(57)【要約】【課題】  燃料電池の出力電力が過渡状態にある時における無駄な消費電力及び燃料電池に対する供給ガスの過不足を抑制することができる燃料電池電源装置を提供する。【解決手段】  駆動モータ３に対して並列に接続された燃料電池１１、電気二重層キャパシタ１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して駆動モータ３に対して並列に接続された二次電池１４とを備え、燃料電池１の発電を適切に制御する。このとき、トルク−電力変換部４１により駆動モータ３に供給する必要がある要求供給電力Ｐｉｎ＊を算出し、加算器４４により、当該要求供給電力Ｐｉｎ＊と、燃料電池出力可能電力Ｐｆとキャパシタ電力Ｐｃとを加算した出力可能電力Ｐｉｎとの差分電力を求め、フィードバック補償器４５により当該差分電力に基づいて燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を決定することによって、キャパシタ電力Ｐｃを考慮して燃料電池１１を発電させるフィードバック制御を行う。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して並列に接続された燃料電池と、
前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、
ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池と、
前記燃料電池、前記キャパシタ及び前記二次電池から前記負荷に電力供給させる制御を行う制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出し、当該要求供給電力と、前記燃料電池の出力可能電力と前記キャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御することを特徴とする燃料電池電源装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記要求供給電力が増加する力行時には、前記燃料電池の出力可能電力に基づく燃料電池出力可能電圧と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とを一致させて、前記燃料電池及び前記キャパシタから前記負荷に電力を供給させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記燃料電池の出力可能電力に基づく燃料電池出力可能電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とを一致させる制御を継続して、前記燃料電池及び前記キャパシタから前記負荷に電力を供給する状態から、前記燃料電池及び前記二次電池から前記負荷に電力供給する状態に切り換えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池電源装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記要求供給電力が低下する回生時には、前記キャパシタの電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とを一致させて、前記キャパシタに前記負荷からの回生電力を充電させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池電源装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記キャパシタの電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とを一致させた後に、前記キャパシタの電圧が上限電圧となった場合には、当該上限電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧とを一致させて、前記負荷からの回生電力を前記二次電池に充電させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池電源装置。
【請求項６】
負荷に対して並列に接続された燃料電池と、前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池電源装置の制御方法において、
前記負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出するステップと、
前記要求供給電力と、前記燃料電池の出力可能電力と前記キャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を算出するステップと、
前記差分電力に基づいて前記燃料電池の発電を制御するステップと
を有することを特徴とする燃料電池電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば燃料電池、電気二重層キャパシタ及び二次電池を備えた燃料電池車両において、負荷への電力の供給及び負荷からの回生電力の回収を行う燃料電池電源装置及び燃料電池電源装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池を搭載した燃料電池車両の動力源としては、燃料電池と電気二重層キャパシタと二次電池とを並列に組み合わせて使用するハイブリッド型の燃料電池電源装置が知られている。
【０００３】
このような燃料電池電源装置は、電力供給先となる走行用モータに要求される電力が急増するような負荷変動時に、燃料電池の出力電力が不足する状態となると、電気二重層キャパシタ及び二次電池に充電しておいた電力を走行用モータに供給することにより、燃料電池の出力電力の不足分を補っている。これにより、従来では、走行用モータに要求される電力を安定して供給している。
【０００４】
また、燃料電池電源装置は、燃料電池車両の減速時において、走行用モータの回生電力を電気二重層キャパシタ及び二次電池で回収させることにより、走行用モータを発電機として機能させる。この走行用モータの回生電力は、走行用モータのトルク出力軸が外力によって強制的に回転させられる場合に、走行用モータから発生する逆起電力である。したがって、燃料電池から走行用モータに電力供給している場合とは逆に、走行用モータから電気二重層キャパシタや二次電池に回生電力を充電させている期間では、走行用モータから燃料電池へ電流が流入することを防止するために、燃料電池と、走行用モータ、電気二重層キャパシタ及び二次電池とを電気的に切り離しておく必要がある。したがって、燃料電池電源装置は、燃料電池と、走行用モータ、電気二重層キャパシタ及び二次電池との間に、ダイオードを設けた電気回路構成としている。
【０００５】
このような燃料電池電源装置において、従来では、下記の特許文献１に記載された技術を使用して、燃料電池の発電を制御している。この特許文献１に記載された燃料電池電源装置は、予め燃料電池の電流−電圧特性及び電気二重層キャパシタの電流−電圧特性を決めておき、当該各電流−電圧特性を用いて、電気二重層キャパシタに流入又は流出する電力を考慮して燃料電池に対する発電要求を補正している。すなわち、この燃料電池電源装置では、燃料電池の電流−電圧特性及び電気二重層キャパシタの電流−電圧特性を一定であるものと見なして、フィードフォワード的に燃料電池に対する発電要求を補正していた。
【特許文献１】特開２００２−３０５０１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の燃料電池電源装置では、燃料電池や電気二重層キャパシタの電流−電圧特性等から求めた定常的な補正量によって、燃料電池に対する発電要求をフィードフォワード的に補正していたので、発電電力の要求に対して実際の燃料電池の出力電力が遅れ要素を持ち、走行用モータの負荷変動時において燃料電池の出力電力に遅れが発生している過渡期間中に、無駄な補機等の電力消費や、水素ガス等の供給ガスの過不足を完全に解消することができなかった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の出力電力が過渡状態にある時における無駄な消費電力及び燃料電池に対する供給ガスの過不足を抑制することができる燃料電池電源装置及び燃料電池電源装置の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】
【０００８】
本発明は、負荷に対して並列に接続された燃料電池と、前記負荷に対して並列に接続されたキャパシタと、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して、前記負荷に対して並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池電源装置の燃料電池の発電を適切に制御することによって、上述の課題を解決する。
【０００９】
すなわち、本発明では、負荷に電力供給させるに際して、負荷に供給する必要がある要求供給電力を算出し、当該要求供給電力と、燃料電池の出力可能電力とキャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を求め、当該差分電力に基づいて燃料電池の発電電力を制御することによって、キャパシタの充電電力を考慮した発電電力とするフィードバック制御を行う。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、負荷に電力供給させるに際して、負荷に供給する必要がある要求供給電力と、燃料電池の出力可能電力とキャパシタの充電電力とを加算した出力可能電力との差分電力を求め、当該差分電力に基づいて燃料電池の発電電力を制御するので、燃料電池の発電電力をキャパシタの充電電力を考慮した発電電力とすることができ、過渡状態における燃料電池の無駄な電力消費や燃料電池に対する反応ガスの過不足を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明は、例えば燃料電池システムを備えた燃料電池車両の車両駆動システムに搭載され、当該燃料電池車両の走行トルクを発生させる駆動用電源として機能する燃料電池電源装置１に適用される。
【００１３】
［車両駆動システムの構成］
燃料電池電源装置１は、図１に示すように、モータ制御装置２を介して駆動モータ３に接続され、当該駆動モータ３に駆動電力の供給を行うと共に、駆動モータ３からの回生電力をモータ制御装置２を介して回収する。また、この燃料電池電源装置１は、電源制御装置４及び燃料電池制御装置５のフィードバック制御によって燃料電池１１の発電電力が制御される。
【００１４】
燃料電池電源装置１は、燃料電池１１、ダイオード１２、電気二重層キャパシタ１３、二次電池１４及びＤＣ／ＤＣコンバータ１５からなる。この燃料電池電源装置１は、燃料電池１１、電気二重層キャパシタ１３及び二次電池１４が駆動モータ３に対して並列に接続されている。これにより、燃料電池電源装置１は、燃料電池１１と電気二重層キャパシタ１３と二次電池１４との合計電力を駆動電力として駆動モータ３に供給すると共に、駆動モータ３の回生電力を電気二重層キャパシタ１３及び二次電池１４に充電する。また、ダイオード１２は、駆動モータ３の回生時において駆動モータ３から燃料電池１１を電気的に切り離すために設けられ、駆動モータ３から燃料電池１１に電流が流れ込むことを防止するために設けられている。
【００１５】
燃料電池１１は、モータ制御装置２及び駆動モータ３に対して並列に接続されている。この燃料電池１１は、例えば水素ガスを含む燃料ガスと酸素を含む空気である反応ガスが供給されることによって電気化学反応を行って発電する。この燃料電池１１は、図示しない高圧水素タンクや配管等からなる水素供給系や、コンプレッサや配管等からなる空気供給系を備えた燃料電池システムと接続され、後述の燃料電池制御装置５で決定された燃料電池１１に要求される発電電力に応じた水素圧力及び流量、空気圧力及び流量で反応ガスが供給される。
【００１６】
また、この燃料電池１１は、燃料電池制御装置５と接続され、燃料電池制御装置５によって燃料電池１１の温度や反応ガス圧力及び流量等の燃料電池１１の出力可能電力に関する情報が読み取られる。これによって、燃料電池制御装置５は、燃料電池１１や燃料電池システムから読み取った現在の燃料電池１１の状態に基づいて計算した出力可能電力を、燃料電池出力可能電力Ｐｆとして電源制御装置４に供給する。ここで、燃料電池制御装置５は、例えば燃料電池１１の温度値及び反応ガス供給状態等に対する出力可能電力を記述したマップデータを参照して、燃料電池出力可能電力Ｐｆを計算する。
【００１７】
電気二重層キャパシタ１３は、モータ制御装置２及び駆動モータ３に対して並列に接続されている。この電気二重層キャパシタ１３は、充電した電力を駆動モータ３側に放電すると共に、駆動モータ３側からの回生電力を回収する。また、電気二重層キャパシタ１３は、充電電力であるキャパシタ電力Ｐｃが電源制御装置４によって読み取られる。
【００１８】
二次電池１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介して、モータ制御装置２及び駆動モータ３に並列に接続されている。この二次電池１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧が調整されることによって充放電が制御され、駆動モータ３側に電力を放電すると共に、駆動モータ３側からの回生電力を回収する。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、インバータ２１の正端子と負端子との間のＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤを制御する。このＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、図２に示すように、負荷側、すなわちモータ制御装置２及び駆動モータ３側にスイッチング素子Ｔｒ１及びスイッチング素子Ｔｒ２が接続され、二次電池１４側であってスイッチング素子Ｔｒ１とスイッチング素子Ｔｒ２との接続線にコイルＬ１が接続されている。
【００２０】
また、このＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、電源制御装置４の制御に従ってスイッチング素子Ｔｒ１及びスイッチング素子Ｔｒ２をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する制御回路（図示せず）を備えている。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、電源制御装置４からのＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊が供給され、当該ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊にＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤを一致させるようにスイッチング素子Ｔｒ１及びスイッチング素子Ｔｒ２の作動デューティ比をＰＷＭ制御する。
【００２１】
モータ制御装置２は、燃料電池電源装置１及び駆動モータ３と接続されたインバータ２１と、モータコントローラ２２とから構成される。
【００２２】
インバータ２１は、駆動モータ３が三相交流モータからなる場合、駆動モータ３の各相に電流を供給することによって、駆動モータ３を駆動させる。このインバータ２１は、図示しない複数のスイッチング素子にＤＣ／ＤＣコンバータ１５のＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤが印加され、モータコントローラ２２によって各スイッチング素子のデューティ比が制御されることによって、駆動モータ３に供給する駆動電力を制御する。
【００２３】
モータコントローラ２２は、図示しない要求トルク算出装置から、燃料電池車両のアクセルペダル踏み込み量等に基づく駆動モータ３の要求トルクＴ＊が供給される。このモータコントローラ２２は、要求トルクＴ＊が供給されると、当該要求トルクＴ＊を発生させるための駆動電力を駆動モータ３に供給するようにインバータ２１を制御する。このとき、モータコントローラ２２は、インバータ２１との間で情報交換することによって、インバータ２１の現在のデューティ比を、要求トルクＴ＊を発生させる駆動電力を供給するデューティ比とするようにインバータ２１を制御する。また、このモータコントローラ２２は、インバータ２１から駆動モータ３に駆動電力の供給をさせているときに、駆動モータ３のモータ回転数Ｎｍを検出して、電源制御装置４に供給する。
【００２４】
電源制御装置４は、燃料電池電源装置１をフィードバック制御するための処理手順を記述したプログラムやパラメータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び当該ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）等からなるマイクロコンピュータで構成されており、図１に示す各機能部４１〜４５を備える。この電源制御装置４は、モータ制御装置２と接続されたトルク−電力変換部４１、燃料電池電源装置１と接続されたＤＣ／ＤＣ制御部４２及び出力可能電力算出部４３、加算器４４、燃料電池制御装置５と接続されたフィードバック補償器４５を備える。
【００２５】
トルク−電力変換部４１は、モータコントローラ２２からモータ回転数Ｎｍが供給されると共に、要求トルクＴ＊が供給され、当該要求トルクＴ＊を駆動モータ３で発生させるために燃料電池電源装置１から駆動モータ３に供給する必要がある要求供給電力Ｐｉｎ＊を演算する。
【００２６】
出力可能電力算出部４３は、キャパシタ電力Ｐｃ及び燃料電池出力可能電力Ｐｆが供給され、当該キャパシタ電力Ｐｃ及び燃料電池出力可能電力Ｐｆを用いて、燃料電池電源装置１から駆動モータ３に供給できる出力可能電力Ｐｉｎを算出する。
【００２７】
また、出力可能電力算出部４３は、燃料電池出力可能電力Ｐｆで燃料電池１１を発電させた場合にインバータ２１に印加される燃料電池出力可能電圧Ｖｆを算出する。更に、出力可能電力算出部４３は、キャパシタ電力Ｐｃに基づいて電気二重層キャパシタ１３の両端電圧であるキャパシタ出力可能電圧Ｖｃを算出する。なお、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃは、電気二重層キャパシタ１３の両端に接続した電圧センサによる検出値を使用しても良く、電気回路を数式に置き換えた規範回路モデルの演算値を使用しても良い。更には、本例では、出力可能電力算出部４３で演算する場合を説明するが、ＤＣ／ＤＣ制御部４２で測定又は演算しても良い。
【００２８】
ＤＣ／ＤＣ制御部４２は、要求供給電力Ｐｉｎ＊、燃料電池出力可能電圧Ｖｆ及びキャパシタ出力可能電圧Ｖｃから、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤの目標値であるＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊を演算して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に供給する。
【００２９】
フィードバック補償器４５は、加算器４４から供給された要求供給電力Ｐｉｎ＊と出力可能電力Ｐｉｎとの差分から、当該差分をなくすような燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を演算する。これにより、燃料電池制御装置５は、燃料電池１１に必要な反応ガス圧力及び流量を求めて、水素供給系及び空気供給系を制御することによって、以前に出力した燃料電池出力可能電力Ｐｆを燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊に一致させるようなフィードバック制御を行う。
【００３０】
このように、電源制御装置４は、駆動モータ３の力行時において、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤを設定することによって、電気二重層キャパシタ１３の電力を最優先で駆動モータ３に供給させる状態とし、駆動モータ３に供給する必要がある駆動電力のうち燃料電池１１，電気二重層キャパシタ１３，二次電池１４から出力する電力の配分を算出する。そして、当該配分に従った燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を燃料電池１１で発電させるフィードバック制御である電源制御処理を行う。また、電源制御装置４は、駆動モータ３の回生時において、電気二重層キャパシタ１３に最優先で回生電力を充電させる電源制御処理を行う。
【００３１】
［車両駆動システムの電源制御処理］
つぎに、上述したように構成された車両駆動システムによって、燃料電池電源装置１の動作を制御する電源制御処理について図３乃至図５のフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
この電源制御処理は、駆動モータ３にトルクを発生させて燃料電池車両を走行させている時において、所定期間ごとに実行され、先ず図３のステップＳ１及びステップＳ２に示すように、要求供給電力Ｐｉｎ＊及び出力可能電力Ｐｉｎを算出する。
【００３３】
このとき、トルク−電力変換部４１は、要求トルクＴ＊及びモータ回転数Ｎｍを取得し、下記の式１に示す演算を行って、要求供給電力Ｐｉｎ＊を算出する（ステップＳ１）。
【００３４】
Ｐｉｎ＊＝Ｔ＊×（Ｎｍ／η）       （式１）
上記式１において、要求トルクＴ＊は、アクセルペダル踏み込み量に基づいた駆動モータ３に要求されるトルクであり、ηは、予め設定された駆動モータ３の効率である。
【００３５】
また、出力可能電力算出部４３は、ステップＳ２において、燃料電池制御装置５から燃料電池出力可能電力Ｐｆを取得すると共に、電気二重層キャパシタ１３のキャパシタ電力Ｐｃを読み取って、下記の式２に示す演算を行って、出力可能電力Ｐｉｎを算出する。
【００３６】
Ｐｉｎ＝Ｐｆ＋Ｐｃ＋ＰＤＤ  （式２）
ここで、燃料電池出力可能電力Ｐｆ及びキャパシタ電力Ｐｃは、現在の燃料電池１１から出力可能な電力及び電気二重層キャパシタ１３から出力可能な電力であり、ＰＤＤは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力可能な電力（ＤＣ／ＤＣ出力可能電力）である。ここで、後述するが、駆動モータ３の力行時には、燃料電池１１及び二次電池１４よりも電気二重層キャパシタ１３を最優先に放電させて駆動モータ３に駆動電力の供給を行い、駆動モータ３の回生時には、二次電池１４よりも電気二重層キャパシタ１３を最優先に充電させるので、ＤＣ／ＤＣ出力可能電力ＰＤＤは、ステップＳ２において０［Ｗ］としておく。
【００３７】
このように要求供給電力Ｐｉｎ＊及び出力可能電力Ｐｉｎが算出されると、加算器４４によって電力差分が算出されてフィードバック補償器４５に供給される。次に、ステップＳ３において、フィードバック補償器４５は、加算器４４から供給された電力差分を無くすような燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊をＰＩＤ演算等によって算出して、燃料電池制御装置５に供給する。
【００３８】
ここで、出力可能電力Ｐｉｎは、上記式２に示すように燃料電池出力可能電力Ｐｆにキャパシタ電力Ｐｃを加算した合計値であるので、燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊は、要求供給電力Ｐｉｎ＊からキャパシタ電力Ｐｃを差し引いた要求電力となっている。また、上記式２においてＤＣ／ＤＣ出力可能電力ＰＤＤは、０［Ｗ］としているので、燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊は、二次電池１４から放電させずに要求供給電力Ｐｉｎ＊を満たすような燃料電池１１の発電電力となっている。これによりフィードバック補償器４５は、要求供給電力Ｐｉｎ＊からキャパシタ電力Ｐｃを差し引いた電力を燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊とし、燃料電池１１と電気二重層キャパシタ１３とで駆動モータ３に供給する駆動電力の配分を決定したことになる。
【００３９】
そして、燃料電池制御装置５は、燃料電池１１の発電電力が燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊となるように燃料電池１１に供給する水素圧力及び流量、空気圧力及び流量を変更する制御を行う。その後、燃料電池制御装置５は、燃料電池１１の発電電力を検出すると共に、燃料電池１１の温度等を検出し、燃料電池出力可能電力Ｐｆを算出して電源制御装置４に供給する。
【００４０】
次にＤＣ／ＤＣ制御部４２は、ステップＳ１で演算した要求供給電力Ｐｉｎ＊が、０［Ｗ］以上か否かを判定することによって、駆動モータ３を力行させるか否かを判定し、力行させる場合には、ステップＳ５において力行時のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御を行い、力行させない回生時にはステップＳ６において、回生時のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御を行う。そして、ステップＳ５及びステップＳ６において、ＤＣ／ＤＣ制御部４２は、ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊を決定して、ステップＳ７においてＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤをＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊となるように制御する。
【００４１】
ステップＳ５における力行時のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御は、図４に示すように、先ずステップＳ１１において、出力可能電力算出部４３によって、燃料電池出力可能電力Ｐｆを用いて燃料電池１１の電流−電圧特性を参照して、燃料電池出力可能電圧Ｖｆを算出する。次にステップＳ１２において、出力可能電力算出部４３は、ステップＳ１１で算出した燃料電池出力可能電圧ＶｆをＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊に設定する。これにより、ステップＳ７において、ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に供給して、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤと燃料電池出力可能電圧Ｖｆとを一致させる。
【００４２】
このようにＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤと燃料電池出力可能電圧Ｖｆとを一致させた状態において、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤ及び燃料電池出力可能電圧Ｖｆよりもキャパシタ出力可能電圧Ｖｃが高い場合には、燃料電池１１及び二次電池１４への駆動モータ３に対する電力供給に優先して、電気二重層キャパシタ１３の放電が行われる。特に、燃料電池１１の発電電力を上昇させる必要がある負荷変動時であって、燃料電池１１の発電電力の立ち上がりに遅れが生じる過渡期間には、実際の燃料電池１１の出力電圧よりもキャパシタ出力可能電圧Ｖｃが高くなり、電気二重層キャパシタ１３から放電される電力が高くなる。
【００４３】
このように燃料電池１１の発電電力不足を電気二重層キャパシタ１３で補い、電気二重層キャパシタ１３のキャパシタ電力Ｐｃが低下した場合においては、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤと燃料電池出力可能電圧Ｖｆとを一致させていることによって、二次電池１４の放電によって燃料電池１１の発電電力不足を補う。
【００４４】
一方、ステップＳ６における回生時のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の制御は、図５に示すように、先ずステップＳ２１において、出力可能電力算出部４３によって、キャパシタ電力Ｐｃからキャパシタ出力可能電圧Ｖｃを算出し、ＤＣ／ＤＣ制御部４２は、ステップＳ２１で算出されたキャパシタ出力可能電圧Ｖｃと予め設定されたキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘとを比較する。
【００４５】
そして、ＤＣ／ＤＣ制御部４２は、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃがキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘ以下であると判定した場合には、ステップＳ２２において、ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊をキャパシタ出力可能電圧Ｖｃに設定し、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃがキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘと同値又は以上であると判定した場合には、ステップＳ２３において、ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊をキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘに設定する。これによって、ステップＳ７において、ＤＣ／ＤＣ目標出力電圧ＶＤＤ＊をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に供給して、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとキャパシタ出力可能電圧Ｖｃ又はキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘとを一致させる。
【００４６】
このように駆動モータ３の回生時にキャパシタ出力可能電圧ＶｃとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させることによって、二次電池１４よりも電気二重層キャパシタ１３に優先して回生電力を充電させる。その後、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃがキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘとなった場合には、キャパシタ上限電圧ＶｃｍａｘとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させて、電気二重層キャパシタ１３に充電できない回生電力分を二次電池１４に充電させる。
【００４７】
つぎに、このような電源制御処理を行った時の燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊、燃料電池１１の発電電力、キャパシタ電力Ｐｃ、二次電池１４の充放電電力の関係を図６乃至図８を参照して説明する。
【００４８】
図６に示すように、燃料電池１１が定常状態である時に、時刻ｔ１において、最終的に燃料電池１１の発電電力不足が発生しないような要求供給電力Ｐｉｎ＊まで増加させる要求トルクＴ＊が供給され、駆動モータ３を力行させる場合には、要求供給電力Ｐｉｎ＊まで燃料電池１１の発電電力を増加させる必要がある。このとき、燃料電池電源装置１は、燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させることによって、燃料電池１１の応答遅れに起因する発電電力の過渡期の電力不足をキャパシタ電力Ｐｃで補う。これに対し、図６において、燃料電池１１の過渡期における発電電力と、キャパシタ電力Ｐｃとの合計が要求供給電力Ｐｉｎ＊に達しているので、二次電池１４の放電電力をほぼ０［Ｗ］とすることができる。
【００４９】
また、この電源制御処理では、燃料電池出力可能電力Ｐｆとキャパシタ電力Ｐｃとを合計した出力可能電力Ｐｉｎと、要求供給電力Ｐｉｎ＊との差分に基づく燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊としているので、燃料電池１１の発電電力の不足分をキャパシタ電力Ｐｃで補って、要求供給電力Ｐｉｎ＊の駆動電力を駆動モータ３に供給することになる。したがって、燃料電池１１の過渡期において、燃料電池出力可能電力Ｐｆを超えた発電電力を発電させることをなくし、燃料電池１１で無駄な発電を抑制する。
【００５０】
図７に示すように、燃料電池１１が定常状態である時に、時刻ｔ１１において、最終的に燃料電池１１の発電電力不足が発生するような要求供給電力Ｐｉｎ＊まで増加させる要求トルクＴ＊が供給され、駆動モータ３を力行させる場合には、燃料電池１１の燃料電池出力可能電力Ｐｆまで燃料電池１１の発電電力を増加させる必要がある。このとき、燃料電池電源装置１は、図６の場合と同様に、燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させて、発電電力の過渡期の電力不足をキャパシタ電力Ｐｃで補う。
【００５１】
その後の時刻ｔ１２において、キャパシタ電力Ｐｃが低下してキャパシタ下限電力ＰｃＬとなり、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃが低下したことをＤＣ／ＤＣ制御部４２で検出すると、要求供給電力Ｐｉｎ＊に対する燃料電池出力可能電力Ｐｆの電力不足分を二次電池１４の放電で補うために、燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させた状態を継続する。これにより、二次電池１４の電力がインバータ２１に取り込まれ、燃料電池１１及び電気二重層キャパシタ１３から電力供給している状態から、二次電池１４の電力と燃料電池１１の発電電力との合計値を駆動モータ３の駆動電力とする状態に切り換えることができる。
【００５２】
図８に示すように、時刻ｔ２１において、要求供給電力Ｐｉｎ＊が負となる要求トルクＴ＊が供給され、駆動モータ３から回生電力が発生する場合には、先ず、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとキャパシタ出力可能電圧Ｖｃとを一致させて、駆動モータ３からの回生電力を優先的に電気二重層キャパシタ１３に充電させる。その後、時刻ｔ２２付近において、キャパシタ出力可能電圧Ｖｃがキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘに達したことをＤＣ／ＤＣ制御部４２で検出すると、ＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤをキャパシタ上限電圧Ｖｃｍａｘに一致させて、回生電力を二次電池１４に充電させる。
【００５３】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した車両駆動システムによれば、燃料電池１１，電気二重層キャパシタ１３，二次電池１４を駆動モータ３等の負荷に対して並列に接続した構成において、要求供給電力Ｐｉｎ＊を算出し、当該要求供給電力Ｐｉｎ＊と、燃料電池出力可能電力Ｐｆとキャパシタ電力Ｐｃとを加算した出力可能電力Ｐｉｎとの差分電力に基づいて、燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を決定するフィードバック制御を行うので、実際に燃料電池１１に供給される水素圧力及び流量、空気圧力及び流量が直ちに変化しないために燃料電池１１の応答遅れが発生し、要求供給電力Ｐｉｎ＊に対して燃料電池１１の発電電力が不足する過渡期において、キャパシタ電力Ｐｃに応じて燃料電池１１を発電させることができ、燃料電池１１の発電電力を最適値とすることができる。
【００５４】
すなわち、この車両駆動システムによれば、駆動モータ３に電力供給をするに際して、キャパシタ電力Ｐｃを考慮して燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を決定することによって、燃料電池１１と電気二重層キャパシタ１３との電力配分を決定することができるので、燃料電池１１の発電電力が過渡的に増加する場合であっても、燃料電池１１の発電電力を最適な値とすることができる。したがって、過渡状態における燃料電池１１の無駄な電力消費や燃料電池１１に対する反応ガスの過不足を解消することができる。
【００５５】
これに対し、要求供給電力Ｐｉｎ＊と燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊とを一致させて、当該燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を発電させた時の燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させた場合、要求供給電力Ｐｉｎ＊が増加する力行時では、図９に示すように、要求供給電力Ｐｉｎ＊が増加する直後において二次電池１４から放電し、その後に二次電池１４の充電が発生してしまう。この場合には、キャパシタ電力Ｐｃを考慮せずに燃料電池要求発電電力Ｐｆ＊を設定しているため、燃料電池１１及び電気二重層キャパシタ１３から駆動モータ３に供給される余剰電力を二次電池１４で充電する必要が発生してしまい、更には、燃料電池１１の発電電力が高すぎるために反応ガスが過剰な状態であるとも言える。
【００５６】
また、この車両駆動システムによれば、駆動モータ３と二次電池１４との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１５を設けているので、燃料電池１１や電気二重層キャパシタ１３と同様に、二次電池１４がインバータ２１に直接接続されている構成のように、負荷変動したときの過渡期における燃料電池１１の出力変動に伴い、二次電池１４の出力変動が起こってしまい、二次電池１４が充放電を繰り返すことによって二次電池１４の寿命が短くなることを抑制することができる。
【００５７】
更に、この車両駆動システムによれば、電気二重層キャパシタ１３の出力電圧が所定の電圧範囲に収まるように二次電池１４で充放電を行う場合のように、負荷変動したときの過渡期における電気二重層キャパシタ１３の出力変動が大きくなって二次電池１４によって充放電を繰り返すことを無くし、二次電池１４の寿命が短くなることを抑制することができる。
【００５８】
更にまた、この車両駆動システムによれば、駆動モータ３の力行時には、燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させて、二次電池１４よりも優先して電気二重層キャパシタ１３から駆動モータ３に電力を供給させるので、燃料電池１１の反応遅れに起因する発電電力の不足分をキャパシタ電力Ｐｃで補償することができる。また、過渡期における二次電池１４の放電回数を最小限に削減させることができ、二次電池１４の寿命を長くすることができる。
【００５９】
更にまた、この車両駆動システムによれば、燃料電池出力可能電圧ＶｆとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させる状態を継続して、燃料電池１１及び電気二重層キャパシタ１３から電力供給する状態から、燃料電池１１及び二次電池１４から電力供給する状態に切り換えることができるので、要求供給電力Ｐｉｎ＊が燃料電池出力可能電力Ｐｆよりも高い場合のように定常的な電力不足を二次電池１４で補うことができ、電気二重層キャパシタ１３のみでは困難な定常的な電力不足も可能とすることができる。
【００６０】
更にまた、この車両駆動システムによれば、駆動モータ３の回生時には、キャパシタ電力ＰｃとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させて、電気二重層キャパシタ１３に優先して回生電力を充電させるので、回生電力の回収効率を向上させると共に次の力行時の電力不足を解消することができる。また、二次電池１４の充電回数の増加を抑制して、二次電池１４の寿命を長くすることができる。
【００６１】
更にまた、この車両駆動システムによれば、キャパシタ電力Ｐｃがキャパシタ電力Ｐｃｍａｘとなった場合には、当該キャパシタ電力ＰｃｍａｘとＤＣ／ＤＣ出力電圧ＶＤＤとを一致させて、回生電力を二次電池１４に充電させるので、回生電力の回収効率を更に向上させることができる。
【００６２】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００６３】
すなわち、上述した一例では、電力供給先となる負荷が駆動モータ３である場合についてのみ説明したが、例えば燃料電池１１に反応ガスを供給する補機や、その他車両に搭載された補機に対して電力供給を行う燃料電池電源装置１にも適用することができるのは勿論である。
【００６４】
また、特許請求の範囲における「燃料電池」は実施形態における「燃料電池１１」に相当し、特許請求の範囲における「キャパシタ」は実施形態における「電気二重層キャパシタ１３」に相当し、特許請求の範囲における「二次電池」は実施形態における「二次電池１４」に相当し、特許請求の範囲における「制御手段」は実施形態における「電源制御装置４，燃料電池制御装置５」に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明を適用した車両駆動システムの構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池電源装置のＤＣ／ＤＣコンバータの構成例を示す回路図である。
【図３】本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理において、力行時における処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した車両駆動システムによる電源制御処理において、回生時における処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの力行時であって、要求供給電力が燃料電池出力可能電力以下である場合の要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。
【図７】本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの力行時であって、要求供給電力が燃料電池出力可能電力より高い場合の要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。
【図８】本発明を適用した車両駆動システムにおいて、駆動モータの回生時での要求供給電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用した車両駆動システムに対する比較例での要求供給電力、燃料電池の発電電力、キャパシタの充放電電力、二次電池の充放電電力との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  燃料電池電源装置
２  モータ制御装置
３  駆動モータ
４  電源制御装置
５  燃料電池制御装置
１１  燃料電池
１２  ダイオード
１３  電気二重層キャパシタ
１４  二次電池
１５  ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１  インバータ
２２  モータコントローラ
４１  トルク−電力変換部
４２  ＤＣ／ＤＣ制御部
４３  出力可能電力算出部
４４  加算器
４５  フィードバック補償器
【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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