JP2010003503A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の劣化又は破損を防止することができるハイブリッド型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＶＣＵ７７のコンバータＥＣＵ７６がＶ２制御モード（２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ７４を動作させるモード）で動作していないとき、アシスト出力Ｐａｓｉ（バッテリユニット６０の現在の出力）とＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ（ＦＣ４２の許容最大出力）との和から第１補機消費電力Ｐａｕ１（エアコンプレッサ４６の消費電力）を差し引いた値以下になるようにモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定する。これにより、バッテリユニット６０の出力の不足分をＦＣ４２がＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超えて補うことを避け、ＦＣ４２の劣化又は破損を防止することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池と蓄電装置により負荷に電力を供給する燃料電池システムに関する。より詳細には、前記負荷への電力供給を制御することにより、前記燃料電池の過度の出力に伴う劣化又は破損を防止する燃料電池システムに関する。

複数の電力源を組み合わせて負荷への電力供給を行ういわゆるハイブリッド型の電力システムが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。特許文献１は、エンジンにより駆動される発電機と、蓄電装置としてのバッテリとを組み合わせた電力システムであり、特許文献２は、燃料電池と蓄電装置とを組み合わせた電力システムである。

特許文献１では、バッテリの過放電の防止等のため、バッテリの最大出力と発電機の実際の出力の和を超えないように、走行モータ（負荷）のトルクを制御する（特許文献１の要約参照）。

特開２０００−１６６００９号公報 特開２００５−１６６５８２号公報

特許文献１に記載されるような、エンジンにより駆動される発電機（すなわち、機械的な電力源）であれば、エンジン回転数に応じて電力が供給される。このため、車両駆動用のモータの要求出力が、発電機の供給電力を超えても、発電機はそれ以上の電力を供給し得ない。これに対し、特許文献２に記載されるような燃料電池は、その出力特性より、モータの要求出力（負荷の要求電力）に応じて供給電力が変化し、モータの要求出力が燃料電池の許容最大出力（定格電力）を超えると、当該許容最大出力を上回る電力を供給してしまう。このため、モータの要求出力次第では、燃料電池は過度の出力を行い、燃料電池の劣化又は破損につながってしまう。

また、上記の内容は、負荷が車両駆動用のモータの場合に限られず、それ以外の負荷についても該当する。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化又は破損を防止することができるハイブリッド型の燃料電池システムを提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、負荷への電力供給を行う燃料電池と、前記燃料電池と並列に前記負荷に接続され、前記負荷に電力供給を行う蓄電装置と、前記負荷と前記蓄電装置との間に配置され、前記蓄電装置の出力電圧を変換することで前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を変化させ、前記燃料電池から前記負荷への供給電力を制御する電圧変換部と、前記負荷の消費電力を制御する負荷制御部と、を備えるものであって、前記負荷制御部は、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御しているとき、前記燃料電池の実際の出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の許容最大出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限し、且つ、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限することを特徴とする。

この発明によれば、電圧変換部が燃料電池と負荷の間の電圧を制御していないとき、すなわち、蓄電装置又は電圧変換部がその許容最大出力を出力しない可能性があるとき、燃料電池の許容最大出力と蓄電装置又は電圧変換部の実際の出力との和以下になるように負荷の消費電力を制限する。これにより、蓄電装置又は電圧変換部の出力の不足分を燃料電池がその許容最大出力を超えて補うことを避け、燃料電池の劣化又は破損を防止することができる。また、電圧変換部が燃料電池と負荷の間の電圧を制御している場合と制御していない場合とで、負荷の消費電力の制限方法を切り替えるため、燃料電池からの出力と蓄電装置又は電圧変換部からの出力とを好適に制御することができる。

前記負荷は、例えば、車両駆動用のモータとすることができる。これにより、電圧変換部が燃料電池と負荷の間の電圧を制御していない場合でも、燃料電池と蓄電装置又は電圧変換部とから最大限の電力を供給可能となるため、モータのトルクが必要以上に低減されることを回避し、ドライバビリティを向上させることができる。

前記燃料電池システムは、さらに、前記モータと前記燃料電池又は前記蓄電装置との間から電力供給を受ける補機を備え、前記負荷制御部は、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記モータの間の電圧を制御しているとき、前記燃料電池の実際の出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の許容最大出力との和から前記補機の消費電力を差し引いた値以下になるように前記負荷の消費電力を制限し、又は、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記モータの間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力との和から前記補機の消費電力を差し引いた値以下になるように前記負荷の消費電力を制限してもよい。これにより、モータと燃料電池又は蓄電装置との間から電力供給を受ける補機を設けた場合でも、当該補機の消費電力を確保し、燃料電池及び蓄電装置をより確実に保護することができる。

前記補機には、前記燃料電池にエアを供給するエアコンプレッサを含めてもよい。これにより、消費電力が比較的大きいエアコンプレッサの消費電力を確保し、エアコンプレッサを安定して駆動することができると共に、燃料電池及び蓄電装置をより確実に保護することができる。

前記負荷制御部は、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御しているとき又は前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池、前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力がその許容最大出力よりも高ければ、前記実際の出力の代わりに前記許容最大出力を用いて前記負荷の消費電力を制限することができる。これにより、燃料電池、蓄電装置又は電圧変換部の実際の出力が、過渡的にその許容最大出力より高くなったとしても、燃料電池又は蓄電装置を保護することができる。

この発明に係る燃料電池システムは、負荷への電力供給を行う燃料電池と、前記燃料電池と並列に前記負荷に接続され、前記負荷に電力供給を行う蓄電装置と、前記負荷の消費電力を制御する負荷制御部と、を備えるものであって、前記負荷制御部は、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置の実際の出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の許容最大出力と蓄電装置の実際の出力との和以下になるように負荷の消費電力を制限する。これにより、蓄電装置の出力の不足分を燃料電池がその許容最大出力を超えて補うことを避け、燃料電池の劣化及び破損を防止することができる。

この発明によれば、電圧変換部が燃料電池と負荷の間の電圧を制御していないとき、すなわち、蓄電装置又は電圧変換部がその許容最大出力を出力しない可能性があるとき、燃料電池の許容最大出力と蓄電装置又は電圧変換部の実際の出力との和以下になるように負荷の消費電力を制限する。これにより、蓄電装置又は電圧変換部の出力の不足分を燃料電池がその許容最大出力を超えて補うことを避け、燃料電池の劣化又は破損を防止することができる。また、電圧変換部が燃料電池と負荷の間の電圧を制御している場合と制御していない場合とで、負荷の消費電力の制限方法を切り替えるため、燃料電池からの出力と蓄電装置又は電圧変換部からの出力とを好適に制御することができる。

Ａ．一実施形態
１．燃料電池車両１０の構成
（１）全体構成
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」とも称する。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」とも称する。）の回路図である。ＦＣ車両１０は、基本的には、モータユニット２０と、ＦＣユニット４０と、バッテリユニット６０と、統括制御部８０｛以下「統括ＥＣＵ８０」（ＥＣＵ：Electric Control Unit）とも称する。｝とを有する。これらの構成要素のうち、ＦＣユニット４０と、バッテリユニット６０と、統括ＥＣＵ８０とによりＦＣシステム１２を構成する。

モータユニット２０は、ＦＣ車両１０の力行時には、駆動用のモータ２２を用いてＦＣ車両１０の走行駆動力を生成し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ２２が発生した回生電力（モータ回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリユニット６０に供給する。

ＦＣユニット４０は、ＦＣ車両１０の力行時には、モータユニット２０に対して燃料電池４２（以下「ＦＣ４２」とも称する。）が発生した出力（ＦＣ発電出力Ｐｆｃ）［Ｗ］を供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、ＦＣ発電出力Ｐｆｃをバッテリユニット６０に供給する。

バッテリユニット６０は、ＦＣ車両１０の力行時には、エネルギストレージである蓄電装置６２（以下「バッテリ６２」とも称する。）からの出力電力（バッテリ出力電力Ｐｂａｔ）［Ｗ］をモータユニット２０に対して供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ回生電力Ｐｒｅｇ及びＦＣ発電出力Ｐｆｃをバッテリ６２に蓄電する。

統括ＥＣＵ８０は、モータユニット２０、ＦＣユニット４０及びバッテリユニット６０を制御する。

（２）モータユニット２０
モータユニット２０は、モータ２２に加え、パワー・ドライブ・ユニット２４（以下「ＰＤＵ２４」とも称する。）と、減速機２６と、シャフト２８と、車輪３０と、モータ制御部３２｛以下「モータＥＣＵ３２」とも称する。｝とを備える。

ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の力行時において、ＦＣ４２からの発電電流（ＦＣ発電電流Ｉｆ）［Ａ］及びバッテリ６２からの出力電流（バッテリ出力電流Ｉｂａｔ）［Ａ］とを直流／交流変換し、モータ２２を駆動する電流（モータ駆動電流Ｉｍｄ）［Ａ］としてモータ２２に供給する。このモータ駆動電流Ｉｍｄの供給に伴うモータ２２の回転は、減速機２６、シャフト２８を通じて車輪３０に伝達される。

また、ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の回生時において、モータ２２からの回生電流（モータ回生電流Ｉｍｒ）を交流／直流変換し、バッテリ充電電流Ｉｂｃとしてバッテリユニット６０に供給する。このバッテリ充電電流Ｉｂｃの供給によりバッテリ６２が充電される。

モータＥＣＵ３２は、統括ＥＣＵ８０からの指令に基づいてモータ２２及びＰＤＵ２４の動作を制御する。

（３）ＦＣユニット４０
ＦＣユニット４０は、ＦＣ４２に加え、水素タンク４４と、エアコンプレッサ４６と、ＦＣ制御部４８（以下「ＦＣ ＥＣＵ４８」とも称する。）と、逆流防止用のダイオード５０と、電圧センサ５２と、電流センサ５４とを有する。

ＦＣ４２は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。ＦＣ４２には、水素タンク４４とエアコンプレッサ４６が配管により接続されている。水素タンク４４内の加圧水素は、ＦＣ４２のアノード電極に供給される。また、エアコンプレッサ４６により空気がＦＣ４２のカソード電極に供給される。水素タンク４４及びエアコンプレッサ４６の動作は、ＦＣ ＥＣＵ４８により制御される。ＦＣ４２内で反応ガスである水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）の電気化学反応によりＦＣ発電電流Ｉｆが生成される。ＦＣ発電電流Ｉｆは、電流センサ５４及びダイオード５０を介し、ＦＣ車両１０の力行時にはＰＤＵ２４に供給され、回生時にはバッテリユニット６０に供給される。電流センサ５４で検出されたＦＣ発電電流Ｉｆは、通信線８２を介して統括ＥＣＵ８０に出力される。また、ＦＣ４２の発電電圧（ＦＣ発電電圧Ｖｆ）［Ｖ］は、ＦＣ４２とダイオード５０との間に配置された電圧センサ５２で検出され、通信線８２を介してＦＣ ＥＣＵ４８及び統括ＥＣＵ８０に出力される。

エアコンプレッサ４６は、モータユニット２０と、ＦＣ４２及びバッテリユニット６０との間に配置され、モータユニット２０、ＦＣ４２及びバッテリユニット６０のいずれからも電力供給が可能に構成されている。

なお、図１では図示していないが、図示しない電圧センサによりＦＣ４２の各セルの出力電圧が検出され、その検出値は、ＦＣ ＥＣＵ４８及び統括ＥＣＵ８０に通知される。

（４）バッテリユニット６０
バッテリユニット６０は、バッテリ６２に加え、電圧センサ６４、６６と、電流センサ６８、７０と、バッテリ制御部７２（以下「バッテリＥＣＵ７２」とも称する。）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４及びコンバータ制御部７６（以下「コンバータＥＣＵ７６」とも称する。）からなるＶＣＵ７７（ＶＣＵ：Voltage Control Unit）と、ダウンバータ７８と、補機７９とを有する。

バッテリ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の１次側１Ｓに接続されており、例えばリチウムイオン２次電池やニッケル水素２次電池又はキャパシタを利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。電圧センサ６４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を検出し、通信線８２に出力する。電圧センサ６６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］を検出し、通信線８２に出力する。電流センサ６８は、１次側１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）を検出し、通信線８２に出力する。電流センサ７０は、２次側２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）を検出し、通信線８２に出力する。

バッテリＥＣＵ７２は、バッテリ６２の温度や電圧（バッテリ電圧Ｖｂａｔ）［Ｖ］などを監視し、異常を検出した場合には、充放電の制限や停止によりバッテリ６２を保護する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７４は、いわゆるチョッパ方式の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータであり、力行時には、１次電圧Ｖ１を昇圧して２次側２Ｓに供給し、回生時には、２次電圧Ｖ２を降圧して１次側１Ｓに供給する。すなわち、モータ２２が発生した回生電圧（モータ回生電圧Ｖｒｅｇ）［Ｖ］又はＦＣ４２のＦＣ発電電圧Ｖｆに基づく２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ７４により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１によりバッテリ６２を充電する。

コンバータＥＣＵ７６は、統括ＥＣＵ８０からの指令並びに電圧センサ６４、６６及び電流センサ６８、７０の検出値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４を制御する。コンバータＥＣＵ７６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の動作により２次電圧Ｖ２を変化させることでＦＣ発電電流Ｉｆを制御することができる。

ダウンバータ７８は、１次電圧Ｖ１を降圧し、エアコンディショナ、ランプ等の補機７９に供給する。

（５）統括ＥＣＵ８０
統括ＥＣＵ８０は、モータ２２の要求出力（モータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑ）［Ｗ］やＦＣユニット４０（エアコンプレッサ４６等）の要求電力に基づいて、モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６を制御する。すなわち、ＦＣシステム１２がモータユニット２０に供給する電力（モータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐ）［Ｗ］を算出し、このモータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐを実現するようＦＣシステム１２を動作させる。なお、統括ＥＣＵ８０は、その他のＥＣＵを制御してもよい。

統括ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している。モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６も同様である。

統括ＥＣＵ８０と、モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６とは、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信線８２を通じて相互に接続されている。これらの制御部は、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

（６）その他
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、上述した電圧センサ５２、６４、６６、電流センサ５４、６８、７０の他、通信線８２に接続されるイグニッションスイッチ９０、アクセルセンサ９２、ブレーキセンサ９４、及び車速センサ９６等がある。

２．各種制御／処理
（１）モータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐの算出処理
図２には、ＦＣシステム１２がモータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐを算出するフローチャートが示されている。

ステップＳ１において、ＦＣ車両１０が力行状態のとき、統括ＥＣＵ８０は、アクセルセンサ９２が検出したアクセルペダル（図示せず）の踏込量に応じてモータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑを算出する。ステップＳ２において、統括ＥＣＵ８０は、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ［Ｗ］を算出する。モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍは、モータ２２の許容最大出力、換言すると、ＦＣシステム１２がモータユニット２０（モータ２２）に供給可能な許容最大出力を示す。モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍの算出処理については後述する。

ステップＳ３において、統括ＥＣＵ８０は、モータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑがモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ以下であるかどうかを判定する。モータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑがモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ以下である場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ４において、統括ＥＣＵ８０は、モータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑをそのままモータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐとして設定する。モータ要求出力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑがモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを超える場合（Ｓ３：Ｎｏ）、ステップＳ５において、統括ＥＣＵ８０は、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍをモータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐとして設定する。

なお、統括ＥＣＵ８０は、モータ供給電力Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐ及びモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを車輪３０の回転数［ｒｐｍ］で割ることによりトルク指令値及びトルク制限値を演算し、当該トルク指令値及びトルク制限値をモータユニット２０のＰＤＵ２４及びモータＥＣＵ３２に通知する。

（２）モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍの算出処理
図３には、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍの算出処理（図２のＳ２）のフローチャートが示されている。

ステップＳ１１において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ７７のコンバータＥＣＵ７６が、２次電圧Ｖ２を制御しているかどうか（Ｖ２制御モードで動作中であるかどうか）を判定する。コンバータＥＣＵ７６が、Ｖ２制御モードで動作中であるかどうかは、例えば、統合ＥＣＵ８０からコンバータＥＣＵ７６に通知された２次電圧Ｖ２の指令値（２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍ）と、実際の２次電圧Ｖ２とが一致しているかどうかにより判定する。或いは、コンバータＥＣＵ７６から統合ＥＣＵ８０に対し、現在の動作モードを通知することにより判定することもできる。

コンバータＥＣＵ７６におけるＶ２制御モードは、２次電圧Ｖ２の目標値（２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒ）を設定し、２次電圧Ｖ２が２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒと一致するように、１次電圧Ｖ１を昇圧する制御である。なお、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒは、統括ＥＣＵ８０からの２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍに基づくフィードフォーワード制御と、いわゆるＰＩＤ制御（比例・積分・微分制御）に基づくフィードバック制御とを組み合わせることにより算出される。

また、Ｖ２制御モード以外のコンバータＥＣＵ７６の動作モードとしては、Ｉ１制御モードとＶ１制御モードとが設定されている。Ｉ１制御モード及びＶ１制御モードは、統括ＥＣＵ８０からの２次電圧指令値Ｖ２ｃｏｍにかかわらず、コンバータＥＣＵ７６が独自に行う制御である。すなわち、コンバータＥＣＵ７６がＩ１制御モード及びＶ１制御モードで動作している場合、コンバータＥＣＵ７６は、２次電圧Ｖ２を制御対象とするのではなく、それ以外（１次電流Ｉ１又は１次電圧Ｖ１）を制御対象とする。換言すると、コンバータＥＣＵ７６は、２次電圧目標値Ｖ２ｔａｒを設定するのではなく、後述する１次電流目標値Ｉ１ｔａｒ又は１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒを設定する。

Ｉ１制御モードは、例えば、１次側１Ｓに過電流が発生した場合、すなわち、電流センサ６８で検出された１次電流Ｉ１が、過電流の発生を示す閾値（過電流閾値ＴＨｏｃ）［Ａ］を超えている場合、１次電流Ｉ１を過電流閾値ＴＨｏｃ以下になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ７４を動作させる制御である。すなわち、Ｉ１制御モードでは、１次電流Ｉ１の目標値（１次電流目標値Ｉ１ｔａｒ）を設定し、電流センサ６８で検出される１次電流Ｉ１を１次電流目標値Ｉ１ｔａｒ以下に制限するようにＤＣ／ＤＣコンバータ７４を制御する。

Ｖ１制御モードは、例えば、バッテリ６２から供給するバッテリ出力電流Ｉｂａｔの制御等を目的として、１次電圧Ｖ１の目標値（１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒ）を設定し、電圧センサ６４で検出される１次電圧Ｖ１を１次電圧目標値Ｖ１ｔａｒと一致させるようにＤＣ／ＤＣコンバータ７４を制御する。

図３に戻り、ステップＳ１１において、コンバータＥＣＵ７６がＶ２制御モードで動作中である場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１２において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘ［Ｗ］を算出する。アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘは、バッテリユニット６０から供給可能な許容最大出力（定格出力）である。アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘの算出方法については図４を参照して後述する。

ステップＳ１３において、統括ＥＣＵ８０は、現在のＦＣ発電出力Ｐｆｃを算出する。ＦＣ発電出力Ｐｆｃは、例えば、ＦＣ４２の各セルに設けた図示しない電圧センサ及び電流センサの検出値に基づいて求めることができる。或いは、電圧センサ５２で検出した電圧（３次電圧Ｖ３）［Ｖ］及び電流センサ５４で検出した電流（３次電流Ｉ３）に基づいて算出することもできる。なお、ＦＣ発電出力Ｐｆｃは、ゼロであってもよい。ＦＣ発電出力Ｐｆｃがゼロになる場合とは、例えば、ＦＣ４２をＦＣシステム１２に接続するための図示しないコンタクタを開いた場合である。前記コンタクタを開く場合としては、例えば、ＦＣ車両１０の起動時等、ＦＣ４２における発電が十分でない場合、ＦＣ４２の故障によりＦＣ４２からの電力供給が正常に行えない場合がある。

続くステップＳ１４において、統括ＥＣＵ８０は、ＦＣ４２の現在の許容最大出力（ＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ）［Ｗ］を算出する。本実施形態において、ＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘは、ＦＣ４２に供給されている水素及び空気の量に基づいて算出する。水素及び空気の量は、図示しない水素流量センサ及び空気流量センサの値に基づいて検出される。或いは、水素の量と空気の量を関連付けて制御している場合、一方の量のみを検出することで両方の量を検知することもできる。また、水素及び空気の量以外に、ＦＣ４２を構成する各セルの電圧及び電流を検出し、その合計をＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとすることもできる。さらに、モータ２２の定格電圧又は最低動作電圧に達する出力と補機としてのエアコンプレッサ４６の最低動作電圧に達する出力との和をＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘに設定することもできる。

ステップＳ１５において、統括ＥＣＵ８０は、補機としてのエアコンプレッサ４６の消費電力（第１補機消費電力Ｐａｕ１）［Ｗ］を算出する。第１補機消費電力Ｐａｕ１は、エアコンプレッサ４６に設置した図示しない電流センサや電圧センサから計測する。或いは、エアコンプレッサ４６の動作状況に応じて判定することもできる。例えば、エアコンプレッサ４６のエア供給圧力や回転数に基づいて求めた予想消費電力であってもよい。

ステップＳ１６において、統括ＥＣＵ８０は、ＦＣ発電出力ＰｆｃがＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超えているかどうかを判定する。これにより、ＦＣ４２において過電流が発生しているかどうかを判定することができる。ＦＣ発電出力ＰｆｃがＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ以下である場合（Ｓ１６：Ｎｏ）、ステップＳ１７において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘとＦＣ発電出力Ｐｆｃとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値をモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍとして設定する（Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ←Ｐａｓｉ＿ｍａｘ＋Ｐｆｃ−Ｐａｕ１）。ＦＣ発電出力ＰｆｃがＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超える場合（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、ステップＳ１８において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘとＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値をモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍとして設定する（Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ←Ｐａｓｉ＿ｍａｘ＋Ｐｆｃ＿ｍａｘ−Ｐａｕ１）。これにより、ＦＣ４２に過電流が発生している場合でも、ＦＣ４２の劣化や破損を防止することができる。

ステップＳ１１に戻り、コンバータＥＣＵ７６がＶ２制御モードで動作中でない場合（Ｓ１１：Ｎｏ）、ステップＳ１９において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト出力Ｐａｓｉ［Ｗ］を算出する。アシスト出力Ｐａｓｉは、バッテリユニット６０の現在の出力である。なお、アシスト出力Ｐａｓｉは、ゼロであってもよい。アシスト出力Ｐａｓｉがゼロになる場合とは、例えば、バッテリ６２をＦＣシステム１２に接続するための図示しないコンタクタを開いた場合である。前記コンタクタを開く場合としては、例えば、バッテリ６２の故障によりバッテリ６２からの電力供給が正常に行えない場合や、ＰＤＵ２４の故障によりＦＣ車両１０の回生時にバッテリ６２に充電する電圧が制御できなっている場合がある。

ステップＳ２０〜Ｓ２２において、統括ＥＣＵ８０は、ステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１５と同様の処理で、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘ、ＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ及び第１補機消費電力Ｐａｕ１を算出する。

ステップＳ２３において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト出力Ｐａｓｉがアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘを超えているかどうかを判定する。これにより、バッテリ６２において過放電が発生しているかどうかを判定することができる。アシスト出力Ｐａｓｉがアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘ以下である場合（Ｓ２３：Ｎｏ）、ステップＳ２４において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト出力ＰａｓｉとＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値をモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍとして設定する（Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ←Ｐａｓｉ＋Ｐｆｃ＿ｍａｘ−Ｐａｕ１）。アシスト出力Ｐａｓｉがアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘを超える場合（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、ステップＳ２５において、統括ＥＣＵ８０は、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘとＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値をモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍとして設定する（Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍ←Ｐａｓｉ＋Ｐｆｃ＿ｍａｘ−Ｐａｕ１）。これにより、バッテリ６２に過放電が発生している場合でも、バッテリ６２の劣化や破損を防止することができる。

（３）アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘの算出処理
図４には、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘの算出処理｛図３のＳ１２（及びＳ２０）｝のフローチャートが示されている。ステップＳ３１において、統括ＥＣＵ８０は、バッテリ６２の現在の許容最大出力であるバッテリ許容最大出力Ｐｂａｔ＿ｍａｘ［Ｗ］を算出する。バッテリ許容最大出力Ｐｂａｔ＿ｍａｘは、例えば、バッテリ６２の定格出力とすることができる。或いは、モータ２２の定格電圧又は最低動作電圧に達する出力と補機７９の最低動作電圧に達する出力との和をＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘに設定することもできる。

続くステップＳ３２において、統括ＥＣＵ８０は、補機７９の消費電力（第２補機消費電力Ｐａｕ２）［Ｗ］を算出する。第２補機消費電力Ｐａｕ２は、補機７９に設置した図示しない電流センサや電圧センサから計測する。或いは、補機７９の動作状況に応じて判定することもできる。バッテリ許容最大出力Ｐｂａｔ＿ｍａｘ及び第２補機消費電力Ｐａｕ２は、バッテリＥＣＵ７２において算出し、その算出結果を統括ＥＣＵ８０に通知してもよい。

ステップＳ３３において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ７７の許容最大出力（ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘ）［Ｗ］を算出する。ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘの算出は、コンバータＥＣＵ７６で行い、その算出結果を統括ＥＣＵ８０に通知してもよい。

続くステップＳ３４において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘが、バッテリ許容最大出力Ｐｂａｔ＿ｍａｘと第２補機消費電力Ｐａｕ２との差Ｄ未満であるかどうか（Ｐｖｃｕ＿ｍａｘ＜Ｐｂａｔ＿ｍａｘ―Ｐａｕ２＝Ｄ）を判定する。ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘが、差Ｄ未満である場合（Ｓ３４：Ｙｅｓ）、ステップＳ３５において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘをアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘとして設定する（Ｐａｓｉ＿ｍａｘ←Ｐｖｃｕ＿ｍａｘ）。ＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘが、差Ｄ以上である場合（Ｓ３４：Ｎｏ）、ステップＳ３６において、統括ＥＣＵ８０は、バッテリ許容最大出力Ｐｂａｔ＿ｍａｘと第２補機消費電力Ｐａｕ２の差ＤをＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘとして設定する（Ｐａｓｉ＿ｍａｘ←Ｐｂａｔ＿ｍａｘ―Ｐａｕ２）。

３．本実施形態の効果
以上のように、本実施形態によれば、ＶＣＵ７７のコンバータ制御部７６がＶ２制御モードで動作していないとき（図３のＳ１１：Ｎｏ）、すなわち、ＶＣＵ７７がＶＣＵ許容最大出力Ｐｖｃｕ＿ｍａｘを出力しない可能性があるとき、アシスト出力ＰａｓｉとＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとの和以下になるようにモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定する（Ｓ２４）。これにより、ＶＣＵ７７の出力の不足分をＦＣ４２がＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを超えて補うことを避け、ＦＣ４２の劣化又は破損を防止することができる。また、コンバータ制御部７６がＶ２制御モードで動作していない場合でも（図３のＳ１１：Ｎｏ）、ＦＣ４２とＶＣＵ７７とから最大限の電力を供給可能となるため、モータ２２の電力消費が必要以上に低減されることを回避し、モータ２２の動作性能を向上させることができる。特に、モータ２２の場合、ＶＣＵ７７がＦＣ４２とモータ２２の間の電圧（２次電圧Ｖ２）を制御していない場合でも、ＦＣ４２とＶＣＵ７７とから最大限の電力を供給可能となるため、モータ２２のトルクが必要以上に低減されることを回避し、ＦＣ車両１０のドライバビリティを向上させることができる。さらに、ＶＣＵ７７が２次電圧Ｖ２を制御している場合と制御していない場合とで、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍの算出方法を切り替えるため、ＦＣ４２からの出力とバッテリユニット６０からの出力を好適に制御することができる。

本実施形態において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ７７がＶ２制御モードで動作しているとき（図３のＳ１１：Ｙｅｓ）、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘとＦＣ発電出力Ｐｆｃとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値以下になるようにモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定し（Ｓ１７）、ＶＣＵ７７がＶ２制御モードで動作していないとき（Ｓ１１：Ｎｏ）、アシスト出力ＰａｓｉとＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘとの和から第１補機消費電力Ｐａｕ１を差し引いた値以下になるようにモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定する（Ｓ２４）。これにより、モータユニット２０とＦＣ４２及びバッテリユニット６０との間から電力供給を受けるエアコンプレッサ４６を設けた場合でも、エアコンプレッサ４６の消費電力を確保し、ＦＣ４２及びバッテリ６２をより確実に保護することができる。特に、消費電力が比較的大きいエアコンプレッサ４６の消費電力を確保し、エアコンプレッサ４６を安定して駆動することができると共に、ＦＣ４２及びバッテリ６２をより確実に保護することができる。

本実施形態において、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ７７がＶ２制御モードで動作しているとき（図３のＳ１１：Ｙｅｓ）、ＦＣ発電出力ＰｆｃがＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘよりも高ければ（Ｓ１６：Ｙｅｓ）、ＦＣ発電出力Ｐｆｃの代わりにＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘを用いてモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定する（Ｓ１８）。また、統括ＥＣＵ８０は、ＶＣＵ７７がＶ２制御モードで動作していないとき（Ｓ１１：Ｎｏ）、アシスト出力Ｐａｓｉがアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘよりも高ければ（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、アシスト出力Ｐａｓｉの代わりにアシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘを用いてモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを設定する（Ｓ２５）。これらにより、ＦＣ４２又はＶＣＵ７７の実際の出力が、過渡的にその許容最大出力（ＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ、アシスト許容最大出力Ｐａｓｉ＿ｍａｘ）より高くなったとしても、ＦＣ４２又はバッテリ６２を保護することができる。

Ｂ．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、ＦＣシステム１２を搭載する対象は、車両に限られない。例えば、船舶や飛行機に用いることもできる。或いは、家庭用の電力源として用いることもできる。

また、上記実施形態では、負荷として車両駆動用のモータ２２、エアコンプレッサ４６等を用いたが、その他の負荷にも本発明を適用可能である。さらに、モータ２２又はエアコンプレッサ４６の一方のみに電力を供給する構成も可能である。

上記実施形態では、ＶＣＵ７７がＶ２制御モードで動作しているときと、Ｉ１制御モード又はＶ１制御モードで動作するときとに分けて、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍの算出式を切り替えたが、これに限られない。例えば、何らかの原因によりＶＣＵ７７が正常に動作していないときにも、Ｉ１制御モード及びＶ１制御モードと同様にモータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを算出することができる。この場合、ＶＣＵ７７が正常に動作しているかどうかは、例えば、統括ＥＣＵ８０で算出したＶ２指令値Ｖ２ｃｏｍと、電圧センサ６６が検出した２次電圧Ｖ２との比較結果を用いて判定することができる。

上記実施形態では、モータユニット２０とバッテリ６２との間にＶＣＵ７７を設けたが、ＶＣＵ７７を用いない構成にも本発明を適用可能である。すなわち、モータ出力制限値Ｐｍｏｔ＿ｌｉｍを、常に、ＦＣ許容最大出力Ｐｆｃ＿ｍａｘ（図３のＳ１４、Ｓ２１）とバッテリ６２の現在の出力（バッテリ出力Ｐｂａｔ）［Ｗ］との和以内に設定することもできる。

上記実施形態では、ＦＣ４２の出力制限をＦＣ許容最大電力Ｐｆｃ＿ｍａｘ［Ｗ］を用いて行ったが、ＦＣ４２の電流電圧特性に基づき、ＦＣ発電電流Ｉｆの許容最大値（ＦＣ許容最大電流Ｉｆ＿ｍａｘ）［Ａ］を用いて出力制限を行うこともできる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の回路図である。 上記実施形態においてモータに供給する電力を算出する処理のフローチャートである。 上記実施形態におけるモータ出力制限値の算出処理のフローチャートである。 上記実施形態におけるアシスト許容最大出力の算出処理のフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池車両 ２２…モータ（負荷）
４２…燃料電池 ４６…エアコンプレッサ（補機）
６０…バッテリユニット ６２…バッテリ（蓄電装置）
７７…ＶＣＵ（電圧変換部） ７９…補機
８０…統括ＥＣＵ（負荷制御部） Ｐａｓｉ…アシスト出力
Ｐａｓｉ＿ｍａｘ…アシスト許容最大出力
Ｐａｕ１…第１補機消費電力 Ｐａｕ２…第２補機消費電力
Ｐｂａｔ＿ｍａｘ…バッテリ許容最大出力
Ｐｆｃ…ＦＣ発電出力 Ｐｆｃ＿ｍａｘ…ＦＣ許容最大出力
Ｐｍｏｔ＿ｓｕｐ…モータ供給電力
Ｐｖｃｕ＿ｍａｘ…ＶＣＵ許容最大出力 Ｖｂａｔ…バッテリ電圧
Ｖｆ…ＦＣ発電電圧 Ｖ１…１次電圧
Ｖ２…２次電圧

Claims (6)

1. 負荷への電力供給を行う燃料電池と、
   前記燃料電池と並列に前記負荷に接続され、前記負荷に電力供給を行う蓄電装置と、
   前記負荷と前記蓄電装置との間に配置され、前記蓄電装置の出力電圧を変換することで前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を変化させ、前記燃料電池から前記負荷への供給電力を制御する電圧変換部と、
   前記負荷の消費電力を制御する負荷制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記負荷制御部は、
   前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御しているとき、前記燃料電池の実際の出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の許容最大出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限し、且つ、
   前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記負荷は、車両駆動用のモータである
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記モータと前記燃料電池又は前記蓄電装置との間から電力供給を受ける補機を備え、
   前記負荷制御部は、
   前記電圧変換部が前記燃料電池と前記モータの間の電圧を制御しているとき、前記燃料電池の実際の出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の許容最大出力との和から前記補機の消費電力を差し引いた値以下になるように前記負荷の消費電力を制限し、又は、
   前記電圧変換部が前記燃料電池と前記モータの間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力との和から前記補機の消費電力を差し引いた値以下になるように前記負荷の消費電力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機は、前記燃料電池にエアを供給するエアコンプレッサを含む
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記負荷制御部は、前記電圧変換部が前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御しているとき又は前記燃料電池と前記負荷の間の電圧を制御していないとき、前記燃料電池、前記蓄電装置又は前記電圧変換部の実際の出力がその許容最大出力よりも高ければ、前記実際の出力の代わりに前記許容最大出力を用いて前記負荷の消費電力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 負荷への電力供給を行う燃料電池と、
   前記燃料電池と並列に前記負荷に接続され、前記負荷に電力供給を行う蓄電装置と、
   前記負荷の消費電力を制御する負荷制御部と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記負荷制御部は、前記燃料電池の許容最大出力と前記蓄電装置の実際の出力との和以下になるように前記負荷の消費電力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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