本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムには、負荷から要求される要求電力を負荷に供給するよう燃料電池および二次電池から電力を出力させるものがある(特許文献1参照)。

特開2010−244980号公報

このような燃料電池システムにおいて負荷からの要求電力が高い状態で継続した場合、二次電池が放電過多状態になることがある。放電過多状態では、二次電池中の電解液においてイオン濃度の偏りが生じている。このような放電過多状態が継続すると、二次電池の電池性能の劣化が生じることが知られている。上述のような燃料電池システムにおいて、二次電池の電池性能の劣化を抑制するために、二次電池が放電過多状態となった場合に二次電池からの放電を制限すると、負荷からの要求電力に対して出力電力が不足するという問題が生じ得る。このような問題を解決するために、燃料電池システムにおいて、二次電池の放電過多状態が継続することを抑制しつつ、要求電力に対する燃料電池システム全体での出力電力の不足を抑制可能な技術が望まれている。

本発明は、上述の課題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。

(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、負荷から要求される要求電力を供給する燃料電池システムであって、燃料電池と二次電池とを含み、前記燃料電池および前記二次電池から前記負荷への電力供給と、前記燃料電池から前記二次電池への充電を実行可能に形成された電源回路と、前記二次電池の充放電状態を監視して前記二次電池中の電解液におけるイオン濃度の偏りの程度を判定する判定値を取得する判定値取得部と、前記判定値に応じて前記電源回路を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記判定値が予め設定された閾値以上になる場合、前記二次電池の放電を制限し、前記判定値が前記閾値以上になっている場合であって、かつ、前記要求電力が減少するとき、前記燃料電池の出力電力の減少を制限して前記出力電力のうち減少を制限された分の電力の少なくとも一部を前記二次電池に充電させる。このような形態とすれば、判定値が閾値以上になっている場合、すなわち、二次電池が放電過多状態である場合に、燃料電池からの出力電力により二次電池を充電できるので、二次電池において放電過多状態が継続することを抑制できる。また、二次電池に充電する電力は、燃料電池の出力電力のうち減少を制限された分の電力から供給されるので、要求電力に対する燃料電池システム全体での出力電力の不足を抑制できる。

(2)上記形態において、前記燃料電池システムは、車両に搭載されて用いられ、前記燃料電池システムは、さらに、車両の位置情報および地図情報に基づいて走行予定経路を設定する経路設定部を備え、前記制御部は、前記走行予定経路において前記判定値が前記閾値以上になることが予測される場合であって、かつ、前記要求電力が減少するとき、前記出力電力の減少を制限して前記出力電力のうち減少を制限された分の電力の少なくとも一部を前記二次電池に充電させてもよい。このような形態とすれば、走行予定経路において、判定値が閾値以上になることが予測される場合、予め二次電池に燃料電池からの出力電力を充電させておくことができる。したがって、走行予定経路を走行中に二次電池が放電過多状態となることを抑制でき、放電過多状態により二次電池の放電が制限されることを予め抑制できる。

(3)上記形態において、さらに、前記燃料電池の冷媒を冷却するラジエータを有する冷媒循環系を備え、前記制御部は、前記走行予定経路において前記判定値が前記閾値以上になることが予測される場合、前記燃料電池の温度を低下させるよう前記冷媒循環系を制御してもよい。このような形態とすれば、走行予定経路において、判定値が閾値以上になることが予測される場合、冷媒循環系を制御することで燃料電池の温度を予め低下させておくことにより、燃料電池の出力電力の減少の制限に伴う燃料電池の温度上昇を抑制できる。

(4)上記形態において、前記制御部は、前記走行予定経路における登坂路の情報を取得することによって前記判定値が前記閾値以上になることを予測してもよい。車両が登坂路を走行することにより、判定値が閾値以上になる可能性は高くなる。したがって、上記したような形態とすれば、判定値が閾値以上になることを抑制できるため、二次電池が放電過多状態になることを精度良く抑制できる。

(5)上記形態において、前記経路設定部は、過去に前記車両が走行して前記判定値が前記閾値以上になった区間を記録した走行履歴を記憶する記憶部を備え、前記制御部は、前記位置情報、前記地図情報および前記走行履歴に基づいて、前記走行予定経路において前記判定値が前記閾値以上になることを予測してもよい。走行履歴に記録されている区間を車両が走行することにより、判定値が閾値以上になる可能性は高くなる。したがって、上記したような形態とすれば、判定値が閾値以上になることを抑制できるため、二次電池が放電過多状態になることを精度良く抑制できる。

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、燃料電池システムを搭載した移動体や燃料電池システムの制御方法、かかる制御方法を実施するためのコンピュータプログラム、かかるコンピュータプログラムを記憶する記憶媒体などの形態で実現することができる。

第1実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

冷媒循環系の構成を示す説明図である。

放電制限回復処理を示すフローである。

燃料電池および二次電池の出力電力の変動を示す説明図である。

燃料電池および二次電池の出力電力の変動を示す説明図である。

第2実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

放電制限抑制処理を示すフローである。

放電制限抑制処理を示すフローである。

冷媒温度の変動に対する燃料電池の出力電力の変動を示す説明図である。

第4実施形態の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

特開2017−129409号公報の図4である。

特開2017−129409号公報の図5である。

特開2017−129409号公報の図6である。

A.第1実施形態: A1.装置構成: 図1は、第1実施形態の燃料電池システム10の構成を示す説明図である。燃料電池システム10は、駆動モータ200で駆動する車両の電源として用いられる。燃料電池システム10は、燃料電池100と、冷媒循環系110と、燃料電池コンバータ120と、二次電池130と、判定値取得部135と、二次電池コンバータ140と、インバータ150と、制御部160とを備える。また、燃料電池システム10は、直流導線W1と、直流導線W2と、直流導線W3と、直流導線W4と、交流導線W5とを備える。

燃料電池100は、水素ガスおよび酸素の供給を受けて、水素と酸素との電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池100としては、固体高分子形燃料電池に限定されることはなく、種々のタイプの燃料電池を採用することが可能である。燃料電池100としては、固体高分子形燃料電池に代えて、例えば、固体酸化物型燃料電池が採用されてもよい。燃料電池100は、直流導線W1を介して、燃料電池コンバータ120と電気的に接続されている。

図2は、冷媒循環系110の構成を示す説明図である。冷媒循環系110は、燃料電池100を冷却する冷媒を循環させる系である。冷媒循環系110は、上流側配管112aと、下流側配管112bと、ラジエータ114と、冷媒循環用ポンプ116と、上流側温度センサ118aと、下流側温度センサ118bと、を有する。

上流側配管112aおよび下流側配管112bは、燃料電池100を冷却するための冷媒を循環させる冷媒用配管である。上流側配管112aは、ラジエータ114の入口と燃料電池100の図示しない冷媒用排出用マニホールドの出口とを接続する。下流側配管112bは、ラジエータ114の出口と燃料電池100の図示しない冷媒用供給用マニホールドの入口とを接続する。

ラジエータ114は、冷媒と外気との間で熱交換させることにより冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ116は、下流側配管112bの途中に設けられ、ラジエータ114において冷却された冷媒を燃料電池100に送り出す。上流側温度センサ118aおよび下流側温度センサ118bは、それぞれ上流側配管112aおよび下流側配管112bに設けられている。

図1に戻り、燃料電池コンバータ120は、昇圧型のコンバータ装置であり、燃料電池100の出力電圧を目標の電圧まで昇圧する昇圧動作をおこなう。燃料電池コンバータ120は、直流導線W2を介してインバータ150と電気的に接続されている。

二次電池130は、燃料電池100とともに燃料電池システム10の電力源として機能する。二次電池130は、リチウムイオン電池によって構成される。二次電池130は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池など他の種類の電池であってもよい。二次電池130は、直流導線W3を介して二次電池コンバータ140と電気的に接続されている。二次電池130は、燃料電池100から供給される電力により充電可能である。

判定値取得部135は、二次電池130の充放電状態を監視して二次電池130中の電解液におけるイオン濃度の偏りの程度を判定する判定値を取得する。判定値は、言い換えれば、二次電池130の放電過多の程度を評価する値のことである。判定値取得部135は、取得した判定値を制御部160に送る。

ここで、放電過多状態について説明する。放電過多状態とは、ある期間内において二次電池130の充放電のうち放電が充電に比べて予め定めた程度より多くなされたことで、電解液中のイオン濃度が負極側で高く正極側で低くなっている状態をいう。このような放電過多状態が継続すると、二次電池の電池性能の劣化が生じることが知られている。

本実施形態では、判定値は、二次電池130の初期状態から定期的に取得している評価値を積算した積算値のことである。ここでいう評価値は、時間の経過に伴うイオン濃度の偏りの減少の程度を推定した推定値および二次電池130の充放電に伴うイオン濃度の偏りの増加の程度を推定した推定値を用いて算出される。このような評価値および積算値の具体的な算出方法は、例えば、特開2017−129409号公報に記載の方法を用いてもよい。なお、放電過多状態を判定する方法は、評価値を積算した積算値を用いる方法に限られず、電解液中のイオン濃度の偏りを推定できる方法であれば他の方法であってもよい。

二次電池コンバータ140は、昇降型のコンバータ装置である。二次電池コンバータ140は、直流導線W4を介して、直流導線W2と電気的に接続されている。直流導線W2は、燃料電池コンバータ120とインバータ150とを接続する。二次電池コンバータ140は、インバータ150の入力電圧である直流導線W2における電圧を調整し、二次電池130の充放電を制御する。

二次電池コンバータ140は、燃料電池コンバータ120からの出力電力が目標出力電力に対して不足する場合には、二次電池130に放電させる。一方、二次電池コンバータ140は、駆動モータ200において回生電力が発生する場合には、当該回生電力を二次電池130に蓄電させる。

インバータ150は、燃料電池100および二次電池130から直流導線W2を介して直流で供給される電力を三相交流の電力に変換する。インバータ150は、交流導線W5を介して駆動モータ200と電気的に接続し、三相交流電力を駆動モータ200に供給する。また、インバータ150は、駆動モータ200において発生する回生電力を直流電力に変換して直流導線W2に出力する。駆動モータ200は、インバータ150から供給される三相交流電力を回転動力に変換する電動機である。

制御部160は、燃料電池システム10に備えられた各種センサから出力される信号を受信するとともに、電源回路を制御する。ここでいう電源回路とは、燃料電池100と、冷媒循環系110と、燃料電池コンバータ120と、二次電池130と、二次電池コンバータ140と、インバータ150を含む回路のことである。制御部160は、負荷の要求電力に応じて、燃料電池100と二次電池130とから負荷に電力を供給させる。負荷には、例えば、駆動モータ200や車両の運転時などに使用される種々の電力機器である照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。要求電力は、車両に備えられたメインECU300によって、運転手の操作や車速に応じて決定される。そして、決定された要求電力が制御部160に通知される。

制御部160は、判定値取得部135から送られた判定値が予め設定された閾値以上になる場合、二次電池130の電池性能の劣化を抑制するために、二次電池130の放電を制限する。ここで、予め設定された閾値とは、その閾値以上となれば、二次電池130が放電過多状態であるとみなす値のことである。本実施形態では、判定値である積算値が正の値であれば、二次電池130が放電過多状態であるとみなすことから、閾値は0である。

制御部160は、判定値が予め設定された閾値以上になっている場合であって、かつ、要求電力が減少するとき、燃料電池100の出力電力の減少を制限して燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分の電力を二次電池130に充電させる。この処理についての詳細は、図3および図4において説明する。

制御部160は、かかる放電過多状態を判定する処理を含む後述の放電制限回復処理を実行することにより、二次電池130の放電過多状態が継続することを抑制しつつ、要求電力に対する燃料電池システム10全体での出力電力の不足を抑制するようにしている。

A2.放電制限回復処理: 図3は、制御部160が実行する放電制限回復処理を示すフローである。放電制限回復処理は、放電過多状態になった二次電池130を回復させることによって二次電池130の放電制限を回復させる処理である。放電制限回復処理は、燃料電池システム10が搭載された車両に備えられた図示しないイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまでの間、継続して実行される。

放電制限回復処理が開始されると、制御部160は、判定値取得部135から送られた判定値が閾値以上であるか否かを判定する(ステップS110)。判定値が閾値以上でないと判定される場合(ステップS110:NO)、制御部160は、ステップS110に戻る。

判定値が閾値以上であると判定される場合(ステップS110:YES)、制御部160は、負荷からの要求電力が減少しているか否か判定する(ステップS120)。負荷からの要求電力が減少していないと判定される場合(ステップS120:NO)、制御部160は、ステップS110に戻る。

負荷からの要求電力が減少していると判定される場合(ステップS120:YES)、制御部160は、要求電力の減少に応じた燃料電池100の出力電力の減少を制限するとともに燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分のすべての電力を二次電池130に充電させる(ステップS130)。本実施形態において、要求電力の減少に応じた燃料電池100の出力電力の減少を制限するとは、要求電力の減少に応じて減少が開始される直前の燃料電池100の出力電力量を維持することである。なお、燃料電池100の出力電力の減少の制限について、本実施形態の燃料電池システム10では、減少が開始される直前の出力電力量を維持することにより出力電力量を全く減少させないよう制限しているが、制限の度合いは適宜設定を変更されてもよい。制御部160は、燃料電池100への水素および酸素供給、二次電池コンバータ140等を制御することにより、ステップS130の処理を実行する。その後、制御部160は、ステップS110に戻る。

図4は、燃料電池システム10における、要求電力の変動に対する燃料電池100の出力電力および二次電池130の出力電力の変動を示す説明図である。図4における各グラフの横軸は、時間を表す。図4において、上段のグラフは、要求電力の変動を示し、中段のグラフは、燃料電池100の出力電力の変動を示し、下段のグラフは、二次電池130の出力電力の変動を示す。図4の下段のグラフにおける電圧V0は、0Vを示す。

図4において示される各線について説明する。破線VP1は、負荷の要求電力の量を示す。実線RP1は、要求に対して実際に燃料電池システム10から出力される出力電力の量を示す。実線RP2は、燃料電池100の出力電力の量を示す。破線VP3は、二次電池130が要求電力に対して出力すべき電力の量を示す。実線RP3は、二次電池130が実際に出力している電力の量を示す。一点鎖線PP2については後述する。

タイミングt0からタイミングt1までの間において、燃料電池100および二次電池130が電力を出力することによって、要求電力に対して不足なく電力を供給している。この間に二次電池130は充電されることなく放電を継続しているため、二次電池130は放電過多状態へと近付く。

タイミングt1において、判定値が閾値以上になることで二次電池130は放電過多状態になることにより、制御部160は二次電池130からの放電の制限を開始する。

タイミングt1からタイミングt2までの間において、二次電池130は、破線VP3に示される電力の量を出力して要求電力に応答すべきであるところ、制御部160により放電を制限されていることから、実線RP3に示される電力の量しか出力できない。このため、燃料電池システム10は、負荷が破線VP1に示される電力の量を要求しているにも関わらず、実際には、実線RP1で示される電力の量しか電力を出力していない。

タイミングt2から要求電力の減少が開始される。例えば、車両のアクセル開度が減少した場合に、要求電力は減少する。上述のように、タイミングt2において判定値が閾値以上であり(ステップS110:YES)、かつ、要求電力が減少することから(ステップS120:YES)、ステップS130が実行されるため、実線RP2で示されるように、燃料電池100の出力電力の減少は制限されて、要求電力の減少に応じて減少が開始される直前の燃料電池100の出力電力量を維持する。なお、一点鎖線PP2は、要求電力が減少する際に燃料電池の出力電力の減少が制限されない場合の出力電力を示している。

タイミングt2からタイミングt3までの間において、燃料電池100の出力電力の減少が制限されているとき、制御部160は、二次電池コンバータ140を制御することにより、燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分のすべての電力を二次電池130に充電させる。電圧V0を下回る実線RP3は、二次電池130が充電されている状態を示す。燃料電池100の出力電力の一部が充電されることにより、判定値が閾値より小さくなることによって、二次電池130は、放電過多状態である状態から回復する。

二次電池130の充電に用いられる電力量は、燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分の電力量のすべてであってもよいし、一部であってもよい。上述のように、本実施形態では、二次電池130の充電に用いられる燃料電池100の出力電力の量は、燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分のすべての電力量である。図4において、この電力量は、タイミングt2からタイミングt3までの間における実線RP2と一点鎖線PP2との差分である電力Wdにあたる。よって、燃料電池システム10では、要求電力に対して燃料電池100が応答する出力電力の量を確保しつつ二次電池130の放電過多状態が継続することを抑制できる。

タイミングt2からタイミングt3までの間において、要求電力が減少から増加に転じると、制御部160は、二次電池コンバータ140を制御することにより、二次電池130を充電される状態から放電する状態に切り替える。

タイミングt3からタイミングt4までの間において、燃料電池100および二次電池130は、要求電力に対して不足なく電力を供給している。

タイミングt4において、判定値が閾値以上になることで二次電池130は再び放電過多状態となるため、制御部160は二次電池130からの放電の制限を開始する。

図5は、比較例1の燃料電池システムにおける、要求電力の変動に対する燃料電池の出力電力および二次電池の出力電力の変動を示す説明図である。比較例1は、要求電力が減少する際に燃料電池の出力電力の減少を制限しない点を除いて、第1実施形態の燃料電池システム10の構成と同様である。すなわち、比較例1では、要求電力が減少する際に、二次電池の充電を行わない。比較例1の燃料電池システムは、以下、比較例1と呼ぶ。図5における各グラフの横軸は、時間を表す。図5において、上段のグラフは、要求電力の変動を示し、中段のグラフは、燃料電池の出力電力の変動を示し、下段のグラフは、二次電池の出力電力の変動を示す。なお、図5における破線VP1および破線VP3は、図3の破線VP1および破線VP3と同じである。また、図5におけるタイミングt1からタイミングt4も、図3のタイミングt1からタイミングt4と同じである。

図5において示される実線CP1、実線CP2および実線CP3について説明する。実線CP1は、比較例1において、要求電力に対して実際に応答される出力電力の量を示す。実線CP2は、比較例1における燃料電池の出力電力の量を示す。実線CP3は、比較例1における二次電池が出力している電力の量を示す。

タイミングt2からタイミングt3までの間において、比較例1では、実線CP2で示されるように、要求電力が減少する際に燃料電池の出力電力の減少を制限しない。言い換えれば、要求電力の減少に応じて燃料電池の出力を減少させる。

タイミングt2からタイミングt3までの間において、比較例1では、実線CP3で示されるように、二次電池は充電されない。このため、二次電池は、放電過多状態から回復できない。

タイミングt2からタイミングt3までの間において、要求電力が減少から増加に転じると、比較例1の制御部は、二次電池コンバータを制御することにより、二次電池からの出力電力の量を増やそうとする。しかし、二次電池は放電過多状態から回復していないために放電が制限されていることから、実線CP3に示すように、要求電力に対して十分に応答することができない。また、それに加えて、実線CP3に示すように、放電過多状態の進行に伴い二次電池の放電制限がより厳しくなっていく。よって、実線CP1で示されるように、要求電力に対して実際に応答される出力電力の量も減少していく。

図5に示したように、比較例1では、第1実施形態の燃料電池システム10と比べて、負荷からの要求に対して不足なく電力を供給できる時間帯が短い。一方、第1実施形態の燃料電池システム10では、二次電池130を放電過多状態から回復させる積極的な処理として二次電池130に対する燃料電池100からの充電を行っていることから、負荷からの要求に対して不足なく電力を供給できる時間帯を長くすることができる。

以上説明した第1実施形態によれば、判定値が閾値以上になっている場合、すなわち、二次電池130が放電過多状態である場合に、燃料電池からの出力電力により二次電池を充電できるので、二次電池130において放電過多状態が継続することを抑制できる。また、二次電池130に充電する電力は、燃料電池100の出力電力のうち減少を制限された分の電力から供給されるので、要求電力に対する燃料電池システム10全体での出力電力の不足を抑制できる。

B.第2実施形態: B1.装置構成: 図6は、第2実施形態の燃料電池システム10aの構成を示す説明図である。燃料電池システム10aは、経路設定部170を備える点において、第1実施形態の燃料電池システム10と異なる。燃料電池システム10aは、第1実施形態の燃料電池システム10と同様に、駆動モータ200で駆動する車両の電源として用いられる。

経路設定部170は、燃料電池システム10aが搭載された車両の客室に備えられたディスプレイやスピーカを通して経路表示や音声案内を実行する、いわゆるカーナビゲーションシステムである。経路設定部170は、車両の位置情報および地図情報に基づいて走行予定経路を設定する。経路設定部170は、位置情報検出部172と、地図情報格納部174とを有する。

位置情報検出部172は、燃料電池システム10aが搭載された車両の位置情報を検出する。例えば、位置情報検出部172は、GNSS(全球測位衛星システム)を利用して車両の位置情報を検出してもよい。地図情報格納部174は、地図情報を格納する。地図情報には、例えば、地図に表されるべき種々の地物が含まれる。地物とは、たとえば、建造物、道路など人工的に造られた物や、山、川、草、木などの自然物が相当する。また、地図情報の構成要素の関連情報とは、構成要素に関して地図情報として記録されるべき種々の情報が含まれる。たとえば、地物が建造物である場合には、建造物の形状、幅、奥行き、高さ、面している道路との高低差、入口の位置、敷地形状、敷地幅、敷地奥行き、住所、地番、居住者などに関する情報が相当する。また、地物が道路である場合には、道路の形状、幅、長さ、高さ、名称、種別(国道、県道、一般道)、車線数、中央分離帯有無、歩道の有無、信号の有無、側溝などが相当する。

第2実施形態の制御部160は、図3において説明した放電制限回復処理に加えて、後述する放電制限抑制処理を実行する。本実施形態では、かかる処理を実行することにより、判定値が閾値以上になることが予測される場合、予め二次電池130に燃料電池100からの出力電力を充電させておくことによって、二次電池130が放電過多状態になることを抑制できる。

B2.放電制限抑制処理: 図7は、第2実施形態における放電制限抑制処理を示すフローである。放電制限抑制処理は、燃料電池システム10aが搭載された車両に備えられた図示しないイグニッションスイッチがオンにされてからオフにされるまでの間、継続して実行される。

放電制限抑制処理が開始されると、制御部160は、経路設定部170が設定した走行予定経路において、判定値が閾値以上になることが予測されるか否か判定する(ステップS210)。かかる判定は、位置情報検出部172により検出された車両の位置情報と、地図情報格納部174から得られる地図情報を用いて行われる。

本実施形態では、走行予定経路において、判定値が閾値以上になることが予測されるか否かの判定は、走行予定経路において登坂路があるか否かの判定に基づいて行われる。

登坂路は、水平距離100mに対して5m以上上昇する勾配を有する道路であって、長さが100m以上ある道路のことである。走行予定経路において登坂路があるということは、言い換えれば、その登坂路において判定値が閾値以上になって、二次電池130が放電過多状態になることが予測されるという事である。

判定値が閾値以上になることが予測されない場合、すなわち、登坂路がないと判定される場合(ステップS210:NO)、制御部160は、ステップS210に戻る。

判定値が閾値以上になることが予測される場合、すなわち、登坂路があると判定される場合(ステップS210:YES)、制御部160は、図3において説明した放電制限回復処理のステップS120およびステップS130と同様の処理を行う。

以上説明した第2実施形態によれば、走行予定経路において、判定値が閾値以上になることが予測される場合、予め二次電池130に燃料電池100からの出力電力を充電させておくことができる。したがって、走行予定経路を走行中に二次電池130が放電過多状態となることを抑制でき、放電過多状態により二次電池130の放電が制限されることを予め抑制できる。

C.第3実施形態: C1.装置構成: 第3実施形態の燃料電池システムの構成は、第2実施形態の燃料電池システム10aの構成と同じである。また、第3実施形態の燃料電池システムも、駆動モータ200で駆動する車両の電源として用いられる。第3実施形態の燃料電池システムは、第2実施形態の燃料電池システム10aとは異なる放電制限抑制処理を行う。また、第3実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池100は、上流側温度センサ118aが検出している冷媒の温度が高温HTになると、出力制限がかかるよう設定されている。高温HTは、発電効率が悪化するとみなされる燃料電池100の温度を反映した冷媒の温度のことである。

C2.放電制限抑制処理: 図8は、第3実施形態における放電制限抑制処理を示すフローである。第3実施形態において実行される放電制限抑制処理は、図7で説明した放電制限抑制処理のステップS210とステップS120との間にステップS315を加えたものである。判定値が閾値以上になることが予測される場合(ステップS210:YES)、制御部160は、ラジエータ114が冷却水を冷却する際の指標としている目標温度の設定を下げる(ステップS315)。制御部160は、初期設定の目標温度である第1目標温度Wt1から、第1目標温度Wt1より温度の低い第2目標温度Wt2に設定を変更することにより、目標温度の設定を下げる。前回の放電制限抑制処理において、目標温度が既に第2目標温度Wt2に設定変更されている場合には、ステップS315において、目標温度の設定を第2目標温度Wt2のまま維持する。

図9は、車両が登坂路を走行しているときの、冷媒温度の変動に対する燃料電池の出力電力の変動を示す説明図である。図9における各グラフの横軸は、時間を表す。図9において、上段のグラフは、車両位置の標高の変動を示し、中段のグラフは、冷媒温度の変動を示し、下段のグラフは、燃料電池の出力電力の変動を示す。

図9において示される各線について説明する。二点鎖線TL1および二点鎖線FP1は、比較例2の燃料電池システムにおける冷媒温度の変動および燃料電池の出力電力の変動を示す。比較例2の燃料電池システムは、以下、比較例2と呼ぶ。比較例2は、走行予定経路において判定値が閾値以上になることが予測される場合、すなわち、登坂路があると判定される場合であっても目標温度の設定を変更せず第1目標温度Wt1を維持する点を除いて、第3実施形態の燃料電池システムの構成と同様である。実線TL2および実線FP2は、第3実施形態の燃料電池システムにおける冷媒温度の変動および燃料電池100の出力電力の変動を示す。なお、図9において、二点鎖線TL1および二点鎖線FP1は、実線TL2および実線FP2から分岐している部分以外は、実線TL2および実線FP2に重なっている。

第3実施形態の燃料電池システムを搭載した車両および比較例2を搭載した車両は、いずれもタイミングt0からタイミングt1までの間において、平坦な道路を走行しており、標高は変わらない。タイミングt1からタイミングt4までの間において、各車両は、登坂路を走行しており、標高は次第に上がっている。

説明の便宜上、比較例2を搭載した車両について先に説明する。車両が登坂路の走行を開始するタイミングt1以前において、冷媒温度は、第1目標温度Wt1になっている。タイミングt1において車両が登坂路の走行を開始すると、負荷から要求される要求電力が増加するため、実線FP2と重なった二点鎖線FP1で示されるように、燃料電池から出力される電力は、高電力HVに上昇する。また、燃料電池の出力電力上昇に伴って、冷媒温度についても、二点鎖線TL1で示されるように、第1目標温度Wt1から上昇を開始する。

タイミングt1からタイミングt2までの間において、車両は登坂路の走行を継続していることから、実線FP2と重なった二点鎖線FP1で示されるように、燃料電池から出力される電力は、高電力HVのまま維持される。また、二点鎖線TL1で示されるように、冷媒温度の上昇も継続される。

タイミングt2において冷媒温度が高温HTとなると、燃料電池100に放電制限がかかる。放電制限がかかった燃料電池100の出力電力は、タイミングt2からタイミングt3までの間において、二点鎖線FP1で示されるように、低下する。

タイミングt4において、車両が登坂路の走行を終了すると、実線FP2と重なった二点鎖線FP1で示されるように、燃料電池100の出力電力は減少される。また、燃料電池100の出力電力減少に伴って、冷媒温度についても、実線TL2と重なった二点鎖線TL1で示されるように、減少を開始する。その後、冷媒温度は、第1目標温度Wt1に戻る。

次に、第3実施形態の燃料電池システムが搭載された車両について説明する。第3実施形態の燃料電池システムでは、走行予定経路において判定値が閾値以上になることが予測される場合、すなわち、登坂路があると判定される場合に、燃料電池100の温度を低下させるよう冷媒循環系110を制御する。より具体的には、制御部160が冷媒循環系110を制御して、目標温度の設定を第1目標温度Wt1から第2目標温度Wt2に変更して冷媒温度を下げる。このため、車両が登坂路の走行を開始するタイミングt1以前において、冷媒温度は、第1目標温度Wt1よりも低い第2目標温度Wt2になっている。

タイミングt1において車両が登坂路の走行が開始されると、タイミングt1からタイミングt2までの間において、車両は登坂路の走行を継続していることから、実線FP2で示されるように、比較例2と同様、燃料電池100から出力される電力は高電力HVのまま維持される。一方、冷媒温度については、タイミングt1以前に第2目標温度Wt2になっていることから、実線TL2で示されるように、第1目標温度Wt1よりも低い温度から上昇が開始される。このため、第3実施形態の燃料電池システムでは、比較例2とは異なり、タイミングt2において冷媒温度が高温HTとはならない。このように、冷媒温度が高温HTとなるタイミングは、比較例2において冷媒温度が高温HTとなるタイミングt2よりも遅い。したがって、タイミングt2からタイミングt3までの間においても、燃料電池100から出力される電力は、実線FP2で示されるように、高電力HVのまま維持される。

タイミングt3において、冷媒温度は、実線TL2で示されるように、高温HTとなる。タイミングt3において冷媒温度が高温HTとなると、燃料電池100に放電制限がかかる。放電制限がかかった燃料電池100は、タイミングt3からタイミングt4までの間において、実線FP2で示されるように、出力電力を低下させる。

タイミングt4以降は、比較例2の場合と同様であるため、説明を省略する。但し、第3実施形態の燃料電池システムでは、登坂路があると判定されたのち、登坂路の走行を終えると、目標温度の設定を第2目標温度Wt2から第1目標温度Wt1に戻すことから、タイミングt4以降、冷媒温度は、第1目標温度Wt1に戻る。

第3実施形態の燃料電池システムでは、走行予定経路において判定値が閾値以上になることが予測される場合であって、かつ、要求電力が減少するとき、燃料電池100の出力電力の減少が制限されて出力電力の一部が二次電池130に充電されるため、出力電力の減少が制限されない燃料電池を備えた燃料電池システムと比べて燃料電池100の仕事量が増加しやすい状況にある。このため、出力電力の減少が制限されない燃料電池を備えた燃料電池システムと比べて燃料電池の温度上昇が早まりやすい傾向にある。しかし、第3実施形態の燃料電池システムでは、走行予定経路において判定値が閾値以上になることが予測される場合、冷媒循環系110を制御することで燃料電池100の温度を予め低下させておくことにより、燃料電池100の出力電力の減少の制限に伴う燃料電池の温度上昇を抑制できる。

D.第4実施形態: D1.装置構成: 図10は、第4実施形態の燃料電池システム10bの構成を示す説明図である。燃料電池システム10bは、経路設定部170が記憶部176を有する点において、図6で示した第2実施形態の燃料電池システム10aと異なる。燃料電池システム10bは、燃料電池システム10aと同様に、駆動モータ200で駆動する車両の電源として用いられる。

記憶部176は、燃料電池システム10bが搭載された車両の走行履歴を記録する。走行履歴には、過去に車両が走行して判定値が閾値以上になった注意区間が記録されている。

第4実施形態が実行する放電制限抑制処理は、ステップS210における判定値が閾値以上になることが予測されるか否かの判定は、走行予定経路において注意区間があるか否かの判定に基づいて行われる点を除いて、図7で説明した第2実施形態の放電制限抑制処理と同じである。

走行履歴に記録されている注意区間を車両が走行することにより、二次電池が放電過多状態になる可能性は高い。以上説明した第4実施形態によれば、二次電池が放電過多状態になることを精度良く抑制できる。

E.他の実施形態: 第2実施形態では、燃料電池システム10aが位置情報検出部172および地図情報格納部174を備え、位置情報検出部172が検出する位置情報および地図情報格納部174に格納された地図情報に基づいて、制御部160は、放電制限抑制処理を実行していたが、本発明はこれに限られない。例えば、燃料電池システムが位置情報検出部172のみを備える形態では、サーバに格納された地図情報を受信して、その地図情報および位置情報検出部172が検出する位置情報に基づいて、制御部160が放電制限抑制処理を実行してもよい。また、燃料電池システムにおける位置情報検出部172が検出した位置情報を受信したサーバが、サーバに格納された地図情報に基づいて登坂路の情報を検出するとともに、燃料電池システムの制御部160は、登坂路の情報をサーバから受信することに基づいて、放電制限抑制処理を実行してもよい。

第2実施形態および第4実施形態では、燃料電池システムが経路設定部170を備えていたが、本発明はこれに限られない。例えば、経路設定部170は、燃料電池システムを搭載した車両の側に備えられていてもよい。このような形態の場合、車両側から燃料電池システムの制御部に送られてくる位置情報、地図情報および走行履歴に基づいて、制御部は、電源回路を制御してもよい。

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、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

上述の説明において、評価値および積算値の具体的な算出方法として、特開2017−129409号公報に記載の方法を例示した。以下に、特開2017−129409号公報において、評価値および積算値の算出方法について言及された記載箇所を転載する。以下、段落番号0085から0097は、特開2017−129409号公報の段落番号0033から0045に対応する。また、段落番号0085から0097において言及される図4、図5および図6は、本願明細書の図11、図12および図13として開示する。

次に、ハイレート劣化の変動分の推定方法について説明する。電池コントローラ30は、二次電池100の初期状態から、上述した蓄電量変化割合dQ/dVの算出とは別に、定期的にハイレート状態を評価して評価値D(N)を取得し、RAM33に記憶する。そして、電池コントローラ30は、取得した評価値D(N)を積算して積算値Eを取得し、積算値Eに基づいて、その時点までのハイレート劣化の変動分を推定する。評価値D(N)は、イオン濃度の偏りに伴う二次電池100の入出力性能の低下の程度を評価する値であり、二次電池100に流れる電流値に基づいて算出される。

まず、評価値D(N)について説明する。電池コントローラ30は、所定のサイクルタイムΔt毎に繰り返して、ハイレート状態の程度を表す評価値D(N)を取得する。電池コントローラ30は、今回のサイクルタイムでの評価値D(N)の算出時には、前回の評価値D(N−1)と、前回からの評価値の減少量D(−)と、前回からの評価値の増加量D(+)とを算出し、以下の式1にて今回の評価値D(N)を算出する。 D(N) = D(N−1)−D(−)+D(+) …式1 なお、ハイレート劣化の評価値D(N)の初期値としてのD(0)は、例えば0とする。

評価値の減少量D(−)は、前回の評価値D(N−1)を算出したときから、1回のサイクルタイムΔtが経過するまでの間での、イオン濃度の偏りの減少の程度を推定する値である。イオン濃度の偏りは、時間の経過に伴い、イオンの拡散によってある程度減少する。電池コントローラ30は、例えば、以下の式2に基づいて、評価値の減少量D(−)を算出する。 D(−) = A×Δt×D(N−1) …式2

なお、式2中の「A」は、忘却係数であり、二次電池100の電解液中のイオンの拡散速度に関する係数である。忘却係数Aは、二次電池100のSOCと二次電池100の温度とに基づいて決定される。忘却係数Aを決定するために、電池コントローラ30は、評価値D(N)の算出時には、二次電池100の温度とSOCとを取得する。

電池コントローラ30は、二次電池100の放電実験等により、例えば、図4に示すように、温度とSOCとに対応する忘却係数Aの関係マップを取得してROM31に記憶している。そして、電池コントローラ30は、関係マップに基づいて、忘却係数Aを決定する。図4に示すように、二次電池100の温度が同じであれば、SOCが高いほど忘却係数Aは大きい。また、二次電池100のSOCが同じであれば、温度が高いほど忘却係数Aは大きい。なお、忘却係数Aは、以下の式3の条件を満たす範囲内で設定される。 0 < A×Δt < 1 …式3

式2と式3とから分かるように、「A×Δt」の値が1に近いほど、評価値の減少量D(−)が大きい。言い換えれば、忘却係数Aが大きいほど、または、サイクルタイムΔtが長いほど、評価値の減少量D(−)が大きい。なお、減少量D(−)の算出方法は、式2に示した方法に限定されるものではなく、時間の経過によるイオン濃度の偏りの減少の程度を特定することができる方法であればよい。

また、評価値の増加量D(+)は、前回の評価値D(N−1)を算出したときから、1回のサイクルタイムΔtが経過するまでの間において、充電または放電に伴うイオン濃度の偏りの増加の程度を推定する値である。電池コントローラ30は、例えば、以下の式4に基づいて、評価値の増加量D(+)を算出する。 D(+) = I×Δt×(B/C) …式4

式4において、「I」は、電流値、「B」は、電流係数、「C」は、限界値、をそれぞれ示す。電流値Iは、電流検知手段50の出力信号に基づいて取得され、電流の向きを含む値である。つまり、二次電池100を放電しているときは、電流値Iは正の値であり、二次電池100を充電しているときは、電流値Iは負の値である。電流係数Bは、ROM31に予め記憶されている係数である。電池コントローラ30は、ROM31から電流係数Bを読み出して使用する。

また、限界値Cは、二次電池100のSOCと二次電池100の温度とに基づいて決定される値である。電池コントローラ30は、二次電池100の放電実験等により、例えば、図5に示すように、温度とSOCとに対応する限界値Cの関係マップを取得してROM31に記憶している。そして、電池コントローラ30は、関係マップに基づいて、限界値Cを算出する。

式4から分かるように、二次電池100が放電している場合にはD(+)は正の値であり、二次電池100が充電している場合にはD(+)は負の値である。これは、二次電池100の充電時と放電時とでは、イオン濃度の偏りの進行が逆向きだからである。そして、電流値Iの絶対値が大きいほど、または、サイクルタイムΔtが長いほど、評価値の増加量D(+)の絶対値は大きい。なお、増加量D(+)の算出方法は、式4に示した方法に限定されるものではなく、充電または放電によるイオン濃度の偏りの増加の程度を特定することができる方法であればよい。

そして、式1に示したように、電池コントローラ30は、前回の評価値D(N−1)と、式2にて算出した評価値の減少量D(−)と、式4にて算出した評価値の増加量D(+)とを用いて、今回の評価値D(N)を算出する。さらに、電池コントローラ30は、算出した評価値D(N)をRAM33に記憶する。評価値D(N)をRAM33に記憶することにより、電池コントローラ30は、評価値D(N)の変化を監視することができる。

さらに、電池コントローラ30は、評価値D(N)に基づいて、積算値Eを算出する。具体的に、その時点での積算値Eは、例えば、図6に示すように、評価値D(N)のうち予め決めた目標値の範囲Dt(+)〜Dt(−)を超えた部分であるDe(N)を、例えば、以下の式5に基づいて積算することで取得される。なお、Dt(+)とDt(−)とは、絶対値が等しく符号が異なる数値である。 E = a×ΣDe(N−1)+De(N) …式5 ただし、 D(N)>Dt(+)>0 では、 De(N)= D(N)−Dt(+) D(N)

Dt(−)≦D(N)≦Dt(+)では、De(N)= 0 ここで、aは、ハイレート劣化の緩和を考慮した補正係数であり、0

なお、電池コントローラ30は、例えば、評価値D(N)を算出する度に積算値Eを算出し、算出した積算値EをRAM33に記憶する。あるいは、電池コントローラ30は、所定のタイミングで、前回までの積算値Eに以後の評価値D(N)を積算してRAM33に記憶する。これにより、積算値Eは、例えば、初期状態から積算された、ハイレート劣化の程度を表す数値とすることができる。積算値Eは、判定値の一例である。なお、積算値Eの算出方法は、式5に示したような、評価値D(N)を積算する方法に限定されるものではなく、現状でのハイレート劣化の程度を特定することができる方法であればよい。

10…燃料電池システム 10a…燃料電池システム 10b…燃料電池システム 100…燃料電池 110…冷媒循環系 112a…上流側配管 112b…下流側配管 114…ラジエータ 116…冷媒循環用ポンプ 118a…上流側温度センサ 118b…下流側温度センサ 120…燃料電池コンバータ 130…二次電池 135…判定値取得部 140…二次電池コンバータ 150…インバータ 160…制御部 170…経路設定部 172…位置情報検出部 174…地図情報格納部 176…記憶部 200…駆動モータ 300…メインECU