以下、この発明に係る燃料電池システムの制御方法について、これを実施する燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照しながら説明する。
図1は、この実施形態に係る燃料電池システム12(以下、「FCシステム12」という。)が適用された燃料電池自動車10(以下、「FC自動車10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。
図2は、1次側1sfと2次側2s側との間に配置される燃料電池側コンバータであり電圧変換装置(昇圧器)としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ21(以下、SUC21という。SUC:Step Up Converter)、及び1次側1sbと2次側2s側との間に配置されるチョッパ方式の電圧変換装置(昇降圧器)としての昇降圧コンバータ22(以下、SUDC22という。SUDC:Step Up/Down Converter)の一例の詳細構成を含むFC自動車10の模式的回路図である。
図1及び図2に示すように、FC自動車10は、FCシステム12と、車両走行用のモータ・ジェネレータである駆動モータ14と、駆動モータ14を駆動する負荷駆動回路としてのインバータ16(以下、「INV16」という。INV:Inverter)と、を有する。
FCシステム12は、一方の1次側1sfに配置される燃料電池18(以下、「FC18」という。)と、他方の1次側1sbに配置される蓄電装置である高電圧バッテリ20(以下「BAT20」という。)と、前記SUC21と、前記SUDC22と、高電圧{蓄電装置電圧(BAT電圧)Vbat}入力の燃料電池補機(以下、「FC補機」という。)31と、高電圧入力の車室内空気調和装置である空調補機32と、降圧器としてのチョッパ方式の降圧コンバータ23(以下、「SDC23」という。SDC:Step Down Converter)と、制御装置としての電子制御装置24(以下、「ECU24」という。ECU:Electronic Control Unit)と、を有する。
FC18の出力端がSUC21の入力端(1次側1sf)に接続され、SUC21の出力端(2次側2s)がINV16の直流端側とSUDC22の一端(昇圧端側)側に接続される。
BAT20の入出力端がSDC23の入力側(1次側1sb)、SUDC22の他端側(降圧端側)、及び高圧補機35(FC補機31、空調補機32)に接続される。
SDC23の出力端側(2次側)には、電圧Vbb=+12V等の低圧バッテリ29と、ECU24及びライト等の低圧補機33が接続される。なお、低圧補機33とSDC23とECU24とを併せて低圧補機(低圧負荷)33´という。
駆動モータ14は、FC18から供給されるFC発電電力(FC電力)Pfc(Pfc=Vfc×Ifc)とBAT20から供給される蓄電電力であるBAT放電電力Pbatd(Pbatd=Vbat×Ibd)の合成電力値(Pfc+Pbatd)がINV16を通じて供給されることで駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転させる。
INV16は、例えば3相フルブリッジ型の構成とされて、直流/交流変換を行い、FC18からSUC21を介してFC電圧Vfcが昇圧された直流電圧である負荷端電圧Vinvを3相の交流電圧に変換して駆動モータ14に供給する(力行時)。
INV16は、また、BAT20からSUDC22を介してBAT電圧Vbatが昇圧された直流電圧である前記負荷端電圧Vinvを3相の交流電圧に変換して駆動モータ14に供給する(力行時)。
つまり、駆動モータ14は、FC18及び/又はBAT20の電力により駆動される(力行時)。
この実施形態において、INV16と駆動モータ14とを合わせて負荷30という。負荷には、負荷30の他に、FC補機31、空調補機32等の高圧補機35及び前記した低圧補機33´が含まれる。
一方、駆動モータ14の回生動作に伴う交流/直流変換後のINV16の入力端(直流端側)に発生する負荷端電圧(直流端側電圧)Vinvは、降圧コンバータとして動作するSUDC22を通じてBAT電圧Vbatに降圧されてBAT20に供給され、あるいはSUDC22が直結状態(スイッチング素子22b:オフ、スイッチング素子22d:オン)にされてBAT20に供給され、BAT20を充電する。
また、BAT20には、FC18による駆動モータ14の駆動用の電力が余剰になった場合に、その余剰電力が、昇圧状態のSUC21又は直結状態のSUC21を介し、降圧状態又は直結状態のSUDC22を通じて供給され、BAT20が充電される。前記余剰電力は、余剰の程度に応じて、高圧補機35(FC補機31、空調補機32)、及び低圧補機33´にも供給される。
FC補機31は、FC18のカソード流路(不図示)に対して酸素を含む圧縮された空気(酸化剤ガス)を供給するエアポンプ(不図示)と、FC18の冷却流路(不図示)に対して冷却媒体(冷媒)を供給するウォータポンプ(不図示)とを備える。
なお、FC18のアノード流路(不図示)に対して水素(燃料ガス)を供給する水素タンク(不図示)が接続され、水素と酸化剤ガスをそれぞれ反応ガスという。
FC18は、例えば、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燃料電池セル(以下、「FCセル」という。)を積層したスタック構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスが、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧(FC電圧Vfc)を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して酸化剤ガス(酸素含有ガス)が供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
BAT20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池等を利用することができる。蓄電装置としてキャパシタを利用することもできる。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。BAT20は、BAT電圧(バッテリ電圧)Vbat、BAT電流(バッテリ電流)Ib(放電電流Ibd、充電電流Ibc)、BAT温度(バッテリ温度)、及びBAT20の残容量であるSOC(State Of Charge)がECU24により検出乃至管理される。
上記したように、FC18のFC電力Pfcは、FC電圧VfcがSUC21を介して負荷端電圧Vinvに昇圧されINV16を通じて駆動モータ14に供給される(力行時)と共に、FCシステム12の電力状況に応じて、FC18からSUC21及びSUDC22を通じて1次側1sbの各機器(高圧補機35、低圧補機33´、BAT20)に分配される。
一方、BAT20のBAT放電電力Pbatdは、BAT電圧VbatがSUDC22を通じて負荷端電圧Vinvに昇圧され、INV16を通じて駆動モータ14に供給される(力行時)と共に、FCシステム12の電力状況に応じて1次側1sbの各機器である高圧補機35(FC補機31、空調補機32)、及び低圧補機33´(SDC23、ECU24、低圧補機33)に供給される。
ここで、SUC21、SUDC22及びSDC23は、種々の構成を採用できるが、公知のように、基本的には、MOSFETやIGBT等のスイッチング素子と、ダイオードと、リアクトルと、コンデンサ(平滑コンデンサも含む)とから構成され、接続される負荷の要求電力に基づきECU24により前記スイッチング素子がオン・オフスイッチング制御(デューティ制御)される。
具体的には、図2に示すように、SUC21は、リアクトル(インダクタ)21aと、スイッチング素子21bとダイオード21c(単方向電流通過素子、逆方向電流阻止素子)と、1次側1sf間に配置される平滑コンデンサC1fと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2fとから構成され、コンバータ制御器として機能するECU24を通じてスイッチング素子21bがスイッチング状態(デューティ制御)とされることで、FC電圧Vfcを所定の負荷端電圧Vinvに昇圧する。
なお、デューティ(駆動デューティ)が0[%]とされて、スイッチング素子21bがオフ状態(開状態)に維持されると、リアクトル21aとダイオード21cを通じてFC18と負荷30とが直結状態(FC直結状態又はFCVCU直結状態という。)とされ、FC電圧Vfcが負荷端電圧Vinvに直結される(Vinv=Vfc−Vd≒Vfc、Vd<<Vfc、Vd:ダイオード21cの順方向降下電圧)。ダイオード21cは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、SUC21は、昇圧動作(力行時等)の他に逆流防止動作、直結動作(力行時等)を行う。
一方、SUDC22は、図2に示すように、リアクトル22aと、スイッチング素子22b、22dと、これらスイッチング素子22b、22dにそれぞれ並列に接続されるダイオード22c、22eと、1次側1sb間に配置される平滑コンデンサC1bと、2次側2s間に配置される平滑コンデンサC2bとから構成される。
昇圧時には、ECU24により、スイッチング素子22dがオフ状態とされ、スイッチング素子22bがスイッチング(デューティ制御)されることでBAT電圧Vbat(蓄電装置電圧)が所定の負荷端電圧Vinvまで昇圧される(力行時)。
降圧時には、ECU24により、スイッチング素子22bがオフ状態とされ、スイッチング素子22dがスイッチング(デューティ制御)されることで、スイッチング素子22dがオフ状態であるときにダイオード22cがフライホイールダイオードとして機能し、負荷端電圧VinvがBAT20のBAT電圧Vbatまで降圧される(回生充電時及び/又はFC18による充電時)。
また、スイッチング素子22bをデューティが0[%]でのオフ状態、スイッチング素子22dをデューティが100[%]でのオン状態とすることで、BAT20と負荷30とが直結状態(BAT直結状態又はBATVCU直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時)とされる。
BAT直結状態においては、BAT20のBAT電圧Vbatが負荷端電圧Vinvになる(Vbat≒Vinv)。実際上、BAT直結状態におけるBAT20による力行時の負荷端電圧Vinvは、「Vbat−ダイオード22eの順方向降下電圧」となり、充電時(回生充電時含む)の負荷端電圧Vinvは、「Vbat=Vinv−スイッチング素子22dのオン電圧=Vbat(スイッチング素子22dのオン電圧を0[V]と仮定した場合。)」になる。
なお、図3に示すように、低電圧側と高電圧側との間に接続されるスイッチング素子21b、22b、22dには、上述したMOSFET又はIGBT等の電力素子が用いられる。
また、FCシステム12において、それぞれ図示はしないが、SUC21の直結時(FC18の直結時と同意)、又はSUDC22の直結時(力行時)(BAT20の直結時と同意)におけるSUC21又はSUDC22の直流電圧降下を低減するために、SUC21の1次側1sfにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオード及び/又はSUDC22の1次側1sbにアノード端子が接続され2次側2sにカソード端子が接続されたダイオードを設けてもよい。
FC18は、図4のIV(電流電圧)特性70に示すように、FC電圧VfcがFC開回路電圧Vfcocvより低下するに従い、FC電流Ifcが増加する公知の電流電圧(IV)特性70を有する。すなわち、FC電圧Vfcが相対的に高いFC電圧VfchであるときのFC電流Ifclに比較して、FC電圧Vfcが相対的に低いFC電圧VfclであるときのFC電流Ifchが大きな電流になる。なお、FC電力Pfcは、FC電流Ifcが大きくなるほど(FC電圧Vfcが低くなるほど)大きくなる。
FC18のFC電圧Vfcは、SUC21の直結時においては、昇圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の昇圧比(Vinv/Vbat)又は降圧状態(スイッチング状態)にあるSUDC22の降圧比(Vbat/Vinv)で決定される負荷端電圧Vinv{SUDC22の指令電圧(目標電圧)になる。}により制御され、FC電圧Vfcが決定されると、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが制御(決定)される。
また、SUC21の昇圧時及びSUDC22の直結時においては、SUC21の1次側1sfの電圧、すなわちFC電圧VfcがSUC21の指令電圧(目標電圧)とされ、IV特性70に沿ってFC電流Ifcが決定され、所望の負荷端電圧VinvとなるようにSUC21の昇圧比(Vinv/Vfc)が決定される。
なお、この実施形態では、SUC21の昇圧時に、FC電圧Vfcが指令値(設定値、目標値)になるようにコンバータ制御器としてのECU24によりスイッチング素子21bのデューティが調整されるフィードバック(F/B)制御がなされているが、FC電圧VfcとFC電流Ifcとの間にはIV特性70に基づく一意の関係があるのでFC電流Ifcが指令値(設定値、目標値)になるようにECU24によりスイッチング素子21bのデューティを調整するフィードバック(F/B)制御をすることも可能である。
ECU24は、通信線68(図2参照)を介して、駆動モータ14、INV16、FC18、BAT20、SUC21、SUDC22、SDC23、FC補機31、空調補機32、及び低圧補機33´等の各部を制御する。当該制御に際しては、ECU24のメモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、各種センサ(図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、圧力センサ、水素濃度センサ、各種回転数センサ、及びアクセルペダルの開度センサ等)の検出値及び各種スイッチ(空調スイッチやイグニッションスイッチ等)のオンオフ情報等を用いる。
ECU24は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、CPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)、その他、A/D変換器、D/A変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、CPUがROMに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部(機能実現手段)、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ECU24は、1つのECUのみから構成するのではなく、駆動モータ14、FC18とFC補機31、BAT20、SUC21とSUDC22とSDC23毎の複数のECUで構成することもできる。
ECU24は、FC18の状態、BAT20の状態及び駆動モータ14の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力値に基づき決定したFC自動車10全体としてFCシステム12に要求される負荷(負荷電力)から、FC18が負担すべき負荷(負荷電力)と、BAT20が負担すべき負荷(負荷電力)と、回生電源(駆動モータ14)が負担すべき負荷(負荷電力)の配分(分担)を調停しながら決定し、駆動モータ14、INV16、FC18、BAT20、SUC21、SUDC22及びSDC23を制御する。すなわち、ECU24は、FC18、BAT20、負荷30、高圧補機35及び低圧補機33´を含めた燃料電池自動車10全体のエネルギ管理(エネルギマネジメント)制御を行う。
この実施形態に係る燃料電池システム12が適用されたFC自動車10は、基本的には、以上のように構成される。
次に、ECU24による制御処理例について、図5〜図10のフローチャートを参照して説明する。なお、以下に示すフローチャートに係るプログラムの実行主体は、ECU24のCPUである。
ステップS1にて、ECU24は、各種スイッチ及び各種センサからの入力値{Vfc、Ifc、Vbat、Ib、Vinv、I2(INV16に対する入出力電流、図1、図2参照)、Im(駆動モータ14に流れるモータ電流、通常2相分、図2参照)、Nm(駆動モータ14の回転数)、θp(図示しないアクセルペダルの操作量)等}を検出して、駆動モータ14に対するモータ要求電力(モータ必要電力)Pmreq[kW]を算出する。
より具体的には、駆動モータ14のモータ要求電力Pmreq[kW]が、アクセルペダルの操作量θpに対応したモータ回転数Nm[rpm]と必要トルクTreq[N・m]とに基づき算出される。
図11は、モータ要求電力Pmreqと、このモータ要求電力Pmreqを実現するための最低電圧であるインバータ16の負荷端電圧Vinvとしての駆動要求負荷端電圧Vinvdとの関係を表す特性72を示している。特性72は、予めECU24内の記憶装置に記憶されている。
そこで、ステップS2にて、モータ要求電力Pmreqに基づき図11の特性72を参照し駆動要求負荷端電圧Vinvd[V]を算出する。また、ステップS2にて、以下に説明する図12の特性を参照して効率要求負荷端電圧Vinvη[V]を算出する。
図12は、予め図示しない記憶装置に格納されている横軸がモータ回転数Nm[rpm]で縦軸がモータトルクTq[Nm]のモータトルク特性91、92、93と、駆動要求負荷端電圧Vinvdと、効率要求負荷端電圧領域101、102、103との関係を示すモータトルク特性関連図を示している。
図12において、原点から見て最も外側のモータトルク特性93は、駆動モータ14の定格トルク特性を示している。ここで、定格トルク特性(モータトルク特性93)が得られる駆動要求負荷端電圧VinvdをVinvd=Vinvd3と表している。
同一のモータ回転数Nmにおいて、例えば、モータトルク特性92(駆動要求負荷端電圧Vinvd2)上のモータトルクTqは、モータトルク特性93(駆動要求負荷端電圧Vinvd3)上のモータトルクTqに比較して小さい値になっており、モータトルク特性91は、同一のモータ回転数Nmにおいて、モータトルク特性92よりモータトルクTqが小さい値になっている。なお、Vinvd1<Vinvd2<Vinvd3の関係になっている。
ここで、モータトルク特性93(Vinvd3)とモータトルク特性91(Vinvd1)との間のモータトルク特性及び駆動要求負荷端電圧Vinvdは補間処理等により求めることができる。
図12において、左下がり(右上がり)の線のハッチング領域は、効率要求負荷端電圧Vinvη1の領域101を示し、網点の領域は、効率要求負荷端電圧Vinvη2の領域102を示し、右下がり(左上がり)の線のハッチング領域は、効率要求負荷端電圧Vinvη3の領域103を示している。この場合、Vinvη1<Vinvη2<Vinvη3の関係になっており、駆動要求負荷端電圧Vinvdの電圧値に対し、Vinvd1=Vinvη1、Vinvd2=Vinvη2、Vinvd3=Vinvη3の関係になっている。
留意すべき点は、モータ出力、換言すれば、モータ要求電力Pmreq[kW](Pmreq=定数×モータ回転数Nm×モータトルクTq)が、例えば、モータトルク特性91(Vinvd1)に沿っていると仮定した場合、そのモータトルク特性91(Vinvd1)を担保する効率要求負荷端電圧Vinvηは、Vinvη1、Vinvη2、Vinvη3といずれも駆動要求負荷端電圧Vinvd1以上の高い電圧になっていることである。
効率要求負荷端電圧Vinvηが駆動要求負荷端電圧Vinvdより高い電圧になる理由例について述べる。負荷端電圧Vinvが、INV16の直流入力端(図2参照)に印加される電圧であり、同一のモータ要求電力Pmreqであっても、負荷端電圧Vinvが高い程、INV16及び駆動モータ14からなる負荷30に流れるモータ電流Imが小さくなり、その分、電力損失(モータ電流Imの自乗に比例)が低下することを考慮すれば、負荷端電圧Vinvとしては、駆動要求負荷端電圧Vinvdを上回る電圧の効率要求負荷端電圧Vinvηを印加した方が、結果として、負荷30の駆動に係わる車両システムの効率(システム効率)が向上することが分かる。
図12に示す駆動要求負荷端電圧Vinvdと効率要求負荷端電圧Vinvηとの関係は、通常走行時(一定速度走行時、通常加減速時を含む)の特性(原則的な特性)を示しており、例えば、アクセルペダルをいわゆる、べた踏み{換言すれば、アクセル開度全開(アクセルペダル操作量θpが最大)}した、あるいはベタ踏み近傍の状態にあるような急加速時には、駆動要求負荷端電圧Vinvdが、定格のモータトルク特性93近傍まで急増し張り付くので、その急加速時等には、駆動要求負荷端電圧Vinvdが効率要求負荷端電圧Vinvηを上回る特性になる点にも留意する。
そのため、ステップS3にて、ステップS2にて算出した効率要求負荷端電圧Vinvηが、駆動要求負荷端電圧Vinvdより高いか(Vinvη>Vinvd)否かを判定する。
上述したように、通常走行時は、ステップS3の判定が肯定的(ステップS3:YES)になるので、次いで、ステップS4にて、FC電圧VfcがBAT電圧Vbatより高いか(Vfc>Vbat)否かを判定する。
この判定が肯定的(ステップS4:YES、Vfc>Vbat)である場合、結合子「1」を通じて、第1実施例に係る図6のフローチャートに対応するプログラムが実行される。
[第1実施例](Vinvη>Vinvd、且つVfc>Vbat)
この第1実施例について、さらに、図13に示すタイミングチャートも、適宜参照して説明する。
図13のタイミングチャートにおいて、上段側の電圧[V]の波形は、FC電圧Vfcと、効率要求負荷端電圧Vinvηと、駆動要求負荷端電圧Vinvdの各電圧の時間変化例を示しており、下段の電圧[V]の波形は、理解の便宜のために、上段側の電圧[V]の波形を再掲し、さらに、BAT20側のSUDC22の2次側電圧である昇圧目標電圧Vtarの電圧の時間変化例の波形を加えて示している。
ステップS5にて、FC電圧Vfcが効率要求負荷端電圧Vinvηより高いか(Vfc>Vinvη)否かが判定され、高い(ステップS5:YES)場合には、FC電圧Vfcが駆動要求負荷端電圧Vinvdより十分に高い電圧(Vfc>>Vinvd)であると判断し、ステップS6にて、SUC21を直結状態(スイッチング素子21b:オフ状態の継続)に切り替え、FC18のFC電圧Vfcを負荷端電圧Vinvに印加する。
この場合、ステップS7にて、SUDC22の昇圧目標電圧VtarをFC電圧Vfcに設定(Vtar=Vfc)し、SUDC22を昇圧制御することで、SUC21(FC18)の直結状態及び効率要求負荷端電圧Vinvη以上の電圧で負荷30を駆動していることから燃料電池システム12の効率を向上させながら安定した負荷端電圧Vinvの制御を継続することができる。
このような制御の継続中(ステップS1→ステップS2→ステップS3:YES→ステップS4:YES→ステップS5:YES→ステップS6→ステップS7)の状態が、図13のタイミングチャートの時点t0〜時点t1の間の状態に対応する。
そして、このような制御の継続中に、時点t1に示すように、FC電圧Vfcが効率要求負荷端電圧Vinvηより低下し、ステップS5の判定が否定的(ステップS5:NO、Vinvη≧Vfc)になった場合、ステップS8にて、FC電圧Vfcが駆動要求負荷端電圧Vinvdより低いか(Vfc<Vinvd)否かが判定される。
この判定が否定的(ステップS8:NO、Vinvη≧Vfc≧Vinvd)である場合であっても、FC電圧Vfcが駆動要求負荷端電圧Vinvdより高いので、SUC21を昇圧しないで直結状態を維持し継続する、ステップS6、ステップS7の制御(SUC21:直結、SUDC22の昇圧目標電圧Vtar=Vfc)を実行する。このため、システム効率が向上する。
時点t1〜時点t2の間、この制御(ステップS1→ステップS2→ステップS3:YES→ステップS4:YES→ステップS5:NO→ステップS8:NO→ステップS6→ステップS7)を継続し、時点t2に示すように、Vfc>Vinvη>Vinvdの状態に変化したとしても、時点t2〜時点t3間では、時点t0〜時点t1との間と同じ、SUC21の直結、且つSUDC22の昇圧目標電圧VtarがFC電圧Vfcの状態を継続する。
時点t3に示すように、FC電圧Vfcが駆動要求負荷端電圧Vinvdよりも低い電圧となってステップS8の判定が肯定的(ステップS8:YES、Vfc<Vinvd<Vinvη)となったとき、ステップS9にて、効率の急激な低下を抑制するために、効率要求負荷端電圧VinvηとFC電圧Vfcの差の絶対値|Vinvη−Vfc|を算出し、差の絶対値|Vinvη−Vfc|が、SUC21の電圧変換動作が不安定になる可能性のある微小電圧の閾値電圧Vthより小さい電圧になっているか(|Vinvη−Vfc|<Vth)否かの嵩まし昇圧(後述)の要否を判定する。
図14は、SUC21の通過電流であるFC電流Ifcと、SUC21の通過損失Pconvlossとの対応関係を示している。図14に示すように、SUC21の直結時(Vinv=Vfc)に、SUC21の通過損失Pdlossは、ダイオード21cの順方向電圧(Vd)にFC電流Ifcを掛けた損失(Ifc×Vd)と、リアクトル21aの直流抵抗分(Rr)にFC電流Ifcを掛けた損失(Ifc×Rr)の合計損失(直結時損失Pdlossという。Pconvloss=Pdloss)になり、損失は比較的に少ない。
ところが、負荷端電圧VinvとFC電圧Vfcとの差|Vinvη−Vfc|が、5[V]〜15[V]程度の制御が不安定になる可能性のある微小電圧である閾値電圧Vth未満の電圧である場合{(Vinv−Vfc)<Vth(Vth=5[V]〜15[V])}、SUC21を昇圧動作させると、スイッチング素子21bのスイッチング損失が、上記の合計損失に合成されて、図14に示すようにSUC通過損失Pconvloss(微小昇圧時損失Pthlossという。Pconvloss=Pthloss)が、微小な昇圧幅(Vinv−Vfc≒Vth)であるにもかかわらず、急に過大になる。
ここで、昇圧幅(Vinv−Vfc)を、例えば、嵩まし電圧VupとしてVup=20[V]〜100[V]程度に大きくした嵩まし昇圧幅(嵩まし電圧Vupに等しい。Vinv−Vfc=Vup)にしても、その嵩まし昇圧時損失Pvuplossは、それほど、大きくならない点に留意する。
つまり、時点t3にて、FC電圧Vfcが効率要求負荷端電圧Vinvηより低い駆動要求負荷端電圧Vinvdよりも低い値となってステップS9の判定が肯定的(ステップS9:YES、|Vinvη−Vfc|<Vth)になった場合、この嵩まし電圧昇圧時損失Pvuplossを考慮して、ステップS10にて、SUC21の昇圧幅を嵩まし電圧Vupに嵩ましして昇圧する。この場合、ステップS11にて、SUDC22の昇圧目標電圧VtarがVfc+Vupとなるように決定されて昇圧される。このようにして、時点t3〜t4の間では、嵩まし昇圧(嵩まし電圧昇圧)を継続することで、SUC21の直結時よりはシステム効率が低下するが、直結時に比較してシステム効率の低下を最小限に抑制することができ、しかも嵩まし電圧Vupは閾値電圧Vthに比較して相当に高電圧であるので、昇圧幅が低電圧になってしまう制御の不安定性を払拭できる。
時点t3〜時点t4の間では、ステップS1→ステップS2→ステップS3:YES→ステップS4:YES→ステップS5:NO→ステップS8:YES→ステップS9:YES→ステップS10→ステップS11の処理(嵩まし昇圧処理)が繰り返される。
時点t4において、FC電圧Vfcと効率要求負荷端電圧Vinvηとの差の絶対値が閾値電圧Vth以上の電圧(|Vinvη−Vfc|≧Vth)になった場合には(ステップS9:NO)、時点t4以降の状態に示すように、嵩まし昇圧を解除し、負荷端電圧Vinvが効率要求負荷端電圧Vinvηになるように昇圧幅を設定し、ステップS12にて、SUC21を昇圧すると共に、ステップS13にて、SUDC22の昇圧目標電圧Vtarを効率要求負荷端電圧Vinvηに設定して、通常の昇圧制御を継続する。
[第1変形例]
ステップS5:YES(Vfc>Vinvη)からステップS6のSUC21の直結状態に遷移(移行)する前、又はステップS8:NO(Vinvη≧Vfc≧Vinvd)からステップS6のSUC21の直結状態を継続する前に、図7の第1変形例のフローチャートのステップS6´に示すように、車両10が条件J:加速状態(高トルク・中回転数)にあるのか、条件K:高速状態もしくは登坂状態を含む非加速状態(ここでは、中トルク・高回転数)にあるのかを判定するようにしてもよい。なお、加速状態にあるか否かは、アクセルペダルの操作量θp、車速Vsの微分値、図示しない加速度センサの出力値等から判定することができる。また、高速状態にあるか否かは、車速Vsが時速80[km/h]程度以上の略一定速度での走行中であるか否かにより判定することができ、登坂状態にあるか否かは、車速Vsと傾斜センサ(不図示)の出力、又は駆動モータ14の回転数Nm[rpm]と車輪回転数[rpm]との比等から判定することができる。
そこで、ステップS6´の判定において、条件K:高速状態もしくは登坂状態を含む非加速状態(中トルク・高回転数)にあると判定した(ステップS6´:K)場合には、ステップS6の直結状態に移行し又は直結状態を継続するが、ステップS6´の判定において、条件J:加速状態にあると判定した場合には、駆動要求負荷端電圧Vinvdが上昇し易いことを考慮し、ステップS9の嵩まし昇圧の要否判定を介して、SUC21及びSUDC22の両方昇圧状態(ステップS10→ステップS11、又はステップS12→ステップS13)に移行し、加速状態の要求に応えるように制御して、商品性の低下を防止する(商品性が向上する)。
次に、第2実施例の動作について説明する。なお、この第2実施例以降の説明については、理解の便宜、及び煩雑さの回避のために、上述した第1実施例及び第1変形例で説明した処理と同一の処理又は対応する処理には、同一のステップ番号の末尾にアルファベットを添えたステップ番号を付して、その詳細な説明を省略する。
[第2実施例](Vinvη≦Vinvd、且つVfc>Vbat)
第2実施例について、図5のフローチャートの結合子「2」と図8のフローチャートの結合子「2」を接続したフローチャートを参照して説明する。
ステップS1にて、ECU24は、駆動モータ14に対するモータ要求電力(モータ必要電力)Pmreq[kW]を算出する。
ステップS2にて、モータ要求電力Pmreqに基づき駆動要求負荷端電圧Vinvd[V]を算出すると共に、効率要求負荷端電圧Vinvη[V]を算出する。
次いで、ステップS3の判定にて、駆動要求負荷端電圧Vinvdと効率要求負荷端電圧Vinvηとを比較し、上述したような急加速時等であって、駆動要求負荷端電圧Vinvdが効率要求負荷端電圧Vinvη以上の高電圧であると判定(ステップS3:NO)した場合には、ステップS4aにて、FC電圧VfcがBAT電圧Vbatより高いか(Vfc>Vbat)否かを判定する。この判定が肯定的(ステップS4a:YES)である場合、結合子「2」を通じて、第2実施例に係る図8のフローチャートに対応するプログラムが実行される。
そこで、ステップS9aにて、急加速の要求を受けて急加速することができないという商品性の低下を防止するために、効率要求負荷端電圧Vinvηより高電圧になっている駆動要求負荷端電圧VinvdとFC電圧Vfcの差の絶対値|Vinvd−Vfc|を算出し、差の絶対値|Vinvd−Vfc|が、微小電圧の閾値電圧Vthより小さい電圧になっているか(|Vinvd−Vfc|<Vth)否かを判定する。
ステップS9aの判定が肯定的(ステップS9a:YES、|Vinvd−Vfc|<Vth)である場合、嵩まし昇圧時損失Pvuploss(図14参照)を考慮して、ステップS10aにて、SUC21の昇圧幅を嵩まし電圧Vupに嵩ましして昇圧する。この場合、ステップS11aにて、SUDC22の昇圧目標電圧VtarがVtar=Vfc+Vupとなるように決定されて昇圧される。
一方、ステップS9aの判定が否定的(ステップS9a:NO、|Vinvd−Vfc|≧Vth)である場合、嵩まし昇圧は実施せずに、負荷端電圧Vinvが駆動要求負荷端電圧Vinvdになるように昇圧幅を設定し、ステップS12aにて、SUC21を昇圧すると共に、ステップS13aにて、SUDC22の昇圧目標電圧Vtarを駆動要求負荷端電圧Vinvdに設定し、昇圧制御を実施する。
この第2実施例によれば、例えば、第1実施例での燃料電池システム12のシステム効率の向上を図る原則制御(Vinvη>Vinvd)中に、急加速要求等(ステップS3:NO)があった場合には、その急加速要求等に応えるために、駆動要求負荷端電圧Vinvdの増加に対応した例外制御(Vinvη≦Vinvd)を実施できるようにしたので、即座に急加速要求等に応えることができ、商品性の低下を防止することができる。
[第3実施例](Vinvη>Vinvd、且つVfc≦Vbat)
この第3実施例は、図5のフローチャートの結合子「3」と図9のフローチャートの結合子「3」を接続したフローチャートにより実施される。
図9のフローチャートの各処理は、上述した図6のフローチャートの各処理と同一の処理又は対応する処理であって、ステップS4の前提判定であるBAT電圧VbatがFC電圧Vfc以上の点でのみ異なっている。そこで、同一のステップ番号の末尾にアルファベット「b」を付け、簡潔に説明する。
この第3実施例では、BAT電圧VbatがFC電圧Vfc以上の電圧(Vfc≦Vbat)になっているので、直結対象のコンバータが、1次側1sfのFC電圧Vfcが相対的に低いFC18側のSUC21から1次側1sbのBAT電圧Vbatが相対的に高いBAT側のSUDC22に置換され、その一方、常時昇圧対象のコンバータが、1次側1sbのBAT電圧Vbatが相対的に高いBAT20側のSUDC22から1次側1sfのFC電圧Vfcが相対的に低いFC18側のSUC21に置換される。
この第3実施例では、第1実施例と同様に、例えば、最初のステップS5bの判定が肯定的{ステップS5b:YES、(Vbat>Vinvη)}である場合に、ステップS6bにて、SUDC22を直結して負荷端電圧VinvをBAT電圧Vbatに設定すると共に、ステップS7bにて、SUC21の昇圧目標電圧VtarをVtar=Vbatに設定して、制御性とシステム効率の向上を確保する。
一方、ステップS5bの判定が否定的{ステップS5b:NO、(Vbat≦Vinvη)}になっても、ステップS8bの判定が否定的(ステップS8b:NO)で駆動要求負荷端電圧VinvdよりBAT電圧Vbatが高い(Vbat≧Vinvd)場合には、ステップS6bのSUDC22の直結、ステップS7bのSUC21の昇圧目標電圧VtarがVtar=Vbatとなる昇圧制御を継続するようにしたので、この場合にも、制御性とシステム効率の向上が確保される。
さらに、BAT電圧Vbatが駆動要求負荷端電圧Vinvdよりも低い電圧になってステップS8bの判定が肯定的(ステップS8b:YES、Vbat<Vinvd<Vinvη)となったとき、ステップS9bにて、効率の急激な低下を抑制するために、効率要求負荷端電圧VinvηとBAT電圧Vbatの差の絶対値|Vinvη−Vbat|を算出し、差の絶対値|Vinvη−Vbat|が、微小電圧の閾値電圧Vthより小さい電圧になっているか(|Vinvη−Vbat|<Vth)否か、すなわち嵩まし昇圧の要否を判定する。
BAT電圧Vbatが効率要求負荷端電圧Vinvηより低い駆動要求負荷端電圧Vinvdよりも低い値となってステップS9bの判定が肯定的(ステップS9b:YES、|Vinvη−Vbat|<Vth)になった場合、嵩まし昇圧時損失Pvuploss(図14参照、図14でVfcをVbatに置換して考慮すればよい。なお、この場合、嵩まし昇圧時損失Pvuplossは、SUDC22の昇圧時損失である点に留意する。)を考慮して、ステップS10bにて、SUDC22を嵩まし電圧Vupに嵩まして昇圧する。つまり、ステップS11bにて、SUC21の昇圧目標電圧VtarがVbat+Vupとなるように決定されて昇圧される。この嵩まし昇圧(嵩まし電圧昇圧)制御を実行することで、システム効率はSUDC22の直結時よりは低下するが、当該直結時に比較してシステム効率の低下を最小限に抑えることができる。
また、BAT電圧Vbatと効率要求負荷端電圧Vinvηとの差の絶対値|Vinvη−Vbat|が、閾値電圧Vth以上の電圧(|Vinvη−Vbat|≧Vth)になった場合には(ステップS9b:NO)、嵩まし昇圧を解除し、負荷端電圧Vinvが効率要求負荷端電圧Vinvηになるように昇圧幅を設定し、ステップS12bにて、SUDC22を昇圧すると共に、ステップS13bにて、SUC21の昇圧目標電圧Vtarを効率要求負荷端電圧Vinvηに設定し、通常の昇圧制御を実施する。
なお、この第3実施例においても、図7を参照して説明した[第1変形例]の処理も同様に実行することができる。
[第4実施例](Vinvη≦Vinvd、且つVfc≦Vbat)
この第4実施例について、図5のフローチャートの結合子「4」と図10のフローチャートの結合子「4」を接続したフローチャートを参照して説明する。
なお、第4実施例は、第2実施例において、VfcをVbatに置換し、SUC21とSUDC22の処理を交替した処理であるので簡潔に説明する。
ステップS1にて、ECU24は、駆動モータ14に対するモータ要求電力(モータ必要電力)Pmreq[kW]を算出する。
ステップS2にて、モータ要求電力Pmreqに基づき駆動要求負荷端電圧Vinvd[V]を算出すると共に、効率要求負荷端電圧Vinvη[V]を算出する。
次いで、ステップS3の判定にて、駆動要求負荷端電圧Vinvdと効率要求負荷端電圧Vinvηとを比較し、駆動要求負荷端電圧Vinvdが効率要求負荷端電圧Vinvη以上の高電圧であると判定した(ステップS3:NO)場合には、ステップS4aにて、FC電圧VfcがBAT電圧Vbatより高いか(Vfc>Vbat)否かを判定する。この判定が否定的(ステップS4a:NO)である場合、結合子「4」を通じて、第4実施例に係る図10のフローチャートに対応するプログラムが実行される。
そこで、ステップS9cにて、駆動要求負荷端電圧VinvdとBAT電圧Vbatの差の絶対値|Vinvd−Vbat|を算出し、差の絶対値|Vinvd−Vbat|が、微小電圧の閾値電圧Vthより小さい電圧になっているか(|Vinvd−Vbat|<Vth)否かを判定する。
ステップS9cの判定が肯定的(ステップS9c:YES、|Vinvd−Vbat|<Vth)である場合、嵩まし電圧昇圧時損失Pvuploss(図14参照、この場合にも、図14中、VfcをVbatに置換して参照)を考慮して、ステップS10cにて、SUDC22を嵩まし電圧Vupを嵩ましして昇圧する。この場合、ステップS11cにて、SUC21の昇圧目標電圧VtarがVbat+Vupとなるように決定して昇圧する。
一方、ステップS9cの判定が否定的(ステップS9c:NO、|Vinvd−Vbat|≧Vth)である場合、嵩まし昇圧は実施せずに、負荷端電圧Vinvが駆動要求負荷端電圧Vinvdになるように昇圧幅を設定し、ステップS12cにて、SUDC22を昇圧すると共に、ステップS13cにて、SUC21の昇圧目標電圧Vtarを駆動要求負荷端電圧Vinvdに設定し、昇圧制御を実施する。
この第4実施例によれば、例えば、第3実施例での燃料電池システム12のシステム効率の向上を図る原則制御(Vinvη>Vinvd)中に、急加速要求等(ステップS3)があった場合には、その急加速要求等に応えるために、駆動要求負荷端電圧Vinvdの増加に対応した例外制御(Vinvη≦Vinvd)を実施できるようにしたので、急加速要求等に即座に応えることができ、商品性の低下を防止することができる。
[実施形態のまとめ]
以上説明したように上述した実施形態に係るFCシステム12は、FC電圧Vfcを出力するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、インバータ16とインバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC電圧Vfcを1次側電圧として昇圧し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の直流端側に印加する第1電圧変換装置としてのSUC21及びBAT電圧Vbatを前記1次側電圧として昇圧し前記負荷端電圧Vinvとして前記インバータ16の直流端側に印加するSUDC22と、を備えるFCシステム12の制御方法において、負荷端電圧Vinvとして、当該FCシステム12への駆動要求に基づいて、負荷30を駆動する駆動要求負荷端電圧Vinvdと、負荷30を効率的に駆動する効率要求負荷端電圧Vinvηと、を決定する要求電圧決定過程(ステップS2)と、SUC21及びSUDC22のうち、前記1次側電圧としてFC電圧VfcとBAT電圧Vbatのうち高電圧が印加されているいずれか一方の電圧変換装置(例えば、SUC21とする。)の当該1次側電圧(この場合、FC電圧Vfc)が、効率要求負荷端電圧Vinvηを上回った(ステップS5)場合に、前記電圧変換装置(この場合、SUC21)の電圧変換動作を停止し直結させる電圧変換停止工程(ステップS6)と、を有し、前記一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の前記1次側電圧(この場合、FC電圧Vfc)が、効率要求負荷端電圧Vinvηを下回っても(ステップS5:NO)、駆動要求負荷端電圧Vinvdを上回っている(ステップS8:NO)間(例えば、図13中、時点t1〜時点t2の間)は、前記電圧変換動作(この場合、SUC21)の停止状態(ステップS6)を継続するようにしている。
このように、1次側電圧としてFC電圧VfcとBAT電圧Vbatのうち高電圧が印加されている一方の電圧変換装置(第1実施例では、SUC21、第3実施例では、SUDC22)の1次側電圧(第1実施例では、FC電圧Vfc、第3実施例では、BAT電圧Vbat)が、効率要求負荷端電圧Vinvηを下回っても駆動要求負荷端電圧Vinvdを上回っている間は、電圧変換動作の停止状態、すなわち直結状態を継続させるようにしているので、直結状態の継続期間を長くでき、システム効率を向上させることができる。
この場合、前記電圧変換動作の停止状態の継続中(例えば、Vfc>Vbatであって、SUC21の直結中を例として説明すると、ステップS1→ステップS2→ステップS3:YES→ステップS4:YES→ステップS5:YES→ステップS6→ステップS7)に、直結中の前記一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の前記1次側電圧(この場合、FC電圧Vfc)が、駆動要求負荷端電圧Vinvdを下回った(ステップS8:YES)場合に、効率要求負荷端電圧Vinvηと前記一方の電圧変換装置の前記1次側電圧(この場合、FC電圧Vfc)との差電圧(|Vinvη−Vfc|)を把握する差電圧把握工程(ステップS9)を設け、差電圧(|Vinvη−Vfc|)が、前記一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の電圧変換動作が不安定になる閾値電圧Vth未満の値である(ステップS9:YES)場合には、負荷端電圧Vinvが効率要求負荷端電圧Vinvηを上回る電圧になる昇圧幅(嵩まし電圧)Vupを設定し、設定した前記昇圧幅Vupで前記一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の電圧変換動作を開始させる昇圧幅増加工程(ステップS11)をさらに設けるようにしてもよい。
このように、直結中の一方の電圧変換動作の停止状態の継続中(図6のステップS6及びステップS7の処理を含む処理を継続中、又は図9のステップS6b及びステップS7bの処理を含む処理を継続中)に、直結中の前記一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の1次側電圧が、駆動要求負荷端電圧Vinvdを下回った場合(ステップS8:YES、ステップS8b:YES)に、効率要求負荷端電圧Vinvηと前記一方の電圧変換装置の前記1次側電圧との差電圧(|Vinvη−Vfc|、|Vinvη−Vbat|)を把握し(ステップS9、ステップS9b)、前記差電圧(|Vinvη−Vfc|、|Vinvη−Vbat|)が、前記一方の電圧変換装置の電圧変換動作が不安定になる閾値電圧未満の値である((|Vinvη−Vfc|<Vth、|Vinvη−Vbat|<Vth))場合には、前記負荷端電圧Vinvが前記効率要求負荷端電圧Vinvηを上回る電圧になる昇圧幅(Vfc+Vup、Vbat+Vup)を設定し、設定した前記昇圧幅で前記一方の電圧変換装置(SUC21、SUDC22)の電圧変換動作を開始させるようにしたので、不安定な電圧変換動作状態の発生を防止しつつ、システム効率を向上させた安定した電圧変換動作を実施することができる。
なお、前記一方の電圧変換装置(例えば、SUC21又はSUDC22中、SUC21とする。)の前記電圧変換動作の停止状態の継続中に、前記1次側電圧として前記FC電圧Vfcと前記BAT電圧Vbatのうち低電圧が印加されている他方の電圧変換装置(この場合、SUDC22)の昇圧幅の指令値である昇圧目標電圧Vtarを、昇圧動作継続中の前記他方の電圧変換装置(この場合、SUDC22)の前記1次側電圧と、直結中の前記負荷端電圧Vinvとの差電圧(この場合、差電圧は、Vinv−Vfc)に設定する(ステップS11、ステップS11b)ことで、他方の電圧変換装置(この場合、SUDC22)により負荷端電圧Vinvが制御されることになるので、一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)の直結をできるだけ継続することができ、システム効率が向上する。
また、SUC21及びSUDC22のうち、前記1次側電圧として前記FC電圧Vfcと前記BAT電圧Vbatのうち高電圧が印加されているいずれか一方の電圧変換装置(SUC21、又はSUDC22)の当該1次側電圧(FC電圧Vfc、又はBAT電圧Vbat)が、効率要求負荷端電圧Vinvηを上回った場合に、前記電圧変換装置(SUC21、又はSUDC22)の電圧変換動作を停止し直結させる直前(ステップS6:SUC21の直結の直前、ステップS6b:SUDC22の直結の直前)、及び前記電圧変換停止工程(ステップS6:SUC直結、ステップS6b:SUDC22)後に、前記一方の電圧変換装置(SUC21、SUDC22)の前記1次側電圧(FC電圧Vfc、BAT電圧Vbat)が、効率要求負荷端電圧Vinvηを下回っても(ステップS5:NO、ステップS5b:NO)、駆動要求負荷端電圧Vinvdを上回っている(ステップS8:NO、ステップS8b:NO)間は、前記電圧変換動作の停止状態(ステップS6、S6b)を継続する直前に、車両10が、高速走行状態又は登坂状態にあるか否かの車両状態を把握する車両状態把握工程(ステップS6´)をさらに有し、車両状態把握工程(ステップS6´)にて、車両10が、前記高速走行状態又は前記登坂状態にあると把握した場合には、前記電圧変換装置(この場合、SUC21又はSUDC22)の電圧変換動作を停止し直結(ステップS6、S6b)させ、直結している場合には前記電圧変換動作の停止状態を継続させるようにしてもよい。
このように、一方の電圧変換装置の直結状態への移行・継続の適否を簡便に判定することができ、且つ、駆動要求負荷端電圧Vinvdが確保されているので、商品性の低下を防止することができる。
また、この実施形態に係るFCシステム12の制御方法は、FC電圧Vfcを出力するFC18と、BAT電圧Vbatを出力するBAT20と、インバータ16と、車両駆動用の、インバータ16を通じて駆動される駆動モータ14とからなる負荷30と、FC電圧Vfcを昇圧し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の直流端側に印加するSUC21と、BAT電圧Vbatを昇圧し負荷端電圧Vinvとしてインバータ16の直流端側に印加するSUDC22と、を有するFCシステム12の制御方法において、負荷端電圧Vinvとして、当該FCシステム12への駆動要求に基づいて、負荷30を駆動する駆動要求負荷端電圧Vinvdを決定する要求電圧決定過程(ステップS2)と、駆動モータ14により駆動される車両10が加速状態又は高速走行状態もしくは登坂状態のいずれの状態にあるかを判定する車両状態把握工程(例えば、ステップS6´)と、駆動要求負荷端電圧VinvdとFC電圧VfcとBAT電圧Vbatとに基づきSUC21及びSUDC22の昇圧の要否を判定する昇圧要否判定工程(ステップS6´)と、を有し、昇圧要否判定工程(ステップS6´)では、車両状態把握工程(ステップS6´)において車両10が前記加速状態にあると判定された場合には、SUC21及びSUDC22の両方とも昇圧動作させ(ステップS9:YES→ステップS10→ステップS11又はステップS9:NO→ステップS12→ステップS13)、車両状態把握工程(ステップS6´)において車両10が前記高速走行状態もしくは前記登坂状態にあると判定(ステップS6´:判定K)された場合には、FC電圧Vfc及びBAT電圧Vbatのうち高い方の電圧が印加されているSUC21及びSUDC22のいずれか一方の電圧変換装置(この場合、SUC21)を直結状態(ステップS6)にすると判定する。
このように、車両状態と駆動要求負荷端電圧VinvdとFC電圧VfcとBAT電圧Vbatとに基づいて第1及び第2変換装置(SUC21及びSUDC22)のいずれか一方の電圧変換装置の直結状態への移行を判定するので、システム効率を向上しながら、第1及び第2変換装置(SUC21及びSUDC22)のいずれか一方の電圧変換装置の直結状態への移行を簡便に判定することができる。
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。