JP6844515B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、余分な回生電力を消費するための補機消費に関する。

自動車に搭載される燃料電池システムは、一般的に、走行用のモータジェネレータからの回生電力を二次電池に充電するように構成される。但し、回生電力の全部を二次電池の充電用に振り分けると、二次電池の状態によっては、二次電池に不具合が生じる場合がある。特許文献１は、このような場合に、余分な回生電力を、主にエアコンプレッサに消費させることを開示している。

特開２０１７−１３５８６０号公報

上記先行技術文献では、補機消費の終了付近における制御や現象について開示されていない。さらには、補機消費の実行中における圧縮空気の流れについて開示していない。

エアコンプレッサによる補機消費を実行すると圧縮空気が発生する。圧縮空気の全部を、発電を実行していない燃料電池に供給すると、燃料電池の乾燥が進行し、且つ、電圧が上昇し過ぎてセルがダメージを受ける場合がある。このため、少なくとも一部の圧縮空気は、燃料電池内に流さずに大気に排出することが好ましい。

一方で、モータジェネレータへの要求出力が正値になった時点で、回生電力は発生しなくなるので補機消費は終了し、且つ、モータジェネレータに給電する必要がある。

しかし、補機消費の実行中、圧縮空気が燃料電池内を流れていないと、モータジェネレータへの要求出力が正値になった時点における燃料電池の電圧が低すぎる場合がある。燃料電池の電圧が低すぎれば、発電電力も小さな値になる。燃料電池の電圧を上昇させるためにはエアコンプレッサに給電する必要があるものの、発電電力が小さいので、エアコンプレッサに必要分の電力を供給することができない。このため、燃料電池の電圧は徐々にしか上昇せず、この間、モータジェネレータへの要求電力を賄うことができない。

上記のように発電電力が要求電力に対して不足している場合には、二次電池からの給電を利用できることがある。しかし、二次電池のＳＯＣを温存するために、二次電池からの給電はできるだけ避けた方がよい。

本開示は、上記を踏まえ、補機消費の終了後における発電電力を要求電力に近づけつつ、燃料電池および二次電池を保護することを解決課題とする。

本開示の一形態は、燃料電池と；二次電池と；前記燃料電池と前記二次電池との少なくとも一方からの給電によって駆動することと、回生電力によって前記二次電池を充電することとが可能なモータジェネレータと；前記燃料電池と前記回生電力との少なくとも一方からの給電によって駆動することが可能であり、圧縮空気を発生させるエアコンプレッサと；前記圧縮空気を前記燃料電池に供給するための供給流路と；前記圧縮空気を前記燃料電池から排出するための排出流路と；前記供給流路と前記排出流路とを接続するバイパスと；前記バイパスに設けられたバイパスバルブと；前記燃料電池が発電を実施しておらず且つ前記回生電力が発生している場合、前記二次電池の充電が制限されていることを必要条件として、前記エアコンプレッサに前記回生電力の少なくとも一部を供給する補機消費を実施する制御部とを備え；前記制御部は；前記モータジェネレータに対する要求出力が正値になるか否かの予測と、前記燃料電池の電圧が目標電圧未満か否かの判定とを、前記補機消費の実行中に実行し；前記予測と前記判定との少なくとも何れかが否定された場合、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを第１開度に設定し；前記予測と前記判定との両方が肯定された場合、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度よりも小さい第２開度に設定する燃料電池システムである。

この形態によれば、補機消費の実行中においてバイパスバルブが第１開度に固定される場合に比べ、第２開度に設定される場合は、燃料電池に供給される圧縮空気の流量が増えるので、モータジェネレータの要求出力が正値になった時点において、燃料電池の電圧が目標電圧に近い値である可能性が高くなる。このため、モータジェネレータの要求出力が正値になった時点以降、要求出力に近い出力が発揮される可能性が高くなる。要求出力に近い出力が燃料電池によって発揮されれば、モータジェネレータとエアコンプレッサとに供給する電力の大部分を、燃料電池による発電で賄うことができる。さらには、上記の予測と判定との少なくとも何れかが否定された場合、バイパスバルブが第１開度に設定されるので、第２開度に固定される場合に比べると、燃料電池の乾燥が進行したり、高電位になったりすることが抑制される。

上記形態において、前記制御部は、前記予測に、前記モータジェネレータの要求出力を操作するためのユーザインターフェースに入力された操作量を利用してもよい。この形態によれば、燃料電池システムが輸送用機器に搭載される場合に、上記の予測を適切に実行できる。

上記形態において、前記目標電圧は、固定値でもよい。この形態によれば、判定のための演算負荷が軽くなる。

上記形態において、前記制御部は；前記要求出力が正値であると予測する場合、前記要求出力の予測値を決定し；前記予測値が第１の正値である場合、前記目標電圧を第１の電圧値に設定し；前記予測値が前記第１の正値よりも大きい第２の正値である場合、前記目標電圧を前記第１の電圧値よりも高い第２の電圧値に設定してもよい。この形態によれば、目標電圧を適切に設定することによって、バイパスバルブの開度の選択がより適切になる。

上記形態において、輸送用機器に搭載される場合に、前記制御部は、前記予測に、経路情報を利用してもよい。この形態によれば、燃料電池システムが輸送用機器に搭載される場合に、上記の予測を適切に実行できる。

上記形態において、前記第１開度は、最大開度でもよい。この形態によれば、バイパスの流路抵抗が低減されるので、仮に燃料電池に圧縮空気が流入できる状態であったとしても、燃料電池内を流れる圧縮空気の流量を低減できる。

上記形態において、前記第２開度は、閉弁状態の開度でもよい。この形態によれば、燃料電池内を流れる圧縮空気の流量を効率的に増大させることができる。

上記形態において、前記供給流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する入口バルブと；前記排出流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する出口バルブと、を更に備え；前記制御部は、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度に設定する場合、前記入口バルブと前記出口バルブとの少なくとも何れかを閉弁状態に設定してもよい。この形態によれば、予測と判定との少なくとも何れかが否定された場合に、燃料電池を流れる圧縮空気の流量をほぼゼロにすることができる。ひいては、燃料電池の乾燥が進行したり、高電位になったりすることが更に抑制される。

上記形態において、前記排出流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する出口バルブを更に備え；前記制御部は、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度に設定する場合、前記出口バルブを閉弁状態に設定し、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第２開度に設定する場合、前記出口バルブを開弁状態に設定してもよい。この形態によれば、燃料電池に圧縮空気を流したり遮断したりすることが容易に実現できる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記燃料電池システムを搭載した輸送用機器、或いはバルブの設定方法、この方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。

燃料電池システムの電気系の概略構成図。 補機消費要求の有無を決定する判断の等価論理回路を示すブロック図。 補機消費について説明する図。 補機消費の実行中及び実行前後における変化を模式的に示すグラフ。 補機消費の実行中及び実行前後における変化を模式的に示すグラフ。 配管系設定処理を示すフローチャート。 目標電圧と要求出力の予測値との関係を示すグラフ。 実施形態２における配管系設定処理を示すフローチャート。 実施形態３における配管系設定処理を示すフローチャート。

実施形態１を説明する。図１は、燃料電池システム１０の電気系の概略構成を示す。燃料電池システム１０は、経路情報出力装置３９０及びアクセルペダル３９５を備える自動車１に搭載される。経路情報出力装置３９０は、本実施形態では用いられないので後述する。

燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、ＦＣ昇圧コンバータ１１０と、バッテリコンバータ１２０と、Ｍ／Ｇ用インバータ１３０と、Ｍ／Ｇ１４０と、ＡＣＰ用インバータ１６０と、エアコンプレッサ１７０と、二次電池２００と、ＦＣ補機用インバータ２３０と、水素ポンプ２４０と、空調用コンプレッサ２４５と、冷却水ポンプ２５０と、検出部２６０と、制御部３００と、アクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダルセンサ３２０と、車速センサ３３０と、を備える。

本実施形態においては、エアコンプレッサ１７０と、水素ポンプ２４０と、冷却水ポンプ２５０とを総称して補機と呼ぶ。空調用コンプレッサ２４５は、ＦＣ補機用インバータ２３０に接続されているが、本実施形態においては補機に含まれない。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。

ＦＣ昇圧コンバータ１１０は、燃料電池１００の出力電圧をＭ／Ｇ１４０で利用可能な高電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。Ｍ／Ｇ用インバータ１３０は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、Ｍ／Ｇ１４０に供給する。Ｍ／Ｇ１４０は、車両の車輪を駆動するモータとしての機能と、回生電力を発生させるジェネレータとしての機能とを有する。

ＡＣＰ用インバータ１６０は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、エアコンプレッサ１７０に供給する。バッテリコンバータ１２０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。つまり、バッテリコンバータ１２０は、燃料電池１００の電圧を降圧して二次電池２００やＦＣ補機用インバータ２３０に供給したり、二次電池２００の電圧を昇圧してＭ／Ｇ用インバータ１３０とＡＣＰ用インバータ１６０に供給したりする。

二次電池２００は、Ｍ／Ｇ１４０や水素ポンプ２４０、冷却水ポンプ２５０等の電源として機能する。二次電池２００は、燃料電池１００からの電力や、Ｍ／Ｇ１４０からの回生電力によって充電される。本実施形態における二次電池２００は、リチウムイオン二次電池である。

ＦＣ補機用インバータ２３０は、直流電圧を交流電圧に変換して、水素ポンプ２４０と、空調用コンプレッサ２４５と、冷却水ポンプ２５０とに供給する。

検出部２６０は、バッテリセンサ２６１と温度センサ２６２とを備える。バッテリセンサ２６１は、二次電池２００の電流、電圧およびＳＯＣを取得する。温度センサ２６２は、二次電池２００のバッテリ温度を取得する。ＳＯＣは、実使用範囲の上限値を１００％、下限値を０％として、二次電池２００の満充電量に対する残存電力量の割合を示す。

検出部２６０は、取得した電流、ＳＯＣおよびバッテリ温度の値、さらに入力電流値を用いて、二次電池２００のバッテリ負荷を検出できる。入力電流値とは、二次電池２００を充電する際に二次電池２００に入力される電流値のことである。ＳＯＣ、温度、及び入力電流値の何れについても、値が高くなればなるほど、バッテリ負荷が増大する。

検出部２６０は、取得したＳＯＣおよびバッテリ温度の値を用いて、二次電池２００への充電電力の閾値を決定できる。

制御部３００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるＥＣＵによって構成されている。制御部３００には、アクセルペダル３９５の踏込量を検出するアクセルペダルセンサ３１０と、ブレーキペダル（図示しない）の踏込量を検出するブレーキペダルセンサ３２０と、車速を検出する車速センサ３３０とが接続されている。アクセルペダル３９５は、Ｍ／Ｇ１４０の要求出力を操作するためのユーザインターフェースである。アクセルペダル３９５の踏込量は、アクセルペダル３９５の操作量ともいう。

制御部３００は、各種のセンサからの検出信号に応じて、燃料電池システム１０内の各部の動作を制御する。図１では、制御部３００から一部の回路への信号経路が破線で描かれている。

制御部３００は、Ｍ／Ｇ１４０によって発生した回生電力を、二次電池２００に充電する充電処理を行う。制御部３００は、回生電力の要求値（以下、要求回生電力）を、要求制動力に応じて決定する。要求制動力は、車速と、アクセルペダル３９５の踏込量と、ブレーキペダルの踏込量とに応じて算出される。なお、負値の要求出力のことを要求回生電力と呼称しているのであり、要求回生電力を要求出力と言い換えてもよい。

制御部３００は、二次電池２００への充電が制限される場合、回生電力を、できるだけ有効利用する。具体的には、空調用コンプレッサ２４５が電力を要求している場合には、空調用コンプレッサ２４５に回生電力を供給する。

一方で、制御部３００は、空調用コンプレッサ２４５が給電しない場合、回生電力を補機に供給する。制御部３００は、空調用コンプレッサ２４５に給電する場合であっても、回生電力が余る場合には、その余った分の電力を補機に供給する。

補機に供給された電力は、有効利用されることなく、最終的には大気に廃棄される。このようにして回生電力を廃棄することを補機消費と呼ぶ。上記した電力の廃棄という表現は、二次電池２００の充電を実施しないことに加え、補機に電力を供給しても燃料電池１００による発電電力はゼロであるということを含意している。回生電力が余っていれば、通常、燃料電池１００に対する要求出力がゼロになるため、発電電力もゼロになる。

図２は、回生時の補機消費要求の有無を決定する判断の等価論理回路４００を示すブロック図である。等価論理回路４００は、２入力アンド要素４１０，４２０，４３０と、３入力オア要素４４０とを有している。ここで使用するフラグは以下の通りである。

（１）制動要求フラグＦｒｑは、アクセルペダル３９５の踏込量およびブレーキペダルの踏込量から、或いは、これらの踏込量の変化率から、制動が必要と判断された場合に１、制動が不要と判断された場合に０になるフラグである。

（２）車速判定フラグＦｖは、車速Ｖが予め定めた車速閾値Ｖｔｈ以上の場合に１、車速閾値Ｖｔｈより小さい場合に０になるフラグである。

（３）ＳＯＣ判定フラグＦｓは、二次電池２００のＳＯＣが予め定めたＳＯＣ閾値ＳＯＣｔ以上の場合に１、ＳＯＣ閾値ＳＯＣｔより小さい場合に０になるフラグである。二次電池２００のＳＯＣが閾値ＳＯＣｔ以上の場合、二次電池２００が満充電状態に近い。ＳＯＣ閾値ＳＯＣｔは、二次電池２００のＳＯＣが閾値ＳＯＣｔ以上の場合に、充電を回避するための閾値である。

（４）充電電力判定フラグＦｗａは、二次電池２００への充電電力Ｗｉｎが予め定めた第１のＷｉｎ閾値Ｗａ以上の場合に１、第１のＷｉｎ閾値Ｗａより小さい場合に０になるフラグである。充電電力Ｗｉｎが閾値Ｗａ以上の場合、要求制動力を満たすための回生電力が大きい。第１のＷｉｎ閾値Ｗａは、充電電力Ｗｉｎが閾値Ｗａ以上の場合に、回生電力を増大させるための閾値である。

（５）バッテリ負荷判定フラグＦｄは、二次電池２００のバッテリ負荷Ｌが予め定めた負荷閾値Ｌｂ以上の場合に１、負荷閾値Ｌｂより小さい場合に０になるフラグである。なお、負荷閾値Ｌｂは、バッテリ負荷判定フラグＦｄが０から１に立ち上がるタイミングが、充電電力判定フラグＦｗａが０から１に立ち上がるタイミングよりも早くなるように設定しておくことが好ましい。

（６）充電電力判定フラグＦｗｂは、二次電池２００への充電電力Ｗｉｎが予め定めた第２のＷｉｎ閾値Ｗｂ以上の場合に１、第２のＷｉｎ閾値Ｗｂより小さい場合に０になるフラグである。充電電力Ｗｉｎが閾値Ｗｂ未満の場合、要求制動力を満たすための回生電力が小さい。第２のＷｉｎ閾値Ｗｂは、充電電力Ｗｉｎが閾値Ｗｂ未満の場合に、回生電力を低下させるための閾値である。なお、第２のＷｉｎ閾値Ｗｂは第１のＷｉｎ閾値Ｗａよりも小さな値である。２つのＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂは、二次電池２００のＳＯＣとバッテリ温度とに応じて設定してもよい。この場合、ＳＯＣが大きければ大きいほどＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂが小さくなり、また、バッテリ温度が高ければ高いほどＷｉｎ閾値Ｗａ，Ｗｂが小さくなるように設定することが好ましい。

２入力アンド要素４１０には、制動要求フラグＦｒｑと車速判定フラグＦｖとが入力される。２入力アンド要素４３０には、バッテリ負荷判定フラグＦｄと充電電力判定フラグＦｗｂとが入力される。３入力オア要素４４０には、ＳＯＣ判定フラグＦｓと、充電電力判定フラグＦｗａと、２入力アンド要素４３０の出力Ｑ４３０とが入力される。２入力アンド要素４２０には、２入力アンド要素４１０の出力Ｑ４１０と、３入力オア要素４４０の出力Ｑ４４０が入力されている。２入力アンド要素４２０の出力Ｑ４２０は、補機消費要求の有無を示す値となる。

本実施形態において、例えば、制動要求フラグＦｒｑが１、車速判定フラグＦｖが１、バッテリ負荷判定フラグＦｄが１、および、充電電力判定フラグＦｗｂが１、の四つの条件を同時に満たす場合、２入力アンド要素４１０の出力Ｑ４１０（＝１）と、２入力アンド要素４３０の出力Ｑ４３０（＝１）を受けた３入力オア要素４４０の出力Ｑ４４０（＝１）とが２入力アンド要素４２０に入力される。従って、２入力アンド要素４２０の出力Ｑ４２０は、補機消費要求を示す値（＝１）となる。

上記のように、補機消費要求を示す値が１となるには、出力Ｑ４４０が１であることが必要条件である。出力Ｑ４４０が１であることは、二次電池２００の充電が制限されている状況であることを示す。

図３は、補機消費のための構成について説明する図である。燃料電池システム１０は、更に、配管系５００と、アフタークーラ２５１と、ラジエータ２５２と、ファン２５３とを備える。アフタークーラは、インタークーラともいう。配管系５００は、供給流路５１０と、入口シャットバルブ５２０と、調圧バルブ５３０と、排出流路５４０と、バイパス５５０と、バイパスバルブ５６０とを備える。

制御部３００は、補機消費を実施する場合、回生電力の大半を、エアコンプレッサ１７０に供給する。エアコンプレッサ１７０は、他の補機である水素ポンプ２４０及び冷却水ポンプ２５０に比べて消費電力が大きく、回生電力の投入先として使い勝手が良いからである。エアコンプレッサ１７０に給電すると、圧縮空気（以下、単にエアという）が発生する。補機消費を実施する場合、エアを冷却するために、回生電力の一部は、冷却水ポンプ２５０に供給される。

上記のエアコンプレッサ１７０に供給された電力の大部分は、エアの内部エネルギー及び運動エネルギーに変換される。内部エネルギーの一部は、アフタークーラ２５１及びラジエータ２５２を通じて大気に廃棄される。残りのエネルギーは、エアもろとも、排出流路５４０を通じて大気に廃棄される。

補機消費を実施する場合、制御部３００は、調圧バルブ５３０を閉弁し、且つ、バイパスバルブ５６０の開度を最大になるように開弁する。この開度を、第１開度ともいう。以下、これらバルブの開閉状態を、「配管系５００が第１状態である」又は単に「第１状態」という。第１状態では、エアコンプレッサ１７０によって供給されるエアは、燃料電池１００に供給されずに、バイパス５５０を通じて大気に排出される。なお、入口シャットバルブ５２０は、本実施形態においては第１状態において開弁される。他の形態では、第１状態において入口シャットバルブ５２０は閉弁されてもよい。

一方、燃料電池１００にエアを供給する場合、制御部３００は、入口シャットバルブ５２０と調圧バルブ５３０とを開弁し、且つ、バイパスバルブ５６０を閉弁する。この閉弁状態を実現するための開度を、第２開度ともいう。第２開度は、第１開度よりも小さい。以下、これらバルブの開閉状態を、第２状態という。通常、第２状態への設定は、燃料電池１００による発電のために実施される。

第１状態、第２状態の何れの場合でも、エアはアフタークーラ２５１によって冷却される。アフタークーラ２５１は、冷却水ポンプ２５０によって循環する冷媒によって冷却機能を発揮する。冷媒は、ラジエータ２５２を通過することによって冷却される。ファン２５３は、ラジエータ２５２に風を当てることによって、冷媒の冷却を促進する。

制御部３００は、上記したエアの冷却を実現するために、冷却水ポンプ２５０及びファン２５３に駆動信号を送信する。ファン２５３は、図示しない低圧電源（具体的には鉛蓄電池）から給電される。なお、冷媒は、燃料電池１００内も循環して、燃料電池１００を冷却する。

図４，図５は、補機消費の実行中、及び実行前後における各種パラメータが変化する様子を模式的に示すグラフである。図４，図５は、比較例の場合について、破線で示している。

図５に示された目標電圧Ｖｔｇｔ２は、実施形態１では用いられず、実施形態２で用いられる。また、上記したように、補機消費の実行中には回生電力が冷却水ポンプ２５０にも供給されるが、冷却水ポンプ２５０の消費電力は小さいので、以下では、冷却水ポンプ２５０への給電は無視して説明する。

グラフの縦軸として示された要求出力（Ｗ）は、正値の場合はＭ／Ｇ１４０に対する要求出力であり、負値の場合は要求回生電力を示す。本実施形態においては、Ｍ／Ｇ１４０の出力および要求回生電力が誤差なしで実現されるものとする。なお、要求出力についての比較例として示された破線は、要求出力ではなく実際の出力を示している。比較例においても、要求出力は本実施形態と同じ値である。

グラフの縦軸として示されたフラグは、補機消費要求を示す出力Ｑ４２０の値を示す。ＡＣＰパワー（Ｗ）は、エアコンプレッサ１７０に供給される電力を示す。ＦＣ電圧は、燃料電池１００による発電電圧である。ＦＣ電流は、燃料電池１００による発電電流である。ＦＣ内エア流量（ＮＬ／ｍｉｎ）は、燃料電池１００内を流れるエアの流量である。

ＦＣ電圧のグラフに示された高電位回避電圧Ｖｍａｘは、燃料電池１００の損傷を回避するために設定された上限値である。

図示されたグラフの場合、時刻ｔ１以前においては、アクセルペダル３９５が踏み込まれている。このため、燃料電池１００による発電が実施され、且つ、発電された電力が、Ｍ／Ｇ１４０及びエアコンプレッサ１７０に供給される。時刻ｔ１以前においては、発電を実施するために、バルブの開閉状態は、第２状態に設定される。このため、燃料電池１００内をエアが流れる。なお、バイパスバルブ５６０及び調圧バルブ５３０について、開度がゼロであることは、閉弁状態であることを意味する。

時刻ｔ１からアクセルペダル３９５の踏込量が急減して、やがて踏込量がゼロになる。このため、要求出力は、時刻ｔ１から低下し始める。これに伴い、ＡＣＰパワー、ＦＣ電圧およびＦＣ電流は、何れも低下し始める。

図示されたグラフは、時刻ｔ１において坂道を下り始め、やがて定速で坂道を下る状況を想定した場合を例示する。このため、時刻ｔ１よりも後の時刻で、要求出力は負値になり、やがて値が一定になる。要求出力がゼロになる時刻は、時刻ｔ２である。

図示されたグラフの場合、フラグは、要求出力が負値である場合に１、正値である場合に０に設定されている。このため、時刻ｔ２から補機消費が開始される。

補機消費が開始されると、回生電力は、エアコンプレッサ１７０に供給される。さらに、配管系５００は第１状態に設定される。なお、調圧バルブ５３０は、フラグが１に設定された時刻よりも僅かに遅れて閉弁する。これは、バイパスバルブ５６０と調圧バルブ５３０との両方が閉弁する期間があると、その期間中はエアの流出先が無くなってしまうので、安全のため時間差を設けているからである。第１状態の場合、ＦＣ内エア流量はゼロになる。

ＦＣ電流は、Ｍ／Ｇ１４０及びエアコンプレッサ１７０への供給電力の低下に伴って低下し、この供給電力がゼロになる時刻ｔ２においてゼロに制御される。ＦＣ電圧は、時刻ｔ１以降、ＦＣ内エア流量の低下に伴い、徐々に低下する。

図６は、配管系設定処理を示すフローチャートである。制御部３００は、配管系設定処理を実現するためのプログラムを記憶している。制御部３００は、補機消費が要求されている場合、一旦、第１状態に設定した後、配管系設定処理を開始する。補機消費の要求が終わると、制御部３００は、配管系設定処理を終了する。

まず制御部３００は、要求出力の予測値を算出する（Ｓ７１０）。但し、Ｓ７１０では、ゼロ以下の要求出力が予測される場合は、単にゼロ以下であると予測するのみであり、具体的な数値は予測されない。一方、正値の要求出力が予測される場合は、具体的な数値が予測される。

本実施形態においては、この予測値は、アクセルペダル３９５の踏込量（以下、踏込量といえば、アクセルペダル３９５の踏込量のことを指す）に基づき算出される。踏込量がゼロであれば、要求出力はゼロ以下であると予測される。踏込量がゼロよりも大きければ、車速等との関係で、要求出力が正値と予測されたり、ゼロ以下と予測されたりする。

次に制御部３００は、要求出力の予測値が正値であるかを判定する（Ｓ７２０）。要求出力の予測値がゼロ以下の場合（Ｓ７２０，ＮＯ）、制御部３００は、第１状態に設定する（Ｓ７５０）。つまり、補機消費を通常通りに継続する。その後、Ｓ７１０に戻る。

図示されたグラフの場合、時刻ｔ３まで踏込量はゼロである。このため、補機消費が開始された時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、Ｓ７２０でＮＯと判定され、第１状態が維持されることになる。

図示されたグラフの場合、時刻ｔ３においてアクセルが踏み込まれる。この結果、制御部３００は、時刻ｔ３において、正値の要求出力を予測値として算出する（Ｓ７１０）。図４には、算出された要求出力として、要求出力Ｐｔｇｔが示されている。踏込量の変化に対して、要求出力の変化が遅れているのは、急激な加速を避けるためである。上記のように要求出力Ｐｔｇｔを決定することを予測と表現しているのは、踏込量が決定された時点において、要求出力Ｐｔｇｔは未来の要求出力だからである。

Ｓ７１０において正値の要求出力を予測値として算出すると、制御部３００は、Ｓ７２０でＹＥＳと判定し、Ｓ７３０に進む。制御部３００は、Ｓ７３０において、目標電圧Ｖｔｇｔ１を決定する。

図７は、目標電圧Ｖｔｇｔ１と要求出力Ｐｔｇｔの予測値との関係を模式的に示すグラフである。実線が本実施形態、破線が他の形態の例を示す。本実施形態における目標電圧Ｖｔｇｔ１は、要求出力Ｐｔｇｔの予測値の増加に対して、単調増加するように決定される。

例えば、図７に示されるように、要求出力が第１の正値Ｐ１である場合、目標電圧は第１の電圧値Ｖ１に設定される。要求出力が第１の正値Ｐ１よりも大きい第２の正値Ｐ２である場合、目標電圧は第１の電圧値Ｖ１よりも高い第２の電圧値Ｖ２に設定される。

図示された他の形態の場合においても、このように２点を取り出した場合における要求出力の予測値と目標電圧との関係は、本実施形態と同じである。但し、他の形態においては、要求出力の予測値が増加しても、目標電圧Ｖｔｇｔ１が変化しない区間が存在する。つまり、他の形態における目標電圧Ｖｔｇｔ１と、要求出力Ｐｔｇｔの予測値との関係は、広義の単調増加である。

次に、制御部３００は、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ１未満であるかを判定する（Ｓ７４０）。ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ１以上である場合（Ｓ７４０，ＮＯ）、Ｓ７５０に進み、第１状態に設定する。

一方、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ１未満である場合（Ｓ７４０，ＹＥＳ）、Ｓ７６０に進み、第２状態に設定する。

図示されたグラフの場合、時刻ｔ３の時点でＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ１未満であるので、時刻ｔ３からＳ７６０が実行される。このため、時刻ｔ３から燃料電池１００内をエアが急激に流れ始める。この結果、ＦＣ電圧が上昇を開始する。但し、ＦＣ内エア流量は、時刻ｔ３の直後にピークアウトした後、ＡＣＰパワーの減少に伴って徐々に減少する。ＡＣＰパワーが減少するのは、要求出力がゼロに近づいていくため、回生電力が減少するからである。

時刻ｔ４において、要求出力がゼロになる。この結果、フラグがゼロになって、補機消費が終了する。補機消費が終了すると、制御部３００は、配管系設定処理を終了する。

図示されたグラフの場合、時刻ｔ４において、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ１に達する。さらに、時刻ｔ４においてエアコンプレッサ１７０への供給電力が瞬間的にゼロになっても、慣性があるため、ＦＣ内エア流量が直ちにゼロになる訳ではない。このため、時刻ｔ４からＦＣ電流を増加させることができる。

この結果、燃料電池１００は、要求出力を実現するための電力を発電できる。要求出力を実現するための電力は、少なくとも、Ｍ／Ｇ１４０に供給する電力と、エアコンプレッサ１７０に供給する電力との合計値以上の電力である。このため、本実施形態においては、補機消費の終了後、二次電池２００による給電を利用することなく、要求出力を実現できる。

比較例を説明する。比較例では、二次電池による給電が実行されない点において本実施形態と同じである。一方、配管系設定処理が実行されない点において本実施形態と異なる。このため、補機消費の実行中は、第１状態が維持される。図示されたグラフの場合、時刻ｔ２から時刻ｔ４まで第１状態が維持され、時刻ｔ４以降、第２状態に設定される。

このため、比較例では、時刻ｔ３以降もＦＣ電圧が降下し続ける。時刻ｔ４においては、ＦＣ電圧が低すぎるため、ＦＣ電流を増加させることができない。この結果、燃料電池１００による発電電力は、要求出力を実現するための電力に対して不足する。つまり、発電電力を増加させるためにはＦＣ電圧の上昇が必要であるので、僅かな発電電力をエアコンプレッサ１７０に供給することになる。このため、要求出力に対して、Ｍ／Ｇ１４０に供給される電力は大幅に不足する。

しかも、時刻ｔ４の直後にエアコンプレッサ１７０に供給される電力は僅かであるため、ＦＣ内エア流量は緩やかにしか増加せず、ひいてはＦＣ電圧も緩やかにしか増加しない。この結果、時刻ｔ４から時刻ｔ５までは発電電力が要求出力に対して不足する。

以上に説明した本実施形態によれば、二次電池２００の給電を実行しなくても、補機消費の終了の直後から要求出力を実現できる。このため、二次電池２００のＳＯＣを温存することができ、且つ、ＳＯＣの変動によって引き起こされる二次電池２００の劣化を抑制できる。

上記のように、二次電池２００の給電を実行しなくても補機消費の終了の直後から要求出力を実現できるのは、主に次の２つの理由による。１つ目の理由は、従来では廃棄していたエネルギーの一部を、ＦＣ電圧の上昇という形態で有効利用している点である。２つ目の理由は、補機消費の実行中にアクセルが踏み込まれた場合、アクセルが踏み込まれた時点から暫くは要求出力が負値であり、踏込量に応じて算出された要求出力が実際に要求されるまでに時間的余裕があることを利用している点である。

本実施形態においてはリチウムイオン二次電池を採用しているので、二次電池２００の劣化を抑制するために二次電池２００の最大出力が低めの値に制限されている。このため、燃料電池１００による発電電力が要求出力に対して不足する状況を回避できるという効果は、ドライバビリティに大きく貢献する。

さらに、本実施形態において、第２状態に設定される頻度は、Ｓ７１０による要求出力の予測と、Ｓ７３０による電圧についての判定とを組み合わせることで、最小限に抑制されている。このため、ＦＣ電圧が高電位回避電圧Ｖｍａｘに至ったり、燃料電池１００内の乾燥が進行したりすることが抑制される。

実施形態２を説明する。実施形態２の説明は、実施形態１と異なる点を主な対象とする。特に説明しない点については、実施形態１と同じである。

図８は、実施形態２における配管系設定処理を示すフローチャートである。まず制御部３００は、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ２未満であるかを判定する（Ｓ７０５）。目標電圧Ｖｔｇｔ２は、固定値である。目標電圧Ｖｔｇｔ２は、図５に例示されているように、高電位回避電圧Ｖｍａｘ未満の値として予め決定されている。

ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ２以上である場合（Ｓ７０５，ＮＯ）、制御部３００は、第１状態に設定する（Ｓ７５０）。

一方、ＦＣ電圧が目標電圧Ｖｔｇｔ２未満である場合（Ｓ７０５，ＹＥＳ）、制御部３００は、実施形態１で説明したようにＳ７１０，Ｓ７２０を実行する。制御部３００は、Ｓ７２０でＮＯと判定すると、第１状態に設定する。制御部３００は、Ｓ７２０でＹＥＳと判定すると、第２状態に設定する。

以上に説明した本実施形態によれば、目標電圧を変更するための演算をしなくてもよくなる。

実施形態３を説明する。実施形態３の説明は、実施形態１と異なる点を主な対象とする。特に説明しない点については、実施形態１と同じである。

図９は、実施形態３における配管系設定処理を示すフローチャートである。実施形態３が実施形態１と異なる点は、実施形態１のＳ７１０の代わりに、Ｓ７１５を実行する点のみである。

Ｓ７１５において、制御部３００は、要求出力の予測値を経路情報に基づき算出される。制御部３００は、経路情報を、経路情報出力装置３９０から取得する。経路情報出力装置３９０は、ＧＮＳＳを用いて現在地を取得すると共に、走行予定経路に関する経路情報を出力する。

経路情報には、要求出力に影響し得る情報が含まれる。要求出力に影響し得る情報とは、例えば、道路の勾配、道路のカーブの曲率半径などである。制御部３００は、これらの情報を総合して、要求出力を算出する。実施形態３においては、要求出力の算出に、踏込量は加味されない。別の形態では、要求出力の算出に、踏込量を加味してもよい。

例えば、制御部３００は、下り勾配から急に上り勾配に変化する道路を走行する場合、下り勾配から上り勾配に切り替わる手前で、要求出力が負値から正値に切り替わると予測する。

或いは、例えば高速道路において、カーブの後、直進することが予定されている場合、カーブが終了する手前で、要求出力が負値から正値に切り替わると予測する。本実施形態によれば、予測をより適切することができる。

本開示は、本明細書の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下の実施形態が例示される。

バイパスバルブ５６０の第１開度は、最大開度でなくてもよく、例えば最大開度よりも少し小さい開度でもよい。

バイパスバルブ５６０の第２開度は、最小開度つまり閉弁状態の開度でなくてもよく、例えば僅かにエアを通す程度の開度でもよい。

バイパスバルブ５６０を第１開度に設定する場合、入口シャットバルブ５２０と調圧バルブ５３０との何れについても、エアを通過させる状態でもよい。但し、少なくとも入口シャットバルブ５２０と調圧バルブ５３０との何れかについては開度を小さくして、ＦＣ内エア流量を小さな値にすることが好ましい。

二次電池２００のタイプは、リチウムイオン二次電池に限られず、ニッケル水素二次電池や全固体電池など、どのようなタイプでもよい。

要求出力が正値になった時点（実施形態における時刻ｔ４）以降、二次電池２００からの給電を実行してもよい。なお、実使用範囲において出力を制限する必要がないように改良された二次電池を採用する場合であっても、ＳＯＣを温存できるという効果は、二次電池２００からの給電を抑制すればするほど大きくなるので、できるだけ二次電池２００からの給電を抑制するのが好ましい。

二次電池２００の充電が制限されているか否かの判定手法を変更してもよい。例えば、出力Ｑ４４０の値を、ＳＯＣ判定フラグＦｓのみを用いて決定してもよい。

補機消費を実行する場合に、回生電力の一部をエアコンプレッサ１７０及び冷却水ポンプ２５０に供給し、残りの回生電力を有効利用してもよい。有効利用とは、例えば、空調用コンプレッサ２４５に供給してもよいし、二次電池２００の充電でもよい。

補機消費を実行する場合に、回生電力の全部をエアコンプレッサ１７０に供給してもよい。この場合、冷却水ポンプ２５０は駆動させなくてもよい。

モータジェネレータは、モータ機能とジェネレータ機能とを別体で実現するように構成されてもよい。

自動車は、コネクテッドカーでもよい。コネクテッドカーとは、通信機を搭載し、クラウドとの通信によってサービスを受けることができる自動車である。コネクテッドカーの場合、経路情報を通信を用いて外部から取得してもよい。自動車は、車速を自動で制御する自動運転車でもよい。

燃料電池システム１０は、自動車以外の輸送用機器に搭載されてもよい。例えば、電車や船舶に搭載されてもよい。

燃料電池システム１０は、輸送用機器以外の動力源として用いられてもよい。例えば、建設機械や、回生制動が実装されたエレベータの動力源として用いられてもよい。

上記実施形態において、ソフトウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウエアによって実現されてもよい。また、ハードウエアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウエアによって実現されてもよい。ハードウエアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いてもよい。

１…自動車
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…ＦＣ昇圧コンバータ
１２０…バッテリコンバータ
１３０…Ｍ／Ｇ用インバータ
１４０…Ｍ／Ｇ（モータジェネレータ）
１６０…ＡＣＰ用インバータ
１７０…エアコンプレッサ
２００…二次電池
２３０…ＦＣ補機用インバータ
２４０…水素ポンプ
２４５…空調用コンプレッサ
２５０…冷却水ポンプ
２５１…アフタークーラ
２５２…ラジエータ
２５３…ファン
２６０…検出部
２６１…バッテリセンサ
２６２…温度センサ
３００…制御部
３１０…アクセルペダルセンサ
３２０…ブレーキペダルセンサ
３３０…車速センサ
３９０…経路情報出力装置
３９５…アクセルペダル
４００…等価論理回路
４１０…２入力アンド要素
４２０…２入力アンド要素
４３０…２入力アンド要素
４４０…３入力オア要素
５００…配管系
５１０…供給流路
５２０…入口シャットバルブ（入口バルブ）
５３０…調圧バルブ（出口バルブ）
５４０…排出流路
５５０…バイパス
５６０…バイパスバルブ

Claims (9)

1. 燃料電池と、
   二次電池と、
   前記燃料電池と前記二次電池との少なくとも一方からの給電によって駆動することと、回生電力によって前記二次電池を充電することとが可能なモータジェネレータと、
   前記燃料電池と前記回生電力との少なくとも一方からの給電によって駆動することが可能であり、圧縮空気を発生させるエアコンプレッサと、
   前記圧縮空気を前記燃料電池に供給するための供給流路と、
   前記圧縮空気を前記燃料電池から排出するための排出流路と、
   前記供給流路と前記排出流路とを接続するバイパスと、
   前記バイパスに設けられたバイパスバルブと、
   前記燃料電池が発電を実施しておらず且つ前記回生電力が発生している場合、前記二次電池の充電が制限されていることを必要条件として、前記エアコンプレッサに前記回生電力の少なくとも一部を供給する補機消費を実施する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記モータジェネレータに対する要求出力が正値になるか否かの予測と、前記燃料電池の電圧が目標電圧未満か否かの判定とを、前記補機消費の実行中に実行し、
   前記予測と前記判定との少なくとも何れかが否定された場合、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを第１開度に設定し、
   前記予測と前記判定との両方が肯定された場合、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度よりも小さい第２開度に設定する
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記予測に、前記モータジェネレータの要求出力を操作するためのユーザインターフェースに入力された操作量を利用する
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記目標電圧は、固定値である
   請求項１から請求項２までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、
   前記要求出力が正値であると予測する場合、前記要求出力の予測値を決定し、
   前記予測値が第１の正値である場合、前記目標電圧を第１の電圧値に設定し、
   前記予測値が前記第１の正値よりも大きい第２の正値である場合、前記目標電圧を前記第１の電圧値よりも高い第２の電圧値に設定する
   請求項１から請求項２までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 輸送用機器に搭載される請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記予測に、経路情報を利用する
   燃料電池システム。
6. 前記第１開度は、最大開度である
   請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２開度は、閉弁状態の開度である
   請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記供給流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する入口バルブと、
   前記排出流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する出口バルブと、を更に備え、
   前記制御部は、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度に設定する場合、前記入口バルブと前記出口バルブとの少なくとも何れかを閉弁状態に設定する
   請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記排出流路に設けられ、前記バイパスとの接続点と、前記燃料電池との間に位置する出口バルブを更に備え、
   前記制御部は、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第１開度に設定する場合、前記出口バルブを閉弁状態に設定し、前記補機消費の実行中に前記バイパスバルブを前記第２開度に設定する場合、前記出口バルブを開弁状態に設定する
   請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の燃料電池システム。

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