JP4852481B2 - 燃料電池システムおよび発電機システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池ハイブリッド車両においては、燃料電池（ＦＣ）の発電によるＦＣ電力の供給を、蓄電装置（バッテリ）の放電によるバッテリ電力の供給でアシストして、車両駆動用モータを駆動している。

ＦＣ電力およびバッテリ電力の配分は、エネルギ効率が最大となるように決定される（例えば、特許文献１参照）。
図２は、ＦＣ電力およびバッテリ電力の供給に伴う各種損失の説明図である。図２（ａ）に示すように燃料電池の発電時にはＦＣ損失が発生し、図２（ｂ）に示すようにバッテリの放電時には放電損失が発生する。そして、放電損失よりＦＣ損失の方が小さい場合にはＦＣ電力のみを供給し（燃料電池追従モード）、ＦＣ損失より放電損失の方が小さい場合にはＦＣ電力をバッテリ電力の供給でアシストしている（アシストモード）。
特開２００５−９４９１７号公報

バッテリ電力を供給した場合には、将来その分をバッテリに充電する必要があるが、バッテリの充電時には充電損失が発生する。またバッテリ充電用の電力を燃料電池の発電により賄う場合には、その発電時にＦＣ損失が発生する。そのため、バッテリ電力を供給した場合には、将来的な損失が増大する可能性がある。
一方、バッテリ充電用の電力を、モータの回生発電によって賄うことができれば、上述した新たな充電損失やＦＣ損失が発生しない。そのため、将来的な損失が増大しない可能性もある。このように従来技術では、必ずしもエネルギ効率が最大にならないという問題があった。

そこで本発明は、エネルギ効率を向上させることが可能な、燃料電池システムの提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、エアポンプにより反応ガスを供給することで発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１０）と、前記燃料電池または蓄電装置（例えば、実施形態におけるバッテリ２０）からの電力供給により駆動するモータ（例えば、実施形態におけるモータ３０）と、を備え、前記蓄電装置は、前記燃料電池の電力および前記モータからの回生電力によって充電される燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０１）であって、前記燃料電池システムを稼動するための要求電力を算出する燃料電池システム要求電力算出手段（例えば、実施形態におけるモータ要求電力算出部４４）と、前記蓄電装置への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出手段（例えば、実施形態における回生期待値算出部５０）と、前記燃料電池システム要求電力が所定電力値（例えば、実施形態における上限リミットＦＵ）未満のとき、前記燃料電池システム要求出力に対して前記燃料電池からの電力供給を追従させる燃料電池追従モードを選択し、前記燃料電池システム要求電力が前記所定電力値以上のとき、前記燃料電池から前記燃料電池システムへの電力供給を前記蓄電装置の放電電力によりアシストするアシストモードを選択する運転モード切替部（例えば、実施形態における運転モード切替部４０）と、前記燃料電池システム要求電力の積算値を算出する燃料電池システム要求電力積算手段（例えば、実施形態におけるモータ要求電力積算部５４）と、前記回生電力の積算値を算出する回生電力積算手段（例えば、実施形態における回生電力積算部５２）と、を備え、前記回生期待値算出手段は、前記燃料電池システム要求電力積算値のうち前記回生電力積算値が占める割合を前記回生期待値とし、前記運転モード切替部は、前記回生期待値が大きくなるにつれ、前記所定電力値を低く設定することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の発電効率を算出する燃料電池発電効率算出手段を備え、前記運転モード切替部は、前記燃料電池の発電効率が大きくなるにつれ、前記所定電力値を大きく設定することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記回生期待値算出手段は、平滑用フィルタにより前記燃料電池システム要求電力積算値と前記回生電力積算値の比の急激な変化を抑えることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池発電効率算出手段は、平滑用フィルタにより前記燃料電池発電効率の急激な変化を抑えることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記アシストモード時に前記燃料電池システム要求電力を前記燃料電池への要求電力と前記蓄電装置へのアシスト要求電力とに分配する電力分配手段（例えば、実施形態における電力分配器１５）を備え、前記電力分配手段は、前記アシスト要求電力がアシスト電力上限より大きいときは、前記アシスト要求電力と前記アシスト電力上限との差分を前記アシスト要求電力から減算し、前記燃料電池要求電力に加算することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、前記電力分配手段は、前記アシスト要求電力が前記アシスト電力上限に近づくにつれ、前記燃料電池要求電力を増加させることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、前記蓄電装置から前記モータへ供給するアシスト電力を昇圧するコンバータ（例えば、実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６２）と、前記アシストモード以外の場合、前記コンバータの稼動を停止して、前記モータへの前記アシスト電力の供給を停止するコンバータ停止手段（例えば、実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ停止手段６０）と、を備えることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、前記蓄電装置から前記モータへのアシスト電力を昇圧するコンバータと、前記アシスト電力を検出するアシスト電力検出手段（例えば、実施形態における電流電圧計６４）と、を備え、前記アシスト電力が所定値以下であるとき、前記コンバータの稼動を停止して、前記モータへの前記アシスト電力の供給を停止するコンバータ停止手段と、を備えることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、発電機と、前記発電機または蓄電装置からの電力供給により駆動するモータと、を備え、前記蓄電装置は、前記発電機の電力および前記モータからの回生電力によって充電される発電機システムであって、前記発電機システムを稼動するための要求電力を算出する発電機システム要求電力算出手段と、前記蓄電装置への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出手段と、前記発電機システム要求電力が所定電力値未満のとき、前記発電機システム要求出力に対して前記発電機からの電力供給を追従させる発電機追従モードを選択し、前記発電機システム要求電力が前記所定電力値以上のとき、前記発電機から前記発電機システムへの電力供給を前記蓄電装置の放電電力によりアシストするアシストモードを選択する運転モード切替部と、前記発電機システム要求電力の積算値を算出する発電機システム要求電力積算手段と、前記回生電力の積算値を算出する回生電力積算手段と、を備え、前記回生期待値算出手段は、前記発電機システム要求電力積算値のうち前記回生電力積算値が占める割合を前記回生期待値とし、前記運転モード切替部は、前記回生期待値が大きくなるにつれ、前記所定電力値を低く設定することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、回生期待値によりモード切り替えの閾値を変化させることで、将来のバッテリ充電時に発生する損失を考慮に入れることができ、運転モードの切り替えを効率良いタイミングで行うことができる。特に、回生期待値が大きい場合には将来のバッテリ充電時に発生する損失が小さくなるので、所定電力値を低く設定してアシストモードの範囲を広げることにより、システムを効率よく運転することができる。
また、燃料電池システム要求電力積算値のうち回生電力積算値が占める割合は、現在までの回生実績値を示すものであるから、将来の回生期待値を極めて精度よく求めることが可能になる。これにより、運転モードの切り替えを効率よいタイミングで精度よく行うことができる。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池発電効率が大きい場合に、所定電力値を高く設定して燃料電池追従モードの範囲を広げることにより、システムを効率よく運転することができる。

請求項３に係る発明によれば、所定電力値の急激な変化を抑えて、エアポンプ回転数の急激な変化を抑えることが可能になる。これにより、回転数の増加に伴う音の発生を抑制することが可能になり、商品性を向上させることができる。

請求項４に係る発明によれば、所定電力値の急激な変化を抑えて、エアポンプ回転数の急激な変化を抑えることが可能になる。これにより、回転数の増加に伴う音の発生を抑制することが可能になり、商品性を向上させることができる。

請求項５に係る発明によれば、アシスト電力の上限を守ることができる。また上限を超過した部分を燃料電池からの電力により賄うことで、ドライバビリティの低下を防止することができる。

請求項６に係る発明によれば、アシストモード時のエアポンプの稼動音を燃料電池システムに応じて変化させることが可能になり、運転者の違和感を低減して商品性を向上させることができる。

請求項７に係る発明によれば、コンバータでの損失を防止することが可能になり、アシストモード以外のときのエネルギ効率を向上させることができる。

請求項８に係る発明によれば、アシスト電力が小さい場合にコンバータを停止することで、コンバータでの損失を防止することが可能になり、電力効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態および参考形態につき図面を参照して説明する。
（第１参考形態）
図１は、第１参考形態に係る燃料電池システムのブロック図である。第１参考形態に係る燃料電池システム１０１は、燃料電池１０の発電によるＦＣ電力と、バッテリ２０の放電によるバッテリ電力とを、電力分配器１５により分配してモータ３０に供給するものである。

燃料電池（ＦＣスタック）１０は、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数積層したものである。この燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガスとして水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガスとして空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われるようになっている。

燃料電池１０には、水素ガスを供給する水素タンク１２が接続されている。また、空気を供給するエアポンプ（Ａ／Ｐ）１４が接続されている。エアポンプ以外にも、燃料電池１０を駆動するための様々な補機が接続されている。
モータ３０は、燃料電池システムを搭載した車両の車輪を回転駆動するものである。なお、モータ３０を駆動制御するモータＰＤＵ（Power Drive Unit）３２が設けられている。

燃料電池１０およびバッテリ２０は、電力分配器１５を介して、モータ３０に接続されている。電力分配器１５は、燃料電池１０の発電によるＦＣ電力と、バッテリ２０の放電によるバッテリ電力とを、所定の分配比率でモータ３０に供給するものである。
バッテリ（蓄電装置）２０は、燃料電池１０の発電によるＦＣ電力と、モータ３０の回生発電による回生電力によって充電されるようになっている。バッテリ２０には、蓄電量を検出するＳＯＣセンサ（蓄電量検出手段）２２が設けられている。

一方、モータＰＤＵ３２の動作やアクセルペダル４２の開度からモータ３０が要求する電力量を算出するモータ要求電力算出部４４が設けられている。モータ要求電力算出部４４は、算出したモータ要求出力を運転モード切替部４０に出力する。

運転モード切替部４０は、モータ要求出力に対して燃料電池からの電力供給を追従させる燃料電池追従モードと、燃料電池からモータへの電力供給をバッテリの放電電力によりアシストするアシストモードとを切り替えるものである。また運転モード切替部４０は、バッテリ２０への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出手段を備えている。回生期待値算出手段は、バッテリＳＯＣが大きくなるにつれ回生期待値を大きく設定する。

（ＦＣ効率、バッテリ効率）
次に、燃料電池１０またはバッテリ２０から電力Ｐを取出してモータ３０に供給する場合の、ＦＣ効率およびバッテリ効率について説明する。
図２（ａ）はＦＣ効率の説明図である。ａ１に示す電力Ｐを燃料電池で発電する場合には、ａ２に示すＦＣ損失が発生する。ＦＣ損失は、燃料電池での発電に消費されることなく排出された燃料ガスのパージ損失や、燃料電池において発電されたが取出されなかった電力であるＦＣ損失、エアポンプ等の補機の消費電力であるＡＰ損失等が含まれる。
以上により、ＦＣ効率（単位エネルギから取出し可能な燃料電池の発電量）は、ａ１／ａ２で表される。

図２（ｂ）はバッテリ効率の説明図である。ｂ１に示す電力Ｐをバッテリから放電する場合には、ｂ２に示す放電損失が発生する。放電損失は、放電時にバッテリやコンバータ（Voltage Control Unit；ＶＣＵ）等で発生する電力損失である。
バッテリから放電された電力は、将来バッテリに充電する必要がある。ｂ３においてバッテリに充電する必要があるのは、ｂ２と同じ電力量であって、バッテリから放電された電力Ｐに放電損失を加えた電力量である。

ｂ３に示すように、バッテリ２０の充電には、燃料電池１０で発電したＦＣ電力Ｃ１に加え、モータ３０の回生発電による回生電力Ｃ２を利用することが可能である。そのうち回生電力Ｃ２は、車両の運動エネルギを回収するものであるから、電力損失が観念されない。これに対して、ＦＣ電力Ｃ１による充電時には、ｂ４に示す充電損失が発生する。この充電損失は、放電時にバッテリやコンバータ等で発生する電力損失である。

さらに、ＦＣ電力Ｃ１を得るためには、燃料電池で発電を行う必要がある。ｂ５において燃料電池で発電する必要があるのは、ｂ４と同じ電力量であって、ＦＣ電力Ｃ１に充電損失を加えた電力量である。そして燃料電池の発電には、上述したパージ損失やＦＣ損失、ＡＰ損失が伴うことになる。
以上により、バッテリ効率（単位エネルギから取出し可能なバッテリの放電量）は、ｂ１／ｂ５で表される。

（運転モード）
そして、ＦＣ効率とバッテリ効率とを比較し、原則として効率の高い方から電力Ｐを取出す。ただし、ＦＣ効率とバッテリ効率との大小関係は、様々な要因によって変化する。
図３（ａ）はモータ要求電力とＦＣ発電量との関係を示すグラフであり、図３（ｂ）はモータ要求電力とバッテリ放電量との関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示すように、ＦＣ発電量に下限リミットＦＬおよび上限リミットＦＵを設ける。一般に、燃料電池の出力が小さくなるとＦＣ効率は高くなる。ところが、燃料電池の出力が極端に小さくなると、エアポンプ等の補機の電力消費による損失（ＡＰ損失）が相対的に大きくなり、ＦＣ効率が低下する。そこで、ＦＣ効率のピーク付近にＦＣ発電量の下限リミットＦＬを設定する。そして、モータ要求電力が極端に小さい場合でも、ＦＣ発電量は下限リミットＦＬに保持する。モータ要求電力を超過して発電されたＦＣ電力は、バッテリの充電に利用される。
逆に、燃料電池の出力が大きくなるとＦＣ効率は低下し、バッテリ効率よりも低くなる。そこで、ＦＣ効率がバッテリ効率を下回るところを、ＦＣ発電量の上限リミットＦＵに設定する。

モータ要求電力が、ＦＣ発電量の下限リミットＦＬ以上であって上限リミットＦＵ未満である場合には、ＦＣ効率がバッテリ効率を上回るので、モータ要求電力に対してＦＣ電力を追従させる。すなわち、図３（ａ）のＡＢ間では、モータ要求出力に対して燃料電池からの電力供給を追従させる（燃料電池追従モード）。これに対して、図３（ｂ）のＢ以下では、バッテリ放電量を０にしている。なお燃料電池追従モードでは、図３（ａ）のモータ要求電力Ｍに対してＦＣ発電量を完全追従させる場合に限られず、誤差やＳＯＣの補正等のため、バッテリ放電によるアシスト（二点差線Ｇ）やバッテリへの充電（二点差線Ｈ）を行う場合もある。
モータ要求電力がＦＣ発電量の上限リミットＦＵ以上である場合には、バッテリ効率がＦＣ効率を上回るので、バッテリからアシスト電力を取出す。すなわち、図３（ｂ）のＢＣ間では、燃料電池からモータへの電力供給をバッテリの放電電力によりアシストする（アシストモード）。

図１に示す運転モード切替部４０は、モータ要求電力が上限リミットＦＵ未満のとき、モータ要求出力に対して燃料電池１０からの電力供給を追従させる燃料電池追従モードを選択し、モータ要求電力が上限リミットＦＵ以上のとき、燃料電池１０からモータ３０への電力供給をバッテリ２０の放電電力によりアシストするアシストモードを選択する。選択したモードは、電力分配指令として電力分配器１５に出力する。

ところで、図３（ｂ）に示すように、バッテリ放電量にも上限リミットＢＵを設ける。バッテリ放電量が極端に大きくなると、バッテリ残容量（State Of Charge；ＳＯＣ）の適正範囲を逸脱するおそれがあるからである。バッテリ放電量が上限リミットＢＵに到達した図３（ｂ）のＣ以上では、バッテリ放電量を上限リミットＢＵに保持する。これに対して、図３（ａ）のＣ以上では、モータ要求電力に比例してＦＣ発電量を増加させる。そして、ＦＣ発電量およびバッテリ放電量によりモータ要求電力Ｍを実現している。すなわち、図１に示す電力分配器１５は、アシストモード時にモータ要求電力を燃料電池への要求電力とアシスト要求電力とに分配し、アシスト要求電力が上限リミットＢＵ（アシスト電力上限）より大きいときは、アシスト要求電力とアシスト電力上限との差分をアシスト要求電力から減算し、燃料電池要求電力に加算するようになっている。これにより、アシスト電力の上限を守ることができる。また上限を超過した部分を燃料電池からの電力により賄うことで、ドライバビリティの低下を防止することができる。

ところで、図３（ａ）のＢＣ間では、ＦＣ効率がバッテリ効率を下回るので、ＦＣ発電量を０にしてもよい。この場合には、エアポンプ等の補機の運転を停止することになる。しかしながら、モータ要求出力がリニアに上昇しているにもかかわらず、Ｃ点において補機の運転が再開されると、補機の音や振動が急激に大きくなり、運転者に違和感を与えることになる。そこでＢＣ間においても、モータ要求電力に比例してＦＣ発電量を増加させることが望ましい。すなわち、図１に示す電力分配器１５は、アシスト要求電力が上限リミットＢＵに近づくにつれ燃料電池要求電力を増加させる。これにより、アシストモード時のエアポンプの稼動音をモータ要求電力に応じて変化させることが可能になり、運転者の違和感を低減して商品性を向上させることができる。ただし、ＢＣ間におけるＦＣ発電量の傾きは、図３（ｂ）に示すバッテリ放電量の傾きより小さくすることが望ましい。これにより、ＢＣ間において効率の高いバッテリ電力を優先的に利用することができる。

（上限リミットの決定方法）
次に、上述したＦＣ発電量の上限リミットの決定方法について説明する。
図４は、バッテリ残容量（ＳＯＣ）およびＦＣ効率と上限リミットとの関係の説明図である。第１参考形態では、ＳＯＣおよびＦＣ効率に基づいて、ＦＣ発電量の上限リミットを決定する。図４（ａ）のグラフに示すように、ＦＣ効率が高いほど上限リミットを高く設定し、ＦＣ効率が低いほど上限リミットを低く設定する。ＦＣ効率が高いほど、ＦＣ効率がバッテリ効率を上回る範囲が広くなると考えられるため、上限リミットを高く設定して燃料電池追従モードの範囲を広げるのである。これにより、システムを効率よく運転することができる。

また、ＳＯＣが高いほど上限リミットを低く設定し、ＳＯＣが低いほど上限リミットを高く設定する。ＳＯＣが高い場合には、モータの回生発電による充電量が多くなっていると考えられる。この場合には、図２（ｂ）のｂ３に示す回生電力Ｃ２の期待分が大きくなり、ＦＣ電力Ｃ１の割合が小さくなる。これに伴って、ｂ４に示す充電損失およびｂ５に示すＦＣ損失等が小さくなり、バッテリ効率（ｂ１／ｂ５）が向上する。その結果、バッテリ効率がＦＣ効率を上回る範囲が広くなると考えられる。そこで、ＳＯＣが高いほど（すなわち回生期待値が大きいほど）上限リミットを低く設定することにより、アシストモードの範囲を広げるのである。このように、ＳＯＣの大小は回生が期待できる運転状態か否かを反映しているから、将来の回生期待値を精度よく求めることが可能になる。

なおＳＯＣが極端に高い場合には、上限リミットを極端に低くして、バッテリ放電を積極的に行う。またＳＯＣが極端に低い場合には、上限リミットを極端に高くして、ＦＣ発電を積極的に行う。そして、ＦＣ発電量がモータ要求電力を超過した場合には、ＦＣ電力によりバッテリ充電を行う。
一方、下限リミットについても同様に、ＳＯＣが高いほど下限リミットを低く設定し、ＳＯＣが低いほど下限リミットを高く設定する。ＳＯＣが低い場合には、ＦＣ発電量を増加させて、バッテリを充電する必要があるからである。

（ＦＣ発電量計算機）
図５は、ＦＣ発電量計算機の概略構成図である。図１に示す運転モード切替部４０は、図５に示すＦＣ発電量計算機６５を備えている。ＦＣ発電量計算機６５は、ゼロリミッタ６８、上下限リミット制御部７０、および上限リミット解除制御部８０を備えている。
ゼロリミッタ６８は、モータ要求電力が０またはマイナスとなる場合には０を、プラスとなる場合にはモータ要求電力をそのまま出力する。

上下限リミット制御部７０は、上限リミットマップ（図４参照）７２および下限リミットマップ７４、並びに上下限リミッタ７６を備えている。マップ７２，７４は、入力されたＦＣ効率およびＳＯＣを用いて上下限リミットを算出し、上下限リミッタ７６に出力する。上下限リミッタ７６は、入力されたモータ要求電力が上下限リミットの外側である場合には上下限リミット値を出力し、上下限リミットの内側である場合にはモータ要求電力値をそのまま出力する。

上限リミット解除制御部８０は、ゼロリミッタ８２およびＦＣ発電増加マップを備えている。上限リミット解除制御部８０は、まずゼロリミッタ６８の出力値から上下限リミッタ７６の出力値を減算し、両者の差分を求める。ゼロリミッタ８２では、差分が０またはマイナスとなる場合には０を、プラスとなる場合には差分をそのまま出力する。ＦＣ発電増加マップ８４は、入力された差分を用いてＦＣ発電量の増加分を求める。この増加分は、図３（ａ）のＳに相当するものである。そして、求めた増加分を、上下限リミッタ７６の出力値に加算することにより、ＦＣ発電量を求めることができる。

（燃料電池システムの制御方法）
以上を踏まえた上で、図１に示す燃料電池システムの制御方法について説明する。
図６は、燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。Ｓ１０においてバッテリ２０のＳＯＣを算出し、Ｓ１２においてＦＣ効率を算出する。ＦＣ効率の算出は、燃料電池１０における発電量および燃料ガスの消費量に加え、補機１４の電力消費量等の情報を用いて行う。Ｓ１４ではモータ要求電力算出部４４がモータ要求電力を算出する。モータ要求電力の算出は、アクセルペダル４２の開度や、モータ３０の運転状態等の情報を用いて行う。

次に、Ｓ１６においてＦＣ発電量の上限リミットを算出し、Ｓ１８において下限リミットを算出する。ここでは、算出されたＦＣ効率およびＳＯＣを用いて、図４に示すマップ検索を行うことにより、上下限リミットを算出する。これにより、燃料電池システムを燃料電池追従モードで運転する範囲（図３（ａ）のＡＢ間）が決定される。
次にＳ２８では、燃料電池システムをアシストモードで運転する範囲において、ＦＣ電力およびバッテリ電力の分配（バッテリ電力によるアシスト比率）を決定する。ここでは、図３（ａ）のＢＣ間におけるＦＣ発電量の傾きと、図３（ｂ）におけるバッテリ放電量の傾きとの比率を求める。
以上の処理を、イグニションスイッチがオフされるまで継続する（Ｓ２９）。

以上に詳述したように、図１に示す第１参考形態に係る燃料電池システムは、バッテリ２０への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出部と、モータ要求電力が上限リミット未満のとき、モータ要求出力に対して燃料電池１０からの電力供給を追従させる燃料電池追従モードを選択し、モータ要求電力が上限リミット以上のとき、燃料電池１０からモータ３０への電力供給をバッテリの放電電力によりアシストするアシストモードを選択する運転モード切替部４０とを備え、運転モード切替部４０は、回生期待値が大きくなるにつれ、上限リミットを低く設定する構成とした。

このように、回生期待値によりモード切り替えの閾値を変化させることで、将来のバッテリ充電時に発生する損失を考慮に入れることができ、運転モードの切り替えを効率良いタイミングで行うことができる。特に、回生期待値が大きい場合には将来のバッテリ充電時に発生する損失が小さくなるので、上限リミットを低く設定してアシストモードの範囲を広げることにより、システムを効率よく運転することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第１参考形態ではＳＯＣに基づいて回生期待値を求め上限リミットを設定したが、第２実施形態ではモータ要求電力積算値のうち回生電力積算値が占める割合に基づいて回生期待値を求め上限リミットを設定する点で異なっている。なお第１参考形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図７は、第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。第２実施形態における回生期待値算出部５０には、モータ要求電力算出部４４からのモータ要求電力情報に基づいてモータ要求電力の積算値を算出するモータ要求電力積算部５４と、モータＰＤＵ３２からの回生電力情報に基づいて回生電力の積算値を算出する回生電力積算部５２とが設けられている。回生期待値算出部５０は、回生期待値として、回生電力積算値とモータ要求電力積算値との比（以下「回生回収率」という。）を算出する。

そして第２実施形態では、回生回収率およびＦＣ効率に基づいて、ＦＣ発電量の上限リミットを決定する。具体的には、回生回収率が高いほど上限リミットを低く設定し、回生回収率が低いほど上限リミットを高く設定する。モータ要求電力積算値に占める回生電力積算値の割合が高いほど、モータの回生発電による充電量が多くなっていると考えられる。この場合には、図２（ｂ）のｂ３に示す回生電力Ｃ２の期待分が大きくなり、ＦＣ電力Ｃ１の割合が小さくなる。これに伴って、ｂ４に示す充電損失およびｂ５に示すＦＣ損失等が小さくなり、バッテリ効率（ｂ１／ｂ５）が向上する。そこで、回生回収率が高いほど（すなわち回生期待値が大きいほど）上限リミットを低く設定することにより、アシストモードの範囲を広げるのである。

なお上限リミットが急激に変化すると、エアポンプの回転数が急激に変化して、運転者に違和感を与えることになる。そこで、図７に示す回生期待値算出部５０は、平滑用フィルタにより回生回収率およびＦＣ効率の急激な変化を抑えている。平滑用フィルタとして、移動平均や一次遅れ等を利用することが可能である。これにより、上限リミットの急激な変化を抑えて、エアポンプ回転数の急激な変化を抑えることが可能になる。これにより、運転者の違和感を低減して商品性を向上させることができる。

図８は、第２実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。Ｓ１０においてＳＯＣを算出し、Ｓ１２においてＦＣ効率を算出し、Ｓ１４においてモータ要求電力を算出する。またＳ１５ａにおいて回生電力積算値を算出し、Ｓ１５ｂにおいてモータ要求電力積算値を算出し、Ｓ１５ｃにおいて回生回収率を算出する。
次に、Ｓ１６においてＦＣ発電量の上限リミットを算出し、Ｓ１８において下限リミットを算出する。ここでは、算出された回生回収率およびＦＣ効率を用いて、上下限リミットを算出する。次にＳ２８では、燃料電池システムをアシストモードで運転する範囲において、ＦＣ電力およびバッテリ電力の分配を決定する。

以上に詳述したように、図７に示す第２実施形態に係る燃料電池システムは、モータ要求電力の積算値を算出するモータ要求電力積算部５４と、回生電力の積算値を算出する回生電力積算部５２と、を備え、回生期待値算出部５０は、モータ要求電力積算値のうち回生電力積算値が占める割合（回生回収率）を回生期待値とする構成とした。
バッテリＳＯＣは回生電力以外の様々な要因によって変化するが、回生回収率は現在までの回生実績値を示すものであるから、将来の回生期待値を極めて精度よく求めることが可能になる。これにより、運転モードの切り替えを効率よいタイミングで精度よく行うことができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。第３実施形態では、アシストモード以外の場合、コンバータの稼動を停止することにより、モータへのアシスト電力の供給を停止するものである。なお第１参考形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図９は、第３実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。第３実施形態では、バッテリ２０とモータ３０との間に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６２は、バッテリ２０からモータ３０に供給される電圧を昇圧するものである。またアシストモード以外の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の稼動を停止して、モータ３０へのアシスト電力の供給を停止するＤＣ／ＤＣコンバータ停止手段６０が設けられている。なお、アシスト電力が所定値以下であるときにも、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の稼動を停止しうるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ停止手段６０を構成することが望ましい。この場合には、アシスト電力を検出する電流電圧計（アシスト電力検出手段）６４を設ける。

図１０は、第３実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。
Ｓ１０〜Ｓ１８は第１参考形態と同様である。Ｓ２０において燃料電池追従モードであるか判断する。Ｓ２０の判断がＮｏの場合（アシストモードの場合）には、Ｓ２８においてＦＣ電力およびバッテリ電力の分配を決定する。Ｓ２０の判断がＹｅｓの場合（燃料電池追従モードの場合）には、Ｓ２２においてバッテリの充放電電力が小さいか判断する。Ｓ２２の判断がＹｅｓの場合には、Ｓ２４においてＤＣ／ＤＣコンバータオフ指令を出力する。

以上に詳述したように、図９に示す第３実施形態に係る燃料電池システムは、バッテリ２０からモータ３０へ供給するアシスト電力を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ６２と、アシストモード以外の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２の稼動を停止して、モータ３０へのアシスト電力の供給を停止するコンバータ停止手段６０と、を備える構成とした。
一般に、バッテリ２０からのアシスト電力の供給時にＤＣ／ＤＣコンバータ６２において損失が発生し、アシスト出力が小さいほどＤＣ／ＤＣコンバータ６２の効率が低下する。これに対して、第３実施形態では、バッテリ２０からアシスト電力を供給しないときにはＤＣ／ＤＣコンバータ６２の稼動を停止するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６２における損失を防止することができる。

なお、この発明は上述した実施形態、参考形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態、参考形態ではモータ要求電力に比例してＦＣ発電量またはバッテリ放電量を増加させたが、比例以外の関係でＦＣ発電量またはバッテリ放電量を増加させてもよい。またモータ要求電力を基準とする以外にも、（１）モータ要求電力＋補機消費電力、（２）モータ要求電力＋補機消費電力＋バッテリ充電要求、等の燃料電池システム要求電力を基準にして、ＦＣ発電量またはバッテリ放電量を決定してもよい。また、上記実施形態、参考形態ではＦＣ発電量の下限リミットを設定したが、必ずしも下限リミットを設定する必要はない。

第１参考形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 （ａ）はＦＣ効率の説明図であり、（ｂ）はバッテリ効率の説明図である。 （ａ）はモータ要求電力とＦＣ発電量との関係を示すグラフであり、（ｂ）はモータ要求電力とバッテリ放電量との関係を示すグラフである。 バッテリ残容量（ＳＯＣ）およびＦＣ効率と、ＦＣ発電量の上限リミットとの関係の説明図である。 ＦＣ発電量計算機の概略構成図である。 第１参考形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの制御方法のフローチャートである。

符号の説明

ＦＵ…上限リミット １０…燃料電池 １４…エアポンプ １５…電力分配器（電力分配手段） ２０…バッテリ（蓄電手段） ３０…モータ ４０…運転モード切替部（運転モード切替手段） ４４…モータ要求電力算出部（燃料電池システム要求電力算出手段） ５０…回生期待値算出部（回生期待値算出手段） ５２…回生電力積算部（回生電力積算手段） ５４…モータ要求電力積算部（燃料電池システム要求電力積算手段） ６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ停止手段（コンバータ停止手段） ６２…ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ） １０１…燃料電池システム

Claims (9)

1. エアポンプにより反応ガスを供給することで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池または蓄電装置からの電力供給により駆動するモータと、を備え、
   前記蓄電装置は、前記燃料電池の電力および前記モータからの回生電力によって充電される燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムを稼動するための要求電力を算出する燃料電池システム要求電力算出手段と、
   前記蓄電装置への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出手段と、
   前記燃料電池システム要求電力が所定電力値未満のとき、前記燃料電池システム要求出力に対して前記燃料電池からの電力供給を追従させる燃料電池追従モードを選択し、前記燃料電池システム要求電力が前記所定電力値以上のとき、前記燃料電池から前記燃料電池システムへの電力供給を前記蓄電装置の放電電力によりアシストするアシストモードを選択する運転モード切替部と、
   前記燃料電池システム要求電力の積算値を算出する燃料電池システム要求電力積算手段と、
   前記回生電力の積算値を算出する回生電力積算手段と、を備え、
   前記回生期待値算出手段は、前記燃料電池システム要求電力積算値のうち前記回生電力積算値が占める割合を前記回生期待値とし、
   前記運転モード切替部は、前記回生期待値が大きくなるにつれ、前記所定電力値を低く設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電効率を算出する燃料電池発電効率算出手段を備え、
   前記運転モード切替部は、前記燃料電池の発電効率が大きくなるにつれ、前記所定電力値を大きく設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記回生期待値算出手段は、平滑用フィルタにより前記燃料電池システム要求電力積算値と前記回生電力積算値の比の急激な変化を抑えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池発電効率算出手段は、平滑用フィルタにより前記燃料電池発電効率の急激な変化を抑えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記アシストモード時に前記燃料電池システム要求電力を前記燃料電池への要求電力と前記蓄電装置へのアシスト要求電力とに分配する電力分配手段を備え、
   前記電力分配手段は、前記アシスト要求電力がアシスト電力上限より大きいときは、前記アシスト要求電力と前記アシスト電力上限との差分を前記アシスト要求電力から減算し、前記燃料電池要求電力に加算することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記電力分配手段は、前記アシスト要求電力が前記アシスト電力上限に近づくにつれ、前記燃料電池要求電力を増加させることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記蓄電装置から前記モータへ供給するアシスト電力を昇圧するコンバータと、
   前記アシストモード以外の場合、前記コンバータの稼動を停止して、前記モータへの前記アシスト電力の供給を停止するコンバータ停止手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記蓄電装置から前記モータへのアシスト電力を昇圧するコンバータと、
   前記アシスト電力を検出するアシスト電力検出手段と、を備え、
   前記アシスト電力が所定値以下であるとき、前記コンバータの稼動を停止して、前記モータへの前記アシスト電力の供給を停止するコンバータ停止手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 発電機と、
   前記発電機または蓄電装置からの電力供給により駆動するモータと、を備え、
   前記蓄電装置は、前記発電機の電力および前記モータからの回生電力によって充電される発電機システムであって、
   前記発電機システムを稼動するための要求電力を算出する発電機システム要求電力算出手段と、
   前記蓄電装置への充電を行う際に回生電力によりどの程度充電が期待できるかを表す回生期待値を算出する回生期待値算出手段と、
   前記発電機システム要求電力が所定電力値未満のとき、前記発電機システム要求出力に対して前記発電機からの電力供給を追従させる発電機追従モードを選択し、前記発電機システム要求電力が前記所定電力値以上のとき、前記発電機から前記発電機システムへの電力供給を前記蓄電装置の放電電力によりアシストするアシストモードを選択する運転モード切替部と、
   前記発電機システム要求電力の積算値を算出する発電機システム要求電力積算手段と、
   前記回生電力の積算値を算出する回生電力積算手段と、を備え、
   前記回生期待値算出手段は、前記発電機システム要求電力積算値のうち前記回生電力積算値が占める割合を前記回生期待値とし、
   前記運転モード切替部は、前記回生期待値が大きくなるにつれ、前記所定電力値を低く設定することを特徴とする発電機システム。

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