(57)【要約】【課題】燃料電池昇圧コンバータが停止して出力電力の調整ができなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池および二次電池と、燃料電池と負荷との間に接続され燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、二次電池と負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続された二次電池昇圧コンバータと、燃料電池昇圧コンバータによる調整の制御と二次電池昇圧コンバータにおける昇圧と昇圧停止とを切り替える制御とを行なう制御部と、を備え、制御部は、二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、負荷の要求電圧が二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、相関値が昇圧停止を禁止する禁止範囲内であるとき昇圧停止を禁止し、要求電圧が二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、相関値が禁止範囲内でないとき、昇圧停止を実行する。【選択図】図２
2019096565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
負荷に電力を供給する燃料電池および二次電池と、
前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、
前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと、
前記燃料電池昇圧コンバータによる前記調整の制御と、前記二次電池昇圧コンバータにおける昇圧と昇圧停止とを切り替える制御と、を行なう制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、
前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止し、
前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記昇圧停止が禁止されている状態において、求められた前記相関値が、前記禁止範囲とは異なる前記昇圧停止を許可する予め定められた許可範囲内となったとき、前記昇圧停止の禁止を解除する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記二次電池の温度を検出する温度センサと、
前記二次電池の蓄電量を検出するＳＯＣ検出部と、
のうちの少なくとも一方をさらに備え、
前記制御部は、
検出された前記温度と検出された前記蓄電量とのうちの少なくとも一方を用いて、前記相関値を求める、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記相関値は、前記二次電池の放電可能電力値である、
燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池と負荷との間に接続されて前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと、二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求める工程と、
前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記二次電池昇圧コンバータの昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止する工程と、
前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池と二次電池とを駆動モータ等の負荷に互いに並列に接続し、燃料電池と駆動モータとの間および二次電池と駆動モータとの間に、昇圧コンバータをそれぞれ設けた燃料電池システムが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、駆動モータの要求電圧が燃料電池電圧や二次電池電圧よりも低い場合に、各昇圧コンバータを停止させて損失を抑制し、消費電力を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０９２８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の出力電力の調整を、燃料電池昇圧コンバータが有するスイッチング素子のデューティ比を変更することにより実行する構成においては、二次電池昇圧コンバータを停止させた状態において駆動モータの要求電圧が急増した場合、燃料電池の出力電力の調整が追いつかないことがある。このときの不足分の電力が二次電池側から供給されるため、二次電池昇圧コンバータが停止している状態で二次電池から要求電圧が補われると、二次電池の過放電が発生して二次電池電圧が急降下することがある。燃料電池昇圧コンバータの二次側電圧と二次電池昇圧コンバータの二次側電圧とは等しいため、二次電池昇圧コンバータが停止している状態で二次電池電圧が燃料電池電圧よりも高い状態から燃料電池電圧まで降下すると、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧と二次側電圧とが等しくなる。このため、燃料電池昇圧コンバータによる昇圧動作を行わせることができず、燃料電池昇圧コンバータが停止する。燃料電池の出力電力の調整を、燃料電池昇圧コンバータにより実行する構成においては、燃料電池昇圧コンバータが停止すると出力電力の調整を実行することができず、負荷の要求電圧を供給しきれないおそれがある。また、不足分の電力を二次電池側から供給させることにより、二次電池の定格放電可能電力以上の電力を二次電池から供給させ続けると、二次電池が劣化するおそれがある。このため、燃料電池昇圧コンバータにより出力電力の調整を実行する燃料電池システムにおいて、燃料電池昇圧コンバータが停止して出力電力の調整が実行できなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池および二次電池と；前記燃料電池と前記負荷との間に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記燃料電池の出力電力の調整を実行する燃料電池昇圧コンバータと；前記二次電池と前記負荷との間に接続されるとともに、自身の出力端子と前記燃料電池昇圧コンバータの出力端子とが電気的に接続され、前記二次電池の出力電圧を昇圧する二次電池昇圧コンバータと；前記燃料電池昇圧コンバータによる前記調整の制御と、前記二次電池昇圧コンバータにおける昇圧と昇圧停止とを切り替える制御と、を行なう制御部と；を備え；前記制御部は；前記二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め；前記負荷の要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が、前記昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、前記昇圧停止を禁止し；前記要求電圧が前記二次電池の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた前記相関値が前記禁止範囲内でないとき、前記昇圧停止を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の放電可能電力と相関する相関値を求め、求められた相関値が昇圧停止を禁止する禁止範囲内であるときには、要求電圧が二次電池の出力電圧よりも小さくても昇圧停止を禁止するので、二次電池の過放電の可能性がある場合に昇圧停止を禁止できる。このため、負荷の要求電圧が急増した場合に、二次電池昇圧コンバータの昇圧停止に起因する二次電池の過放電によって二次電池電圧が急激に降下することを抑制できる。したがって、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧と二次側電圧とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータが停止することを抑制できる。このように上記形態の燃料電池システムによれば、燃料電池昇圧コンバータによる出力電力の調整が実行できなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記昇圧停止が禁止されている状態において、求められた前記相関値が、前記禁止範囲とは異なる前記昇圧停止を許可する予め定められた許可範囲内となったとき、前記昇圧停止の禁止を解除してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、求められた相関値が許可範囲内となったとき、昇圧停止の禁止を解除するので、二次電池の過放電の可能性が低くなった場合に二次電池昇圧コンバータの昇圧停止を許可して二次電池昇圧コンバータの消費電力をより抑制でき、また、負荷等における損失をより抑制できるので、燃料電池システム全体の消費電力をより抑制できる。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記二次電池の温度を検出する温度センサと；前記二次電池の蓄電量を検出するＳＯＣ検出部と；のうちの少なくとも一方をさらに備え；前記制御部は；検出された前記温度と検出された前記蓄電量とのうちの少なくとも一方を用いて、前記相関値を求めてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、放電可能電力に大きな影響を及ぼす二次電池温度と蓄電量とのうちの少なくとも一方を用いて相関値を求めるので、相関値と二次電池の放電可能電力との相関性の低下を抑制できる。
【０００９】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記相関値は、前記二次電池の放電可能電力値であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、二次電池の過放電と直接関係する放電可能電力値を相関値として用いるので、二次電池の放電可能電力に精度よく即して昇圧停止の禁止を行なうことができる。
【００１０】
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備える車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。
【図２】昇圧停止制御の手順を示すフローチャートである。
【図３】二次電池温度と放電可能電力との関係の一例を示す説明図である。
【図４】ＳＯＣと放電可能電力との関係の一例を示す説明図である。
【図５】二次電池の電圧変化とフラグの変化との一例を示す説明図である。
【図６】比較例における二次電池の電圧降下の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムの電気系統を示す概略図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。
【００１３】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、燃料電池昇圧コンバータ３０と、二次電池４０と、二次電池温度センサ４４と、ＳＯＣ検出部４６と、二次電池昇圧コンバータ５０と、インバータ６０と、負荷７０と、補機８０と、制御部９０とを備える。
【００１４】
燃料電池２０は、燃料電池システム１０の電力源であり、いわゆる固体高分子型燃料電池により構成され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受けて発電する。なお、燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池に代えて、固体酸化物型燃料電池等の他の任意のタイプの燃料電池により構成されてもよい。燃料電池２０は、第１の配線１１を介して、燃料電池昇圧コンバータ３０の入力端子に接続されている。燃料電池２０の出力端子には、燃料電池２０の出力電圧を測定する第１の電圧センサ２１が配置されている。第１の電圧センサ２１は、燃料電池２０の出力電圧を示す信号を、制御部９０に出力する。
【００１５】
燃料電池昇圧コンバータ３０は、制御部９０からの指令に応じて、燃料電池２０の出力電圧を昇圧する。換言すると、燃料電池昇圧コンバータ３０は、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧を二次側電圧に昇圧する。一次側とは、電力が供給される側、すなわち入力側を意味し、二次側とは、電力を供給する側、すなわち出力側を意味する。昇圧された電圧は、第２の配線１２を介してインバータ６０に供給される。また、燃料電池昇圧コンバータ３０は、燃料電池２０の出力電力の調整を実行する。より具体的には、燃料電池昇圧コンバータ３０の有する図示しないスイッチング回路のデューティ比を変更することによって燃料電池昇圧コンバータ３０の通過電流量を調整して、燃料電池２０の出力電力の調整を実行する。これにより、燃料電池システム１０の出力電力が調整される。
【００１６】
本実施形態において、燃料電池昇圧コンバータ３０は、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成されている。燃料電池昇圧コンバータ３０の出力端子は、第２の配線１２を介してインバータ６０の直流端子に接続されている。第２の配線１２には、インバータ６０に入力される電圧を測定する第２の電圧センサ２２が配置されている。第２の電圧センサ２２は、インバータ６０に入力される電圧を示す信号を、制御部９０に出力する。
【００１７】
二次電池４０は、リチウムイオン電池によって構成され、燃料電池２０とともに燃料電池システム１０の電力源として機能する。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の二次電池により構成されてもよい。二次電池４０は、第３の配線１３を介して、二次電池昇圧コンバータ５０の入力端子に接続されている。二次電池４０の出力端子には、二次電池４０の出力電圧を測定する第３の電圧センサ２３が配置されている。第３の電圧センサ２３は、二次電池４０の出力電圧を示す信号を、制御部９０に出力する。
【００１８】
本実施形態において、二次電池４０の出力電圧は、通常の動作状態において燃料電池２０の出力電圧よりも高い。ただし、二次電池４０の出力電圧と燃料電池２０の出力電圧とは、互いにそれぞれ変動し、変動電圧域の重なりを有する。なお、通常の動作状態とは、二次電池４０の温度やＳＯＣが所定範囲内であるとともに、燃料電池２０の発電量が所定範囲内である場合の動作状態を意味する。
【００１９】
二次電池温度センサ４４は、二次電池４０に接続され、二次電池４０の温度を検出する。二次電池温度センサ４４は、二次電池４０の温度を示す信号を、制御部９０に出力する。
【００２０】
ＳＯＣ検出部４６は、二次電池４０に接続され、二次電池４０の蓄電量を示すＳＯＣ（State Of Charge）を検出し、制御部９０に出力する。ＳＯＣは、二次電池４０の蓄電容量に対する蓄電残量の比率で示される。本実施形態において、ＳＯＣは、蓄電電流及び放電電流を積算することにより求められるが、例えば、二次電池電解液比重と二次電池電圧とに基づいて求められてもよい。
【００２１】
二次電池昇圧コンバータ５０は、制御部９０からの指令に応じて、二次電池４０の出力電圧を昇圧して第４の配線１４に出力する。二次電池昇圧コンバータ５０の出力端子は、第４の配線１４を介して第２の配線１２に接続されている。このため、二次電池昇圧コンバータ５０の出力端子は、燃料電池昇圧コンバータ３０の出力端子と電気的に接続されている。本実施形態において、二次電池昇圧コンバータ５０は、非絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータにより構成されている。なお、二次電池昇圧コンバータ５０は、第４の配線１４から入力される電圧を降圧して第３の配線１３を介して二次電池４０に供給することも可能な双方向のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成されていてもよい。
【００２２】
二次電池昇圧コンバータ５０は、上アーム５１と、下アーム５２と、リアクトルＬ１と、コンデンサＣ１とを有する。上アーム５１は、第１のスイッチング素子Ｓ１と、第１のダイオードＤ１とを含む。第１のスイッチング素子Ｓ１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）により構成されている。なお、ＩＧＢＴに代えて、バイポーラトランジスタやＭＯＳＦＥＴ等の他の任意のスイッチング素子により構成されていてもよい。第１のダイオードＤ１は、第１のスイッチング素子Ｓ１に逆並列に接続されている。下アーム５２は、第２のスイッチング素子Ｓ２と、第２のダイオードＤ２とを含み、上アーム５１と同様な構成を有する。上アーム５１と下アーム５２とは、直列に接続されている。リアクトルＬ１は、上アーム５１と下アーム５２との接続点に接続されている。コンデンサＣ１は、第３の配線１３に配置され、正極側と負極側との間の電圧変動を低減する。
【００２３】
インバータ６０は、第２の配線１２を介して燃料電池２０および二次電池４０から供給される直流の電力を三相交流の電力に変換する。インバータ６０は、変換した電力を負荷７０に供給する。インバータ６０と、第２の配線１２および第４の配線１４の接続点との間には、コンデンサＣ２が配置されている。コンデンサＣ２は、正極側と負極側との間の電圧変動を低減する。
【００２４】
負荷７０は、駆動モータ７２とエアコンプレッサ７４とを含む。駆動モータ７２は、燃料電池車両の図示しない車輪を駆動する。エアコンプレッサ７４は、燃料電池２０に酸化剤ガスを圧送する。駆動モータ７２およびエアコンプレッサ７４の有する同期モータの出力トルクの制御は、制御部９０によってインバータ６０が制御されることにより実行される。
【００２５】
補機８０は、第３の配線１３に接続されている。補機８０は、図示しない水素ポンプや冷却水ポンプ等を含む。水素ポンプは、燃料電池２０から排出されるオフガスを燃料ガス供給路に戻す。冷却水ポンプは、燃料電池２０内を通る冷却水を循環させる。
【００２６】
制御部９０は、中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータであり、電子制御ユニットとして構成されている。中央処理装置は、主記憶装置に予め記憶されているプログラムを実行する。制御部９０は、各電圧センサ２１、２２、２３の測定結果と、二次電池温度センサ４４およびＳＯＣ検出部４６の検出結果とを取得する。また、制御部９０は、燃料電池昇圧コンバータ３０、二次電池昇圧コンバータ５０、およびインバータ６０に対して、制御指令を出力する。制御部９０は、負荷７０の要求電力に対して、燃料電池昇圧コンバータ３０の電流および電圧と、二次電池昇圧コンバータ５０の電流および電圧とをそれぞれ決定し、燃料電池昇圧コンバータ３０による燃料電池２０の出力電力の調整を制御する。また、制御部９０は、負荷７０の要求電圧に基づいて二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧と昇圧停止とを切り替える制御を行なうとともに、後述する昇圧停止制御を行なう。
【００２７】
二次電池昇圧コンバータ５０における昇圧は、上アーム５１と下アーム５２とをＯＮ／ＯＦＦさせることにより行なわれる。なお、ＯＮは導通状態を意味し、ＯＦＦは非導通状態を意味する。また、二次電池昇圧コンバータ５０に昇圧動作をさせずに第３の配線１３と第４の配線１４とを直結させることを「昇圧停止」とも呼ぶ。昇圧停止は、上アーム５１をＯＮさせて下アーム５２をＯＦＦさせることにより行なわれる。本実施形態では、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を、便宜的に「上アームＯＮ」とも呼ぶ。
【００２８】
制御部９０は、通常の制御として、駆動モータ７２を含む負荷７０の要求電圧が二次電池４０の出力電圧である二次電池電圧ＶＬよりも小さい場合に、二次電池昇圧コンバータ５０の上アームＯＮを許可、すなわち、昇圧停止を許可する。二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧を停止させると、二次電池昇圧コンバータ５０の消費電力が抑制されるとともに、負荷７０や補機８０における損失が抑制され、燃料電池システム１０全体の消費電力が抑制される。二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧を停止させると、二次電池４０の出力電圧とインバータ６０に入力される電圧とが等しくなる。
【００２９】
ところで、燃料電池車両にスリップ／グリップ等が起こると、駆動モータ７２等の負荷７０の要求電圧が急激に増加することがある。このような要求電圧の急増が発生すると、燃料電池昇圧コンバータ３０による燃料電池２０の出力電力の調整が追いつかないことがある。このときの不足分の電力が二次電池４０側から供給されるため、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧を停止させた状態で二次電池４０から要求電圧が補われると、二次電池４０の過放電が発生して二次電池４０の出力電圧が急降下し、インバータ６０に入力される電圧が急降下するおそれがある。
【００３０】
本システムにおいて、通常の動作状態における二次電池４０の出力電圧は、燃料電池２０の出力電圧よりも高い。このため、インバータ６０に入力される電圧が急降下して燃料電池２０の出力電圧と等しくなると、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧と二次側電圧とが等しくなる。このため、燃料電池昇圧コンバータ３０による昇圧動作を行わせることができず、燃料電池昇圧コンバータ３０が停止する。燃料電池昇圧コンバータ３０の停止とは、図示しないスイッチング回路のデューティ比をゼロに固定することを意味する。燃料電池昇圧コンバータ３０は、燃料電池システム１０の出力電力制御に用いられるため、燃料電池昇圧コンバータ３０が停止すると燃料電池２０の出力電力の調整を実行することができず、負荷７０の要求電圧を供給しきれないおそれがある。また、不足分の電力を二次電池４０側から供給させることにより、二次電池４０の定格放電可能電力以上の電力を二次電池４０から供給させ続けると、二次電池４０が劣化するおそれがある。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、以下に説明する昇圧停止制御を実行することにより、二次電池４０の過放電による急激な電圧降下の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止し、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧と二次側電圧とが等しくなることを抑制し、燃料電池昇圧コンバータ３０の停止を抑制する。
【００３１】
Ａ−２．昇圧停止制御：
図２は、昇圧停止制御の手順を示すフローチャートである。昇圧停止制御は、燃料電池搭載車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム１０が起動した後、繰り返し実行される。
【００３２】
制御部９０は、二次電池温度センサ４４により検出された二次電池温度と、ＳＯＣ検出部４６により検出されたＳＯＣとを取得する（ステップＳ２１０）。制御部９０は、二次電池温度およびＳＯＣを用いて、二次電池４０の現在の放電可能電力値Ｗｏｕｔを求める（ステップＳ２２０）。放電可能電力値Ｗｏｕｔは、二次電池温度やＳＯＣ等に依存する特性を有する。そこで、放電可能電力値Ｗｏｕｔと二次電池温度との関係を予め実験等で求めてＭＡＰ化し、また、放電可能電力値ＷｏｕｔとＳＯＣとの関係を予め実験等で求めてＭＡＰ化しておき、ステップＳ２２０では、これらのＭＡＰを参照して、二次電池温度およびＳＯＣに基づき放電可能電力値Ｗｏｕｔを求める。
【００３３】
図３は、二次電池温度と放電可能電力値Ｗｏｕｔとの関係の一例を示す説明図である。図３において、縦軸は、二次電池４０の放電可能電力値Ｗｏｕｔを示し、横軸は、二次電池温度を示している。放電可能電力値Ｗｏｕｔは、二次電池温度が所定値よりも高い場合または所定値よりも低い場合に急激に低下する。
【００３４】
図４は、ＳＯＣと放電可能電力値Ｗｏｕｔとの関係の一例を示す説明図である。図４において、縦軸は、二次電池４０の放電可能電力値Ｗｏｕｔを示し、横軸は、二次電池４０のＳＯＣを示している。放電可能電力値Ｗｏｕｔは、ＳＯＣが所定値よりも低い場合に急激に低下する。
【００３５】
放電可能電力値Ｗｏｕｔが低下している状態では、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止時に負荷７０の要求電圧が急増した場合に、二次電池４０の過放電が起こって急激な電圧降下が発生する可能性がある。このため、制御部９０は、放電可能電力値Ｗｏｕｔが低く二次電池４０の過放電が発生する可能性がある場合に、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止する。
【００３６】
図３および図４では、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止する範囲の一例を、ハッチングで示している。このように、二次電池温度が所定値よりも高い場合または所定値よりも低い場合、および、ＳＯＣが所定値よりも低い場合には、放電可能電力値Ｗｏｕｔが低いため、昇圧停止を禁止する。
【００３７】
制御部９０の主記憶装置には、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止させるための放電可能電力値Ｗｏｕｔの禁止閾値Ｗｎｇと、昇圧停止を許可するための放電可能電力値Ｗｏｕｔの許可閾値Ｗｏｋとが、予め記憶されている。本実施形態において、許可閾値Ｗｏｋは、ハンチングを抑制する観点から禁止閾値Ｗｎｇよりも大きく設定されている。例えば、許可閾値Ｗｏｋは、禁止閾値Ｗｎｇよりも１０ｋＷ程度大きく設定されてもよい。図３および図４に示す昇圧停止禁止範囲における放電可能電力値Ｗｏｕｔは、禁止閾値Ｗｎｇよりも小さい。
【００３８】
図２に示すように、制御部９０は、主記憶装置から、昇圧停止の禁止閾値Ｗｎｇと昇圧停止の許可閾値Ｗｏｋとを取得する（ステップＳ２３０）。また、制御部９０は、主記憶装置から、現在の昇圧停止のフラグＦを取得する（ステップＳ２４０）。昇圧停止のフラグＦには、「許可」と「禁止」とが存在する。昇圧停止のフラグＦは、初期状態では「許可」に設定されており、後述するステップＳ２７０およびステップＳ２９０で再度設定される。
【００３９】
制御部９０は、現在の昇圧停止のフラグＦが、「許可」であるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。現在の昇圧停止のフラグＦが「許可」であると判定された場合（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、制御部９０は、ステップＳ２２０で求められた放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２６０）。放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止閾値Ｗｎｇよりも小さくないと判定された場合（ステップＳ２６０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。この場合、昇圧停止のフラグＦは、「許可」のままとなる。
【００４０】
他方、ステップＳ２６０において、放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいと判定された場合（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、制御部９０は、昇圧停止のフラグＦを「禁止」に設定し（ステップＳ２７０）、ステップＳ２１０に戻る。
【００４１】
ステップＳ２５０において、現在の昇圧停止のフラグＦが「許可」でないと判定された場合（ステップＳ２５０：ＮＯ）、すなわち、フラグＦが「禁止」である場合、制御部９０は、ステップＳ２２０で求められた放電可能電力値Ｗｏｕｔが許可閾値Ｗｏｋよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２８０）。放電可能電力値Ｗｏｕｔが許可閾値Ｗｏｋよりも大きくないと判定された場合（ステップＳ２８０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。この場合、昇圧停止のフラグＦは、「禁止」のままとなる。
【００４２】
放電可能電力値Ｗｏｕｔは、二次電池温度の上昇等に起因して増加することがある。このため、制御部９０は、放電可能電力値Ｗｏｕｔが増加して二次電池４０の過放電による急激な電圧降下の可能性が低下した場合に、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止の禁止を解除する。
【００４３】
ステップＳ２８０において、放電可能電力値Ｗｏｕｔが許可閾値Ｗｏｋよりも大きいと判定された場合（ステップＳ２８０：ＹＥＳ）、制御部９０は、昇圧停止のフラグＦを「許可」に設定する（ステップＳ２９０）。すなわち、制御部９０は、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止が禁止されている状態において、放電可能電力値Ｗｏｕｔが許可閾値Ｗｏｋよりも大きくなったとき、昇圧停止の禁止を解除する。ステップＳ２９０の後、ステップＳ２１０に戻る。
【００４４】
本実施形態において、放電可能電力値Ｗｏｕｔは、課題を解決するための手段における相関値の下位概念に相当し、禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいことは、課題を解決するための手段における禁止範囲内の下位概念に相当し、許可閾値Ｗｏｋよりも大きいことは、課題を解決するための手段における許可範囲内の下位概念に相当する。
【００４５】
図５は、二次電池４０の電圧変化とフラグの変化との一例を示す説明図である。図５において、上のグラフの縦軸は電圧（Ｖ）を示し、下のグラフの縦軸は昇圧停止のフラグＦを示し、横軸は、時刻を示している。図５では、燃料電池２０の出力電圧を示す燃料電池電圧Ｖｆｃと、二次電池４０の出力電圧を示す二次電池電圧ＶＬとを一点鎖線でそれぞれ示し、駆動モータ７２を含む負荷７０の要求電圧を鎖線で示し、インバータ６０に入力されるインバータ電圧ＶＨを実線で示している。
【００４６】
図５の例では、要求電圧が、時刻ｔ０と時刻ｔ１との間で高くなった後、時間の経過とともに時刻ｔ４に至るまで徐々に低下している。時刻ｔ０から時刻ｔ２までの間、要求電圧が二次電池電圧ＶＬよりも高いので、制御部９０は、二次電池昇圧コンバータ５０を昇圧動作させることにより、二次電池電圧ＶＬをインバータ電圧ＶＨまで昇圧させている。なお、二次電池昇圧コンバータ５０の一次側電圧と二次側電圧との差が小さいと昇圧動作が不安定となって昇圧精度が悪化するので、二次電池昇圧コンバータ５０には、最小昇圧比が設定されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間は、要求電圧と二次電池電圧ＶＬとの差が最小昇圧比よりも小さいため、二次電池昇圧コンバータ５０は、最小昇圧比での昇圧を行なっている。
【００４７】
時刻ｔ０から時刻ｔ３までは、二次電池４０の放電可能電力値Ｗｏｕｔが昇圧停止の許可閾値Ｗｏｋよりも大きいので（図２のステップＳ２５０：ＹＥＳ、かつ、ステップＳ２６０：ＮＯ）、昇圧停止のフラグＦが、「許可」に設定されている。このため、時刻ｔ２において、要求電圧が二次電池電圧ＶＬよりも小さくなると、制御部９０は、二次電池昇圧コンバータ５０の上アームＯＮを許可、すなわち、昇圧停止を許可する。これにより、インバータ電圧ＶＨが二次電池電圧ＶＬと等しくなる。
【００４８】
時刻ｔ３において、ＳＯＣの低下や二次電池温度の低下または上昇等に起因して、二次電池４０の放電可能電力値Ｗｏｕｔが昇圧停止の禁止閾値Ｗｎｇよりも小さくなると（図２のステップＳ２６０：ＹＥＳ）、昇圧停止のフラグＦは、「禁止」に設定される（図２のステップＳ２７０）。これにより、要求電圧が二次電池電圧ＶＬより低い状態であっても、二次電池昇圧コンバータ５０の上アームＯＮが禁止、すなわち、昇圧停止が禁止される。これにより、二次電池昇圧コンバータ５０は、一次側電圧（ＶＬ）を最小昇圧比または最小昇圧比よりも大きい昇圧比で、二次側電圧（ＶＨ）へと昇圧する。したがって、インバータ電圧ＶＨが二次電池電圧ＶＬよりも大きくなる。
【００４９】
図５の例では、時刻ｔ４において、燃料電池車両のスリップ／グリップ等に起因して、駆動モータ７２等の負荷７０の要求電圧が急増している。このように要求電圧が急増した場合、燃料電池昇圧コンバータ３０による燃料電池２０の出力電力の調整が追いつかずに、燃料電池２０側から供給される電力が不足して、インバータ電圧ＶＨが低下することがある。しかしながら、図５の例では、時刻ｔ３において二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止が禁止され、時刻ｔ３以降、時刻ｔ４においても二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧動作が継続されている。このため、二次電池電圧ＶＬが維持されるとともに、時刻ｔ４からインバータ電圧ＶＨが低下しても、インバータ電圧ＶＨが燃料電池電圧Ｖｆｃと同値となるまで低下することが抑制されている。したがって、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧（Ｖｆｃ）と二次側電圧（ＶＨ）とが等しくなることが抑制され、燃料電池昇圧コンバータ３０が停止することが抑制される。
【００５０】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、制御部９０は、駆動モータ７２等の負荷７０の要求電圧が二次電池電圧ＶＬよりも小さく、且つ、二次電池４０の放電可能電力値Ｗｏｕｔが昇圧停止の禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいとき、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止する。すなわち、放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいときには、要求電圧が二次電池電圧ＶＬよりも小さくても昇圧停止を禁止する。このため、二次電池４０の過放電の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止できる。したがって、負荷７０の要求電圧が急増した場合に、二次電池昇圧コンバータ５０の直結により二次電池４０の過放電が発生して二次電池電圧ＶＬおよびインバータ電圧ＶＨが急激に降下することを抑制できる。このため、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧（Ｖｆｃ）と二次側電圧（ＶＨ）とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータ３０が停止することを抑制できる。したがって、燃料電池２０の出力電力の調整ができなくなることを抑制しつつ、消費電力を抑制できる。また、燃料電池昇圧コンバータ３０による出力電力の調整ができなくなって要求電圧を供給しきれなくなることを抑制でき、二次電池４０の定格放電可能電力以上の電力を二次電池４０から供給させ続けて二次電池４０が劣化することを抑制できる。
【００５１】
また、制御部９０は、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止が禁止されている状態において、放電可能電力値Ｗｏｕｔが許可閾値Ｗｏｋよりも大きくなったとき、昇圧停止の禁止を解除する。このため、例えば二次電池温度の上昇等に起因して放電可能電力値Ｗｏｕｔが増加して二次電池４０の過放電の可能性が低下した場合に、二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を許可して二次電池昇圧コンバータ５０の消費電力をより抑制でき、負荷７０や補機８０における損失をより抑制できる。したがって、燃料電池システム１０全体の消費電力をより抑制できる。
【００５２】
また、制御部９０は、放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止閾値Ｗｎｇよりも小さいときに昇圧停止を禁止し、禁止閾値Ｗｎｇよりも大きい許可閾値Ｗｏｋよりも大きくなったときに昇圧停止の禁止を解除するので、禁止閾値Ｗｎｇと許可閾値Ｗｏｋとが同値である構成と比較して、ハンチングを抑制できる。
【００５３】
また、制御部９０は、放電可能電力値Ｗｏｕｔに大きな影響を及ぼす二次電池温度とＳＯＣとを用いて放電可能電力値Ｗｏｕｔを求めるので、放電可能電力値Ｗｏｕｔの算出精度の低下を抑制できる。また、二次電池４０の過放電と直接関係する放電可能電力値Ｗｏｕｔを用いて昇圧停止の禁止と許可との判定を行なうので、二次電池４０の放電可能電力に精度よく即して昇圧停止の禁止を行なうことができる。
【００５４】
Ｂ．比較例：
図６は、比較例の燃料電池システムにおける二次電池の電圧降下の一例を示す説明図である。図６において、縦軸は、電圧（Ｖ）を示し、横軸は、時刻を示している。図６では、燃料電池電圧Ｖｆｃと二次電池電圧ＶＬとを一点鎖線でそれぞれ示し、駆動モータを含む負荷の要求電圧を鎖線で示し、インバータ電圧ＶＨを実線で示している。
【００５５】
比較例の燃料電池システムでは、二次電池昇圧コンバータの昇圧停止の禁止を行なわない。このため、比較例における制御部は、負荷の要求電圧が二次電池電圧ＶＬよりも小さい場合に、二次電池昇圧コンバータの昇圧を必ず停止させる。図６では、負荷の要求電圧が二次電池電圧ＶＬを下回る時刻ｔ２において、二次電池昇圧コンバータの昇圧が停止されている。このため、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間、インバータ電圧ＶＨと二次電池電圧ＶＬとが等しくなっている。
【００５６】
時刻ｔ４において、燃料電池車両のスリップ／グリップ等に起因して負荷の要求電圧が急増すると、二次電池昇圧コンバータが昇圧停止の状態であるため二次電池の過放電が発生し、二次電池電圧ＶＬおよびインバータ電圧ＶＨが急激に降下する。このため、時刻ｔ５において、二次電池電圧ＶＬおよびインバータ電圧ＶＨが燃料電池電圧Ｖｆｃと同値となるまで低下すると、燃料電池昇圧コンバータの一次側電圧（Ｖｆｃ）と二次側電圧（ＶＨ）とが等しくなり、燃料電池昇圧コンバータが停止する。
【００５７】
これに対し、上述した本実施形態の燃料電池システム１０は、昇圧停止制御を実行することにより、二次電池４０の過放電による急激な電圧降下の可能性がある場合に二次電池昇圧コンバータ５０の昇圧停止を禁止するので、燃料電池昇圧コンバータ３０の一次側電圧（Ｖｆｃ）と二次側電圧（ＶＨ）とが等しくなることを抑制でき、燃料電池昇圧コンバータ３０が停止することを抑制できる。
【００５８】
Ｃ．他の実施形態：
Ｃ−１．他の実施形態１：
上記実施形態では、禁止閾値Ｗｎｇと許可閾値Ｗｏｋとを用いて判定を行なっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、禁止閾値Ｗｎｇと許可閾値Ｗｏｋとに代えて、図３および図４に示すようなＭＡＰを参照して判定を行なう態様であってもよい。かかる態様においては、現在の放電可能電力値Ｗｏｕｔが、図３および図４においてハッチングで示す昇圧停止を禁止する禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止してもよい。同様に、昇圧停止を許可する許可範囲内となったとき、昇圧停止の禁止を解除してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００５９】
Ｃ−２．他の実施形態２：
上記実施形態では、禁止閾値Ｗｎｇと、禁止閾値Ｗｎｇよりも大きい許可閾値Ｗｏｋとを用いて判定を行なっていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、昇圧停止を許可する許可閾値Ｗｏｋを省略し、昇圧停止が禁止されている状態において放電可能電力値Ｗｏｕｔが増加した状況であっても、昇圧停止の禁止を継続させてもよい。また、例えば、禁止閾値Ｗｎｇと許可閾値Ｗｏｋとが等しい値であってもよい。換言すると、禁止閾値Ｗｎｇと許可閾値Ｗｏｋとを区別しない閾値を用いて昇圧停止制御の判定を行なってもよい。すなわち一般には、負荷７０の要求電圧が二次電池４０の出力電圧よりも小さく、且つ、放電可能電力値Ｗｏｕｔが昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止し、要求電圧が二次電池４０の出力電圧よりも小さく、且つ、放電可能電力値Ｗｏｕｔが禁止範囲内でないとき、昇圧停止を実行してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００６０】
Ｃ−３．他の実施形態３：
上記実施形態では、二次電池温度およびＳＯＣを用いて放電可能電力値Ｗｏｕｔを求めていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二次電池温度のみに基づく放電可能電力値Ｗｏｕｔ１と、ＳＯＣのみに基づく放電可能電力値Ｗｏｕｔ２とをそれぞれ求め、二次電池温度のみに基づく放電可能電力値Ｗｏｕｔ１の禁止閾値Ｗｎｇ１および許可閾値Ｗｏｋ１と、ＳＯＣのみに基づく放電可能電力値Ｗｏｕｔ２の禁止閾値Ｗｎｇ２および許可閾値Ｗｏｋ２とを用いて判定を行なう態様であってもよい。かかる態様においては、図２に示す昇圧停止制御のステップＳ２６０において、放電可能電力値Ｗｏｕｔ１、Ｗｏｕｔ２の少なくとも一方が、それぞれの禁止閾値Ｗｎｇ１、Ｗｎｇ２よりも小さいか否かを判定してもよく、ステップＳ２８０において、放電可能電力値Ｗｏｕｔ１、Ｗｏｕｔ２の両方が、それぞれの許可閾値Ｗｏｋ１、Ｗｏｋ２よりも大きいか否かを判定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００６１】
Ｃ−４．他の実施形態４：
上記実施形態では、二次電池温度とＳＯＣとを用いて図３および図４に示すようなＭＡＰを参照することにより、放電可能電力値Ｗｏｕｔを求めていたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、二次電池温度とＳＯＣと放電可能電力値Ｗｏｕｔとの関係を示す三次元ＭＡＰを参照することにより、放電可能電力値Ｗｏｕｔを求めてもよい。また、例えば、二次電池温度とＳＯＣとのいずれか一方のみを用いて放電可能電力値Ｗｏｕｔを算出してもよい。この場合、二次電池温度とＳＯＣとのうち、放電可能電力値Ｗｏｕｔの算出に用いなかったパラメータについては、最悪条件として扱ってもよい。例えば、ＳＯＣのみを用いて放電可能電力値Ｗｏｕｔを求める態様においては、二次電池温度が低温または高温であって放電可能電力値Ｗｏｕｔが小さい場合を想定してもよい。すなわち一般には、制御部９０は、検出された二次電池温度と検出されたＳＯＣとのうちの少なくとも一方を用いて、二次電池４０の放電可能電力と相関する相関値を求めてもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。また、例えば、二次電池温度とＳＯＣとに加えて、または二次電池温度とＳＯＣとに代えて、二次電池４０の連続放電時間等の、放電可能電力値Ｗｏｕｔに影響を及ぼす他の任意のパラメータを用いて放電可能電力値Ｗｏｕｔを求めてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００６２】
Ｃ−５．他の実施形態５：
上記実施形態では、放電可能電力値Ｗｏｕｔを用いて判定を行なっていたが、放電可能電力値Ｗｏｕｔに代えて、二次電池温度やＳＯＣを用いて判定を行なってもよい。例えば、二次電池温度を用いて判定を行なう態様においては、図３に示すようなＭＡＰに基づいて、昇圧停止を禁止する二次電池温度の禁止範囲および昇圧停止を許可する二次電池温度の許可範囲を予め主記憶装置に記憶させておき、かかる範囲と現在の二次電池温度とを比較して判定を行なってもよい。この場合の二次電池温度は、課題を解決するための手段における相関値の下位概念に相当する。また、例えば、ＳＯＣを用いて判定を行なう態様においては、図４に示すようなＭＡＰに基づいて、昇圧停止を禁止するＳＯＣの禁止範囲および昇圧停止を許可するＳＯＣの許可範囲を予め主記憶装置に記憶させておき、かかる範囲と現在のＳＯＣとを比較して判定を行なってもよい。この場合のＳＯＣは、課題を解決するための手段における相関値の下位概念に相当する。例えば、昇圧停止を禁止する二次電池温度の禁止範囲としてマイナス１０℃以下または５０℃以上等に設定してもよく、昇圧停止を禁止するＳＯＣの禁止範囲として３０％以下等に設定してもよい。すなわち一般には、制御部９０は、二次電池４０の放電可能電力と相関する相関値を求め、負荷７０の要求電圧が二次電池４０の出力電圧よりも小さく、且つ、求められた相関値が、昇圧停止を禁止する予め定められた禁止範囲内であるとき、昇圧停止を禁止してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００６３】
Ｃ−６．他の実施形態６：
上記実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、車両に代えて船舶やロボット等の他の任意の移動体に搭載されてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００６４】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行なうことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１０…燃料電池システム
１１…第１の配線
１２…第２の配線
１３…第３の配線
１４…第４の配線
２０…燃料電池
２１…第１の電圧センサ
２２…第２の電圧センサ
２３…第３の電圧センサ
３０…燃料電池昇圧コンバータ
４０…二次電池
４４…二次電池温度センサ
４６…ＳＯＣ検出部
５０…二次電池昇圧コンバータ
５１…上アーム
５２…下アーム
６０…インバータ
７０…負荷
７２…駆動モータ
７４…エアコンプレッサ
８０…補機
９０…制御部
Ｃ１…コンデンサ
Ｃ２…コンデンサ
Ｄ１…第１のダイオード
Ｄ２…第２のダイオード
Ｆ…フラグ
Ｌ１…リアクトル
Ｓ１…第１のスイッチング素子
Ｓ２…第２のスイッチング素子
ＶＨ…インバータ電圧
ＶＬ…二次電池電圧
Ｖｆｃ…燃料電池電圧
Ｗｎｇ…禁止閾値
Ｗｏｋ…許可閾値
Ｗｏｕｔ…放電可能電力値
【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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