JP2008125257A - 電力供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置への電力供給に際して、その供給電圧の高圧化と、絶縁性の確保を両立し得る電力供給システムを提供する。
【解決手段】移動体に搭載され、該移動体の駆動源として機能する駆動装置４に電力を供給する電力供給システムであって、発電を行い、駆動装置４へ電力を供給する第一電源装置４０と、第一電源装置４０とは別に設けられ、駆動装置４へ電力を供給する第二電源装置５０と、第一電源装置４０と第二電源装置５０のうち少なくとも何れか一方を含む電力供給部ＰＳと駆動装置４を含む移動体駆動部ＶＤとの間に設けられ、該電力供給部ＰＳから該移動体駆動部ＶＤへの電力の伝達を行いながら両者間の絶縁を確保するシステム用絶縁型コンバータ３０と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動装置に電力を供給する電力供給システム、例えば電気化学反応にて電力を発電する燃料電池からの電力を駆動装置に供給するシステムに関するものである。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して要求に応じた電力を出力するが、ガス供給量の応答遅れに起因して、出力電力の応答性が低くなる場合がある。そこで、燃料電池とバッテリ（蓄電装置）とを並列に接続して電源を構成する技術が開示されており、そこでは、燃料電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換することにより、バッテリと燃料電池の併用を図っている（例えば、特許文献１、２を参照）。

また、駆動装置を燃料電池で駆動する場合、燃料電池と駆動装置のインバータとの間に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを配置し、該コンバータをフルブリッジ形式のスイッチング回路で構成し且つ位相シフト制御によってゼロボルトスイッチング動作を行うことで、スイッチングノイズの低減等を図る技術が公開されている（例えば、特許文献３を参照）。
特開２００２−１１８９８１号公報 特開２０００−１２０５９号公報 特開２００５−２２９７８３号公報 特開２００５−７３４４３号公報 特開２００６−２４６６１７号公報

駆動装置に対して電力を供給する場合、その供給電圧を高くすることで同出力時の供給電流量を低減することができ、その結果駆動装置において電流に起因して発生する損失、いわゆる銅損が低減される。更には、流れる電流が少なくなることで駆動装置の配線設計が容易となり、駆動装置の小型化を図ることが可能となる。そのため、駆動装置の供給電圧の高圧化の要求は高い。

一方で、駆動装置へ電力を供給する電力供給システムにおいては、供給電圧の高圧化により、該電力供給システムでの高絶縁性、即ち供給電圧の高圧化を可能とする程度のシステムとその周囲（地面等）との高い絶縁性を確保する必要があるが、この高絶縁性を安定的に維持するのが困難となる場合がある。その原因としては、電力供給システム側でその絶縁性を低下させる要因（しかし、電力供給システムを構成する上では技術的に必要な要因）を内包せざるを得ない場合や、外部から電力供給システムに対する外的要因等挙げられ、これらの要因によって、上記供給電圧の高圧化の要求に十分に答えることができない。

例えば、電力供給システムが燃料電池の発電電力による燃料電池システムである場合、その発電時における発熱を冷却するために冷却装置が使われるのが一般的だが、この冷却装置の存在により燃料電池システムと周囲との絶縁性は幾ばくか低下せざるを得ない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、駆動装置への電力供給に際して、その供給電圧の高圧化と、絶縁性の確保を両立し得る電力供給システムを提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、駆動装置側とその電力供給側との間にいわゆる絶縁型コンバータを介在させることとした。この絶縁型コンバータによって、駆動装置側と電力供給側とは、それぞれの絶縁性が独立した状態となり、たとえ電力供給側に駆動装置の絶縁性に影響を与える要因が存在したとしても駆動装置はそれに影響されず、結果として駆動装置への高電圧供給が可能となる。

そこで、より具体的には、本発明は、移動体に搭載され、該移動体の駆動源として機能する駆動装置に電力を供給する電力供給システムであって、発電を行い、前記駆動装置へ電力を供給する第一電源装置と、前記第一電源装置とは別に設けられ、前記駆動装置へ電力を供給する第二電源装置と、前記第一電源装置と前記第二電源装置のうち少なくとも何れか一方を含む電力供給部と前記駆動装置を含む移動体駆動部との間に設けられ、該電力供給部から該移動体駆動部への電力の伝達を行いながら両者間の絶縁を確保するシステム用絶縁型コンバータと、を備える電力供給システムである。

上記の通り、本発明に係る電力供給システムは、移動体に搭載されるものであって、その移動体の移動を行う駆動装置への電力供給を行う。移動体は、場合によってはその移動性から、周囲（地面等）とは電気的な接続が弱い状態にあるので、駆動装置と移動体本体との絶縁性は十分に確保されなければならない。尚、移動体は、自動車、鉄道、船舶等の輸送手段だけでなく、ロボット等の移動を行う物全般を含む。

そして、この移動体の駆動装置への電力供給は、第一電源装置と第二電源装置の個別に設けられた各電源装置から行われる。第一電源装置は、発電を行いその発電電力を供給する電源装置だが、第二電源装置は必ずしも発電を行うものである必要はなく、蓄電型の電源装置であってもよい。

ここで、第一電源装置および第二電源装置と、駆動装置とが、電気的に直接接続された状態で、第一電源装置および第二電源装置からの電力が駆動装置に供給される場合、このとき、何らかの要因で第一電源装置または第二電源装置の絶縁状態が低い状態であると、駆動装置に高電圧状態で電力を供給することが困難となる。そこで、本発明に係る電力供給システムおよび駆動装置とで構成される電力系全体を、高絶縁状態を保持することが困難である前記第一電源装置および／または前記第二電源装置を含む電力供給部と、高絶縁状態を保持することが容易である移動体駆動部とに区分けし、両者の間をシステム用絶縁型コンバータで電気的に接続することで、電力供給部の絶縁性低下要因が移動体駆動部の絶縁性に影響を及ぼさないようにした。

これにより、前記電力供給部における供給電圧を比較的低い状態としつつ、且つ前記移動体駆動部における供給電圧を、前記電力供給部における供給電圧より高くすることが可能となり、以て駆動装置への供給電力の高電圧化と該駆動装置および電力供給システムの絶縁性の確保の両立を図ることが可能となる。

また、上記の電力供給システムにおいて、前記第一電源装置がその周囲との絶縁状態が所定状態より低い場合、該第一電源装置を電力供給部に含ませるようにしてもよい。発電を行う第一電源装置においては、発電の際に生じる熱を除去するため冷却装置を備える場合が一般であり、そのため第一電源装置の絶縁性が低下する可能性が幾ばくかは存在する。そのような場合には、第一電源装置を上記電力供給部側に属させることで、駆動装置への供給電力の高電圧化と絶縁性の確保を堅持することができる。

尚、上記の電力供給システムにおいては、例えば、前記第一電源装置は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行い、その発電による電力を前記駆動装置へ供給する
燃料電池であって、前記第二電源装置は、蓄電手段を有し該蓄電手段によって蓄電された電力を前記駆動装置へ供給する蓄電装置であってもよい。燃料電池は、その発電に際して熱が発生するため、その発熱を除去するために冷却装置（例えば、ラジエータ等）が使用され、これが燃料電池の高絶縁性化を妨げる要因となり得る。そこで、燃料電池を用いて駆動装置を駆動する場合には、この燃料電池を上記電力供給部に配置するのが好ましい。また、蓄電装置としては、バッテリやキャパシタ等が挙げられる。

上記の電力供給システムにおいて、前記電力供給部は、前記第一電源装置および前記第二電源装置を含み、前記第一電源装置と前記第二電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介して前記駆動装置に対して電力を並列に供給するようにしてもよい。即ち、駆動装置への電力供給を行う第一および第二電源装置を電力供給部にまとめることで、各電源装置に起因する絶縁性低下の要因を、駆動装置から可及的に排除することが可能となる。尚、各電源装置からの駆動装置への電力供給は、駆動装置からの要求電力や各電源装置の電力供給状態等に基づいて、適宜並列的に行われる。

更に、上記電力供給システムにおいて、前記第一電源装置と前記第二電源装置とは、前記駆動装置からの要求電力に応じて前記システム用絶縁型コンバータの一次側に供給する電力を調整可能とするＤＣ−ＤＣコンバータを介して互いに電気的に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、フルブリッジ形式又はハーフブリッジ形式で形成されるようにしてもよい。

このようにＤＣ−ＤＣコンバータを介して第一電源装置と第二電源装置とが並列構成されることで、各電源装置の出力特性に適応させた状態で、駆動装置に、必要な電力を確実に供給することが可能となる。発電を行う第一電源装置においては、その構成上、駆動装置からの電力要求に速やかに答えることが困難となる場合があり、そのような場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータによって第二電源装置からの電力供給が適宜行われることになる。

更に、上記電力供給システムにおいて、前記システム用絶縁型コンバータは、前記電力供給部側に設けられた一次側コイルと、前記移動体駆動部側に設けられた二次側コイルとを有し、前記一次側コイルは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対して前記第一電源装置側又は前記第二電源装置側の何れかに設けられているようにしてもよい。

第一に、一次側コイルがＤＣ−ＤＣコンバータに対して第一電源装置側に設けられると、第一電源装置からの電力はＤＣ−ＤＣコンバータを経由することなく、システム用絶縁型コンバータを介して駆動装置に供給される。そのため、その際ＤＣ−ＤＣコンバータでの損失を回避することが可能となる。これは、第一電源装置が駆動装置への主たる電源装置である場合には、特に有用である。一方で、一次側コイルがＤＣ−ＤＣコンバータに対して第二電源装置側に設けられると、同様に第二電源装置から駆動装置に電力を供給するときの、ＤＣ−ＤＣコンバータでの損失を回避することが可能となる。

また、上記の電力供給システムにおいて、前記第一電源装置と前記第二電源装置との間に設けられ、両者の間の電力の伝達を行いながら両者間の絶縁を確保する電源用絶縁型コンバータを、更に備えるようにしてもよい。このような構成とすることで、両電源装置間の絶縁性を独立とするとともに、上記のＤＣ−ＤＣコンバータを利用しない駆動装置への供給電力形態が形成される。そして、フルブリッジ形式又はハーフブリッジ形式で構成されるＤＣ−ＤＣコンバータは、多くのスイッチング素子を有することを踏まえると、上記電源用絶縁型コンバータを採用することで、スイッチング素子に起因するノイズ等の問題を抑制することが可能となる。

ここで、上記第二電源装置を、電力供給部にではなく移動体駆動部側に設けるようにし
てもよい。即ち、前記電力供給部は、前記第一電源装置を含み、前記移動体駆動部は、前記第二電源装置を含み、前記第一電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介して前記駆動装置に対して電力を供給し、前記第二電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介さずに前記駆動装置に対して前記第一電源装置と並列に電力を供給するようにしてもよい。このような構成とするときは、第二電源装置に、駆動装置の絶縁性を低下させる要因が含まれないことが好ましい。このような構成では、駆動装置により近い位置に配置される第二電源装置は、第一電源装置による発電電力次第で、受動的に駆動装置への電力供給を行うことになる。一方で、出力特性の異なる第一電源装置と第二電源装置とを直接接続する必要は無いため、上記のようなＤＣ−ＤＣコンバータや電源用絶縁型コンバータが不要となり、電力供給システム全体を小型化できる。

上述までの電力供給システムにおいて、前記システム用絶縁型コンバータは、前記電力供給部側に設けられた一次側コイルと、前記移動体駆動部側に設けられた二次側コイルとを有し、前記駆動装置からの要求電力に応じて、前記一次側コイルと前記二次側コイルとの有効巻数比率を変更するコンバータ制御手段を、更に備えるようにしてもよい。システム用絶縁型コンバータは、それを構成する一次側コイルと二次側コイルとの間で、上記有効巻数比率が変更されることで供給電圧の昇圧が行われる。即ち、この有効巻数比率とは、システム用絶縁型コンバータにおける電圧の昇圧に関与する、一次側コイルと二次側コイルとの巻線の巻数の比率である。そして、本発明に係る電力供給システムでは、電力供給部での供給電圧を昇圧して駆動装置への要求負荷に適した電力を供給すべく、上記コンバータ制御手段によってその有効巻数比率の調整が行われる。

より具体的には、その一例として、前記コンバータ制御手段は、前記駆動装置からの要求電力と前記第一電源装置による発電電力との相対比率に基づいて、前記システム用絶縁型コンバータにおける電圧変換効率が所定の好適状態に維持されるべく、前記有効巻数比率の変更を行うようにしてもよい。システム用絶縁型コンバータにおける電圧変換効率（コンバータ効率）は、一次側コイルと二次側コルの巻数比率に左右される。そこで、コンバータ制御手段は、変換効率がより好適となる上記好適状態に至るべく、上記相対比率に基づいて有効巻数比率を調整し、システム用絶縁型コンバータでの損失抑制を図る。

本発明に係る電力供給システムによれば、駆動装置に電力を供給するに際して、その供給電圧の高圧化と、駆動装置および該システムの絶縁性の確保を両立することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態に係る電力供給システムは、移動体である自動車の駆動装置である駆動モータに対して電力を供給する、燃料電池で構成される燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る電力供給システムである燃料電池システム１を搭載し、それより供給される電力を駆動源とする移動体の車両１０を概略的に示す。車両１０は、駆動輪５が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）４によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ４は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ３から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ３へは、電源ユニット２から直流電力が供給され、それがインバータ３で交流へ変換されている。

車両１０には、更に電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上記電源ユニット２およびインバータ３が電気的に接続されることで、電源ユニット２か
らの供給電力およびインバータ３での交流変換が制御される。また、車両１０には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダル６が設けられ、その開度はＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、駆動モータの回転数を検出するエンコーダ９がＥＣＵ２０に電気的に接続され、ＥＣＵ２０でモータ４の回転数が検出される。

このように構成される車両１０において、モータ４への電力供給を司る燃料電池システム１は、主に電源ユニット２およびＥＣＵ２０を含む。そして、電源ユニット２には、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行う燃料電池４０（後述する図２等を参照）等が搭載され、その発電電力等がモータ４へ供給される。この燃料電池４０は、発電の際に生じる発熱を除去するために、図示しないラジエータによる冷却が行われている。そのため、燃料電池４０自体の周囲との絶縁性を比較的保つことは、技術的な困難性を伴うことになる。従って、燃料電池４０を含む電源ユニット２は、比較的電圧値が低い低電圧の電力を供給し、例えばその供給電圧は３００Ｖ程度である。一方で、モータ４は、銅損の抑制等効率的な駆動を目的として、高電圧化された電力によって駆動可能な、いわゆる高電圧型のモータであり、例えばその駆動電圧は６００Ｖ程度である。

そこで、本発明における車両１０は、供給電圧の観点から、供給電圧が低電圧である電力供給部ＰＳと、供給電圧が高電圧である車両駆動部ＶＤとに区分けされ、両者の間を後述するシステム用絶縁型コンバータで接続する。そして、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの間には電気的な直接の接続性はなく、システム用絶縁型コンバータによって、両者の絶縁性はそれぞれ独立して保たれる。このように車両１０の電力系を構成することで、モータ４への供給電圧を比較的高く維持しその駆動効率を向上させることが可能となるとともに、燃料電池システム１およびモータ４の絶縁状態を安定的に維持することが可能となり地絡等の障害を回避し得る。

以下に、車両１０の電力系の詳細を、図２に基づいて説明する。図２は、車両１０の電力系の概要を示す図である。先ず、電力供給部ＰＳは、主に燃料電池（ＦＣ）４０、バッテリ５０、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０で構成され、燃料電池４０とバッテリ５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０を挟んで配置される。ここで、燃料電池４０では、ＥＣＵ２０からの指令に従って、アクセルペダル６の開度に応じた、即ちモータ４に要求された出力に応じた水素ガスが供給されて、そこで発電が行われる。また、バッテリ５０は、蓄電機能を有する電源装置であって、燃料電池４０で発電された電力や、モータ４から回生エネルギーとして戻ってくる電力を蓄電することが可能である。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ６０は、４個のスイッチング素子がブリッジ状に組まれてなるフルブリッジ形式のコンバータである。

このように燃料電池４０とバッテリ５０とをＤＣ−ＤＣコンバータ６０で接続することで、出力特性の異なる両電源装置を併用してモータへの電力供給が可能となる。例えば、燃料電池４０での発電応答の遅れをバッテリ５０が補完することで、モータ４へは要求される電力を適切に供給することができる。

また、車両駆動部ＶＤは、主に三相交流モータであるモータ４、それに対して三相交流を供給するインバータ３、インバータ回路保護のための阻止ダイオード８、リップル除去のためのコンデンサ７で構成される。

上述したように、電力供給部ＰＳにおける供給電圧は、燃料電池４０での絶縁性確保の理由から、車両駆動部ＶＤにおける供給電圧より低い。そこで、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの間を、システム用絶縁型コンバータ３０によって、両者のそれぞれの絶縁状態の独立性が確保され得る状態で電気的に接続する。このシステム用絶縁型コンバータ３０は、電力の供給元に配置される一次側コイル３０ａ（巻数Ｎ１）と、電力の供給先に配
置される二次側コイル３０ｂ（巻数Ｎ２）と、一次側コイル３０ａに流れる電流のスイッチングを行うスイッチング素子３０ｃによって構成される。そして、一次側コイル３０ａとスイッチング素子３０ｃとが直列状態で、燃料電池４０に対して並列に、且つＤＣ−ＤＣコンバータ６０に対して燃料電池４０側に接続される。一方で、二次側コイル３０ｂは、車両駆動部ＶＤの阻止ダイオード８とインバータ３との間に直列に接続される。

このように構成されるシステム用絶縁型コンバータ３０は、一次側コイル３０ａと二次側コイル３０ｂとの作用によって、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤの絶縁状態をそれぞれ独立して保持することが可能であり、更に、一次側コイル３０ａと二次側コイル３０ｂとの間で供給電圧の昇圧を行うことで、燃料電池４０又はバッテリ５０からの供給電圧を高圧化してモータ４へ供給することが可能となる。また、システム用絶縁型コンバータ３０の一次側を燃料電池４０側から引き出すことで、燃料電池４０からモータ４に電力が供給されるときはＤＣ−ＤＣコンバータ６０を介さないため、該コンバータでのエネルギー損失無く燃料電池４０からの電力をモータ４に供給できる。

ここで、図３に基づいて、図２に示す車両１０の電力系における電力供給制御について説明する。尚、本実施例における電力供給制御は、ＥＣＵ２０によって実行されるルーチンである。先ず、Ｓ１０１では、エンコーダ９によって検出されたモータ４の実際の回転数に対応する、モータ４が最大出力し得る最大トルクを算出する。具体的には、図４Ａに示すようにモータ４の回転数とそれに対応した最大トルクとが関連付けられている最大モータトルクマップをＥＣＵ２０が有しており、エンコーダ９からの検出値であるモータ回転数とそのマップとを比較することで、その回転数におけるモータ４の最大トルクが算出される。例えば、図４Ａに示すように、モータの回転数がｒｐｍ１であるとき、最大モータトルクはＴＱ１と算出される。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。

Ｓ１０２では、アクセルペダル６の開度に基づいて、モータ４に出力要求されている要求トルクが算出される。アクセルペダル６の全開が、モータ４の現時点での回転数における最大トルクを要求していると定義すると、全開時の係数を１００％、全閉時の係数を０％として、以下の式に従って要求トルクが算出される。Ｓ１０２の処理が終了すると、Ｓ１０３へ進む。
（要求トルク）＝（上記最大トルク）×（アクセルペダルの開度に応じた係数）

Ｓ１０３では、Ｓ１０１とＳ１０２での算出結果に基づいて、モータ４に要求されている出力である要求出力が、以下の式に従って算出される。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。
（要求出力）＝（要求トルク）×（モータの回転数）

Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出された要求出力とモータ４の回転数に基づいて、モータ４に供給されるべき要求電圧値が算出される。具体的には、図４Ｂに示すようにモータ４の回転数（ｒｐｍ）と上記要求出力（Ｐ）で形成される関数Ｆと、要求電圧値Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑとが関連付けられている要求電圧値マップをＥＣＵ２０が有しており、モータの回転数と要求出力とをこれに比較することで、要求電圧値が算出される。モータ４の回転数が高くなるに従いその逆起電圧が高くなるため要求電圧値は高くなるべきであり、要求出力が高くなるとその出力をより少ない電流で達成するために要求電圧値は高くなるべきであるので、その点が関数Ｆと要求電圧との相関に反映されている。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、Ｓ１０４で算出された要求電圧値Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑと、アクセルペダル６の開度に応じて行われている燃料電池４０での発電における燃料電池供給電圧Ｅｆｃとに基づいて、システム用絶縁型コンバータ３０でのスイッチング素子３０ｃのスイッチン
グ周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆが算出される（Ｔｏｎはスイッチング素子３０ｃをＯＮにする時間、Ｔｏｆｆはスイッチング素子３０ｃをＯＦＦにする時間）。このスイッチング周期は、システム用絶縁型コンバータ３０での供給電圧の昇圧比、即ち電力供給部ＰＳでの低電圧側から車両駆動部ＶＤでの高電圧側への昇圧の比率を決定するものである。そこで、スイッチング周期は、以下の式に従って算出される。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。
Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆ＝（Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑ／Ｅｆｃ）×（Ｎ１／Ｎ２）

Ｓ１０６では、Ｓ１０５で算出されたスイッチング周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆに従って、システム用絶縁型コンバータ３０のスイッチング素子３０ｃのＯＮ・ＯＦＦ制御が実行され、本制御が終了する。

本制御によると、燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータに高電圧の電力を供給することが可能となる。その結果、車両１０の電力系で地絡等の障害を回避しながら、高効率のモータ駆動が可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第二の実施例について、図５に基づいて説明する。図５は、車両１０の電力系の概要を示す図である。図５に示す電力系の構成のうち図２に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。図５に示す電力系のうち図２に示す電力系と相違する点は、電力供給部ＰＳにおいて燃料電池４０とバッテリ５０とを接続するＤＣ−ＤＣコンバータの部分である。

本実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータとして、いわゆるハーフブリッジ形式のＤＣ−ＤＣコンバータ６０ｂが採用されている。該コンバータによって調整される電圧出力はフルブリッジ形式の場合と異なるが、それが燃料電池４０とバッテリ５０との電圧特性の調整に支障が無い範囲において、このようなハーフブリッジ形式のＤＣ−ＤＣコンバータ６０ｂの採用も可能となる。そして、この場合においても、実施例１と同様に燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第三の実施例について、図６および図７に基づいて説明する。図６および図７は、それぞれ車両１０の電力系の概要を示す図である。両図に示す電力系の構成のうち図２に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

先ず、図６に示す電力系のうち図２に示す電力系と相違する点は、電力供給部ＰＳにおいてシステム用絶縁型コンバータ３０が接続される部位である。本実施例では、システム用絶縁型コンバータ３０を構成する一次側コイル３０ａとスイッチング素子３０ｃとが直列状態で、バッテリ５０に対して並列に、且つＤＣ−ＤＣコンバータ６０に対してバッテリ５０側に接続される。このように、システム用絶縁型コンバータ３０の一次側をバッテリ５０側から引き出すことで、バッテリ５０からモータ４に電力が供給されるときはＤＣ−ＤＣコンバータ６０を介さないため、該コンバータでのエネルギー損失無くバッテリ５０からの電力をモータ４に供給できる。

次に、図７に示す電力系は、図６に示す電力系のうち燃料電池４０とバッテリ５０とを接続するＤＣ−ＤＣコンバータを、実施例２と同様にハーフブリッジ形式のＤＣ−ＤＣコ
ンバータ６０ｂに置換したものである。

以上に示す図６および図７に係る電力系においても、実施例１と同様に燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第四の実施例について、図８に基づいて説明する。図８は、車両１０の電力系の概要を示す図である。図８に示す電力系の構成のうち図２、図６に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。図８に示す電力系のうち図６に示す電力系と相違する点は、電力供給部ＰＳにおいて燃料電池４０とバッテリ５０とを接続する部分である。

本実施例においては、燃料電池４０とバッテリ５０とは、上記システム用絶縁型コンバータ３０と同様の絶縁型コンバータである電源用絶縁型コンバータ７０によって接続されている。このように電源用絶縁型コンバータ７０を利用することで、燃料電池４０から供給される電力を、該電源用絶縁型コンバータ７０のスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦのみの簡素な構成で、モータ４へ供給することができる。更に、燃料電池４０とバッテリ５０の絶縁状態をそれぞれ独立して保つことができ、燃料電池４０の絶縁性低下要因（上記ラジエータの存在等）によるバッテリ５０への影響も回避することが可能となる。

本実施例に係る電力系においても、実施例１と同様に燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第五の実施例について、図９〜１１に基づいて説明する。図９は、車両１０の電力系の概要を示す図である。図９に示す電力系の構成のうち図２に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。図９に示す電力系のうち図２に示す電力系と相違する点は、システム用絶縁型コンバータの部分である。

本実施例では、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤは、システム用絶縁型コンバータ８０によって接続される。このシステム用絶縁型コンバータ８０は、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとを互いに絶縁状態で電気的に接続するという観点で、上述までのシステム用絶縁型コンバータ３０と同質のコンバータである。このシステム用絶縁型コンバータ８０は、その一次側は一次側コイル８０ａ（上記の一次側コイル３０ａに相当）とスイッチング素子８０ｄ（上記のスイッチング素子３０ｃに相当）で構成され、システム用絶縁型コンバータ３０の場合と同様である。一方で、システム用絶縁型コンバータ８０の二次側には、第一・二次側コイル８０ｂと第二・二次側コイル８０ｃとが直列状態で、素子ダイオード８とインバータ３との間に設けられている。そして、更に、スイッチング素子８０ｅが、第二・二次側コイル８０ｃとインバータ３との間に直列に設けられ、スイッチング素子８０ｆが、第二・二次側コイル８０ｃとスイッチング素子８０ｅの直列配置に対して並列になるように、第一・二次側コイル８０ｂとインバータ３との間に設けられている。

このように構成されるシステム用絶縁型コンバータ８０では、スイッチング素子８０ｅと８０ｆのＯＮ・ＯＦＦ状態を切り替えることで、該コンバータを構成する二次側の有効コイル（一次側コイル８０ａと二巻線リアクトルの対として有効的に作用するコイル）を段階的に切り替えることが可能となる。例えば、スイッチング素子８０ｅをＯＦＦ且つスイッチング素子８０ｆをＯＮとすると、二次側の有効コイルは第一・二次側コイル８０ｂ
となる（以下、この状態を「第一選択状態」という。）。一方で、スイッチング素子８０ｅをＯＮ且つスイッチング素子８０ｆをＯＦＦとすると、二次側の有効コイルは第一・二次側コイル８０ｂおよび第二・二次側コイル８０ｃとなる（以下、この状態を「第二選択状態」という。）。

ここで、図１０に二次側の有効コイルと、システム用絶縁型コンバータ８０でのコンバータ効率との相関を示す。図１０の横軸は該コンバータでの一次側および二次側間の電圧の昇圧比εであり、縦軸は該コンバータのコンバータ効率を表す。ここで、該コンバータの二次側の有効コイルのインダクタンスが大きくなるに従い、有効コイルの、昇圧比に対するコンバータ効率のピーク値は、高昇圧比側に移る。その結果、第二選択状態は、第一選択状態と比べて、図１０に示すように、コンバータ効率のピーク値が高昇圧比側に位置する。そして、第一選択状態と第二選択状態との間で、昇圧比に対するコンバータ効率の優劣が入れ替わるときの、昇圧比の閾値がε０となる。

そこで、システム用絶縁型コンバータ８０における昇圧比に応じて、スイッチング素子８０ｅ、８０ｆによって有効コイルを切り替えることで、コンバータ効率をより良い状態に維持しながら一次側から二次側への供給電圧の昇圧を行うことが可能となる。そして、このコンバータ効率をより良い状態にしながらモータ４へ電力を供給する電力供給制御について、図１１に基づいて説明する。尚、本実施例における電力供給制御は、ＥＣＵ２０によって実行されるルーチンである。また、図３に示す電力供給制御と同一の処理を行うステップについては、同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施例に係る電力供給制御においては、Ｓ１０４の処理が終了するとＳ２０１へ進む。Ｓ２０１では、上記Ｓ１０４で算出された要求電圧値Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑに対する、燃料電池４０の燃料電池供給電圧Ｅｆｃ（アクセルペダル４０の開度に応じて行われている燃料電池４０での発電電圧）の比率で定義される昇圧比εが、所定の閾値ε０より低いか否かが判定される。このε０は、図１０に示すε０と同義である。換言すると、Ｓ２０１では、システム用絶縁型コンバータ８０でのコンバータ効率を踏まえて、第一選択状態を選ぶべきか第二選択状態を選ぶべきかの判定を行うものである。

Ｓ２０１で昇圧比εが所定の閾値ε０より小さいと判定されると、即ち第一選択状態の有効コイルを選ぶべきと判定されると、Ｓ２０２へ進み、スイッチング素子８０ｅをＯＦＦに且つスイッチング素子８０ｆをＯＮにする。一方で、Ｓ２０１で昇圧比εが所定の閾値ε０より小さくないと判定されると、即ち第二選択状態の有効コイルを選ぶべきと判定されると、Ｓ２０４へ進み、スイッチング素子８０ｅをＯＮに且つスイッチング素子８０ｆをＯＦＦにする。

ここで、Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３へ進む。Ｓ２０３では、上記要求電圧値Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑと燃料電池供給電圧Ｅｆｃとに基づいて、システム用絶縁型コンバータ８０でのスイッチング素子８０ｄのスイッチング周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆが算出される。このスイッチング周期は、実施例１と同義である。このとき、システム用絶縁型コンバータ８０の二次側の有効コイルは第一・二次側コイル８０ｂのみであるから、スイッチング周期は、以下の式に従って算出される。Ｓ２０３の処理が終了すると、Ｓ２０６へ進む。
Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆ＝（Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑ／Ｅｆｃ）×（Ｎ１／Ｎ２）

また、Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。Ｓ２０５では、上記要求電圧値Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑと燃料電池供給電圧Ｅｆｃとに基づいて、システム用絶縁型コンバータ８０でのスイッチング素子８０ｄのスイッチング周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆが算出される。このとき、システム用絶縁型コンバータ８０の二次側の有効コイルは第一・二次側コイル８０ｂおよび第二・二次側コイル８０ｃであるから、スイッチング周期は、以下の式に従っ
て算出される。Ｓ２０５の処理が終了すると、Ｓ２０６へ進む。
Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆ＝（Ｅｓｙｓ＿ｒｅｑ／Ｅｆｃ）×（Ｎ１／（Ｎ２＋Ｎ３））

Ｓ２０６では、Ｓ２０３またはＳ２０５で算出されたスイッチング周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆに従って、システム用絶縁型コンバータ８０のスイッチング素子８０ｄのＯＮ・ＯＦＦ制御が実行され、本制御が終了する。

本制御によると、燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となる。その結果、車両１０の電力系で地絡等の障害を回避しながら、高効率のモータ駆動が可能となる。更には、システム用絶縁型コンバータ８０でのスイッチング素子の状態を昇圧比に基づいて調整することで、そのコンバータ効率を可及的に良好な状態に保持することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第六の実施例について、図１２〜１５に基づいて説明する。これらの各図は、車両１０の電力系の概略を示す図であり、上記実施例５の変形例を示す図である。従って、各図に示す電力系の構成のうち図９に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。先ず、図１２に示す電力系は、燃料電池４０とバッテリ５０とを接続するＤＣ−ＤＣコンバータの部分が、上記の実施例２と同様にハーフブリッジ形式のＤＣ−ＤＣコンバータ６０ｂとされている。その他の構成は、上記実施例５と同様である。

次に、図１３に示す電力系は、上記実施例３の図６と同様に、システム用絶縁型コンバータ８０の一次側がバッテリ５０側から引き出されている。その他の構成は、上記実施例５と同様である。また、図１４に示す電力系は、上記実施例３の図７と同様に、図１３に示す電力系のうち燃料電池４０とバッテリ５０とを接続するＤＣ−ＤＣコンバータを、ハーフブリッジ形式のＤＣ−ＤＣコンバータ６０ｂとしたものである。その他の構成は、上記実施例５と同様である。また、図１５に示す電力系は、燃料電池４０とバッテリ５０とを接続する部分が、上記の実施例４と同様に電源用絶縁型コンバータ７０とされている。その他の構成は、上記実施例５と同様である。

これらのように構成される車両１０の電力系でも、実施例５と同様に、燃料電池４０とバッテリ５０を含む電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となり、更には、システム用絶縁型コンバータ８０のコンバータ効率を可及的に良好な状態に保持することが可能となる。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第七の実施例について、図１６および図１７に基づいて説明する。図１６は、車両１０の電力系の概略を示す図であり、上記実施例５の変形例を示す図である。従って、図５に示す電力系の構成のうち図９に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１６に示す電力系は、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとが、上記システム用絶縁型コンバータ８０と同様に絶縁型コンバータであるシステム用絶縁型コンバータ９０で接続されている。このシステム用絶縁型コンバータ９０は、上記システム用絶縁型コンバータ８０と同様に、該コンバータの二次側に設けられたスイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ状態を切り替えることで、その有効コイルを選択することができる。システム用絶縁型コンバータ９０では、図１６に示すように三段の二次側コイルが設けられ、それに対応するよう
に二次側にスイッチング素子が三段設けられている。

従って、図１７に示すように、スイッチング素子のＯＮ・ＯＦＦ状態を切換えて、昇圧比に対するコンバータ効率の推移を三パターンに切り替えることが可能となる。その結果、昇圧比ε１、ε２を閾値として、（１）昇圧比がε１未満の場合は有効コイルを一段に選択し、２）昇圧比がε１以上ε２未満の場合は有効コイルを二段に選択し、３）昇圧比がε２以上の場合は有効コイルを三段に選択することで、システム用絶縁型コンバータ９０のコンバータ効率を可及的に良好な状態に維持することができる。また、システム用絶縁型コンバータ９０の一次側のスイッチング素子のスイッチング周期Ｔｏｎ／Ｔｏｆｆは、一次側コイルと二次側の有効コイルの巻数比率に応じて、適宜設定する。

ここで、本発明に係る燃料電池システムにおいては、システム用絶縁型コンバータの二次側コイルが、実施例５、実施例７に示すような二段や三段のタイプに限られず、四段以上の複数段であっても構わない。またスイッチング素子の配列についても、実施例５〜７に示すような配列に限られず、コンバータ効率を考慮して二次側の有効コイルを適宜選択できるようなスイッチング素子の配列であればよい。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第八の実施例について、図１８に基づいて説明する。図１８は、車両１０の電力系の概要を示す図である。図１８に示す電力系の構成のうち図２に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。図１８示す電力系のうち図２に示す電力系と相違する点は、バッテリ５０が電力供給部ＰＳ側ではなく、車両駆動部ＶＤ側に設けられている点であり、従って、本実施例では燃料電池４０とバッテリ５０の両者を接続する、上記のＤＣ−ＤＣコンバータや電源用絶縁型コンバータ等が介在しない構成となる。

本実施例では、バッテリ５０が車両駆動部ＶＤ側に設けられるが、その前提としてバッテリ５０の絶縁状態が比較的高い状態に維持されることが必要である。このように構成される車両１０の電力系は、燃料電池４０とバッテリ５０とがＤＣ−ＤＣコンバータ等で接続されていないのでその出力配分を細かく制御しにくくなる。即ち、燃料電池４０の出力をメイン出力とするとバッテリ５０の出力は受動的になり、両者の出力配分は成り行き的になる。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を設ける必要がなくなるので、燃料電池システム全体の小型化を図ることが可能となり、勿論、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することも可能となる。

尚、図１８に示す電力系に対して、図３に示す電力供給制御を適用することも可能である。

本発明に係る電力供給システムである燃料電池システムの第九の実施例について、図１９に基づいて説明する。図１９は、車両１０の電力系の概略を示す図であり、上記実施例８の変形例を示す図である。従って、図１９に示す電力系の構成のうち図１８に示す電力系の構成と同一のものには同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１９に示す電力系は、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの間が、上記実施例５に示す、二次側の有効コイルを切り替えることが可能なシステム用絶縁型コンバータ８０で接続されている点が、上記実施例８の図１８に示す電力系と異なり、その他の構成は同様である。そして、この電力系に対して、図１１に示す電力供給制御を適用することも可能である。

これにより、電力供給部ＰＳと車両駆動部ＶＤとの絶縁状態をそれぞれ独立に保ちながら、モータ４に高電圧の電力を供給することが可能となる。更には、システム用絶縁型コンバータ８０でのスイッチング素子の状態を昇圧比に基づいて調整することで、そのコンバータ効率を可及的に良好な状態に保持することが可能となる。

本発明に係る電力供給システム（燃料電池システム）を搭載した車両の概略構成を表す図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第一の図である。 図２に示す電力系において、燃料電池で構成される電力供給部から駆動モータへの電力供給のための電力供給制御のフローを示す図である。 図１に示す車両の駆動モータのトルク線図である。 図１に示す車両の駆動モータの回転数および要求出力と、該駆動モータが必要とする電圧との相関を示す線図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第二の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第三の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第四の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第五の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第六の図である。 図９に示す電力系において、電力供給部と車両駆動部間の昇圧比と、システム用絶縁型コンバータのコンバータ効率との関係を示す図である。 図９に示す電力系において、燃料電池で構成される電力供給部から駆動モータへの電力供給のための電力供給制御のフローを示す図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第七の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第八の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第九の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第十の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第十一の図である。 図１６に示す電力系において、電力供給部と車両駆動部間の昇圧比と、システム用絶縁型コンバータのコンバータ効率との関係を示す図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第十二の図である。 図１に示す車両に搭載された電力系であって、本発明の燃料電池システムを含んで構成される電力系の概略構成を示す第十三の図である。

符号の説明

１・・・・燃料電池システム
２・・・・電源ユニット
３・・・・インバータ
４・・・・駆動モータ（モータ）
６・・・・アクセルペダル
９・・・・エンコーダ
１０・・・・車両
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・システム用絶縁型コンバータ
３０ａ・・・・一次側コイル
３０ｂ・・・・二次側コイル
３０ｃ・・・・スイッチング素子
４０・・・・燃料電池
５０・・・・バッテリ
６０・・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ（フルブリッジ形式）
６０ｂ・・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ（ハーフブリッジ形式）
７０・・・・電源用絶縁型コンバータ
８０・・・・システム用絶縁型コンバータ
８０ａ・・・・一次側コイル
８０ｂ・・・・第一・二次側コイル
８０ｃ・・・・第二・二次側コイル
８０ｄ、８０ｅ、８０ｆ・・・・スイッチング素子
９０・・・・システム用絶縁型コンバータ
ＰＳ・・・・電力供給部
ＶＤ・・・・車両駆動部

Claims (11)

1. 移動体に搭載され、該移動体の駆動源として機能する駆動装置に電力を供給する電力供給システムであって、
   発電を行い、前記駆動装置へ電力を供給する第一電源装置と、
   前記第一電源装置とは別に設けられ、前記駆動装置へ電力を供給する第二電源装置と、
   前記第一電源装置と前記第二電源装置のうち少なくとも何れか一方を含む電力供給部と前記駆動装置を含む移動体駆動部との間に設けられ、該電力供給部から該移動体駆動部への電力の伝達を行いながら両者間の絶縁を確保するシステム用絶縁型コンバータと、
   を備える電力供給システム。
2. 前記移動体駆動部における供給電圧は、前記電力供給部における供給電圧より高い、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記電力供給部は、前記第一電源装置を含み、
   前記第一電源装置は、該第一電源装置の周囲との絶縁状態が所定状態より低い、請求項１又は請求項２に記載の電力供給システム。
4. 前記第一電源装置は、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて発電を行い、その発電による電力を前記駆動装置へ供給する燃料電池であり、
   前記第二電源装置は、蓄電手段を有し該蓄電手段によって蓄電された電力を前記駆動装置へ供給する蓄電装置である、請求項１から請求項３の何れかに記載の電力供給システム。
5. 前記電力供給部は、前記第一電源装置および前記第二電源装置を含み、
   前記第一電源装置と前記第二電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介して前記駆動装置に対して電力を並列に供給する、請求項１から請求項４の何れかに記載の電力供給システム。
6. 前記第一電源装置と前記第二電源装置とは、前記駆動装置からの要求電力に応じて前記システム用絶縁型コンバータの一次側に供給する電力を調整可能とするＤＣ−ＤＣコンバータを介して互いに電気的に接続され、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、フルブリッジ形式又はハーフブリッジ形式で形成される、請求項５に記載の電力供給システム。
7. 前記システム用絶縁型コンバータは、前記電力供給部側に設けられた一次側コイルと、前記移動体駆動部側に設けられた二次側コイルとを有し、
   前記一次側コイルは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに対して前記第一電源装置側又は前記第二電源装置側の何れかに設けられている、請求項６に記載の電力供給システム。
8. 前記第一電源装置と前記第二電源装置との間に設けられ、両者の間の電力の伝達を行いながら両者間の絶縁を確保する電源用絶縁型コンバータを、更に備える、請求項５に記載の電力供給システム。
9. 前記電力供給部は、前記第一電源装置を含み、
   前記移動体駆動部は、前記第二電源装置を含み、
   前記第一電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介して前記駆動装置に対して電力を供給し、
   前記第二電源装置は、前記システム用絶縁型コンバータを介さずに前記駆動装置に対して前記第一電源装置と並列に電力を供給する、請求項１から請求項４の何れかに記載の電
   力供給システム。
10. 前記システム用絶縁型コンバータは、前記電力供給部側に設けられた一次側コイルと、前記移動体駆動部側に設けられた二次側コイルとを有し、
    前記駆動装置からの要求電力に応じて、前記一次側コイルと前記二次側コイルとの有効巻数比率を変更するコンバータ制御手段を、更に備える、請求項１から請求項９の何れかに記載の電力供給システム。
11. 前記コンバータ制御手段は、前記駆動装置からの要求電力と前記第一電源装置による発電電力との相対比率に基づいて、前記システム用絶縁型コンバータにおける電圧変換効率が所定の好適状態に維持されるべく、前記有効巻数比率の変更を行う、請求項１０に記載の電力供給システム。

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