CN102186696A - 电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统 - Google Patents

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Abstract

电源装置包括：第一线路、第二线路和第三线路，且每一个具有相互不同的电势；电池电路，在所述电池电路中，燃料电池堆和蓄电装置串联连接；和第一DC-DC转换器，其中电池电路的两端连接到第一线路和第三线路，电池电路的蓄电装置和燃料电池堆的连接点连接到第二线路，第一DC-DC转换器的初级侧连接到第二线路和第三线路，第一DC-DC转换器的次级侧连接到第一线路和第三线路，以及电力从第一线路和第三线路被输出。

Description

电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池车辆的电源装置和电源系统。
本发明主张2008年10月24日提出申请的日本专利申请No.2008-274302、2008年10月24日提出申请的日本专利申请No.2008-274303、2008年10月24日提出申请的日本专利申请No.2008-274304以及2008年10月24日提出申请的日本专利申请No.2008-274308的优先权，这些专利的内容通过引用在此并入。
背景技术
传统地，已知电源系统包括连接到燃料电池的第一DC-DC转换器以及连接到蓄电装置的第二DC-DC转换器，其中电源系统将电力从第一和第二DC-DC转换器供应到用于驱动机动车辆的诸如电动机的负载(例如，参见专利文献1)。
另外，已知一种其中多个限流装置并联连接的装置(例如，参见专利文献2)。
文献列表
专利文献
[专利文献1]日本待审专利申请第一次公布No.2007-318938
[专利文献2]日本待审专利申请第一次公布No.H5-38136
发明内容
技术问题
根据传统的公知电源系统，为多个电源装置(换句话说，燃料电池和蓄电装置)中的每一个提供DC-DC转换器。因此，构造电源系统所需的成本变高。另外，电源系统的尺寸变大。因此，需要降低电源系统的成本并减小电源系统的尺寸。
另外，根据由并联连接的多个限流装置组成的传统地公知装置，限流装置中的每一个的电抗器并联连接。这种结构防止当使用单个电抗器时线圈的金属丝直径增加得太多。然而，电抗器的电感通常与并联连接的数量成反比例地降低。进一步地，电流脉动增加，并且开关损耗或噪音增加。响应于这些问题，如果电抗器中的每一个的电感增加以便增加电抗器的总电感，该装置的尺寸和重量增加，以及构造该装置所需的成本增加。
此外，当限流装置并联连接时，如在上述装置中，对于为多个电源装置(换句话说，燃料电池和蓄电装置)中的每一个所设置的DC-DC转换器来说，如在传统地公知电源系统中那样，电流脉动和开关损耗或噪音甚至进一步地增加。同时，电源系统的尺寸和重量增加，以及构造该电源系统所需的成本增加。
考虑上述问题，本发明的目的是提供一种电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统，所述电源装置和电源系统能够降低构造所需的成本并减小尺寸。
技术方案
根据本发明的一方面的电源装置包括：第一线路、第二线路和第三线路，且每一个具有相互不同的电势；电池电路，在所述电池电路中，燃料电池堆和蓄电装置串联连接；和第一DC-DC转换器，其中电池电路的两端连接到第一线路和第三线路，电池电路的蓄电装置和燃料电池堆的连接点连接到第二线路，第一DC-DC转换器的初级侧连接到第二线路和第三线路，第一DC-DC转换器的次级侧连接到第一线路和第三线路，以及电力从第一线路和第三线路被输出。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：蓄电装置连接到第一线路和第二线路；以及燃料电池堆连接到第二线路和第三线路。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：驱动将反应气体供应给燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到第一线路和第二线路。
另外，根据本发明的一方面的燃料电池车辆的电源系统包括以上所述的电源装置；和驱动车辆的电动机，该电动机从电源装置供给电力。
根据本发明的以上方面的燃料电池车辆的电源系统可以被如下构造：该电源系统还包括车辆辅助机械，其中车辆辅助机械的至少一部分连接到第一线路和第二线路。
根据本发明的以上方面的燃料电池车辆的电源系统可以被如下构造：该电源系统还包括车辆辅助机械，其中车辆辅助机械的至少一部分连接到第二线路和第三线路。
根据本发明的以上方面的燃料电池车辆的电源系统可以被如下构造：该电源系统还包括车辆辅助机械，其中车辆辅助机械的至少一部分连接到第一线路和第三线路。
根据本发明的以上方面的燃料电池车辆的电源系统可以被如下构造：车辆辅助机械的所述至少一部分通过第二DC-DC转换器连接到电源装置。
根据本发明的以上方面的燃料电池车辆的电源系统可以被如下构造：车辆辅助机械的所述至少一部分包括空气调节器。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：蓄电装置连接到第一线路和第二线路，燃料电池堆连接到第二线路和第三线路，以及驱动将反应气体供应给燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到第二线路和第三线路。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：驱动将反应气体供应给燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到第一线路和第三线路。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：第一DC-DC转换器是包括多个扼流线圈的限流器型转换器；以及多个扼流线圈是共模线圈。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：第一DC-DC转换器包括三相桥接电路和作为所述多个扼流线圈的三相扼流线圈，在所述三相桥接电路中，开关元件被桥接；共模线圈的芯体是矩形芯体；三相扼流线圈的任一相扼流线圈是分散的并绕包括在矩形芯体中的两对相对侧部中的一对相对侧部缠绕；以及三相扼流线圈的除了一相扼流线圈之外的两相扼流线圈分别是集中的并绕包括在矩形芯体中的两对相对侧部中的另一对相对侧部缠绕。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：电力从第一线路和第三线路被供应给负载，电源装置还包括：电力消耗获得单元，所述电力消耗获得单元获得负载的电力消耗；目标电力分配设定单元，所述目标电力分配设定单元根据所述电力消耗设定燃料电池堆和蓄电装置的目标电力分配；和占空比控制单元，所述占空比控制单元控制第一DC-DC转换器的切换占空比，使得燃料电池堆和蓄电装置的实际电力分配等于所述目标电力分配。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：电力消耗获得单元获得所述电力消耗，所述电力消耗包括电源装置的外部负载的外部负载电力消耗和电源装置的内部负载的内部负载电力消耗。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：该电源装置还包括：目标电流设定单元，所述目标电流设定单元根据目标电力分配设定燃料电池堆或蓄电装置的目标电流，其中占空比控制单元执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆或蓄电装置的实际电流等于目标电流。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：该电源装置还包括：目标电压设定单元，所述目标电压设定单元根据目标电力分配设定燃料电池堆或蓄电装置的目标电压，其中占空比控制单元执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆或蓄电装置的实际电压等于目标电压。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：所述目标电力分配设定单元将燃料电池堆和蓄电装置的目标输出比设定为目标电力分配；以及占空比控制单元执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆和蓄电装置的实际输出比等于目标输出比。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：该电源装置还包括：驱动车辆的电动机，电动机从电池电路供给电力；目标设定单元，所述目标设定单元将燃料电池堆的目标输出电流或目标输出电力设定为零或正值；检测单元，所述检测单元检测燃料电池堆的输出电流或输出电压；和占空比控制单元，所述占空比控制单元执行第一DC-DC转换器的切换占空比的反馈控制，使得由检测单元检测的输出电流等于目标输出电流，或由检测单元检测的输出电压等于目标输出电压；其中在驱动车辆的电动机的再生操作期间，占空比控制单元持续反馈控制；以及电力从第一线路和第三线路供应给负载。
根据本发明的以上方面的电源装置可以被如下构造：在驱动车辆的电动机的再生操作期间，目标设定单元将目标输出电流或目标输出电力设定到零。
有益的技术效果
根据基于本发明的电源装置，可以通过为其中燃料电池堆和蓄电装置串联连接的电池电路提供单个第一DC-DC转换器来切换多个操作模式。与为燃料电池堆和蓄电装置中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比，可以降低构造所需的成本，并且尺寸可以形成得更小。
因为根据本发明的用于燃料电池车辆的电源系统包括单个第一DC-DC转换器，因此可以降低构造电源装置所需的成本并减小尺寸。另外，因为燃料电池堆和蓄电装置串联连接，因此与燃料电池堆和蓄电装置并联连接的情况相比，可以增加用于驱动车辆的电动机的驱动电路的操作电压。同时，可以减小电流。此外，可以减小用于驱动车辆的驱动电路和电动机的尺寸。另外，可以增强操作效率。这样，可以降低构造用于燃料电池车辆的电源系统所需的成本，并且可以减小尺寸。
即使在关于第一DC-DC转换器的紧急状况(例如当断路故障发生时)期间，也可以通过从电池电路将电力供应到用于驱动车辆的电动机的驱动电路来驱动燃料电池车辆。
根据基于本发明的电源装置，因为多个扼流线圈以共模的方式缠绕，并且电流沿一个方向被施加，因此可以增大磁通量。因此，与多个扼流线圈简单并联连接的情况相比，可以防止电感的下降。还可以减小电流脉动、切换损耗和噪音。同时，DC-DC转换器可以被形成得更小和更轻。此外，可以仅通过将单个第一DC-DC转换器提供给其中燃料电池堆和蓄电装置串联连接的电池电路来切换多个操作模式。与为燃料电池堆和蓄电装置中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
根据基于本发明的电源装置，为其中燃料电池堆和蓄电装置串联连接的电池电路设置单个DC-DC转换器。控制DC-DC转换器的切换占空比，使得燃料电池堆和蓄电装置相对于负载的电力消耗的实际电力分配等于目标电力分配。因此，可以自由地切换与燃料电池堆和蓄电装置的电力相对应的多个操作模式。与其中为燃料电池堆和蓄电装置中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比，可以降低用于构造所需的成本，减小尺寸，并且以适当的方式控制电力供应。
根据基于本发明的用于燃料电池车辆的电源系统，为其中燃料电池堆和蓄电装置串联连接的电池电路设置单个DC-DC转换器。对DC-DC转换器的切换占空比执行反馈控制，使得燃料电池堆的检测的输出电流或输出电力等于被设定到零或正值的目标输出电流或目标输出电力。因此，可以有效地使用在用于驱动车辆的电动机的再生操作期间生成的再生电力。与为燃料电池堆和蓄电装置中的每一个单独设置DC-DC转换器的情况相比，可以降低用于构造所需的成本，减小尺寸，并且以有效的方式控制电力。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的电源装置的结构图；
图2是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图3是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图4是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图5是根据上述实施例的第一变形例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图6显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图7显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图8显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射(map)的例子；
图9显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图10A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图10B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图11A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图11B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图12A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图12B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图13A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图13B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图14A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图14B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图15A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图15B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图16A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图16B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图17A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图17B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图18是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图19是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图20是根据本发明的第二实施例的电源装置的结构图；
图21是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图22是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图23是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图24是根据上述实施例的第一变形例具有三相的扼流线圈的结构图；
图25显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图26显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图27显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图28显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图29是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图30是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图31是根据本发明的第三实施例的电源装置的结构图；
图32是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图33是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图34是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图35是根据上述实施例的第一变形例具有三相的扼流线圈的结构图；
图36显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图37显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图38显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图39显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图40是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图41是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图42是根据本发明的第四实施例的电源装置的结构图；
图43是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图44是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图45是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图46是根据上述实施例的第一变形例具有三相的扼流线圈的结构图；
图47显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图48显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图49显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图50显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图51A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图51B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图52A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图52B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图53A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图53B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图54A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图54B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图55A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图55B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图56A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图56B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图57A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图57B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图58A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图58B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图59是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图60是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图61是根据本发明的第五实施例的电源装置的结构图；
图62是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图63是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图64是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图65是根据上述实施例的第一变形例具有三相的扼流线圈的结构图；
图66显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图67显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图68显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图69显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图70A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图70B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图71A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图71B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图72A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图72B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图73A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图73B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图74A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图74B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图75A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图75B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图76A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图76B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图77A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图77B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图78是显示根据上述实施例的燃料电池车辆的电源系统的操作的流程图；
图79是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图80是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图81是根据本发明的第六实施例的电源装置的结构图；
图82是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图83是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图84是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图85是根据上述实施例的第一变形例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图86显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图87显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图88显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图89显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图90A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图90B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(EV模式)期间的电力供应状态；
图91A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图91B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图92A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图92B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图93A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图93B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第三(FC+电池)模式)期间的电力供应状态；
图94A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图94B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第一FC模式)期间的电力供应状态；
图95A显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图95B显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时在电源装置的操作模式(第二FC模式)期间的电力供应状态；
图96A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图96B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式(再生模式)期间的电力供应状态；
图97A显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图97B显示根据上述实施例的当驱动电动机被再生时在电源装置的操作模式((再生+FC电池充电)模式)期间的电力供应状态；
图98是显示根据上述实施例的用于燃料装置的电源系统的操作的流程图；
图99是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图100是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图101是根据本发明的第七实施例的电源装置的结构图；
图102是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图103是根据上述实施例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；
图104是根据上述实施例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图105是根据上述实施例的第一变形例的具有三相的扼流线圈的结构图；
图106显示根据上述实施例的燃料电池堆的操作点的例子；
图107显示根据上述实施例的电池的操作点的例子；
图108显示根据上述实施例的表示燃料电池堆的操作点、电池的操作点、第一DC-DC转换器的切换占空比、以及负载的总电力消耗之间的对应关系的预定映射的例子；
图109显示根据上述实施例的当驱动电动机被驱动时与第一DC-DC  转换器的切换占空比的变化相对应的燃料电池堆和电池的电流和电压的变化、电源装置的操作模式的变化的例子；
图110是根据上述实施例的第二变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构图；以及
图111是根据上述实施例的第三变形例的用于燃料电池车辆的电源系统的结构。
具体实施方式
以下参照图1-19提供对根据本发明的第一实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置10如图1中所示例如包括燃料电池堆(FC)11、电池12、第一DC-DC转换器13以及空气泵逆变器14。例如，电源装置10连接到驱动电动机逆变器15。
例如，电源装置10设置在用于燃料电池车辆的电源系统20中。例如，如图2和图3中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统20包括电源装置10、空气泵(AP)21、驱动电动机22、第二DC-DC转换器23、空气调节器24、控制装置25、接地故障传感器26、输出电流传感器27、相电流传感器28以及角度传感器29。
燃料电池堆11通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质膜包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧被夹在一对端板之间。
空气从空气泵21被供应给燃料电池堆11的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵21从车辆外部引入空气并压缩该空气。空气泵21将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆11的阴极。空气泵逆变器14根据由控制装置25输出的控制指令控制驱动该空气泵21的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器14包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池12的替代，电源装置10可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器13例如是限流器型DC-DC转换器。如图3中所示，第一DC-DC转换器13包括具有三相的桥接电路31、具有三相的扼流线圈32以及平滑电容器33。上述桥接电路31包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图1和图2中以简化形式示出了第一DC-DC转换器13。因此，在三相中，在图1和图2中仅示出了开关元件和扼流线圈32的一相。
桥接电路31与形成随后所述的驱动电动机逆变器15的三相桥接电路51相同。在该桥接电路31中，为各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL，这些晶体管被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P2的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N2的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路31由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置25输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态。
平滑电容器33连接到次级侧正端子P2和次级侧负端子N2。
对于三相扼流线圈32，扼流线圈32中的每一个的端部都连接在桥接电路31的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈32中的每一个的端部分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈32中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P1。
例如，如图4中所示，三相扼流线圈32通过以共模的方式绕单个矩形芯体41缠绕而形成。扼流线圈32被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈32中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈32中的一相是分散的并绕一对相对侧部41a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体41的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈32中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体41的两对相对侧部中的另一对相对侧部41b缠绕。
例如，如图5中所示，三相扼流线圈32中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体41的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈32中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L1、L2和L3，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L1的电势＞L2的电势＞L3的电势)，第一DC-DC转换器13的初级侧连接到第二线路L2和第三线路L3。DC-DC转换器13的次级侧连接到第一线路L1和第三线路L3。换句话说，第一线路L1连接到次级侧正端子P2，第二线路L2连接到初级侧正端子P1，而第三线路L3连接到初级侧负端子N1和次级侧负端子N2。
对于这种第一DC-DC转换器13，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机22被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈32受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈32的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈32的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈32中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器33使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，当驱动电动机22被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈32由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈32的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈32的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈32中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器13由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置25输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器13根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个被导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在此期间上述晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆11通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器11a和电容器11b连接到第二线路L2和第三线路L3。电池12通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器12a以及通过设置在正电极侧的限流电路12b连接到第一线路L1和第二线路L2。因此，燃料电池堆11和电池12在第一线路L1与第三线路L3之间串联连接。燃料电池堆11和电池12因此包括电池电路10a。
当电力从第一线路L1和第三线路L3输出到负载(例如，驱动电动机22)时，第一线路L1和第三线路L3连接到驱动电动机逆变器15。
空气泵逆变器14连接到第一线路L1和第二线路L2。此空气泵逆变器14是空气泵21的驱动电路。
包括三相驱动电动机22的驱动电路的驱动电动机逆变器15是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器15包括三相桥接电路51，所述三相桥接电路51包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路51与形成第一DC-DC转换器13的三相桥接电路31相同。在桥接电路51中，为各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器13的次级侧正端子P2的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器13的次级侧负端子N2的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器15由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置25输出并输入到桥接电路51的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机22被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(中断)状态，驱动电动机逆变器15将从电源装置10输出的直流电转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw都是交流电流。同时，当驱动电动机22被再生时，例如，从驱动电动机22输出的三相交流电被转换成直流电，并被供应给第一DC-DC转换器13。然后，电池被充电，并且电力被供给连接到第一DC-DC转换器13的负载。
驱动电动机22例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器15供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机22。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机22侧同时车辆减速时，驱动电动机22用作发电机。这样，驱动电动机22产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机22回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器23例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器23。
第二DC-DC转换器23连接到第一线路L1和第二线路L2。该第二DC-DC转换器23根据从控制装置25输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L1与第二线路L2之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器23的负载。
空气调节器24包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器24例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器24连接到第一线路L1和第二线路L2。电力从第一线路L1和第二线路L2被供应到空气调节器24。
控制装置25执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器13的切换占空比。同时，控制装置25控制驱动电动机逆变器15的电力转换操作。
控制装置25接收例如由接地故障传感器26、输出电流传感器27、相电流传感器28以及角度传感器29输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器26连接到第一线路L1和第三线路L3并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器27检测燃料电池堆11的输出电流IFC，所述相电流传感器28检测驱动电动机逆变器15与驱动电动机22之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器29检测驱动电动机的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机22的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置25例如包括电力消耗计算单元61、目标电流分配单元62、目标电流设定单元63、占空比控制单元64以及驱动电动机控制单元65。
电力消耗计算单元61计算负载(例如，装载在电源装置10外的驱动电动机22、空气调节器以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置10内的空气泵逆变器14)的总电力消耗，其中电力从电源装置10被供应给所述负载。
当驱动电动机22被驱动时，例如，目标电力分配设定单元62例如根据燃料电池堆11的状态(例如，燃料电池堆11的基于发电指令的状态的变化率)和电池12的剩余容量SOC来设定形成电源装置10的电池电路10a的燃料电池堆11和电池12的电力分配。换句话说，当由电力消耗计算单元61计算的总电力消耗是由燃料电池堆11输出的电力加上由电池12输出的电力获得的值时，目标电力分配设定单元62设定分配。
例如，当驱动电动机22被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器13的切换占空比(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)相对应的值。如下所示，可以使用燃料电池堆11的电压(“VFC”)和电池12的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆11的电压(“VFC”)和电池12的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图6和图7中所示，燃料电池堆11的电压(“VFC”)和电池12的电压(“VB”)与燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池12的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此对应关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆11的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池12的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机22被再生时，目标电力分配设定单元62根据燃料电池堆11的状态(例如，燃料电池堆11的基于发电指令的状态的变化率)和电池12的剩余容量SOC以及驱动电动机22的再生电力等来设定燃料电池堆11和驱动电动机逆变器15的电力供应侧的电力分配，以及设定电池12和负载(例如，空气调节器24和车辆辅助装置以及空气泵逆变器14)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆11的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池12的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元63通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机22被驱动时燃料电池堆11的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆11的操作点、电池12的操作点、第一DC-DC转换器13的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图8中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器13的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆11的操作点与电池12的操作点的对应关系，在所述坐标系中，燃料电池堆11的操作点和电池12的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆11的操作点与电池12的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器13的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池12的操作点被设定成具有随着燃料电池堆11的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆11的操作点与电池12的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆11的操作点相对应的电力和与电池12的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆11的操作点和电池12的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆11和电池12的的操作点根据由目标电力分配单元62设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元61计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器13的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元63输出与该操作点相对应的燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机22被再生时，目标电流设定单元63根据由目标电力分配设定单元62设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元64控制第一DC-DC转换器13的切换占空比，使得燃料电池堆11和电池12的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元62设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元64控制第一DC-DC转换器13的切换占空比，使得由输出电流传感器27输出的燃料电池堆11的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元63输出的燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标值。
该占空比控制单元64包括例如电流偏差计算单元71、反馈处理单元72和PWM信号生成单元73。
电流偏差计算单元71计算和输出由电流传感器27输出的燃料电池堆11的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元63输出的燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标值之间的电流偏差。
反馈处理单元72通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元71输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆11输出与从反馈处理单元72输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元73生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器13的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机22被驱动，驱动电动机控制单元65在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元65根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机22的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元65根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元65根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器15的桥接电路51。同时，驱动电动机控制单元65执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器15供应给驱动电动机12的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机22被再生时，驱动电动机控制单元65根据基于由角度传感器29输出的驱动电动机22的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器15的桥接电路51的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元65输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元65根据导通和截止桥接电路51的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元65将预定电压值输出给驱动电动机逆变器15的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的13的次级侧正端子P2与次级侧负端子N2之间。
换句话说，例如，当驱动电动机22被驱动，控制装置25执行反馈控制，使得燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置25控制第一DC-DC转换器13的切换占空比。例如，如图9中所示，该控制装置25连续控制电源装置10的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器13的升压比近似等于2至3时，电源装置10的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池12的输出被供应给驱动电动机逆变器15和空气泵逆变器14，例如，如图10A图10B所示。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置10的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式，例如，如图11A-13B中所示。在第一模式中，电池12的输出被供应给驱动电动机逆变器15和空气泵逆变器14。同时，在第一模式中，燃料电池堆11的输出被供应给驱动电动机逆变器15，并且电池12的电流(Ib)变得大于燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池12的输出被供应给驱动电动机逆变器15和空气泵逆变器14。同时，在第二模式中，燃料电池堆11的输出被供应给驱动电动机逆变器15，并且电池12的电流(Ib)变得等于燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器14的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池12和燃料电池堆11的输出被供应给驱动电动机逆变器15和空气泵逆变器14，并且电池12的电流(Ib)变得小于燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池12的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图9中所示。另外，燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器15的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池12的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆11的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置10的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式，例如，如图14A-15B中所示。在第一FC模式中，仅燃料电池堆11的输出被供应给驱动电动机逆变器15和空气泵逆变器14。在第二FC模式中，仅燃料电池堆11的输出被供应给驱动电动机逆变器15、空气泵逆变器14以及电池12，从而给电池12充电。
因此，电池12的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图9中所示。同时，燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器15的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池12的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆11的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机22被再生时，控制装置25执行反馈控制，使得燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置25通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器13的切换占空比。
例如，如图16A和16B中所示，电源装置10的其中燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池12通过驱动电动机逆变器15的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置10的其中燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器15的再生电力和燃料电池堆11的输出被供应给空气泵逆变器14和电池12并且电池12被充电的(再生+FC电池充电)模式，如图17A和17B中所示。
控制装置25输出关于被供应给燃料电池堆11的反应气体的压力和流量的指令值作为用于使燃料电池堆11生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆11的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆11的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆11正生成电力的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆11的电压VFC、燃料电池堆11的输出电流Ifc、以及燃料电池堆11的内部温度。这样，控制装置25控制燃料电池堆11生成电力的条件。
控制装置25根据燃料电池堆11生成电力时的条件切换接触器11a的导通和截止状态。另外，控制装置25控制燃料电池堆11、第二线路L2以及第三线路L3之间的连接。
例如，控制装置25还根据电池12的剩余容量SOC切换接触器12a和限流电路12b的接通和断开状态。因此，控制装置25控制电池12和第一线路L1以及第二线路L2之间的连接。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置10，可以仅通过相对于其中燃料电池堆11和电池12串联连接的电池电路10a提供单个第一DC-DC转换器13来切换多个操作模式。例如，与为燃料电池堆11和电池12中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统20，通过提供单个第一DC-DC转换器13，可以降低用于构造电源装置10所需的成本，并且可以减小电源装置10的尺寸。因为燃料电池堆11和电池12串联连接，与燃料电池堆11和电池12并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器15操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机22和驱动电动机逆变器15的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统20所需的成本，并且可以减小尺寸。
另外，电力可以直接从电池12被供应给空气泵逆变器14。也可以适当地操作燃料电池堆11。
此外，即使第一DC-DC转换器13状态异常(例如，当断路故障发生时)，也可以通过从电池电路10a将电力供应给驱动电动机逆变器15来驱动燃料电池车辆。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器23分离的空气调节器24、和连接到第二DC-DC转换器的23的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器23连接到第一线路L1和第二线路L2。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图18中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L2和第三线路L3。另外，如图19中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L1和第三线路L3。
根据以上结构，空气泵逆变器14连接到第一线路L1和第二线路L2，且空气泵逆变器14是空气泵21的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆11的泵(例如，空气泵21)和供应制冷剂(未示出)的泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L1和第二线路L2。
另外，将反应气体供应给燃料电池堆11的泵(例如，空气泵21)和供应制冷剂(未示出)的泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第二线路L2和第三线路L3。以上泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L1和第三线路L3。
根据以上实施例，电池12连接到第一线路L1和第二线路L2，而燃料电池堆11连接到第二线路L2和第三线路L3。然而，本发明不受限于以上结构。燃料电池堆11可以连接到第一线路L1和第二线路L2。电池12可以连接到第二线路L2和第三线路L3。
根据以上实施例，控制装置25通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器13的切换占空比，使得燃料电池堆11和电池12的实际电力分配等于目标电力分配，例如，使得燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。然而，本发明不受限于这种结构。例如，可以执行反馈控制，使得代替燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)，使电池12的电流(Ib)等于目标值。进一步地，可以执行反馈控制，使得代替电流，使燃料电池堆11的电压(VFC)或电池12的电压(VB)的检测值等于目标值。还可以执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆11和电池12的输出比等于目标值。
此外，例如，当驱动电动机22再生时，可以执行反馈控制，使得代替燃料电池堆11的电流(输出电流Ifc)，使燃料电池堆11的输出等于目标值。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器13交替地在其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机22被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个可以交替地被切换为导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机22被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下，参照图20-30提供对根据本发明的第二实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置如图20中所示例如包括燃料电池堆(FC)111、电池112、第一DC-DC转换器113以及空气泵逆变器114。例如，电源装置110连接到驱动电动机逆变器115。
例如，电源装置110设置在用于燃料电池车辆的电源系统120中。例如，如图21和图22中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统120包括电源装置110、空气泵(AP)121、驱动电动机122、第二DC-DC转换器123、空气调节器124、控制装置125、接地故障传感器126、输出电流传感器127、相电流传感器128以及角度传感器129。
燃料电池堆111通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵121被供应给燃料电池堆111的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵121从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵121将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆111的阴极。空气泵逆变器114根据由控制装置125输出的控制指令控制驱动该空气泵121的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器114包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池112的替代物，电源装置10可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器113例如是限流器型DC-DC转换器。如图22中所示，第一DC-DC转换器113包括具有三相的桥接电路131、具有三相的扼流线圈132以及平滑电容器133。上述桥接电路131包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图20和图21中以简化形式示出了第一DC-DC转换器113。因此，在三相中，在图20和图21中仅示出了开关元件和扼流线圈132的一相。
桥接电路131与形成随后所述的驱动电动机逆变器115的三相桥接电路151相同。在该桥接电路131中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P102的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N102的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路131由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置125输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态。
平滑电容器133连接到次级侧正端子P102和次级侧负端子N102。
对于三相扼流线圈132，扼流线圈132中的每一个的端部都连接在桥接电路131的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈132中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈32中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P101。
例如，如图23中所示，三相扼流线圈132通过以共模的方式绕单个矩形芯体141缠绕而形成。扼流线圈132被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈132中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈132中的一相是分散的并绕一对相对侧部141a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体141的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈132中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体141的两对相对侧部中的另一对相对侧部141b缠绕。
例如，如图24中所示，三相扼流线圈132中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体141的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈132中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L101、L102和L103，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L101的电势＞L102的电势＞L103的电势)，第一DC-DC转换器113的初级侧连接到第二线路L102和第三线路L103。DC-DC转换器113的次级侧连接到第一线路L101和第三线路L103。换句话说，第一线路L101连接到次级侧正端子P102，第二线路L102连接到初级侧正端子P101，而第三线路L103连接到初级侧负端子N101和次级侧负端子N102。
对于这种第一DC-DC转换器113，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机122被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈132受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈132的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈32的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈132中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器133使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机122被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈132由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈132的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈132的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈132中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器113由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置125输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器113根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆111通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器111a和电容器111b连接到第二线路L102和第三线路L103。电池112通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器112a以及通过设置在正电极侧的限流电路112b连接到第一线路L101和第二线路L102。因此，燃料电池堆111和电池112在第一线路L101与第三线路L103之间串联连接。燃料电池堆111和电池112因此包括在电池电路110a中。
当电力从第一线路L101和第三线路L103输出到负载(例如，驱动电动机122)时，第一线路L101和第三线路L103连接到驱动电动机逆变器115。
作为空气泵121的驱动电路的空气泵逆变器114连接到第二线路L102和第三线路L103。
包括在三相驱动电动机122的驱动电路中的驱动电动机逆变器115是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器115包括三相桥接电路151，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路151与形成第一DC-DC转换器113的三相桥接电路131相同。在桥接电路151中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器113的次级侧正端子P102的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器113的次级侧负端子N102的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器115由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动。该信号从控制装置125输出并输入到桥接电路151的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机122被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，驱动电动机逆变器115将从电源装置110输出的直流电转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，驱动电动机逆变器115将U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机22被再生时，例如，驱动电动机逆变器将从驱动电动机122输出的三相交流电转换成直流电，并将该直流电供应给第一DC-DC转换器113。然后，驱动电动机逆变器115给电池充电，并且将电力供给连接到第一DC-DC转换器113的负载。
驱动电动机122例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器115供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机122。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机122侧同时车辆减速时，驱动电动机122用作发电机。这样，驱动电动机122产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机122回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器123例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器123。
第二DC-DC转换器123连接到第一线路L101和第二线路L102。该第二DC-DC转换器123根据从控制装置125输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L101与第二线路L102之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器123的负载。
空气调节器124包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器124例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器124连接到第一线路L101和第二线路L102。电力从第一线路L101和第二线路L102被供应到空气调节器124。
控制装置125执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器113的切换占空比。同时，控制装置125控制驱动电动机逆变器115的电力转换操作。
控制装置125接收例如由接地故障传感器126、输出电流传感器127、相电流传感器128以及角度传感器129输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器126连接到第一线路L101和第三线路L103并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器127检测燃料电池堆111的输出电流IFC，所述相电流传感器128检测驱动电动机逆变器115与驱动电动机122之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器129检测驱动电动机的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机122的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置125例如包括电力消耗计算单元161、目标电流分配单元162、目标电流设定单元163、占空比控制单元164以及驱动电动机控制单元165。
电力消耗计算单元161计算负载(例如，装载在电源装置110外的驱动电动机122、空气调节器以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置110内的空气泵逆变器114)的总电力消耗，其中电力从电源装置110被供应给所述负载。
当驱动电动机122被驱动时，例如，目标电力分配设定单元162例如根据燃料电池堆111的状态(例如，燃料电池堆111的基于发电指令的状态的变化率)和电池112的剩余容量SOC来设定形成电源装置110的电池电路110a的燃料电池堆111和电池112的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元162设定当由电力消耗计算单元161计算的总电力消耗被认为是通过由燃料电池堆111输出的电力加上由电池112输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机122被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器113的切换占空比相对应的值(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)。如下所示，可以使用燃料电池堆111的电压(“VFC”)和电池112的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆111的电压(“VFC”)和电池112的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图25和图26中所示，燃料电池堆111的电压(“VFC”)和电池112的电压(“VB”)与燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池112的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此对应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆111的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池112的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机122被再生时，目标电力分配设定单元62根据燃料电池堆111的状态(例如，燃料电池堆111的基于发电指令的状态的变化率)和电池112的剩余容量SOC以及驱动电动机122的再生电力等来设定燃料电池堆111和驱动电动机逆变器115的电力供应侧的电力分配，以及设定电池112和负载(例如，空气调节器124和车辆辅助装置以及空气泵逆变器114)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆111的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池112的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元163通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机122被驱动时燃料电池堆111的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆111的操作点、电池112的操作点、第一DC-DC转换器113的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图27中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器113的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆111的操作点与电池112的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆111的操作点和电池112的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆111的操作点与电池112的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器13的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池112的操作点被设定成具有随着燃料电池堆111的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆111的操作点与电池112的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆111的操作点相对应的电力和与电池112的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆111的操作点和电池112的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆111和电池112的操作点根据由目标电力分配单元162设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元161计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器113的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元163输出与该操作点相对应的燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机122被再生时，目标电流设定单元163根据由目标电力分配设定单元162设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元164控制第一DC-DC转换器113的切换占空比，使得燃料电池堆111和电池112的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元162设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元164控制第一DC-DC转换器113的切换占空比，使得由输出电流传感器127输出的燃料电池堆111的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元163输出的燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的目标值。
该占空比控制单元164包括例如电流偏差计算单元171、反馈处理单元172、和PWM信号生成单元173。
电流偏差计算单元171计算和输出由电流传感器127输出的燃料电池堆111的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元163输出的燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的目标值之间的电流偏差。
反馈处理单元172通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元171输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆111输出与从反馈处理单元172输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元173生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器113的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机122被驱动时，驱动电动机控制单元165在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元165根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机122的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元165根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元165根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器115的桥接电路151。同时，驱动电动机控制单元165执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器15供应给驱动电动机122的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系而得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机122被再生时，驱动电动机控制单元165根据基于由角度传感器129输出的驱动电动机122的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器115的桥接电路151的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元165输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元165根据导通和截止桥接电路151的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元165将预定电压值输出给驱动电动机逆变器115的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的113次级侧正端子P102与次级侧负端子N102之间。
换句话说，例如，当驱动电动机122被驱动，控制装置125执行反馈控制，使得燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置125控制第一DC-DC转换器113的切换占空比。例如，如图28中所示，该控制装置125连续控制电源装置110的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器113的升压比近似等于2至3时，电源装置110的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池112的输出被供应给驱动电动机逆变器115和空气泵逆变器114。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置110的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式。在第一模式中，电池112的输出被供应给驱动电动机逆变器115和空气泵逆变器114。同时，在第一模式中，燃料电池堆111的输出被供应给驱动电动机逆变器115，并且电池112的电流(Ib)变得大于燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池112的输出被供应给驱动电动机逆变器115和空气泵逆变器114。同时，在第二模式中，燃料电池堆111的输出被供应给驱动电动机逆变器115，并且电池112的电流(Ib)变得等于燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器114的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池112和燃料电池堆111的输出被供应给驱动电动机逆变器115和空气泵逆变器114，并且电池112的电流(Ib)变得小于燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池112的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图28中所示。另外，燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器115的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。同时，电池112的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆111的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置110的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式。在第一FC模式中，仅燃料电池堆111的输出被供应给驱动电动机逆变器115和空气泵逆变器114。在第二FC模式中，仅燃料电池堆111的输出被供应给驱动电动机逆变器115、空气泵逆变器114以及电池112，从而给电池112充电。
因此，电池112的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图28中所示。同时，燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器115的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池112的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆111的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机122被再生时，控制装置125执行反馈控制，使得燃料电池堆111的的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置125通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器113的切换占空比。
例如，电源装置110的其中燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池112通过驱动电动机逆变器115的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置110的其中燃料电池堆111的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器115的再生电力和燃料电池堆111的输出被供应给空气泵逆变器114和电池112并且电池112被充电的(再生+FC电池充电)模式。
控制装置125输出关于被供应给燃料电池堆111的反应气体的压力和流量的指令值作为用于使燃料电池堆111生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆111的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆111的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆11生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆111的电压VFC、燃料电池堆111的输出电流Ifc、以及燃料电池堆111的内部温度。这样，控制装置125控制燃料电池堆11生成电力的条件。
控制装置125根据燃料电池堆11生成电力时的条件切换接触器111a的接通和断开状态。另外，控制装置125控制燃料电池堆111、第二线路L102以及第三线路L103之间的连接。
例如，控制装置125还根据电池112的剩余容量SOC切换接触器112a和限流电路112b的接通和断开状态。因此，控制装置125控制电池112和第一线路L101以及第二线路L102之间的连接。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置110，可以仅通过相对于其中燃料电池堆111和电池112串联连接的电池电路110a提供单个第一DC-DC转换器113来切换多个操作模式。例如，与其中为燃料电池堆111和电池112中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统120，通过提供单个第一DC-DC转换器113，可以降低用于构造电源装置110所需的成本，并且可以减小电源装置110的尺寸。因为燃料电池堆111和电池112串联连接，与燃料电池堆111和电池112并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器115的操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机122和驱动电动机逆变器115的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统120所需的成本，并且可以减小尺寸。
进一步地，即使第一DC-DC转换器113状态是异常的(例如，当断路故障发生时)，也可以从电池电路110a将电力供应给驱动电动机逆变器115。特别是，与其中从电池112输出的情况相比较，通过从燃料电池堆111输出，可以使燃料电池车辆运行相对长的时间期间。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器123分离的空气调节器124、和连接到第二DC-DC转换器的123的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器123连接到第一线路L101和第二线路L102。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图29中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L102和第三线路L103。另外，如图30中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L101和第三线路L103。
根据以上结构，作为空气泵121的驱动电路的空气泵逆变器114连接到第二线路L102和第三线路L103。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆111的泵(例如，空气泵121)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第二线路L102和第三线路L103。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器113交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且中低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机122被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机122被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下参照图31-41提供对根据本发明的第三实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置如图31中所示例如包括燃料电池堆(FC)211、电池212、第一DC-DC转换器213以及空气泵逆变器214。例如，电源装置210连接到驱动电动机逆变器215。
例如，电源装置210设置在用于燃料电池车辆的电源系统220中。例如，如图32和图33中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统220包括电源装置210、空气泵(AP)221、驱动电动机222、第二DC-DC转换器223、空气调节器224、控制装置225、接地故障传感器226、输出电流传感器227、相电流传感器228以及角度传感器229。
燃料电池堆211通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵221被供应给燃料电池堆111的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵221从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵221将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆111的阴极。空气泵逆变器214根据由控制装置225输出的控制指令控制驱动该空气泵221的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器214包括例如基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池212的替代物，电源装置210可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器213例如是限流器型DC-DC转换器。如图33中所示，该第一DC-DC转换器213包括具有三相的桥接电路231、具有三相的扼流线圈232以及平滑电容器233。上述桥接电路231包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图31和图32中以简化形式示出了第一DC-DC转换器213。因此，在三相中，在图31和图32中仅示出了开关元件和扼流线圈232的一相。
桥接电路231与形成随后所述的驱动电动机逆变器215的三相桥接电路251相同。在该桥接电路231中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P202的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N202的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路231由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置225输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态。
平滑电容器233连接到次级侧正端子P202和次级侧负端子N202。
对于三相扼流线圈232，扼流线圈232中的每一个的端部都连接在桥接电路231的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈232中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈232中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P201。
例如，如图34中所示，三相扼流线圈232通过以共模的方式绕单个矩形芯体241缠绕而形成。扼流线圈232被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈232中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈232中的一相是分散的并绕一对相对侧部241a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体241的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈232中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体241的两对相对侧部中的另一对相对侧部241b缠绕。
例如，如图35中所示，三相扼流线圈232中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体241的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈232中的每一个可以具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L201、L202和L203，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L201的电势＞L202的电势＞L203的电势)，第一DC-DC转换器213的初级侧连接到第二线路L202和第三线路L203。DC-DC转换器213的次级侧连接到第一线路L201和第三线路L203。换句话说，第一线路L201连接到次级侧正端子P202，第二线路L202连接到初级侧正端子P201，而第三线路L203连接到初级侧负端子N201和次级侧负端子N202。
对于这种第一DC-DC转换器213，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机222被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈232受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈232的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈232的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈232中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器233使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机222被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈232由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈232的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈232的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈232中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器213由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置225输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器213根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆211通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器211a和电容器211b连接到第二线路L202和第三线路L203。电池212通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器212a以及通过设置在正电极侧的限流电路212b连接到第一线路L201和第二线路L202。因此，燃料电池堆211和电池212在第一线路L201与第三线路L203之间串联连接。燃料电池堆111和电池212因此包括在电池电路210a中。
当电力从第一线路L201和第三线路L203输出到负载(例如，驱动电动机222)时，第一线路L201和第三线路L203连接到驱动电动机逆变器215。
空气泵逆变器214连接到第一线路L201和第三线路L203。此空气泵逆变器14是空气泵221的驱动电路。
包括三相驱动电动机222的驱动电路的驱动电动机逆变器215是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器215包括三相桥接电路251，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路251与形成第一DC-DC转换器213的三相桥接电路231相同。在桥接电路251中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器213的次级侧正端子P202的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器213的次级侧负端子N202的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器215由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置225输出并输入到桥接电路251的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机222被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，驱动电动机逆变器215将从电源装置210输出的直流电转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，驱动电动机逆变器215将U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机222被再生时，例如，驱动电动机逆变器将从驱动电动机222输出的三相交流电被转换成直流电，并将直流电供应给第一DC-DC转换器213。然后，驱动电动机逆变器215为电池充电，并且将电力供给连接到第一DC-DC转换器213的负载。
驱动电动机222例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器215供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机222。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机222侧同时车辆减速时，驱动电动机222用作发电机。这样，驱动电动机222产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机222回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器223例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器223。
第二DC-DC转换器223连接到第一线路L201和第二线路L202。该第二DC-DC转换器223根据从控制装置225输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L201与第二线路L202之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器223的负载。
空气调节器224包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器224例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器224连接到第一线路L201和第二线路L202。电力从第一线路L201和第二线路L202被供应到空气调节器224。
控制装置225执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器213的切换占空比。同时，控制装置225控制驱动电动机逆变器215的电力转换操作。
控制装置225接收例如由接地故障传感器226、输出电流传感器227、相电流传感器228以及角度传感器229输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器226连接到第一线路L201和第三线路L203并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器227检测燃料电池堆211的输出电流IFC，所述相电流传感器228检测驱动电动机逆变器215与驱动电动机222之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器229检测驱动电动机的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机222的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置225例如包括电力消耗计算单元261、目标电流分配单元262、目标电流设定单元263、占空比控制单元264以及驱动电动机控制单元265。
电力消耗计算单元261计算负载(例如，装载在电源装置10外的驱动电动机22、空气调节器224以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置10内的空气泵逆变器214)的总电力消耗，其中电力从电源装置210被供应给所述负载。
当驱动电动机222被驱动时，例如，目标电力分配设定单元262例如根据燃料电池堆211的状态(例如，燃料电池堆211的基于发电指令的状态的变化率)和电池212的剩余容量SOC来设定形成电源装置210的电池电路210a的燃料电池堆211和电池212的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元262设定当由电力消耗计算单元261计算的总电力消耗是通过由燃料电池堆211输出的电力加上由电池212输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机222被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器213的切换占空比相对应的值(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)。如下所示，可以使用燃料电池堆211的电压(“VFC”)和电池212的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆211的电压(“VFC”)和电池212的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图36和图37中所示，燃料电池堆211的电压(“VFC”)和电池212的电压(“VB”)与燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池212的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此相应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆211的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池212的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机222被再生时，目标电力分配设定单元262根据燃料电池堆211的状态(例如，燃料电池堆211的基于发电指令的状态的变化率)和电池212的剩余容量SOC以及驱动电动机222的再生电力等来设定燃料电池堆211和驱动电动机逆变器215的电力供应侧的电力分配，以及设定电池212和负载(例如，空气调节器24和车辆辅助装置以及空气泵逆变器214)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆211的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池212的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元263通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机222被驱动时燃料电池堆211的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆211的操作点、电池212的操作点、第一DC-DC转换器213的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图38中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器213的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆211的操作点与电池212的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆211的操作点和电池212的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆211的操作点与电池212的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器213的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池212的操作点被设定成具有随着燃料电池堆211的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆211的操作点与电池212的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆211的操作点相对应的电力和与电池212的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆211的操作点和电池212的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆211和电池212的的操作点根据由目标电力分配单元262设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元261计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器213的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元263输出与该操作点相对应的燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机222被再生时，目标电流设定单元263根据由目标电力分配设定单元262设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元264控制第一DC-DC转换器213的切换占空比，使得燃料电池堆211和电池212的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元262设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元264控制第一DC-DC转换器213的切换占空比，使得由输出电流传感器227输出的燃料电池堆211的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元263输出的燃料电池堆211的目标电流(输出电流Ifc)。
该占空比控制单元264包括例如电流偏差计算单元271、反馈处理单元272和PWM信号生成单元273。
电流偏差计算单元271计算和输出由电流传感器227输出的燃料电池堆211的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元263输出的燃料电池堆211的目标电流(输出电流Ifc)之间的电流偏差。
反馈处理单元272通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元271输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆211输出与从反馈处理单元272输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元273生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器213的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机222被驱动，驱动电动机控制单元265在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元265根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机222的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元265根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元265根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器215的桥接电路251。同时，驱动电动机控制单元265执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器215供应给驱动电动机12的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机222被再生时，驱动电动机控制单元265根据基于由角度传感器29输出的驱动电动机22的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器215的桥接电路251的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元265输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元265根据导通和截止桥接电路251的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元265将预定电压值输出给驱动电动机逆变器215的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的213次级侧正端子P202与次级侧负端子N202之间。
换句话说，例如，当驱动电动机222被驱动，控制装置225执行反馈控制，使得燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置225控制第一DC-DC转换器213的切换占空比。例如，如图39中所示，该控制装置225连续控制电源装置210的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器213的升压比近似等于2至3时，电源装置210的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池212的输出被供应给驱动电动机逆变器215和空气泵逆变器214，例如，如图40A图40B所示。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置210的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式。在第一模式中，电池212的输出被供应给驱动电动机逆变器215和空气泵逆变器214。同时，在第一模式中，燃料电池堆211的输出被供应给驱动电动机逆变器215，并且电池212的电流(Ib)变得大于燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池212的输出被供应给驱动电动机逆变器215和空气泵逆变器214。同时，在第二模式中，燃料电池堆211的输出被供应给驱动电动机逆变器215，并且电池212的电流(Ib)变得等于燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器214的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池212和燃料电池堆211的输出被供应给驱动电动机逆变器215和空气泵逆变器214，并且电池212的电流(Ib)变得小于燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池212的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图39中所示。另外，燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器215的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池212的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆211的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置210的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式。在第一FC模式中，仅燃料电池堆211的输出被供应给驱动电动机逆变器215和空气泵逆变器214。在第二FC模式中，仅燃料电池堆211的输出被供应给驱动电动机逆变器215、空气泵逆变器214以及电池212，从而给电池212充电。
因此，电池212的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图39中所示。同时，燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器215的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池212的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆211的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机222被再生时，控制装置225执行反馈控制，使得燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置225通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器213的切换占空比。
例如，电源装置210的其中燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池212通过驱动电动机逆变器215的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置210的其中燃料电池堆211的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器215的再生电力和燃料电池堆211的输出被供应给空气泵逆变器214和电池212并且电池212被充电的(再生+FC电池充电)模式。
控制装置225输出关于被供应给燃料电池堆211的反应气体的压力和流量的指令值，作为用于使燃料电池堆211生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆211的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆211的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆211生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆211的电压VFC、燃料电池堆211的输出电流Ifc、以及燃料电池堆211的内部温度。这样，控制装置225控制燃料电池堆211生成电力的条件。
控制装置225根据燃料电池堆211生成电力时的条件切换接触器211a的接通和断开状态。另外，控制装置225控制燃料电池堆211、第二线路L202以及第三线路L203之间的连接。
控制装置225还根据电池212的剩余容量SOC切换接触器212a和限流电路212b的接通和断开状态。因此，控制装置225控制电池212和第一线路L201以及第二线路L202之间的连接。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置210，可以仅通过相对于其中燃料电池堆211和电池212串联连接的电池电路210a提供单个第一DC-DC转换器213来切换多个操作模式。例如，与其中为燃料电池堆211和电池212中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统220，通过提供单个第一DC-DC转换器213，可以降低用于构造电源装置210所需的成本，并且可以减小电源装置210的尺寸。因为燃料电池堆211和电池212串联连接，与燃料电池堆211和电池212并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器215的操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机222和驱动电动机逆变器215的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统220所需的成本，并且可以减小尺寸。
进一步地，可以增大空气泵逆变器214的操作电压，并且可以减小电流。另外，可以减小空气泵(AP)221的电动机和空气泵逆变器214的尺寸。同时，可以增强操作效率。这样，可以减小用于构造燃料电池装置的电源系统220所需的成本，并且可以使尺寸形成得更小。
进一步地，即使第一DC-DC转换器213状态是异常的(例如，当断路故障发生时)，也可以通过从电池电路210a将电力供应给驱动电动机逆变器215来驱动燃料电池车辆。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器223分离的空气调节器224、和连接到第二DC-DC转换器223的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器223连接到第一线路L201和第二线路L202。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图40中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L202和第三线路L203。另外，如图41中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L201和第三线路L203。
根据以上结构，空气泵逆变器214连接到第一线路L201和第三线路L203。空气泵逆变器214是空气泵221的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆211的泵(例如，空气泵221)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L201和第三线路L203。
根据以上实施例，电池212连接到第一线路L201和第二线路L202，而燃料电池堆211连接到第二线路L202和第三线路L203。然而，本发明不受限于以上结构。燃料电池堆211可以连接到第一线路L201和第二线路L202。电池212可以连接到第二线路L202和第三线路L203。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器213交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且中低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机222被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机222被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下参照图42-62提供对根据本发明的第四实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置如图42中所示例如包括燃料电池堆(FC)311、电池312、第一DC-DC转换器313以及空气泵逆变器314。例如，电源装置310连接到驱动电动机逆变器315。
例如，电源装置310设置在用于燃料电池车辆的电源系统320中。例如，如图43和图44中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统320包括电源装置310、空气泵(AP)321、驱动电动机322、第二DC-DC转换器323、空气调节器324、控制装置325、接地故障传感器326、输出电流传感器327、相电流传感器328以及角度传感器329。
燃料电池堆311通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵321被供应给燃料电池堆311的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵321从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵321将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆311的阴极。空气泵逆变器314根据由控制装置325输出的控制指令控制驱动该空气泵321的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器314包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池312的替代物，电源装置310可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器313例如是限流器型DC-DC转换器。如图44中所示，第一DC-DC转换器313包括具有三相的桥接电路331、具有三相的扼流线圈332以及平滑电容器333。上述桥接电路331包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图42和图43中以简化形式示出了第一DC-DC转换器313。因此，在三相中，在图42和图43中仅示出了开关元件和扼流线圈332的一相。
桥接电路331与形成随后所述的驱动电动机逆变器315的三相桥接电路351相同。在该桥接电路331中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P302的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N302的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路331由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置325输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态。
平滑电容器333连接到次级侧正端子P302和次级侧负端子N302。
对于三相扼流线圈332，扼流线圈332中的每一个的端部都连接在桥接电路331的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈332中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈332中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P301。
例如，如图45中所示，三相扼流线圈332通过以共模的方式绕单个矩形芯体341缠绕而形成。扼流线圈332被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈332中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈332中的一相是分散的并绕一对相对侧部341a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体341的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈332中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体341的两对相对侧部中的另一对相对侧部341b缠绕。
例如，如图46中所示，三相扼流线圈332中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体341的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈332中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L301、L302和L303，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L301的电势＞L302的电势＞L303的电势)，第一DC-DC转换器313的初级侧连接到第二线路L302和第三线路L303。DC-DC转换器313的次级侧连接到第一线路L301和第三线路L303。换句话说，第一线路L301连接到次级侧正端子P302，第二线路L302连接到初级侧正端子P301，而第三线路L303连接到初级侧负端子N301和次级侧负端子N302。
对于这种第一DC-DC转换器313，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机322被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈332受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈332的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈332的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈332中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器333使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机322被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈332由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈332的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈332的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈332中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器313由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置325输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器313根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆311通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器311a和电容器311b连接到第二线路L302和第三线路L303。电池312通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器312a以及通过设置在正电极侧的限流电路312b连接到第一线路L301和第二线路L302。因此，燃料电池堆311和电池312在第一线路L301与第三线路L303之间串联连接。燃料电池堆311和电池312因此包括在电池电路310a中。
当电力从第一线路L301和第三线路L303输出到负载(例如，驱动电动机322)时，第一线路L301和第三线路L303连接到驱动电动机逆变器315。
空气泵逆变器314连接到第一线路L301和第二线路L302。此空气泵逆变器314是空气泵321的驱动电路。
包括在三相驱动电动机322的驱动电路中的驱动电动机逆变器315是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器315包括三相桥接电路351，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路351与形成第一DC-DC转换器313的三相桥接电路331相同。在桥接电路351中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器313的次级侧正端子P302的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器313的次级侧负端子N302的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器315由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置325输出并输入到桥接电路351的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机322被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，将从电源装置310输出的直流电转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机322被再生时，例如，从驱动电动机322输出的三相交流电被转换成直流电，并被供应给第一DC-DC转换器313。然后，电池被充电，并且电力被供给连接到第一DC-DC转换器313的负载。
驱动电动机322例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器315供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机322。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机322侧同时车辆减速时，驱动电动机322用作发电机。这样，驱动电动机322产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机322回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器323例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器323。
第二DC-DC转换器323连接到第一线路L301和第二线路L302。该第二DC-DC转换器323根据从控制装置25输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L301与第二线路L302之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器323的负载。
空气调节器324包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器324例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器324连接到第一线路L301和第二线路L302。电力从第一线路L301和第二线路L302被供应到空气调节器324。
控制装置325执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器313的切换占空比。同时，控制装置325控制驱动电动机逆变器315的电力转换操作。
控制装置325接收例如由接地故障传感器326、输出电流传感器327、相电流传感器328以及角度传感器329输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器326连接到第一线路L301和第三线路L303并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器327检测燃料电池堆311的输出电流IFC，所述相电流传感器328检测驱动电动机逆变器315与驱动电动机322之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器329检测驱动电动机的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机322的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置325例如包括电力消耗计算单元361、目标电流分配单元362、目标电流设定单元363、占空比控制单元364以及驱动电动机控制单元365。
电力消耗计算单元361计算负载(例如，装载在电源装置310外的驱动电动机322、空气调节器324以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置310内的空气泵逆变器314)的总电力消耗，其中电力从电源装置310被供应给所述负载。
当驱动电动机322被驱动时，例如，目标电力分配设定单元362例如根据燃料电池堆311的状态(例如，燃料电池堆311的基于发电指令的状态的变化率)和电池312的剩余容量SOC来设定形成电源装置310的电池电路310a的燃料电池堆311和电池312的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元362设定当由电力消耗计算单元361计算的总电力消耗是通过由燃料电池堆311输出的电力加上由电池312输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机322被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器313的切换占空比相对应的值(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个被导通的比例)。如下所示，可以使用燃料电池堆311的电压(“VFC”)和电池312的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆311的电压(“VFC”)和电池312的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图47和图48中所示，燃料电池堆311的电压(“VFC”)和电池312的电压(“VB”)与燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池312的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此相应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆311的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池312的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机322被再生时，目标电力分配设定单元362根据燃料电池堆311的状态(例如，燃料电池堆311的基于发电指令的状态的变化率)和电池12的剩余容量SOC以及驱动电动机322的再生电力等来设定燃料电池堆311和驱动电动机逆变器315的电力供应侧的电力分配，以及设定电池312和负载(例如，空气调节器324和车辆辅助装置以及空气泵逆变器314)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆311的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池312的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元363通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机322被驱动时燃料电池堆311的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆311的操作点、电池312的操作点、第一DC-DC转换器313的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图49中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器313的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆311的操作点与电池312的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆311的操作点和电池312的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆311的操作点与电池312的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器313的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池312的操作点被设定成具有随着燃料电池堆311的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆311的操作点与电池312的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆311的操作点相对应的电力和与电池312的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆311的操作点和电池312的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆311和电池312的的操作点根据由目标电力分配单元362设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元361计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器313的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元363输出与该操作点相对应的燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机322被再生时，目标电流设定单元363根据由目标电力分配设定单元362设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元364控制第一DC-DC转换器313的切换占空比，使得燃料电池堆311和电池312的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元362设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元364控制第一DC-DC转换器313的切换占空比，使得由输出电流传感器327输出的燃料电池堆311的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元363输出的燃料电池堆311的目标电流(输出电流Ifc)。
该占空比控制单元364包括例如电流偏差计算单元371、反馈处理单元372、和PWM信号生成单元373。
电流偏差计算单元371计算和输出由电流传感器327输出的燃料电池堆311的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元363输出的燃料电池堆311的目标电流(输出电流Ifc)之间的电流偏差。
反馈处理单元372通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元371输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆311输出与从反馈处理单元372输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元373生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器313的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机322被驱动时，驱动电动机控制单元365在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元365根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机322的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元365根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元365根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器315的桥接电路351。同时，驱动电动机控制单元365执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器315供应给驱动电动机312的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机322被再生时，驱动电动机控制单元365根据基于由角度传感器329输出的驱动电动机322的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器315的桥接电路351的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元365输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元365根据导通和截止桥接电路351的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元365将预定电压值输出给驱动电动机逆变器315的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的313次级侧正端子P302与次级侧负端子N302之间。
换句话说，例如，当驱动电动机322被驱动时，控制装置325执行反馈控制，使得燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置325控制第一DC-DC转换器313的切换占空比。例如，如图50中所示，该控制装置325连续控制电源装置310的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器313的升压比近似等于2至3时，电源装置310的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池312的输出被供应给驱动电动机逆变器315和空气泵逆变器314，例如，如图51A图51B所示。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置310的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式，例如，如图52A-54B中所示。在第一模式中，电池312的输出被供应给驱动电动机逆变器315和空气泵逆变器314。同时，在第一模式中，燃料电池堆311的输出被供应给驱动电动机逆变器315，并且电池312的电流(Ib)变得大于燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池312的输出被供应给驱动电动机逆变器315和空气泵逆变器314。同时，在第二模式中，燃料电池堆311的输出被供应给驱动电动机逆变器315，并且电池312的电流(Ib)变得等于燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器314的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池312和燃料电池堆311的输出被供应给驱动电动机逆变器315和空气泵逆变器14，并且电池312的电流(Ib)变得小于燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池312的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图50中所示。另外，燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器315的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池312的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆311的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置310的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式，例如，如图55A-56B中所示。在第一FC模式中，仅燃料电池堆311的输出被供应给驱动电动机逆变器315和空气泵逆变器314。在第二FC模式中，仅燃料电池堆311的输出被供应给驱动电动机逆变器315、空气泵逆变器314以及电池312，从而给电池312充电。
因此，电池312的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图50中所示。同时，燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器315的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池312的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆311的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机322被再生时，控制装置325执行反馈控制，使得燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置325通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器313的切换占空比。
例如，如图57A和57B中所示，电源装置310的其中燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池312通过驱动电动机逆变器315的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置310的其中燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器315的再生电力和燃料电池堆311的输出被供应给空气泵逆变器314和电池312并且电池312被充电的(再生+FC电池充电)模式，如图58A和58B中所示。
控制装置325输出关于被供应给燃料电池堆311的反应气体的压力和流量的指令值作为用于使燃料电池堆311生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆311的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆311的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆311生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆311的电压VFC、燃料电池堆311的输出电流Ifc、以及燃料电池堆311的内部温度。这样，控制装置325控制燃料电池堆311生成电力的条件。
控制装置325根据燃料电池堆311生成电力时的条件切换接触器311a的接通和断开状态。另外，控制装置325控制燃料电池堆311、第二线路L302以及第三线路L303之间的连接。
例如，控制装置325还根据电池312的剩余容量SOC切换接触器312a和限流电路312b的接通和断开状态。因此，控制装置325控制电池312和第一线路L301以及第二线路L302之间的连接。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置310，三相扼流线圈332以共模的方式缠绕，并且在相同的方向上供应电流。因此，磁通量被放大。进一步地，例如，与其中多个扼流线圈322简单地并联连接的情况相比较，可以限制电感的下降。同时，可以减小电流脉动、切换损失和噪音。进一步地，第一DC-DC转换器313可以形成得更小并且更轻。
此外，可以仅通过相对于其中燃料电池堆311和电池312串联连接的电池电路310a提供单个第一DC-DC转换器313来切换多个操作模式。例如，与其中为燃料电池堆311和电池312中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统320，通过提供单个第一DC-DC转换器313，可以降低用于构造电源装置310所需的成本，并且可以减小电源装置310的尺寸。因为燃料电池堆311和电池312串联连接，与燃料电池堆311和电池312并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器315的操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机322和驱动电动机逆变器315的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统320所需的成本，并且可以减小尺寸。
另外，电力可以直接从电池312被供应给空气泵逆变器314。也可以适当地操作燃料电池堆311。
进一步地，即使第一DC-DC转换器313状态是异常的(例如，当断路故障发生时)，也可以通过从电池电路310a将电力供应给驱动电动机逆变器315来驱动燃料电池车辆。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器323分离的空气调节器324、和连接到第二DC-DC转换器的323的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器323连接到第一线路L301和第二线路L302。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图59中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L302和第三线路L303。另外，如图60中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L301和第三线路L303。
根据以上结构，空气泵逆变器314连接到第一线路L301和第二线路L302，且空气泵逆变器314是空气泵321的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆311的泵(例如，空气泵321)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个的驱动电路可以连接到第一线路L301和第二线路L302。
另外，将反应气体供应给燃料电池堆311的泵(例如，空气泵321)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个的驱动电路可以连接到第二线路L302和第三线路L303。以上泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L301和第三线路L303。
根据以上实施例，电池312连接到第一线路L301和第二线路L302，而燃料电池堆311连接到第二线路L302和第三线路L303。然而，本发明不受限于以上结构。燃料电池堆311可以连接到第一线路L301和第二线路L302。电池312可以连接到第二线路L302和第三线路L303。
根据以上实施例，控制装置325通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器313的切换占空比，使得燃料电池堆311和电池312的实际电力分配等于目标电力分配，例如，使得燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。然而，本发明不受限于这种结构。例如，可以执行反馈控制，使得代替燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)，电池312的电流(Ib)等于目标值。进一步地，可以执行反馈控制，使得代替电流，燃料电池堆311的电压(VFC)或电池312的电压(VB)的检测值等于目标值。还可以执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆311和电池312的输出比等于目标值。
此外，例如，当驱动电动机322再生时，可以执行反馈控制，使得代替燃料电池堆311的电流(输出电流Ifc)，燃料电池堆311的输出等于目标值。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器313交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且中低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机322被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机322被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下参照图61-80提供对根据本发明的第五实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置如图61-63中所示例如包括燃料电池堆(FC)411、电池412、第一DC-DC转换器413、空气泵逆变器414以及控制装置425。另外，例如，电源装置410连接到驱动电动机逆变器415。
例如，电源装置410设置在用于燃料电池车辆的电源系统420中。例如，如图62和图63中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统420包括电源装置410、空气泵(AP)421、驱动电动机422、第二DC-DC转换器423、空气调节器424、接地故障传感器426、输出电流传感器427、相电流传感器428以及角度传感器429。
燃料电池堆411通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵421被供应给燃料电池堆411的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵421从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵421将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆411的阴极。空气泵逆变器414根据由控制装置425输出的控制指令控制驱动该空气泵421的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器414包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池412的替代物，电源装置410可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器413例如是限流器型DC-DC转换器。如图63中所示，第一DC-DC转换器413包括具有三相的桥接电路431、具有三相的扼流线圈432以及平滑电容器433。上述桥接电路431包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图61和图62中以简化形式示出了第一DC-DC转换器413。因此，在三相中，在图61和图62中仅示出了开关元件和扼流线圈432的一相。
桥接电路431与形成随后所述的驱动电动机逆变器415的三相桥接电路451相同。在该桥接电路431中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P402的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N402的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路431由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置425输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态。
平滑电容器433连接到次级侧正端子P402和次级侧负端子N402。
对于三相扼流线圈432，扼流线圈432中的每一个的端部都连接在桥接电路431的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈432中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈432中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P401。
例如，如图64中所示，三相扼流线圈432通过以共模的方式绕单个矩形芯体441缠绕而形成。扼流线圈432被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈432中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈432中的一相是分散的并绕一对相对侧部441a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体441的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈432中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体441的两对相对侧部中的另一对相对侧部441b缠绕。
例如，如图65中所示，三相扼流线圈432中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体441的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈432中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L401、L402和L403，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L401的电势＞L402的电势＞L403的电势)，第一DC-DC转换器413的初级侧连接到第二线路L402和第三线路L403。DC-DC转换器413的次级侧连接到第一线路L401和第三线路L403。换句话说，第一线路L401连接到次级侧正端子P402，第二线路L402连接到初级侧正端子P401，而第三线路L403连接到初级侧负端子N401和次级侧负端子N402。
对于这种第一DC-DC转换器413，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机422被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈432受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈432的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈432的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈432中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器433使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机422被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈432由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈432的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈432的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈432中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器413由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置425输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器413根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆411通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器411a和电容器411b连接到第二线路L402和第三线路L403。电池412通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器412a以及通过设置在正电极侧的限流电路412b连接到第一线路L401和第二线路L402。因此，燃料电池堆411和电池412在第一线路L401与第三线路L403之间串联连接。燃料电池堆411和电池412因此包括电池电路410a。
当电力从第一线路L401和第三线路L403输出到负载(例如，驱动电动机422)时，第一线路L401和第三线路L403连接到驱动电动机逆变器415。
空气泵逆变器414连接到第一线路L401和第二线路L402。此空气泵逆变器414是空气泵421的驱动电路。
包括三相驱动电动机422的驱动电路的驱动电动机逆变器415是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器415包括三相桥接电路451，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路451与形成第一DC-DC转换器413的三相桥接电路431相同。在桥接电路451中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器413的次级侧正端子P402的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器413的次级侧负端子N402的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器415由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置425输出并输入到桥接电路451的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机422被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，从电源装置410输出的直流电被转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机422被再生时，例如，驱动电动机逆变器415将从驱动电动机422输出的三相交流电转换成直流电，并将直流电供应给第一DC-DC转换器413。然后，驱动电动机逆变器415为电池412充电，并且电力被供给连接到第一DC-DC转换器413的负载。
驱动电动机422例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器415供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机422。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机422侧同时车辆减速时，驱动电动机422用作发电机。这样，驱动电动机422产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机422回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器423例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器423。
第二DC-DC转换器423连接到第一线路L401和第二线路L402。该第二DC-DC转换器423根据从控制装置425输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L401与第二线路L402之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器423的负载。
空气调节器424包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器424例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器424连接到第一线路L401和第二线路L402。电力从第一线路L401和第二线路L402被供应到空气调节器424。
控制装置425执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器413的切换占空比。同时，控制装置425控制驱动电动机逆变器415的电力转换操作。
控制装置425接收例如由接地故障传感器426、输出电流传感器427、相电流传感器428以及角度传感器429输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器426连接到第一线路L401和第三线路L403并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器427检测燃料电池堆411的输出电流IFC，所述相电流传感器428检测驱动电动机逆变器415与驱动电动机422之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器429检测驱动电动机422的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机422的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置425例如包括电力消耗计算单元461、目标电流分配单元462、目标电流设定单元463、占空比控制单元464以及驱动电动机控制单元465。
电力消耗计算单元461计算负载(例如，装载在电源装置410外的驱动电动机422、空气调节器以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置410内的空气泵逆变器414)的总电力消耗，其中电力从电源装置410被供应给所述负载。
当驱动电动机422被驱动时，例如，目标电力分配设定单元462例如根据燃料电池堆411的状态(例如，燃料电池堆411的基于发电指令的状态的变化率)和电池412的剩余容量SOC来设定形成电源装置410的电池电路410a的燃料电池堆411和电池412的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元462设定当由电力消耗计算单元461计算的总电力消耗是通过由燃料电池堆411输出的电力加上由电池412输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机422被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器413的切换占空比相对应的值(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)。如下所示，可以使用燃料电池堆411的电压(“VFC”)和电池412的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆411的电压(“VFC”)和电池412的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图66和图67中所示，燃料电池堆411的电压(“VFC”)和电池412的电压(“VB”)与燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池412的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此相应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆411的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池412的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机422被再生时，目标电力分配设定单元462根据燃料电池堆411的状态(例如，燃料电池堆411的基于发电指令的状态的变化率)和电池412的剩余容量SOC以及驱动电动机422的再生电力等来设定燃料电池堆411和驱动电动机逆变器415的电力供应侧的电力分配，以及设定电池412和负载(例如，空气调节器424和车辆辅助装置以及空气泵逆变器414)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆411的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池412的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元463通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机422被驱动时燃料电池堆411的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆411的操作点、电池412的操作点、第一DC-DC转换器413的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图68中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器413的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆411的操作点与电池412的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆411的操作点和电池412的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆411的操作点与电池412的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器413的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池412的操作点被设定成具有随着燃料电池堆411的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆411的操作点与电池412的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆411的操作点相对应的电力和与电池412的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆411的操作点和电池412的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆411和电池412的的操作点根据由目标电力分配单元462设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元461计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器413的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元463输出与该操作点相对应的燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机422被再生时，目标电流设定单元463根据由目标电力分配设定单元462设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元464控制第一DC-DC转换器413的切换占空比，使得燃料电池堆411和电池412的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元462设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元464控制第一DC-DC转换器413的切换占空比，使得由输出电流传感器427输出的燃料电池堆411的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元463输出的燃料电池堆411的目标电流(输出电流Ifc)。
该占空比控制单元464包括例如电流偏差计算单元471、反馈处理单元472、和PWM信号生成单元473。
电流偏差计算单元471计算和输出由电流传感器427输出的燃料电池堆411的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元463输出的燃料电池堆411的目标电流(输出电流Ifc)之间的电流偏差。
反馈处理单元472通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元471输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆411输出与从反馈处理单元472输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元473生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器413的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机422被驱动，驱动电动机控制单元465在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元465根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机422的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元465根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元465根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器415的桥接电路451。同时，驱动电动机控制单元465执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器415供应给驱动电动机412的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机422被再生时，驱动电动机控制单元465根据基于由角度传感器429输出的驱动电动机422的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器415的桥接电路451的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元465输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元465根据导通和截止桥接电路451的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元465将预定电压值输出给驱动电动机逆变器415的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的413次级侧正端子P402与次级侧负端子N402之间。
换句话说，例如，当驱动电动机422被驱动时，控制装置425执行反馈控制，使得燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置425控制第一DC-DC转换器413的切换占空比。例如，如图69中所示，该控制装置425连续控制电源装置410的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器413的升压比近似等于2至3时，电源装置410的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池412的输出被供应给驱动电动机逆变器415和空气泵逆变器414，例如，如图70A图70B所示。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置410的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式，例如，如图71A-73B中所示。在第一模式中，电池412的输出被供应给驱动电动机逆变器415和空气泵逆变器414。同时，在第一模式中，燃料电池堆411的输出被供应给驱动电动机逆变器415，并且电池412的电流(Ib)变得大于燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池412的输出被供应给驱动电动机逆变器415和空气泵逆变器414。同时，在第二模式中，燃料电池堆411的输出被供应给驱动电动机逆变器415，并且电池412的电流(Ib)变得等于燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器414的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池412和燃料电池堆411的输出被供应给驱动电动机逆变器415和空气泵逆变器414，并且电池412的电流(Ib)变得小于燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池412的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图69中所示。另外，燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器415的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池412的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆411的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置410的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式，例如，如图74A-75B中所示。在第一FC模式中，仅燃料电池堆411的输出被供应给驱动电动机逆变器415和空气泵逆变器414。在第二FC模式中，仅燃料电池堆411的输出被供应给驱动电动机逆变器415、空气泵逆变器414以及电池412，从而给电池412充电。
因此，电池412的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图69中所示。同时，燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器415的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池412的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆411的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机422被再生时，控制装置425执行反馈控制，使得燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置425通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器413的切换占空比。
例如，如图76A和76B中所示，电源装置410的其中燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池412通过驱动电动机逆变器415的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置410的其中燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器415的再生电力和燃料电池堆411的输出被供应给空气泵逆变器414和电池412并且电池412被充电的(再生+FC电池充电)模式，如图77A和77B中所示。
控制装置425输出关于被供应给燃料电池堆411的反应气体的压力和流量的指令值作为用于使燃料电池堆411生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆411的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆411的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆411生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆411的电压VFC、燃料电池堆411的输出电流Ifc、以及燃料电池堆411的内部温度。这样，控制装置425控制燃料电池堆411生成电力的条件。
控制装置425根据燃料电池堆411生成电力时的条件切换接触器411a的接通和断开状态。另外，控制装置425控制燃料电池堆411、第二线路L402以及第三线路L403之间的连接。
例如，控制装置425还根据电池412的剩余容量SOC切换接触器412a和限流电路412b的接通和断开状态。因此，控制装置425控制电池412和第一线路L401以及第二线路L402之间的连接。
电源装置410和燃料电池车辆的电源系统420被如上所述构造而成。接下来，参照图78提供对电源装置410和燃料电池车辆的电源系统420的操作的说明。特别是，提供关于通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器413的切换占空比，使得燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流的操作的说明。
首先，例如，在图78中所示的步骤中S401，计算负载(电源装置410将电力供应给所述负载)的总消耗。负载的例子包括驱动电动机422、空气调节器424以及车辆辅助机械。
接下来，在步骤中S402中，例如，根据燃料电池堆411的状态(例如，燃料电池堆411的基于发电指令的状态的变化率)和电池412的剩余容量SOC来设定形成电源装置410的电池电路410a的燃料电池堆411和电池412的电力分配。换句话说，当负载的总电力消耗是通过由燃料电池堆411输出的电力加上由电池412输出的电力获得的值时，在S402中设定分配。
该电力分配变成与第一DC-DC转换器413的切换占空比相对应的值。
接下来，在步骤S403中，例如，在驱动电动机422被驱动时，通过参照预定映射获得与燃料电池堆411的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆411的操作点、电池412的操作点、第一DC-DC转换器413的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
接下来，在步骤中S404中，获得由输出电流传感器427输出的燃料电池堆411的输出电流IFC的检测值。
接下来，在步骤中S405中，例如，通过PID(比例积分微分)运算控制和放大目标电流与从输出电流传感器427输出的燃料电池堆411的输出电流IFC的检测值之间的电流偏差，计算电压指令值。
接下来，在步骤中S406中，输出门信号(即，PWM信号)，所述门信号导通和截止第一DC-DC转换器413的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个，以便从燃料电池堆411输出与电压指令值相对应的输出电流Ifc。
接下来，在步骤中S407中，根据PWM信号导通和截止第一DC-DC转换器413的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个，并且接着返回。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置410，通过相对于其中燃料电池堆411和电池412串联连接的电池电路410a提供单个第一DC-DC转换器413，并且通过控制第一DC-DC转换器413的切换占空比使得燃料电池堆411和电池412相对于负载的总电力消耗的实际电力分配等于目标电力分配，可以自由切换与燃料电池堆411和电池412的电力相对应的多个操作模式。例如，与其中为燃料电池堆411和电池412中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统420，通过提供单个第一DC-DC转换器413，可以降低用于构造电源装置410所需的成本，并且可以减小电源装置410的尺寸。因为燃料电池堆411和电池412串联连接，与燃料电池堆411和电池412并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器415的操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机422和驱动电动机逆变器415的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统420所需的成本，并且可以减小尺寸。
进一步地，即使第一DC-DC转换器413状态是异常的(例如，当断路故障发生时)，也可以通过从电池电路410a将电力供应给驱动电动机逆变器415来驱动燃料电池车辆。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器423分离的空气调节器424、和连接到第二DC-DC转换器的423的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器423连接到第一线路L401和第二线路L402。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图79中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L402和第三线路L403。另外，如图80中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L401和第三线路L403。
根据以上结构，空气泵逆变器414连接到第一线路L401和第二线路L402，且空气泵逆变器414是空气泵421的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆411的泵(例如，空气泵421)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L401和第二线路L402。
另外，将反应气体供应给燃料电池堆411的泵(例如，空气泵421)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第二线路L402和第三线路L403。以上泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L401和第三线路L403。
根据以上实施例，电池412连接到第一线路L401和第二线路L402，而燃料电池堆411连接到第二线路L402和第三线路L403。然而，本发明不受限于以上结构。燃料电池堆411可以连接到第一线路L401和第二线路L402。电池412可以连接到第二线路L402和第三线路L403。
根据以上实施例，控制装置425通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器413的切换占空比，使得燃料电池堆411和电池412的实际电力分配等于目标电力分配，例如，使得燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。然而，本发明不受限于这种结构。例如，可以执行反馈控制，使得代替燃料电池堆411的电流(输出电流Ifc)，电池412的电流(Ib)等于目标值。进一步地，可以执行反馈控制，使得代替电流，燃料电池堆411的电压(VFC)或电池412的电压(VB)的检测值等于目标值。还可以执行切换占空比的反馈控制，使得燃料电池堆411和电池412的输出比等于目标值。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器413交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且中低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机422被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机422被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下参照图81-100提供对根据本发明的第六实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置510如图81-83中所示例如包括燃料电池堆(FC)511、电池512、第一DC-DC转换器513、空气泵逆变器514以及控制装置525。另外，例如，电源装置510连接到驱动电动机逆变器515。
例如，电源装置510设置在用于燃料电池车辆的电源系统520中。例如，如图82和图83中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统520包括电源装置510、空气泵(AP)521、驱动电动机522、第二DC-DC转换器523、空气调节器524、接地故障传感器526、输出电流传感器527、相电流传感器528以及角度传感器529。
燃料电池堆511通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵521被供应给燃料电池堆511的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵521从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵521将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆511的阴极。空气泵逆变器514根据由控制装置525输出的控制指令控制驱动该空气泵521的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器514包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池512的替代物，电源装置510可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器513例如是限流器型DC-DC转换器。如图83中所示，第一DC-DC转换器513包括具有三相的桥接电路531、具有三相的扼流线圈532以及平滑电容器533。上述桥接电路531包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图81和图82中以简化形式示出了第一DC-DC转换器513。因此，在三相中，在图81和图82中仅示出了开关元件和扼流线圈532的一相。
桥接电路531与形成随后所述的驱动电动机逆变器515的三相桥接电路551相同。在该桥接电路531中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P502的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N502的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路531由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置525输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的另一状态。
平滑电容器533连接到次级侧正端子P502和次级侧负端子N502。
对于三相扼流线圈532，扼流线圈532中的每一个的端部都连接在桥接电路531的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈532中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈532中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P501。
例如，如图84中所示，三相扼流线圈532通过以共模的方式绕单个矩形芯体541缠绕而形成。扼流线圈532被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈532中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈532中的一相是分散的并绕一对相对侧部541a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体541的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈532中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体541的两对相对侧部中的另一对相对侧部541b缠绕。
例如，如图85中所示，三相扼流线圈532中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体541的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈532中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L501、L502和L503，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L501的电势＞L502的电势＞L503的电势)，第一DC-DC转换器513的初级侧连接到第二线路L502和第三线路L503，例如，如图83所示。DC-DC转换器513的次级侧连接到第一线路L501和第三线路L503。换句话说，第一线路L501连接到次级侧正端子P502，第二线路L502连接到初级侧正端子P501，而第三线路L503连接到初级侧负端子N501和次级侧负端子N502。
对于第一DC-DC转换器513，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机522被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈532受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈532的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈532的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈532中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器533使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机522被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈532由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈532的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈532的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈532中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器513由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置525输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器513根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆511通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器511a和电容器511b连接到第二线路L502和第三线路L503。电池512通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器512a以及通过设置在正电极侧的限流电路512b连接到第一线路L501和第二线路L502。因此，燃料电池堆511和电池512在第一线路L501与第三线路L503之间串联连接。燃料电池堆511和电池512因此包括在电池电路510a中。
当电力从第一线路L501和第三线路L503输出到负载(例如，驱动电动机522)时，第一线路L501和第三线路L503连接到驱动电动机逆变器515。
空气泵逆变器514连接到第一线路L501和第二线路L502。此空气泵逆变器514是空气泵521的驱动电路。
包括三相驱动电动机522的驱动电路的驱动电动机逆变器515例如是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器515包括三相桥接电路551，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路551与形成第一DC-DC转换器513的三相桥接电路531相同。在桥接电路551中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器513的次级侧正端子P502的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器513的次级侧负端子N502的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器515由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置525输出并输入到桥接电路551的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机522被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，从电源装置510输出的直流电被转换成三相交流电。通过依次将电流转换到三相定子绕组，U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机522被再生时，例如，驱动电动机逆变器515将从驱动电动机522输出的三相交流电转换成直流电，并将直流电供应给第一DC-DC转换器513。然后，驱动电动机逆变器515为电池512充电，并且将电力供给连接到第一DC-DC转换器513的负载。
驱动电动机522例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器515供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机522。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机522侧同时车辆减速时，驱动电动机522用作发电机。这样，驱动电动机522产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机522回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器523例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器523。
第二DC-DC转换器523连接到第一线路L501和第二线路L502。该第二DC-DC转换器523根据从控制装置525输出的控制指令通过限流运动降低施加在第一线路L1与第二线路L502之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器523的负载。
空气调节器524包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器524例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器524连接到第一线路L501和第二线路L502。电力从第一线路L501和第二线路L502被供应到空气调节器524。
控制装置525执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器513的切换占空比。同时，控制装置525控制驱动电动机逆变器515的电力转换操作。
控制装置525接收例如由接地故障传感器526、输出电流传感器527、相电流传感器528以及角度传感器529输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器526连接到第一线路L501和第三线路L503并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器527检测燃料电池堆511的输出电流IFC，所述相电流传感器528检测驱动电动机逆变器515与驱动电动机522之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器529检测驱动电动机522的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机522的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置525例如包括电力消耗计算单元561、目标电流分配单元562、目标电流设定单元563、占空比控制单元564以及驱动电动机控制单元565。
电力消耗计算单元561计算负载(例如，装载在电源装置510外的驱动电动机522、空气调节器以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置510内的空气泵逆变器514)的总电力消耗，其中电力从电源装置510被供应给所述负载。
当驱动电动机522被驱动时，例如，目标电力分配设定单元562例如根据燃料电池堆511的状态(例如，燃料电池堆511的基于发电指令的状态的变化率)和电池512的剩余容量SOC来设定形成电源装置510的电池电路510a的燃料电池堆511和电池512的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元562设定当由电力消耗计算单元561计算的总电力消耗是通过由燃料电池堆511输出的电力加上由电池512输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机522被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器513的切换占空比(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)相对应的值。如下所示，可以使用燃料电池堆511的电压(“VFC”)和电池512的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆511的电压(“VFC”)和电池512的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图86和图87中所示，燃料电池堆511的电压(“VFC”)和电池512的电压(“VB”)与燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池512的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此相应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆511的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池512的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机522被再生时，目标电力分配设定单元562根据燃料电池堆511的状态(例如，燃料电池堆511的基于发电指令的状态的变化率)和电池512的剩余容量SOC以及驱动电动机522的再生电力等来设定燃料电池堆511和驱动电动机逆变器515的电力供应侧的电力分配，以及设定电池512和负载(例如，空气调节器524和车辆辅助装置以及空气泵逆变器514)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆511的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池512的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元563通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机522被驱动时燃料电池堆511的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆511的操作点、电池512的操作点、第一DC-DC转换器513的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图88中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器513的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆511的操作点与电池512的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆511的操作点和电池512的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆511的操作点与电池512的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器513的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池512的操作点被设定成具有随着燃料电池堆511的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆511的操作点与电池512的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆511的操作点相对应的电力和与电池512的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆511的操作点和电池512的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆511和电池512的的操作点根据由目标电力分配单元562设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元561计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器513的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元563输出与该操作点相对应的燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，当驱动电动机522被再生时，例如，目标电流设定单元563根据由目标电力分配设定单元562设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的目标电流。
占空比控制单元564控制第一DC-DC转换器513的切换占空比，使得燃料电池堆511和电池512的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元562设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元564控制第一DC-DC转换器513的切换占空比，使得由输出电流传感器527输出的燃料电池堆511的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元563输出的燃料电池堆511的目标电流(输出电流Ifc)。
该占空比控制单元564包括例如电流偏差计算单元571、反馈处理单元572、和PWM信号生成单元573。
电流偏差计算单元571计算和输出由电流传感器527输出的燃料电池堆511的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元563输出的燃料电池堆511的目标电流(输出电流Ifc)之间的电流偏差。
反馈处理单元572通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元571输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆511输出与从反馈处理单元572输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元573生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器513的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机522被驱动时，驱动电动机控制单元565在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元565根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机522的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元565根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元565根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器15的桥接电路551。同时，驱动电动机控制单元565执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器515供应给驱动电动机512的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机522被再生时，驱动电动机控制单元565根据基于由角度传感器529输出的驱动电动机522的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器515的桥接电路551的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元565输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元565根据导通和截止桥接电路551的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元565将预定电压值输出给驱动电动机逆变器515的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的513次级侧正端子P502与次级侧负端子N502之间。
换句话说，例如，当驱动电动机522被驱动时，控制装置525执行反馈控制，使得燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置525控制第一DC-DC转换器513的切换占空比。例如，如图89中所示，该控制装置525连续控制电源装置510的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器513的升压比近似等于2至3时，电源装置510的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池512的输出被供应给驱动电动机逆变器515和空气泵逆变器514，例如，如图90A图90B所示。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置510的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式，例如，如图91A-93B中所示。在第一模式中，电池512的输出被供应给驱动电动机逆变器515和空气泵逆变器514。同时，在第一模式中，燃料电池堆511的输出被供应给驱动电动机逆变器15，并且电池12的电流(Ib)变得大于燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池512的输出被供应给驱动电动机逆变器515和空气泵逆变器14。同时，在第二模式中，燃料电池堆511的输出被供应给驱动电动机逆变器515，并且电池512的电流(Ib)变得等于燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器514的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池512和燃料电池堆511的输出被供应给驱动电动机逆变器515和空气泵逆变器514，并且电池512的电流(Ib)变得小于燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池512的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图89中所示。另外，燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器515的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池512的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆511的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置510的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式，例如，如图94A-95B中所示。在第一FC模式中，仅燃料电池堆511的输出被供应给驱动电动机逆变器515和空气泵逆变器514。在第二FC模式中，仅燃料电池堆511的输出被供应给驱动电动机逆变器515、空气泵逆变器514以及电池512，从而给电池512充电。
因此，电池512的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图89中所示。同时，燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器515的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池512的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆511的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机522被再生时，控制装置525执行反馈控制，使得燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置525通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器513的切换占空比。
例如，如图96A和96B中所示，电源装置510的其中燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池512通过驱动电动机逆变器515的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置510的其中燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器515的再生电力和燃料电池堆511的输出被供应给空气泵逆变器514和电池512并且电池512被充电的(再生+FC电池充电)模式，如图97A和97B中所示。
控制装置525输出关于被供应给燃料电池堆511的反应气体的压力和流量的指令值，作为用于使燃料电池堆511生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆511的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆511的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆511生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆511的电压VFC、燃料电池堆511的输出电流Ifc、以及燃料电池堆511的内部温度。这样，控制装置525控制燃料电池堆511生成电力的条件。
控制装置525根据燃料电池堆511生成电力时的条件切换接触器511a的接通和断开状态。另外，控制装置525控制燃料电池堆511、第二线路L502以及第三线路L503之间的连接。
例如，控制装置525还根据电池512的剩余容量SOC切换接触器512a和限流电路512b的接通和断开状态。因此，控制装置525控制电池512和第一线路L501以及第二线路L502之间的连接。
燃料电池车辆的电源系统520被如上所述构造而成。接下来，参照图98提供对燃料电池车辆的电源系统520的操作的说明。特别是，提供关于通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器513的切换占空比，使得燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流的操作的说明。
首先，例如，在图98中所示的步骤中S501，计算负载(电源装置510将电力供应给所述负载)的总消耗。负载的例子包括驱动电动机522、空气调节器524以及车辆辅助机械。
接下来，在步骤中S502中，例如，根据燃料电池堆511的状态(例如，燃料电池堆511的基于发电指令的状态的变化率)和电池512的剩余容量SOC来设定燃料电池堆511和电池512的电力供应侧的电力分配，以及负载(例如，空气调节器524、车辆辅助机械以及空气泵逆变器514)和电池512的电力接收侧的电力分配。
接下来，在步骤S503中，根据由目标电力分配设定单元562设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆511的目标电流(输出电流Ifc)的目标值。
接下来，在步骤中S504中，获得由输出电流传感器527输出的燃料电池堆511的输出电流IFC的检测值。
接下来，在步骤中S505中，例如，通过由PID(比例积分微分)运算控制和放大目标电流与从输出电流传感器527输出的燃料电池堆511的输出电流IFC的检测值之间的电流偏差，计算电压指令值。
接下来，在步骤中S506中，输出门信号(即，PWM信号)，所述门信号导通和截止第一DC-DC转换器513的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个，以便从燃料电池堆511输出与电压指令值相对应的输出电流Ifc。
接下来，在步骤中S507中，根据PWM信号导通和截止第一DC-DC转换器513的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个，并且接着返回。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源系统520，通过相对于其中燃料电池堆511和电池512串联连接的电池电路510a提供单个第一DC-DC转换器513，以及通过对第一DC-DC转换器513的切换占空比执行反馈控制使得由输出电流传感器527输出的燃料电池堆511的输出电流IFC的检测值等于目标电流(其中目标电流等于零或正值)，可以有效地使用在驱动电动机522处于再生操作时生成的再生电力。例如，与其中为燃料电池堆511和电池512中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本，减小尺寸，并且可以有效地控制电力。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器523分离的空气调节器524、和连接到第二DC-DC转换器的523的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器523连接到第一线路L501和第二线路L502。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图99中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第二线路L502和第三线路L503。另外，如图100中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L501和第三线路L503。
根据以上结构，空气泵逆变器514连接到第一线路L501和第二线路L502，且空气泵逆变器514是空气泵521的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆511的泵(例如，空气泵521)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个的驱动电路可以连接到第一线路L501和第二线路L502。
另外，将反应气体供应给燃料电池堆511的泵(例如，空气泵521)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个的驱动电路可以连接到第二线路L502和第三线路L503。以上泵中的至少一个泵的驱动电路可以连接到第一线路L501和第三线路L503。
根据以上实施例，电池512连接到第一线路L501和第二线路L502，而燃料电池堆511连接到第二线路L502和第三线路L503。然而，本发明不受限于以上结构。燃料电池堆511可以连接到第一线路L501和第二线路L502。电池512可以连接到第二线路L502和第三线路L503。
根据以上实施例，控制装置525通过执行反馈控制来控制第一DC-DC转换器513的切换占空比，使得燃料电池堆511的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。然而，本发明不受限于这种结构。控制装置525例如可以包括检测燃料电池堆511的输出电力的传感器，并且控制装置525可以执行反馈控制，使得由该传感器输出的燃料电池堆511的输出电力等于目标值。在这种情况下，根据由目标电力分配设定单元562设定的电力分配，将关于燃料电池堆511的输出电力的目标植设定为零或正值。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器513交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机522被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机522被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
以下参照图101-111提供对根据本发明的第七实施例的电源装置和用于燃料电池车辆的电源系统的说明。
根据本实施例的电源装置如图101中所示例如包括燃料电池堆(FC)611、电池612、第一DC-DC转换器613以及空气泵逆变器614。另外，例如，电源装置610连接到驱动电动机逆变器615。
例如，电源装置610设置在用于燃料电池车辆的电源系统620中。例如，如图102和图103中所示，用于燃料电池车辆的这种电源系统620包括电源装置610、空气泵(AP)621、驱动电动机622、第二DC-DC转换器623、空气调节器624、控制装置625、接地故障传感器626、输出电流传感器627、相电流传感器628以及角度传感器629。
燃料电池堆611通过层叠多个燃料电池而形成，所述燃料电池包括：固体聚合物电解质膜，所述固体聚合物电解质包括阳离子交换膜和类似物，该固体聚合物电解质膜由包括阳极催化剂和气体扩散层的燃料电极(阳极)和包括阴极催化剂和气体扩散层的氧电极(阴极)保持，固体聚合物电解质膜和阳极以及阴极从而形成电解电极结构，该电解电极结构进一步地被一对间隔器保持。燃料电池的层叠主体从形成层的方向的两侧夹在一对端板之间。
空气从空气泵621被供应给燃料电池堆611的阴极，且空气是包括氧气的氧化剂气体(反应气体)。例如，包括氢的燃料气体(反应气体)从高压氢罐(未示出)被供应给阳极。
氢在阳极处利用阳极催化剂通过催化反应被电离并通过适度湿润的固体聚合物电解质膜移动到阴极。在氢移动的同时生成电子，并且通过外电路提取电子，并将该电子用作直流电流的电能。此时，氢离子、电子以及氧在阴极处反应，从而形成水。
这里，例如，空气泵621从车辆外将空气引入并压缩该空气。空气泵621将该空气作为反应气体供应给燃料电池堆611的阴极。空气泵逆变器614根据由控制装置625输出的控制指令控制驱动该空气泵621的电动机(未示出)的转数。空气泵逆变器614包括基于脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。
作为电池612的替代物，电源装置610可以包括例如作为蓄电装置的电容器，该电容器包括双电层电容器或电解电容器。
第一DC-DC转换器613例如是限流器型DC-DC转换器。如图103中所示，第一DC-DC转换器613包括具有三相的桥接电路631、具有三相的扼流线圈632以及平滑电容器633。上述桥接电路631包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
在图101和图102中以简化形式示出了第一DC-DC转换器613。因此，在三相中，在图101和图102中仅示出了开关元件和扼流线圈632的一相。
桥接电路631与形成随后所述的驱动电动机逆变器615的三相桥接电路651相同。在该桥接电路631中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧第一晶体管AH和低压侧第一晶体管AL、高压侧第二晶体管BH和低压侧第二晶体管BL、以及高压侧第三晶体管CH和低压侧第三晶体管CL被桥接。晶体管AH、BH以及CH中的每一个都通过连接到次级侧正端子P602的集电极形成高压侧臂。晶体管AL、BL和CL中的每一个都通过连接到次级侧负端子N602的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的集电极。二极管DAH、DAL、DBH、DBL、DCH、和DCL中的每一个都连接在晶体管AH、AL、BH、BL、CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间，使得由发射极到集电极的方向是向前方向。
该桥接电路631由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且所述信号从控制装置625输出并被输入到晶体管中的每一个的栅极。能够交替切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止的状态和高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的另一状态。
平滑电容器633连接到次级侧正端子P602和次级侧负端子N602。
对于三相扼流线圈632，扼流线圈632中的每一个的端部都连接在桥接电路631的相中的每一相的集电极与发射极之间。换句话说，扼流线圈632中的每一个的端部都分别连接在晶体管AH和AL中的每一个的集电极与发射极之间、晶体管BH和BL中的每一个的集电极与发射极之间、以及晶体管CH和CL中的每一个的集电极与发射极之间。扼流线圈632中的每一个的另一侧共同连接到初级侧正端子P601。
例如，如图104中所示，三相扼流线圈632通过以共模的方式绕单个矩形芯体641缠绕而形成。扼流线圈632被设定成使得在供应电力的同时由扼流线圈632中的每一个生成的磁通量的方向在相同的方向上。
三相扼流线圈632中的一相是分散的并绕一对相对侧部641a缠绕，所述一对相对侧部是形成矩形芯体641的两对相对侧部中的一对。三相扼流线圈632中的另外两相是集中的并绕形成矩形芯体641的两对相对侧部中的另一对相对侧部641b缠绕。
例如，如图105中所示，三相扼流线圈632中的每一个都是集中的并绕形成矩形芯体641的四个侧部中的三个侧部缠绕。进一步地，三相扼流线圈632中的每一个都具有不同的缠绕结构。
关于三个线路L601、L602和L603，其中每一个都具有相互不同的电势(例如，L601的电势＞L602的电势＞L603的电势)，第一DC-DC转换器613的初级侧连接到第二线路L602和第三线路L603，例如，如图103所示。DC-DC转换器613的次级侧连接到第一线路L601和第三线路L603。换句话说，第一线路L601连接到次级侧正端子P602，第二线路L602连接到初级侧正端子P601，而第三线路L603连接到初级侧负端子N601和次级侧负端子N602。
对于该第一DC-DC转换器613，当从初级侧到次级侧执行升压操作时，在例如驱动电动机622被驱动时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。由于从初级侧流动的电流，扼流线圈632受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈632的电流的中断而导致磁通量变化的同时，能够在扼流线圈632的两端生成感应电压。由聚集在扼流线圈632中的磁能生成的感应电压被添加给初级侧中的输入电压。这样，能够将比初级侧中的输入电压高的升高电压施加到次级侧。能够通过平滑电容器633使在此转换操作期间生成的电压的波动平滑。另外，升高电压从次级侧被输出。
另一方面，例如，在当驱动电动机622被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个首先被截止。此时，低压侧的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通。扼流线圈632由于从次级侧输入的电流而受到直流激发，并且磁能被聚集。
然后，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通。同时，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。在防止由于流动通过扼流线圈632的电流的阻断而造成的磁通量的变化的同时，在扼流线圈632的两端之间生成感应电压。由聚集在扼流线圈632中的磁能生成的感应电压变成下降电压，所述下降电压通过根据高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个的导通/截止比率而使次级侧的输入电压逐步下降而生成。这样，能够将下降电压施加到初级侧。
第一DC-DC转换器613由被脉宽调制的信号(PWM信号)驱动，所述信号从控制装置625输出并输入到晶体管中的每一个的栅极。第一DC-DC转换器613根据切换占空比来切换高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的导通/截止状态，所述切换占空比例如被定义为在PWM信号的一个周期期间高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个导通的比率。
另外，当切换导通/截止状态时，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个和低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个被禁止同时导通。提供适当的停滞时间，在该停滞时间期间，以上晶体管中的每一个能够同时被截止。
燃料电池堆611通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器611a和电容器611b连接到第一线路L601和第二线路L602。电池612通过设置在正电极侧和负电极侧的接触器612a以及通过设置在正电极侧的限流电路612b连接到第二线路L602和第三线路L603。因此，燃料电池堆611和电池612在第一线路L601与第三线路L603之间串联连接。燃料电池堆611和电池612因此包括在电池电路610a中。
第一线路L601和第三线路L603连接到驱动电动机逆变器615，使得电力从第一线路L601和第三线路L603输出到负载(例如，驱动电动机622)。
空气泵逆变器614连接到第二线路L602和第三线路L603。此空气泵逆变器614是空气泵621的驱动电路。
包括在三相驱动电动机622的驱动电路中的驱动电动机逆变器615例如是具有脉宽调制(PWM)的PWM逆变器。此驱动电动机逆变器615包括三相桥接电路651，所述三相桥接电路包括被桥接的多个开关元件(例如，IGBT：绝缘栅双极型晶体管)。
桥接电路651与形成第一DC-DC转换器613的三相桥接电路631相同。在桥接电路651中，对于各相中的每一相形成配对的高压侧U相晶体管UH和低压侧U相晶体管UL、高压侧V相晶体管VH和低压侧V相晶体管VL、以及高压侧W相晶体管WH和低压侧W相晶体管WL例如被桥接。晶体管UH、VH和WH中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器613的次级侧正端子P602的集电极形成高压侧臂。晶体管UL、VL和WL中的每一个都通过连接到第一DC-DC转换器613的次级侧负端子N602的发射极形成低压侧臂。对于每一相，高压侧臂的晶体管UH、VH和WH中的每一个的发射极连接到低压侧臂的晶体管UL、VL和WL的中的每一个的集电极。二极管DUH、DUL、DVH、DVL、DWH和DWL中的每一个都连接在晶体管UH、UL、VH、VL、WH、和WL中的每一个的集电极与发射极之间，使得从发射极到集电极的方向为向前方向。
此驱动电动机逆变器615由被脉宽调制(PWM)的信号(PWM信号)驱动，且该信号从控制装置625输出并输入到桥接电路651的晶体管中的每一个的栅极。例如，当驱动电动机622被驱动时，通过切换对于各相中的每一相形成配对的晶体管中的每一个的导通(传导)和截止(断开)状态，将从电源装置610输出的直流电转换成三相交流电。由依次将电流转换到三相定子绕组，U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw被供应给每一相的定子绕组，其中所述U相电流Iu、V相电流Iv以及W相电流Iw全都是交流电流。同时，当驱动电动机622被再生时，例如，驱动电动机逆变器615从驱动电动机622输出的三相交流电转换成直流电，并将该直流电供应给第一DC-DC转换器613。然后，驱动电动机逆变器615为电池612充电，并且电力被供给连接到第一DC-DC转换器613的负载。
驱动电动机622例如是使用永磁体作为磁场的永磁体型三相交流同步电动机。通过驱动电动机逆变器615供应的三相交流电驱动和控制驱动电动机622。同时，当驱动力从驱动轮侧传送到驱动电动机622侧同时车辆减速时，驱动电动机622用作发电机。这样，驱动电动机622产生所谓的再生制动力。进一步地，驱动电动机622回收车辆的动能作为电能。
第二DC-DC转换器623例如是限流器型DC-DC转换器。装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，处理装置、电磁阀以及12伏型负载)的至少一部分作为负载连接到第二DC-DC转换器623。
第二DC-DC转换器623连接到第二线路L602和第三线路L603。该第二DC-DC转换器623根据从控制装置625输出的控制指令通过限流运动降低施加在第二线路L602与第三线路L603之间的电压，并将该电压供应给连接到第二DC-DC转换器623的负载。
空气调节器624包括在装备在燃料电池车辆上的车辆辅助机械的至少一部分中。该空气调节器624例如包括装载在燃料电池车辆上的加热器、用于压缩机的电动机以及驱动电路(例如，逆变器)。
空气调节器624连接到第二线路L602和第三线路L603。电力从第二线路L602和第三线路L603被供应到空气调节器624。
控制装置625执行占空比控制，从而控制第一DC-DC转换器613的切换占空比。同时，控制装置625控制驱动电动机逆变器615的电力转换操作。
控制装置625接收例如由接地故障传感器626、输出电流传感器627、相电流传感器628以及角度传感器629输出的检测信号的输入，其中所述接地故障传感器626连接到第一线路L601和第三线路L603并检测接地故障的发生，所述输出电流传感器627检测燃料电池堆611的输出电流IFC，所述相电流传感器628检测驱动电动机逆变器15与驱动电动机622之间的三相电流中的每一个，所述角度传感器629检测驱动电动机622的转子的旋转角度(换句话说，转子的磁极从预定标准旋转位置的旋转角度，和驱动电动机622的旋转轴线的旋转位置)。
控制装置625例如包括电力消耗计算单元661、目标电流分配单元662、目标电流设定单元663、占空比控制单元664以及驱动电动机控制单元665。
电力消耗计算单元661计算负载(例如，装载在电源装置610外的驱动电动机622、空气调节器以及车辆辅助装置，以及装载在电源装置610内的空气泵逆变器614)的总电力消耗，其中电力从电源装置610被供应给所述负载。
当驱动电动机622被驱动时，例如，目标电力分配设定单元662例如根据燃料电池堆611的状态(例如，燃料电池堆611的基于发电指令的状态的变化率)和电池612的剩余容量SOC来设定形成电源装置610的电池电路610a的燃料电池堆611和电池612的电力分配。换句话说，目标电力分配设定单元662设定当由电力消耗计算单元61计算的总电力消耗是通过由燃料电池堆611输出的电力加上由电池612输出的电力获得的值时的分配。
例如，当驱动电动机622被驱动时，电力分配变成与第一DC-DC转换器613的切换占空比(换句话说，在PWM信号的一个周期内高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通的比例)相对应的值。如下所示，可以使用燃料电池堆611的电压(“VFC”)和电池612的电压(“VB”)来表示切换占空比(“占空比”)。
占空比＝VFC/(VFC+VB)
由此公式，燃料电池堆611的电压(“VFC”)和电池612的电压(“VB”)的比率可以使用切换占空比(“占空比”)如下所示被表示。
VB/VFC＝(1-占空比)/占空比
例如，如图106和图107中所示，燃料电池堆611的电压(“VFC”)和电池612的电压(“VB”)与燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)和电力以及电池612的电流(Ib)和电力中的每一个具有预定的对应关系。由此相应的关系，能够使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆611的操作点(例如，电压或电流或电力)和电池612的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率。
例如，当驱动电动机622被再生时，目标电力分配设定单元662根据燃料电池堆611的状态(例如，燃料电池堆611的基于发电指令的状态的变化率)和电池612的剩余容量SOC、以及驱动电动机622的再生电力等来设定燃料电池堆611和驱动电动机逆变器615的电力供应侧的电力分配，以及设定电池612和负载(例如，空气调节器624和车辆辅助装置以及空气泵逆变器614)的电力接收侧的电力分配。
因为使用切换占空比(“占空比”)来表示燃料电池堆611的操作点(例如，电压或电流或电力)与电池612的操作点(例如，电压或电流或电力)的比率，因此目标电流设定单元663通过参照预定映射获得与例如当驱动电动机622被驱动时燃料电池堆611的输出电流Ifc相对应的目标电流，所述预定映射表示燃料电池堆611的操作点、电池612的操作点、第一DC-DC转换器613的切换占空比以及负载的总电力消耗之间的对应关系。
例如，如图108中所示，该预定映射在二维坐标中显示相对于第一DC-DC转换器613的切换占空比的多个值中的每一个(D(1)，……，D(k)，……)设定的燃料电池堆611的操作点与电池612的操作点的对应关系，在所述二维坐标中燃料电池堆611的操作点和电池612的操作点是直角坐标。另外，该预定映射显示相对于负载的总电力消耗的多个值中的每一个(P(1)，……，P(k)，……)设定的燃料电池堆611的操作点与电池612的操作点之间的对应关系。
考虑为第一DC-DC转换器613的切换占空比的多个值中的每一个设定的对应关系，电池612的操作点被设定成具有随着燃料电池堆611的操作点的增加而根据切换占空比以一定比率增加的趋势。
同时，考虑到相对于为负载的总消耗电力的多个值中的每一个设定的燃料电池堆611的操作点与电池612的操作点之间的对应关系，操作点的组合被设定成使得与燃料电池堆611的操作点相对应的电力和与电池612的操作点相对应的电力的总和等于负载的总消耗电力。
当在其中燃料电池堆611的操作点和电池612的操作点为直角坐标的二维坐标上燃料电池堆611和电池612的的操作点根据由目标电力分配单元662设定的电力分配被设定成是基于由消耗电力计算单元661计算的负载的总电力消耗的对应关系P(k)与基于第一DC-DC转换器613的切换占空比的对应关系D(k)之间的交点时，目标电流设定单元663输出与该操作点相对应的燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)作为目标电流。
另外，例如，当驱动电动机622被再生时，目标电流设定单元663根据由目标电力分配设定单元662设定的电力分配输出零或正值作为燃料电池堆611的目标电流(输出电流Ifc)。
占空比控制单元664控制第一DC-DC转换器613的切换占空比，使得燃料电池堆611和电池612的实际电力分配等于由目标电力分配设定单元662设定的电力分配(目标电力分配)。例如，占空比控制单元664控制第一DC-DC转换器613的切换占空比，使得由输出电流传感器627输出的燃料电池堆611的输出电流IFC的检测值等于由目标电流设定单元663输出的燃料电池堆611的目标电流(输出电流Ifc)。
该占空比控制单元664包括例如电流偏差计算单元671、反馈处理单元672、和PWM信号生成单元673。
电流偏差计算单元671计算和输出由电流传感器627输出的燃料电池堆611的输出电流IFC的检测值与由目标电流设定单元663输出的燃料电池堆611的目标电流(输出电流Ifc)之间的电流偏差。
反馈处理单元672通过由例如PID(比例积分微分)运算控制和放大由电流偏差计算单元671输出的电流偏差来计算电压指令值。
为了从燃料电池堆611输出与从反馈处理单元672输出的电压指令值相对应的输出电流Ifc，PWM信号生成单元673生成和输出导通和截止第一DC-DC转换器613的高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个以及低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个的门信号(即，PWM信号)。
例如，当驱动电动机622被驱动时，驱动电动机控制单元665在旋转直角坐标形式的dq-坐标系上执行电流的反馈控制(矢量控制)。该驱动电动机控制单元665根据基于驾驶员的加速操作和驱动电动机622的转数的扭矩指令计算目标d-轴电流和目标q-轴电流。然后，驱动电动机控制单元665根据目标d-轴电流和目标q-轴电流计算三相输出电压Vu、Vv和Vw中的每一个。进一步地，驱动电动机控制单元665根据输出电压Vu、Vv和Vw的每一相将作为门信号的PWM信号输入给驱动电动机逆变器615的桥接电路651。同时，驱动电动机控制单元665执行控制，使得通过将实际由F-驱动电动机逆变器615供应给驱动电动机612的电流Iu、Iv和Iw的每一相的检测值转换到dq-坐标系得到的d-轴电流与q-轴电流之间的偏差和目标d-轴电流与目标q-轴电流之间的偏差等于零。
另外，例如，当驱动电动机622被再生时，驱动电动机控制单元665根据基于由角度传感器629输出的驱动电动机622的转子的旋转角度θm的输出波形被同步的脉冲导通和截止驱动电动机逆变器615的桥接电路651的晶体管中的每一个。从驱动电动机控制单元665输出的三相交流电被转换成直流电。此时，驱动电动机控制单元665根据导通和截止桥接电路651的晶体管中的每一个的门信号的占空比执行再生电压的反馈控制。驱动电动机控制单元665将预定电压值输出给驱动电动机逆变器615的初级侧，换句话说，在第一DC-DC转换器的613次级侧正端子P602与次级侧负端子N602之间。
换句话说，例如，当驱动电动机622被驱动时，控制装置625执行反馈控制，使得燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流。因此，控制装置625控制第一DC-DC转换器613的切换占空比。例如，如图109中所示，该控制装置625连续控制电源装置610的操作模式。
例如，当第一DC-DC转换器613的升压比近似等于2至3时，电源装置610的最大化切换占空比的操作模式是EV模式，在该EV模式中，仅电池612的输出被供应给驱动电动机逆变器615和空气泵逆变器614。
当切换占空比趋向于从EV模式下降时，电源装置610的操作模式依次从第一(FC+电池)模式改变到第二(FC+电池)模式到第三(FC+电池)模式，例如，如图91A-93B中所示。在第一模式中，电池612的输出被供应给驱动电动机逆变器615和空气泵逆变器614。同时，在第一模式中，燃料电池堆611的输出被供应给驱动电动机逆变器615，并且电池612的电流(Ib)变得大于燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)。在第二模式中，电池612的输出被供应给驱动电动机逆变器615和空气泵逆变器614。同时，在第二模式中，燃料电池堆611的输出被供应给驱动电动机逆变器615，并且电池612的电流(Ib)变得等于燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)与流动通过空气泵逆变器614的电流(IAP)的总和。在第三模式中，电池612和燃料电池堆611的输出被供应给驱动电动机逆变器615和空气泵逆变器614，并且电池612的电流(Ib)变得小于燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)。
因此，电池612的电流(Ib)趋向于下降，例如，如图109中所示。另外，燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。驱动电动机逆变器615的初级侧的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池612的电压(VB)趋向于增加，而燃料电池堆611的电压(VFC)趋向于减小。
进一步地，当切换占空比趋向于从第三(FC+电池)模式下降到最小值时，电源装置610的操作模式依次改变到第一FC模式和第二FC模式。在第一FC模式中，仅燃料电池堆611的输出被供应给驱动电动机逆变器615和空气泵逆变器614。在第二FC模式中，仅燃料电池堆611的输出被供应给驱动电动机逆变器615、空气泵逆变器614以及电池612，从而给电池612充电。
因此，电池612的电流(Ib)趋向于从零减小到负值，例如，如图109中所示。同时，燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)和目标电流(Ifc指令)趋向于增加。另外，驱动电动机逆变器615的初级侧中的输入电压(VPIN)被保持近似恒定。电池612的电压(VB)趋向于增加。另一方面，燃料电池堆611的电压(VFC)趋向于减小。
例如，当驱动电动机622被再生时，控制装置625执行反馈控制，使得燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)的检测值等于目标电流(零或正值)。该控制装置625通过执行再生电压的反馈控制来控制第一DC-DC转换器613的切换占空比。
例如，电源装置610的其中燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)的目标值等于零的操作模式是其中电池612通过驱动电动机逆变器615的再生电力被充电的再生模式。
同时，电源装置610的其中燃料电池堆611的电流(输出电流Ifc)的目标值等于正值的操作模式例如是其中驱动电动机逆变器615的再生电力和燃料电池堆611的输出被供应给空气泵逆变器614和电池612并且电池612被充电的(再生+FC电池充电)模式。
控制装置625输出关于被供应给燃料电池堆611的反应气体的压力和流量的指令值作为用于使燃料电池堆611生成电力的指令，且该指令值的输出例如基于燃料电池车辆被驱动的条件、包括在被供应给燃料电池堆611的阳极的反应气体中的氢的浓度、包括在从燃料电池堆611的阳极排出的排放气体中的氢的浓度、燃料电池堆611生成电力时的条件、多个燃料电池中的每一个的端子之间的电压、燃料电池堆611的电压VFC、燃料电池堆611的输出电流Ifc、以及燃料电池堆611的内部温度。这样，控制装置625控制燃料电池堆611生成电力的条件。
控制装置625根据燃料电池堆611生成电力时的条件切换接触器611a的导通和截止状态。另外，控制装置625控制燃料电池堆611、第一线路L601以及第二线路L602之间的连接。
例如，控制装置625还根据电池612的剩余容量SOC切换接触器612a和限流电路612b的接通和断开状态。因此，控制装置625控制电池612和第二线路L602以及第三线路L603之间的连接。
如上所述，根据基于本发明的以上实施例的电源装置610，可以仅通过相对于其中燃料电池堆611和电池612串联连接的电池电路610a提供单个第一DC-DC转换器613来切换多个操作模式。例如，与其中为燃料电池堆611和电池612中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比较，可以降低构造所需的成本并减小尺寸。
进一步地，根据基于本发明的以上实施例的燃料电池车辆的电源系统620，通过提供单个第一DC-DC转换器613，可以降低用于构造电源装置610所需的成本，并且可以减小电源装置610的尺寸。因为燃料电池堆611和电池612串联连接，与燃料电池堆611和电池612并联连接的情况相比较，可以增加驱动电动机逆变器615操作电压，并且可以减小电流。这样，可以减小驱动电动机622和驱动电动机逆变器615的尺寸。同时，可以增强操作效率。因此，可以降低用于构造燃料电池车辆的电源系统620所需的成本，并且可以减小尺寸。
进一步地，即使第一DC-DC转换器613的状态是异常的(例如，当断路故障发生时)，也可以通过从电池电路610a将电力供应给驱动电动机逆变器615来驱动燃料电池车辆。
根据以上实施例，装配在燃料电池车辆上的车辆辅助机械(例如，与第二DC-DC转换器623分离的空气调节器624、和连接到第二DC-DC转换器的623的负载(处理装置、电磁阀以及12伏型负载))的至少一部分直接或通过第二DC-DC转换器623连接到第二线路L602和第三线路L603。然而，本发明不受限于这种结构。例如，如图110中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L601和第二线路L602。另外，如图111中所示，车辆辅助机械的至少一部分可以连接到第一线路L601和第三线路L603。
根据以上结构，空气泵逆变器614连接到第二线路L602和第三线路L603，且空气泵逆变器614是空气泵621的驱动电路。然而，本发明不受限于这种结构。将反应气体供应给燃料电池堆161的泵(例如，空气泵621)和供应制冷剂的泵(未示出)中的至少一个的驱动电路可以连接到第二线路L602和第三线路L603。
根据以上实施例，第一DC-DC转换器613交替地在高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止且低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被导通的状态与其中高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被导通且中低压侧臂的晶体管AL、BL和CL的每一个都被截止的状态之间进行切换。然而，本发明不受限于这种结构。例如，在当驱动电动机622被驱动时从初级侧到次级侧的升压操作期间，低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都可以交替地被切换成导通和截止，而高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都被截止。作为另一个例子，在当驱动电动机622被再生时从次级侧到初级侧的再生操作期间，高压侧臂的晶体管AH、BH和CH中的每一个都可以被交替地切换成导通和截止，而低压侧臂的晶体管AL、BL和CL中的每一个都被截止。
工业适用性
根据基于本发明的电源装置，可以通过为其中燃料电池堆和蓄电装置串联连接的电池电路提供单个第一DC-DC转换器来切换多个操作模式。与为燃料电池堆和蓄电装置中的每一个单独配备DC-DC转换器的情况相比，可以降低构造所需的成本，并且尺寸可以形成得更小。
因为根据本发明的用于燃料电池车辆的电源系统包括单个第一DC-DC转换器，因此可以降低构造电源装置所需的成本并减小尺寸。另外，因为燃料电池堆和蓄电装置串联连接，因此与燃料电池堆和蓄电装置并联连接的情况相比，可以增加用于驱动车辆的电动机的驱动电路的操作电压。同时，可以减小电流。此外，可以减小用于驱动车辆的驱动电路和电动机的尺寸。另外，可以增强操作效率。这样，可以降低构造用于燃料电池车辆的电源系统所需的成本，并且可以减小尺寸。
即使在关于第一DC-DC转换器的紧急状况(例如当断路故障发生时)期间，也可以通过从电池电路将电力供应到用于驱动车辆的电动机的驱动电路来驱动燃料电池车辆。
附图标记说明
10…电源装置；10a…电池电路；11…燃料电池堆；12…电池(蓄电装置)；13…第一DC-DC转换器；14…空气泵逆变器(驱动电路)；15…驱动电动机逆变器；20…燃料电池车辆的电源系统；21…空气泵(泵)；22…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；23…第二DC-DC转换器；24…空气调节器；25…控制装置；110…电源装置；110a…电池电路；111…燃料电池堆；112…电池(蓄电装置)；113…第一DC-DC转换器；114…空气泵逆变器(驱动电路)；115…驱动电动机逆变器；120…燃料电池车辆的电源系统；121…空气泵(泵)；122…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；123…第二DC-DC转换器；124…空气调节器；125…控制装置；210…电源装置；210a…电池电路；211…燃料电池堆；212…电池(蓄电装置)；213…第一DC-DC转换器；214…空气泵逆变器(驱动电路)；215…驱动电动机逆变器；220…燃料电池车辆的电源系统；221…空气泵(泵)；222…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；223…第二DC-DC转换器；224…空气调节器；225…控制装置；310…电源装置；310a…电池电路；311…燃料电池堆；312…电池(蓄电装置)；313…第一DC-DC转换器；314…空气泵逆变器；315…驱动电动机逆变器；320…燃料电池车辆的电源系统；321…空气泵；322…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；323…第二DC-DC转换器；324…空气调节器；325…控制装置；331…桥接电路；332…扼流线圈；341…芯体；410…电源装置；410a…电池电路；411…燃料电池堆；412…电池(蓄电装置)；413…第一DC-DC转换器(DC-DC转换器)；414…空气泵逆变器；415…驱动电动机逆变器；420…燃料电池车辆的电源系统；421…空气泵；422…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；423…第二DC-DC转换器；424…空气调节器；425…控制装置；461…电力消耗计算单元(电力消耗获得单元)；462…目标电力分配设定单元；463…目标电流设定单元；464…占空比控制单元；510…电源装置；510a…电池电路；511…燃料电池堆；512…电池(蓄电装置)；513…第一DC-DC转换器(DC-DC转换器)；514…空气泵逆变器；515…驱动电动机逆变器；520…燃料电池车辆的电源系统；521…空气泵；522…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；523…第二DC-DC转换器；524…空气调节器；525…控制装置；527…输出电流传感器(检测单元)；563…目标电流设定单元(目标设定单元)；610…电源装置；610a…电池电路；611…燃料电池堆；612…电池(蓄电装置)；613…第一DC-DC转换器；614…空气泵逆变器(驱动电路)；615…驱动电动机逆变器；620…燃料电池车辆的电源系统；621…空气泵(泵)；622…驱动电动机(用于驱动车辆的电动机)；623…第二DC-DC转换器；624…空气调节器；625…控制装置。

Claims (20)

1.一种电源装置，包括：
第一线路、第二线路和第三线路，所述第一线路、所述第二线路和所述第三线路每一个具有相互不同的电势；
电池电路，在所述电池电路中，燃料电池堆和蓄电装置串联连接；和
第一DC-DC转换器，其中：
所述电池电路的两端连接到所述第一线路和所述第三线路；
所述电池电路的所述蓄电装置和所述燃料电池堆的连接点连接到所述第二线路；
所述第一DC-DC转换器的初级侧连接到所述第二线路和所述第三线路；
所述第一DC-DC转换器的次级侧连接到所述第一线路和所述第三线路；以及
电力从所述第一线路和所述第三线路输出。
2.根据权利要求1所述的电源装置，其中：
所述蓄电装置连接到所述第一线路和所述第二线路；以及
所述燃料电池堆连接到所述第二线路和所述第三线路。
3.根据权利要求1所述的电源装置，其中：
驱动将反应气体供应给所述燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给所述燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到所述第一线路和所述第二线路。
4.一种燃料电池车辆的电源系统，包括：
根据权利要求1-3中任一项所述的电源装置；和
驱动车辆的电动机，所述电动机从所述电源装置供给电力。
5.根据权利要求4所述的燃料电池车辆的电源系统，还包括车辆辅助机械，其中
所述车辆辅助机械的至少一部分连接到所述第一线路和所述第二线路。
6.根据权利要求4所述的燃料电池车辆的电源系统，还包括车辆辅助机械，其中
所述车辆辅助机械的至少一部分连接到所述第二线路和所述第三线路。
7.根据权利要求4所述的燃料电池车辆的电源系统，还包括车辆辅助机械，其中
所述车辆辅助机械的至少一部分连接到所述第一线路和所述第三线路。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的燃料电池车辆的电源系统，其中，所述车辆辅助机械的所述至少一部分通过第二DC-DC转换器连接到所述电源装置。
9.根据权利要求5-7中任一项所述的燃料电池车辆的电源系统，其中，所述车辆辅助机械的至少一部分包括空气调节器。
10.根据权利要求1所述的电源装置，其中：
所述蓄电装置连接到所述第一线路和所述第二线路；
所述燃料电池堆连接到所述第二线路和所述第三线路；以及
驱动将反应气体供应给所述燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给所述燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到所述第二线路和所述第三线路。
11.根据权利要求1所述的电源装置，其中，驱动将反应气体供应给所述燃料电池堆的第一泵和将制冷剂供应给所述燃料电池堆的第二泵中的至少一个泵的驱动电路连接到所述第一线路和所述第三线路。
12.根据权利要求1所述的电源装置，其中：
所述第一DC-DC转换器是包括多个扼流线圈的限流器型转换器；以及
所述多个扼流线圈是共模线圈。
13.根据权利要求12所述的电源装置，其中：
所述第一DC-DC转换器包括三相桥接电路和作为所述多个扼流线圈的三相扼流线圈，在所述三相桥接电路中，开关元件被桥接；
所述共模线圈的芯体是矩形芯体；
所述三相扼流线圈的任一相扼流线圈是分散的并绕包括在所述矩形芯体中的两对相对侧部中的一对相对侧部缠绕；以及
所述三相扼流线圈的除了所述一相扼流线圈之外的两相扼流线圈分别是集中的并绕包括在所述矩形芯体中的所述两对相对侧部中的另一对相对侧部缠绕。
14.根据权利要求1所述的电源装置，其中，电力从所述第一线路和所述第三线路被供应给负载，所述电源装置还包括：
电力消耗获得单元，所述电力消耗获得单元获得所述负载的电力消耗；
目标电力分配设定单元，所述目标电力分配设定单元根据所述电力消耗设定所述燃料电池堆和所述蓄电装置的目标电力分配；和
占空比控制单元，所述占空比控制单元控制所述第一DC-DC转换器的切换占空比，使得所述燃料电池堆和所述蓄电装置的实际电力分配等于所述目标电力分配。
15.根据权利要求14所述的电源装置，其中，所述电力消耗获得单元获得所述电力消耗，所述电力消耗包括所述电源装置的外部负载的外部负载电力消耗和所述电源装置的内部负载的内部负载电力消耗。
16.根据权利要求14所述的电源装置，还包括：
目标电流设定单元，所述目标电流设定单元根据所述目标电力分配设定所述燃料电池堆或所述蓄电装置的目标电流，
其中所述占空比控制单元执行所述切换占空比的反馈控制，使得所述燃料电池堆或所述蓄电装置的实际电流等于所述目标电流。
17.根据权利要求14所述的电源装置，还包括：
目标电压设定单元，所述目标电压设定单元根据所述目标电力分配设定所述燃料电池堆或所述蓄电装置的目标电压，
其中所述占空比控制单元执行所述切换占空比的反馈控制，使得所述燃料电池堆或所述蓄电装置的实际电压等于所述目标电压。
18.根据权利要求14所述的电源装置，其中：
所述目标电力分配设定单元将所述燃料电池堆和所述蓄电装置的目标输出比设定为所述目标电力分配；以及
所述占空比控制单元执行所述切换占空比的反馈控制，使得所述燃料电池堆和所述蓄电装置的实际输出比等于所述目标输出比。
19.根据权利要求1所述的电源装置，还包括：
驱动车辆的电动机，所述电动机从所述电池电路供给电力；
目标设定单元，所述目标设定单元将所述燃料电池堆的目标输出电流或目标输出电力设定为零或正值；
检测单元，所述检测单元检测所述燃料电池堆的输出电流或输出电压；和
占空比控制单元，所述占空比控制单元执行所述第一DC-DC转换器的切换占空比的反馈控制，使得由所述检测单元检测的所述输出电流等于所述目标输出电流，或由所述检测单元检测的所述输出电压等于所述目标输出电压；其中：
在驱动车辆的所述电动机的再生操作期间，所述占空比控制单元持续所述反馈控制；以及
电力从所述第一线路和所述第三线路供应给负载。
20.根据权利要求19所述的电源装置，其中，在驱动车辆的所述电动机的再生操作期间，所述目标设定单元将所述目标输出电流或所述目标输出电力设定到零。
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