JP6307538B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、蓄電装置の温度に応じて制御する燃料電池システムに関する。

特許文献１は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの間に高電圧の補機類が接続される燃料電池システム（燃料電池車両）を開示している。補機には、燃料電池や高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧補機に印加する降圧コンバータや、燃料電池にエアを供給するエアポンプ（エアコンプレッサ）等が含まれる。

ところで、バッテリにはＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に応じて充放電可能な電力範囲があり、充放電はこの電力範囲内に制限される。以下ではこの電力範囲を充放電制限範囲という。バッテリがこの範囲を超えて使用されると過充電／過放電となり、場合によってはバッテリの劣化・故障に至る。

特許文献１で示される燃料電池システムの構成においては、エアポンプの消費電力が大きく変化する場合、例えば車両の減速時／加速時に、バッテリの過充電／過放電が発生する虞がある。バッテリの過充電／過放電を防止するためには、バッテリの充放電制限範囲の上下限手前にそれぞれ減速時／加速時に発生する充放電量相当のバッファを設定しておけばよい。この構成においては、両バッファの電力がエアポンプの使用分として割り当てられ、両バッファ間の電力がエアポンプ以外の高電圧補機の使用分として割り当てられる。但し、エアポンプの電力が大きくなる時期は予測できないため、バッファは常時設定しておく必要がある。

国際公開第２０１１／０１３２１３号パンフレット

車両の加減速に備えてバッファは必要である。しかし、バッファの量を大きくすると、両バッファ間の範囲が小さくなり、エアポンプ以外の電気機器の使用分として割り当てられる電力が少なくなる。特に、ターボ型のエアポンプは定常状態で必要とする消費電力が小さいため、加速時に必要とする電力との差が大きく、大きなバッファが必要になる。すると、エアポンプ以外の電気機器の使用分として割り当てられる電力は更に少なくなる。この状態ではエアポンプ以外の電機機器に対するバッテリの使用が限られるため、燃料電池の発電量を増やさなければならなくなり、燃費悪化の要因となる。また、エネルギーマネージメントの自由度が少なく、望ましくない。大きなバッテリであれば容量が大きくなり充放電制限範囲は広くなるものの、設置の自由度やコスト面で問題がある。

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って、エアポンプ以外の電気機器分として割り当てられる電力を大きくすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、充放電可能な電力範囲内で充放電する蓄電装置と、前記燃料電池及び前記蓄電装置から供給される電力を消費すると共に前記蓄電装置に電力を供給する負荷及び補機と、前記補機に含まれ前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、前記ポンプを制御しつつ前記燃料電池の発電及び前記蓄電装置の充放電を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力目標値を演算して前記ポンプを制御すると共に、前記蓄電装置の前記電力範囲の上下限値にバッファを設定し、前記バッファ分の電力を前記ポンプの使用分として割り当て、前記バッファ分以外の電力を前記ポンプ以外の使用分として割り当てて、前記蓄電装置の充放電を制御する燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記出力目標値に基づいて前記バッファの量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、車両の走行状態と相関する出力目標値に基づいてバッファの量を適宜制御する。このため、加速側と減速側のバッファのうち、使用するバッファの量を確保する一方で、使用しないバッファの量を小さくすることができる。蓄電装置の充放電可能な電力範囲のうち、バッファの占める割合が減ると、その減った分量だけポンプ以外の電機機器分として割り当てることが可能になる。すると、エネルギーマネージメントの自由度が向上し、燃料電池システムの制御性が向上する。

本発明において、前記制御装置は、更に前記出力目標値の変化量に基づいて前記バッファの量を制御してもよい。

出力目標値の変化量から蓄電装置の充放電の状態を推定できる。変化量（上昇量）が所定値以上である場合は、蓄電装置は放電している。このとき、放電側のバッファを確保すると共に、充電側のバッファを小さくすることができる。変化量（低下量）が所定値以上である場合は、蓄電装置は充電している。このとき、充電側のバッファを確保すると共に、放電側のバッファを小さくすることができる。このように、出力目標値の変化量に基づいてバッファの量を制御することにより、バッファの制御を適切に行うことができる。

本発明において、前記制御装置は、前記出力目標値の変化量が略一定である場合に、前記出力目標値が大きいほど、前記電力範囲の下限値側に設定される前記バッファを小さくしてもよい。

出力目標値の変化量が略一定である場合、出力目標値から蓄電装置の充放電の可能性を推定できる。例えば、出力目標値が大きくなるほど、出力目標値が大きくなる余地はなくなるため、その後に出力目標値が大きくなる可能性は低くなる。すなわち、その後に蓄電装置が放電する可能性は低い。このため、蓄電装置の充放電可能な電力範囲のうち、下限値側に設定されるバッファを小さくすることができる。このようにすることで、蓄電装置の充放電可能な電力範囲の下限値側を広げることができ、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

本発明において、前記制御装置は、前記出力目標値の変化量が略一定である場合に、前記出力目標値が小さいほど、前記電力範囲の上限値側に設定される前記バッファを小さくしてもよい。

出力目標値の変化量が略一定である場合、出力目標値から蓄電装置の充放電の可能性を推定できる。例えば、出力目標値が小さくなるほど、出力目標値が小さくなる余地はなくなるため、その後に出力目標値が小さくなる可能性は低くなる。すなわち、その後に蓄電装置が充電する可能性は低い。このため、蓄電装置の充放電可能な電力範囲のうち、上限値側に設定されるバッファを小さくすることができる。このようにすることで、蓄電装置の充放電可能な電力範囲の上限値側を広げることができ、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

本発明によれば、蓄電装置の充放電可能な電力範囲のうち、バッファの占める割合を減らすことができ、その減った分量だけポンプ以外の電機機器分として割り当てることが可能になる。すると、エネルギーマネージメントの自由度が向上し、燃料電池システムの制御性が向上する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図２は燃料電池システムに含まれる電力システムのブロック図である。 図３Ａは加速時の電力推定値と実消費電力の説明に供する説明図であり、図３Ｂは減速時の電力推定値と実消費電力の説明に供する説明図である。 図４はバッテリの充放電制限範囲の説明に供する説明図である。 図５は電力配分の説明に供する説明図である。 図６Ａは燃料電池の電力とエアポンプの消費電力の時間変化図であり、図６Ｂは燃料電池の電力変化量の時間変化図である。 図７はバッファの状態説明図である。 図８はＦＣシステムで行われる処理のフローチャートである。

以下、本発明について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

［１ 燃料電池システム１２の全体構成］
図１を用いて燃料電池システム１２（ＦＣシステム１２ともいう）の構成に関して説明する。本実施形態に係るＦＣシステム１２の基本的な装置構成としては、既知のものを使用可能である。例えば、特開２０１６−１２４８０号公報で示される構成を使用可能である。本明細書では、発明の特徴と関係する構成を中心に説明し、既知の構成については説明（及び図示）を省略するか、又は、簡単な説明（及び図示）に留める。なお、本実施形態では、ＦＣシステム１２を搭載する燃料電池車両１０（単に車両１０ともいう）を想定している。

車両１０に搭載されるＦＣシステム１２は、燃料電池１４（ＦＣ１４ともいう）と、水素供給システム１６と、エア供給システム１８と、冷却システム２０と、電力システム２２と、ＥＣＵ２４と、を備える。また、アクセルペダル３０の開度（操作量）を検出する開度センサ３２を備える。

ＦＣ１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟み込んで形成された燃料電池セルを積層した構造を有する。アノード電極側にはアノード流路３４を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極側にはカソード流路３６を介して酸化剤ガスとしてのエアが供給される。水素ガスとエア中の酸素が反応して水が生成されると共に電力が発生する。

［１．１ 水素供給システム１６］
水素供給システム１６は、水素供給流路１６Ｓを介してＦＣ１４に対して水素ガスを供給すると共に、ガス排出流路１６Ｄを介してＦＣ１４で発生するアノードオフガスを排出する。水素供給流路１６Ｓ及びガス排出流路１６Ｄはアノード流路３４に連通する。

［１．２ エア供給システム１８］
エア供給システム１８は、エア供給流路１８Ｓを介してＦＣ１４に対してエアを供給すると共に、ガス排出流路１８Ｄを介してＦＣ１４で発生するカソードオフガスを排出する。エア供給流路１８Ｓとしては、上流側（吸入口側）から順に配管４０ａ、エアポンプ４２、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃが設けられる。下流側の配管４０ｃはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。ガス排出流路１８Ｄとしては、上流側（ＦＣ１４側）から順に配管４６ａ、加湿器４４、配管４６ｂ、背圧弁４８、配管４６ｃが設けられる。上流側の配管４６ａはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。エア供給流路１８Ｓの配管４０ｂと配管４０ｃは、加湿器４４をバイパスする配管５６で接続される。配管５６には弁５８が設けられる。配管４６ｂには圧力センサ６４が設けられる。配管４０ｂには流量センサ６６が設けられる。

エアポンプ４２は、配管４０ａを介して吸気した外部のエアを、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃ等を介してＦＣ１４のカソード流路３６に圧送する。加湿器４４は、エアポンプ４２から供給されるエアを、ＦＣ１４から排出されるカソードオフガスを利用して加湿する。背圧弁４８は、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて弁５８の開度を調整することにより、ＦＣ１４のカソード流路３６の圧力を調整する。エアポンプ４２と背圧弁４８と弁５８は、それぞれＥＣＵ２４により制御される。圧力センサ６４で検出される圧力値はＥＣＵ２４に出力されており、この圧力値が所定圧になるように背圧弁４８の開度が制御される。流量センサ６６で検出されるエアの実流量値はＥＣＵ２４に出力される。

［１．３ 冷却システム２０］
冷却システム２０は、冷媒供給流路２０Ｓを介してＦＣ１４に対して冷媒を供給すると共に、冷媒排出流路２０Ｄを介してＦＣ１４から冷媒を回収する。冷媒は冷却システム２０とＦＣ１４の間で循環しており、ＦＣ１４で吸熱し、冷却システム２０で放熱する。

［１．４ 電力システム２２］
図２を用いて電力システム２２に関して説明する。ＦＣ１４は、ＦＣコンタクタ７０と昇圧コンバータ７２（ＦＣＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７２ともいう）とインバータ７４（ＭＯＴＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）７４ともいう）を介して、トラクションモータ７６（ＴＲＣ７６ともいう）に接続される。また、高電圧バッテリ７８（ＢＡＴ７８ともいう）は、ＢＡＴコンタクタ８０と昇降圧コンバータ８２（ＢＡＴＶＣＵ８２ともいう）を介して、ＴＲＣ７６に接続される。ＦＣＶＣＵ７２とＢＡＴＶＣＵ８２は、ＴＲＣ７６に対して２次側２Ｓで並列に接続される。ＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂには各種の高電圧補機、例えばエアポンプ４２とエアコンディショナ８４（Ａ／Ｃ８４ともいう）とヒータ８６と降圧コンバータ８８（ＤＣ／ＤＣ８８ともいう）が並列に接続される。

ＦＣコンタクタ７０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＦＣ１４とＦＣＶＣＵ７２の１次側１Ｓｆとの遮断と接続とを切り替える。ＦＣＶＣＵ７２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４の制御信号に応じて１次側１Ｓｆの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加する。ＭＯＴＰＤＵ７４は３相ブリッジ型の構成とされ、２次側２Ｓの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてＴＲＣ７６を制御する。なお、回生時にＭＯＴＰＤＵ７４はコンバータとして機能し、ＴＲＣ７６で発生する交流電圧を直流電圧に変換する。ＭＯＴＰＤＵ７４とＴＲＣ７６は所謂負荷である。ＴＲＣ７６は、ＦＣ１４及び／又はＢＡＴ７８の電力により駆動し、回生時は発電機として機能する。ＴＲＣ７６にはモータ回転数センサ９０が設けられる。モータ回転数センサ９０はＴＲＣ７６の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。

ＢＡＴ７８は、力行時に実消費電力に対するＦＣ１４の発電量の不足分を放電し、回生時に実消費電力に対するＦＣ１４や負荷の発電量の超過分を充電する。ＢＡＴ７８のＳＯＣはＥＣＵ２４で監視される。ＢＡＴ７８には温度センサ９２が設けられる。温度センサ９２はＢＡＴ７８の温度を検出し、温度信号をＥＣＵ２４に出力する。ＢＡＴコンタクタ８０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＢＡＴ７８とＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂとの遮断と接続とを切り替える。ＢＡＴＶＣＵ８２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて、力行時には１次側１Ｓｂの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加し、回生時には２次側２Ｓの電圧を降圧して１次側１Ｓｂに印加する。

エア供給システム１８（図１）にも含まれるエアポンプ４２は、エアポンプＰＤＵ９４（Ａ／ＰＰＤＵ９４ともいう）を介してＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂに接続される。Ａ／ＰＰＤＵ９４は３相ブリッジ型のインバータを備え、１次側１Ｓｂの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてエアポンプ４２を制御する。ポンプ回転数センサ９６（Ａ／Ｐ回転数センサ９６ともいう）はエアポンプ４２の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。

［１．５ ＥＣＵ２４］
図１、図２を用いてＥＣＵ２４に関して説明する。ＥＣＵ２４は、エネルギーマネージメントＥＣＵ１００（ＥＭＥＣＵ１００ともいう）とＦＣＥＣＵ１０２を備える。各ＥＣＵ１００、１０２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む）、ＲＡＭ、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する。各ＥＣＵ１００、１０２は、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。各ＥＣＵ１００、１０２は、１つのＥＣＵのみから構成されてもよく、複数のＥＣＵから構成されてもよい。

ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力及びバッファ幅（下記［２．２］、［２．５］参照）を演算すると共に、ＦＣシステム１２のエネルギーマネージメント（ＥＭ）を行うように構成される。更に、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力を電流指令値ＩｆｃｃｏｍとしてＦＣＥＣＵ１０２に出力するように構成される。

ＦＣＥＣＵ１０２は、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により、流量／圧力演算部１０４、回転数演算部１０６、電力推定部１０８、バッファ制御部１１０、ガス制御部１１２、電力システム制御部１１４として機能する。

流量／圧力演算部１０４は、エアポンプ４２の目標流量／圧力を演算するように構成される。回転数演算部１０６は、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を算出するように構成される。電力推定部１０８は、電力推定値（下記［２．１］参照）を演算するように構成される。バッファ制御部１１０は、ＦＣ１４の出力目標値に基づいてバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´（下記［２．４］参照）の量を制御するように構成される。

ガス制御部１１２は、水素供給システム１６及びエア供給システム１８のガス制御を行うように構成される。ここでは、ガス制御部１１２は、圧力センサ６４の検出値と目標圧力に従い背圧弁４８をフィードバック制御するように構成される。

電力システム制御部１１４は、ＥＭＥＣＵ１００で行われたエネルギーマネージメントに基づいて、電力システム２２（ＦＣコンタクタ７０、ＦＣＶＣＵ７２、ＭＯＴＰＤＵ７４、ＢＡＴコンタクタ８０、ＢＡＴＶＣＵ８２、エアポンプ４２、高電圧補機８４、８６、８８）を制御するように構成される。更に、電力システム制御部１１４は、ＢＡＴ７８の充放電が充放電制限範囲を超えないように、ＢＡＴＶＣＵ８２を制御するように構成される。

各ＥＣＵ１００、１０２は、信号線１２０を介して水素供給システム１６、エア供給システム１８、冷却システム２０、電力システム２２の各機器と通信可能に接続される。そして、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行し、例えば、開度センサ３２、圧力センサ６４、流量センサ６６、温度センサ９２、Ａ／Ｐ回転数センサ９６等のセンサ検出値、ＦＣ１４の電圧、電流、エアポンプ４２の電圧、電流、回転数、ＴＲＣ７６の電圧、電流、回転数、ＢＡＴ７８の電圧、電流、温度、ＳＯＣ、２次側２Ｓの電圧、電流等を検出して、各機器を制御する。

［２ 燃料電池システム１２のエネルギーマネージメント］
ここで、ＥＭＥＣＵ１００で行われるエネルギーマネージメント（ＥＭ）について、本実施形態に関係する背景技術を下記［２．１］〜［２．３］で説明し、本実施形態の特徴を下記［２．４］で説明する。

［２．１ エアポンプ４２の電力推定値と実消費電力の差］
ＦＣシステム１２を搭載する車両１０では、ごく短い時間間隔でＦＣ１４に要求される発電量（目標電力）が演算される。この際に次の演算が行われる。すなわち、その時点のエアポンプ４２の流量と圧力比（エアポンプ４２の吸入側圧力と吐出側圧力の比）を実現するために、エアポンプ４２に必要とされる電力が演算される。この電力を「電力推定値」という。電力推定値は、例えば流量及び圧力比を入力とする電力算出マップから求められる。図３Ａで示すように、一般に車両１０の加速時には、各瞬間で演算される電力推定値（点線）よりも、実際に消費される実消費電力（実線）の方が大きくなる。また、図３Ｂで示すように、一般に車両１０の減速時には、各瞬間に演算される電力推定値（点線）よりも、実際に消費される実消費電力（実線）の方が小さくなる。本明細書では、実消費電力と電力推定値との差（＝実消費電力−電力推定値）を「ΔＡＰ」という。

ＦＣ１４の発電量は、エアポンプ４２の電力推定値を含めたＦＣシステム１２全体の電力を推定して設定される（下記［２．３］参照）。このため、ΔＡＰが大きくなると、ＦＣ１４の発電量が不足又は超過する。不足する電力はＢＡＴ７８の放電により補われ、超過する電力はＢＡＴ７８の充電により蓄電される。

［２．２ ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０］
図４で示すように、ＢＡＴ７８には充電上限値ＵＬと放電下限値ＬＬとで画定される充放電制限範囲１３０がある。充電上限値ＵＬを超えて充電されると過充電となり、放電下限値ＬＬを超えて放電されると過放電となる。充電上限値ＵＬと放電下限値ＬＬを超える範囲でのバッテリの使用は禁止されており、ＢＡＴ７８は充放電制限範囲１３０内で充放電するように使用される。当然ではあるが、ＳＯＣが大きいほど、充放電制限範囲１３０のうち放電できる電力幅が大きくなり、ＳＯＣが小さいほど、充放電制限範囲１３０のうち充電できる電力幅が大きくなる。

充放電制限範囲１３０のうち充電上限値ＵＬの手前には減速側のバッファ１３２が設定され、充放電制限範囲１３０のうち放電下限値ＬＬの手前には加速側のバッファ１３４が設定される。加速側のバッファ１３４は、車両１０の加速時に発生するΔＡＰが超えない程度の大きさに設定される。減速側のバッファ１３２は、車両１０の減速時に発生するΔＡＰが超えない程度の大きさに設定される。言い換えると、加速側のバッファ１３４及び減速側のバッファ１３２の電力はエアポンプ４２の使用分として割り当てられる。そして、加速側のバッファ１３４と減速側のバッファ１３２以外の範囲の電力はエアポンプ４２以外の使用分として割り当てられる。この範囲をＥＭ制御範囲１３６という。

［２．３ ＦＣ１４とＢＡＴ７８の電力配分］
図５を用いて、車両１０の加速走行時又は定常走行時の電力配分について説明する。図５は、ＢＡＴ７８のＳＯＣが５０％程度、すなわちＢＡＴ７８の充電可能量と放電可能量が同程度である場合の電力配分例を示す。ＦＣシステム１２を搭載する車両１０では、ＦＣ１４に要求される発電量（目標電力）が演算される。大きくは次のような処理が行われる。

先ず、上記［２．１］で説明したエアポンプ４２の電力推定値が演算される。ここでは電力推定値を推定電力１４０という。更に、エアポンプ４２以外の高電圧補機（Ａ／Ｃ８４、ヒータ８６、ＤＣ／ＤＣ８８）やＴＲＣ７６等、ＦＣシステム１２の現状維持のために要求される消費要求電力１４２が演算される。推定電力１４０と消費要求電力１４２をＦＣ１４の発電とＢＡＴ７８のアシスト量（放電量）で賄う必要がある。ＦＣシステム１２では、ＥＭ制御範囲１３６のうち放電側の範囲１４６（ＥＭ放電範囲１４６ともいう）の電力をＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａとして使用することを想定したうえで、ＦＣ１４の発電量１４４を設定する。すなわち、推定電力１４０と消費要求電力１４２の合計と、ＦＣ１４の発電量１４４とＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａの合計が概ね等しくなるように、ＦＣ１４の発電量１４４とＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａを設定する。そして、実際の加速走行時又は定常走行時には、ＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａがＥＭ制御範囲１３６内に収まるように、各機器を制御する。車両１０の減速時も同様に、ＢＡＴ７８の図示しないアシスト量（充電量）がＥＭ制御範囲１３６内に収まるように、各機器を制御する。

［２．４ 本実施形態の説明］
本実施形態によれば、ＥＭ制御範囲１３６を広くすることができる。すなわち、本実施形態は、ＦＣ１４の出力目標値に基づいてバッファ１３２、１３４の量（大きさ又は幅ともいう）を制御する。具体的には、ＦＣ１４の出力目標値及びその変化量に基づいてバッファ１３２、１３４の量を制御する。図６Ａ、図６Ｂ、図７を用いて一例を説明する。図６ＡはＦＣ１４の出力、ここではＦＣ１４が発電する電力Ｐｆｃと、エアポンプ４２の消費電力Ｐａｐの時間変化を示す。図６Ｂは図６Ａで示す電力Ｐｆｃの時間当たりの変化量ΔＰｆｃ／Δｔを示す。図７は図６Ａで示す加速走行時（状態１）、定常走行時（状態２）、減速走行時（状態３）に設定されるバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´を示す。

通常、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃは、車両１０の加速走行時に大きくされ、定常走行時に略一定とされ、減速走行時に小さくされる。例えば、図６Ａで示す時点ｔ１〜時点ｔ３で車両１０は加速走行しており、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃは大きくなる。このとき、図６Ｂで示すように、電力Ｐｆｃの上昇側の変化量（上昇量）ΔＰｆｃ／Δｔは大きくなる。すると、図６Ａで示すように、エアポンプ４２を駆動させるために大きな電力が必要となり、エアポンプ４２にはＦＣ１４から供給される電力の他にＢＡＴ７８から電力が供給される。図６Ａで示す時点ｔ３〜時点ｔ４で車両１０は定常走行（ここでは最大速度走行）しており、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃは略一定となる。このとき、図６Ｂで示すように、電力Ｐｆｃの変化量ΔＰｆｃ／Δｔは略ゼロである。すると、エアポンプ４２にはＦＣ１４から電力が供給される一方で、エアポンプ４２とＢＡＴ７８との間で電力のやりとりは少なくなる。図６Ａで示す時点ｔ４〜時点ｔ５で車両１０は減速走行しており、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃは小さくなる。このとき、図６Ｂで示すように、電力Ｐｆｃの低下側の変化量（低下量）ΔＰｆｃ／Δｔは大きくなる。すると、図６Ａで示すように、エアポンプ４２（エアポンプ４２のモータ）は発電機として機能し、エアポンプ４２からＢＡＴ７８に電力が供給される。

図６Ａで示す時点ｔ１〜時点ｔ３のように、ＢＡＴ７８が放電するとき、加速側のバッファ１３４（図５参照）は使用されるが、減速側のバッファ１３２（図５参照）は使用されない。このため、加速側のバッファ１３４を大きくする必要はあるが、減速側のバッファ１３２を大きくする必要はない。

図６Ａで示す時点ｔ３〜時点ｔ４のように、ＢＡＴ７８が充放電しないとき、加速側のバッファ１３４及び減速側のバッファ１３２は使用されない。その一方で、車両１０の速度は最大であることから、減速の可能性はあるものの、加速の可能性はない。このため、減速に備えて減速側のバッファ１３２を大きくする必要はあるが、加速側のバッファ１３４を大きくする必要はない。

図６Ａで示す時点ｔ４〜時点ｔ５のように、ＢＡＴ７８が充電するとき、減速側のバッファ１３２は使用されるが、加速側のバッファ１３４は使用されない。このため、減速側のバッファ１３２を大きくする必要はあるが、加速側のバッファ１３４を大きくする必要はない。

そこで、本実施形態は、図７で示すように、ＢＡＴ７８の充放電の状態及び可能性を推定してバッファ１３２、１３４の量を制御するようにしている。図６Ａ、図６Ｂで示すように、ＢＡＴ７８の充放電の状態は、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃ及び変化量ΔＰｆｃ／Δｔと相関がある。また、ＦＣ１４の電力Ｐｆｃは、ＦＣ１４に要求される出力目標値（目標電力Ｐｆｃｔｒ、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍ等）とほぼ比例関係にある（Ｐｆｃ∝Ｐｆｃｔｒ、Ｐｆｃ∝Ｉｆｃｃｏｍ）。このため、ＦＣ１４に要求される出力目標値（目標電力Ｐｆｃｔｒ、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍ等）を用いて、ＢＡＴ７８の充放電の状態及び可能性を推定できる。本実施形態では、ＦＣ１４の出力目標値として電流指令値Ｉｆｃｃｏｍを使用する。そして、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍ及びその時間当たりの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔに基づいて、バッファ１３２、１３４の量を制御するようにしている。

具体的には、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量（上昇量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が所定値以上（例えば０以上）である場合には、図６Ｂで示す状態１のように、車両１０は加速走行している。つまり、ＢＡＴ７８は放電している。このとき、図７で示す状態１のように、充放電制限範囲１３０の放電下限値ＬＬ側に所定量のバッファ１３４を設定し、充電上限値ＵＬ側に所定量よりも小さいバッファ１３２´を設定する。なお、バッファ１３２´の量を、一定量にしてもよいし、変化量（上昇量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が大きくなるほど小さくしてもよい。バッファ１３２´の量を変える場合は、変化量（上昇量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜とバッファ１３２´との関係を予め定めたマップを使用可能である。

電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が所定値未満（例えば０）である場合には、図６Ｂで示す状態２のように、車両１０は定常走行している。つまり、ＢＡＴ７８はほぼ充電及び放電していない。このときは電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの大きさを判定する。電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが小さいほど次に加速される可能性が高く、大きいほど次に減速される可能性が高い。例えば、図７で示す状態２のように、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが最大値に近い場合は、加速の余地がない。このため、次に加速される可能性は低く、減速される可能性は高い。このとき、充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬ側に所定量又は所定量よりも若干小さいバッファ１３２を設定し、放電下限値ＬＬ側に所定量よりも小さいバッファ１３４´を設定する。また、図示しないが、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが最小値に近い場合は、減速の余地がない。このため、次に加速される可能性は高く、減速される可能性は低い。このとき、充放電制限範囲１３０の放電下限値ＬＬ側に所定量又は所定量よりも若干小さいバッファ１３４を設定し、充電上限値ＵＬ側に所定量よりも小さいバッファ１３２´を設定する。なお、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに応じてバッファ１３２´、１３４´の量を変えてもよいし、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが閾値を超えた場合にバッファ１３２、１３４の量を変えてもよい。

電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量（低下量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が所定値以上（例えば０以上）である場合には、図６Ｂで示す状態３のように、車両１０は減速走行している。つまり、ＢＡＴ７８は充電している。このとき、図７の状態３のように、充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬ側に所定量のバッファ１３２を設定し、放電下限値ＬＬ側に所定量よりも小さいバッファ１３４´を設定する。なお、バッファ１３４´の量を、一定量にしてもよいし、変化量（低下量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が大きくなるほど小さくしてもよい。バッファ１３４´の量を変える場合は、変化量（上昇量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜とバッファ１３４´との関係を予め定めたマップを使用可能である。

［３ ＦＣシステム１２の処理］
図８で示すフローチャートを用いつつ、適宜図１、図２を参照してＦＣシステム１２で行われる処理を説明する。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は各機器の動作状況を監視すると共に、各種センサの検出信号を受信することにより各種情報を取得する。

ステップＳ２にて、ＥＭＥＣＵ１００は、取得した情報に基づいて、ＦＣ１４に要求される発電量、すなわち目標電力を演算する。このとき、ＥＭＥＣＵ１００には、ＦＣＥＣＵ１０２の電力推定部１０８で前回演算された電力推定値、及び、バッファ制御部１１０で前回設定されたバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´がフィードバックされている。ＥＭＥＣＵ１００は、バッファ１３２、１３２´の量（大きさ）とバッファ１３４、１３４´の量（大きさ）で決まるＥＭ制御範囲１３６と電力推定値とに基づいて、ＢＡＴ７８から充放電可能な電力を演算すると共に、負荷や各種高電圧補機に割り当てることができる消費電力や回生電力を決定する。そして、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣシステム１２で発生／消費するトータルの電力がプラスマイナスゼロとなるように、ＦＣ１４の目標電力を演算する。例えば、車両１０の加速時には上記［２．３］で説明したような手順で目標電力を算出する。目標電力は電流指令値ＩｆｃｃｏｍとしてＦＣＥＣＵ１０２に出力される。

ステップＳ３にて、流量／圧力演算部１０４は、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに基づいて、ＦＣ１４の目標電力を得るために必要なエアポンプ４２の目標流量／圧力を演算する。

ステップＳ４にて、回転数演算部１０６は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標流量／圧力と、エアポンプ４２のＡ／Ｐ回転数センサ９６の検出値を用いて、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を演算する。

ステップＳ５にて、電力推定部１０８は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標流量／圧力を用いて、電力推定値（上記［２．１］参照）を演算する。演算された電力推定値は、次回の目標電力の演算のために、ＥＭＥＣＵ１００にフィードバックされる。

ステップＳ６にて、バッファ制御部１１０は、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに基づいて、バッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´を設定する。ここでは、上記［２．４］で説明したように、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量（上昇量又は低下量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜と電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに基づいて所定量のバッファ１３２、１３４又は所定量よりも小さいバッファ１３２´、１３４´を設定する。設定されたバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´は、次回のエネルギーマネージメントのために、ＥＭＥＣＵ１００にフィードバックされる。

ステップＳ７にて、電力システム制御部１１４は、ＢＡＴ７８の充放電量が充電上限値ＵＬ及び放電下限値ＬＬを超えないように、電力システム２２を制御する。この際、電力システム制御部１１４は、Ａ／ＰＰＤＵ９４を介して、回転数演算部１０６で演算された目標回転数に基づいて、エアポンプ４２を制御する。

ステップＳ８にて、ガス制御部１１２は、カソード圧を流量／圧力演算部１０４で演算された目標圧力にするために、圧力センサ６４で検出された圧力値を監視しつつ背圧弁４８のフィードバック制御を行う。

［４ 本実施形態のまとめ］
ＦＣシステム１２は、水素ガス（燃料ガス）及びエア（酸化剤ガス）を用いて発電する燃料電池１４と、充放電制限範囲１３０内で充放電するＢＡＴ７８（蓄電装置）と、燃料電池１４及びＢＡＴ７８から供給される電力を消費すると共にＢＡＴ７８に電力を供給するＴＲＣ７６等の負荷及び補機と、補機に含まれ燃料電池１４にエアを供給するエアポンプ４２と、エアポンプ４２を制御しつつ燃料電池１４の発電及びＢＡＴ７８の充放電を制御するＥＣＵ２４（制御装置）と、を備える。ＥＣＵ２４は、燃料電池１４の電流指令値Ｉｆｃｃｏｍ（出力目標値）を演算してエアポンプ４２を制御する。また、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬ、放電下限値ＬＬにバッファ１３２、１３４を設定する。また、バッファ１３２、１３４分の電力をエアポンプ４２の使用分として割り当て、バッファ１３２、１３４分以外の電力をエアポンプ４２以外の使用分として割り当てて、ＢＡＴ７８の充放電を制御する。そして、ＥＣＵ２４は、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに基づいてバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´の量を制御する。

ＦＣシステム１２によれば、車両１０の走行状態と相関する電流指令値Ｉｆｃｃｏｍに基づいてバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´の量を適宜制御する。このため、図７で示すように、加速側と減速側のバッファ１３２、１３４のうち、使用するバッファ１３２、１３４の量を確保する一方で、使用しないバッファ１３２、１３４の量を小さくすることができる。ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０のうち、バッファ１３２、１３４の占める割合が減ると、その減った分量だけエアポンプ４２以外の電機機器分として割り当てることが可能になる。すると、エネルギーマネージメントの自由度が向上し、ＦＣシステム１２の制御性が向上する。

ＦＣシステム１２において、ＥＣＵ２４は、更に電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔに基づいてバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´の量を制御する。

電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／ΔｔからＢＡＴ７８の充放電の状態を推定できる。変化量（上昇量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が所定値以上である場合は、ＢＡＴ７８は放電している。このとき、図７で示す状態１のように、加速側（放電側）のバッファ１３４を確保すると共に、減速側（充電側）のバッファ１３２を小さくすることができる。変化量（低下量）｜ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔ｜が所定値以上である場合は、ＢＡＴ７８は充電している。このとき、図７で示す状態３のように、減速側（充電側）のバッファ１３２を確保すると共に、加速側（放電側）のバッファ１３４を小さくすることができる。このように、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔに基づいてバッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´の量を制御することにより、バッファ１３２、１３２´、１３４、１３４´の制御を適切に行うことができる。

ＥＣＵ２４は、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔが略一定である場合に、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが大きいほど、充放電制限範囲１３０の放電下限値側ＬＬに設定されるバッファ１３４を小さくする。

電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔが略一定である場合、電流指令値ＩｆｃｃｏｍからＢＡＴ７８の充放電の可能性を推定できる。例えば、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが大きくなるほど、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが大きくなる余地はなくなるため、その後に電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが大きくなる可能性は低くなる。すなわち、その後にＢＡＴ７８が放電する可能性は低い。このため、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０のうち、放電下限値ＬＬに設定されるバッファ１３４を小さくすることができる。このようにすることで、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０の放電下限値ＬＬ側を広げることができ、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

ＥＣＵ２４は、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔが略一定である場合に、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが小さいほど、充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬに設定されるバッファ１３２を小さくする。

電流指令値Ｉｆｃｃｏｍの変化量ΔＩｆｃｃｏｍ／Δｔが略一定である場合、電流指令値ＩｆｃｃｏｍからＢＡＴ７８の充放電の可能性を推定できる。例えば、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが小さくなるほど、電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが小さくくなる余地はなくなるため、その後に電流指令値Ｉｆｃｃｏｍが小さくなる可能性は低くなる。すなわち、その後にＢＡＴ７８が充電する可能性は低い。このため、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０のうち、充電上限値ＵＬに設定されるバッファ１３２を小さくすることができる。このようにすることで、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬ側を広げることができ、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

１０…車両（燃料電池車両）
１２…ＦＣシステム（燃料電池システム）
１４…燃料電池（ＦＣ） １８…エア供給システム
２２…電力システム ２４…ＥＣＵ
４２…エアポンプ ７６…トラクションモータ（ＴＲＣ）
７８…高電圧バッテリ（ＢＡＴ）
１００…エネルギーマネージメントＥＣＵ（ＥＭＥＣＵ）
１０２…ＦＣＥＣＵ １１０…バッファ制御部
１１４…電力システム制御部 １３０…充放電制限範囲（電力範囲）
１３２、１３２´、１３４、１３４´…バッファ

Claims (5)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   充放電可能な電力範囲内で充放電する蓄電装置と、
   前記燃料電池及び前記蓄電装置から供給される電力を消費すると共に前記蓄電装置に電力を供給する負荷と、
   前記燃料電池及び前記蓄電装置から供給される電力を消費する補機と、
   前記補機に含まれ前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、
   前記ポンプを制御しつつ前記燃料電池の発電及び前記蓄電装置の充放電を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の出力目標値を演算して前記ポンプを制御すると共に、
   前記蓄電装置の前記電力範囲の上下限値にバッファを設定し、前記バッファ分の電力を前記ポンプの使用分として割り当て、前記バッファ分以外の電力を前記ポンプ以外の使用分として割り当てて、前記蓄電装置の充放電を制御する燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記出力目標値に基づいて前記電力範囲の上限値の前記バッファの量と前記電力範囲の下限値の前記バッファの量を個別に制御する
   ことを特徴と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において、
   前記制御装置は、更に前記出力目標値の変化量に基づいて前記バッファの量を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記出力目標値の変化量が略一定である場合に、前記出力目標値が大きいほど、前記電力範囲の下限値側に設定される前記バッファを小さくする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記出力目標値の変化量が略一定である場合に、前記出力目標値が小さいほど、前記電力範囲の上限値側に設定される前記バッファを小さくする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記出力目標値は車両の走行状態と相関し、
   前記制御装置は、前記出力目標値に基づいて、前記電力範囲の上限値の前記バッファ及び前記電力範囲の下限値の前記バッファのうち使用する一方の前記バッファを特定し、一方の前記バッファの量を現在の量よりも大きく設定するとともに、他方の前記バッファの量を現在の量よりも小さく設定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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