JP2009165242A - 燃料電池システム、及びｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧させるＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧コンバータにおいて、スイッチング損失を可及的に抑制する。
【解決手段】燃料電池システムにおいて、燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、昇圧部を介して、燃料電池の出力電圧を昇圧し負荷に印加させる時に、燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧を調整する。
【選択図】図８Ａ

Description

本発明は、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モータに供給する燃料電池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駆動モータからの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り、その補償のために二次電池が搭載される場合がある。この二次電池は、駆動モータの減速時に発生する回生エネルギや、燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記燃料電池の応答性の低下の補償や、また燃料電池システム全体の出力の増加等の目的に、その蓄電エネルギを放電する。

燃料電池等の直流電源と二次電池とを並列に接続して電源を構成する燃料電池システムでは、燃料電池の出力電圧や二次電池の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータで変換することにより、両者の併用を図っている。ここで、ＤＣ−ＤＣコンバータの有するスイッチ素子のスイッチング動作で生じる損失、いわゆるスイッチング損失を軽減するために、スイッチング動作時にスイッチ素子に印加される電圧を極力ゼロとする技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、特許文献２には、ＤＣ−ＤＣコンバータではないがインバータのスイッチ素子に印加される電圧を極力ゼロとできるように、インバータに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータからの電圧を可変として、且つインバータでのデューティ比制御範囲を一定の範囲に制限する技術が公開されている。この技術によると、インバータの出力電流の歪が抑制され高調波の発生が防止される。
特開２００５−３０４２８９号公報 特開平１０−１５５２８０号公報 特開２００７−１８４２４３号公報

燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、スイッチ素子によるスイッチング動作とコイルとの組合せによって、負荷に対して所望の電圧を印加することが可能となる。しかし、このスイッチ素子によるスイッチング動作ではスイッチング損失によってＤＣ−ＤＣコンバータの電圧変換効率が低下する可能性がある。

そこで、スイッチング動作時にスパイク電圧が生じないように緩衝用のコンデンサをスイッチ素子に対して並列に設け、急激な電圧の立ち上がり等を回避するいわゆるソフトスイッチ制御が有用である。しかし、このソフトスイッチ制御の実行時でも、スイッチ素子に何等かの電圧が印加されている場合があり、そのときにスイッチング動作を行い電流がスイッチ素子に流れ込むと、スイッチング損失の発生が避けられない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧させるＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧コンバータにおいて、スイッチング損失を可及的に抑制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、いわゆるソフトスイッチ制御を行うためのスナバコンデンサを、スイッチ素子に並列に設けるとともに、ソフトスイッチ制御を一定の電圧条件下で行うこととした。即ち、スイッチ素子のスイッチング動作が行われるときにスイッチ素子に印加される電圧を低減できる条件下で、該ソフトスイッチ制御を行うことで、スイッチング損失を低く抑えることが可能となる。

そこで、詳細には、本発明は、燃料電池システムであって、直流電源である燃料電池と、前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、前記昇圧部を介して、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、前記昇圧制御手段による電圧昇圧時に、前記燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧を調整する昇圧比調整手段と、を備える。

上記燃料電池システムにおいては、昇圧制御手段により、燃料電池から出力された直流電圧が昇圧部で昇圧され、その昇圧後の電圧が負荷に印加される。これにより、負荷に比較的高電圧までの任意の電圧を印加でき、負荷の駆動に様々な効果を与えることができる。ここで、昇圧部は、主昇圧部と補助昇圧部を有しており、主昇圧部は、主コイルと主スイッチ手段の作用によって燃料電池の出力電圧を昇圧する。

そして、この主昇圧部による電圧昇圧に際して、補助昇圧部において、該主昇圧部の昇圧動作に応じてスナバコンデンサの印加電圧が調整される。補助昇圧部が有するスナバコンデンサは、主スイッチ手段に対して並列に接続されておるため、主スイッチ手段のスイッチング動作が行われても主スイッチ手段に印加される電圧が急に変化することを抑制するため、スパイク電圧が発生しにくくなる。従って、補助昇圧部において、燃料電池の出力電圧の昇圧にあたり、スナバコンデンサの印加電圧を介して主スイッチ手段に印加される電圧が適切に調整されることとなり、以て昇圧部による電圧昇圧の際のスイッチング損失を軽減することが可能となる。

ここで、本発明に係る燃料電池システムでは、上記昇圧制御手段による電圧昇圧は、昇圧比調整手段によって昇圧部の出口側電圧が上記のように調整された状態で行われる。即ち、昇圧制御手段による電圧昇圧が実施される条件の一つとして、昇圧比調整手段による調整が考慮されることになる。ここで、上記所定昇圧比とは、上記主昇圧部と補助昇圧部とを有する昇圧部が持つ電圧昇圧に関する特性に基づいて決定される、「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比」である。補助昇圧部内にスナバコンデンサを有する昇圧部においては、主スイッチ手段のスイッチング動作において「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比」が低いと、スナバコンデンサに電荷が蓄えられた状態でのスイッチング動作が行われ、スイッチング損失が顕著となる場合がある。

そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、昇圧比調整手段により、「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比」を所定昇圧比を越えた状態とした上で、昇圧制御手段による電圧昇圧を行うことで、スイッチング損失の低減を図る。尚、昇圧部におけるスイッチング損失の低減の観点からは、昇圧制御手段による電圧昇圧が行われるときは上記昇圧比調整手段による調整が可及的に行われるのが好ましいが、必ずしも、常に昇圧制御手段による電圧昇圧時に該調整を行わなければならないというわけではない。昇圧比調整手段による調整を行うことで燃料電池システムに何等かの影響が及ぼされる場合は、昇圧比調整手段による調整を一時的に、又は選択的に行わないようにしてもよい。

また、燃料電池システムの構成において、負荷と昇圧部との間に、該負荷への供給電力を制御する電力制御部（例えば、インバータ等）が設けられる場合がある。その電力制御部に対して、昇圧比調整手段による調整が種々の観点から影響を及ぼす場合にも、該昇圧比調整手段による調整の実行の可否を選択するようにしてもよい。

ここで、燃料電池側に設定された昇圧部の始動時における上記課題を解決する観点から、本発明を捉えることもできる。即ち、燃料電池側に設定された上記昇圧部の始動時においては、燃料電池の出力電圧と昇圧部の出口側電圧とがほぼ同電位である場合がある。このような場合に、昇圧制御手段による電圧昇圧を行うと、上述した理由でスイッチング損失が顕著となる虞がある。そこで、燃料電池側に設定された昇圧部の始動時においても、上記の燃料電池システムが有する技術的思想を採用することとした。

詳細には、本発明は、燃料電池システムであって、直流電源である燃料電池と、前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、前記燃料電池側に設定された前記昇圧部の始動前に、該燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧を調整する昇圧比調整手段と、前記昇圧比調整手段によって前記昇圧部の出口側電圧が調整された後、前記燃料電池の出力電圧を、該昇圧部を介して昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、を備える。

上記燃料電池システムでは、燃料電池側に設定された昇圧部の始動前に昇圧比調整手段によって、「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比」が調整される。尚、この調整に関する所定昇圧比は、先の本発明に係る燃料電池システムにおける所定昇圧比と同義である。そして、この昇圧比調整手段による調整の結果、燃料電池側に設定された昇圧部の始動時には所定の電圧条件が成立しているため、昇圧制御手段による電圧昇圧時のスイッチング損失を可及的に低減することが可能となる。

ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記昇圧比調整手段は、前記昇圧制御手段による電圧昇圧時であって、前記燃料電池の出力電圧に対する前記負荷の駆動に必要な負荷必要電圧の比である要求昇圧比が前記所定昇圧比以下であるときに、前記燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が該所定昇圧比を超えるように該昇圧部の出口側電圧を調整するようにしてもよい。即ち、昇圧比調整手段による調整は、昇圧制御手段による電圧昇圧時にスイッチング損失が顕著となる虞があるときに行われればよい。これにより、昇圧比調整手段による無用な調整を回避することができる。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、電力の蓄電及び放電が可能な二次電池であって、前記負荷に対して前記燃料電池及び前記昇圧部とに並列に接続され且つ該放電によって該負荷に電力供給する二次電池と、前記二次電池から出力される電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記負荷に供給することが可能な二次電池昇圧部と、を備え、前記昇圧比調整手段は、前記二次電池昇圧部による電圧昇圧を介して前記昇圧部の出口側電圧を調整するようにしてもよい。

このように構成される燃料電池システムでは、燃料電池の場合と同様に、二次電池に蓄電されている電力を二次電池昇圧部で電圧昇圧して負荷に提供することが可能となり、負荷からの種々の要求に広く対応することができる。ここで、二次電池昇圧部は、本来的には二次電池からの出力電圧を昇圧して負荷に印加するものであるが、負荷への印加直前の電位、即ち燃料電池に対応する上記昇圧部の出口側の電圧を調整することも可能である。
そこで、二次電池昇圧部による電圧昇圧を介して、「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比」を調整し、以てスイッチング損失の低減を図ることが可能となる。

ここで、上記燃料電池システムにおいて、前記昇圧比調整手段によって調整される昇圧比は、所定昇圧比を越え且つ可及的に低い値であることが好ましい。昇圧部におけるスイッチング損失の低減の観点からは、燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えればよいが、その昇圧比を過度に上げると、燃料電池システムにおいて昇圧部以外で種々の不具合が生じる可能性がある。そこで、二次電池昇圧部による電圧昇圧は、必要最低限の範囲で行うのが好ましい。

また、上記の課題を解決するために、別の観点から本発明を捉えることが可能である。詳細には、本発明は燃料電池システムであって、直流電源である燃料電池と、前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、前記昇圧部を介して、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、を備え、前記燃料電池の出力電圧に対する前記負荷の駆動に必要な負荷必要電圧の比である要求昇圧比が所定昇圧比以下であるときに、前記昇圧制御手段による電圧昇圧を回避する。

この燃料電池システムにおける所定昇圧比は、先の本発明に係る燃料電池システムにおける所定昇圧比と同義である。従って、この燃料電池システムでは、要求昇圧比が所定昇圧比に至らない場合は、昇圧制御手段による電圧昇圧は行われないことで、スイッチング損失が顕著となるスイッチング動作が回避されることになり、以てスイッチング損失の低減が図られる。

ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記昇圧制御手段は、前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記燃料電池からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇圧手段と、を有してもよい。

上記の通り、昇圧制御手段は、昇圧部による電圧昇圧を制御する。そこで、その電圧昇圧は、先ず、第一昇圧手段によって燃料電池からの電力を主コイルに蓄積し、次に第二昇圧手段によって上述したスナバコンデンサの特性を踏まえた上で負荷側に昇圧された電圧が印加される。そして、これら第一および第二昇圧手段の機能は、主スイッチ手段のスイッチング動作（前者が第一スイッチング動作で、後者が第二スイッチング動作）によって発揮される。即ち、昇圧制御手段による昇圧部の制御は、主スイッチ手段のスイッチング動作の制御を通して行われる。

また、上述までの、燃料電池システムにおいて、前記主昇圧部は、一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された前記主コイルと、一端の極が前記主コイルの他端に接続され、他方の極が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチ手段と、カソード端子が前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、前記第一ダイオードのアノード端子と前記主スイッチ手段の他方の極との間に設けられた平滑コンデンサと、を有し、前記補助昇圧部は、前記主スイッチ手段に並列に設けられ、且つ前記主コイルの多端と前記燃料電池の低電位側の端子との間に接続された、第二ダイオードと前記スナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接
続された、誘導性素子である補助コイルと第三ダイオードとスイッチングを行う補助スイッチ手段とを含む第二直列接続体と、を有し、前記所定昇圧比は、前記スナバコンデンサの容量と前記補助コイルのインダクタンスの相関関係に基づいて決定されるようにしてもよい。

このように主昇圧部と補助昇圧部が構成されると、補助昇圧部におけるスナバコンデンサにより、主スイッチ手段に印加される電圧の急激な上昇を抑制するとともに、更なる主スイッチ手段のスイッチング損失を抑制の観点から、該スナバコンデンサと第二直列接続体の補助コイルとで共振作用を生じさせて、該スナバコンデンサ内の電荷を除去することになる。従って、主スイッチ手段のスイッチング動作時に該主スイッチ手段に印加される電圧を可及的に小さくすることが可能となる。ここで、このスナバコンデンサと補助コイルとの共振作用を効率的に発揮させるための条件として、スナバコンデンサの容量と補助コイルのインダクタンスの相関関係が一定の条件、即ち「燃料電池の出力電圧に対する昇圧部の出口側の電圧の比」が所定昇圧比を超えることが好ましいことが、本出願人により新たに見出された。

また、上述までの燃料電池システムにおいて開示された本発明の技術的思想は、直流電源の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加するＤＣ−ＤＣコンバータにも適用可能である。即ち、そのＤＣ−ＤＣコンバータは、前記直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、前記昇圧部を介して、前記直流電源の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、を備え、前記昇圧制御手段による電圧昇圧時に、前記直流電源の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧が調整される。

また、直流電源の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加するＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部を備え、前記直流電源の始動前に、該直流電源の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧が調整され、その後、前記直流電源の出力電圧を、前記昇圧部を介して昇圧し前記負荷に印加させる。

上記のＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、上述までの燃料電池システムの場合と同様に、昇圧制御手段の電圧昇圧時のスイッチング損失を可及的に抑制することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池等の直流電源からの出力電圧を昇圧させるＤＣ−ＤＣコンバータ等の昇圧コンバータにおいて、スイッチング損失を可及的に抑制することが可能となる。

本発明に係る燃料電池システム１０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燃料電池システム１０は、移動体である車両１の駆動装置である駆動モータ１６に対して電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の車両１以外の
移動体や、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対しても適用が可能である。

図１は、本発明に係る燃料電池システム１０の概略構成および、該燃料電池システム１０より供給される電力を駆動源とする移動体の車両１を概略的に示す。車両１は、駆動輪２が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）１６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１６は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ１５から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ１５へは、燃料電池システム１０のメイン電力源である燃料電池（以下、「ＦＣ」ともいう。）１１と、二次電池であるバッテリ１３から直流電力が供給され、それがインバータ１５で交流へ変換されている。

ここで、燃料電池１１は、水素タンク１７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行い、該燃料電池１１とインバータ１５との間には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣ昇圧コンバータ１２が電気的に接続されている。これにより、燃料電池１１からの出力電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ１２によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、このＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によって燃料電池１１の端子電圧を制御することも可能となる。尚、ＦＣ昇圧コンバータ１２の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ１３は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ１３とインバータ１５との間に該インバータ１５に対して上記ＦＣ昇圧コンバータ１２と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１３からの出力電圧は、バッテリ昇圧コンバータ１４によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、このバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作によってインバータ１５の端子電圧を制御することも可能となる。尚、図１中に示すように、燃料電池システム１０においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コンバータ１４を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。そして、昇降圧型コンバータを採用することにより更に特筆すべき事実については適切にその開示を行っていく。

また車両１には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上述した各制御対象に電気的に接続されることで、燃料電池１１の発電やモータ１６の駆動等が制御されることになる。例えば、車両１には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、その検出信号がＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ２０は、モータ１６の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ２０でモータ１６の回転数が検出される。ＥＣＵ２０は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。

このように構成される燃料電池システム１０では、車両１のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、ＥＣＵ２０がそのアクセル開度とモータ１６の回転数等に基づいて、燃料電池１１の発電量やバッテリ１３からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両１の燃費を向上させるために、モータ１６が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ１６は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ１５の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ１６では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、燃料電池システム１０からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃
料電池１１とインバータ１５の間にＦＣ昇圧コンバータ１２を設け、バッテリ１３とインバータ１５との間にもバッテリ昇圧コンバータ１４を設けることで、インバータ１５への供給電圧の高電圧化が図られる。繰り返しにはなるが、このバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータも採用可能である。

このように燃料電池システム１０をＦＣ昇圧コンバータ１２を含む構成とすることで、燃料電池１１自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によりモータ１６を駆動することが可能となるので、燃料電池１１のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両１の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。

ここで、燃料電池システム１０においては、発電可能な燃料電池１１がモータ１６に対するメイン電力源となっている。従って、燃料電池システム１０の効率を向上させるためには、燃料電池１１とインバータ１５との間に介在するＦＣ昇圧コンバータ１２での電力損失を低減することが、システム全体の効率向上に大きく寄与すると考えられる。もちろん、バッテリ１３とインバータ１５との間のバッテリ昇圧コンバータ１４にも原則的に同様のことが当てはまる。

ここで、図２に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータ１２の電気回路の特徴について説明する。図２は、ＦＣ昇圧コンバータ１２を中心として、燃料電池システム１０の電気的構成を示す図であるが、説明を簡便にするためにバッテリ１３およびバッテリ昇圧コンバータ１４の記載は省略している。

ＦＣ昇圧コンバータ１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての昇圧動作を行うための主昇圧回路１２ａと、後述するソフトスイッチング動作を行うための補助回路１２ｂとで構成されている。主昇圧回路１２ａは、スイッチ素子Ｓ１とダイオードＤ４で構成されるスイッチング回路のスイッチ動作によって、コイルＬ１に蓄えられたエネルギをモータ１６側（インバータ１５側）にダイオードＤ５を介して解放することで燃料電池１１の出力電圧を昇圧する。具体的には、コイルＬ１の一端が燃料電池１１の高電位側の端子に接続される。そして、スイッチ素子Ｓ１の一端の極が、コイルＬ１の他端に接続されるとともに、該スイッチ素子Ｓ１の他端の極が、燃料電池の低電位側の端子に接続されている。また、ダイオードＤ５のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、更に、コンデンサＣ３が、ダイオードＤ５のアノード端子とスイッチ素子Ｓ１の他端との間に接続されている。尚、この主昇圧回路１２ａにおいて、コンデンサＣ３は、昇圧電圧の平滑コンデンサとして機能する。尚、主昇圧回路１２ａには、燃料電池１１側に平滑コンデンサＣ１も設けられ、これにより燃料電池１１の出力電流のリップルを低減することが可能となる。この平滑コンデンサＣ３にかかる電圧ＶＨは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧となる。また、図２では、燃料電池１１の電源電圧をＶＬで示し、これは平滑コンデンサＣ１にかかる電圧であって、且つＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧となる。

次に、補助回路１２ｂには、先ずスイッチ素子Ｓ１に並列に接続された、ダイオードＤ３と、それに直列に接続されたスナバコンデンサＣ２とを含む第一直列接続体が含まれる。この第一直列接続体では、ダイオードＤ３のカソード端子がコイルＬ１の他端に接続され、そのアノード端子がスナバコンデンサＣ２の一端に接続されている。更に、該スナバコンデンサＣ２の他端は、燃料電池１１の低電位側の端子に接続されている。更に、補助回路１２ｂには、誘導素子であるコイルＬ２と、ダイオードＤ２と、スイッチ素子Ｓ２及びダイオードＤ１で構成されるスイッチング回路とが直列に接続された第二直列接続体が含まれる。この第二直列接続体では、コイルＬ２の一端が、第一直列接続体のダイオードＤ３とスナバコンデンサＣ２との接続部位に接続される。更に、ダイオードＤ２のカソード端子が、コイルＬ２の他端に接続されるとともに、そのアノード端子が、スイッチ素子
Ｓ２の一端の極に接続される。また、スイッチ素子Ｓ２の他端は、コイルＬ１の一端側に接続される。尚、この第二直列接続体の回路トポロジーについては、コイルＬ２、ダイオードＤ２、スイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の直列順序は、適宜入れ替えた形態も採用し得る。特に、図２に示す状態に代えて、コイルＬ２とスイッチ素子Ｓ２等によるスイッチング回路の順序を入れ替えることで、実際の実装回路ではコイルＬ１とコイルＬ２は一体化でき、半導体素子のモジュール化が容易となる。

このように構成されるＦＣ昇圧コンバータ１２は、スイッチ素子Ｓ１のスイッチングデューティ比を調整することで、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比、即ちＦＣ昇圧コンバータ１２に入力される燃料電池１１の出力電圧に対する、インバータ１５にかけられるＦＣ昇圧コンバータ１２の出力電圧の比が制御される。また、このスイッチ素子Ｓ１のスイッチング動作において補助回路１２ｂのスイッチ素子Ｓ２のスイッチング動作を介在させることで、後述するいわゆるソフトスイッチングが実現され、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチングロスを大きく低減させることが可能となる。

次に、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるソフトスイッチングについて、図３、４Ａ〜４Ｆに基づいて説明する。図３は、ソフトスイッチング動作を介したＦＣ昇圧コンバータ１２での昇圧のための一サイクルの処理（以下、「ソフトスイッチング処理」という。）のフローチャートである。当該ソフトスイッチング処理は、Ｓ１０１〜Ｓ１０６の各処理がＥＣＵ２０によって順次行われて一サイクルを形成するが、各処理によるＦＣ昇圧コンバータ１２での電流、電圧の流れるモードをそれぞれモード１〜モード６として表現し、その状態を図４Ａ〜４Ｆに示す。以下、これらの図に基づいて、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのソフトスイッチング処理について説明する。尚、図４Ａ〜図４Ｆにおいては、図面の表示を簡潔にするため、主昇圧回路１２ａと補助回路１２ｂの参照番号の記載は省略しているが、各モードの説明においては、各回路を引用する場合がある。また、各図中、太矢印で示されるのは、回路を流れる電流を意味している。

尚、図３に示すソフトスイッチング処理が行われる初期状態は、燃料電池１１からインバータ１５およびモータ１６に電力が供給されている状態、即ちスイッチ素子Ｓ１、Ｓ２がともにターンオフされることで、コイルＬ１、ダイオードＤ５を介して電流がインバータ１５側に流れている状態である。従って、当該ソフトスイッチング処理の一サイクルが終了すると、この初期状態と同質の状態に至ることになる。

ソフトスイッチング処理において、先ずＳ１０１では図４Ａに示されるモード１の電流・電圧状態が形成される。具体的には、スイッチ素子Ｓ１はターンオフの状態でスイッチ素子Ｓ２をターンオンする。このようにすると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨと入口電圧ＶＬの電位差によって、コイルＬ１及びダイオードＤ５を介してインバータ１５側に流れていた電流が、補助回路１２ｂ側に徐々に移行していく。尚、図４Ａ中には、その電流の移行の様子を白抜き矢印で示している。

次に、Ｓ１０２では、Ｓ１０１の状態が所定時間継続すると、ダイオードＤ５を流れる電流がゼロとなり、代わってスナバコンデンサＣ２と燃料電池１１の電圧ＶＬとの電位差により、スナバコンデンサＣ２に蓄電されていた電荷が補助回路１２ｂ側に流れ込んでいく（図４Ｂに示すモード２の状態）。このスナバコンデンサＣ２は、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧を決定する機能を有している。スイッチ素子Ｓ１をターンオンするときに該スイッチ素子Ｓ１に印加される電圧に影響を与えるスナバコンデンサＣ２の電荷が、モード２では補助回路１２ｂに流れ込むことで、スナバコンデンサＣ２にかかる電圧が低下していく。このとき、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振により、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなるまで、電流は流れ続ける。この結果、後述するＳ１０３でのスイッチ素子Ｓ１のターンオン時のその印加電圧を下げることが可能となる。

更に、Ｓ１０３においては、スナバコンデンサＣ２の電荷が抜け切ったら、スイッチ素子Ｓ１が更にターンオンされ、図４Ｃに示されるモード３の電流・電圧状態が形成される。即ち、スナバコンデンサＣ２の電圧がゼロとなった状態ではスイッチ素子Ｓ１にかかる電圧もゼロとなり、そして、その状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることにより、スイッチ素子Ｓ１をゼロ電圧状態にした上でそこに電流を流し始めることになるため、スイッチ素子Ｓ１におけるスイッチング損失を理論上、ゼロとすることができる。

そして、Ｓ１０４では、Ｓ１０３の状態が継続することで、コイルＬ１に流れ込んでいく電流量を増加させて、コイルＬ１に蓄えられるエネルギを徐々に増やしていく。この状態が、図４Ｄに示されるモード４の電流・電圧状態である。その後、コイルＬ１に所望のエネルギが蓄えられると、Ｓ１０５において、スイッチ素子Ｓ１及びＳ２がターンオフされる。すると、上記モード２で電荷が抜かれて低電圧状態となっているスナバコンデンサＣ２に電荷が充電され、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨと同電圧に至る。この状態が、図４Ｅに示されるモード５の電流・電圧状態である。そして、スナバコンデンサＣ２が電圧ＶＨまで充電されると、Ｓ１０６においてコイルＬ１に蓄えられたエネルギがインバータ１５側に解放される。この状態が、図４Ｆに示されるモード６の電流・電圧状態である。尚、このモード５が行われるとき、スイッチ素子Ｓ１にかかる電圧はスナバコンデンサＣ２により電圧の立ち上がりを遅らせられるため、スイッチ素子Ｓ１におけるテール電流によるスイッチング損失をより小さくできる。

上述のようにＳ１０１〜Ｓ１０６の処理を一サイクルとしてソフトスイッチング処理を行うことで、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング損失を可及的に抑制した上で、燃料電池１１の出力電圧を昇圧しインバータ１５に供給可能となる。その結果、高電圧低電流モータであるモータ１６を効率的に駆動することが可能となる。

ここで、燃料電池システム１０においては、上記ソフトスイッチング処理に加えて、ＦＣ昇圧コンバータ１２の間欠運転制御を行うことで、システム効率を向上させる。説明を簡潔にするために、燃料電池１１とインバータ１５及びモータ１６との関係に着目すると、モータ１６に対するメイン電力源である燃料電池１１からの電力は、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介してインバータ１５側へ供給される。そして、メイン電力源である燃料電池１１がモータ１６の駆動に際してインバータ１５に印加すべき電圧は、モータ１６の逆起電力に十分に抵抗できる電圧でなければならない。従って、上記ＦＣ昇圧コンバータ１２が備えられていない従来の燃料電池システムでは、図５に示すように、車両１の採り得る速度範囲（０〜ＶＳｍａｘ）において、ＬＶ１で示される燃料電池によって印加される電圧が、常にモータ駆動に必要な、インバータ１５に印加すべき電圧（以下、「モータ必要電圧」という。）を超えた状態としなければならない。そのため、インバータに印加されるべき電圧を大きく超えた電圧がインバータに印加されることになり、インバータのスイッチング損失が大きくなっていた。そして、特に車両１の速度が低い領域では、インバータのスイッチング損失が顕著となり得る。

ここで、本発明に係る燃料電池システム１０では、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられているため、燃料電池１１からの電圧を昇圧してインバータ１５に印加することは可能である。しかし、このＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作では、スイッチ素子による何らかのスイッチング損失が発生するため、当該昇圧動作はシステムの効率を低下させる一因となる。一方で、上述したように、モータ１６は高電圧低電流仕様のモータであるため、その回転数の上昇に伴い発生する逆起電圧も大きくなっていき、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作は不可欠となる。

そこで、燃料電池１１からの出力電圧とインバータ１５に印加すべきモータ必要電圧の
相関を、図６においてそれぞれＬＶ１、ＬＶ２で示す。図６のＬＶ２で示すように、モータ１６の逆起電圧は、車両１の速度が上昇していくに従い、増加していくため、モータ必要電圧も車両速度の増加とともに増加していく。ここで、燃料電池１１の出力電圧ＬＶ１とモータ必要電圧ＬＶ２との相関において、両者が交差するときの車両１の速度ＶＳ０が、ユーザによる車両１の通常操縦を概ね賄う速度となるように、燃料電池１１の電圧特性とモータ１６の電圧特性とを決定すればよい。本実施例においては、車両運転法規やユーザの通常操縦の傾向等から、ＶＳ０を１１０ｋｍ／ｈと設定する。そして、この速度ＶＳ０での車両１の走行を可能とするモータ１６の駆動時の最大出力を算出し、当該最大出力の発揮が可能となるように、インバータ１５に印加すべき電圧（モータ必要電圧）を導出する。そして、このモータ必要電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介さずに燃料電池１１から直接に出力可能となるように、燃料電池１１の設計（例えば、複数のセルが積層されて形成される燃料電池では、その積層セル数が調整される等）が行われる。

このように設計された燃料電池１１を含む燃料電池システム１０では、車両１の速度がＶＳ０に至るまでの間は、燃料電池１１からの出力電圧が、モータ１６を駆動するためのモータ必要電圧よりも高いため、たとえモータ１６が高電圧低電流仕様のモータであっても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作が無くとも燃料電池１１からの直接の出力電圧によって該モータ１６を駆動することが可能となる。換言すると、この条件下では、ＦＣ昇圧コンバータ１２によるスイッチング動作を停止させて、燃料電池１１からの出力電圧をインバータ１５に印加することで、モータ１６の駆動を確保できることになる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を、完全に排除することができる。更には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が停止することでインバータ１５に印加される電圧が過度に高くならないため、即ち、図５に示す状態よりもＬＶ１とＬＶ２との電圧差を小さくする抑えることができるため、インバータ１５でのスイッチング損失を低く抑えることができる。

一方で、車両１の車両速度がＶＳ０以上となると、逆にモータ１６を駆動するためのモータ必要電圧が、燃料電池１１からの出力電圧よりも高くなるため、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作が必要となる。この場合、上述したソフトスイッチング処理を行うことで、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を可及的に抑えることが可能となる。

上記までは、説明の簡便化のために、燃料電池１１とモータ１６との相関にのみ着目しているが、図１に示すように燃料電池システム１においては、モータ１６に対してバッテリ１３からの電力供給も可能である。バッテリ１３から電力供給される場合は、バッテリ１３からの出力電圧がバッテリ昇圧コンバータ１４によって昇圧された上で、インバータ１５に印加されることになる。ここで、バッテリ昇圧コンバータ１４は、いわゆる昇圧コンバータであるため、バッテリ１３からインバータ１５に電力供給を行うためには、バッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧（インバータ１５側の電圧であり、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧と同等）が、その入口電圧（バッテリ１３側の電圧）と比較して同じか、又はより高い状態でなければならない。

そこで、バッテリ１３の出力電圧と燃料電池１１の出力電圧の相関について、図７Ａおよび図７Ｂに基づいて説明する。両図では、ともにバッテリ１３のＩＶ特性（図中、点線ＬＢＴで示される。）と、燃料電池１１のＩＶ特性（図中、実線ＬＦＣで示される。）とが示されている。ここで、図７Ａで、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させたとしてもバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より低い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧動作可能となり、以てバッテリ１３からモータ１６への電力供給ができる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容され
る。一方で、バッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴが、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させるとバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より高い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作による燃料電池１１とバッテリ１３の出力分配制御が不可能となる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない。

即ち、バッテリ昇圧コンバータ１４によってバッテリ１３からの出力電圧を昇圧して、モータ１６に電圧を印加する場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧が、バッテリ１３の出力電圧（バッテリ昇圧コンバータ１４の入口電圧）より高い状態を形成する必要があり、そのためにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない場合がある。例えば、図７Ａに示すように、比較的低電流領域で、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより低くなる場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作を確保するために、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止は許容されず、その結果、上述したスイッチング損失の低減を図る可能性が低下する。一方で、例えば、図７Ｂに示すように、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより常に上にある場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保の観点から、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が制限されることはない。

尚、上述までのバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保に関するＦＣ昇圧コンバータ１２の動作制限は、図１に示す燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータ（即ち、降圧動作を行えないコンバータ）であることに起因する。従って、燃料電池システム１０において、バッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用する場合は、ＦＣ昇圧コンバータ１２は上記の動作制限に縛られることはなく、燃料電池１１、バッテリ１３からの出力電圧を選択的にモータ１６に印加できる。

以上より、本実施例においては、想定される車両１の駆動に基づいて必要なバッテリ１３のＩＶ特性と燃料電池１１のＩＶ特性を決定し、両ＩＶ特性の相関および燃料電池１１の出力電圧とモータ必要電圧との関係から、図８Ａおよび図８Ｂのマップに示すようなＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作のための制御領域を画定した。以下に、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作について、詳細に説明する。

図８Ａおよび図８Ｂは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧を横軸とし、その出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、該ＦＣ昇圧コンバータ１２において実行される処理を関連付けて表示したマップである。尚、図８Ａは、燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータであるときのマップであり、図８Ｂは、該昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇降圧型のコンバータを採用したときのマップである。先ず、図８Ａに示すマップについて説明する。ここで、当該マップには、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比が１であること、即ち該入口電圧と該出口電圧との比が１：１であることを意味する直線ＬＲ１と、その昇圧比が２近傍の値（図中では、昇圧比を単に「２」と示す。）であることを意味する直線ＬＲ２と、その昇圧比が１０であることを意味する直線ＬＲ３と、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の最高出力電圧を意味する直線ＬＲ４が記載されている。直線ＬＲ２については、図９、図１０Ａ、１０Ｂに基づいて後述する。また、直線ＬＲ３は、ＦＣ昇圧コンバータ１２による最大昇圧比を示している。従って、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作範囲は、直線ＬＲ１、ＬＲ３、ＬＲ４で囲まれる領域であることが分かる。

ここで、車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が低い場合、即ち道路の摩擦抵抗程度の負荷がかかる場合（図中、負荷率＝Ｒ／Ｌ (Road Load）)のＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧とその出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ１で示されている。一
方で、同じように車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が高い場合、即ち車両１のアクセル開度が100％である場合（図中、負荷率＝100％)のＦＣ昇圧コンバー
タ１２の入口電圧とその出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ２で示されている。従って、車両１に搭載される燃料電池システム１０は、車両１を駆動させるという観点からは、一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２とで挟まれた領域で示される昇圧動作を、ＦＣ昇圧コンバータ１２に行わせることになる。

図８Ａに示すマップでは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をＲＣ１〜ＲＣ４の４つの領域に区分している。これらの領域では、それぞれＦＣ昇圧コンバータ１２の動作に関し特徴的な動作が行われ、以下に各領域でのＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を説明する。先ず、昇圧比１を示す直線ＬＲ１以下の領域として、領域ＲＣ１が画定されている。この領域ＲＣ１では、モータ１６を駆動するために必要とされる昇圧比が１以下であるので（現実にはＦＣ昇圧コンバータ１２は昇圧コンバータであるので、昇圧比を１以下にすること、即ち降圧はできないことに注意されたい。）、結果的にはＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、燃料電池１１の出力電圧を直接インバータ１５に印加することが可能となる。そこで、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧となる燃料電池１１の出力電圧が、燃料電池１１の最大電圧のＶｆｃｍａｘと、バッテリ１３の開放電圧(OCV: Open Circuit Voltage)と同値のＶｆｃｂとの間の範囲であって、且つ直線ＬＲ１および一点鎖線ＬＬ１とで
囲まれて画定される領域ＲＣ１においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を完全に停止させる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング損失を抑えることが可能となる。このように、電圧Ｖｆｃｂを境界としてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が制約を受けるのは、上述の通りバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータでありその昇圧動作確保のためである。

次に、領域ＲＣ２について説明する。この領域は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧が上記のＶｆｃｂ以下であって、且つ該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧がバッテリ１３のＯＣＶ以下、即ちＶｆｃｂと同値の電圧以下である領域として画定される。即ち、この領域ＲＣ２においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行わないとバッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧が入口電圧より低くなり該バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域であり、また仮にＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行ったとしても、その昇圧比が低いため同様にバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域でもある。

このように画定される領域ＲＣ２では、領域ＲＣ１と同様に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、そのスイッチング損失が発生しないようにする。そして、バッテリ昇圧コンバータ１４にて制御可能な最低電圧に燃料電池１１の端子電圧を制御する。尚、図では、理想的な昇圧コンバータを使用した場合にその電圧はバッテリ１３のＯＣＶに等しいと仮定して、上記Ｖｆｃｂを設定している。この状態は、バッテリ１３の放電電力が許す限り継続される。

尚、この領域ＲＣ２は、モータ１６の駆動状態が変遷する中で、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が上記領域ＲＣ１から、後述する領域ＲＣ３に移行する際に介在する過渡的な領域である。従って、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータである場合には、この過渡的な領域ＲＣ２が可能な限り小さくなるように、図７Ａ、７Ｂに基づいて説明した燃料電池１１のＩＶ特性とバッテリ１３のＩＶ特性との相関を適切に調整するのが好ましい。

ここで、直線ＬＲ１より下の領域に関して、図８Ｂに示すマップ、即ち燃料電池システム１０においてバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータが採用されたときのマップについて説明する。この場合、昇降圧型のコンバータによってバッテリ１３
の出力電圧を降圧することが可能であるから、上述したようにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止について上記電圧Ｖｆｃｂによる制約を受けることがなくなる。従って、図８Ｂに示すように、直線ＬＲ１よりも下の領域については、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を制約無く停止しシステムの効率を向上させることが容易となる。従って、この結果、図８Ｂにおいては上記領域ＲＣ２に相当する領域が存在しないことになる。ここで、以下に示すマップの説明は、図８Ａおよび図８Ｂに共通に当てはまるため、その説明はまとめて行う。

上述までの領域ＲＣ１、ＲＣ２以外の動作領域では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を駆動させて、燃料電池１１の出力電圧の昇圧動作を行うことになる。この昇圧動作においては、図４Ａ〜４Ｆに基づいて説明したソフトスイッチング処理が実行されることで、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を可及的に抑制する。ここで、このソフトスイッチング処理が行われる動作領域は、直線ＬＲ２で準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とソフトスイッチ領域ＲＣ４とに区分けされる。以下に、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とソフトスイッチ領域ＲＣ４とについて、詳細に説明する。

先ず、直線ＬＲ２の技術的意義について説明する。上述したように、直線ＬＲ２は、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比が２近傍の値となることを意味する直線である。本発明に係るＦＣ昇圧コンバータ１２の電気的構造は、図２に示すとおりであるが、上述したソフトスイッチング処理の一連のフローにおけるモード２の動作において、補助回路１２ｂのコイルＬ２とスナバコンデンサＣ２による半波共振を利用したスナバコンデンサＣ２の放電が行われる。このモード２の動作においてＦＣ昇圧コンバータ１２内で実際に稼動している部分のみを抜き出すと、図９に示す回路構成となる。

そして、図９に示す回路構成において、スナバコンデンサＣ２内に充電されている電荷を完全に放電しなければ、その後のモード３の動作で、スイッチ素子Ｓ１に電圧がかかった状態で、スイッチ素子Ｓ１のターンオンによる電流が流れるため、結果としてスイッチング損失が発生することになる。従って、このモード２におけるスナバコンデンサＣ２の電荷を完全に放電することが重要であることが理解されるが、そのためにはモード１の動作時点でコイルＬ２に蓄えられているエネルギがスナバコンデンサＣ２に蓄えられているエネルギよりも大きくなければならない。換言すると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨが、その入口電圧ＶＬよりも所定量以上高くならなければならない。

そこで、該出口電圧と該入口電圧との比ＶＨ／ＶＬと、上記放電時のスナバコンデンサＣ２に残る電圧との関係を、図１０Ａおよび１０Ｂに基づいて説明する。尚、図１０Ａが比ＶＨ／ＶＬが２を超える場合のスナバコンデンサＣ２の電圧推移を示し、図１０Ｂが比ＶＨ／ＶＬが２未満の場合のスナバコンデンサＣ２の電圧推移を示している。図１０Ａに示す場合は、ＶＨ−ＶＬの値はＶＬよりも大きくなるため、半波共振が生じるとスナバコンデンサＣ２の電圧は、ダイオードＤ２の作用もありゼロとなる。一方で、図１０Ｂに示す場合では、ＶＨ−ＶＬの値はＶＬよりも小さくなるため、半波共振が生じたとしてもスナバコンデンサＣ２の電圧は、一定値以上残ることになる。従って、このような場合に上記ソフトスイッチング処理を行っても幾分かのスイッチング損失が発生することになる。以上より、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の抑制が効果的に行われ得るか否かを判断する基準として、直線ＬＲ２が存在することになる。

尚、理論的には比ＶＨ／ＶＬが２倍以上あれば、放電後のスナバコンデンサＣ２の電圧はゼロとなるが、実際にはダイオードや配線内でのエネルギ損失が発生するため、比ＶＨ／ＶＬは２倍を超える値（例えば、２．３等）が好ましい。そして、一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２で挟まれた動作領域中、領域ＲＣ１、ＲＣ２を除いた領域を、直線ＬＲ２が二つに分割し、直線ＬＲ２より下に位置する領域を、上記理由によりソフトスイッチング処理を行
ってもスイッチング損失を効率的に抑制するのが難しい準ソフトスイッチ領域ＲＣ３とし、直線ＬＲ２より上に位置する領域を、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の抑制が効率的に行われるソフトスイッチ領域ＲＣ４とする。

このように、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域は、所定の領域ＲＣ１〜ＲＣ４に区分けできるが、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３では、上述したようにＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失を十分に抑制することができないため、燃料電池システム１０の効率化の観点から、この領域でＦＣ昇圧コンバータ１２が昇圧動作を行うことは可及的に回避するが好ましい。そこで、燃料電池システム１０の効率化を促進するための、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御の一例について、図１１に基づいて説明する。図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御は、ＥＣＵ２０によって、燃料電池１１で発電された電力がモータ１６に供給されるときに実行される。尚、上記準ソフトスイッチ領域ＲＣ３における昇圧動作については、燃料電池システム１０のより良い効率のために可及的に回避することが好ましいのは上述の通りであるが、本発明に係る燃料電池システム１０は当該昇圧動作を完全に排除するものではなく、必要に応じて当該昇圧動作を利用してもよい。

先ず、Ｓ２０１では、エンコーダによって検出されたモータ１６の実際の回転数に対応する、該モータ１６が最大出力し得る最大トルクを算出する。具体的には、モータ１６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マップをＥＣＵ２０が有しており、検出された回転数に従って該マップにアクセスすることでモータ１６の最大トルクが算出される。Ｓ２０１の処理が終了すると、Ｓ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に基づいて、モータ１６に出力要求されている要求トルクが算出される。アクセルペダルの全開が、モータ１６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。Ｓ２０２の処理が終了すると、Ｓ２０３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）

Ｓ２０３では、Ｓ２０１とＳ２０２での算出結果に基づいて、モータ１６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。Ｓ２０３の処理が終了すると、Ｓ２０４へ進む。
（要求出力）＝（要求トルク）×（モータの回転数）

Ｓ２０４では、Ｓ２０３で算出された要求出力とモータ１６の回転数に基づいて、必要な電力がモータ１６に供給されるように、インバータ１５に印加されるべき電圧であるモータ必要電圧（Ｖｍｏｔ）が算出される。具体的には、モータ１６の回転数（ｒｐｍ）と上記要求出力（Ｐ）で形成される関数Ｆと、モータ必要電圧とが関連付けられているモータ必要電圧マップをＥＣＵ２０が有しており、モータの回転数と要求出力とに従ってこのマップにアクセスすることで、モータ必要電圧が算出される。モータ必要電圧マップは、実験等によって予め決定され得るもので、その一例としては、モータ１６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、これらの点が関数Ｆとモータ必要電圧との相関に反映されている。Ｓ２０４の処理が終了すると、Ｓ２０５へ進む。

Ｓ２０５では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に従って発電が行われている燃料電池１１の出力電圧（Ｖｆｃ）が検出される。この検出は、図示されない電圧センサを介して行われる。Ｓ２０５の処理が終了すると、Ｓ２０６へ進む。Ｓ２０６では、Ｓ２０４で算出されたモータ必要電圧を、Ｓ２０５で検出された燃
料電池１１の出力電圧で除して暫定昇圧比Ｒｔ（＝Ｖｍｏｔ／Ｖｆｃ）が算出される。Ｓ２０６の処理が終了すると、Ｓ２０７へ進む。

Ｓ２０７では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させることが可能か否かが判定される。即ち、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が、上記領域ＲＣ１もしくはＲＣ２の何れかに属するか否かが判定される。具体的には、Ｓ２０６で算出された暫定昇圧比が１未満で、且つ燃料電池１１の出力電圧がＶｆｃｍａｘとＶｆｃｂの間であるときは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域はＲＣ１であり、また燃料電池１１の出力電圧がＶｆｃｂ以下であって且つ該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口側電圧がＶｆｃｂと同値の電圧以下であるときは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域はＲＣ２であると判定される。尚、Ｖｆｃｂ、Ｖｆｃｍａｘの値は、実際の燃料電池１１およびバッテリ１３の仕様に従って予め決定しておけばよい。また、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口側の電圧は、図示されない電圧センサを介して検出される。

そして、Ｓ２０７で肯定判定される場合は、Ｓ２０８へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２が停止され、燃料電池１１からの出力電圧は、インバータ１５に直接印加される。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を抑制することができる。尚、上述したように、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がＲＣ１に属する場合には、バッテリ１３からインバータ１５への昇圧後の印加も可能だが、該動作領域がＲＣ２に属する場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４にて制御可能な最低電圧に燃料電池１１の端子電圧を制御する。一方で、Ｓ２０７で否定判定されると、Ｓ２０９へ進む。

Ｓ２０９では、Ｓ２０６で算出された暫定昇圧比Ｒｔが２を超えるか否かが判定される。即ち、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がソフトスイッチ領域ＲＣ４にあるか、準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあるかが判定される。Ｓ２０９で肯定判定されると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がソフトスイッチ領域ＲＣ４にあることを意味するのでＳ２１０へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の目標の出力電圧がモータ必要電圧Ｖｍｏｔとなるように図３で示したソフトスイッチング処理が実行される。尚、スイッチ素子Ｓ１のデューティ比は、暫定昇圧比Ｒｔに従って決定される。一方で、Ｓ２０９で否定判定されると、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあることを意味する。そこでこの場合はＳ２１１に進む。

Ｓ２１１では、燃料電池システム１０においてＳ２０６で算出された暫定昇圧比Ｒｔによる電圧昇圧に加えて、更に追加的な電圧昇圧（以下、単に「追加的電圧昇圧」という。）が許容されるか否かが判定される。言い換えると、Ｓ２０９で否定判定されるということは、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が現時点では準ソフトスイッチ領域ＲＣ３にあることを意味するので、その動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４に移行することが可能か否かが判定される。即ち、当該動作領域を準ソフトスイッチ領域ＲＣ３からソフトスイッチ領域ＲＣ４に移行させるために追加的電圧昇圧を行おうとすると、インバータ１５に印加される電圧が必要なモータ必要電圧よりも高くなる。その結果、インバータ１５内でのスイッチング損失が大きくはなるが、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失の減少分と、インバータ１５のスイッチングロスの増加分とを比較したとき、前者の減少分が大きい場合もあり得、その場合この追加的電圧昇圧は、システム効率の観点から非常に有用である。そこで、Ｓ２１１では、この追加的電圧昇圧が許容されるか否かが判定されることになる。Ｓ２１１で肯定判定されると、Ｓ２１２へ進み、追加的電圧昇圧のための追加昇圧比Ｒａが決定される。この追加昇圧比Ｒａは、ＦＣ昇圧コンバータ１２による最終的な昇圧比（Ｒｔ×Ｒａによる昇圧比）が、直線ＬＲ２で決められる昇圧比（例えば、昇圧比２）を超えるようにするために必要な追加的な昇圧比である。そして、Ｓ２１２の処理後、Ｓ２１３へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の目標の出力電圧が燃料電池１１の出力電圧Ｖｆｃに昇圧比Ｒｔと追加昇圧比Ｒａを掛け合わせて算出される電圧となるように図
３で示したソフトスイッチング処理が実行される。尚、スイッチ素子Ｓ１のデューティ比は、暫定昇圧比Ｒｔと追加昇圧比Ｒａの積に従って決定される。

このように、Ｓ２０９で否定判定された時点では、本来的にはＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域は準ソフトスイッチ領域ＲＣ３であり、その状態でソフトスイッチング処理を行っても上述したように、スイッチング損失を十分に抑制することが困難である。この場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比に上記追加昇圧比Ｒａを考慮することで、本来的にモータ１６の駆動に要する電圧よりも更に電圧を上げてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４とする。その結果、スイッチング損失を効果的に抑制することが可能となる。

一方で、Ｓ２１１で否定判定されると、Ｓ２１４へ進み、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域がＲＣ３の状態で、上記ソフトスイッチング処理が行われる。燃料電池１１が上記追加的電圧昇圧が許容されない状態にあるとき、即ち上述のように電圧を追加的に昇圧させることでインバータ１５におけるスイッチング損失が顕著になる状態では、Ｓ２１２及びＳ２１３の処理は行われない。

この図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御によれば、モータ１６の駆動を確保することを前提に、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を可能な限り停止することができ、以てスイッチング損失を抑えることができる。また、ＦＣ昇圧コンバータ１２を昇圧動作させる場合であっても、その動作領域を可能な限りソフトスイッチ領域ＲＣ４とした上でソフトスイッチング処理が行われるため、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失を可及的に抑制することが可能となる。

＜変形例＞
上記実施例で説明したように、図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御における処理Ｓ２０５では、アクセルペダルセンサ２１によって検出されたアクセルペダルの開度に従って発電が行われている燃料電池１１の出力電圧が検出される。本変形例では、燃料電池１１の出力電圧の検出について、該燃料電池１１の出力（以下、ＦＣ出力という）に基づいて、燃料電池１１の出力電圧を算出することとする。ここで、ＦＣ出力は、以下の式（１）に従って算出される。
（ＦＣ出力）＝（要求出力）+（補機要求出力）+（バッテリ充電（放電）出力）・・・（１）

補機要求出力は、水素タンク１７やコンプレッサ１８等の補機に要求されている出力であり、バッテリ充電出力は、充電時におけるバッテリ１３に要求されている出力であり、バッテリ放電出力は放電時におけるバッテリ１３の出力である。バッテリ１３の残蓄電量がＳＯＣ閾値未満であれば、バッテリ充電出力を上記式（１）に算入し、ＦＣ出力を算出する。バッテリ１３の残蓄電量がＳＯＣ閾値以上であれば、バッテリ放電出力を上記（１）にマイナス分として算入し、ＦＣ出力を算出する。そして、上記式（１）で算出したＦＣ出力に基づいて、燃料電池１１の出力電圧が算出される。具体的には、ＦＣ出力と燃料電池１１の出力電流とが関連付けられているＩＰ特性ＭＡＰ及び燃料電池１１の出力電流と燃料電池１１の出力電圧とが関連付けられているＩＶ特性マップをＥＣＵ２０が有しており、ＦＣ出力に従ってこれらのマップにアクセスし、燃料電池１１の出力電圧が算出される。本変形例によれば、補機に要求されている出力やバッテリ１３の残蓄電量を加味して、ＦＣ出力を算出することにより、補機に要求されている出力やバッテリ１３の残蓄電量を考慮して、燃料電池１１の出力電圧を算出することができる。

また、上記式（１）を以下に示す式（２）のように変形してもよい。
（ＦＣ出力）＝（要求出力）+（補機要求出力）+（バッテリ充電（放電）出力）+（Ｆ
Ｃ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失）+（バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチ
ング損失）・・・（２）
このように変形することにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失やバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失を更に加味して、ＦＣ出力を算出することにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチングの損失分やバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチングの損失分を考慮して、燃料電池１１の出力電圧を算出することができる。

ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出入口に、電流センサ及び電圧センサを設け、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出入口側の電流及び電圧を測定することにより算出する。また、バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失は、バッテリ昇圧コンバータ１４の出入口に、電流センサ及び電圧センサを設け、バッテリ昇圧コンバータ１４の出入口側の電流及び電圧を測定することにより算出する。ここで、ＦＣ昇圧コンバータ１２及びバッテリ昇圧コンバータ１４がともに昇圧動作を行っている場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２のスイッチング損失及びバッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失を加味してＦＣ出力を算出する。一方、バッテリ昇圧コンバータ１４のみが昇圧動作を行っている場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４のスイッチング損失のみを加味してＦＣ出力を算出する。

また、モータ１６を駆動するためのインバータ１５への電圧印加について、該モータ１６の駆動効率を考慮するのが好ましい。例えば、上記実施例で説明したように、燃料電池１１からモータ１６への電力供給時に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させない場合、インバータ１５に印加される電圧をＦＣ昇圧コンバータ１２によって昇圧させる。本変形例では、インバータ１５に印加される電圧を、要求トルクとモータ１６の回転数とに基づいて、インバータ１５、モータ１６を含む負荷の効率特性とインバータ１５に印加される電圧とを関連付けたマップから決定する。そして、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作により、燃料電池１１の出力電圧を上記決定した電圧に昇圧させ、インバータ１５に印加する。例えば、インバータ１５の効率特性はインバータ１５に印加される電圧に対するインバータ１５の変換効率であり、モータ１６の効率特性はモータ１６に印加される電圧に対するモータ１６の駆動効率である。

本変形例では、負荷の効率特性を決定し、要求トルクとモータ１６の回転数との関係から、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すような負荷の効率特性の領域を画定する。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、要求トルクを縦軸とし、モータ１６の回転数を横軸として、負荷の効率特性の領域を効率の高低により段階的に区分して表示したマップである。図１２Ａは、インバータ１５に印加する電圧が高である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ｂは、インバータ１５に印加する電圧が中である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ｃは、インバータ１５に印加する電圧が低である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃにおける点Ａは、要求トルクＴ１とモータ１６の回転数Ｒ１とに基づいて決定されたものであり、点Ｂは、要求トルクＴ２とモータ１６の回転数Ｒ２とに基づいて決定されたものである。

図１２Ｃにおける点Ａは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれているが、図１２Ａ及び図１２Ｂにおける点Ａは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれていない。したがって、要求トルクＴ１及びモータ１６の回転数Ｒ１では、インバータ１５に印加する電圧が低である場合、負荷の効率特性が高いことがわかる。図１２Ｂにおける点Ｂは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれているが、図１２Ａ及び図１２Ｃにおける点Ｂは、負荷の効率特性が高効率である領域に含まれていない。したがって、要求トルクＴ２及びモータ１６の回転数Ｒ２では、インバータ１５に印加する電圧が中である場合、負荷の効率特性が高いことがわかる。本変形例では、以上のようなマップをＥＣＵ２０が
有しており、インバータ１５に印加する電圧を負荷の効率特性の観点から決定することによって、最適電圧をインバータ１５に印加することができる。

本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例について、図１３〜１５に基づいて説明する。本実施例に係る燃料電池システムと上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、ＦＣ昇圧コンバータ１２内の補助回路１２ｂおよびそれに関連する技術である。そこで、本実施例では、当該相違点に着目して説明を行う。

図１３は、図２と同様に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を中心として、燃料電池システム１０の電気的構成を示す図である。ここで、図１３に示すＦＣ昇圧コンバータ１２の補助回路１２ｂには、スイッチ素子Ｓ３とダイオードＤ６とで構成されるスイッチング回路が更に設けられている。具体的には、スイッチ素子Ｓ３の一端がダイオードＤ２のアノード端子側に接続され、該スイッチ素子Ｓ３の他端が燃料電池１１の低電位側の端子に接続されている。このスイッチ素子Ｓ３は、先のソフトスイッチング処理におけるモード２の動作での、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた電荷の放電をサポートするものである。そこで、本実施例においては、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作を含めた、新たなソフトスイッチング処理を図１４及び図１５に基づいて説明する。

図１４は、図３と同様にＦＣ昇圧コンバータ１２におけるソフトスイッチング処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すソフトスイッチング処理との違いは、図１４に示す処理では、Ｓ１０２とＳ１０３の処理の間、即ちモード２とモード３の各動作の間に、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作による新たな処理Ｓ３０１が設定されている点である。そこで、この相違点を重点的に説明し、他の処理については、図３と同一の参照番号を付すことでその詳細な説明は省略する。

ここで、Ｓ１０２の処理によりモード２の動作が行われているとき、ＦＣ昇圧コンバータ１２では、スイッチ素子Ｓ３はターンオフ状態となっている。また、スイッチ素子Ｓ３のスイッチング動作の効果を明確に示すために、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨとその入口電圧ＶＬの関係を、ＦＣ昇圧コンバータ１２の電気的状態を表すパラメータである比ＶＨ／ＶＬについて、該比が２未満であると設定する。この場合、コイルＬ２とスナバコンデンサＣ２の半波共振によって、該スナバコンデンサＣ２の電荷は抜けていくが、図１０Ｂに示すようにスナバコンデンサＣ２の電圧はゼロとはならないことになる。

ここで、本実施例では、上記半波共振によるスナバコンデンサＣ２の電圧変動が底値となるタイミングで、Ｓ３０１の処理によりスイッチ素子Ｓ３をターンオンする。すると、図１５に示すように、スナバコンデンサＣ２において半波共振によっても抜けきらなかった電荷が、スイッチ素子Ｓ３を介して補助回路１２ｂ内に分散されていくため、スナバコンデンサＣ２の電圧を更に低下させることができる。その結果、Ｓ３０１後のＳ１０３の処理において、スイッチ素子Ｓ１をターンオンするとき、該スイッチ素子Ｓ１にかかっている電圧を可及的に下げることができ、以てスイッチング損失をより確かに抑制することができる。尚、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧ＶＨとその入口電圧ＶＬの関係において、比ＶＨ／ＶＬが所定値を超える場合（本実施例では２を超える場合）は、スナバコンデンサＣ２の電荷はモード２の動作により抜けきっているため、Ｓ３０１の処理を必ずしも行う必要はない。

本発明に係る燃料電池システムの第三の実施例について、図１６に基づいて説明する。図１６は、燃料電池システム１０が停止した状態からモータ１６に電力を供給するために始動する際の、ＦＣ昇圧コンバータ１２の制御に関するフローチャートである。従って、
図１６に示す始動時ＦＣ昇圧コンバータ制御は、図１１に示すＦＣ昇圧コンバータ制御の前にＥＣＵ２０によって行われる制御であり、また上述までの各実施例で開示されたＦＣ昇圧コンバータ１２に対して適用が可能である。

先ず、Ｓ４０１では、燃料電池１１からモータ１６に電力が供給される前に、ＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比が２に設定される。即ち、燃料電池１１の始動時には、モータ１６の運転状態にかかわらずＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比を２に設定することで、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が、上記ソフトスイッチ領域ＲＣ４に設定されることになる。その後、Ｓ４０２で燃料電池１１からモータ１６への電力供給が開始され、Ｓ４０３でＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作のためのソフトスイッチング処理が実行される。

更に、Ｓ４０４では、燃料電池１１の出力電圧がモータ１６を駆動するために必要な所定の出力電圧に到達したか否かが判定される。Ｓ４０４で肯定判定されると、燃料電池１１の始動処理が終了したことを意味し、従ってその後はモータ１６を駆動するための上記ＦＣ昇圧コンバータ制御が行われることになる。一方で、Ｓ４０４で否定判定されると、燃料電池１１の始動処理は終了していないことを意味し、従ってＳ４０３以降の処理が再び繰り返される。

このように本実施例に係る始動時ＦＣ昇圧コンバータ制御においては、燃料電池１１の始動処理が完了するまでの間、モータ１６の運転状態にかかわらずＦＣ昇圧コンバータ１２における昇圧比が２に設定される。通常燃料電池１１の始動時においては、比ＶＨ／ＶＬの値が所定の閾値（本実施例の場合は、２）を超えていないため、スナバコンデンサＣ２の電圧をゼロとした状態でスイッチ素子Ｓ１をターンオンすることができず、ソフトスイッチング処理によるスイッチング損失の低減効果を享受することができない。そこで、特にＳ４０１の処理により、燃料電池１１の始動時においては、強制的に昇圧比を２としてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域をソフトスイッチ領域ＲＣ４とすることで、燃料電池システム１０の始動時の効率向上を図ることができる。

＜その他の実施例＞
なお、上記回路は、ソフトスイッチング時、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた回生電力が燃料電池１１へ入力されないようにするため、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ流れる電気回路上に回生電力を抑える素子を設け、或いは、スナバコンデンサＣ２に蓄えられた回生電力がバッテリ１３へ流れるようにしてもよい。燃料電池１１へ流れる回生電力を抑える方法としては、例えば、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ流れる電路上に、一端が接地された平滑コンデンサ、ツェナダイオード、又はバリスタを設けることが考えられ、これにより電路の電圧が規定電圧以上になるのを抑制することができる。また、スナバコンデンサＣ２から燃料電池１１へ回生電力が逆流するのを防止するダイオードを設ける方法も有用である。そして、回生電力をバッテリ１３へ流れるようにする方法としては、例えば、スイッチ素子Ｓ２の下流側を燃料電池１１ではなくバッテリ１３へ繋ぐ回路構成にする方法が挙げられる。

また、上記実施形態で説明したように、燃料電池１１からＦＣ昇圧コンバータ１２を通じてインバータ１５、モータ１６を含む負荷に電力を供給すると、ＦＣ昇圧コンバータ１２での電力損失が発生する。この電力損失には、変換される電力の大小への依存度の少ない、鉄損あるいはスイッチング損失が含まれる。そのため、出力電力の小さい低負荷領域で、特に電力効率の低下が目立つことになる。そこで、低負荷領域では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止し、燃料電池１１の電力を変換せずに負荷に供給し（スルーモード、バイパスモード）、あるいは、バッテリ１３からバッテリ昇圧コンバータ１４を通じて電力を負荷に供給すべきとの要請が強い。

ここで、一般的なコンバータにおけるスルーモードおよびバイパスモードについて、図１７Ａ〜図１７Ｄに基づいて簡単に説明する。尚、各図中の太線矢印は、各コンバータにおける電流の流れを示す。図１７Ａは、当該コンバータが昇圧型のコンバータ（上述のＦＣ昇圧コンバータ１２がこのタイプのコンバータである。）であるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うためのスイッチ素子をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。図１７Ｂは、当該コンバータが昇圧型のコンバータであって、昇圧のためのコイルとダイオードの直列体に対して並列にバイパス用のダイオードが接続されているコンバータでのバイパスモードの様子を示す図である。昇圧を行うためのスイッチ素子をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をバイパスさせて二次側に印加することができる。図１７Ｃは、当該コンバータがハーフブリッジ型のコンバータであるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うための二つのスイッチ素子のうち、図中上側をターンオン状態、下側をターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。図１７Ｄは、当該コンバータがフルブリッジ型のコンバータであるときのスルーモードの様子を示す図である。昇圧を行うための四つのスイッチ素子のうち、図中上側の二つをターンオン状態、下側の二つをターンオフ状態とすることで、一次側の電圧をそのまま二次側に印加することができる。尚、図１７Ｂ〜図１７Ｄに示す構成は上述のＦＣ昇圧コンバータ１２のコンバータとは異なるが、仮にＦＣ昇圧コンバータ１２がこれらの構成を採用する場合、各図に示すようにスイッチ素子を制御することで、上記スルーモードおよびバイパスモードが実現される。

一方、燃料電池１１は、耐久性向上のため、触媒のシンタリング現象を回避することが必要とされる。シンタリング現象は、燃料電池１１の電極上のＰｔ触媒が凝集する現象であり、Ｐｔ触媒の表面での水（およびプロトンに対する）に対する酸化還元反応により誘発されるとされている。さらに、そのような酸化還元反応は、燃料電池１１の端子電圧が開放電圧（ＯＣＶ）に近い、比較的高電位で引き起こされることが知られている。

ところで、燃料電池１１が低負荷になると、燃料電池１１のＩＶ特性にしたがい、燃料電池１１の端子電圧が開放電圧（ＯＣＶ）に近づいていく。しかしながら、上述のように、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止すると、燃料電池１１の端子電圧を制御することができず、上記反応に起因する触媒の劣化を回避することが困難となる。

そこで、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止した場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２と並列に設けられているバッテリ昇圧コンバータ１４にてＦＣ昇圧コンバータ１２の出力側の電圧を制御することによって、燃料電池１１の端子電圧を制御すればよい。すなわち、ＥＣＵ２０にて、燃料電池１１の端子電圧を監視し、その端子電圧がシンタリングを回避するための基準値未満になるように、バッテリ昇圧コンバータ１４の出力電圧を制御すればよい。この基準値は、例えば、実験値、経験値として設定すればよい。

また、バッテリ１３の端子電圧が高く、かつ、インバータ１５の要求電圧が低く、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧比を１以上にできない場合には、逆にバッテリ昇圧コンバータ１４を停止しなければならない。そのような場合、シンタリング現象を回避するため、ＦＣ昇圧コンバータ１２は停止せず、インバータ１５の要求電圧を基準にしてＦＣ昇圧コンバータ１２によって、燃料電池１１の端子電圧を制御すればよい。

以上の場合に、いずれにしても、燃料電池１１の端子電圧を上記基準値よりも下方に制御するためには、燃料電池１１から電流を引き出し、電力を消費する必要ある。この場合の電力は、通常、インバータ１５、モータ１６を含む負荷で消費される。しかしながら、余剰電力については、バッテリ１３のＳＯＣが低く、バッテリ１３に電力を蓄積可能な状
態では、バッテリ１３に蓄積し、バッテリ１３に蓄積できない電力は補機（エアコン、照明、ポンプ等）で消費すればよい。

また、本燃料電池システム１０は、車両１の衝突時に、燃料電池１１の出力を遮断するシステムともなっている。具体的には、燃料電池システム１０のＦＣ昇圧コンバータ１２の下流側には、インバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ１４との電気的な接続をＯＮ／ＯＦＦするためのリレー回路が設けられている。なお、既に説明した構成から明らかなように，燃料電池システム１０は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の下流側に流れる電流量が比較的に少ないものとなっている。このため、燃料電池システム１０は、上記リレー回路として、既存の同種のシステムでは燃料電池の直後に設けられているリレー回路よりも、小型のもの（低電流用のもの）を採用したシステムとなっている。

そして、燃料電池システム１０のＥＣＵ２０は、車両１に設けられている衝突検出センサの出力に基づき、衝突の有無を常時監視し、衝突したことを検出した場合には、リレー回路を制御することにより，ＦＣ昇圧コンバータ１２とインバータ１５及びバッテリ昇圧コンバータ１４との間の電気的な接続を切断するユニットとなっている。

本発明の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムの電気回路構成を示す図であって、特にＦＣ昇圧コンバータの電気回路構成を示す第一の図である。 図２に示すＦＣ昇圧コンバータで行われる電圧昇圧のためのソフトスイッチング処理の流れを示すフローチャートである。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード１の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード２の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード３の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード４の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード５の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード６の動作が行われるときの、ＦＣ昇圧コンバータにおける電流の流れを概略的に示す図である。 従来の燃料電池システムで設定される、燃料電池の出力電圧とモータ駆動のためのモータ必要電圧との相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池の出力電圧とモータ駆動のためのモータ必要電圧との相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池のＩＶ特性とバッテリのＩＶ特性との相関関係を示す第一の図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池のＩＶ特性とバッテリのＩＶ特性との相関関係を示す第二の図である。 本発明の実施例に係る燃料電池において、ＦＣ昇圧コンバータの入口電圧を横軸とし、その出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、該ＦＣ昇圧コンバータで実行される処理を関連付けて表示した第一のマップである。 本発明の実施例に係る燃料電池において、ＦＣ昇圧コンバータの入口電圧を横軸とし、その出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、該ＦＣ昇圧コンバータで実行される処理を関連付けて表示した第二のマップである。 図３に示すソフトスイッチング処理のモード２の動作が行われるときの、説明の便宜のため、ＦＣ昇圧コンバータ内で実際に稼動している部分のみを抜粋して記載した図である。 本発明の実施例に係るＦＣ昇圧コンバータの出口電圧と該入口電圧との比ＶＨ／ＶＬと、図３に示すソフトスイッチング処理のモード２の動作が行われるときの放電時のスナバコンデンサに残る電圧との相関関係を示す第一の図である。 本発明の実施例に係るＦＣ昇圧コンバータの出口電圧と該入口電圧との比ＶＨ／ＶＬと、図３に示すソフトスイッチング処理のモード２の動作が行われるときの放電時のスナバコンデンサに残る電圧との相関関係を示す第二の図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムの効率化を促進するために、ＦＣ昇圧コンバータで行われる制御の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、インバータに印加する電圧が高である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、インバータに印加する電圧が中である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、インバータに印加する電圧が低である場合における負荷の効率特性の領域を表示したマップである。 図１に示す燃料電池システムの電気回路構成を示す図であって、特にＦＣ昇圧コンバータの電気回路構成を示す第二の図である。 図１３に示すＦＣ昇圧コンバータで行われる電圧昇圧のためのソフトスイッチング処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施例に係るＦＣ昇圧コンバータの出口電圧と該入口電圧との比ＶＨ／ＶＬと、図１４に示すソフトスイッチング処理のモード２の動作が行われるときの放電時のスナバコンデンサに残る電圧との相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムが停止した状態からモータに電力を供給するために始動する際の、ＦＣ昇圧コンバータの制御に関するフローチャートである。 コンバータにおけるスルーモードを模式的に示す第一の図である。 コンバータにおけるバイパスモードを模式的に示す図である。 コンバータにおけるスルーモードを模式的に示す第二の図である。 コンバータにおけるスルーモードを模式的に示す第三の図である。

符号の説明

１・・・・車両
１０・・・・燃料電池システム
１１・・・・燃料電池（ＦＣ）
１２・・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１２ａ・・・・メイン昇圧回路
１２ｂ・・・・補助回路
１３・・・・バッテリ
１４・・・・バッテリ昇圧コンバータ
１５・・・・インバータ
１６・・・・モータ
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・アクセルペダルセンサ
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・・スイッチ素子
Ｃ１、Ｃ３・・・・平滑コンデンサ
Ｃ２・・・・スナバコンデンサ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・・コイル
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５・・・・ダイオード

Claims (9)

1. 直流電源である燃料電池と、
   前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、
   前記昇圧部を介して、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、
   前記昇圧制御手段による電圧昇圧時に、前記燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧を調整する昇圧比調整手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 直流電源である燃料電池と、
   前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、
   前記燃料電池側に設定された前記昇圧部の始動前に、該燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧を調整する昇圧比調整手段と、
   前記昇圧比調整手段によって前記昇圧部の出口側電圧が調整された後、前記燃料電池の出力電圧を、該昇圧部を介して昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
3. 前記昇圧比調整手段は、前記昇圧制御手段による電圧昇圧時であって、前記燃料電池の出力電圧に対する前記負荷の駆動に必要な負荷必要電圧の比である要求昇圧比が前記所定昇圧比以下であるときに、前記燃料電池の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が該所定昇圧比を超えるように該昇圧部の出口側電圧を調整する、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 電力の蓄電及び放電が可能な二次電池であって、前記負荷に対して前記燃料電池及び前記昇圧部とに並列に接続され且つ該放電によって該負荷に電力供給する二次電池と、
   前記二次電池から出力される電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記負荷に供給することが可能な二次電池昇圧部と、を備え、
   前記昇圧比調整手段は、前記二次電池昇圧部による電圧昇圧を介して前記昇圧部の出口側電圧を調整する、
   請求項１から請求項３の何れか一に記載の燃料電池システム。
5. 直流電源である燃料電池と、
   前記燃料電池の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該燃料電池の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、
   前記昇圧部を介して、前記燃料電池の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、を備え、
   前記燃料電池の出力電圧に対する前記負荷の駆動に必要な負荷必要電圧の比である要求昇圧比が所定昇圧比以下であるときに、前記昇圧制御手段による電圧昇圧を回避する、
   燃料電池システム。
6. 前記昇圧制御手段は、
   前記主スイッチ手段の第一スイッチング動作によって、前記燃料電池からの電力を前記主コイルに蓄積する第一昇圧手段と、
   前記主スイッチ手段の第二スイッチング動作によって、前記第一昇圧手段によって蓄積された電力を、前記スナバコンデンサを介しながら前記負荷に供給する第二昇圧手段と、
   を有する、
   請求項１から請求項５の何れか一に記載の燃料電池システム。
7. 前記主昇圧部は、
   一端が前記燃料電池の高電位側の端子に接続された前記主コイルと、
   一端の極が前記主コイルの他端に接続され、他方の極が前記燃料電池の低電位側の端子に接続された、スイッチングを行う前記主スイッチ手段と、
   カソード端子が前記主コイルの他端に接続された第一ダイオードと、
   前記第一ダイオードのアノード端子と前記主スイッチ手段の他方の極との間に設けられた平滑コンデンサと、を有し、
   前記補助昇圧部は、
   前記主スイッチ手段に並列に設けられ、且つ前記主コイルの多端と前記燃料電池の低電位側の端子との間に接続された、第二ダイオードと前記スナバコンデンサとを含む第一直列接続体と、
   前記第一直列接続体における前記第二ダイオードと前記スナバコンデンサとの接続部位と前記主コイルの一端との間に接続された、誘導性素子である補助コイルと第三ダイオードとスイッチングを行う補助スイッチ手段とを含む第二直列接続体と、を有し、
   前記所定昇圧比は、前記スナバコンデンサの容量と前記補助コイルのインダクタンスの相関関係に基づいて決定される、
   請求項１から請求項６の何れか一に記載の燃料電池システム。
8. 直流電源の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部と、
   前記昇圧部を介して、前記直流電源の出力電圧を昇圧し、前記負荷に印加させる昇圧制御手段と、を備え、
   前記昇圧制御手段による電圧昇圧時に、前記直流電源の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧が調整される、
   ＤＣ−ＤＣコンバータ。
9. 直流電源の出力電圧を昇圧し、負荷に該昇圧電圧を印加するＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記直流電源の高電位側の端子に接続された主コイルに対して、主スイッチ手段によってスイッチング動作を行うことで、該直流電源の出力電圧を昇圧する主昇圧部と、前記主スイッチ手段に対して並列に接続され該主スイッチ手段に印加される電圧を調整可能なスナバコンデンサを有し且つ前記主昇圧部による昇圧動作に応じて該スナバコンデンサの印荷電圧が調整される補助昇圧部と、を含む昇圧部を備え、
   前記直流電源の始動前に、該直流電源の出力電圧に対する前記昇圧部の出口側電圧の比が所定昇圧比を超えるように、該昇圧部の出口側電圧が調整され、その後、前記直流電源の出力電圧を、前記昇圧部を介して昇圧し前記負荷に印加させる、
   ＤＣ−ＤＣコンバータ。

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