JP6477515B2

JP6477515B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6477515B2
Application number: JP2016008395A
Authority: JP
Inventors: 義明鶴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2016-01-20
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2036-01-20
Also published as: JP2017130326A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、駆動モータと、インバータと、２次電池と、バッテリ昇圧コンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）と、燃料電池と、ＦＣ昇圧コンバータと、を備える燃料電池システムが記載されている。

特開２０１４−１８７８３１号公報

一般に、燃料電池システムでは、駆動モータによる回生を行う際に、インバータとバッテリ昇圧コンバータとの間の高電圧配線の電位が高く維持されており、バッテリ昇圧コンバータにおける降圧量が大きいたため、バッテリ昇圧コンバータの電力損失が大きく、回収できる電力が少なくなるという問題点があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、移動体に搭載される燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである燃料電池用コンバータと、前記燃料電池用コンバータに接続される高電圧配線と、前記高電圧配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである二次電池用コンバータと、前記二次電池用コンバータと低電圧配線を介して接続される二次電池と、前記高電圧配線に接続されるインバータと、前記インバータに接続される駆動モータと、前記燃料電池の電流と電圧を測定する第１センサと、前記高電圧配線の電圧を測定する第２センサと、前記駆動モータの電流と電圧を測定する第３センサと、前記二次電池の電流と電圧を測定する第４センサと、前記移動体の速度を取得する速度センサと、前記移動体のアクセルペダルの踏み込み量を取得するアクセルペダルセンサと、前記移動体のブレーキペダルの踏力を取得するブレーキペダルセンサと、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１センサの測定値が、前記燃料電池が発電停止中であることを示す第１条件、及び、前記第３センサの測定値または前記第４センサの測定値が、前記駆動モータが回生動作をしていることを示す第２条件、の両方を満たす場合には、前記移動体の速度と、前記アクセルペダルの踏み込み量と、前記ブレーキペダルの踏力とを用いて前記駆動モータに掛けるマイナストルクを算出し、前記マイナストルクに対応する前記高電圧配線の電圧であるモータ要件電圧を算出し、（ｉ）前記モータ要件電圧が前記二次電池の電圧未満の場合には、前記二次電池の電圧を第１目標電圧とし、前記モータ要件電圧が前記二次電池の電圧以上の場合には、前記二次電池用コンバータが前記二次電池の電圧を昇圧するときの昇圧後の最低電圧である二次電池制御性担保電圧と前記モータ要件電圧とのうちの小さくない方を第１目標電圧とし、（ｉｉ）前記燃料電池の非発電時に測定した前記燃料電池の電圧と前記モータ要件電圧とのうちの小さくない方を第２目標電圧とし、（ｉｉｉ）前記高電圧配線の制御目標電圧として、前記第１目標電圧と前記第２目標電圧のうちの小さくない方の電圧を設定する。
この形態によれば、駆動モータが回生動作中であり、かつ、燃料電池が発電停止中の時には、高電圧配線の電圧を下げることができるので、インバータのベース電圧を下げることができ、また、二次電池用コンバータの降圧比を下げることができるので、二次電池用コンバータの損失を抑制し、回収できる電力の低下を抑制できる。

（２）上記形態において、前記制御部は、前記燃料電池の非発電時に、前記二次電池の放電可能電力が大きいほど、前記燃料電池の非発電時に測定される前記燃料電池の電圧を低下させるように、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの量を低下させてもよい。
移動体を再加速させる場合、燃料電池に反応ガスを供給して再発電させるが、反応ガスの供給から燃料電池の電圧が上がるまでのタイムラグがあり、二次電池で補助することが好ましい。この形態によれば、前記制御部は、前記二次電池の放電可能電力が大きいほど、前記燃料電池の前記非発電時に測定される燃料電池の電圧を低下させるように、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの量を低下させる。その結果、高電圧配線の電圧を下げることができ、インバータのベース電圧を下げることができる。また、二次電池用コンバータの降圧比を下げることができる。その結果、二次電池用コンバータの損失を抑制し、回収できる電力の低下を抑制できる。

（３）上記形態において、前記燃料電池の電圧を低下させるときに、前記二次電池の充電可能電力に応じたレートで低下させてもよい。
燃料電池から引く電流をゼロとしても、燃料電池の中にはエアが残っている場合には、燃料電池は残存エアを用いて余剰の発電を行う。この形態によれば、燃料電池の電圧を低下させるときに、前記二次電池の充電可能電力に応じたレートで前記燃料電池の電圧を低下させるので、二次電池により多くの余剰の電力を充電させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム他、燃料電池システムを備えた車両、移動体や、回生制御方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す説明図。燃料電池システムの制御フローチャート。第１目標電圧を取得するフローチャート。図３の内容を示したグラフ。第２目標電圧を取得するフローチャート。図５の内容を示したグラフ。第２の実施形態における第２目標電圧を示すグラフ。二次電池の放電可能電力と、燃料電池の目標電圧との関係を示すグラフ。燃料電池システムの回生動作からの復帰時の動作を示すグラフ。第３の実施形態における第２目標電圧を示すグラフ。二次電池２００の充電可能電力と、移行レートとの関係を示す説明図。燃料電池に残存するエアによる余剰発電の電力の二次電池による吸収を示す説明図。

・第１の実施形態：
図１は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、高電圧配線１１０と、燃料電池用コンバータ１２０（「ＦＣ用コンバータ１２０」とも呼ぶ。）と、駆動モータ用インバータ１３０（図では「モータ用インバータ」と記載。）と、駆動モータ１４０と、エアコンプレッサ用インバータ１５０（図では「Ａ／Ｃ用インバータ」と記載。）と、エアコンプレッサ１６０（図では「Ａ／Ｃ」と記載。）と、二次電池２００と、低電圧配線２１０と、二次電池用コンバータ２２０と、補機用インバータ２３０と、補機２４０と、第１センサＳ１と、第２センサＳ２と、第３センサＳ３と、第４センサＳ４と、第５センサＳ５と、制御部３００と、アクセルペダルセンサ３１０と、アクセルペダル３１５と、ブレーキペダルセンサ３２０と、ブレーキペダル３２５と、速度センサ３３０と、を備える。ＦＣ用コンバータ１２０と二次電池用コンバータ２２０は、ＤＣ−ＤＣコンバータである。

燃料電池１００は、第１配線１０５により、ＦＣ用コンバータ１２０と接続されている。第１センサＳ１は、第１配線１０５に接続されており、燃料電池１００の電圧Ｖ１と電流とを測定する。ＦＣ用コンバータ１２０と、駆動モータ用インバータ１３０と、エアコンプレッサ用インバータ１５０と、二次電池用コンバータ２２０と、第２センサＳ２は、高電圧配線１１０に接続されている。第２センサＳ２は、高電圧配線１１０の電圧Ｖ２を測定する。二次電池用コンバータ２２０と、二次電池２００と、補機用インバータ２３０と、第３センサＳ３は、低電圧配線２１０に接続されている。第３センサＳ３は、二次電池２００の電圧Ｖ３と電流を測定する。駆動モータ用インバータ１３０には、駆動モータ１４０と、第４センサＳ４が接続されている。第４センサＳ４は、駆動モータ１４０の駆動電圧Ｖ４と電流を測定する。補機用インバータ２３０には、補機２４０が接続されている。

燃料電池１００は、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）を反応させて直流の電力を発生させる発電装置である。燃料電池１００が発生させた電力は、ＦＣ用コンバータ１２０により昇圧されて、高電圧配線１１０を介して駆動モータ用インバータ１３０に供給される。駆動モータ用インバータ１３０は、燃料電池１００から供給された直流の電力を、例えば３相交流に変換し、駆動モータ１４０に供給する。駆動モータ１４０は、移動体の車輪を駆動するモータである。また、エアコンプレッサ用インバータ１５０は、燃料電池１００から供給された直流の電力を、例えば３相交流に変換し、エアコンプレッサ１６０に供給する。エアコンプレッサ１６０は、大気中の空気を圧縮して、酸化剤ガスとして燃料電池１００に供給する。ここで、ＦＣ用コンバータ１２０が昇圧動作を行う場合、ＦＣ用コンバータ１２０の出力電圧は、入力電圧（燃料電池１００の電圧Ｖ１）よりも高くなる。燃料電池用コンバータ１２０が動作したときの昇圧後の最低の電圧（昇圧後の許容範囲の下限電圧）を、「燃料電池制御性担保電圧Ｖ５」と呼ぶ。燃料電池制御性担保電圧Ｖ５は、例えば、燃料電池１００の電圧Ｖ１よりも予め定められた差分だけ高い電圧として設定される。

二次電池２００は、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などで構成されている。二次電池２００の電力は、補機用インバータ２３０を介して補機２４０に供給される。補機２４０は、例えば、燃料電池１００に燃料ガスを供給するためのポンプ、燃料電池１００に冷却液を供給するためのポンプ、車両の空調装置等を含む。なお、補機２４０の一部は、補機用インバータ２３０を介さずに、低電圧配線２１０に直接接続されていてもよい。また、補機２４０の一部は、高電圧配線１１０に接続されていても良い。二次電池２００には、図示しない充放電制御回路が設けられている。第５センサＳ５は、二次電池２００に接続されており二次電池２００の温度を取得する。

二次電池用コンバータ２２０は、上述したように、高電圧配線１１０と、低電圧配線２１０とに接続されており、双方向の電圧変換を行う。したがって、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池１００の電力を駆動モータ用インバータ１３０に供給して、駆動モータ１４０を駆動することに加え、二次電池２００から供給された電力の電圧を、二次電池用コンバータ２２０を用いて昇圧し、駆動モータ用インバータ１３０に供給して、駆動モータ１４０を駆動することも可能である。また、燃料電池１００の電力の電圧を、二次電池用コンバータ２２０を用いて降圧して二次電池２００に充電することや、駆動モータ１４０の回生電力の電圧を、二次電池用コンバータ２２０を用いて降圧または昇圧して二次電池２００に充電することが可能である。なお、二次電池用コンバータ２２０が二次電池２００の昇圧動作を行う場合、二次電池用コンバータ２２０の出力電圧は、入力電圧（二次電池２００の電圧Ｖ３）よりも高くなる。二次電池用コンバータ２２０が二次電池２００の電圧を昇圧するときの昇圧後の最低の電圧（昇圧後の許容範囲の下限電圧）を、「二次電池制御性担保電圧Ｖ６」と呼ぶ。二次電池制御性担保電圧Ｖ６は、例えば、二次電池２００の電圧Ｖ３よりも予め定められた差分だけ高い電圧として設定される。

アクセルペダルセンサ３１０は、車両のアクセルペダル３１５の踏み込み量を検知する。アクセルペダル３１５が踏み込まれると、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量に応じて、燃料電池１００と、ＦＣ用コンバータ１２０と、二次電池用コンバータ２２０と、駆動モータ用インバータ１３０と、補機用インバータ２３０を制御して、車両を加速させる。ブレーキペダルセンサ３２０は、車両のブレーキペダル３２５の踏み込み量を検知する。ブレーキペダル３２５が踏み込まれると、制御部３００は、ブレーキペダル３２５の踏み込み量（踏力）に応じて、車両を減速または停止させる。速度センサ３３０は、燃料電池システム１０が搭載されている車両の速度を取得する。

図２は、燃料電池システム１０の制御フローチャートである。ステップＳ１０では、車両は、通常走行しており、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量に基づいて、燃料電池１００と二次電池２００の少なくとも一方の電力を用いて、駆動モータ１４０を駆動させる。

ステップＳ１００では、制御部３００は、燃料電池１００が発電停止中であることを示す第１条件を満たすか否かを判断する。具体的には、制御部３００は、第１センサＳ１を用い、燃料電池１００から出力される電力がゼロであるか否かを判断する。燃料電池１００から出力される電力がゼロである場合には、燃料電池１００が発電停止中であると判断する。制御部３００は、燃料電池１００が発電停止中であると判断した場合には、ステップＳ２００に移行し、燃料電池１００が発電停止中ではない（発電中である）と判断した場合には、処理を終了する。

ステップＳ２００では、制御部３００は、駆動モータ１４０が回生動作をしている（回生動作中）ことを示す第２条件を満たしているか否かを判断する。具体的には、制御部３００は、第３センサＳ３の測定値または第４センサＳ４の測定値を用いて以下の２つの条件の少なくとも一方が満たされているかを判断する。
（ｉ）駆動モータ１４０に供給する電流よりも、駆動モータ１４０から出力される電流の方が多い。これは、第４センサＳ４を用いて、駆動モータ１４０に流れる電流の向きを取得することで判断できる。
（ｉｉ）電流の向きが二次電池２００に電力が充電される向きである。これは、第３センサＳ３を用い、二次電池２００に流れる電流の向きを取得することで判断できる。

なお、ステップＳ２００は、ステップＳ１００において、燃料電池１００が発電中でない場合に実行されるので、条件（ｉｉ）を満たす場合、二次電池２００に充電される電力は、回生により生じた電力である。

この２つの条件（ｉ）、（ｉｉ）のいずれかが満たされている場合には、制御部３００は、駆動モータ１４０が回生動作中である、と判断する。制御部３００は、駆動モータ１４０が回生動作中である、と判断した場合には、ステップＳ３００に移行し、回生動作中でないと判断した場合には、処理を終了する。ステップＳ３００に移行する場合は、ステップＳ１００とステップＳ２００の両方を満たす場合である。

ステップＳ３００では、制御部３００は、高電圧配線１１０の第１目標電圧ＶＴ１を取得する。図３は、第１目標電圧ＶＴ１を取得するフローチャートである。ステップＳ３０５では、制御部３００は、アクセルペダル３１５の踏み込み量と、ブレーキペダル３２５の踏力と、速度センサ３３０により得られる車両の速度と、に基づいて、駆動モータ１４０にかけるマイナストルク（制動力）を算出する。ステップＳ３１０では、制御部３００は、駆動モータ１４０に要求するマイナストルクに対応するモータ要件電圧Ｖｍを取得する。例えば、駆動モータ１４０のマイナストルクと、これに対応するモータ要件電圧Ｖｍの関係を予めマップ等の形式で設定しておくことにより、駆動モータ１４０のマイナストルクに対応するモータ要件電圧Ｖｍを取得できる。あるいは、駆動モータ１４０のマイナストルクから、駆動モータ１４０から引く電流を算出し、この電流に対応する電圧を予めマップ等の形式で設定しておくことにより、駆動モータ１４０のマイナストルクに対応するモータ要件電圧Ｖｍを取得してもよい。高電圧配線１１０の電圧が、モータ要件電圧Ｖｍ以上であれば、駆動モータ１４０に所望のマイナストルクを発生させることが可能である。

ステップＳ３２０では、第３センサＳ３を用いて、二次電池２００の電圧Ｖ３を取得する。ステップＳ３３０では、制御部３００は、モータ要件電圧Ｖｍが二次電池２００の電圧Ｖ３未満（Ｖｍ＜Ｖ３）であるか否かを判断する。Ｖｍ＜Ｖ３を満たす場合には、ステップＳ３４０に移行し、Ｖｍ＜Ｖ３を満たさない場合（Ｖｍ≧Ｖ３の場合）には、ステップＳ３５０に移行する。ステップＳ３４０では、二次電池２００の電圧Ｖ３を第１目標電圧ＶＴ１として設定する。ステップＳ３５０では、二次電池制御性担保電圧Ｖ６を取得する。この二次電池制御性担保電圧Ｖ６は、二次電池２００の電圧Ｖ３よりもΔＶ３だけ大きい。ステップＳ３６０では、モータ要件電圧Ｖｍと二次電池制御性担保電圧Ｖ６とのうちの小さくない方（大きい方）の電圧を第１目標電圧ＶＴ１として設定する。

図４は、図３の内容を示したグラフである。点Ｐ１よりも左側は、モータ要件電圧Ｖｍが二次電池２００の電圧Ｖ３未満である領域（Ｖｍ＜Ｖ３の領域）であり、ステップＳ３４０により、二次電池２００の電圧Ｖ３が第１目標電圧ＶＴ１として設定されている。点Ｐ１よりも左側の領域では、二次電池用コンバータ２２０を用いて二次電池２００の電圧を昇圧する必要が無いため、二次電池制御性担保電圧Ｖ６は使用しなくても良い。点Ｐ１及びその右側は、モータ要件電圧Ｖｍが二次電池２００の電圧Ｖ３以上である領域（Ｖｍ≧Ｖ３）である。点Ｐ１から点Ｐ２の間は、モータ要件電圧Ｖｍよりも二次電池制御性担保電圧Ｖ６の方が小さくない（Ｖｍ≦Ｖ６）領域である。この領域では、二次電池制御性担保電圧Ｖ６が第１目標電圧ＶＴ１として設定され、点Ｐ２より右側は、二次電池制御性担保電圧Ｖ６よりもモータ要件電圧Ｖｍの方が小さくない（Ｖｍ＞Ｖ６）ので、モータ要件電圧Ｖｍが第１目標電圧ＶＴ１として設定されている。

図２のステップＳ４００では、制御部３００は、高電圧配線１１０の第２目標電圧ＶＴ２を取得する。図５は、第２目標電圧ＶＴ２を取得するフローチャートである。ステップＳ４１０では、制御部３００は、モータ要件電圧Ｖｍを取得する。このステップＳ４１０は、上述したステップＳ３０５、Ｓ３１０と同様のステップである。ステップＳ４２０では、制御部３００は、第１センサＳ１を用いて、燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１を取得する。ステップＳ４３０では、モータ要件電圧Ｖｍと燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１の小さくない方（大きい方）の電圧を第２目標電圧ＶＴ２として設定する。

図６は、図５の内容を示したグラフである。図６と図４の違いは、二次電池２００の電圧Ｖ３及び二次電池制御性担保電圧Ｖ６の大きさである。図６の、二次電池２００の電圧Ｖ３及び二次電池制御性担保電圧Ｖ６は、図４の、二次電池２００の電圧Ｖ３及び二次電池制御性担保電圧Ｖ６よりも小さくなっている。すなわち、二次電池２００の電圧Ｖ３及び二次電池制御性担保電圧Ｖ６は、二次電池２００の充電状態（ＳＯＣ）により変わる。

点Ｐ３よりも左側は、モータ要件電圧Ｖｍが燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１未満である領域（Ｖｍ＜Ｖ１）であり、ステップＳ４３０により、燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１が第２目標電圧ＶＴ２として設定されている。ここで、燃料電池１００の非発電時には、ＦＣ用コンバータ１２０を動作させる必要がないので、燃料電池制御性担保電圧Ｖ５は制御目標として使用されない。点Ｐ３及びその右側は、モータ要件電圧Ｖｍが、燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１以上である領域（Ｖ１≦Ｖｍ）であり、モータ要件電圧Ｖｍが第２目標電圧ＶＴ２として設定されている。

図２のステップＳ５００では、第１目標電圧ＶＴ１と第２制御電圧ＶＴ２のうちの小さくない方（大きい方）の電圧を高電圧配線１１０の制御目標電圧として設定する。

一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作では、降圧時の電圧差が大きいほど、損失が大きい。この特性は、非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータで顕著であり、チョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータで特に顕著である。したがって、高電圧側の高電圧配線１１０の電圧Ｖ２を下げることにより、降圧時の電圧差を小さくして、損失を低減することができる。また、高電圧配線１１０の電圧Ｖ２は、駆動モータ用インバータ１３０やエアコンプレッサ用インバータ１５０のベース電圧であり、一般にインバータの損失は、ベース電圧が大きいほど大きいので、高電圧配線１１０の電圧Ｖ２を下げることにより、駆動モータ用インバータ１３０やエアコンプレッサ用インバータ１５０の損失を低減することができる。

本実施形態では、駆動モータ１４０が回生動作中であり、かつ、燃料電池１００が発電停止中の場合であって、モータ要件電圧Ｖｍが二次電池２００の電圧Ｖ３未満の場合には、以下の領域（ｉ）、（ｉｉ）において、二次電池用コンバータ２２０や、駆動モータ用インバータ１３０の損失を低減できる。

（ｉ）図４の点Ｐ１より左の領域
この領域では、制御部３００は、二次電池用コンバータ２２０を動作させて二次電池２００の電圧Ｖ３を昇圧させて、高電圧配線１１０に供給しなくてもよい。その結果、高電圧配線１１０の第１目標電圧ＶＴ１を、二次電池制御性担保電圧Ｖ６から二次電池２００の電圧Ｖ３に下げることができ、二次電池用コンバータ２２０や、駆動モータ用インバータ１３０の損失を低減できる。

（ｉｉ）図６の点Ｐ３よりも左側の領域
この領域では、制御部３００は、燃料電池１００の非発電時に測定した電圧Ｖ１がモータ要件電圧Ｖｍよりも大きいので、燃料電池用コンバータ１２０を動作させて高電圧配線１１０の電圧Ｖ２を昇圧させなくてもよい。その結果、高電圧配線１１０の第２目標電圧ＶＴ２を、燃料電池制御性担保電圧Ｖ５から燃料電池１００の電圧Ｖ１に下げることができ、二次電池用コンバータ２２０や、駆動モータ用インバータ１３０の損失を低減することができる。

なお、図６のところで説明したように、二次電池２００の電圧Ｖ３及び二次電池制御性担保電圧Ｖ６は、二次電池２００の充電状態により変わる。したがって、二次電池２００の電圧Ｖ３の大きさによっては、第１目標電圧ＶＴ１と第２目標電圧ＶＴ２のいずれか大きいか（小さくないか）が入れ替わる。したがって、本実施形態では、図２のステップＳ５００で説明したように、第１目標電圧ＶＴ１と第２制御電圧ＶＴ２のうちの小さくない方（大きい方）の電圧を高電圧配線１１０の目標電圧として設定する。

・第２の実施形態
図７は、第２の実施形態における第２目標電圧ＶＴ２ｂを示すグラフである。図４に示す第１の実施形態における第２目標電圧ＶＴ２を示すグラフとの違いは、燃料電池１００の非発電時に、二次電池２００の放電可能電力に基づいて、エアコンプレッサ１６０による燃料電池への酸化剤ガスの供給量を変えることで、燃料電池１００の非発電時に測定される前記燃料電池の電圧を低下させる点である。電圧Ｖ１ａのグラフは、二次電池２００の放電可能電力が小さい場合（Ｗｏｕｔａ）のグラフであり、電圧Ｖ１ｂのグラフは、二次電池２００の放電可能電力が大きい場合（Ｗｏｕｔｂ）のグラフである。二次電池２００の放電可能電力が大きいほど、燃料電池１００の前記非発電時の電圧を低下させるように、燃料電池１００に供給する酸化剤ガスの量を低下させ、第２目標電圧ＶＴ２を低下させる。なお、二次電池２００の放電可能電力は、二次電池２００のＳＯＣと温度により決められる。

第２の実施形態では、制御部３００は、二次電池２００の放電可能電力が大きいほど、燃料電池１００の電圧を低下させるように、エアコンプレッサ１６０を制御し、燃料電池１００に供給する酸化剤ガスの量を低下させる。このように、燃料電池１００の非発電時の電圧をＶ１ａからＶ１ｂに低下させた場合、燃料電池１００の電圧Ｖ１ｂとモータ要件電圧Ｖｍとを用いて、第１の実施形態の図５、図６で説明したように、第２目標電圧ＶＴ２ｂを設定する。

図８は、二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔと、燃料電池１００の目標電圧との関係を示すグラフである。二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔが大きくなるほど、燃料電池１００の目標電圧を小さくなっている。そして、制御部３００は、この燃料電池１００の電圧がこの目標電圧となるようにエアコンプレッサ１６０を制御する。

燃料電池１００の目標電圧Ｖ１ｂは、例えば、以下のように決定できる。ＷＯＴ時の燃料電池１００の電圧と電流をＶｗｏｔ、Ｉｗｏｔとし、ＷＯＴ時の燃料電池１００のエアを供給するエアコンプレッサ（図示せず）の消費電力をＰａｐｗｏｔとし、二次電池２００の放電可能電力をＷｏｕｔとすると、以下の式（１）により決定される。ＷＯＴ時とは、燃料電池１００の出力電流値が出力可能電流値範囲の最大値となるように、燃料電池１００に反応ガスが供給されている状態を意味し、例えば、車両の運転者がアクセルペダル３１５を最大に踏み込んでいる状態等において生じ得る。
Ｖ１ｂ＝Ｖｗｏｔ＋（Ｐａｐｗｏｔ−Ｗｏｕｔ）／Ｉｗｏｔ …（１）

上記式（１）において、右辺第２項は、エアコンプレッサの消費電力Ｐａｐｗｏｔから二次電池２００の出力可能な電力を引いたものを、ＷＯＴ時の燃料電池１００の電流Ｉｗｏｔで割った値（電圧）である。燃料電池１００の目標電圧Ｖ１ｂを、ＷＯＴ時の燃料電池１００の電圧に右辺第２項の電圧を加えた値としておけば、エアを供給するエアコンプレッサ（図示せず）の消費電力Ｐａｐｗｏｔを出力しつつ、ＷＯＴ時の電力を出力できる。式（１）では、二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔが大きくなると、燃料電池１００の目標電圧Ｖ１ｂは、小さくなる。

図９は、燃料電池システム１０の回生動作からの復帰時の動作を示すグラフである。例えば、運転者によりアクセルペダル３１５が踏み込まれた場合には、燃料電池システム１０は、回生動作から復帰する。制御部３００は、アクセルペダルセンサ３１０を用いてアクセルペダル３１５の踏み込み量を取得し、燃料電池システム１０への要求電力Ｐｒｅｑを算出する。燃料電池システム１０は、要求電力Ｐｒｅｑのうち、一部を燃料電池１００から出力し、残りを二次電池２００から出力する。ここで、二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔが大きければ、燃料電池１００の電圧を下げて燃料電池１００からの電力を少なくしても、要求電力Ｐｒｅｑを二次電池２００の電力で補うことができる。

以上、第２の実施形態によれば、二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔが大きいほど燃料電池１００の非発電時の電圧を低下させるように、燃料電池１００に供給する酸化剤ガスの量を低下させる、燃料電池１００の電圧が下がれば、第１の実施形態と同様に、図７の点Ｐ４より左側の領域において、第２制御電圧ＶＴ２ｂをさらに下げることができ、二次電池用コンバータ２２０や、駆動モータ用インバータ１３０の損失を、さらに低減出来る。

・第３の実施形態
図１０は、第３の実施形態における第２目標電圧ＶＴ２ｃを示すグラフである。第３の実施形態では、燃料電池１００の電圧を低下させるときに、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎに応じたレートで低下させる。図７に示す第２の実施形態における第２目標電圧ＶＴ２ｂを示すグラフとの違いは、点Ｐ５から点Ｐ７の間の形状である。第２実施形態の第２目標電圧ＶＴ２ｂを示すグラフは、点Ｐ５に対応する点から点Ｐ７に対応する点までは、単調に減少している。これに対し第３実施形態の第３目標電圧ＶＴ２ｃを示すグラフは、点Ｐ５から点Ｐ６までは、同じ電圧であり、点Ｐ６から点Ｐ７にかけて電圧が減少するグラフである。点Ｐ６から点Ｐ７にかけての傾きは、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎにより決められる。

燃料電池１００は、エアコンプレッサによるエアの供給を停止しても、燃料電池１００のマニホールド等（図示せず）に残存するエアにより余剰発電が行われる。この余剰電力は、二次電池２００で吸収される。二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎが大きい場合には、より余剰電力を吸収できる。ここで、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎは、上述した放電可能電力Ｗｏｕｔと同様に、二次電池２００のＳＯＣと温度により決められる。

図１１は、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎと、移行レートｋとの関係を示す説明図である。移行レートｋは、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎに応じたレートで燃料電池１００の昇圧目標電圧を、燃料電池１００の目標電圧に移行させるときの係数である。二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎが大きくなると、移行レートｋも大きくなる。但し、移行レートｋは、０から１の間の値である。例えば、充電可能電力Ｗｉｎが０のときに移行レートｋは０であり、充電可能電力Ｗｉｎが３０ｋＷのときに移行レートｋは１である。なお、充電可能電力Ｗｉｎが３０ｋＷを超えても１のままである。

燃料電池１００の現在の電圧をＶ１ｃ、最終目標電圧をＶ１ｄ、移行レートをｋとすると、制御部３００は、燃料電池１００の昇圧目標電圧Ｖｏｕｔを、例えば、以下の式（２）で設定しても良い。
Ｖｏｕｔ＝Ｖ１ｃ＋（Ｖ１ｄ−Ｖ１ｃ）×ｋ …（２）
この例では、制御部３００は、燃料電池１００の現在の電圧Ｖ１ｃを第１センサＳ１により取得し、二次電池２００のＳＯＣと温度から放電可能電力Ｗｏｕｔと充電可能電力Ｗｉｎを算出して目標電圧Ｖ１ｄと、移行レートｋを算出する。そして、目標電圧Ｖ１ｄと現在の電圧Ｖ１ｃと、目標電圧Ｖ１ｄと、移行レートｋから燃料電池１００の昇圧目標電圧Ｖｏｕｔを算出する。燃料電池１００の電圧が、現在の電圧Ｖ１ｃから昇圧目標電圧Ｖｏｕｔ近づくように制御する。その結果、燃料電池の電圧がＶ１ｃ１になったとする。次のサイクルの昇圧目標電圧Ｖｏｕｔは、同様にして、Ｖ１ｃ１＋（Ｖ１ｄ−Ｖ１ｃ１）×ｋとなる。この制御サイクルを繰り返すと、最終的には、燃料電池１００の電圧は、Ｖ１ｄとなる。

図１２は、燃料電池１００に残存するエアによる余剰発電の電力の二次電池２００による吸収を示す説明図である。制御部３００は、燃料電池システム１０を回生動作させる場合には、燃料電池１００の電圧を下げて要求電力Ｐｒｅｑを減少させる。燃料電池１００の出力は、残存するエアによる余剰発電により、破線のように移行する。燃料電池１００の出力と要求電力Ｐｒｅｑの差は、二次電池２００で吸収される。なお、移行レートｋが大きい場合、燃料電池１００の目標電圧Ｖｏｕｔがより早く小さくなるので、要求電力Ｐｒｅｑの傾きを急峻にでき、その結果、より多くの電力を二次電池２００で吸収できる。

以上、第３の実施形態によれば、二次電池２００の充電可能電力Ｗｉｎに応じたレートで燃料電池１００の昇圧目標電圧を、燃料電池１００の目標電圧に移行させるので、燃料電池１００に残存するエアによる余剰発電の電力をより多く二次電池に吸収できる。

上記第３実施形態の説明では、燃料電池１００の現在の電圧をＶ１ｃとして、第２実施形態に追加する構成として説明したが、二次電池２００の放電可能電力Ｗｏｕｔを考慮せずに、燃料電池１００の現在の電圧をＶ５として、第３実施形態を第１の実施形態に追加する構成としても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０５…第１配線
１１０…高電圧配線
１２０…燃料電池用コンバータ（ＦＣ用コンバータ）
１３０…駆動モータ用インバータ
１４０…駆動モータ
２００…二次電池
２１０…低電圧配線
２２０…二次電池用コンバータ
２３０…補機用インバータ
２４０…補機
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３１５…アクセルペダル
３２０…ブレーキペダルセンサ
３２５…ブレーキペダル
３３０…速度センサ
Ｉｗｏｔ…電流
ｋ…移行レート
Ｐ１…点
Ｐ２…点
Ｐ３…点
Ｐ４…点
Ｐ５…点
Ｐ６…点
Ｐ７…点
Ｐａｐｗｏｔ…消費電力
Ｐｒｅｑ…要求電力
Ｓ１…第１センサ
Ｓ２…第２センサ
Ｓ３…第３センサ
Ｓ４…第４センサ
Ｓ５…第５センサ
Ｖ１…電圧
Ｖ１ａ…電圧
Ｖ１ｂ…電圧
Ｖ１ｃ…電圧
Ｖ１ｄ…最終目標電圧
Ｖ２…電圧
Ｖ３…電圧
Ｖ４…駆動電圧
Ｖ５…燃料電池制御性担保電圧
Ｖ６…二次電池制御性担保電圧
Ｖｍ…モータ要件電圧
ＶＴ１…第１目標電圧
ＶＴ２…第２目標電圧
ＶＴ２ｂ…第２目標電圧
ＶＴ２ｃ…第２目標電圧
Ｖｏｕｔ…昇圧目標電圧
Ｖｗｏｔ…電圧
Ｗｉｎ…充電可能電力
Ｗｏｕｔ…放電可能電力
Ｗｏｕｔａ…放電可能電力
Ｗｏｕｔｂ…放電可能電力

Claims

移動体に搭載される燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである燃料電池用コンバータと、
前記燃料電池用コンバータに接続される高電圧配線と、
前記高電圧配線に接続されるＤＣ−ＤＣコンバータである二次電池用コンバータと、
前記二次電池用コンバータと低電圧配線を介して接続される二次電池と、
前記高電圧配線に接続されるインバータと、
前記インバータに接続される駆動モータと、
前記燃料電池の電流と電圧を測定する第１センサと、
前記高電圧配線の電圧を測定する第２センサと、
前記駆動モータの電流と電圧を測定する第３センサと、
前記二次電池の電流と電圧を測定する第４センサと、
前記移動体の速度を取得する速度センサと、
前記移動体のアクセルペダルの踏み込み量を取得するアクセルペダルセンサと、
前記移動体のブレーキペダルの踏力を取得するブレーキペダルセンサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第１センサの測定値が、前記燃料電池が発電停止中であることを示す第１条件、及び、前記第３センサの測定値または前記第４センサの測定値が、前記駆動モータが回生動作をしていることを示す第２条件、の両方を満たす場合には、前記移動体の速度と、前記アクセルペダルの踏み込み量と、前記ブレーキペダルの踏力とを用いて前記駆動モータにかけるマイナストルクを算出し、前記マイナストルクに対応する前記高電圧配線の電圧であるモータ要件電圧を算出し、
（ｉ）前記モータ要件電圧が前記二次電池の電圧未満の場合には、前記二次電池の電圧を第１目標電圧とし、前記モータ要件電圧が前記二次電池の電圧以上の場合には、前記二次電池用コンバータが前記二次電池の電圧を昇圧するときの昇圧後の最低電圧である二次電池制御性担保電圧と前記モータ要件電圧とのうちの小さくない方を第１目標電圧とし、
（ｉｉ）前記燃料電池の非発電時に測定した前記燃料電池の電圧と前記モータ要件電圧とのうちの小さくない方を第２目標電圧とし、
（ｉｉｉ）前記高電圧配線の制御目標電圧として、前記第１目標電圧と前記第２目標電圧のうちの小さくない方の電圧を設定する、
燃料電池システム。