(57)【要約】  不必要なＤＣ−ＤＣコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供する。負荷装置に接続されたインバーター、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーター、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターを備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段（２０４）、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段（２０５）、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段（２０６）、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段（２０７）を備える。
2010143247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置に接続されたインバーターと、
燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、
蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、
前記第１コンバーターおよび前記第２コンバーターを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧および前記インバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧を前記インバーターの入力電圧として出力させること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較し、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１コンバーターは、前記第１コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持する、
請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させる、
請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第２猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を開始させる、
請求項２乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする電力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両に搭載される燃料電池システムに関し、特に、２つのＤＣ−ＤＣコンバーターを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池システムとして、複数のＤＣ−ＤＣコンバーターを備えるシステムが開発されている。例えば、特開２００７−２０９１６１号公報には、蓄電装置とインバーターとの間に配置される第１ＤＣ−ＤＣコンバーターと、燃料電池とインバーターとの間に配置される第２ＤＣ−ＤＣコンバーターと、を備える燃料電池システムが開示されている。【０００３】
このシステムでは、目標モーター出力が所定のしきい値よりも大きい場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターをオフ状態にし、第２ＤＣ−ＤＣコンバーターを直結状態に設定して、出力が大きい燃料電池の出力電力を蓄電装置の出力電力よりも優先的にモーターに供給するように構成されている。また、目標モーター出力がしきい値よりも小さい場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターを動作させ蓄電装置からアシスト電力を供給させ、第２ＤＣ−ＤＣコンバーターを電気的な直結状態としていた。このような構成により、車両の走行性能が低下してしまうことを防止し、効率のよい電力変換を可能としていた（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０９１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に係る発明では、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターおよび第２ＤＣ−ＤＣコンバーターをモーター出力電力に基づいて切り換えていたため、時として燃料電池の出力電圧がインバーターの入力電圧よりも高くなる場合があった。このような場合、燃料電池の出力電圧を昇圧する必要が無いにも拘わらず、ＤＣ−ＤＣコンバーター（特許文献１では第２ＤＣ−ＤＣコンバーター）を不必要に駆動することとなる。つまり、コンバーターの動作電力を無駄に消費してしまうことになる。【０００６】
そこで、上記問題点を解決するために、本願発明の好ましい態様では、不必要なＤＣ−ＤＣコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する燃料電池システムの一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、第１コンバーターおよび第２コンバーターを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させることを特徴とする。【０００８】
かかる構成によれば、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とのうち大きい方が選択されるので、燃料電池の出力電圧の方がインバーターの入力電圧より高くなくことが回避される。よって、無駄に第１コンバーターを動作させることを禁止することができる。【０００９】
具体的には、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させる。【００１０】
すなわち、本発明に係る燃料電池の他の態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段と、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備えたことを特徴とする。【００１１】
また本発明に係る燃料電池のための電力制御方法の一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較するステップと、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させるステップと、を備えたことを特徴とする。【００１２】
かかる構成によれば、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合に、第１コンバーターの動作が禁止状態となるので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。 【００１３】
本発明は、所望により以下のような要素を選択的に付加することが可能である。【００１４】
（１）第１コンバーターは、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することが好ましい。このような構成によれば、第１コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。【００１５】
（２）燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第１猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第１インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第１コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。【００１６】
（３）燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第２猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、第２の待機時間経過後に、第１コンバーターの動作を開始させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、動作開始時のマージンに相当する第２猶予電圧を加えた電圧より低いと判定された場合に初めて第１インバーターの動作開始条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧より低くなるよりも早めに第１インバーターの動作を開始させることになるので、応答遅れなく燃料電池の電力変換を開始させることが可能である。よって、負荷装置に供給する電力が不足することを抑制可能である。
【発明の効果】
【００１７】
かかる発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバーターの不必要な駆動が禁止されるので、燃料電池システムの消費電力を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの電力制御を実行する機能ブロック図。
【図３】燃料電池の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰＲＥＱの等電力線を示す特性図。
【図４】燃料電池における発電電力（Ｐｆｃ）−出力端子電圧（Ｖｆｃ）特性ｆ１とモーターの駆動電力（ＰＭ）−入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性ｆ２を示す特性図。
【図５】燃料電池必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱの時間変化例。
【図６】図４の特性において本発明を適用した場合におけるインバーター入力単位電圧Ｖｉｎｖの時間変化例。
【図７】本実施形態１に係る燃料電池システムの電力制御フローチャート。
【図８】本実施形態１における第１コンバーター１１の駆動制御コマンドＣＶｆｃの例。
【図９】本実施形態２に係る第１コンバーター１１切り替えのタイミングを説明する波形図。
【図１０】本実施形態２に係る燃料電池システムの電力制御フローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態１は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
【００２１】
（システム構成）
図１は、本実施形態１に係る、車両に搭載される燃料電池システム１００のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）である。
【００２２】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０、第１コンバーター１１、第２コンバーター１２、バッテリー１３、インバーター１４、モーター１５、補機インバーター１８、高圧補機１９、および制御装置２０を備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池１０は、複数の単位セルを直列に積層して構成される発電手段である。単位セルは、高分子電解質膜等のイオン交換膜をアノード極およびカソード極で狭み込んだ膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、セパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。各単位セルのアノード極には、セパレータを介して、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（例えば水素ガス）が供給されるようになっている。各単位セルのカソード極には、セパレータを介して、図示しない酸化ガス供給系から酸化ガス（例えば空気）が供給されるようになっている。セパレータには、冷却液の流路が形成されており、図示しない冷却液供給系から、冷却液が供給されるようになっている。燃料電池１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２４】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池１０は出力端子に出力端子電圧Ｖｆｃを出力するようになっている。燃料電池１０は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Ｖｆｃの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
【００２５】
第１コンバーター１１は、電圧変換器であり、ＤＣ−ＤＣコンバーターとしての構成を備えている。第１コンバーター１１は、三相運転方式が用いられている場合には、例えば三相ブリッジ形コンバーター等の回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバーターは、リアクトル、整流用のダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar ransistor）等からなるスイッチング素子を備えている。これらの素子を組み合わせることにより、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ−類似の回路部分と、その交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが形成される。なお、第１コンバーター１１の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２６】
第１コンバーター１１は、一次側に燃料電池１０の出力端子が接続され、二次側にインバーター１４の入力端子が接続されている。第１コンバーター１１は、制御装置２０からの駆動させるためのコマンドＣＶｆｃに従って、一次側の端子電圧（燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃ）を制御するように構成されている。すなわち、この第１コンバーター１１により、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃが目標出力に応じた電圧（すなわち、目標出力端子電圧Ｖｆｃ）となるように制御される。また第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃとインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとを整合させるように電圧を変換するように構成されている。また、第１コンバーター１１は、制御装置２０から動作を停止するコマンドＣＶｆｃを受けた場合には、内部のスイッチング素子の一部をオン状態にして、一次側と二次側とが電気的に直結された状態となるように構成されている。
【００２７】
バッテリー１３は、蓄電装置であり、燃料電池１０で発電された電力のうち、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリー１３としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。バッテリー１３の出力端子電圧ＶＢＡＴが、第２コンバーター１２の入力端子電圧となる。
【００２８】
第２コンバーター１２は、電圧変換器であり、第１コンバーター１１と同様のＤＣ−ＤＣコンバーターとしての構成を備えている。第２コンバーター１２は、一次側にバッテリー１３の出力端子が接続され、二次側にインバーター１４の入力端子が接続されている。第２コンバーター１２は、制御装置２０からのコマンドＣＶｉｎｖに従って、二次側の端子電圧（インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖ）を制御するように構成されている。例えば、モーター１５の要求電力が変化した場合、第２コンバーター１２は、設定された目標入力電圧となるまでインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを変化させる。そして、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖが目標入力電圧に到達した後に、第１コンバーター１１が、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを制御するように段階を踏んで制御されるよう構成されている。なお、第２コンバーター１２の回路構成は、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２９】
インバーター１４は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換してモーター１５に供給するように構成されている。インバーター１４の回路構成は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバーター回路を備えている。インバーター１４は、制御装置２０からのインバーター要求電圧を指示するコマンドＣＶｄに従って、所定の駆動電圧Ｖｄ（実効値）を有する三相交流電力をモーター１５に供給するように構成されている。また、現時点で出力している駆動電圧（インバーター出力電圧）Ｖｄを駆動電圧信号ＳＶｄとして制御装置２０に出力するように構成されている。
【００３０】
モーター１５は、車両走行用のトラクションモータであり、駆動電力が供給される場合には本車両に推進力を与え、減速された場合には回生電力を発生するようになっている。ディファレンシャル１６は、減速装置であり、モーター１５の高速回転を所定の比率で減速し、タイヤ１７が設けられたシャフトを回転させるように構成されている。回転数センサ２３は、モーター１５の回転数を検出して回転数信号ＳＮを制御装置２０に出力するようになっている。
【００３１】
補機インバーター１８は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換して高圧補機１９に供給するように構成されている。補機インバーター１８の回路構成は、上記インバーター１４と同じである。補機インバーター１８は、制御装置２０からのコマンドＣＶｄ２に従って、所定の駆動電圧Ｖｄ２（実効値）を有する三相交流電力を高圧補機１９に供給するように構成されている。なお、高圧補機１９は、本燃料電池システム１００を機能させるための、図示しない加湿器、エアーコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の総称である。
【００３２】
制御装置２０は、燃料電池システム１００を制御するコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。制御装置２０は、アクセル開度センサー２１からアクセル開度Ａｃｃに応じたアクセル開度信号ＳＡＣＣを入力する。また、センサ群２２からの各種信号を入力し、制御に必要な各種演算を実施するようになっている。センサ群２２としては、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ、出力端子電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ、燃料電池１０の冷却液温度を検出する温度センサ、エアーコンプレッサーや水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の回転数を検出する回転数センサ等を含む。また、制御装置２０は、モーター１５の回転数Ｎを検出する回転数センサ２３からの回転数信号ＳＮを入力する。
【００３３】
制御装置２０は、これらの信号を参照して、システム全体を制御する。
概略説明すると、制御装置２０は、アクセル開度Ａｃｃおよびモーター回転数Ｎに基づいてモーター要求トルクＴＲＥＱを演算する。そして、モーター要求トルクＴＲＥＱとモーター回転数Ｎとに基づいてモーター要求パワーＰＭを演算する。次いで、モーター要求パワーＰＭ等に基づいて発電要求パワーＰＲＥＱを演算する。そして、発電要求パワーＰＦＣを出力させるために必要な燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃである要求出力電圧ＶｆｃＲＥＱを燃料電池１０の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から演算する。必要に応じて、制御装置２０は、燃料電池１０とバッテリー１３とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧ＶｆｃＲＥＱになるよう燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを制御するコマンドＣＶｆｃを出力する。また、求められたバッテリー１３の要求電力が取り出せるように、第２コンバーター１２にコマンドＣＶｉｎｖを出力して、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを制御する。また、制御装置２０は、モーター要求トルクＴＲＥＱが得られるように、インバーター１４にコマンドＣＶｄを出力して、所望の駆動電圧Ｖｄを出力させ、モーター１５のトルクを制御する。
【００３４】
特に、本実施形態１では、制御装置２０は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱのうち大きい方の電圧を、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして出力させるようなコマンドＣＶｄを出力する点に特徴がある。
【００３５】
（機能ブロック）
図２に、本実施形態１の制御装置２０により機能的に実現される、燃料電池システム１００の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置２０が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理（図８参照）を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
【００３６】
なお、図２に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図２のとおりに機能分離していることを要しない。図２に列記した入力に基づいてインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを制御できる構成であれば、図２とは異なる機能ブロックで同様の機能を実現してもよい。
【００３７】
図２に示すように、制御装置２０は、機能ブロックとして、モーター要求トルク演算手段２０１、モーター要求パワー演算手段２０２、発電要求パワー演算手段２０５、燃料電池必要出力電圧演算手段２０４、インバーター必要入力電圧演算手段２０５、比較手段２０６、およびコンバーター動作制御手段２０７を備えて構成されている。
【００３８】
モーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度信号ＳＡＣＣから取得されたアクセル開度Ａｃｃ、および、回転数信号ＳＮから取得されたモーター１５の回転数Ｎに基づき、出力要求トルクを演算し、モーター１５の要求トルクＴＲＥＱを演算する。モーターの一般的な特性として、モーターの回転数Ｎおよびアクセル開度Ａｃｃが定まると、回転数に応じて発生可能なトルクが定まる（以下この特性を「Ｎ−Ｔ特性」という。）。モーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度Ａｃｃに基づきこのようなＮ−Ｔ特性を参照し、モーター要求トルクＴＲＥＱを演算する。
【００３９】
モーター要求パワー演算手段２０２は、モーター要求トルクＴＲＥＱに基づいてモーター要求パワーを演算する機能ブロックである。モーター要求パワーＰＭは、モーター要求トルクＴＲＥＱに回転数Ｎを乗じた値となる（ＰＭ＝ＮＸＴＲＥＱ）。
【００４０】
発電要求パワー演算手段２０３は、モーター要求パワーＰＭに基づいて燃料電池の発電要求パワーＰＲＥＱを演算する機能ブロックである。発電要求パワーＰＲＥＱは、演算されたモーター要求パワーＰＭに加えて、モーター以外の負荷装置の要求パワーを合計して演算する。例えば、高圧補機１９において必要とされる高圧補機パワーＰＡＵＸをモーター要求パワーＰＭに合計した値を発電要求パワーＰＲＥＱとして算出する。
【００４１】
燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、求められた発電要求パワーＰＲＥＱに基づいて燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱを演算する。
【００４２】
図３に、燃料電池１０の出力電流−出力電圧（Ｉ−Ｖ）特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰＲＥＱの等電力線を示す。通常運転時、燃料電池１０は、図３に示すような燃料電池Ｉ−Ｖ特性に従ってその出力電流および出力電圧を変化させる。上記演算により求められた燃料電池要求パワーＰＲＥＱは、図３において破線で示すような双曲線状の等電力線となる。燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰＲＥＱとの交点が、本燃料電池システム１００の動作点ｐ０となる。
【００４３】
そこで、燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、図３の燃料電池I−Ｖ特性ｆ０を予め記憶しておき、発電要求パワーＰＲＥＱが求められたら、記憶された燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０を参照して、求められた燃料電池要求パワーＰＲＥＱとの交点を算出する。この交点が燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃＲＥＱと要求出力電流ＩｆｃＲＥＱとを特定する動作点ｐ０である。なお、燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃＲＥＱは、後述の図４で説明する燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１を参照して、燃料電池要求パワーＰＲＥＱに対応する燃料電池出力電圧として求めることも可能である。
【００４４】
インバーター必要入力電圧演算手段２０５は、インバーター１４のための必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱを演算する機能ブロックである。インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱは、求められたモーター要求パワーＰＭをインバーター１４に出力させるために必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして求められる。
【００４５】
図４に、燃料電池１０における発電電力（Ｐｆｃ）−出力端子電圧（Ｖｆｃ）特性（燃料電池Ｐ−Ｖ特性）ｆ１と、モーター１５の駆動電力（ＰＭ）−インバーター１４の入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性（モーター出力特性）ｆ２とを示す。図４において燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１に示されるように、燃料電池１０では出力端子電圧Ｖｆｃが減少していくに連れて発電パワーが上昇していく。また、図４においてモーター出力特性ｆ２に示されるように、モーター１５の駆動電力が上昇するに連れてインバーター１４に対する入力端子電圧Ｖｉｎｖが上昇していく。図４のモーター出力特性ｆ２において、モーター１５の駆動電力は、上記演算で求められるモーター要求パワーＰＭに対応する。インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖは、上記演算で求められるインバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱに対応する。
【００４６】
インバーター必要入力電圧演算手段２０５は、図４のモーター出力特性ｆ２に示すようなモーター１５の駆動電力（ＰＭ）−インバーター１４の入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性を予め記憶する。そして、求められたモーター要求パワーＰＭに基づき、記憶されたモーター出力特性ｆ２を参照して、インバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱを算出する。
【００４７】
比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱとを比較する機能ブロックである。
【００４８】
モーター１５が要求されたとおりのパワー（モーター要求パワーＰＭ）で駆動されるためには、図４のモーター出力特性ｆ２で特定される入力端子電圧Ｖｉｎｖが最低電圧としてインバーター１４に入力されなければならない。ここで、図４において、燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１とモーター出力特性ｆ２とは、電力しきい値Ｐｔｈに対応する交点ｐ１において交差している。この電力しきい値Ｐｔｈより高い電力の領域Ｂでは、燃料電池１０がモーター１５に必要な電力を供給する際、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖよりも低くなっている。このため、必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを昇圧しなければならない。この昇圧処理を行う装置が第１コンバーター１１なのである。
【００４９】
一方、図４に示す電力しきい値Ｐｔｈ以下の電力の領域Ａでは、モーター１５を駆動するために必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃが上回っている。よって、領域Ａの動作では、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをさらに昇圧する必要性が存在しない。燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給しても構わない場合である。
【００５０】
比較手段２０６は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱとを比較する。この比較は、図４の電力しきい値Ｐｔｈとの比較において、領域Ａ側で動作しているのか、領域Ｂ側で動作しているのかを検出することに等しい。その判定をコンバーター動作制御手段２０７が行う。
【００５１】
コンバーター動作制御手段２０７は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させる機能ブロックである。具体的には、コンバーター動作制御手段２０７は、上記判定に応じて動作を停止または継続させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。第１コンバーター１１は、動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを受けた場合には、電圧変換動作を停止し、第１コンバーター１１の一次側と二次側とを電気的に直結、すなわち導通した状態に維持する。これによって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃは、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖと等しくなる。上記の処理により、インバーター１４には、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
【００５２】
図５に、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱの時間変化例を示す。燃料電池車では、アクセル開度の変化等から負荷条件が刻々と変化する。負荷条件が変化するとモーター要求パワーＰＭが変動する。モーター要求パワーＰＭが変動するたびに、図４で説明したように、動作点が領域Ａ側に移動したり領域Ｂ側に移動したりする。動作点が領域Ａに移動している間は燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱより高くなる。一方、動作点が領域Ｂに移動している間はインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱが燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱより高くなる。図５は、このような必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱの変化を時間軸でプロットしたものとなる。
【００５３】
図６に、本実施形態１に係る燃料電池システム１００において、図５の例のように燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱとが変化した場合の、インバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖの変化を示す。本燃料電池システム１００では、上記比較手段２０６およびコンバーター動作制御手段２０７の作用により、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱのうち、大きい方の電圧がインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして出力される。
【００５４】
よって、図６に示すように、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱの方が燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱよりも大きい場合には、図４の領域Ｂに動作点があると判断される。よって、第２コンバーター１２の出力する必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱがインバーター１４に入力される。一方、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱの方がインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱよりも大きい場合には、図４の領域Ａに動作点があると判断される。よって、第１コンバーター１１の動作が停止させられて直結状態となる結果、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃ（すなわち燃料電池必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱ）が第１コンバーター１１を介して直接インバーター１４に供給される。
【００５５】
なお、動作点が領域Ａに存在する場合、第２コンバーター１２は、バッテリー１３の出力端子電圧ＶＢＡＴを燃料電池必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱにまで昇圧してもよいが、遮断状態にしてもよい。遮断状態にする場合には、第２コンバーター１２においてスイッチング素子を総てオフ状態とする等の制御により、第２コンバーター１２の一次側と二次側とが電気的に絶縁される。遮断状態とすることによって、第２コンバーター１２の動作による電力消費を抑えることが可能である。
【００５６】
（動作）
次に、図６のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態１の燃料電池システム１００の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図６に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される（コールされる）ものとする。
【００５７】
ステップＳ１０において、制御装置２０は、制御周期毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行し、図２に示すモーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度センサー２１からアクセル開度信号ＳＡＣＣを読み込み、回転数センサ２３から回転数信号ＳＮを読み込む。そしてアクセル開度信号ＳＡＣＣが示すアクセル開度Ａｃｃと、回転数信号ＳＮが示すモーター回転数Ｎとに基づいて、出力要求トルクを演算し、さらにモーター要求トルクＴＲＥＱを演算する。すなわち、所定のＮ−Ｔ特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照して、アクセル開度Ａｃｃに対応した回転数Ｎ−モーター要求トルク特性ＴＲＥＱを特定し、当該Ｎ−Ｔ特性からモーター回転数Ｎに応じたモーター要求トルクＴＲＥＱを演算する。
【００５８】
次いでステップＳ１２に移行し、図２に示すモーター要求パワー演算手段２０２は、モーター要求トルクＴＲＥＱに基づいてモーター要求パワーＰＭを演算する。具体的には、モーター要求トルクＴＲＥＱに回転数Ｎを乗じた値をモーター要求パワーＰＭ（＝ＮＸＴＲＥＱ）として演算する。
【００５９】
次いでステップＳ１３に移行し、図２に示す発電要求パワー演算手段２０３は、演算されたモーター要求パワーＰＭと、高圧補機１９において必要とされる高圧補機パワーＰＡＵＸとを合計した値を発電要求パワーＰＲＥＱとして算出する。
【００６０】
次いでステップＳ１４に移行し、図２に示す燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、図３に示すような燃料電池I−Ｖ特性ｆ０を参照する。そして、求められた燃料電池要求パワーＰＲＥＱと燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０との交点を特定し、燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃＲＥＱを演算する。
【００６１】
次いでステップＳ１５に移行し、図２に示すインバーター必要入力電圧演算手段２０５は、求められたモーター要求パワーＰＭに基づき、図４に示すようなモーター出力特性ｆ２を参照し、インバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱを算出する。
【００６２】
次いでステップＳ１６において、図２に示す比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱとを比較する。その結果、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７に移行する。そして、図２に示すコンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを受けた第１コンバーター１１は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給される。
【００６３】
一方、ステップＳ１６において、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱよりも低いと判定された場合には（ＮＯ）、ステップＳ１８に移行する。コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を継続させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。これを受けて、第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを、第２コンバーター１２によってインバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで昇圧する動作を継続する。
【００６４】
なお、ステップＳ１０において、制御タイミングでないと判断された場合には（ＮＯ）、当該制御処理は実行されずに終了する。
【００６５】
図８に、上記電力処理によって変化する第１コンバーター１１への駆動制御コマンドＣＶｆｃの例を示す。図８に示すように、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上である場合には、第１コンバーター１１に駆動の指令が出力される。一方、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱよりも低いと判定された場合には、第１コンバーター１１に駆動停止の指令が出力される。
【００６６】
以上の処理により、当該電力処理係属中、インバーター１４には、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
【００６７】
（本実施形態１における利点）
本実施形態１によれば、以下のような利点を有する。
（１）燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱのうち大きい方が選択されるので、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃの方がインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖより高くなくことが回避される。よって、無駄な第１コンバーター１１の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
【００６８】
（２）燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止するので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。
【００６９】
（３）第１コンバーター１１は、動作停止が指令されると一次側と二次側とを電気的に直結した状態に維持するので、動作を停止させるコマンドＣＶｆｃにより、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖに容易に供給可能である。
【００７０】
（４）第２コンバーター１２は、第１コンバーター１１を動作停止状態にしている間に遮断状態とされる場合には、さらに第２コンバーター１２に係る消費電力を抑制することが可能である。
【００７１】
（実施形態２）
本実施形態２は、上記実施形態１の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム１００の電力制御方法に関する。
【００７２】
本実施形態２において、燃料電池システム１００の構成については、図１〜図６に基づき説明した上記実施形態１と同様であるため、同じ符号を使用することとし、その説明を省略する。
【００７３】
図２に示す機能ブロック図の各構成についても上記実施形態１と同様である。但し、比較手段２０６およびコンバーター動作制御手段２０７において、第１コンバーター１１に動作停止および動作開始を指示するための駆動制御コマンドＣＶｆｃを送信するタイミングが異なる。
【００７４】
図９に、本実施形態２に係る第１コンバーター１１切り替えのタイミングを説明する波形図を示す。図９は、図５に示したような燃料電池必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱとインバーター必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱの時間変化の一部を拡大したものである。
【００７５】
上記実施形態１では、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させていた。また、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱよりも低くなったと判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を開始させていた。
【００７６】
これに対し、本実施形態２では、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上となっても、その時点で第１コンバーター１１の動作を停止させない。必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱと必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱとの差がさらにマージンである第１猶予電圧ΔＶ１以上の差になった時に初めて第１コンバーター１１の動作を停止させる。すなわち、式（４）の関係が満たされた場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させる。
必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱ≧必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ＋ΔＶ１  …（４）
【００７７】
また、本実施形態２では、第１コンバーター１１の動作を開始させるために、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱより低くなるまで待たない。必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱに近づいて、両者の差がマージンである第２猶予電圧ΔＶ２以内に入ってきたら、前倒しして第１コンバーター１１の動作の再開を指示する。すなわち、式（５）の関係が満たされた場合に、第１コンバーター１１の動作を開始させる。
必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱ≧必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ−ΔＶ２  …（５）
【００７８】
次に、図６のフローチャートを参照しながら、本実施形態２の燃料電池システム１００の電力制御処理を説明する。
【００７９】
ステップＳ１０〜ステップＳ１５までは、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００８０】
ステップＳ２１において、比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱおよび第１猶予電圧ΔＶ１の合計電圧以上であるか否かを比較する。その結果、必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ＋第１猶予電圧ΔＶ１以上であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２では、コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを受けた第１コンバーター１１は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給される。必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ＋第１猶予電圧ΔＶ１以上ではないと判定された場合には（ＮＯ）、ステップＳ２３に移行する。
【００８１】
次いで、ステップＳ２３において、比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱから第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入っているか否かを比較する。その結果、必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ−第２猶予電圧ΔＶ２以下であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。第１コンバーター１１の動作を継続させるコマンドＣＶｆｃを第１コンバーター１１に出力する。これを受けて、第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを、第２コンバーター１２によってインバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで昇圧する動作を継続する。必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ−第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入っていないと判定された場合には（ＮＯ）、当該電力制御処理を終了する。
【００８２】
以上の処理により、当該電力処理係属中、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱを第１猶予電圧ΔＶ１だけ超えてから、インバーター１４が停止される。よって、図９に示すように、必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱに等しくなる時刻ｔ１０から時間Δｔ１だけ遅れた時刻ｔ１１に初めて、第１コンバーター１１の動作が停止する。また、一旦、第１コンバーター１１の動作が停止した後は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱから第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入った場合に、インバーター１４の動作が再開する。よって、図９に示すように、再び必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱが必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱに等しくなる時刻ｔ２１から時間Δｔ２だけ先行した時刻ｔ２０に、第１コンバーター１１の動作が開始する。
【００８３】
以上、本実施形態２によれば、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱ以上になってから、若干の時間Δｔ１が経過するまで待つことになる。よって、確実にインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖの方が燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃより高くなってから第１コンバーター１１を停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
【００８４】
また、本実施形態２によれば、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃＲＥＱがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖＲＥＱより低くなるよりも若干の時間Δｔ２だけ早めに第１インバーター１１の動作を開始させる。よって、応答遅れなく燃料電池１０の電力変換を開始させ、モーター１５に供給する電力が不足することを抑制可能である。
【００８５】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第１コンバーター１１、第２コンバーター１２、およびインバーター１４を備える燃料電池システム１００に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。ＤＣ−ＤＣコンバーターが１つ、または、３つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
【００８６】
また、モーター１５が直流駆動可能であって、インバーター１４を必要としない燃料電池システムに対しても本発明を適用可能である。このような燃料電池システムでは、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖに代えて、モーター１５の駆動電圧Ｖｄを第２インバーター１２の制御対象電圧とすればよい。
【００８７】
また、負荷装置は、必ずしもモーターである必要はない。その入力電圧−消費電力特性が図４に示すように燃料電池Ｐ−Ｖ特性と交差するような負荷装置であれば、本願発明を適用可能である。
【００８８】
また、上記実施形態では、出力要求としてアクセル（ガスペダル）開度Ａｃｃを入力していたがこれに限定されない。例えば、載置型の燃料電池システムでは、アクセルに相当する操作手段が存在しない場合がある。このようなシステムでは、アクセル以外の出力要求に関する情報を利用するように構成すればよい。
【産業上の利用の可能性】
【００８９】
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、車両に限らず、他の移動体に搭載して適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。また、車両のような移動体に限らず、定置型電源システム、携帯型電源システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０…燃料電池、１１…第１コンバーター、１２…第２コンバーター、１３…バッテリー、１４…インバーター、１５…モーター、１６…ディファレンシャル、１７…タイヤ、１８…補機インバーター、１９…高圧補機、２０…制御装置、２１…アクセル開度センサー、２２…センサ群、２３…回転数センサ、１００…燃料電池システム、２０１…モーター要求トルク演算手段、２０２…モーター要求パワー演算手段、２０３…発電要求パワー演算手段、２０４…燃料電池必要出力電圧演算手段、２０５…インバーター必要入力電圧演算手段、２０６…比較手段、２０７…コンバーター動作制御手段、Ａｃｃ…アクセル開度、Ｎ…モーター回転数、ＰＡＵＸ…高圧補機パワー、ＰＲＥＱ…発電要求パワー、ＰＭ…モーター要求パワー、ＳＡＣＣ…アクセル開度信号、ＳＮ…回転数信号、ＳＶｄ…駆動電圧信号、ＴＲＥＱ…モーター要求トルク、ＶＢＡＴ…バッテリー出力端子電圧、Ｖｄ…駆動電圧（インバーター１４の出力電圧）、Ｖｄ２…駆動電圧（インバーター１８の出力電圧）、Ｖｆｃ…燃料電池１０の出力端子電圧、Ｖｉｎｖ…インバーター１４の入力端子電圧、ＶｆｃＲＥＱ…燃料電池必要出力電圧、ＶｉｎｖＲＥＱ…インバーター必要入力電圧、ＣＶｆｃ…第１コンバーター１１用の駆動制御コマンド、ＣＶｉｎｖ…第２コンバーター１２用の駆動制御コマンド、ΔＶ１…第１猶予電圧、ΔＶ２…第２猶予電圧
【図１】
2010143247.tif 000003
【図２】
2010143247.tif 000004
【図３】
2010143247.tif 000005
【図４】
2010143247.tif 000006
【図５】
2010143247.tif 000007
【図６】
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【図７】
2010143247.tif 000009
【図８】
2010143247.tif 000010
【図９】
2010143247.tif 000011
【図１０】
2010143247.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成22年1月27日(2010.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置に接続されたインバーターと、
燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、
蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、
前記第１コンバーターおよび前記第２コンバーターを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較し、前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させ、
前記第１コンバーターは、
前記第１コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較する比較手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備え、
前記第１コンバーターは、前記第１コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持すること、を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させる、
請求項１または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第２猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を開始させる、
請求項１、３、または５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧とを比較するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるステップと、
前記第１コンバーターにおいて、動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持するステップと、
を備えたことを特徴とする電力制御方法。
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月30日(2011.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷装置に接続されたインバーターと、
燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、
蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、
前記第１コンバーターおよび前記第２コンバーターを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較し、前記燃料電池の必要出力電圧が前記合計電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させ、
前記第１コンバーターは、
前記第１コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較する比較手段と、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記合計電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備え、
前記第１コンバーターは、前記第１コンバーターの動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持すること、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の必要出力電圧が前記インバーターの必要入力電圧に第２猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を開始させる、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池と前記インバーターとの間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置と前記インバーターとの間に接続され、前記インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、
前記燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、
前記インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧と前記インバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較するステップと、
前記燃料電池の必要出力電圧が前記合計電圧以上であると判定された場合には、前記第１コンバーターの動作を停止させるステップと、
前記第１コンバーターにおいて、動作が停止されている間、前記燃料電池と前記インバーターとを電気的に導通した状態に維持するステップと、
を備えたことを特徴とする電力制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両に搭載される燃料電池システムに関し、特に、２つのＤＣ−ＤＣコンバーターを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池システムとして、複数のＤＣ−ＤＣコンバーターを備えるシステムが開発されている。例えば、特開２００７−２０９１６１号公報には、蓄電装置とインバーターとの間に配置される第１ＤＣ−ＤＣコンバーターと、燃料電池とインバーターとの間に配置される第２ＤＣ−ＤＣコンバーターと、を備える燃料電池システムが開示されている。
【０００３】
このシステムでは、目標モーター出力が所定のしきい値よりも大きい場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターをオフ状態にし、第２ＤＣ−ＤＣコンバーターを直結状態に設定して、出力が大きい燃料電池の出力電力を蓄電装置の出力電力よりも優先的にモーターに供給するように構成されている。また、目標モーター出力がしきい値よりも小さい場合には、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターを動作させ蓄電装置からアシスト電力を供給させ、第２ＤＣ−ＤＣコンバーターを電気的な直結状態としていた。このような構成により、車両の走行性能が低下してしまうことを防止し、効率のよい電力変換を可能としていた（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２０９１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に係る発明では、第１ＤＣ−ＤＣコンバーターおよび第２ＤＣ−ＤＣコンバーターをモーター出力電力に基づいて切り換えていたため、時として燃料電池の出力電圧がインバーターの入力電圧よりも高くなる場合があった。このような場合、燃料電池の出力電圧を昇圧する必要が無いにも拘わらず、ＤＣ−ＤＣコンバーター（特許文献１では第２ＤＣ−ＤＣコンバーター）を不必要に駆動することとなる。つまり、コンバーターの動作電力を無駄に消費してしまうことになる。
【０００６】
そこで、上記問題点を解決するために、本願発明の好ましい態様では、不必要なＤＣ−ＤＣコンバーターの動作を禁止することにより、消費電力を低減することが可能な燃料電池システムおよびその電力制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する燃料電池システムの一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、第１コンバーターおよび第２コンバーターを制御する制御装置と、を備え、制御装置は、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧合計電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させ、第１コンバーターは、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することを特徴とする。
【０００８】
かかる燃料電池システムの態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第１猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第１インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第１コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
【０００９】
また、かかる燃料電池システムの態様によれば、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第１コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムの他の態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池の必要出力電圧を演算する燃料電池必要出力電圧演算手段と、インバーターの必要入力電圧を演算するインバーター必要入力電圧演算手段と、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較する比較手段と、燃料電池の必要出力電圧が合計電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させるコンバーター動作制御手段と、を備え、第１コンバーターは、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持することを特徴とする。
【００１１】
かかる燃料電池システムの他の態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第１猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第１インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第１コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
【００１２】
またかかる燃料電池システムの他の態様によれば、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第１コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
【００１３】
さらに本発明に係る燃料電池のための電力制御方法の一態様は、負荷装置に接続されたインバーターと、燃料電池とインバーターとの間に接続され、燃料電池の出力電圧を設定する第１コンバーターと、蓄電装置とインバーターとの間に接続され、インバーターの入力電圧を設定する第２コンバーターと、を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、燃料電池の必要出力電圧を演算するステップと、インバーターの必要入力電圧を演算するステップと、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧に第１猶予電圧を加えた合計電圧とを比較するステップと、燃料電池の必要出力電圧が合計電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させるステップと、第１コンバーターにおいて、動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するステップと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
かかる電力制御方法の態様によれば、インバーターの必要入力電圧に、停止時のマージンに相当する第１猶予電圧を加えた電圧以上である場合に初めて第１インバーターの停止条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上になってから、若干の待機時間が経過するまで待つことになるので、確実にインバーターの入力電圧の方が燃料電池の出力電圧より高くなってから第１コンバーターを停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
【００１５】
またかかる電力制御方法の態様によれば、第１コンバーターの動作が停止されている間、燃料電池とインバーターとを電気的に導通した状態に維持するので、第１コンバーターの動作が停止されている間はインバーターの必要入力電圧が燃料電池の出力電圧となり、蓄電装置からの電力供給を中心する低効率運転状態に移行させることが可能である。
【００１６】
本発明は、所望により以下のような要素を選択的に付加することが可能である。例えば、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧に第２猶予電圧を加えた電圧よりも低いと判定された場合には、第２の待機時間経過後に、第１コンバーターの動作を開始させることは好ましい。かかる構成によれば、インバーターの必要入力電圧に、動作開始時のマージンに相当する第２猶予電圧を加えた電圧より低いと判定された場合に初めて第１インバーターの動作開始条件が整うものとする。このため、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧より低くなるよりも早めに第１インバーターの動作を開始させることになるので、応答遅れなく燃料電池の電力変換を開始させることが可能である。よって、負荷装置に供給する電力が不足することを抑制可能である。
【発明の効果】
【００１７】
かかる発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバーターの不必要な駆動が禁止されるので、燃料電池システムの消費電力を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るＦＣＨＶシステムのシステム構成図。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの電力制御を実行する機能ブロック図。
【図３】燃料電池の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰREQの等電力線を示す特性図。
【図４】燃料電池における発電電力（Ｐｆｃ）−出力端子電圧（Ｖｆｃ）特性ｆ１とモーターの駆動電力（ＰＭ）−入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性ｆ２を示す特性図。
【図５】燃料電池必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター必要入力電圧ＶｉｎｖREQの時間変化例。
【図６】図４の特性において本発明を適用した場合におけるインバーター入力単位電圧Ｖｉｎｖの時間変化例。
【図７】本実施形態１に係る燃料電池システムの電力制御フローチャート。
【図８】本実施形態１における第１コンバーター１１の駆動制御コマンドＣVfcの例。
【図９】本実施形態２に係る第１コンバーター１１切り替えのタイミングを説明する波形図。
【図１０】本実施形態２に係る燃料電池システムの電力制御フローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。ただし、図面は模式的なものである。したがって、具体的な特性等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの特性が異なる部分が含まれていることは勿論である。また、以下の実施形態では、一つの制御装置で総ての処理をするように記載されているが、複数の制御部が協働して本発明に係る制御処理を完遂する場合をも含んでいる。
【００２０】
（実施形態１）
本実施形態１は、本発明の基本態様である、燃料電池の必要出力電圧およびインバーターの必要入力電圧のうち大きい方の電圧をインバーターの入力電圧として出力させる発明に関する。特に、燃料電池の必要出力電圧とインバーターの必要入力電圧とを比較し、燃料電池の必要出力電圧がインバーターの必要入力電圧以上であると判定された場合には、第１コンバーターの動作を停止させることを特徴とする電力制御方法に関する。
【００２１】
（システム構成）
図１は、本実施形態１に係る、車両に搭載される燃料電池システム１００のブロック図である。このような車両は、ハイブリッド形燃料電池車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）である。
【００２２】
燃料電池システム１００は、燃料電池１０、第１コンバーター１１、第２コンバーター１２、バッテリー１３、インバーター１４、モーター１５、補機インバーター１８、高圧補機１９、および制御装置２０を備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池１０は、複数の単位セルを直列に積層して構成される発電手段である。単位セルは、高分子電解質膜等のイオン交換膜をアノード極およびカソード極で狭み込んだ膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、セパレータで挟み込んだ構造を有している。アノード極はアノード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてあり、カソード極はカソード極用触媒層を多孔質支持層上に設けてある。各単位セルのアノード極には、セパレータを介して、図示しない燃料ガス供給系から燃料ガス（例えば水素ガス）が供給されるようになっている。各単位セルのカソード極には、セパレータを介して、図示しない酸化ガス供給系から酸化ガス（例えば空気）が供給されるようになっている。セパレータには、冷却液の流路が形成されており、図示しない冷却液供給系から、冷却液が供給されるようになっている。燃料電池１０においては、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じ、燃料電池１０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００２４】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
複数の単位セルが直列接続されることにより、燃料電池１０は出力端子に出力端子電圧Ｖｆｃを出力するようになっている。燃料電池１０は、所定の電流−電圧出力特性を有しており、出力端子電圧Ｖｆｃの変化に対応して、出力電流および出力電力が変化するようになっている。
【００２５】
第１コンバーター１１は、電圧変換器であり、ＤＣ−ＤＣコンバーターとしての構成を備えている。第１コンバーター１１は、三相運転方式が用いられている場合には、例えば三相ブリッジ形コンバーター等の回路構成を備えている。三相ブリッジ形コンバーターは、リアクトル、整流用のダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等からなるスイッチング素子を備えている。これらの素子を組み合わせることにより、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ−類似の回路部分と、その交流を再び整流して、異なる直流電圧に変換する部分とが形成される。なお、第１コンバーター１１の回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２６】
第１コンバーター１１は、一次側に燃料電池１０の出力端子が接続され、二次側にインバーター１４の入力端子が接続されている。第１コンバーター１１は、制御装置２０からの駆動させるためのコマンドＣVfcに従って、一次側の端子電圧（燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃ）を制御するように構成されている。すなわち、この第１コンバーター１１により、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃが目標出力に応じた電圧（すなわち、目標出力端子電圧Ｖｆｃ）となるように制御される。また第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃとインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとを整合させるように電圧を変換するように構成されている。また、第１コンバーター１１は、制御装置２０から動作を停止するコマンドＣVfcを受けた場合には、内部のスイッチング素子の一部をオン状態にして、一次側と二次側とが電気的に直結された状態となるように構成されている。
【００２７】
バッテリー１３は、蓄電装置であり、燃料電池１０で発電された電力のうち、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速または減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリー１３としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が利用される。バッテリー１３の出力端子電圧ＶBATが、第２コンバーター１２の入力端子電圧となる。
【００２８】
第２コンバーター１２は、電圧変換器であり、第１コンバーター１１と同様のＤＣ−ＤＣコンバーターとしての構成を備えている。第２コンバーター１２は、一次側にバッテリー１３の出力端子が接続され、二次側にインバーター１４の入力端子が接続されている。第２コンバーター１２は、制御装置２０からのコマンドＣVinvに従って、二次側の端子電圧（インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖ）を制御するように構成されている。例えば、モーター１５の要求電力が変化した場合、第２コンバーター１２は、設定された目標入力電圧となるまでインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを変化させる。そして、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖが目標入力電圧に到達した後に、第１コンバーター１１が、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを制御するように段階を踏んで制御されるよう構成されている。なお、第２コンバーター１２の回路構成は、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖの制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００２９】
インバーター１４は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換してモーター１５に供給するように構成されている。インバーター１４の回路構成は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータ回路を備えている。インバーター１４は、制御装置２０からのインバーター要求電圧を指示するコマンドＣVdに従って、所定の駆動電圧Ｖｄ（実効値）を有する三相交流電力をモーター１５に供給するように構成されている。また、現時点で出力している駆動電圧（インバーター出力電圧）Ｖｄを駆動電圧信号ＳVdとして制御装置２０に出力するように構成されている。
【００３０】
モーター１５は、車両走行用のトラクションモータであり、駆動電力が供給される場合には本車両に推進力を与え、減速された場合には回生電力を発生するようになっている。ディファレンシャル１６は、減速装置であり、モーター１５の高速回転を所定の比率で減速し、タイヤ１７が設けられたシャフトを回転させるように構成されている。回転数センサ２３は、モーター１５の回転数を検出して回転数信号ＳNを制御装置２０に出力するようになっている。
【００３１】
補機インバーター１８は、電力変換器であり、入力端子に供給される直流電流を交流電流に変換して高圧補機１９に供給するように構成されている。補機インバーター１８の回路構成は、上記インバーター１４と同じである。補機インバーター１８は、制御装置２０からのコマンドＣVd2に従って、所定の駆動電圧Ｖｄ２（実効値）を有する三相交流電力を高圧補機１９に供給するように構成されている。なお、高圧補機１９は、本燃料電池システム１００を機能させるための、図示しない加湿器、エアーコンプレッサー、水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の総称である。
【００３２】
制御装置２０は、燃料電池システム１００を制御するコンピュータシステムであり、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えている。制御装置２０は、アクセル開度センサー２１からアクセル開度Ａｃｃに応じたアクセル開度信号ＳACCを入力する。また、センサ群２２からの各種信号を入力し、制御に必要な各種演算を実施するようになっている。センサ群２２としては、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ、出力端子電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ、燃料電池１０の冷却液温度を検出する温度センサ、エアーコンプレッサーや水素ポンプ、及び冷却液ポンプ等の回転数を検出する回転数センサ等を含む。また、制御装置２０は、モーター１５の回転数Ｎを検出する回転数センサ２３からの回転数信号ＳNを入力する。
【００３３】
制御装置２０は、これらの信号を参照して、システム全体を制御する。
概略説明すると、制御装置２０は、アクセル開度Ａｃｃおよびモーター回転数Ｎに基づいてモーター要求トルクＴREQを演算する。そして、モーター要求トルクＴREQとモーター回転数Ｎとに基づいてモーター要求パワーＰMを演算する。次いで、モーター要求パワーＰM等に基づいて発電要求パワーＰREQを演算する。そして、発電要求パワーＰFCを出力させるために必要な燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃである要求出力電圧ＶｆｃREQを燃料電池１０の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から演算する。必要に応じて、制御装置２０は、燃料電池１０とバッテリー１３とのそれぞれの出力電力の配分を決定する。そして、求められた要求出力電圧ＶｆｃREQになるよう燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを制御するコマンドＣVfcを出力する。また、求められたバッテリー１３の要求電力が取り出せるように、第２コンバーター１２にコマンドＣVinvを出力して、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを制御する。また、制御装置２０は、モーター要求トルクＴREQが得られるように、インバーター１４にコマンドＣVdを出力して、所望の駆動電圧Ｖｄを出力させ、モーター１５のトルクを制御する。
【００３４】
特に、本実施形態１では、制御装置２０は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQのうち大きい方の電圧を、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして出力させるようなコマンドＣVdを出力する点に特徴がある。
【００３５】
（機能ブロック）
図２に、本実施形態１の制御装置２０により機能的に実現される、燃料電池システム１００の電力制御を実現するための機能ブロック図を示す。これらの機能ブロックは、制御装置２０が、定期的にまたは不定期に、本発明に係る制御処理（図８参照）を実行するプログラムを呼び出すことにより、機能的に実現される。
【００３６】
なお、図２に示す機能ブロックは便宜上機能を区分けした構成であり、必ずしも図２のとおりに機能分離していることを要しない。図２に列記した入力に基づいてインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを制御できる構成であれば、図２とは異なる機能ブロックで同様の機能を実現してもよい。
【００３７】
図２に示すように、制御装置２０は、機能ブロックとして、モーター要求トルク演算手段２０１、モーター要求パワー演算手段２０２、発電要求パワー演算手段２０３、燃料電池必要出力電圧演算手段２０４、インバーター必要入力電圧演算手段２０５、比較手段２０６、およびコンバーター動作制御手段２０７を備えて構成されている。
【００３８】
モーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度信号ＳACCから取得されたアクセル開度Ａｃｃ、および、回転数信号ＳNから取得されたモーター１５の回転数Ｎに基づき、出力要求トルクを演算し、モーター１５の要求トルクＴREQを演算する。モーターの一般的な特性として、モーターの回転数Ｎおよびアクセル開度Ａｃｃが定まると、回転数に応じて発生可能なトルクが定まる（以下この特性を「Ｎ−Ｔ特性」という。）。モーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度Ａｃｃに基づきこのようなＮ−Ｔ特性を参照し、モーター要求トルクＴREQを演算する。
【００３９】
モーター要求パワー演算手段２０２は、モーター要求トルクＴREQに基づいてモーター要求パワーを演算する機能ブロックである。モーター要求パワーＰMは、モーター要求トルクＴREQに回転数Ｎを乗じた値となる（ＰM＝ＮＸＴREQ）。
【００４０】
発電要求パワー演算手段２０３は、モーター要求パワーＰMに基づいて燃料電池の発電要求パワーＰREQを演算する機能ブロックである。発電要求パワーＰREQは、演算されたモーター要求パワーＰMに加えて、モーター以外の負荷装置の要求パワーを合計して演算する。例えば、高圧補機１９において必要とされる高圧補機パワーＰAUXをモーター要求パワーＰMに合計した値を発電要求パワーＰREQとして算出する。
【００４１】
燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、求められた発電要求パワーＰREQに基づいて燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQを演算する。
【００４２】
図３に、燃料電池１０の出力電流−出力電圧（Ｉ−Ｖ）特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰREQの等電力線を示す。通常運転時、燃料電池１０は、図３に示すような燃料電池Ｉ−Ｖ特性に従ってその出力電流および出力電圧を変化させる。上記演算により求められた燃料電池要求パワーＰREQは、図３において破線で示すような双曲線状の等電力線となる。燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０と燃料電池要求パワーＰREQとの交点が、本燃料電池システム１００の動作点ｐ０となる。
【００４３】
そこで、燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、図３の燃料電池I−Ｖ特性ｆ０を予め記憶しておき、発電要求パワーＰREQが求められたら、記憶された燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０を参照して、求められた燃料電池要求パワーＰREQとの交点を算出する。この交点が燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃREQと要求出力電流ＩｆｃREQとを特定する動作点ｐ０である。なお、燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃREQは、後述の図４で説明する燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１を参照して、燃料電池要求パワーＰREQに対応する燃料電池出力電圧として求めることも可能である。
【００４４】
インバーター必要入力電圧演算手段２０５は、インバーター１４のための必要入力電圧ＶｉｎｖREQを演算する機能ブロックである。インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQは、求められたモーター要求パワーＰMをインバーター１４に出力させるために必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして求められる。
【００４５】
図４に、燃料電池１０における発電電力（Ｐｆｃ）−出力端子電圧（Ｖｆｃ）特性（燃料電池Ｐ−Ｖ特性）ｆ１と、モーター１５の駆動電力（ＰM）−インバーター１４の入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性（モーター出力特性）ｆ２とを示す。図４において燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１に示されるように、燃料電池１０では出力端子電圧Ｖｆｃが減少していくに連れて発電パワーが上昇していく。また、図４においてモーター出力特性ｆ２に示されるように、モーター１５の駆動電力が上昇するに連れてインバーター１４に対する入力端子電圧Ｖｉｎｖが上昇していく。図４のモーター出力特性ｆ２において、モーター１５の駆動電力は、上記演算で求められるモーター要求パワーＰMに対応する。インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖは、上記演算で求められるインバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖREQに対応する。
【００４６】
インバーター必要入力電圧演算手段２０５は、図４のモーター出力特性ｆ２に示すようなモーター１５の駆動電力（ＰM）−インバーター１４の入力端子電圧（Ｖｉｎｖ）特性を予め記憶する。そして、求められたモーター要求パワーＰMに基づき、記憶されたモーター出力特性ｆ２を参照して、インバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖREQを算出する。
【００４７】
比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQとを比較する機能ブロックである。
【００４８】
モーター１５が要求されたとおりのパワー（モーター要求パワーＰM）で駆動されるためには、図４のモーター出力特性ｆ２で特定される入力端子電圧Ｖｉｎｖが最低電圧としてインバーター１４に入力されなければならない。ここで、図４において、燃料電池Ｐ−Ｖ特性ｆ１とモーター出力特性ｆ２とは、電力しきい値Ｐｔｈに対応する交点ｐ１において交差している。この電力しきい値Ｐｔｈより高い電力の領域Ｂでは、燃料電池１０がモーター１５に必要な電力を供給する際、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖよりも低くなっている。このため、必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを昇圧しなければならない。この昇圧処理を行う装置が第１コンバーター１１なのである。
【００４９】
一方、図４に示す電力しきい値Ｐｔｈ以下の電力の領域Ａでは、モーター１５を駆動するために必要なインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖを燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃが上回っている。よって、領域Ａの動作では、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをさらに昇圧する必要性が存在しない。燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給しても構わない場合である。
【００５０】
比較手段２０６は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQとを比較する。この比較は、図４の電力しきい値Ｐｔｈとの比較において、領域Ａ側で動作しているのか、領域Ｂ側で動作しているのかを検出することに等しい。その判定をコンバーター動作制御手段２０７が行う。
【００５１】
コンバーター動作制御手段２０７は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させる機能ブロックである。具体的には、コンバーター動作制御手段２０７は、上記判定に応じて動作を停止または継続させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。第１コンバーター１１は、動作を停止させるコマンドＣVfcを受けた場合には、電圧変換動作を停止し、第１コンバーター１１の一次側と二次側とを電気的に直結、すなわち導通した状態に維持する。これによって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃは、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖと等しくなる。上記の処理により、インバーター１４には、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
【００５２】
図５に、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQの時間変化例を示す。燃料電池車では、アクセル開度の変化等から負荷条件が刻々と変化する。負荷条件が変化するとモーター要求パワーＰMが変動する。モーター要求パワーＰMが変動するたびに、図４で説明したように、動作点が領域Ａ側に移動したり領域Ｂ側に移動したりする。動作点が領域Ａに移動している間は燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQより高くなる。一方、動作点が領域Ｂに移動している間はインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQが燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQより高くなる。図５は、このような必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQの変化を時間軸でプロットしたものとなる。
【００５３】
図６に、本実施形態１に係る燃料電池システム１００において、図５の例のように燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQとが変化した場合の、インバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖの変化を示す。本燃料電池システム１００では、上記比較手段２０６およびコンバーター動作制御手段２０７の作用により、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQのうち、大きい方の電圧がインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして出力される。
【００５４】
よって、図６に示すように、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQの方が燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQよりも大きい場合には、図４の領域Ｂに動作点があると判断される。よって、第２コンバーター１２の出力する必要入力電圧ＶｉｎｖREQがインバーター１４に入力される。一方、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQの方がインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQよりも大きい場合には、図４の領域Ａに動作点があると判断される。よって、第１コンバーター１１の動作が停止させられて直結状態となる結果、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃ（すなわち燃料電池必要出力電圧ＶｆｃREQ）が第１コンバーター１１を介して直接インバーター１４に供給される。
【００５５】
なお、動作点が領域Ａに存在する場合、第２コンバーター１２は、バッテリー１３の出力端子電圧ＶBATを燃料電池必要出力電圧ＶｆｃREQにまで昇圧してもよいが、遮断状態にしてもよい。遮断状態にする場合には、第２コンバーター１２においてスイッチング素子を総てオフ状態とする等の制御により、第２コンバーター１２の一次側と二次側とが電気的に絶縁される。遮断状態とすることによって、第２コンバーター１２の動作による電力消費を抑えることが可能である。
【００５６】
（動作）
次に、図６のフローチャートを参照しながら、上記機能ブロックで実現される本実施形態１の燃料電池システム１００の電力制御処理を説明する。以下の制御処理は、定期的にまたは不定期に繰り返し実行される処理となっている。例えば、本実施形態では、所定の制御周期毎に、図６に示すような制御処理を実行するソフトウェアプログラムが呼び出される（コールされる）ものとする。
【００５７】
ステップＳ１０において、制御装置２０は、制御周期毎に訪れる制御タイミングであるか否かを判定する。判定の結果、制御タイミングが到来していた場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行し、図２に示すモーター要求トルク演算手段２０１は、アクセル開度センサー２１からアクセル開度信号ＳACCを読み込み、回転数センサ２３から回転数信号ＳNを読み込む。そしてアクセル開度信号ＳACCが示すアクセル開度Ａｃｃと、回転数信号ＳNが示すモーター回転数Ｎとに基づいて、出力要求トルクを演算し、さらにモーター要求トルクＴREQを演算する。すなわち、所定のＮ−Ｔ特性を示すデータテーブルまたは関係式を参照して、アクセル開度Ａｃｃに対応した回転数Ｎ−モーター要求トルク特性ＴREQを特定し、当該Ｎ−Ｔ特性からモーター回転数Ｎに応じたモーター要求トルクＴREQを演算する。
【００５８】
次いでステップＳ１２に移行し、図２に示すモーター要求パワー演算手段２０２は、モーター要求トルクＴREQに基づいてモーター要求パワーＰMを演算する。具体的には、モーター要求トルクＴREQに回転数Ｎを乗じた値をモーター要求パワーＰM（＝ＮＸＴREQ）として演算する。
【００５９】
次いでステップＳ１３に移行し、図２に示す発電要求パワー演算手段２０３は、演算されたモーター要求パワーＰMと、高圧補機１９において必要とされる高圧補機パワーＰAUXとを合計した値を発電要求パワーＰREQとして算出する。
【００６０】
次いでステップＳ１４に移行し、図２に示す燃料電池必要出力電圧演算手段２０４は、図３に示すような燃料電池I−Ｖ特性ｆ０を参照する。そして、求められた燃料電池要求パワーＰREQと燃料電池Ｉ−Ｖ特性ｆ０との交点を特定し、燃料電池１０の要求出力電圧ＶｆｃREQを演算する。
【００６１】
次いでステップＳ１５に移行し、図２に示すインバーター必要入力電圧演算手段２０５は、求められたモーター要求パワーＰMに基づき、図４に示すようなモーター出力特性ｆ２を参照し、インバーター１４の要求入力電圧ＶｉｎｖREQを算出する。
【００６２】
次いでステップＳ１６において、図２に示す比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQとを比較する。その結果、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１７に移行する。そして、図２に示すコンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。動作を停止させるコマンドＣVfcを受けた第１コンバーター１１は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給される。
【００６３】
一方、ステップＳ１６において、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQよりも低いと判定された場合には（ＮＯ）、ステップＳ１８に移行する。コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を継続させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。これを受けて、第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを、第２コンバーター１２によってインバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで昇圧する動作を継続する。
【００６４】
なお、ステップＳ１０において、制御タイミングでないと判断された場合には（ＮＯ）、当該制御処理は実行されずに終了する。
【００６５】
図８に、上記電力処理によって変化する第１コンバーター１１への駆動制御コマンドＣVfcの例を示す。図８に示すように、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上である場合には、第１コンバーター１１に駆動の指令が出力される。一方、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQよりも低いと判定された場合には、第１コンバーター１１に駆動停止の指令が出力される。
【００６６】
以上の処理により、当該電力処理係属中、インバーター１４には、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQのうち大きい方の電圧が出力されるようになる。
【００６７】
（本実施形態１における利点）
本実施形態１によれば、以下のような利点を有する。
（１）燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQおよびインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQのうち大きい方が選択されるので、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃの方がインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖより高くなくことが回避される。よって、無駄な第１コンバーター１１の動作が回避され、コンバーター動作に係る電力消費を抑制することが可能となる。
【００６８】
（２）燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止するので、無駄な電力変換動作を抑制することが可能である。
【００６９】
（３）第１コンバーター１１は、動作停止が指令されると一次側と二次側とを電気的に直結した状態に維持するので、動作を停止させるコマンドＣVfcにより、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃをインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖに容易に供給可能である。
【００７０】
（４）第２コンバーター１２は、第１コンバーター１１を動作停止状態にしている間に遮断状態とされる場合には、さらに第２コンバーター１２に係る消費電力を抑制することが可能である。
【００７１】
（実施形態２）
本実施形態２は、上記実施形態１の電力制御にヒステリシス制御を加えることにより、安定的、かつ、応答遅れの無い電力制御を可能とする燃料電池システム１００の電力制御方法に関する。
【００７２】
本実施形態２において、燃料電池システム１００の構成については、図１〜図６に基づき説明した上記実施形態１と同様であるため、同じ符号を使用することとし、その説明を省略する。
【００７３】
図２に示す機能ブロック図の各構成についても上記実施形態１と同様である。但し、比較手段２０６およびコンバーター動作制御手段２０７において、第１コンバーター１１に動作停止および動作開始を指示するための駆動制御コマンドＣVfcを送信するタイミングが異なる。
【００７４】
図９に、本実施形態２に係る第１コンバーター１１切り替えのタイミングを説明する波形図を示す。図９は、図５に示したような燃料電池必要出力電圧ＶｆｃREQとインバーター必要入力電圧ＶｉｎｖREQの時間変化の一部を拡大したものである。
【００７５】
上記実施形態１では、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上であると判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させていた。また、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQよりも低くなったと判定された場合に、第１コンバーター１１の動作を開始させていた。
【００７６】
これに対し、本実施形態２では、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上となっても、その時点で第１コンバーター１１の動作を停止させない。必要出力電圧ＶｆｃREQと必要入力電圧ＶｉｎｖREQとの差がさらにマージンである第１猶予電圧ΔＶ１以上の差になった時に初めて第１コンバーター１１の動作を停止させる。すなわち、式（４）の関係が満たされた場合に、第１コンバーター１１の動作を停止させる。
必要出力電圧ＶｆｃREQ≧必要入力電圧ＶｉｎｖREQ＋ΔＶ１  …（４）
【００７７】
また、本実施形態２では、第１コンバーター１１の動作を開始させるために、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQより低くなるまで待たない。必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQに近づいて、両者の差がマージンである第２猶予電圧ΔＶ２以内に入ってきたら、前倒しして第１コンバーター１１の動作の再開を指示する。すなわち、式（５）の関係が満たされた場合に、第１コンバーター１１の動作を開始させる。
必要出力電圧ＶｆｃREQ≧必要入力電圧ＶｉｎｖREQ−ΔＶ２  …（５）
【００７８】
次に、図６のフローチャートを参照しながら、本実施形態２の燃料電池システム１００の電力制御処理を説明する。
【００７９】
ステップＳ１０〜ステップＳ１５までは、上記実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【００８０】
ステップＳ２１において、比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQが、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQおよび第１猶予電圧ΔＶ１の合計電圧以上であるか否かを比較する。その結果、必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQ＋第１猶予電圧ΔＶ１以上であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２では、コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。動作を停止させるコマンドＣVfcを受けた第１コンバーター１１は、電圧変換動作を停止してその一次側と二次側とを電気的に直結する。この動作によって、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃがインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖとして供給される。必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQ＋第１猶予電圧ΔＶ１以上ではないと判定された場合には（ＮＯ）、ステップＳ２３に移行する。
【００８１】
次いで、ステップＳ２３において、比較手段２０６は、求められた燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQが、インバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQから第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入っているか否かを比較する。その結果、必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQ−第２猶予電圧ΔＶ２以下であると判定された場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ２４に移行する。ステップＳ２４では、コンバーター動作制御手段２０７は、第１コンバーター１１の動作を停止させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。第１コンバーター１１の動作を継続させるコマンドＣVfcを第１コンバーター１１に出力する。これを受けて、第１コンバーター１１は、燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃを、第２コンバーター１２によってインバーター１４に供給される入力端子電圧Ｖｉｎｖにまで昇圧する動作を継続する。必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQ−第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入っていないと判定された場合には（ＮＯ）、当該電力制御処理を終了する。
【００８２】
以上の処理により、当該電力処理係属中、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQを第１猶予電圧ΔＶ１だけ超えてから、インバーター１４が停止される。よって、図９に示すように、必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQに等しくなる時刻ｔ１０から時間Δｔ１だけ遅れた時刻ｔ１１に初めて、第１コンバーター１１の動作が停止する。また、一旦、第１コンバーター１１の動作が停止した後は、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQから第２猶予電圧ΔＶ２以内の範囲に入った場合に、インバーター１４の動作が再開する。よって、図９に示すように、再び必要出力電圧ＶｆｃREQが必要入力電圧ＶｉｎｖREQに等しくなる時刻ｔ２１から時間Δｔ２だけ先行した時刻ｔ２０に、第１コンバーター１１の動作が開始する。
【００８３】
以上、本実施形態２によれば、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQ以上になってから、若干の時間Δｔ１が経過するまで待つことになる。よって、確実にインバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖの方が燃料電池１０の出力端子電圧Ｖｆｃより高くなってから第１コンバーター１１を停止させることが可能である。よって、無駄な電力消費を確実に抑制可能である。
【００８４】
また、本実施形態２によれば、燃料電池１０の必要出力電圧ＶｆｃREQがインバーター１４の必要入力電圧ＶｉｎｖREQより低くなるよりも若干の時間Δｔ２だけ早めに第１インバーター１１の動作を開始させる。よって、応答遅れなく燃料電池１０の電力変換を開始させ、モーター１５に供給する電力が不足することを抑制可能である。
【００８５】
（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨に反しない範囲において、適宜変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、第１コンバーター１１、第２コンバーター１２、およびインバーター１４を備える燃料電池システム１００に本発明を適用したが、このような構成に限定されることはない。ＤＣ−ＤＣコンバーターが１つ、または、３つ以上備えるような燃料電池システムについても、本発明を適用することが可能である。
【００８６】
また、モーター１５が直流駆動可能であって、インバーター１４を必要としない燃料電池システムに対しても本発明を適用可能である。このような燃料電池システムでは、インバーター１４の入力端子電圧Ｖｉｎｖに代えて、モーター１５の駆動電圧Ｖｄを第２インバーター１２の制御対象電圧とすればよい。
【００８７】
また、負荷装置は、必ずしもモーターである必要はない。その入力電圧−消費電力特性が図４に示すように燃料電池Ｐ−Ｖ特性と交差するような負荷装置であれば、本願発明を適用可能である。
【００８８】
また、上記実施形態では、出力要求としてアクセル（ガスペダル）開度Ａｃｃを入力していたがこれに限定されない。例えば、載置型の燃料電池システムでは、アクセルに相当する操作手段が存在しない場合がある。このようなシステムでは、アクセル以外の出力要求に関する情報を利用するように構成すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明の燃料電池システムおよびその制御方法は、車両に限らず、他の移動体に搭載して適用可能である。そのような移動体として、列車、船舶、航空機、潜水艇等に適用可能である。また、車両のような移動体に限らず、定置型電源システム、携帯型電源システムにも適用可能である。
【符号の説明】
【００９０】
１０…燃料電池、１１…第１コンバーター、１２…第２コンバーター、１３…バッテリー、１４…インバーター、１５…モーター、１６…ディファレンシャル、１７…タイヤ、１８…補機インバーター、１９…高圧補機、２０…制御装置、２１…アクセル開度センサー、２２…センサ群、２３…回転数センサ、１００…燃料電池システム、２０１…モーター要求トルク演算手段、２０２…モーター要求パワー演算手段、２０３…発電要求パワー演算手段、２０４…燃料電池必要出力電圧演算手段、２０５…インバーター必要入力電圧演算手段、２０６…比較手段、２０７…コンバーター動作制御手段、Ａｃｃ…アクセル開度、Ｎ…モーター回転数、ＰAUX…高圧補機パワー、ＰREQ…発電要求パワー、ＰM…モーター要求パワー、ＳACC…アクセル開度信号、ＳN…回転数信号、ＳVd…駆動電圧信号、ＴREQ…モーター要求トルク、ＶBAT…バッテリー出力端子電圧、Ｖｄ…駆動電圧（インバーター１４の出力電圧）、Ｖｄ２…駆動電圧（インバーター１８の出力電圧）、Ｖｆｃ…燃料電池１０の出力端子電圧、Ｖｉｎｖ…インバーター１４の入力端子電圧、ＶｆｃREQ…燃料電池必要出力電圧、ＶｉｎｖREQ…インバーター必要入力電圧、ＣＶｆｃ…第１コンバーター１１用の駆動制御コマンド、ＣＶｉｎｖ…第２コンバーター１２用の駆動制御コマンド、ΔＶ１…第１猶予電圧、ΔＶ２…第２猶予電圧
【国際調査報告】
2010143247.tif 000013
2010143247.tif 000014