JP6621489B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、電動機及びバッテリを有する構成において、バッテリの充電状態を制御する燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、特許文献１に開示されているように、燃料電池とモータ（電動機）の間にバッテリ（蓄電部）を並列接続し、燃料電池の発電電力及びモータの回生電力をバッテリに充電する一方、発電電力の不足分をバッテリから供給している。また、燃料電池とバッテリの間には、エアポンプ等の補機が並列接続されている。補機には、燃料電池から電力が供給される他に、発電電力の不足分がバッテリから供給される。
この種の燃料電池システムは、補機の電力の過渡変動に対応するため、バッテリの充放電制限範囲の制限値手前にそれぞれマージン（充電マージン、放電マージン）を設定している。例えば、バッテリは、充電マージンによりエアポンプの消費電力の過渡変動（定常時の推定電力に対する実電力のあばれ）を吸収し、エアポンプから回生電力が供給されても過充電状態から保護される。
特開２０１７−１５２２８０号公報
さて、この種の燃料電池システムは、モータの回生電力を回生する際に、バッテリが充電しきれない余分な電力を消費するために電力消費制御を行っている。電力消費制御では、例えば、エアポンプの回転速度を増加させることで、電力消費量を増加させる。
ところで、電力消費制御時に、上述のようにバッテリに充電マージンが設定されていると、充放電制限範囲の制限値まで余裕があるにもかかわらず、回生時の電力がエアポンプに回されて電力消費されることになる。つまり、電力消費制御として必要とされる電力を超えて電力消費動作を行い、燃費悪化・騒音・エアポンプの過熱という不都合が生じる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、制御の状態変化に応じてマージンを変更することにより、電動機の電力の回生時に、必要最小限の電力消費でバッテリを過充電状態から保護する燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、電力の供給により回転駆動する一方で、回転に伴い電力を回生する電動機と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池、前記電動機及び前記酸化剤ガス供給装置に電気的に接続され、電力を充放電可能な蓄電部と、前記電動機、前記酸化剤ガス供給装置及び前記蓄電部の電力配分を制御し、且つ前記電動機の回生時の電力を前記酸化剤ガス供給装置で消費させる電力消費制御を実施可能な制御部と、を備え、前記制御部は、前記蓄電部の充電制限値に対し充電マージンを設定し当該充電マージンに基づいて前記電力消費制御を行う構成であり、且つ前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンは、前記電力消費制御の実施前の前記充電マージンよりも小さく設定することを特徴とする。
上記によれば、燃料電池システムは、電力消費制御の開始後の充電マージンが電力消費制御の実施前の充電マージンよりも小さいという簡単な構成によって、電動機の回生時にバッテリを過充電状態から保護することができる。また、酸化剤ガス供給装置は、電力消費制御時に消費する電力を減らすことになり、酸化剤ガス供給装置の過熱を抑制することが可能となる。すなわち、燃料電池システムは、システム全体の電気エネルギを有効に活用することができ、安定的な駆動を実現することができる。
また、前記制御部は、前記電力消費制御中にシステムの回生時の電力が変化する状態変化時に、前記充電マージンを前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンよりも大きくすることが好ましい。
燃料電池システムは、システムの回生時の電力が変化する状態変化時に、充電マージンを電力消費制御の開始後の充電マージンよりも大きくすることで、エアポンプの回転数を減少するための消費電力の過渡変動を吸収する。
さらに、前記制御部は、前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンとして前記酸化剤ガス供給装置の定常動作に対応した電力幅に設定する一方で、前記状態変化時の前記充電マージンとして、前記電力消費制御の非実施時において前記酸化剤ガス供給装置の駆動状態が変化する過渡動作時の応答性能に対応した電力幅に変化させる構成であるとよい。
燃料電池システムは、酸化剤ガス供給装置の定常動作に対応した電力幅に設定することで、充電マージンを充分に小さくしつつ、酸化剤ガス供給装置の定常動作時の電力変化を許容することができる。さらに、状態変化時には、充電マージンを、酸化剤ガス供給装置の駆動状態が変化する過渡動作時の応答性能に対応した電力幅に変化させることで、蓄電部への過充電状態の保護と酸化剤ガス供給装置の過熱抑制を最適な状態で両立させることができる。
またさらに、当該燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載される構成とすることができる。
燃料電池車両に搭載された燃料電池システムは、燃料電池車両の駆動時の電力使用を効率化することができる。
本発明によれば、燃料電池システムは、制御の状態変化に応じてマージンを変更することにより、電動機の電力の回生時に、バッテリを過充電状態から保護することができる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。 エアポンプのＡＰ推定電力とＡＰ実電力の関係を示すグラフである。 通常走行時の電力の配分を例示する説明図である。 回生時の電力の配分を例示する説明図である。 マージンの設定を説明する説明図である。 ＥＣＵの電力管理における機能部を示すブロック図である。 燃料電池システムのマージンを設定する際の処理を示すフローチャートである。 回生時の電力の変化を示すタイムチャートである。
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。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池１２（以下、ＦＣ１２ともいう）を用いて電力供給を行うシステムである。例えば、ＦＣ１２の発電に伴う電力を負荷１４やバッテリ１６（蓄電部）に電力を供給し、また負荷１４の回生電力をバッテリ１６に供給するように構成されている。この燃料電池システム１０は、燃料電池車両１８（以下、単に車両１８という）に搭載される。
燃料電池システム１０のＦＣ１２は、スタック構造に構成され、その内部において水素と酸素を反応させて、反応時の電力を外部に出力する。このため、燃料電池システム１０は、ＦＣ１２に水素ガスを供給する図示しない水素ガス供給装置と、ＦＣ１２に酸化剤ガスであるエアを供給する酸化剤ガス供給装置２０と、を備える。酸化剤ガス供給装置２０は、図示しない酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路の途中位置に配置されたエアポンプ２２と、を含み、車両１８の外部からエアを取り込んでＦＣ１２に供給する。
また、燃料電池システム１０は、車両１８の電力管理（エネルギマネージメント）を行うＥＣＵ２４（制御部：Ｅｒｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備える。ＥＣＵ２４は、図示しないプロセッサ、メモリ及び入出力インターフェースを有するコンピュータにより構成される。ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵで構成されてもよく、固有の機能を有するＥＣＵを複数組み合わせて構成されてもよい。
燃料電池システム１０は、ＦＣ１２と、負荷１４であるトラクションモータ２６（電動機：以下、ＴＲＣ２６という）と、を電気的に接続している。ＦＣ１２とＴＲＣ２６の間には、ＦＣ１２から順に、ＦＣコンタクタ２８、昇圧コンバータ３０（ＦＣＶＣＵ３０という）及びインバータ３２（ＭＯＴＰＤＵ３２という）が直列に接続されている。
また、ＴＲＣ２６には、ＢＡＴコンタクタ３４及び昇降圧コンバータ３６（ＢＡＴＶＣＵ３６ともいう）を介してバッテリ１６が接続されている。ＦＣＶＣＵ３０とＢＡＴＶＣＵ３６の各々は、２次側の接点３８でＴＲＣ２６に対し並列に接続されている。さらにＢＡＴＶＣＵ３６の１次側には、負荷１４である複数の補機４０が並列に接続される。補機４０としては、例えば上記のエアポンプ２２、エアコンディショナ４２（Ａ／Ｃ４２という）、ヒータ４４及び降圧コンバータ４６（ＤＣ／ＤＣ４６という）等があげられる。
ＦＣコンタクタ２８は、ＥＣＵ２４に接続され、ＥＣＵ２４の制御下にＦＣ１２とＦＣＶＣＵ３０の１次側との接続及び遮断を切り替える。
ＦＣＶＣＵ３０は、チョッパ回路を備える電圧調整装置（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。ＦＣＶＣＵ３０は、ＥＣＵ２４に接続され、ＥＣＵ２４の制御下に１次側の電圧を昇圧して２次側に印加する。
ＭＯＴＰＤＵ３２は３相ブリッジ型に構成され、接点３８（ＦＣＶＣＵ３０及びＢＡＴＶＣＵ３６）側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ＴＲＣ２６の駆動を制御する。また、ＭＯＴＰＤＵ３２は、ＴＲＣ２６の回生時に順変換のコンバータとして機能し、ＴＲＣ２６で発生する交流電圧を直流電圧に変換する。
ＴＲＣ２６は、ＭＯＴＰＤＵ３２の３相交流電力により回転駆動して、この回転力を図示しないトランスミッション等を介して車輪に伝達することにより、車両１８を推進させる。また車両１８の減速時等において、ＴＲＣ２６は、回生電力をバッテリ１６や補機４０に出力する発電機となる。ＴＲＣ２６には、エンコーダ４８が設けられ、エンコーダ４８はＴＲＣ２６の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。
バッテリ１６は、電力を充放電可能に構成され、力行時に負荷１４の実消費電力に対するＦＣ１２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ＦＣ１２や負荷１４の発電量の超過分を充電する。バッテリ１６の充電状態（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）は、ＥＣＵ２４により監視される。バッテリ１６には、温度センサ５０が設けられ、この温度センサ５０は、バッテリ１６の温度状態を検出してＥＣＵ２４に出力する。
ＢＡＴコンタクタ３４は、ＥＣＵ２４に接続され、ＥＣＵ２４の制御下にバッテリ１６とＢＡＴＶＣＵ３６の１次側との接続及び遮断を切り替える。
ＢＡＴＶＣＵ３６は、ＦＣＶＣＵ３０と同様に、チョッパ回路を備える電圧調整装置に構成されている。ＢＡＴＶＣＵ３６は、ＥＣＵ２４に接続され、ＥＣＵ２４の制御下に、力行時には１次側の電圧を昇圧して２次側に印加し、回生時には２次側の電圧を降圧して１次側に印加する。
補機４０のうちエアポンプ２２は、エアポンプＰＤＵ５２（Ａ／ＰＰＤＵ５２という）を介してＢＡＴＶＣＵ３６の１次側に接続されている。Ａ／ＰＰＤＵ５２は３相ブリッジ型のインバータを備え、１次側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２２の駆動制御を行う。また、ポンプ回転数センサ５４は、エアポンプ２２の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。
ＥＣＵ２４は、メモリに記憶されたプログラムを実行することにより、燃料電池システム１０全体の動作を制御する。この際、ＥＣＵ２４は、バッテリ１６の充放電が後述する充放電制限範囲６０（図３参照）を超えないように、ＢＡＴＶＣＵ３６の制御を行う。さらに本実施形態に係る燃料電池システム１０は、バッテリ１６の充放電制限範囲６０に対しマージン７０を設定して、充放電制限範囲６０を確実に超えないようにしている。
以下、燃料電池システム１０の充放電制限範囲６０及びマージン７０の意義について具体的に説明する。燃料電池システム１０は、基本的に、ＦＣ１２の出力により車両１８（ＴＲＣ２６、エアポンプ２２を含む補機４０等）の電力を供給する。しかしながら、図２に示すように、供給電力や消費電力の過渡変動時にはＦＣ１２の電力が過不足となる（図２は、ＦＣ１２の出力が低下した場合、エアポンプ２２の電力変化を示している）。バッテリ１６は、ＥＣＵ２４の制御下に、この過不足分の電力を充放電する。
ＥＣＵ２４は、電力管理の制御において、車両１８全体で消費する電力である消費要求電力を演算し、この消費要求電力に応じてＦＣ１２の発電量（目標電力）を演算する。また、目標電力に応じたエアの流量と圧力比（エアポンプ２２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２２に必要な電力も演算する。この電力を「ＡＰ推定電力」という。ＡＰ推定電力は、例えば、ＥＣＵ２４において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。
ＡＰ推定電力は、図２中の２点鎖線で示すように、ＦＣ１２が安定的な発電量で発電を行う安定発電時には、エアポンプ２２で実際に消費されるＡＰ実電力（図２中の太線参照）と概ね一致する。ＡＰ実電力とは、エアポンプ２２において微小時間に振幅する電力（交流）の実効値である（図２中のＡＰ定常誤差を参照）。
そして、ＦＣ１２の発電量が低下する発電低下時には、エアポンプ２２の回転速度が先に低下するため、エアポンプ２２から回生電力が得られる。つまり、エアポンプ２２は、ＡＰ推定電力よりもＡＰ実電力のほうが小さくなる過渡動作を起こして、この際の回生電力をバッテリ１６に充電することができる。逆に、ＦＣ１２の発電量が上昇する場合は、エアポンプ２２の回転速度が先に上昇するため、エアポンプ２２のＡＰ推定電力よりもＡＰ実電力の方が大きくなる（図２では不図示）。本明細書では、上記のようなエアポンプ２２の過渡動作におけるＡＰ実電力とＡＰ推定電力との差（＝ＡＰ実電力−ＡＰ推定電力）を「ΔＡＰ」という。
そして、ΔＡＰがマイナスに大きくなる過渡変動では、エアポンプ２２の回生電力に加えて、ＦＣ１２の超過した電力がバッテリ１６に充電される。一方、ΔＡＰがプラスに大きくなる過渡変動では、エアポンプ２２の電力消費の上昇とＦＣ１２の発電量の不足とで、バッテリ１６の放電が行われる。
またバッテリ１６は、図３に示すように、その仕様（バッテリ端電力）に基づき、過充電となることを禁止する充電制限値Ｃlim、及び過放電となることを禁止する放電制限値Ｄlimを有している。燃料電池システム１０は、充電制限値Ｃlimと放電制限値Ｄlimを超える範囲でのバッテリ１６の使用を禁止しており、充電制限値Ｃlimと放電制限値Ｄlimの間である充放電制限範囲６０においてバッテリ１６を使用する。
なお、充放電制限範囲６０は、バッテリ１６のＳＯＣが大きいほど放電可能な電力幅が大きくなり、ＳＯＣが小さいほど充電できる電力幅が大きくなる。図３中は、バッテリ１６のＳＯＣが５０％の電力配分例を示しており、充放電制限範囲６０の中間点が充放電ゼロとなっている。さらに、充放電制限範囲６０は、バッテリ１６の温度が常温（例えば、０℃以上）であれば全体の電力幅が大きくなり、バッテリ１６の温度が低温（例えば、０℃より小さい）であれば全体の電力幅が小さくなるように設定される。
そして、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、バッテリ１６の充放電制限範囲６０に対しマージン７０を設定し、バッテリ１６の電力が充放電制限範囲６０に達することを防止する。このマージン７０としては、充電制限値Ｃlimの手前に設定される充電マージン７２と、放電制限値Ｄlimの手前に設定される放電マージン７４と、を含む。
充電マージン７２は、例えば、車両１８の加減速度が小さい通常走行時において、エアポンプ２２の回生（マイナス）側の過渡変動であるΔＡＰが超えない回生電力幅ＲＷに設定され、エアポンプ２２から回生される電力を吸収する（図２も参照）。以下、通常走行時の充電マージン７２を通常充電マージン７２ａともいう。一方、放電マージン７４は、通常走行時において、エアポンプ２２の駆動（プラス）側の過渡変動であるΔＡＰが超えない駆動電力幅ＤＷに設定され、エアポンプ２２の急な電力消費を許容する。以下、通常走行時の放電マージン７４を通常放電マージン７４ａともいう。
換言すれば、マージン７０（充電マージン７２、放電マージン７４）の電力は、エアポンプ２２の過渡変動分に割り当てられ、エアポンプ２２の回生時及び駆動時のＡＰ実電力のあばれ（オーバーシュート等）を吸収して、バッテリ１６の過充電及び過放電を防止する。一方、充電マージン７２と放電マージン７４以外の範囲（以下、ＥＭ制御範囲６２という）の電力は、ＴＲＣ２６、エアポンプ２２以外の補機４０の消費電力の過渡変動分に割り当てられる。
燃料電池システム１０のＥＣＵ２４は、上記の充電マージン７２、放電マージン７４及びＥＭ制御範囲６２を管理して、バッテリ１６の充放電を制御する。すなわち車両１８の通常走行時には、エアポンプ２２のＡＰ推定電力及び車両１８の消費要求電力を演算し、このＡＰ推定電力と消費要求電力に基づく電力を、ＦＣ１２単体の出力電力（発電量）と、バッテリ１６の放電電力とで賄う。
具体的には、ＦＣ１２の出力電力８０に対し、車両１８の消費電力９０（ＴＲＣ２６の消費電力（ＴＲＣ消費電力９１）、エアポンプ２２以外の補機４０の消費電力（補機等消費電力９２）、エアポンプ２２のＡＰ実電力９３の合計）を等しくする。
これにより、バッテリ１６の電力は、車両１８の状態が変化した際の過渡変動分をアシスト量として充放電する。例えば、ＥＭ制御範囲６２のうち放電側の範囲の電力は、ＴＲＣ消費電力９１及び補機等消費電力９２（つまり、エアポンプ２２以外の要素）の駆動（プラス）側の過渡変動９４ａに応じたアシスト量として使用される。一方、ＥＭ制御範囲６２のうち充電側の範囲の電力は、ＴＲＣ消費電力９１及び補機等消費電力９２（つまり、エアポンプ２２以外）の回生（マイナス）側の過渡変動９４ｂに応じた充電許容量として使用される。そしてＥＣＵ２４は、車両１８の走行中に、バッテリ１６のアシスト量、充電許容量がＥＭ制御範囲６２内に収まるように、各機器の電力を制御する。
また、車両１８の通常走行時は、エアポンプ２２の過渡変動であるΔＡＰを、バッテリ１６のマージン７０によって許容する。充電マージン７２は、回生時過渡変動９５ａ（マイナスのΔＡＰ）を吸収することで、バッテリ１６の充電量が充電制限値Ｃlimを超えることを防止する。逆に放電マージン７４は、駆動時過渡変動９５ｂ（プラスのΔＡＰ）を吸収することで、バッテリ１６の放電量が放電制限値Ｄlimを超えることを防止する。
そして、燃料電池システム１０は、図４に示すように、車両１８の走行中の減速時等において、ＴＲＣ２６が回生する電力（ＴＲＣ回生電力８４）をバッテリ１６に充電する。つまり車両１８の減速時には、ＦＣ１２単体の出力電力８０に、ＴＲＣ回生電力８４が加わって、バッテリ１６又は補機４０に電力を供給する。従ってバッテリ１６に多くの電力が回されることになる。そのため、燃料電池システム１０は、ＴＲＣ２６の回生時に、必要に応じて、エアポンプ２２を含む補機４０等に電力を誘導して、余分な電力を消費する電力消費制御（廃電制御）を実施する。
この電力消費制御では、優先的にエアポンプ２２の回転数を上昇させてエアポンプ２２において電力を消費する。また電力消費制御において、酸化剤ガス供給装置２０は、エアポンプ２２により供給量が増加したエアをＦＣ１２に流動させずに、酸化剤ガス流路を介して排出する。
ＥＣＵ２４は、電力消費制御の実施を判断し、燃料電池システム１０の全体の回生電力８２（出力電力８０やＴＲＣ回生電力８４）を、バッテリ１６や補機４０に適宜配分する。特に、ＥＣＵ２４は、電力消費制御の実施前における通常走行時に設定していた充電マージン７２を、電力消費制御の開始後に小さくする。以下、この充電マージン７２の設定制御について説明する。
上述したように、バッテリ１６の充電マージン７２は、エアポンプ２２の回生（マイナス）側の過渡変動であるΔＡＰを吸収するために設定される。ここで、図３中の通常充電マージン７２ａが電力消費制御でも継続的に設定されている場合を考慮する。電力消費制御は、ＴＲＣ２６の回生時に、バッテリ１６への充電を抑えて燃料電池システム１０全体の余分な電力を消費する処理である。そのため、ＴＲＣ２６の回生時に、通常充電マージン７２ａがそのまま設定されていると、バッテリ１６に充電される電力が通常充電マージン７２ａの分だけ減って、電力消費制御に回される（エアポンプ２２で消費される）ことになる。
一方、エアポンプ２２は、電力消費制御において回転速度の増加によって電力を消費するので、エアポンプ２２からバッテリ１６に電力を回生することがない。つまり、電力消費制御時に通常充電マージン７２ａを設定していても、この通常充電マージン７２ａは使用されないばかりか、ＴＲＣ２６からバッテリ１６に回生される電力（未消費電力）を減らすことになる。
以上のことから、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、図４及び図５に示すように、電力消費制御時に、通常充電マージン７２ａよりも小さな充電マージン７２（以下、廃電充電マージン７２ｂという）に持ち替える構成としている。これにより、ＴＲＣ２６の回生時に、バッテリ１６に向かう電力を増やして、より多くの充電を行うことを可能とする。
具体的には、通常充電マージン７２ａがエアポンプ２２から回生電力を吸収可能な回生電力幅ＲＷであるのに対し、廃電充電マージン７２ｂは、エアポンプ２２の定常動作における微小時間振幅を吸収する定常電力幅ＳＷで構成される。定常電力幅ＳＷは、回生電力幅ＲＷに比べて充分（微小時間に振幅する交流分を吸収する程度）に小さな電力量である。
ＥＣＵ２４は、電力消費制御の開始時に、通常充電マージン７２ａから上記の廃電充電マージン７２ｂに設定し直すことで、回生時の電力をバッテリ１６に多量に受け取り可能とする。なお、ＥＣＵ２４は、電力消費制御時に、廃電充電マージン７２ｂ（定常電力幅ＳＷ）をなくして、バッテリ１６の充電制限値Ｃlimまで充電モータ回生可能としてもよい。
さらに、燃料電池システム１０は、電力消費制御中に、燃料電池システム１０の廃電要求（ＴＲＣ回生電力８４を含むシステムの回生電力８２）が変化する状態変化において、変化時のオーバーシュートを吸収するように構成している。例えば、回生電力８２が減少する電力消費制御の状態変化としては、車両１８のユーザにより減速中に弱くアクセル操作がなされて減速が弱まった場合、加減速度が一定に保たれつつ車両１８が登り勾配を走行する場合等があげられる。
詳細には、廃電充電マージン７２ｂは、電力消費制御の開始後や安定期における安定期マージン７２ｂｘと、電力消費制御の状態変化時の状態変化マージン７２ｂｙと、を有する。安定期マージン７２ｂｘの電力幅は、上述の定常電力幅ＳＷである。状態変化マージン７２ｂｙは、例えば、回生信号値（アクセル開度）に基づき算出され、定常電力幅ＳＷよりも大きな電力幅である。また状態変化マージン７２ｂｙは、状態変化の開始時から時間経過に伴い電力幅を漸増させ、その後に漸減させる変動電力幅ＦＷとなっている。漸増から漸減への折り返し時間は、状態変化の量（例えば、ＴＲＣ回生電力８４の変化量）等により適宜算出するとよく、また漸増期間のほうが漸減期間よりも短いとよい。
回生電力８２が変化する状態変化時には、エアポンプ２２の回転速度も変化することで、その過渡変動に伴いオーバーシュートが生じる。しかしながらＥＣＵ２４は、算出した状態変化マージン７２ｂｙを適用することで、エアポンプ２２の一時的な過渡変動を状態変化マージン７２ｂｙにより吸収して、電力がバッテリ１６の充電制限値Ｃlimを超えることを抑制することができる。
また、ＥＣＵ２４は、通常走行時から電力消費制御に移行した際に、充電マージン７２に合わせて放電マージン７４も持ち替える構成であるとよい。具体的には、電力消費制御時の放電マージン７４（以下、廃電放電マージン７４ｂという）の電力幅は、通常放電マージン７４ａの駆動電力幅ＤＷよりも大きく設定される。例えば、ＥＣＵ２４は、電力消費制御の安定期において、ＥＭ制御範囲６２の電力幅が変わらないように、廃電充電マージン７２ｂのマイナスの変化幅に合わせて、廃電放電マージン７４ｂ（安定期マージン７４ｂｘ）のプラスの変化幅を設定する。
これによりバッテリ１６は、エアポンプ２２に対する応答性（廃電応答性）が上がり、エアポンプ２２の駆動側の過渡変動時（駆動時過渡変動９５ｂ）等に放電を直ちに行うことができる。なお、ＴＲＣ２６の回生時には、ユーザがブレーキ操作を行う、車両１８が降り勾配を走行する等して、回生電力８２が増加する状態変化の場合もある。この状態変化時に、廃電放電マージン７４ｂは、廃電充電マージン７２ｂの状態変化マージン７２ｂｙに合わせて、電力幅が漸減し、さらに折り返し時間の経過後に漸増する状態変化マージン７４ｂｙを設定する。従って、エアポンプ２２の回転速度が上昇する過渡変動時にも、バッテリ１６の廃電充電マージン７２ｂ（状態変化マージン７２ｂｙ）及び廃電放電マージン７４ｂ（状態変化マージン７４ｂｙ）により、エアポンプ２２のあばれ分を吸収することができる。
上記の処理を実現するため図６に示すように、ＥＣＵ２４の内部には、ＡＰ推定電力算出部１００、消費要求電力算出部１０２、ＦＣ発電量算出部１０３、充放電制限範囲算出部１０４、マージン算出部１０６、判定部１０８、マージン設定部１１０、ＡＰ制限値算出部１１２及びＡＰ駆動部１１４が構築される。
ＡＰ推定電力算出部１００は、エアポンプ２２の流量及びエアポンプ２２の圧力比に基づき、エアポンプ２２のＡＰ推定電力を算出する。消費要求電力算出部１０２は、燃料電池システム１０に要求される消費要求電力を算出する。ＦＣ発電量算出部１０３は、算出された消費要求電力に基づきＦＣ１２の発電量である目標電力を算出する。充放電制限範囲算出部１０４は、バッテリ１６のＳＯＣ及び温度に基づき、バッテリ端電力を制限する充電制限値Ｃlim及び放電制限値Ｄlimを算出する。
また、マージン算出部１０６は、充放電制限範囲算出部１０４が算出した充電制限値Ｃlim及び放電制限値Ｄlimを用いて、エアポンプ２２のマージン７０（充電マージン７２及び放電マージン７４）を算出する。マージン７０の算出では、例えば、メモリに予め記憶されている図示しない対応マップから充電制限値Ｃlim及び放電制限値Ｄlimに対応するマージンを抽出する。そして、まず基本的な通常走行時の通常充電マージン７２ａ及び通常放電マージン７４ａを設定する。
さらに、後述する判定部１０８により電力消費制御の実施が判定された場合、マージン算出部１０６は、廃電充電マージン７２ｂ及び廃電放電マージン７４ｂを算出し直す。上述したように、廃電充電マージン７２ｂには、定常電力幅ＳＷの安定期マージン７２ｂｘの他に、電力消費制御中の状態変化に対応する状態変化マージン７２ｂｙがある。このため、マージン算出部１０６は、ＥＣＵ２４に入力される回生信号値（図示しないアクセル開度センサのアクセル開度）とＥＣＵ２４内のタイマとを監視し、安定期マージン７２ｂｘ又は状態変化マージン７２ｂｙの算出を行う。またこの際、マージン算出部１０６は、充電マージン７２に連動するように放電マージン７４も算出する。
判定部１０８は、車両１８から送信される回生信号値やバッテリ１６のＳＯＣ等に基づき、ＴＲＣ２６の回生時に電力消費制御を行うか否かを判定する。例えば、判定部１０８は、車両１８のユーザにより減速操作されて回生信号値が所定値以下となり、且つバッテリ１６のＳＯＣが多い場合に、バッテリ１６の電力消費制御の実施を判定する。
マージン設定部１１０は、判定部１０８の判定結果に応じて、現在適用すべきマージン７０を設定する。つまり、電力消費制御を実施しない場合には、基本的なマージン７０である通常充電マージン７２ａ及び通常放電マージン７４ａを設定する。その一方で、電力消費制御を実施する場合には、廃電充電マージン７２ｂ（安定期マージン７２ｂｘ、状態変化マージン７２ｂｙ）と、廃電放電マージン７４ｂ（安定期マージン７４ｂｘ、状態変化マージン７４ｂｙ）とを設定する。
ＡＰ制限値算出部１１２は、マージン設定部１１０が設定したマージン７０、及びＡＰ推定電力算出部１００のＡＰ推定電力に基づき、エアポンプ２２におけるＡＰ電力制限１２０（図８参照）を算出する。ＡＰ電力制限１２０は、エアポンプ２２が駆動する際にＡＰ実電力を制限するために使用され、電力上限値１２２と電力下限値１２４とが含まれる。
ＡＰ駆動部１１４は、ＦＣ１２の発電制御部（不図示）にて算出されるエアポンプ２２の回転速度指令に基づき、ＡＰ電力制限１２０（電力上限値１２２と電力下限値１２４の間）に収まるようにＡＰ実電力を算出する。そして、算出結果に応じた制御信号をＡ／ＰＰＤＵ５２に出力して、エアポンプ２２を回転駆動させる。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その作用効果について説明する。
燃料電池システム１０のＥＣＵ２４は、車両１８の動作時に、電力管理の制御処理を行う。すなわち、ＡＰ推定電力算出部１００、消費要求電力算出部１０２、充放電制限範囲算出部１０４により、ＡＰ推定電力、消費要求電力、バッテリ１６の充電制限値Ｃlim及び放電制限値Ｄlimをそれぞれ算出する。また、ＥＣＵ２４のＦＣ発電量算出部１０３は、算出された消費要求電力に基づきＦＣ１２の発電量を算出する。そして、ＥＣＵ２４は、バッテリ１６のマージン７０の設定において、図７に示す処理フローを実施する。
この場合、ＥＣＵ２４のマージン算出部１０６は、まず充電制限値Ｃlim及び放電制限値Ｄlimに対応する基本のマージン７０を算出する（ステップＳ１）。すなわち、燃料電池システム１０は、車両１８の通常走行時を基準としており、エアポンプ２２の回生時や駆動時の過渡変動におけるΔＡＰを吸収可能な通常充電マージン７２ａ及び通常放電マージン７４ａをそれぞれ算出する。
次に、ＥＣＵ２４の判定部１０８は、ＥＣＵ２４に送信される回生信号値やバッテリ１６のＳＯＣ等に基づき、電力消費制御を行うか否かを判定する（ステップＳ２）。例えば、回生信号値が大きい場合には、ＴＲＣ２６の回生電力が大きくなるため、電力消費制御を実施する。燃料電池システム１０は、電力消費制御の実施において、エアポンプ２２を最も優先的に駆動して、エアポンプ２２で多くの電力を消費する。
ＥＣＵ２４のマージン算出部１０６は、判定部１０８により電力消費制御の実施が判定されると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、電力消費制御時の廃電充電マージン７２ｂ（及び廃電放電マージン７４ｂ）を算出する（ステップＳ３）。上述したように、廃電充電マージン７２ｂは、安定期マージン７２ｂｘと状態変化マージン７２ｂｙとがあり、燃料電池システム１０は、回生信号値の変化に応じてマージン７０の電力幅を変化させる。従って、電力消費制御では、マージン算出部１０６により廃電充電マージン７２ｂ及び廃電放電マージン７４ｂを処理フローの実施毎に算出し直すことで、時間軸上で電力幅が適切に変化するマージン７０が得られる。
ステップＳ３の後、ＥＣＵ２４のマージン設定部１１０は、通常充電マージン７２ａ及び通常放電マージン７４ａから、算出された廃電充電マージン７２ｂ及び廃電放電マージン７４ｂへの持ち替えを行う（ステップＳ４）。そして、持ち替えた廃電充電マージン７２ｂ及び廃電放電マージン７４ｂをＡＰ制限値算出部１１２に出力する。
ＡＰ制限値算出部１１２は、マージン設定部１１０により設定されたマージン７０と、予め算出されたＡＰ推定電力に基づき、エアポンプ２２のＡＰ電力制限１２０（電力上限値１２２及び電力下限値１２４）を算出する（ステップＳ５）。すなわち、廃電充電マージン７２ｂが設定された場合は、廃電充電マージン７２ｂに対応して電力上限値１２２及び電力下限値１２４を徐々に上昇させるＡＰ電力制限１２０を算出する。これにより、ＡＰ駆動部１１４は、算出されたＡＰ電力制限１２０の範囲内でエアポンプ２２の回転速度を制御する（上昇させる）。
また、ステップＳ２において判定部１０８により電力消費制御の非実施が判定されると（ステップＳ２：ＮＯ）、マージン設定部１１０は、マージン７０を持ち替えずに、算出されている通常充電マージン７２ａ及び通常放電マージン７４ａを設定する（ステップＳ６）。そして、通常充電マージン７２ａが設定された場合、ステップＳ５において、ＡＰ制限値算出部１１２は、通常充電マージン７２ａに対応したＡＰ電力制限１２０を算出する。これによりＡＰ駆動部１１４は、算出されたＡＰ電力制限１２０の範囲内でエアポンプ２２の回転速度を制御する（ＦＣ１２の発電量に合わせて概ね一定とする）。
このように本実施形態に係るＥＣＵ２４は、通常走行時に設定しているバッテリ１６のマージン７０を、電力消費制御の実施時に持ち替える処理を行う。次に、本発明の理解をより深めるため、図８のタイムチャートを参照して、燃料電池システム１０の電力消費制御における電力の振る舞いについて、一例を説明する。なお、このタイムチャートは、ＦＣ１２が所定の発電量で継続的に発電し、またバッテリ１６のＳＯＣが概ね５０％であることを前提としている。
車両１８は、ユーザのアクセル操作に基づき、図８の時点ｔ１まで通常走行を実施している（アクセル開度が任意量で一定に保たれている）。そのため、ＴＲＣ２６は、アクセル開度に応じた電力を消費して回転駆動を行っており、この際の回生信号値はゼロとなっている。すなわち、燃料電池システム１０は、システムから電力を出力した状態であり（図８中において燃料電池システム１０全体の電力がゼロ境界より上の駆動側にあり）、また補機４０等も駆動により電力を消費している。
この時点ｔ１までの期間において、ＥＣＵ２４は、上述した処理フローにより、通常走行時のマージン７０を設定する。つまり、充電制限値Ｃlimに対し通常充電マージン７２ａを設定すると共に、放電制限値Ｄlimに対し通常放電マージン７４ａを設定することで、バッテリ１６は、エアポンプ２２の過渡変動であるΔＡＰを吸収する。またＥＣＵ２４（ＡＰ制限値算出部１１２）は、通常充電マージン７２ａとＡＰ推定電力からＡＰ電力制限１２０を算出し、エアポンプ２２の駆動制御を行う。これによりエアポンプ２２は、ＡＰ推定電力に概ね近似したＡＰ実電力で駆動する。
そして、時点ｔ１でユーザの操作下にアクセル開度がなくなると、車両１８は減速を開始する。この際、ＴＲＣ２６は、発電機として駆動してＴＲＣ回生電力８４を生じ、このＴＲＣ回生電力８４を燃料電池システム１０に供給する。つまり、ＴＲＣ２６は、電力消費（駆動）から電力供給源（回生）に移行し、システム全体も電力を出力する状態から電力を受け取る状態に移行する（燃料電池システム全体の電力がゼロ境界より下の回生側になる）。
ＥＣＵ２４は、この回生時に、電力消費制御の実施を判定すると廃電充電マージン７２ｂ（安定期マージン７２ｂｘ）を算出し、通常充電マージン７２ａから廃電充電マージン７２ｂにマージン７０を設定し直す。同様に通常放電マージン７４ａも廃電放電マージン７４ｂに設定し直す。これにより、ＴＲＣ２６の回生時の回生電力８２は、バッテリ１６及びエアポンプ２２に向かい、しかも廃電充電マージン７２ｂによって、通常走行時よりも多くの電力がバッテリ１６に供給される。
また、ＥＣＵ２４は、電力消費制御時に、アクセル開度（回生信号値）に応じたＡＰ電力目標値を算出し、エアポンプ２２の回転速度を上昇させる事で、ＡＰ推定電力をＡＰ電力目標値に向けて制御する。この際、エアポンプ２２の回転速度は、直ちに上昇しないことから、ＡＰ推定電力は、時点ｔ１〜ｔ２の間で徐々に上昇するような勾配で算出される。さらに、ＥＣＵ２４は、廃電充電マージン７２ｂ及びＡＰ推定電力に基づきＡＰ電力制限１２０（電力上限値１２２、電力下限値１２４）を算出し、ＡＰ電力制限１２０の範囲に収まるようにエアポンプ２２の回転速度を上昇させて、電力消費制御時の電力を消費する。なお、電力消費制御の開始時の時点ｔ１〜ｔ２の期間において、エアポンプ２２のＡＰ実電力は、過渡変動によってＡＰ推定電力よりも大きくなる。そのため、バッテリ１６から放電される電力は、システム全体に受容される電力に比して、緩やかに減少していく。
ここで、電力消費制御中の時点ｔ３において、ユーザのアクセル操作によりアクセル開度が若干上昇し（回生信号値が低下し）、ＴＲＣ２６の回生電力が低下したとする。ＥＣＵ２４は、この状態変化の回生信号値を受信すると、回生信号値に基づく状態変化マージン７２ｂｙ、７４ｂｙを算出及び設定する（図５も参照）。これにより時点ｔ３〜ｔ４の間、廃電充電マージン７２ｂの電力幅が徐々に大きくなると共に、廃電放電マージン７４ｂの電力幅が徐々に小さくなる。そのためエアポンプ２２のＡＰ電力制限１２０も緩やかに変化する。
そして、エアポンプ２２は、回生信号値が低下する状態変化により、回転速度（電力消費量）を低下させる。しかしながら、エアポンプ２２のＡＰ電力制限１２０を緩やかに低下させることで、過渡変動によるオーバーシュート（ＡＰ実電力がＡＰ推定電力を下回ること）を抑制する。またバッテリ１６は、この状態変化時に、廃電充電マージン７２ｂが大きくなっていることで、仮にオーバーシュートが多少生じても、瞬間的に大きな電力が充電される過充電状態を抑制する。
そしてＥＣＵ２４は、時点ｔ４を経過すると、オーバーシュートが収束してくるため時点ｔ５まで時間をかけて状態変化マージン７２ｂｙを徐々に安定期マージン７２ｂｘに復帰させる。これにより、ＡＰ電力制限１２０の低下度合も緩やかに推移する。時点ｔ５以降は、再び安定期マージン７２ｂｘ、７４ｂｘが適用される。
その後、時点ｔ６において、ユーザのアクセル操作によりアクセル開度が大きく上昇すると、ＴＲＣ２６は、電力を回生していた状態から回転駆動を行って電力を消費する状態となる。これに伴い燃料電池システム１０全体の電力も、電力を受け取る状態から出力する状態に変化する。
ＥＣＵ２４は、電力消費制御から通常走行に移行する際に、バッテリ１６のマージン７０を安定期マージン７２ｂｘ、７４ｂｘから状態変化マージン７２ｂｙ、７４ｂｙに移行し、さらに通常充電マージン７２ａ（及び通常放電マージン７４ａ）に復帰させる。これによりエアポンプ２２のＡＰ電力制限１２０も徐々に変化するように算出され、ＡＰ実電力が電力下限値１２４を下回る、すなわちエアポンプ２２の突入電力がバッテリ１６に供給されることが抑制される。
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０は、以下の効果を奏する。
燃料電池システム１０は、電力消費制御の開始後の廃電充電マージン７２ｂが電力消費制御の実施前の通常充電マージン７２ａよりも小さいという簡単な構成によって、ＴＲＣ２６の回生時に必要最小限の電力消費でバッテリを過充電状態から保護することができる。また、酸化剤ガス供給装置２０（エアポンプ２２）は、電力消費制御時に消費する電力を減らすことになり、酸化剤ガス供給装置２０の過熱を抑制することが可能となる。すなわち、燃料電池システム１０は、システム全体の電気エネルギを有効に活用することができ、安定的な駆動を実現することができる。
また、燃料電池システム１０は、システムの回生時の電力が変化する状態変化時に、廃電充電マージン７２ｂ（状態変化マージン７２ｂｙ）を電力消費制御の開始後の廃電充電マージン７２ｂ（安定期マージン７２ｂｘ）よりも大きくする。これによりバッテリ１６に対して瞬間的に大きな電力が充電される過充電状態を抑制することができる。
さらに、燃料電池システム１０は、電力消費制御時に、酸化剤ガス供給装置２０（エアポンプ２２）の定常動作に対応した定常電力幅ＳＷに設定する。これにより、廃電充電マージン７２ｂ（安定期マージン７２ｂｘ）を充分に小さくしつつ、酸化剤ガス供給装置２０の定常動作時の電力変化を許容することができる。さらに、状態変化時には、廃電充電マージン７２ｂを、酸化剤ガス供給装置２０の駆動状態が変化する過渡動作時の応答性能に対応した電力幅に変化させる。これにより、バッテリ１６への過充電状態の保護と酸化剤ガス供給装置２０の過熱抑制を最適な状態で両立させることができる。
そして、燃料電池システム１０は、燃料電池車両１８に搭載されることで、燃料電池車両１８の駆動時の電力使用を効率化することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、燃料電池システム１０では、ＴＲＣ２６の回生時に、バッテリ１６に充電できない電力をエアポンプ２２に優先的に供給して、電力を消費させる構成としたが、エアポンプ２２とは異なる負荷１４に電力を供給して電力を消費させる構成としてもよい。この場合でも、通常走行時に設定していた通常充電マージン７２ａを、電力消費制御時に廃電充電マージン７２ｂに持ち替えることで、バッテリ１６の過充電状態を保護することができる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池（ＦＣ）
１６…バッテリ １８…燃料電池車両（車両）
２０…酸化剤ガス供給装置 ２２…エアポンプ
２４…ＥＣＵ ２６…トラクションモータ（ＴＲＣ）
７０…マージン ７２…充電マージン
７２ａ…通常充電マージン ７２ｂ…廃電充電マージン
７２ｂｘ…安定期マージン ７２ｂｙ…状態変化マージン
７４…放電マージン

Claims (4)

  1. 燃料電池と、
    電力の供給により回転駆動する一方で、回転に伴い電力を回生する電動機と、
    前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
    前記燃料電池、前記電動機及び前記酸化剤ガス供給装置に電気的に接続され、電力を充放電可能な蓄電部と、
    前記電動機、前記酸化剤ガス供給装置及び前記蓄電部の電力配分を制御し、且つ前記電動機の回生時の電力を前記酸化剤ガス供給装置で消費させる電力消費制御を実施可能な制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記蓄電部の充電制限値に対し充電マージンを設定し当該充電マージンに基づいて前記電力消費制御を行う構成であり、且つ前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンは、前記電力消費制御の実施前の前記充電マージン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。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記電力消費制御中にシステムの回生時の電力が変化する状態変化時に、前記充電マージンを前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンよりも大きくする
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、
    前記電力消費制御の開始後の前記充電マージンとして前記酸化剤ガス供給装置の定常動作に対応した電力幅に設定する一方で、
    前記状態変化時の前記充電マージンとして、前記電力消費制御の非実施時において前記酸化剤ガス供給装置の駆動状態が変化する過渡動作時の応答性能に対応した電力幅に変化させる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    当該燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載される
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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