JP2012244715A - 燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を高くしつつ、燃料電池の劣化を抑制することが可能な燃料電池車両を提供する。
【解決手段】ＦＣ車両１０の制御装置２４は、負荷の負荷量が所定値以下である場合、通常運転時におけるＦＣ３２の下限電流より低い極低電流で発電する極低電流制御を行い、前記極低電流制御の際、前記極低電流に対応したコンバータ２２の目標出力電圧の上下限値を設定し、ＦＣ３２の出力電圧が前記上下限値内に入るように制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池と前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷とを備えた燃料電池車両に関する。

燃料電池車両に関し、燃料電池のアイドル停止に関する技術が提案されている（特許文献１）。特許文献１では、燃料電池での発電の無駄を削減し、燃料電池と２次電池を有するシステム全体としての効率向上を図ることを課題としている（要約）。この課題を解決するため、特許文献１では、駆動要求パワーの大きさにより、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群の運転及び停止を定める。この駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｓ以下の低負荷領域の燃料電池発電運転で得られるものである場合には、燃料電池機器群を停止させ、２次電池３０単独でその残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて、車両を駆動要求パワーで駆動する（要約、図５、段落［００４７］〜［００５６］）。

特開２００１−３０７７５８号公報

上記のように、特許文献１では、要求負荷が低負荷である場合、燃料電池機器群を停止させ、２次電池３０からの電力により車両を駆動する。このため、燃料電池機器群を停止した場合、燃料電池の出力電圧は、開回路電圧（ＯＣＶ）又はその近傍値になっているものと解される。燃料電池の出力電圧がＯＣＶ又はその近傍値である場合、燃料電池の劣化量が比較的大きくなる（図１１参照）。

図１１は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの電位（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］と燃料電池セルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図１１中の曲線２００は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図１１において、電位ｖ１、ｖ２、ｖ３、ｖ４は、例えば、０．５Ｖ、０．８Ｖ、０．９Ｖ、０．９５Ｖである。電位ｖ１を下回る領域（以下「凝集増加領域Ｒ１」という。）では、燃料電池セルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電位ｖ１から電位ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（以下「還元領域Ｒ２」という。）である。

電位ｖ２から電位ｖ３（例えば、０．９Ｖ）までは、白金について酸化還元反応が進行する領域（以下「酸化還元領域Ｒ３」という。）である。電位ｖ３から電位ｖ４（例えば、０．９５Ｖ）までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域（以下「酸化領域Ｒ４」という。）である。電位ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化領域Ｒ５」という。）である。

なお、図１１では、曲線２００を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線２００は変化する。但し、還元領域Ｒ２は、曲線２００の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線２００の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。酸化安定領域Ｒ４は、曲線２００の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。

図１１によれば、第２極小値Ｖｌｍｉ２からＯＣＶに向かうに連れて劣化量Ｄは増加している。従って、特許文献１において、燃料電池機器群を停止させ、燃料電池の出力電圧がＯＣＶ又はその近傍値になっていると、燃料電池の発電効率を高くできるが、燃料電池の劣化量Ｄが大きくなる。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の発電効率を高くしつつ、燃料電池の劣化を抑制することが可能な燃料電池車両を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池車両は、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と、前記負荷の負荷量に基づいて前記燃料電池の目標出力を設定し、前記目標出力に応じた前記燃料電池の目標電圧を前記コンバータに指令する制御装置とを備えたものであって、前記制御装置は、前記負荷量が所定値以下である場合、通常運転時における前記燃料電池の下限電流より低い極低電流で発電する極低電流制御を行い、前記極低電流制御の際、前記極低電流に対応した前記コンバータの目標出力電圧の上下限値を設定し、前記燃料電池の出力電圧が前記上下限値内に入るように制御することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の発電効率を高くしつつ、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

すなわち、燃料電池の特性として、出力電圧が開回路電圧（ＯＣＶ）又はその近傍値の場合、その劣化量が高くなる（図１１参照）。この発明によれば、負荷の負荷量が所定値以下である場合、通常運転時における燃料電池の下限電流より低い極低電流で発電する極低電流制御を行い、前記極低電流制御の際、前記極低電流に対応したコンバータの目標電圧の上下限値を設定し、燃料電池の出力電圧が前記上下限値内に入るように制御する。従って、極低電流制御の際、当該上下限値をＯＣＶよりも低い値に設定すれば、燃料電池の劣化量を抑制することが可能となる。

また、燃料電池の特性として、ＯＣＶ付近の低電流域では燃料電池の出力電流の変化に対して燃料電池の出力電圧の変化が大きい。この発明によれば、ＯＣＶ付近の低電流域において、極低電流に対応したコンバータの目標出力電圧の上下限値を設定することで、高精度に前記極低電流を出力することができる。従って、燃料電池の電圧上昇を高精度に抑えることができ、燃料電池の劣化を防止することが可能となる。

前記極低電流に対応する前記燃料電池の目標電流を設定し、前記燃料電池の目標電流と出力電流との差に応じて前記コンバータの目標出力電圧を補正してもよい。これにより、燃料電池の出力電流をさらに高精度に極低電流に収束させることができる。

前記燃料電池の電流−電圧特性の変化を検知して、前記電流−電圧特性の変化に基づいて前記上下限値を変化させてもよい。これにより、燃料電池の電流−電圧特性の変化に係わらず、安定して極低電流を出力することが可能となる。

前記燃料電池車両は、さらに、蓄電装置を備え、前記負荷は、走行モータを含み、前記燃料電池は、前記走行モータ及び前記蓄電装置に電力を供給可能であり、前記蓄電装置は、前記走行モータに電力を供給可能であると共に、前記走行モータからの回生電力を充電可能であってもよい。これにより、極低電流制御時における燃料電池からの余剰電力を蓄電装置に充電することが可能となる。従って、極低電流制御時は、燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池と蓄電装置を合わせた発電効率を高めることが可能となる。

この発明によれば、燃料電池の発電効率を高くしつつ、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

すなわち、燃料電池の特性として、出力電圧が開回路電圧（ＯＣＶ）又はその近傍値の場合、その劣化量が高くなる。この発明によれば、負荷の負荷量が所定値以下である場合、通常運転時における燃料電池の下限電流より低い極低電流で発電する極低電流制御を行い、前記極低電流制御の際、前記極低電流に対応したコンバータの目標電圧の上下限値を設定し、燃料電池の出力電圧が前記上下限値内に入るように制御する。従って、極低電流制御の際、当該上下限値をＯＣＶよりも低い値に設定すれば、燃料電池の劣化量を抑制することが可能となる。

また、燃料電池の特性として、ＯＣＶ付近の低電流域では燃料電池の出力電流の変化に対して燃料電池の出力電圧の変化が大きい。この発明によれば、ＯＣＶ付近の低電流域において、極低電流に対応したコンバータの目標出力電圧の上下限値を設定することで、高精度に前記極低電流を出力することができる。従って、燃料電池の電圧上昇を高精度に抑えることができ、燃料電池の劣化を防止することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の概略構成図である。 前記実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す図である。 電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御のフローチャートである。 前記ＥＣＵが前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次電圧Ｖ２の目標値（目標２次電圧）を算出する機能ブロック図である。 燃料電池の劣化状態と前記目標２次電圧の上限値及び下限値との関係を示す図である。 前記ＥＣＵが前記目標２次電圧を算出するフローチャートである。 通常時の下限電流と極低電流制御時の基準電流との関係を示す図である。 極低電流制御時の基準電流とＦＣ電圧及び目標２次電圧の上下限値との関係並びにＦＣの初期状態における電流−電圧（ＩＶ）特性と、ＦＣが劣化した後のＩＶ特性の関係を示す図である。 前記実施形態に係る電力系の第１変形例の概略構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係る電力系の第２変形例の概略構成を示すブロック図である。 燃料電池を構成する燃料電池セルの電位と燃料電池セルの劣化量との関係の一例を示す図である。

１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」又は「車両１０」という。）の概略構成図である。ＦＣ車両１０は、車両電源システム１２（以下「電源システム１２」ともいう。）と、走行用のモータ１４と、インバータ１６とを有する。

電源システム１２は、燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、バッテリ２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。

［１−２．駆動系］
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、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を回転する。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０に出力する。回生電力Ｐｒｅｇは、補機群（後述するエアポンプ３６及びウォータポンプ６８を含む。）に対して出力してもよい。

インバータ１６は、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、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流をＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じてバッテリ２０等に供給する。

なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。但し、負荷３０には、後述するエアポンプ３６、ウォータポンプ６８等の構成要素を含めることもできる。

［１−３．ＦＣユニット１８］
ＦＣユニット１８の燃料電池スタック３２（以下「ＦＣスタック３２」又は「ＦＣ３２」という。）は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下「ＦＣセル」又は「単セル」という。）を積層した構造を有する。ＦＣスタック３２には、水素タンク３４とエアポンプ３６が経路３８、４０を通じて接続されており、水素タンク３４からは一方の反応ガスである水素（燃料ガス）が、エアポンプ３６からは他方の反応ガスである圧縮空気（酸化剤ガス）が供給される。水素タンク３４及びエアポンプ３６からＦＣスタック３２に供給された水素と空気がＦＣスタック３２内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）［Ｗ］がモータ１４とバッテリ２０に供給される。

ＦＣスタック３２の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４２により検出され、ＦＣスタック３２の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」又は「検出ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）［Ａ］は、電流センサ４４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。また、ＦＣスタック３２を構成する各ＦＣセルの発電電圧（以下「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４６により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。

水素タンク３４とＦＣスタック３２とを結ぶ経路３８には、レギュレータ５０が設けられている。このレギュレータ５０には、エアポンプ３６とＦＣスタック３２とを結ぶ経路４０から分岐した経路５２が連結されており、エアポンプ３６からの圧縮空気が供給される。レギュレータ５０は、供給された圧縮空気の圧力に応じて弁の開度を変化させ、ＦＣスタック３２に供給する水素の流量を調整する。

ＦＣスタック３２の出口側に設けられた水素用の経路５４及び空気用の経路５６には、出口側の水素を外部に排出するパージ弁５８と空気の圧力を調整する背圧弁６０が設けられている。また、水素用の入口側の経路３８と出口側の経路５４とを結ぶ経路６２が設けられている。ＦＣスタック３２から排出された水素は、この経路６２を介してＦＣスタック３２の入口側に戻される。出口側の経路５４、５６には、圧力センサ６４、６６が設けられ、その検出値（圧力値）は、それぞれＥＣＵ２４に出力される。

さらに、ＦＣスタック３２を冷却するためのウォータポンプ６８が設けられている。

［１−４．バッテリ２０］
バッテリ２０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、ニッケル水素電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ７０により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ７２により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。なお、ＥＣＵ２４は、電圧センサ７０からのバッテリ電圧Ｖｂａｔと、電流センサ７２からのバッテリ電流Ｉｂａｔに基づいて、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］を算出する。

［１−５．ＤＣ／ＤＣコンバータ２２］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。

図２には、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の詳細が示されている。図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３０とＦＣスタック３２との接続点である２次側２Ｓに接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。

図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル８０とから構成される。

相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８２とダイオード８４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８６とダイオード８８）とで構成される。上アームスイッチング素子８２と下アームスイッチング素子８６には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴが採用される。

リアクトル８０は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。

なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ９２に並列に設けられた電圧センサ９０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ９４により１次側の電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側の平滑コンデンサ９８に並列に設けられた電圧センサ９６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１００により２次側の電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。

［１−６．ＥＣＵ２４］
ＥＣＵ２４は、通信線７８（図１）を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、電圧センサ４２、４６、７０、９０，９６、電流センサ４４、７２、９４，１００、圧力センサ６４、６６等の各種センサの検出値を用いる。

ここでの各種センサには、開度センサ１１０及び回転数センサ１１２（図１）が含まれる。開度センサ１１０は、アクセルペダル１１６の開度（以下「アクセル開度θ」又は「開度θ」という。）［度］を検出する。回転数センサ１１２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１１８（以下「メインＳＷ１１８」という。）が接続される。メインＳＷ１１８は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック３２の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ車両１０全体として電源システム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック３２が負担すべき負荷と、バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２に指令を送出する。

２．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。

［２−１．基本制御］
図３には、ＥＣＵ２４における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１１８がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１１８がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１１８がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、電源システム１２に要求される負荷（システム負荷Ｌｓ）［Ｗ］を計算する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、電源システム１２のエネルギマネジメントを行う。ここにいうエネルギマネジメントは、主として、ＦＣ３２の発電量（ＦＣ電力Ｐｆｃ）及びバッテリ２０の出力（バッテリ出力Ｐｂａｔ）を算出する処理であり、ＦＣスタック３２の劣化を抑制しつつ、電源システム１２全体の出力を効率化することを企図している。

具体的には、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２で算出したシステム負荷Ｌｓから、ＦＣ３２が負担すべき燃料電池分担負荷（要求出力）Ｌｆｃと、バッテリ２０が負担すべきバッテリ分担負荷（要求出力）Ｌｂａｔと、回生電源（モータ１４）が負担すべき回生電源分担負荷Ｌｒｅｇの配分（分担）を調停しながら決定する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３で求めた燃料電池分担負荷Ｌｆｃ等に基づいてＦＣスタック３２の周辺機器、すなわち、エアポンプ３６、パージ弁５８、背圧弁６０及びウォータポンプ６８の制御（ＦＣ発電制御）を行う。ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１１２からモータ回転数Ｎｍと開度センサ１１０からアクセルペダル１１６の開度θ等に基づいてモータ１４のトルク制御を行う。

ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１１８がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１１８がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１１８がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。

［２−２．ＦＣ３２の出力制御］
本実施形態では、ステップＳ３のエネルギマネジメントで求めた燃料電池分担負荷Ｌｆｃに応じたＦＣ電流ＩＦＣの目標値（以下「目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ」という。）を設定する。そして、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを実現するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の２次電圧Ｖ２を制御する。

より具体的には、ＦＣ３２の特性上、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、基本的にＤＣ/ＤＣコンバータ２２の２次電圧Ｖ２と等しくなる。このため、ＤＣ/ＤＣコンバータ２２により２次電圧Ｖ２を調整することにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御することが可能となる。また、ＦＣ３２の電流−電圧（ＩＶ）特性上、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御することにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御することができる。このため、本実施形態では、２次電圧Ｖ２の目標値（以下「目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ」という。）を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。

（２−２−１．目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの算出の概要）
図４は、ＥＣＵ２４がＤＣ／ＤＣコンバータ２２の目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを算出する機能ブロック図である。図４に示すように、ＥＣＵ２４は、電流−電圧変換部１３０と、電流フィードバック部１３２（以下「電流ＦＢ部１３２」という。）と、加算器１３４と、２次電圧上下限値設定部１３６と、極低電流制御選択スイッチ１３８（以下「選択スイッチ１３８」ともいう。）と、上下限リミッタ１４０とを有する。

電流−電圧変換部１３０は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１に変換する。すなわち、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１との関係（ＩＶ）特性を示すマップを作成しておき、当該マップを用いて第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１を設定する。換言すると、第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１は、ＩＶ特性に基づき目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔから直接的に求められる目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔである。

電流ＦＢ部１３２は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと検出ＦＣ電流Ｉｆｃとの差ΔＩｆｃに基づいて２次電圧Ｖ２のフィードバック項（以下「２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂ」という。）を算出する。具体的には、差ΔＩｆｃに対してＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行って２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを算出する。

加算器１３４は、電流−電圧変換部１３０からの第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１と電流ＦＢ部１３２からの２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂとを加算して第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２を算出する。換言すると、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２は、第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１に対して差ΔＩｆｃに基づくフィードバック制御を行った目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔである。

２次電圧上下限値設定部１３６は、目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値（以下「上限値Ｖ２ｕｐ」又は「上限電圧Ｖ２ｕｐ」という。）及び目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの下限値（以下「下限値Ｖ２ｌｏｗ」又は「下限電圧Ｖ２ｌｏｗ」という。）を設定する。本実施形態では、通常時の上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗと、極低電流制御時の上限電圧Ｖ２ｕｐと下限電圧Ｖ２ｌｏｗを設定する。通常時の上限電圧Ｖ２ｕｐは、例えば、ＯＣＶよりも高い値に設定される。また、通常時の下限電圧Ｖ２ｌｏｗは、ＦＣ３２の最低電圧（最低ＦＣ電圧）、すなわち、目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして設定可能な最小値が設定される。

また、極低電流制御は、システム負荷Ｌｓが低負荷である場合に、通常時の２次電流Ｉ２の下限値（以下「下限値Ｉｎｍｌｌｏｗ」又は「下限電流Ｉｎｍｌｌｏｗ」という。）より低い極低電流（以下「極低電流Ｉｖｌｏｗ」）で発電する制御である。本実施形態において、極低電流Ｉｖｌｏｗは、例えば、極低電流制御時の基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆプラスマイナスαの範囲で制御される（図７及び図８を用いて後述する。）。システム負荷Ｌｓが低負荷である場合とは、例えば、システム負荷Ｌｓが、低負荷であることを示す低負荷判定閾値ＴＨＬｓ１（以下「閾値ＴＨＬｓ１」ともいう。）以下である場合、或いは、車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］が、低負荷であることを示す低負荷判定閾値ＴＨＶ１（以下「閾値ＴＨＶ１」ともいう。）以下である場合である。なお、車速Ｖは、モータ回転数Ｎｍに基づいてＥＣＵ２４が算出する。

また、極低電流制御時の上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗは、ＦＣ３２の劣化状態に応じて設定する。具体的には、図５に示すマップを用いて、ＦＣ３２の劣化状態に応じて上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗを設定する。図５のマップでは、ＦＣ３２の劣化状態が進むほど（図５中、右に行くほど）、ＩＶ特性の変化に応じて上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗを低く設定する。

なお、ここにいうＦＣ３２の劣化状態は、ＥＣＵ２４が判定するものであり、本実施形態では、例えば、ＦＣ３２の作動時間を用いる。ＦＣ３２の使用回数をＦＣ３２の作動時間は、ＥＣＵ２４がカウントし、図示しない不揮発性メモリに更新記録する。或いは、ＦＣ３２の作動時間の代わりに、ＦＣ電流ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃの実測値に基づいてＩＶ特性を特定することもできる。上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗの設定については、後に詳述する。

極低電流制御選択スイッチ１３８は、極低電流制御要求がないとき（図４中、「Ｎ」で示している。）、通常の上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗを出力する。また、極低電流制御要求があるときは（図４中、「Ｙ」で示している。）、極低電流制御用の上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗを出力する。

なお、極低電流制御要求は、ＥＣＵ２４がシステム負荷Ｌｓに応じて生成するものである。すなわち、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｌｓが、低負荷であることを示す前記低負荷判定閾値ＴＨＬｓ１以下である場合、極低電流制御要求を出力し、システム負荷Ｌｓが閾値ＴＨＬｓ１以下でない場合、極低電流制御要求を出力しない。

上下限リミッタ１４０は、加算器１３４からの第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２に、選択スイッチ１３８からの上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗによる制限を加える。具体的には、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が下限電圧Ｖ２ｌｏｗ以上、上限電圧Ｖ２ｕｐ以下である場合（Ｖ２ｌｏｗ≦Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２≦Ｖ２ｕｐ）、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２をそのまま目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして出力する。目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の駆動デューティを算出する際に用いられるものである。

また、上下限リミッタ１４０は、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が上限電圧Ｖ２ｕｐを上回っている場合（Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２＞Ｖ２ｕｐ）、上限電圧Ｖ２ｕｐを目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして出力する。仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔが下限電圧Ｖ２ｌｏｗを下回っている場合（Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２＜Ｖ２ｌｏｗ）、下限電圧Ｖ２ｌｏｗを目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして出力する。これにより、目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを上限電圧Ｖ２ｕｐと下限電圧Ｖ２ｌｏｗの間の範囲内に収め、ＦＣ電流Ｉｆｃを極低電流制御時の目標電流域内に収めることができる。

上下限リミッタ１４０から出力された目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔは、ＥＣＵ２４の別の演算モジュール（図示せず）において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の駆動デューティの演算に用いられる。

（２−２−２．目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを算出するフロー）
図６は、ＥＣＵ２４が目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを算出するフローチャートである。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４（電流−電圧変換部１３０）は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに基づいて第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１を算出する。すなわち、ＦＣ３２のＩＶ特性において、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応するＦＣ電圧Ｖｆｃを第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１として設定する。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４（電流ＦＢ部１３２）は、２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを算出する。具体的には、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと検出ＦＣ電流ＩＦＣとの差ΔＩｆｃをＰＩＤ制御することにより２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを求める。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４（加算器１３４）は、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２を算出する。具体的には、ステップＳ１１で求めた第１仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ１と２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂとの和として第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２を求める。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４（上下限値設定部１３６）は、極低電流制御時の目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを算出する。上記のように、極低電流制御時の上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗは、図５のマップを用いて求める。

ステップＳ１５において、ＥＣＵ２４（選択スイッチ１３８）は、極低電流制御要求があるか否かを判定する。極低電流制御要求がない場合（Ｓ１５：ＮＯ）、ステップＳ１６において、ＥＣＵ２４（選択スイッチ１３８）は、通常時の上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを用いる。極低電流制御要求がある場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１７において、ＥＣＵ２４（選択スイッチ１３８）は、極低電流制御時の上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを用いる。

ステップＳ１８において、ＥＣＵ２４（上下限リミッタ１４０）は、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が上限値Ｖ２ｕｐを上回るか否かを判定する。第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が上限値Ｖ２ｕｐを上回る場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、ステップＳ１９において、ＥＣＵ２４（上下限リミッタ１４０）は、上限値Ｖ２ｕｐを目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして設定する。第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が上限値Ｖ２ｕｐ以下である場合（Ｓ１８：ＮＯ）、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０において、ＥＣＵ２４（上下限リミッタ１４０）は、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が下限値Ｖ２ｌｏｗを下回るか否かを判定する。第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が下限値Ｖ２ｌｏｗを下回る場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４（上下限リミッタ１４０）は、下限値Ｖ２ｌｏｗを目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして設定する。第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２が下限値Ｖ２ｌｏｗ以上である場合（Ｓ２０：ＮＯ）、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４（上下限リミッタ１４０）は、第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２をそのまま目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔとして設定する。

（２−２−３．極低電流制御）
図７には、通常時の下限電流Ｉｎｍｌｌｏｗと極低電流制御時の基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆとの関係が示されている。図８には、極低電流制御時の基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆと、ＦＣ電圧Ｖｆｃ並びに目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗとの関係並びにＦＣ３２の初期状態における電流−電圧（ＩＶ）特性と、ＦＣ３２が劣化した後のＩＶ特性の関係が示されている。

基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆは、極低電流制御時における極低電流Ｉｖｌｏｗの目標範囲（目標電流域）の中心値である。図８に示すように、極低電流制御時には、基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆを中心として、プラスマイナスαの電流域が目標電流域Ｒｌｏｗとして設定される。値αは、極低電流制御時の目標電流域Ｒｖｌｏｗを規定するための値である。

また、初期状態のＩＶ特性では、上限電圧Ｖ２ｕｐ１が目標電流域Ｒｌｏｗの下限電流に対応し、下限電圧Ｖ２ｌｏｗ１が目標電流域Ｒｖｌｏｗの上限電流に対応する。また、ＦＣ３２の劣化が進むと、ＦＣ電流Ｉｆｃに対するＦＣ電圧Ｖｆｃが降下する。従って、劣化後のＩＶ特性では、上限電圧Ｖ２ｕｐ２が目標電流域Ｒｖｌｏｗの上限電流に対応し、下限電圧Ｖ２ｌｏｗ２が目標電流域Ｒｖｌｏｗの上限電流に対応する。

本実施形態では、上記のようなＩＶ特性の変化を事前に図５のマップとして記憶しておき、これを用いる。

３．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ３２又は電源システム１２全体の発電効率を高くしつつ、ＦＣ３２の劣化を抑制することが可能となる。

すなわち、ＦＣ３２の特性として、ＦＣ電圧ＶｆｃがＯＣＶ又はその近傍値の場合、その劣化量Ｄが高くなる（図１１）。本実施形態によれば、システム負荷Ｌｓが閾値ＴＨＬｓ１以下である場合、通常時におけるＦＣ３２の下限電流より低い極低電流Ｉｖｌｏｗで発電する極低電流制御を行い、前記極低電流制御の際、極低電流Ｉｖｌｏｗに対応した目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを設定し、ＦＣ電圧Ｖｆｃが上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗの間に入るように制御する。従って、極低電流制御の際、上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗをＯＣＶよりも低い値に設定することで、ＦＣ３２の劣化量Ｄを抑制することが可能となる。

また、ＦＣ３２の特性として、ＯＣＶ付近の低電流域ではＦＣ電流Ｉｆｃの変化に対してＦＣ電圧Ｖｆｃの変化が大きい（図７参照）。本実施形態によれば、ＯＣＶ付近の低電流域において、極低電流Ｉｖｌｏｗに対応した目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを設定することで、高精度に極低電流Ｉｖｌｏｗを出力することができる。従って、ＦＣ電圧Ｖｆｃの上昇を高精度に抑えることができ、ＦＣ３２の劣化を防止することが可能となる。

本実施形態では、極低電流Ｉｖｌｏｗに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを設定し、目標ＦＣ電流ＩｆｃｔｇｔとＦＣ電流Ｉｆｃとの差ΔＩｆｃに応じて目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを補正する（図４の電流ＦＢ部１３２参照）。これにより、ＦＣ電流Ｉｆｃをさらに高精度に極低電流Ｉｖｌｏｗに収束させることができる。

本実施形態では、ＦＣ３２の劣化状態の変化に基づいて目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔの上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを変化させる（図５）。これにより、ＦＣ３２のＩＶ特性の変化に係わらず、安定して極低電流Ｉｖｌｏｗを出力することが可能となる。

本実施形態では、ＦＣ３２は、モータ１４及びバッテリ２０に電力を供給可能であり、バッテリ２０は、モータ１４に電力を供給可能であると共に、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇを充電可能である。これにより、極低電流制御時におけるＦＣ３２からの余剰電力をバッテリ２０に充電することが可能となる。従って、極低電流制御時は、ＦＣ３２の劣化を抑制しつつ、ＦＣ３２とバッテリ２０を合わせた発電効率を高めることが可能となる。

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

［４−１．適用対象］
上記実施形態では、電源システム１２をＦＣ車両１０に適用した例を示したが、これに限らず、電源システム１２を別の対象に適用してもよい。例えば、電動アシスト自転車、船舶や航空機等の移動体に適用することもできる。或いは、電源システム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。

［４−２．電源システム１２の構成］
上記実施形態では、ＦＣ３２とバッテリ２０を並列に配置し、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図９に示すように、ＦＣ３２とバッテリ２０を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ１５０をＦＣ３２の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図１０に示すように、ＦＣ３２とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣ３２の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ１５０を、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。

上記実施形態では、ＦＣ電力Ｐｆｃをモータ１４とバッテリ２０に出力する構成を示したが、これに限らない。例えば、ＦＣ電力Ｐｆｃをモータ１４、バッテリ２０及び補機群（エアポンプ３６及びウォータポンプ６８等を含む。）に出力してもよい。或いは、ＦＣ電力Ｐｆｃをモータ１４のみに出力してもよい。或いは、ＦＣ電力Ｐｆｃを前記補機群のみに出力することもできる。

［４−３．極低電流制御］
上記実施形態では、極低電流制御を行うか否かを、極低電流制御要求があるか否かに応じて判定した（図６のＳ１５）。また、極低電流制御要求を生成するか否かは、システム負荷Ｌｓが閾値ＴＨＬｓ１以下であるか否かに判定した。しかしながら、極低電流制御を行うか否かの判定は、システム負荷Ｌｓ又はモータ１４の負荷に応じて判定するものであれば、これに限らない。例えば、アクセル開度θが、減速が求められていること又は停止状態の維持が求められていることを示す閾値以下であるか否かに応じて、極停電流制御を行うか否かを判定してもよい。

上記実施形態では、極低電流制御において、単一の基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆ及び目標電流域Ｒｖｌｏｗを設定したが、これに限らない。例えば、極低電流制御に入る車速Ｖ以下において、車速Ｖに応じて基準電流Ｉｖｌｏｗｒｅｆ及び目標電流域Ｒｖｌｏｗを変化してもよい。

上記実施形態では、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと検出ＦＣ電流Ｉｆｃとの差ΔＩｆｃに基づいて２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを算出し、２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを用いて目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔを算出した（図４参照）。しかしながら、２次電圧ＦＢ値Ｖ２ｆｂを算出しない構成も可能である。

上記実施形態では、ＦＣ３２の劣化状態に応じて目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ（第２仮目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ＿ｔ２）の上限値Ｖ２ｕｐ及び下限値Ｖ２ｌｏｗを設定したが、ＦＣ３２のＩＶ特性を変化させるものであれば、その他の因子に基づいて上限電圧Ｖ２ｕｐ及び下限電圧Ｖ２ｌｏｗを設定してもよい。そのような因子としては、例えば、ＦＣ３２の乾燥状態を用いることができる。この場合、ＦＣ３２の湿度センサを設け、その検出値を用いて乾燥状態を判定することができる。

１０…燃料電池車両 １４…走行モータ（負荷）
１６…インバータ（負荷） ２０…バッテリ（蓄電装置）
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ ２４…ＥＣＵ（制御装置）
３２…燃料電池スタック ３６…エアポンプ（負荷）
６８…ウォータポンプ（負荷）
Ｉｆｃｔｇｔ…目標ＦＣ電流（燃料電池の目標電流）
Ｉｖｌｏｗ…極低電流 Ｌｓ…システム負荷
Ｐｆｃ…燃料電池の発電電力 Ｖｆｃ…ＦＣ電圧（燃料電池の出力電圧）
Ｖｆｃｔｇｔ…目標ＦＣ電圧（燃料電池の目標電圧）
Ｖ２ｌｏｗ…目標２次電圧の下限値
Ｖ２ｔｇｔ…目標２次電圧（コンバータの目標出力電圧）
Ｖ２ｕｐ…目標２次電圧の上限値

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
   前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と、
   前記負荷の負荷量に基づいて前記燃料電池の目標出力を設定し、前記目標出力に応じた前記燃料電池の目標電圧を前記コンバータに指令する制御装置と
   を備えた燃料電池車両であって、
   前記制御装置は、
   前記負荷量が所定値以下である場合、通常運転時における前記燃料電池の下限電流より低い極低電流で発電する極低電流制御を行い、
   前記極低電流制御の際、前記極低電流に対応した前記コンバータの目標出力電圧の上下限値を設定し、前記燃料電池の出力電圧が前記上下限値内に入るように制御する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記極低電流に対応する前記燃料電池の目標電流を設定し、前記燃料電池の目標電流と出力電流との差に応じて前記コンバータの目標出力電圧を補正する
   ことを特徴とする燃料電池車両。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池の電流−電圧特性の変化を検知して、前記電流−電圧特性の変化に基づいて前記上下限値を変化させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池車両において、
   前記燃料電池車両は、さらに、蓄電装置を備え、
   前記負荷は、走行モータを含み、
   前記燃料電池は、前記走行モータ及び前記蓄電装置に電力を供給可能であり、前記蓄電装置は、前記走行モータに電力を供給可能であると共に、前記走行モータからの回生電力を充電可能である
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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