JP2023050870A - 燃料電池システムの制御方法、燃料電池自動車及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電出力の制御が不可能になることを原因とする燃料電池の劣化を未然に防止する低コストな燃料電池自動車及び燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２０、蓄電装置２４、モータ１２とインバータ２６からなる負荷１８、昇圧コンバータ２２、電子制御装置５０から構成され、電子制御装置５０は取得された蓄電装置２４の蓄電電圧Ｖｂａｔが、燃料電池２０の発電電圧Ｖｆｃを下回らないように燃料電池２０の出力である発電出力を制御する。【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池の出力（発電出力、単位は［Ｗ］）と蓄電装置の出力（蓄電出力、単位は［Ｗ］）による、いわゆるハイブリッド電源により駆動されるモータを備える燃料電池システムの制御方法、燃料電池自動車及び燃料電池システムに関する。

この種の技術が、例えば、特許文献１に開示されている。この技術では、モータを駆動するための発電出力と蓄電出力との合成出力を最大限使用可能としている。このために、低電圧の発電出力を高電圧の発電出力とする燃料電池用のコンバータと、低電圧の蓄電出力を高電圧の蓄電出力とする蓄電装置用のコンバータとを備えている。

この場合、両コンバータの昇圧比を可変することで、燃料電池の出力電圧（発電電圧）が、蓄電装置の出力電圧（蓄電電圧）を上回らないように制御している。

特開２０１７－５１０４２号公報

ところで、燃料電池システム及び燃料電池自動車では、コスト低減が重要な課題となっている。例えば、前記蓄電装置用のコンバータを削減することにより、燃料電池システム及び燃料電池自動車のコストが低減できると考えられる。

しかしながら、前記蓄電装置用のコンバータを削減して、前記燃料電池用のコンバータの出力端と前記蓄電装置とを直接接続（直結）した場合に、発電出力と蓄電出力との合成出力を最大限使用可能にしようとすると次に説明する問題が発生する。

すなわち、蓄電出力を大出力とすると蓄電装置の電圧（蓄電電圧）が低下するが、低下した蓄電電圧が発電電圧より低下した場合には、燃料電池用のコンバータを昇圧状態に制御することが不可能になり、燃料電池と蓄電装置とが直結状態になるという問題が発生する。

この直結状態では、燃料電池の出力電圧（発電電圧）が蓄電装置の出力電圧（蓄電電圧）になるので、発電出力が制御不能になることから燃料電池が劣化するという課題がある。

この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

この発明の一態様は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、発電電圧を発生する燃料電池と、蓄電電圧を発生する蓄電装置と、モータと、直流端が前記蓄電装置に接続され交流端が前記モータに接続されるインバータとからなる負荷と、入力端が前記燃料電池に接続され、出力端が前記インバータの直流端と前記蓄電装置に接続される昇圧コンバータと、を有し、前記制御方法は、前記発電電圧と前記蓄電電圧を取得する工程と、前記蓄電電圧が前記発電電圧を下回らないように、前記燃料電池の出力である発電出力を制御する工程と、を有する。

この発明の他の態様に係る燃料電池システムは、発電電圧を発生する燃料電池と、蓄電電圧を発生する蓄電装置と、モータと、直流端が前記蓄電装置に接続され交流端が前記モータに接続されるインバータとからなる負荷と、入力端が前記燃料電池に接続され、出力端が前記インバータの直流端と前記蓄電装置に接続される昇圧コンバータと、メモリと、該メモリに記録されたプログラムを実行するＣＰＵとを備え、前記ＣＰＵが前記メモリに記録されたプログラムを実行することにより、前記燃料電池、前記蓄電装置、前記モータ、前記インバータ、前記昇圧コンバータを制御する際に、前記ＣＰＵは、前記蓄電電圧が前記発電電圧を下回らないように、前記燃料電池の出力である発電出力を制御する。

この発明によれば、蓄電電圧が発電電圧を下回らないように、言い換えれば、前記発電電圧が前記蓄電電圧よりも下がるように、燃料電池の発電出力を制御している。これにより昇圧コンバータにより発電電圧を蓄電電圧に常時昇圧することが可能になる。したがって、発電電圧が蓄電電圧を上回ることを原因として前記昇圧コンバータの昇圧動作が不能となって、燃料電池と蓄電装置とが非昇圧状態の昇圧コンバータを通じて直結状態になることが回避される。このため、発電出力の制御が不可能になることを原因とする燃料電池の劣化を未然に防止することができる。

結果として、従来技術で必要であった、蓄電装置とインバータの直流端との間に配されていた蓄電装置用の昇降圧コンバータの削除が可能となる。したがって削除された昇降圧コンバータ分のコストを削減できる。また、昇降圧コンバータ分のスペースを広くできる。

図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を実施する一実施形態に係る燃料電池自動車の概略全体構成図である。 図２は、図１に示した燃料電池自動車の簡略的なブロック図である。 図３は、燃料電池のＩＶ特性図である。 図４は、電源出力に対する蓄電電圧及び発電電圧の特性図である。 図５は、負荷に要求される負荷出力に対する電源出力の配分を示す出力配分表である。 図６は、出力配分表の利用手順を示すフローチャートである。 図７は、一実施形態の燃料電池自動車の動作説明に供されるフローチャートである。 図８Ａは、負荷に対する蓄電出力の利用状況を示すタイムチャートである。図８Ｂは、負荷への利用状況に応じた蓄電電圧と発電電圧の推移を示すタイムチャートである。図８Ｃは、負荷に対する発電出力の利用状況を示すタイムチャートである。

この発明に係る燃料電池システム及び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。

［燃料電池自動車の制御方法に係る構成の説明］
図１は、この実施形態に係る燃料電池システムとしての燃料電池自動車１０（以下、「ＦＣＶ１０」又は「車両１０」ともいう。）の概略構成図を示している。

図２は、ＦＣＶ１０の簡略的なブロック図を示している。

燃料電池システムの主負荷が走行用のモータ１２である場合の燃料電池システムをＦＣＶ１０という。なお、主負荷が走行用以外のモータである工場用施設等のプラント等の燃料電池システムにも、この実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を適用することができる。

図１に示すように、ＦＣＶ１０は、基本的には、燃料電池（ＦＣともいう。）２０と、昇圧コンバータ｛ＦＣコンバータ又はＦＣＶＣＵ（ＶＣＵ：Voltage Control Unit）ともいう。｝２２と、蓄電装置（ＢＡＴともいう。）２４と、インバータ（ＩＮＶともいう。）２６と、モータ１２と、トランスミッション（Ｔ／Ｍ）２８と、車輪３０と、これらを制御する電子制御装置５０（以下「ＥＣＵ５０」ともいう。）と、を備える。

なお、図１において、煩雑さの回避のためにＥＣＵ５０と各構成要素間との配線（信号線等）を一部省略している。

燃料電池２０と蓄電装置２４は、基本的には、ＦＣＶ１０の並列的な電源装置（いわゆる、ハイブリッド電源）として機能する。この電源装置は、インバータ２６及びモータ１２からなる負荷（主負荷ともいう。）１８に出力［Ｗ］を供給する。

すなわち、燃料電池２０の電力（相対的に低電圧の発電出力）Ｐｆｃ［Ｗ］は、昇圧コンバータ２２を介して相対的に高電圧の発電出力Ｐｆｃとして負荷１８に供給される。

一方、蓄電装置２４の相対的に高電圧の電力（蓄電出力）Ｐｂａｔ［Ｗ］は、直接、負荷１８に供給される。

なお、図示はしないが、蓄電出力Ｐｂａｔは、負荷１８以外に、それぞれが補機負荷である、燃料電池２０を駆動するエアポンプ、及びＦＣＶ１０の灯火装置、電動パワーステアリング装置等にも供給される。

燃料電池２０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を積層した構造を有する。

燃料電池２０の近くには、それぞれ図示はしないが、燃料タンクを有する燃料ガス供給源を含むアノード系、エアポンプを有する酸化剤ガス供給源を含むカソード系の他、冷却ポンプを有する冷却系等が含まれる。

アノード系は、燃料電池２０のアノードに対して燃料ガス（水素）を給排する。カソード系は、燃料電池２０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排する。冷却系は、燃料電池２０を所定温度に保持するために冷却媒体により冷却する。

蓄電装置２４は、複数のバッテリセルを含む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。この実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。蓄電装置２４としては、キャパシタを用いることも可能である。

昇圧コンバータ２２は、チョッパ型のステップアップコンバータ（昇圧電圧変換器）である。昇圧コンバータ２２は、図示しているように、例えば、チョークコイル（インダクタ）Ｌ１と、ダイオードＤ１と、スイッチング素子（トランジスタ）Ｔ１と、平滑コンデンサＣ１１、Ｃ１２とから構成される。

昇圧コンバータ２２は、スイッチング素子Ｔ１をデューティ比Ｄ｛スイッチング素子Ｔ１の「ＯＮ期間＋ＯＦＦ期間」に対する「ＯＮ期間」の比｝に応じてＯＮ／ＯＦＦ（ＯＮとＯＦＦの繰り返し）するデューティ制御を行う。このデューティ制御により燃料電池２０の出力電圧である発電電圧Ｖｆｃを昇圧し、インバータ直流端電圧Ｖｉｎｖｄｃ（Ｖｉｎｖｄｃ＝Ｖｂａｔ）として２次側２Ｓ側のインバータ２６に印加する。昇圧比（Ｖｂａｔ／Ｖｆｃ）は、公知のように、（Ｖｂａｔ／Ｖｆｃ）＝｛１／（１－Ｄ）｝として算出される。

インバータ２６は、例えば、３相のフルブリッジ型で構成され、双方向動作する直流交流変換器である。モータ１２が、燃料電池２０及び／又は蓄電装置２４の出力により駆動されるＦＣＶ１０（モータ１２）の力行時には、インバータ２６は、発電出力Ｐｆｃ及び／又は蓄電出力Ｐｂａｔに基づきインバータ２６の直流端に発生した直流の力行電力を３相の交流電力に変換してモータ１２に供給する。

一方、モータ１２がインバータ２６を通じて駆動されないで回転している回生時には、モータ１２に発生する３相の交流電力を直流電力（それぞれ回生電力）に変換して蓄電装置２４に供給する。

燃料電池２０と昇圧コンバータ２２の１次側１Ｓとの間には、燃料電池２０の発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ８０と、燃料電池２０の発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ８２が配されている。

昇圧コンバータ２２の２次側２Ｓと、蓄電装置２４との間には、蓄電装置２４の蓄電電圧Ｖｂａｔを検出する電圧センサ８４と、蓄電装置２４の蓄電電流Ｉｂａｔを検出する電流センサ８６とが配されている。

昇圧コンバータ２２の２次側２Ｓには、昇圧後の発電電流Ｉｆｃ２を検出する電流センサ８８が配されている。

インバータ２６の直流端には、インバータ直流端電流Ｉｉｎｖｄｃを検出する電流センサ９０が配されている。

図１、図２において、このＦＣＶ１０では、蓄電装置２４をインバータ２６の直流端に直接接続（直結）しているので、インバータ２６のインバータ直流端電圧Ｖｉｎｖｄｃは、蓄電電圧Ｖｂａｔに等しい（Ｖｉｎｖｄｃ＝Ｖｂａｔ）ことに留意する。つまり、インバータ直流端電圧Ｖｉｎｖｄｃは、電圧センサ８４により検出（測定）することが可能である。

ＦＣＶ１０には、車速を増減又は維持するためのアクセルペダル１１０が配され、このアクセルペダル１１０には、アクセルペダル１１０の踏込量を、アクセルペダル開度θａｐとして検出する踏込量センサ１１２が配されている。

モータ１２には、その回転数Ｎｍｏｔを検出する回転数センサ１１４が配されている。

さらに、ＦＣＶ１０の電源スイッチ（電源ＳＷ）１１６がダッシュボードに配されている。

これらセンサ及び電源スイッチ１１６の信号は、信号線（一部不図示）を通じてＥＣＵ５０に供給される。ＥＣＵ５０は、信号線を介して、各種センサの物理量及び電源スイッチ１１６のオンオフ等を信号として取得する。信号線は、有線に限らず、無線でもよい。

ＥＣＵ５０は、入出力装置、演算装置（ＣＰＵを含む）及び記憶装置（メモリ）を備える。ＥＣＵ５０は、前記信号を検出し、記憶装置に記録されているプログラム（制御プログラム）を実行することで各種機能手段として機能し、ＦＣＶ１０を制御する。ＥＣＵ５０は、１つに限らず、燃料電池２０用、負荷１８用及び蓄電装置２４の各制御用に分割して構成してもよい。

図３は、燃料電池２０の出力特性（ＩＶ特性）１０２を示している。

燃料電池２０の出力特性１０２は、発電電圧Ｖｆｃが開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖから低下するに従い、発電電流Ｉｆｃが増加する特性となっている。より具体的には、開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖとなっている燃料電池２０から発電電流Ｉｆｃが、閾値発電電流Ｉｆｃａまで引かれると、発電電圧Ｖｆｃが、開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖから比較的に急傾斜で低下する。

次に、閾値発電電流Ｉｆｃａから閾値発電電流Ｉｆｃｂまで、発電電流Ｉｆｃが引かれると、発電電圧Ｖｆｃが緩傾斜で低下する。

さらに、発電電流Ｉｆｃが閾値発電電流Ｉｆｃｂ以上に引かれると、発電電圧Ｖｆｃが急傾斜で低下する。

図４は、電源出力Ｐｐｏｗｅｒ（発電出力Ｐｆｃ）［Ｗ］に対する発電電圧Ｖｆｃの特性１０６及び電源出力Ｐｐｏｗｅｒ（蓄電出力Ｐｂａｔ）［Ｗ］に対する蓄電電圧Ｖｂａｔの特性１０４を示す特性図である。

特性１０６から分かるように、燃料電池２０の発電電圧Ｖｆｃは、発電出力Ｐｆｃの増加に従い、減少関数の２次関数的に減少する。

特性１０４から分かるように、蓄電装置２４の蓄電電圧Ｖｂａｔは、蓄電出力Ｐｂａｔの増加に従い、負比例の１次関数的（線形）に減少する。

図５は、ＥＣＵ５０の記憶装置に予め記録されている出力配分表５２を示している。

横軸は、負荷１８（インバータ２６とモータ１２）に要求される出力である負荷出力Ｐｌｏａｄ［Ｗ］とされ、縦軸は、負荷出力Ｐｌｏａｄとして供給される電源出力Ｐｐｏｗｅｒ［Ｗ］とされる。

電源出力Ｐｐｏｗｅｒは、発電出力Ｐｆｃと蓄電出力Ｐｂａｔの合成出力（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ）とされる。

負荷出力Ｐｌｏａｄ［Ｗ］の電力０値から負荷出力Ｐ１までの小出力領域Ｐｓｄでは、負荷出力Ｐｌｏａｄは、破線で示す蓄電出力Ｐｂａｔのみにより賄われる。

負荷出力Ｐ１から負荷出力Ｐ２までの中出力領域Ｐｍｄでは、閾値出力である破線で示す一定出力の蓄電出力Ｐｂａｔｃｏｎｓｔと、一点鎖線で示す発電出力Ｐｆｃの合成出力（Ｐｂａｔｃｏｎｓｔ＋Ｐｆｃ）とにより賄われる。

負荷出力Ｐ２以上の大出力領域Ｐｌｄでは、一点鎖線で示す一定値に維持された発電出力Ｐｆｃｃｏｎｓｔと、破線で示す蓄電出力Ｐｂａｔの合成出力（Ｐｆｃｃｏｎｓｔ＋Ｐｂａｔ）により賄われる。

太い実線は、合成出力である電源出力Ｐｐｏｗｅｒ（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｂａｔ＋Ｐｆｃ）を示している。

図６は、出力配分表５２のＥＣＵ５０による利用手順を示すフローチャートである。

ＥＣＵ５０は、ＦＣＶ１０の電源スイッチ１１６のＯＮ状態時に、ステップＳ１にて、負荷１８から要求される負荷出力Ｐｌｏａｄに対して、それぞれが閾値（基準値）である負荷出力Ｐ１と負荷出力Ｐ２とを比較する。

負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ１未満のとき（Ｐｌｏａｄ＜Ｐ１）、ステップＳ２にて、電源出力Ｐｐｏｗｅｒを、蓄電出力Ｐｂａｔに設定する（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｂａｔ）。

負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ１以上で負荷出力Ｐ２未満のとき（Ｐ１≦Ｐｌｏａｄ＜Ｐ２）、ステップＳ３にて、電源出力Ｐｐｏｗｅｒを、一定蓄電出力Ｐｂａｔｃｏｎｓｔと発電出力Ｐｆｃの合成出力（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔｃｏｎｓｔ）に設定する。

負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ２以上であるとき（Ｐｌｏａｄ≧Ｐ２）、ステップＳ４にて、電源出力Ｐｐｏｗｅｒを、一定発電出力Ｐｆｃｃｏｎｓｔと蓄電出力Ｐｂａｔの合成出力（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｆｃｃｏｎｓｔ＋Ｐｂａｔ）に設定する。

このように、出力配分表５２は、負荷１８が要求する電力である負荷出力Ｐｌｏａｄを、該負荷出力Ｐｌｏａｄの大きさに応じて予め定めた出力配分基準である。後に詳細に説明するように、ＥＣＵ５０は、出力配分表５２に定められた出力配分基準に沿って発電出力Ｐｆｃと蓄電出力Ｐｂａｔの配分を設定（決定）し、負荷出力Ｐｌｏａｄが賄えるように昇圧コンバータ２２等を制御する。

［ＦＣＶ１０の基本的な動作説明］
基本的には、以上のように構成されるＦＣＶ１０の基本的な動作（力行制御と回生制御）を最初に説明する。

走行中、ＥＣＵ５０の制御下に、アクセルペダル１１０の踏込量センサ１１２から取得される踏込量（アクセルペダル開度）θａｐに応じた負荷出力Ｐｌｏａｄの要求（要求負荷出力）が生成される（モータ１２の力行時）。

この負荷出力Ｐｌｏａｄの要求に基づき、発電中の燃料電池２０から供給される発電出力Ｐｆｃ（Ｐｆｃ＝Ｉｆｃ×Ｖｆｃ）及び／又は蓄電装置２４から供給される蓄電出力Ｐｂａｔ（Ｐｂａｔ＝Ｖｂａｔ×Ｉｂａｔｄ）（Ｉｂａｔｄ：放電電流）により負荷１８が駆動される。

この場合、インバータ２６を介して駆動されるモータ１２が、走行用の動力である駆動力を発生する。当該駆動力によりトランスミッション２８を通じて車輪３０が回転駆動され、ＦＣ自動車１０が走行する。
このようにしてＥＣＵ５０は、力行制御を行う。

一方、モータ１２の回生時、すなわち、アクセルペダル１１０の踏込量センサ１１２から取得される踏込量（アクセルペダル開度）θａｐがゼロ値、いわゆるアクセルペダル１１０が開放されている減速時にＥＣＵ５０は回生制御を行う。

この回生制御中に、インバータ２６は、モータ１２に発生した交流の回生出力（回生電力）によるインバータ交流端電力をインバータ直流端電力｛（直流端電圧Ｖｉｎｖｄｃ×インバータ直流端電流Ｉｉｎｖｄｃ（回生電流Ｉｉｎｖｒ））｝に変換する。

モータ１２が回生を行うことで発生した回生電力は、蓄電装置２４に蓄電電流Ｉｂａｔｃとして蓄電（充電）される。

［ＦＣＶ１０の制御方法の説明］
次に、実施形態に係るＦＣＶ１０の制御方法について、図７のフローチャート及び図８Ａ～図８Ｃに示すタイムチャートに基づいて説明する。

図８Ａ及び図８Ｃに示す蓄電出力Ｐｂａｔの０値及び発電出力Ｐｆｃの０値は、負荷出力Ｐｌｏａｄとして供給される電力が０値であることを意味している。

フローチャートに係るプログラムは、ＥＣＵ５０を制御主体として実行される。

ステップＳ１１にて、電源スイッチ１１６がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移したか否かが監視され、ＯＮ状態になったことが確認される（ステップＳ１１：ＹＥＳ）と、ステップＳ２に進む。

ステップＳ１２にて、燃料電池２０の発電を開始させ、燃料電池２０をアイドリング状態に保持する。

図８Ａ～図８Ｃに示すように、時点ｔ０～時点ｔ１の間（時点ｔａ等）では、発電電圧Ｖｆｃは、図３に示す開回路電圧Ｖｆｃｏｃｖと発電電圧（閾値電圧）Ｖｆｃａとの間の適当な電圧であるアイドル発電電圧Ｖｆｃｉｄｌｅ（図８Ｂ）に保持される。

アイドル発電電圧Ｖｆｃｉｄｌｅに係る発電出力Ｐｆｃｉｄｌｅは、不図示の補機負荷に供給、若しくは、蓄電装置２４に充電される。

このアイドル発電期間（ｔ０～ｔ１）において、エアポンプ等の補機負荷には、蓄電装置２４の蓄電出力Ｐｂａｔが供給される。蓄電装置２４の蓄電電圧Ｖｂａｔは、開回路電圧Ｖｂａｔｏｃｖに近い値に保持される。なお、図８Ａは、負荷１８に供給される電力を示しているので、時点ｔ０～時点ｔ１の間では０値としている。

一方、時点ｔ０（ステップＳ１２）以降、電源スイッチ１１６がＯＮ状態からＯＦＦ状態に切り替えられるまで、昇圧コンバータ２２は、ＥＣＵ５０により発電電圧Ｖｆｃが設定電圧（目標電圧）となるように昇圧比｛Ｖｂａｔ（Ｖｉｎｖｄｃ）／Ｖｆｃ｝が制御される。

なお、時点ｔ０～時点ｔ１の間では、昇圧コンバータ２２の昇圧比は、Ｖｂａｔｏｃｖ／Ｖｆｃｉｄｌｅ（図８Ｂ参照）に設定される。

次に、ステップＳ１３にて蓄電出力Ｐｂａｔが負荷出力ＰｌｏａｄとされてＦＣＶ１０が走行する（時点ｔ１～時点ｔ２の間の時点ｔｂ等）。つまり、負荷出力Ｐｌｏａｄが蓄電出力Ｐｂａｔのみにより賄われる。

この場合、ステップＳ１４にて、時点ｔ１～時点ｔ２に示すように、蓄電電圧Ｖｂａｔが低下することを監視する。

時点ｔ１～時点ｔ２の間で昇圧コンバータ２２の昇圧比は、Ｖｂａｔ／Ｖｆｃｉｄｌｅに設定される。

次いで、ステップＳ１５にて、低下している蓄電電圧Ｖｂａｔと発電電圧Ｖｆｃ（この場合、アイドル発電電圧Ｖｆｃｉｄｌｅ）との差電圧（Ｖｂａｔ－Ｖｆｃ）が、予め定めた閾値差電圧ΔＶｔｈ（≒０［Ｖ］）まで低下したか否かが判定される。

閾値差電圧ΔＶｔｈまで低下していない（ステップＳ１５：ＮＯ）場合、ステップＳ１６にて、発電電圧Ｖｆｃが蓄電電圧Ｖｂａｔより低い（Ｖｆｃ＜Ｖｂａｔ）ことが監視される（時点ｔｂ等）。

次いで、ステップＳ１７にて、ステップＳ１（図６）で説明した処理と同じ処理を行う。

ＥＣＵ５０は、負荷１８から要求される負荷出力Ｐｌｏａｄに対して、負荷出力Ｐ１と負荷出力Ｐ２とを比較する。

負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ１未満のとき（Ｐｌｏａｄ＜Ｐ１）、ステップＳ１２～ステップＳ１７にて、電源出力Ｐｐｏｗｅｒが、蓄電出力Ｐｂａｔに設定される（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｂａｔ）。

ステップＳ１２～ステップＳ１７の処理の繰り返し中、ステップＳ１５の判定が肯定的となるまで蓄電電圧Ｖｂａｔが低下した（Ｖｂａｔ－Ｖｆｃ＝ΔＶｔｈ）とき、ステップＳ１９に進む。

ステップＳ１９では、例えば、時点ｔ２～時点ｔ３の間の時点ｔｃにおいて、一定蓄電出力Ｐｂａｔｃｏｎｓｔと発電出力Ｐｆｃの合成出力である電源出力Ｐｐｏｗｅｒにより負荷出力Ｐｌｏａｄが賄われる。

ステップＳ２０にて、発電出力Ｐｆｃの増加に応じた発電電圧Ｖｆｃの低下が監視され、ステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６にて、発電電圧Ｖｆｃが蓄電電圧Ｖｂａｔより低い（Ｖｆｃ＜Ｖｂａｔ）ことが監視される。

次いで、ステップＳ１７にて、ステップＳ１（図６）で説明した処理と同じ処理を再び行う。つまり、ＥＣＵ５０は、負荷１８から要求される負荷出力Ｐｌｏａｄに対して、負荷出力Ｐ１と負荷出力Ｐ２とを比較する。

負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ１以上で負荷出力Ｐ２未満のとき（Ｐ１≦Ｐｌｏａｄ＜Ｐ２）、ステップＳ１９に戻り、一定蓄電出力Ｐｂａｔｃｏｎｓｔと発電出力Ｐｆｃの合成出力である電源出力Ｐｐｏｗｅｒにより負荷出力Ｐｌｏａｄを賄う。

ステップＳ１７→ステップＳ１９→ステップＳ２０→ステップＳ１６の処理の繰り返し継続中、ステップＳ１７の判定にて、負荷出力Ｐｌｏａｄが負荷出力Ｐ２よりも大きくなった（Ｐｌｏａｄ≧Ｐ２）とき、ステップＳ１８に進む。

このステップＳ１８では、大きな負荷出力Ｐｌｏａｄが、一定発電出力Ｐｆｃｃｏｎｓｔと蓄電出力Ｐｂａｔとの合成出力である電源出力Ｐｐｏｗｅｒ（Ｐｐｏｗｅｒ＝Ｐｆｃｃｏｎｓｔ＋Ｐｂａｔ）により賄われる（時点ｔ３以降）。

以降、ステップＳ１６→ステップＳ１７→ステップＳ１８の処理を繰り返し、ステップＳ１７の判定結果により処理を選択する。

［変形例］
上記実施形態は、以下のような変形も可能である。

ステップＳ１７からステップＳ１８へ処理を進める際、換言すれば、負荷出力Ｐｌｏａｄの中出力領域Ｐｍｄから大出力領域Ｐｌｄへ遷移する際、発電電圧Ｖｆｃが、予め定めた発電電圧（閾値電圧）Ｖｆｃｂ（図３）まで低下したとき、又は発電電流Ｉｆｃが、予め定めた閾値発電電流Ｉｆｃｂ（図３）を上回る電流となったときに遷移させるようにしてもよい。このような遷移制御を行うことにより簡易な制御で中出力領域Ｐｍｄと大出力領域Ｐｌｄとを切り替えることができる。

［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

この発明は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、発電電圧Ｖｆｃを発生する燃料電池２０と、蓄電電圧Ｖｂａｔを発生する蓄電装置２４と、モータ１２と、直流端が前記蓄電装置２４に接続され交流端が前記モータ１２に接続されるインバータ２６とからなる負荷１８と、入力端が前記燃料電池２０に接続され、出力端が前記インバータ２６の直流端と前記蓄電装置２４に接続される昇圧コンバータ２２と、を有し、前記制御方法は、前記発電電圧Ｖｆｃと前記蓄電電圧Ｖｂａｔを取得する工程（ステップＳ１６）と、前記蓄電電圧Ｖｂａｔが前記発電電圧Ｖｆｃを下回らないように、前記燃料電池２０の出力である発電出力Ｐｆｃを制御する工程（ステップＳ１６、Ｓ１７、Ｓ１２、Ｓ１８、Ｓ１９）と、を有する。

このように、蓄電電圧Ｖｂａｔが発電電圧Ｖｆｃを下回らないように、言い換えれば、前記発電電圧Ｖｆｃが前記蓄電電圧Ｖｂａｔよりも下がるように、燃料電池２０の発電出力Ｐｆｃを制御している。これにより昇圧コンバータ２２により発電電圧Ｖｆｃを蓄電電圧Ｖｂａｔに常時昇圧することが可能になる。したがって、発電電圧Ｖｆｃが蓄電電圧Ｖｂａｔを上回ることを原因として前記昇圧コンバータ２２の昇圧動作が不能となって、燃料電池２０と蓄電装置２４とが非昇圧状態の昇圧コンバータ２２を通じて直結状態になることが回避される。このため、発電出力Ｐｆｃの制御が不可能になることを原因とする燃料電池２０の劣化を未然に防止することができる。

結果として、従来技術で必要であった、蓄電装置２４とインバータ２６の直流端との間に配されていた蓄電装置用の昇降圧コンバータの削除が可能となる。したがって削除された昇降圧コンバータ分のコストを削減できる。また、昇降圧コンバータ分のスペースを広くできる。

また、燃料電池システムの制御方法において、前記発電出力Ｐｆｃを制御する工程では、前記負荷１８が要求する電力である負荷出力Ｐｌｏａｄを、該負荷出力Ｐｌｏａｄの大きさに応じて予め定めた出力配分基準に沿って前記発電出力Ｐｆｃと前記蓄電装置２４の蓄電出力Ｐｂａｔにより賄うように制御する。

これにより、予め定めた出力配分基準に沿って発電出力Ｐｆｃを機械的に制御（処理）することができる。

さらに、燃料電池システムの制御方法において、前記発電出力を制御する工程では、前記負荷１８が要求する電力である負荷出力Ｐｌｏａｄの小出力領域Ｐｓｄでは、前記蓄電装置２４の電力を可変して蓄電出力Ｐｂａｔのみにより前記負荷出力Ｐｌｏａｄを賄い、前記負荷出力Ｐｌｏａｄの中出力領域Ｐｍｄでは、一定値の前記蓄電出力Ｐｂａｔｃｏｎｓｔと前記燃料電池２０の電力である発電出力Ｐｆｃを可変した発電出力Ｐｆｃにより前記負荷出力Ｐｌｏａｄを賄い、前記負荷出力Ｐｌｏａｄの大出力領域Ｐｌｄでは、一定値の前記発電出力Ｐｆｃｃｏｎｓｔと、前記蓄電出力Ｐｂａｔを可変した蓄電出力Ｐｂａｔとにより前記負荷出力Ｐｌｏａｄを賄うように制御する。

これにより、この燃料電池システムは、電源出力Ｐｐｏｗｅｒが、蓄電出力Ｐｂａｔと発電出力Ｐｆｃとのハイブリッド電源出力になる。

負荷出力Ｐｌｏａｄの小出力領域Ｐｓｄでは、電力効率の低い発電出力Ｐｆｃを用いずに蓄電出力Ｐｂａｔを用いる。負荷出力Ｐｌｏａｄの中出力領域Ｐｍｄでは、ともに電力効率の高い発電出力Ｐｆｃと蓄電出力Ｐｂａｔの両方を用いる。負荷出力Ｐｌｏａｄの大出力領域Ｐｌｄでは、蓄電出力Ｐｂａｔと電力効率の高い領域での一定値の発電出力Ｐｆｃｃｏｎｓｔとを用いる。

このように制御することで、電源出力Ｐｐｏｗｅｒ（負荷出力Ｐｌｏａｄ）の小出力領域Ｐｓｄから大出力領域Ｐｌｄまでの全領域で高い電力効率で燃料電池システムを動作させることができる。

さらにまた、燃料電池システムの制御方法において、前記発電出力を制御する工程では、前記負荷出力Ｐｌｏａｄの小出力領域Ｐｓｄから中出力領域Ｐｍｄへ遷移する際、前記蓄電電圧Ｖｂａｔから前記発電電圧Ｖｆｃを引いた差電圧（Ｖｂａｔ－Ｖｆｃ）が、予め定めた閾値差電圧ΔＶｔｈまで小さな電圧となったときに、遷移させる。

これにより、簡易な制御で小出力領域Ｐｓｄと中出力領域Ｐｍｄとを切り替えることができる。

さらにまた、燃料電池システムの制御方法において、前記発電出力Ｐｆｃを制御する工程では、前記負荷出力Ｐｌｏａｄの中出力領域Ｐｍｄから大出力領域Ｐｌｄへ遷移する際、前記発電電圧Ｖｆｃが、予め定めた閾値電圧Ｖｆｃｂまで低下したとき、又は発電電流Ｉｆｃが、予め定めた閾値発電電流Ｉｆｃｂを上回る電流となったときに、遷移させるようにしてもよい。

この場合にも、簡易な制御で中出力領域Ｐｍｄと大出力領域Ｐｌｄとを切り替えることができる。

なお、モータ１２は、燃料電池自動車１０の走行用モータとすることができる。

この発明に係る燃料電池自動車１０は、発電電圧Ｖｆｃを発生する燃料電池２０と、蓄電電圧Ｖｂａｔを発生する蓄電装置２４と、モータ１２と、直流端が前記蓄電装置２４に接続され交流端が前記モータ１２に接続されるインバータ２６とからなる負荷１８と、入力端が前記燃料電池２０に接続され、出力端が前記インバータ２６の直流端と前記蓄電装置２４に接続される昇圧コンバータ２２と、メモリと、該メモリに記録されたプログラムを実行するＣＰＵとを備え、前記ＣＰＵが前記メモリに記録されたプログラムを実行することにより、前記燃料電池２０、前記蓄電装置２４、前記モータ１２、前記インバータ２６、前記昇圧コンバータ２２を制御する際に、前記ＣＰＵは、前記蓄電電圧Ｖｂａｔが前記発電電圧Ｖｆｃを下回らないように、前記燃料電池２０の出力である発電出力Ｐｆｃを制御する。

この燃料電池自動車１０では、昇圧コンバータ２２により発電電圧Ｖｆｃを蓄電電圧Ｖｂａｔに常時昇圧することが可能になる。したがって、発電電圧Ｖｆｃが蓄電電圧Ｖｂａｔを上回ることを原因として前記昇圧コンバータ２２の昇圧動作が不能となって、燃料電池２０と蓄電装置２４とが非昇圧状態の昇圧コンバータ２２を通じて直結状態になることが回避される。このため、発電出力Ｐｆｃの制御が不可能になることを原因とする燃料電池２０の劣化を未然に防止することができる。

結果として、従来技術で必要であった、蓄電装置２４とインバータ２６の直流端との間に配されていた蓄電装置用の昇降圧コンバータの削除が可能となる。したがって削除された昇降圧コンバータ分のコストを削減できる。また、昇降圧コンバータ分のスペースを広くできる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…燃料電池自動車（車両、ＦＣ自動車、ＦＣＶ）
１２…モータ １８…負荷
２０…燃料電池 ２２…昇圧コンバータ
２４…蓄電装置 ２６…インバータ
５０…電子制御装置（ＥＣＵ） ５２…出力配分表
１０２…出力特性 １０４、１０６…特性

Claims (7)

1. 燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   発電電圧を発生する燃料電池と、
   蓄電電圧を発生する蓄電装置と、
   モータと、直流端が前記蓄電装置に接続され交流端が前記モータに接続されるインバータとからなる負荷と、
   入力端が前記燃料電池に接続され、出力端が前記インバータの直流端と前記蓄電装置に接続される昇圧コンバータと、を有し、
   前記制御方法は、
   前記発電電圧と前記蓄電電圧を取得する工程と、
   前記蓄電電圧が前記発電電圧を下回らないように、前記燃料電池の出力である発電出力を制御する工程と、
   を有する燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記発電出力を制御する工程では、前記負荷が要求する電力である負荷出力を、該負荷出力の大きさに応じて予め定めた出力配分基準に沿って前記発電出力と前記蓄電装置の蓄電出力により賄うように制御する
   燃料電池システムの制御方法。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記発電出力を制御する工程では、
   前記負荷が要求する電力である負荷出力の小出力領域では、前記蓄電装置の電力を可変して蓄電出力のみにより前記負荷出力を賄い、
   前記負荷出力の中出力領域では、一定値の前記蓄電出力と前記燃料電池の電力である発電出力を可変した発電出力により前記負荷出力を賄い、
   前記負荷出力の大出力領域では、一定値の前記発電出力と、前記蓄電出力を可変した蓄電出力とにより前記負荷出力を賄う
   ように制御する
   燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記発電出力を制御する工程では、
   前記負荷出力の小出力領域から中出力領域へ遷移する際、前記蓄電電圧から前記発電電圧を引いた差電圧が、予め定めた閾値差電圧まで小さな電圧となったときに、遷移させる
   燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記発電出力を制御する工程では、
   前記負荷出力の中出力領域から大出力領域へ遷移する際、前記発電電圧が、予め定めた閾値電圧まで低下したとき、又は発電電流が、予め定めた閾値発電電流を上回る電流となったときに遷移させる
   燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の前記モータが走行用モータである
   燃料電池自動車。
7. 発電電圧を発生する燃料電池と、
   蓄電電圧を発生する蓄電装置と、
   モータと、直流端が前記蓄電装置に接続され交流端が前記モータに接続されるインバータとからなる負荷と、
   入力端が前記燃料電池に接続され、出力端が前記インバータの直流端と前記蓄電装置に接続される昇圧コンバータと、
   メモリと、該メモリに記録されたプログラムを実行するＣＰＵとを備え、
   前記ＣＰＵが前記メモリに記録されたプログラムを実行することにより、前記燃料電池、前記蓄電装置、前記モータ、前記インバータ、前記昇圧コンバータを制御する際に、前記ＣＰＵは、前記蓄電電圧が前記発電電圧を下回らないように、前記燃料電池の出力である発電出力を制御する
   燃料電池システム。

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