(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気との化学反応により発電し、駆動モータへの電力供給を行う燃料電池と、
前記燃料電池から前記駆動モータ方向へ電流を流す整流器と、
前記整流器と前記駆動モータとの間において、前記燃料電池と並列に接続され、充放電可能な蓄電装置と、
前記燃料電池と前記整流器との間に設置され、前記燃料電池と、前記駆動モータの接続および遮断を行うスイッチ装置と、
前記燃料電池の発電準備完了までの時間、前記蓄電装置からの電力により走行する蓄電装置走行を行わせる蓄電装置走行制御部を備える制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記スイッチ装置の接続条件を保持している記憶部と、
前記接続条件に従って、前記スイッチ装置を接続させるスイッチ制御部と、をさらに備え、
前記燃料電池の起動の際における当該燃料電池の電圧の上昇過程において、前記電圧が所定の電圧値に達するまでに前記スイッチ制御部が前記スイッチ装置を接続する燃料電池車両であって、
前記接続条件は、前記燃料電池の電圧が、前記蓄電装置走行中において前記駆動モータの入力側電圧であるモータ入力電圧が急激に降下した際の前記モータ入力電圧に、前記燃料電池から前記駆動モータ側への突入電流を生じさせないような差分電圧を加算した電圧以下に予め設定される接続電圧となったときであることを特徴とする燃料電池車両。
【請求項２】
電圧の変換を行うＤＣＤＣコンバータをさらに有し、
前記ＤＣＤＣコンバータを介して前記蓄電装置からの放電が行われる構成であり、
前記制御装置は、
前記スイッチ装置が接続された後、前記燃料電池からの発電電力により走行する発電走行までの前記燃料電池の電圧の昇圧過程において、前記燃料電池の電圧が上昇しても前記燃料電池から出力される電流が一定値になるように、前記ＤＣＤＣコンバータにより前記蓄電装置の電圧を昇圧することによって、前記燃料電池から出力される電流を制限するように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両。
【請求項３】
前記接続条件が、前記電圧に対応した時間で規定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を搭載した車両に関して、燃料電池の発電準備中に、駆動モータに対し燃料電池と並列に接続された高圧蓄電装置（以下、高圧バッテリと記載）から、駆動モータへ電力を供給し、燃料電池の電力が使用可能になるまで、この高圧バッテリから供給される電力で駆動モータを駆動させる燃料電池搭載車両の制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このように、燃料電池の発電準備中に高圧バッテリから供給される電力を用いて駆動モータを駆動させることをバッテリ走行（蓄電装置走行）と記載する。
【０００３】
また、燃料電池を搭載した車両において、燃料電池と並列に接続された高圧バッテリの電圧を、直流／直流変換器（ＤＣ（Direct Current）／ＤＣコンバータ）で昇圧し、駆動モータ側の電圧を燃料電池の電圧に近似させてから、燃料電池と、駆動モータとの間に介在するスイッチ接点（ＦＣ（Fuel Cell）コンタクタ）を接続することにより、燃料電池からシステム内の各機器への突入電流を防止する装置およびそのような装置の操作方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７３４７５号公報
【特許文献２】特表２００３−５１８３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、駆動モータで駆動する車両などにおいて、走行中のスリップなどにより駆動モータの回転速度が、急激に上がると、これに伴い、駆動モータの消費電力が急激に大きくなる。すると、駆動モータの入力側電圧（モータ入力電圧）が、急激に低下する現象がおきる。
【０００６】
特許文献１に記載されている技術を用いた車両、すなわち燃料電池車両の起動直後、燃料電池からの電力ではなく、高圧バッテリからの電力でバッテリ走行を行う車両において、特許文献２に記載されているＦＣコンタクタの接続方法を適用すると、以下に記載するような状況が生じるおそれがある。すなわち、バッテリ走行を行っている最中でも、燃料電池の出力電圧は、徐々に大きくなっている。そして、このような状態で、スリップなどが生じ、モータ入力電圧が急激に低下したときに、ＦＣコンタクタを接続すると、燃料電池から駆動モータに向かって突入電流が流れ、ＰＤＵ（Power Drive Unit）などが破損するといった状況が生じるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明では、モータ入力電圧が低下しても、燃料電池から駆動モータへの突入電流が生じない燃料電池車両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】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に係る燃料電池車両は、燃料ガスと空気との化学反応により発電し、駆動モータへの電力供給を行う燃料電池と、前記燃料電池から前記駆動モータ方向へ電流を流す整流器と、前記整流器と前記駆動モータとの間において、前記燃料電池と並列に接続され、充放電可能な蓄電装置と、前記燃料電池と前記整流器との間に設置され、前記燃料電池と、前記駆動モータの接続および遮断を行うスイッチ装置と、前記燃料電池の発電準備完了までの時間、前記蓄電装置からの電力により走行する蓄電装置走行を行わせる蓄電装置走行制御部を備える制御装置とを有し、前記制御装置は、前記スイッチ装置の接続条件を保持している記憶部と、前記接続条件に従って、前記スイッチ装置を接続させるスイッチ制御部と、をさらに備え、前記燃料電池の起動の際における当該燃料電池の電圧の上昇過程において、前記電圧が所定の電圧値に達するまでに前記スイッチ制御部が前記スイッチ装置を接続する燃料電池車両である。
そして、前記接続条件は、前記燃料電池の電圧が、前記蓄電装置走行中において前記駆動モータの入力側電圧であるモータ入力電圧が急激に降下した際の前記モータ入力電圧に、前記燃料電池から前記駆動モータ側への突入電流を生じさせないような差分電圧を加算した電圧以下に予め設定される接続電圧となったときであることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、想定されるモータ入力電圧の急激な電圧降下分を考慮し、スイッチ装置を接続するため、蓄電装置走行中において、モータ入力電圧の急激な低下に伴う燃料電池からの突入電流を防止することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池車両であって、電圧の変換を行うＤＣＤＣコンバータをさらに備え、前記ＤＣＤＣコンバータを介して前記蓄電装置からの放電が行われる構成である。そして、前記制御装置は、前記スイッチ装置が接続された後、前記燃料電池からの発電電力により走行する発電走行までの前記燃料電池の電圧の昇圧過程において、前記燃料電池の電圧が上昇しても前記燃料電池から出力される電流が一定値になるように、前記ＤＣＤＣコンバータにより前記蓄電装置の電圧を昇圧することによって、前記燃料電池いから出力される電流を制限するように制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、蓄電装置走行中に、まだ準備段階である燃料電池の電力を極力消費させない。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池車両であって、前記接続条件が、前記電圧に対応した時間で規定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、例えば、タイマでの制御ができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、モータ入力電圧が低下しても、燃料電池から駆動モータへの突入電流が生じない燃料電池車両を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの例を示すブロック図である。
燃料電池システムＡにおいて、燃料電池３と、高圧バッテリ２（蓄電装置）とは、ＦＣコンタクタ４（スイッチ装置）、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、バッテリコンタクタ６を介して、後記する駆動モータ１１に対し、互いに並列に接続されている。制御装置１は、燃料電池３、高圧バッテリ２、ＦＣコンタクタ４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５、バッテリコンタクタ６などと接続している。制御装置１の詳細については、後記する。
さらに、高圧バッテリ２または燃料電池３から、車輪を駆動するための永久磁石式三相交流モータ（駆動モータ１１）へ送る電力を制御するＰＤＵ１０（Power Drive Unit）が、高圧バッテリ２および燃料電池３に対して、直列に接続されている。
【００２１】
ＦＣコンタクタ４は、燃料電池３と、燃料電池システムＡとの断続を行うためのスイッチである。ＦＣコンタクタ４のＤＣ／ＤＣコンバータ５側には、駆動モータ１１側から、燃料電池３側へ電流が流れることを防止するためのダイオード１４（整流器）が配置されている。
高圧バッテリ２は、例えばリチウムイオン、ニッケル水素などであり、燃料電池３からの発電電力を受けて充電可能であると共に放電可能なものである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、燃料電池３と、高圧バッテリ２との間の電圧を調整する機能を有する。
そして、バッテリコンタクタ６は、高圧バッテリ２と燃料電池システムＡとの断続を行うためのスイッチである。
【００２２】
燃料電池システムＡには、高圧バッテリ２の電圧を１２Ｖ機器に適切な電圧にするためのダウンコンバータ８が、高圧バッテリ２および燃料電池３に対して、直列に接続されており、その先には、図示しないアクセサリなどに接続されている１２Ｖバッテリ９が接続されている。ダウンコンバータ８は、高圧バッテリ２の電圧を降圧し、１２Ｖバッテリ９へ送ることにより、１２Ｖバッテリ９の充電を行う。
【００２３】
燃料電池システムＡには、水素などのアノードガスを燃料電池３へ供給するアノードガス供給装置１２と、空気を燃料電池３へ供給するエアコンプレッサ１３とを備えている。エアコンプレッサ１３は、高圧バッテリ２または燃料電池３から供給される電力によって、作動する。
燃料電池３は、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜の一面側をアノード（水素極）、他面側をカソード（空気極）でそれぞれ挟んで構成した膜電極接合体を有し、さらにこの膜電極接合体の両側を導電性のセパレータで挟んだ単セルを複数直列に接続した構造を有している。このような燃料電池３では、アノードに燃料ガスとしての水素が供給され、カソードに酸化剤ガスとしての空気（酸素）が供給されることにより、アノードでは、電子が外部付加（エアコンプレッサ１３など）を介してカソードに移動することにより発電が行われ、カソードでは、水素イオンと酸素と電子とにより水が生成される。
【００２４】
さらに、燃料電池システムＡは、各機器の制御を行う制御装置１を有する。
制御装置１は、高圧バッテリ２、バッテリコンタクタ６、ダウンコンバータ８などから情報を取得し、取得した情報を基に、バッテリコンタクタ６、ダウンコンバータ８、ＦＣコンタクタ４、アノードガス供給装置１２、エアコンプレッサ１３などの制御を行う。
【００２５】
なお、図１に示すように、ダイオード１４と、ＰＤＵ１０との間に、ＰＤＵ１０の入力側電圧、すなわち駆動モータ１１の入力側電圧（モータ入力電圧Ｖｍ）を測定する電圧測定装置７ａを配置してもよい。さらに、燃料電池３の出力端子に、燃料電池３の端子間電圧（出力側電圧：ＦＣ電圧Ｖｃ）を測定する電圧測定装置７ｂを配置してもよい。電圧測定装置７ａ，７ｂによる測定結果は、制御装置１へ入力される。
【００２６】
（制御装置）
図２は、本実施形態に係る制御装置の例を示すブロック図である。
制御装置１は、処理部１１０、記憶部１２０、入力部１３０、ＦＣ電圧取得部１４０およびモータ入力電圧取得部１５０を有してなる。
入力部１３０は、例えば、工場出荷時において、制御装置１に情報を入力する機能を有する。
ＦＣ電圧取得部１４０は、電圧測定装置７ｂから、ＦＣ電圧を取得する機能を有する。なお、ＦＣ電圧取得部１４０は、省略可能である。
モータ入力電圧取得部１５０は、電圧測定装置７ａから、モータ入力電圧を取得する機能を有する。
記憶部１２０には、ＦＣコンタクタ４の接続条件であるＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１が保存されている。なお、記憶部１２０は、ＲＯＭ（Read Only memory）や、ＲＡＭ（Random Access memory）などから構成される記憶装置である。
【００２７】
処理部１１０は、入力部１３０、ＦＣ電圧取得部１４０、モータ入力電圧取得部１５０などから取得した情報を処理し、記憶部１２０へ記憶させるなどの機能を有する。
処理部１１０は、ＦＣコンタクタ制御部１１１（スイッチ制御部）、バッテリ走行制御部１１２（蓄電装置走行制御部）、計算部１１３および発電走行制御部１１４を有してなる。
ＦＣコンタクタ制御部１１１は、記憶部１２０に保存されているＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１に従って、ＦＣコンタクタ４の接続を行う機能を有する。
バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ走行の許可・不許可を判定し、高圧バッテリ２から駆動モータ１１へ電力を供給させることにより、バッテリ走行を行わせるなどの制御を行う機能を有する。
計算部１１３は、ＦＣ電圧取得部１４０が取得したＦＣ電圧と、モータ入力電圧取得部１５０が取得したモータ入力電圧との差分を算出したり、取得したＦＣ電圧に、後記する所定の差分電圧値を加算したりする機能を有する。なお、計算部１１３は、省略可能である。
前記発電走行制御部１１４は、燃料電池３の発電準備完了とともに燃料電池３から駆動モータ１１へ電力を供給させることにより、発電走行を行わせるなどの制御を行う機能を有する。
【００２８】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の例を示す図である。
図３に示すように、燃料電池車両Ｂには、図１および図２に示される燃料電池システムＡが搭載されている。
【００２９】
（ＦＣコンタクタ接続タイミング情報の設定）
次に、図１および図２を参照しつつ、図４に沿って、ＦＣコンタクタ４の接続条件としてのＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１の設定方法を説明する。
図４は、本実施形態に係るＦＣコンタクタ接続タイミング情報の設定方法を説明するためのタイムチャートである。
図４において、上段のグラフにおける符号Ａ１の実線は、ＦＣ電圧を示し、符号Ｂ１の実線は、モータ入力電圧を示す。また、図４の下段における符号Ｃ１の実線は、燃料電池３から出力される電流（ＦＣ電流）である。
また、図４において、上段のグラフの縦軸は、電圧を示し、下段のグラフの縦軸は、ＦＣ電流を示している。そして、上段、下段ともグラフの横軸は、時間である。
【００３０】
図４に示すように、イグニッションがＯＮとなる（ＩＧ−ＯＮ：時間ｔ０）と、まず、バッテリコンタクタ６が制御装置１によって、接続され、ダウンコンバータ８が起動する。バッテリコンタクタ６が接続されることにより、駆動モータ１１に高圧バッテリ２から電力が供給される。従って、モータ入力電圧Ｂ１が徐々に上昇していく。なお、この段階では、水素供給も、エア（空気）供給もされていないため、ＦＣ電圧Ａ１は、「０」のままである。
そして、燃料電池３の始動スイッチがＯＮになると、まず、アノードガス供給装置１２が作動してアノードガス（水素）が燃料電池３に供給され、続いてエアコンプレッサ１３が作動してエア（空気）が燃料電池３に供給される。なお、アノードガス（水素）の供給が開始されてから、エアの供給が開始されるまでは、燃料電池３の発電が開始されていないため、ＦＣ電圧Ａ１は「０」のままである。そして、エアが燃料電池３に供給されると、燃料電池３の発電を開始（セル開放端電圧ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）の値が上昇を開始）するが、ＦＣ電圧Ａ１が、車両の走行に対して十分な電力を供給できる値ではないため、ＦＣ電圧Ａ１が車両の走行に対して十分な電力を供給できる値となるまで、燃料電池３から駆動モータ１１へ電力を供給することなく、高圧バッテリ２から駆動モータ１１へ電力を供給して、駆動モータ１１を作動させるバッテリ走行を行う。
【００３１】
前記したように、エアが供給されると、燃料電池３は発電を開始し、ＦＣ電圧Ａ１が、徐々に上昇する。しかしながら、発電開始から所定時間は、高圧バッテリ２から供給される電力の電圧（バッテリ電圧：モータ入力電圧Ｂ１と同値）が、燃料電池３から供給される電力の電圧（ＦＣ電圧Ａ１）より高いため、ダイオード１４の働きによって、ＦＣ電流Ｃ１は流れない（図４下段参照）。
やがて、時間ｔ２で、ＦＣ電圧Ａ１と、バッテリ電圧（モータ入力電圧Ｂ１）とが同じ電圧となると、ＦＣ電流Ｃ１が流れ始める（図４下段参照）。ＦＣ電流Ｃ１は、徐々に流れ始めるが、すぐに、ＦＣ電流Ｃ１の値が制限され、一定値となる。ＦＣ電流Ｃ１の制限は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が、ＦＣ電流Ｃ１が一定値となるよう、バッテリ電圧を昇圧することによってなされる。ここで、ＦＣ電流Ｃ１を制限するのは、バッテリ走行中に、まだ準備段階である燃料電池３の電力を極力消費させないためである。
やがて、燃料電池３が、車両の走行に対して十分な電力を発電できるようになると（時間ｔ３）、制御装置１は、ＦＣ電流Ｃ１の制限を外し、燃料電池３から駆動モータ１１へ電力を供給して、駆動モータ１１を作動させる発電走行へ切り替える。
ここで、ＩＧ−ＯＮ（時間ｔ０）から、所定の時間ｔ１までの間で設定されたＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１において、ＦＣコンタクタ制御部１１１が、ＦＣコンタクタ４の接続を行う。
【００３２】
所定の時間ｔ１およびＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１は、例えば、以下の手順で設定される。
実験などにより、バッテリ走行時の駆動モータ１１のトルク制限範囲内で想定される駆動モータ１１に接続している車輪が最もスリップしたときの降下したモータ入力電圧Ｖ１の値などを予め測定しておく。このとき、モータ入力電圧は、Ｖ２からＶ１へ降下するものとする。なお、スリップが生じなかった場合のモータ入力電圧を図４の破線で示す。さらに、例えば、設定者などが、ＰＤＵ１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ５などが破損しない差分電圧Ｖｄを予め算出しておく。この差分電圧Ｖｄが、突入電力を生じない最低限の電圧となる。そして、設定者によって、駆動モータ１１が最もスリップしたときのモータ入力電圧Ｖ１の値に、ＰＤＵ１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ５などが破損しない差分電圧Ｖｄを加算した値（ＦＣ電圧Ｖ０に相当）が求められる。燃料電池３の電圧の上昇の傾きは、燃料電池３ごとに決まっているので、設定者は、ＦＣ電圧Ｖ０に達する時間ｔ１も算出できる。従って、設定者は、時間ｔ１より前の時間で、ＦＣコンタクタ４を接続するようＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を設定し、入力部１３０を介して、設定したＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を処理部１１０へ入力する。処理部１１０は、入力されたＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を記憶部１２０に保存する。ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１の入力は、例えば、工場出荷時などに行われてもよいし、燃料電池車両Ｂの購入後にドライバが設定してもよい。
【００３３】
本実施形態では、制御装置１は、ＦＣコンタクタ４の接続時間をＦＣコンタクタ４の接続条件としたが、これに限らず、ＦＣ電圧（ＦＣコンタクタ接続電圧）をＦＣコンタクタ４の接続条件としてもよい。なお、保存されるＦＣコンタクタ接続電圧の値は、Ｖ０以下の値となる。この場合は、処理部１１０が、電圧測定装置７ｂから取得したＦＣ電圧を監視しており、ＦＣ電圧が設定されている電圧となったときに、ＦＣコンタクタ制御部１１１は、ＦＣコンタクタ４を接続させる。
【００３４】
このように、ＦＣ電圧Ａ１と、モータ入力電圧Ｂ１との差が、突入電流を生じない最低限の差分電圧Ｖｄより小さくなるように、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を設定する。そして、このＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１に従って、ＦＣコンタクタ４の接続を行うため、例え、ＦＣコンタクタ４の接続時に、スリップが生じてモータ入力電圧Ｂ１が急激に降下しても、ＰＤＵ１０や、ＤＣ／ＤＣコンバータ５へ突入電流が流れることはない。
【００３５】
図５は、路面摩擦と、スリップ時における降下電圧との関係を示すグラフである。
図５において、横軸は、路面摩擦の度合い（例えば、摩擦係数）であり、縦軸は、スリップ時におけるモータ入力電圧の降下分の値（降下電圧：図４におけるＶ２−Ｖ１の値）である。
記憶部１２０に記憶されるＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１や、ＦＣコンタクタ接続電圧は、固定値としてもよいが、周囲の環境に合わせて動的に設定してもよい。
例えば、図５では、路面摩擦が小さくなるほど、降下電圧は大きく設定される。すなわち、路面摩擦が小さくなるほど、最もスリップした時におけるモータ入力電圧Ｖ１（図４参照）は、小さい値となるよう設定される。また、路面摩擦が大きくなるほど、降下電圧は小さく設定される。すなわち、路面摩擦が大きくなるほど、最もスリップした時におけるモータ入力電圧Ｖ１（図３参照）は、大きい値となるよう設定される。
これにより、例えば、寒冷地など、路面が凍結することの多い地方や、雨が多く、路面が濡れていることの多い地方では、最もスリップした時におけるモータ入力電圧Ｖ１が小さくなるように設定されているため、その分、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１は、短い時間となる。
図５に示すように、路面摩擦に応じて、降下電圧を変化させることにより、燃料電池車両Ｂが販売される地域の天候に応じたＦＣコンタクタ４の接続時間の設定が可能となる。
【００３６】
なお、本実施形態では、ＦＣ電圧Ｖ０と、スリップ時に降下したモータ入力電圧Ｖ１との差分が、所定の値以下となっている時間や、ＦＣ電圧Ａ１そのものをＦＣコンタクタ４の接続条件としているが、これに限らず、例えば、アクセルを急激に踏み込むことによる駆動モータ１１の回転の上昇に伴うモータ入力電圧Ｂ１の降下を考慮するなど、他の原因による、モータ入力電圧Ｂ１の降下を考慮してもよい。
【００３７】
さらに、本実施形態では、記憶部１２０にＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を保存されているが、これに限らず、例えば、記憶部１２０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５や、ＰＤＵ１０が破損しない差分電圧Ｖｄ（図４参照）が保存されていてもよい。この場合、所定のタイミングにおいて、ＦＣ電圧取得部１４０が電圧測定装置７ｂからＦＣ電圧Ｖｃ（図１参照）を取得し、計算部１１３が、取得したＦＣ電圧Ｖｃに、記憶部１２０に記憶されている差分電圧Ｖｄを加算し、加算した結果が、モータ入力電圧取得部１５０が電圧測定装置７ａから取得したモータ入力電圧Ｖｍより大きいか否かを処理部１１０が判定することによって、ＦＣコンタクタ４の接続の許可・不許可を判定してもよい。この場合、不許可の場合は、許可になるまで、ここで記載した加算および比較を繰り返すことになる。
また、所定のタイミングにおいて、ＦＣ電圧取得部１４０が電圧測定装置７ｂからＦＣ電圧Ｖｃ（図１参照）を取得し、モータ入力電圧取得部１５０が電圧測定装置７ａからモータ入力電圧Ｖｍ（図１参照）を取得し、計算部１１３が、取得したＦＣ電圧Ｖｃから、取得したモータ入力電圧Ｖｍを減算し、減算した結果が記憶部１２０に記憶されている差分電圧Ｖｄの値より小さいか否かを処理部１１０が判定することによって、ＦＣコンタクタ４の接続の許可・不許可を判定してもよい。この場合、減算した結果が、保存されている差分電圧Ｖｄより大きければ、ＦＣコンタクタ４の接続を許可せず、減算した結果が、保存されている差分電圧Ｖｄ以下であれば、ＦＣコンタクタ４の接続を許可することとなる。この場合、不許可の場合は、許可になるまで、ここで記載した減算および比較を繰り返すことになる。
【００３８】
図６は、本実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の駆動系の例を示すブロック図である。
図６に示すように、燃料電池３の駆動系は、燃料電池３に対して、燃料である水素の供給・排出を行うアノード系２０と、燃料電池３に対して、空気の供給・排出を行うカソード系３０とを有する。
アノード系２０は、アノードガス供給装置１２などを有している。アノードガス供給装置１２は、図２に示すように、例えば、高濃度の水素が高圧で充填された水素タンク２１、水素遮断弁２２、減圧弁２３、エゼクタ２４、パージ弁２５、配管２６ａ〜２６ｆなどを備えている。なお、エゼクタ２４は、燃料電池３のアノードの出口から排出された未反応の水素を再びアノードの入口に供給して循環させるポンプとしての機能を有している。また、パージ弁２５は、例えば、燃料電池３の起動時や発電時などに開いて、アノード系２０内を水素に置換する機能を有している。
【００３９】
また、図６に示すように、カソード系３０は、燃料電池３に対して空気を供給・排出する機能を有し、エアコンプレッサ１３などを有している。さらに、カソード系３０は、図６に示すように、エアコンプレッサ１３に加えて、加湿器３２、背圧制御弁３３、配管３４ａ〜３４ｄなどを備えている。なお、加湿器３２は、エアコンプレッサ１３から取り込まれた空気を加湿する機能を有し、背圧制御弁３３は、カソード系３０内のガス圧を適宜制御する機能を有している。
【００４０】
なお、アノード系２０およびカソード系３０の下流には、希釈器３５、水素センサ３６などが設けられている。希釈器３５は、アノード系２０から排出された水素をカソード系３０から排出されたカソードオフガスで希釈する機能を有し、配管３６ａ，３６ｂを介して接続されている。また、水素センサ３６は、例えば希釈器３５の下流側に接続された配管に３６ｃに設けられ、系外に排出される水素濃度を検出する。
【００４１】
制御装置１は、図６に示した、水素遮断弁２２、パージ弁２５、背圧制御弁３３などを制御し、また、エアコンプレッサ１３のモータの回転速度を制御する。
【００４２】
次に、本実施形態に係る燃料電池車両Ｂの動作について、図１から図３および図６を参照しつつ、図７から図１４に沿って説明する。
図７は、本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのフローチャートである。
なお、燃料電池車両Ｂのイグニッション（図示せず）がオフしている場合には、バッテリコンタクタ６およびＦＣコンタクタ４が開き、水素遮断弁２２およびパージ弁２５が閉じ、背圧制御弁３３が開き、エアコンプレッサ１３が停止している。
【００４３】
燃料電池車両Ｂのイグニッションがオンにされると、制御装置１の処理部１１０は、バッテリコンタクタ６を接続する（Ｓ１００）。
次に、処理部１１０は、ダウンコンバータ８を起動する（Ｓ２００）。
そして、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１が、ダウンコンバータ８起動直後にＦＣコンタクタ４を接続するよう設定されているならば、ＦＣコンタクタ制御部１１１は、ＦＣコンタクタ４を接続する（Ｓ３００）。
【００４４】
そして、バッテリ走行制御部１１２は、燃料電池車両Ｂの起動時（イグニッションオン時）から発電準備完了までの時間であるＦＣ残起動時間を推定する（Ｓ４００）。このＦＣ残起動時間は、例えば、図９のフローチャートに基づいて推定される。
【００４５】
図９は、本実施形態に係るＦＣ残起動時間を推定するためのフローチャートであり、図１０は、発電停止時間と、始動時掃気時間との関係を示すマップである。
すなわち、イグニッションオンされると、バッテリ走行制御部１１２は、水素センサ３６（図６参照）の暖機（Ｓｔｅｐ１）が終了したか否かを判断する（Ｓ４１０）。ステップＳ４１０において、水素センサ３６の暖機が終了していないと判断された場合には（Ｓ４１０→Ｎｏ）、ステップＳ４１０を繰り返し、水素センサ３６の暖機が終了したと判断された場合には（Ｓ４１０→Ｙｅｓ）、ステップＳ４２０に進む。ちなみに、水素センサ３６を暖機するのは、例えば、センサ素子表面に付着した水滴などを取り除くためである。
【００４６】
バッテリ走行制御部１１２は、ＦＣ残起動時間の算出が完了したか否かを判断する（Ｓ４２０）。なお、１回目にステップＳ４２０を通る場合には、ステップＳ４３０に進む（Ｓ４２０→Ｎｏ）。バッテリ走行制御部１１２は、水素遮断弁２２の開弁が完了するまで（Ｓｔｅｐ２）の時間Ｔ１を予測する（Ｓ４３０）。ちなみに、水素遮断弁２２の開弁完了に若干のタイムラグがあるのは、水素遮断弁２２の上流側と下流側とで圧力差が非常に大きいことによる。
【００４７】
そして、バッテリ走行制御部１１２は、水素置換完了まで（Ｓｔｅｐ３）の時間Ｔ２を予測する（Ｓ４４０）。ここで水素置換を行うのは、発電停止時（イグニッションオフ時）において、放置時間の経過とともにカソード（空気極）から電解質膜を介してアノード（水素極）に空気が透過し、アノード側が空気に置換されてしまうからである。なお、図１０に示すように、水素置換に必要な時間（始動時掃気時間）は、発電停止時間に応じて変化するものであり、例えば、発電停止時間が長くなるにつれて、始動時掃気時間は長くなる。
【００４８】
そして、バッテリ走行制御手段は、ステップＳ４３０で予測された時間Ｔ１と、ステップＳ４４０で予測された時間Ｔ２とを加算した時間を、ＦＣ残起動時間として設定する（Ｓ４５０）。
【００４９】
リターンして、ステップＳ４２０を２回目に通るときは、既にＦＣ残起動時間の算出は完了しているので（Ｓ４２０→Ｙｅｓ）、バッテリ走行制御部１１２は、ＦＣ残起動時間（タイマ）を減算する（Ｓ４６０）。なお、図９に示すフローは、発電準備期間が完了するまで実行される。つまり、ＦＣ残起動時間が０になるまで継続する。
【００５０】
そして、図７のフローチャートに戻り、バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ出力上限値を算出する（Ｓ５００）。このバッテリ出力上限値は、ステップＳ４００において推定されたＦＣ残起動時間と、バッテリ残容量検出器（図示せず）で検出されたバッテリ残容量とに基づいて算出される。
【００５１】
ここで、図８を参照して、バッテリ出力上限値と、各パラメータとの関係を説明する。
図８（ａ）はＦＣ残起動時間とバッテリ出力上限値との関係を示すマップ、（ｂ）はバッテリの残容量とバッテリ出力上限値との関係を示すマップである。
図８（ａ）に示すように、バッテリ出力上限値は、ＦＣ残起動時間に応じて変動するものであり、ＦＣ残起動時間が短くなるにつれて大きくなる。また、図８（ｂ）に示すように、バッテリ出力上限値は、バッテリ残容量に基づいて変動するものであり、例えば、バッテリ残容量が大きくなるにつれて大きくなる。また、バッテリ出力上限値は、燃料電池３の起動方式を考慮して算出するようにしてもよい。例えば、起動方式Ａは低温起動（氷点下起動）の場合であり、起動方式Ｂは通常起動（常温起動）の場合である。つまり、起動方式Ａの低温起動の場合は、起動方式Ｂに比べて、バッテリ残容量が同じでも、バッテリ出力上限値が小さくなる。
【００５２】
図７のフローに戻り、バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ出力上限値が所定値より大きな値であるかどうかを判断する（Ｓ６００）。ここでの所定値とは、燃料電池車両Ｂを安定して駆動させるため、つまり充分なドライバビリティを確保するために、駆動モータ１１に最低限必要な電力（以下、モータ必要電力下限値と表記）である。なお、このモータ必要電力下限値は、例えば、あらかじめ決められた固定値である。ステップＳ６００において、バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ出力上限値が所定値以上でないと判断した場合には（Ｓ６００→Ｎｏ）、ステップＳ４００に戻り、バッテリ出力上限値が所定値以上であると判断した場合には（Ｓ６００→Ｙｅｓ）、ステップＳ７００に進む。
【００５３】
そして、バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ出力上限値を改めて算出する（Ｓ７００）。ここでは、バッテリ走行（蓄電装置走行）時における実際の高圧バッテリ２の消費電力を監視して、バッテリ出力上限値を変化させている。
【００５４】
そして、バッテリ走行制御部１１２は、高圧バッテリ２の電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して駆動モータ１１に供給してバッテリ走行を許可する（Ｓ８００）。
【００５５】
そして、発電走行制御部１１４は、燃料電池３の発電準備が完了したか否かを判断する（Ｓ９００）。ステップＳ９００において、制御装置１は、発電準備が完了したと判断、つまりＦＣ残起動時間が０になったと判断した場合には（Ｓ９００→Ｙｅｓ）、処理を終了して、発電走行制御部１１４が、バッテリ走行から、燃料電池３の発電電力を駆動モータ１１に供給して走行させる発電走行に切り替える。また、ステップＳ９００において、発電走行制御部１１４は、発電準備が完了していないと判断、つまりＦＣ残起動時間が０ではないと判断した場合には（Ｓ９００→Ｎｏ）、ステップＳ７００に戻る。
【００５６】
なお、本実施形態では、ダウンコンバータ８の起動直後にＦＣコンタクタ制御部１１１によって、ＦＣコンタクタ４が接続されたが、これに限らず、バッテリコンタクタ６の接続直後に行ったり、水素供給と並行したり、エア供給と並行して行ったりしてもよい。また、エアが供給された後において、設定されたＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１や、ＦＣコンタクタ接続電圧に従ってもよい。この場合、図示しない時間測定部が、例えば、エア供給開始からの時間を測定し、ＦＣコンタクタ制御部１１１が、時間測定部の測定時間を監視し、この測定時間が、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を満たすと、ＦＣコンタクタ制御部１１１が、ＦＣコンタクタ４の接続を行う。また、ＦＣコンタクタ制御部１１１は、電圧測定装置７ｂから送られるＦＣ電圧Ｖｃ（図１参照）を監視し、このＦＣ電圧Ｖｃ（図１参照）が、ＦＣコンタクタ接続電圧を満たすと、ＦＣコンタクタ制御部１１１が、ＦＣコンタクタ４の接続を行う形式としてもよい。
【００５７】
図１１は、本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのタイムチャートである。
さらに、図１１のタイムチャートを参照しながら説明すると、本実施形態の燃料電池車両Ｂでは、イグニッションオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、バッテリコンタクタ６が接続され、ダウンコンバータ８が起動される。ここで、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１が、ダウンコンバータ８の起動直後にＦＣコンタクタ４を接続するよう設定されている場合、ＦＣコンタクタ制御部１１１によって、ＦＣコンタクタ４が接続される。そして、水素遮断弁２２が開かれて燃料電池３のアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ１３が駆動されて燃料電池３のカソードに空気が供給される。
【００５８】
また、バッテリ出力上限値および所定値（モータ必要電力下限値）は、それぞれ、図１１において符号Ｄ１，Ｅ１の破線で示すようになる。また、図１１において符号Ｆ１で示す実線は、駆動モータ１１の消費電力の立ち上がりの一例を示すものである。なお、所定値（モータ必要電力下限値）は、固定値で一定であるが、バッテリ出力上限値は、時間（ＦＣ残起動時間）に応じて変化するものであり、時間の経過（ＦＣ残起動時間の減少）とともに増加する。また、図９のフローにおいて予測した時間Ｔ１＋Ｔ２は、計算準備期間であり、時間Ｔ１＋Ｔ２経過後にバッテリ走行許可判断が可能になる。図１１に示す場合において、バッテリ出力上限値が所定値と一致したときに、制御装置１はバッテリ走行を許可する。そして、ＦＣ残起動時間が０になると、バッテリ走行から発電走行に切り替わり、実際の要求電力に基づいた出力で駆動モータ１１が駆動される。
【００５９】
なお、燃料電池車両Ｂについて、図１２のフローチャートに基づいて制御するようにしてもよい。
図１２は、燃料電池車両の起動動作を説明するための別のフローチャートであり、図１３はバッテリ残容量とバッテリ走行最大許容時間との関係を示すマップである。
なお、図１２のフローチャートは、図７のフローチャートのステップＳ５００，Ｓ６００に代えて、ステップＳ５０１，Ｓ６０１とした点以外は図７と同じであるので、以下では相違点のみ説明する。
【００６０】
バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ走行最大許容時間を算出する（Ｓ５０１）。なお、バッテリ走行最大許容時間とは、高圧バッテリ２で走行する際にドライバビリティを確保しながらバッテリ走行できる最大時間である。このバッテリ走行最大許容時間は、図１３のマップに示すように、高圧バッテリ２の残容量（バッテリ残容量）に基づいて算出することができ、バッテリ残容量が大きいときには、バッテリ走行最大許容時間が長くなり、バッテリ残容量が小さいときには、バッテリ走行最大許容時間が短くなる。また、バッテリ走行許容時間は、図１３に示すように、起動方式によっても変動するものであり、例えば、起動方式Ａ（低温起動）の場合には、起動方式Ｂ（常温起動）の場合と比べて、バッテリ残容量が大きくてもバッテリ走行許容時間が短くなる。
【００６１】
そして、バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ走行最大許容時間が、ステップＳ４００で推定したＦＣ残起動時間以上であるか否かを判断する（Ｓ６０１）。バッテリ走行制御部１１２は、バッテリ走行最大許容時間がＦＣ残起動時間未満である場合には（Ｓ６０１→Ｎｏ）、ステップＳ４００に戻り、バッテリ走行最大許容時間がＦＣ残起動時間以上である場合には（Ｓ６０１→Ｙｅｓ）、ステップＳ７００に進む。なお、ステップＳ７００では、図７と同様に、バッテリ走行時の実際の消費電力を監視して、高圧バッテリ２が駆動モータ１１に供給可能な電力（バッテリ出力上限値）を変化させている。
【００６２】
図１４は、燃料電池車両の起動動作を説明するためのタイムチャートである。
図１４において、バッテリ走行最大許容時間およびＦＣ残起動時間は、それぞれ符号Ｈ１，Ｇ１の実線で示すようになる。なお、図９のフローにおいて予測した時間Ｔ１＋Ｔ２は、各種演算が完了するのに必要な期間であり、時間Ｔ１＋Ｔ２経過後にバッテリ走行許可判断が可能になる。図１４に示す場合において、バッテリ走行最大許容時間がＦＣ残起動時間と一致したときに、バッテリ走行制御部１１２はバッテリ走行を許可する。また、図示していないが、バッテリ走行が許可されると、駆動モータ１１の消費電力（モータ消費電力）が増加し、モータ消費電力が所定値（モータ必要電力下限値）に至った後は、バッテリ走行から発電走行に切り替わるまで所定値を下回らないようにその状態を維持する。そして、ＦＣ残起動時間が「０」になると、バッテリ走行から発電走行に切り替わり、実際の要求電力に基づいた出力で駆動モータ１１が駆動される。
【００６３】
図６から図１４で説明した燃料電池車両Ｂの起動方法と、図１から図５で説明したＦＣコンタクタ４の接続方法を組み合わせることにより、ドライバビリティを確保しつつ、スリップが生じても、突入電流が生じないバッテリ走行を実現することができる。
【００６４】
本実施形態によれば、図４で説明したように、ＦＣ電圧Ａ１と、モータ入力電圧Ｂ１との差が、突入電流を生じない最低限の差分電圧Ｖｄより小さくなるように、ＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１を設定する。そして、このＦＣコンタクタ接続タイミング情報１２１に従って、ＦＣコンタクタ４の接続を行うため、例え、ＦＣコンタクタ４の接続時に、スリップが生じてモータ入力電圧Ｂ１が急激に降下しても、ＰＤＵ１０や、ＤＣ／ＤＣコンバータ５へ突入電流が流れることはない。
また、図５に示すように、路面摩擦に応じて、降下電圧を変化させることにより、地域の天候に応じたＦＣコンタクタ４の接続時間の設定が可能となる。
【００６５】
なお、本実施形態では、燃料電池システムＡを車両に搭載させることを想定しているが、これに限らず、例えば、船舶などに搭載させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る制御装置の例を示すブロック図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の例を示す図である。
【図４】本実施形態に係るＦＣコンタクタ接続タイミング情報の設定方法を説明するためのタイムチャートである。
【図５】路面摩擦と、スリップ時における降下電圧との関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の駆動系の例を示すブロック図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】（ａ）はＦＣ残起動時間とバッテリ出力上限値との関係を示すマップ、（ｂ）はバッテリの残容量とバッテリ出力上限値との関係を示すマップである。
【図９】本実施形態に係るＦＣ残起動時間を推定するためのフローチャートである。
【図１０】発電停止時間と、始動時掃気時間との関係を示すマップである。
【図１１】本実施形態に係る燃料電池車両の起動動作を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】燃料電池車両の起動動作を説明するための別のフローチャートである。
【図１３】バッテリ残容量とバッテリ走行最大許容時間との関係を示すマップである。
【図１４】燃料電池車両の起動動作を説明するためのタイムチャートである。
【符号の説明】
【００６７】
１      制御装置
２      高圧バッテリ（蓄電装置）
３      燃料電池
４      ＦＣコンタクタ（スイッチ装置）
５      ＤＣ／ＤＣコンバータ
６      バッテリコンタクタ
７ａ，７ｂ  電圧測定装置
８      ダウンコンバータ
９      １２Ｖバッテリ
１０    ＰＤＵ
１１    駆動モータ
１２    アノードガス供給装置
１３    エアコンプレッサ
１４    ダイオード（整流器）
２０    アノード系
２１    水素タンク
２２    水素遮断弁
２３    減圧弁
２４    エゼクタ
２５    パージ弁
２６ａ〜２６ｆ  配管
３０    カソード系
３２    加湿器
３３    背圧制御弁
３４ａ〜３４ｄ  配管
３５    希釈器
３６    水素センサ
３６ａ〜３６ｃ  配管
４２    電力分配装置
１１０  処理部
１１１  ＦＣコンタクタ制御部（スイッチ制御部）
１１２  バッテリ走行制御部（蓄電装置走行制御部）
１１３  計算部
１１４  発電走行制御部
１２０  記憶部
１２１  ＦＣコンタクタ接続タイミング情報（接続条件）
１３０  入力部
１４０  ＦＣ電圧取得部
１５０  モータ入力電圧取得部
１１１３  駆動モータ
Ａ      燃料電池システム
Ｂ      燃料電池車両
【図１】
0004891860.tif 000002
【図２】
0004891860.tif 000003
【図３】
0004891860.tif 000004
【図４】
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【図５】
0004891860.tif 000006
【図６】
0004891860.tif 000007
【図７】
0004891860.tif 000008
【図８】
0004891860.tif 000009
【図９】
0004891860.tif 000010
【図１０】
0004891860.tif 000011
【図１１】
0004891860.tif 000012
【図１２】
0004891860.tif 000013
【図１３】
0004891860.tif 000014
【図１４】
0004891860.tif 000015