JPWO2002015316A1 - 燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができるようにする。両端子が負荷に接続された燃料電池１１と、昇圧回路を備え、充電回路を介して燃料電池１１に並列に接続されたバッテリとを有するハイブリッド回路の前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
Description
技術分野
本発明は、燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関する。本発明によれば、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができるようになる。
背景技術
電気自動車の電気モータの電源として燃料電池が提案されている。この場合、燃料電池とバッテリ（二次電池）を組み合わせることにより、電気モータの回生電力をバッテリに回収する。
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
図示のように、この燃料電池装置は、燃料電池１０１とバッテリ１０２とインバータ１０３を含む。燃料電池１０１は、単セルの燃料電池を積層し、所望の電圧を得る。バッテリ１０２は、２次電池である。
インバータ（ＩＮＶ）１０３は、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動力を発生させる図示されない交流モータに供給するドライバである。なお、このドライバは、電気モータの種類に応じて、適当に選択される。
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されて、前記インバータ１０３に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池１０１が停止した場合、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給される。
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時に回生電流を発生する場合には、この回生電流がバッテリ１０２に供給されて、該バッテリ１０２が充電される。さらに、回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ１０２が放電等により端子電圧が低下した場合、前記燃料電池１０１から充電される。
しかし、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量の配分が決定される。
図３は、燃料電池の電流−電圧特性１０５、バッテリの電流−電圧特性１０６、燃料電池とバッテリを１つの電源と見た場合の電流−電圧特性１０７及び電流−電力特性１０８を示す図である。尚、図において、横軸に電流を、縦軸に電圧又は電力を採ってある。
燃料電池とバッテリの関係は、燃料電池に出力の余裕がある場合は、燃料電池からのみ出力し、燃料電池に出力の余裕がない場合に、バッテリから出力を行うことが望ましい。例えば、車両の定負荷運転時には、前記燃料電池１０１からの電流だけで要求電流を満たしているので、本来、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給される必要がない。しかし、曲線１０６が示すように、前記バッテリ１０２は低電流領域から出力を開始してしまう。このように、前記バッテリ１０２から常時電流が流れるようになっているので、前記バッテリ１０２の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ１０２の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
また、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下した時であっても、前記燃料電池１０１からの電流が前記バッテリ１０２に流れにくく、該バッテリ１０２の充電に時間がかかってしまう。逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、前記燃料電池１０１からバッテリ１０２に大電流が流れるので、該バッテリ１０２が過充電されることになり、望ましくない。
さらに、通常、バッテリの電圧−電流特性は残存容量によって変動するので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の出力配分を所定の状態に維持し、曲線１０７、１０８に示されるような燃料電池１０１及びバッテリ１０２を合計した場合の本来の電流−電圧特性又は電力特性を発揮させることが困難である。そのため、坂道等の高負荷運転時のように前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合であっても、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給されずに車両の走行が制限されてしまったり、また、前記バッテリ１０２の残存容量が少なくなっても、前記燃料電池１０１から電流が供給されなくなってしまう。
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決するものであり、並列接続された燃料電池及びバッテリ間の出流入電流の分配を適正化することできる燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される。
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段の電圧値は、前記燃料電池の電圧値よりも低い。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
本発明の燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
本発明の他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のＳＯＣの基準値を設定し、前記蓄電手段のＳＯＣが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
発明を実施する最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池装置を用いた電気自動車の駆動装置の概念図である。
図１に示すように、この燃料電池装置は、燃料電池１１と、該燃料電池１１と、バッテリ１２と、インバータ装置１３と、モータ１４と、充電回路１５と、昇圧回路１６とを含む。
充電回路１５、昇圧回路１６は、蓄電手段１２に入出力する電力を制御するものであり、これら、充電回路１５、昇圧回路１６は、蓄電手段１２を含んで蓄電手段回路を構成している。この蓄電手段回路は、負荷であるインバータ装置１３に対して燃料電池１１と並列に接続されている。
又、蓄電手段１２は、インバータ装置１３に対して充電回路１５と直列に接続されるとともに、昇圧回路１６と並列に接続されている。
燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。他にアルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等を用いてもよい。
また、バッテリ１２は、蓄電手段であればよく、例えば、２次電池や大容量コンデンサなどを用いることができる。２次電池としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の他、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いることができる。
又、蓄電手段としては、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）の他に、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し、放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
インバーダ装置１３は、燃料電池１１又はバッテリ１２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータ１４に供給する。ここで、該モータ１４は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この回生電流発生時、後述されるように、前記回生電流がバッテリ１２に供給されて該バッテリ１２が充電される。
また、充電回路１５は、燃料電池１１又は前記回生電流によってバッテリを充電するための回路であり、トランジスタ１５ａとダイオード１５ｂが逆並列に接続されている。
昇圧回路１６は、バッテリの電圧を昇圧するためのものであり、トランジスタ１６ａとダイオード１６ｂが逆並列に接続されている。
バッテリ１２は、充電回路１５と昇圧回路１６との間にはリアクトル１７を介して接続されている。トランジスタ１６ａをオンにした時には、バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、トランジスタ１６ａがオフになった時には、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、バッテリ１２の出力電圧に加算される。なお、昇圧回路１６が昇圧する出力電圧は、おおよそ燃料電池１１の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
そして、燃料電池１１の出力端子には、出力電流を計測するコイル１８が電流センサとして取り付けられており、さらにバッテリ１２やモータ１４からの回生電力が流入しないようにダイオード１９が介挿されている。
また、この燃料電池装置は、制御装置２０を備え、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路１０における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記充電回路１５及び放電制御回路１６の動作を制御する。さらに、前記制御装置２０は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット２１、燃料電池電子制御ユニット２２、イグニッション制御装置２４等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路１０の動作を統括的に制御する。
なお、前記制御装置２０は、独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
本実施の形態においては、制御装置２０は、２つの電流センサ１８との入出力インターフェイス、電圧計測用の２つの入出力インターフェイス、充電回路１５用の入出力インターフェイス、昇圧回路１６用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット２１用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット２２用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置２４用の入出力インターフェイスを備える。また、前記制御装置２０は、電源としての電源バッテリ２３に接続される電源インターフェイスも備える。
次に、車両用電子制御ユニット２１は、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。なお、前記アクセル開度は、一般的な車両においてはアクセルペダル（スロットルペダル）の踏み込み度合いにより検出されるが、車両の出力や速度を制御する手段として、アクセルペダルに代えて回転式のアクセルグリップ、ジョイスティック、バーハンドル、回転ダイアル等のアクセルコントローラが使用されている場合には、これらアクセルコントローラの移動の度合いによって検出される。
また、燃料電池電子制御ユニット２２は、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池１１に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して燃料電池１１の動作を制御する。
そして、前記電源バッテリ２３は、１２〔Ｖ〕の直流電流を前記制御装置２０に供給する。なお、前記電源バッテリ２３は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
また、前記イグニッション制御装置２４は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を制御装置２０やその他の装置に伝達する。
次に、燃料電池装置１０の動作について説明する。
図４は本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図４において、横軸に電流Ｉを、縦軸に電圧Ｖ及び電力ｋＷを採ってある。
図４において、４１は燃料電池１１（図１）の電圧−電流特性を示す曲線である。燃料電池１１の電圧−電流特性を示す曲線４１は、通常のＰＥＭ型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。そして、電流値Ａまでは傾斜が緩やかであるが、前記電流値Ａに対応する点Ｂを変曲点として傾斜が急になる。なお、これに対応する燃料電池１１の電力特性は曲線４５で示される。
このことから、燃料電池１１は、電流値Ａの近傍までの範囲で使用するのが効率的であることが分かる。なお、前述されたように、燃料電池１１は出力インピーダンスがほぼ０の電源である。
一方、バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３は、通常のバッテリの場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がりの直線状であり、電流値Ａを超えても何ら変化しない。しかも、その傾斜角度は電流値Ａまでの前記曲線４１の傾斜角度とほぼ等しい。
したがって、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電流、すなわち、要求電流の値が電流値Ａまでの範囲においては、燃料電池１１だけから電流を供給し、要求電流の値が電流値Ａの近傍以上の範囲においては、燃料電池１１からの電流に加えて、バッテリ１２からも電流を供給するようにすればよいことが分かる。そして、バッテリ１２の開放端子電圧は、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける燃料電池１１の端子電圧とほぼ等しいことから、要求電流の値が電流値Ａの近傍までの範囲においては、バッテリ１２から電流が供給されることはない。
ただし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧回路によって燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧すると、バッテリ１２からも積極的に電流が供給される。
そして、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける燃料電池１１の端子電圧が、バッテリ１２の開放電圧とほぼ等しいことから、電流値Ａをわずかに超えた範囲ではバッテリ１２からも電流が供給される。しかし、バッテリ１２からも電流が供給されると、該バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３から分かるように、バッテリ１２の端子電圧が低下していくことから、その電流値がさほど上昇することはない。
しかし、昇圧回路によってバッテリ１２の出力電圧を前記記燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧させて、燃料電池１１及びバッテリ１２からの電流を併せた場合には、電圧−電流特性を示す曲線４２となり、全体として電流が増大すると共に電圧が低下していく右下がりの直線状となる。そして、これに対応する電力特性は曲線４４で示される。
ここで、例えば、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電力、すなわち、要求電力がＣであるとすると、電力特性を示す曲線４４上の点Ｄに対応する。そして、該点Ｄに対応する電圧−電流特性を示す曲線４２上の点はＥであり、これに対応する電流値はＦであることが分かる。したがって、この場合には、燃料電池１１は電流値Ａの電流を供給し、バッテリ１２は電流値（Ｆ−Ａ）の電流を供給するようにすればよいことが分かる。
本実施の形態においては、制御装置２０の記憶手段には、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット２１から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ１４に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力に対応する要求電流の値が、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて見い出される。
一方、後述されるように、車両の走行モードが判定され、該走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、燃料電池１１及びバッテリ１２からの出力電流を制御するようになっているが、この時も、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて出力電流を制御する。
そこで、ここでは、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいた燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
まず、要求電流の値が図４における電流値Ａ以下の場合であり、燃料電池１１だけから電流を供給する場合には、前記充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ、１６ａをオフの状態とする。
この場合、燃料電池１１には燃料である水素及び酸化剤である酸素又は空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、燃料電池１１からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、燃料電池１１の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、燃料電池１１から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、電流値Ａ以下であるか否かを前記制御装置２０によって、常時検出する。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出する。
次に、要求電流の値、又は前記電流センサ１８によって測定された電流の値が前記電流値Ａ以上となった場合、例えば、図４における電流値Ｆとなった場合に、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａをオフの状態のままとすると、前述されたように、バッテリ１２からの電流値はあまり上昇することはない。
ここで、バッテリ１２からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記制御装置２０は昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオンオフする。前記トランジスタ１６ａをオンにしたときには、バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記トランジスタ１６ａをオフにしたときには、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、バッテリ１２の出力電圧に加算され、その合計が燃料電池１１の出力電圧とほぼ等しくなる。これは、図４における曲線４３上の点Ｇが、上方にシフトされて曲線４２上の点Ｅに移動したことに対応する。
そして、該点Ｅに対応する電圧値であり、電流値（Ｆ−Ａ）である電流がバッテリ１２からインバータ１３を介してモータ１４に供給される。なお、バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によってチェックされる。
次に、バッテリ１２のＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：残存容量）が低下したことから、バッテリ１２を充電する場合の燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
まず、車両の減速運転時に前記モータ１４が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ１３によって直流の回生電流に変換される。この時、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給されるので、該バッテリ１２は充電される。
なお、前記回生電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
したがって、バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流をバッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
また、バッテリ１２のＳＯＣが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。この場合、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
なお、燃料電池１１からの電流の値及びバッテリ１２に供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、燃料電池１１から供給される電流の値が前記電流値Ａとなった場合、及び前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、バッテリ１２に供給される電流の値が過大である場合は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
したがって、バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流をバッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、燃料電池１１に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
次に、前述された燃料電池回路１０の動作と、車両の走行状態としての走行モードとの関係の１例について説明する。
図５は本発明の実施の形態における燃料電池回路１０の動作と走行モードとの関係の１例を示す図である。なお、図５において、横軸に車両負荷を、縦軸に出力を採ってある。
図５において、５１は車両の負荷が正の範囲における車両の負荷と燃料電池１１（図１）及びバッテリ１２の出力、すなわち、要求電流の大きさとの関係を示す直線、５２は車両の負荷が負の範囲における車両の負荷とモータ１４の出力、すなわち、回生電流の大きさとの関係を示す直線である。
ここで、車両の負荷は、車両の走行モードが市街地等を走行する低負荷運転の場合に最も低く、高速道路等を走行する高速巡航、上り坂等を走行する高負荷運転、高速道路の上り坂等を走行する最大負荷運転の順に高くなっていく。そして、要求電流の値は車両の負荷に比例して上昇する。
一方、車両が下り坂等を走行していて、モータ１４が発電機として機能して回生電流を発生する走行モードである回生の場合は、車両の減速運転であるので、車両の負荷はマイナスとなり、回生電流の値は車両の負荷の絶対値に比例する。そして、車両の負荷がマイナスである領域５３においては、制御装置２０は、充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、回生電流が前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
次に、車両の負荷が０から図４における電流値Ａに対応する境界Ｊまでの領域５４においては、燃料電池１１から要求電流に応じた値の電流が自動的に供給されるインバータ１３を介してモータ１４に供給される。
なお、前記領域５４においては、バッテリ１２のＳＯＣが低い場合には、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａを適当な時間オンにすることによって、燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。
また、逆に、バッテリ１２のＳＯＣが高い場合であり、回生電流を受け入れる余地がない場合には、回生電流を受け入れる余地を生じさせるためにバッテリ１２を少し放電させることが望ましいので、前記制御装置２０は、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２からの電流もインバータ１３を介してモータ１４に供給するようにする。これにより、燃料電池１１から供給すべき電流を低減することができるので、燃料電池１１の負荷が低減され、燃料の消費量を抑制することができる。なお、バッテリ１２のＳＯＣは８０〔％〕程度の値であることが望ましい。
最後に、車両の負荷が境界Ｊを超える領域５５、５６においては、要求電流の値が図４における電流値Ａを超えているので、前記制御装置２０は、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、燃料電池１１からの電流値Ａの電流に加えて、バッテリ１２からは電流値Ａを超える分の電流がインバータ１３を介してモータ１４に供給されるようにする。なお、図５において、領域５５は燃料電池１１からの電流による出力の範囲を、領域５６はバッテリ１２からの電流による出力の範囲をそれぞれ示している。
次に、本実施の形態における車両の各種走行モードに対応する燃料電池回路１０の制御方法について詳細に説明する。
図６は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図、図７は本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのＳＯＣの値を示す図、図８は本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図、図９は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャート、図１０は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第１のフローチャート、図１１は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第２のフローチャート、図１２は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第３のフローチャートである。
本実施の形態においては、回生電流を無駄にすることなく、可能な限り利用することができるように、燃料電池回路１０（図１）を制御する。すなわち、回生電流は、下り坂等を走行する場合のように車両にブレーキをかける必要がある時に、モータ１４をブレーキとして機能させることによって副次的に発生されるエネルギーであり、これを利用することによって燃料電池１１の燃料を節約することができる。
そして、回生電流は定常的に発生するものではないので、回生電流を利用するには、まず、バッテリ１２に充電する必要がある。したがって、バッテリ１２のＳＯＣが高い時には、ＳＯＣをある程度引き下げて充電することができる余地を残すようにする必要がある。一方、図５における車両の負荷が境界Ｊを超える領域５５、５６で車両が走行する時には、バッテリ１２から電流を出力する必要があるので、ＳＯＣを低くし過ぎると、高負荷運転や最大負荷運転が連続した場合に対応することができなくなってしまう。
したがって、車両の走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、バッテリ１２のＳＯＣを制御する必要がある。
次に、車両の走行モードと燃料電池１１及びバッテリ（ＢＴ）１２の出力との基本的な考え方について説明する。
図６に示されるのは、定められた時間（５〜２０分）にどの領域において多く運転されたかによって車両の走行モードを判定するためのテーブルである。ここで、６５は、勾配が０度の平坦な道を一定の速度で走る場合、すなわち、定速走行をした場合のモータ１４の出力と車両の速度の関係を示す曲線である。
まず、領域６１は車速が低く、モータ１４の出力が定速走行よりも高いので、市街地等の発進停止を繰り返す走行モード、すなわち、市街地モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転が多く、回生電流が頻繁に発生すると予測されるので、主としてバッテリ１２から電流を供給するようにして、バッテリ１２のＳＯＣを比較的低く、例えば、６０〔％〕程度に維持し、回生電流が発生した場合にはバッテリ１２に充電することができるようにする。
そして、領域６２は車速が高く、モータ１４の出力が定速走行よりも高いので、郊外や高速道路を巡航する走行モード、すなわち、高速モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転は少なく、回生電流はあまり発生せず、一方、燃料電池１１からの電流だけでは要求電流を満たすことができない場合もあることも予測されるので、該バッテリ１２のＳＯＣを高く、例えば、７５〔％〕程度に維持し、必要時には常にバッテリ１２から電流を供給することができるようにする。
次に、領域６３はモータ１４の出力が定速走行よりも高いので、山道において下り坂を下る走行モード、すなわち、山道下モードであるといえる。したがって、時々の上り坂で出力することが要求されるが、高い回生電流が発生することが予測されるので、バッテリ１２のＳＯＣを低く、例えば、５０〔％〕程度に維持して、回生電流を余すところなくバッテリ１２に充電することができるようにする。
最後に、領域６４は車速が低い領域でも、モータ１４の出力が高いので、山道において上り坂を上る走行モード、すなわち、山道上モードであるといえる。したがって、時々の下り坂で回生電流が発生するが、燃料電池１１からの電流だけでは要求電流を満たすことができないことが予測されるので、バッテリ１２のＳＯＣを比較的高く、例えば、７０〔％〕程度に維持して、バッテリ１２からも電流を供給することができるようにする。
本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。そして、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように燃料電池回路１０の動作を制御する。
まず、制御装置２０は、過去５〜２０分間の車速、アクセル開度θ（モータ１４が発生すべきトルクに比例）、燃料電池１１及びバッテリ１２から供給された電流値、バッテリ１２のＳＯＣ等の数値の変化や継続時間に基づいて、現時点までの車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定する。そして、前記判定した走行モードが、現時点以降５〜２０分間継続されると予測して、燃料電池回路１０の動作を制御する。
ここで、走行モードを判定するための時間は、適宜設定することができ、例えば、過去１〜５分間程度であっても、過去２０〜４０分間程度であってもよい。また、判定した走行モードが、継続されると予測する時間も、適宜設定することができ、例えば、現時点以降１〜５分間としても、現時点以降２０〜４０分間としてもよい。
なお、前記数値は、制御装置２０によって直接測定されるか、又は車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置によって測定される。
また、車両に車両位置検出装置、例えば、ナビゲーション装置が備えられている場合には、該ナビゲーション装置によって現時点での車両の走行モードを判定することが可能であるので、前記制御装置２０は前記ナビゲーション装置からの情報に基づいて、現在の車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定するようにしてもよい。
続いて、前記制御装置２０は、図７に示されるように、判定した現在の車両の走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。
まず、高速モードである場合は、例えば、７５〔％〕を中心として±１０〔％〕の範囲、すなわち、６５〜８５〔％〕をＳＯＣの基準値として設定する。そして、山道上モードである場合は、例えば、６０〜８０〔％〕を、山道下モードである場合は、例えば、４０〜６０〔％〕を、市街地モードである場合は、例えば、５０〜７０〔％〕をそれぞれ、ＳＯＣの基準値として設定する。
そして、現時点でのバッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲内にあるときは、図８に示されるように、燃料電池回路１０の動作が制御される。
図８（ａ）に示される高速モードにおいて、車速が低い場合は、燃料電池１１から電流を供給し、バッテリ１２からは電流が供給されないようにするので、充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ及び１６ａをオフの状態とする。また、車速が高い場合は、要求電力が燃料電池１１の供給能力を上回った場合には、バッテリ１２からも電流が供給される。この時も、充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ、１６ａはオフの状態とする。
次に、図８（ｂ）に示される山道上モードにおいて、車速が低くアクセル開度θも小さい場合は、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにするので、充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフする。これにより、バッテリ１２の出力電圧が昇圧されて燃料電池１１の出力電圧以上となるので、燃料電池１１からは電流が供給されない。
なお、車速は低いがアクセル開度θが大きい場合は、前記高速モードにおける車速が低い場合と同様であり、また、車速が高い場合は、前記高速モードにおける車速が高い場合と同様である。
次に、図８（ｃ）に示される山道下モードにおいて、車速及びアクセル開度θの数値範囲は異なるが、その他については、前記山道上モードにおける場合と同様である。
最後に、図８（ｄ）に示される市街地モードにおいて、車速が低くアクセル開度θが大きい場合は、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにする点についてだけ異なるが、その他については、前記山道上モード又は山道下モードにおける場合と同様である。
次に、現時点でのバッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲外にあるときの燃料電池回路１０の動作について説明する。
まず、バッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲の下限に達していない場合には、バッテリ１２を充電する必要があるので、どの程度の電流値でバッテリ１２に充電するか、すなわち、充電電流の値が設定される。
そして、充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値（図４における電流値Ａ）を超えない場合には、燃料電池１１から供給される電流の一部がバッテリ１２の充電に使用される。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオンの状態とする。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２に供給される充電電流の電流値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。そして、バッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲にまで上昇した場合、燃料電池１１から供給される電流の値が前記最大供給電流値となった場合、及び前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、バッテリ１２に供給される電流の値が過大である時は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、燃料電池１１からは充電電流と要求電流とを合計した電流が供給される。
次に、充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合には、前記要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
そして、超えていない場合には、バッテリ１２の充電は中止される。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とする。なお、燃料電池１１は何ら制御されないので、燃料電池１１から要求電流に等しい電流がインバータ１３を介してモータ１４に供給される。
次に、前記要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合には、バッテリ１２の充電は中止され、さらに、バッテリ１２からも電流が前記モータ１４に供給されるようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２から供給される電流値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａのオンオフの比率（デューティー比）を制御して、バッテリ１２から出力される電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流が燃料電池１１から供給される。
次に、バッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲の上限を超えている場合には、前記要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
そして、超えていない場合には、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって、常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないが、昇圧されたバッテリ１２の出力電圧が燃料電池１１の開放端子電圧よりも高いので、燃料電池１１からは電流が出力されない。
次に、前記要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値を超えている場合には、バッテリ１２から供給される電流値が設定される。そして、燃料電池１１及びバッテリ１２から前記モータ１４に電流が供給されるようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。そして、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａのオンオフの比率を制御して、バッテリ１２から出力される電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流が燃料電池１１から供給される。
このように、本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定して、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように、燃料電池回路１０の動作を制御する。したがって、バッテリ１２には回生電流を充電するための余地が適切に残されているので、副次的に発生されるエネルギーである回生電流を無駄にせず、可能な限り利用することができ、燃料電池１１の燃料を節約することができる。しかも、バッテリ１２の容量を必要以上に大きくする必要がないので、バッテリ１２を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストを低くすることができる。
また、格別に制御しなくても、燃料電池１１から適切な電流が供給される。したがって、要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリ１２から不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
また、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が基準値の範囲内に収まらない場合であっても、燃料電池１１及びバッテリ１２から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、バッテリ１２が上がってしまうこともない。
次に、燃料電池装置の制御動作のメインフローチャートについて説明する。
ステップＳ１ 車速を検出する。
ステップＳ２ 車速の変化を記憶する。
ステップＳ３ モータ１４が発生すべきトルクを検出する。
ステップＳ４ バッテリ１２から供給される電流の値を検出する。
ステップＳ５ バッテリ１２のＳＯＣを算出する。
ステップＳ６ 燃料電池１１から供給される電流の値を検出する。
ステップＳ７ 車両の走行モードを判定する。
ステップＳ８ 車両の走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。
ステップＳ９ 検出したバッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲内にあるか否かを判定する。範囲内である場合はステップＳ１１に、範囲内でない場合はステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０ ＳＯＣ基準範囲外処理を行う。
ステップＳ１１ アクセル開度θを検出する。
ステップＳ１２ 図８（ａ）〜（ｄ）に従って燃料電池１１及びバッテリ１２の出力を制御する。
次に、ステップＳ１０におけるＳＯＣ基準範囲外処理のサブルーチンのフローチャートについて説明する。
ステップＳ１０−１ 検出したバッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲の下限以下か否かを判定する。以下の場合はステップＳ１０−２に進み、以下でない場合、すなわち、基準値の範囲の上限を超えている場合はステップＳ１０−７に進む。
ステップＳ１０−２ 充電電流の電流値を設定する。
ステップＳ１０−３ 充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−４に、未満でない場合はステップＳ１０−１９に進む。
ステップＳ１０−４ 燃料電池１１から供給される電流の一部をバッテリ１２の充電に使用する。
ステップＳ１０−５ 充電回路１５のトランジスタ１５ａをオンにする。
ステップＳ１０−６ 燃料電池１１は何ら制御されず、充電電流と要求電流とを合計した電流を供給し、処理を終了する。
ステップＳ１０−７ 要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−８に、未満でない場合はステップＳ１０−１１に進む。
ステップＳ１０−８ バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流を供給しない。
ステップＳ１０−９ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−１０ 燃料電池１１は何ら制御されず、電流を供給することなく、処理を終了する。
ステップＳ１０−１１ バッテリ１２から供給される電流の電流値を設定する。
ステップＳ１０−１２ バッテリ１２からの電流に加えて、燃料電池１１からの電流もモータ１４に供給する。
ステップＳ１０−１３ バッテリ１２がモータ１４に供給する電流の電流値を算出する。
ステップＳ１０−１４ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−１５ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流を供給し、処理を終了する。
ステップＳ１０−１６ 要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−１７に、未満でない場合はステップＳ１０−２０に進む。
ステップＳ１０−１７ バッテリ１２の充電を中止する。
ステップＳ１０−１８ 充電回路１５のトランジスタ１５ａをオフにする。
ステップＳ１０−１９ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
ステップＳ１０−２０ バッテリ１２の充電を中止する。
ステップＳ１０−２１ 燃料電池１１からの電流に加えて、バッテリ１２からの電流もモータ１４に供給する。
ステップＳ１０−２２ バッテリ１２がモータ１４に供給する電流値を算出する。
ステップＳ１０−２３ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−２４ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される。
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給される。また、回生電流等によって蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がることもない。
他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がない。また、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の出力電圧を適切に昇圧できるので、要求電流に対応する電流が蓄電手段から適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
この場合、簡単な回路構成でありながら、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
この場合、燃料電池及び蓄電手段から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、蓄電手段が上がってしまうこともない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のＳＯＣをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用でき、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
この場合、２次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに２次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することにより、２次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかにかつ適切に出力することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリから不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。また、バッテリも適切に充電されるので、バッテリが上がってしまうこともない。
また、他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する。
この場合、直近の過去の走行モードに基づいて現在の走行モードを判定するので、信用性が高くなる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する。
この場合、リアルタイムで走行状態を判定することができるので、判定の信頼性が極めて高くなる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のＳＯＣの基準値を設定し、前記蓄電手段のＳＯＣが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
この場合、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がないので、蓄電手段を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストも低くすることができる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のＳＯＣをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用することができ、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
この場合、２次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに２次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することによって、２次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかに、かつ適切に出力することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
産業上の利用可能性
本発明の制御方法によれば、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池とバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
図２は、従来の燃料電池装置を示す図である。
図３は、従来の燃料電池回路における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
図５は、本発明の実施の形態における燃料電池回路１０の動作と走行モードとの関係の１例を示す図である。
図６は、本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図である。
図７は、本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのＳＯＣの値を示す図である。
図８は、本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図である。
図９は、本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャートである。
図１０は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第１のフローチャートである。
図１１は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第２のフローチャートである。
図１２は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第３のフローチャートである。
本発明は、燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法に関する。本発明によれば、燃料電池及びバッテリに流れる電流の分配状態を適切に制御して、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池及びバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができるようになる。
背景技術
電気自動車の電気モータの電源として燃料電池が提案されている。この場合、燃料電池とバッテリ（二次電池）を組み合わせることにより、電気モータの回生電力をバッテリに回収する。
図２は従来の燃料電池装置を示す図である。
図示のように、この燃料電池装置は、燃料電池１０１とバッテリ１０２とインバータ１０３を含む。燃料電池１０１は、単セルの燃料電池を積層し、所望の電圧を得る。バッテリ１０２は、２次電池である。
インバータ（ＩＮＶ）１０３は、前記燃料電池１０１又はバッテリ１０２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動力を発生させる図示されない交流モータに供給するドライバである。なお、このドライバは、電気モータの種類に応じて、適当に選択される。
そして、前記構成の燃料電池装置においては、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されて、前記インバータ１０３に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池１０１が停止した場合、坂道等の高負荷運転時に前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が自動的に供給される。
また、前記駆動源である交流モータが、車両の減速運転時に回生電流を発生する場合には、この回生電流がバッテリ１０２に供給されて、該バッテリ１０２が充電される。さらに、回生電流が供給されない場合であっても、前記バッテリ１０２が放電等により端子電圧が低下した場合、前記燃料電池１０１から充電される。
しかし、前記従来の燃料電池装置においては、燃料電池１０１及びバッテリ１０２が並列に接続されているだけであり、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２に流れる電流の分配状態が何ら制御されていないので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の電流−電圧特性によってそれぞれに流れる電流量の配分が決定される。
図３は、燃料電池の電流−電圧特性１０５、バッテリの電流−電圧特性１０６、燃料電池とバッテリを１つの電源と見た場合の電流−電圧特性１０７及び電流−電力特性１０８を示す図である。尚、図において、横軸に電流を、縦軸に電圧又は電力を採ってある。
燃料電池とバッテリの関係は、燃料電池に出力の余裕がある場合は、燃料電池からのみ出力し、燃料電池に出力の余裕がない場合に、バッテリから出力を行うことが望ましい。例えば、車両の定負荷運転時には、前記燃料電池１０１からの電流だけで要求電流を満たしているので、本来、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給される必要がない。しかし、曲線１０６が示すように、前記バッテリ１０２は低電流領域から出力を開始してしまう。このように、前記バッテリ１０２から常時電流が流れるようになっているので、前記バッテリ１０２の容量を増大させる必要があるが、一般的に、バッテリは大きく、重く、かつ、高価であり、前記バッテリ１０２の容量を増大させると、前記車両の体積、重量が増し、コストも高くなってしまう。
また、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２のそれぞれの端子電圧を、両者間の電圧差が小さくなるように設定すると、前記バッテリ１０２が放電して端子電圧が低下した時であっても、前記燃料電池１０１からの電流が前記バッテリ１０２に流れにくく、該バッテリ１０２の充電に時間がかかってしまう。逆に、前記電圧差が大きくなるように設定すると、前記燃料電池１０１からバッテリ１０２に大電流が流れるので、該バッテリ１０２が過充電されることになり、望ましくない。
さらに、通常、バッテリの電圧−電流特性は残存容量によって変動するので、前記燃料電池１０１及びバッテリ１０２の出力配分を所定の状態に維持し、曲線１０７、１０８に示されるような燃料電池１０１及びバッテリ１０２を合計した場合の本来の電流−電圧特性又は電力特性を発揮させることが困難である。そのため、坂道等の高負荷運転時のように前記燃料電池１０１からの電流だけでは要求電流に満たない場合であっても、前記バッテリ１０２からインバータ１０３に電流が供給されずに車両の走行が制限されてしまったり、また、前記バッテリ１０２の残存容量が少なくなっても、前記燃料電池１０１から電流が供給されなくなってしまう。
本発明は、前記従来の燃料電池装置の問題点を解決するものであり、並列接続された燃料電池及びバッテリ間の出流入電流の分配を適正化することできる燃料電池装置及び燃料電池装置の制御方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明の燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される。
本発明の他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段の電圧値は、前記燃料電池の電圧値よりも低い。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
本発明の燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
本発明の他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のＳＯＣの基準値を設定し、前記蓄電手段のＳＯＣが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
発明を実施する最良の形態
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の実施の形態における燃料電池装置を用いた電気自動車の駆動装置の概念図である。
図１に示すように、この燃料電池装置は、燃料電池１１と、該燃料電池１１と、バッテリ１２と、インバータ装置１３と、モータ１４と、充電回路１５と、昇圧回路１６とを含む。
充電回路１５、昇圧回路１６は、蓄電手段１２に入出力する電力を制御するものであり、これら、充電回路１５、昇圧回路１６は、蓄電手段１２を含んで蓄電手段回路を構成している。この蓄電手段回路は、負荷であるインバータ装置１３に対して燃料電池１１と並列に接続されている。
又、蓄電手段１２は、インバータ装置１３に対して充電回路１５と直列に接続されるとともに、昇圧回路１６と並列に接続されている。
燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）である。他にアルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等を用いてもよい。
また、バッテリ１２は、蓄電手段であればよく、例えば、２次電池や大容量コンデンサなどを用いることができる。２次電池としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の他、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いることができる。
又、蓄電手段としては、電気二重層コンデンサのようなコンデンサ（キャパシタ）の他に、フライホイール、超伝導コイル、畜圧器等のように、エネルギーを電気的に蓄積し、放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
インバーダ装置１３は、燃料電池１１又はバッテリ１２からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動モータ１４に供給する。ここで、該モータ１４は発電機としても機能するものであり、車両の減速運転時には、いわゆる回生電流を発生する。この回生電流発生時、後述されるように、前記回生電流がバッテリ１２に供給されて該バッテリ１２が充電される。
また、充電回路１５は、燃料電池１１又は前記回生電流によってバッテリを充電するための回路であり、トランジスタ１５ａとダイオード１５ｂが逆並列に接続されている。
昇圧回路１６は、バッテリの電圧を昇圧するためのものであり、トランジスタ１６ａとダイオード１６ｂが逆並列に接続されている。
バッテリ１２は、充電回路１５と昇圧回路１６との間にはリアクトル１７を介して接続されている。トランジスタ１６ａをオンにした時には、バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、トランジスタ１６ａがオフになった時には、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、バッテリ１２の出力電圧に加算される。なお、昇圧回路１６が昇圧する出力電圧は、おおよそ燃料電池１１の出力電圧よりわずかに高い程度に調節される。
そして、燃料電池１１の出力端子には、出力電流を計測するコイル１８が電流センサとして取り付けられており、さらにバッテリ１２やモータ１４からの回生電力が流入しないようにダイオード１９が介挿されている。
また、この燃料電池装置は、制御装置２０を備え、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、前記燃料電池回路１０における電流値、電圧値等を測定するとともに、前記充電回路１５及び放電制御回路１６の動作を制御する。さらに、前記制御装置２０は、車両における他のセンサ、及び後述される車両用電子制御ユニット２１、燃料電池電子制御ユニット２２、イグニッション制御装置２４等の他の制御装置と通信可能に接続され、他のセンサ及び他の制御装置と連携して前記燃料電池回路１０の動作を統括的に制御する。
なお、前記制御装置２０は、独立に存在するものであってもよく、例えば、車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置の一部として存在するものであってもよい。
本実施の形態においては、制御装置２０は、２つの電流センサ１８との入出力インターフェイス、電圧計測用の２つの入出力インターフェイス、充電回路１５用の入出力インターフェイス、昇圧回路１６用の入出力インターフェイス、車両用電子制御ユニット２１用の入出力インターフェイス、燃料電池電子制御ユニット２２用の入出力インターフェイス、及びイグニッション制御装置２４用の入出力インターフェイスを備える。また、前記制御装置２０は、電源としての電源バッテリ２３に接続される電源インターフェイスも備える。
次に、車両用電子制御ユニット２１は、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、車速、気温、アクセル開度等を検出して変速機、制動装置等を含む車両全般の動作を統括的に制御する。なお、前記アクセル開度は、一般的な車両においてはアクセルペダル（スロットルペダル）の踏み込み度合いにより検出されるが、車両の出力や速度を制御する手段として、アクセルペダルに代えて回転式のアクセルグリップ、ジョイスティック、バーハンドル、回転ダイアル等のアクセルコントローラが使用されている場合には、これらアクセルコントローラの移動の度合いによって検出される。
また、燃料電池電子制御ユニット２２は、ＣＰＵ等の演算手段、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、燃料電池１１に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して燃料電池１１の動作を制御する。
そして、前記電源バッテリ２３は、１２〔Ｖ〕の直流電流を前記制御装置２０に供給する。なお、前記電源バッテリ２３は、車両のラジオ、パワーウインドウ等の補機類にも電源として直流電流を供給してもよい。
また、前記イグニッション制御装置２４は燃料電池回路を起動させるための装置であり、車両の運転者がスイッチをオンにすると、その信号を制御装置２０やその他の装置に伝達する。
次に、燃料電池装置１０の動作について説明する。
図４は本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。なお、図４において、横軸に電流Ｉを、縦軸に電圧Ｖ及び電力ｋＷを採ってある。
図４において、４１は燃料電池１１（図１）の電圧−電流特性を示す曲線である。燃料電池１１の電圧−電流特性を示す曲線４１は、通常のＰＥＭ型燃料電池の場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がり曲線である。そして、電流値Ａまでは傾斜が緩やかであるが、前記電流値Ａに対応する点Ｂを変曲点として傾斜が急になる。なお、これに対応する燃料電池１１の電力特性は曲線４５で示される。
このことから、燃料電池１１は、電流値Ａの近傍までの範囲で使用するのが効率的であることが分かる。なお、前述されたように、燃料電池１１は出力インピーダンスがほぼ０の電源である。
一方、バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３は、通常のバッテリの場合と同様に、全体として電流の増大と共に電圧が低下していく右下がりの直線状であり、電流値Ａを超えても何ら変化しない。しかも、その傾斜角度は電流値Ａまでの前記曲線４１の傾斜角度とほぼ等しい。
したがって、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電流、すなわち、要求電流の値が電流値Ａまでの範囲においては、燃料電池１１だけから電流を供給し、要求電流の値が電流値Ａの近傍以上の範囲においては、燃料電池１１からの電流に加えて、バッテリ１２からも電流を供給するようにすればよいことが分かる。そして、バッテリ１２の開放端子電圧は、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける燃料電池１１の端子電圧とほぼ等しいことから、要求電流の値が電流値Ａの近傍までの範囲においては、バッテリ１２から電流が供給されることはない。
ただし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧回路によって燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧すると、バッテリ１２からも積極的に電流が供給される。
そして、要求電流の値が電流値Ａに対応する前記曲線４１上の点Ｂにおける燃料電池１１の端子電圧が、バッテリ１２の開放電圧とほぼ等しいことから、電流値Ａをわずかに超えた範囲ではバッテリ１２からも電流が供給される。しかし、バッテリ１２からも電流が供給されると、該バッテリ１２の電圧−電流特性を示す曲線４３から分かるように、バッテリ１２の端子電圧が低下していくことから、その電流値がさほど上昇することはない。
しかし、昇圧回路によってバッテリ１２の出力電圧を前記記燃料電池１１の端子電圧にまで昇圧させて、燃料電池１１及びバッテリ１２からの電流を併せた場合には、電圧−電流特性を示す曲線４２となり、全体として電流が増大すると共に電圧が低下していく右下がりの直線状となる。そして、これに対応する電力特性は曲線４４で示される。
ここで、例えば、インバータ１３を介してモータ１４に供給すべき電力、すなわち、要求電力がＣであるとすると、電力特性を示す曲線４４上の点Ｄに対応する。そして、該点Ｄに対応する電圧−電流特性を示す曲線４２上の点はＥであり、これに対応する電流値はＦであることが分かる。したがって、この場合には、燃料電池１１は電流値Ａの電流を供給し、バッテリ１２は電流値（Ｆ−Ａ）の電流を供給するようにすればよいことが分かる。
本実施の形態においては、制御装置２０の記憶手段には、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性があらかじめ格納されている。そして、車両用電子制御ユニット２１から送信された車両の車速、アクセル開度等の信号に基づいて、モータ１４に供給すべき要求電力が演算手段によって算出され、該要求電力に対応する要求電流の値が、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて見い出される。
一方、後述されるように、車両の走行モードが判定され、該走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、燃料電池１１及びバッテリ１２からの出力電流を制御するようになっているが、この時も、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいて出力電流を制御する。
そこで、ここでは、図４に示されるような燃料電池１１及びバッテリ１２の特性に基づいた燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
まず、要求電流の値が図４における電流値Ａ以下の場合であり、燃料電池１１だけから電流を供給する場合には、前記充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ、１６ａをオフの状態とする。
この場合、燃料電池１１には燃料である水素及び酸化剤である酸素又は空気が常に十分に供給されるようになっているので、要求電流の値が変動しても、燃料電池１１からは要求電流の値に応じた値の電流が自動的に供給される。したがって、燃料電池１１の出力電流を要求電流の値の変動に応じて制御する必要がない。なお、燃料電池１１から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、電流値Ａ以下であるか否かを前記制御装置２０によって、常時検出する。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出する。
次に、要求電流の値、又は前記電流センサ１８によって測定された電流の値が前記電流値Ａ以上となった場合、例えば、図４における電流値Ｆとなった場合に、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａをオフの状態のままとすると、前述されたように、バッテリ１２からの電流値はあまり上昇することはない。
ここで、バッテリ１２からも積極的に電流を供給しようとするためには、前記制御装置２０は昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期（例えば、２０〔ｋＨｚ〕程度）のスイッチング信号によってオンオフする。前記トランジスタ１６ａをオンにしたときには、バッテリ１２から出力された直流電流がリアクトル１７に流れてエネルギーが蓄積され、前記トランジスタ１６ａをオフにしたときには、前記リアクトル１７に蓄積されたエネルギーに応じた電圧が、バッテリ１２の出力電圧に加算され、その合計が燃料電池１１の出力電圧とほぼ等しくなる。これは、図４における曲線４３上の点Ｇが、上方にシフトされて曲線４２上の点Ｅに移動したことに対応する。
そして、該点Ｅに対応する電圧値であり、電流値（Ｆ−Ａ）である電流がバッテリ１２からインバータ１３を介してモータ１４に供給される。なお、バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によってチェックされる。
次に、バッテリ１２のＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：残存容量）が低下したことから、バッテリ１２を充電する場合の燃料電池回路１０の基本的な動作について説明する。
まず、車両の減速運転時に前記モータ１４が発電機として機能し、交流の回生電流を発生し、続いて、該交流の回生電流は前記インバータ１３によって直流の回生電流に変換される。この時、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにする。したがって、前記直流の回生電流は前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給されるので、該バッテリ１２は充電される。
なお、前記回生電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、前記回生電流の値が過大である場合は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
したがって、バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流をバッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。
また、バッテリ１２のＳＯＣが低下して充電が必要な場合であり、前記回生電流が発生しない場合には、燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。この場合、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、直流の回生電流は前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
なお、燃料電池１１からの電流の値及びバッテリ１２に供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、バッテリ１２のＳＯＣが十分に上昇した場合、燃料電池１１から供給される電流の値が前記電流値Ａとなった場合、及び前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、バッテリ１２に供給される電流の値が過大である場合は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
したがって、バッテリ１２のＳＯＣが十分に高い場合に充電したり、大電流をバッテリ１２に供給したりすることがないので、該バッテリ１２が過充電されることによって破壊されてしまうことがない。また、燃料電池１１に過大な負荷をかけることも、前記要求電流に対応することができなくなってしまうこともない。
次に、前述された燃料電池回路１０の動作と、車両の走行状態としての走行モードとの関係の１例について説明する。
図５は本発明の実施の形態における燃料電池回路１０の動作と走行モードとの関係の１例を示す図である。なお、図５において、横軸に車両負荷を、縦軸に出力を採ってある。
図５において、５１は車両の負荷が正の範囲における車両の負荷と燃料電池１１（図１）及びバッテリ１２の出力、すなわち、要求電流の大きさとの関係を示す直線、５２は車両の負荷が負の範囲における車両の負荷とモータ１４の出力、すなわち、回生電流の大きさとの関係を示す直線である。
ここで、車両の負荷は、車両の走行モードが市街地等を走行する低負荷運転の場合に最も低く、高速道路等を走行する高速巡航、上り坂等を走行する高負荷運転、高速道路の上り坂等を走行する最大負荷運転の順に高くなっていく。そして、要求電流の値は車両の負荷に比例して上昇する。
一方、車両が下り坂等を走行していて、モータ１４が発電機として機能して回生電流を発生する走行モードである回生の場合は、車両の減速運転であるので、車両の負荷はマイナスとなり、回生電流の値は車両の負荷の絶対値に比例する。そして、車両の負荷がマイナスである領域５３においては、制御装置２０は、充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをスイッチング信号によってオンにするので、回生電流が前記トランジスタ１５ａを通ってバッテリ１２に供給される。したがって、該バッテリ１２は充電される。
次に、車両の負荷が０から図４における電流値Ａに対応する境界Ｊまでの領域５４においては、燃料電池１１から要求電流に応じた値の電流が自動的に供給されるインバータ１３を介してモータ１４に供給される。
なお、前記領域５４においては、バッテリ１２のＳＯＣが低い場合には、前記制御装置２０は、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａを適当な時間オンにすることによって、燃料電池１１から電流を供給してバッテリ１２を充電する。
また、逆に、バッテリ１２のＳＯＣが高い場合であり、回生電流を受け入れる余地がない場合には、回生電流を受け入れる余地を生じさせるためにバッテリ１２を少し放電させることが望ましいので、前記制御装置２０は、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２からの電流もインバータ１３を介してモータ１４に供給するようにする。これにより、燃料電池１１から供給すべき電流を低減することができるので、燃料電池１１の負荷が低減され、燃料の消費量を抑制することができる。なお、バッテリ１２のＳＯＣは８０〔％〕程度の値であることが望ましい。
最後に、車両の負荷が境界Ｊを超える領域５５、５６においては、要求電流の値が図４における電流値Ａを超えているので、前記制御装置２０は、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、燃料電池１１からの電流値Ａの電流に加えて、バッテリ１２からは電流値Ａを超える分の電流がインバータ１３を介してモータ１４に供給されるようにする。なお、図５において、領域５５は燃料電池１１からの電流による出力の範囲を、領域５６はバッテリ１２からの電流による出力の範囲をそれぞれ示している。
次に、本実施の形態における車両の各種走行モードに対応する燃料電池回路１０の制御方法について詳細に説明する。
図６は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図、図７は本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのＳＯＣの値を示す図、図８は本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図、図９は本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャート、図１０は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第１のフローチャート、図１１は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第２のフローチャート、図１２は本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第３のフローチャートである。
本実施の形態においては、回生電流を無駄にすることなく、可能な限り利用することができるように、燃料電池回路１０（図１）を制御する。すなわち、回生電流は、下り坂等を走行する場合のように車両にブレーキをかける必要がある時に、モータ１４をブレーキとして機能させることによって副次的に発生されるエネルギーであり、これを利用することによって燃料電池１１の燃料を節約することができる。
そして、回生電流は定常的に発生するものではないので、回生電流を利用するには、まず、バッテリ１２に充電する必要がある。したがって、バッテリ１２のＳＯＣが高い時には、ＳＯＣをある程度引き下げて充電することができる余地を残すようにする必要がある。一方、図５における車両の負荷が境界Ｊを超える領域５５、５６で車両が走行する時には、バッテリ１２から電流を出力する必要があるので、ＳＯＣを低くし過ぎると、高負荷運転や最大負荷運転が連続した場合に対応することができなくなってしまう。
したがって、車両の走行モードに基づいて回生電流の発生を予測し、該回生電流をバッテリ１２に充電することができるように、バッテリ１２のＳＯＣを制御する必要がある。
次に、車両の走行モードと燃料電池１１及びバッテリ（ＢＴ）１２の出力との基本的な考え方について説明する。
図６に示されるのは、定められた時間（５〜２０分）にどの領域において多く運転されたかによって車両の走行モードを判定するためのテーブルである。ここで、６５は、勾配が０度の平坦な道を一定の速度で走る場合、すなわち、定速走行をした場合のモータ１４の出力と車両の速度の関係を示す曲線である。
まず、領域６１は車速が低く、モータ１４の出力が定速走行よりも高いので、市街地等の発進停止を繰り返す走行モード、すなわち、市街地モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転が多く、回生電流が頻繁に発生すると予測されるので、主としてバッテリ１２から電流を供給するようにして、バッテリ１２のＳＯＣを比較的低く、例えば、６０〔％〕程度に維持し、回生電流が発生した場合にはバッテリ１２に充電することができるようにする。
そして、領域６２は車速が高く、モータ１４の出力が定速走行よりも高いので、郊外や高速道路を巡航する走行モード、すなわち、高速モードであるといえる。したがって、車両にブレーキをかける減速運転は少なく、回生電流はあまり発生せず、一方、燃料電池１１からの電流だけでは要求電流を満たすことができない場合もあることも予測されるので、該バッテリ１２のＳＯＣを高く、例えば、７５〔％〕程度に維持し、必要時には常にバッテリ１２から電流を供給することができるようにする。
次に、領域６３はモータ１４の出力が定速走行よりも高いので、山道において下り坂を下る走行モード、すなわち、山道下モードであるといえる。したがって、時々の上り坂で出力することが要求されるが、高い回生電流が発生することが予測されるので、バッテリ１２のＳＯＣを低く、例えば、５０〔％〕程度に維持して、回生電流を余すところなくバッテリ１２に充電することができるようにする。
最後に、領域６４は車速が低い領域でも、モータ１４の出力が高いので、山道において上り坂を上る走行モード、すなわち、山道上モードであるといえる。したがって、時々の下り坂で回生電流が発生するが、燃料電池１１からの電流だけでは要求電流を満たすことができないことが予測されるので、バッテリ１２のＳＯＣを比較的高く、例えば、７０〔％〕程度に維持して、バッテリ１２からも電流を供給することができるようにする。
本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。そして、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように燃料電池回路１０の動作を制御する。
まず、制御装置２０は、過去５〜２０分間の車速、アクセル開度θ（モータ１４が発生すべきトルクに比例）、燃料電池１１及びバッテリ１２から供給された電流値、バッテリ１２のＳＯＣ等の数値の変化や継続時間に基づいて、現時点までの車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定する。そして、前記判定した走行モードが、現時点以降５〜２０分間継続されると予測して、燃料電池回路１０の動作を制御する。
ここで、走行モードを判定するための時間は、適宜設定することができ、例えば、過去１〜５分間程度であっても、過去２０〜４０分間程度であってもよい。また、判定した走行モードが、継続されると予測する時間も、適宜設定することができ、例えば、現時点以降１〜５分間としても、現時点以降２０〜４０分間としてもよい。
なお、前記数値は、制御装置２０によって直接測定されるか、又は車両用電子制御ユニット２１等の他の制御装置によって測定される。
また、車両に車両位置検出装置、例えば、ナビゲーション装置が備えられている場合には、該ナビゲーション装置によって現時点での車両の走行モードを判定することが可能であるので、前記制御装置２０は前記ナビゲーション装置からの情報に基づいて、現在の車両の走行モードが高速モード、山道上モード、山道下モード、又は市街地モードのいずれであるかを判定するようにしてもよい。
続いて、前記制御装置２０は、図７に示されるように、判定した現在の車両の走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。
まず、高速モードである場合は、例えば、７５〔％〕を中心として±１０〔％〕の範囲、すなわち、６５〜８５〔％〕をＳＯＣの基準値として設定する。そして、山道上モードである場合は、例えば、６０〜８０〔％〕を、山道下モードである場合は、例えば、４０〜６０〔％〕を、市街地モードである場合は、例えば、５０〜７０〔％〕をそれぞれ、ＳＯＣの基準値として設定する。
そして、現時点でのバッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲内にあるときは、図８に示されるように、燃料電池回路１０の動作が制御される。
図８（ａ）に示される高速モードにおいて、車速が低い場合は、燃料電池１１から電流を供給し、バッテリ１２からは電流が供給されないようにするので、充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ及び１６ａをオフの状態とする。また、車速が高い場合は、要求電力が燃料電池１１の供給能力を上回った場合には、バッテリ１２からも電流が供給される。この時も、充電回路１５及び昇圧回路１６におけるトランジスタ１５ａ、１６ａはオフの状態とする。
次に、図８（ｂ）に示される山道上モードにおいて、車速が低くアクセル開度θも小さい場合は、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにするので、充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフする。これにより、バッテリ１２の出力電圧が昇圧されて燃料電池１１の出力電圧以上となるので、燃料電池１１からは電流が供給されない。
なお、車速は低いがアクセル開度θが大きい場合は、前記高速モードにおける車速が低い場合と同様であり、また、車速が高い場合は、前記高速モードにおける車速が高い場合と同様である。
次に、図８（ｃ）に示される山道下モードにおいて、車速及びアクセル開度θの数値範囲は異なるが、その他については、前記山道上モードにおける場合と同様である。
最後に、図８（ｄ）に示される市街地モードにおいて、車速が低くアクセル開度θが大きい場合は、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにする点についてだけ異なるが、その他については、前記山道上モード又は山道下モードにおける場合と同様である。
次に、現時点でのバッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲外にあるときの燃料電池回路１０の動作について説明する。
まず、バッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲の下限に達していない場合には、バッテリ１２を充電する必要があるので、どの程度の電流値でバッテリ１２に充電するか、すなわち、充電電流の値が設定される。
そして、充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値（図４における電流値Ａ）を超えない場合には、燃料電池１１から供給される電流の一部がバッテリ１２の充電に使用される。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオンの状態とする。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２に供給される充電電流の電流値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。そして、バッテリ１２のＳＯＣが前記基準値の範囲にまで上昇した場合、燃料電池１１から供給される電流の値が前記最大供給電流値となった場合、及び前記インバータ１３を介してモータ１４に供給される要求電流の値が大きい場合には、前記トランジスタ１５ａはオフにされる。また、バッテリ１２に供給される電流の値が過大である時は、前記トランジスタ１５ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、前記トランジスタ１５ａを流れる電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、燃料電池１１からは充電電流と要求電流とを合計した電流が供給される。
次に、充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合には、前記要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
そして、超えていない場合には、バッテリ１２の充電は中止される。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とする。なお、燃料電池１１は何ら制御されないので、燃料電池１１から要求電流に等しい電流がインバータ１３を介してモータ１４に供給される。
次に、前記要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合には、バッテリ１２の充電は中止され、さらに、バッテリ１２からも電流が前記モータ１４に供給されるようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２から供給される電流値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時チェックされる。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時チェックされる。そして、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａのオンオフの比率（デューティー比）を制御して、バッテリ１２から出力される電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流が燃料電池１１から供給される。
次に、バッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲の上限を超えている場合には、前記要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値を超えているか否かを判定する。
そして、超えていない場合には、バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流が供給されないようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、バッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって、常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないが、昇圧されたバッテリ１２の出力電圧が燃料電池１１の開放端子電圧よりも高いので、燃料電池１１からは電流が出力されない。
次に、前記要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値を超えている場合には、バッテリ１２から供給される電流値が設定される。そして、燃料電池１１及びバッテリ１２から前記モータ１４に電流が供給されるようにする。この場合、前記充電回路１５におけるトランジスタ１５ａをオフの状態とし、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフして、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
なお、燃料電池１１からの電流値及びバッテリ１２から供給される電流の値は、電流センサ１８によって測定され、前記制御装置２０によって常時検出される。また、電圧についても前記制御装置２０によって常時検出される。そして、昇圧回路１６におけるトランジスタ１６ａのオンオフの比率を制御して、バッテリ１２から出力される電流の値を制御する。
一方、燃料電池１１は何ら制御されないので、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流が燃料電池１１から供給される。
このように、本実施の形態においては、判定した走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定して、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が前記基準値の範囲内に収まるように、燃料電池回路１０の動作を制御する。したがって、バッテリ１２には回生電流を充電するための余地が適切に残されているので、副次的に発生されるエネルギーである回生電流を無駄にせず、可能な限り利用することができ、燃料電池１１の燃料を節約することができる。しかも、バッテリ１２の容量を必要以上に大きくする必要がないので、バッテリ１２を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストを低くすることができる。
また、格別に制御しなくても、燃料電池１１から適切な電流が供給される。したがって、要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリ１２から不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
また、バッテリ１２のＳＯＣの実測値が基準値の範囲内に収まらない場合であっても、燃料電池１１及びバッテリ１２から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、バッテリ１２が上がってしまうこともない。
次に、燃料電池装置の制御動作のメインフローチャートについて説明する。
ステップＳ１ 車速を検出する。
ステップＳ２ 車速の変化を記憶する。
ステップＳ３ モータ１４が発生すべきトルクを検出する。
ステップＳ４ バッテリ１２から供給される電流の値を検出する。
ステップＳ５ バッテリ１２のＳＯＣを算出する。
ステップＳ６ 燃料電池１１から供給される電流の値を検出する。
ステップＳ７ 車両の走行モードを判定する。
ステップＳ８ 車両の走行モードに応じたバッテリ１２のＳＯＣの基準値を設定する。
ステップＳ９ 検出したバッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲内にあるか否かを判定する。範囲内である場合はステップＳ１１に、範囲内でない場合はステップＳ１０に進む。
ステップＳ１０ ＳＯＣ基準範囲外処理を行う。
ステップＳ１１ アクセル開度θを検出する。
ステップＳ１２ 図８（ａ）〜（ｄ）に従って燃料電池１１及びバッテリ１２の出力を制御する。
次に、ステップＳ１０におけるＳＯＣ基準範囲外処理のサブルーチンのフローチャートについて説明する。
ステップＳ１０−１ 検出したバッテリ１２のＳＯＣが基準値の範囲の下限以下か否かを判定する。以下の場合はステップＳ１０−２に進み、以下でない場合、すなわち、基準値の範囲の上限を超えている場合はステップＳ１０−７に進む。
ステップＳ１０−２ 充電電流の電流値を設定する。
ステップＳ１０−３ 充電電流と要求電流との合計が燃料電池１１の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−４に、未満でない場合はステップＳ１０−１９に進む。
ステップＳ１０−４ 燃料電池１１から供給される電流の一部をバッテリ１２の充電に使用する。
ステップＳ１０−５ 充電回路１５のトランジスタ１５ａをオンにする。
ステップＳ１０−６ 燃料電池１１は何ら制御されず、充電電流と要求電流とを合計した電流を供給し、処理を終了する。
ステップＳ１０−７ 要求電流がバッテリ１２の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−８に、未満でない場合はステップＳ１０−１１に進む。
ステップＳ１０−８ バッテリ１２から電流を供給し、燃料電池１１からは電流を供給しない。
ステップＳ１０−９ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−１０ 燃料電池１１は何ら制御されず、電流を供給することなく、処理を終了する。
ステップＳ１０−１１ バッテリ１２から供給される電流の電流値を設定する。
ステップＳ１０−１２ バッテリ１２からの電流に加えて、燃料電池１１からの電流もモータ１４に供給する。
ステップＳ１０−１３ バッテリ１２がモータ１４に供給する電流の電流値を算出する。
ステップＳ１０−１４ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−１５ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流からバッテリ１２からの電流を減算した値の電流を供給し、処理を終了する。
ステップＳ１０−１６ 要求電流が燃料電池１１の最大供給電流値未満か否かを判定する。未満の場合はステップＳ１０−１７に、未満でない場合はステップＳ１０−２０に進む。
ステップＳ１０−１７ バッテリ１２の充電を中止する。
ステップＳ１０−１８ 充電回路１５のトランジスタ１５ａをオフにする。
ステップＳ１０−１９ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
ステップＳ１０−２０ バッテリ１２の充電を中止する。
ステップＳ１０−２１ 燃料電池１１からの電流に加えて、バッテリ１２からの電流もモータ１４に供給する。
ステップＳ１０−２２ バッテリ１２がモータ１４に供給する電流値を算出する。
ステップＳ１０−２３ 昇圧回路１６のトランジスタ１６ａを所定周期のスイッチング信号によってオンオフし、バッテリ１２の出力電圧を昇圧する。
ステップＳ１０−２４ 燃料電池１１は何ら制御されず、要求電流を供給して処理を終了する。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
以上詳細に説明したように、本発明によれば、燃料電池装置においては、負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電される。
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、蓄電手段から不足分の電流が供給される。また、回生電流等によって蓄電手段も適切に充電されるので、蓄電手段が上がることもない。
他の燃料電池装置においては、燃料電池と、該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、蓄電手段と、該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がない。また、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
他の燃料電池装置においては、負荷に接続された燃料電池と、前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、前記蓄電手段回路は、互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させる。
この場合、簡単な回路構成でありながら、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の出力電圧を適切に昇圧できるので、要求電流に対応する電流が蓄電手段から適切に供給される。さらに、回生電流等によって蓄電手段が適切に充電されるので、蓄電手段が上がってしまうことがない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である。
この場合、簡単な回路構成でありながら、燃料電池及び蓄電手段から要求電流に対応する電流が適切に供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する。
この場合、燃料電池及び蓄電手段から出力される電流の配分を適切に制御することができるので、車両の走行に何ら支障を与えることがなく、蓄電手段が上がってしまうこともない。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のＳＯＣをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用でき、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
この場合、２次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに２次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することにより、２次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかにかつ適切に出力することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
本発明によれば、燃料電池装置の制御方法においては、両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
この場合、負荷の要求する要求電流が、燃料電池の最大供給電流値を超えている場合であっても、バッテリから不足分の電流が供給されるので、車両の走行に支障を与えることがない。また、バッテリも適切に充電されるので、バッテリが上がってしまうこともない。
また、他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する。
この場合、直近の過去の走行モードに基づいて現在の走行モードを判定するので、信用性が高くなる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する。
この場合、リアルタイムで走行状態を判定することができるので、判定の信頼性が極めて高くなる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のＳＯＣの基準値を設定し、前記蓄電手段のＳＯＣが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する。
この場合、蓄電手段のＳＯＣを適切に制御することができるので、回生電流を無駄にすることなく可能な限り利用することができ、燃料電池の燃料を節約することができる。しかも、蓄電手段の容量を必要以上に大きくする必要がないので、蓄電手段を収容する車両の重量及び大きさを低減することができ、コストも低くすることができる。
また、更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される。
この場合、車両の走行モードに応じて蓄電手段のＳＯＣをより適切に制御することができるので、回生電流をまったく無駄にすることなく可能な限り利用することができ、より一層燃料電池の燃料を節約することができる。
更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である。
この場合、２次電池及びコンデンサから出力される電流の配分並びに２次電池及びコンデンサに充電される電流の配分を適切に制御することによって、２次電池及びコンデンサの劣化を防止することができ、かつ、負荷の要求する電流を速やかに、かつ適切に出力することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、コンデンサである。
この場合、負荷の要求する電流を速やかに出力することができる。また、蓄電手段の重量及び占有する体積を軽減することができる。
本発明の更に他の燃料電池装置の制御方法においては、さらに、前記蓄電手段は、２次電池である。
この場合、蓄電手段の蓄電能力を容易に増強することができる。
産業上の利用可能性
本発明の制御方法によれば、バッテリの容量を増大させることなく、適切にバッテリを充電することができ、また、燃料電池とバッテリの出力配分を所定の状態に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池装置の概念図である。
図２は、従来の燃料電池装置を示す図である。
図３は、従来の燃料電池回路における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池及びバッテリの特性を示す図である。
図５は、本発明の実施の形態における燃料電池回路１０の動作と走行モードとの関係の１例を示す図である。
図６は、本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御方法の基本的な考え方を示す図である。
図７は、本発明の実施の形態における各種走行モードにおけるバッテリのＳＯＣの値を示す図である。
図８は、本発明の実施の形態における各種走行モードにおける燃料電池及びバッテリの出力範囲を示す図である。
図９は、本発明の実施の形態における燃料電池回路の制御動作を示すフローチャートである。
図１０は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第１のフローチャートである。
図１１は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第２のフローチャートである。
図１２は、本発明の実施の形態におけるＳＯＣ基準範囲外処理の動作を示す第３のフローチャートである。
Claims (18)
- 負荷と燃料電池とを直接接続するとともに、
該燃料電池と並列に蓄電手段を含む蓄電手段回路を接続し、
前記蓄電手段は、前記燃料電池の供給する電流が前記負荷の要求する電流よりも小さい場合に、前記負荷に電流を供給するとともに、前記負荷において発生した回生電力及び前記燃料電池の出力する電流により充電されることを特徴とする燃料電池装置。 - 前記蓄電手段の電圧値は、前記燃料電池の電圧値よりも低い請求項１に記載の燃料電池装置。
- 燃料電池と、
該燃料電池の出力端子に接続された負荷と、
該負荷に対して、前記燃料電池と並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
蓄電手段と、
該蓄電手段の出力電圧を昇圧して前記負荷に電流を供給する昇圧回路と、
前記燃料電池の出力する電流を前記蓄電手段に供給して前記蓄電手段を充電する充電回路と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該走行状態検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させることを特徴とする燃料電池装置。 - 負荷に接続された燃料電池と、
前記燃料電池と前記負荷に対して並列に接続された蓄電手段回路と、
前記蓄電手段回路からの電流が前記燃料電池に供給されないように配設されたダイオード素子とを備える燃料電池装置において、
前記蓄電手段回路は、
互いに直列に接続された充電用スイッチング素子及び昇圧用スイッチング素子と、
前記昇圧用スイッチング素子に対して、リアクトルを介して並列に接続された蓄電手段と、
車両の走行状態を検出する走行状態検出手段とを備え、
該検出手段により検出された前記車両の走行状態に応じて、前記昇圧回路と前記充電回路とを選択的に作動させることを特徴とする燃料電池装置。 - 前記負荷は、車両を駆動する駆動モータの駆動制御装置である請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
- 前記蓄電手段のＳＯＣが所定の基準値の範囲内に収まるように前記昇圧回路及び充電回路を制御する請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
- 前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記車両の走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される請求項６に記載の燃料電池装置。
- 前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
- 前記蓄電手段は、コンデンサである請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
- 前記蓄電手段は、２次電池である請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
- 両端子が負荷に接続された燃料電池と、昇圧回路、充電回路及び蓄電手段を含み、前記燃料電池に並列に接続された蓄電手段回路とを備える燃料電池装置の前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御することを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
- 直近の過去の車速、アクセル開度θ等に基づいて、車両の走行状態を判定する請求項１１に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 車両位置検出装置からの情報に基づいて、前記走行状態を判定する請求項１１に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 判定した前記走行状態に応じて前記蓄電手段のＳＯＣの基準値を設定し、前記蓄電手段のＳＯＣが前記基準値の範囲内に収まるように前記蓄電手段へ充電される電流及び前記蓄電手段から前記負荷へ供給される電流を制御する請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記蓄電手段のＳＯＣの基準値は、前記走行状態に応じて、回生電流の発生を予測し、前記回生電流を前記蓄電手段に充電できるように設定される請求項１４に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記蓄電手段は、２次電池及びコンデンサを含む回路である請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記蓄電手段は、コンデンサである請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。
- 前記蓄電手段は、２次電池である請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池装置の制御方法。
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