(57)【要約】【課題】燃料電池と蓄電器とを備える電源システムにおいて、システム全体の効率をより高める。【解決手段】電源配線５０に対して平行に接続された燃料電池と２次電池２６とを備える電源システム１５において、電源システム１５全体のエネルギ損失が最小となるように、各電源が出力する電力を決定する。すなわち、燃料電池による発電に付随して生じるエネルギ損失量と、２次電池２６による発電に付随して生じるエネルギ損失量との和が最小となるように、各電源の出力電力を決定する。【選択図】        図１
2004253152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源配線に対して燃料電池と蓄電器とが並列に接続された電源システムであって、
前記燃料電池による発電に付随して生じるエネルギ損失量である燃料電池システム損失と、前記蓄電器による発電に付随して生じるエネルギ損失量である蓄電器システム損失と、の和である損失総量が、該損失総量の最小値を含む所定の範囲の値となるように、前記電源システムに対する負荷要求に応じて前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する出力分配決定部と、
前記出力分配決定部で決定した電力が出力されるように、前記燃料電池および前記蓄電器の発電状態を制御する発電制御部と
を備える電源システム。
【請求項２】
請求項１記載の電源システムであって、
前記出力分配決定部は、前記損失総量が最小値となるように、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する
電源システム。
【請求項３】
請求項２記載の電源システムであって、
前記出力分配決定部は、前記燃料電池が外部に出力する電力である燃料電池出力と、前記蓄電器が外部に出力する電力である蓄電器出力との組み合わせに対して、前記損失総量を対応させたエネルギ損失マップを備え、該エネルギ損失マップを参照し、前記損失総量が最も小さくなる前記組み合わせを選択して、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する
電源システム。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の電源システムであって、
前記発電制御部は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
前記蓄電器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電源配線に接続する２次電池である
電源システム。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の電源システムであって、
該電源システムは、さらに、発電の際に用いる流体を前記燃料電池に対して給排するための燃料電池補機を備え、
前記燃料電池システム損失は、理論起電力と実際に得られる電力との差である内部損失と、前記燃料電池補機を駆動することにより消費されるエネルギである補機駆動損失と、前記燃料電池に供給されながら該燃料電池における電気化学反応に利用されずに外部に排出された水素が有するエネルギである未反応水素排出損失と、を含む
電源システム。
【請求項６】
請求項１ないし５いずれか記載の電源システムであって、
前記蓄電器システム損失は、前記蓄電器の充電時に失われるエネルギ量である充電損失と、前記蓄電器の放電時に失われるエネルギ量である放電損失と、を含む
電源システム。
【請求項７】
請求項６記載の電源システムであって、
前記蓄電器システム損失は、さらに、前記蓄電器を充電する際に前記燃料電池で生じる前記燃料電池システム損失と、回生電力による充電履歴と、に基づいて求められるエネルギ損失量である燃料電池発電損失を含む
電源システム。
【請求項８】
電源配線に対して燃料電池と蓄電器とが並列に接続された電源システムの制御方法であって、
（ａ）前記電源システムに対する負荷要求に応じて、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する工程と、
（ｂ）前記（ａ）工程で決定した電力が出力されるように、前記燃料電池および前記蓄電器の発電状態を制御する工程と
を備え、
前記（ａ）工程は、前記燃料電池による発電に付随して生じるエネルギ損失量と、前記蓄電器による発電に付随して生じるエネルギ損失量との和である損失総量が、該損失総量の最小値を含む所定の範囲の値となるように、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する
制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池と蓄電器とを備える電源システム、およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、燃料電池と２次電池とを備える電源システムが知られている。このような電源システムでは、要求電力の大きさに応じて燃料電池および２次電池からの出力制御が行なわれる。出力制御の方法としては、例えば、要求電力の大きさが第１の基準値以下となるとき、すなわち燃料電池のシステムとしての効率（燃料電池補機における電力消費を考慮した燃料電池の発電効率）が特に低くなるときには、２次電池だけが電力を供給するよう制御することができる。また、要求電力が上記第１の基準値を超え第２の基準値以下となるとき、すなわち燃料電池のシステムとしての効率が２次電池の発電効率よりも高くなるときには、燃料電池だけが電力を供給するよう制御することができる。このような制御方法は、例えば特許文献１において開示されている。ここでは、要求電力の大きさが上記第２の基準値に相当する値を超えるときには、燃料電池のシステムとしての効率と２次電池の効率とが等しくなるように制御する。燃料電池と２次電池とはそれぞれ固有の特性を有するため、上記のように、それぞれの特性に基づいて特に効率が高くなる電源を優先的に用いることで、電源システム全体の効率を向上させることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１４１０９２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１１８９７９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池と２次電池とのそれぞれの特性に基づいて上記のように出力制御を行なっても、必ずしもシステム全体の効率が最良とはならない場合があるという問題があった。例えば、要求電力が上記第２の基準値以上の場合に、燃料電池のシステムとしての効率と２次電池の効率とが等しくなるように制御したとしても、電源システム全体の効率が最良とはならない場合があった。互いに異なる特性を示す２つの電源を組み合わせて用いる場合に、両者の効率が等しくなるように発電を行なわせるからといって、組み合わせた全体の効率が最良となるとは限らないのである。
【０００５】
このように、互いに異なる特性を示す２つの電源である燃料電池と２次電池とを備える電源システムにおいては、システム全体の効率をより高くする方法が望まれていた。なお、このことは、燃料電池と２次電池に限らず、燃料電池と他の電源という特性の異なる電源を組み合わせて用いる電源システムに共通する問題であった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と蓄電器とを備える電源システムにおいて、システム全体の効率をより高めることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、電源配線に対して燃料電池と蓄電器とが並列に接続された電源システムであって、
前記燃料電池による発電に付随して生じるエネルギ損失量である燃料電池システム損失と、前記蓄電器による発電に付随して生じるエネルギ損失量である蓄電器システム損失と、の和である損失総量が、該損失総量の最小値を含む所定の範囲の値となるように、前記電源システムに対する負荷要求に応じて前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する出力分配決定部と、
前記出力分配決定部で決定した電力が出力されるように、前記燃料電池および前記蓄電器の発電状態を制御する発電制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の電源システムによれば、燃料電池と蓄電器とのそれぞれにおける出力電力を決定する際に、燃料電池システム損失と、蓄電器システム損失との和である損失総量が、損失総量の最小値を含む所定の範囲の値となるように決定するため、電源システム全体の効率をより向上させることができる。
【０００９】
本発明の電源システムにおいて、
前記出力分配決定部は、前記損失総量が最小値となるように、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定する構成も好適である。
【００１０】
これによって、電源システム全体の効率が最高となる状態により近づけることができる。
【００１１】
このような電源システムにおいて、
前記出力分配決定部は、前記燃料電池が外部に出力する電力である燃料電池出力と、前記蓄電器が外部に出力する電力である蓄電器出力との組み合わせに対して、前記損失総量を対応させたエネルギ損失マップを備え、該エネルギ損失マップを参照し、前記損失総量が最も小さくなる前記組み合わせを選択して、前記燃料電池の出力電力と前記蓄電器の出力電力とを決定することとしても良い。
【００１２】
このようにマップに基づいて決定を行なうことで、エネルギ損失量を求めるために行なう演算処理を削減することができる。なお、上記マップにおける燃料電池出力は、発電の主体である燃料電池本体からの出力としても良いし、燃料電池本体を含み燃料電池の発電に直接関わる装置全体からの出力としても良い。すなわち、燃料電池本体の出力から、燃料電池に付随する機器において燃料電池の発電に伴って消費される電力を減じた出力としても良い。
【００１３】
本発明の電源システムにおいて、
前記発電制御部は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、
前記蓄電器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記電源配線に接続する２次電池であることとしても良い。
【００１４】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータを発電制御部の一部として用いることで、ＤＣ／ＤＣコンバータによって電源配線の電圧を制御して、燃料電池および２次電池の出力電力を制御することができる。
【００１５】
また、本発明の電源システムにおいて、
該電源システムは、さらに、発電の際に用いる流体を前記燃料電池に対して給排するための燃料電池補機を備え、
前記燃料電池システム損失は、理論起電力と実際に得られる電力との差である内部損失と、前記燃料電池補機を駆動することにより消費されるエネルギである補機駆動損失と、前記燃料電池に供給されながら該燃料電池における電気化学反応に利用されずに外部に排出された水素が有するエネルギである未反応水素排出損失と、を含むこととしても良い。
【００１６】
これにより、燃料電池システム損失として、実際のエネルギ損失量に極めて近い値を得ることができる。
【００１７】
あるいは、本発明の電源システムにおいて、
前記蓄電器システム損失は、前記蓄電器の充電時に失われるエネルギ量である充電損失と、前記蓄電器の放電時に失われるエネルギ量である放電損失と、を含むこととしても良い。
【００１８】
これにより、蓄電器による発電に付随して生じるエネルギ損失として、実際のエネルギ損失量に極めて近い値を得ることができる。
【００１９】
このような電源システムにおいて、
前記蓄電器システム損失は、さらに、前記蓄電器を充電する際に前記燃料電池で生じる前記燃料電池システム損失と、回生電力による充電履歴と、に基づいて求められるエネルギ損失量である燃料電池発電損失を含むこととしても良い。
【００２０】
このような構成とすれば、電源システム全体の効率をより向上させることができる。このように燃料電池発電損失を考慮して、燃料電池におけるエネルギ損失量と、蓄電器におけるエネルギ損失量との関係を結びつけることにより、より正確に電源システム全体の効率向上を図ることが可能となる。
【００２１】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、電源システムを搭載する車両等の移動体や、電源システムの制御方法などの形態で実現することが可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．電源システム１５の出力制御：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．変形例：
【００２３】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車１０は、電力を消費する負荷として、駆動モータ３２と高圧補機４０と低圧補機４６とを備えている。そして、これらの負荷に電力を供給する電源として、電源システム１５を備えている。電源システム１５と負荷との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源システム１５と負荷との間で電力がやり取りされる。
【００２４】
電源システム１５は、燃料電池部２２と、２次電池２６とを備えている。燃料電池部２２は、後述するように発電の本体である燃料電池を備えている。２次電池２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して配線５０に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、燃料電池部２２が備える燃料電池とは、配線５０に対して並列に接続されている。この配線５０には、電源システム１５における電圧を測定するために電圧計５２が設けられている。また、配線５０には、燃料電池へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード４２が設けられている。さらに配線５０には、この配線５０に対する燃料電池の接続状態を入り切りするスイッチ２０が設けられている。
【００２５】
図２は、燃料電池部２２の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池部２２は、燃料電池６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４とを備えている。燃料電池６０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池６０として固体高分子型燃料電池を用いている。
【００２６】
燃料ガス供給部６１は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池６０に供給する装置である。例えば、燃料ガス供給部６１は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすれば良い。貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６２に流入する。このように、アノードオフガス中の残余の水素ガスは流路内を循環して再度電気化学反応に供される。また、アノードオフガス路６３には、アノードオフガス路６３を外部に連通させる流路に設けられた開閉弁を備えるオフガス排出部２３が設けられている。オフガス排出部２３を用いてアノードオフガスの一部を外部に排出することで、残余の水素ガスを燃料電池６０に循環させることによってアノードオフガス中で水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）の濃度が上昇しすぎるのを防いでいる。
【００２７】
ブロワ６４は、加圧した空気を酸化ガスとして酸化ガス供給路６５を介して燃料電池６０のカソード側に供給する。カソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、水素ガス供給路６２，酸化ガス供給路６５には、それぞれ、各流路を通過するガス流量を検出するための流量センサ６７，６８が設けられている。さらに、アノードオフガス路６３には、残余の水素ガスを燃料電池６０に循環させるための水素ポンプ６９が設けられている。また、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器をさらに設けることとしても良い。
【００２８】
２次電池２６としては、鉛蓄電池や、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２次電池など種々の２次電池を用いることができる。また、図１に示すように、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって２次電池２６の残存容量を検出することができる。
【００２９】
２次電池２６の残存容量が所定値以下になると、２次電池２６は、燃料電池６０によって充電される。また、電気自動車１０の制動時（車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３２を発電機として用いて車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換することによって、２次電池２６を充電することができる。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線５０における電圧を調節し、これによって燃料電池６０からの出力電圧を調節して燃料電池６０の出力電力を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を切断する。
【００３１】
電源システム１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して電源システム１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記駆動モータ３２の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００３２】
また、他の負荷である高圧補機４０は、電源システム１５から供給される電力を、３００Ｖ程度の電圧のまま利用する装置である。図１では、高圧補機４０は、電源装置１５から電力を供給される負荷として電源システム１５の外側に示されているが、高圧補機４０の中には燃料電池部２２を構成する燃料電池補機も含まれている。高圧補機４０に含まれる燃料電池補機としては、具体的にはブロワ６４や水素ポンプ６９が挙げられる（図２参照）。さらに、燃料電池６０を冷却するために燃料電池６０内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ（図示せず）も、燃料電池補機に含まれる。あるいは、上記冷却水を冷却するためにラジエータを用いる場合には、ラジエータが備えるラジエータファンも燃料電池補機に含まれる。燃料電池部２２に含まれない高圧補機４０としては、例えば電気自動車１０が備える空調装置（エアコン）を挙げることができる。
【００３３】
また、さらに他の負荷である低圧補機４６は、駆動モータ３２や高圧補機とは異なり駆動電圧が低い負荷であり、配線５０に接続された降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４によって電圧を１２Ｖ程度に下げた電力が供給される。図１では、低圧補機４６は、電源装置１５から電力を供給される負荷として電源システム１５の外側に示されているが、低圧補機４６の中には燃料電池部２２を構成する燃料電池補機も含まれている。低圧補機４６に含まれる燃料電池補機としては、具体的には、燃料電池６０に燃料ガスや酸化ガスや冷却水を給排する流路に設けた流量調節バルブやオフガス排出部２３（図２参照）等が挙げられる。配線５０の電圧が変動するときには、電圧計５２の検出信号に基づいて降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４が駆動され、低圧補機４６に電力供給する際の電圧が略一定に保たれる。
【００３４】
また、電気自動車１０は、制御部４８をさらに備えている。制御部４８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、残存容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、アクセル開度や車速等の車両の運転に関する情報を取得する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池部２２，駆動インバータ３０，高圧補機４０，降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４などに駆動信号を出力する。
【００３５】
Ｂ．電源システム１５の出力制御：
本実施例の電源システム１５では、所望の電力を出力する際に、燃料電池６０による発電に付随して生じるエネルギ損失量（燃料電池システム損失）と、２次電池２６による発電に付随して生じるエネルギ損失量（２次電池システム損失）と、の和（以下、損失総量という）が、最小となるように、燃料電池部２２および２次電池２６の出力電力を制御している。図３は、燃料電池システム損失と２次電池システム損失と燃料電池システム効率と２次電池システム効率とのそれぞれを表わす説明図である。
【００３６】
ここで、燃料電池システム損失とは、理論起電力と実際に得られる電力との差として現われる内部損失と、燃料電池補機が消費するエネルギである補機駆動損失と、燃料電池に供給されながら電気化学反応に利用されずに外部に排出された水素が有するエネルギである未反応水素排出損失と、を含む。
【００３７】
上記内部損失は、燃料電池６０を構成する部材が有する電気抵抗や、燃料電池６０を構成する部材間の接触抵抗に起因する抵抗分極による損失を含んでいる。さらに上記内部損失は、燃料電池６０の起電力の一部が活性化過電圧として消費されることによる活性化分極を含んでいる。このような損失の多くは熱として外部に放出される。また、この内部損失は、燃料電池温度や燃料電池に供給されるガス圧、あるいは燃料ガス中の水素濃度等によって変化する。本実施例では、燃料電池の運転条件として予め定めた条件下で燃料電池の発電を行なわせて、実験的に内部損失の大きさを測定している。
【００３８】
補機駆動損失、すなわち燃料電池補機が消費する電力は、燃料電池部２２が出力する電力に応じて予め求めることができる。燃料電池部２２から出力すべき電力に応じて燃料電池６０に供給すべきガス量が定まり、供給ガス量に応じてブロワ６４や水素ポンプ６９等の燃料電池補機の駆動量が定まるためである。本実施例では、燃料電池部２２の出力に応じて設定される各燃料電池補機の駆動量に基づいて、燃料電池補機の消費電力の合計を予め算出している。
【００３９】
未反応水素排出損失とは、具体的には、オフガス排出部２３（図２参照）によって水素を含むアノードオフガスを外部に排出することによる損失であり、排出された水素が有するエネルギ量を表わす。このようなアノードオフガス排出の動作の条件（排出を行なう時間間隔等）は、燃料電池の出力の大きさに応じて定められている。そのため、本実施例では、燃料電池部２２の出力に応じて予め排出水素量を算出し、未反応水素排出損失を求めている。なお、燃料電池で発電を行なう際には、燃料ガス中の水素が固体高分子電解質膜を透過して酸化ガス中に混入するという現象（クロスリーク）がわずかに生じる。このような水素のクロスリークによって発電に寄与しなくなる水素が有するエネルギ量を、未反応水素排出損失にさらに加えることとしても良い。具体的には、例えば、酸化ガス側に透過する水素量を予め実験的に測定し、発電に用いられる水素量に対する透過水素量の割合を見積もっておき、燃料電池６０の出力電力に応じて損失エネルギ量を概算することができる。
【００４０】
図３に示した燃料電池システム損失は、燃料電池部２２の出力電力に応じて上記のように求めた内部損失と補機駆動損失と未反応水素排出損失とを合計したものである。
【００４１】
２次電池システム損失とは、２次電池の充電時に失われるエネルギ量である充電損失と、２次電池の放電時に失われるエネルギ量である放電損失と、を含む。充電損失は、理論充電量と実際の充電量との差に相当する損失と、充電時にＤＣ／ＤＣコンバータ２８で生じる損失との和として求められる。放電損失は、理論起電力と実際の放電量との差に相当する損失と、発電時にＤＣ／ＤＣコンバータ２８で生じる損失との和として求められる。本実施例では、これら充電損失および放電損失は実験的に予め求められている。
【００４２】
また、燃料電池システム効率（あるいは２次電池システム効率）とは、発電に伴って消費されたエネルギ量に対する発電により利用可能となったエネルギ量の割合を表わす。すなわち、出力とシステム損失との合計に対する出力の割合に相当する。
【００４３】
図３に示すように、燃料電池システム損失および２次電池システム損失は共に、出力電力が大きくなるほどその値が大きくなる。このような燃料電池システム損失と２次電池システム損失とは、相手方の発電状態の影響を互いに受けない値と考えることができる。そのため、燃料電池部２２と２次電池２６とのそれぞれから所定量の電力を得るときの電源システム１５全体でのエネルギ損失は、図３に基づいて求められる燃料電池システム損失と２次電池システム損失とを合計することにより算出することができる。図４は、燃料電池部２２からの出力（燃料電池システム出力）と２次電池２６からの出力（２次電池システム出力）との組み合わせに対して、燃料電池システム損失と２次電池システム損失との和である損失総量を対応させたエネルギ損失マップである。すなわち、損失総量が等しくなる動作ポイント（燃料電池部２２の出力電力と２次電池２６の出力電力との組み合わせとして示されるポイント）をつないだ曲線（等損失曲線）により構成されるマップである。図４に示すように、燃料電池部２２の出力が大きくなるほど、また２次電池２６の出力が大きくなるほど、損失総量は大きくなる。
【００４４】
図５は、図４のエネルギ損失マップにおいて、電源システム１５の出力電力が３０ｋＷとなる動作ポイントをつないだ直線（直線Ａ）を重ねて示す説明図である。燃料電池部２２からの出力と２次電池２６からの出力とを組み合わせた動作ポイントが直線Ａ上にあれば、電源システム１５からは３０ｋＷの電力が出力される。この直線Ａとエネルギ損失マップとを比較することで、電源システム１５からの出力が３０ｋＷとなる各動作ポイントにおいて、電源システム１５全体のシステム損失の大きさを知ることができる。図５中の点Ｂは、電源システム１５からの出力が３０ｋＷとなる動作ポイントの中で、電源システム１５全体のシステム損失が最小となる動作ポイントを示す。
【００４５】
このように、電源システム１５の出力電力が所定の値となる動作ポイントをつないだ直線と図４のエネルギ損失マップとを比較することで、電源システム１５の出力電力に応じて、システム損失が最小となる動作ポイントを知ることができる。図６は、システム損失が最小となる動作ポイントを、電源システム１５が出力し得る電力の範囲にわたって求めて太線で示している最適電力分配マップである。
【００４６】
図６に示すように、電源システム１５の出力が極めて小さいときには、２次電池２６のみを用いることでシステム損失が最小となる（図６の最適電力分配マップにおける領域Ａ）。これは、出力電力が非常に小さい値のときには燃料電池システム効率は低い値となるためである（図３参照）。電源システム１５の出力が領域Ａよりも大きな値となるときには、燃料電池部２２のみを用いることでシステム損失が最小となる（図６の最適電力分配マップにおける領域Ｂ）。これは、このような大きさの電力を出力するときには、燃料電池部２２ではシステム効率が最大に近い値となり、２次電池２６に比べてシステム効率が極めて高くなるためである（図３参照）。電源システム１５の出力がさらに大きな値となるときには、システム損失が最小となる動作ポイントは、燃料電池部２２と２次電池２６との両方から電力が供給される状態となる（図６の最適電力分配マップにおける領域Ｃ）。この領域Ｃでは、電源システム１５からの出力が大きくなるにしたがって、燃料電池部２２からの出力も２次電池２６からの出力も共に増加する。そして、電源システム１５の出力がさらに大きな値となるときには、システム損失が最小となる動作ポイントは、２次電池２６の出力は一定値に保たれつつ、燃料電池部２２の出力だけが増加するようになる（図６の最適電力分配マップにおける領域Ｄ）。これは、２次電池２６からの出力が、許容される最大値に達するためである。
【００４７】
電源システム１５は、制御部４８内のメモリに図６に示したような最適電力分配マップを記憶しており、このマップに基づいて、燃料電池部２２および２次電池２６の動作ポイントを決定する。図７は、電気自動車１０で電源システム１５を用いた運転が行なわれている間、制御部４８において所定の間隔で繰り返し実行される出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００４８】
本ルーチンが実行されると、制御部４８は、制動時であるかどうかを判断する（ステップＳ１００）。制動時ではないと判断すると、制御部４８は、アクセル開度および車速に関する情報を取得する（ステップＳ１１０）。そして、アクセル開度および車速に基づいて、駆動モータ３２における要求電力ＰＭｒｅｑを算出する（ステップＳ１２０）。モータ要求電力ＰＭｒｅｑを算出すると、制御部４８は、次に電源システム１５における要求電力Ｐｒｅｑ  を算出する（ステップＳ１３０）。電源システム要求電力Ｐｒｅｑ  とは、モータ要求電力ＰＭｒｅｑに、さらに、燃料電池補機を除く他の負荷（例えば電気自動車１０が備える空調装置）における要求電力等を加えたものであり、電源システム１５が出力すべき電力の総量である。
【００４９】
電源システム要求電力Ｐｒｅｑ  を算出すると、次に制御部４８は、この電源システム要求電力Ｐｒｅｑ  の値に基づいて、図６の最適電力分配マップを参照して、動作ポイント（電力分配）を決定する（ステップＳ１４０）。すなわち、電源システム要求電力Ｐｒｅｑ  を電源システム１５から出力するために、燃料電池部２２と２次電池２６とのそれぞれから出力すべき電力を決定する。そして制御部４８は、燃料電池部２２および２次電池２６からステップ１４０で決定した電力が得られるように、電源システム１５の各部に駆動信号を出力して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。
【００５０】
ステップＳ１５０における動作は、具体的には、以下のように行なわれる。図８は、燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。図８に示すように、燃料電池６０から出力すべき電力ＰＦＣが定まれば、そのときの燃料電池６０の出力電流の大きさＩＦＣが定まる。燃料電池６０の出力特性より、出力電流ＩＦＣが定まれば、そのときの燃料電池６０の出力電圧ＶＦＣが定まる。ステップＳ１５０では、制御部４８は、ステップＳ１４０で決定した燃料電池部２２の出力電力に基づいて上記のように燃料電池６０の出力電圧ＶＦＣを定め、出力電圧ＶＦＣを出力側の目標電圧とするようＤＣ／ＤＣコンバータ２８に駆動信号を出力する。また、このとき、制御部４８は、燃料電池６０が発電すべき電力に応じた量のガスが燃料電池６０に供給されるように、ブロワ６４，水素ポンプ６９，燃料ガス供給部６１等に駆動信号を出力する。このように、配線５０の電圧（燃料電池６０の出力電圧）が上記出力電圧ＶＦＣとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を駆動すると共に、充分量のガスを燃料電池６０に供給することで、燃料電池部２２からはステップＳ１４０で決定した電力が出力されるようになる。
【００５１】
また、ステップＳ１５０では、制御部４８は、ステップＳ１２０で算出したモータ要求電力ＰＭｒｅｑに基づいて駆動インバータ３０に駆動信号を出力して、駆動モータ３２における消費電力がモータ要求電力ＰＭｒｅｑとなるように制御する。その結果、２次電池２６からは、ステップ１４０で決定した電力が出力されるようになる。
【００５２】
なお、ステップＳ１００において制動時であると判断されるときには、制御部４８は、回生運転モードを選択して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ここで、回生運転モードとは、駆動モータ３２を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これによって２次電池２６を充電する運転モードである。回生運転モードでは、駆動モータ３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対して電力が供給され、この電力はさらにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して２次電池２６に供給されて２次電池２６の充電が行なわれる。
【００５３】
以上のように構成された本実施例の電源システム１５によれば、燃料電池部２２と２次電池２６とのそれぞれから出力すべき電力を決定する際に、損失総量が最小値となるように決定するため、電力分配を、電源システム１５全体の効率が最高となる状態に常に近づけることができる。燃料電池システム効率および２次電池システム効率は、図３に示すように出力に応じてそれぞれ変化するが、これら個々のシステム効率から、燃料電池と２次電池とを組み合わせて用いたときに電源システム１５全体の総合効率が最良となる電力分配を知ることは困難である。本実施例では、燃料電池システム損失と２次電池システム損失とを合計し、この合計量が最も小さくなるように電力分配を定めることで、結果的に電源システム１５の総合効率の最適化をより容易に行なうことが可能となる。
【００５４】
このような効果は、特に、図６の最適電力分配マップにおける領域Ｃにおいて顕著に得ることができ、燃料電池部２２と２次電池２６とのそれぞれから出力する電力量をより最適な値にすることができる。また、発電に用いる電源を切り替える動作を、電源システム１５の総合効率を最適化するためにより望ましいタイミングで行なうことが可能となる。すなわち、図６中、領域Ａから領域Ｂへ切り替える動作ポイント、あるいは領域Ｂから領域Ｃに切り替える動作ポイントを、より適切に設定することができる
【００５５】
また、本実施例では、損失総量が最小値となる動作ポイントを決定するために、図６に示したような最適電力分配マップを記憶している。そのため、損失総量が最小となる動作ポイントを決定する際に損失を求めるために煩雑な計算を行なう必要が無く、動作ポイント決定の動作を簡素化することができる。
【００５６】
Ｃ．第２実施例：
２次電池２６を充電する際に、燃料電池部２２を用いる場合と、回生運転モードで生じる回生電力を用いる場合とでは、充電時の効率が異なる。このような２次電池２６の充電時に燃料電池部２２で生じる損失をさらに考慮して２次電池システム損失を求める構成を、第２実施例として説明する。第２実施例の電源システム１５は、図１に示した第１実施例の電源システム１５と同様の構成を有しており、詳しい説明は省略する。
【００５７】
図９は、２次電池２６の出力と２次電池システム損失との関係を表わす説明図である。第１実施例の説明では、２次電池システム損失は、充電損失と放電損失とを含むこととしたが、第２実施例ではさらに、２次電池２６を充電するために燃料電池部２２で生じたエネルギ損失量である燃料電池発電損失を含むこととしている。図９中の曲線Ａは、燃料電池システム効率が最も高くなる条件で燃料電池部２２により２次電池２６を充電したときの状態を表わす。図９中の曲線Ｂは、燃料電池システム効率がより低くなる条件で燃料電池部２２により２次電池２６を充電したときの状態を表わす。また、図９中曲線Ｃは、回生電力により２次電池２６を充電したときの状態を表わす。回生電力により２次電池２６を充電する際には、燃料電池部２２は２次電池２６に電力を供給しないため、曲線Ｃでは燃料電池発電損失は０となる。また、燃料電池部２２により２次電池２６を充電する際の燃料電池発電損失は、燃料電池の出力に応じて、図３に示した燃料電子システム損失に基づいて知ることができる。このように、燃料電池発電損失は、２次電池２６を利用するためにどのくらい回生電力を用いたか（回生電力による充電履歴）と、燃料電池部２２を用いて２次電池２６を充電したときの燃料電池システム損失とから求められる。
【００５８】
燃料電池発電損失を、回生電力による充電履歴と、燃料電池部２２を用いて２次電池２６を充電したときの燃料電池システム損失と（以下、これらを合わせて２次電池の充電状況という）に基づいて求めるには、例えば次のように行なえばよい。２次電池２６の充電時に燃料電池発電損失を算出するための式の例を、以下に（１）式として示す。
【００５９】
2004253152.tif 000003
ただし、Ｔは演算時間；
ＰＬＯＳＳ（Ｔ）は現在の燃料電池発電損失；
ｐＬＯＳＳ（Δｔ）はｔ＝ＴからΔｔ時間経過する間の燃料電池発電損失；
ＰＬＯＳＳ（Ｔ＋Δｔ）はｔ＝Ｔ＋Δｔの時の燃料電池発電損失：
【００６０】
また、上記のように充電の動作の度に燃料電池発電損失を算出する代わりに、図６の最適電力分配マップと同様のマップを、燃料電池発電損失をさらに考慮して作成して、予め制御部４８に記憶しておくこととしても良い。例えば、２次電池２６の充電状況ごとに図６のような最適電力分配マップを作成しておき、充電状況に応じてマップを切り替えて動作ポイントの決定を行なえばよい。
【００６１】
このような第２実施例によれば、２次電池の充電状況に応じて燃料電池発電損失を求め、これに基づいて電源システム１５全体でのエネルギ損失量が最小となる動作ポイントを定めるため、電源システム１５全体の効率をより高めることができる。また、２次電池システム損失を求める際に燃料電池発電損失を考慮することで、見かけ上は互いに影響しない燃料電池システム損失と２次電池システム損失との関係を結びつけることができ、より正確に電源システム１５全体の効率向上を図ることが可能となる。
【００６２】
なお、２次電池の充電状況に応じて燃料電池発電損失が変動する大きさが許容できる範囲である場合には、２次電池システム損失を求める際に、燃料電池発電損失を所定値に固定することとしても良い。例えば、燃料電池システム効率が悪化した状態と、回生電力を用いる場合の中間の値として、燃料電池システム効率が最大の時の燃料電池発電損失を用いることができる。
【００６３】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６４】
Ｄ１．変形例１：
第１および第２実施例では、燃料電池システム損失と２次電池システム損失との和である損失総量が最小となるように制御したが、最小となる動作ポイントそのものでなくても、損失総量が最小となる状態に近づくように実際の動作ポイントが決定されればよい。
【００６５】
例えば、動作ポイントを決定する際に、実測した供給ガス量（流量センサ６７が検出した燃料ガス流量あるいは流量センサ６８が検出した酸化ガス流量）に基づく制限をさらに加えて燃料電池部２２の出力電力を決定しても良い。負荷の増大時にガス流量の増加が追いつかないときには、実際のガス流量に基づいて出力電力を制限する構成が可能である。
【００６６】
また、動作ポイントを決定する際に、本発明の電源システムを搭載する車両の車速が低いとき（図７のステップＳ１１０で取得した車速が所定値以下のとき）に、燃料電池部２２から出力すべき電力をより低く決定することとしても良い。このように燃料電池部２２からの出力電力に制限を加えることで、車速が低いときに、オフガス排出部２３から排出される水素量を削減したり、ブロワ６４など燃料電池６０の発電に伴って動作する各部が発生する作動音を低減することができる。
【００６７】
あるいは、動作ポイントを決定する際に、２次電池２６のＳＯＣが低下しているときには、２次電池２６が出力すべき電力をより低く決定することとしても良い。
【００６８】
このような制限を加える場合には、実際の損失総量が、損失総量の最小値を含む所定の範囲の値となるように、燃料電池出力および２次電池出力が設定される。このような構成としても、電源システム全体の効率を向上させる同様の効果を得ることができる。
【００６９】
Ｄ２．変形例２：
第１および第２実施例では、配線５０に対して燃料電池６０と２次電池２６とを並列に接続する際に、２次電池２６はＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して配線５０に接続している。これに対して、燃料電池６０と２次電池２６との接続位置を逆にする構成も可能である。このような電源システム１１５を搭載する電気自動車１１０の構成を図１０に示す。図１０では、図１の電気自動車１０と共通する部分には同じ参照番号を付している。
【００７０】
電源システム１１５において、損失総量が最小となるように動作ポイントを制御する際には、図８に示した燃料電池６０の出力特性に代えて、２次電池２６の出力特性に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の出力側の電圧を設定すればよい。図１１は、２次電池２６の出力特性の例を表わす説明図である。図１１に示すように、２次電池２６の出力電流−出力電圧特性は、ＳＯＣによって変化するものであり、ＳＯＣが決まれば、そのときの出力電流−出力電圧特性が定まる。図１１では、ＳＯＣの小さな順に、出力電流−出力電圧特性がＧ１，Ｇ２，…，Ｇ５となることを表わしている。そこでまず、残存容量モニタ２７からＳＯＣの情報を取得し、そのＳＯＣに対応する出力電流−出力電圧特性（例えば図１１中のＧ３）を選択する。そして、ステップＳ１４０で決定した２次電池２６から出力すべき電力（図１１中のＰｎ）を出力するための２次電池２６の出力電圧（図１１中のＶｎ）を決定する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側の電圧の指令値として、この電圧を設定すればよい。このとき、ステップＳ１４０で決定した燃料電池の出力電力に応じたガスが供給されるように、燃料電池部２２の各部に駆動信号を出力すると共に、モータ要求電力ＰＭｒｅｑに応じた駆動信号を駆動インバータ３０に出力することで、所望の電力分配にて所望の出力が得られる。
【００７１】
このように、配線５０に対して燃料電池６０と２次電池２６とが並列に接続されており、燃料電池６０と２次電池２６との出力電力を任意に設定可能であれば、実施例と同様の制御によって、電源システム全体の効率を向上させることができる。
【００７２】
Ｄ３．変形例３：
第１および第２実施例では、燃料電池６０に対して水素ガスを供給することとしたが、燃料ガス供給部６１に改質器を備えさせ、燃料ガスとして改質ガスを用いることとしても良い。この場合には、燃料電池システム損失を求める際に、改質燃料から水素を生成する際の改質効率をさらに考慮すればよい。
【００７３】
Ｄ４．変形例４：
また、図１の電源システム１５あるいは図１０の電源システム１１５が、２次電池２６に代えて、あるいは２次電池２６に加えて、キャパシタ等の他種の蓄電器を備えることとしてもよい。充放電可能な蓄電器であって、負荷に応じた出力制御を行なうことができればよい。
【００７４】
Ｄ５．変形例５：
第１および第２実施例では、燃料電池と２次電池とを備える電源システムを示したが、燃料電池に代えて内燃機関を備えるハイブリッド型のエネルギ出力システムにおいても、同様の方法で、システム全体の効率向上を図ることが可能である。すなわち、２次電池システム損失と内燃機関システム損失との和が最小となるように、２次電池の出力電力および内燃機関の出力動力を設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池部２２の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】燃料電池システム損失、２次電池システム損失、燃料電池システム効率、２次電池システム損失のそれぞれを表わす説明図である。
【図４】電源システム１５全体のエネルギ損失の様子を表わすエネルギ損失マップを示す説明図である。
【図５】エネルギ損失マップと、電源システム１５の出力電力が３０ｋＷとなる動作ポイントをつないだ直線（直線Ａ）を重ねて示す説明図である。
【図６】最適電力分配マップを示す説明図である。
【図７】出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図８】燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【図９】２次電池２６の出力と２次電池システム損失との関係を表わす説明図である。
【図１０】電気自動車１１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図１１】２次電池２６の出力特性の例を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…電気自動車
１５，１１５…電源システム
２０…スイッチ
２２…燃料電池部
２３…オフガス排出部
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…高圧補機
４２…ダイオード
４４…降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６…低圧補機
４８…制御部
５０…配線
５２…電圧計
６０…燃料電池
６１…燃料ガス供給部
６２…水素ガス供給路
６３…アノードオフガス路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路
６７，６８…流量センサ
６９…水素ポンプ
１１５…電源システム
【図１】
2004253152.tif 000004
【図２】
2004253152.tif 000005
【図３】
2004253152.tif 000006
【図４】
2004253152.tif 000007
【図５】
2004253152.tif 000008
【図６】
2004253152.tif 000009
【図７】
2004253152.tif 000010
【図８】
2004253152.tif 000011
【図９】
2004253152.tif 000012
【図１０】
2004253152.tif 000013
【図１１】
2004253152.tif 000014