(57)【要約】【課題】バッテリーの暖機を実施する際に酸化剤供給機の作動音を変動を抑制できる燃料電池システムの制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池１０と、バッテリー１３と、酸化剤供給機２１と、酸化剤供給機２１から燃料電池１０へ供給する酸化剤をバイパスさせるバイパス通路２００と、バイパス流量調整機２１０とを備えた燃料電池システムを制御する装置において、所定のＳＯＣ範囲となるように、バッテリー１３の充放電を行う充放電量制御手段と、バッテリー１３の充放電量を考慮して燃料電池１０の要求発電量を決定する要求発電量設定手段と、要求発電量に基づいて酸化剤を供給する酸化剤供給量制御手段とを備え、バッテリー１３暖機時において、酸化剤供給量制御手段は、所定量の酸化剤が供給されるように酸化剤供給機２１を制御するとともに、要求発電量に基づいてバイパス流量調整機２１０を制御する。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、バッテリーと、酸化剤供給機と、酸化剤供給機から燃料電池へ供給する酸化剤をバイパスさせるバイパス通路と、バイパス流量調整機とを備えた燃料電池システムを制御する装置において、
所定のＳＯＣ範囲となるように、前記バッテリーの充放電を行う充放電量制御手段と、
前記バッテリーの充放電量を考慮して前記燃料電池の要求発電量を決定する要求発電量設定手段と、
前記要求発電量に基づいて酸化剤を供給する酸化剤供給量制御手段とを備え、
バッテリー暖機時において、
前記酸化剤供給量制御手段は、所定量の酸化剤が供給されるように前記酸化剤供給機を制御するとともに、前記要求発電量に基づいて前記バイパス流量調整機を制御する、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記酸化剤供給量制御手段は、バッテリー暖機時に、前記バッテリーの充電率が管理値よりも小さいときにはバイパス流量を大きくし、バッテリーの充電率が管理値よりも大きいときにはバイパス流量を小さくする、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記管理値は、バッテリーを暖機する必要がある場合には、バッテリーを暖機する必要がない場合よりも小さい、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記管理値は、バッテリーの暖機完了後は、バッテリーの暖機中よりも大きな値に変更される、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記酸化剤供給量制御手段は、バッテリー暖機時に、前記バッテリーの充電率が第１の管理値よりも小さいときにはバイパス流量を大きくし、バッテリーの充電率が、前記第１の管理値よりも大である第２の管理値よりも大きいときにはバイパス流量を小さくする、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記第１の管理値及び前記第２の管理値は、前記バッテリーの充電率が前記第１の管理値から前記第２の管理値まで変化する時間が前記バイパス流量調整機の応答時間よりも長くなるように、設定される、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記酸化剤供給量制御手段は、前記バッテリーの温度が低いほど、多量の酸化剤が供給されるように前記酸化剤供給機を制御する、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記酸化剤供給量制御手段は、前記バッテリーの温度が低いほど、バイパス流量を大きくする、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置において、
前記バッテリーの温度が低いほど、バッテリーの充電目標電力を小さく設定する設定部をさらに備える、
燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムを制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックとバッテリーとの出力によって補機を駆動する燃料電池システムが知られている。バッテリーは、低温状態では、本来の性能を発揮できない。そこで特許文献１では、燃料電池スタックの発電電力を上げることでバッテリーを充電するとともに、燃料電池スタックの発電電力を下げることでバッテリーを放電させることを繰り返して、バッテリーを早期に暖機する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ２００８／０４７９４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述した従来システムでは、燃料電池スタックの発電電力を上げ下げするために、酸化剤供給機(エアコンプレッサー)の回転速度を制御して、燃料電池スタックに供給する空気量を調整する。
【０００５】
しかしながら、このようにしては、酸化剤供給機の作動音が変動し、乗員が耳障りに感じて違和感を覚えることがある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、バッテリーの暖機を実施する際に酸化剤供給機の作動音を変動を抑制できる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明による燃料電池システムの制御装置のひとつの態様は、燃料電池と、バッテリーと、酸化剤供給機と、酸化剤供給機から燃料電池へ供給する酸化剤をバイパスさせるバイパス通路と、バイパス流量調整機とを備えた燃料電池システムを制御する装置である。そして、所定のＳＯＣ範囲となるように、前記バッテリーの充放電を行う充放電量制御手段と、前記バッテリーの充放電量を考慮して前記燃料電池の要求発電量を決定する要求発電量設定手段と、前記要求発電量に基づいて酸化剤を供給する酸化剤供給量制御手段とを備える。そして、バッテリー暖機時において、前記酸化剤供給量制御手段は、所定量の酸化剤が供給されるように前記酸化剤供給機を制御するとともに、前記要求発電量に基づいて前記バイパス流量調整機を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
この態様によれば、バッテリーの暖機制御が実施され燃料電池の要求発電量が変動したとしても、酸化剤供給機はバッテリーの暖機時は要求発電量によらず所定流量の酸化剤が酸化剤供給機から供給されるので、流量変化に伴う酸化剤供給機の変動音が抑制できる。また、燃料電池が要求するよりも余剰の酸化剤流量を供給することになるが、余剰分はバイパス流量調整機により調整されるので、不要な酸化剤の燃料電池への供給も抑制できる。
【００１０】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明による制御装置の第１実施形態を適用可能な基本的な燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、バッテリーの充電率ＳＯＣと燃料電池スタックの発電電力との相関図である。
【図３】図３は、本発明による燃料電池システムの制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池スタックに供給する空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【図５】図５は、バッテリー暖機運転のサブルーチンを示す図である。
【図６】図６は、バッテリー暖機運転のサブルーチンの実行結果を示す図である。
【図７】図７は、バッテリー充電率に対するバッテリーの内部抵抗についてバッテリー温度ごとに示す図である。
【図８】図８は、ある温度におけるバッテリー充電率に対するバッテリーの内部抵抗の特性を示す図である。
【図９】図９は、バッテリー暖機運転におけるブリード空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【図１０】図１０は、第１実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明する図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明するタイムチャートである。
【図１２】図１２は、第２実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明するタイムチャートである。
【図１３】図１３は、第３実施形態のバッテリー暖機運転におけるブリード空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【図１４】図１４は、第４実施形態の充電目標電力を演算する機能をブロック図として表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明による制御装置の第１実施形態を適用可能な基本的な燃料電池システムを示す図である。
【００１３】
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池システムの制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。そのようにするために、燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。
【００１５】
カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガス(酸化剤)Ｏ2が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、ＷＲＤ(Water Recovery Device)２２と、カソード調圧弁２３と、が設けられる。またカソードライン２０には、ブリードライン２００が並設される。ブリードライン２００は、コンプレッサー２１よりも下流であってＷＲＤ２２よりも上流のカソードライン２０から分岐して、カソード調圧弁２３よりも下流のカソードライン２０に合流する。このような構成なので、コンプレッサー２１で送風された空気の一部がブリードライン２００に流れて、燃料電池スタック１０を迂回する。ブリードライン２００には、ブリード弁２１０が設けられる。
【００１６】
コンプレッサー２１は、本実施形態では、たとえば遠心式のターボコンプレッサーである。コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０やＷＲＤ２２よりも上流のカソードライン２０に配置される。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。
【００１７】
ＷＲＤ２２は、燃料電池スタック１０に導入される空気を加湿する。ＷＲＤ２２は、加湿対象となるガスが流れる被加湿部と、加湿源となる水含有ガスが流れる加湿部と、を含む。被加湿部には、コンプレッサー２１によって導入された空気が流れる。加湿部には、燃料電池スタック１０を通流して水を含有しているガスが流れる。
【００１８】
カソード調圧弁２３は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２３は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力を調整する。カソードガスＯ2の圧力は、カソード調圧弁２３の開度によって調整される。
【００１９】
コンプレッサー２１よりも上流のカソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力Ｐ１は、カソード圧力センサー２０１で検出される。このカソード圧力センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも上流に設けられる。
【００２０】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量Ｑは、カソード流量センサー２０２で検出される。このカソード流量センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であってＷＲＤ２２よりも上流に設けられる。
【００２１】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力Ｐ２は、カソード圧力センサー２０３で検出される。このカソード圧力センサー２０３は、コンプレッサー２１よりも下流であってＷＲＤ２２よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０３は、カソード流量センサー２０２の下流に位置する。
【００２２】
ブリード弁２１０は、ブリードライン２００に設けられる。ブリード弁２１０は、ブリードライン２００を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、ブリード弁２１０の開度によって調整される。
【００２３】
アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ2が流れる。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、アノードポンプ３３と、パージ弁３４と、が設けられる。
【００２４】
ボンベ３１には、アノードガスＨ2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。
【００２５】
アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。
【００２６】
アノードポンプ３３は、アノード調圧弁３２の下流に位置する。アノードポンプ３３は、アノード調圧弁３２で調圧されたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
【００２７】
パージ弁３４は、燃料電池スタック１０の下流に設けられる。パージ弁３４が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
【００２８】
アノードライン３０を流れるアノードガスＨ2の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノードポンプ３３よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
【００２９】
冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流の冷却水循環ライン４０から分岐し、ラジエーター４１よりも下流の冷却水循環ライン４０に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。
【００３０】
ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。
【００３１】
三方弁４２は、バイパスライン４００と冷却水循環ライン４０との合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
【００３２】
ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。
【００３３】
冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。
【００３４】
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード圧力センサー２０１、カソード流量センサー２０２、カソード圧力センサー２０３、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そして、信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２３、ブリード弁２１０、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３３、パージ弁３４、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
【００３５】
このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されることで、電解質膜が適度な湿潤状態に維持されて、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介して走行モーター１２、バッテリー１３、負荷１４に接続される。
【００３６】
バッテリー１３の充電率ＳＯＣが小さいときには、燃料電池スタック１０は、走行モーター１２、バッテリー１３及び負荷１４に電力を供給する。これによって走行モーター１２及び負荷１４が駆動されるとともに、バッテリー１３が充電される。
【００３７】
バッテリー１３の充電率ＳＯＣが大きいときには、バッテリー１３は、単独で又は燃料電池スタック１０とともに、走行モーター１２や負荷１４に電力を供給する。これによって走行モーター１２及び負荷１４が駆動される。
【００３８】
図２は、バッテリーの充電率ＳＯＣと燃料電池スタックの発電電力との相関図である。
【００３９】
上述のように、バッテリー１３は、充電率ＳＯＣの大小に応じて、燃料電池スタック１０から供給された電力によって充電され、又は補機(走行モーター１２や負荷１４)に電力を供給(放電)する。すなわちバッテリー１３の充電率ＳＯＣが管理充電率よりも大きいときにはバッテリー１３が放電するように燃料電池スタックの電力が低められ、バッテリー１３の充電率ＳＯＣが管理充電率よりも小さいときにはバッテリー１３が充電されるように燃料電池スタックの電力が高められる。
【００４０】
しかしながら、図２に示されるように、バッテリー１３が低温状態では、常温状態に比較して充電能力が低いので、燃料電池スタック１０の発電電力を、常温状態に比較して低く抑える必要がある。また放電能力が低いので、燃料電池スタック１０の発電電力を、常温状態に比較して大きくする必要がある。
【００４１】
したがって、バッテリー１３の暖機を早期に完了して常温状態にすることが望ましい。
【００４２】
バッテリー１３を暖機するには、バッテリー１３の充電放電を繰り返す必要がある。バッテリー１３を充電するには燃料電池スタック１０の発電電力を上げ、バッテリー１３を放電させるには燃料電池スタック１０の発電電力を下げる必要がある。
【００４３】
そして、燃料電池スタック１０の発電電力を調整するには、カソードライン２０を流れて燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を変動させる必要がある。このとき、コンプレッサーから供給される流量を制御するために、コンプレッサー２１の回転速度を変動させては、コンプレッサー２１の作動音が変動し、乗員が耳障りに感じて違和感を覚えることがある。
【００４４】
そこで本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が変動しないようにしつつ燃料電池スタック１０の発電電力を調整する。
【００４５】
以下では具体的な手法について説明する。
【００４６】
図３は、本発明による燃料電池システムの制御装置のコントローラーが実行する制御フローチャートである。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００４７】
ステップＳ１においてコントローラーは、燃料電池スタック１０に供給する空気量を演算する。具体的な内容は後述する。
【００４８】
ステップＳ２においてコントローラーは、バッテリー１３の温度を検出する。この温度は、バッテリー１３に温度センサーを取り付けて直接検出してもよいし、気温や放置時間に基づいて推定(間接的に検出)してもよい。
【００４９】
ステップＳ３においてコントローラーは、バッテリー１３の暖機が必要であるか否かを判定する。具体的には、バッテリー１３の温度が、暖機の必要性を判定するための閾値(所定温度)よりも低いか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ４へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ５へ処理を移行する。なお、暖機の必要性を判定するための閾値(所定温度)は、予め実験と通じて設定しておけばよい。
【００５０】
ステップＳ４においてコントローラーは、バッテリーの暖機運転を実行する。具体的な内容は後述する。
【００５１】
ステップＳ５においてコントローラーは、通常運転を実行する。なお通常運転は、一般的な運転であるので、詳細な説明は省略される。
【００５２】
図４は、燃料電池スタックに供給する空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【００５３】
なお以下のブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。
【００５４】
ブロックＢ１０１は、シフトレンジ、アクセルペダル操作量及び車速に基づいて、走行電力を演算する。具体的には、予め準備された複数のマップのなかから現在のシフトレンジに対応したマップが選択される。そしてそのマップにアクセルペダル操作量及び車速が適用されて、走行に必要な燃料電池スタックの発電電力(走行電力)が演算される。
【００５５】
ブロックＢ１０２は、バッテリー充電率ＳＯＣに基づいて要求される燃料電池スタック１０の発電電力を演算する。
【００５６】
ブロックＢ１０３は、補機負荷の消費電力、ブロックＢ１０１で演算された走行電力及びブロックＢ１０２で演算された発電電力を加算して、目標発電電力を求める。
【００５７】
ブロックＢ１０４は、ブロックＢ１０３で演算された目標発電電力に基づいて燃料電池スタック１０に供給する空気量を演算する。
【００５８】
以上のようにして、フローチャートのステップＳ１における処理が実行される。
【００５９】
図５は、バッテリー暖機運転のサブルーチンを示す図である。
【００６０】
ステップＳ４１においてコントローラーは、バッテリー充電率が第１管理充電率よりも小であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ４２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ４５へ処理を移行する。
【００６１】
ステップＳ４２においてコントローラーは、バッテリー充電率が第２管理充電率よりも大であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ４３へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ４４へ処理を移行する。なお第１管理充電率及び第２管理充電率の詳細については、後述する。
【００６２】
ステップＳ４３においてコントローラーは、現在放電モードであるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が肯であればステップＳ４４へ処理を移行し、判定結果が否であればステップＳ４５へ処理を移行する。
【００６３】
ステップＳ４４においてコントローラーは、放電モードを実行する。
【００６４】
ステップＳ４５においてコントローラーは、充電モードを実行する。
【００６５】
図６は、バッテリー暖機運転のサブルーチンの実行結果を示す図である。
【００６６】
なお図５のフローチャートとの対応が分かりやすくなるように、図５のステップ番号を併記する。
【００６７】
バッテリー充電率ＳＯＣが、第１管理ＳＯＣよりも大であるが第２管理ＳＯＣよりも小であって、現在放電モードであるとする。
【００６８】
バッテリー充電率ＳＯＣが下がって第１管理ＳＯＣよりも小になったら、ステップＳ４１→Ｓ４５が処理され、充電モードが実行される。バッテリー充電率ＳＯＣが第１管理ＳＯＣよりも小である間は、ステップＳ４１→Ｓ４５が処理され、充電モードが実行される。
【００６９】
バッテリー充電率ＳＯＣが上がって、第１管理ＳＯＣよりも大になっても第２管理ＳＯＣよりも小であるときは、ステップＳ４１→Ｓ４２→Ｓ４３→Ｓ４５が処理され、充電モードが継続される。
【００７０】
バッテリー充電率ＳＯＣが第２管理ＳＯＣよりも大になったら、ステップＳ４１→Ｓ４２→Ｓ４４が処理され、放電モードが実行される。
【００７１】
バッテリー充電率ＳＯＣが下がって、第２管理ＳＯＣよりも小になっても第１管理ＳＯＣよりも大であるときは、ステップＳ４１→Ｓ４２→Ｓ４３→Ｓ４４が処理され、放電モードが継続される。
【００７２】
バッテリー暖機運転では、以上が実行される。
【００７３】
図７はバッテリー充電率に対するバッテリーの内部抵抗についてバッテリー温度ごとに示す図であり、図７(Ａ)は放電時を示し、図７(Ｂ)は充電時を示す。
【００７４】
放電時のバッテリー充電率ＳＯＣに対するバッテリーの内部抵抗は、図７(Ａ)に示されるように、バッテリー充電率ＳＯＣが小さいほど、バッテリーの内部抵抗が大きくなる。またバッテリー充電率ＳＯＣが同一である場合で比較すると、温度が低温であるほど、バッテリーの内部抵抗が大きくなる。
【００７５】
充電時のバッテリー充電率ＳＯＣに対するバッテリーの内部抵抗は、図７(Ｂ)に示されるように、バッテリー充電率ＳＯＣが大きいほど、バッテリーの内部抵抗が大きくなる。またバッテリー充電率ＳＯＣが同一である場合で比較すると、温度が低温であるほど、バッテリーの内部抵抗が大きくなる。
【００７６】
このようにバッテリーは、放電時と充電時とで内部抵抗が相違するという特性がある。
【００７７】
図８は、ある温度におけるバッテリー充電率に対するバッテリーの内部抵抗の特性を示す図である。
【００７８】
なお左上がりの実線は、バッテリー温度が低いとき(暖機が必要)の放電時の特性を示す。右上がりの実線は、バッテリー温度が低いとき(暖機が必要)の充電時の特性を示す。左上がりの破線は、バッテリー温度が常温(暖機が不要)での放電時の特性を示す。右上がりの破線は、バッテリー温度が常温(暖機が不要)での充電時の特性を示す。
【００７９】
上述のように、バッテリーは、放電時と充電時とで内部抵抗が相違するという特性がある。暖機が完了した後の通常運転では、充電能力よりも放電能力を重視して、放電時の内部抵抗ができるだけ小さくなるように、大きめの管理ＳＯＣが設定されることが多い。このように設定されれば、バッテリーが放電しやすくなる。ただし、管理ＳＯＣが大き過ぎれば、バッテリーを充電しにくくなる。そこで、両者のバランスで管理ＳＯＣが設定される。
【００８０】
これに対して、本実施形態では、バッテリーの放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗がほぼ同じになるように、暖機運転での管理ＳＯＣを設定する。このようにする理由は、以下である。すなわち、仮に、通常運転での管理ＳＯＣのまま暖機運転する場合を考える。バッテリーの内部抵抗が大きい方が、発熱しやすいので、バッテリーの暖機には好適であるようにも思える。ところが、通常運転での管理ＳＯＣのまま充電しようとしても、内部抵抗がＡという非常に高い値になるので、非常に高い電圧をかけなければ、バッテリーを充電できない。しかしながら、電圧は、バッテリー保護システムの機能によって制限されるので、あまり高い電圧をかけることはできない。
【００８１】
これに対して、本実施形態では、上述のように、バッテリーの放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗がほぼ同じになるように、暖機運転での管理ＳＯＣを設定する。
【００８２】
このようにすることで、充電時の内部抵抗は、通常運転での管理ＳＯＣのまま充電する場合の内部抵抗Ａよりも低くなる。したがって、あまり高くない電圧でバッテリーを充電することができる。
【００８３】
また放電時の内部抵抗は、通常運転での管理ＳＯＣのまま充電する場合の内部抵抗Ｂよりも高くなる。したがって、放電時にも発熱しやすくなり、暖機が促進される。なお放電時の内部抵抗が高くなりすぎると、補機に供給すべき電力が不足する可能性がある。そこで、この点を考慮すると、バッテリーの放電時の内部抵抗は、充電時の内部抵抗とほぼ同じである程度が好ましいと言うことが発明者らの知見である。
【００８４】
このように、バッテリーの放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗がほぼ同じになるように暖機運転での管理ＳＯＣを設定して、充電放電を繰り返すことで、充放電電力の実行値が向上し、暖機効率が高まるのである。
【００８５】
このように、本実施形態では、暖機運転での管理ＳＯＣ(第１管理ＳＯＣ及び第２管理ＳＯＣ)を、通常運転での管理ＳＯＣ(第１管理ＳＯＣ及び第２管理ＳＯＣ)よりも小さく設定することで、暖機効率が高まるのである。
【００８６】
特に、暖機運転での管理ＳＯＣ(第１管理ＳＯＣ及び第２管理ＳＯＣ)を、バッテリーの放電時の内部抵抗と充電時の内部抵抗がほぼ同じになるように設定することで、放電時の内部抵抗が高くなりすぎることなく、バランスよく暖機効率を高めることができる。
【００８７】
なお暖機が完了した後は、放電時の内部抵抗が充電時の内部抵抗よりも小さい通常運転での管理ＳＯＣに変更される。これによって充電能力よりも放電能力が優先されることとなり、バッテリーの放電能力が高まるのである。
【００８８】
図９は、バッテリー暖機運転におけるブリード空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【００８９】
ブロックＢ４０１は、モードに応じた燃料電池スタック１０への供給空気量をコンプレッサー２１の下限流量から減算する。コンプレッサー２１は、供給流量が過小になると、サージするおそれがある。コンプレッサー２１の下限流量とは、そのような事態を生じさせない最低流量である。燃料電池スタック１０に供給する空気量がコンプレッサー２１の下限流量よりも多ければ、ブロックＢ４０１は、負値を出力する。燃料電池スタック１０に供給する空気量が少なく、コンプレッサー２１の下限流量を下回っていれば、ブロックＢ４０１は、正値を出力する。
【００９０】
ブロックＢ４０２は、ブロックＢ４０１の出力結果が正値であれば、そのまま出力し、負値であればゼロを出力する。
【００９１】
ブロックＢ４０３は、モードに応じた燃料電池スタック１０への供給空気量から、発電で消費される流量を減算する。これによって燃料電池スタック１０で発電に消費されることなく排出される空気量が出力される。
【００９２】
ブロックＢ４０４は、燃料電池スタック１０で発電に消費されることなく排出される空気量を、希釈要求空気量から減算する。パージ弁３４が開くと、アノードガスＨ2が排出される。このアノードガスＨ2を希釈するのに必要な空気量が希釈要求空気量である。燃料電池スタック１０で発電に消費されることなく排出される空気量が、希釈要求空気量よりも多ければブロックＢ４０４は、負値を出力する。燃料電池スタック１０で発電に消費されることなく排出される空気量が、希釈要求空気量よりも少なければブロックＢ４０４は、正値を出力する。
【００９３】
ブロックＢ４０５は、ブロックＢ４０４の出力結果が正値であれば、そのまま出力し、負値であればゼロを出力する。
【００９４】
ブロックＢ４０６は、モードに応じた燃料電池スタック１０への供給空気量を、バッテリー暖機運転時にコンプレッサー２１が供給する空気量から減算する。なおバッテリー暖機運転時にコンプレッサー２１が供給する空気量は、燃料電池スタック１０に供給する空気量よりも大きな一定値であり、ブロックＢ４０６は、正値を出力する。
【００９５】
ブロックＢ４０７は、通常は、ブロックＢ４０６の出力結果が正値であるので、そのまま出力する。ただし、何らかの異常があって、万一、ブロックＢ４０６から負値が出力されていれば、ブロックＢ４０７は、ゼロを出力する。
【００９６】
ブロックＢ４０８は、ブロックＢ４０２の出力とブロックＢ４０５の出力とブロックＢ４０７の出力とを比較し、最も大きいものをブリード空気量として出力する。
【００９７】
図１０は、第１実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明する図である。
【００９８】
バッテリー暖機運転では、コンプレッサー２１から一定の暖機運転空気量が供給される。この暖機運転空気量は、放電モード、充電モードにかかわらず、一定値である。
【００９９】
そして、燃料電池スタックの目標発電電力を発電するのに必要な流量(ＦＣスタック供給空気量)を越える余剰の空気がブリードラインに流される。すなわち、燃料電池スタックに供給される空気量は、ブリード空気量の多少によって調整される。
【０１００】
図１１は、第１実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明するタイムチャートである。
【０１０１】
上述のように、燃料電池システムでは、バッテリー１３の暖機を早期に完了すべく、バッテリー１３の充電放電を繰り返す。バッテリー１３を充電するには燃料電池スタック１０の発電電力を上げ、バッテリー１３を放電させるには燃料電池スタック１０の発電電力を下げる必要がある。
【０１０２】
このとき、コンプレッサーから供給される流量を制御するために、コンプレッサー２１の回転速度を変動させては、コンプレッサー２１の作動音が変動し、乗員が耳障りに感じて違和感を覚えることがある。
【０１０３】
そこで、本実施形態では、一定量の音振モード空気量をコンプレッサー２１から供給するようにした。すなわちコンプレッサー２１の回転速度を一定に維持するようにしたのである。そしてブリード空気量を調整することで、燃料電池スタックに供給する空気量を調整するようにしたのである。
【０１０４】
このようにすることで、本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度を一定に維持されるので、コンプレッサー２１の作動音が変動せず、乗員に違和感を感じさせないのである。
【０１０５】
また本実施形態では、バッテリー充電率が第１管理値よりも小さければ放電モードから充電モードに切り替え、バッテリー充電率が第２管理値よりも大きければ充電モードから放電モードに切り替える。このようにしたので、モードが頻繁に変わりすぎてしまうことを防止できるのである。
【０１０６】
（第２実施形態）
図１２は、第２実施形態のバッテリー暖機運転における作動を説明するタイムチャートである。
【０１０７】
ブリード弁の作動が非常に迅速であれば、第１実施形態の図１１に示されるようにブリード空気流量及び燃料電池スタックへの供給空気流量を瞬時に切り替えることができる。
【０１０８】
しかしながら、ブリード弁がある程度の作動時間を要するときには、この点を考慮する必要がある。この点を考慮することなく、燃料電池スタックに対する要求発電電力を上げてしまうと、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が不足した状態に陥る可能性がある。これはスタベーションと呼ばれる状態であり、電解質膜を劣化させてしまうおそれがある。
【０１０９】
そこで本実施形態では、放電モードから充電モードに切り替えるときには(すなわち燃料電池スタックに対する要求発電電力が上がるときには)、ブリード弁の応答時間よりも、充電モード時間が長くなるように、ＳＯＣヒス幅(すなわち第１管理ＳＯＣと第２管理ＳＯＣとの差)を設定する。そして、ブリード弁がスタック側に変わってから燃料電池スタックに対する要求発電電力を上げるようにする。
【０１１０】
このようにすることで、燃料電池スタックのスタベーション状態を回避することができる。
【０１１１】
なお充電モードから放電モードに切り替えるときには(すなわち燃料電池スタックに対する要求発電電力が下がるときには)、スタベーションにはならない。そこでこのときには、バッテリーの暖機を優先してすぐに燃料電池スタックに対する要求発電電力を下げてもよい。ただしブリード弁の応答速度が遅い分、余計に空気が燃料電池スタックに供給されるので、電解質膜の湿潤状態などを考慮して適宜決めればよい。
【０１１２】
（第３実施形態）
図１３は、第３実施形態のバッテリー暖機運転におけるブリード空気量を演算する機能をブロック図として表したものである。
【０１１３】
第１実施形態では、バッテリー暖機運転においては、常に一定量の空気をコンプレッサー２１から供給した。これに対して本実施形態では、ブロックＢ４００１においてバッテリー温度に応じてコンプレッサー２１が供給する空気量を変更する。具体的には、バッテリー温度が低いほどコンプレッサー２１が供給する空気量を増やす。
【０１１４】
そしてブロックＢ４０６は、ブロックＢ４００１で設定された空気量から、モードに応じた燃料電池スタック１０への供給空気量を減算する。それ以外のブロックは、第１実施形態(図９)と同様である。これによってブリード空気量が出力される。なお上述のようにバッテリー温度が低いほどコンプレッサー２１が供給する空気量が増やされているので、その分ブリード空気量も増やされる。
【０１１５】
このようにすることで、バッテリー温度が低いほどコンプレッサー２１が供給する空気量が多くなる。この結果、コンプレッサー２１によって消費される電力が多くなる。するとバッテリーの放電許容電力が増加するので、充電放電の電力実行値を増加させることができる。これによってバッテリーの暖機時間を短縮できるのである。
【０１１６】
またコンプレッサー２１が供給する空気量が多くなる分、ブリード空気量も増やす。これによって過剰な空気が燃料電池スタック１０に供給されることを回避できるのである。
【０１１７】
（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態の充電目標電力を演算する機能をブロック図として表したものである。
【０１１８】
本実施形態では、バッテリーの温度が低いほど、充電目標電力を低く設定する。具体的には以下のようにして充電目標電力を設定する。
【０１１９】
ブロックＢ７０１は、バッテリー充電率ＳＯＣ及びバッテリー温度に応じてバッテリー充電可能電力を演算する。なおバッテリー充電可能電力は、バッテリー充電率ＳＯＣが小さいほど大きく、かつバッテリー温度が高いほど大きく演算される。
【０１２０】
ブロックＢ７０２は、バッテリー温度に基づいて補正係数を演算する。なお補正係数は、バッテリー温度が低いほど小さく演算される。
【０１２１】
ブロックＢ７０３は、バッテリー充電可能電力に補正係数を乗算して充電目標電力を演算する。
【０１２２】
充電目標電力を低く設定すれば、バッテリー充電時に電圧が過上昇することを防止できる。これによって、より確実に過電圧を回避しつつ、バッテリーを暖機できる。また充電目標電力を低く設定することで、バッテリーの充電放電サイクルを短くでき、多くのサイクルを実行できる。したがって、バッテリーの温度が低いほど、充電目標電力を低く設定することで、バッテリーに過大な負荷をかけることなく、暖機を促進できるのである。
【０１２３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１２４】
たとえば、上記実施形態においては、バッテリー充電率が第１管理値よりも小さければ放電モードから充電モードに切り替え、バッテリー充電率が第２管理値よりも大きければ充電モードから放電モードに切り替える。すなわち、充電モード放電モードを切り替える基準値(管理値)は、２つであった。しかしながら、第１管理値及び第２管理値を同一として１つの管理値に基づいて充電モード放電モードを切り替えてもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
【０１２５】
また上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１２６】
１０  燃料電池スタック(燃料電池)
１１  ＤＣ／ＤＣコンバーター
１２  走行モーター(補機)
１３  バッテリー
１４  負荷(補機)
２０  カソードライン
２１  コンプレッサー(酸化剤供給機)
２２  ＷＲＤ(Water Recovery Device)
２３  カソード調圧弁
２００  ブリード通路(バイパス通路)
２１０  ブリード弁(バイパス流量調整機)
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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