JP6926549B2 - 電動車両の電源装置 - Google Patents

Description

本開示は、電動車両の電源装置に関し、特に、燃料電池と２次電池とを備える電動車両の電源装置に関する。

燃料電池を電源装置に備えた電動車両では、燃料電池の運転（発電）制御において、燃料電池を最も効率の高い範囲で運転を行うことで、燃費向上が図られている。
例えば、特許文献１には、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置が開示されている。具体的には、燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、制御装置は、負荷要求が燃料電池の高効率点での電力より小さい場合には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させると共に余剰電力を蓄電装置に充電する。一方、負荷要求が前記高効率点での電力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させるように制御する、ことが開示されている。

特開２００６−２１０１００号公報

しかしながら、特許文献１の電源装置では、燃料電池の高効率点での運転により燃費向上を図ることが示されているが、特許文献１の図２のフローチャートにおけるステップＳ７のように、蓄電装置（２次電池）の充電率（ＳＯＣ）がＸ％（例えば６０％）未満の場合に高効率点での運転が行われる制御である。

従って、特許文献１は、充電率がＸ％の１点を基に高効率点での運転を制御するものであるため、充電率（ＳＯＣ）を基にきめ細かく高効率点での運転を制御して燃料電池の燃費をより向上することまでは、開示されていない。
さらに、特許文献１には、電気よりエネルギー単価の高い水素による充電よりも車外部からの電気による充電を増やして充電コストの低減を図ること、さらに、高効率点での運転を維持するために車両側の負荷要求を制限することまでは開示されていない。

そこで、上記技術的課題に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、燃料電池と２次電池とを備える電動車両の電源装置において、車両側の要求出力を制限して燃料電池の最高効率出力での発電時間を増大して燃料電池の燃費を向上することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る電動車両の電源装置は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生する電力を充電する２次電池と、を備える電動車両の電源装置において、前記２次電池の充電状態を検出する充電状態検出手段からの情報を基に前記燃料電池の発電を制御する燃料電池制御部を備え、前記燃料電池制御部は、前記充電状態が下限充電率以下に下回ると前記燃料電池を最高効率出力で発電し、前記下限充電率より大きい目標充電率以上に達すると前記燃料電池の発電を停止する発電制御部を有し、前記燃料電池が前記発電制御部によって最高効率出力で発電しているとき、車両側での要求電力を示す車両要求出力を前記最高効率出力以下に制限する車両出力制限部を備えたことを特徴とする。

上記構成（１）によれば、２次電池の充填率に下限値と該下限値より大きい目標値とを設定して、その間において燃料電池を最高効率出力の一定値で発電するので、所定の一定値の充電率を境にして最高効率出力による発電を制御するものに比べて最高効率出力による発電時間を長く設定可能になり、燃料電池の燃費向上を図ることができる。また、発電開始と停止の作動回答を低減できるため、燃料電池の劣化が抑制される。
この燃料電池の燃費向上とは、水素ガス量および酸素量の低減、さらに燃料電池を発電するために必要とする補機、例えば、外気から取り込んだ空気を酸素ガスとして燃料電池のカソードへ供給する空気ブロアや、燃料電池のアノードに供給された燃料の水素ガスの未反応水素ガスを燃料電池のアノードに還流させる循環ポンプや、燃料電池の冷却水もしくは冷却風の供給ポンプ等の補機を作動する電力を低減することである。

さらに、上記構成（１）によれば、燃料電池が最高効率出力で発電しているとき、車両出力制限部は、車両側での車両要求出力を上記の最高効率出力以下に制限するので、例えばアクセルペダルの踏込が急加速要求であっても車両要求出力を燃料電池の最高効率出力以下に制限するので、加速性は犠牲になるが、２次電池の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池の最高効率運転を解除して発電効率の悪化を伴ってでも発電して２次電池に充電することが抑制される。
その結果、燃料電池は最高効率出力状態での運転を維持できるため、燃料電池の燃費向上が図れる。

（２）幾つかの実施形態では、前記車両出力制限部は、前記燃料電池の最高効率出力に一致させるように車両要求出力を制限することを特徴とする。

上記構成（２）によれば、車両要求出力を燃料電池の最高効率出力に一致させているので、２次電池出力が最悪のゼロ状態になった場合でも、燃料電池の最高効率出力だけで車両側の車両要求出力に対応できる。
また、燃料電池の発電効率悪化を伴ってでも燃料電池出力を大幅に増加させて２次電池を充電するのではなく、車両出力制限部によって、燃料電池の最高効率出力に一致するように車両要求出力を制限するので、２次電池の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池は最高効率出力状態に維持されるので燃料電池の燃費向上が図れる。

（３）幾つかの実施形態では、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、前記目標充電率に関わらず前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする。

上記構成（３）によれば、燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、目標充電率に関わらず燃料電池の発電を停止するので、２次電池への過剰充電を抑制して２次電池の劣化を防止できる。

（４）幾つかの実施形態では、前記電動車両は走行モードを選択するモード選択手段を備え、前記モード選択手段によって所定充電率を維持する「スーパーチャージモード」が選択された場合には、前記発電制御部は、前記「スーパーチャージモード」の所定充電率を前記目標充電率とし、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、前記燃料電池の出力を車両要求出力と２次電池受入電力との合算値に制限して、前記２次電池に充電することを特徴とする。

上記構成（４）によれば、モード選択手段によって「スーパーチャージモード」が選択された場合には、燃料電池制御部は、燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、燃料電池の出力を車両要求出力と２次電池受入電力との合算値になるように制限して２次電池に充電するので、「スーパーチャージモード」の所定充電率に達するまで充電ができるようになる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池と２次電池とを備える電動車両の電源装置において、車両側の要求出力を燃料電池の最高効率出力以下に制限することによって、２次電池の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池の発電出力は最高効率出力状態に維持されるため、燃料電池の燃費向上が図れる。

本発明の一実施形態に係る電動車両の電源装置の構成概要図である。 燃料電池の運転制御を説明する制御表である。 燃料電池出力（ＦＣ出力）と車両効率との関係を示す特性図である。 ２次電池受入可能電力と充電率（ＳＯＣ）との関係を示す特性図である。 本発明の一実施形態に係る電動車両の電源装置の燃料電池制御部における制御フローチャートである。 図５−１の続きを示す制御フローチャートである。 図５−２における「ノーマルモード制御」の制御フローチャートである。 図５−２における「エマージェンシーモード制御」の制御フローチャートである。 図５−２における「セーブモード制御」の制御フローチャートである。 図５−２における「チャージモード制御」の制御フローチャートである。 図５−２における「スーパーチャージモード制御」の制御フローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本発明の一実施形態に係る電動車両１の電源装置３について、全体構成を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、電動車両１は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）５と、燃料電池５で発生される電力を充電する２次電池７と、主に２次電池７からの電力の供給を受けて駆動する走行用モータ（モータ）９とを備えている。図１においては、前輪１１側を走行用モータ９で駆動する例を示しているが、走行用モータ９を後輪側に設けても、前後輪両側に設けてもよい。

燃料電池５は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極（カソード）と燃料極（アノード）とを対設した構造を有する発電セルを、セパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。
また、複数の発電セルの各空気極側の触媒層に酸素である空気が供給されるようになっており、各燃料極側の触媒層に燃料ガスの水素ガスが供給されるようになっている。

この燃料電池５においては、燃料極（アノード）に水素ガスを供給すると共に、空気極（カソード）に酸素を含む空気を供給すると、下記に示すような反応が生じるので、電極間に発生する起電力として電気エネルギーを取り出すことが可能となる。
燃料極（アノード）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
空気極（カソード）：１／２Ｏ_２＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ

また、燃料電池５の空気極（不図示）に酸素を含む空気を供給する空気ブロア（不図示）や、燃料極（不図示）に水素ガスを供給する水素タンク（不図示）が接続されている。
さらに、燃料電池５のアノードに供給される水素ガスの未反応水素ガスを燃料電池のアノードに還流させる水素ガス循環ポンプ（不図示）や、燃料電池の冷却水もしくは冷却風の供給ポンプ（不図示）等の燃料電池用の補機が設けられている。

電源装置３は、燃料電池５、２次電池７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１５、さらに制御装置１７等を備えて構成されている。
この電源装置３によって生成された電力は、モータ９、さらに、燃料電池５の補機である空気ブロア、水素ガス循環ポンプ、燃料電池の冷却水もしくは冷却風の供給ポンプや、車両補機である車室エアコンやランプ等に供給されるようになっている。

また、電動車両１のモータ９は、主に２次電池７の電力によって駆動されるように構成されており、燃料電池５で発電された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３により所定電圧に調整されて２次電池７に充電される。すなわち、２次電池７の出力不足が生じた場合にだけ、不足を補うように燃料電池５からの電力がモータ９に供給されるようになっている。

このように、２次電池７は、車両走行時おける加減速に伴う負荷変動時の電力供給を担うと共に、車両制動時における回生電力の貯蔵源を担うものである。２次電池７は、リチウムイオン電池や、ニッケル・カドミウム電池や、ニッケル・水素電池等であってもよく特に限定されるものではない。

次に、制御装置１７について説明する。
制御装置１７は、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部等が設けられている。信号入力部には、車両状態センサ１９からの信号、例えば車速、アクセルペダルの踏込量（加速度）を検出するセンサ等からの信号、また走行モード選択スイッチ２１からの走行モード信号が入力される。
また、図１に示すように、制御装置１７は、２次電池制御部２３、モータ制御部２５、車両制御部２７、燃料電池制御部（ＦＣ制御部）２９を主に備えている。

２次電池制御部２３は、２次電池７の温度、出力電圧、放電電流、さらには２次電池の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を充電状態検出手段３１で検出して、これら情報を取得して、車両制御部２７、さらに燃料電池制御部２９へ送信する。また、２次電池制御部２３は、２次電池７の充電状態が所定の充電率（例えばＳＯＣ２０％以下）になった場合には、電欠状態になる可能性が高いため充電を促す充電報知手段３２を作動させてドライバーに報知するようになっている。

モータ制御部２５は、モータ９のトルク情報などを検出して取得して、該検出情報を車両制御部２７へ送信している。また、車両制御部２７からの車両要求出力の指示に基づいて、モータ９の出力トルクを制御するためにインバータ１５の制御を実行する。

車両制御部２７は、車両状態センサ１９、例えば車速センサ、アクセルペダルの踏込量（加速度）を検出するセンサ等からの信号を基に、さらに燃料電池５の補機及び車両補機の消費電力を含んで、車両側での要求電力を示す車両要求出力を算出する車両要求出力算出部２６を有し、算出された車両要求出力をモータ制御部２５及び後述する燃料電池制御部２９へ出力する。

また、車両制御部２７は、車両要求出力算出部２６で算出された車両要求出力を制限して、モータ制御部２５及び燃料電池制御部２９へ車両要求出力を出力する車両出力制限部２８を有しており、該車両出力制限部２８では、車両要求出力を燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ（図３参照）以下に制限するようになっている。例えば、モータ９や図示しない車内空調エアコンや車内ヒータ等の電力を制限するようになっている。

また、電動車両１には、走行モード選択スイッチ２１が設けられており、車両制御部２７は、走行モード選択スイッチ２１からの検出信号、すなわち、ドライバーによって選択された走行モード信号を燃料電池制御部２９、モータ制御部２５に出力するようになっている。

この走行モード選択スイッチ２１によって、ドライバーは走行モードを選択して２次電池７の充電状態を選択できるようになっている。
例えば、走行モード選択スイッチ２１は、「セーブモード」、「チャージモード」、「スーパーチャージモード」を選択可能になっており、これら走行モードを選択しない通常運転時には、電動車両１は「ノーマルモード」状態になっている。

さらに、２次電池７が、電欠状態になる場合には、電欠防止のために自動的に「エマージェンシーモード」に切り替わり燃料電池５が最大発電出力で発電する。また、アクセルペダルの踏込が所定量以上の場合には、自動的に「アシストモード」に切り替わり、２次電池７の出力不足を補うように燃料電池５の出力が制御され、２次電池７への充電及びモータ９へ供給されるようになっている。

また、燃料電池５が発電不要で停止状態にある場合には、自動的に「ＥＶモード」に切り替わるようになっている。この場合には、燃料電池５は発電を停止して、電動車両１は２次電池７の充電電力のみで走行される状態となる。
これら各走行モードにおける燃料電池５の発電出力と２次電池７の充電状態については、図２の制御表及び図５−１〜図１０のフローチャートにおいて詳述する。

燃料電池制御部２９は、燃料電池５の発電（発電出力、発電タイミング）を制御し、主に充電状態検出手段３１からの２次電池７の充電状態の信号を基に燃料電池５の発電（発電出力、発電タイミング）を制御する。そして、燃料電池制御部２９には、充電状態が下限充電率以下に下回ると燃料電池５を最高効率出力で発電し、下限充電率より大きい目標充電率以上に達すると燃料電池５の発電を停止する発電制御部３３を有している。

図３に、燃料電池出力（ＦＣ出力）と車両効率との関係を示す。横軸は燃料電池５の出力電力（ＫＷ）であり、縦軸は車両効率（％）を示す。この車両効率は、燃料電池５及び燃料電池５の補機を含む燃料電池システムを搭載した電動車両の効率（車両効率）である。図３に示す特性を基に「最高効率出力」は、図３における最高効率点Ｘｍ（％）のＦＣ出力Ｐｓ（ＫＷ）である。

また、発電制御部３３は、充電率の負の時間変化が大きくなるに従って、すなわち、充電率が低下傾向にある場合には、下限充電率を減少して、最高効率出力による燃料電池の発電時間を長くする。このように、下限充電率を減少して、最高効率出力による燃料電池の発電時間を長くするので、最高効率出力による充電時間が確保できるため、燃料電池の燃費を向上できる。

次に、図２の制御表を参照して、燃料電池制御部２９による燃料電池５の発電制御について説明する。
制御表のＮｏ．１は、「エマージェンシーモード」を示す。この「エマージェンシーモード」は、２次電池７の電欠を防止するモードであり、例えば、２次電池７のＳＯＣが１５％未満になった場合に、ＳＯＣが２０％に達するまで、燃料電池５をＦＣ最大出力Ｐｍａｘで発電する。

制御表のＮｏ．２は、「アシストモード」を示す。この「アシストモード」は、２次電池７の出力不足を補うモードであり、急加速時にアクセルペダルの踏込が所定量以上の場合に、２次電池７の出力不足を補うように燃料電池５の発電出力が制御される。例えば、車両要求出力＞２次電池最大出力＋現在のＦＣ出力の場合に、車両要求出力−２次電池最大出力となるように、燃料電池出力を制御する。この２次電池最大出力は現在のＳＯＣから算出される。例えば、２次電池最大出力とＳＯＣとの関係を有したマップ等を予め備えておくことで算出される。

また、「アシストモード」において、車両要求出力に対して２次電池７の出力不足を補うように燃料電池５の出力制御がなされるが、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

制御表のＮｏ．３は、「ノーマルモード」を示す。この「ノーマルモード」は、通常の走行モード状態である。
電動車両１に設けられた走行モード選択スイッチ２１によって、ドライバーは「セーブモード」、「チャージモード」、「スーパーチャージモード」を選択可能になっている。これら走行モード選択スイッチ２１を選択しない通常運転時には、「ノーマルモード」状態になっている。
この「ノーマルモード」は、通常運転時において下限ＳＯＣで発電を開始して目標ＳＯＣで発電を停止するモードである。例えば、ＳＯＣ≦（発電条件（例２５％）−Ａ％）［下限ＳＯＣ］の場合に、燃料電池５は最高効率出力Ｐｓの一定値で発電を開始しその一定値の出力状態を維持して、ＳＯＣ≧３０％［目標ＳＯＣ］になると燃料電池５の発電を停止する。この最高効率出力Ｐｓの一定値で発電期間中は、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

このＡ％は、Ａ＞０の初期値が設定され、ＳＯＣの負の時間変化をフィードバックして増加する。ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って減少量が増大する。例えば、ＳＯＣ＜（発電条件（例２５％）−Ａ％）のとき、現在のＳＯＣと（発電条件（例２５％）−Ａ％）との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（発電条件（例２５％）−Ａ％））／ｄｔを基に算出される。

制御表のＮｏ．４は、「セーブモード」を示す。この「セーブモード」は、ドライバーによって走行モード選択スイッチ２１がセーブモードを選択されたときのＳＯＣ_ＳＡＶＥ［目標ＳＯＣ］を維持するモードである。例えば、セーブモードが選択され、且つＳＯＣ≦（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％）［下限ＳＯＣ］の場合に、燃料電池５は最高効率出力Ｐｓの一定値で発電を開始しその一定値状態を維持する。そして、ＳＯＣ≧ＳＯＣ_ＳＡＶＥ［目標ＳＯＣ］の場合、または（燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ−車両要求出力）≧２次電池受入電力の場合には目標ＳＯＣに関わらず燃料電池５の発電を停止する。この最高効率出力Ｐｓの一定値で発電期間中は、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

なお、図４に、充電率（ＳＯＣ）と２次電池受入電力との関係を示す。横軸は２次電池７のＳＯＣ（％）であり、縦軸は２次電池受入電力（ＫＷ）を示す。この図４の特性を基に２次電池受入電力を算出する。

Ｂ％は、Ｂ＞０の初期値が設定され、ＳＯＣの負の時間変化をフィードバックして増加する。ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って減少量が増大する。例えば、ＳＯＣ＜（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％）のとき、現在のＳＯＣと（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％）との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％））／ｄｔを基に算出される。なお、「セーブモード」の場合には、上記「ノーマルモード」よりもフィードバック係数（減少係数）が大きく設定される。

制御表のＮｏ．５は、「チャージモード」を示す。この「チャージモード」は、所定のＳＯＣＣＨＡＲＧＥ（例えば８０％）を維持するモードである。例えば、「チャージモード」が選択され、且つＳＯＣ≦（ＳＯＣＣＨＡＲＧＥ−Ｃ％）［下限ＳＯＣ］の場合に、燃料電池５は最高効率出力Ｐｓの一定値で発電を開始しその一定値状態を維持する。そして、ＳＯＣ≧ＳＯＣＣＨＡＲＧＥ［目標ＳＯＣ］の場合、または（燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ−車両要求出力）≧２次電池受入電力の場合には目標ＳＯＣに関わらず燃料電池５の発電を停止する。２次電池受入電力は、図４の特性を基に算出する。また、この最高効率出力Ｐｓの一定値で発電期間中は、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

Ｃ％は、Ｃ＞０の初期値が設定され、ＳＯＣの負の時間変化をフィードバックして増加する。ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って減少量が増大する。例えば、ＳＯＣ＜（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％）のとき、現在のＳＯＣと（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％）との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％））／ｄｔを基に算出される。なお、「チャージモード」の場合には、上記「セーブモード」よりもフィードバック係数（減少係数）が大きく設定される。

制御表のＮｏ．６は、「スーパーチャージモード」を示す。この「スーパーチャージモード」は、「チャージモード」と同様に所定のＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}（例えば８０％）を維持するモードである。例えば、「スーパーチャージモード」が選択され、且つＳＯＣ≦（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｄ％）［下限ＳＯＣ］の場合に、燃料電池５は最高効率出力Ｐｓの一定値で発電を開始しその一定値状態を維持する。そして、ＳＯＣ≧ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}［目標ＳＯＣ］の場合に、燃料電池５の発電を停止する。この最高効率出力Ｐｓの一定値で発電期間中は、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

このＤ％は、Ｄ＞０の初期値が設定され、ＳＯＣの負の時間変化をフィードバックして増加する。ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って減少量が増大する。例えば、ＳＯＣ＜（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｄ％）のとき、現在のＳＯＣと（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｄ％）との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％））／ｄｔを基に算出される。なお、「スーパーチャージモード」の場合には、上記「チャージモード」の増加量と同様の増加量であってもよく、また「チャージモード」よりもフィードバック係数（減少係数）を大きく設定してもよい。

また、上記Ｎｏ．５の「チャージモード」では、（燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ−車両要求出力）≧２次電池受入電力の場合には目標ＳＯＣに関わらず燃料電池５の発電を停止する制御であるが、「スーパーチャージモード」では、（燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ−車両要求出力）≧２次電池受入電力の場合には燃料電池５の出力を最高効率状態に維持せずに、車両要求出力＋２次電池受入電力に制限して、燃料電池５から２次電池７への充電を継続して目標ＳＯＣまで充電を行うようにしている。
従って、「スーパーチャージモード」では、「チャージモード」に比べて燃費低減効果は、得られ難いが、目標ＳＯＣへの充電が行われる効果がある。
なお、「スーパーチャージモード」においても、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。

次に、図５−１〜図１０のフローチャートを参照して、燃料電池制御部２９における制御フローチャートについて説明する。
図５−１と図５−２に全体の制御フローチャートを示す。図５−１において、まず、ステップＳ１では、車両要求出力算出部２６によって算出された車両側での車両要求出力を算出する。次のステップＳ２では、ＦＣ最高効率出力Ｐｓを読み込む。次のステップＳ３では、車両要求出力がＦＣ最高効率出力Ｐｓ以上かを判定する。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ４に進んで、車両要求出力をＦＣ最高効率出力Ｐｓ以下に制限する。ステップＳ３がＮｏの場合には図５−２の（Ａ）へ進む。

ステップＳ４で、車両要求出力をＦＣ最高効率出力Ｐｓ以下に制限した後に、ステップＳ５で、その制限した車両要求出力が（２次電池最大出力＋現在ＦＣ出力）を超えているかを判定する。Ｙｅｓの場合には、ステップＳ６に進んで、ＦＣ出力を（車両要求出力−２次電池最大出力）に制御する。すなわち、車両要求出力対して２次電池７による出力不足を補うように燃料電池５の出力が制御される。ステップＳ５がＮｏの場合には図５−２の（Ａ）へ進む。以上のステップＳ４〜Ｓ６によって、図２に示す制御表のＮｏ．２のアシストモード制御を構成している。

ステップＳ３、Ｓ４のように、車両要求出力が車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限されるようになっているので、例えばアクセルペダルの踏込が急加速要求であっても最高効率出力Ｐｓ以下に制限される。その結果、加速性は犠牲になるが、２次電池７の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池５の最高効率運転を解除して発電効率の悪化を伴ってでも発電して２次電池７に充電することが抑制される。それによって、燃料電池５は最高効率出力状態での運転を維持できるので燃料電池５の燃費向上が図れる。

また、燃料電池５の最高効率出力Ｐｓに一致させて制限してもよい、この場合には、２次電池７の出力がゼロになる最悪の状態でも、燃料電池５の最高効率出力Ｐｓだけで車両側の要求出力に対応できる。

次に、図５−２の全体フローチャートについて説明する。
まず、ステップＳ１１で２次電池７のＳＯＣを読み込み、ステップＳ１２では、走行モード選択スイッチ２１が操作されて所定の走行モードが選択されているかを判定する。走行モード選択スイッチ２１が選択操作されていない場合にはＮｏとなって、ステップＳ１３に進む。
ステップＳ１３では、ＳＯＣが第１下限値以下か否かが判定される。この第１下限値は、例えばＳＯＣが２５％である。ステップＳ１３で、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１４ではＳＯＣが第１下限値より小さい第２下限値未満か否かが判定される。この第２下限値は、例えばＳＯＣが１５％である。

そして、ステップＳ１４の判定でＮｏの場合には、ノーマルモード制御が実行され、ステップＳ１４の判定でＹｅｓの場合には、エマージェンシーモード制御が実行される。
一方、ステップＳ１３の判定でＮｏの場合には、ステップＳ７に進んで、燃料電池５の発電は停止される。

ここで、ステップＳ１２に戻って、ステップＳ１２の判定で、走行モード選択スイッチ２１が操作されて所定の走行モードが選択されている場合には、ステップＳ１９に進んで、選択された走行モードがセーブモードか否かが判定される。ステップＳ１９でＹｅｓの場合には、ステップＳ２０に進んで、セーブモード制御が実行され、ステップＳ１９でＮｏの場合には、ステップＳ２１に進んで、チャージモードか否かが判定される。

ステップＳ２１でＹｅｓの場合には、ステップＳ２２に進んで、チャージモード制御が実行され、ステップＳ２１でＮｏの場合には、ステップＳ２３に進んで、スーパーチャージモードか否かが判定される。

ステップＳ２３でＹｅｓの場合には、ステップＳ２４に進んで、スーパーチャージモード制御が実行され、ステップＳ２３でＮｏの場合には、ステップＳ１９に戻って再度走行モードの判定を繰り返す。

次に、ステップＳ１５の「ノーマルモード制御」、ステップＳ１６の「エマージェンシーモード制御」、ステップＳ２０の「セーブモード制御」、ステップＳ２２の「チャージモード制御」、ステップＳ２４の「スーパーチャージモード制御」のそれぞれのサブ制御フローチャートについて説明する。

図６にノーマルモード制御のフローチャートを示す。
ステップＳ３１でノーマルモード制御が開始されると、ステップＳ３２では、燃料電池５を最高効率出力Ｐｓで発電を行い、ステップＳ３３では、ＳＯＣの負の時間変化を算出する。
例えば、ＳＯＣ＜２５％（第１下限ＳＯＣ）のとき、現在のＳＯＣと（ＳＯＣ２５％−Ａ％）との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ２５％−Ａ％））／ｄｔを算出する。

次に、ステップＳ３４では、ＳＯＣの負の時間変化の大きさに応じて第１下限ＳＯＣを減少させる。すなわち、負の時間変化が大きくなるに従って第１下限ＳＯＣを大きく減少させる。減少量Ａ％は、ステップＳ３３で算出したＳＯＣの負の時間変化を基に設定される。例えば、減少量Ａ％を、（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ２５％−前回Ａ％））／ｄｔ×Ｋ（減少係数）のようにして算出する。減少係数Ｋを走行モードによって変化させることで燃料電池５の最高効率出力Ｐｓでの発電時間を調整することができる。

次にステップＳ３５で、ＳＯＣが目標ＳＯＣ（３０％）に達したか否かが判定され、達した場合にはＹｅｓとなってステップＳ３６でＦＣ発電を停止してステップＳ３７で終了する。ステップＳ３５でＮｏの場合には、ステップＳ３２に戻って繰り返される。

このように、ノーマルモード制御によれば、目標ＳＯＣ（３０％）が維持され、さらにＳＯＣが減少傾向にある場合には第１下限ＳＯＣを減少して、最高効率出力Ｐｓによる燃料電池５の発電時間を長くするので、燃料電池の燃費向上を図りつつ２次電池７の目標充電率を維持できる。

さらに、充電率の負の時間変化が大きくなるに従って、第１下限ＳＯＣを減少して、最高効率出力Ｐｓによる燃料電池５の発電時間を長くするので、燃料電池５が発電を開始する第１下限ＳＯＣが下がり、２次電池７への燃料電池５からの充電の機会が減少し、車外からの充電、すなわち、車外充電器による充電の機会が増加するようになる。例えば、充電報知手段３２による報知によって、水素よりエネルギー単価の低い電気による充電の機会が増加して充電コストの低減を図ることができる。

図７にエマージェンシーモード制御のフローチャートを示す。
ステップＳ４１でエマージェンシーモード制御が開始されると、ステップＳ４２では、最大出力Ｐｍａｘで燃料電池５が発電を行い、ステップＳ４３では、ＳＯＣが第２下限値（１５％）以上で第１下限値（２５％）より小さい第３下限値（２０％）に達したかを判定する。達した場合にはＹｅｓとなりステップＳ４４で終了し、第３下限値（２０％）に達していない場合には、ステップＳ３２に戻って繰り返される。
このように、エマージェンシーモード制御によれば、２次電池７のＳＯＣがステップＳ１４で第２下限値（１５％）未満の場合には、最大出力Ｐｍａｘで燃料電池５が発電を行うため電欠を防止することができる。

図８にセーブモード制御のフローチャートを示す。
ステップＳ５１でセーブモード制御が開始されると、ステップＳ５２で、ＳＯＣがＳＯＣ_ＳＡＶＥ以下かを判定する。ＳＯＣがＳＯＣ_ＳＡＶＥ以下の場合には、ステップＳ５３に進んで燃料電池５を最高効率出力Ｐｓで発電を行い、ステップＳ５４でＳＯＣの負の時間変化を算出する。ノーマルモードの場合と同様に、例えば、ＳＯＣ＜ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％のとき、ＳＯＣとＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％））／ｄｔを算出する。

次に、ステップＳ５５では、ＳＯＣの負の時間変化の大きさに応じて下限ＳＯＣ（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％）を減少させる。すなわち、負の時間変化が大きくなるに従って下限ＳＯＣを大きく減少させる。減少量Ｂ％はステップＳ５４で算出したＳＯＣの負の時間変化を基に設定される。例えば、減少量Ｂ％を、（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ−前回Ｂ％））／ｄｔ×Ｋ（減少係数）のようにして算出する。減少係数Ｋは、ノーマルモードの場合より大きく設定される。

次にステップＳ５６で、ＳＯＣが目標ＳＯＣ（ＳＯＣ_ＳＡＶＥ）に達したか否かが判定され、達した場合にはＹｅｓとなってステップＳ５７でＦＣ発電を停止してステップＳ６０で終了する。ステップＳ５６でＮｏの場合には、ステップＳ５８に進み、ステップＳ５８では、「最高効率出力Ｐｓ」から「車両要求出力」を差引いた出力が「２次電池受入電力」以上かを判定して、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ５７に進んでＦＣ発電を停止してステップＳ６０で終了する。これによって、２次電池７へ過剰充電を防止すると共に最高効率出力での発電を停止して燃費向上が図れる。

一方、ステップＳ５２で、ＳＯＣがＳＯＣ_ＳＡＶＥ以下でない場合には、Ｎｏとなり、ステップＳ５９に進んでＦＣ発電を停止してステップＳ６０で終了する。

このように、セーブモード制御によれば、「ノーマルモード」の場合より下限ＳＯＣの減少係数を大きくするので、「ノーマルモード」の場合より最高効率出力Ｐｓによる発電時間が長くなり、燃料電池５の燃費向上を図りつつ２次電池７の充電率をＳＯＣ_ＳＡＶＥに維持できる。

図９にチャージモード制御を示す。
チャージモード制御の基本的な流れは、図８のセーブモード制御と同様であり、図８のセーブモード制御とは、セーブモード制御では目標ＳＯＣがＳＯＣ_ＳＡＶＥであるのに対して、図９のチャージモード制御では目標ＳＯＣがＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}である。

ステップＳ７１でチャージモード制御が開始されると、ステップＳ７２で、ＳＯＣがＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}以下かを判定する。ＳＯＣがＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}以下の場合には、ステップＳ７３に進んで燃料電池５を最高効率出力Ｐｓで発電を行い、ステップＳ７４でＳＯＣの負の時間変化を算出する。セーブモードの場合と同様に、例えば、ＳＯＣ＜ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％のとき、ＳＯＣとＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％との偏差の時間変化、即ち（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％））／ｄｔを算出する。

次に、ステップＳ７５では、ＳＯＣの負の時間変化の大きさに応じて下限ＳＯＣ（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％）を減少させる。すなわち、負の時間変化が大きくなるに従って下限ＳＯＣを大きく減少させる。減少量Ｃ％はステップＳ７４で算出したＳＯＣの負の時間変化を基に設定される。例えば、減少量Ｃ％を、（ＳＯＣ（現在）−（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−前回Ｃ％））／ｄｔ×Ｋ（減少係数）のようにして算出する。減少係数Ｋは、セーブモードの場合より大きく設定される。

次にステップＳ７６で、ＳＯＣが目標ＳＯＣ（ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}）に達したか否かが判定され、達した場合にはＹｅｓとなってステップＳ７７でＦＣ発電を停止してステップＳ８０で終了する。ステップＳ７６でＮｏの場合には、ステップＳ７８に進み、ステップＳ７８では、「最高効率出力Ｐｓ」から「車両要求出力」を差引いた出力が「２次電池受入電力」以上かを判定して、Ｙｅｓの場合には、ステップＳ７７に進んでＦＣ発電を停止してステップＳ８０で終了する。これによって、２次電池７へ過剰充電を防止すると共に最高効率出力での発電を停止して燃費向上が図れる。

一方、ステップＳ７２で、ＳＯＣがＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}以下でない場合には、Ｎｏとなり、ステップＳ７９に進んでＦＣ発電を停止してステップＳ８０で終了する。

このように、チャージモード制御によれば、「セーブモード」の場合より下限ＳＯＣの減少係数を大きくするので、「セーブモード」の場合より最高効率出力Ｐｓによる発電時間が長くなり、ＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}の維持を燃料電池５の燃費を悪化することなく達成することができる。

図１０にスーパーチャージモード制御を示す。
スーパーチャージモード制御の基本的な流れは、図９のチャージモード制御と同様であり、図１０のスーパーチャージモードのステップＳ９２〜Ｓ９８は、図９のチャージモードのステップＳ７２〜Ｓ７８と同様である。図１０のステップＳ９９のＡ部が相違する。

すなわち、図９のチャージモード制御ではステップＳ７８でＹｅｓの場合にはステップＳ７７に進んでＦＣ発電を停止したが、本スーパーチャージモード制御ではステップＳ９８でＹｅｓの場合にはステップＳ９９に進み、ＦＣ発電は停止しせずに出力を制限して発電を続けて２次電池７への充電を確保するものである。
従って、スーパーチャージモードでは、燃料電池５の燃費においては、図９のチャージモードよりも、最高効率出力Ｐｓによる発電でないため燃費は悪化するものの、２次電池７への過充電を防止しつつ目標ＳＯＣへの充電を達成するように充電される。

以上説明した本実施形態によれば、２次電池７のＳＯＣに下限ＳＯＣと該下限ＳＯＣより大きい目標ＳＯＣとを設定して、その間において燃料電池５の最高効率出力Ｐｓの一定値で発電するので、所定の一定値の充電率を境にして最高効率出力による発電を制御するものに比べて最高効率出力による発電時間を長く設定可能になり、燃料電池５の燃費向上を図ることができる。

さらに、本実施形態によれば、ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って、下限ＳＯＣを減少して、最高効率出力Ｐｓによる燃料電池５の発電時間を長くするようにするので、燃料電池５が発電を開始する下限ＳＯＣが下がり、２次電池７への燃料電池５からの充電の機会が減少する。すなわち、車外からの充電すなわち車外充電器による充電の機会を増加するようになる。例えば、２次電池７の充電状態が所定の充電率（例えばＳＯＣ２０％以下）になった場合には、電欠状態になる可能性が高いため充電を促す充電報知手段３２を作動してドライバーに報知する。その結果、水素よりエネルギー単価の低い電気による充電の機会が増加して充電コストの低減を図ることができる。

さらに、本実施形態によれば、燃料電池５が最高効率出力Ｐｓで発電しているときには、車両出力制限部２８によって、車両側での車両要求出力を上記の最高効率出力Ｐｓ以下に制限するので、例えばアクセルペダルの踏込が急加速要求であっても、加速性は満たされ難いが２次電池７の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池５は最高効率出力状態に維持されるため、燃料電池５の燃費向上が図れる。

図２のＮｏ．２に示す「アシストモード」では、車両要求出力に対して２次電池７の出力不足を補うように燃料電池５の出力制御がなされるが、図５−１のステップＳ４〜Ｓ６に示すように、車両要求出力は車両出力制限部２８によって燃料電池５の最高効率出力Ｐｓ以下に制限されるので、加速性は満たされ難くなるが、燃料電池５の発電効率悪化を伴ってでも燃料電池出力を大幅に増加させて２次電池へ充電することが抑制されることによって、燃料電池５の燃費向上が図れる。

本実施形態において下限ＳＯＣとしては、ノーマルモード制御ではＳＯＣ２５％−Ａ％が相当し、セーブモード制御ではＳＯＣ_ＳＡＶＥ−Ｂ％が相当し、チャージモード制御ではＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｃ％が相当し、スーパーチャージモード制御ではＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}−Ｄ％が相当する。
また、目標ＳＯＣとしては、ノーマルモード制御ではＳＯＣ３０％が相当し、セーブモード制御ではＳＯＣ_ＳＡＶＥが相当し、チャージモード制御及びスーパーチャージモードではＳＯＣ_{ＣＨＡＲＧＥ}が相当する。

そして、本実施形態によれば、ＳＯＣの負の時間変化が大きくなるに従って、下限ＳＯＣを減少して、最高効率出力Ｐｓによる燃料電池５の発電時間を長くするので、燃料電池５の燃費を悪化させることなく、燃費向上を図りつつ上記目標ＳＯＣを維持できる。

また、充電率の負の時間変化が大きくなることは、高負荷運転及び高速運転時であり、この場合には大きな減速回生があるので、２次電池の受入を良くするために、ＳＯＣを低めに保つことができ、減速回生の効果を得ることができる。
また、ノーマルモードよりセーブモード、セーブモードよりチャージモードと下限充電率の減少係数が大きくなるため、高負荷運転、高速運転からの大きな減速回生時の２次電池の受入が良くなる。図４に示すように、ＳＯＣが低いほど大きな減速回生を受け入れることが出来る。よって、下限充電率の減少係数が大きくなるセーブモードおよびさらに大きくなるチャージモードでは、ノーマルモードより下限充電率を下げることで、より大きな減速回生を受けることを可能にし、燃費向上を図ることが出来る。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池と２次電池とを備える電動車両の電源装置において、車両側の要求出力を燃料電池の最高効率出力以下に制限することによって、２次電池の電力消費は抑えられるとともに、燃料電池の発電出力は最高効率出力状態に維持されるため、燃料電池の燃費向上が図れるので、燃料電池と２次電池とを備える電動車両への利用に適している。

１ 電動車両
３ 電源装置
５ 燃料電池
７ ２次電池
９ モータ
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ インバータ
１７ 制御装置
１９ 車両状態センサ
２１ 走行モード選択スイッチ
２３ ２次電池制御部
２５ モータ制御部
２６ 車両要求出力算出部
２７ 車両制御部
２８ 車両出力制限部
２９ 燃料電池制御部
３１ 充電状態検出手段
３２ 充電報知手段
３３ 発電制御部

Claims (4)

1. 水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生する電力を充電する２次電池と、を備える電動車両の電源装置において、
   前記２次電池の充電状態を検出する充電状態検出手段からの情報を基に前記燃料電池の発電を制御する燃料電池制御部を備え、
   前記燃料電池制御部は、前記充電状態が下限充電率以下に下回ると前記燃料電池を最高効率出力で発電し、前記下限充電率より大きい目標充電率以上に達すると前記燃料電池の発電を停止する発電制御部を有し、
   前記燃料電池が前記発電制御部によって最高効率出力で発電しているとき、車両側での要求電力を示す車両要求出力を前記最高効率出力以下に制限する車両出力制限部を備えたことを特徴とする電動車両の電源装置。
2. 前記車両出力制限部は、前記燃料電池の最高効率出力に一致させるように車両要求出力を制限することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電源装置。
3. 前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、前記目標充電率に関わらず前記燃料電池の発電を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動車両の電源装置。
4. 前記電動車両は走行モードを選択するモード選択手段を備え、前記モード選択手段によって所定充電率を維持する「スーパーチャージモード」が選択された場合には、前記発電制御部は、前記「スーパーチャージモード」の所定充電率を前記目標充電率とし、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の最高効率出力から車両要求出力を差引いた出力が２次電池受入電力を上回るとき、前記燃料電池の出力を車両要求出力と２次電池受入電力との合算値に制限して、前記２次電池に充電することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電源装置。

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