JP2002141091A - 燃料電池電源装置の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池のガス欠状態を回避しつつ燃料電池
と二次電池とを良導状態で使用する電源装置の電力を高
効率で供給する電源装置の制御装置を提供する。 【解決手段】 電源出力制御装置１０は、システム要求
出力と二次電池１２の残容量とに基づいて、燃料電池１
１の発電指示値を演算し、この値を燃料電池制御装置１
７へ出力する。燃料電池制御装置１７は該発電指示値に
対する燃料電池の出力可能値を演算し、これを電源出力
制御装置１０へ出力する。電源出力制御装置１０は、シ
ステム要求出力と燃料電池１１の出力可能値とに基づい
て電源装置の出力制限値ＰＬＤを算出し、且つ、算出し
た該出力制限値が二次電池１２に対する制御値以下とな
るように制限し、この出力制限値ＰＬＤをモータ制御装
置１５へ出力する。モータ制御装置１５はこの出力制限
値ＰＬＤに基づいて走行用モータ駆動装置１４を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池と二次電
池とが並列に配置され、電気的に良導状態で使用される
燃料電池電源装置の供給電力を制御する燃料電池電源装
置の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池自動車の電源として、燃
料電池と二次電池とを組み合わせたハイブリッド型の電
源装置が知られている。このハイブリッド型の電源装置
は、走行用のモータ負荷の過渡変動時に燃料電池の応答
遅れによって生じる発電不足分を二次電池に蓄えられた
エネルギーによって補い、必要電力を安定して供給する
ものである。

【０００３】上述したように、燃料電池は過渡変動時に
おいて応答遅れが生じるため、負荷変動直後において負
荷変動に対応する量の出力を得ようとすると、出力に対
して燃料の供給量が不足するいわゆるガス欠状態に陥っ
てしまう。従って、従来においては、燃料電池と二次電
池との間に燃料電池の出力を制御するＤＣ／ＤＣコンバ
ータ等からなる出力制御器を設け、この出力制御器によ
って燃料電池の出力を燃料電池に供給される反応ガス量
（空気、及び燃料）に見合った量に制御していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
出力制御器は、内部に設けられたスイッチング素子を高
速でオン／オフ動作させることにより出力を制御するた
め、スイッチングに伴う電力損失が大きいという問題が
あった。加えて、出力制御器は、燃料電池が出力可能な
最大電流値に対応するために電流容量の大きいものが必
要とされ、これに伴い装置が大型化するという問題があ
った。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、燃料電池のガス欠状態を回避しつつ、燃料電
池と二次電池とが並列に配置され、良導状態で使用され
る燃料電池電源装置の電力を高効率で供給する燃料電池
電源装置の制御装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、燃料電池（例えば、後述の実施形態にお
ける、燃料電池１１）と二次電池（例えば、後述の実施
形態における、二次電池１２であり、この二次電池１２
の蓄電容量は燃料電池の出力容量と比較して小さい）と
が並列に配置され、電気的に良導状態（直結状態）で使
用される燃料電池電源装置の供給電力を制御する燃料電
池電源装置の制御装置（例えば、後述の実施形態におけ
る、電源出力制御装置１０）であって、外部負荷への供
給電力を制御する外部負荷制御手段（例えば、後述の実
施形態における、モータ制御装置１５）からの要求出力
（例えば、後述の実施形態におけるモータ制御装置１５
から出力される要求出力及び走行モータ以外の電気負荷
３８の要求出力との和であるシステム要求出力）と前記
二次電池の残容量関連情報（例えば、後述の実施形態に
おける二次電池の残容量）とに基づいて、前記燃料電池
の発電指示値を演算し（例えば、後述の実施形態におい
て図６に示したシステム要求出力−燃料電池出力特性に
基づいて導出される）、該発電指示値を前記燃料電池へ
の反応ガスの供給量を制御する燃料電池制御手段（例え
ば、後述の実施形態における燃料電池制御装置１７）へ
出力し、該発電指示値に対する前記燃料電池の出力可能
値（例えば、後述の実施形態においては、現在燃料電池
１１に供給されている反応ガスの圧力及び流量等に基づ
いて燃料電池制御装置１７によって算出される）を前記
燃料電池制御手段から受けとり、前記燃料電池の出力可
能値と前記二次電池の残容量関連情報とに基づいて、前
記燃料電池電源装置の出力可能値を演算し（この燃料電
池電源装置の出力可能値は、燃料電池と二次電池との合
成出力可能値であり、例えば、図４に示した合成曲線Ａ
から求めることができる）、前記要求出力と、前記燃料
電池の出力可能値及び燃料電池電源装置の出力可能値の
内いずれか小さい方と、前記二次電池の残容量関連情報
と、前記二次電池に対する制限値とに基づいて前記外部
負荷制御手段の出力値（例えば、後述の実施形態におい
てモータ制御装置から出力されるトルク指令）を制限さ
せることを特徴とする。

【０００７】上述したように本発明の燃料電池電源装置
の制御装置は、燃料電池と二次電池とを電気的に良導状
態で使用する燃料電池電源装置の電力供給を制御するも
のであり、要求出力と、燃料電池の出力可能値及び前記
燃料電池電源装置の出力可能値の内いずれか小さい方
と、二次電池の残容量関連情報と、二次電池に対する制
限値とに基づいて走行用モータへの電力供給を制限する
ので、従来のようにＤＣ／ＤＣコンバータ等からなる出
力制御器を排除でき、且つ、燃料電池がガス欠状態に陥
ることを防止することができる。

【０００８】また、本発明は、燃料電池と二次電池とが
並列に配置され、電気的に良導状態で使用される燃料電
池電源装置の供給電力を制御する燃料電池電源装置の制
御装置であって、外部負荷への供給電力を制御する外部
負荷制御手段からの要求出力と前記二次電池の残容量関
連情報とに基づいて、前記燃料電池の発電指示値を演算
し、前記燃料電池への反応ガスの供給量を制御する燃料
電池制御手段へ出力し、該発電指示値に対する前記燃料
電池の出力可能値を前記燃料電池制御手段から受け取
り、前記要求出力と前記燃料電池の出力可能値と前記二
次電池の残容量関連情報とに基づいて、前記燃料電池電
源装置の出力可能値を算出し（例えば、後述の実施形態
においては図７に示すように燃料電池１１の出力可能値
及び二次電池の出力可能値とを加算して求められる）、
且つ、算出した前記燃料電池電源装置の該出力可能値が
前記二次電池に対する制限値以下となるように前記外部
負荷制御手段の出力値を制限させることを特徴とする燃
料電池電源装置の制御装置。

【０００９】上述したように本発明の燃料電池電源装置
の制御装置は、燃料電池と二次電池とが並列に配置さ
れ、電気的に良導状態で使用される燃料電池電源装置の
供給電力を制御するものであり、燃料電池の出力可能値
及び二次電池の残容量等の情報に基づいて電源装置の出
力可能値を算出し、更にこの燃料電池電源装置の出力可
能値を二次電池に対する制限値以下となるように決定
し、決定した出力可能値に基づいて走行用モータへの供
給電力を制限する。このように燃料電池電源装置の供給
電力を制御することにより、従来のようにＤＣ／ＤＣコ
ンバータ等からなる出力制御器を排除でき、且つ、燃料
電池がガス欠状態に陥ることを防止することができる。

【００１０】また、上記燃料電池電源装置の制御装置に
おいて、前記二次電池に対する制限値は、前記二次電池
の保護装置（例えば、後述の実施形態における遮断装置
３６）の制限値であることを特徴としており、これによ
り、二次電池に過負荷がかからないように燃料電池及び
二次電池の電力供給を制御することが可能となる。

【００１１】また、上記燃料電池電源装置の制御装置に
おいて、前記二次電池に対する制限値は前記二次電池の
各残容量毎の許容充放電電流及び電圧（例えば、後述の
実施形態において図３に示す各残容量毎に設定された最
低電圧値）であることを特徴としており、これにより、
二次電池を使用許容範囲内で使用することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
燃料電池電源装置の制御装置について添付図面を参照し
ながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃料
電池電源装置の制御装置としての電源出力制御装置１０
を備える燃料電池車両１の概略構成図である。本実施形
態に係る電源出力制御装置１０により制御される燃料電
池電源装置は、燃料電池１１と二次電池１２とから構成
されたハイブリッド型の電源装置である。燃料電池１１
及び二次電池１２は電気的負荷である走行用モータ１３
に対して並列に接続され、走行用モータ１３には、燃料
電池１１及び二次電池１２の合成電力（電源装置の出力
電力）が供給される。そして、走行用モータ１３の駆動
力は、図示しないトランスミッション或いはリダクショ
ンギアを介して駆動輪に伝達される。また、燃料電池車
両１の減速時に駆動輪側から走行用モータ１３側に駆動
力が伝達されると、走行用モータ１３は発電機として機
能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネル
ギーを電気エネルギーとして回収する。

【００１３】走行用モータ１３は、例えば界磁として永
久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとさ
れており、走行用モータ駆動装置１４から供給される３
相交流電力により駆動制御される。走行用モータ駆動装
置１４は、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子から構
成されたＰＷＭインバータを備えており、モータ制御装
置１５から出力されるトルク指令に基づいて、燃料電池
１１及び二次電池１２から出力される直流電力を３相交
流電力に変換して走行用モータ１３へ供給する。

【００１４】燃料電池１１は、例えば固体ポリマーイオ
ン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカ
ソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、
複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃
料として水素ガスが供給される水素極と酸化剤として酸
素を含む空気が供給される空気極とを備えている。そし
て、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、
固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、
カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するよう
になっている。

【００１５】また、上記燃料電池１１には、燃料電池１
１の各セル電圧、燃料電池の出力電圧、出力電流、温度
等を検出して燃料電池制御装置１７へ出力する燃料電池
モニタ１８、燃料電池１１へ反応ガス（燃料ガス及び空
気）の供給を行う補機／制御装置１９がそれぞれ接続さ
れている。この補機／制御装置１９は、図２に示す構成
からなる。

【００１６】図２において、燃料電池１１の空気極側に
接続されたエアコンプレッサ２０は、例えば、燃料電池
１１の空気極に加えて、レギュレータ２１に対する信号
圧として空気を供給する。このため、エアコンプレッサ
２０を駆動するモータ（図示略）には、回転数指令値Ｎ
が燃料電池制御装置１７から入力されている。モータは
入力された回転数指令値Ｎに基づいてエアコンプレッサ
２０を駆動し、これによりエアコンプレッサ２０は、フ
ィルタ２２を介して外部から取り込んだ空気を加圧して
熱交換機２３に供給する。加圧された空気は熱交換機２
３によって冷却され、フィルタ２４により塵が除去され
る。

【００１７】加湿器２５に供給された空気は、加湿され
て燃料電池１１へと供給され、上述した電気化学反応
後、燃料電池１１に供給される空気の圧力を調整するた
めに設けられた空気調圧弁２６を通過し、排出される。
一方、燃料供給側に設けられたレギュレータ（比例圧力
レギュレータとも呼ばれる）２１は、空気供給側から供
給された空気の圧力（パイロット信号）に基づいて高圧
水素タンク２７から燃料電池１１へ供給される水素の圧
力を調整する。このように、燃料電池１１の空気供給側
と燃料供給側の圧力はレギュレータ２１によってバラン
ス制御される。

【００１８】高圧水素タンク２７から供給される水素は
高圧であるため、電動遮断弁２８によりその圧力が一時
低下された後にレギュレータ２１により圧力調整され、
エゼクタ２９を介して加湿器２５へと供給される。加湿
器２５により加湿された水素は燃料電池１１の燃料極側
へ供給され、電気化学変化後、排出ガスとなってデミス
タ３０に出力さる。デミスタ３０では、供給された排出
ガスが気液分離され、気体である水素はエゼクタ２９を
経て水素の供給部に循環、再利用される。また、水素ガ
スの排出側には、燃料電池及びデミスタ内部に滞留した
水を排出するためのパージバルブ３１が設けられてい
る。なお、上述した電動遮断弁２８は、高圧水素タンク
２７からの水素ガスの供給を遮断する働きも備えてい
る。

【００１９】また、ウォーターポンプ４０、４１は、ラ
ジエータ３２、３３により放熱、冷却された冷却水を燃
料電池１１及び補機／制御装置１９内に循環させるもの
であり、このように冷却水を循環させて、燃料電池１１
及び補機／制御装置１９の温度を所定の温度以下に制御
する。ここでは、ウォーターポンプ４０は、燃料電池１
１及び補機／制御装置１９の各部を冷却し、燃料供給側
を加熱するために設けられ、ウォーターポンプ４１は空
気供給側の各部を冷却するために設けられている。

【００２０】上述した補機／制御装置１９においては、
エアコンプレッサ２０や空気極排気側の流路に設けられ
た空気調圧弁２６に対して駆動信号を出力し、この駆動
量や開閉状態を調整することで反応ガス供給量を制御し
て燃料電池１１の発電力を調整している。

【００２１】図１に戻り、燃料電池１１の出力供給経路
に設けられた電流センサ３４は、燃料電池に流れる電流
を所定の間隔で検出し、電源出力制御装置１０へ出力す
る。更に、燃料電池１１に流れる電流を制限するための
遮断装置３５が燃料電池１１の出力供給経路に設けられ
ている。

【００２２】燃料電池１１と共に本発明の電源装置を構
成する二次電池１２としては、その出力容量が最大要求
出力に対して非常に小さいもの（例えば、１／３程度）
が使用されている。これは、本実施形態における二次電
池１２は、要求出力の過渡変動時等において、燃料電池
１１の出力が要求出力に対して不足している際に、その
出力を補助するための補助電源として設けられているか
らである。更に、二次電池１２の出力供給経路には二次
電池１２に流れる電流を所定値以内に制限するための遮
断装置３６が設けられている。また、電流センサ３７は
二次電池に流れる電流を所定の期間毎に検出して電源出
力制御装置１０へ出力する。

【００２３】なお、燃料電池１１及び二次電池１２から
構成される電源装置からの電力は、車両に搭載されてい
る走行用モータ以外の電気負荷３８に対しても供給され
る。この走行用モータ以外の電気負荷３８としては、エ
アコンのファン、二次電池１２を冷却する冷却ファンな
どが挙げられる。なお、これら走行用モータ以外の電気
負荷に流れる電流を所定期間毎に検出して電源出力制御
装置１０に出力する電流センサ３９が設けられている。

【００２４】モータ制御装置１５は、アクセルペダル操
作とその時のモータ回転数Ｎｍに応じた要求トルクＡｐ
が入力されると、この要求トルクＡｐ及びモータ回転数
Ｎｍと、モータ及びスイッチング効率ηとから、要求出
力Ｐｃｍｄを算出する。この要求出力は以下の（１）式
で与えられる。 Ｐｃｍｄ＝Ａｐ×Ｎｍ×η…（１） なお、実際には、モータ及びスイッチング効率ηは、要
求トルク及びモータ回転数毎に変化するので、トルクと
回転数とを変数としてモータ及びスイッチング効率ηが
設定されている３次元ルックアップテーブルを予め制御
装置の図示しない記憶装置に設けておき、この３次元ル
ックアップテーブルを参照して、モータ及びスイッチン
グ効率ηを求める方がよい。また、モータ要求出力自体
をトルク及び回転数による３次元ルックアップテーブル
とすることも可能である。上述したように、モータ制御
装置１５は要求出力Ｐｃｍｄを算出するとこの値を電源
出力制御装置１０へ出力するとともに、その要求出力に
対する出力制限値を電源出力制御装置１０から受け取
り、この出力制限値に基づいて走行用モータ駆動装置１
４に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御
する。

【００２５】電源出力制御装置１０は、モータ制御装置
１５から所定の間隔で入力される要求出力及び走行用モ
ータ以外の電気負荷３８からの要求出力に基づいて、現
在の車両システム全体における要求出力の総計（以下、
システム要求出力とする）を算出し、更に、そのシステ
ム要求出力に対する燃料電池１１の出力供給分を算出し
て、この値を発電指示値として燃料電池制御装置１７へ
出力する。また、電源出力制御装置１０は、発電指示値
に対する燃料電池１１の出力可能値を燃料電池制御装置
１７から受け取ると、その出力可能値又は燃料電池電源
の出力可能値、要求出力、二次電池の残容量、二次電池
に対する制限値等に基づいて出力制限値を算出し、これ
をモータ出力装置１５へ出力する。なお、電源出力制御
装置１０が行う処理である出力制限値算出処理の詳細に
ついては後述する。

【００２６】燃料電池制御装置１７は、電源出力制御装
置１０から入力される発電指示値に基づいて燃料電池１
１へ供給する反応ガス量を制御するために、燃料電池駆
動用の補機類、具体的には、図２に示したエアコンプレ
ッサ２０を駆動するモータに対して駆動指令としての回
転数指令値Ｎを出力するとともに、現在燃料電池１１が
出力可能な電流値を補機／制御装置１９から入力される
反応ガスの圧力や流量とから算出し、この値を出力可能
値として電源出力制御装置１０へ出力する。

【００２７】なお、上述したモータ制御装置１５、電源
出力制御装置１０、燃料電池制御装置１７は、いずれも
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、ＣＰＵ、ＲＯＭ（read only memory）、ＲＡＭ(r
andom access memory)及び入出力ポートを備えている。
ＣＰＵは、予め設定された制御プログラムにしたがって
所定の演算などを実行する。ＲＯＭには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
タなどが予め格納されており、ＲＡＭには同じくＣＰＵ
で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時
的に読み書きされる。入出力ポートは各部と信号を送受
信するためのインターフェースとして働く。

【００２８】次に、上記構成からなる燃料電池車両１に
おいて、本実施形態に係る電源出力制御装置１０が行う
処理について詳細に説明する。なお、以下における処理
は各制御装置が所定の期間毎に繰り返し制御プログラム
を実行することにより行われているものである。

【００２９】まず、モータ制御装置１５は、アクセルペ
ダル操作に応じた信号である要求トルクＡｐが入力され
ると、この要求トルクＡｐ及び走行用モータ駆動装置１
４から入力される走行用モータ１３の直流電流成分信号
Ｉｍ、走行用モータの回転数Ｎｍに基づいて要求出力を
算出し、これを電源出力制御装置１０へ出力する。

【００３０】電源出力制御装置１０には、モータ制御装
置１５から入力された要求出力以外に、走行用モータ以
外の電気負荷３８からも要求出力の信号が入力されてい
る。電源出力制御装置１０は、これらの要求出力を加算
して、現在車両システム全体で要求されているシステム
要求出力を算出する。また、電源出力制御装置１０に
は、二次電池１２の所定の情報、例えば二次電池１２の
間電池電圧、電池電流、電池温度の情報が入力されてお
り、電源出力制御装置１０は、これらの情報から二次電
池１２の残容量を算出（検出）している。電源出力制御
装置１０は、上述したようにシステム要求出力を算出す
ると、続いて二次電池１２の残容量や電池温度、電池電
圧、電池電流の情報に基づいて、システム要求出力に対
する燃料電池１１と二次電池１２との出力配分を決定す
る。

【００３１】まず、図３に本実施形態に係る燃料電池１
１の出力特性（電流−電圧特性）と二次電池１２の出力
特性とを示す。同図において、線Ａは燃料電池の出力特
性であり、線Ｂ１〜線Ｂ５は二次電池１２の各残容量
（ＳＯＣ）における二次電池１２の出力特性である。こ
のように、燃料電池１１の出力特性は１つの曲線で示さ
れるのに対し、二次電池１２の出力特性は残容量によっ
て異なり、残容量が高い程所定の電流に対する出力電圧
は高くなる。

【００３２】図４に、二次電池１２の残容量が８０％で
ある場合の二次電池１２の出力特性（同図線Ｂ４）及び
同条件下における二次電池１２及び燃料電池１２の合成
出力特性（同図線Ｃ）である電源装置の出力特性、並び
に燃料電池１１の出力特性（同図線Ａ）を示す。更に、
図５に二次電池１２の残容量が８０％の場合の電源装置
の電力−電圧特性を示す。

【００３３】今、例えば、システム要求出力が電力Ｐ１
であった場合について考えると、まず、図５から電力Ｐ
１に対応する電圧Ｖ１を導出し、続いて、図４を参照し
て電圧Ｖ１に対応する燃料電池１１の出力電流Ｉｆ１及
び二次電池１２の出力電流Ｉｂ１を導出する。同様にし
て、電源装置の出力電流は線ＣからＩ１となるが、この
Ｉ１は燃料電池１１の出力電流Ｉｆ１と二次電池１２の
出力電流Ｉｂ１とを加算することによっても求めること
ができる。このように、電力Ｐ１を本実施形態に係る電
源装置が供給するためには、二次電池１２が電流Ｉｂ１
を、燃料電池１１がＩｆ１を出力すればよいことがわか
る。

【００３４】そして、上述したような手法で、燃料電池
１１の出力配分特性を二次電池１２の残容量毎に求める
ことにより、二次電池１２の各残容量において、要求出
力（電力）に対する燃料電池１１の出力（電力）を示す
特性が求められる。図６は、二次電池１２の残容量が３
０％、５０％及び８０％の場合のシステム要求出力−燃
料電池出力特性を例示したものである。電源出力制御装
置１０は、図６に示した特性に基づいて、システム要求
出力に対する燃料電池１１の出力分を検出する。

【００３５】例えば、今、システム要求出力がＰ１、二
次電池１２の残容量が５０％であった場合には、電源出
力制御装置１０は図６を参照してシステム要求出力Ｐ１
に対応する燃料電池１１の出力ＰＦ１を検出し、この出
力を燃料電池１１の発電指示量として燃料電池制御装置
１０へ出力する。上述したように、電源出力制御装置１
０は図６に示したシステム要求出力−燃料電池出力特性
を有しており、この特性に基づいて燃料電池１１の発電
指示量を検出する。

【００３６】なお、本実施形態では、上述したようにシ
ステム要求出力として電力値が入力され、この電力値に
対応する燃料電池１１の発電指示値を検出する場合を例
に挙げて説明したが、図４に示した電流−電圧特性、図
５に示した電力−電圧特性から、電流から電圧への変
換、電圧から電力への変換は任意に行うことができるた
め、要求出力としていずれかのパラメータが入力されれ
ば、電源出力制御装置１０は燃料電池１１の出力配分を
決定することができる。

【００３７】燃料電池制御装置１７は、電源出力制御装
置１０から入力された発電指示値に基づいて、反応ガス
量を制御する。具体的には、図２に示した燃料電池１１
の補機類であるエアコンプレッサ２０を駆動するモータ
への回転数指令値Ｎを発電指示値に基づいて増減させ
る。また、燃料電池制御装置１７は、補機／制御装置１
９から現在燃料電池１１に供給されている反応ガスの圧
力及び流量等から現在燃料電池１１が出力可能な電流値
を求め、この電流値を出力可能値として電源出力制御装
置１０へ出力する。

【００３８】電源出力制御装置１０は、燃料電池制御装
置１０から電流値である出力可能値を受け取ると、出力
制限値を算出し、この値をモータ制御装置１５へ出力す
る。以下、この出力制限値の算出処理について図７を参
照して詳しく説明する。

【００３９】図７は、電源出力制御装置１０が行う処理
を機能ブロックとして示した図である。同図において各
機能ブロックに符号を付し、出力制限値を導出するまで
の一連の処理について説明する。まず、ブロック１００
において、燃料電池制御装置１７から受け取った電流値
である出力可能値を、燃料電池１１の出力可能値と二次
電池１２の残容量関連情報とに基づいて算出された燃料
電池電源装置（燃料電池及び二次電池との合成出力）の
出力可能値と比較可能にするため電力値に変換する。こ
れは、図４及び図５に示した特性を参照することにより
導出することができる。次に、ブロック１０１におい
て、電力に変換した燃料電池１１の出力可能値と燃料電
池電源装置の出力可能値とを比較して、小さい値を選択
する。

【００４０】続くブロック１０２では、先のブロック１
０１において選択したいずれかの出力可能値からシステ
ム要求出力を減算し、差分を求める。一方、ブロック１
０３において、二次電池１２の出力可能値が算出され
る。この出力可能値は、二次電池１２の温度及び残容量
に基づいて算出される。具体的には、図８（ａ）及び
（ｂ）に示す二次電池１２の温度−出力電力特性と図９
（ａ）及び（ｂ）に示す二次電池の残容量−出力電力特
性とを用いて、温度に基づく出力可能値及び残容量に基
づく出力可能値を検出する。なお、上記図８（ａ）及び
図９（ａ）は放電時（走行用モータ駆動時）における特
性を示したものであり、図８（ｂ）及び図９（ｂ）は充
電時（走行用モータ回生時）における特性を示したもの
である。電源出力制御装置１０は、二次電池１２の充放
電状態に従って参照する特性を切り替える。上述の処理
を行うことにより二次電池１２の温度に基づく出力可能
値と残容量に基づく出力可能値を検出すると、検出した
両者の内、値の小さい方を現在の二次電池１２の出力可
能値として決定する。

【００４１】上述した手法によって二次電池１２の出力
可能値が導出されると、ブロック１０４において、先の
ブロック１０２において算出された値にブロック１０３
において算出された二次電池１２の出力可能値が加算さ
れる。

【００４２】続いて、ブロック１０５において、二次電
池１２の電圧制限値を算出し、更にブロック１０６で
は、遮断装置の制限値を算出する。ここで、二次電池１
２の遮断装置３６の制限値は、例えば、二次電池１２に
流れる電流を制限するために設けられたフューズの設定
値である。これは、過電流による二次電池１２の劣化を
防止するために設けられた制限値である。また、二次電
池１２は、残用量２０％〜８０％の範囲で使用されるこ
とが好ましいとされている。これは、残容量２０％以下
の領域においては、過放電状態となってしまい逆充電が
起こる可能性が高いからであり、他方、残容量８０％以
上の領域では、過充電状態となって発熱が起こり、充電
効率が低下するのに加え、熱により二次電池が性能劣化
の原因となるからである。更に、各残容量毎に最低許容
電圧が設定されている。これはより好ましい電圧領域で
二次電池を使用するためである。この最低許容電圧値は
例えば図３に示す様な値に設定されている。

【００４３】従って、電源出力制御装置１０は、遮断装
置３６の制限値及び各残容量毎に電圧制限値を設定し、
これらの制限値内で二次電池が動作するように、ブロッ
ク１０８において、ブロック１０４で算出した値からブ
ロック１０７で選択した値を差し引く。これにより上述
したような過電流の防止及び好ましくない領域における
二次電池１２の使用を防止することができる。

【００４４】続くブロック１０９では、ブロック１０７
において求められた出力制限値に更にリミットを加え
る。このブロック１０９では、たとえば、出力制限値が
０ｋＷから７５ｋＷ内にあるか否かを判断して、その範
囲内であればそのまま出力制限値を出力し、また、ブロ
ック１０８で求められた出力制限値が規定された範囲内
に内場合は、その範囲内となるような値に出力制限値を
変更する。電源出力制御装置１０は、上述した一連の処
理によって出力制限値を求めると、この出力制限値をモ
ータ制御装置１５へ出力する。

【００４５】モータ制御装置１５は、電源出力制御装置
１０から入力された出力制限値とシステム要求出力とに
基づいて、走行用モータ駆動装置１４に具備されたＰＷ
Ｍインバータの電力変換動作を制限する。具体的には、
トルク指令として例えばＵ相交流電圧指令値及びＶ相交
流電圧指令値及びＷ相交流電圧指令値を走行用モータ駆
動装置１４に出力して、これらの各電圧指令値に応じた
Ｕ相電流及びＶ相電流及びＷ相電流を走行用モータ駆動
装置１４から走行用モータ１１の各相へと出力させる。

【００４６】以上、図７を用いて電源出力制御装置１０
が行う出力制限値算出処理について説明してきたが、図
１０に示す手法によっても出力制限値を算出することが
できる。以下、図１０を参照して、他の実施形態に係る
出力制限値算出処理について説明する。

【００４７】図１０において、まず、ブロック２００に
おいて、燃料電池制御装置１７から受け取った電流値で
ある出力可能値を、燃料電池１１の出力可能値と二次電
池１２の残容量関連情報とに基づいて算出された燃料電
池電源装置（燃料電池及び二次電池との合成出力）の出
力可能値と比較可能にするため電力値に変換し、続くブ
ロック２０１において電力に変換した燃料電池１１の出
力可能値と燃料電池電源装置の出力可能値とを比較し
て、いずれか小さい値を選択する。これらの処理は、図
７のブロック１００及びブロック１０１における処理と
同じである。

【００４８】一方、ブロック２０２では、二次電池１２
の温度による出力可能値が算出され、また、ブロック２
０３では二次電池１２の残容量による出力可能値が算出
される。具体的には、電源出力制御装置１０は図８
（ａ）及び（ｂ）に示す二次電池１２の温度−出力電力
特性と図９（ａ）及び（ｂ）に示す二次電池の残容量−
出力電力特性とを用いて、温度に基づく出力可能値及び
残容量に基づく出力可能値を検出する。なお、上記図８
（ａ）及び図９（ａ）は放電時（走行用モータ駆動時）
における特性を示したものであり、図８（ｂ）及び図９
（ｂ）は充電時（走行用モータ回生時）における特性を
示したものである。電源出力制御装置１０は、二次電池
１２の充放電状態に従って参照する特性を切り替える。

【００４９】上述した処理を行うことにより二次電池１
２の温度に基づく出力可能値と残容量に基づく出力可能
値とを検出すると、ブロック２０４において、検出した
両者の内、値の小さい方を現在の二次電池１２の出力可
能値として決定する。

【００５０】そして、ブロック２０５では、先のブロッ
ク２０１において選択したいずれかの出力可能値と、ブ
ロック２０４において決定した二次電池１２の出力可能
値とを加算し、燃料電池電源装置としての出力可能値を
算出する。続いて、ブロック２０６では、先のブロック
２０５において算出した燃料電池電源装置の出力可能値
とシステム要求出力とを比較し、燃料電池電源装置の出
力可能値がシステム要求出力よりも大きい場合には、シ
ステム要求出力を出力制限値とし、他方、燃料電池電源
装置の出力可能値が要求出力よりも小さい場合には、燃
料電池電源装置の出力可能値を出力制限値とする。

【００５１】上述したようにブロック２０６において出
力制限値が算出されると、続くブロック２０７におい
て、先のブロック２０６で決定された出力制限値が、ブ
ロック２０７において求められる二次電池１２の保護装
置、即ち遮断装置３６の制限値、及びブロック２０８に
おいて求められる二次電池の各残容量毎の許容充放電電
流及び電圧以下であるか否かを判断し、出力制限値が制
限値を超える場合には、出力制限値を制限値以内となる
ように制限値を変更する。

【００５２】ブロック２０７において求められる二次電
池１２の遮断装置３６の制限値は、図７において説明し
たのと同様に、例えば、二次電池１２に流れる電流を制
限するために設けられたフューズの設定値である。これ
は、過電流による二次電池１２の劣化を防止するために
設けられた制限値である。またブロック２０８で求めら
れる二次電池の充放電電流及び電圧の制御値は、より好
ましい電圧領域で二次電池を使用するために設定されて
いる制限値であり、図３に示すような値に設定されてい
る。一般的に、二次電池１２は、残用量２０％〜８０％
の範囲で使用されることが好ましいとされている。これ
は、残容量２０％以下の領域においては、過放電状態と
なってしまい逆充電が起こる可能性が高いからであり、
他方、残容量８０％以上の領域では、過充電状態となっ
て発熱が起こり、充電効率が低下するのに加え、熱によ
り二次電池が性能劣化の原因となるからである。

【００５３】従って、電源出力制御装置１０は、上述し
たような過電流の防止及び好ましくない領域における二
次電池１２の使用を防止するために、遮断装置３６の制
限値及び各残容量毎に充放電電流及び電圧の制限値を設
け、出力制限値がこの制限値を超える場合には、制限値
以下となるように制限する。電源出力制御装置１０は出
力制限値が制限値以内となるように制限すると、この出
力制限値をモータ制御装置１５へ出力する。

【００５４】モータ制御装置１５は、電源出力制御装置
１０から入力された出力制限値に基づいて、走行用モー
タ駆動装置１４に具備されたＰＷＭインバータの電力変
換動作を制御する。

【００５５】以上、この発明の実施形態を図面を参照し
て詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限ら
れるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計等も含まれる。例えば、上述した実施形態において
は、モータ制御装置、電源出力制御装置、及び燃料電池
制御装置をそれぞれ設けたが、これらの制御装置が行う
処理を１つの制御装置によって実現することも可能であ
る。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
電源装置の制御装置によれば、燃料電池と二次電池とが
並列に接続され、電気的に良導状態で使用される燃料電
池電源装置の電力供給を制御するものであり、要求出力
と、燃料電池の出力可能値及び燃料電池電源装置の出力
可能値の内いずれか小さい方と、二次電池の残容量関連
情報と、二次電池に対する制限値とに基づいて走行用モ
ータへの電力供給を制限するので、従来のようにＤＣ／
ＤＣコンバータ等からなる出力制御器を排除でき、且
つ、燃料電池がガス欠状態に陥ることを防止することが
できる。この結果、電源装置の電力を高効率で走行用モ
ータへ供給することができるという効果を奏する。

【００５７】また、本発明の燃料電池電源装置の制御装
置によれば、燃料電池の出力可能値及び二次電池の残容
量等の情報に基づいて燃料電池電源装置の出力可能値を
算出し、更に、この燃料電池電源装置の出力可能値を二
次電池に対する制限値以下となるように制限し、この出
力可能値の範囲で走行用モータへの電力供給を行う。こ
のように燃料電池電源装置の電力供給を制御することに
より、従来のようにＤＣ／ＤＣコンバータ等からなる出
力制御器を用いることなく、燃料電池がガス欠状態に陥
ることを防止することができ、燃料電池電源装置の電力
を高効率で走行用モータへ供給することができるという
効果を奏する。

【００５８】また、本発明の燃料電池電源装置の制御装
置は、二次電池の保護装置の制限値以下となるように出
力可能値を制限する。これにより、二次電池に過負荷が
かからないように燃料電池及び二次電池の供給電力を制
御することができ、二次電池の小型化、長寿命化を実現
することができるという効果が得られる。

【００５９】また、本発明の燃料電池電源装置の制御装
置は、二次電池の各残容量毎の許容充放電電流及び電圧
による制限値以下となるように燃料電池電源装置の出力
可能値を決定するので、二次電池を好ましい残容量の範
囲で使用できる。また、このように残容量の範囲に応じ
た制御を行うことにより、二次電池の小型化及び二次電
池の長寿命化を実現することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る燃料電池車両のシ
ステム構成を示すブロック図である。

【図２】 同実施形態における補機／制御装置の構成を
示すブロック図である。

【図３】 燃料電池及び二次電池の電流−電圧特性の一
例を示す図である。

【図４】 二次電池の残容量が８０％の場合の燃料電
池、二次電池及び電源装置の電流−電圧特性を示す図で
ある。

【図５】 二次電池の残容量が８０％の場合の燃料電池
及び二次電池を並列接続した電源装置の電力−電圧特性
を示す図である。

【図６】 システム要求出力に対する燃料電池の出力電
力を示す図である。

【図７】 同実施形態における電源出力制御装置が行う
処理を機能的にに示したブロック図である。

【図８】 二次電池の放電時及び充電時における温度−
出力電力特性を示す図である。

【図９】 二次電池の放電時及び充電時における残容量
−出力電力特性を示す図である。

【図１０】 他の実施形態における電源出力制御装置が
行う処理を機能的にに示したブロック図である。

【符号の説明】

１…燃料電池車両、１０…電源出力制御装置（電源装置
の制御装置）、１１…燃料電池、１２…二次電池、１３
…走行用モータ、１４…走行用モータ駆動装置、１５…
モータ制御装置、３５、３６…遮断装置、１７…燃料電
池制御装置、１９…補機／制御装置、２０…エアコンプ
レッサ、２１…レギュレータ、２７…高圧水素タンク、
３４、３７、３９…電流センサ、３８…走行用モータ以
外の電気負荷、４０、４１…ウォーターポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉川 慎司 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA13 DD03 KK51 KK56 MM02 MM26

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池と二次電池とが並列に配置さ
   れ、電気的に良導状態で使用される燃料電池電源装置の
   供給電力を制御する燃料電池電源装置の制御装置であっ
   て、 外部負荷への供給電力を制御する外部負荷制御手段から
   の要求出力と前記二次電池の残容量関連情報とに基づい
   て、前記燃料電池の発電指示値を演算し、該発電指示値
   を前記燃料電池への反応ガスの供給量を制御する燃料電
   池制御手段へ出力し、 該発電指示値に対する前記燃料電池の出力可能値を前記
   燃料電池制御手段から受けとり、前記燃料電池の出力可
   能値と前記二次電池の残容量関連情報とに基づいて、前
   記燃料電池電源装置の出力可能値を演算し、 前記要求出力と、前記燃料電池の出力可能値及び前記燃
   料電池電源装置の出力可能値の内いずれか小さい方と、
   前記二次電池の残容量関連情報と、前記二次電池に対す
   る制限値とに基づいて前記外部負荷制御手段の出力値を
   制限させることを特徴とする燃料電池電源装置の制御装
   置。
2. 【請求項２】 燃料電池と二次電池とが並列に配置さ
   れ、電気的に良導状態で使用される燃料電池電源装置の
   供給電力を制御する燃料電池電源装置の制御装置であっ
   て、 外部負荷への供給電力を制御する外部負荷制御手段から
   の要求出力と前記二次電池の残容量関連情報とに基づい
   て、前記燃料電池の発電指示値を演算し、該発電指示値
   を前記燃料電池への反応ガスの供給量を制御する燃料電
   池制御手段へ出力し、 該発電指示値に対する前記燃料電池の出力可能値を前記
   燃料電池制御手段から受け取り、 前記要求出力と前記燃料電池の出力可能値と前記二次電
   池の残容量関連情報とに基づいて前記燃料電池電源装置
   の出力可能値を算出し、且つ、算出した前記燃料電池電
   源装置の出力可能値が前記二次電池に対する制限値以下
   となるように前記外部負荷制御手段の出力値を制限させ
   ることを特徴とする燃料電池電源装置の制御装置。
3. 【請求項３】 前記二次電池に対する制限値は、前記二
   次電池の保護装置の制限値であることを特徴とする請求
   項１又は請求項２に記載の燃料電池電源装置の制御装
   置。
4. 【請求項４】 前記二次電池に対する制限値は前記二次
   電池の各残容量毎の許容充放電電流及び電圧であること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池電
   源装置の制御装置。