本發(fā)明涉及一種將從燃料電池輸出的電力通過逆變器供給到馬達的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。

背景技術(shù)：

在JP5062518B中公開了如下一種燃料電池系統(tǒng)：通過DC/DC轉(zhuǎn)換器對燃料電池的電壓進行控制，將從燃料電池輸出的電力供給到逆變器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在如上所述的燃料電池系統(tǒng)中，與加速踏板的操作相應(yīng)地對燃料電池要求的電力越大，則使燃料電池的電壓越低，從而使從燃料電池輸出到馬達的電力增加得越多。

然而，在燃料電池的電解質(zhì)膜干燥的狀態(tài)下，在接收到來自駕駛員的加速要求時，即使使燃料電池的電壓降至逆變器的電壓下限值，也會由于燃料電池的IV特性差而導(dǎo)致從燃料電池供給到馬達的電力不足。

在這種狀態(tài)下，從燃料電池輸出的電流被限制，因此在燃料電池中生成的水蒸氣量也被限制，到變?yōu)殡娊赓|(zhì)膜濕潤的狀態(tài)為止需要時間。因此，即使處于來自馬達的要求電力增加的加速過程中，燃料電池的發(fā)電性能也不恢復(fù)，駕駛性能降低的狀態(tài)會持續(xù)。

本發(fā)明是著眼于這種問題而完成的，其目的在于提供一種在馬達的要求電力增加時使燃料電池的發(fā)電性能迅速改善的燃料電池系統(tǒng)以及燃料電池系統(tǒng)的控制方法。

根據(jù)本發(fā)明的某個方式，燃料電池系統(tǒng)包括：蓄電池；燃料電池，其根據(jù)負載來進行發(fā)電；逆變器，其將從所述燃料電池輸出的電力變換為交流電力后供給到馬達；以及轉(zhuǎn)換器，其使用從所述蓄電池輸出的電力來控制所述逆變器與所述燃料電池之間的電壓。另外，燃料電池系統(tǒng)包括電壓控制部，該電壓控制部以使所述逆變器與所述燃料電池之間的電壓不低于所述逆變器的電壓下限值的方式控制所述轉(zhuǎn)換器。而且，燃料電池系統(tǒng)包括下限電壓控制部，在所述馬達的要求電力增加時，該下限電壓控制部使所述逆變器與所述燃料電池之間的電壓降到低于所述逆變器的電壓下限值。

附圖說明

圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是表示對燃料電池系統(tǒng)進行控制的控制器的功能結(jié)構(gòu)的框圖。

圖3是表示與燃料電池堆的濕潤狀態(tài)相應(yīng)地變化的IV特性的圖。

圖4是表示運算燃料電池堆的下限電壓的結(jié)構(gòu)的框圖。

圖5是表示驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)矩特性的圖。

圖6是表示緩和燃料電池堆的下限電壓的緩和電壓的計算方法的圖。

圖7是表示能夠通過使燃料電池堆的電壓降至緩和電壓來實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩區(qū)域的觀念圖。

圖8是表示本實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的控制方法的流程圖。

圖9是表示運算燃料電池堆的下限電壓的處理的流程圖。

圖10是表示緩和燃料電池堆的下限電壓的處理的流程圖。

圖11是表示判定是否能夠?qū)崿F(xiàn)來自駕駛員的加速要求的處理的流程圖。

圖12是表示設(shè)定低于INV性能保證電壓的緩和電壓的圖表的圖。

圖13是表示從緩和電壓的下限值轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩的電壓的方法的時序圖。

圖14是表示使燃料電池堆的電壓在車輛的加速過程中降至緩和電壓時的燃料電池堆的發(fā)電性能的變化的時序圖。

圖15是表示利用蓄電池輔助燃料電池堆發(fā)電時的能夠供給到驅(qū)動馬達的電力的時序圖。

圖16是表示本發(fā)明的第二實施方式中的使燃料電池堆的下限電壓恢復(fù)的方法的圖。

圖17是表示本發(fā)明的第三實施方式中的堆下限電壓運算處理的流程圖。

圖18是表示燃料電池堆的HFR與下限電壓之間的關(guān)系的圖表。

圖19是表示與HFR相應(yīng)地變化的燃料電池堆的下限電壓的圖。

圖20是表示本發(fā)明的第四實施方式中的堆下限電壓運算處理的流程圖。

具體實施方式

下面，參照附圖等來說明本發(fā)明的實施方式。

(第一實施方式)

圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式中的燃料電池系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的圖。

燃料電池系統(tǒng)100是從外部對燃料電池堆1供給正極氣體和負極氣體并且使燃料電池堆1根據(jù)電負載發(fā)電的電源系統(tǒng)。在本實施方式中，燃料電池系統(tǒng)100搭載于車輛。

燃料電池系統(tǒng)100包括燃料電池堆1、蓄電池2、DC/DC轉(zhuǎn)換器3、逆變器4、驅(qū)動馬達5、內(nèi)部電阻測定裝置6以及控制器7。

燃料電池堆1是層疊數(shù)百塊燃料電池而成的層疊電池。燃料電池堆1接受負極氣體和正極氣體的供給來進行發(fā)電。在燃料電池堆1中，作為用于取出電力的電極端子，在正極電極側(cè)設(shè)置有正極端子1A，在負極電極側(cè)設(shè)置有負極端子1B。

燃料電池由負極電極(燃料極)、正極電極(氧化劑極)以及夾在負極電極與正極電極之間的電解質(zhì)膜構(gòu)成。在燃料電池中，供給到負極電極的含氫的負極氣體(燃料氣體)與供給到正極電極的含氧的正極氣體(氧化劑氣體)在電解質(zhì)膜中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在負極電極和正極電極處，進行以下的電化學(xué)反應(yīng)。

負極電極：2H₂→4H⁺+4e^-…(1)

正極電極：4H⁺+4e^-+O₂→2H₂O…(2)

通過上述(1)和(2)的電化學(xué)反應(yīng)，在產(chǎn)生電動勢的同時生成水。燃料電池堆1中層疊的各燃料電池相互串聯(lián)連接，因此各燃料電池所產(chǎn)生的單元電壓的總和即為燃料電池堆1的輸出電壓(例如數(shù)百伏特)。

通過未圖示的正極氣體供排裝置和負極氣體供排裝置向燃料電池堆1供給正極氣體和負極氣體。

正極氣體供排裝置向燃料電池堆1供給正極氣體，并且將從燃料電池堆1排出的正極排氣排出到外部大氣。正極氣體供排裝置由供給正極氣體的壓縮機、調(diào)整正極氣體的壓力的壓力調(diào)節(jié)閥等構(gòu)成。

負極氣體供排裝置向燃料電池堆1供給負極氣體，并且從燃料電池堆1排出負極排氣。負極氣體供排裝置由從貯存有負極氣體的高壓罐向燃料電池堆1供給負極氣體的壓力調(diào)節(jié)閥、從燃料電池堆排出負極排氣的放氣閥等構(gòu)成。

燃料電池堆1除了與逆變器4連接以外還與DC/DC轉(zhuǎn)換器3連接。燃料電池堆1經(jīng)由逆變器4向驅(qū)動馬達5供給電力，并且例如還向未圖示的輔機供給電力。燃料電池堆1的輔機包括向燃料電池堆1供給正極氣體的壓縮機、使冷卻水循環(huán)到燃料電池堆1的泵等。輔機例如連接于DC/DC轉(zhuǎn)換器3與蓄電池2之間。

燃料電池堆1上連接有堆電流傳感器11和堆電壓傳感器12。

堆電流傳感器11連接于燃料電池堆1的正極端子1A，檢測由驅(qū)動馬達5從燃料電池堆1取出的電流。堆電流傳感器11將表示檢測出的電流的檢測信號輸出到控制器7。下面，將從燃料電池堆1取出的電流稱為“堆電流”。

堆電壓傳感器12連接于燃料電池堆1的正極端子1A與負極端子1B之間，檢測在正極端子1A與負極端子1B之間產(chǎn)生的電壓。堆電壓傳感器12將表示檢測出的電壓的檢測信號輸出到控制器7。下面，將從燃料電池堆1輸出的電壓稱為“堆電壓”。此處所說的堆電壓是指燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓。

蓄電池2是輔助燃料電池堆1發(fā)電的二次電池。例如利用鋰離子電池來實現(xiàn)蓄電池2。蓄電池2在燃料電池堆1的電力不足時從蓄電池2放出電力。

作為燃料電池堆1的發(fā)電電力不足的狀況，設(shè)想到驅(qū)動馬達5的要求電力增加時、特別是使車輛加速的情況，或者燃料電池堆1的發(fā)電特性未改善時、例如燃料電池系統(tǒng)100剛啟動之后等。

蓄電池2上連接有蓄電池電流傳感器21和蓄電池電壓傳感器22。蓄電池電流傳感器21連接于蓄電池2的正極端子，檢測從蓄電池2放出的電流。蓄電池電壓傳感器22檢測在蓄電池2的正極端子與負極端子之間產(chǎn)生的端子間電壓。

DC/DC轉(zhuǎn)換器3連接于燃料電池堆1與蓄電池2之間。DC/DC轉(zhuǎn)換器3是將燃料電池堆1的電壓與蓄電池2的電壓相互變換的雙向性的電壓變換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器3由控制器7來控制。

DC/DC轉(zhuǎn)換器3使用從蓄電池2輸出的電力來使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓上升或下降，使得該燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓不超過預(yù)先決定的電壓范圍。通過使燃料電池堆1的電壓上升或下降，從燃料電池堆1輸出的輸出電流、即發(fā)電電力(輸出電流×輸出電壓)減少或增加。

逆變器4將從燃料電池堆1和蓄電池2中的至少一個電源輸出的電力變換為交流電力，將該交流電力供給到驅(qū)動馬達5。在本實施方式中，從燃料電池堆1向逆變器4供給電力，還根據(jù)需要從蓄電池2通過DC/DC轉(zhuǎn)換器3向逆變器4供給電力。

驅(qū)動馬達5是被從逆變器4輸出的交流電流驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)的電動馬達。在本實施方式中，利用驅(qū)動車輛的三相交流馬達來實現(xiàn)驅(qū)動馬達5。

驅(qū)動馬達5中設(shè)置有檢測構(gòu)成驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的馬達轉(zhuǎn)速傳感器51以及檢測驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩的馬達轉(zhuǎn)矩傳感器52。馬達轉(zhuǎn)速傳感器51和馬達轉(zhuǎn)矩傳感器52分別將檢測信號輸出到控制器7。

內(nèi)部電阻測定裝置6測定燃料電池堆1的內(nèi)部電阻以檢測燃料電池堆1的濕潤狀態(tài)。

具體地說，內(nèi)部電阻測定裝置6向燃料電池堆1提供規(guī)定頻率的交流電流，分別檢測燃料電池堆1的輸出電壓和輸出電流。內(nèi)部電阻測定裝置6運算該燃料電池堆1的輸出電壓和輸出電流的各交流成分的振幅，用輸出電壓的振幅除以輸出電流的振幅，由此計算燃料電池堆1的HFR、即內(nèi)部電阻。

此外，也可以從DC/DC轉(zhuǎn)換器3向燃料電池堆1提供規(guī)定頻率的交流電流，使用堆電流傳感器11和堆電壓傳感器12的檢測信號來測定燃料電池堆1的HFR，以代替內(nèi)部電阻測定裝置6。內(nèi)部電阻測定裝置6將表示測定出的HFR的信號輸出到控制器7。

控制器7由具備中央運算裝置(CPU)、只讀存儲器(ROM)、隨機存儲器(RAM)以及輸入輸出接口(I/O接口)的微型計算機構(gòu)成。

來自上述的內(nèi)部電阻測定裝置6、堆電流傳感器11、堆電壓傳感器12、蓄電池電流傳感器21、蓄電池電壓傳感器22、馬達轉(zhuǎn)速傳感器51以及馬達轉(zhuǎn)矩傳感器52的各檢測信號分別被輸入到控制器7。除了這些傳感器以外，來自控制燃料電池堆1的發(fā)電所需的各種傳感器的檢測信號也被輸入到控制器7。

作為其它傳感器，有測量車速的車速傳感器71、檢測加速踏板的踏下量來計算加速踏板開度的加速踏板開度傳感器72等。另外，雖未進行圖示，還有檢測蓄電池2的充電率(SOC：State of Charge)的SOC傳感器、基于起動鍵的開啟、關(guān)閉來檢測燃料電池系統(tǒng)100的起動要求或停止要求的鍵傳感器等。

控制器7基于來自各種傳感器的檢測信號，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器3來控制從燃料電池堆1向逆變器4供給的發(fā)電電力。

圖2是表示對燃料電池系統(tǒng)100進行控制的控制器7的功能結(jié)構(gòu)的框圖。

控制器7包括馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110、馬達要求電力運算部120、轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130以及堆下限電壓運算部200。

馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110運算對驅(qū)動馬達5要求的轉(zhuǎn)矩。下面，將對驅(qū)動馬達5要求的轉(zhuǎn)矩稱為“馬達要求轉(zhuǎn)矩”或“要求轉(zhuǎn)矩”。

在本實施方式中，馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110基于由車速傳感器71檢測出的車速以及由加速踏板開度傳感器72檢測出的加速踏板開度來計算馬達要求轉(zhuǎn)矩。

馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110中預(yù)先存儲有表示加速踏板開度、車速以及馬達要求轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的轉(zhuǎn)矩圖表。馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110當(dāng)獲取到加速踏板開度和車速時，參照轉(zhuǎn)矩圖表，來計算與根據(jù)獲取到的加速踏板開度和車速確定的運轉(zhuǎn)點相對應(yīng)的馬達要求轉(zhuǎn)矩。

馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110將計算出的馬達要求轉(zhuǎn)矩輸出到堆下限電壓運算部200和馬達要求電力運算部120。

馬達要求電力運算部120基于馬達要求轉(zhuǎn)矩來計算從驅(qū)動馬達5對燃料電池堆1要求的發(fā)電電力。下面，將對燃料電池堆1要求的發(fā)電電力稱為“馬達要求電力”。

在本實施方式中，馬達要求電力運算部120中預(yù)先存儲有表示馬達要求轉(zhuǎn)矩與馬達要求電力之間的關(guān)系的要求電力圖表。馬達要求電力運算部120當(dāng)獲取到馬達要求轉(zhuǎn)矩時，參照要求電力圖表，來計算與獲取到的馬達要求轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)的馬達要求電力。

然后，馬達要求電力運算部120根據(jù)蓄電池2的SOC求出可放電電力，將馬達要求電力減去該可放電電力而得到的值作為馬達要求電力輸出到轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130。另外，在從燃料電池堆1向輔機供給發(fā)電電力的情況下，馬達要求電力運算部120將馬達要求電力與輔機的消耗電力相加而得到的值作為馬達要求電力來輸出。

堆下限電壓運算部200基于堆要求轉(zhuǎn)矩、堆發(fā)電特性信息以及馬達轉(zhuǎn)速，來運算燃料電池堆1的下限電壓。

堆發(fā)電特性信息是用于判定燃料電池堆1的電流電壓特性是否為能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動馬達5的驅(qū)動所需的額定電力的特性的參數(shù)。額定電力是指在預(yù)先決定的使用范圍內(nèi)對驅(qū)動馬達5進行驅(qū)動所需的電力的上限值。

作為堆發(fā)電特性信息，例如能夠列舉出燃料電池堆1內(nèi)的電解質(zhì)膜的濕潤狀態(tài)、燃料電池堆1的溫度、燃料電池堆1的輸出電力等。下面，將燃料電池堆1的電流電壓特性僅稱為“IV特性”。

在燃料電池堆1的IV特性良好時，堆下限電壓運算部200將保證驅(qū)動馬達5在使用范圍內(nèi)驅(qū)動的逆變器4的電壓下限值輸出到轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130。下面，將保證驅(qū)動馬達5在使用范圍內(nèi)驅(qū)動的逆變器4的電壓下限值稱為“INV性能保證電壓”。

轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130以使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓不低于INV性能保證電壓的方式運算DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓。

另外，轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130以使燃料電池堆1的發(fā)電電力為馬達要求電力的方式計算DC/DC轉(zhuǎn)換器3的電壓。作為燃料電池堆1的發(fā)電電力，例如使用堆電流傳感器11的檢測值與堆電壓傳感器12的檢測值相乘而得到的值。

這樣，轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130構(gòu)成以使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓不低于INV性能保證電壓的方式控制DC/DC轉(zhuǎn)換器3的電壓控制部。

轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130將DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓作為堆控制電壓輸出到DC/DC轉(zhuǎn)換器3。由此，以使燃料電池堆1的發(fā)電電力與馬達要求電力的偏差變小的方式調(diào)整燃料電池堆1的電壓。

這樣，控制器7根據(jù)馬達要求轉(zhuǎn)矩求出馬達要求電力，根據(jù)該馬達要求電力來使DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓降低。由此，從燃料電池堆1經(jīng)由逆變器4向驅(qū)動馬達5供給與駕駛員的要求相應(yīng)的電力。

然而，在燃料電池堆1的IV特性不好時，有時即使使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓降至INV性能保證電壓，也無法確保驅(qū)動馬達5的驅(qū)動所需的要求電力。

例如，在燃料電池堆1內(nèi)的電解質(zhì)膜干燥的狀態(tài)或燃料電池堆1的溫度低于冰點溫度的狀態(tài)下，燃料電池堆1的IV特性降低。

在如上所述的燃料電池系統(tǒng)100中，為了防止在燃料電池堆1停止后附著于電解質(zhì)膜的生成水凍結(jié)而燃料電池劣化，在燃料電池堆1的停止處理中執(zhí)行使電解質(zhì)膜干燥的干燥運轉(zhuǎn)。因此，在重啟燃料電池系統(tǒng)的時間點電解質(zhì)膜為干燥的狀態(tài)。

圖3是表示燃料電池堆1的濕潤狀態(tài)和干燥狀態(tài)時的IV特性的圖。在圖3中，橫軸表示燃料電池堆1的輸出電流，縱軸表示燃料電池堆1的輸出電流。

在圖3中，通過實線示出了燃料電池堆1的電解質(zhì)膜濕潤的濕潤狀態(tài)時的IV特性，通過點劃線示出了燃料電池堆1的電解質(zhì)膜干燥的干燥狀態(tài)時的IV特性。在此，將電解質(zhì)膜為濕潤狀態(tài)時的燃料電池堆1的HFR表示為“Rd”，將電解質(zhì)膜為干燥狀態(tài)時的燃料電池堆1的HFR表示為“Rw”。

如圖3所示，在燃料電池堆1為濕潤狀態(tài)時，在堆電壓達到INV性能保證電壓Vt的時間點，從燃料電池堆1向驅(qū)動馬達5供給額定電力Vt。

另一方面，與燃料電池堆1為濕潤狀態(tài)時相比，在燃料電池堆1為干燥狀態(tài)時IV特性降低，因此即使堆電壓降低至INV性能保證電壓Vt，堆電流也小，不會從燃料電池堆1向驅(qū)動馬達5供給額定電力Vt。

因此，在根據(jù)駕駛員的加速要求而加速踏板的踏下量增加、馬達要求轉(zhuǎn)矩上升時，在燃料電池堆1的發(fā)電電力達到馬達要求電力之前堆電壓就達到IV性能保證電壓Vt。

在這種狀態(tài)下，若只是IV性能保證電壓Vt下的發(fā)電電力Ps，則向驅(qū)動馬達5供給的電力不足，成為相對于駕駛員的加速要求而言車輛未被充分加速的狀態(tài)，駕駛性能降低。

另外，如圖3所示，在利用DC/DC轉(zhuǎn)換器3升高堆電壓以使得堆電壓不低于INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下，堆電流會被限制。一般來說，堆電流越小，則如上述的電極反應(yīng)(1)和(2)所示那樣在燃料電池堆1中生成的水的產(chǎn)生量越少，因此在堆電壓被維持為INV性能保證電壓Vt而堆電流被限制的狀態(tài)下，電解質(zhì)膜從干燥狀態(tài)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)需要時間。

因此，即使從駕駛員處接收到加速要求，盡管處于車輛的加速過程中但是燃料電池堆1的IV特性不立即恢復(fù)，因此駕駛性能不會得到改善。

因此，在本實施方式中，在燃料電池堆1的發(fā)電特性差時，在驅(qū)動馬達5的要求電力增加時、例如車輛加速時，使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓低于INV性能保證電壓Vt以使得堆電流變大。

圖4是表示本實施方式中的堆下限電壓運算部200的詳細結(jié)構(gòu)的框圖。

堆下限電壓運算部200構(gòu)成以下的下限電壓控制部：在驅(qū)動馬達5的要求電力增加時，控制DC/DC轉(zhuǎn)換器3來使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓低于作為逆變器4的電壓下限值的INV性能保證電壓Vt。

堆下限電壓運算部200包括INV電壓下限值保持部210、緩和電壓運算部220以及堆下限電壓設(shè)定部230。

INV電壓下限值保持部210保持上述的INV性能保證電壓Vt。INV性能保證電壓Vt是基于驅(qū)動馬達5的額定電力Pt而決定的，根據(jù)驅(qū)動馬達5的使用條件、燃料電池堆1的發(fā)電性能等來預(yù)先設(shè)定該INV性能保證電壓Vt。

例如，如圖3所示，INV性能保證電壓Vt被設(shè)定為能夠在燃料電池堆1為濕潤狀態(tài)時從燃料電池堆1向逆變器4供給驅(qū)動馬達5的加速所需的額定電力Pt的堆電壓。

緩和電壓運算部220運算用于緩和基于INV性能保證電壓Vt的電壓限制的緩和電壓Vs。在本實施方式中，緩和電壓運算部220基于馬達要求轉(zhuǎn)矩和馬達轉(zhuǎn)速來計算比INV性能保證電壓Vt低的緩和電壓Vs。

堆下限電壓設(shè)定部230設(shè)定由DC/DC轉(zhuǎn)換器3控制的堆電壓的下限值。下面，將由堆下限電壓設(shè)定部230設(shè)定的電壓下限值稱為“堆下限電壓”。

在本實施方式中，堆下限電壓設(shè)定部230基于由內(nèi)部電阻測定裝置6測定出的HFR來判定燃料電池堆1是否為干燥狀態(tài)。

然后，在判定為燃料電池堆1為濕潤狀態(tài)的情況下，堆下限電壓設(shè)定部230將INV性能保證電壓Vt設(shè)定為堆下限電壓。另一方面，在判定為燃料電池堆1為干燥狀態(tài)的情況下，堆下限電壓設(shè)定部230將低于INV性能保證電壓Vt的緩和電壓設(shè)定為堆下限電壓。

圖5是表示與隨著堆電壓的降低而變化的驅(qū)動馬達5的馬達轉(zhuǎn)速相對的轉(zhuǎn)矩特性的圖。在此，橫軸表示馬達轉(zhuǎn)速，縱軸表示馬達轉(zhuǎn)矩。

在圖5中，通過實線示出了在堆電壓被設(shè)定為INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下向驅(qū)動馬達5供給額定電力Pt時的轉(zhuǎn)矩特性501。

關(guān)于驅(qū)動馬達5，一般來說，如點劃線所示，向驅(qū)動馬達5供給的電力越低，則轉(zhuǎn)矩特性越低。另外，即使向驅(qū)動馬達5供給的電力固定，但堆電壓比INV性能保證電壓Vt低越多，則轉(zhuǎn)矩特性降低得越多。

因而，當(dāng)緩和電壓Vs比INV性能保證電壓Vt低過多時，轉(zhuǎn)矩特性會過低，即使馬達要求轉(zhuǎn)矩因駕駛員的加速要求而上升，也無法實現(xiàn)該馬達要求轉(zhuǎn)矩，駕駛性能會大幅降低。

參照圖6來說明設(shè)定緩和電壓Vs的下限值來作為其對策的方法。

圖6是表示在緩和電壓運算部220中運算緩和電壓下限值Vsmin的方法的圖。

圖6的(a)是表示燃料電池堆1的干燥狀態(tài)和濕潤狀態(tài)時的IV特性的圖。圖6的(b)是表示燃料電池堆1的干燥狀態(tài)和濕潤狀態(tài)時的與堆電流相對的發(fā)電電力特性的圖。另外，在圖6的(a)和圖6的(c)中，通過實線示出了濕潤狀態(tài)時的特性，通過虛線示出了干燥狀態(tài)時的特性。

圖6的(c)是表示與驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)速相對的轉(zhuǎn)矩特性和輸出特性的圖。在圖6的(c)中，通過實線示出了轉(zhuǎn)矩特性，通過點劃線示出了輸出特性。圖6的(d)是表示驅(qū)動馬達5的電壓與驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系的圖。

當(dāng)如圖6的(a)的虛線所示那樣在燃料電池堆1為干燥狀態(tài)的情況下通過DC/DC轉(zhuǎn)換器3將堆電壓維持為INV性能保證電壓Vt時，如圖6的(b)的虛線所示，堆發(fā)電電力被限制為電力Ps。

如圖6的(c)所示，根據(jù)驅(qū)動馬達5的輸出特性來確定向驅(qū)動馬達5供給燃料電池堆1的限制電力Ps時的驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)速，根據(jù)該驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)速來如圖6的(d)所示那樣求出驅(qū)動馬達5的電壓。根據(jù)該驅(qū)動馬達5的電壓來如圖6的(a)所示那樣確定緩和電壓的下限值Vsmin。

這樣，基于堆電壓被限制為INV性能保證電壓Vt時的限制電力Ps，以使驅(qū)動馬達5的軸輸出不低于限制電力Ps下的馬達輸出的方式設(shè)定緩和電壓的下限值Vsmin。

由此，在對驅(qū)動馬達5進行加速時，不使驅(qū)動馬達5的輸出低于堆電壓被限制為INV性能保證電壓Vt時的馬達輸出，就能夠使在燃料電池堆1中生成的水的量大幅增加。

因而，與將INV性能保證電壓Vt設(shè)定為堆下限電壓時相比，能夠在加速時不使驅(qū)動馬達5的輸出降低地促進燃料電池堆1的加濕。

圖7是表示通過緩和堆下限電壓而放大的馬達轉(zhuǎn)矩的可實現(xiàn)區(qū)域的觀念圖。

圖7中示出了圖5所示的轉(zhuǎn)矩特性501、在堆電壓為緩和電壓Vs時向驅(qū)動馬達5供給限制電力Ps時的轉(zhuǎn)矩特性502、緩和了堆下限電壓時的上限轉(zhuǎn)矩510以及不緩和堆下限電壓時的上限轉(zhuǎn)矩520。

轉(zhuǎn)矩特性502是燃料電池堆1與逆變器4之間被設(shè)定緩和電壓Vs的狀態(tài)下從燃料電池堆1向驅(qū)動馬達5供給限制電力Ps時的與馬達轉(zhuǎn)速相對的轉(zhuǎn)矩特性。

上限轉(zhuǎn)矩510表示在使從燃料電池堆1向逆變器4供給的堆電壓降至緩和電壓Vs時能夠?qū)崿F(xiàn)的馬達轉(zhuǎn)矩的上限值。上限轉(zhuǎn)矩520是在堆電壓被限制為INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)的馬達轉(zhuǎn)矩的上限。

如圖7所示，馬達要求轉(zhuǎn)矩根據(jù)駕駛員的加速要求而從運轉(zhuǎn)點OPm上升至上限轉(zhuǎn)矩520。

此時，在將堆電壓限制為INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下，如圖3所示那樣堆電流被限制，因此燃料電池堆1內(nèi)的生成水變少，因此從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)為濕潤狀態(tài)需要時間。因此，上限轉(zhuǎn)矩520在馬達轉(zhuǎn)速變得比運轉(zhuǎn)點Opm大相當(dāng)多時才從轉(zhuǎn)矩特性501轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩特性501。

與此相對，在本實施方式中，堆電壓被降至緩和電壓Vs，因此堆電流增加而燃料電池堆1內(nèi)的生成水量增加。因此，燃料電池堆1在短時間內(nèi)從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)為濕潤狀態(tài)，因此上限轉(zhuǎn)矩510從運轉(zhuǎn)點OPm達到轉(zhuǎn)矩特性502后立即大致平行地轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)矩特性501。

這樣，通過將堆下限電壓設(shè)定為緩和電壓Vs，在加速時燃料電池堆1在短時間內(nèi)從干燥狀態(tài)轉(zhuǎn)為濕潤狀態(tài)，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩區(qū)域從上限轉(zhuǎn)矩520內(nèi)的區(qū)域盡快擴大至上限轉(zhuǎn)矩510內(nèi)的區(qū)域。

因而，在車輛的加速過程中燃料電池堆1的發(fā)電性能在短時間內(nèi)提高，因此能夠盡快改善加速過程中的駕駛性能的降低。

接著，參照附圖來說明本實施方式中的控制器7的動作。

圖8是表示本實施方式中的燃料電池系統(tǒng)100的控制方法的流程圖。

在步驟S901中，控制器7的馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110分別讀入由加速踏板開度傳感器72檢測出的加速踏板開度以及由車速傳感器71檢測出的車速。

在步驟S902中，馬達要求轉(zhuǎn)矩運算部110當(dāng)讀入了加速踏板開度和車速時，參照預(yù)先存儲的轉(zhuǎn)矩圖表，來計算與根據(jù)該加速踏板開度和車速確定的運轉(zhuǎn)點相對應(yīng)的馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq。

在步驟S903中，控制器7的馬達要求電力運算部120當(dāng)獲取到馬達要求轉(zhuǎn)矩時，參照預(yù)先存儲的要求電力圖表，計算與該馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq相對應(yīng)的馬達要求電力。

在步驟S910中，控制器7的堆下限電壓運算部200執(zhí)行用于設(shè)定堆下限電壓的堆下限電壓處理。關(guān)于堆下限電壓處理，參照圖9在后面敘述。

在步驟S904中，控制器7的轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130基于馬達要求電力，來以使DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓不低于堆下限電壓的方式運算DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓。

在本實施方式中，轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130以使從燃料電池堆1輸出的電力為馬達要求電力的方式使DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓下降。然后，在DC/DC轉(zhuǎn)換器3的燃料電池堆1側(cè)的電壓達到堆下限電壓的情況下，轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130將燃料電池堆1的電壓限制為堆下限電壓。

圖9是表示在步驟S910中執(zhí)行的堆下限電壓處理的一例的流程圖。

在步驟S911中，堆下限電壓運算部200的堆下限電壓設(shè)定部230從內(nèi)部電阻測定裝置6讀入與燃料電池堆1的電解質(zhì)膜的濕潤度有相關(guān)性的HFR。燃料電池堆1的HFR越大，則電解質(zhì)膜處于越干的狀態(tài)，HFR越小，則電解質(zhì)膜處于越濕的狀態(tài)。此外，作為與電解質(zhì)膜的濕潤度有相關(guān)性的參數(shù)，例如也可以使用燃料電池堆1的溫度來代替HFR。

在步驟S912中，堆下限電壓設(shè)定部230判斷HFR是否為干燥判定閾值Rw以上。干燥判定閾值Rw被設(shè)定為如圖3的實線所示那樣在將燃料電池堆1的電壓設(shè)定為INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下能夠從燃料電池堆1供給驅(qū)動馬達5的額定電力的濕潤狀態(tài)下的HFR的上限值。

在步驟S920中，控制器7的堆下限電壓設(shè)定部230在HFR為干燥判定閾值Rw以上的情況下，判斷為在加速時堆電壓被INV性能保證電壓Vt所限制，執(zhí)行堆下限電壓緩和處理。關(guān)于堆下限電壓處理的詳情，參照圖10在后面敘述。

在步驟S913中，堆下限電壓設(shè)定部230在HFR小于干燥判定閾值Rw的情況下，判斷為處于燃料電池堆1能夠向驅(qū)動馬達5供給額定電力Pt的狀態(tài)，將堆下限電壓設(shè)定為INV性能保證電壓Vt。之后，返回到圖8所示的燃料電池系統(tǒng)100的控制方法的處理過程。

圖10是表示在步驟S920中執(zhí)行的堆下限電壓緩和處理的一例的流程圖。

在步驟S921中，堆下限電壓運算部200的緩和電壓運算部220基于INV性能保證電壓Vt下的限制電力Ps，來運算緩和電壓下限值Vsmin。

在本實施方式中，在緩和電壓運算部220中，如圖6的(a)和圖6的(b)所示那樣按燃料電池堆1的HFR而預(yù)先存儲有IV特性。而且，緩和電壓運算部220參照根據(jù)HFR確定的IV特性，求出INV性能保證電壓Vt下的堆電流，將該堆電流與INV性能保證電壓Vt相乘來計算限制電力Ps。

此外，緩和電壓運算部220也可以使用堆電流傳感器11和堆電壓傳感器12來估計IV特性，基于該IV特性來求出INV性能保證電壓Vt下的堆電流，由此計算限制電壓Ps。

另外，在緩和電壓運算部220中，預(yù)先存儲有如圖6的(c)和圖6的(d)所示那樣與驅(qū)動馬達5的馬達轉(zhuǎn)速相對的輸出特性和電壓特性。緩和電壓運算部220參照該驅(qū)動馬達的輸出特性，求出限制電力Ps下的馬達轉(zhuǎn)速，根據(jù)該轉(zhuǎn)速，參照驅(qū)動馬達5的電壓特性來確定馬達電壓。

緩和電壓運算部220將該馬達電壓變換為逆變器4的電壓，計算該逆變器4的電壓來作為燃料電池堆1的緩和電壓下限值Vsmin。

通過像這樣決定緩和電壓的下限值Vsmin，能夠不使發(fā)電電力低于堆電壓被限制為INV性能保證電壓Vt時的限制電力Ps地增加堆電流從而促進燃料電池堆1的加濕。

在步驟S922中，緩和電壓運算部220基于緩和電壓下限值Vsmin，使用預(yù)先決定的圖表等來運算馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmax。由此，能夠求出圖7的點劃線所示的上限轉(zhuǎn)矩520。

在步驟S930中，緩和電壓運算部220執(zhí)行以下處理：判定在堆電壓被設(shè)定為緩和電壓下限值Vsim的狀態(tài)下是否能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq。關(guān)于該處理的詳情，參照圖11在后面敘述。

緩和電壓運算部220在步驟S923中判定為若將堆電壓設(shè)定為緩和電壓下限值Vsmin則無法實現(xiàn)加速要求的情況下，進入步驟S924，在判定為能夠?qū)崿F(xiàn)加速要求的情況下進入步驟S926。

在步驟S924中，緩和電壓運算部220在判斷為若是緩和電壓下限值Vsmin則無法實現(xiàn)加速要求的情況下，運算能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq的緩和電壓Vs。

在本實施方式中，緩和電壓運算部220參照預(yù)先決定的緩和電壓圖表，基于馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq以及由馬達轉(zhuǎn)速傳感器51檢測出的當(dāng)前的馬達轉(zhuǎn)速來運算緩和電壓Vs。此外，關(guān)于緩和電壓圖表的詳情，參照圖12在后面敘述。

在步驟S925中，堆下限電壓設(shè)定部230將能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩的緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。

在步驟S926中，堆下限電壓設(shè)定部230在能夠以與限制電力Ps下的馬達輸出同等的輸出來實現(xiàn)加速要求的情況下，將緩和電壓下限值Vsmin設(shè)定為堆下限電壓。然后，當(dāng)步驟S925或S926的處理完成時，結(jié)束堆下限電壓緩和處理，返回到圖9的處理。

圖11是表示在步驟S930中執(zhí)行的針對加速要求的實現(xiàn)可否判定處理的一例的圖。

在步驟S931中，緩和電壓運算部220判斷馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq是否大于基于緩和電壓下限值Vsmin而設(shè)定的馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmax。

在步驟S932中，緩和電壓運算部220在馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq大于馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmax的情況下，判定為若是限制電力Ps下的馬達輸出則無法實現(xiàn)加速要求。

在步驟S933中，緩和電壓運算部220在馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq為馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmax以下的情況下，判定為能夠通過限制電力Ps下的馬達輸出來實現(xiàn)加速要求。然后，當(dāng)步驟S932和S933的處理完成時，結(jié)束針對加速要求的實現(xiàn)可否判定處理，返回到圖10的處理。

圖12是表示緩和電壓運算部220中存儲的緩和電壓圖表的一例的觀念圖。在圖12中，橫軸表示馬達轉(zhuǎn)速，縱軸表示馬達要求轉(zhuǎn)矩。

如圖12所示，在比基于緩和電壓下限值Vsmin的上限轉(zhuǎn)矩221靠內(nèi)側(cè)的運轉(zhuǎn)區(qū)域，將緩和電壓下限值Vsmin設(shè)定為堆下限電壓。另外，馬達要求轉(zhuǎn)矩比上限轉(zhuǎn)矩221大越多，則將堆下限電壓設(shè)定為比緩和電壓下限值Vsim大越多的值Vs。

這樣，在燃料電池堆1為干燥狀態(tài)時，堆下限電壓運算部200將低于INV性能保證電壓Vt的緩和電壓Vs作為堆下限電壓輸出到轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130。

具體地說，緩和電壓運算部220基于INV性能保證電壓Vt下的馬達輸出來求出緩和電壓下限值Vsmin，只在通過該緩和電壓下限值Vsmin無法實現(xiàn)駕駛員的加速要求的情況下使緩和電壓Vs上升。

由此，與將堆電壓限制為INV性能保證電壓Vt時相比，能夠抑制驅(qū)動馬達5的輸出降低并使堆電流增加。因而，能夠抑制加速過程中駕駛性能的降低并使燃料電池堆1盡快轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)。

接著，參照附圖來說明在接收到來自駕駛員的加速要求的情況下若是緩和電壓下限值Vsmin則無法實現(xiàn)加速要求時的緩和電壓Vs的設(shè)定方法。

圖13是表示從緩和電壓下限值Vsmin轉(zhuǎn)變?yōu)榫徍碗妷篤s的方法的一例的時序圖。

在時刻t1之前的時間點，馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq小于馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmin，緩和電壓下限值Vsmin被設(shè)定為堆下限電壓。

在時刻t1，作為駕駛員的加速要求，加速踏板的踏下量變大，馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq超過馬達上限轉(zhuǎn)矩Tmax。因此，緩和電壓運算部220判定為無法實現(xiàn)駕駛員的加速要求，參照圖12所示的緩和電壓圖表，計算與根據(jù)馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq和馬達轉(zhuǎn)速而確定的運轉(zhuǎn)點相對應(yīng)的緩和電壓Vs。

然后，緩和電壓運算部220在整個預(yù)先決定的轉(zhuǎn)變時間t_sw內(nèi)使堆下限電壓從緩和電壓下限值Vsmin單調(diào)遞增，以切換為緩和電壓Vs。通過像這樣使緩和電壓逐漸上升，能夠一邊促進燃料電池堆1的加濕，一邊提高驅(qū)動馬達5的可輸出轉(zhuǎn)矩的上限。

在從時刻t1經(jīng)過了轉(zhuǎn)變時間t_sw的時刻t2，堆下限電壓上升至緩和電壓Vs。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩Treq，因此能夠確保燃料電池堆1中生成的水的產(chǎn)生量并抑制駕駛性能的降低。

通過像這樣設(shè)置轉(zhuǎn)變時間t_sw，能夠抑制與加速要求相伴的驅(qū)動馬達5的急劇的輸出變動并實現(xiàn)加速要求，因此駕駛性能提高。

接著，說明執(zhí)行本實施方式中的堆下限電壓緩和處理時的燃料電池系統(tǒng)100的動作。

圖14是表示將堆下限電壓設(shè)定為緩和電壓Vs時的燃料電池堆1的狀態(tài)變化的時序圖。

圖14的(a)是表示由堆電壓傳感器12檢測的堆電壓的變化的圖。圖14的(b)是表示由堆電流傳感器11檢測的堆電流的變化的圖。圖14的(c)是表示基于堆電壓和堆電流的燃料電池堆1的輸出電力的變化的圖。

圖14的(a)至圖14的(c)的各附圖的橫軸為相互共同的時間軸。另外，在各附圖中，通過實線來表示將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓時的狀態(tài)，通過點劃線來表示不設(shè)定緩和電壓Vs而將INV性能保證電壓Vt設(shè)定為堆下限電壓時的狀態(tài)。

在時刻t10，燃料電池系統(tǒng)100被啟動。此時，燃料電池堆1處于干燥的狀態(tài)，基于駕駛員的加速要求，能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩的緩和電壓Vt被設(shè)定為堆下限電壓。

根據(jù)駕駛員的加速要求，如圖14的(a)所示，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器3使堆電壓下降，隨之如圖14的(b)所示那樣堆電流上升。由此，如圖14的(c)所示，堆輸出電力上升。

在時刻t11，如圖14的(a)所示，堆電壓被降至INV性能保證電壓Vt。此時，如圖14的(b)所示，堆電流因IV特性差而被限制為比額定電流It小的值Is。

因此，當(dāng)堆電壓被INV性能保證電壓Vt所限制時，如圖14的(b)的點劃線所示那樣維持為堆電流少的狀態(tài)，因此到通過生成水使燃料電池堆1變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)為止需要時間。其結(jié)果，IV特性的恢復(fù)也變慢，如圖14的(c)的點劃線所示那樣堆輸出電力逐漸增加。

另一方面，通過利用緩和電壓Vs來緩和堆下限電壓，如圖14的(a)所示，堆電壓降到低于INV性能保證電壓Vt。

當(dāng)在時刻t12堆電壓被降至緩和電壓Vs時，如圖14的(b)所示，堆電流從限制電流Is大幅上升而超過額定電流Is。由此，在燃料電池堆1中大量產(chǎn)生生成水，因此IV特性盡快恢復(fù)，如圖14的(c)所示，與堆電壓被維持為INV性能保證電壓Vt時相比，堆輸出電力迅速地上升。此外，時刻t1至?xí)r刻t2的期間為1秒左右。

在時刻t13，如圖14的(c)所示，堆輸出電力達到驅(qū)動馬達5的額定電力Pt。之后，如圖14的(b)所示，堆電流維持為較高，因此燃料電池堆1的電解質(zhì)膜由于大量的生成水而變?yōu)楦鼭駶櫟臓顟B(tài)，IV特性進一步改善。因此，如圖14的(c)所示，堆輸出電力逐漸上升。

在時刻t14，燃料電池堆1的HFR變得小于圖3所示的濕潤狀態(tài)Rw，通過緩和電壓運算部220執(zhí)行使堆下限電壓從緩和電壓Vs恢復(fù)為INV性能保證電壓Vt的處理。在此，與圖13所示的轉(zhuǎn)變方法同樣地，設(shè)置規(guī)定的轉(zhuǎn)變時間，使堆下限電壓逐漸升高。

在時刻t15，如圖14的(a)所示，堆下限電壓恢復(fù)為INV性能保證電壓Vt，堆下限電壓的恢復(fù)處理結(jié)束。

通過像這樣將低于INV性能保證電壓Vt的緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓，堆電流大幅上升而大量產(chǎn)生生成水，因此能夠以極短的時間就從燃料電池堆1供給額定電力Pt。

此外，在本實施方式中，說明了從燃料電池堆1向驅(qū)動馬達5供給電力的例子，但是如下圖所示，在驅(qū)動馬達5起動時也從蓄電池2向驅(qū)動馬達5供給電力以確保驅(qū)動馬達5的響應(yīng)性。

圖15是表示在使用蓄電池2來輔助燃料電池堆1的情況下緩和了堆下限電壓時的燃料電池系統(tǒng)100的可供給電力的圖。

在圖15中，橫軸表示時間，縱軸表示能夠從燃料電池系統(tǒng)100向驅(qū)動馬達5供給的電力。另外，通過實線來表示將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓時的電力，通過點劃線來表示將INV性能保證電壓Vt設(shè)定為堆下限電壓時的電力。

在時刻t20，驅(qū)動馬達5起動，通過DC/DC轉(zhuǎn)換器3從蓄電池2向驅(qū)動馬達5放出輔助電力，并且堆電壓下降而從燃料電池堆1向驅(qū)動馬達5逐漸輸出發(fā)電電力。通過像這樣利用蓄電池2來輔助燃料電池堆1的發(fā)電，能夠確保驅(qū)動馬達5的響應(yīng)性。

在時刻t21，堆電壓達到INV性能保證電壓Vt，從燃料電池堆1輸出限制電力Ps。在此，燃料電池堆1為干燥狀態(tài)，因此堆電壓被降至緩和電壓Vs，堆電流增加而在燃料電池堆1內(nèi)大量地產(chǎn)生生成水。

由此，燃料電池堆1的電解質(zhì)膜迅速被加濕，因此IV特性恢復(fù)而燃料電池堆1的發(fā)電電力迅速上升。然后，在時刻t22，能夠向驅(qū)動馬達5供給額定電力Pt。

并且，到IV特性恢復(fù)為止的時間縮短，因此能夠抑制與燃料電池堆1的發(fā)電不足相伴的蓄電池2的放電量的增加，因此能夠防止蓄電池2變得過放電。

根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，燃料電池系統(tǒng)100具備：燃料電池堆1；蓄電池2；以及逆變器4，其將從燃料電池堆1輸出的電力變換為交流電力后供給到驅(qū)動馬達5。并且，燃料電池系統(tǒng)100具備轉(zhuǎn)換器3，該轉(zhuǎn)換器3使用從蓄電池2輸出的電力來控制燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓。

而且，燃料電池系統(tǒng)100具備轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130和堆下限電壓運算部200。

轉(zhuǎn)換器控制電壓運算部130以使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓不低于作為逆變器4的電壓下限值的INV性能保證電壓Vt的方式控制轉(zhuǎn)換器3。

而且，堆下限電壓運算部200在驅(qū)動馬達5的要求電力增加時、例如駕駛員踏下加速踏板時，使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓降到低于INV性能保證電壓Vt。

由此，在加速要求等驅(qū)動馬達5的要求電力增加的情況下，從燃料電池堆1取出的電流變大，在燃料電池堆1內(nèi)大量地產(chǎn)生生成水，因此能夠使燃料電池堆1的電解質(zhì)膜盡快轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)。因此，燃料電池堆1的發(fā)電性能提高，并且能夠在加速運轉(zhuǎn)中改善與IV特性的降低相伴的車輛的運轉(zhuǎn)性(駕駛性能)的降低。

并且，能夠避免與燃料電池堆1的發(fā)電電力的降低相伴地經(jīng)由DC/DC轉(zhuǎn)換器3從蓄電池2向逆變器4取出過大的放電電力。

另外，在本實施方式中，在燃料電池堆1的電解質(zhì)膜已濕潤時，堆下限電壓運算部200限制使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓降到低于INV性能保證電壓Vt的情況。在此，將燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓僅稱為“堆電壓”。

具體地說，在如圖3所示那樣在堆電壓降低至INV性能保證電壓Vt時能夠向驅(qū)動馬達5供給額定電力Pt的濕潤狀態(tài)Rw時，不使堆電壓低于INV性能保證電壓Vt。

當(dāng)在不需要使堆電壓下降的狀況下使堆電壓下降時，如圖4所示那樣驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩降低，駕駛性能會降低。因此，通過在燃料電池堆1的電解質(zhì)膜為濕潤狀態(tài)時禁止使堆下限電壓下降，能夠抑制無用的駕駛性能的降低。

另外，在本實施方式中，緩和電壓運算部220參照圖12所示的緩和電壓圖表來計算緩和電壓Vs，該緩和電壓Vs低于INV性能保證電壓Vt，且該緩和電壓Vs在加速過程中不使馬達轉(zhuǎn)速降低就能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩。然后，通過堆下限電壓設(shè)定部230將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。

由此，能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動馬達5的要求電力增加時的馬達要求轉(zhuǎn)矩，因此能夠促進燃料電池堆1的加濕并抑制駕駛性能的降低。

另外，在本實施方式中，緩和電壓運算部220如圖6所示那樣，基于不使堆電壓降到低于INV性能保證電壓Vt而維持為INV性能保證電壓Vt時的驅(qū)動馬達5的輸出來計算緩和電壓下限值Vsmin。

由此，能夠以與限制為INV性能保證電壓Vt時相比不過量地限制驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩的方式，使燃料電池堆1迅速地轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)。

另外，在本實施方式中，堆下限電壓設(shè)定部230如圖10所示那樣，在驅(qū)動馬達5的要求電力增加的情況下與將堆電壓維持為INV性能保證電壓Vt時相比馬達輸出降低時禁止使堆下限電壓降至緩和電壓下限值Vsmin。

由此，能夠防止比限制為INV性能保證電壓Vt時還限制驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩，因此能夠抑制駕駛性能的降低。

此外，也可以是，在與將堆電力維持為INV性能保證電壓Vt時的馬達輸出相比驅(qū)動馬達5的輸出降低時，堆下限電壓設(shè)定部230不使堆電壓下降而將堆電壓設(shè)定為INV性能保證電壓Vt。由此，能夠抑制運算負荷并以簡易的結(jié)構(gòu)來抑制駕駛性能的降低。

另外，在本實施方式中，堆下限電壓運算部200如圖14的(a)所示那樣，在使堆電壓降到低于INV性能保證電壓Vt之后，使燃料電池堆1與逆變器4之間的電壓逐漸上升。由此，能夠一邊對燃料電池堆1的電解質(zhì)膜進行加濕一邊使驅(qū)動馬達5的上限轉(zhuǎn)矩上升。

并且，堆下限電壓運算部200在使堆電壓降到低于INV性能保證電壓Vt之后，花費規(guī)定的轉(zhuǎn)變時間t_sw來使堆電壓恢復(fù)至INV性能保證電壓Vt。由此，能夠以簡單的控制結(jié)構(gòu)來提高駕駛性能。此外，堆下限電壓運算部200也可以使堆下限電壓以規(guī)定的時間變化率恢復(fù)。

另外，在本實施方式中，堆下限電壓設(shè)定部230如圖9所示那樣，根據(jù)燃料電池堆1的濕潤狀態(tài)將堆下限電壓切換為INV性能保證電壓Vt。作為燃料電池堆1的濕潤狀態(tài)，使用HFR。

此外，也可以在燃料電池系統(tǒng)100中設(shè)置測量從燃料電池堆1排出的氣體的濕度的傳感器，根據(jù)從該傳感器輸出的檢測值來使堆下限電壓恢復(fù)為INV性能保證電壓Vt。

或者，堆下限電壓設(shè)定部230估計燃料電池堆1的IV特性，基于該IV特性來使堆下限電壓恢復(fù)為INV性能保證電壓Vt。

通過像這樣在燃料電池堆1的發(fā)電特性恢復(fù)時使堆下限電壓復(fù)原，能夠防止驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩降低，并且能夠防止從燃料電池堆1取出過量的電流。即，能夠可靠地確保從燃料電池堆1輸出的電力，并且能夠保護燃料電池堆1。

另外，在本實施方式中，堆下限電壓運算部200如圖13所示那樣，在能夠得到加速要求時的馬達要求轉(zhuǎn)矩的緩和電壓Vs變得大于緩和電壓下限值Vsmin時，使堆下限電壓逐漸上升至緩和電壓Vs。

由此，能夠抑制驅(qū)動馬達5的急劇的轉(zhuǎn)矩變動并實現(xiàn)駕駛員的加速要求，因此能夠確保加速過程中的駕駛性能。

(第二實施方式)

接著，參照附圖來說明使堆下限電壓從緩和電壓Vs向INV性能保證電壓Vt恢復(fù)的轉(zhuǎn)變方法。

圖16是表示本發(fā)明的第二實施方式中的堆下限電壓的恢復(fù)處理的一例的圖。

圖16的(a)是表示使車輛的加速振動G小的驅(qū)動馬達5的控制方法的圖。圖16的(a)中示出了圖7所示的與馬達轉(zhuǎn)速相對的轉(zhuǎn)矩特性501和轉(zhuǎn)矩特性502，除此以外還示出了行駛阻力RL(RoadLoad)特性。

圖16的(b)是表示使加速振動G小時的馬達轉(zhuǎn)矩的時間變化的圖。在圖16的(b)中，通過實線來表示驅(qū)動馬達5的轉(zhuǎn)矩變化，通過點線來表示馬達上限轉(zhuǎn)矩。

圖16的(c)是表示堆電壓的變化的圖。圖16的(d)是表示燃料電池堆1的HFR的變化的圖。圖16的(b)至圖16的(d)的各附圖的橫軸均為共同的時間軸。

如圖16的(a)所示，在時刻t30時的運轉(zhuǎn)點處加速踏板被駕駛員踏下，計算馬達要求轉(zhuǎn)矩Ts。而且，如圖16的(c)所示，HFR大于干燥判定閾值Rw，因此運算能夠?qū)崿F(xiàn)馬達要求轉(zhuǎn)矩Ts的緩和電壓Vs。

如圖16的(d)所示，堆下限電壓被設(shè)定為緩和電壓Vs，堆電壓被DC/DC轉(zhuǎn)換器3降至低于INV性能保證電壓Vt的緩和電壓Vs。由此，如圖16的(a)所示，驅(qū)動馬達5的運轉(zhuǎn)點到達時刻t31時的運轉(zhuǎn)點。

在本實施方式中，以一邊將時刻t31時的馬達轉(zhuǎn)矩維持為固定一邊使驅(qū)動馬達5的運轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)至?xí)r刻t32時的運轉(zhuǎn)點的方式，設(shè)定時刻t31至?xí)r刻t32的轉(zhuǎn)變時間。

具體地說，堆下限電壓運算部200如下式所示那樣，基于換算成馬達軸輸出的車輛慣性J、加速初始的RLini、馬達轉(zhuǎn)速的變化幅度dω以及馬達轉(zhuǎn)矩Ts來計算轉(zhuǎn)變時間t_sw。

[式1]

然后，堆下限電壓運算部200如圖16的(c)所示那樣，在從堆電壓在時刻t31達到緩和電壓Vs起到變?yōu)闀r刻t32為止的轉(zhuǎn)變時間t_sw內(nèi)，使堆電壓逐漸上升至INV性能保證電壓Vt。

在轉(zhuǎn)變時間t_sw內(nèi)，如圖16的(b)所示那樣馬達轉(zhuǎn)矩被維持為固定，因此能夠使車輛的加速振動小，能夠減輕在加速過程中給駕駛員帶來的不協(xié)調(diào)感。

根據(jù)本發(fā)明的第二實施方式，以使車輛的加速振動G變小的方式預(yù)先設(shè)定轉(zhuǎn)變時間t_sw，在堆電壓達到緩和電壓Vs后立即使堆電壓花費轉(zhuǎn)變時間t_sw從緩和電壓Vs向INV性能保證電壓Vt轉(zhuǎn)變。

由此，在轉(zhuǎn)變時間t_sw中馬達轉(zhuǎn)矩被維持為固定，因此能夠使車輛的加速振動G小。因此，以簡易的結(jié)構(gòu)來減輕給駕駛員帶來的突然加速感，因此能夠提高駕駛性能。

(第三實施方式)

接著，說明本發(fā)明的第三實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在圖8所示的步驟S910中執(zhí)行的堆下限電壓運算處理的處理內(nèi)容不同。此外，其它結(jié)構(gòu)與第一實施方式相同，因此標(biāo)注同一標(biāo)記并省略說明。

圖17是表示本實施方式中的堆下限電壓運算處理的流程圖。

在步驟S941中，堆下限電壓運算部200讀入由內(nèi)部電阻測定裝置6測定的HFR。

在步驟S942中，堆下限電壓運算部200基于該HFR來運算緩和電壓Vs。在本實施方式中，堆下限電壓運算部200參照預(yù)先決定的堆下限電壓圖表，計算與HFR相對應(yīng)的緩和電壓Vs。關(guān)于堆下限電壓圖表的詳情，參照圖18在后面敘述。

在步驟S943中，堆下限電壓運算部200將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。

圖18是表示堆下限電壓運算部200中存儲的堆下限電壓圖表的一例的圖。在圖18中，橫軸表示HFR，縱軸表示緩和電壓。

通過使用堆下限電壓圖表，在HFR小于Rw時、即燃料電池堆1為濕潤的狀態(tài)時，INV性能保證電壓Vt被設(shè)定為堆下限電壓。

而且，HFR比Rw大越多，則燃料電池堆1的IV特性越差，因此設(shè)定比INV性能保證電壓Vt小的值來作為緩和電壓。另外，在HFR大于Rd時，緩和電壓Vs被設(shè)定為堆下限電壓。

圖19是表示本實施方式中的基于燃料電池堆1的HFR的緩和電壓的變化的時序圖。

圖19的(a)至圖19的(d)的各附圖的縱軸及橫軸與圖16的(a)至圖16的(d)的各附圖的縱軸及橫軸相同，圖19的(a)至圖19的(d)的各附圖的橫軸為相互共同的時間軸。

如圖19的(a)所示，在時刻t40時的運轉(zhuǎn)點處加速踏板被駕駛員踏下。而且，如圖19的(d)所示，堆電壓被DC/DC轉(zhuǎn)換器3降至根據(jù)圖表而決定的緩和電壓Vs。

在驅(qū)動馬達5到達時刻t41時的運轉(zhuǎn)點之后，如圖19的(c)所示那樣HFR變小，與此相伴地如圖19的(d)所示那樣緩和電壓逐漸上升。

另一方面，如圖19的(b)所示，緩和電壓Vs是根據(jù)圖表設(shè)定的，因此燃料電池堆1的加濕略不足而馬達轉(zhuǎn)矩逐漸降低。因此，駕駛員的駕駛性能略有降低。

根據(jù)本發(fā)明的第三實施方式，通過使用堆下限電壓圖表，能夠通過簡易的結(jié)構(gòu)來與加速要求時的電解質(zhì)膜的濕潤度相應(yīng)地適當(dāng)設(shè)定緩和電壓Vs。

(第四實施方式)

接著，說明本發(fā)明的第四實施方式中的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

在本實施方式的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，在圖8所示的步驟S910中執(zhí)行的堆下限電壓運算處理的處理內(nèi)容不同。此外，其它結(jié)構(gòu)與第一實施方式相同，因此標(biāo)注同一標(biāo)記并省略說明。

圖20是表示本實施方式中的堆下限電壓運算處理的流程圖。在此，示出了步驟S951至S953的處理來代替圖9所示的步驟S911和S912。其它處理與圖9所述的處理相同，因此標(biāo)注同一標(biāo)記并省略說明。

在步驟S951中，堆下限電壓設(shè)定部230讀入由堆電流傳感器11檢測出的堆電流以及由堆電壓傳感器12檢測出的堆電壓。

在步驟S952中，堆下限電壓設(shè)定部230判斷堆電壓是否與INV性能保證電壓Vt相等。在堆電壓大于INV性能保證電壓Vt的情況下進入步驟S913。

在步驟S953中，堆下限電壓設(shè)定部230在堆電壓與INV性能保證電壓Vt相等的情況下判斷堆電流是否小于額定電流It。

在堆電流大于額定電流It的情況下，判斷為燃料電池堆1為濕潤狀態(tài)，進入步驟S913。另一方面，在堆電壓與INV性能保證電壓Vt相等、且堆電流小于額定電流It的情況下，判斷為燃料電池堆1為干燥狀態(tài)，進入步驟S920。

這樣，在本實施方式中，使用堆電流和堆電壓來代替燃料電池堆1的HFR，以估計燃料電池堆1的濕潤狀態(tài)。由此，能夠更正確地判斷出IV特性差的情況，因此在加速要求時能夠準(zhǔn)確地將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。

根據(jù)本發(fā)明的第四實施方式，在燃料電池堆1的輸出電力小于基于馬達要求轉(zhuǎn)矩而運算出的燃料電池的要求電力Pt時，堆下限電壓運算部200將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。即，堆下限電壓運算部200根據(jù)從燃料電池堆1輸出的電力來將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓。

由此，能夠可靠地判定燃料電池堆1的IV特性是否良好，因此能夠防止在加速要求時無用地緩和堆下限電壓。

另外，在本實施方式中，在使堆電壓降至INV性能保證電壓Vt的狀態(tài)下堆電流小于額定電流It的情況下，堆下限電壓設(shè)定部230將緩和電壓Vs設(shè)定為堆下限電壓以使得堆電流變得大于額定電流It。

通過像這樣使堆下限電壓降低至能夠確保堆電流的緩和電壓Vs，能夠在加速時盡快使燃料電池堆1轉(zhuǎn)變?yōu)闈駶櫊顟B(tài)。

以上，說明了本發(fā)明的實施方式，但是上述實施方式不過示出了本發(fā)明的應(yīng)用例的一部分，其宗旨并不是將本發(fā)明的保護范圍限定于上述實施方式的具體結(jié)構(gòu)。

在本實施方式中，說明了將DC/DC轉(zhuǎn)換器3用作對燃料電池堆1的電壓進行調(diào)整的電路的例子，但是也可以取代DC/DC轉(zhuǎn)換器3而單純使用僅對燃料電池堆1的電壓進行調(diào)整的電路。

另外，在本實施方式中，說明了逆變器4連接于燃料電池堆1的例子，但是即使是逆變器4連接于蓄電池2的結(jié)構(gòu)也能夠得到與本實施方式同樣的作用效果。

此外，上述實施方式能夠適當(dāng)組合。