JP2005302446A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システム起動後の燃料電池からキャパシタへの突入電流を緩和することができる燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料電池電源装置１は、燃料電池１１と、キャパシタ１２を並列に接続して構成されている。燃料電池のプラス側出力端には、燃料電池接続スイッチ１６と逆接防止ダイオード１７が直列に接続され、その逆接防止ダイオード１７より下流側にキャパシタ電装補機などの負荷、インバータ２が並列に接続されている。キャパシタのプラス側端子はキャパシタ接続スイッチ１８を介して、燃料電池のプラス側出力端の逆接防止ダイオードの下流側に接続する。燃料電池の起動後にキャパシタの電圧が燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、キャパシタを切り離し、燃料電池で負荷に電力を供給し、燃料電池の出力電圧が低下して、キャパシタ電圧に一致したとき、キャパシタを燃料電池および負荷に接続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池とキャパシタを並列に接続して構成された燃料電池電源装置に関する。

従来、燃料電池とキャパシタを並列に接続した、燃料電池電源装置が知られている（特許文献１参照）。
燃料電池は空気極側に送り込んだ空気と、水素極側に送り込んだ水素とを電気化学反応させ、電力を発生させている。そこで、燃料電池システムを起動させる場合には、エアコンプレッサを回転させ空気を供給し、さらに水素を供給し、水の循環を開始するなどの手順が必要であり、所定の時間を要する。そのため、燃料電池システム起動のためには、いわゆる「起動電力」と称される電力が必要であり、燃料電池電源装置に付随するキャパシタまたは鉛蓄電池などの２次電池によって賄われるのが一般的である。

燃料電池とキャパシタとを組み合わせた燃料電池電源装置を搭載した燃料電池自動車において、燃料電池システムの起動のためにキャパシタ電力を消費すると、燃料電池が動作を開始したとき、キャパシタ電圧が燃料電池開放電圧より低下した状態となる場合がある。
この状態で燃料電池をキャパシタと回路接続すると、双方の電位差により燃料電池からキャパシタに向かって過大な突入電流が発生する。燃料電池は急激な負荷変動に対する応答性が遅く、このような場合には、反応ガスが不足する状態、つまりいわゆるガス欠に陥る。
燃料電池がガス欠状態になると、燃料電池の電解質膜の劣化を生じて、燃料電池の性能の劣化を招き、寿命も短くなるので好ましくない。また、燃料電池とキャパシタ接続時の突入電流により、回路開閉器の接点が溶着する可能性もある。

燃料電池システム起動時のこの問題を解決するために、燃料電池とキャパシタの間に、スイッチング素子を組み込んで、スイッチング素子をデューティ制御により、回路接続時に低いデューティ比から高いデューティ比へと制御し、最終的にはスイッチング素子を常時オンすることで、キャパシタと燃料電池との接続点における電圧を調整し、燃料電池からキャパシタに流れる電流を制限する方法が提案されている（非特許文献１参照）。

この方法では、燃料電池から負荷への大電流が定常的に流れる電流回路に、スイッチング素子を介在させることになり、スイッチング素子の電力容量を大きくする必要が生じ、またこの素子における定常的な電力損失が発生する。
その結果、電力容量の大きいスイッチング素子を用いることから、コストの増大、燃料電池電源装置の重量増大と、定常的な電力損失の発生による燃費の低下につながるという問題があった。
特開２００２−３０５０１１号公報 自動車技術会学会講演会 ２００３秋季大会前刷集 Ｎｏ．８０−０３、講演番号９２

本発明は、上記の問題点を解決するために、電力容量の大きいスイッチング素子を用いないで、燃料電池システム起動後の燃料電池からキャパシタへの突入電流を緩和することができる燃料電池電源装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、燃料電池起動後にキャパシタ電圧が燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、キャパシタを切り離し、燃料電池で負荷に電力を供給し、燃料電池の出力電圧が低下して、キャパシタ電圧に近づいたとき、キャパシタを燃料電池および負荷に接続するものとした。

本発明により、燃料電池起動のために燃料電池補機へのキャパシタからの電力供給の結果、キャパシタ電圧が燃料電池の出力端の開放電圧よりも低くなった場合、キャパシタを負荷から切り離して、燃料電池から負荷への電力供給により燃料電池電圧が低下してキャパシタ電圧に近づいたときに、キャパシタを負荷に接続することとしたので、燃料電池からキャパシタへの過大な突入電流を防止できる。

以下本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態の燃料電池電源装置を適用した電気自動車の動力部のブロック構成図である。
本実施の形態の燃料電池電源装置１は、車両に搭載されて車両のモータ駆動用電源として機能する。燃料電池電源装置１は、水素と空気を反応ガスとした電気化学反応を生じさせて電力を発生する燃料電池１１と、電気二重層キャパシタ１２（以下、単にキャパシタ１２という）を並列に接続して構成されたハイブリッド型のものである。図１中、太実線は駆動電流を流す電流回路を示す。

燃料電池１１と、燃料電池１１へ水素と空気を供給する反応ガス供給部１３と、燃料電池１１の出力電流を目標値（以下、供給目標電流値と称する）になるように反応ガス供給部１３を制御する燃料電池制御部１４は、燃料電池システムを構成している。燃料電池１１は、多数の燃料電池セルをスタックに積層した構造である。
燃料電池電源装置１全体の出力電力は、燃料電池制御部１４と、燃料電池制御部１４に供給目標電流値を入力し、燃料電池１１とキャパシタ１２それぞれからの出力電流を開閉制御する電力制御部１５とにより制御される。

燃料電池電源装置１からの電力は、インバータ２を通じてモータ３の他に、電装補機、例えば燃料電池電源装置１１の補機（以下、電源補機と称する）である反応ガス供給部１３のエアコンプレッサ部４１や、エアコン４２、および図示省略のＤＣ／ＤＣコンバータを介して１２Ｖ負荷（１２Ｖ）４３や、図示省略の二次電池、例えば鉛蓄電池、またはリチウムイオン電池の充電のために供給される。
１２Ｖ負荷４３には、燃料電池制御部１４、電力制御部１５と、後述のモータ制御部２１およびエネルギ制御部２２を含んでいる。なお、燃料電池制御部１４、電力制御部１５、モータ制御部２１およびエネルギ制御部２２は、上述の二次電池からも電力を供給される。

燃料電池１１の出力端には、出力電流（以下、燃料電池電流と称する）Ｉｆを検出する燃料電池電流センサ（ＩＦＣ）３５、出力電圧（以下、燃料電池電圧と称する）Ｖｆを検出する燃料電池電圧センサ（ＶＦＣ）３６が設けられ、各検出信号が電力制御部１５に入力される。
さらに、燃料電池１１のプラス側出力端には、燃料電池接続スイッチ１６と逆接防止ダイオード１７が直列に接続され、その逆接防止ダイオード１７より下流側にキャパシタ１２、電装補機などの負荷、インバータ２が並列に接続されている。燃料電池接続スイッチ１６は、電力制御部１５によってオン、オフを制御される。

なお、キャパシタ１２のプラス側端子はキャパシタ接続スイッチ１８を介して、燃料電池１１のプラス側出力端の逆接防止ダイオード１７の下流側つまり負荷側に接続する。キャパシタ接続スイッチ１８は、電力制御部１５によってオン、オフを制御される。
キャパシタ１２には、充放電電流（以下、キャパシタ電流と称する）Ｉｃを検出するキャパシタ電流センサ（Ｉｃａｐ）３３および端子間電圧（以下、キャパシタ電圧と称する）Ｖｃを検出するキャパシタ電圧センサ（Ｖｃａｐ）３４が備えられ、これらのセンサの検出信号も電力制御部１５に入力される。

燃料電池１１またはキャパシタ１２から電力を供給されるモータ３以外の、電装補機で消費される電力を把握するために、負荷電流センサ（Ｉｌｏａｄ）３８と、負荷電圧センサ（Ｖｌｏａｄ）３９が設けられ、これらセンサの検出信号が電力制御部１５に入力される。

次に電気自動車の駆動制御を行うエネルギ制御部２２とモータ制御部２１の構成を説明する。
エネルギ制御部２２には、図示しないキースイッチのオン信号と、アクセルセンサ２３からのアクセルペダルの踏込み量に応じたアクセル信号と、車速センサ２４からの車輪速信号と、ブレーキセンサ２６からのブレーキ信号が入力される。なお、キースイッチがオフからオンになったとき、エネルギ制御部２２から電力制御部１５に燃料電池起動信号が出力される。
さらに、エネルギ制御部２２には電力制御部１５から、燃料電池接続スイッチ１６とキャパシタ接続スイッチ１８の接続状態に即した、そのときの燃料電池１１とキャパシタ１２の両方によってインバータ２に供給可能な電力レベルの信号が入力される。

エネルギ制御部２２は、インバータ２に供給可能な電力レベルを超えないように、アクセル信号に応じてモータ制御部２１に対してトルク指令を出力する。モータ制御部２１は、入力されたトルク指令に応じてモータ３がトルクを発生するように、インバータ２を制御する。
また、モータ制御部２１は、インバータ２を介して、モータ３の回転数、及びモータ３の電機子に印加される電圧と電機子に流れる電流に基づいて、インバータ２で必要とする所要電力を算出し、エネルギ制御部２２にインバータ２の所要電力レベルの信号を送る。
インバータ２は、角度センサ２５によりモータ３の図示しないロータの電気角を検知し、電気角に応じた３相の交流電圧をモータ３の図示しない電機子に出力し、モータ３の電機子に流れる電流を制御する。このときインバータ２は、ｑ軸電流とｄ軸電流とを互いに独立かつ高速に制御するベクトル制御によりモータ３の電機子に流れる電流を制御する。
そして、モータ３の駆動力は図示しないトランスミッションを介して駆動輪に伝達される。

図２はキャパシタ１２の構造を示す図である。キャパシタ１２はキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂと直並切換スイッチ３２Ａ、３２Ｂで構成される。直並切換スイッチ３２Ａ、３２Ｂは、電力制御部１５によって制御され、（ａ）の並列状態と、（ｂ）の直列状態に切換可能な構造である。キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂは、多数の図示省略のキャパシタセルを集め、所要の仕様に適合するようにキャパシタセルの電極端子同士を並列または直列に接続したものである。

次に、反応ガス供給部１３の構成と、燃料電池制御部１４による反応ガス供給部１３および燃料電池１１の制御の概要を説明する（特許文献１参照）。
反応ガス供給部１３は、空気極に所望の空気量を供給するためのエアコンプレッサ部４１と、空気極への空気供給量に比例して所要量の水素を供給する図示省略の水素タンクなどの機器により構成される。

燃料電池制御部１４には、電力制御部１５から目標供給電流値が入力され、この目標供給電流値になるように、燃料電池１１の空気極に空気を供給するエアコンプレッサ部４１に対して、回転数指令値を出力する。
エアコンプレッサ部４１が、目標供給電流値に応じた流量の空気を燃料電池１１の空気極に供給する。そしてこのとき、反応ガス供給部１３は、空気の供給量に応じて水素タンクから燃料電池１１の水素極へ水素を供給する。

燃料電池１１の空気極に供給される空気の圧力、量などの信号と、燃料電池１１の水素極に供給される水素の圧力、量などの信号が、反応ガス供給部１３から燃料電池制御部１４に入力される。さらに、燃料電池１１の燃料電池セル個々の状態信号が燃料電池制御部１４に入力される。
燃料電池制御部１４は、これらの信号から把握される燃料電池１１の状態を考慮して燃料電池１１から供給可能な電流の上限値を決定する。
得られた燃料電池１１から供給可能な電流の上限値は、電力制御部１５に出力され、電力制御部１５を介してさらにエネルギ制御部２２にも出力される。

次に、電力制御部１５の機能を説明する。
電力制御部１５は、負荷電流センサ（Ｉｌｏａｄ）３８と、負荷電圧センサ（Ｖｌｏａｄ）３９からの検出信号により、モータ３以外の電装補機で消費される電力を把握する。
そして、電力制御部１５は、燃料電池制御部１４から出力される燃料電池１１から供給可能な電流の上限値と、キャパシタ電圧Ｖｃを検出して、インバータ２で消費される電力とモータ３以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じた燃料電池１１の目標供給電流値を決定し、該目標供給電流値を指示する信号を燃料電池制御部１４に出力する。

また、電力制御部１５は、燃料電池１１の燃料電池電圧Ｖｆおよび燃料電池１１から供給可能な電流の上限値と、電装補機で消費される電力レベルの信号と、キャパシタ電圧Ｖｃにもとづき、燃料電池１１とキャパシタ１２によりインバータ２に供給可能な電力レベルの信号をエネルギ制御部２２に出力する。
電力制御部１５は、燃料電池接続スイッチ１６、キャパシタ接続スイッチ１８のオン、オフを制御し、燃料電池電源装置１またはキャパシタ１２からの負荷への給電、モータ３からの回生電流をキャパシタ１２に充電する制御を行う。
さらに、電力制御部１５は、燃料電池１１の起動後にキャパシタ１２の充放電状態に応じ、キャパシタ１２を負荷に接続するときのキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂの直列接続、並列接続を切換制御する。

燃料電池接続スイッチ１６、キャパシタ接続スイッチ１８、および直並切換スイッチ３２Ａ、３２Ｂの直列／並列切換制御について、図３から図５のフローチャートに基づいて説明する。
この制御は、エネルギ制御部２２と電力制御部１５において、プログラムとして処理される。

ステップ１０１では、キースイッチをオンすることによって、燃料電池制御部１４、電力制御部１５、モータ制御部２１、エネルギ制御部２２がオンし、エネルギ制御部２２が燃料電池起動信号を電力制御部１５に出力する。
ステップ１０２では、電力制御部１５は、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを図２の（ａ）に示すように並列接続状態にする。
その後、ステップ１０３では、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオンする。これにより、キャパシタ１２に充電されていた電力が、反応ガス供給部１３のエアコンプレッサ部４１などの電源補機に供給可能となる。

ステップ１０４では、電力制御部１５からの燃料電池起動信号によって、燃料電池制御部１４が電源補機を起動する。それによってステップ１０５では、燃料電池１１が起動する。
ステップ１０６では、電力制御部１５は、燃料電池１１が起動完了かどうかをチェックする。
電力制御部１５は、燃料電池電圧センサ３６の検出信号が所定値以上で、燃料電池制御部１４からの、燃料電池１１から供給可能な電流の上限値が、所定レベル以上のとき燃料電池１１が起動完了と判定し、そうでない場合はステップ１０６を繰り返す。

ステップ１０７では、電力制御部１５は、キャパシタ電圧Ｖｃが、燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０以上かどうかをチェックする。キャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０以上の場合は、ステップ１０８に進み、そうで無い場合はステップ１１１に進む。
ステップ１０８では、電力制御部１５は、燃料電池接続スイッチ１６をオンし、ステップ１０９に進み、車両走行許可の信号をエネルギ制御部２２に出力する。

ステップ１０９の後ステップ１１０に進み、通常制御状態となる。
通常制御状態では、キャパシタ１２と燃料電池１１は並列で、インバータ２と電源補機や、エアコン４２、１２Ｖ負荷４３と接続状態になり、キャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池電圧Ｖｆより高い場合は、キャパシタ１２からの電流は逆接防止ダイオード１７により、燃料電池１１への逆流は防止され、キャパシタ１２から負荷へ電力が供給される。また、燃料電池電圧Ｖｆの方が高くなれば、キャパシタ１２は自動的に燃料電池電圧Ｖｆまで充電される。

また、エネルギ制御部２２が、アクセル信号、車輪速信号、ブレーキ信号により車両の加速状態、コースト状態、減速状態を判定し、判定された車両の各状態とアクセル信号、車輪速信号、および電力制御部１５からのインバータ２に供給可能な電力レベルの信号、燃料電池１１から供給可能な電流の上限値等にもとづき、モータ制御部２１へトルク指令を発する。

モータ制御部２１は、トルク指令に応じたインバータ２の所要電力レベルの信号をエネルギ制御部２２へ送り返し、エネルギ制御部２２がインバータ２の所要電力レベルの信号を電力制御部１５に転送し、電力制御部１５および燃料電池制御部１４を介して燃料電池１１からの出力電流を制御する。
特に減速時には、エネルギ制御部２２は、モータ３の回生発電によるキャパシタ１２の充電のため、モータ制御部２１を介したインバータ２の回生発電制御を行う。

ステップ１０７からステップ１１１に進んだ場合は、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオフする。
ステップ１１２では、電力制御部１５は、キャパシタ電圧Ｖｃが、燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０の半値の電圧Ｖｆ１より高いかどうかチェックする。高い場合はステップ１１３に進み、以下の場合はステップ２０１に進む。
ステップ１１３では、電力制御部１５は、燃料電池接続スイッチ１６をオンし、ステップ１１４で、エネルギ制御部２２に車両走行許可信号を出力する。

これを受けて、エネルギ制御部２２は、アクセル信号と電力制御部１５からのインバータ２に供給可能な電力レベルの信号に応じて、モータ制御部２１にトルク指令を発し、モータ制御部２１からのインバータ２の所要電力レベルの信号を電力制御部１５に出力する。電力制御部１５は、インバータ２の所要電力および電装補機の消費電力を全て燃料電池１１から供給するよう、供給目標電流値を燃料電池制御部１４に指令し、燃料制御部１４が反応ガス供給部１３を制御する。
ステップ１１５では、電力制御部１５は、燃料電池１１が電力供給を開始して、燃料電池電圧Ｖｆが低下し、キャパシタ電圧Ｖｃと同じになったかどうかをチェックする。

図６は、縦軸が燃料電池電圧Ｖｆを、横軸が燃料電池電流Ｉｆを示した燃料電池の出力電流−電圧特性図である。
このように、開放電圧Ｖｆ０であった燃料電池１１は、負荷に接続されて燃料電池電流Ｉｆが増加すると、燃料電池電圧Ｖｆが低下する。なお、燃料電池車両の加速時などに、供給電流が増加すると燃料電池電圧Ｖｆが開放電圧Ｖｆ０の半値Ｖｆ１近くまで低下することは、高頻度で生じることである。
燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃと同じになったとき、ステップ１１６に進み、そうでない場合はステップ１１７に進む。
ステップ１１６では、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオンとし、ステップ１１０に進み、燃料電池電源装置１の通常制御状態となる。

ステップ１１７では、エネルギ制御部２２は、加速状態が続いているかどうかをチェックする。加速が続いているときはステップ１１５に戻り、燃料電池電圧Ｖｆの低下を待つ。
加速が続いて燃料電池電圧Ｖｆが、キャパシタ電圧Ｖｃに達する前に、加速が終わった場合は、ステップ１１８に進み、エネルギ制御部２２は、モータ制御部２１にｄ軸電流増加を指令し、ステップ１１５に戻る。

ｄ軸電流増加のインバータ制御により、モータ制御部２１は、モータ回転数−トルク特性に応じたＩｄ−Ｉｑマップにより算出されるＩｄ電流を増加させて、モータトルクをあまり増加させずにインバータ２での消費電力を増加させるので、燃料電池電圧Ｖｆはさらに低下する。
なお、Ｉｄ電流増加はモータトルクに若干影響するので、Ｉｑ電流の補正を合わせて行う。
この結果、ステップ１１５、１１７、１１８を繰り返す間に燃料電池電圧Ｖｆは、キャパシタ電圧Ｖｃと同じになり、ステップ１１６に進み、キャパシタ接続スイッチ１８がオンとなり、ステップ１１０の通常制御状態になる。

ステップ１１２からステップ２０１に進んだ場合は、電力制御部１５はキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを直列に切り換える。
これによって、並列の場合にキャパシタ電圧Ｖｃが、燃料電池の開放電圧の半値Ｖｆ１以下の場合も、直列接続によって半値Ｖｆ１より高くなる。

ステップ２０２では、電力制御部１５は、燃料電池接続スイッチ１６をオンとし、その後、ステップ２０３において、車両走行許可信号をエネルギ制御部２２に出力する。
これを受けて、エネルギ制御部２２は、アクセル信号と電力制御部１５からのインバータ２に供給可能な電力レベルの信号に応じて、モータ制御部２１にトルク指令を発し、モータ制御部２１からの所要電力信号を電力制御部１５に出力する。電力制御部１５は、所要電力を全て燃料電池１１から供給するよう、供給目標電流値を燃料電池制御部１４に指令し、燃料制御部１４が反応ガス供給部１３を制御する。
燃料電池電圧Ｖｆは、図６のように開放電圧Ｖｆ０から低下する。

ステップ２０４では、電力制御部１５は、燃料電池１１が電力供給を開始して、燃料電池電圧Ｖｆが低下し、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂが直列接続状態のキャパシタ１２のキャパシタ電圧Ｖｃと同じになったかどうかをチェックする。キャパシタ電圧Ｖｃと同じ電圧になったときステップ２０５に進み、そうでない場合はステップ２０４を繰り返す。
ステップ２０５では、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオンとする。
その後、運転者がアクセルを緩めると車両がコースト状態になり、キャパシタ１２が燃料電池１１からの電流により充電される。

コースト状態では、エネルギ制御部２２は、コースト状態の電力制御を電力制御部１５とモータ制御部２１に指令し、インバータ２の要求電力はほとんどゼロとなり、燃料電池電流Ｉｆは、キャパシタ１２を充電するに必要な電流だけとなり、キャパシタ１２の充電が進めば、キャパシタ電圧Ｖｃは増加し、燃料電池電流Ｉｆつまりキャパシタ電流Ｉｃは低下してくる。
キャパシタ１２への充電電流であるキャパシタ電流Ｉｃがゼロになるとき、燃料電池電圧Ｖｆは開放電圧Ｖｆ０に近い値となり、キャパシタ１２は、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂが直列状態で開放電圧Ｖｆ０近くまで充電される。

ステップ２０６では、エネルギ制御部２２は、アクセル信号、ブレーキ信号、車輪速信号にもとづき、車両がコースト状態かどうかをチェックし、さらに電力制御部１５はキャパシタ電流Ｉｃがゼロであるどうかをチェックする。
コースト状態でキャパシタ電流Ｉｃがゼロの場合はステップ２０７に進み、そうで無い場合はステップ２０６を繰り返す。

ステップ２０７では、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオフし、続いてステップ２０８において、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを図２の（ｂ）に示す直列状態から（ａ）に示す並列状態に切り換える。
並列状態に切り換えられた直後のキャパシタ電圧Ｖｃは、燃料電池１１の開放電圧の半値Ｖｆ１近くの値となる。
ステップ２０９では、エネルギ制御部２２は、アクセル信号、ブレーキ信号、車輪速信号から、車両の加速または減速を検知したか、またはそのいずれでもないかを判定する。
加速を検知した場合はステップ２１０に進み、減速を検知した場合はステップ２３１に進み、そのいずれでも無い場合はステップ２０９を繰り返す。

ステップ２１０では、電力制御部１５は、エネルギ制御部２２からの加速判定を受けて、燃料電池電圧Ｖｆが燃料電池電流Ｉｆの増加につれて低下するのを監視し、燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃと同じになったかどうかをチェックする。両者の電圧が同じになったときステップ１１６に進み、そうでないときはステップ２１１に進む。
ステップ２１１では、エネルギ制御部２２は、加速状態が続いているかどうかをチェックする。加速が続いているときはステップ２１０に戻り、燃料電池電圧Ｖｆの低下を待つ。
加速が続いて燃料電池電圧Ｖｆが、キャパシタ電圧Ｖｃに達する前に、加速が終わった場合は、ステップ２１２に進み、エネルギ制御部２２は、モータ制御部２１にｄ軸電流増加の制御を指令し、ステップ２１０に戻る。

ステップ２１０からステップ２１２を繰り返す間に、燃料電池電圧Ｖｆは、キャパシタ電圧Ｖｃと同じになり、ステップ１１６に進み、キャパシタ接続スイッチ１８がオンとなり、ステップ１１０の通常制御状態になる。

ステップ２０９で減速と判定され、ステップ２３１に進んだ場合、エネルギ制御部２２は電力制御部１５とモータ制御部２１に回生発電の制御指令を出す。
ステップ２３１では、電力制御部１５は回生発電の制御指令を受け、燃料電池接続スイッチ１６をオフし、その後ステップ２３２ではキャパシタ接続スイッチ１８をオンとする。
ステップ２３３では、モータ制御部２１がインバータ２を回生発電制御し、キャパシタ１２にインバータ２からの回生電流が充電される。

ステップ２３４では、電力制御部１５は、キャパシタ１２が充電されキャパシタ電圧Ｖｃが上昇するのを監視し、燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０達したかどうかをチェックする。キャパシタ電圧Ｖｃが開放電圧Ｖｆ０と同じになったときステップ２３５に進み、そうでないときはステップ２３６に進む。
ステップ２３５では、電力制御部１５は燃料電池接続スイッチ１６をオンし、ステップ１１０に進み、通常制御状態になる。
ステップ２３６では、エネルギ制御部２２は減速が続いているかどうかをチェックする。減速が続いている場合はステップ２３４に戻り、減速が続いてキャパシタ電圧Ｖｃが、燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０に達する前に、減速が終わった場合は、回生発電制御を終了し、ステップ２３７に進む。

ステップ２３７では、電力制御部１５は、キャパシタ接続スイッチ１８をオフし、続いてステップ２３８で、燃料電池接続スイッチ１６をオンする。
ステップ２３８の後ステップ２０９に戻り、加速による燃料電池電圧Ｖｆの低下により、燃料電池電圧Ｖｆとキャパシタ電圧Ｖｃが同じになるまで、または減速時の回生発電によるキャパシタ１２への充電に伴うキャパシタ電圧Ｖｃの上昇により、燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０とキャパシタ電圧Ｖｃが同じになるまで繰り返す。

以下に、燃料電池１１をキャパシタ１２からの電力供給によって起動し、その時点でキャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池の開放電圧Ｖｆ０の半値Ｖｆ１以下の場合の流れ（ステップ１０１〜１０７、続いてステップ１１１、１１２、２０１〜２１２、最後にステップ１１６）について、燃料電池１１およびキャパシタ１２の電圧、電流の挙動を、図７にもとづいて説明する。
図７の（ａ）は横軸が制御の時間経過を、縦軸がそのときのキャパシタ電流および燃料電池電流の変化を示し、（ｂ）は横軸が制御の時間経過を、縦軸がそのときのキャパシタ電圧および燃料電池電圧の変化を示す。

時刻ｔ０で燃料電池１１を起動するため、キャパシタ１２からの供給電力で電源補機を起動し、燃料電池１１を運転状態にもって行く（ステップ１０１〜１０６）。図７の（ａ）に示すようにキャパシタ電流Ｉｃが流れ、（ｂ）に示すようにキャパシタ電圧Ｖｃは低下する。

時刻ｔ１〜ｔ２の間で、ステップ１０７の判定によりステップ１１１、１１２、２０１、２０２と進む。つまり、ステップ１１１でキャパシタ接続スイッチ１８がオフされ、ステップ２０１でキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂは並列接続状態から直列接続状態に切り換えられる。
キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂが並列接続状態ではキャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池開放電圧Ｖｆ０の半値Ｖｆ１を下回っていたものが、直列接続状態に切り換わったことにより半値Ｖｆ１を上回る。

ステップ２０２において、燃料電池接続スイッチ１６がオンされ、負荷と接続される。
時刻ｔ２で車両走行許可となり、エネルギ制御部２２が運転者のアクセル踏み込みを検知して、所定のトルク指令値を演算し、モータ制御部２１はトルク指令値に応じてインバータ２を作動させ、モータ３に電流を供給する。
図７の（ａ）に示すようにモータ３への電流供給に応じて、燃料電池電流Ｉｆは増加し、（ｂ）に示すように燃料電池電圧Ｖｆは開放電圧Ｖｆ０から低下する。図６の燃料電池の出力電流−電圧特性が示すように、開放電圧の半値Ｖｆ１近くまで燃料電池電圧Ｖｆが低下する。
電力制御部１５は、燃料電池電圧Ｖｆを監視し、キャパシタ電圧Ｖｃと一致した時刻ｔ３において、キャパシタ接続スイッチ１８をオンとし、キャパシタ１２を負荷と接続する（ステップ２０４、２０５）。

負荷に接続されたキャパシタ１２は、負荷に電流を供給し始める。時刻ｔ４において運転者がアクセルを緩めると、エネルギ制御部２２はそれを検知して、トルク指令値をゼロとして、モータ制御部２１に出力する。いわゆるコースト状態に移行する。
燃料電池電流Ｉｆは、キャパシタ１２に充電される。図７の（ａ）に示すようにキャパシタ電流Ｉｃは充電を示すマイナス値となる。
燃料電池電圧Ｖｆは開放電圧Ｖｆ０まで上昇し、それに応じキャパシタ電圧ＶｃはほぼＶｆ０まで上昇する。
エネルギ制御部２２がコースト状態と判定し、電力制御部１５がキャパシタ電流Ｉｃはゼロと判定した時刻ｔ５において、キャパシタ接続スイッチ１８がオフとされ、負荷から切り離される（ステップ２０６、２０７）。

その後、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂは並列接続状態に切り換えられる（ステップ２０８）。その結果、キャパシタ電圧は図７の（ｂ）に示すようにほぼ燃料電池開放電圧の半値Ｖｆ１となる。
時刻ｔ６において、運転者が再びアクセルペダルを踏み込むと、燃料電池１１から電流がモータ３に供給され、燃料電池電圧Ｖｆが低下する。ここで、燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃと一致するまで低下する前に時刻ｔ７において加速が終了した場合（ステップ２１１からステップ２１２へ進んだ場合）、エネルギ制御部２２はモータ制御部２１に、ｄ軸電流増加の制御指令を出し、インバータ２の消費電流を増加させ、図７の（ｂ）に示すように燃料電池電圧Ｖｆをさらに低下するように制御する。

電力制御部１５は、燃料電池電圧Ｖｆを監視し、キャパシタ電圧Ｖｃ（この場合は開放電圧の半値Ｖｆ１）と一致したとき、キャパシタ接続スイッチ１８をオンとし（ステップ１１６）、通常制御状態に戻る。
なお、本フローチャートでは、ステップ２０６、２０７は、簡単のため車両が走行を開始して、最初のコースト状態でキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂが直列状態のキャパシタ１２は、燃料電池１１からの電流で開放電圧Ｖｆ０近くまで充電されるとしたが、開放電圧Ｖｆ０近くまで充電されない場合は、直列状態のキャパシタ１２のまま再び加速、減速などを繰り返し、エネルギ制御部２２からのトルク指令がゼロでキャパシタ電流がゼロのときにキャパシタ１２が負荷から切り離され、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを並列状態に切り換える。

本実施の形態のフローチャートにおけるステップ１０７、１１２、２０６、２３４は本発明の充放電状態検出手段を、ステップ１１５、２０４、２１０は燃料電池電圧検出手段を、ステップ１１８、２１２はｄ軸電流制御手段を構成する。

以上のように本実施の形態によれば、燃料電池とともにキャパシタを並列に負荷に接続した燃料電池電源装置において、燃料電池の起動電力をキャパシタに充電した電力でまかなう場合に、電流回路の燃料電池１１のプラス側出力端に設けた逆接防止ダイオード１７の負荷側で、キャパシタ接続スイッチ１８を介してキャパシタ１２のプラス側端子と接続し、燃料電池出力端子と逆接防止ダイオード１７の間に燃料電池接続スイッチ１６を配置しているので、燃料電池１１が起動完了した時点で、キャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０より低い場合でも、燃料電池接続スイッチ１６をオンにする前に、キャパシタ接続スイッチ１８をオフとし、負荷に燃料電池１１から電流を供給することができる。
従って、燃料電池１１を負荷に接続した直後に燃料電池１１からキャパシタ１２への過大な突入電流が生じ、電流回路のスイッチ接点が溶けたり、燃料電池１１の電解質膜の性能が劣化したりすることがない。

また燃料電池電圧センサ３６、キャパシタ電圧センサ３４によって電力制御部１５が燃料電池１１の出力電圧Ｖｆ、キャパシタ電圧Ｖｃを監視し、キャパシタ１２が負荷から切り離された状態で燃料電池１１から負荷への電流供給に応じて燃料電池電圧Ｖｆが低下して、キャパシタ電圧Ｖｃと一致したときにキャパシタ接続スイッチ１８をオンとし、燃料電池１１とキャパシタ１２が共に負荷に接続した通常状態の制御とするので、燃料電池１１からキャパシタ１２への突入電流の発生が防止される。

特に、上記のような燃料電池１１の起動完了後の時点で、キャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０より低く、燃料電池車両の走行開始電力を燃料電池１１からのみ供給し、走行開始の最初の加速で燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃまで一気に低下しない場合は、モータ制御部２１がインバータ２にｄ軸電流増加の制御を行って、インバータ２の消費電力を増加させ、燃料電池電圧Ｖｆをさらに一段低下させるので、車両の走行開始後の短時間の加速操作過程で、キャパシタ１２を負荷と接続可能にできる。

燃料電池１１の起動完了時点でキャパシタ電圧Ｖｃが、燃料電池開放電圧の半値Ｖｆ１以下の場合、キャパシタ１２を切り離してキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを並列接続状態から直列接続状態に切り換え、キャパシタ電圧Ｖｆを２倍に増加させ半値Ｖｆ１以上とするので、燃料電池１１の出力特性による燃料電池電圧Ｖｆの低下時に、キャパシタ１２を負荷および燃料電池に並列接続しやすくなる。

また、車両がコースト運転状態で、キャパシタ電流Ｉｃがゼロの状態で、キャパシタ１２を切り離し、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを直列接続状態から並列接続状態に切り換え、その後の加速時の燃料電池電圧Ｖｆのキャパシタ電圧Ｖｃまでの低下、または減速時のキャパシタ１２への回生発電による充電でキャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０まで上昇したときに、キャパシタ１２を負荷および燃料電池１１と接続するので、最終的にキャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂが通常の並列接続状態のキャパシタ１２の状態で、通常の燃料電池１１とキャパシタ１２の並列接続の制御状態に戻ることができる。

以上のように、燃料電池１１の起動のためキャパシタ１２の電力を使用することによって、燃料電池１１の起動完了時点の開放電圧Ｖｆ０より低いキャパシタ電圧Ｖｃとなった場合に、燃料電池１１を負荷に接続したときキャパシタ１２への過大な突入電流を抑制するため、従来燃料電池１１の出力端側に大容量のスイッチング素子を設ける代わりに、電力制御部１５により燃料電池接続スイッチ１６とキャパシタ接続スイッチ１８をオン、オフ制御することとしているので、これらのスイッチには汎用的なリレースイッチを用いることが可能である。
その結果、大容量のスイッチング素子による燃料電池電源装置のコストおよび重量の増大、スイッチング素子による定常な電力損失を生じない。

なお、本実施の形態のフローチャートのステップ１１５、２０４、２１０、２３４において、キャパシタ電圧Ｖｃと、燃料電池電圧Ｖｆまたは燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０とが一致したときとしたが、両者の差が所定の範囲内に入ったときとしても良い。
さらに、本実施の形態では電力制御部１５とエネルギ制御部２２は別のものとしたが、一つのマイクロコンピュータを用いたものでも良い。

本実施の形態で、燃料電池１１の起動後のキャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０未満で、開放電圧の半値Ｖｆ１以上のとき、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂは並列接続状態のまま、燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃまで低下するのを待って、キャパシタ１２を負荷および燃料電池１１と接続することとしたが、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを直列接続状態に切り換え、キャパシタ電圧Ｖｃを開放電圧Ｖｆ０より大きくして、キャパシタ１２を負荷および燃料電池１１と接続しても良い。
この場合、車両走行開始時の加速にキャパシタ１２からの出力電流を利用することができる。

その後車両のコースト状態でキャパシタ電流Ｉｃがゼロのとき、キャパシタ１２を切り離し、キャパシタ・モジュール３１ａ、３１ｂを並列状態に切り換え、その後の車両の加速時の燃料電池電圧Ｖｆのキャパシタ電圧Ｖｃまでの低下、または減速時の回生発電によるキャパシタ１２の充電によるキャパシタ電圧Ｖｃの開放電圧Ｖｆ０までの増加時に、キャパシタ１２と燃料電池１２が同時に負荷に並列接続している状態にする。

さらに、燃料電池１１の起動後のキャパシタ電圧Ｖｃが燃料電池１１の開放電圧Ｖｆ０未満で、開放電圧の半値Ｖｆ１以上のとき、ステップ１１５において最初の加速で燃料電池電圧Ｖｆがキャパシタ電圧Ｖｃにまで低下しなかった場合、モータ制御部２１にｄ軸電流増加の制御をさせて、燃料電池電圧Ｖｆをもう一段低下させる代わりに、その後の減速時の回生発電によるキャパシタ１２への充電によるキャパシタ電圧の増加、加速時の燃料電池電圧Ｖｆの低下を監視し、キャパシタ電圧Ｖｃの開放電圧Ｖｆ０までの増加時または燃料電池電圧Ｖｆのキャパシタ電圧Ｖｃまでの低下時に、キャパシタ１２と燃料電池１２が同時に負荷に並列接続している状態にしても良い。

本発明の実施の形態の構成を示す図である。 キャパシタ・モジュールの接続状態を示す図である。 キャパシタと燃料電池の負荷への接続制御の流れを示すフローチャートである。 キャパシタと燃料電池の負荷への接続制御の流れを示すフローチャートである。 キャパシタと燃料電池の負荷への接続制御の流れを示すフローチャートである。 燃料電池の出力電流―電圧特性を示す図である。 キャパシタ過放電後の再接続を説明する図である。

符号の説明

１ 燃料電池電源装置
２ インバータ
３ モータ
１１ 燃料電池
１２ 電気二重層キャパシタ
１３ 反応ガス供給部
１４ 燃料電池制御部
１５ 電力制御部
１６ 燃料電池接続スイッチ
１７ 逆接防止ダイオード
１８ キャパシタ接続スイッチ
２１ モータ制御部
２２ エネルギ制御部
２３ アクセルセンサ
２４ 車速センサ
２５ 角度センサ
２６ ブレーキセンサ
３１ａ、３１ｂ キャパシタ・モジュール
３２Ａ、３２Ｂ 直並切換スイッチ
３３ キャパシタ電流センサ
３４ キャパシタ電圧センサ
３５ 燃料電池電流センサ
３６ 燃料電池電圧センサ
３８ 負荷電流センサ
３９ 負荷電圧センサ
４１ エアコンプレッサ部
４２ エアコン
４３ １２Ｖ負荷

Claims (7)

1. 燃料電池と、前記燃料電池と並列に負荷に電流回路で接続されたキャパシタと、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、目標供給電力信号に基づいて前記反応ガス供給部から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を制御する燃料電池制御部と、前記負荷の要求電力に応じて前記燃料電池制御部に前記目標供給電力信号を出力する電力制御部と、前記電流回路に前記キャパシタから前記燃料電池への電流の逆流を阻止するために挿入配置された逆接防止ダイオードとを備え、前記キャパシタは、前記燃料電池の起動電力を供給する燃料電池電源装置において、
   前記逆接防止ダイオードの負荷側に前記キャパシタの一方の端子側がキャパシタ接続スイッチを介して接続するように構成され、
   前記電力制御部は、前記キャパシタの充放電状態を検出する充放電状態検出手段と、前記燃料電池の出力電圧を検出する燃料電池電圧検出手段とを有し、
   前記燃料電池起動後に前記充放電状態検出手段が前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、前記キャパシタ接続スイッチをオフとし、前記燃料電池で負荷の車両駆動用のモータに電力を供給し、燃料電池の出力電圧が低下して、前記キャパシタの電圧に近づいたとき、前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする燃料電池電源装置。
2. 前記車両駆動用のモータは、モータ制御部からのトルク指令を受けて制御されるインバータによって駆動され、
   前記モータ制御部は、通常のモータのトルク制御の外に、前記モータの出力トルクをトルク指令に合わせつつ界磁電流をより多く消費する制御をするｄ軸電流制御手段を有し、
   前記電力制御部は、
   前記燃料電池起動後に前記充放電状態検出手段が前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、前記キャパシタ接続スイッチをオフとし、前記燃料電池で負荷の車両駆動用のモータに電力を供給し、
   必要に応じ前記モータ制御部のｄ軸電流制御手段により所望の燃料電池の出力電圧まで低下させ、前記キャパシタの電圧に近づいたとき、前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
3. 前記電流回路は、前記逆接防止ダイオードと前記燃料電池との間に燃料電池接続スイッチを備え、
   前記電力制御部は、
   前記燃料電池起動後に前記充放電状態検出手段が前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、前記燃料電池で負荷の車両駆動用のモータを駆動し、
   回生発電時に、前記燃料電池接続スイッチをオフかつ前記キャパシタ接続スイッチをオンとし、前記キャパシタを回生発電で充電し、キャパシタの電圧が燃料電池の開放電圧に近づいたとき、前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池電源装置。
4. 前記キャパシタは、直列接続と並列接続に切換可能な構成の複数のキャパシタからなり、
   前記燃料電池起動後に、前記充放電状態検出手段が、前記複数のキャパシタの並列接続状態における前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、前記電力制御部は前記キャパシタ接続スイッチのオフ状態で、前記複数のキャパシタを直列接続状態に切り換え、その後前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載燃料電池電源装置。
5. 前記複数のキャパシタの直列接続状態において、前記キャパシタと前記燃料電池とが、前記負荷に並列に電気接続している場合、
   前記充放電状態検出手段がキャパシタ電流のゼロの状態を検出したとき、前記電力制御部は、前記キャパシタ接続スイッチをオフとし、前記複数のキャパシタを並列接続状態に切り換えて、
   前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を上回っているときは前記キャパシタ接続スイッチをオンとし、
   前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧より低いときは、前記燃料電池で負荷に電力を供給し、燃料電池の出力電圧が低下して、前記キャパシタの電圧に近づいたとき、前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電源装置。
6. 前記複数のキャパシタの直列接続状態において、前記キャパシタと前記燃料電池とが、前記負荷に並列に電気接続している場合、
   前記充放電状態検出手段がキャパシタ電流のゼロの状態を検出したとき、前記電力制御部は、前記キャパシタ接続スイッチをオフとし、前記複数のキャパシタを並列接続状態に切り換えて、
   前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧を上回っているときは前記キャパシタ接続スイッチをオンとし、
   前記キャパシタの電圧が前記燃料電池の開放電圧より低いときは、前記燃料電池で負荷の車両駆動用のモータを駆動し、
   回生発電時に、前記燃料電池接続スイッチをオフかつ前記キャパシタ接続スイッチをオンとし、前記キャパシタを回生発電で充電し、キャパシタの電圧が燃料電池の開放電圧に近づいたとき、前記キャパシタ接続スイッチをオンとすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電源装置。
7. 燃料電池と、前記燃料電池と並列に負荷に電流回路で接続されたキャパシタと、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、目標供給電力信号に基づいて前記反応ガス供給部から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を制御する燃料電池制御部と、前記負荷の要求電力に応じて前記燃料電池制御部に前記目標供給電力信号を出力する電力制御部と、前記電流回路に前記キャパシタから前記燃料電池への電流の逆流を阻止するために挿入配置された逆接防止ダイオードとを備え、前記キャパシタは、前記燃料電池の起動に必要な起動電力を供給する燃料電池電源装置のキャパシタ接続制御方法であって、
   前記燃料電池起動後に前記キャパシタのキャパシタ電圧が前記燃料電池の開放電圧を下回ったことを検出した場合は、前記キャパシタを切り離し、前記燃料電池で前記負荷に電力を供給し、前記燃料電池の出力電圧が低下して、キャパシタ電圧に近づいたとき、前記キャパシタを燃料電池および負荷に接続することを特徴とする燃料電池電源装置のキャパシタ接続制御方法。

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