JP7487125B2

JP7487125B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP7487125B2
Application number: JP2021020028A
Authority: JP
Inventors: 尚也富本
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-02-10
Filing date: 2021-02-10
Publication date: 2024-05-20
Anticipated expiration: 2041-02-10
Also published as: JP2022122657A

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

キャパシタを搭載した車両においてキャパシタの端子間の電圧測定値を用いてキャパシタの充電状態を検知する技術がある（例えば、特許文献１）。

特開２０１０－２４２４３４号公報

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックは、キャパシタを介して負荷に電気的に接続されている。燃料電池スタックの電力で負荷の駆動及びキャパシタの充電が行われるとともにキャパシタに蓄えられた電力が車両に供給される。この場合、燃料電池スタックの発電量はキャパシタの充電状態（充電率（ＳＯＣ：State of charge））で判断しているので、ＳＯＣが正確に検出できないと発電量もそれに応じて影響を受ける。

上記課題を解決するための燃料電池システムは、負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、前記負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、前記キャパシタの端子電圧を検出する端子電圧検出部と、前記キャパシタの充放電電流を検出する電流検出部と、前記端子電圧検出部により検出した前記キャパシタの端子電圧、及び、前記電流検出部により検出した前記キャパシタの充放電電流に基づいて前記キャパシタの充電状態を推定する充電状態推定手段と、を備え、前記充電状態推定手段は、起動直後における前記燃料電池スタックの発電による前記キャパシタの充電中の前記電流検出部による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における前記端子電圧検出部による端子電圧の差に基づいて、前記キャパシタの静電容量を算出する静電容量算出部と、前記キャパシタの充電の終了の際の電流遮断時における前記端子電圧検出部による端子電圧の変化量、及び、電流遮断前の前記電流検出部による充電電流に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗を算出する内部抵抗算出部と、初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最大充電状態時電荷量、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最小充電状態時電荷量、及び、起動直後の開回路電圧と前記静電容量算出部で算出した静電容量と前記キャパシタの充放電開始から現在までの前記電流検出部による充放電電流の時間積分値による現在の電荷量に基づいて、現在の前記キャパシタの充電状態を算出するキャパシタ充電状態算出部と、を有することを要旨とする。

これによれば、起動時において燃料電池スタックの発電によるキャパシタの充電時に静電容量及び内部抵抗を都度算出することで、キャパシタの劣化後でも適切な充電状態を算出することができる。即ち、キャパシタの温度によらず、かつ、劣化度は逐次測っているので、温度によらず、かつ、劣化度で補正することで劣化度を考慮して充電状態を算出することができる。その結果、キャパシタの劣化やキャパシタ温度によらずキャパシタの充電状態を適切に推定することができる。

また、燃料電池システムにおいて、前記キャパシタ充電状態算出部における前記起動直後の開回路電圧は、前記起動直後に前記端子電圧検出部により検出された端子電圧であるとよい。

また、燃料電池システムにおいて、前記キャパシタ充電状態算出部における初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧は、最大端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出し、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧は、最小端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出するとよい。

本発明によれば、キャパシタの劣化やキャパシタ温度によらずキャパシタの充電状態を適切に推定することができる。

実施形態における燃料電池フォークリフトの概略側面図。燃料電池システム及び車両システムの概略構成図。（ａ）～（ｅ）は、ＳＯＣ推定動作を説明するためのタイムチャート。作用を説明するためのフローチャート。ＳＯＣ０％とＳＯＣ１００％についての劣化の影響を示す図。内部抵抗の温度の影響を示す特性図。

以下、本発明をフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。
図１に示すように、燃料電池フォークリフト１０の車体１１の前側下部には駆動輪（前輪）１２ａが設けられ、車体１１の後側下部には操舵輪（後輪）１２ｂが設けられている。マスト１３が車体１１の前部に立設されている。マスト１３は車体１１に対して前後に傾動可能に支持された左右一対のアウタマスト１３ａと、これにスライドして昇降するインナマスト１３ｂとからなる。各アウタマスト１３ａの後部にはリフトシリンダ１４が配設されている。インナマスト１３ｂの内側にはフォーク１５を備えたリフトブラケット１６が昇降可能に支持されている。そして、リフトシリンダ１４の伸縮作動によりフォーク１５がリフトブラケット１６とともに昇降される。

左右一対のティルトシリンダ１７は、その基端側が車体１１に対して回動可能に連結されるとともに、先端側がアウタマスト１３ａの側面に回動可能に連結されている。マスト１３はティルトシリンダ１７が伸縮駆動されることで前後に傾動する。

運転室１８の前側にリフトレバー１９及びティルトレバー２０が装備されている。リフトレバー１９はフォーク１５を昇降させるためのレバーであり、ティルトレバー２０はマスト１３を前後方向に傾動させるためのレバーである。運転室１８の下部にはアクセルペダル２１が設けられ、アクセルペダル２１の操作量に応じた車速にされる。

車体１１には燃料電池システム２２、走行モータ２３及び荷役モータ２４が搭載されている。燃料電池システム２２により走行モータ２３を駆動させ、駆動輪１２ａが駆動されるようになっている。詳しくは、走行モータ２３の出力軸が駆動輪１２ａの回転軸と減速機（図示略）を介して連結されており、走行モータ２３の駆動により出力軸が回転するとその回転に伴って駆動輪１２ａの回転軸が回転して駆動輪１２ａが駆動される。

また、燃料電池システム２２により荷役モータ２４が駆動され、この荷役モータ２４の駆動により荷役ポンプ（図示略）が駆動される。この荷役ポンプの駆動に基づいてリフトシリンダ１４やティルトシリンダ１７を伸縮動作してフォーク１５の上下動やティルト動作を行うことができるようになっている。

このように、燃料電池システム２２は、リフトシリンダ１４及びティルトシリンダ１７の油圧源となる荷役モータ２４及び走行モータ２３の電源として使用される。
次に、図２を用いて燃料電池システム２２と車両システム３０について説明する。

図２に示すように、燃料電池システム２２は、燃料電池スタック３１と水素タンク３２とコンプレッサ３３と電磁弁３４とリレーコンタクト３５と電子制御ユニット（以下、燃料電池システム側ＥＣＵという）３６とＤＣ／ＤＣコンバータ３７と蓄電装置としてのキャパシタ３８と端子電圧検出器３９と充放電電流検出器４０を備える。車両システム３０は、車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）と、電子制御ユニット（以下、車両側ＥＣＵという）４２と、キースイッチ４３等を有する。燃料電池スタック３１は、車両負荷４１に電気的に接続される。

燃料電池システム２２における燃料電池スタック３１は、複数のセルを積層して構成されており、各セルは電気的に直列接続されている。水素タンク３２は、燃料電池スタック３１に水素ガスを供給可能である。コンプレッサ３３は燃料電池スタック３１に酸素を含む空気を供給可能である。そして、水素タンク３２から供給される水素とコンプレッサ３３から供給される空気中の酸素とが燃料電池スタック３１内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。

燃料電池スタック３１と水素タンク３２を繋ぐ配管に電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４により燃料電池スタック３１に供給される水素ガス量が調整される。電磁弁３４及びコンプレッサ３３は燃料電池システム側ＥＣＵ３６によって制御される。

燃料電池スタック３１の正極出力端子にはリレーコンタクト３５を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３７が接続されている。リレーコンタクト３５を閉じた状態で燃料電池スタック３１の正極出力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７を介してキャパシタ３８が接続されている。キャパシタ３８には車両負荷４１が接続されている。つまり、燃料電池スタック３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７、キャパシタ３８を介して車両負荷４１に電気的に接続されている。そして、燃料電池スタック３１で発電された直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３７によって所定の電圧まで降圧された後、キャパシタ３８を介して車両負荷４１に出力される。また、燃料電池スタック３１は下流のＤＣ／ＤＣコンバータ３７によりキャパシタ電圧に電圧変換されると同時に、燃料電池スタック３１の出力電流を決定している。キャパシタ３８はＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力と並列に取り付けられ、車両システム３０へ電力供給している。

本実施形態においてキャパシタ３８には、リチウムイオンキャパシタで代表される内部起電力を保有する蓄電装置を用いている。つまり、キャパシタには、内部起電力を保有するリチウムイオンキャパシタや保有しない電気二重キャパシタが知られているが、リチウムイオンキャパシタで代表される内部起電力を保有する蓄電装置を用いたシステム構成としている。

キャパシタ３８の基本特性は内部抵抗と静電容量で得られ、このうち内部抵抗は、図６に示す特性を有する。図６に示したようにキャパシタ３８の内部抵抗はセル温度が低下するほど増大する。

図５にはセル温度と電荷量との関係における、初期のＳＯＣ０％の特性線と、初期のＳＯＣ１００％の特性線と、現在のＳＯＣ０％の特性線と、現在のＳＯＣ１００％の特性線と、を示す。初期のＳＯＣ０％の特性線と現在のＳＯＣ０％の特性線とを比較すると、劣化により、ずれが発生していることが分かる。特に、低温側ほど、ずれが大きくなる。初期のＳＯＣ１００％の特性線と現在のＳＯＣ１００％の特性線とを比較すると、劣化により、ずれが発生していることが分かる。特に、低温側ほど、ずれが大きくなる。

図２に示すように、車両負荷４１は、操作部材としてのアクセルペダル２１、リフトレバー１９及びティルトレバー２０の操作に基づいて駆動する走行モータ２３及び荷役モータ２４を含んでいる。即ち、車両負荷４１は、荷役モータ２４や車軸を駆動するための走行モータ２３等であり、燃料電池システム２２から供給される電力によって荷役モータ２４や走行モータ２３が駆動されることによって、車両の荷役動作や走行動作が行われる。

キャパシタ３８は、車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）と並列に燃料電池スタック３１に電気的に接続されており、キャパシタ３８においては、燃料電池スタック３１の発電電力が車両負荷４１（走行モータ２３、荷役モータ２４等）の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ３８に充電される。一方、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ３８から放電される。また、キャパシタ３８には、端子電圧検出器３９が取り付けられている。端子電圧検出器３９により、キャパシタ３８の端子電圧を検出することができる。キャパシタ３８の充放電ラインには充放電電流検出器４０が設けられている。充放電電流検出器４０により、キャパシタ３８の充放電電流を検出することができる。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、マイクロコンピュータを中心に構成されている。燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、端子電圧検出器３９により検出したキャパシタ３８の端子電圧、及び、充放電電流検出器４０により検出したキャパシタ３８の充放電電流に基づいてキャパシタ３８のＳＯＣ（充電状態）を推定することができる。

車両システム３０における車両側ＥＣＵ４２は、マイクロコンピュータを中心に構成され、走行モータ２３や荷役モータ２４等の車両システム３０全体を制御している。キースイッチ４３は、オペレータ（乗員）によって操作される。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６と車両側ＥＣＵ４２とは接続されている。詳しくは、燃料電池システム側ＥＣＵ３６と車両側ＥＣＵ４２とはシリアル通信やＣＡＮ通信等の通信手段により通信できるようになっている。

車両側ＥＣＵ４２とキースイッチ４３とが接続されている。キースイッチ４３の操作に基づき起動信号が車両側ＥＣＵ４２を介して燃料電池システム側ＥＣＵ３６に送られる。
次に、このように構成した燃料電池フォークリフト１０の作用について説明する。

図３（ａ）～（ｅ）は、ＳＯＣ推定動作を説明するためのタイムチャートである。図３（ａ）はキースイッチ４３の操作状況を示す。図３（ｂ）は燃料電池スタック３１の発電電力の推移を示す。図３（ｃ）は、キャパシタ３８の充電電力の推移を示す。図３（ｄ）は、キャパシタ３８の充放電電流の推移を示す。図３（ｅ）はキャパシタ３８の端子電圧の推移を示す。

図３（ａ）においてｔ０のタイミングでキースイッチ４３がオンされる。すると、図３（ｂ）においてｔ１のタイミングで、燃料電池スタック３１において一定電力で発電が行われる。これに伴って図３（ｃ）において一定電力でキャパシタ３８が充電される。キャパシタ３８の充電時において図３（ｄ）においてキャパシタ３８に充電電流が流れるとともに図３（ｅ）においてキャパシタ３８の端子電圧が上昇していく。

そして、図３（ｂ）においてｔ２のタイミングで、燃料電池スタック３１における一定電力での発電が終了する。これに伴って図３（ｃ）において一定電力でのキャパシタ３８の充電が終了する。キャパシタ３８の充電終了に伴い図３（ｄ）においてキャパシタ３８に充電電流が流れなくなるとともに図３（ｅ）においてキャパシタ３８の端子電圧が一定値となる。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、図４に示すキャパシタ３８のＳＯＣの推定処理を実行する。
図４において、燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ１において起動信号の入力により起動を開始してステップＳ２において燃料電池スタック３１とＤＣ／ＤＣコンバータ３７との間に設けたリレーコンタクト３５を接続する（閉じる）前か否か判定する。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はリレーコンタクト３５を接続する（閉じる）前であると、ステップＳ３に移行する。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ３において、下記式（１）により、その時の端子電圧検出器３９により検出した、起動直後のキャパシタ３８の端子電圧Ｖ０（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ０のタイミングでのキャパシタ端子電圧Ｖ０）を、初期のキャパシタ３８の開回路電圧Ｖｏｃとして取得する。

Ｖｏｃ＝Ｖ０…（１）
具体的には、上記式（１）のように起動直後のキャパシタ３８の端子電圧Ｖ０を測定し、初期のキャパシタ３８の開回路電圧Ｖｏｃとして内部バッファ３６ａ（図２参照）へ保存する。

このように、起動直後の開回路電圧（Ｖｏｃ）は、起動直後に端子電圧検出器３９により検出された端子電圧Ｖ０である。
燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ２においてリレーコンタクト３５を接続した後であると、ステップＳ４に移行して充放電電流検出器４０により検出したキャパシタ３８の充電電流Ｉの積算値を取得した後にステップＳ５に移行する。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ５においてキャパシタ３８が満充電か否か判定してキャパシタ３８が満充電でないとステップＳ６に移行する。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ６においてキャパシタ３８の充電を開始する。このタイミングが図３（ａ）～（ｅ）のｔ１となり、キャパシタ３８の充電は図３（ａ）～（ｅ）に示すようにｔ２のタイミングまで行われることになる。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ７において下記式（２）によりキャパシタ３８の静電容量Ｃの演算を行う。その後にステップＳ８に移行する。

Ｃ＝∫Ｉｄｔ／（Ｖｅｎ－Ｖｓｔ）…（２）
上記式（２）において、Ｃ、∫Ｉｄｔ、Ｖｅｎ、Ｖｓｔは、以下のとおりである。
Ｃ：キャパシタ３８の静電容量
∫Ｉｄｔ：充電中の電流Ｉについての時間積分値
Ｖｅｎ：充電終了時の電圧（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ２のタイミングでのキャパシタ端子電圧Ｖ２）
Ｖｓｔ：充電開始時の電圧（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ１のタイミングでのキャパシタ端子電圧Ｖ１）
具体的には、キャパシタ３８の静電容量Ｃを測定すべく、起動時にキャパシタ充電シーケンス時に燃料電池スタック３１による定電力発電（一定の電力を発生し続けるように発電制御された状態）によるキャパシタ３８の充電時において、上記式（２）のように充電側の電流及び端子電圧を測定する。つまり、図３（ａ）～（ｅ）でのｔ１～ｔ２の期間において、下記式（２ａ）において充電前後のキャパシタ３８の電荷量の差ΔＱは充電中の電流Ｉについての時間積分値に等しいことから、充電開始時の電圧Ｖｓｔと充電終了時の電圧Ｖｅｎと、充電中の電流Ｉについての時間積分値∫Ｉｄｔから、上記式（２）により静電容量Ｃを算出する。

ΔＱ＝∫Ｉｄｔ＝Ｃ×（Ｖｅｎ－Ｖｓｔ）…（２ａ）
このとき、キャパシタ電流が６０Ａ以下となるような電力で発電させることが望ましく、なおかつキャパシタ端子電圧が中心電圧３．１～３．２Ｖ／セル程度の値を用いることが望ましい。キャパシタ電流を６０Ａ以下とすることが望ましいのは、燃料電池スタック３１が一定の低電力出力にすることで精度良い測定が可能となるためである。

このように、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、起動直後における燃料電池スタック３１の定電力発電によるキャパシタ３８の充電中の電流検出器４０による充電電流の時間積分値（∫Ｉｄｔ）、及び、充電前後における端子電圧検出器３９による端子電圧の差（Ｖｅｎ－Ｖｓｔ）に基づいて、キャパシタ３８の静電容量（Ｃ）を算出する。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ８においてキャパシタ３８の充電が完了したか否か判定してキャパシタ３８の充電が完了するとステップＳ９に移行する。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ９において下記式（３）によりキャパシタ３８の内部抵抗Ｒの演算を行う。

Ｒ＝（Ｖｅｎ－Ｖａｆ）／Ｉｅｎ…（３）
上記式（３）において、Ｒ、Ｖｅｎ、Ｖａｆ、Ｉｅｎは、以下のとおりである。
Ｒ：キャパシタ３８の内部抵抗
Ｖｅｎ：遮断前の電圧（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ２のタイミングでのキャパシタ端子電圧Ｖ２）
Ｖａｆ：遮断後の電圧（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ２のタイミング以降のキャパシタ端子電圧Ｖ３）
Ｉｅｎ：充電終了前（遮断前）の電流（図３（ａ）～（ｅ）におけるｔ２のタイミングでのキャパシタ電流Ｉ２）
具体的には、内部抵抗Ｒを測定すべく、上記キャパシタ充電シーケンス終了時の充電終了時（電流遮断時）の電圧変位、即ち、遮断前の電圧Ｖｅｎと遮断後の電圧Ｖａｆの差（Ｖｅｎ－Ｖａｆ）、及び、充電終了前（遮断前）の電流Ｉｅｎから、下記式（３ａ）のようにオームの法則から内部抵抗Ｒを測定する。

Ｖｅｎ－Ｖａｆ＝Ｒ×Ｉｅｎ…（３ａ）
そして、算出した内部抵抗Ｒを内部バッファ３６ａへ保存する。
このとき、内部抵抗には、図６に示したように、温度依存性があり、低温域では誤差が大きくなるため、内部抵抗の計測はセル温度が２０°Ｃ以上の条件で行い、セル温度が２０°Ｃ未満のときは内部バッファ３６ａへ保存された前回値を使用する。即ち、キャパシタの劣化が進むほど静電容量が小さくなるとともに内部抵抗が大きくなる。そのために、内部抵抗を安定して測定することができる２０℃以上とすることにより、適切に劣化度を測定することが可能となる。

このように、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、キャパシタ３８の充電の終了の際の電流遮断時における端子電圧検出器３９による端子電圧の変化量（Ｖｅｎ－Ｖａｆ）、及び、電流遮断前の電流検出器４０による充電電流（Ｉｅｎ）に基づいて、キャパシタ３８の内部抵抗（Ｒ）を算出する。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、図４のステップＳ１０において、下記式（４ａ）及び下記式（４ｂ）により、初期のＳＯＣ１００％電圧Ｖ１００ｓ及び初期のＳＯＣ０％電圧Ｖ０ｓを演算する。

Ｖ１００ｓ＝Ｖｍａｘ－ΔＩＲｉａ…（４ａ）
上記式（４ａ）において、Ｖ１００ｓ、Ｖｍａｘ、ΔＩＲｉａは、以下のとおりである。

Ｖ１００ｓ：初期のＳＯＣ１００％電圧
Ｖｍａｘ：キャパシタ３８の最大電圧
ΔＩＲｉａ：初期の平均的なＩＲドロップ
Ｖ０ｓ＝Ｖｍｉｎ＋ΔＩＲｉａ…（４ｂ）
上記式（４ｂ）において、Ｖ０ｓ、Ｖｍｉｎ、ΔＩＲｉａは、以下のとおりである。

Ｖ０ｓ：初期のＳＯＣ０％電圧
Ｖｍｉｎ：キャパシタ３８の最小電圧
ΔＩＲｉａ：初期の平均的なＩＲドロップ
燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、ステップＳ１１において、下記式（４ｃ）及び下記式（４ｄ）により、現在のＳＯＣ１００％電圧Ｖ１００ｎ及び現在のＳＯＣ０％電圧Ｖ０ｎを演算する。

Ｖ１００ｎ＝Ｖ１００ｓ×α…（４ｃ）
上記式（４ｃ）において、Ｖ１００ｎ、Ｖ１００ｓ、αは、以下のとおりである。
Ｖ１００ｎ：現在のＳＯＣ１００％電圧
Ｖ１００ｓ：初期のＳＯＣ１００％電圧
α：内部抵抗劣化度
Ｖ０ｎ＝Ｖ０ｓ×α…（４ｄ）
上記式（４ｄ）において、Ｖ０ｎ、Ｖ０ｓ、αは、以下のとおりである。

Ｖ０ｎ：現在のＳＯＣ０％電圧
Ｖ０ｓ：初期のＳＯＣ０％電圧
α：内部抵抗劣化度
ただし、内部抵抗劣化度αは、下記式（４ｅ）により、算出する。

α＝Ｒｉｍ／Ｒｉｉ…（４ｅ）
上記式（４ｅ）において、α、Ｒｉｍ、Ｒｉｉは、以下のとおりである。
α：内部抵抗劣化度
Ｒｉｍ：測定した内部抵抗（上記式（３）で求めた値）
Ｒｉｉ：初期の内部抵抗（既知）
このように、キャパシタ３８のＳＯＣが１００％のときの現在のキャパシタ３８の端子電圧、及び、キャパシタ３８のＳＯＣが０％のときの現在のキャパシタ３８の端子電圧を上記式（４ａ），（４ｂ），（４ｃ），（４ｄ）により演算する。このとき、キャパシタ３８の最大電圧Ｖｍａｘ、最小電圧Ｖｍｉｎ、初期の温度別内部抵抗、平均的なＩＲドロップは予め決められており、既知である。また、Ｖ１００ｓ値、Ｖ１００ｎ値、Ｖ０ｓ値、Ｖ０ｎ値は、キャパシタのＳＯＣに対応する電圧であり、最大のＳＯＣの時の電圧と、最小のＳＯＣの時の電圧である。

このようにして、初期のキャパシタ３８の最大充電状態時の端子電圧（Ｖ１００ｓ）は、最大端子電圧（Ｖｍａｘ）と、初期の電流・抵抗による電圧降下分（ΔＩＲｉａ）とから算出される。また、初期のキャパシタ３８の最小充電状態時の端子電圧（Ｖ０ｓ）は、最小端子電圧（Ｖｍｉｎ）と、初期の電流・抵抗による電圧降下分（ΔＩＲｉａ）とから算出される。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ１２において、上記式（１）で測定した初期のキャパシタ３８の開回路電圧Ｖｏｃに、上記式（２）で測定したキャパシタ３８の静電容量Ｃを積算して下記式（５ａ）のように初期の電荷量Ｑ０を算出する。

Ｑ０＝Ｖ０×Ｃ…（５ａ）
上記式（５ａ）において、Ｑ０、Ｖ０、Ｃは、以下のとおりである。
Ｑ０：初期の電荷量
Ｖ０：起動直後のキャパシタ３８の端子電圧（上記式（１）で求めた開回路電圧Ｖｏｃ）
Ｃ：キャパシタ３８の静電容量（上記式（２）で求めた値）
そして、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、これに対し電流の時間積分値を加算して下記式（５ｂ）のように現在の電荷量Ｑｎを算出する。

Ｑｎ＝Ｑ０＋∫Ｉｄｔ…（５ｂ）
上記式（５ｂ）において、Ｑｎ、Ｑ０、∫Ｉｄｔは、以下のとおりである。
Ｑｎ：現在の電荷量
Ｑ０：上記式（５ａ）で算出した初期の電荷量
∫Ｉｄｔ：充放電中の電流Ｉについての時間積分値
つまり、電荷量の変化量は、∫Ｉｄｔなので、現在の電荷量Ｑｎは、Ｖ０×Ｃ＋∫Ｉｄｔとなる。

燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、ステップＳ１３において、上記式（４ｃ）及び上記式（４ｄ）により算出した現在のＳＯＣ１００％電圧Ｖ１００ｎ及び現在のＳＯＣ０％電圧Ｖ０ｎに上記式（２）で測定した静電容量Ｃを積算して下記式（６ａ），（６ｂ）のようにＳＯＣ１００％の電荷量Ｑ１００及びＳＯＣ０％の電荷量Ｑ０を算出する。

Ｑ１００＝Ｖ１００ｎ×Ｃ…（６ａ）
上記式（６ａ）において、Ｑ１００、Ｖ１００ｎ、Ｃは、以下のとおりである。
Ｑ１００：ＳＯＣ１００％の電荷量
Ｖ１００ｎ：上記式（４ｃ）で算出した現在のＳＯＣ１００％電圧
Ｃ：上記式（２）で測定した静電容量
Ｑ０＝Ｖ０ｎ×Ｃ…（６ｂ）
上記式（６ｂ）において、Ｑ０、Ｖ０ｎ、Ｃは、以下のとおりである。

Ｑ０：ＳＯＣ０％の電荷量
Ｖ０ｎ：上記式（４ｄ）で算出した現在のＳＯＣ０％電圧
Ｃ：上記式（２）で測定した静電容量
このように、ＳＯＣの０％となる電荷量及びＳＯＣの１００％となる電荷量を決定する。詳しくは、上記式（４ａ）におけるキャパシタ３８の最大端子電圧（スペック値）と電圧降下分（設計値）と、上記式（４ｃ）におけるキャパシタ３８の内部抵抗の劣化度から、キャパシタ３８のＳＯＣが１００％のときの現在のキャパシタ３８の端子電圧を決定する。電圧降下分（設計値）は、初期の温度別内部抵抗の値（スペック値）からサイクルパターン等で得られる平均的な初期の電流・抵抗による電圧降下分（設計値）である。また、上記式（４ｂ）におけるキャパシタ３８の最小端子電圧（スペック値）と電圧降下分（設計値）と、上記式（４ｄ）におけるキャパシタ３８の内部抵抗の劣化度から、キャパシタ３８のＳＯＣが０％のときの現在のキャパシタ３８の端子電圧を決定する。電圧降下分（設計値）は、初期の温度別内部抵抗の値（スペック値）からサイクルパターン等で得られる平均的な初期の電流・抵抗による電圧降下分（設計値）である。

そして、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、下記式（６ｃ）により、現在のＳＯＣを演算する。
ＳＯＣ＝（Ｑｎ－Ｑ０）／（Ｑ１００－Ｑ０）…（６ｃ）
上記式（６ｃ）において、ＳＯＣ、Ｑｎ、Ｑ０、Ｑ１００は、以下のとおりである。

ＳＯＣ：現在のＳＯＣ
Ｑｎ：現在の電荷量（上記式（５ｂ）で求めた値）
Ｑ０：ＳＯＣ０％の電荷量（上記式（６ｂ）で求めた値）
Ｑ１００：ＳＯＣ１００％の電荷量（上記式（６ａ）で求めた値）
このように、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、最大充電状態時電荷量（Ｑ１００）、最小充電状態時電荷量（Ｑ０）、及び、現在の電荷量（Ｑｎ）に基づいて、現在のキャパシタ３８の充電状態（ＳＯＣ）を算出する。最大充電状態時電荷量（Ｑ１００）は、初期のキャパシタ３８の最大充電状態時の端子電圧（Ｖ１００ｓ）を内部抵抗（Ｒ）の劣化度（α）で補正した値（Ｖ１００ｎ）と静電容量（Ｃ）との積である。最小充電状態時電荷量（Ｑ０）は、初期のキャパシタ３８の最小充電状態時の端子電圧（Ｖ０ｓ）を内部抵抗（Ｒ）の劣化度（α）で補正した値（Ｖ０ｎ）と静電容量（Ｃ）との積である。現在の電荷量（Ｑｎ）は、起動直後の開回路電圧（Ｖｏｃ）と静電容量（Ｃ）とキャパシタ３８の充放電開始から現在までの電流検出器４０による充放電電流の時間積分値（∫Ｉｄｔ）によるものである。

一方、燃料電池システム側ＥＣＵ３６は図４のステップＳ５においてキャパシタ３８が満充電であると、ステップＳ１４の処理及びステップＳ１５の処理を行った後にステップＳ１０に移行する。燃料電池システム側ＥＣＵ３６はステップＳ１４においてキャパシタ３８の静電容量前回値を使用するとともにステップＳ１５で内部抵抗前回値を使用する。つまり、満充電のときは内部抵抗も静電容量も測定できないので前回値を使用する。

従来、燃料電池スタックの発電量はキャパシタの充電状態（ＳＯＣ）で判断しているので、ＳＯＣが正確に検出できないと発電量もそれに応じて影響を受ける。特に、キャパシタの静電容量の計測及び低温時の内部抵抗の計測ができないため、劣化または低温時の蓄電装置の正確なＳＯＣ把握できない。

本実施形態では、１トリップまたは複数トリップに一度起動時において燃料電池スタック３１の定電力発電によるキャパシタ３８の充電時にリチウムイオンキャパシタの静電容量及び内部抵抗を都度算出することで、キャパシタ３８の劣化後でも適切なＳＯＣを算出することができる。具体的には、上記式（２）による静電容量Ｃ及び上記式（３）による内部抵抗Ｒを都度計測することで、キャパシタの温度によらず、かつ、劣化度は逐次測っていることにより、温度によらず、かつ、劣化度で補正することで静電容量と内部抵抗の劣化度を考慮してＳＯＣを算出することができる。つまり、キャパシタの特性を代表する内部抵抗と静電容量を都度計測することで劣化やセル温度によらず、劣化（静電容量低下・内部抵抗増加）やセル温度（内部抵抗増加）に応じたＳＯＣを適切に推定することができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）燃料電池システムの構成として、負荷としての車両負荷４１に電気的に接続される燃料電池スタック３１と、車両負荷４１と並列に燃料電池スタック３１に電気的に接続されるキャパシタ３８を備える。キャパシタ３８の端子電圧を検出する端子電圧検出部としての端子電圧検出器３９と、キャパシタ３８の充放電電流を検出する電流検出部としての充放電電流検出器４０を備える。端子電圧検出器３９により検出したキャパシタ３８の端子電圧、及び、電流検出器４０により検出したキャパシタ３８の充放電電流に基づいてキャパシタ３８の充電状態を推定する充電状態推定手段としての燃料電池システム側ＥＣＵ３６を備える。静電容量算出部としての燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、起動直後における燃料電池スタック３１の定電力発電によるキャパシタ３８の充電中の電流検出器４０による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における端子電圧検出器３９による端子電圧の差に基づいて、キャパシタ３８の静電容量を算出する。内部抵抗算出部としての燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、キャパシタ３８の充電の終了の際の電流遮断時における端子電圧検出器３９による端子電圧の変化量、及び、電流遮断前の電流検出器４０による充電電流に基づいて、キャパシタ３８の内部抵抗を算出する。キャパシタ充電状態算出部としての燃料電池システム側ＥＣＵ３６は、最大充電状態時電荷量、最小充電状態時電荷量、及び、現在の電荷量に基づいて、現在のキャパシタ３８の充電状態を算出する。最大充電状態時電荷量は、初期のキャパシタ３８の最大充電状態時の端子電圧を内部抵抗の劣化度で補正した値と静電容量との積である。最小充電状態時電荷量は、初期のキャパシタ３８の最小充電状態時の端子電圧を内部抵抗の劣化度で補正した値と静電容量との積である。現在の電荷量は、起動直後の開回路電圧と静電容量とキャパシタ３８の充放電開始から現在までの電流検出器４０による充放電電流の時間積分値によるものである。よって、キャパシタ３８の劣化やキャパシタ温度によらずキャパシタ３８の充電状態としてのＳＯＣを適切に推定することができる。

（２）起動直後の開回路電圧は、起動直後に端子電圧検出器３９により検出された端子電圧であるので、適切に開回路電圧を得ることができる。
（３）初期のキャパシタ３８の最大充電状態時の端子電圧は、最大端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出し、初期のキャパシタ３８の最小充電状態時の端子電圧は、最小端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出したので、実用的である。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○上記実施形態ではキャパシタ３８には、リチウムイオンキャパシタで代表される内部起電力を保有する蓄電装置を用いたが、これに限定されない。内部起電力を保有しないキャパシタを使用してもよい。電気二重層キャパシタのように内部起電力を保有しないキャパシタを使用した場合、キャパシタ最小電圧＝０Ｖとなってしまうため，上記式（４ｂ）の最小電圧Ｖｍｉｎを決定する際は下流の補機等の電圧の下限値を用いるとよい。つまり、キャパシタの取りうる範囲の内のキャパシタの下限電圧がシステムの最低電圧を下回ることがないのでシステム電圧下限値を用いてもよい。

具体的には、燃料電池スタックと電気二重層キャパシタとを搭載したハイブリッド型自動車である燃料電池複合型自動車に適用して、同様にＳＯＣ推定するようにしてもよい。
○燃料電池システムは燃料電池フォークリフトに適用したが、フォークリフト以外の産業車両に適用してもよいし、さらに、産業車両以外の車両に適用してもよい。

〇燃料電池システムは燃料電池車両以外にも、地上載置型の燃料電池機器、即ち、定位置発電機に適用してもよい。
〇上記実施形態では、燃料電池スタック３１の定電力発電において、キャパシタ３８の静電容量を算出したが、キャパシタ３８の充電中の電流検出器４０による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における端子電圧検出器３９による端子電圧の差が検出できれば、定電力発電に限定されない。

３１…燃料電池スタック、３６…燃料電池システム側ＥＣＵ、３８…キャパシタ、３９…端子電圧検出器、４０…充放電電流検出器、４１…車両負荷。

Claims

負荷に電気的に接続される燃料電池スタックと、
前記負荷と並列に前記燃料電池スタックに電気的に接続されるキャパシタと、
前記キャパシタの端子電圧を検出する端子電圧検出部と、
前記キャパシタの充放電電流を検出する電流検出部と、
前記端子電圧検出部により検出した前記キャパシタの端子電圧、及び、前記電流検出部により検出した前記キャパシタの充放電電流に基づいて前記キャパシタの充電状態を推定する充電状態推定手段と、
を備え、
前記充電状態推定手段は、
起動直後における前記燃料電池スタックの発電による前記キャパシタの充電中の前記電流検出部による充電電流の時間積分値、及び、充電前後における前記端子電圧検出部による端子電圧の差に基づいて、前記キャパシタの静電容量を算出する静電容量算出部と、
前記キャパシタの充電の終了の際の電流遮断時における前記端子電圧検出部による端子電圧の変化量、及び、電流遮断前の前記電流検出部による充電電流に基づいて、前記キャパシタの内部抵抗を算出する内部抵抗算出部と、
初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最大充電状態時電荷量、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧を前記内部抵抗算出部で算出した内部抵抗の劣化度で補正した値と前記静電容量算出部で算出した静電容量との積である最小充電状態時電荷量、及び、起動直後の開回路電圧と前記静電容量算出部で算出した静電容量と前記キャパシタの充放電開始から現在までの前記電流検出部による充放電電流の時間積分値による現在の電荷量に基づいて、現在の前記キャパシタの充電状態を算出するキャパシタ充電状態算出部と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
前記キャパシタ充電状態算出部における前記起動直後の開回路電圧は、前記起動直後に前記端子電圧検出部により検出された端子電圧であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記キャパシタ充電状態算出部における初期の前記キャパシタの最大充電状態時の端子電圧は、最大端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出し、初期の前記キャパシタの最小充電状態時の端子電圧は、最小端子電圧と、初期の電流・抵抗による電圧降下分とから算出したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。