燃料電池システム
【課題】燃料電池の間欠運転時における二次電池の過充電を防止する。
【解決手段】ＦＣ要求電圧算出部１１０は、燃料電池の間欠運転時に、高電位化回避閾値電圧を下回る所定電圧を、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出し、コンバータへ出力する。ＦＣ要求電圧補正部は、燃料電池の間欠運転時に、燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーＰｓｙから燃料電池の発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄが値０以下となったときに、偏差Ｄが値０となるようにコンバータへの指令値を補正する。
【解決手段】ＦＣ要求電圧算出部１１０は、燃料電池の間欠運転時に、高電位化回避閾値電圧を下回る所定電圧を、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出し、コンバータへ出力する。ＦＣ要求電圧補正部は、燃料電池の間欠運転時に、燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーＰｓｙから燃料電池の発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄが値０以下となったときに、偏差Ｄが値０となるようにコンバータへの指令値を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と二次電池とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メインのエネルギー源とは別に二次電池を備えるハイブリッドシステムが注目されている。このようなハイブリッドシステムにおいて、電力線の目標電圧と検出電圧との偏差を用いた電圧フィードバック制御を行う構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、上記ハイブリッドシステムにおいて燃料電池を用いた燃料電池システムがある。燃料電池システムでは、燃費を向上させるために、アイドリング時や低速走行時、回生制動時のような低負荷運転時に燃料電池の発電を一時的に停止させ、二次電池から負荷（車両モータ等）に電力を供給させる間欠運転を行っている。なお、この間欠運転時において、燃料電池の耐久性向上のために、強制的に発電を行うこともあり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０５０号公報
【０００５】
しかしながら、前記電圧フィードバック制御を行う従来例を前記燃料電池システムに採用した場合に、間欠運転時に適正な電力制御がなされず、二次電池の過充電を引き起こす虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池の間欠運転時における二次電池の過充電を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーから前記燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【０００９】
適用例１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、システム許容パワーから燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１０】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記コンバータ指令値補正部は、前記燃料電池システムの要求パワーと、前記二次電池への充電パワー制限値とを加えて、前記システム許容パワーを求める構成を備える、燃料電池システム。
【００１１】
適用例２に係る燃料電池システムによれば、システム許容パワーを高い精度で測定することができる。
【００１２】
［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電流または出力電圧を検出する出力検出部を備え、前記コンバータ指令値補正部は、前記偏差に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部とを備える燃料電池システム。
【００１３】
適用例３に係る燃料電池システムによれば、電流−電圧曲線における折れ曲がり点の前後でフィードバック制御におけるゲインを切り替えることができることから、フィードバック制御の制御性を高めることができる。
【００１４】
［適用例４］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記二次電池の上限電圧から前記二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【００１５】
適用例４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、二次電池の上限電圧から二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１６】
［適用例５］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記二次電池の下限電流から前記二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【００１７】
適用例５に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、二次電池の下限電流から二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、その偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１８】
［適用例６］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池の出力要求電力から前記燃料電池の発電電力を引いた偏差に基づいて、前記コンバータへの指令値の補正量をフィードバック制御し、前記補正量を前記コンバータへの指令値に加えるコンバータ指令値補正部とを備え、前記コンバータ指令値補正部は、前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部とを備える燃料電池システム。
【００１９】
適用例６に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電電力を出力要求電力に一致させることができ、さらに、電流−電圧曲線における折れ曲がり点の前後でフィードバック制御におけるゲインを切り替えることができることから、フィードバック制御の制御性を高めることができる。
【００２０】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムに備えられる各部の動作を行う工程を備える制御方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の要部構成を示すシステム構成図である。
【図２】間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆ、ＦＣ発電パワーＰｆｃ、およびシステム許容パワーＰｓｙの時間変化を示すタイミングチャートである。
【図３】コンバータ指令電圧出力部１２を示すブロック図である。
【図４】第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００を示す説明図である。
【図５】第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００を示す説明図である。
【図６】第４実施例におけるコンバータ指令電圧出力部５００を示す説明図である。
【図７】Ｉ−Ｖ曲線の一例を示すグラフである。
【図８】第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の要部構成を示すシステム構成図である。本実施例では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００２４】
この車両は、減速ギア６２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
【００２５】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
【００２６】
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００２７】
燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２および電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化剤ガス供給源８０から空気などの酸化剤ガスが供給される。
【００２８】
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。また、燃料電池４０には、図示しない冷却水通路により冷却水が供給されており、この冷却水通路には、燃料電池４０の温度（以下、「ＦＣ温度」と呼ぶ）を検出する温度センサ９６が設けられている。
【００２９】
酸化剤ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化剤ガス量を調整する。
【００３０】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００３１】
バッテリ２０の出力電圧（以下、バッテリ電圧）及び出力電流（以下、バッテリ電流）は、それぞれ電圧センサ９４および電流センサ９５によって検出される。
【００３２】
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００３４】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００３５】
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータを備える。
【００３６】
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化剤ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化剤ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力、電圧センサ９２によって検知されるＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知されるＦＣ電流、電圧センサ９４によって検知されるバッテリ電圧、電流センサ９５によって検知されるバッテリ電流、温度センサ９６によって検知されるＦＣ温度、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００３７】
本実施例の燃料電池システム１００では、燃費を向上させるために、アイドリング時や低速走行時、回生制動時のような低負荷運転時に燃料電池４０の発電を一時的に停止させ、バッテリ２０から負荷（トラクションモータ６１等）に電力を供給させる間欠運転を行っている。この間欠運転は、制御装置１０によって、燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化剤ガス通路に設けられた調圧弁８１を閉じて、燃料電池４０への反応ガスの供給を停止することにより行われる。
【００３８】
さらに、本実施例の燃料電池システム１００では、間欠運転時（詳細には、間欠運転の際の停止時、以下同様）に、燃料電池４０の耐久性向上などを目的に、燃料電池４０の発電が強制的に実施されている。すなわち、制御装置１０は、間欠運転時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０へ燃料電池要求電圧（以下、「ＦＣ要求電圧」と呼ぶ）を指令することで、燃料電池４０の発電を強制的に実施している。なお、この強制的な発電により生じるパワー（電力、以下同じ）を、バッテリ２０に蓄電させる。
【００３９】
図２は、間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆ、ＦＣ発電パワーＰｆｃ、およびシステム許容パワーＰｓｙの時間変化を示すタイミングチャートである。なお、システム許容パワーＰｓｙは、燃料電池システム１００において消費または蓄電することにより、燃料電池システム１００内で最大限利用しうる電力である。
【００４０】
図示するように、間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆは、高電位化回避閾値電圧（以下、「閾値電圧」と呼ぶ）Ｖｔｈを下回る所定の電圧Ｖｃである。ここで、閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。すなわち、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆが閾値電圧Ｖｔｈ以上となると、燃料電池４０は高電位化状態となる。なお、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。ＦＣ要求電圧として、閾値電圧Ｖｔｈからどの値まで下げるかは任意に設定可能である。
【００４１】
一方、図２に示すように、間欠運転時におけるシステム許容パワーＰｓｙは、図中の１点鎖線に示すように、時間経過と共に徐々に低下する。これは、時間経過と共にＦＣ発電パワーＰｆｃが積算されるためである。同図のｔ１時点以降においては、ＦＣ発電パワーＰｆｃはシステム許容パワーＰｓｙを上回ることになる。すなわち、ｔ１時点以降、ＦＣ発電パワーＰｆｃは、バッテリ２０で吸収不可能な状態となる。
【００４２】
そこで、本実施例では、ｔ１時点以降、ＦＣ発電パワーＰｆｃが、図中の２点鎖線に示すように、システム許容パワーＰｓｙに追随して低下するようにしている。なお、図中の２点鎖線は、システム許容パワーＰｓｙを示す１点鎖線と若干ずれているが、これは図示の都合のためであり、実際には、ＦＣ発電パワーＰｆｃはシステム許容パワーＰｓｙと一致するように制御される。具体的には、制御装置１０は、コンバータ指令電圧出力部１２（図１）を備え、このコンバータ指令電圧出力部１２により、上記のＦＣ発電パワーＰｆｃの低下がなされる。
【００４３】
Ａ−２．コンバータ指令電圧出力部の構成：
図３は、コンバータ指令電圧出力部１２を示すブロック図である。図示するように、コンバータ指令電圧出力部１２は、ＦＣ要求電圧算出部１１０と、ＦＣ要求電圧補正部２０１とを備える。なお、ＦＣ要求電圧算出部１１０およびＦＣ要求電圧補正部２０１は、本実施例では、ディスクリートな電子部品により構成されているものとするが、これに換えて、制御装置１０に備えられるＣＰＵで実行される制御処理により構成するようにしてもよい。
【００４４】
ＦＣ要求電圧算出部１１０は、燃料電池４０に対する要求パワーを算出し、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求パワーに応じた燃料電池４０の出力電圧をＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出するユニットである。要求パワーとしては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、ＦＣ要求電圧算出部１１０は、間欠運転時には、燃料電池４０に対する要求パワーに拘わらず（すなわち、要求パワーがゼロの場合にも）、前述した高電位化回避閾値電圧Ｖｔｈを下回る所定電圧Ｖｃを、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出する。
【００４５】
ＦＣ要求電圧補正部２０１は、ＦＣ要求電圧算出部１１０により算出されたＦＣ要求電圧Ｖｒｆを補正するための電圧補正値を算出するユニットである。ＦＣ要求電圧補正部２０１は、ＦＣ発電パワー算出部２１０と、システム許容パワー算出部２２０と、減算部２３０と、駆動条件判定部２４０と、ＰＩＤ制御部２５０とを備える。なお、各部２１０〜２５０は、燃料電池４０の間欠運転時において実現される構成であり、間欠運転時でない通常運転時には別の構成となる。この別の構成については、本実施例では説明を省略する。
【００４６】
ＦＣ発電パワー算出部２１０は、電圧センサ９２により検出されたＦＣ電圧と、電流センサ９３により検出されたＦＣ電流とに基づいて、ＦＣ発電パワーＰｆｃを算出する。
【００４７】
システム許容パワー算出部２２０は、燃料電池システム１００のシステム許容パワーＰｓｙを算出するユニットである。一般には、システム許容パワーＰｓｙは、燃料電池システム１００の要求パワーと、バッテリ２０への充電パワー制限値との合計である。燃料電池システム１００の要求パワーは、例えば、トラクションモータ６１、補機類５０等の燃料電池システム１００において要求されるあらゆる電力を含む。バッテリ２０への充電パワー制限値は、バッテリ２０に最大限充電可能な電力である。燃料電池システム１００の要求パワーおよびバッテリ２０への充電パワー制限値の各求め方については、周知であることから、ここでは説明は省略する。
【００４８】
なお、システム許容パワーＰｓｙは、前述したように、燃料電池システム１００の要求パワーと、バッテリ２０への充電パワー制限値とを加えて求めていたが、これに換えて、例えば、上記要求パワーと充電パワー制限値との和に他の電力量をさらに加えて求めてもよい。要は、燃料電池システム１００全体で許容できるパワー（電力量）であれば、いずれの求め方としてもよい。
【００４９】
ＦＣ発電パワー算出部２１０で求められたＦＣ発電パワーＰｆｃと、システム許容パワー算出部２２０で求められたシステム許容パワーＰｓｙとは、減算部２３０へ送られ、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄが求められる。偏差Ｄは、駆動条件判定部２４０とＰＩＤ制御部２５０にそれぞれ送られる。
【００５０】
駆動条件判定部２４０は、偏差Ｄに基づいてＰＩＤ制御部２５０を駆動するか否かの判定を行い、判定結果に応じた制御指令ＳをＰＩＤ制御部２５０に送る。詳細には、駆動条件判定部２４０は、偏差Ｄが値０以下であるときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力し、偏差Ｄが値０を上回るときに、駆動を禁止する制御指令Ｓを出力する。なお、偏差Ｄが値０より小さくなった（値０を下回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００５１】
ＰＩＤ制御部２５０は、駆動条件判定部２４０から駆動を許可する旨の制御指令Ｓを受信したときに、偏差Ｄを入力としてＰＩＤ制御を行うことにより、目標値であるシステム許容パワーＰｓｙに、制御対象であるＦＣ発電パワーＰｆｃを一致させるための操作量である電圧補正値ＭＶを算出する。なお、ＰＩＤ制御部２５０は、駆動条件判定部２４０から駆動を禁止する旨の制御指令Ｓを受信したときには、電圧補正値ＭＶを値０とする。
【００５２】
なお、ＰＩＤ制御部２５０は、比例制御だけのＰ制御を行うＰ制御部、比例積分制御のＰＩ制御を行うＰＩ制御部、比例微分制御のＰＤ制御を行うＰＤ制御部等の種々のフィードバック制御部に換えることができる。さらに、偏差Ｄを値０に一致させる制御を行う制御部であれば、いずれの制御部に換えることもできる。
【００５３】
ＦＣ要求電圧算出部１１０で求められたＦＣ要求電圧Ｖｒｆと、ＦＣ要求電圧補正部２０１で求められた電圧補正値ＭＶとは、加算部１１５へ送られ加算され、加算結果はコンバータ指令電圧として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０（図１）へ送られる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、電圧補正値ＭＶが加算されたＦＣ要求電圧Ｖｒｆに従うように、燃料電池４０の出力を制御することができる。電圧補正値ＭＶは、前述したように、システム許容パワーＰｓｙにＦＣ発電パワーＰｆｃを一致させるための操作量であることから、燃料電池４０の発電パワーＰｆｃは、システム許容パワーＰｓｙと一致する。なお、上記のパワーＰｆｃ、Ｐｓｙの一致は、駆動条件判定部２４０で、偏差Ｄが値０以下であると判定されて、ＰＩＤ制御部２５０が駆動されたときのものである。
【００５４】
したがって、コンバータ指令電圧出力部１２によれば、図２で示したｔ１時点以降において、システム許容パワーＰｓｙの低下に追随して、ＦＣ発電パワーＰｆｃは低下することになる。
【００５５】
Ａ−３．実施例効果：
以上のように構成された第１実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池４０の間欠運転時において、燃料電池４０の出力電圧が、高電位化回避閾値電圧Ｖｔｈ以上になることが抑制される。さらに、この抑制の最中に、燃料電池４０の発電パワーＰｆｃがシステム許容パワーＰｓｙを上回らないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００５７】
図４は、第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００を示す説明図である。第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２０１では、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄを求めているが、これに換えて、図４に示すように、第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００に設けられたＦＣ要求電圧補正部３０１では、バッテリ上限電圧からバッテリ電圧を引いた偏差Ｄｂｖを減算部３３０により求めている。ここで、バッテリ上限電圧は、バッテリ２０の上限電圧値であり、予め実験などにより求められた値である。なお、バッテリ上限電圧は、図示しない温度センサにより検出されたバッテリ温度に基づいて温度補正された所定値としてもよい。バッテリ電圧は、電圧センサ９４で検出されたバッテリ２０の出力電圧である。
【００５８】
この偏差Ｄｂｖを用いて第１実施例と同様に、ＰＩＤ制御部３５０でＰＩＤ制御を行う。なお、駆動条件判定部３４０は、偏差Ｄｂｖが値０以下であるときに、駆動を許可する旨の制御指令ＳをＰＩＤ制御部３５０に出力し、偏差Ｄｂｖが値０を上回るときに、駆動を禁止する制御指令ＳをＰＩＤ制御部３５０に出力する。なお、偏差Ｄｂｖが値０より小さくなった（値０を下回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００５９】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池４０の間欠運転時において、第１実施例と同様に、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制されるとともに、この抑制の最中に、バッテリ電圧がバッテリ上限電圧を上回らないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００６０】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００６１】
図５は、第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００を示す説明図である。第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２００では、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄを求めているが、これに換えて、図４に示すように、第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００に設けられたＦＣ要求電圧補正部４０１では、バッテリ下限電流からバッテリ電流を引いた偏差Ｄｂｉを減算部４３０により求めている。バッテリ下限電流は、バッテリ２０の下限電流値であり、バッテリ２０の最大充電電流量である。ここでは、バッテリ下限電流は予め実験などにより求めた値である。バッテリ電流は、電流センサ９５で検出されたバッテリ２０の出力電流である。
【００６２】
この偏差Ｄｂｉを用いて第１実施例と同様に、ＰＩＤ制御部４５０でＰＩＤ制御を行う。なお、駆動条件判定部４４０は、偏差Ｄｂｉが値０以上であるときに、駆動を許可する旨の制御指令ＳをＰＩＤ制御部４５０に出力し、偏差Ｄｂｉが値０を下回るときに、駆動を禁止する制御指令ＳをＰＩＤ制御部４５０に出力する。なお、偏差Ｄｂｉが値０より大きくなった（値０を上回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００６３】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池４０の間欠運転時において、第１実施例と同様に、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制されるとともに、この抑制の最中に、バッテリ電流がバッテリ下限電流を下回わらないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００６４】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例について説明する。第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００６５】
図６は、第４実施例におけるコンバータ指令電圧出力部５００を示す説明図である。コンバータ指令電圧出力部５００に設けられたＦＣ要求電圧補正部５０１は、第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２００に備えられる各部２１０〜２５０を備え、さらに、折れ曲がり点推定部５６０およびゲイン切換部５７０を備える。なお、ＰＩＤ制御部２５０については、第１実施例と同じ符号を付けたが、厳密には次の点が相違する。第１実施例におけるＰＩＤ制御部２５０では、ゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）は一定値であったが、これに換えて本実施例では、ゲイン指示信号ＧＳを受けて、ゲイン指示信号ＧＳに応じたゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）に切り換わる。
【００６６】
折れ曲がり点推定部５６０は、温度センサ９６によって検出されたＦＣ温度を取り込んで、燃料電池４０の電流−電圧特性を示す曲線（以下、Ｉ−Ｖ曲線と呼ぶ）における折れ曲がり点をＦＣ温度に基づいて推定する。
【００６７】
図７は、Ｉ−Ｖ曲線の一例を示すグラフである。グラフの横軸がＦＣ電流Iであり、縦軸がＦＣ電圧Ｖである。Ｉ−Ｖ曲線は、電流Ｉが大きくなるにつれて電圧Ｖは小さくなる。Ｉ−Ｖ曲線には、図示するように曲率が極大値をとる折れ曲り点Ｘが存在する。折れ曲がり点推定部５６０は、この折れ曲り点Ｘがどの位置（Ｉ0、Ｖ0）にあるかを推定する。
【００６８】
Ｉ−Ｖ曲線は、ＦＣ温度によって変化することから、予め実験などにより各温度に応じたＩ−Ｖ曲線を求めることで、温度毎の折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を推定することができる。折れ曲がり点推定部５６０では、温度毎の折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を予め記憶しておくことで、温度センサ９６によって検出されたＦＣ温度に基づく折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を求める。なお、折れ曲がり点Ｘは、電流Ｉと電圧Ｖとで示されるが、これに換えて、電圧Ｖだけで示される値、すなわちＸ（Ｖ0）としてもよい。
【００６９】
ゲイン切換部５７０は、電圧センサ９２によって検出されたＦＣ電圧と、折れ曲がり点推定部５６０により求められた折れ曲がり点Ｘを取り込んで、ＰＩＤ制御部２５０で用いるゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）を選択的に切り換える。
【００７０】
ゲイン切換部５７０は、第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値とを記憶する第１メモリ５７１と、第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値とを記憶する第２メモリ５７２とを備える。第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値との組合せは、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向のものであり、第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値との組合せは、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向のものである。
【００７１】
ゲイン切換部５７０は、ＦＣ電圧が、折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるか否かを判定し、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0以上であると判定された場合に、第１メモリ５７１から第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値とを取り出し、両値をゲイン指示信号ＧＳとしてＰＩＤ制御部２５０に送る。一方、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0を下回ると判定された場合に、第２メモリ５７２から第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値とを取り出し、両値をゲイン指示信号ＧＳとしてＰＩＤ制御部２５０に送る。この結果、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときには、ＰＩＤ制御におけるゲインは上げる方向に変更され、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときには、ＰＩＤ制御におけるゲインは下げる方向に変更される。ＰＩＤ制御のゲインを変更する構成としたのは、次の理由による。
【００７２】
図７において、横軸を電流IからパワーＰに置き換えたとき、I−Ｐ曲線は、図中のI−Ｖ曲線と同じ変化を示す。図７に示すように、所定のパワー変化量ΔＰに対する電圧変化を考えたとき、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときの電圧変化ΔＶ１の方が、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときの電圧変化ΔＶ２より大きくなる。ＰＩＤ制御部２５０で実行されるＰＩＤ制御は、第１実施例で説明したように、システム許容パワーＰｓｙとＦＣ発電パワーＰｆｃとを用いたいわゆる電力偏差を値０とするものであることから、上記電圧変化ΔＶ１、ΔＶ２から判るように、折れ曲がり点Ｘの前後（折れ曲がり点Ｘより大きい電圧か否か）で電力偏差に対する電圧補正値が異なったものとなる。このため、ＰＩＤ制御の制御性が悪化する。そこで、上記のように、折れ曲がり点Ｘの前（折れ曲がり点Ｘより大きい電圧）でＰＩＤ制御におけるゲインを上げ、折れ曲がり点Ｘの後ろ（折れ曲がり点Ｘより小さい電圧）でＰＩＤ制御におけるゲインを下げることにより、ＰＩＤ制御の制御性を高めた。
【００７３】
したがって、第４実施例の燃料電池システムによれば、第１実施例と同一の効果を奏し、さらに、電力制御の制御性を高めることができる。
【００７４】
なお、前記第４実施例の燃料電池システムは、次の（１）〜（４）に示すように変形することができる。
【００７５】
（１）第４実施例では、ＦＣ電圧を折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0と比較することにより、Ｉ−Ｖ曲線において折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定しているが、これに換えて、ＦＣ電流を折れ曲がり点Ｘの電流値Ｉ0と比較することにより、Ｉ−Ｖ曲線において折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する構成としてもよい。
【００７６】
（２）第４実施例では、ＦＣ温度に基づいて折れ曲がり点Ｘを求める構成としたが、これに換えて、電圧センサ９２によって検知されたＦＣ電圧と電流センサ９３によって検知されたＦＣ電流とに基づいて、燃料電池のインピーダンス値を求め、そのインピーダンス値に基づいて折れ曲がり点Ｘを求める構成としてもよい。燃料電池のインピーダンス値により、燃料電池の抵抗過電圧による電圧降下量（燃料電池内の含水量に比例）が分かり、Ｉ−Ｖ曲線における折れ曲がり点Ｘを推定できる。
【００７７】
（３）第４実施例では、折れ曲がり点推定部５６０により折れ曲がり点Ｘを推定し、その得られた折れ曲がり点とＦＣ電圧と比較することにより、折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する構成としたが、これに換えて、電圧センサ９２によって検知されるＦＣ電圧と電流センサ９３によって検知されるＦＣ電流とに基づいて、電流の変化に対する電圧の変化を示す微分抵抗ｄＶ／ｄＩを求め、その微分抵抗ｄＶ／ｄＩに基づいて、折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する構成としてもよい。すなわち、予め実験などにより微分抵抗がどの程度大きくなったときに折れ曲がり点Ｘとなるかを求めておいて、前記微分抵抗ｄＶ／ｄＩと上記求めた大きさとを比較することにより、折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する。
【００７８】
（４）第４実施例では、ＰＩＤ制御により電圧を制御する構成において、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向に変更し、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0を下回るときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向に変更する構成としたが、これに換えて、ＰＩＤ制御により電流を制御する構成とし、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向に変更し、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときには、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向に変更する構成とすることができる。
【００７９】
Ｅ．第５実施例：
本発明の第５実施例について説明する。第５実施例の燃料電池システムは、第４実施例の燃料電池システムと比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第４実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００８０】
図８は、第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００を示す説明図である。コンバータ指令電圧出力部６００に設けられたＦＣ要求電圧補正部６０１は、第４実施例におけるＦＣ要求電圧補正部５０１と比較して、ＦＣ発電パワー算出部２１０、減算部２３０、ＰＩＤ制御部２５０、折れ曲がり点推定部５６０、およびゲイン切換部５７０を備える点で一致し、次のｉ）〜iii）の点で相違する。
【００８１】
すなわち、ｉ）第４実施例におけるＦＣ要求電圧補正部５０１の内部構成は間欠運転時に実現される構成であるのに対して、第５実施例におけるＦＣ要求電圧補正部６０１の内部構成は通常運転時に実現される構成であること、ii）第４実施例ではシステム許容パワー算出部２２０が設けられているのに対して、第５実施例ではＦＣ要求パワー算出部６２０が設けられていること、iii）第４実施例では駆動条件判定部２４０が設けられているのに対して、第５実施例では駆動条件判定部が設けられていないことで、両者は相違する。
【００８２】
ＦＣ要求パワー算出部６２０は、燃料電池４０の出力要求パワーＰｒｆを算出するユニットである。詳細には、トラクションモータ６１に設けられた回転数検知センサ（図示せず）やアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ（図示せず）等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池４０の出力要求パワーを算出する。
【００８３】
上記構成の第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００によれば、燃料電池の出力要求パワーＰｒｆから燃料電池の発電パワーＰｆｃを引いた偏差に基づいて、電圧補正値ＭＶをＰＩＤ制御する。したがって、燃料電池の通常運転時において、燃料電池の発電パワーＰｆｃを出力要求パワーＰｒｆに一致させることができる。さらに、第５実施例の燃料電池システムにおいては、第４実施例と同様に、Ｉ−Ｖ曲線における折れ曲がり点Ｘの前後でＰＩＤ制御におけるゲインを切り替えることができることから、ＰＩＤ制御の制御性を高めることができる。
【００８４】
Ｆ．他の実施形態：
この発明は第１ないし第５実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８５】
・第１変形例：
前記第１ないし第５実施例やそれらの変形例では、電圧指令値であるＦＣ要求電圧をコンバータに出力する構成であったが、これに換えて、電流指令値をコンバータに出力する構成としてもよい。この場合には、ＰＩＤ制御部から出力される補正値は、電圧補正値ＭＶに換えて、電流補正値となる。この構成によっても、前記実施例と同様な効果を奏することができる。
【００８６】
・第２変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００８７】
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１…電源システム
６…インバータ
１０…制御装置
１１…内部メモリ
１２…コンバータ指令電圧出力部
２０…バッテリ
４０…燃料電池
４１…高分子電解質膜
４２…アノード極
４３…カソード極
４４…電極接合体
５０…補機類
６０…インバータ
６１…トラクションモータ
６２…減速ギア
６３Ｌ、６３Ｒ…車輪
７０…燃料ガス供給源
７１…調圧弁
８０…酸化剤ガス供給源
８１…調圧弁
９１…圧力センサ
９２…電圧センサ
９３…電流センサ
９４…電圧センサ
９５…電流センサ
９６…温度センサ
１００…燃料電池システム
１１５…加算部
２００…コンバータ指令電圧出力部
２０１…ＦＣ要求電圧補正部
２２０…システム許容パワー算出部
２３０…減算部
２４０…駆動条件判定部
２５０…ＰＩＤ制御部
３００…コンバータ指令電圧出力部
３０１…ＦＣ要求電圧補正部
３３０…減算部
３４０…駆動条件判定部
３５０…ＰＩＤ制御部
４００…コンバータ指令電圧出力部
４０１…ＦＣ要求電圧補正部
４３０…減算部
４４０…駆動条件判定部
４５０…ＰＩＤ制御部
５００…コンバータ指令電圧出力部
５０１…ＦＣ要求電圧補正部
５６０…折れ曲がり点推定部
５７０…ゲイン切換部
５７１…第１メモリ
５７２…第２メモリ
６００…コンバータ指令電圧出力部
６０１…ＦＣ要求電圧補正部
６２０…ＦＣ要求パワー算出部
Ｄ…偏差
Ｐｓｙ…システム許容パワー
Ｐｆｃ…ＦＣ発電パワー
Ｖｒｆ…ＦＣ要求電圧
ＭＶ…電圧補正値
ＧＳ…ゲイン指示信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と二次電池とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メインのエネルギー源とは別に二次電池を備えるハイブリッドシステムが注目されている。このようなハイブリッドシステムにおいて、電力線の目標電圧と検出電圧との偏差を用いた電圧フィードバック制御を行う構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、上記ハイブリッドシステムにおいて燃料電池を用いた燃料電池システムがある。燃料電池システムでは、燃費を向上させるために、アイドリング時や低速走行時、回生制動時のような低負荷運転時に燃料電池の発電を一時的に停止させ、二次電池から負荷（車両モータ等）に電力を供給させる間欠運転を行っている。なお、この間欠運転時において、燃料電池の耐久性向上のために、強制的に発電を行うこともあり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９０５０号公報
【０００５】
しかしながら、前記電圧フィードバック制御を行う従来例を前記燃料電池システムに採用した場合に、間欠運転時に適正な電力制御がなされず、二次電池の過充電を引き起こす虞があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃料電池の間欠運転時における二次電池の過充電を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００８】
［適用例１］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーから前記燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【０００９】
適用例１に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、システム許容パワーから燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１０】
［適用例２］ 適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記コンバータ指令値補正部は、前記燃料電池システムの要求パワーと、前記二次電池への充電パワー制限値とを加えて、前記システム許容パワーを求める構成を備える、燃料電池システム。
【００１１】
適用例２に係る燃料電池システムによれば、システム許容パワーを高い精度で測定することができる。
【００１２】
［適用例３］ 適用例１または２に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電流または出力電圧を検出する出力検出部を備え、前記コンバータ指令値補正部は、前記偏差に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部とを備える燃料電池システム。
【００１３】
適用例３に係る燃料電池システムによれば、電流−電圧曲線における折れ曲がり点の前後でフィードバック制御におけるゲインを切り替えることができることから、フィードバック制御の制御性を高めることができる。
【００１４】
［適用例４］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記二次電池の上限電圧から前記二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【００１５】
適用例４に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、二次電池の上限電圧から二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１６】
［適用例５］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部とを備え、前記高電位回避制御部は、前記二次電池の下限電流から前記二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【００１７】
適用例５に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の間欠運転時において、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制され、さらに、この制御中において、二次電池の下限電流から二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、その偏差が値０となるように電力制御がなされる。したがって、燃料電池の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、二次電池への充電が続くことで二次電池が過充電となることを防止することができる。
【００１８】
［適用例６］ 燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池の出力要求電力から前記燃料電池の発電電力を引いた偏差に基づいて、前記コンバータへの指令値の補正量をフィードバック制御し、前記補正量を前記コンバータへの指令値に加えるコンバータ指令値補正部とを備え、前記コンバータ指令値補正部は、前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部とを備える燃料電池システム。
【００１９】
適用例６に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電電力を出力要求電力に一致させることができ、さらに、電流−電圧曲線における折れ曲がり点の前後でフィードバック制御におけるゲインを切り替えることができることから、フィードバック制御の制御性を高めることができる。
【００２０】
さらに、本発明は、上記適用例１ないし６以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、本発明の燃料電池システムに備えられる各部の動作を行う工程を備える制御方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の要部構成を示すシステム構成図である。
【図２】間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆ、ＦＣ発電パワーＰｆｃ、およびシステム許容パワーＰｓｙの時間変化を示すタイミングチャートである。
【図３】コンバータ指令電圧出力部１２を示すブロック図である。
【図４】第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００を示す説明図である。
【図５】第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００を示す説明図である。
【図６】第４実施例におけるコンバータ指令電圧出力部５００を示す説明図である。
【図７】Ｉ−Ｖ曲線の一例を示すグラフである。
【図８】第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら、実施例に基づき説明する。
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の要部構成を示すシステム構成図である。本実施例では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００２４】
この車両は、減速ギア６２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
【００２５】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
【００２６】
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００２７】
燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２および電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化剤ガス供給源８０から空気などの酸化剤ガスが供給される。
【００２８】
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。また、燃料電池４０には、図示しない冷却水通路により冷却水が供給されており、この冷却水通路には、燃料電池４０の温度（以下、「ＦＣ温度」と呼ぶ）を検出する温度センサ９６が設けられている。
【００２９】
酸化剤ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化剤ガス量を調整する。
【００３０】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００３１】
バッテリ２０の出力電圧（以下、バッテリ電圧）及び出力電流（以下、バッテリ電流）は、それぞれ電圧センサ９４および電流センサ９５によって検出される。
【００３２】
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００３３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００３４】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化剤ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００３５】
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータを備える。
【００３６】
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化剤ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化剤ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力、電圧センサ９２によって検知されるＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知されるＦＣ電流、電圧センサ９４によって検知されるバッテリ電圧、電流センサ９５によって検知されるバッテリ電流、温度センサ９６によって検知されるＦＣ温度、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００３７】
本実施例の燃料電池システム１００では、燃費を向上させるために、アイドリング時や低速走行時、回生制動時のような低負荷運転時に燃料電池４０の発電を一時的に停止させ、バッテリ２０から負荷（トラクションモータ６１等）に電力を供給させる間欠運転を行っている。この間欠運転は、制御装置１０によって、燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化剤ガス通路に設けられた調圧弁８１を閉じて、燃料電池４０への反応ガスの供給を停止することにより行われる。
【００３８】
さらに、本実施例の燃料電池システム１００では、間欠運転時（詳細には、間欠運転の際の停止時、以下同様）に、燃料電池４０の耐久性向上などを目的に、燃料電池４０の発電が強制的に実施されている。すなわち、制御装置１０は、間欠運転時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０へ燃料電池要求電圧（以下、「ＦＣ要求電圧」と呼ぶ）を指令することで、燃料電池４０の発電を強制的に実施している。なお、この強制的な発電により生じるパワー（電力、以下同じ）を、バッテリ２０に蓄電させる。
【００３９】
図２は、間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆ、ＦＣ発電パワーＰｆｃ、およびシステム許容パワーＰｓｙの時間変化を示すタイミングチャートである。なお、システム許容パワーＰｓｙは、燃料電池システム１００において消費または蓄電することにより、燃料電池システム１００内で最大限利用しうる電力である。
【００４０】
図示するように、間欠運転時におけるＦＣ要求電圧Ｖｒｆは、高電位化回避閾値電圧（以下、「閾値電圧」と呼ぶ）Ｖｔｈを下回る所定の電圧Ｖｃである。ここで、閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。すなわち、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆが閾値電圧Ｖｔｈ以上となると、燃料電池４０は高電位化状態となる。なお、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。ＦＣ要求電圧として、閾値電圧Ｖｔｈからどの値まで下げるかは任意に設定可能である。
【００４１】
一方、図２に示すように、間欠運転時におけるシステム許容パワーＰｓｙは、図中の１点鎖線に示すように、時間経過と共に徐々に低下する。これは、時間経過と共にＦＣ発電パワーＰｆｃが積算されるためである。同図のｔ１時点以降においては、ＦＣ発電パワーＰｆｃはシステム許容パワーＰｓｙを上回ることになる。すなわち、ｔ１時点以降、ＦＣ発電パワーＰｆｃは、バッテリ２０で吸収不可能な状態となる。
【００４２】
そこで、本実施例では、ｔ１時点以降、ＦＣ発電パワーＰｆｃが、図中の２点鎖線に示すように、システム許容パワーＰｓｙに追随して低下するようにしている。なお、図中の２点鎖線は、システム許容パワーＰｓｙを示す１点鎖線と若干ずれているが、これは図示の都合のためであり、実際には、ＦＣ発電パワーＰｆｃはシステム許容パワーＰｓｙと一致するように制御される。具体的には、制御装置１０は、コンバータ指令電圧出力部１２（図１）を備え、このコンバータ指令電圧出力部１２により、上記のＦＣ発電パワーＰｆｃの低下がなされる。
【００４３】
Ａ−２．コンバータ指令電圧出力部の構成：
図３は、コンバータ指令電圧出力部１２を示すブロック図である。図示するように、コンバータ指令電圧出力部１２は、ＦＣ要求電圧算出部１１０と、ＦＣ要求電圧補正部２０１とを備える。なお、ＦＣ要求電圧算出部１１０およびＦＣ要求電圧補正部２０１は、本実施例では、ディスクリートな電子部品により構成されているものとするが、これに換えて、制御装置１０に備えられるＣＰＵで実行される制御処理により構成するようにしてもよい。
【００４４】
ＦＣ要求電圧算出部１１０は、燃料電池４０に対する要求パワーを算出し、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求パワーに応じた燃料電池４０の出力電圧をＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出するユニットである。要求パワーとしては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、ＦＣ要求電圧算出部１１０は、間欠運転時には、燃料電池４０に対する要求パワーに拘わらず（すなわち、要求パワーがゼロの場合にも）、前述した高電位化回避閾値電圧Ｖｔｈを下回る所定電圧Ｖｃを、ＦＣ要求電圧Ｖｒｆとして算出する。
【００４５】
ＦＣ要求電圧補正部２０１は、ＦＣ要求電圧算出部１１０により算出されたＦＣ要求電圧Ｖｒｆを補正するための電圧補正値を算出するユニットである。ＦＣ要求電圧補正部２０１は、ＦＣ発電パワー算出部２１０と、システム許容パワー算出部２２０と、減算部２３０と、駆動条件判定部２４０と、ＰＩＤ制御部２５０とを備える。なお、各部２１０〜２５０は、燃料電池４０の間欠運転時において実現される構成であり、間欠運転時でない通常運転時には別の構成となる。この別の構成については、本実施例では説明を省略する。
【００４６】
ＦＣ発電パワー算出部２１０は、電圧センサ９２により検出されたＦＣ電圧と、電流センサ９３により検出されたＦＣ電流とに基づいて、ＦＣ発電パワーＰｆｃを算出する。
【００４７】
システム許容パワー算出部２２０は、燃料電池システム１００のシステム許容パワーＰｓｙを算出するユニットである。一般には、システム許容パワーＰｓｙは、燃料電池システム１００の要求パワーと、バッテリ２０への充電パワー制限値との合計である。燃料電池システム１００の要求パワーは、例えば、トラクションモータ６１、補機類５０等の燃料電池システム１００において要求されるあらゆる電力を含む。バッテリ２０への充電パワー制限値は、バッテリ２０に最大限充電可能な電力である。燃料電池システム１００の要求パワーおよびバッテリ２０への充電パワー制限値の各求め方については、周知であることから、ここでは説明は省略する。
【００４８】
なお、システム許容パワーＰｓｙは、前述したように、燃料電池システム１００の要求パワーと、バッテリ２０への充電パワー制限値とを加えて求めていたが、これに換えて、例えば、上記要求パワーと充電パワー制限値との和に他の電力量をさらに加えて求めてもよい。要は、燃料電池システム１００全体で許容できるパワー（電力量）であれば、いずれの求め方としてもよい。
【００４９】
ＦＣ発電パワー算出部２１０で求められたＦＣ発電パワーＰｆｃと、システム許容パワー算出部２２０で求められたシステム許容パワーＰｓｙとは、減算部２３０へ送られ、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄが求められる。偏差Ｄは、駆動条件判定部２４０とＰＩＤ制御部２５０にそれぞれ送られる。
【００５０】
駆動条件判定部２４０は、偏差Ｄに基づいてＰＩＤ制御部２５０を駆動するか否かの判定を行い、判定結果に応じた制御指令ＳをＰＩＤ制御部２５０に送る。詳細には、駆動条件判定部２４０は、偏差Ｄが値０以下であるときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力し、偏差Ｄが値０を上回るときに、駆動を禁止する制御指令Ｓを出力する。なお、偏差Ｄが値０より小さくなった（値０を下回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００５１】
ＰＩＤ制御部２５０は、駆動条件判定部２４０から駆動を許可する旨の制御指令Ｓを受信したときに、偏差Ｄを入力としてＰＩＤ制御を行うことにより、目標値であるシステム許容パワーＰｓｙに、制御対象であるＦＣ発電パワーＰｆｃを一致させるための操作量である電圧補正値ＭＶを算出する。なお、ＰＩＤ制御部２５０は、駆動条件判定部２４０から駆動を禁止する旨の制御指令Ｓを受信したときには、電圧補正値ＭＶを値０とする。
【００５２】
なお、ＰＩＤ制御部２５０は、比例制御だけのＰ制御を行うＰ制御部、比例積分制御のＰＩ制御を行うＰＩ制御部、比例微分制御のＰＤ制御を行うＰＤ制御部等の種々のフィードバック制御部に換えることができる。さらに、偏差Ｄを値０に一致させる制御を行う制御部であれば、いずれの制御部に換えることもできる。
【００５３】
ＦＣ要求電圧算出部１１０で求められたＦＣ要求電圧Ｖｒｆと、ＦＣ要求電圧補正部２０１で求められた電圧補正値ＭＶとは、加算部１１５へ送られ加算され、加算結果はコンバータ指令電圧として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０（図１）へ送られる。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、電圧補正値ＭＶが加算されたＦＣ要求電圧Ｖｒｆに従うように、燃料電池４０の出力を制御することができる。電圧補正値ＭＶは、前述したように、システム許容パワーＰｓｙにＦＣ発電パワーＰｆｃを一致させるための操作量であることから、燃料電池４０の発電パワーＰｆｃは、システム許容パワーＰｓｙと一致する。なお、上記のパワーＰｆｃ、Ｐｓｙの一致は、駆動条件判定部２４０で、偏差Ｄが値０以下であると判定されて、ＰＩＤ制御部２５０が駆動されたときのものである。
【００５４】
したがって、コンバータ指令電圧出力部１２によれば、図２で示したｔ１時点以降において、システム許容パワーＰｓｙの低下に追随して、ＦＣ発電パワーＰｆｃは低下することになる。
【００５５】
Ａ−３．実施例効果：
以上のように構成された第１実施例の燃料電池システム１００によれば、燃料電池４０の間欠運転時において、燃料電池４０の出力電圧が、高電位化回避閾値電圧Ｖｔｈ以上になることが抑制される。さらに、この抑制の最中に、燃料電池４０の発電パワーＰｆｃがシステム許容パワーＰｓｙを上回らないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００５６】
Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について説明する。第２実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００５７】
図４は、第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００を示す説明図である。第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２０１では、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄを求めているが、これに換えて、図４に示すように、第２実施例におけるコンバータ指令電圧出力部３００に設けられたＦＣ要求電圧補正部３０１では、バッテリ上限電圧からバッテリ電圧を引いた偏差Ｄｂｖを減算部３３０により求めている。ここで、バッテリ上限電圧は、バッテリ２０の上限電圧値であり、予め実験などにより求められた値である。なお、バッテリ上限電圧は、図示しない温度センサにより検出されたバッテリ温度に基づいて温度補正された所定値としてもよい。バッテリ電圧は、電圧センサ９４で検出されたバッテリ２０の出力電圧である。
【００５８】
この偏差Ｄｂｖを用いて第１実施例と同様に、ＰＩＤ制御部３５０でＰＩＤ制御を行う。なお、駆動条件判定部３４０は、偏差Ｄｂｖが値０以下であるときに、駆動を許可する旨の制御指令ＳをＰＩＤ制御部３５０に出力し、偏差Ｄｂｖが値０を上回るときに、駆動を禁止する制御指令ＳをＰＩＤ制御部３５０に出力する。なお、偏差Ｄｂｖが値０より小さくなった（値０を下回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００５９】
以上のように構成された第２実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池４０の間欠運転時において、第１実施例と同様に、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制されるとともに、この抑制の最中に、バッテリ電圧がバッテリ上限電圧を上回らないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００６０】
Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について説明する。第３実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００６１】
図５は、第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００を示す説明図である。第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２００では、システム許容パワーＰｓｙからＦＣ発電パワーＰｆｃを引いた偏差Ｄを求めているが、これに換えて、図４に示すように、第３実施例におけるコンバータ指令電圧出力部４００に設けられたＦＣ要求電圧補正部４０１では、バッテリ下限電流からバッテリ電流を引いた偏差Ｄｂｉを減算部４３０により求めている。バッテリ下限電流は、バッテリ２０の下限電流値であり、バッテリ２０の最大充電電流量である。ここでは、バッテリ下限電流は予め実験などにより求めた値である。バッテリ電流は、電流センサ９５で検出されたバッテリ２０の出力電流である。
【００６２】
この偏差Ｄｂｉを用いて第１実施例と同様に、ＰＩＤ制御部４５０でＰＩＤ制御を行う。なお、駆動条件判定部４４０は、偏差Ｄｂｉが値０以上であるときに、駆動を許可する旨の制御指令ＳをＰＩＤ制御部４５０に出力し、偏差Ｄｂｉが値０を下回るときに、駆動を禁止する制御指令ＳをＰＩＤ制御部４５０に出力する。なお、偏差Ｄｂｉが値０より大きくなった（値０を上回った）ときに、駆動を許可する旨の制御指令Ｓを出力する構成とすることもできる。
【００６３】
以上のように構成された第３実施例の燃料電池システムによれば、燃料電池４０の間欠運転時において、第１実施例と同様に、高電位化回避閾値電圧以上になることが抑制されるとともに、この抑制の最中に、バッテリ電流がバッテリ下限電流を下回わらないように電力制御がなされる。したがって、燃料電池４０の間欠運転時に高電位化回避のための発電を行ったときに、バッテリ２０への充電が続くことでバッテリ２０が過充電となることを防止することができる。
【００６４】
Ｄ．第４実施例：
本発明の第４実施例について説明する。第４実施例の燃料電池システムは、第１実施例の燃料電池システム１００と比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第１実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００６５】
図６は、第４実施例におけるコンバータ指令電圧出力部５００を示す説明図である。コンバータ指令電圧出力部５００に設けられたＦＣ要求電圧補正部５０１は、第１実施例におけるＦＣ要求電圧補正部２００に備えられる各部２１０〜２５０を備え、さらに、折れ曲がり点推定部５６０およびゲイン切換部５７０を備える。なお、ＰＩＤ制御部２５０については、第１実施例と同じ符号を付けたが、厳密には次の点が相違する。第１実施例におけるＰＩＤ制御部２５０では、ゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）は一定値であったが、これに換えて本実施例では、ゲイン指示信号ＧＳを受けて、ゲイン指示信号ＧＳに応じたゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）に切り換わる。
【００６６】
折れ曲がり点推定部５６０は、温度センサ９６によって検出されたＦＣ温度を取り込んで、燃料電池４０の電流−電圧特性を示す曲線（以下、Ｉ−Ｖ曲線と呼ぶ）における折れ曲がり点をＦＣ温度に基づいて推定する。
【００６７】
図７は、Ｉ−Ｖ曲線の一例を示すグラフである。グラフの横軸がＦＣ電流Iであり、縦軸がＦＣ電圧Ｖである。Ｉ−Ｖ曲線は、電流Ｉが大きくなるにつれて電圧Ｖは小さくなる。Ｉ−Ｖ曲線には、図示するように曲率が極大値をとる折れ曲り点Ｘが存在する。折れ曲がり点推定部５６０は、この折れ曲り点Ｘがどの位置（Ｉ0、Ｖ0）にあるかを推定する。
【００６８】
Ｉ−Ｖ曲線は、ＦＣ温度によって変化することから、予め実験などにより各温度に応じたＩ−Ｖ曲線を求めることで、温度毎の折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を推定することができる。折れ曲がり点推定部５６０では、温度毎の折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を予め記憶しておくことで、温度センサ９６によって検出されたＦＣ温度に基づく折れ曲がり点Ｘ（Ｉ0、Ｖ0）を求める。なお、折れ曲がり点Ｘは、電流Ｉと電圧Ｖとで示されるが、これに換えて、電圧Ｖだけで示される値、すなわちＸ（Ｖ0）としてもよい。
【００６９】
ゲイン切換部５７０は、電圧センサ９２によって検出されたＦＣ電圧と、折れ曲がり点推定部５６０により求められた折れ曲がり点Ｘを取り込んで、ＰＩＤ制御部２５０で用いるゲイン（Ｐゲイン、Ｉゲイン）を選択的に切り換える。
【００７０】
ゲイン切換部５７０は、第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値とを記憶する第１メモリ５７１と、第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値とを記憶する第２メモリ５７２とを備える。第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値との組合せは、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向のものであり、第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値との組合せは、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向のものである。
【００７１】
ゲイン切換部５７０は、ＦＣ電圧が、折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるか否かを判定し、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0以上であると判定された場合に、第１メモリ５７１から第１のＰゲイン値と第１のＩゲイン値とを取り出し、両値をゲイン指示信号ＧＳとしてＰＩＤ制御部２５０に送る。一方、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0を下回ると判定された場合に、第２メモリ５７２から第２のＰゲイン値と第２のＩゲイン値とを取り出し、両値をゲイン指示信号ＧＳとしてＰＩＤ制御部２５０に送る。この結果、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときには、ＰＩＤ制御におけるゲインは上げる方向に変更され、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときには、ＰＩＤ制御におけるゲインは下げる方向に変更される。ＰＩＤ制御のゲインを変更する構成としたのは、次の理由による。
【００７２】
図７において、横軸を電流IからパワーＰに置き換えたとき、I−Ｐ曲線は、図中のI−Ｖ曲線と同じ変化を示す。図７に示すように、所定のパワー変化量ΔＰに対する電圧変化を考えたとき、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときの電圧変化ΔＶ１の方が、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときの電圧変化ΔＶ２より大きくなる。ＰＩＤ制御部２５０で実行されるＰＩＤ制御は、第１実施例で説明したように、システム許容パワーＰｓｙとＦＣ発電パワーＰｆｃとを用いたいわゆる電力偏差を値０とするものであることから、上記電圧変化ΔＶ１、ΔＶ２から判るように、折れ曲がり点Ｘの前後（折れ曲がり点Ｘより大きい電圧か否か）で電力偏差に対する電圧補正値が異なったものとなる。このため、ＰＩＤ制御の制御性が悪化する。そこで、上記のように、折れ曲がり点Ｘの前（折れ曲がり点Ｘより大きい電圧）でＰＩＤ制御におけるゲインを上げ、折れ曲がり点Ｘの後ろ（折れ曲がり点Ｘより小さい電圧）でＰＩＤ制御におけるゲインを下げることにより、ＰＩＤ制御の制御性を高めた。
【００７３】
したがって、第４実施例の燃料電池システムによれば、第１実施例と同一の効果を奏し、さらに、電力制御の制御性を高めることができる。
【００７４】
なお、前記第４実施例の燃料電池システムは、次の（１）〜（４）に示すように変形することができる。
【００７５】
（１）第４実施例では、ＦＣ電圧を折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0と比較することにより、Ｉ−Ｖ曲線において折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定しているが、これに換えて、ＦＣ電流を折れ曲がり点Ｘの電流値Ｉ0と比較することにより、Ｉ−Ｖ曲線において折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する構成としてもよい。
【００７６】
（２）第４実施例では、ＦＣ温度に基づいて折れ曲がり点Ｘを求める構成としたが、これに換えて、電圧センサ９２によって検知されたＦＣ電圧と電流センサ９３によって検知されたＦＣ電流とに基づいて、燃料電池のインピーダンス値を求め、そのインピーダンス値に基づいて折れ曲がり点Ｘを求める構成としてもよい。燃料電池のインピーダンス値により、燃料電池の抵抗過電圧による電圧降下量（燃料電池内の含水量に比例）が分かり、Ｉ−Ｖ曲線における折れ曲がり点Ｘを推定できる。
【００７７】
（３）第４実施例では、折れ曲がり点推定部５６０により折れ曲がり点Ｘを推定し、その得られた折れ曲がり点とＦＣ電圧と比較することにより、折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する構成としたが、これに換えて、電圧センサ９２によって検知されるＦＣ電圧と電流センサ９３によって検知されるＦＣ電流とに基づいて、電流の変化に対する電圧の変化を示す微分抵抗ｄＶ／ｄＩを求め、その微分抵抗ｄＶ／ｄＩに基づいて、折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する構成としてもよい。すなわち、予め実験などにより微分抵抗がどの程度大きくなったときに折れ曲がり点Ｘとなるかを求めておいて、前記微分抵抗ｄＶ／ｄＩと上記求めた大きさとを比較することにより、折れ曲がり点Ｘに対していずれの位置にあるかを判定する。
【００７８】
（４）第４実施例では、ＰＩＤ制御により電圧を制御する構成において、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向に変更し、ＦＣ電圧が電圧値Ｖ0を下回るときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向に変更する構成としたが、これに換えて、ＰＩＤ制御により電流を制御する構成とし、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0以上であるときに、ＰＩＤ制御におけるゲインを下げる方向に変更し、ＦＣ電圧が折れ曲がり点Ｘの電圧値Ｖ0を下回るときには、ＰＩＤ制御におけるゲインを上げる方向に変更する構成とすることができる。
【００７９】
Ｅ．第５実施例：
本発明の第５実施例について説明する。第５実施例の燃料電池システムは、第４実施例の燃料電池システムと比較して、コンバータ指令電圧出力部に設けられたＦＣ要求電圧補正部の構成が相違するだけであり、その他の構成は同一である。なお、第４実施例と同一の部分には第１実施例と同じ符号を付けた。
【００８０】
図８は、第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００を示す説明図である。コンバータ指令電圧出力部６００に設けられたＦＣ要求電圧補正部６０１は、第４実施例におけるＦＣ要求電圧補正部５０１と比較して、ＦＣ発電パワー算出部２１０、減算部２３０、ＰＩＤ制御部２５０、折れ曲がり点推定部５６０、およびゲイン切換部５７０を備える点で一致し、次のｉ）〜iii）の点で相違する。
【００８１】
すなわち、ｉ）第４実施例におけるＦＣ要求電圧補正部５０１の内部構成は間欠運転時に実現される構成であるのに対して、第５実施例におけるＦＣ要求電圧補正部６０１の内部構成は通常運転時に実現される構成であること、ii）第４実施例ではシステム許容パワー算出部２２０が設けられているのに対して、第５実施例ではＦＣ要求パワー算出部６２０が設けられていること、iii）第４実施例では駆動条件判定部２４０が設けられているのに対して、第５実施例では駆動条件判定部が設けられていないことで、両者は相違する。
【００８２】
ＦＣ要求パワー算出部６２０は、燃料電池４０の出力要求パワーＰｒｆを算出するユニットである。詳細には、トラクションモータ６１に設けられた回転数検知センサ（図示せず）やアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ（図示せず）等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池４０の出力要求パワーを算出する。
【００８３】
上記構成の第５実施例におけるコンバータ指令電圧出力部６００によれば、燃料電池の出力要求パワーＰｒｆから燃料電池の発電パワーＰｆｃを引いた偏差に基づいて、電圧補正値ＭＶをＰＩＤ制御する。したがって、燃料電池の通常運転時において、燃料電池の発電パワーＰｆｃを出力要求パワーＰｒｆに一致させることができる。さらに、第５実施例の燃料電池システムにおいては、第４実施例と同様に、Ｉ−Ｖ曲線における折れ曲がり点Ｘの前後でＰＩＤ制御におけるゲインを切り替えることができることから、ＰＩＤ制御の制御性を高めることができる。
【００８４】
Ｆ．他の実施形態：
この発明は第１ないし第５実施例やそれらの変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００８５】
・第１変形例：
前記第１ないし第５実施例やそれらの変形例では、電圧指令値であるＦＣ要求電圧をコンバータに出力する構成であったが、これに換えて、電流指令値をコンバータに出力する構成としてもよい。この場合には、ＰＩＤ制御部から出力される補正値は、電圧補正値ＭＶに換えて、電流補正値となる。この構成によっても、前記実施例と同様な効果を奏することができる。
【００８６】
・第２変形例：
また、前記実施例および変形例とは異なる種類の燃料電池に本発明を適用することとしてもよい。例えば、ダイレクトメタノール型燃料電池に適用することができる。あるいは、固体高分子以外の電解質層を有する燃料電池であってもよく、本発明を適用することで同様の効果が得られる。
【００８７】
なお、前述した実施例および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、本発明はこれらの実施例および各変形例になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様での実施が可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１…電源システム
６…インバータ
１０…制御装置
１１…内部メモリ
１２…コンバータ指令電圧出力部
２０…バッテリ
４０…燃料電池
４１…高分子電解質膜
４２…アノード極
４３…カソード極
４４…電極接合体
５０…補機類
６０…インバータ
６１…トラクションモータ
６２…減速ギア
６３Ｌ、６３Ｒ…車輪
７０…燃料ガス供給源
７１…調圧弁
８０…酸化剤ガス供給源
８１…調圧弁
９１…圧力センサ
９２…電圧センサ
９３…電流センサ
９４…電圧センサ
９５…電流センサ
９６…温度センサ
１００…燃料電池システム
１１５…加算部
２００…コンバータ指令電圧出力部
２０１…ＦＣ要求電圧補正部
２２０…システム許容パワー算出部
２３０…減算部
２４０…駆動条件判定部
２５０…ＰＩＤ制御部
３００…コンバータ指令電圧出力部
３０１…ＦＣ要求電圧補正部
３３０…減算部
３４０…駆動条件判定部
３５０…ＰＩＤ制御部
４００…コンバータ指令電圧出力部
４０１…ＦＣ要求電圧補正部
４３０…減算部
４４０…駆動条件判定部
４５０…ＰＩＤ制御部
５００…コンバータ指令電圧出力部
５０１…ＦＣ要求電圧補正部
５６０…折れ曲がり点推定部
５７０…ゲイン切換部
５７１…第１メモリ
５７２…第２メモリ
６００…コンバータ指令電圧出力部
６０１…ＦＣ要求電圧補正部
６２０…ＦＣ要求パワー算出部
Ｄ…偏差
Ｐｓｙ…システム許容パワー
Ｐｆｃ…ＦＣ発電パワー
Ｖｒｆ…ＦＣ要求電圧
ＭＶ…電圧補正値
ＧＳ…ゲイン指示信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーから前記燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記燃料電池システムの要求パワーと、前記二次電池への充電パワー制限値とを加えて、前記システム許容パワーを求める構成を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電流または出力電圧を検出する出力検出部を備え、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記偏差に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部と
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記二次電池の上限電圧から前記二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記二次電池の下限電流から前記二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
前記燃料電池の出力要求電力から前記燃料電池の発電電力を引いた偏差に基づいて、前記コンバータへの指令値の補正量をフィードバック制御し、前記補正量を前記コンバータへの指令値に加えるコンバータ指令値補正部と
を備え、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部と
を備える燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記燃料電池システムとして許容できるシステム許容パワーから前記燃料電池の発電パワーを引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記燃料電池システムの要求パワーと、前記二次電池への充電パワー制限値とを加えて、前記システム許容パワーを求める構成を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電流または出力電圧を検出する出力検出部を備え、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記偏差に基づくフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部と
を備える燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記二次電池の上限電圧から前記二次電池の出力電圧を引いた偏差が値０を下回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
間欠運転時に、前記コンバータへの指令値を制御して、前記燃料電池の出力電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避閾値電圧以上になることを抑制する高電位回避制御部と
を備え、
前記高電位回避制御部は、
前記二次電池の下限電流から前記二次電池の出力電流を引いた偏差が値０を上回ったときに、前記偏差が値０となるように前記コンバータへの指令値を補正するコンバータ指令値補正部を備える燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池と二次電池を備え、負荷への電力供給を行なう燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
前記燃料電池の出力要求電力から前記燃料電池の発電電力を引いた偏差に基づいて、前記コンバータへの指令値の補正量をフィードバック制御し、前記補正量を前記コンバータへの指令値に加えるコンバータ指令値補正部と
を備え、
前記コンバータ指令値補正部は、
前記出力検出部により検出された出力電流または出力電圧が、前記燃料電池の電流−電圧曲線において折れ曲がり点に対していずれの位置にあるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記フィードバック制御のゲインを切り換えるゲイン切換部と
を備える燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１４６３２６（Ｐ２０１１−１４６３２６Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７９０６（Ｐ２０１０−７９０６）
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１８日（２０１０．１．１８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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