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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-05
(45)【発行日】2024-12-13
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04858 20160101AFI20241206BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20241206BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20241206BHJP
B60L 58/40 20190101ALN20241206BHJP
B60L 50/75 20190101ALN20241206BHJP
B60L 58/14 20190101ALN20241206BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04858
H01M8/00 A
H02J7/00 303E
B60L58/40
B60L50/75
B60L58/14
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2023024894
(22)【出願日】2023-02-21
(65)【公開番号】P2024118552
(43)【公開日】2024-09-02
【審査請求日】2023-09-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100154380
【弁理士】
【氏名又は名称】西村 隆一
(74)【代理人】
【識別番号】100081972
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 豊
(72)【発明者】
【氏名】高谷 清二
(72)【発明者】
【氏名】松下 正典
(72)【発明者】
【氏名】茅野 守男
(72)【発明者】
【氏名】清水 研一
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健太
(72)【発明者】
【氏名】山中 優
(72)【発明者】
【氏名】大島 智
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 貴春
【審査官】安池 一貴
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１０２３４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０５６７７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－１８０５５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０５７１２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｂ６０Ｌ ５０／７５
Ｂ６０Ｌ ５８／００－５８／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バッテリの電力と燃料電池の電力とを外部負荷に供給する外部給電機能を有する燃料電池システムにおいて、前記外部負荷に前記電力が供給される外部給電中であるとき、所定の発電効率で発電するように前記燃料電池の発電を制御し、前記燃料電池の発電電力のうち消費されない余剰電力を前記バッテリに供給して前記バッテリを充電する発電制御部を備え、
前記発電制御部は、前記外部給電中において、前記バッテリの充電率が第１所定値以上になると前記燃料電池の発電を停止し、前記バッテリの前記電力が前記外部負荷に供給されるように前記バッテリの出力を制御し、前記バッテリの前記充電率が前記第１所定値より小さい第２所定値以下になったら前記燃料電池の発電を再開し、
前記発電制御部はさらに、前記バッテリの前記電力と前記燃料電池の前記電力のうちの少なくとも１つの電力を用いて駆動される補機が消費可能な電力と前記バッテリの前記充電率とに基づき、前記燃料電池の発電電力の上限値を決定することを特徴と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において、
前記発電制御部は、前記補機が消費可能な電力と前記外部負荷の最大消費電力とに基づき、前記燃料電池の発電電力の下限値を決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項3】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電制御部は、前記燃料電池の発電目標値を前記上限値と前記下限値との間に設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項4】
請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の発電効率は、前記燃料電池の最大発電効率であることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、モータにより駆動される車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池車両に搭載された燃料電池および蓄電装置の電力を、車両外部の機器などの外部負荷に供給するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－５６７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、燃料電池の発電効率は所定の発電量範囲において最大となるため、外部負荷からの要求電力がその発電量範囲以下であるとき、効率的な発電制御が困難になる。一方で、発電効率を優先して要求電力以上の電力を発電しようとすると、要求電力が急減したときなどに発電電力の余剰分が蓄電装置側に過剰に流入し蓄電装置を劣化させるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の一態様である燃料電池システムは、バッテリの電力と燃料電池の電力とを外部負荷に供給する外部給電機能を有する。燃料電池システムは、外部負荷に電力が供給される外部給電中であるとき、所定の発電効率で発電するように燃料電池の発電を制御し、燃料電池の発電電力のうち消費されない余剰電力をバッテリに供給してバッテリを充電する発電制御部を備える。発電制御部は、外部給電中において、バッテリの充電率が第１所定値以上になると燃料電池の発電を停止し、バッテリの電力が外部負荷に供給されるようにバッテリの出力を制御し、バッテリの充電率が第１所定値より小さい第２所定値以下になったら燃料電池の発電を再開する。発電制御部はさらに、バッテリの電力と燃料電池の電力のうちの少なくとも１つの電力を用いて駆動される補機が消費可能な電力とバッテリの充電率とに基づき、燃料電池の発電電力の上限値を決定する。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、燃料電池の効率的な発電制御を良好に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本実施形態に係る燃料電池システムを有する車両システムの一例を示す概略構成図。
【図2】外部給電システムとその周辺装置との接続関係を示す図。
【図3】燃料電池の発電効率と発電電力との対応関係の一例を示す図。
【図4】発電目標値の決定方法を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【0008】
＜概要＞
発明の実施の形態に係る車両システムを搭載する燃料電池車両では、燃料電池（Fuel Cell：以降ＦＣと呼ぶことがある）で発電する電力（ＦＣ電力）と、車両システムの二次電池に蓄電された電力（バッテリ電力）とのうち少なくとも一方を用いて、走行用のモータを駆動する。また、走行用のモータから回生時に発生する電力（回生電力）を車両システムの二次電池に蓄電する。さらに、車両システムは、燃料電池車両に設けられた給電口に接続された電動の機器（以下、外部負荷と呼ぶ。）にＦＣ電力とバッテリ電力とのうち少なくとも一方を供給する外部給電機能を有する。このような車両システムの詳細について、以下に図面を参照して説明する。
発明の実施の形態に係る車両システムを搭載する燃料電池車両では、燃料電池（Fuel Cell：以降ＦＣと呼ぶことがある）で発電する電力（ＦＣ電力）と、車両システムの二次電池に蓄電された電力（バッテリ電力）とのうち少なくとも一方を用いて、走行用のモータを駆動する。また、走行用のモータから回生時に発生する電力（回生電力）を車両システムの二次電池に蓄電する。さらに、車両システムは、燃料電池車両に設けられた給電口に接続された電動の機器（以下、外部負荷と呼ぶ。）にＦＣ電力とバッテリ電力とのうち少なくとも一方を供給する外部給電機能を有する。このような車両システムの詳細について、以下に図面を参照して説明する。
【0009】
＜燃料電池車両＞
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０を有する車両システムの一例を示す概略構成図である。車両システムは、モータ１１により駆動される電動車両の一例としての燃料電池車両に搭載される。車両システムは、少なくとも走行用のモータ１１と、駆動輪１２と、ブレーキ装置１３と、車両センサ２０と、バッテリシステム（蓄電装置）４０と、制御装置５０と、外部給電システム６０と、ＦＣユニット１００と、変換器１０２と、ＢＴＶＣＵ（Battery Voltage Control Unit）１０３と、を備える。ＦＣユニット１００と、変換器１０２およびＢＴＶＣＵ１０３との間に、逆流防止のためダイオード１０１が配置されている。燃料電池システム１０は、車両システムの一部を構成し、バッテリシステム４０と、制御装置５０と、外部給電システム６０と、ＦＣユニット１００と、ＢＴＶＣＵ１０３とを含む。ブロック間を結ぶ実線は電気的接続を示し、制御装置５０とブロックを結ぶ破線は信号の向きを例示する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１０を有する車両システムの一例を示す概略構成図である。車両システムは、モータ１１により駆動される電動車両の一例としての燃料電池車両に搭載される。車両システムは、少なくとも走行用のモータ１１と、駆動輪１２と、ブレーキ装置１３と、車両センサ２０と、バッテリシステム（蓄電装置）４０と、制御装置５０と、外部給電システム６０と、ＦＣユニット１００と、変換器１０２と、ＢＴＶＣＵ（Battery Voltage Control Unit）１０３と、を備える。ＦＣユニット１００と、変換器１０２およびＢＴＶＣＵ１０３との間に、逆流防止のためダイオード１０１が配置されている。燃料電池システム１０は、車両システムの一部を構成し、バッテリシステム４０と、制御装置５０と、外部給電システム６０と、ＦＣユニット１００と、ＢＴＶＣＵ１０３とを含む。ブロック間を結ぶ実線は電気的接続を示し、制御装置５０とブロックを結ぶ破線は信号の向きを例示する。
【0010】
＜モータ＞
モータ１１は、例えば、三相交流電動機である。モータ１１のロータは、駆動輪１２に連結される。モータ１１は、ＦＣユニット１００により発電されたＦＣ電力と、バッテリシステム４０に蓄電されたバッテリ電力とのうち少なくとも一方を用いて、駆動輪１２に駆動力を出力する（力行動作）。また、モータ１１は、燃料電池車両の減速時に燃料電池車両の運動エネルギーを用いて発電する（回生動作）。
モータ１１は、例えば、三相交流電動機である。モータ１１のロータは、駆動輪１２に連結される。モータ１１は、ＦＣユニット１００により発電されたＦＣ電力と、バッテリシステム４０に蓄電されたバッテリ電力とのうち少なくとも一方を用いて、駆動輪１２に駆動力を出力する（力行動作）。また、モータ１１は、燃料電池車両の減速時に燃料電池車両の運動エネルギーを用いて発電する（回生動作）。
【0011】
＜ブレーキ装置＞
ブレーキ装置１３は、一例として、ブレーキキャリパー、ブレーキキャリパーに油圧を伝達するシリンダ、およびシリンダに油圧を発生させる電動モータ（いずれも図示省略）を備える。ブレーキ装置１３は、ブレーキペダルの操作によって発生した油圧を、マスターシリンダを介してシリンダに伝達する機構をバックアップとして備えてよい。なお、ブレーキ装置１３は、上述した構成に限らず、マスターシリンダの油圧をシリンダに伝達する電子制御式油圧ブレーキ装置であってもよい。
ブレーキ装置１３は、一例として、ブレーキキャリパー、ブレーキキャリパーに油圧を伝達するシリンダ、およびシリンダに油圧を発生させる電動モータ（いずれも図示省略）を備える。ブレーキ装置１３は、ブレーキペダルの操作によって発生した油圧を、マスターシリンダを介してシリンダに伝達する機構をバックアップとして備えてよい。なお、ブレーキ装置１３は、上述した構成に限らず、マスターシリンダの油圧をシリンダに伝達する電子制御式油圧ブレーキ装置であってもよい。
【0012】
＜車両センサ＞
車両センサ２０は、一例として、アクセル開度センサ、車速センサ、およびブレーキ踏量センサ（いずれも図示省略）を備える。アクセル開度センサは、運転者による加速指示を受け付ける操作子の一例であるアクセルペダルに取り付けられ、アクセルペダルの操作量を検出し、アクセル開度として制御装置５０に出力する。車速センサは、例えば、各車輪に取り付けられた車輪速センサおよび速度計算機（いずれも図示省略）を備え、車輪速センサにより検出された車輪速を統合して燃料電池車両の速度（車速）を導出し、制御装置５０に出力する。ブレーキ踏量センサは、ブレーキペダルに取り付けられ、ブレーキペダルの操作量を検出し、ブレーキ踏量として制御装置５０に出力する。
車両センサ２０は、一例として、アクセル開度センサ、車速センサ、およびブレーキ踏量センサ（いずれも図示省略）を備える。アクセル開度センサは、運転者による加速指示を受け付ける操作子の一例であるアクセルペダルに取り付けられ、アクセルペダルの操作量を検出し、アクセル開度として制御装置５０に出力する。車速センサは、例えば、各車輪に取り付けられた車輪速センサおよび速度計算機（いずれも図示省略）を備え、車輪速センサにより検出された車輪速を統合して燃料電池車両の速度（車速）を導出し、制御装置５０に出力する。ブレーキ踏量センサは、ブレーキペダルに取り付けられ、ブレーキペダルの操作量を検出し、ブレーキ踏量として制御装置５０に出力する。
【0013】
＜変換器＞
変換器１０２は、例えば、双方向の直流電圧／交流電圧変換器である。変換器１０２の直流側端子は、直流リンクＤＬに接続されている。直流リンクＤＬには、ＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリシステム４０が接続されている。変換器１０２は、ＢＴＶＣＵ１０３により昇圧された直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１１に供給する。また、変換器１０２は、モータ１１の回生動作により発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流リンクＤＬに出力する。回生動作により得られる電圧を回生電圧と呼んでもよい。
変換器１０２は、例えば、双方向の直流電圧／交流電圧変換器である。変換器１０２の直流側端子は、直流リンクＤＬに接続されている。直流リンクＤＬには、ＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリシステム４０が接続されている。変換器１０２は、ＢＴＶＣＵ１０３により昇圧された直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１１に供給する。また、変換器１０２は、モータ１１の回生動作により発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流リンクＤＬに出力する。回生動作により得られる電圧を回生電圧と呼んでもよい。
【0014】
＜ＢＴＶＣＵ＞
ＢＴＶＣＵ１０３は、例えば、昇降圧型の直流電圧変換器を有する。ＢＴＶＣＵ１０３は、バッテリシステム４０から供給される直流電圧を昇圧した直流電圧を直流リンクＤＬに出力する。また、ＢＴＶＣＵ１０３は、モータ１１による回生電圧、または、ＦＣユニット１００から出力された直流電圧を降圧してバッテリシステム４０に出力する。ＦＣユニット１００から出力される電圧をＦＣ電圧と呼んでもよい。
ＢＴＶＣＵ１０３は、例えば、昇降圧型の直流電圧変換器を有する。ＢＴＶＣＵ１０３は、バッテリシステム４０から供給される直流電圧を昇圧した直流電圧を直流リンクＤＬに出力する。また、ＢＴＶＣＵ１０３は、モータ１１による回生電圧、または、ＦＣユニット１００から出力された直流電圧を降圧してバッテリシステム４０に出力する。ＦＣユニット１００から出力される電圧をＦＣ電圧と呼んでもよい。
【0015】
＜バッテリシステム＞
バッテリシステム４０は、一例として、バッテリ４１と、バッテリセンサ４２と、温度調節部４３と、ＳＯＣ算出部４４を備える。
バッテリシステム４０は、一例として、バッテリ４１と、バッテリセンサ４２と、温度調節部４３と、ＳＯＣ算出部４４を備える。
【0016】
バッテリ４１は、例えば、リチウムイオン電池等の二次電池である。バッテリ４１は、一例として、モータ１１の回生動作により得られた回生電力またはＦＣユニット１００の発電動作により得られたＦＣ電力を蓄電（充電）し、燃料電池車両の走行、および後述する補機を作動させるために放電を行う。
【0017】
バッテリセンサ４２は、一例として、電流センサ、電圧センサ、および温度センサ等（いずれも図示省略）を備える。電流センサ、電圧センサ、および温度センサは、それぞれバッテリ４１の電流値、電圧値、および温度を検出する。バッテリセンサ４２は、検出した電流値、電圧値、および温度等を示す信号を制御装置５０に出力する。
【0018】
温度調節部４３は、例えば、ＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリ４１から供給される電力を用いてバッテリ４１を加熱または冷却する。温度調節部４３は、一例として、バッテリセンサ４２により検出されるバッテリ４１の温度が所定温度範囲に収まるように、不図示のバッテリＥＣＵ（Electronic Control Unit）によって制御される。
【0019】
ＳＯＣ算出部４４は、バッテリセンサ４２の出力に基づいて、バッテリ４１のＳＯＣ（State Of Charge：バッテリ充電率）を算出する。ＳＯＣ算出部４４は、算出したＳＯＣを示す信号を、制御装置５０に出力する。
【0020】
＜ＦＣユニット＞
ＦＣユニット１００は、燃料電池を含む。燃料電池は、燃料ガスに燃料として含まれる水素と、空気に酸化剤として含まれる酸素とが反応することによって発電する。実施の形態では、ＦＣユニット１００で発電したＦＣ電力が、上記直流リンクＤＬに出力される。これにより、ＦＣユニット１００からのＦＣ電力が、変換器１０２を介してモータ１１に供給されたり、ＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリシステム４０に供給されたりする。バッテリシステム４０に供給されたＦＣ電力は、バッテリ４１に蓄電される。
ＦＣユニット１００は、燃料電池を含む。燃料電池は、燃料ガスに燃料として含まれる水素と、空気に酸化剤として含まれる酸素とが反応することによって発電する。実施の形態では、ＦＣユニット１００で発電したＦＣ電力が、上記直流リンクＤＬに出力される。これにより、ＦＣユニット１００からのＦＣ電力が、変換器１０２を介してモータ１１に供給されたり、ＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリシステム４０に供給されたりする。バッテリシステム４０に供給されたＦＣ電力は、バッテリ４１に蓄電される。
【0021】
＜外部給電システム＞
外部給電システム６０は、外部負荷ＬＤと燃料電池システム１０とを電気的に接続するための給電口６１を備える。外部給電システム６０には、ＦＣユニット１００からのＦＣ電力とバッテリシステム４０からのバッテリ電力とが入力される。外部給電システム６０は、給電口６１に接続された外部負荷ＬＤにＦＣ電力とバッテリ電力とのうち少なくとも一方を供給する外部給電機能を有する。外部給電システム６０は、給電口６１に外部負荷ＬＤのコネクタ（不図示）が接続されると、制御装置５０（電力制御部５３）に対して後述する外部給電要求信号を出力する。なお、外部給電システム６０は、給電口６１に接続された外部負荷ＬＤとコネクタを介して通信を確立し、その通信を介して外部負荷ＬＤの機器情報（機種情報や定格消費電力（最大消費電力）など）を取得する。外部給電システム６０は、機器情報を制御装置５０の記憶部（不図示）に記憶する。また、外部給電システム６０は、外部電源（不図示）から供給される交流電圧を直流電圧に変換してバッテリシステム４０に供給してバッテリ４１を充電する外部充電機能を備えていてもよい。その場合、給電口６１は外部電源と燃料電池システム１０とを電気的に接続する充電口としも機能する。
外部給電システム６０は、外部負荷ＬＤと燃料電池システム１０とを電気的に接続するための給電口６１を備える。外部給電システム６０には、ＦＣユニット１００からのＦＣ電力とバッテリシステム４０からのバッテリ電力とが入力される。外部給電システム６０は、給電口６１に接続された外部負荷ＬＤにＦＣ電力とバッテリ電力とのうち少なくとも一方を供給する外部給電機能を有する。外部給電システム６０は、給電口６１に外部負荷ＬＤのコネクタ（不図示）が接続されると、制御装置５０（電力制御部５３）に対して後述する外部給電要求信号を出力する。なお、外部給電システム６０は、給電口６１に接続された外部負荷ＬＤとコネクタを介して通信を確立し、その通信を介して外部負荷ＬＤの機器情報（機種情報や定格消費電力（最大消費電力）など）を取得する。外部給電システム６０は、機器情報を制御装置５０の記憶部（不図示）に記憶する。また、外部給電システム６０は、外部電源（不図示）から供給される交流電圧を直流電圧に変換してバッテリシステム４０に供給してバッテリ４１を充電する外部充電機能を備えていてもよい。その場合、給電口６１は外部電源と燃料電池システム１０とを電気的に接続する充電口としも機能する。
【0022】
＜制御装置＞
制御装置５０は、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）とＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部とを含み、必要に応じて、タイマ回路、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、制御装置５０は、１つの制御部のみから構成されるものに限らず、モータ１１、ＦＣユニット１００、バッテリシステム４０、外部給電システム６０およびＢＴＶＣＵ１０３等に含まれる複数の制御部から構成してもよい。
制御装置５０は、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）とＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶部とを含み、必要に応じて、タイマ回路、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、制御装置５０は、１つの制御部のみから構成されるものに限らず、モータ１１、ＦＣユニット１００、バッテリシステム４０、外部給電システム６０およびＢＴＶＣＵ１０３等に含まれる複数の制御部から構成してもよい。
【0023】
制御装置５０は、ＦＣユニット１００の状態、バッテリ４１の状態、外部給電システム６０の状態、およびモータ１１の状態の他、不図示の各種スイッチおよび各種センサ等からの入力（負荷要求）に基づき決定した燃料電池車両全体として車両システムに要求される負荷から、ＦＣユニット１００が負担すべき負荷と、バッテリシステム４０が負担すべき負荷と、回生電源としてモータ１１が負担すべき負荷との配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１１、変換器１０２、ＦＣユニット１００、バッテリシステム４０およびＢＴＶＣＵ１０３に指令を送出する。
【0024】
上記制御装置５０は、一例として、モータ制御部５１と、ブレーキ制御部５２と、電力制御部５３とを備える。上述したように、モータ制御部５１、ブレーキ制御部５２、および電力制御部５３は、それぞれ別体の制御部（例えば、モータＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、バッテリＥＣＵ等）に置き換えてもよい。
【0025】
モータ制御部５１は、一例として、車両センサ２０の出力に基づいてモータ１１に要求される駆動力を算出し、算出した駆動力を出力させるようにモータ１１を制御する。
【0026】
ブレーキ制御部５２は、一例として、車両センサ２０の出力に基づいてブレーキ装置１３に要求される制動力を算出し、算出した制動力を出力させるようにブレーキ装置１３を制御する。
【0027】
電力制御部５３は、一例として、車両センサ２０の出力に基づいてバッテリシステム４０およびＦＣユニット１００に要求される総要求電力を算出する。電力制御部５３は、例えば、アクセル開度と車速とに基づいてモータ１１が出力すべきトルクを算出し、トルクとモータ１１の回転数から求められる駆動軸要求電力と、補機等が要求する電力と、外部給電要求電力とを合計して総要求電力を算出する。補機は、バッテリ電力とＦＣ電力のうちの少なくとも１つの電力を用いて駆動される。補機には、例えば、図２を用いて後述するエアポンプ（Ａ／Ｐ）３０等が含まれる。
【0028】
また、電力制御部５３は、バッテリ４１のＳＯＣに基づいてバッテリ４１の充放電要求電力を算出する。そして、電力制御部５３は、上記総要求電力からバッテリ４１の充放電要求電力を減算（放電側を正とする）し、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力を算出し、算出したＦＣ要求電力に相当する電力をＦＣユニット１００に発電させる。
【0029】
図２は、外部給電システム６０とその周辺装置との接続関係を示す図である。外部給電システム６０は、給電口６１（ＡＣ給電口６１ａおよびＤＣ給電口６１ｄ）と、インバータ６２とを備える。図２のコンタクタ１０４，１０６，１０７は、制御装置５０の制御の下、外部給電システム６０と、ＦＣスタック１１０およびバッテリ４１とを電気的に接続および切断する。ＦＣＶＣＵ（Fuel Cell Voltage Control Unit）１０５は、例えば、昇圧型の直流電圧変換器を有する。ＦＣＶＣＵ１０５は、制御装置５０の制御の下、コンタクタ１０４を介してＦＣスタック１１０から入力される一次側（入力側）の電圧を後述する発電目標値に対応した電圧まで昇圧して二次側（出力側）に印加する。エアポンプ３０は、補機の一つであり、ＦＣユニット１００により駆動制御されるモータ等を備え、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気をＦＣスタック１１０に供給する。
【0030】
ＡＣ給電口６１ａおよびＤＣ給電口６１ｄのいずれかに外部負荷ＬＤのコネクタが挿し込まれると、外部負荷ＬＤと外部給電システム６０とが電気的に接続される。コンタクタ１０７がオン（接続状態）であるとき、ＡＣ給電口６１ａまたはＤＣ給電口６１ｄに接続された外部負荷ＬＤに対してＦＣユニット１００からのＦＣ電力とバッテリシステム４０からのバッテリ電力を給電可能な状態となる。ＡＣ給電口６１ａおよびＤＣ給電口６１ｄは、外部負荷ＬＤのコネクタの接続または切断を検出し、検出信号を制御装置５０に出力する。インバータ６２は、コンタクタ１０７とＡＣ給電口６１ａとの間に設けられ、コンタクタ１０７を介して入力されるＦＣ電力およびバッテリ電力を直流から交流に変換する。
【0031】
ところで、外部給電中においては、給電機に接続された外部負荷ＬＤに極力長い時間給電できるように、効率的な発電制御を行う必要がある。図３は、ＦＣユニット１００（ＦＣスタック１１０）の発電効率と発電電力との対応関係の一例を示す図である。図３に示すように、ＦＣスタックは、発電電力Ｐ１から発電電力Ｐ２までの範囲で最大発電効率（以下、単に最大効率と呼ぶ。）ＥＭに達している。以下、この範囲を最大効率発電範囲と呼ぶ。したがって、外部給電中は、ＦＣスタックの発電電力Ｐが最大効率発電範囲内に収まるように発電を行うことが好ましい。
【0032】
一方、外部給電中にユーザが外部負荷ＬＤの運転を突然停止するなどして、外部給電システム６０と外部負荷ＬＤとの電気的接続が急に遮断される場合がある。以下、このように外部給電システム６０と外部負荷ＬＤとの電気的接続が急に遮断されることを、負荷抜けと称する。負荷抜けが発生した場合、外部負荷ＬＤに本来供給されるはずであった電力が行き場を失い、バッテリシステム４０に流れ込む。このように負荷抜け時に行き場を失った余剰電力（以下、突発的余剰電力と呼ぶ。）は、その大きさによってはバッテリシステム４０のバッテリ４１を劣化や故障させるおそれがある。したがって、外部給電中においては、最大効率発電範囲内に収まるように、かつ、負荷抜け時の突発的余剰電力を燃料電池システム１０が吸収（消費）できる範囲で、ＦＣユニット１００の発電制御を行う必要がある。本実施形態では、この点を考慮して、以下のように電力制御部５３を構成する。なお、外部給電機能は、通常、燃料電池車両が停止しているとき（走行していないとき）に利用される機能であるので、外部給電中は外部給電システム６０に回生電力は入力されないものとする。
【0033】
電力制御部５３は、外部給電中であるとき、所定の発電効率（上述した最大効率発電範囲）で発電するように燃料電池の発電を制御する。また、電力制御部５３は、ＦＣスタック１１０の発電電力のうち燃料電池システム１０において消費されない余剰電力をバッテリ４１に供給してバッテリ４１を充電する。
【0034】
電力制御部５３は、外部給電中において、バッテリ４１のＳＯＣが充電限界値以上になると、ＦＣスタック１１０の発電を停止するための発電停止指令をＦＣユニット１００に出力する。これにより、バッテリ電力による給電が開始される。すなわち、バッテリ４１の放電が開始される。
【0035】
その後、バッテリ４１のＳＯＣが放電限界値（＜充電限界値）以下になると、電力制御部５３は、ＦＣスタック１１０の発電を開始するための発電開始指令をＦＣユニット１００に出力する。これにより、ＦＣスタック１１０の発電が再開される。
【0036】
充電限界値は、バッテリ４１が満充電になったか否かを判定するための閾値である。満充電は、例えばＳＯＣが１００％の状態である。なお、バッテリ４１の劣化防止の観点から、実際には、バッテリ４１を満充電させないように、充電限界値には１００％よりも小さい値（例えば８０％）が設定される。放電限界値は、バッテリ４１のみでの外部給電が不可になったか否かを判定するための閾値である。なお、バッテリ４１の劣化防止の観点から、バッテリ４１を完全放電させないように、放電限界値には０％よりも大きい値が設定される。
【0037】
また、電力制御部５３は、外部給電中において、負荷抜け時に発生する突発的余剰電力を吸収可能なように発電目標値を決定し、その発電目標値に基づきＦＣスタック１１０の発電制御を行う。図４は、発電目標値（以下、目標発電電力とも呼ぶ。）の決定方法を説明するための図である。
【0038】
＜発電上限値＞
まず、電力制御部５３は、バッテリ４１のＳＯＣに基づき、バッテリ４１に充電可能な電力量（以下、ＢＡＴ充電リミットと呼ぶ。）と、バッテリ４１が放電可能な電力量（以下、ＢＡＴ放電リミットと呼ぶ。）とを算出する。電力制御部５３は、ＢＡＴ充電リミットと、補機が消費可能な電力の合計値（以下、補機消費電力と呼ぶ。）とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の上限値（以下、最大発電制限電力または発電上限値と呼ぶ。）を決定する。具体的には、電力制御部５３は、補機消費電力とＢＡＴ充電リミットとを合算して発電上限値を算出する。ＦＣスタック１１０の発電電力をこの発電上限値以下に抑えることで、給電負荷抜け時の突発的余剰電力を補機とバッテリ４１とで吸収（消費）できる。
まず、電力制御部５３は、バッテリ４１のＳＯＣに基づき、バッテリ４１に充電可能な電力量（以下、ＢＡＴ充電リミットと呼ぶ。）と、バッテリ４１が放電可能な電力量（以下、ＢＡＴ放電リミットと呼ぶ。）とを算出する。電力制御部５３は、ＢＡＴ充電リミットと、補機が消費可能な電力の合計値（以下、補機消費電力と呼ぶ。）とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の上限値（以下、最大発電制限電力または発電上限値と呼ぶ。）を決定する。具体的には、電力制御部５３は、補機消費電力とＢＡＴ充電リミットとを合算して発電上限値を算出する。ＦＣスタック１１０の発電電力をこの発電上限値以下に抑えることで、給電負荷抜け時の突発的余剰電力を補機とバッテリ４１とで吸収（消費）できる。
【0039】
＜発電下限値＞
次いで、電力制御部５３は、ＢＡＴ放電リミットと、補機消費電力量と、外部負荷ＬＤの最大消費電力（以下、外部給電最大消費電力と呼ぶ。）とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の下限値（以下、最低必要発電電力または発電下限値と呼ぶ。）を決定する。具体的には、電力制御部５３は、補機消費電力量と外部給電最大消費電力との合算値からＢＡＴ放電リミットを減算して、発電下限値を算出する。ＢＡＴ放電リミット以上の電力量がバッテリ４１から放電されると、バッテリ４１の劣化や故障を招くおそれがある。この発電下限値を下回らないようにＦＣスタック１１０の発電電力を制御することで、上記のような過放電によるバッテリ４１の劣化や故障を防止できる。
次いで、電力制御部５３は、ＢＡＴ放電リミットと、補機消費電力量と、外部負荷ＬＤの最大消費電力（以下、外部給電最大消費電力と呼ぶ。）とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の下限値（以下、最低必要発電電力または発電下限値と呼ぶ。）を決定する。具体的には、電力制御部５３は、補機消費電力量と外部給電最大消費電力との合算値からＢＡＴ放電リミットを減算して、発電下限値を算出する。ＢＡＴ放電リミット以上の電力量がバッテリ４１から放電されると、バッテリ４１の劣化や故障を招くおそれがある。この発電下限値を下回らないようにＦＣスタック１１０の発電電力を制御することで、上記のような過放電によるバッテリ４１の劣化や故障を防止できる。
【0040】
＜発電目標値＞
次いで、電力制御部５３は、発電上限値と発電下限値と最大効率発電範囲とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電目標値を決定する。このとき、発電目標値は、その値が発電上限値と発電下限値とで規定される発電制限範囲と、最大効率発電範囲とのいずれにも含まれるように決定される。例えば、電力制御部５３は、発電制限範囲と最大効率発電範囲とが重複する範囲のうちの最大値を発電目標値に決定する。
次いで、電力制御部５３は、発電上限値と発電下限値と最大効率発電範囲とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電目標値を決定する。このとき、発電目標値は、その値が発電上限値と発電下限値とで規定される発電制限範囲と、最大効率発電範囲とのいずれにも含まれるように決定される。例えば、電力制御部５３は、発電制限範囲と最大効率発電範囲とが重複する範囲のうちの最大値を発電目標値に決定する。
【0041】
発電目標値に決定すると、最後に、電力制御部５３は、発電目標値を示す制御信号をＦＣユニット１００に出力する。ＦＣユニット１００は、電力制御部５３からの制御信号に基づいて、ＦＣスタック１１０の発電電力が発電目標値になるように、ＦＣスタック１１０の発電を制御する。発電目標値に基づき発電されたＦＣスタック１１０の発電電力と、ＢＡＴ放電リミットとを合算した電力から補機消費電力を減算して得られる電力が、燃料電池システム１０が外部負荷に供給可能な電力（以下、給電可能電力と呼ぶ。）となる。
【0042】
図５は、制御装置５０の電力制御部５３で実行される処理の一例を示すフローチャートである。図５の処理は、外部給電システム６０のＡＣ給電口６１ａまたはＤＣ給電口６１ｄにより外部負荷ＬＤが接続されたことが検出されると、所定周期ごとに繰り返し実行される。まず、ステップＳ１１にて、バッテリ４１のＳＯＣを取得する。より詳細には、バッテリシステム４０からＳＯＣ算出部４４により算出されたＳＯＣを取得する。ステップＳ１２にて、バッテリ４１のＳＯＣが充電限界値ＴＨよりも高いか否かを判定する。ステップＳ１２で肯定されると、ステップＳ１３で、ＦＣユニット１００に発電停止指令を出力して、ＦＣスタック１１０の発電を停止する。なお、ＦＣスタック１１０の発電を完全に停止させてしまうと発電の再開に時間を要するため、ＦＣユニット１００に最小限での発電を継続させるように、発電目標値をＦＣスタック１１０の最小発電電力に決定し、その発電目標値を示す信号をＦＣユニット１００に出力してもよい。ステップＳ１２で否定されると、ステップＳ１４で、バッテリ４１のＳＯＣが放電限界値よりも低いか否かを判定する。ステップＳ１４で否定されると、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１４で肯定されると、ステップＳ１５で、ＦＣユニット１００に発電開始指令を送信する。ステップＳ１６で、発電目標値を決定し、ステップＳ１７で、その発電目標値に基づく発電制御を行う。具体的には、その発電目標値を示す信号をＦＣユニット１００に出力する。
【0043】
図６Ａおよび図６Ｂは、電力制御部５３の動作を説明するための図である。図６Ａには、ＡＣ給電中、すなわち、ＡＣ給電口６１ａに接続された外部負荷ＬＤに給電を行うときの電力制御部５３の動作の一例が示されている。燃料電池車両のイグニッションスイッチ（不図示）がオフ状態（ＡＣＣ（アクセサリ）電源はオン状態）であってＡＣ給電口６１ａに外部負荷が接続された状態で、運転者等によってイグニッションスイッチがオンにされると、外部給電システム６０は、制御装置５０（電力制御部５３）に外部給電要求信号を出力する。電力制御部５３は、外部給電要求信号を受信すると、ＦＣユニット１００に発電開始指令を出力する。バッテリ４１のＳＯＣが充電限界値ＴＨ以下であるので、ＦＣユニット１００の発電電力がバッテリ４１に供給され、バッテリ４１が充電される（時点ｔ１１）。
【0044】
ＡＣ給電では外部負荷の定格消費電力が小さく、外部給電最大消費電力と補機消費電力との合算値が最大効率発電範囲の最低電力Ｐ１を下回るため、図６Ａに示すように、ＦＣスタック１１０にて最大効率での発電が行われると、余剰電力が発生する。その余剰電力がＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリ４１に供給され、バッテリ４１が充電される。その後、バッテリ４１のＳＯＣが充電限界値ＴＨに達すると、ＦＣユニット１００に発電停止指令を出力する（時点ｔ１２）。これにより、ＦＣスタック１１０の発電が停止し、バッテリ４１から外部負荷ＬＤおよび補機への電力供給が開始される。したがって、時点ｔ１２以降において、バッテリ４１のＳＯＣが徐々に低下している。なお、図６Ａの例では、時点ｔ１３においてイグニッションスイッチがオフにされているため、バッテリ４１からの出力電力が時点ｔ１３以降において減少している。バッテリ４１のＳＯＣが放電限界値ＴＬに達すると、電力制御部５３は、ＦＣユニット１００に発電開始指令を出力する（時点ｔ１４）。これにより、ＦＣスタック１１０の発電が再開される。以降、電力制御部５３は同様の動作を繰り返す。その後、運転者等により外部給電の停止操作が行われると、例えば、イグニッションスイッチがオフ（ＡＣＣ電源もオフ）にされると、外部給電システム６０は、制御装置５０（電力制御部５３）に外部給電停止信号を出力する。電力制御部５３は、外部給電停止信号を受信すると、ＦＣユニット１００に発電停止指令を出力する（時点ｔ１５）。
【0045】
図６Ｂには、ＤＣ給電中、すなわち、ＤＣ給電口６１ｄに接続された外部負荷ＬＤに給電を行うときの電力制御部５３の動作の一例が示されている。燃料電池車両のイグニッションスイッチがオフ状態（ＡＣＣ電源はオン状態）であってＤＣ給電口６１ｄに外部負荷ＬＤが接続された状態で、運転者等によってイグニッションスイッチがオンにされると、外部給電システム６０は、制御装置５０（電力制御部５３）に外部給電要求信号を出力する。電力制御部５３は、外部給電要求信号を受信すると、ＦＣユニット１００に発電開始指令を出力する（時点ｔ２１）。
【0046】
ＤＣ給電では外部負荷ＬＤの定格消費電力が大きく、外部給電最大消費電力と補機消費電力との合算値が最大効率発電範囲の最大電力Ｐ２を超える。そのため、ＦＣスタック１１０の発電を最大効率発電範囲内に制限してしまうと、ＳＯＣが放電限界値ＴＬに達しているバッテリ４１から電力が引き出されてしまう。このようなバッテリ４１の過放電を抑制するために、図６Ｂに示す例では、時点ｔ２１以降において、ＦＣスタック１１０の発電電力が最大効率発電範囲を超えて出力されている。このとき、ＦＣスタック１１０の発電電力が外部負荷ＬＤおよび補機にてすべて消費されるため、余剰電力は発生しない。その結果、バッテリ４１の充電は行われない。時点ｔ２２でイグニッションスイッチがオフにされると、補機消費電力が小さくなり、外部給電最大消費電力と補機消費電力量との合算値が最大効率発電範囲の最低電力Ｐ１を下回る。したがって、時点ｔ２２以降、ＦＣスタック１１０にて最大効率での発電が行われるとともに、その発電電力の一部（余剰電力）がＢＴＶＣＵ１０３を介してバッテリ４１に供給され、バッテリ４１の充電が開始される。時点ｔ２３にて運転者等により外部給電の停止操作が行われるまでの動作は、図６ＡのＡＣ給電の動作と同様であるため説明を省略する。
【0047】
以上説明した実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏する。
（１） 燃料電池システム１０は、バッテリ４１の電力とＦＣスタック（燃料電池）１１０の電力とを外部負荷ＬＤに供給する外部給電機能を有する。外部負荷ＬＤに電力が供給される外部給電中であるとき、所定の発電効率（より詳細には、最大発電効率）で発電するようにＦＣスタック１１０の発電を制御し、ＦＣスタック１１０の発電電力のうち消費されない余剰電力をバッテリ４１に供給してバッテリを充電する発電制御部としての電力制御部５３を備える。電力制御部５３は、外部給電中において、バッテリ４１の充電率が第１所定値（充電限界値）以上になるとＦＣスタック１１０の発電を停止し、バッテリ４１の電力が外部負荷ＬＤに供給されるようにバッテリ４１の出力を制御し、充電率が第１所定値より小さい第２所定値（放電限界値）以下になったらＦＣスタック１１０の発電を再開する。これにより、燃料電池の効率的な発電制御を良好に実現できる。
（１） 燃料電池システム１０は、バッテリ４１の電力とＦＣスタック（燃料電池）１１０の電力とを外部負荷ＬＤに供給する外部給電機能を有する。外部負荷ＬＤに電力が供給される外部給電中であるとき、所定の発電効率（より詳細には、最大発電効率）で発電するようにＦＣスタック１１０の発電を制御し、ＦＣスタック１１０の発電電力のうち消費されない余剰電力をバッテリ４１に供給してバッテリを充電する発電制御部としての電力制御部５３を備える。電力制御部５３は、外部給電中において、バッテリ４１の充電率が第１所定値（充電限界値）以上になるとＦＣスタック１１０の発電を停止し、バッテリ４１の電力が外部負荷ＬＤに供給されるようにバッテリ４１の出力を制御し、充電率が第１所定値より小さい第２所定値（放電限界値）以下になったらＦＣスタック１１０の発電を再開する。これにより、燃料電池の効率的な発電制御を良好に実現できる。
【0048】
（２）電力制御部５３は、エアポンプ３０等の補機が消費可能な電力とバッテリ４１の充電率（ＳＯＣ）とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の上限値（発電上限値）を決定する。また、電力制御部５３は、補機が消費可能な電力と外部負荷ＬＤの最大消費電力とに基づき、ＦＣスタック１１０の発電電力の下限値（発電下限値）を決定する。さらに、電力制御部５３は、ＦＣスタック１１０の発電目標値を発電上限値と発電上限値との間に設定する。これにより、突発的余剰電力を吸収可能な範囲で効率的な発電制御を行うことができる。
【0049】
上記実施の形態は、種々の形態に変形することができる。以下、変形例について説明する。上記実施形態では、エアポンプ３０を補機の一例として挙げたが、補機には、燃料電池車両に搭載された、不図示の空調装置やＦＣ冷却装置などが含まれてもよい。また、上記実施形態では、外部給電システム６０が通信を介して外部負荷ＬＤの機器情報を取得するようにしたが、機器情報の取得方法はこれに限定されない。
【0050】
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施の形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施の形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【0051】
１０ 燃料電池システム、１１ モータ、１２ 駆動輪、１３ ブレーキ装置、２０ 車両センサ、１０２ 変換器、１０３ ＢＴＶＣＵ、４０ バッテリシステム、５０ 制御装置、５３ 電力制御部、６０ 外部給電システム、１００ ＦＣユニット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】