JP6259478B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に酸化剤ガスを供給するポンプを、蓄電装置の温度に応じて制御する燃料電池システムに関する。

特許文献１は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータの間に高電圧の補機類が接続される燃料電池システム（燃料電池車両）を開示している。補機には、燃料電池や高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧補機に印加する降圧コンバータや、燃料電池にエアを供給するエアポンプ（エアコンプレッサ）等が含まれる。

ところで、バッテリにはＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に応じて充放電可能な電力範囲があり、充放電はこの電力範囲内に制限される。以下ではこの電力範囲を充放電制限範囲という。バッテリがこの範囲を超えて使用されると過充電／過放電となり、場合によってはバッテリの劣化・故障に至る。

特許文献１で示される燃料電池システムの構成においては、エアポンプの消費電力が大きく変化する場合、例えば車両の減速時／加速時に、バッテリの過充電／過放電が発生する虞がある。バッテリの過充電／過放電を防止するためには、バッテリの充放電制限範囲の上下限手前にそれぞれバッファを設定しておけばよい。この構成においては、両バッファの電力がエアポンプの使用分として割り当てられ、両バッファ間の電力がエアポンプ以外の高電圧補機の使用分として割り当てられる。但し、エアポンプの電力が大きくなる時期は予測できないため、バッファは常時設定しておく必要がある。

国際公開第２０１１／０１３２１３号パンフレット

バッテリの充放電制限範囲は常温から低温になるほど小さくなる。このため、低温時に常温時と同じようにバッファを設定すると、両バッファ間の範囲が小さくなり、エアポンプ以外の高電圧補機の使用分として割り当てられる電力が少なくなる。特に、ターボ型のエアポンプは定常状態で必要とする消費電力が小さいため、加速時に必要とする電力との差が大きく、大きなバッファが必要になる。すると、エアポンプ以外の高電圧補機の使用分として割り当てられる電力は更に少なくなる。この状態ではエアポンプ以外の高電圧補機に対するバッテリの使用が限られるため、燃料電池の発電量を増やさなければならなくなり、燃費悪化の要因となる。また、エネルギーマネージメントの自由度が少なく、望ましくない。大きなバッテリであれば容量が大きくなり充放電制限範囲は広くなるものの、設置の自由度やコスト面で問題がある。

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って、エアポンプ以外の高電圧補機分として割り当てられる電力を大きくすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、充放電可能な電力範囲内で充放電する蓄電装置と、前記燃料電池及び前記蓄電装置から供給される電力を消費すると共に前記蓄電装置に電力を供給する負荷及び補機と、前記補機に含まれ前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、前記ポンプを制御しつつ前記燃料電池の発電及び前記蓄電装置の充放電を制御する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、前記蓄電装置の温度を把握する温度把握手段を更に備え、前記制御装置は、前記温度把握手段により把握される温度が低いほど、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくすることを特徴とする。

上記構成によれば、蓄電装置の温度が低いほど、ポンプの回転数の変化レートを小さくするため、ポンプの消費電力の変動幅を小さくすることができ、蓄電装置の充放電制限範囲に設定するバッファを小さくすることが可能となる。結果として、ポンプ以外の高電圧補機に蓄電装置の電力を割り当てることが可能となり、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

本発明において、前記制御装置は、前記燃料電池に要求される目標電力を演算し、前記目標電力に応じた前記酸化剤ガスの目標流量を演算し、前記目標流量に応じた前記ポンプの目標回転数を演算し、前記目標回転数に基づいて前記ポンプを制御することにより、前記燃料電池の発電を制御し、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、前記目標電力の変化レートを小さくしてもよい。

上記構成によれば、ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、燃料電池に要求される目標電力の変化レートを小さくするため、燃料電池の発電量が急激に変動しなくなる。このため、蓄電装置の過充電／過放電を抑制することができる。

本発明において、前記制御装置は、前記燃料電池に要求される目標電力を演算し、前記目標電力に応じた前記酸化剤ガスの目標流量を演算し、前記目標流量に応じた前記ポンプの目標回転数を演算し、前記目標回転数に基づいて前記ポンプを制御することにより、前記燃料電池の発電を制御し、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、前記目標流量の上昇レートを小さくしてもよい。

通常、ポンプの目標流量を急増させる場合は、ポンプの目標圧力も急増させる。このとき、ポンプの回転数の上昇レートが小さくされていると、演算された目標流量及び目標圧力にならない。この場合、カソード圧を上昇させる圧力フィードバック制御が実行され、酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁が絞られる。すると、酸化剤ガスの流量が更に低下し、燃料電池の発電量が減少する虞がある。上記構成によれば、ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、目標流量の上昇レートを小さくするため、目標圧力の急増を抑制できる。その結果、背圧弁が過剰に絞られることはなくなり、流量が更に低下することを抑制できる。

本発明において、前記制御装置は、前記目標流量、又は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの実流量に応じて、前記酸化剤ガスの目標圧力を所定圧以下に制限してもよい。

上記構成によれば、酸化剤ガスの目標圧力を所定圧以下に制限するため、流量が少ない状態で、酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁が過剰に絞られることを防止することができ、流量が更に低下することを抑制できる。

本発明において、前記酸化剤ガスの圧力を検出する圧力センサを更に備え、前記制御装置は、前記圧力センサにより検出される圧力に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を所定圧にする圧力制御を行うと共に、前記目標流量、又は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの実流量に応じて、前記圧力制御を制限してもよい。

上記構成によれば、圧力センサにより検出される圧力に基づいて酸化剤ガスの圧力を所定圧にする圧力制御を制限するため、流量が少ない状態で、酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁が過剰に絞られることを防止でき、流量が更に低下することを抑制できる。

本発明において、前記制御装置は、前記蓄電装置の前記電力範囲の上下限値にバッファを設定し、前記バッファ分の電力を前記ポンプの使用分として割り当て、前記バッファ分以外の電力を前記ポンプ以外の使用分として割り当てて、前記蓄電装置の充放電を制御し、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくする場合には、前記温度把握手段により把握される温度が低いほど前記バッファを小さくしてもよい。

上記構成により、バッファを小さくするため、ポンプ以外の高電圧補機に蓄電装置の電力を割り当てることが可能となり、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

本発明によれば、ポンプ以外の高電圧補機に蓄電装置の電力を割り当てることが可能となり、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図２は燃料電池システムに含まれる電力システムのブロック図である。 図３Ａは加速時の電力推定値と実消費電力の説明に供する説明図であり、図３Ｂは減速時の電力推定値と実消費電力の説明に供する説明図である。 図４はバッテリの充放電制限範囲の説明に供する説明図である。 図５は電力配分の説明に供する説明図である。 図６はバッテリ温度−充放電制限範囲の特性図である。 図７はバッファを一定にする比較例の説明に供する説明図である。 図８はエアポンプの回転数上昇レート−ΔＡＰ電力の特性図である。 図９はバッファを温度に応じて変える本実施形態の説明に供する説明図である。 図１０はＦＣシステムで行われる処理のフローチャートである。

以下、本発明について、好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

［１ 燃料電池システム１２の全体構成］
図１を用いて燃料電池システム１２（ＦＣシステム１２ともいう）の構成に関して説明する。本実施形態に係るＦＣシステム１２の基本的な装置構成としては、既知のものを使用可能である。例えば、特開２０１６−１２４８０号公報で示される構成を使用可能である。本明細書では、発明の特徴と関係する構成を中心に説明し、既知の構成については説明（及び図示）を省略するか、又は、簡単な説明（及び図示）に留める。なお、本実施形態では、ＦＣシステム１２を搭載する燃料電池車両１０（単に車両１０ともいう）を想定している。

車両１０に搭載されるＦＣシステム１２は、燃料電池１４（ＦＣ１４ともいう）と、水素供給システム１６と、エア供給システム１８と、冷却システム２０と、電力システム２２と、ＥＣＵ２４と、を備える。また、アクセルペダル３０の開度（操作量）を検出する開度センサ３２を備える。

ＦＣ１４は、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挟み込んで形成された燃料電池セルを積層した構造を有する。アノード電極側にはアノード流路３４を介して燃料ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極側にはカソード流路３６を介して酸化剤ガスとしてのエアが供給される。水素ガスとエア中の酸素が反応して水が生成されると共に電力が発生する。

［１．１ 水素供給システム１６］
水素供給システム１６は、水素供給流路１６Ｓを介してＦＣ１４に対して水素ガスを供給すると共に、ガス排出流路１６Ｄを介してＦＣ１４で発生するアノードオフガスを排出する。水素供給流路１６Ｓ及びガス排出流路１６Ｄはアノード流路３４に連通する。

［１．２ エア供給システム１８］
エア供給システム１８は、エア供給流路１８Ｓを介してＦＣ１４に対してエアを供給すると共に、ガス排出流路１８Ｄを介してＦＣ１４で発生するカソードオフガスを排出する。エア供給流路１８Ｓとしては、上流側（吸入口側）から順に配管４０ａ、エアポンプ４２、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃが設けられる。下流側の配管４０ｃはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。ガス排出流路１８Ｄとしては、上流側（ＦＣ１４側）から順に配管４６ａ、加湿器４４、配管４６ｂ、背圧弁４８、配管４６ｃが設けられる。上流側の配管４６ａはＦＣ１４のカソード流路３６に連通する。エア供給流路１８Ｓの配管４０ｂと配管４０ｃは、加湿器４４をバイパスする配管５６で接続される。配管５６には弁５８が設けられる。配管４６ｂには圧力センサ６４が設けられる。配管４０ｂには流量センサ６６が設けられる。

エアポンプ４２は、配管４０ａを介して吸気した外部のエアを、配管４０ｂ、加湿器４４、配管４０ｃ等を介してＦＣ１４のカソード流路３６に圧送する。加湿器４４は、エアポンプ４２から供給されるエアを、ＦＣ１４から排出されるカソードオフガスを利用して加湿する。背圧弁４８は、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて弁の開度を調整することにより、ＦＣ１４のカソード流路３６の圧力を調整する。エアポンプ４２と背圧弁４８と弁５８は、それぞれＥＣＵ２４により制御される。圧力センサ６４で検出される圧力値はＥＣＵ２４に出力されており、この圧力値が所定圧になるように背圧弁４８の開度が制御される。流量センサ６６で検出されるエアの実流量値はＥＣＵ２４に出力される。

［１．３ 冷却システム２０］
冷却システム２０は、冷媒供給流路２０Ｓを介してＦＣ１４に対して冷媒を供給すると共に、冷媒排出流路２０Ｄを介してＦＣ１４から冷媒を回収する。冷媒は冷却システム２０とＦＣ１４の間で循環しており、ＦＣ１４で吸熱し、冷却システム２０で放熱する。

［１．４ 電力システム２２］
図２を用いて電力システム２２に関して説明する。ＦＣ１４は、ＦＣコンタクタ７０と昇圧コンバータ７２（ＦＣＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）７２ともいう）とインバータ７４（ＭＯＴＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）７４ともいう）を介して、トラクションモータ７６（ＴＲＣ７６ともいう）に接続される。また、高電圧バッテリ７８（ＢＡＴ７８ともいう）は、ＢＡＴコンタクタ８０と昇降圧コンバータ８２（ＢＡＴＶＣＵ８２ともいう）を介して、ＴＲＣ７６に接続される。ＦＣＶＣＵ７２とＢＡＴＶＣＵ８２は、ＴＲＣ７６に対して２次側２Ｓで並列に接続される。ＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂには各種の高電圧補機、例えばエアポンプ４２とエアコンディショナ８４（Ａ／Ｃ８４ともいう）とヒータ８６と降圧コンバータ８８（ＤＣ／ＤＣ８８ともいう）が並列に接続される。

ＦＣコンタクタ７０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＦＣ１４とＦＣＶＣＵ７２の１次側１Ｓｆとの遮断と接続とを切り替える。ＦＣＶＣＵ７２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４の制御信号に応じて１次側１Ｓｆの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加する。ＭＯＴＰＤＵ７４は３相ブリッジ型の構成とされ、２次側２Ｓの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてＴＲＣ７６を制御する。なお、回生時にＭＯＴＰＤＵ７４はコンバータとして機能し、ＴＲＣ７６で発生する交流電圧を直流電圧に変換する。ＭＯＴＰＤＵ７４とＴＲＣ７６は所謂負荷である。ＴＲＣ７６は、ＦＣ１４及び／又はＢＡＴ７８の電力により駆動し、回生時は発電機として機能する。ＴＲＣ７６にはモータ回転数センサ９０が設けられる。モータ回転数センサ９０はＴＲＣ７６の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。

ＢＡＴ７８は、力行時に実消費電力に対するＦＣ１４の発電量の不足分を放電し、回生時に実消費電力に対するＦＣ１４や負荷の発電量の超過分を充電する。ＢＡＴ７８のＳＯＣはＥＣＵ２４で監視される。ＢＡＴ７８には温度センサ９２が設けられる。温度センサ９２はＢＡＴ７８の温度を検出し、温度信号をＥＣＵ２４に出力する。ＢＡＴコンタクタ８０は、ＥＣＵ２４から出力される開閉信号に応じてＢＡＴ７８とＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂとの遮断と接続とを切り替える。ＢＡＴＶＣＵ８２はチョッパ回路を備える電圧調整装置であり、ＥＣＵ２４から出力される制御信号に応じて、力行時には１次側１Ｓｂの電圧を昇圧して２次側２Ｓに印加し、回生時には２次側２Ｓの電圧を降圧して１次側１Ｓｂに印加する。

エア供給システム１８（図１）にも含まれるエアポンプ４２は、エアポンプＰＤＵ９４（Ａ／ＰＰＤＵ９４ともいう）を介してＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂに接続される。Ａ／ＰＰＤＵ９４は３相ブリッジ型のインバータを備え、１次側１Ｓｂの直流電圧を交流電圧に変換し、ＥＣＵ２４から出力される目標回転数の制御信号に応じてエアポンプ４２を制御する。ポンプ回転数センサ９６（Ａ／Ｐ回転数センサ９６ともいう）はエアポンプ４２の回転数を検出し、回転数信号をＥＣＵ２４に出力する。

［１．５ ＥＣＵ２４］
図１、図２を用いてＥＣＵ２４に関して説明する。ＥＣＵ２４は、エネルギーマネージメントＥＣＵ１００（ＥＭＥＣＵ１００ともいう）とＦＣＥＣＵ１０２を備える。各ＥＣＵ１００、１０２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む）、ＲＡＭ、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する。各ＥＣＵ１００、１０２は、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。各ＥＣＵ１００、１０２は、１つのＥＣＵのみから構成されてもよく、複数のＥＣＵから構成されてもよい。

ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力及びバッファ幅（下記［２．２］、［２．５］参照）を演算すると共に、ＦＣシステム１２のエネルギーマネージメント（ＥＭ）を行うように構成される。更に、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力を電流指令値としてＦＣＥＣＵ１０２に出力するように構成される。

ＦＣＥＣＵ１０２は、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により、流量／圧力演算部１０４、回転数演算部１０６、電力推定部１０８、ポンプ電力演算部１１０、変化レート制限部１１２、ガス制御部１１４、電力システム制御部１１６として機能する。

流量／圧力演算部１０４は、エアポンプ４２の目標流量／圧力を演算するように構成される。回転数演算部１０６は、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を算出するように構成される。電力推定部１０８は、電力推定値（下記［２．１］参照）を演算するように構成される。ポンプ電力演算部１１０は、エアポンプ４２の消費電力上限値又は回生電力上限値を演算するように構成される。変化レート制限部１１２は、変化レートが制限されたエアポンプ４２の回転数を演算するように構成される。

ガス制御部１１４は、水素供給システム１６及びエア供給システム１８のガス制御を行うように構成される。ここでは、ガス制御部１１４は、圧力センサ６４の検出値と目標圧力に従い背圧弁４８をフィードバック制御するように構成される。

電力システム制御部１１６は、ＥＭＥＣＵ１００で行われたエネルギーマネージメントに基づいて、電力システム２２（ＦＣコンタクタ７０、ＦＣＶＣＵ７２、ＭＯＴＰＤＵ７４、ＢＡＴコンタクタ８０、ＢＡＴＶＣＵ８２、エアポンプ４２、高電圧補機８４、８６、８８）を制御するように構成される。更に、電力システム制御部１１６は、ＢＡＴ７８の充放電が充放電制限範囲を超えないように、ＢＡＴＶＣＵ８２を制御するように構成される。

各ＥＣＵ１００、１０２は、信号線１２０を介して水素供給システム１６、エア供給システム１８、冷却システム２０、電力システム２２の各機器と通信可能に接続される。そして、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行し、例えば、開度センサ３２、圧力センサ６４、流量センサ６６、温度センサ９２、Ａ／Ｐ回転数センサ９６等のセンサ検出値、ＦＣ１４の電圧、電流、エアポンプ４２の電圧、電流、回転数、ＴＲＣ７６の電圧、電流、回転数、ＢＡＴ７８の電圧、電流、温度、ＳＯＣ、２次側２Ｓの電圧、電流等を検出して、各機器を制御する。

［２ 燃料電池システム１２のエネルギーマネージメント］
ここで、ＥＭＥＣＵ１００で行われるエネルギーマネージメント（ＥＭ）について、本実施形態に関係する背景技術を下記［２．１］〜［２．４］で説明し、本実施形態の特徴を下記［２．５］で説明する。

［２．１ エアポンプ４２の電力推定値と実消費電力の差］
ＦＣシステム１２を搭載する車両１０では、ごく短い時間間隔でＦＣ１４に要求される発電量（目標電力）が演算される。この際に次の演算が行われる。すなわち、その時点のエアポンプ４２の流量と圧力比（エアポンプ４２の吸入側圧力と吐出側圧力の比）を実現するために、エアポンプ４２に必要とされる電力が演算される。この電力を「電力推定値」という。電力推定値は、例えば流量及び圧力比を入力とする電力算出マップから求められる。図３Ａで示すように、一般に車両１０の加速時には、各瞬間で演算される電力推定値（点線）よりも、実際に消費される実消費電力（実線）の方が大きくなる。また、図３Ｂで示すように、一般に車両１０の減速時には、各瞬間に演算される電力推定値（点線）よりも、実際に消費される実消費電力（実線）の方が小さくなる。本明細書では、実消費電力と電力推定値との差（＝実消費電力−電力推定値）を「ΔＡＰ」という。

ＦＣ１４の発電量は、エアポンプ４２の電力推定値を含めたＦＣシステム１２全体の電力を推定して設定される（下記［２．３］参照）。このため、ΔＡＰが大きくなると、ＦＣ１４の発電量が不足又は超過する。不足する電力はＢＡＴ７８の放電により補われ、超過する電力はＢＡＴ７８の充電により蓄電される。

［２．２ ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０］
図４で示すように、ＢＡＴ７８には充電上限値ＵＬと放電下限値ＬＬとで画定される充放電制限範囲１３０がある。充電上限値ＵＬを超えて充電されると過充電となり、放電下限値ＬＬを超えて放電されると過放電となる。充電上限値ＵＬと放電下限値ＬＬを超える範囲でのバッテリの使用は禁止されており、ＢＡＴ７８は充放電制限範囲１３０内で充放電するように使用される。当然ではあるが、ＳＯＣが大きいほど、充放電制限範囲１３０のうち放電できる電力幅が大きくなり、ＳＯＣが小さいほど、充放電制限範囲１３０のうち充電できる電力幅が大きくなる。

充放電制限範囲１３０のうち充電上限値ＵＬの手前には減速側のバッファ１３２が設定され、充放電制限範囲１３０のうち放電下限値ＬＬの手前には加速側のバッファ１３４が設定される。加速側のバッファ１３４は、車両１０の加速時に発生するΔＡＰが超えない程度の大きさに設定される。減速側のバッファ１３２は、車両１０の減速時に発生するΔＡＰが超えない程度の大きさに設定される。言い換えると、加速側のバッファ１３４及び減速側のバッファ１３２の電力はエアポンプ４２の使用分として割り当てられる。そして、加速側のバッファ１３４と減速側のバッファ１３２以外の範囲の電力はエアポンプ４２以外の使用分として割り当てられる。この範囲をＥＭ制御範囲１３６という。

［２．３ ＦＣ１４とＢＡＴ７８の電力配分］
図５を用いて、車両１０の加速時又は通常走行時の電力配分について説明する。図５は、ＢＡＴ７８のＳＯＣが５０％程度、すなわちＢＡＴ７８の充電可能量と放電可能量が同程度である場合の電力配分例を示す。ＦＣシステム１２を搭載する車両１０では、ＦＣ１４に要求される発電量（目標電力）が演算される。大きくは次のような処理が行われる。

先ず、上記［２．１］で説明したエアポンプ４２の電力推定値が演算される。ここでは電力推定値を推定電力１４０という。更に、エアポンプ４２以外の高電圧補機（Ａ／Ｃ８４、ヒータ８６、ＤＣ／ＤＣ８８）やＴＲＣ７６等、ＦＣシステム１２の現状維持のために要求される消費要求電力１４２が演算される。推定電力１４０と消費要求電力１４２をＦＣ１４の発電とＢＡＴ７８のアシスト量で賄う必要がある。ＦＣシステム１２では、ＥＭ制御範囲１３６のうち放電側の範囲１４６（ＥＭ放電範囲１４６ともいう）の電力をＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａとして使用することを想定したうえで、ＦＣ１４の発電量１４４を設定する。すなわち、推定電力１４０と消費要求電力１４２の合計と、ＦＣ１４の発電量１４４とＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａの合計が概ね等しくなるように、ＦＣ１４の発電量１４４とＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａを設定する。そして、実際の加速時又は通常走行時には、ＢＡＴ７８のアシスト量１４６ａがＥＭ制御範囲１３６内、すなわちＥＭ放電範囲１４６内に収まるように、各機器の電力消費を制御する。アシスト量１４６ａがＥＭ放電範囲１４６内であれば、加速時のΔＡＰ（＝実消費電力−電力推定値）が最大になっても、そのΔＡＰを加速側のバッファ１３４で吸収できる。このためＢＡＴ７８の放電量が放電下限値ＬＬを超えることはない。

［２．４ 温度と充放電制限範囲１３０との関係］
上記［２．２］で説明したＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０は温度によって変化する。図６で示すように、充放電制限範囲１３０は、ＢＡＴ７８の温度が常温（図６では０℃）から低くなるにつれて小さくなる。つまり、図７で示すように、低温時の充放電制限範囲１３０´は、常温時の充放電制限範囲１３０よりも小さくなる。低温時に常温時と同じバッファ１３２、１３４を設定した場合、充放電制限範囲１３０´内のバッファ１３２、１３４の割合が多くなり、エアポンプ４２以外の機器に割り当てられるＥＭ制御範囲１３６´が小さくなる。

ここで車両１０の加速時を例にして更に説明する。図８の回転数上昇レート−ΔＡＰ電力特性（特性Ａという）で示すように、エアポンプ４２のΔＡＰ（＝実消費電力−電力推定値）は、エアポンプ４２の回転数上昇レートが大きくなるほど大きくなる。すなわち、アクセルペダル３０の踏み込みレートが大きくなるほどΔＡＰは大きくなる。特性Ａはエアポンプ４２により決まるものであり、温度は関係しない。このため、通常は、ＢＡＴ７８の温度に関わらず、特性Ａの最大値に応じたバッファ１３４を設定する必要がある。図８においては、回転数上昇レートＲ１のときにΔＡＰが最大値Ｗ１となるため、この最大値Ｗ１に相当するバッファ１３４が必要である。すると、放電時にエアポンプ４２以外で使用できるＥＭ放電範囲１４６´は小さくなる。

［２．５ 本実施形態の説明］
本実施形態によれば、ＢＡＴ７８が低温環境下にあっても、ＥＭ放電範囲１４６´（ＥＭ制御範囲１３６´）を広くすることができる。すなわち、本実施形態は、ＢＡＴ７８の温度が低くなるほど、エアポンプ４２の回転数変化レートを小さくする。図８、図９を用いて一例を説明する。常温（所定温度以上：例えば０℃以上）と低温（所定温度未満：例えば０℃未満）の２つの状態において、アクセルペダル３０が同じように踏まれた場合を想定する。常温時にはエアポンプ４２の回転数上昇レートを抑制しない。このとき、図８で示すように、回転数上昇レートは最大値であるＲ１まで上昇可能である。このため、図９で示すように、回転数上昇レートがＲ１であるときに発生するΔＡＰ＝Ｗ１に相当するバッファ１３４を設定する。一方、低温時にはエアポンプ４２の回転数上昇レートを常温時よりも小さくする。このとき、図８で示すように、回転数上昇レートは最大値であるＲ１よりも小さいＲ２に制限される。このため、図９で示すように、回転数上昇レートがＲ２であるときに発生するΔＡＰ＝Ｗ２（＜Ｗ１）に相当するバッファ１５２を設定する。すると、ＢＡＴ７８の放電時にエアポンプ４２以外で使用できるＥＭ放電範囲１５８は、バッファ１３４を設定した場合のＥＭ放電範囲１４６´よりも大きくなる。

車両１０の減速時についても同様である。本実施形態では、常温時にはエアポンプ４２の回転低下レートを抑制しない。一方、低温時にはエアポンプ４２の回転低下レートを常温時よりも小さくする。すると、ＥＭ充電範囲１５６は、バッファ１３２を設定した場合のＥＭ充電範囲１４８´よりも大きくなる。

このように、本実施形態によれば、ＢＡＴ７８の温度が低いほど、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくする。すると、エアポンプ４２の消費電力の変化幅が小さくなる。その結果、バッファ１５０、１５２を小さくすることが可能となる。すなわち、低温時のＥＭ制御範囲１５４は、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくしない場合のＥＭ制御範囲１３６´よりも大きくなる。このため、エアポンプ４２以外で使用できるＢＡＴ７８の電力を増やすことができ、ＦＣ１４の発電を抑制できる。また、エネルギーマネージメントの自由度が広がる。

［３ ＦＣシステム１２の処理］
［３．１ 処理例１］
図１０で示すフローチャートを用いつつ、適宜図１、図２を参照してＦＣシステム１２で行われる処理を説明する。

ステップＳ１にて、ＥＣＵ２４は各機器の動作状況を監視すると共に、各種センサの検出信号を受信することにより各種情報を取得する。

ステップＳ２にて、ＥＭＥＣＵ１００は、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０の充電上限値ＵＬと放電下限値ＬＬに、温度に応じたバッファを設定する。例えば、図９で示すように、ＢＡＴ７８が低温（例えば０℃未満）である場合は、ＢＡＴ７８の温度が低くなるほど幅が小さくなるバッファ１５０、１５２を設定する。一方、ＢＡＴ７８が常温（例えば０℃以上）である場合は、一定幅のバッファ１３２、１３４を設定する。

ステップＳ３にて、ＥＭＥＣＵ１００は、取得した情報に基づいて、ＦＣ１４に要求される発電量、すなわち目標電力を演算する。このとき、ＥＭＥＣＵ１００には、ＦＣＥＣＵ１０２の電力推定部１０８で前回演算された電力推定値がフィードバックされている。ＥＭＥＣＵ１００は、この電力推定値とバッファ１５０、１５２の幅に基づいて、ＢＡＴ７８から充放電可能な電力を演算すると共に、負荷や高電圧補機に割り当てることができる消費電力や回生電力を決定する。そして、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣシステム１２で発生／消費するトータルの電力がプラスマイナスゼロとなるように、ＦＣ１４の目標電力を演算する。例えば、車両１０の加速時には上記［２．３］で説明したような手順で目標電力を算出する。目標電力は電流指令値としてＦＣＥＣＵ１０２に出力される。

ステップＳ４にて、流量／圧力演算部１０４は、電流指令値に基づいて、ＦＣ１４の目標電力を得るために必要なエアポンプ４２の目標流量／圧力を演算する。

ステップＳ５にて、回転数演算部１０６は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標流量／圧力と、エアポンプ４２のＡ／Ｐ回転数センサ９６の検出値を用いて、目標流量を得るために必要なエアポンプ４２の目標回転数を演算する。

ステップＳ６にて、電力推定部１０８は、流量／圧力演算部１０４で演算された目標流量／圧力を用いて、電力推定値（下記［２．１］参照）を演算する。演算された電力推定値は、次回の目標電力の演算のために、ＥＭＥＣＵ１００にフィードバックされる。

ステップＳ７にて、ポンプ電力演算部１１０は、電力推定部１０８で演算された電力推定値と、エアポンプ４２の通常の消費電力上下限値を用いて、その時点におけるエアポンプ４２の消費電力上限値又は回生電力上限値を演算する。通常の消費電力上限値というのは、エアポンプ４２の定格値である。通常の消費電力下限値というのは、車両１０の故障時等でも最低限必要な電力をＦＣ１４が発電するためにエアポンプ４２に要求される電力である。

ステップＳ８にて、変化レート制限部１１２は、ＥＭＥＣＵ１００で設定されたバッファ１５０、１５２の幅と、回転数演算部１０６で演算された目標回転数と、電力推定部１０８で演算された電力推定値を用いて、変化レートが制限された目標回転数を演算する。例えば、バッファ１５０、１５２の幅が小さい、すなわちＢＡＴ７８が低温であるほど目標回転数の変化レートを小さくする。より具体的には、その時点の回転数から今回算出した目標回転数への変化レートを、ＢＡＴ７８が低温であるほど小さくする。つまり、目標回転数の時間あたりの変動幅を小さくする。このようにすれば、エアポンプ４２の消費電力又は回生電力はバッファ１５０、１５２を超えることはない。この処理によって、結果として、変化レート制限後の目標回転数は、変化レートを制限しない場合の目標回転数と比較して小さくなる。一方、一定のバッファ１３２、１３４が設定される場合は、目標回転数の変化レートを小さくすることなくそのまま使用する。

ステップＳ９にて、電力システム制御部１１６は、ＢＡＴ７８の充放電量が充電上限値ＵＬ及び放電下限値ＬＬを超えないように、電力システム２２を制御する。この際、電力システム制御部１１６は、Ａ／ＰＰＤＵ９４を介して、変化レート制限部１１２で演算された目標回転数に基づいて、エアポンプ４２を制御する。電力システム制御部１１６は、ポンプ電力演算部１１０で演算された消費電力上限値以下又は回生電力上限値以下の範囲内でエアポンプ４２の電力を制御する。

ステップＳ１０にて、ガス制御部１１４は、カソード圧を流量／圧力演算部１０４で演算された目標圧力にするために、圧力センサ６４で検出された圧力値を監視しつつ背圧弁４８のフィードバック制御を行う。

［３．２ 処理例２］
処理例１のステップＳ３にて、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標電力を演算しているが、この際、温度に応じて目標電力を制限することも可能である。例えば、ＢＡＴ７８が低温（例えば０℃未満）である場合は、低温であるほど目標電力の変化レートを小さくする。より具体的には、前回算出した目標電力から今回算出した目標電力への変化レートを、ＢＡＴ７８が低温であるほど小さくする。つまり、目標電力の時間あたりの変動幅を小さくする。一例としては、温度に応じた係数ｍ（０＜ｍ＜１）を目標電力に掛けて変化レートを小さくする。一方、ＢＡＴ７８が常温（０℃以上）である場合は、目標電力の変化レートを小さくすることなくそのまま使用する。

処理例２によれば、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくした場合に、ＦＣ１４に要求される目標電力の変化レートを小さくするため、ＦＣ１４の発電量が急激に変動しなくなる。このため、ＢＡＴ７８の過充電／過放電を抑制することができる。

［３．３ 処理例３］
処理例１、２のステップＳ４にて、流量／圧力演算部１０４は、エアポンプ４２の目標流量を演算しているが、この際、温度に応じて目標流量を制限することも可能である。例えば、ＢＡＴ７８が低温（例えば０℃未満）である場合は、低温であるほど目標流量の上昇レートを小さくする。より具体的には、その時点のエアの流量から今回算出した目標流量への上昇レートを、ＢＡＴ７８が低温であるほど小さくする。つまり、目標流量の時間あたりの変動幅を小さくする。一例としては、温度に応じた係数ｎ（０＜ｎ＜１）を目標電力に掛けて変化レートを小さくする。一方、ＢＡＴ７８が常温（０℃以上）である場合は、目標流量の上昇レートを小さくすることなくそのまま使用する。

通常、エアポンプ４２の目標流量を急増させる場合は、エアポンプ４２の目標圧力も急増させる。このとき、エアポンプ４２の回転数の上昇レートが小さくされていると、演算された目標流量及び目標圧力にならない。この場合、カソード圧を上昇させる圧力フィードバック制御が実行され、エアの圧力を調整する背圧弁４８が絞られる。すると、エアの流量が更に低下し、ＦＣ１４の発電量が減少する虞がある。処理例３によれば、エアポンプ４２の回転数の上昇レートを小さくした場合に、目標流量の上昇レートを小さくするため、目標圧力の急増を抑制できる。その結果、背圧弁４８が過剰に絞られることはなくなり、流量が更に低下することを抑制できる。

ところで、処理例３では目標流量の上昇レートを制限する一方で、減少レートを制限していない。これは減少レートを制限しなくても、車両１０の挙動に影響がでないためである。

［３．４ 処理例４］
処理例３のステップＳ４にて、流量／圧力演算部１０４は、エアポンプ４２の目標圧力を算出しているが、この際、演算された目標流量に応じて目標圧力を制限することも可能である。例えば、目標流量が所定流量未満である場合は、目標圧力を所定圧以下にする。所定圧は一定値でもよいし、流量が少なくなるに応じて小さくなる値であってもよい。通常、高い目標圧力が設定された場合に、ガス制御部１１４は背圧弁４８を絞る。流量が少ない状態で背圧弁４８を絞ると、流量が更に少なくなり、目標とする流量が得られなくなる。本処理例４のように、目標流量が所定流量未満である場合に目標圧力を所定圧以下にすることにより、流量の過剰な低下を抑制できる。なお、目標流量ではなく、流量センサ６６で検出される実流量に応じて目標圧力を制限してもよい。

処理例４によれば、エアの目標圧力を所定圧以下に制限するため、流量が少ない状態で、エアの圧力を調整する背圧弁４８が過剰に絞られることを防止することができ、流量が更に低下することを抑制できる。

［３．５ 処理例５］
処理例３のステップＳ４にて、ＥＭＥＣＵ１００は、ＦＣ１４の目標圧力を算出しているが、この際、目標流量に応じて圧力フィードバック制御を制限することも可能である。例えば、圧力フィードバック制御を一時的に停止する。流量が少なくなると、圧力センサ６４により検出される圧力が小さくなる。圧力フィードバック制御を継続した場合、ガス制御部１１４は、圧力を上昇させるために、背圧弁４８を絞る。すると、流量が更に少なくなり、目標とする流量が得られなくなる。本処理例５のように、目標流量が所定流量未満である場合に圧力フィードバック制御を一時的に停止することにより、流量の過剰な低下を抑制できる。なお、目標流量ではなく、流量センサ６６で検出される実流量に応じて圧力フィードバック制御を制限してもよい。

上記構成によれば、圧力センサ６４により検出される圧力に基づいてエアの圧力を所定圧にする圧力フィードバック制御を制限するため、流量が少ない状態で、エアの圧力を調整する背圧弁４８が過剰に絞られることを防止でき、流量が更に低下することを抑制できる。

［４ 他の実施形態］
上記実施形態は、ＢＡＴ７８の温度が常温より低くなった場合に充放電制限範囲１３０が狭くなるという問題を解消するために、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくするものである。一方、ＢＡＴ７８の温度が常温より高くなった場合にも充放電制限範囲１３０は狭くなることがある。このため、ＢＡＴ７８の温度が常温より高くなった場合に上記実施形態を利用してもよい。

［５ 本実施形態のまとめ］
ＦＣシステム１２は、水素ガス（燃料ガス）及びエア（酸化剤ガス）を用いて発電する燃料電池１４と、充放電制限範囲１３０内で充放電するＢＡＴ７８（蓄電装置）と、燃料電池１４及びＢＡＴ７８から供給される電力を消費すると共にＢＡＴ７８に電力を供給するＴＲＣ７６等の負荷及びエアポンプ４２等の補機と、エアポンプ４２を制御しつつ燃料電池１４の発電及びＢＡＴ７８の充放電を制御するＥＣＵ２４（制御装置）と、を備える。ＦＣシステム１２は、更に、ＢＡＴ７８の温度を検出（把握）する温度センサ９２（温度把握手段）を備える。ＥＣＵ２４（ＦＣＥＣＵ１０２）は、温度センサ９２により検出される温度が低いほど、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくする。

ＥＣＵ２４（ＥＭＥＣＵ１００）は、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０の上下限値にバッファ１３２、１３４を設定し、バッファ１３２、１３４分の電力をエアポンプ４２の使用分として割り当て、バッファ１３２、１３４分以外の電力をエアポンプ４２以外の使用分として割り当てて、ＢＡＴ７８の充放電を制御する。ＥＣＵ２４（ＥＭＥＣＵ１００）は、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくする場合には、温度センサ９２により検出される温度が低いほど小さいバッファ１５０、１５２を設定する。

ＦＣシステム１２によれば、ＢＡＴ７８の温度が低いほど、エアポンプ４２の回転数の変化レートを小さくするため、エアポンプ４２の消費電力の変動幅を小さくすることができ、ＢＡＴ７８の充放電制限範囲１３０に設定するバッファを小さくすることが可能となる。結果として、エアポンプ４２以外の高電圧補機にＢＡＴ７８の電力を割り当てることが可能となり、エネルギーマネージメントの自由度が向上する。

図２で示すように、上記実施形態では、Ａ／ＰＰＤＵ９４がＢＡＴＶＣＵ８２の１次側１Ｓｂに設けられているが、他の位置に設けられていてもよい。例えば２次側２Ｓに設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、ＢＡＴ７８の温度を温度センサ９２により把握しているが、例えば車外が低温でソークが続いた場合に、ＢＡＴ７８の温度が低温であるとみなすようにしてもよい。

１０…車両 １２…ＦＣシステム
１４…燃料電池（ＦＣ） １８…エア供給システム
２２…電力システム ２４…ＥＣＵ
４２…エアポンプ ４８…背圧弁
７８…高電圧バッテリ（ＢＡＴ） ９２…温度センサ（温度把握手段）
９４…Ａ／ＰＰＤＵ １００…ＥＭＥＣＵ
１０２…ＦＣＥＣＵ １０４…流量／圧力演算部
１０６…回転数演算部 １０８…電流推定部
１１０…ポンプ電力演算部 １１２…変化レート制限部
１１４…ガス制御部 １１６…電力システム制御部

Claims (5)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   充放電可能な電力範囲内で充放電する蓄電装置と、
   前記燃料電池及び前記蓄電装置から供給される電力を消費すると共に前記蓄電装置に電力を供給する負荷及び補機と、
   前記補機に含まれ前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するポンプと、
   前記ポンプを制御しつつ前記燃料電池の発電及び前記蓄電装置の充放電を制御する制御装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記蓄電装置の温度を把握する温度把握手段を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記蓄電装置の前記電力範囲の上下限値にバッファを設定し、前記バッファ分の電力を前記ポンプの使用分として割り当て、前記バッファ分以外の電力を前記ポンプ以外の使用分として割り当てて、前記蓄電装置の充放電を制御し、
   前記温度把握手段により把握される温度が低いほど、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくし、前記ポンプの回転数の変化レートを小さくする場合には、前記温度把握手段により把握される温度が低いほど前記バッファを小さくする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池に要求される目標電力を演算し、前記目標電力に応じた前記酸化剤ガスの目標流量を演算し、前記目標流量に応じた前記ポンプの目標回転数を演算し、前記目標回転数に基づいて前記ポンプを制御することにより、前記燃料電池の発電を制御し、
   前記ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、前記目標電力の変化レートを小さくする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池に要求される目標電力を演算し、前記目標電力に応じた前記酸化剤ガスの目標流量を演算し、前記目標流量に応じた前記ポンプの目標回転数を演算し、前記目標回転数に基づいて前記ポンプを制御することにより、前記燃料電池の発電を制御し、
   前記ポンプの回転数の変化レートを小さくした場合に、前記目標流量の上昇レートを小さくする
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記目標流量、又は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの実流量に応じて、前記酸化剤ガスの目標圧力を所定圧以下に制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記酸化剤ガスの圧力を検出する圧力センサを更に備え、
   前記制御装置は、
   前記圧力センサにより検出される圧力に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を所定圧にする圧力制御を行うと共に、
   前記目標流量、又は、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの実流量に応じて、前記圧力制御を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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