されている。
エアポンプ必要電圧Vapdが、閾値電圧Vapthからエアポンプ上限電圧Vapmaxまでの電圧範囲(Vapth≦Vapd≦Vapmax)に設定されると、エアポンプユニット40の性能保証範囲とされ、定格範囲(最小回転数Napmin〜最大回転数Napmaxの間)でエアポンプ31を使い切ることができる。エアポンプ必要電圧Vapdが、閾値電圧Vapthからエアポンプ下限電圧Vapminの電圧範囲(Vapmin≦Vapd≦Vapth)に設定されると、エアポンプユニット40の動作保証範囲とされ、特性74に沿った定格範囲(最小回転数Napmin〜最大回転数Napmaxの間の所定回転数)にエアポンプ31の回転数(エアポンプ回転数Nap)が制限(性能が制約)される。
また、エアポンプ必要電圧Vapdは、閾値電圧Vapth以下の電圧から動作保証最小回転数Napminに対応するエアポンプ下限電圧Vapminまでの電圧では、動作保証範囲とされエアポンプ31の性能が制約される。
次いで、ステップS2にて、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ必要電圧Vapdより大きいか否かが判定される。
モータ必要電圧Vmdがエアポンプ必要電圧Vapdより大きい(Vmd>Vapd、ステップS2:YES)場合、走行電力優先のステップSrun(S3〜S7)の処理が実行される。
この場合、まず、ステップS3にて、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ上限電圧Vapmaxより小さいか否かが判定される。
モータ必要電圧Vmdがエアポンプ上限電圧Vapmaxより小さい(Vmd<Vapmax、ステップS3:YES)場合、ステップS4にて、2次側電圧V2をモータ必要電圧Vmdに設定(V2=Vmd)する。そして、ステップS5にて、SUC21及びSUDC22を共に昇圧状態としてFC電圧Vfcを2次側電圧V2=Vmdに昇圧すると共に、BAT電圧Vbatを2次側電圧V2=Vmdに昇圧する。これにより、商品性(ここではドライバビリティ)が確保される。
ステップS3にて、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ上限電圧Vapmaxより大きい(Vmd≧Vapmax、ステップS3:NO)場合、エアポンプユニット40を保護するために、ステップS6にて、2次側電圧V2をエアポンプ上限電圧Vapmaxに設定(V2=Vapmax)する。そして、ステップS7にて、SUC21及びSUDC22を共に昇圧状態としてFC電圧Vfcを2次側電圧V2=Vapdに昇圧すると共に、BAT電圧Vbatを2次側電圧V2=Vapdに昇圧する。
このように、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ必要電圧Vapdより高い場合(ステップS2:YES、Vmd>Vapd)には、エアポンプ駆動電圧Vapとなる2次側電圧V2を、ステップS4(V2=Vmd)又はステップS6(V2=Vapmax)のように制御しているので、エアポンプ駆動電圧Vapが不足してFC18のFC電力Pfcが目標発電電力Pfctarより低下することを防止できる。
一方、ステップS2にて、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ必要電圧Vapdより小さいと判定された(Vmd≦Vapd、ステップS2:NO)場合、エアポンプユニット40(エアポンプ31)の効率を優先した節電処理(エアポンプ効率優先処理)のステップSeco(S8〜S14)が実行される。
この場合、まず、ステップS8にて、FC電圧VfcとBAT電圧Vbatとエアポンプ必要電圧Vapdとの大小関係が判定される。
ステップS8の大小判定にて、次の(1)式に示す判定が肯定的となった場合、
Vapd>Vfc 又は Vapd>Vbat …(1)
ステップS9にて、2次側電圧V2をエアポンプ必要電圧Vapdに設定し(V2=Vapd)、ステップS10にて、図4の時点t0〜時点t3の期間に示すように、SUC21によりFC電圧Vfcをエアポンプ必要電圧Vapdに昇圧すると共に、SUDC22によりBAT電圧Vbatをエアポンプ必要電圧Vapdまで昇圧する。これによりエアポンプ要求回転数Napreqが確保されると共に、モータ必要電圧Vmd(Vmd≦Vapd)も確保される。
ステップS8にて、次の(2)式に示す判定が肯定的となった場合、
Vfc>Vapd 且つ Vfc>Vbat …(2)
ステップS11にて、2次側電圧V2をFC電圧Vfcに設定し(V2=Vfc)、SUC21の直結フラグFfcを、昇圧を意味するローレベルから直結を意味するハイレベルに設定し、ステップS12にて、図4の時点t3〜時点t4の期間に示すように、スイッチング素子21bをオフ状態にすることで、SUC21を直結状態にし、2次側電圧V2をFC電圧Vfcにする。この場合、SUDC22によりBAT電圧Vbatをエアポンプ必要電圧Vapd、すなわちFC電圧Vfcまで昇圧する。これにより、この場合にも、エアポンプ要求回転数Napreqが確保されると共に、モータ必要電圧Vmdが確保される。しかも、SUC21が直結状態となっているのでSUC21のスイッチング損失がゼロ値となりシステム効率が向上する。
ステップS8にて、次の(3)式に示す判定が肯定的となった場合、
Vbat>Vapd 且つ Vbat>Vfc …(3)
ステップS13にて、2次側電圧V2をBAT電圧Vbatに設定し(V2=Vbat)、SUDC22の図示しない直結フラグFbatを、昇圧を意味するローレベルから直結を意味するハイレベルに設定し、ステップS14にて、スイッチング素子22b、22dをオフ状態にすることで、SUDC22を直結状態にし、2次側電圧V2をBAT電圧Vbatにする。この場合、SUC21によりFC電圧Vfcをエアポンプ必要電圧Vapd、すなわちBAT電圧Vbatまで昇圧する。これにより、この場合にも、エアポンプ要求回転数Napreqが確保されると共に、モータ必要電圧Vmdも確保される。しかも、SUDC22が直結状態となっているのでSUDC22のスイッチング損失がゼロ値となりシステム効率が向上する。
[変形例1]
上述した図5のフローチャートは、図8のフローチャートに代替してもよい。この変形例1では、図5のフローチャート中のステップS2の判定を、図8のフローチャートのステップS2aの判定に変更している。
すなわち、ステップS2aでは、モータ要求電力Pmreqが低負荷と判定できる低負荷電力閾値Plthより小さいか否かを判定し、小さい場合(ステップS2a:YES、Pmreq<Plth)には、上述した節電優先処理のステップSeco(ステップS8〜ステップS14)のエアポンプ31(エアポンプユニット40)の効率を優先した処理を行う。
大きい場合(ステップS2a:NO、Pmreq≧Plth)には、上述した走行電力優先処理のステップSrun(ステップS3〜ステップS7)のモータ駆動を優先させた処理を行う。
ここで、低負荷電力閾値Plthは、例えば、駆動モータ14が回生中であるか否かを判定する0[kW](Plth=0[kW])、又は1〜10[kW]程度の値に設定する。
[変形例2]
上述した図5のフローチャートは、図9のフローチャートに代替してもよい。この変形例2では、図5のフローチャート中のステップS2の判定を、図9のフローチャートのステップS2bの判定に変更している。
すなわち、ステップS2bでは、負荷30の平均効率Hmmeanが、エアポンプユニット40の平均効率Hapmeanより小さいか否かを判定し、小さい場合(ステップS2b:YES、Hmmean<Hapmean)には、上述した節電優先処理のステップSeco(ステップS8〜ステップS14)のエアポンプ31(エアポンプユニット40)の効率を優先した処理を行う。
大きい場合(ステップS2b:NO、Hmmean≧Hapmean)には、上述した走行電力優先処理のステップSrun(ステップS3〜ステップS7)のモータ駆動を優先させた処理を行う。
ここで、負荷30の平均効率Hmmean、及びエアポンプユニット40の平均効率Hapmeanは、日本のJC08モード走行や、米国等で採用されているLA#4モード走行等を行った場合の負荷30の効率(負荷30への供給電力に対する負荷30の実際の消費電力の比)の平均値(又は移動平均値)及びエアポンプユニット40の効率(エアポンプユニット40への供給電力に対するエアポンプユニット40の実際の消費電力の比)の平均値(又は移動平均)を予め求めておき、モード走行中にステップS2bの比較処理を行えばよい。
なお、この変形例2では、エアポンプユニット40の電力と図示しない空調装置の電力を併せた高圧補機の平均効率(これもHmmean)と負荷30の負荷平均効率Hmmeanを比較するようにしてもよい。
[変形例3]
上述した図5のフローチャートは、図10のフローチャートに代替してもよい。この変形例3では、図5のフローチャート中のステップS2の判定を、図10のフローチャートのステップS2cの判定に変更している。
すなわち、ステップS2cでは、車両10が外部給電中であるか走行中であるかを判定し、走行中である場合(ステップS2c:走行中)には、上述した走行電力優先処理のステップSrun(ステップS3〜ステップS7)のモータ駆動を優先させた処理を行う。
その一方、スイッチ33がオン状態とされた外部給電中である場合(ステップS2c:外部給電中)には、上述した節電優先処理のステップSeco(ステップS8〜ステップS14)に対応する図11に示す外部給電中の節電優先処理のステップSeco´(ステップS8、S9、S10´、S11、S12´、S13、S14´)のエアポンプ31(エアポンプユニット40)の効率(駆動)を優先した処理を行う。
ステップS8の大小判定にて、上記(1)式に示した判定が肯定的(Vapd>Vfc 又は Vapd>Vbat)となった場合、ステップS9にて、2次側電圧V2をエアポンプ必要電圧Vapdに設定し(V2=Vapd)、ステップS10´にて、SUC21によりFC電圧Vfcをエアポンプ必要電圧Vapdに昇圧すると共に、SUDC22にてエアポンプ必要電圧VapdをBAT電圧Vbatまで降圧する。これにより外部負荷35にはFC電力PfcがSUC21、SUDC22及び外部給電I/F32を通じて供給されBAT20からの電流(電力)の出力(供給)をゼロ値にすることができる。この場合、BAT電圧Vbatは、開放回路電圧(Open Circuit Voltage、OCV電圧)になるので、BAT20の充放電損失もゼロ値になる。
ステップS8にて、上記(2)式に示した判定が肯定的(Vfc>Vapd 且つ Vfc>Vbat)となった場合、ステップS11にて、2次側電圧V2をFC電圧Vfcに設定し(V2=Vfc)、ステップS12´にて、SUC21を直結させると共に、SUDC22にてFC電圧VfcをBAT電圧Vbatまで降圧する。これにより外部負荷35にはFC電力Pfcが直結状態のSUC21及びSUDC22を通じて供給され、この場合にも、BAT20からの電流(電力)の出力(供給)をゼロ値にすることができる。
ステップS8にて、上記(3)式に示した判定が肯定的(Vbat>Vapd 且つ Vbat>Vfc)となった場合、ステップS13にて、2次側電圧V2をBAT電圧Vbatに設定し(V2=Vbat)、ステップS14´にて、SUC21にてFC電圧VfcをBAT電圧Vbatまで昇圧すると共に、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)にする。これにより外部負荷35にはFC電力PfcがSUC21及び直結状態のSUDC22を通じて供給されBAT20からの電流(電力)の出力(供給)をゼロ値にすることができる。
[実施形態のまとめ及びさらなる変形例]
以上説明したように、上述した実施形態は、SUC21とSUDC22の2つの電圧変換装置を有し、エアポンプ31が、SUDC22の2次側2sに配置されているFCシステム12のエネルギマネジメント制御に関するものである。エアポンプ31を備えるエアポンプユニット40を2次側2sに配置した場合、エアポンプ駆動電圧Vapとモータ駆動電圧Vmの電圧が等しくなる。そこで、モータ必要電圧Vmdを設定する際に、エアポンプ必要電圧Vapdを考慮して設定している。これにより、エアポンプ必要電圧Vapdが確保でき、動力性能が不足する事態が発生することがない。
より詳しく説明すると、上述した実施形態に係るFCシステム12は、酸化剤ガスと水素を反応させて発電しFC電圧Vfcを出力するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC18のFC電圧Vfcを電圧変換(昇圧)し2次側電圧V2としてインバータ16の直流端側に印加する第1電圧変換装置としてのSUC21と、BAT20のBAT電圧Vbatを電圧変換(昇圧)し2次側電圧V2としてインバータ16の直流端側に印加する第2電圧変換装置としてのSUDC22と、エアポンプインバータ23及びエアポンプモータ29を通じて駆動されるエアポンプ31と、を有し、エアポンプ31は、2次側電圧V2が印加されるエアポンプインバータ23及びエアポンプモータ29を通じて駆動されると、前記酸化剤ガスとしての空気をFC18に供給(圧送)するFCシステム12である。
このFCシステム12の制御方法は、FC18の目標発電電力Pfctarに応じてエアポンプインバータ23に印加が必要なエアポンプ必要電圧Vapdを設定するエアポンプ必要電圧設定工程(ステップS1)と、エアポンプ必要電圧Vapdを満足するように、SUC21及びSUDC22の2次側電圧V2を設定する電圧変換装置電圧設定工程(ステップS5、S7、S9、S10、S10´、S11、S12、S12´、S13、S14、S14´)と、を備える。
この実施形態によれば、エアポンプ必要電圧Vapdを満足するように、SUC21及びSUDC22の2次側電圧V2を設定するので、エアポンプ駆動電圧Vapが不足してFC18のFC電力Pfcが目標発電電力Pfctarよりも低下してしまうことが防止される。また、駆動モータ14が低負荷状態である場合には、エアポンプ必要電圧Vapdが2次側電圧V2に設定されるので、システム効率を向上させることができる。
この場合、駆動モータ14の駆動要求に応じてモータ必要電圧Vmdを設定するモータ必要電圧設定工程(ステップS1)と、モータ必要電圧Vmdとエアポンプ必要電圧Vapdとを比較する電圧比較工程(ステップS2)と、をさらに有し、電圧変換装置電圧設定工程では、モータ必要電圧Vmdがエアポンプ必要電圧Vapdより高い電圧である場合には、モータ必要電圧VmdをSUC21及びSUDC22の2次側電圧V2に設定し(ステップS4)、エアポンプ必要電圧Vapdがモータ必要電圧Vmdより高い電圧である場合には、FC電圧Vfc、BAT電圧Vbat、及びエアポンプ必要電圧Vapdのうち、最も高い電圧をSUC21及びSUDC22の2次側電圧V2に設定する(ステップS9、S11、S13)。
このように、簡便な方法でエアポンプ必要電圧Vapdを確保することができる。
ここで、FCシステム12から外部に給電を行う外部給電の有無を判定する外部給電有無判定工程(ステップS2c)をさらに有し、前記外部給電が行われると判定された場合に、外部給電電力Pextに応じたFC電力Pfcを発電可能なエアポンプ回転数Napを設定するエアポンプ回転数設定工程(ステップS1、ステップSeco´)と、設定されたエアポンプ回転数Napに基づいて、エアポンプ必要電圧Vapdを算出するエアポンプ効率要求電圧算出工程と、BAT電圧Vbat、FC電圧Vfc、及びエアポンプ必要電圧Vapdのうち、最も高い電圧を2次側電圧V2に設定し、BAT20の電力収支(充放電)がゼロ値となるように、SUC21及びSUDC22の昇降圧状態及び直結状態を選択する電圧変換装置制御工程を設けるようにしてもよい。
このように、駆動モータ14の駆動が不要な外部給電時にエアポンプ必要電圧VapdをSUC21及びSUDC22の2次側電圧V2に設定するようにしたので、FC電力Pfcにより効率のよい外部給電を行うことができる。
また、この発明は、図12Aに示す上記した実施形態に係るFCシステム12を有するFC自動車10に適用することに限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、図12Bの概念図に示すように、SUC21を省略したFCシステム12Aを有するFC自動車10Aに適用する等、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10、10A…燃料電池自動車(FC自動車)
12、12A…燃料電池システム(FCシステム)
14…駆動モータ 16…インバータ(INV)
18…燃料電池(FC) 20…蓄電装置、高電圧バッテリ(BAT)
21…昇圧コンバータ(昇圧器、電圧変換装置、SUC)
22…昇降圧コンバータ(昇降圧器、電圧変換装置、SUDC)
23…エアポンプインバータ 24…ECU
31…エアポンプ 32…外部給電I/F
33…外部給電スイッチ 34…外部給電器
40…エアポンプユニット

Claims (5)

  1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電し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、
    モータ駆動部を通じて駆動されるモータと、
    1次側電圧としての前記蓄電装置電圧と、前記モータ駆動部に印加される2次側電圧としてのモータ駆動電圧との間で電圧変換を行う電圧変換装置と、
    他の1次側電圧としての前記燃料電池電圧と、前記2次側電圧との間で、昇圧状態又は直結状態に切り替えられる他の電圧変換装置と、
    エアポンプ駆動部を通じて駆動されるエアポンプと、を有し、
    前記エアポンプは、前記2次側電圧が印加される前記エアポンプ駆動部を通じて駆動されると、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムから外部に給電を行う外部給電の有無を判定する外部給電有無判定工程と、
    前記外部給電が行われると判定された場合に、外部給電電力に応じた前記燃料電池の目標発電電力に応じて前記エアポンプ駆動部に印加が必要なエアポンプ必要電圧を算出するエアポンプ必要電圧算出工程と、
    前記エアポンプ必要電圧を満足するように、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の前記2次側電圧を設定する電圧変換装置電圧設定工程と、を有し、
    前記電圧変換装置電圧設定工程では、
    前記蓄電装置電圧と前記燃料電池電圧と前記エアポンプ必要電圧とのうち、最も高い電圧を前記2次側電圧に設定する
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  2. 請求項1に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記外部給電が行われないと判定された場合、
    前記モータの駆動要求に応じてモータ必要電圧を設定するモータ必要電圧設定工程と、
    前記モータ必要電圧と前記エアポンプ必要電圧とを比較する電圧比較工程と、をさらに有し、
    前記電圧変換装置電圧設定工程では、
    前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より高い電圧である場合には、前記モータ必要電圧を前記電圧変換装置の前記2次側電圧に設定し、
    前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より低い電圧である場合には、エアポンプ必要電圧を満足する範囲で、前記燃料電池電圧、前記蓄電装置電圧、及び前記エアポンプ必要電圧のうち、最も高い電圧を前記電圧変換装置の前記2次側電圧に設定する
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  3. 請求項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    電圧変換装置制御工程をさらに有し、
    前記電圧変換装置制御工程では、
    前記蓄電装置の電力収支がゼロ値となるように、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の昇降圧状態と直結状態を制御する
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  4. 酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電し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、
    モータ駆動部を通じて駆動されるモータと、
    1次側電圧としての前記蓄電装置電圧と、前記モータ駆動部に印加される2次側電圧としてのモータ駆動電圧との間で昇圧状態、降圧状態、又は直結状態に切り替えられる電圧変換装置と、
    他の1次側電圧としての前記燃料電池電圧と、前記2次側電圧との間で、昇圧状態又は直結状態に切り替えられる他の電圧変換装置と、
    エアポンプ駆動部を通じて駆動されるエアポンプと、を有し、
    前記エアポンプは、前記2次側電圧が印加される前記エアポンプ駆動部を通じて駆動されると、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の目標発電電力に応じて前記エアポンプ駆動部に印加が必要なエアポンプ必要電圧を設定するエアポンプ必要電圧設定工程と、
    前記エアポンプ必要電圧を満足するように、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の前記2次側電圧を設定する電圧変換装置電圧設定工程と、
    前記モータの駆動要求に応じてモータ必要電圧を設定するモータ必要電圧設定工程と、
    前記モータ必要電圧と前記エアポンプ必要電圧とを比較する電圧比較工程と、をさらに有し、
    前記電圧変換装置電圧設定工程では、
    前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より高い電圧である場合には、前記モータ必要電圧を前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の前記2次側電圧に設定して、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置をともに昇圧状態に切り替え、
    前記モータ必要電圧が前記エアポンプ必要電圧より低い電圧である場合には、エアポンプ必要電圧を満足する範囲で、前記燃料電池電圧、前記蓄電装置電圧、及び前記エアポンプ必要電圧のうち、最も高い電圧を前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置の前記2次側電圧に設定し、
    最も高い電圧が前記エアポンプ必要電圧である場合には、前記電圧変換装置及び前記他の電圧変換装置をともに昇圧状態に切り替え、最も高い電圧が前記燃料電池電圧である場合には、前記電圧変換装置は昇圧状態のまま前記他の電圧変換装置を前記直結状態に切り替え、最も高い電圧が前記蓄電装置電圧の場合には、前記他の電圧変換装置は昇圧状態のまま前記電圧変換装置を前記直結状態に切り替える
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の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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