JP7291627B2 - 電源システムの制御方法及び電源システムの制御装置 - Google Patents

電源システムの制御方法及び電源システムの制御装置 Download PDF

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Description

この発明は、バッテリの温度に応じてバッテリを放電する電源システム及びその制御方法に関する。
ＪＰ２０１２－２１４１４２Ａには、２つのバッテリを備える車両の低温時にバッテリの内部抵抗により発生する熱を用いて自身の温度が上昇するようバッテリ間で充放電を繰り返し行う技術が開示されている。
上述のように２つのバッテリを備えた電源システムでは効率よくバッテリの暖機が行われるものの、一方のバッテリを燃料電池に置き換えた電源システムでは互いに充放電を行うことは困難であるという問題があった。
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、その目的は、効率よくバッテリの出力特性を改善する電源システム及びその制御方法を提供することにある。
本発明のある態様によれば、電源システムは、放電によって発熱するバッテリと、電動式の補機の運転により固体酸化物型燃料電池を発電させる燃料電池システムとを備え、負荷に電力を供給する。この電源システムの制御方法は、バッテリの充電量が所定の閾値以下である場合に燃料電池システムの起動条件が成立したと判定して、補機に対してバッテリを放電することで、燃料電池システムを起動する起動ステップと、バッテリが所定温度以下である場合には、補機に対するバッテリの放電開始を早めるように燃料電池システムの起動条件を変更する条件変更ステップと、を含む。起動ステップは、固体酸化物型燃料電池の発電を行なわずに固体酸化物型燃料電池の暖機を行なう暖機ステップをさらに含む。
図１は、本発明の第１実施形態における電源システムの構成例を示す図である。 図２は、バッテリの温度とバッテリの出力特性との関係を例示する図である。 図３は、バッテリの自己発熱を説明する図である。 図４は、燃料電池の温度と燃料電池の出力特性との関係を例示する図である。 図５は、本実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。 図６は、燃料電池システムに対するバッテリの充電を制御する制御手法の一例を示すタイムチャートである。 図７は、本発明の第２実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。 図８は、本発明の第３実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。 図９は、本発明の第４実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第５実施形態における電源システムの制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照しながら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実施形態における電源システム１００の構成の一例を示す構成図である。
電源システム１００は、例えば、車両や飛行機、船舶などの移動体に搭載された負荷装置９０に電力を供給する電力供給装置である。
本実施形態における電源システム１００は、ハイブリッド車を含む電気自動車や電車などの車両に搭載される。車両には、ドライバによるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサ９１１と、ドライバによるブレーキペダルの操作量を検出するブレーキセンサ９１２と、車両の速度を検出する車速センサ９１３とが設けられている。
負荷装置９０は、電源システム１００から電力を取り出して作動する作動装置である。本実施形態の負荷装置９０は、車両を駆動する電動モータ９２と、電源システム１００の出力電力を交流電力に変換して電動モータ９２に供給するインバータ９１とを備える。
電源システム１００は、バッテリ１０と、燃料電池システム２０と、コントローラ３０とを備える。電源システム１００は、バッテリ１０及び燃料電池システム２０のうち少なくとも一方の電源から負荷装置９０に電力を供給するハイブリッド電源システムである。
本実施形態の電源システム１００には、ドライバが燃料電池システム２０の起動及び停止のうちいずれか一方を選択するＦＣ操作ボタン２００と、コントローラ３０に配置されて外気温を検出する外気温センサ１０１とが設けられている。
バッテリ１０は、主に負荷装置９０に電力を供給する電源である。バッテリ１０は、燃料電池システム２０及び負荷装置９０の両者に接続される。バッテリ１０は、リチウムイオンバッテリや鉛バッテリなどにより実現される。例えば、バッテリ１０は、数百ボルト（Ｖ）の直流電力を出力する。バッテリ１０には、温度センサ１１、電流センサ１２及び電圧センサ１３が設けられている。
温度センサ１１は、バッテリ１０の温度を検出する。そして温度センサ１１は、検出した値をコントローラ３０に出力する。
電流センサ１２は、バッテリ１０の出力電流を検出する。そして電流センサ１２は、検出した値をコントローラ３０に出力する。
電圧センサ１３は、バッテリ１０の出力電圧を検出する。そして電圧センサ１３は、検出した値をコントローラ３０に出力する。
燃料電池システム２０は、バッテリ１０及び負荷装置９０の双方に接続される。燃料電池システム２０は、燃料電池２１が発電するように作動する。燃料電池システム２０は、燃料電池２１と、ＦＣコンバータ２２と、ＦＣ補機２３と、補機コンバータ２４と、補助バッテリ２５とを備える。
燃料電池２１は、ＦＣコンバータ２２に接続される。燃料電池２１は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料電池２１は、固体酸化型燃料電池や固体高分子型燃料電池などにより実現される。本実施形態の燃料電池２１は固体酸化型燃料電池により構成される。
燃料電池２１は、バッテリ１０及びインバータ９１のうち少なくとも一方の負荷に電力を供給可能な電源である。燃料電池２１は、複数のセルにより積層されており、バッテリ１０の出力電圧に対して異なる大きさの電圧を出力する。
例えば、燃料電池２１は、バッテリ１０の出力電圧値よりも低い数十Ｖの直流電圧を出力する。このような構成では、バッテリ１０の出力電力を補助するための補助電源として燃料電池２１が用いられる。このような電源システムは、バッテリ１０の出力範囲を拡張するような機能を有するのでレンジエクステンダと称される。燃料電池２１にはＦＣ温度センサ２１１が設けられ、燃料電池システム２０には燃料残量センサ２１２が備えられている。
ＦＣ温度センサ２１１は、燃料電池２１の温度を検出する。ＦＣ温度センサ２１１は、例えば、燃料電池２１の自己の温度、燃料電池２１に供給される酸化剤ガスの温度、又は燃料電池２１から排出された酸化剤ガスの温度を検出する。そしてＦＣ温度センサ２１１は、検出した値をコントローラ３０に出力する。
燃料残量センサ２１２は、燃料電池２１に供給される燃料の残量を検出する。そして燃料残量センサ２１２は、検出した値をコントローラ３０に出力する。
ＦＣコンバータ２２は、バッテリ１０と燃料電池２１との間に介装される電圧変換装置である。ＦＣコンバータ２２は、燃料電池２１から入力される電力の電圧値を異なる電圧値に変換して出力する。例えば、ＦＣコンバータ２２は、入力される１次側の電圧を昇圧又は降圧し、その２次側の電圧を出力するＤＣ／ＤＣコンバータにより実現される。
ＦＣ補機２３は、補機コンバータ２４に接続される。ＦＣ補機２３は、燃料電池２１の発電に必要となる付属機器である。ＦＣ補機２３としては、例えば、燃料電池２１を暖機するためのヒータ、燃料電池２１に酸化剤ガス又は燃料ガスを供給するアクチュエータ、及び、燃料電池２１に冷媒を循環させるアクチュエータなどが挙げられる。
ＦＣ補機２３を構成するアクチュエータの一例としては、燃料電池２１に大気からの空気を酸化剤ガスとして供給するブロア又はコンプレッサが挙げられる。
補機コンバータ２４は、ＦＣコンバータ２２とバッテリ１０との間に介装される電圧変換器である。補機コンバータ２４は、バッテリ１０及び燃料電池２１のうちの少なくとも一方の出力電力をＦＣ補機２３に供給する。例えば、補機コンバータ２４は、ＦＣコンバータ２２とバッテリ１０との間の電圧をＦＣ補機２３の動作電圧範囲内の電圧値に変換するＤＣ／ＤＣコンバータにより実現される。
補助バッテリ２５は、補機コンバータ２４とＦＣ補機２３との間に介装される。補助バッテリ２５は、ＦＣ補機２３に電力を供給する。例えば、バッテリ１０及び燃料電池２１の両者から電力を取り出せない場合に補助バッテリ２５は、ＦＣ補機２３に電力を供給する。補助バッテリ２５は、例えば、数十ボルトの鉛バッテリにより実現される。
コントローラ３０は、所定の処理がプログラムされた中央演算処理装置（ＣＰＵ；Central Processing Unit）及び記憶装置を備える１つ又は複数のマイクロコンピュータにより構成される。電源システム１００の動作を制御する制御装置である。
コントローラ３０は、温度センサ１１、電流センサ１２、電圧センサ１３、ＦＣ温度センサ２１１、燃料残量センサ２１２、アクセルセンサ９１１、ブレーキセンサ９１２及び車速センサ９１３の各々から出力される検出値を取得する。コントローラ３０は、取得した各検出値に応じてＦＣコンバータ２２、補機コンバータ２４及びインバータ９１の各々の動作を制御する。
例えば、コントローラ３０は、アクセルセンサ９１１の検出値を用いて電動モータ９２の駆動に必要となる要求トルクを求め、その要求トルクに基づいて電源システム１００に要求される要求電力を算出する。そしてコントローラ３０は、算出した要求電力がバッテリ１０及び燃料電池２１のうち少なくとも一方から電動モータ９２に供給されるようにＦＣコンバータ２２、補機コンバータ２４及びインバータ９１の各々を制御する。
また、コントローラ３０は、電流センサ１２及び電圧センサ１３のうち少なくとも一方の検出値を用いてバッテリ１０の充電量を算出し、その充電量の大きさに基づいて燃料電池システム２０を起動する。
燃料電池システム２０の起動処理には、燃料電池２１の温度を発電に適した運転温度まで上昇させる暖機処理と、燃料電池２１が発電可能な状態になるよう燃料電池２１に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する処理とが含まれる。例えば、暖機処理におけるコントローラ３０は、不図示の排気燃焼器及びヒータなどを駆動して燃料電池２１に供給される酸化剤ガスを温めることにより燃料電池２１を暖機する。あるいは、コントローラ３０は、ＦＣコンバータ２２及び補機コンバータ２４を制御して、燃料電池２１からＦＣ補機２３に取り出される出力電力を増やして燃料電池２１の自己発熱量を増加させる。
本実施形態のコントローラ３０は、電流センサ１２及び電圧センサ１３の検出値に基づいてバッテリ１０の電流積算や電圧積算などの一般的な算出手法から得られるＳＯＣ（State Of Charge）をバッテリ１０の充電量として算出する。
そしてコントローラ３０は、算出したバッテリ１０のＳＯＣが所定のＦＣ起動閾値以下となった場合には、燃料電池システム２０が起動するようＦＣコンバータ２２、ＦＣ補機２３及び補機コンバータ２４の各々を制御する。
一方、バッテリＳＯＣが所定のＦＣ停止閾値を上回った場合には、コントローラ３０は、燃料電池システム２０を停止する。ここにいうＦＣ停止閾値は、上述のＦＣ起動閾値と同一の値に設定されてもよく、あるいは、ＦＣ起動閾値とは異なる値、例えばＦＣ起動閾値よりも大きな値又は小さな値に設定されてもよい。
また、コントローラ３０は、ドライバが乗車する際や車両の運転中にＦＣ操作ボタン２００から燃料電池システム２０の起動を指示する起動操作信号を受け付けると、燃料電池システム２０の起動処理を実行する。そしてコントローラ３０は、バッテリ１０から放電される電力がＦＣ補機２３に供給されるよう補機コンバータ２４の動作を制御する。
図２は、バッテリ１０のＳＯＣに対する最大出力の出力特性とバッテリ１０の温度との関係を例示する図である。
図２に示すように、バッテリ１０の温度が低下するほど、バッテリ１０の出力特性が悪くなる。例えば、氷点下の温度環境で車両を起動させる際には、バッテリ１０の温度が低くなるため、バッテリ１０の出力特性が悪くなる。このため、バッテリ１０の温度が低いときには、負荷装置９０の駆動に必要となる電力をバッテリ１０から取り出すことが困難になるため、バッテリ１０を早期に暖機することが必要になる。
図３は、バッテリ１０の等価回路を説明する回路図である。
図３に示すように、バッテリ１０は、電池本体Ｂの他に内部抵抗Ｒを有する。そのため、外部装置Ｅに対してバッテリ１０を放電する際には、内部抵抗Ｒに放電電流が流れるので、内部抵抗Ｒが発熱してバッテリ１０自体が温められる。バッテリ１０を充電する際についても、同様に、内部抵抗Ｒに充電電流が流れるため、内部抵抗Ｒが発熱してバッテリ１０自体が温められる。
したがって、バッテリ１０の温度が、自己の定格出力を確保するのに必要となる定格出力温度を下回るような場合には、バッテリ１０を放電又は充電することにより、バッテリ１０の暖機を促進することが可能になる。
図４は、燃料電池２１の電流に対する電圧の出力特性と燃料電池２１の温度との関係を例示する図である。
図４に示すように、燃料電池２１の出力特性についても、バッテリ１０の出力特性と同様、燃料電池２１の温度が低下するほど悪くなる。特に固体酸化型燃料電池に関しては、燃料電池２１の温度を数百度の運転温度まで上昇させる暖機処理が必要となるため、燃料電池２１の暖機が完了するまでに要する時間が長くなってしまう。したがって、燃料電池２１の応答性を向上させるには燃料電池システム２０を早期に起動するのが好ましい。
図５は、本実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
ステップＳ１０においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂを特定するためのバッテリ温度情報を取得する。例えば、コントローラ３０は、温度センサ１１の検出値をバッテリ温度情報として取得する。
あるいは、図４に示したようなバッテリ１０の出力特性とバッテリ１０の温度との関係を示す出力特性マップをあらかじめ記憶しておき、バッテリ１０の電圧と電流との関係が分かれば、バッテリ１０の温度Ｔｂを推定することが可能になる。そのため、コントローラ３０は、電流センサ１２及び電圧センサ１３の各々の検出値をバッテリ温度情報として取得するようにしてもよい。
または、バッテリ１０の充放電量とバッテリ１０の発熱量との関係を示す発熱量マップをコントローラ３０に記憶しておき、バッテリ１０の起動時での外気温センサ１０１の検出値をバッテリ１０の温度Ｔｂとすればバッテリ１０の温度を推定することが可能になる。
そのため、コントローラ３０は、バッテリ１０の起動開始時における外気温センサ１０１の検出値と、起動開始後における電流センサ１２及び電圧センサ１３の各検出値とをバッテリ温度情報として取得するようにしてもよい。あるいは、電流センサ１２及び電圧センサ１３の各々の検出値に代えて、起動後におけるバッテリ１０のＳＯＣ（State Of Charge）の変化量を用いてもよい。
ステップＳ２０においてコントローラ３０は、バッテリ温度情報により特定されるバッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であるか否かを判断する。暖機閾値Ｔｔは、例えば、バッテリ１０から十分に放電電力が取り出せなくなるようなバッテリ１０の温度を基準にあらかじめ定められた値である。
例えば、コントローラ３０に上述の出力特性マップが記憶されている場合は、コントローラ３０は、バッテリ温度情報として電流センサ１２及び電圧センサ１３の各々の検出値を取得し、取得した各検出値を用いてバッテリ１０の放電電力を算出する。そしてコントローラ３０は、バッテリ１０の放電電力を算出すると、出力特性マップを参照して、その放電電力に関係付けられた温度をバッテリ１０の温度Ｔｂとして算出する。算出したバッテリ１０の温度Ｔｂ又はバッテリ１０の温度Ｔｂの検出値はバッテリ温度情報に格納される。
このように、コントローラ３０は、バッテリ温度情報に基づいてバッテリ１０が所定温度以下であるか否かを判断する。コントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔを上回ると判断した場合には、電源システム１００の制御方法についての処理手順を終了する。
ステップＳ３０においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断された場合には、燃料電池システム２０のＦＣ補機２３に対してバッテリ１０を放電するように補機コンバータ２４の動作を制御する。
バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断された場合において燃料電池システム２０が停止しているときは、コントローラ３０は、燃料電池システム２０を起動するとともにバッテリ１０をＦＣ補機２３に放電する。一方、燃料電池システム２０が既に起動しているときは、燃料電池２１からＦＣ補機２３に電力が供給されていることがある。このような場合には、コントローラ３０は、ＦＣ補機２３への供給電力を燃料電池２１の出力電力からバッテリ１０の出力電力に切り替えるようＦＣコンバータ２２及び補機コンバータ２４の動作を制御する。
ステップＳ３０の処理が終了すると、電源システム１００の制御方法についての一連の処理手順が終了する。
このように、コントローラ３０は、バッテリ温度情報が所定値の暖機閾値Ｔｔ以下である場合には、燃料電池システム２０に備えられたＦＣ補機２３に対してバッテリ１０を放電する。
図６は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔよりも低い場合におけるバッテリ１０及び燃料電池システム２０の制御手法の一例を示すタイムチャートである。
ここでは横軸が時間を示し、縦軸がバッテリ１０の充電電力及び放電電力を示す。バッテリ１０の充電電力又は放電電力が大きくなるほど、バッテリ１０の自己発熱量は大きくなり、バッテリ１０の暖機が促進される。
ＩＮＶ電力は、バッテリ１０からインバータ９１に供給される電力を表わし、ＦＣ補機電力は、バッテリ１０からＦＣ補機２３に放電される電力を表わし、バッテリ入出電力は、バッテリ１０におけるトータルの充電電力及び放電電力の変化を表わす。
時刻ｔ０よりも前においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔよりも低いと判断し、燃料電池システム２０の起動処理を実行している。そして、車両を加速するためにドライバがアクセルペダルを踏み込むことにより、コントローラ３０は、バッテリ１０からインバータ９１を介して電動モータ９２に電力を供給している。
時刻ｔ０では、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔよりも低い状態である。このため、コントローラ３０は、ＦＣコンバータ２２を制御してバッテリ１０からインバータ９１に電力を供給しつつ、補機コンバータ２４を制御してＦＣ補機２３にバッテリ１０を放電する。
これにより、バッテリ１０からＩＮＶ電力だけでなくＦＣ補機電力の放電が行われるので、バッテリ１０の放電電流が増加し、バッテリ１０の暖機が促進される。さらに、バッテリ１０の放電電力が燃料電池システム２０のＦＣ補機２３に供給されるので、燃料電池システム２０の起動処理で消費される電力の一部がバッテリ１０により補填される。
このため、電源システム１００は、バッテリ１０の出力特性を早期に改善することができるとともに、燃料電池システム２０の起動処理を効率よく実行することができる。
時刻ｔ１では、車両を減速するためにアクセルペダルからドライバの足が離されて、電動モータ９２からインバータ９１を介してバッテリ１０に回生電力が充電される。
このとき、バッテリ１０によるＦＣ補機電力の放電は行われない。その理由は、バッテリ１０の電力がＦＣ補機２３に放電されるように補機コンバータ２４の動作を制御すると、バッテリ１０の充電時期が遅くなり、バッテリ１０の充電による自己発熱量が小さくなるからである。なお、ＦＣ補機２３には、補助バッテリ２５及び燃料電池２１のうち少なくも一方から電力が供給される。
時刻ｔ２では、再び車両を加速するためにドライバによりアクセルペダルが踏み込まれて、バッテリ１０からＩＮＶ電力に加えてＦＣ補機電力が放電される。これにより、バッテリ１０の放電電流が大きくなって自己発熱量が大きくなるので、バッテリ１０の暖機が促進される。
このように、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔに達するまでの間、燃料電池システム２０に対してバッテリ１０を放電するので、バッテリ１０の暖機を促進しつつ、効率よく燃料電池システム２０を起動することができる。
本発明の第１実施形態によれば、電源システム１００は、放電によって発熱するバッテリ１０と、燃料電池２１を発電させる燃料電池システム２０とを備え、負荷装置９０に電力を供給する。この電源システム１００の制御方法は、バッテリ１０の温度が暖機閾値Ｔｔ以下であるか否か、すなわちバッテリ１０が所定温度以下であるか否かを判断する温度判断ステップＳ２０を含む。さらに電源システム１００の制御方法は、バッテリ１０が所定温度以下であると判断された場合には燃料電池システム２０に対してバッテリを放電する放電ステップＳ３０を含む。
バッテリ１０が所定温度以下である場合には、図２及び図４に示したように、バッテリ１０の出力特性だけでなく燃料電池システム２０の出力特性も悪くなっているおそれがある。この対策として、燃料電池システム２０に対してバッテリ１０を放電することにより、バッテリ１０の内部抵抗Ｒに放電電流が流れるため、バッテリ１０の暖機を促進させることができる。また、燃料電池システム２０に対してバッテリ１０の放電が行われるので、停止状態の燃料電池システム２０を早期に起動することが可能になり、燃料電池システム２０の出力特性を早期に回復させることができる。
さらに、バッテリ１０の放電電力が燃料電池システム２０の起動処理に有効に利用されるので、バッテリ１０から放電される電力量の分だけ燃料電池２１の発電電力や補助バッテリ２５の電力などの消費を削減することができる。それゆえ、燃料電池システム２０で消費される燃料や電力を低減することができる。したがって、バッテリ１０及び燃料電池２１の双方の暖機を促進しつつ、燃料電池システム２０におけるエネルギー損失の増加を抑制することができる。
一般的に、電源システム１００の出力特性を早期に改善する場合にはバッテリ１０の電力や燃料電池２１の燃料などが無駄に消費されることになる。これに対して本実施形態では、電源システム１００の出力特性を早期に改善しつつ、早期改善に必要となるエネルギーの消費量を低減することができる。
すなわち、電源システム１００の出力特性の早期改善と、出力特性の早期改善とは相反する電源システム１００における燃費の低下抑制との２つの効果を両立させることができる。以上のように、本実施形態によれば、効率よくバッテリ１０の出力特性を改善することができる。
（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
本実施形態の制御方法に関する処理手順には、図５に示したステップＳ１０乃至Ｓ３０の各処理に加えて、ステップＳ２１の処理及びＳ９１乃至Ｓ９５の各処理が含まれている。そのため、ここではステップＳ２１及びＳ９１乃至Ｓ９５の各処理についてのみ詳細に説明する。
この例においては、燃料電池システム２０の起動の有無を示すＦＣ起動フラグが用いられている。車両の始動キーがＯＮに操作されて電源システム１００の起動が行われる際には、燃料電池システム２０が停止状態であるためＦＣ起動フラグは「０」に設定されている。
ステップＳ９１においてコントローラ３０は、バッテリ１０のＳＯＣを取得する。
ステップＳ９２においてコントローラ３０は、バッテリ１０のＳＯＣがＦＣ起動閾値Ｔｓよりも大きいか否かを判断する。ＦＣ起動閾値Ｔｓは、燃料電池システム２０の起動処理中にバッテリ１０の充電量が欠乏するのを回避するようあらかじめ定められる。
ステップＳ９３においてコントローラ３０は、バッテリ１０のＳＯＣがＦＣ起動閾値Ｔｓよりも大きい場合には、燃料電池システム２０を起動することが必要ではないと判断し、ＦＣ起動フラグを「０」に設定する。そしてステップＳ１０及びＳ２０の処理が終了した後、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔを上回る場合は、コントローラ３０はステップＳ９１の処理に戻る。
ステップＳ２１においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下である場合には、ＦＣ起動フラグが「１」を示すか否かを判断する。すなわち、コントローラ３０は、バッテリ１０の暖機が必要であると判断した場合に、燃料電池システム２０の起動が必要であるか否かを判断する。
そしてコントローラ３０は、ＦＣ起動フラグが「０」を示す場合、すなわち燃料電池システム２０の起動処理の実行が必要である場合には、ステップＳ９４の処理に進む。また、コントローラ３０は、ステップＳ９２でバッテリ１０のＳＯＣがＦＣ起動閾値Ｔｓ以下である場合にも、ステップＳ９４の処理に進む。
ステップＳ９４においてコントローラ３０は、ＦＣ起動フラグを「１」に設定する。
ステップＳ９５においてコントローラ３０は、燃料電池システム２０を起動する。本実施形態の燃料電池２１は固体酸化型燃料電池であるため、燃料電池システム２０を起動する際には、自己の温度を数百度、例えば７００℃程度まで上昇させる暖機処理が必要になる。そのため、コントローラ３０は、燃料電池システム２０を起動する場合には燃料電池２１を暖機する。
ステップＳ２１においてコントローラ３０は、ＦＣ起動フラグが「１」を示す場合には、ステップＳ３０の処理に進み、燃料電池システム２０のＦＣ補機２３に対してバッテリ１０を放電する。
このようにコントローラ３０は、バッテリ１０のＳＯＣの大きさに関わらず、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下である場合には、ＦＣ補機２３に対してバッテリ１０を放電する。バッテリ１０を放電する場合においてコントローラ３０は、燃料電池システム２０が停止状態であるためＦＣ起動フラグが「０」を示す場合は、ＦＣ補機２３に対してバッテリ１０の放電を行えるように燃料電池システム２０を起動する。
本発明の第２実施形態によれば、コントローラ３０は、図７のステップＳ９１乃至Ｓ９５に示したように、バッテリ１０に関する充電量として用いられるＳＯＣが所定のＦＣ起動閾値Ｔｓ以下である場合には、燃料電池システム２０を起動する。そしてコントローラ３０は、ステップＳ１０及びＳ２０に示したように、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断した場合には、バッテリ１０のＳＯＣがＦＣ起動閾値Ｔｓよりも大きい場合であっても、燃料電池システム２０を起動する。
このようにコントローラ３０は、バッテリ１０が所定温度以下である場合には、燃料電池システム２０の起動条件を変更する。これにより、燃料電池システム２０の起動タイミングを早めることが可能になるので、燃料電池システム２０の暖機を促進するとともに、燃料電池システム２０の応答性を向上させることができる。
また、本実施形態によれば、燃料電池２１は固体酸化型燃料電池により構成され、コントローラ３０は、図７のステップＳ９５で述べたように、燃料電池システム２０を起動する場合には固体酸化型燃料電池を暖機する。
固体酸化型燃料電池は、自己の温度を数百度まで上昇させる必要がある。そのため、固体酸化型燃料電池の暖機が完了するには特定の時間、例えば数十分を要する。このように固体酸化型燃料電池を用いることにより、燃料電池２１の暖機に時間を要すため燃料電池２１の応答性が悪くなってしまう。一方、固体酸化型燃料電池には自己の温度低下を抑制するための保温対策が施されていることから、燃料電池２１の暖機完了後は温度が低下しにくいという特性を有する。
このため、燃料電池２１を固体酸化型燃料電池により構成することで、バッテリ１０の暖機が必要となる状況ではバッテリＳＯＣに基づく燃料電池２１の発電要求に先立って燃料電池２１の暖機が行われるので、燃料電池２１の応答性を早期に改善することができる。さらに燃料電池２１の暖機が一旦完了すると、燃料電池２１の温度は下がりにくいため、燃料電池２１の温度を維持するのに必要となる燃料の消費量の増加を抑制することができる。
すなわち、本実施形態によれば、燃料電池２１を固体酸化型燃料電池により構成することにより、燃料電池システム２０の燃費が低下するのを抑制しつつ、燃料電池システム２０の応答性を改善することができる。
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
本実施形態の制御方法に関する処理手順には、図７に示した各処理に加えて、ステップＳ２０１の処理が含まれている。そのため、ここではステップＳ２０１の処理についてのみ詳細に説明する。
ステップＳ２０１においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断した場合には、ＦＣ起動閾値Ｔｓに正の値αを加算した値をＦＣ起動閾値Ｔｓに設定する。
すなわち、コントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断した場合には、ＦＣ起動閾値Ｔｓを、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔよりも大きいときの所定の閾値よりも大きな特定の閾値に変更する。
上述の正の値αは、あらかじめ定められた値でもよく、バッテリ１０の温度Ｔｂや燃料電池２１の燃料残量に応じて変更されるものであってもよい。例えば、バッテリ１０の自己の温度Ｔｂと暖機閾値Ｔｔとの差分が大きいほど、バッテリ１０の暖機に要する時間が長くなるため、バッテリ１０の暖機を早期に完了させるために正の値αは大きな値に設定される。あるいは、燃料電池２１の燃料残量が多いほど、燃料電池２１を起動する機会は多くなりやすいので、燃料電池２１の応答性を向上させるために正の値αは大きな値に設定される。
そしてコントローラ３０は、ステップＳ２１の処理に進み、ＦＣ起動フラグが「０」を示す場合にはステップＳ９１の処理に戻る。これにより、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔよりも大きい場合に比べてＦＣ起動閾値Ｔｓは大きな値に設定されるので、燃料電池システム２０の起動を早めることができる。
このように、本発明の第３実施形態によれば、図８のステップＳ２０１で述べたように、コントローラ３０は、バッテリ１０が所定温度以下であると判断した場合には、ＦＣ起動閾値Ｔｓを正の値αだけ増加させる。
すなわち、コントローラ３０は、燃料電池システム２０の起動条件であるＦＣ起動閾値Ｔｓを、バッテリ１０が所定温度よりも大きいときの所定の閾値から、その所定の閾値よりも正の値αだけ大きな特定の閾値に変更する。これにより、バッテリ１０の暖機が必要な場合に燃料電池システム２０の起動を早めることができるので、バッテリ１０及び燃料電池システム２０の双方を早期に暖機することが可能になる。
（第４実施形態）
図９は、本発明の第４実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
本実施形態の制御方法に関する処理手順には、図７に示した各処理に加えて、ステップＳ２０２の処理が含まれている。そのため、ここではステップＳ２０２の処理についてのみ詳細に説明する。
ステップＳ２０２においてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断した場合には、燃料電池２１に供給される燃料の残量を示す燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆよりも多いか否かを判断する。
判定閾値Ｔｆは、例えば、燃料電池システム２０の起動に必要となる燃料の消費量を基準にあらかじめ定められる。あるいは、バッテリ１０の自己の温度Ｔｂと暖機閾値Ｔｔとの差分が大きくなるほど、燃料電池２１の暖機に必要となる燃料の消費量も増える。このため、コントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂと暖機閾値Ｔｔとの差分が大きくなるほど、判定閾値Ｔｆを大きな値に設定するようにしてもよい。これにより、燃料電池システム２０の無駄な起動処理の実行を抑制することが可能になる。
上述の燃料残量Ｆとしては、例えば、燃料残量センサ２１２の検出値が用いられる。あるいは、燃料電池２１の目標電流や検出電流に基づいて算出される燃料の消費量を積算することにより、燃料残量Ｆを算出するようにしてもよい。燃料電池２１の目標電流は、例えば、上述の負荷装置９０の要求電力からバッテリ１０の放電可能電力を減じた値に基づいて算出される。
燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆよりも大きい場合には、コントローラ３０は、燃料電池２１の発電電力を負荷装置９０に供給可能であると判断し、ステップＳ９４の処理に進み、燃料電池システム２０の起動処理を実行する。
一方、コントローラ３０は、燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆ以下である場合には、燃料電池システム２０を起動することなく、電源システム１００の制御方法についての一連の処理手順を終了する。
このように、コントローラ３０は、燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆ以下である場合には、燃料電池２１から取り出すことのできる発電電力が少ないため、燃料電池システム２０の起動を停止する。
本発明の第４実施形態によれば、図９のステップＳ２０２で述べたように、コントローラ３０は、バッテリ１０が所定温度以下であると判断した場合において燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆを上回るときには、燃料電池システム２０を起動する。
一般的に、燃料残量Ｆが多くなるほど、燃料電池２１から負荷装置９０に電力を供給する機会が増加する。このため、燃料残量Ｆが判定閾値Ｔｆを上回るときに燃料電池システム２０を起動することにより、燃料電池２１から電力が取り出されることなく燃料電池システム２０を停止するような事態を抑制することができる。すなわち、燃料電池システム２０の無駄な起動処理の実行を低減することができる。
本実施形態では燃料残量Ｆに基づいて燃料電池システム２０の起動の要否を判定したが、燃料電池２１の発電に関するパラメータに基づいて燃料電池システム２０の起動の要否を判定するようにしてもよい。
例えば、コントローラ３０は、燃料電池２１の発電に関するパラメータとしてＦＣ温度センサ２１１の検出値が暖機閾値Ｔｔよりも小さな特定の値以下である場合には、燃料電池システム２０の起動を抑制するようにしてもよい。これにより、燃料電池２１の暖機に必要となる燃料の消費量が多くなり過ぎて燃料電池システム２０の燃費が低下するのを抑制することができる。
あるいは、負荷装置９０の要求電力や、アクセルセンサ９１１の検出値、車速センサ９１３の検出値などのパラメータが特定の値を上回る場合、又は、ブレーキセンサ９１２の検出値は特定の値を下回る場合は、燃料電池２１から負荷装置９０に電力を供給する可能性が高い。このため、コントローラ３０は、上述の燃料電池２１の発電に関するパラメータが特定の値を超える場合に、燃料電池２１の発電要求を受ける可能性があるため、燃料電池システム２０の起動処理を実行するようにしてもよい。
このように、本実施形態によれば、燃料電池２１の発電に関するパラメータに基づいて燃料電池システム２０を起動する。これにより、燃料電池システム２０の無駄な起動処理の実行が低減されるので、燃料電池システム２０の燃費を向上させることができる。
なお、本実施形態では図９に示したようにステップＳ２０２の処理を追加したが、ステップＳ２０とステップＳ２０２の間、又はステップＳ２０２とステップＳ２１との間に、図８に示したステップＳ２０１の処理を追加してもよい。この場合にも第３実施形態及び第４実施形態の両者の作用効果を得ることができる。
（第５実施形態）
図１０は、本発明の第５実施形態における電源システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。
本実施形態の制御方法に関する処理手順には、図７に示したステップＳ９１及びＳ９２の処理に代えてステップＳ８１の処理が備えられている。そのため、ここではステップＳ８１の処理についてのみ詳細に説明する。
ステップＳ８１においてコントローラ３０は、ＦＣ操作ボタン２００から燃料電池システム２０の起動を指示する起動操作信号を受け付けたか否かを判断する。そしてコントローラ３０は、起動操作信号を受け付けていない場合には、ステップＳ９３の処理に進み、起動操作信号を受け付けた場合には、ステップＳ９４の処理に進む。
このように、本実施形態によれば、コントローラ３０は、ＦＣ操作ボタン２００から出力される起動操作信号の有無に基づいて、燃料電池システム２０の起動の要否を判断する。そしてコントローラ３０は、バッテリ１０の温度Ｔｂが暖機閾値Ｔｔ以下であると判断した場合には、起動操作信号の有無に関わらず、燃料電池システム２０の起動処理を実行する。
これにより、第２実施形態と同様、燃料電池システム２０のＦＣ補機２３に対してバッテリ１０を放電することにより、バッテリ１０及び燃料電池システム２０の各々の暖機を早期に完了することができる。
本実施形態では図７のステップＳ９１及びＳ９２に代えてステップＳ８１の処理を備える例について説明したが、図７乃至図９のステップＳ９２の処理後にステップＳ８１の処理を追加してもよい。
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。
例えば、上記実施形態では燃料電池２１に空気を供給するブロア又はコンプレッサをＦＣ補機２３としたが、これに限られるものではない。例えば、ＦＣ補機２３は、固体酸化型燃料電池の発電に用いられるエタノールなどを供給するブロアであってもよく、燃料電池２１に冷媒を供給するポンプであってもよい。このような装置であっても上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (4)

  1. 放電によって発熱するバッテリと、電動式の補機の運転により固体酸化物型燃料電池を発電させる燃料電池システムとを備え、負荷に電力を供給する電源システムの制御方法であって、
    前記バッテリの充電量が所定の閾値以下である場合に前記燃料電池システムの起動条件が成立したと判定して、前記補機に対して前記バッテリを放電することで、前記燃料電池システムを起動する起動ステップと、
    前記バッテリが所定温度以下である場合には、前記補機に対する前記バッテリの放電開始を早めるように前記燃料電池システムの前記起動条件を変更する条件変更ステップと、を含むとともに、
    前記起動ステップは、前記固体酸化物型燃料電池の発電を行なわずに前記固体酸化物型燃料電池の暖機を行なう暖機ステップをさらに含む、
    電源システムの制御方法。
  2. 請求項１に記載の電源システムの制御方法であって、
    前記条件変更ステップは、前記燃料電池システムの前記起動条件を変更する処理として、前記バッテリが前記所定温度以下である場合に、前記所定の閾値を当該所定の閾値よりも大きい特定の閾値に変更する処理を含む、
    電源システムの制御方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載の電源システムの制御方法であって、
    前記バッテリが前記所定温度よりも高い場合に、前記バッテリと異なる補助バッテリを用いて前記補機に電力を供給する供給ステップをさらに含む電源システムの制御方法。
  4. 放電によって発熱するバッテリと、電動式の補機の運転により固体酸化物型燃料電池を発電させる燃料電池システムとを備え、負荷に電力を供給する電源システムの制御装置であって、
    前記バッテリの充電量が所定の閾値以下である場合に前記燃料電池システムの起動条件が成立したと判定して、前記補機に対して前記バッテリを放電することで、前記燃料電池システムを起動する一方、
    前記バッテリが所定温度以下である場合には、前記補機に対する前記バッテリの放電開始を早めるように前記燃料電池システムの前記起動条件を変更する、ようにプログラムされたコントローラ、を含むとともに、
    前記コントローラは、前記固体酸化物型燃料電池の発電を行なわずに前記固体酸化物型燃料電池の暖機を行なうように、さらにプログラムされた、
    電源システムの制御装置。
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