JP6260705B2 - 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

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Description

この発明は、燃料電池から出力される電力をインバータによってモータに供給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に関する。
ＪＰ５０６２５１８Ｂには、ＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池の電圧を制御して、燃料電池から出力される電力をインバータに供給する燃料電池システムが開示されている。
上述のような燃料電池システムは、アクセルペダルの操作に応じて燃料電池に要求される電力が大きくなるほど、燃料電池の電圧を低くして燃料電池からモータに出力される電力を増加させる。
しかしながら、燃料電池の電解質膜が乾燥した状態では、ドライバからの加速要求を受けたときに、燃料電池の電圧をインバータの電圧下限値まで下げたとしても、燃料電池のＩＶ特性が悪いため、燃料電池からモータに供給される電力が不足してしまう。
このような状態では、燃料電池から出力される電流が制限されるため、燃料電池で生成される水蒸気量も制限され、電解質膜が湿った状態になるまでに時間を要する。このため、モータからの要求電力が増加する加速中であっても、燃料電池の発電性能が回復せずにドライバビリティの低下した状態が継続されてしまう。
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、モータの要求電力が増加するときに燃料電池の発電性能を迅速に改善させ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。
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、バッテリと、負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータとを含む。また燃料電池システムは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御部を含む。そして燃料電池システムは、前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御部を含む。
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図３は、燃料電池スタックの湿潤状態に応じて変化するＩＶ特性を示す図である。 図４は、燃料電池スタックの下限電圧を演算する構成を示すブロック図である。 図５は、駆動モータのトルク特性を示す図である。 図６は、燃料電池スタックの下限電圧を緩和する緩和電圧の算出手法を示す図である。 図７は、燃料電池スタックの電圧を緩和電圧まで下げることによって実現可能となるトルク領域を示す観念図である。 図８は、本実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図９は、燃料電池スタックの下限電圧を演算する処理を示すフローチャートである。 図１０は、燃料電池スタックの下限電圧を緩和する処理を示すフローチャートである。 図１１は、ドライバからの加速要求を実現できるか否かを判定する処理を示すフローチャートである。 図１２は、ＩＮＶ性能保証電圧よりも低い緩和電圧を設定するマップを示す図である。 図１３は、緩和電圧の下限値からモータ要求トルクを実現できる電圧に移行させる手法を示すタイムチャートである。 図１４は、燃料電池スタックの電圧を車両の加速中に緩和電圧まで下げたときの燃料電池スタックの発電性能の変化を示すタイムチャートである。 図１５は、バッテリによって燃料電池スタックの発電をアシストしたときの駆動モータに供給可能な電力を示すタイムチャートである。 図１６は、本発明の第２実施形態における燃料電池スタックの下限電圧を復帰させる手法を示す図である。 図１７は、本発明の第３実施形態におけるスタック下限電圧演算処理を示すフローチャートである。 図１８は、燃料電池スタックのＨＦＲと下限電圧との関係を示すマップである。 図１９は、ＨＦＲに応じて変化する燃料電池スタックの下限電圧を示す図である。 図２０は、本発明の第４実施形態におけるスタック下限電圧演算処理を示すフローチャートである。
以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部からカソードガス及びアノードガスを供給するとともに燃料電池スタック１を電気負荷に応じて発電させる電源システムである。本実施形態では燃料電池システム１００は車両に搭載されている。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、バッテリ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、インバータ４と、駆動モータ５と、内部抵抗測定装置６と、コントローラ７とを含む。
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための電極端子として、カソード電極側に正極端子１Ａが設けられ、アノード電極側に負極端子１Ｂが設けられている。
燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜とにより構成される。燃料電池では、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とが電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極では、以下の電気化学反応が進行する。
アノード電極 ： ２Ｈ2 → ４Ｈ+ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋ Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ・・・（２）
上記（１）及び（２）の電気化学反応によって、起電力が生じるとともに水が生成される。燃料電池スタック１では積層された各燃料電池が互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が、燃料電池スタック１の出力電圧（例えば数百ボルト）となる。
燃料電池スタック１には、図示していないカソードガス給排装置及びアノードガス給排装置によって、カソードガス及びアノードガスが供給される。
カソードガス給排装置は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置は、カソードガスを供給するコンプレッサや、カソードガスの圧力を調整する調圧弁などにより構成される。
アノードガス給排装置は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１からアノードオフガスを排出する。アノードガス給排装置は、アノードガスが貯蔵された高圧タンクから燃料電池スタック１にアノードガスを供給する調圧弁や、燃料電池スタックからアノードオフガスを排出するパージ弁などにより構成される。
燃料電池スタック１は、インバータ４に加えてＤＣ／ＤＣコンバータ３に接続される。燃料電池スタック１は、インバータ４を介して駆動モータ５に電力を供給するとともに、例えば図示されていない補機にも電力を供給する。燃料電池スタック１の補機は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するコンプレッサや、燃料電池スタック１に冷却水を循環させるポンプなどがある。補機は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３とバッテリ２との間に接続される。
燃料電池スタック１には、スタック電流センサ１１とスタック電圧センサ１２とが接続されている。
スタック電流センサ１１は、燃料電池スタック１の正極端子１Ａに接続され、駆動モータ５によって燃料電池スタック１から取り出される電流を検出する。スタック電流センサ１１は、検出した電流を示す検出信号をコントローラ７に出力する。以下では、燃料電池スタック１から取り出される電流のことを「スタック電流」という。
スタック電圧センサ１２は、燃料電池スタック１の正極端子１Ａと負極端子１Ｂとの間に接続され、正極端子１Ａと負極端子１Ｂとの間に生じる電圧を検出する。スタック電圧センサ１２は、検出した電圧を示す検出信号をコントローラ７に出力する。以下では、燃料電池スタック１から出力される電圧のことを「スタック電圧」という。ここにいうスタック電圧とは、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧のことを意味する。
バッテリ２は、燃料電池スタック１の発電を補助する二次電池である。バッテリ２は、例えばリチウムイオンバッテリにより実現される。バッテリ２は、燃料電池スタック１の電力が不足したときにバッテリ２から電力が放電される。
燃料電池スタック１の発電電力が不足する状況としては、駆動モータ５の要求電力が増加するとき、特に車両を加速させる場合や、燃料電池スタック１の発電特性が改善していないとき、例えば燃料電池システム１００の起動直後などが想定される。
バッテリ２には、バッテリ電流センサ２１とバッテリ電圧センサ２２とが接続されている。バッテリ電流センサ２１は、バッテリ２の正極端子に接続され、バッテリ２から放電される電流を検出する。バッテリ電圧センサ２２は、バッテリ２の正極端子と負極端子との間に生じる端子間電圧を検出する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、燃料電池スタック１とバッテリ２との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、燃料電池スタック１の電圧とバッテリ２の電圧とを互いに変換する双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、コントローラ７によって制御される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、予め定められた電圧範囲を超えないように、バッテリ２から出力される電力を用いて、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧を上昇又は下降させる。燃料電池スタック１の電圧を上昇又は下降させることにより、燃料電池スタック１から出力される出力電流、すなわち発電電力（出力電流×出力電圧）が減少又は増加する。
インバータ４は、燃料電池スタック１及びバッテリ２のうち少なくとも一方の電源から出力される電力を交流電力に変換し、その交流電力を駆動モータ５に供給する。本実施形態では、燃料電池スタック１からインバータ４に電力が供給され、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３によってバッテリ２からも電力がインバータ４に供給される。
駆動モータ５は、インバータ４から出力される交流電流によって回転駆動する電動モータである。本実施形態では、駆動モータ５は、車両を駆動する三相交流モータにより実現される。
駆動モータ５には、駆動モータ５を構成するロータの回転速度を検出するモータ回転速度センサ５１と、駆動モータ５のトルクを検出するモータトルクセンサ５２とが設けられている。モータ回転速度センサ５１及びモータトルクセンサ５２は、それぞれ検出信号をコントローラ７に出力する。
内部抵抗測定装置６は、燃料電池スタック１の湿潤状態を検出するために、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定する。
具体的には、内部抵抗測定装置６は、燃料電池スタック１に所定周波数の交流電流を供給し、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する。内部抵抗測定装置６は、その燃料電池スタック１の出力電圧と出力電流の各交流成分の振幅を演算し、出力電圧の振幅を出力電流の振幅により除算することにより、燃料電池スタック１のＨＦＲ、すなわち内部抵抗を算出する。
なお、内部抵抗測定装置６の代わりに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３から所定周波数の交流電流を燃料電池スタック１に供給して、スタック電流センサ１１及びスタック電圧センサ１２の検出信号を用いて燃料電池スタック１のＨＦＲを測定するようにしてもよい。内部抵抗測定装置６は、測定したＨＦＲを示す信号をコントローラ７に出力する。
コントローラ７は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
コントローラ７には、上述した内部抵抗測定装置６、スタック電流センサ１１、スタック電圧センサ１２、バッテリ電流センサ２１、バッテリ電圧センサ２２、モータ回転速度センサ５１、及びモータトルクセンサ５２からの各検出信号がそれぞれ入力される。これらのセンサの他にも、コントローラ７には、燃料電池スタック１の発電を制御するのに必要となる各種センサからの検出信号が入力される。
他のセンサとしては、車速を計測する車速センサ７１や、アクセルペダルの踏み込み量を検出してアクセル開度を算出するアクセル開度センサ７２などがある。また図示していないが、バッテリ２の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）を検出するＳＯＣセンサや、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求又は停止要求を検出するキーセンサなどがある。
コントローラ７は、各種センサからの検出信号に基づいて、燃料電池スタック１からインバータ４に供給される発電電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて制御する。
図２は、燃料電池システム１００を制御するコントローラ７の機能構成を示すブロック図である。
コントローラ７は、モータ要求トルク演算部１１０と、モータ要求電力演算部１２０と、コンバータ制御電圧演算部１３０と、スタック下限電圧演算部２００とを含む。
モータ要求トルク演算部１１０は、駆動モータ５に要求されるトルクを演算する。以下では、駆動モータ５に要求されるトルクのことを「モータ要求トルク」又は「要求トルク」という。
本実施形態では、モータ要求トルク演算部１１０は、車速センサ７１により検出される車速と、アクセル開度センサ７２により検出されるアクセル開度とに基づいて、モータ要求トルクを算出する。
モータ要求トルク演算部１１０には、アクセル開度と車速とモータ要求トルクとの関係を示すトルクマップが予め記憶されている。モータ要求トルク演算部１１０は、アクセル開度と車速とを取得すると、トルクマップを参照し、取得したアクセル開度と車速とにより特定される運転点に対応付けられたモータ要求トルクを算出する。
モータ要求トルク演算部１１０は、算出されたモータ要求トルクを、スタック下限電圧演算部２００とモータ要求電力演算部１２０とに出力する。
モータ要求電力演算部１２０は、モータ要求トルクに基づいて、駆動モータ５から燃料電池スタック１に要求される発電電力を演算する。以下では、燃料電池スタック１に要求される発電電力のことを「モータ要求電力」という。
本実施形態では、モータ要求電力演算部１２０には、モータ要求トルクとモータ要求電力との関係を示す要求電力マップが予め記憶されている。モータ要求電力演算部１２０は、モータ要求トルクを取得すると、要求電力マップを参照し、取得したモータ要求トルクに対応付けられたモータ要求電力を算出する。
そして、モータ要求電力演算部１２０は、バッテリ２のＳＯＣから放電可能電力を求め、その放電可能電力をモータ要求電力から減算した値をモータ要求電力としてコンバータ制御電圧演算部１３０に出力する。また、燃料電池スタック１から補機に発電電力を供給する場合には、モータ要求電力演算部１２０は、モータ要求電力に補機の消費電力を加算した値を、モータ要求電力として出力する。
スタック下限電圧演算部２００は、スタック要求トルク、スタック発電特性情報、及び、モータ回転速度に基づいて、燃料電池スタック１の下限電圧を演算する。
スタック発電特性情報は、燃料電池スタック１の電流電圧特性が、駆動モータ５を駆動するのに必要となる定格電力を実現できる特性であるか否かを判定するためのパラメータである。定格電力とは、駆動モータ５を予め定められた使用範囲で駆動するのに必要となる電力の上限値のことである。
スタック発電特性情報としては、例えば、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態や、燃料電池スタック１の温度、燃料電池スタック１の出力電力などが挙げられる。以下では、燃料電池スタック１の電流電圧特性のことを単に「ＩＶ特性」という。
スタック下限電圧演算部２００は、燃料電池スタック１のＩＶ特性が良好であるときには、駆動モータ５の使用範囲での駆動を保証するインバータ４の電圧下限値をコンバータ制御電圧演算部１３０に出力する。以下では、駆動モータ５の使用範囲での駆動を保証するインバータ４の電圧下限値を「ＩＮＶ性能保証電圧」という。
コンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧がＩＮＶ性能保証電圧よりも低下しないように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧を演算する。
また、コンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１の発電電力がモータ要求電力となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の電圧を算出する。燃料電池スタック１の発電電力としては、例えば、スタック電流センサ１１の検出値とスタック電圧センサ１２の検出値とを乗算した値が用いられる。
このようにコンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧がＩＮＶ性能保証電圧よりも下がらないように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する電圧制御部を構成する。
コンバータ制御電圧演算部１３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧を、スタック制御電圧としてＤＣ／ＤＣコンバータ３に出力する。これにより、燃料電池スタック１の発電電力とモータ要求電力との偏差が小さくなるように、燃料電池スタック１の電圧が調整される。
このように、コントローラ７は、モータ要求トルクに応じてモータ要求電力を求め、そのモータ要求電力に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧を低下させる。これにより、燃料電池スタック１から、ドライバの要求に応じた電力がインバータ４を介して駆動モータ５に供給される。
しかしながら、燃料電池スタック１のＩＶ特性が良好でないときには、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧をＩＮＶ性能保証電圧まで下げたとしても、駆動モータ５の駆動に必要となる要求電力を確保できないことがある。
例えば、燃料電池スタック１内の電解質膜が乾燥した状態や、燃料電池スタック１の温度が氷点温度よりも低い状態では、燃料電池スタック１のＩＶ特性が低下する。
上述したような燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック１の停止後に電解質膜に付着した生成水が凍結して燃料電池が劣化することを防止するため、燃料電池スタック１の停止処理中に電解質膜を乾燥させる乾燥運転が実行される。そのため、燃料電池システムが再起動された時点では電解質膜が乾燥した状態になっている。
図３は、燃料電池スタック１の湿潤状態及び乾燥状態のときのＩＶ特性を示す図である。図３では、横軸が燃料電池スタック１の出力電流を示し、縦軸が燃料電池スタック１の出力電流を示す。
図３には、実線によって燃料電池スタック１の電解質膜が湿っている湿潤状態のときのＩＶ特性が示され、一点鎖線によって燃料電池スタック１の電解質膜が乾燥している乾燥状態のときのＩＶ特性が示されている。ここでは、電解質膜が湿潤状態のときの燃料電池スタック１のＨＦＲを「Ｒｄ」と表わし、電解質膜が乾燥状態のときの燃料電池スタック１のＨＦＲを「Ｒｗ」と表わしている。
図３に示すように、燃料電池スタック１が湿潤状態のときには、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに達した時点で、燃料電池スタック１から駆動モータ５に定格電力Ｖｔが供給される。
一方、燃料電池スタック１が乾燥状態のときには、湿潤状態のときに比べてＩＶ特性が低下しているため、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで低下しても、スタック電流が小さく、燃料電池スタック１から駆動モータ５に定格電力Ｖｔが供給されない。
このため、ドライバの加速要求によって、アクセルペダルの踏み込み量が増加してモータ要求トルクが上昇したときには、燃料電池スタック１の発電電力がモータ要求電力に達する前にスタック電圧がＩＶ性能保証電圧Ｖｔに達してしまう。
このような状態では、ＩＶ性能保証電圧Ｖｔでの発電電力Ｐｓだけでは駆動モータ５に供給される電力が不足し、ドライバの加速要求に対して車両が十分に加速されない状態となり、ドライバビリティが低下する。
また、図３に示すように、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下がらないように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３でスタック電圧が昇圧されている状態では、スタック電流が制限されてしまう。一般的にスタック電流が小さくなるほど、上述の電極反応（１）及び（２）に示したように燃料電池スタック１で生成される水の発生量が減少するため、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに維持されてスタック電流が制限された状態では、電解質膜が乾燥状態から湿潤状態になるまでに時間を要する。
このため、ドライバから加速要求を受けたとしても、車両の加速中であっても燃料電池スタック１のＩＶ特性は直ぐには回復しないので、ドライバビリティは改善されない。
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１の発電特性が悪いときには、駆動モータ５の要求電力が増加するとき、例えば車両の加速時に、スタック電流が大きくなるように燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げる。
図４は、本実施形態におけるスタック下限電圧演算部２００の詳細構成を示すブロック図である。
スタック下限電圧演算部２００は、駆動モータ５の要求電力が増加するときには、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御してインバータ４の電圧下限値であるＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げる下限電圧制御部を構成する。
スタック下限電圧演算部２００は、ＩＮＶ電圧下限値保持部２１０と、緩和電圧演算部２２０と、スタック下限電圧設定部２３０とを含む。
ＩＮＶ電圧下限値保持部２１０は、上述したＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔを保持する。ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔは、駆動モータ５の定格電力Ｐｔに基づいて定められるものであり、駆動モータ５の使用条件や、燃料電池スタック１の発電性能などにより予め設定されている。
例えば、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔは、図３に示したように、燃料電池スタック１が湿潤状態のときに燃料電池スタック１から駆動モータ５の加速に必要となる定格電力Ｐｔをインバータ４に供給できるスタック電圧に設定される。
緩和電圧演算部２２０は、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに基づく電圧制限を緩和するための緩和電圧Ｖｓを演算する。本実施形態では、緩和電圧演算部２２０は、モータ要求トルクとモータ回転速度とに基づいて、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低い緩和電圧Ｖｓを算出する。
スタック下限電圧設定部２３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって制御されるスタック電圧の下限値を設定する。以下ではスタック下限電圧設定部２３０により設定される電圧下限値のことを「スタック下限電圧」という。
本実施形態では、スタック下限電圧設定部２３０は、内部抵抗測定装置６により測定されたＨＦＲに基づいて、燃料電池スタック１が乾燥状態であるか否かを判定する。
そして、燃料電池スタック１が湿潤状態であると判定された場合には、スタック下限電圧設定部２３０は、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔをスタック下限電圧に設定する。一方、燃料電池スタック１が乾燥状態であると判定された場合には、スタック下限電圧設定部２３０は、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低い緩和電圧をスタック下限電圧に設定する。
図５は、スタック電圧の低下に応じて変化する駆動モータ５のモータ回転速度に対するトルク特性を示す図である。ここでは、横軸がモータ回転速度を示し、縦軸がモータトルクを示す。
図５には、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに設定された状態で駆動モータ５に定格電力Ｐｔが供給されたときのトルク特性５０１が実線により示されている。
駆動モータ５に関しては、一般的に、駆動モータ５に供給される電力が低下するほど、一点鎖線で示すようにトルク特性は低下する。また、駆動モータ５に供給される電力が一定であってもスタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下降するほど、トルク特性は低下する。
したがって、緩和電圧ＶｓをＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低くし過ぎると、トルク特性が下がり過ぎてしまい、ドライバの加速要求によってモータ要求トルクが上昇したとしても、そのモータ要求トルクを実現できず、ドライバビリティが大きく低下してしまう。
この対策として緩和電圧Ｖｓの下限値を設定する手法について図６を参照して説明する。
図６は、緩和電圧演算部２２０において緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎを演算する手法を示す図である。
図６（ａ）は、燃料電池スタック１の乾燥状態及び湿潤状態のときのＩＶ特性を示す図である。図６（ｂ）は、燃料電池スタック１の乾燥状態及び湿潤状態のときのスタック電流に対する発電電力特性を示す図である。また、図６（ａ）及び図６（ｃ）には、実線により湿潤状態のときの特性が示され、破線により乾燥状態のときの特性が示されている。
図６（ｃ）は、駆動モータ５の回転速度に対するトルク特性及び出力特性を示す図である。図６（ｃ）には、実線によりトルク特性が示され、一点鎖線により出力特性が示されている。図６（ｄ）は、駆動モータ５の電圧と駆動モータ５の回転速度との関係を示す図である。
図６（ａ）の破線で示すように、燃料電池スタック１が乾燥状態である場合において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によってスタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで維持されたときには、図６（ｂ）の破線に示すように、スタック発電電力は電力Ｐｓに制限される。
図６（ｃ）に示すように、駆動モータ５の出力特性から、燃料電池スタック１の制限電力Ｐｓを駆動モータ５に供給したときの駆動モータ５の回転速度が特定され、その駆動モータ５の回転速度から、図６（ｄ）に示すように駆動モータ５の電圧が求められる。この駆動モータ５の電圧から、図６（ａ）に示すように緩和電圧の下限値Ｖｓｍｉｎが特定される。
このように、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでスタック電圧が制限されたときの制限電力Ｐｓに基づいて、駆動モータ５の軸出力が制限電力Ｐｓでのモータ出力よりも低下しないように緩和電圧の下限値Ｖｓｍｉｎが設定される。
これにより、駆動モータ５を加速するときに、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限されたときのモータ出力よりも駆動モータ５の出力を低下させずに、燃料電池スタック１で生成される水の量を大幅に増加させることができる。
したがって、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔをスタック下限電圧に設定したときに比べて、加速時に駆動モータ５の出力を低下させることなく、燃料電池スタック１の加湿を促進することができる。
図７は、スタック下限電圧を緩和することによって拡大するモータトルクの実現可能領域を示す観念図である。
図７には、図５に示したトルク特性５０１と、スタック電圧が緩和電圧Ｖｓで駆動モータ５に制限電力Ｐｓが供給されたときのトルク特性５０２と、スタック下限電圧を緩和したときの上限トルク５１０と、スタック下限電圧を緩和しないときの上限トルク５２０とが示されている。
トルク特性５０２は、燃料電池スタック１からインバータ４に緩和電圧Ｖｓが設定された状態で、燃料電池スタック１から駆動モータ５に制限電力Ｐｓが供給されたときのモータ回転速度に対するトルク特性である。
上限トルク５１０は、燃料電池スタック１からインバータ４に供給されるスタック電圧を緩和電圧Ｖｓまで下げたときに実現できるモータトルクの上限値を示す。上限トルク５２０は、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限された状態で実現できるモータトルクの上限である。
図７に示すように、運転点ＯＰｍからドライバの加速要求によってモータ要求トルクが上限トルク５２０まで上昇する。
このとき、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限した状態では、図３に示したようにスタック電流が制限されるため、燃料電池スタック１内の生成水が少なくなるので、乾燥状態から湿潤状態にシフトするのに時間を要する。このため、上限トルク５２０は、モータ回転速度が運転点ＯＰｍよりもかなり大きくなったところで、トルク特性５０１からトルク特性５０１へシフトしている。
これに対して本実施形態では、スタック電圧が緩和電圧Ｖｓまで下げられるので、スタック電流が増加して燃料電池スタック１内の生成水量が増加する。このため、燃料電池スタック１が短時間で乾燥状態から湿潤状態にシフトするので、上限トルク５１０は、運転点ＯＰｍからトルク特性５０２に達してから直ぐにトルク特性５０１へほぼ平行にシフトする。
このように、スタック下限電圧を緩和電圧Ｖｓに設定することにより、加速時において燃料電池スタック１が短時間で乾燥状態から湿潤状態へシフトするので、モータ要求トルクを実現できるトルク領域が上限トルク５２０内の領域から上限トルク５１０内の領域まで早期に拡大する。
したがって、車両の加速中に燃料電池スタック１の発電性能が短時間で向上するので、加速中におけるドライバビリティの低下を早期に改善することができる。
次に本実施形態におけるコントローラ７の動作について図面を参照して説明する。
図８は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法を示すフローチャートである。
ステップＳ９０１においてコントローラ７のモータ要求トルク演算部１１０は、アクセル開度センサ７２により検出されるアクセル開度と、車速センサ７１により検出される車速とをそれぞれ読み込む。
ステップＳ９０２においてモータ要求トルク演算部１１０は、アクセル開度と車速とを読み込むと、予め記憶されたトルクマップを参照し、そのアクセル開度と車速とにより特定される運転点に対応付けられたモータ要求トルクＴｒｅｑを算出する。
ステップＳ９０３においてコントローラ７のモータ要求電力演算部１２０は、モータ要求トルクを取得すると、予め記憶された要求電力マップを参照し、そのモータ要求トルクＴｒｅｑに対応付けられたモータ要求電力を算出する。
ステップＳ９１０においてコントローラ７のスタック下限電圧演算部２００は、スタック下限電圧を設定するためのスタック下限電圧処理を実行する。スタック下限電圧処理については図９を参照して後述する。
ステップＳ９０４においてコントローラ７のコンバータ制御電圧演算部１３０は、スタック下限電圧を下回らないように、モータ要求電力に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧を演算する。
本実施形態では、コンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１から出力される電力がモータ要求電力となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧を下降させる。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ３の燃料電池スタック１側の電圧がスタック下限電圧に達した場合には、コンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１の電圧をスタック下限電圧に制限する。
図９は、ステップＳ９１０で実行されるスタック下限電圧処理の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ９１１においてスタック下限電圧演算部２００のスタック下限電圧設定部２３０は、燃料電池スタック１の電解質膜の湿潤度と相関のあるＨＦＲを内部抵抗測定装置６から読み込む。燃料電池スタック１のＨＦＲが大きいほど、電解質膜が乾いた状態であり、ＨＦＲが小さいほど、電解質膜が湿った状態である。なお、電解質膜の湿潤度と相関のあるパラメータとして、例えばＨＦＲの代わりに燃料電池スタック１の温度が用いられてもよい。
ステップＳ９１２においてスタック下限電圧設定部２３０は、ＨＦＲが乾燥判定閾値Ｒｗ以上である否かを判断する。乾燥判定閾値Ｒｗは、図３の実線で示したように、燃料電池スタック１の電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに設定した状態で燃料電池スタック１から駆動モータ５の定格電力を供給できる湿潤状態でのＨＦＲの上限値に設定される。
ステップＳ９２０においてコントローラ７のスタック下限電圧設定部２３０は、ＨＦＲが乾燥判定閾値Ｒｗ以上である場合には、加速時にスタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔにより制限されると判断し、スタック下限電圧緩和処理を実行する。スタック下限電圧処理の詳細については図１０を参照して後述する。
ステップＳ９１３においてスタック下限電圧設定部２３０は、ＨＦＲが乾燥判定閾値Ｒｗよりも小さい場合には、燃料電池スタック１が駆動モータ５に定格電力Ｐｔを供給できる状態であると判断し、スタック下限電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに設定する。この後、図８に示した燃料電池システム１００の制御方法の処理手順に戻る。
図１０は、ステップＳ９２０で実行されるスタック下限電圧緩和処理の一例を示すフローチャートである。
ステップＳ９２１においてスタック下限電圧演算部２００の緩和電圧演算部２２０は、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでの制限電力Ｐｓに基づいて、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎを演算する。
本実施形態では、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示したように、燃料電池スタック１のＨＦＲごとにＩＶ特性が、緩和電圧演算部２２０に予め記憶されている。そして緩和電圧演算部２２０は、ＨＦＲにより特定されるＩＶ特性を参照し、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでのスタック電流を求め、そのスタック電流とＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔとを乗算して制限電力Ｐｓを算出する。
なお、緩和電圧演算部２２０は、スタック電流センサ１１及びスタック電圧センサ１２を用いてＩＶ特性を推定し、そのＩＶ特性に基づいてＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでのスタック電流を求めることにより制限電圧Ｐｓを算出するものであってもよい。
また、緩和電圧演算部２２０には、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示したように、駆動モータ５のモータ回転速度に対する出力特性及び電圧特性が予め記憶されている。緩和電圧演算部２２０は、その駆動モータの出力特性を参照し、制限電力Ｐｓでのモータ回転速度を求め、その回転速度から駆動モータ５の電圧特性を参照してモータ電圧を特定する。
緩和電圧演算部２２０は、そのモータ電圧をインバータ４の電圧に変換し、そのインバータ４の電圧を、燃料電池スタック１の緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎとして算出する。
このように、緩和電圧の下限値Ｖｓｍｉｎを定めることにより、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限されたときの制限電力Ｐｓよりも発電電力を低下させることなく、スタック電流を増やして燃料電池スタック１の加湿を促進することができる。
ステップＳ９２２において緩和電圧演算部２２０は、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎに基づいて、予め定められたマップなどを用いてモータ上限トルクＴｍａｘを演算する。これにより、図７の一点鎖線で示した上限トルク５２０が求められる。
ステップＳ９３０において緩和電圧演算部２２０は、スタック電圧が緩和電圧下限値Ｖｓｉｍに設定された状態でモータ要求トルクＴｒｅｑを実現できるか否かを判定する処理を実行する。この処理の詳細については図１１を参照して後述する。
ステップＳ９２３において緩和電圧演算部２２０は、スタック電圧を緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎに設定したのでは加速要求を実現できないと判定した場合には、ステップＳ９２４に進み、加速要求を実現できると判定した場合にはステップＳ９２６に進む。
ステップＳ９２４において緩和電圧演算部２２０は、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎでは加速要求を実現できないと判断した場合には、モータ要求トルクＴｒｅｑを実現可能な緩和電圧Ｖｓを演算する。
本実施形態では、緩和電圧演算部２２０は、予め定められた緩和電圧マップを参照し、モータ要求トルクＴｒｅｑと、モータ回転速度センサ５１により検出される現在のモータ回転速度とに基づいて緩和電圧Ｖｓを演算する。なお、緩和電圧マップの詳細については図１２を参照して後述する。
ステップＳ９２５においてスタック下限電圧設定部２３０は、モータ要求トルクを実現可能な緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧に設定する。
ステップＳ９２６においてスタック下限電圧設定部２３０は、制限電力Ｐｓでのモータ出力と同等の出力で加速要求を実現できる場合には、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎをスタック下限電圧に設定する。そしてステップＳ９２５又はＳ９２６の処理が完了すると、スタック下限電圧緩和処理を終了して図９の処理に戻る。
図１１は、ステップＳ９３０で実行される加速要求に対する実現可否判定処理の一例を示す図である。
ステップＳ９３１において緩和電圧演算部２２０は、モータ要求トルクＴｒｅｑが緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎに基づいて設定されるモータ上限トルクＴｍａｘよりも大きいか否かを判断する。
ステップＳ９３２において緩和電圧演算部２２０は、モータ要求トルクＴｒｅｑがモータ上限トルクＴｍａｘよりも大きい場合には、制限電力Ｐｓでのモータ出力では加速要求を実現できないと判定する。
ステップＳ９３３において緩和電圧演算部２２０は、モータ要求トルクＴｒｅｑがモータ上限トルクＴｍａｘ以下である場合には、制限電力Ｐｓでのモータ出力によって加速要求を実現できると判定する。そしてステップＳ９３２及びＳ９３３の処理が完了すると、加速要求に対する実現可否判定処理が終了し、図１０の処理に戻る。
図１２は、緩和電圧演算部２２０に記憶される緩和電圧マップの一例を示す観念図である。図１２では、横軸がモータ回転速度を示し、縦軸がモータ要求トルクを示す。
図１２に示すように、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎに基づく上限トルク２２１よりも内側の運転領域では、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎがスタック下限電圧として設定される。また、モータ要求トルクが上限トルク２２１よりも大きくなるほど、スタック下限電圧が緩和電圧下限値Ｖｓｉｍよりも大きな値Ｖｓに設定される。
このように、スタック下限電圧演算部２００は、燃料電池スタック１が乾燥状態のときには、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低い緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧としてコンバータ制御電圧演算部１３０に出力する。
具体的には、緩和電圧演算部２２０は、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでのモータ出力に基づいて緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎを求め、この緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎによってドライバの加速要求を実現できない場合に限り、緩和電圧Ｖｓを上昇させる。
これにより、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔでスタック電圧を制限したときよりも駆動モータ５の出力低下を抑制しつつ、スタック電流を増加させることができる。したがって、加速中においてドライバビリティの低下を抑制しつつ、燃料電池スタック１を湿潤状態に早期に移行させることができる。
次に、ドライバからの加速要求を受けた場合において緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎでは加速要求を実現できないときの緩和電圧Ｖｓの設定手法について図面を参照して説明する。
図１３は、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎから緩和電圧Ｖｓに移行する手法の一例を示すタイムチャートである。
時刻ｔ１よりも前の時点では、モータ要求トルクＴｒｅｑがモータ上限トルクＴｍｉｎよりも小さく、スタック下限電圧に緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎが設定されている。
時刻ｔ１において、ドライバの加速要求としてアクセルペダルの踏み込み量が大きくなり、モータ要求トルクＴｒｅｑがモータ上限トルクＴｍａｘを超える。このため、緩和電圧演算部２２０は、ドライバの加速要求を実現できないと判定し、図１２に示した緩和電圧マップを参照し、モータ要求トルクＴｒｅｑとモータ回転速度とより特定される運転点に対応付けられた緩和電圧Ｖｓを算出する。
そして、緩和電圧演算部２２０は、緩和電圧Ｖｓに切り替えるため、予め定められた移行時間ｔ_ｓｗに亘ってスタック下限電圧を緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎから単調増加させる。このように緩和電圧を徐々に上昇させることにより、燃料電池スタック１の加湿を促進させながら、駆動モータ５の出力可能なトルクの上限を高くすることができる。
時刻ｔ１から移行時間ｔ_ｓｗが経過した時刻ｔ２において、スタック下限電圧が緩和電圧Ｖｓまで上昇する。これにより、モータ要求トルクＴｒｅｑが実現可能となるので、燃料電池スタック１で生成される水の発生量を確保しつつ、ドライバビリティの低下を抑制することができる。
このように、移行時間ｔ_ｓｗを設けることにより、加速要求に伴う駆動モータ５の急激な出力変動を抑制しつつ、加速要求を実現することができるので、ドライバビリティが向上する。
次に、本実施形態におけるスタック下限電圧緩和処理を実行したときの燃料電池システム１００の動作について説明する。
図１４は、スタック下限電圧を緩和電圧Ｖｓに設定したときの燃料電池スタック１の状態変化を示すタイムチャートである。
図１４（ａ）は、スタック電圧センサ１２により検出されるスタック電圧の変化を示す図である。図１４（ｂ）は、スタック電流センサ１１により検出されるスタック電流の変化を示す図である。図１４（ｃ）は、スタック電圧とスタック電流とに基づく燃料電池スタック１の出力電力の変化を示す図である。
図１４（ａ）から図１４（ｃ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。また各図面には、実線により緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧として設定したときの状態が示され、一点鎖線により緩和電圧Ｖｓを設定せずにＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔをスタック下限電圧として設定したときの状態が示されている。
時刻ｔ１０において燃料電池システム１００が起動される。このとき、燃料電池スタック１は乾燥した状態であり、ドライバの加速要求に基づいてモータ要求トルクを実現できる緩和電圧Ｖｔがスタック下限電圧として設定される。
ドライバの加速要求によって、図１４（ａ）に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によりスタック電圧が下げられ、これに伴い図１４（ｂ）に示すように、スタック電流が上昇する。これにより、図１４（ｃ）に示すように、スタック出力電力が上昇する。
時刻ｔ１１では、図１４（ａ）に示すように、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで下げられる。このとき、図１４（ｂ）に示すように、スタック電流はＩＶ特性が悪いため、定格電流Ｉｔに比べて小さな値Ｉｓに制限される。
このため、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔによってスタック電圧が制限されると、図１４（ｂ）の一点鎖線で示すようにスタック電流が少ない状態で維持されることから、生成水によって燃料電池スタック１が湿潤状態になるまでに時間を要する。その結果、ＩＶ特性の回復も遅くなり、図１４（ｃ）の一転鎖線で示すように、スタック出力電力は徐々に増加する。
一方、緩和電圧Ｖｓによってスタック下限電圧を緩和することにより、図１４（ａ）に示すように、スタック電圧はＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げられる。
時刻ｔ１２において、スタック電圧が緩和電圧Ｖｓまで下げられると、図１４（ｂ）に示すように、スタック電流は制限電流Ｉｓから大幅に上昇して定格電流Ｉｓを超える。これにより、燃料電池スタック１で生成水が大量に発生するため、ＩＶ特性が早期に回復し、図１４（ｃ）に示すように、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔにスタック電圧が維持されているときに比べて、スタック出力電力が素早く上昇する。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は１秒程度である。
時刻ｔ１３において、図１４（ｃ）に示すように、スタック出力電力が駆動モータ５の定格電力Ｐｔに達する。その後は、図１４（ｂ）に示すように、スタック電流が高く維持されるので、大量の生成水によって燃料電池スタック１の電解質膜はより潤った状態となり、ＩＶ特性はさらに改善する。このため、図１４（ｃ）に示すように、スタック出力電力は徐々に上昇する。
時刻ｔ１４において、燃料電池スタック１のＨＦＲが、図３に示した湿潤状態Ｒｗよりも小さくなり、緩和電圧演算部２２０によって、スタック下限電圧を緩和電圧ＶｓからＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに復帰させる処理が実行される。ここでは、図１３に示した移行手法と同様に、所定の移行時間を設け、スタック下限電圧が徐々に上げられる。
時刻ｔ１５において、図１４（ａ）に示すように、スタック下限電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに戻され、スタック下限電圧の復帰処理が終了する。
このように、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低い緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧として設定することにより、スタック電流が大幅に上昇して生成水が大量に発生するので、極めて短い時間で燃料電池スタック１から定格電力Ｐｔを供給することが可能になる。
なお、本実施形態では燃料電池スタック１から駆動モータ５に電力を供給する例について説明したが、次図に示すように、駆動モータ５が始動するときには駆動モータ５の応答性を確保するためにバッテリ２からも駆動モータ５に電力が供給される。
図１５は、バッテリ２を用いて燃料電池スタック１を補助する場合において、スタック下限電圧を緩和したときの燃料電池システム１００の供給可能電力を示す図である。
図１５では、横軸が時間を示し、縦軸が燃料電池システム１００から駆動モータ５に供給可能な電力を示す。また実線によりスタック下限電圧に緩和電圧Ｖｓを設定したときの電力が示され、一点鎖線によりスタック下限電圧にＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔを設定したときの電力が示されている。
時刻ｔ２０では、駆動モータ５が始動し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって、バッテリ２から駆動モータ５にアシスト電力が放電されるとともに、スタック電圧が下げられて燃料電池スタック１から発電電力が駆動モータ５に徐々に出力される。このように、バッテリ２を利用して燃料電池スタック１の発電を補助することにより、駆動モータ５の応答性を確保することができる。
時刻ｔ２１では、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに到達し、燃料電池スタック１から制限電力Ｐｓが出力される。ここでは、燃料電池スタック１が乾燥状態であるため、スタック電圧は緩和電圧Ｖｓまで下げられ、スタック電流が増加して燃料電池スタック１内に生成水が大量に発生する。
これにより、燃料電池スタック１の電解質膜が素早く加湿されるので、ＩＶ特性が回復して燃料電池スタック１の発電電力が速やかに上昇する。そして時刻ｔ２２において駆動モータ５に定格電力Ｐｔを供給できるようになる。
さらに、ＩＶ特性が回復するまでの時間が短縮されるので、燃料電池スタック１の発電不足に伴うバッテリ２の放電量の増加が抑えられるので、バッテリ２が過放電になるのを防止することができる。
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、バッテリ２と、燃料電池スタック１から出力される電力を交流電力に変換して駆動モータ５に供給するインバータ４とを備える。さらに燃料電池システム１００は、バッテリ２から出力される電力を用いて、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧を制御するコンバータ３を備える。
そして燃料電池システム１００は、コンバータ制御電圧演算部１３０とスタック下限電圧演算部２００とを備える。
コンバータ制御電圧演算部１３０は、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧がインバータ４の電圧下限値であるＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低下しないようにコンバータ３を制御する。
そしてスタック下限電圧演算部２００は、駆動モータ５の要求電力が増加するとき、例えばドライバがアクセルペダルを踏み込んだときには、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げる。
これにより、加速要求などの駆動モータ５の要求電力が増加する場合に、燃料電池スタック１から取り出される電流が大きくなり、燃料電池スタック１内で生成水が大量に発生するので、燃料電池スタック１の電解質膜を湿潤状態に早期に移行させることができる。このため、燃料電池スタック１の発電性能が向上するとともに、ＩＶ特性の低下に伴う車両の運転性（ドライバビリティ）の低下を加速運転中に改善することができる。
さらに、燃料電池スタック１の発電電力の低下に伴い、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してバッテリ２からインバータ４へ過大な放電電力が取り出されるのを回避できる。
また、本実施形態では、スタック下限電圧演算部２００は、燃料電池スタック１の電解質膜が湿っているときには、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げることを制限する。ここでは、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧のことを単に「スタック電圧」という。
具体的には、図３に示したように、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで低下したときに駆動モータ５に定格電力Ｐｔを供給できる湿潤状態Ｒｗのときには、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔから下げない。
スタック電圧を下げる必要のない状況でスタック電圧が下げられると、図４に示したように駆動モータ５のトルクが低下し、ドライバビリティが低下してしまう。このため、燃料電池スタック１の電解質膜が湿潤状態のときにはスタック下限電圧を下げることを禁止することにより、無用なドライバビリティの低下を抑制することができる。
また本実施形態では、緩和電圧演算部２２０は、図１２に示した緩和電圧マップを参照し、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも低く、かつ、加速中にモータ回転速度を低下させずにモータ要求トルクを実現できる緩和電圧Ｖｓを算出する。そして、下限電圧設定部２３０によって緩和電圧Ｖｓがスタック下限電圧として設定される。
これにより、駆動モータ５の要求電力が増加したときのモータ要求トルクを実現できるので、燃料電池スタック１の加湿を促進しつつ、ドライバビリティの低下を抑制することができる。
また本実施形態では、緩和電圧演算部２２０は、図６に示したように、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げずに維持したときの駆動モータ５の出力に基づいて、緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎを算出する。
これにより、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限したときよりも駆動モータ５のトルクを過剰に制限することなく、燃料電池スタック１を迅速に湿潤状態に移行させることができる。
また本実施形態では、スタック下限電圧設定部２３０は、図１０に示したように、駆動モータ５の要求電力が増加する場合において、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに維持したときよりもモータ出力が低下するときには、スタック下限電圧を緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎまで下げることを禁止する。
これにより、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで制限したときよりも駆動モータ５のトルクを制限するのを防止できるので、ドライバビリティの低下を抑制することができる。
なお、スタック下限電圧設定部２３０は、スタック電力をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔで維持したときのモータ出力よりも駆動モータ５の出力が低下するときには、スタック電圧を下げずにＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに設定するものであってもよい。これにより、演算負荷を抑制しつつ、簡易な構成でドライバビリティの低下を抑制することができる。
また本実施形態では、スタック下限電圧演算部２００は、図１４（ａ）に示したように、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げた後、燃料電池スタック１とインバータ４との間の電圧を徐々に上昇させる。これにより、燃料電池スタック１の電解質膜を加湿しながら、駆動モータ５の上限トルクを上昇させることができる。
さらにスタック下限電圧演算部２００は、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも下げた後、所定の移行時間ｔ_ｓｗかけてスタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで戻す。これにより、簡素な制御構成でドライバビリティを向上させることができる。なお、スタック下限電圧演算部２００は、所定の時間変化率でスタック下限電圧を回復させるものであってもよい。
また本実施形態では、スタック下限電圧設定部２３０は、図９に示したように、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて、スタック下限電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに切り替える。燃料電池スタック１の湿潤状態としてＨＦＲが用いられる。
なお、燃料電池システム１００に燃料電池スタック１から排出されるガスの湿度を計測するセンサを設け、そのセンサから出力される検出値に応じてスタック下限電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに回復させてもよい。
あるいは、スタック下限電圧設定部２３０が、燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定し、そのＩＶ特性に基づいてスタック下限電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔに戻すものであってもよい。
このように、燃料電池スタック１の発電特性が回復したときにスタック下限電圧を元に戻すことにより、駆動モータ５のトルク低下を防ぐことができるとともに、燃料電池スタック１から過剰に電流が取り出されるのを防ぐことができる。すなわち、燃料電池スタック１から出力される電力を確実に確保することができるとともに、燃料電池スタック１を保護することができる。
また、本実施形態では、スタック下限電圧演算部２００は、図１３に示したように、加速要求時のモータ要求トルクが得られる緩和電圧Ｖｓが緩和電圧下限値Ｖｓｍｉｎよりも大きくなるときには、スタック下限電圧を緩和電圧Ｖｓまで徐々に上昇させる。
これにより、駆動モータ５の急激なトルク変動を抑制しつつドライバの加速要求を実現することができるので、加速中のドライバビリティを確保することができる。
（第２実施形態）
次に、スタック下限電圧を緩和電圧ＶｓからＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔへ復帰される移行手法について図面を参照して説明する。
図１６は、本発明の第２実施形態におけるスタック下限電圧の復帰処理の一例を示す図である。
図１６（ａ）は、車両の加速振動Ｇを小さくする駆動モータ５の制御手法を示す図である。図１６（ａ）には、図７に示したモータ回転速度に対するトルク特性５０１及びトルク特性５０２が示され、これらに加えて走行抵抗ＲＬ（ＲｏａｄＬｏａｄ）特性が示されている。
図１６（ｂ）は、加速振動Ｇを小さくしたときのモータトルクの時間変化を示す図である。図１６（ｂ）には、実線により駆動モータ５のトルク変化が示され、点線によりモータ上限トルクが示されている。
図１６（ｃ）は、スタック電圧の変化を示す図である。図１６（ｄ）は、燃料電池スタック１のＨＦＲの変化を示す図である。図１６（ｂ）から図１６（ｄ）までの各図面の横軸は共に共通の時間軸である。
図１６（ａ）に示すように、時刻ｔ３０での運転点においてドライバによってアクセルペダルが踏み込まれ、モータ要求トルクＴｓが算出される。そして図１６（ｃ）に示すようにＨＦＲは乾燥判定閾値Ｒｗよりも大きいため、モータ要求トルクＴｓを実現できる緩和電圧Ｖｓが演算される。
図１６（ｄ）に示すように、スタック下限電圧が緩和電圧Ｖｓに設定され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によってスタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔより低い緩和電圧Ｖｓまで下げられる。これにより、図１６（ａ）に示すように駆動モータ５の運転点は時刻ｔ３１での運転点に到達する。
本実施形態では、時刻ｔ３１でのモータトルクを一定に維持しながら、駆動モータ５の運転点が時刻ｔ３２での運転点までシフトするように、時刻ｔ３１から時刻ｔ３２までの移行時間が設定される。
具体的には、スタック下限電圧演算部２００は、次式に示すように、モータ軸出力に換算した車両イナーシャＪと、加速初期のＲＬｉｎｉと、モータ回転速度の変化幅ｄωと、モータトルクＴｓとに基づいて、移行時間ｔ_ｓｗを算出する。
Figure 0006260705
そして、スタック下限電圧演算部２００は、図１６（ｃ）に示すように、時刻ｔ３１でスタック電圧が緩和電圧Ｖｓに到達してから時刻ｔ３２になるまでの移行時間ｔ_ｓｗに、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで徐々に上昇させる。
移行時間ｔ_ｓｗにおいては、図１６（ｂ）に示すようにモータトルクが一定に維持されるので、車両の加速振動を小さくすることができ、加速中にドライバに与える違和感を軽減することができる。
本発明の第２実施形態によれば、移行時間ｔ_ｓｗは車両の加速振動Ｇが小さくなるように予め設定され、スタック電圧が緩和電圧Ｖｓに達した後直ぐに移行時間ｔ_ｓｗに亘ってスタック電圧を緩和電圧ＶｓからＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔへ移行させる。
これにより、移行時間ｔ_ｓｗ中にモータトルクが一定に維持されるので、車両の加速振動Ｇを小さくすることができる。このため、簡易な構成でドライバに与える急な加速感が軽減されるので、ドライバビリティを向上させることができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。
本実施形態の燃料電池システムの構成は、図８に示したステップＳ９１０で実行されるスタック下限電圧演算処理についての処理内容が異なる。なお、他の構成については、第１実施形態と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
図１７は、本実施形態におけるスタック下限電圧演算処理を示すフローチャートである。
ステップＳ９４１においてスタック下限電圧演算部２００は、内部抵抗測定装置６により測定されるＨＦＲを読み込む。
ステップＳ９４２においてスタック下限電圧演算部２００は、そのＨＦＲに基づいて緩和電圧Ｖｓを演算する。本実施形態では、スタック下限電圧演算部２００は、予め定められたスタック下限電圧マップを参照し、ＨＦＲに対応付けられた緩和電圧Ｖｓを算出する。スタック下限電圧マップの詳細については図１８を参照して後述する。
ステップＳ９４３においてスタック下限電圧演算部２００は、スタック下限電圧に緩和電圧Ｖｓを設定する。
図１８は、スタック下限電圧演算部２００に記憶されるスタック下限電圧マップの一例を示す図である。図１８では、横軸がＨＦＲを示し、縦軸が緩和電圧を示す。
スタック下限電圧マップを用いることにより、ＨＦＲがＲｗよりも小さいとき、すなわち燃料電池スタック１が湿った状態のときには、ＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔがスタック下限電圧として設定される。
そして、ＨＦＲがＲｗよりも大きくなるほど、燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪くなるため、緩和電圧としてＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも小さな値が設定される。またＨＦＲがＲｄよりも大きいときには、緩和電圧Ｖｓがスタック下限電圧として設定される。
図１９は、本実施形態における燃料電池スタック１のＨＦＲに基づく緩和電圧の変化を示すタイムチャートである。
図１９（ａ）から図１９（ｄ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図１６（ａ）から図１６（ｄ）までの各図面のものと同じであり、図１９（ａ）から図１９（ｄ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。
図１９（ａ）に示すように、時刻ｔ４０での運転点においてドライバによってアクセルペダルが踏み込まれる。そして、図１９（ｄ）に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によってスタック電圧がマップによって定められた緩和電圧Ｖｓまで下げられる。
駆動モータ５が時刻ｔ４１での運転点に到達した後、図１９（ｃ）に示すようにＨＦＲが小さくなり、これに伴い図１９（ｄ）に示すように緩和電圧が徐々に上昇する。
一方、図１９（ｂ）に示すように、緩和電圧Ｖｓがマップによって設定されていることから、燃料電池スタック１の加湿が若干足りずにモータトルクが徐々に低下する。このため、ドライバのドライバビリティが若干低下する。
本発明の第３実施形態によれば、スタック下限電圧マップを用いることにより、簡易な構成により、加速要求時の電解質膜の湿潤度に合わせて適切に緩和電圧Ｖｓを設定することが可能となる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。
本実施形態の燃料電池システムの構成は、図８に示したステップＳ９１０で実行されるスタック下限電圧演算処理についての処理内容が異なる。なお、他の構成については、第１実施形態と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
図２０は、本実施形態におけるスタック下限電圧演算処理を示すフローチャートである。ここでは、図９に示したステップＳ９１１及びＳ９１２に代えて、ステップＳ９５１からＳ９５３までの処理が示されている。その他の処理については図９で述べた処理と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。
ステップＳ９５１においてスタック下限電圧設定部２３０は、スタック電流センサ１１により検出されるスタック電流と、スタック電圧センサ１２により検出されるスタック電圧とを読み込む。
ステップＳ９５２においてスタック下限電圧設定部２３０は、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔと等しいか否かを判断する。スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔよりも大きい場合には、ステップＳ９１３に進む。
ステップＳ９５３においてスタック下限電圧設定部２３０は、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔと等しい場合には、スタック電流が定格電流Ｉｔよりも小さいか否かを判断する。
スタック電流が定格電流Ｉｔよりも大きい場合には、燃料電池スタック１が湿潤状態であると判断し、ステップＳ９１３に進む。一方、スタック電圧がＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔと等しく、かつ、スタック電流が定格電流Ｉｔよりも小さい場合には、燃料電池スタック１が乾燥状態であると判断し、ステップＳ９２０に進む。
このように、本実施形態では燃料電池スタック１の湿潤状態を推定するのに、燃料電池スタック１のＨＦＲに代えて、スタック電流とスタック電圧とを用いる。これにより、ＩＶ特性が悪いことをより正確に判断することができるので、加速要求時において、スタック下限電圧に緩和電圧Ｖｓを的確に設定することができる。
本発明の第４実施形態によれば、スタック下限電圧演算部２００は、モータ要求トルクに基づいて演算される燃料電池の要求電力Ｐｔよりも燃料電池スタック１の出力電力が小さいときには、緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧として設定する。すなわち、スタック下限電圧演算部２００は、燃料電池スタック１から出力される電力に応じて緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧に設定する。
これにより、確実に燃料電池スタック１のＩＶ特性が良好か否かを判定できるので、加速要求時においてスタック下限電圧を無用に緩和することを防止できる。
また、本実施形態では、スタック電圧をＩＮＶ性能保証電圧Ｖｔまで下げた状態でスタック電流が定格電流Ｉｔよりも小さい場合に、スタック下限電圧設定部２３０は、スタック電流が定格電流Ｉｔよりも大きくなるように緩和電圧Ｖｓをスタック下限電圧に設定する。
このように、スタック電流が確保できる緩和電圧Ｖｓまでスタック下限電圧を低下させることにより、加速時において素早く燃料電池スタック１を湿潤状態に移行させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
本実施形態では燃料電池スタック１の電圧を調整する回路としてＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いる例について説明したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の代わりに単に燃料電池スタック１の電圧のみを調整する回路を用いられてもよい。
また本実施形態では、インバータ４が燃料電池スタック１に接続される例について説明したが、バッテリ２にインバータ４が接続される構成であっても本実施形態と同様の作用効果が得られる。
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (15)

  1. バッテリと、
    負荷に応じて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、
    前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータと、
    前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御部と、
    前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御部と、を含み、
    前記下限電圧制御部は、前記燃料電池の電解質膜が湿っているときには、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げることを制限する、
    燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときに前記燃料電池から出力される電力が前記モータの要求電力よりも小さいときには、前記インバータの電圧下限値よりも低い緩和電圧まで前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を下げる、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記モータの要求電力が増加するときは、前記モータの回転速度を低下させずに前記モータに要求されるトルクが得られる緩和電圧まで前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を下げる、
    燃料電池システム。
  4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときの前記モータの出力に基づいて、前記緩和電圧の下限値を設定する、
    燃料電池システム。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記モータの要求電力が増加する場合において、前記燃料電池の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げたときの前記モータの出力が、前記燃料電池の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときの前記モータの出力に比べて低下するときには、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記緩和電圧まで下げることを制限する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記モータの要求電力が増加する場合において前記モータの出力が低下するときには、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値に設定する、
    燃料電池システム。
  7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げた後、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を徐々に上げる、
    燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を、前記インバータの電圧下限値よりも下げた後に、所定の時間かけて前記インバータの電圧下限値まで戻す、
    燃料電池システム。
  9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
    前記所定の時間は、車両の加速振動が小さくなるように設定される、
    燃料電池システム。
  10. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記燃料電池の湿潤状態に応じて、前記インバータと前記燃料電池との間の下限電圧を前記インバータの電圧下限値に戻す、
    燃料電池システム。
  11. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記下限電圧制御部は、前記モータの要求電力が増加する場合において、前記モータに要求されるトルクに基づいて演算される緩和電圧が所定の下限値よりも大きくなるときには、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を当該緩和電圧まで徐々に上げる、
    燃料電池システム。
  12. バッテリと、燃料電池と、前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータと、を含む燃料電池システムの制御方法であって、
    前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御ステップと、
    前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御ステップと、を含み、
    前記下限電圧制御ステップでは、前記燃料電池の電解質膜が湿っているときには、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げることを制限する、
    燃料電池システムの制御方法。
  13. バッテリと、
    負荷に応じて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、
    前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータと、
    前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御部と、
    前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御部と、を含み、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときに前記燃料電池から出力される電力が前記モータの要求電力よりも小さいときには、前記インバータの電圧下限値よりも低い緩和電圧まで前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を下げ、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときの前記モータの出力に基づいて、前記緩和電圧の下限値を設定する、
    燃料電池システム。
  14. バッテリと、
    負荷に応じて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、
    前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータと、
    前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御部と、
    前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御部と、を含み、
    前記下限電圧制御部は、前記モータの要求電力が増加するときは、前記モータの回転速度を低下させずに前記モータに要求されるトルクが得られる緩和電圧まで前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を下げ、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値まで低下したときの前記モータの出力に基づいて、前記緩和電圧の下限値を設定する、
    燃料電池システム。
  15. バッテリと、
    負荷に応じて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から出力される電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータと、
    前記バッテリから出力される電力を用いて前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を制御するコンバータと、
    前記インバータと前記燃料電池との間の電圧が前記インバータの電圧下限値よりも低下しないように、前記コンバータを制御する電圧制御部と、
    前記モータの要求電力が増加するときは、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げる下限電圧制御部と、を含み、
    前記下限電圧制御部は、前記インバータと前記燃料電池との間の電圧を前記インバータの電圧下限値よりも下げた後、前記燃料電池の湿潤状態に応じて、前記インバータと前記燃料電池との間の下限電圧を前記インバータの電圧下限値に戻す、
    燃料電池システム。
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