JP2011036101A - 電力供給システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電力供給システムの電源の電圧変動がある場合であっても、電力供給システムの安定運転を可能とし、かつ、電力供給システムのコストを低減することのできる技術を提供すること。
【解決手段】電力供給システム１は、第１のバス３１と第１の給電経路５１からモータ２へ給電する燃料電池３と、第２のバス３２と第１の給電経路５１からモータ２へ給電する２次電池４と、第２の給電経路５２に接続されて第３の電圧で駆動する燃料電池用補機６を含む補機系統５と、燃料電池３と第１の給電経路５１との間に接続され燃料電池３の第１の電圧を第４の電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、燃料電池３と第２の給電経路５２との間に接続され燃料電池３の第１の電圧を第３の電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、２次電池４と第２の給電経路５２との間に接続され２次電池４の第２の電圧を第３の電圧に降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から負荷に電力を供給する電力供給システムに関し、特に、燃料電池及び２次電池から負荷に並列給電する電力供給システムに関する。
従来、太陽電池や燃料電池等の独立型電源及び２次電池を用いた電源システムとして、負荷に対して並列給電を行うものが知られている（特許文献１参照）。この電源システムでは、燃料電池と２次電池と負荷との間に、３つの昇圧コンバータを備え、燃料電池から第１の昇圧コンバータを介して負荷へ給電すると共に、燃料電池の余剰電力を第２の昇圧コンバータを介して２次電池に蓄電する。また、２次電池から第３の昇圧コンバータを介して負荷へ給電することで、燃料電池からの出力不足分を補う。
また、燃料電池搭載車両において、車両補機と低電圧バッテリとを含む１２［Ｖ］の低電圧系統と、燃料電池補機と負荷とを含む３５０［Ｖ］の高電圧系統とを、昇降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧調整して接続する電力供給システムが知られている（特許文献２参照）。この電力供給システムでは、燃料電池の出力電圧を負荷にそのまま印加するように接続している。
また、燃料電池の技術分野においては、コスト削減やスペース上の制約から、燃料電池のスタックのセル数を低減しようとする技術課題もある。スタックのセル数を低減した場合には、燃料電池の出力電圧が低下するため、特許文献２に記載のように燃料電池の出力電圧を負荷にそのまま印加すると、負荷に必要なモータ出力が得られない。従来から、特許文献２に記載の電力供給システムに対して、さらに、燃料電池の出力口に、強電用昇圧器を設け、この強電用昇圧器を介して負荷に給電するシステムも知られている（特許文献３参照）。特許文献３に記載のシステムでは、強電用昇圧器から給電可能な２次電池も備えており、この２次電池から燃料電池補機や負荷に給電することもできる。
特開２００３−１３４６９１号公報 特許第３７４４４５６号公報 特許第３７０９７８９号公報
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載のシステムでは、燃料電池の電圧の変動幅が大きい場合やバッテリ電圧の低下がある場合に、各システム要素に安定して電力を供給することができない。また、特許文献３に記載のシステムでは、燃料電池の電圧やバッテリ（２次電池や低電圧バッテリ）の電圧に変動がある場合に、燃料電池補機や負荷へ安定した電圧での給電が困難であるという課題があった。
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、電力供給システムの電源の電圧変動がある場合であっても、電力供給システムの安定運転を可能とし、かつ、電力供給システムのコストを低減することのできる技術を提供することを目的とする。
本発明は、前記目的を達成するために創案されたものであり、本発明に係る電力供給システムは、直流電源としての燃料電池から出力する第１の電圧を昇圧した後に第１の給電経路から負荷に給電すると共に、別の直流電源としての２次電池から出力する第２の電圧を前記第１の給電経路から前記負荷に並列に給電可能な電力供給システムであって、前記燃料電池及び前記２次電池から並列給電可能な第２の給電経路に接続され第３の電圧で駆動する燃料電池用補機を少なくとも含む補機系統と、前記燃料電池と前記負荷への第１の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第１の電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して第４の電圧の電圧値に変換する第１の電力変換器と、前記燃料電池と前記補機系統への第２の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第１の電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して前記第３の電圧と同じ電圧値に変換する第２の電力変換器と、前記２次電池と前記補機系統への第２の給電経路との間に接続され前記２次電池の第２の電圧の電圧値を１倍以下に降圧して前記第３の電圧と同じ電圧値に変換する第３の電力変換器と、を備えることを特徴とする。
かかる構成によれば、電力供給システムは、燃料電池及び２次電池から、第１及び第２の給電経路を介して負荷及び補機系統に対してそれぞれ給電するので、電源の電圧変動がある場合であっても、電力供給システムの安定運転を可能とすることができる。また、電力供給システムは、第１の電力変換器により昇圧した電力を負荷に供給できるので、燃料電池のスタックのセル数を低減できる。また、電力供給システムは、第２の電力変換器により昇圧した電力を補機系統に供給できるので、補機系統に供給する電圧を所望の値に設定することで、汎用的で安価な補機を採用することが可能となる。また、電力供給システムは、第３の電力変換器により降圧した電力を補機系統に供給できるので、燃料電池の起動時に２次電池から第１及び第２の電力変換器を経由することなく、燃料電池用補機に給電することができる。ここで、第１の電力変換器は昇圧機能さえあればよいので、小型で安価な昇圧器とすることができる。また、電力供給システムは、２次電池が満充電の場合に、負荷からの回生電力を第３の電力変換器により降圧して補機系統に供給できる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の第１の電圧の最大値は、前記２次電池の第２の電圧の最小値よりも小さいことが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、第１の電圧を好適な範囲とすることで、第１の電力変換器により昇圧した第４の電圧を、２次電池の第２の電圧よりも小さくすることが可能なので、燃料電池よりも２次電池を優先して負荷に給電するモードで動作することができる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記２次電池の第２の電圧の最小値が、前記燃料電池の第１の電圧の最大値及び前記補機系統を駆動させる第３の電圧の値よりも大きいことが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、第２の電圧を好適な範囲とすることで、負荷からの回生電力が生じた場合に、第３の電力変換器を介して補機系統に供給する前に、より多くの回生電力を２次電池への給電に充てるモードで動作することができる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記補機系統を駆動させる第３の電圧の値が、前記燃料電池の第１の電圧の最大値以上であり、かつ、前記２次電池の第２の電圧の最小値よりも低いことが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、第３の電圧を好適な範囲とすることで、燃料電池のスタックのセル数を低減した上で、補機系統に汎用的で安価な補機を採用することが可能となる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記第３の電圧を好適な範囲とした構成において、前記補機系統が、さらに、少なくとも車両の灯火類を含む車両補機と、前記補機系統への第２の給電経路と前記車両補機との間に接続され前記第３の電圧の電圧値を降圧して前記車両補機の最大電圧である第５の電圧の電圧値に変換する降圧器と、を備えることが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、補機系統に、高電圧系統である燃料電池用補機だけではなく、低電圧系統である車両補機に対して、第２の給電経路を介して燃料電池及び２次電池から並列給電可能となり、各システム要素に対して安定して電力を供給することができる。また、電力供給システムは、燃料電池搭載車両に好適である。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記第３の電圧を好適な範囲とした構成において、前記補機系統が、さらに、前記第３の電圧で駆動する車室内用空調機を含むことが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、各システム要素に対して安定して電力を供給することができ、燃料電池搭載車両に好適である。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の起動時において、前記２次電池の第２の電圧を前記第３の電力変換器により降圧して前記燃料電池用補機へ電力を供給することが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、燃料電池の起動時に、２次電池から第３の電力変換器を介して補機系統へ電力を供給するので、２次電池から第１及び第２の電力変換器を経由することなく、燃料電池用補機に給電することができる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、前記燃料電池が発電を開始し、前記燃料電池用補機を駆動可能な程度の電力を発電していることを検知した場合に、前記２次電池の第２の電圧を降圧して前記燃料電池用補機へ供給する第３の電力変換器を停止させることが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、燃料電池の起動後に、燃料電池が燃料電池用補機を駆動可能な程度の電力を発電できるようになった場合に、第３の電力変換器の動作を停止するので、２次電池の無駄な放電を防止できる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があった場合に、前記燃料電池の第１の電圧を昇圧した第４の電圧を前記負荷へ供給する第１の電力変換器を動作させることが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、燃料電池の起動後に、燃料電池が負荷を駆動可能な程度の電力を発電していない場合と、利用者の出力要求がない場合の少なくともいずれかの場合には、第１の電力変換器を動作させないので、燃料電池の無駄な放電を防止できる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも低いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値より大きくなるように前記第１の電圧を昇圧することが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、この場合に、負荷に給電する第４の電圧の電圧値が２次電池の第２の電圧の電圧値より大きくなるように燃料電池の出力を昇圧するので、燃料電池から負荷への給電と並列に、燃料電池から２次電池を充電することができる。ここで、２次電池の蓄電量の所定値は、例えば、燃料電池の再起動時に必要な電力に相当する蓄電量の値である。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値より小さくなるように前記第１の電圧を昇圧することが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、この場合に、負荷に給電する第４の電圧の電圧値が２次電池の第２の電圧の電圧値より小さくなるように燃料電池の出力を昇圧するので、燃料電池よりも２次電池を優先して負荷に給電するモードで動作することができる。そのため、燃料電池の無駄な放電を低減することで、燃料電池の劣化を防止し、長寿命化を図ることで、メンテナンスに係るコストを低減できる。ここで、２次電池の蓄電量の所定値は、例えば、回生時電力を受け入れる程度のマージンがない場合の蓄電量の値である。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、当該システムを利用する利用者の要求出力が燃料電池出力のみでは満たされない場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値と同等になるように前記第１の電圧を昇圧することが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、この場合に、負荷に給電する第４の電圧の電圧値が２次電池の第２の電圧の電圧値と同等になるように燃料電池の出力を昇圧するので、燃料電池及び２次電池の双方から負荷に給電するモードで動作することができる。そのため、電力供給システムは、燃料電池及び２次電池を合わせた供給可能な最大出力の電力を負荷に供給することができる。ここで、２次電池の蓄電量の所定値は、例えば、回生時電力を受け入れる程度のマージンがない場合の蓄電量の値である。蓄電量の所定値を超える場合、２次電池の蓄電量が再起動時の必要電力を確保しつつ、車両の加速時などに利用者の要求出力を満たすように、負荷に並列給電することができる。
また、本発明に係る電力供給システムは、前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、前記負荷からの電力回生が生じた場合に、前記第３の電力変換器によって当該回生電力の電圧を、前記補機系統を駆動させる第３の電圧まで降圧し、降圧した回生電力を前記第２の給電経路を介して前記補機系統へ給電することが好ましい。
かかる構成によれば、電力供給システムは、このように２次電池により回生電力を受けきることができない場合、余剰回生電力を補機系統で消費させることができる。ここで、２次電池の蓄電量の所定値は、例えば、回生時電力を受け入れる程度のマージンがない場合の蓄電量の値である。
本発明によれば、電力供給システムの電源の電圧変動がある場合であっても、電力供給システムの安定運転を可能とし、かつ、電力供給システムのコストを低減することができる。また、電力供給システムの安定運転を可能とすることで、システム効率の低下を低減することができる。
本発明の実施形態に係る電力供給システムの構成図である。 本発明における燃料電池の起動時の２次電池による電力の流れを示す説明図であって、（ａ）は補機系統への給電、（ｂ）は補機系統及びモータへの給電をそれぞれ示している。 本発明における燃料電池の起動後の電力の流れを示す説明図であって、（ａ）は２次電池からの給電の停止、（ｂ）は補機系統への給電、（ｃ）は補機系統及びモータへの給電をそれぞれ示している。 本発明における走行時の電力の流れを示す説明図であって、（ａ）は燃料電池からモータに給電したとき、（ｂ）は並列に２次電池の充電を行うときの流れをそれぞれ示している。 本発明における加速時の電力の流れを示す説明図であって、（ａ）は２次電池をアシストするとき、（ｂ）は最大出力時の流れをそれぞれ示している。 本発明における回生時の電力の流れを示す説明図であって、（ａ）は２次電池に回生する場合、（ｂ）は補機系統に回生する場合の流れをそれぞれ示している。
本発明の電力供給システムを実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
［電力供給システムの構成］
本実施形態に係る電力供給システム１は、燃料電池車に搭載されているものとして説明する。この電力供給システム１は、図１に示すように、負荷としてのモータ２に並列給電する燃料電池３及び２次電池４と、燃料電池３及び２次電池４から並列給電可能な補機系統５と、これら負荷、燃料電池３、２次電池４及び補機系統５の間の電圧を調整する電圧調整器１０とを主に備えている。
モータ２は、例えば、車輪駆動用のメインモータである。
燃料電池３は、直流電源であり、例えば、固体高分子型（ＰＥＭ：Proton Exchange Membrane）の燃料電池であり、多数のセルを積層して構成されている。
２次電池４は、直流電源であり、例えば、リチウムイオン電池から構成されている。
補機系統５は、エアポンプ６と、降圧器７と、エアコンディショナ８と、車両補機９とを備えている。エアポンプ６は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池３に供給するものである。なお、燃料電池用補機の一例としてエアポンプ６を示したが、燃料電池用補機には、図示は省略するが、高圧の水素ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給系等が含まれる。
降圧器７は、補機系統５に供給される高電圧を降圧して車両補機９に供給するものであり、降圧用のＤＣ／ＤＣコンバータから構成される。
エアコンディショナ（車室内用空調機）８は、補機系統５に供給される高電圧で駆動する補機である。
車両補機９は、例えば、車両の灯火類である。図１では車両補機９を１つだけ示したが、車両補機９の個数はこの限りではない。この車両補機９には、例えば、パワーウィンド、ワイパなど走行に関係する電気装備品や、オーディオ、カーナビゲーションなどの機器を含むこともできる。
なお、図示は省略するが、補機系統５には、低電圧系統と補機系統５に供給される高電圧系統との電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、１２［Ｖ］の低電圧バッテリとをさらに含むことができる。
電圧調整器１０は、３つの単方向ＤＣ／ＤＣコンバータとして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３とを備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換器）１１及びＤＣ／ＤＣコンバータ（第２の電力変換器）１２は、１倍以上に倍率可変できる単方向昇圧器から構成されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ（第３の電力変換器）１３は、１倍以下に倍率可変できる単方向降圧器から構成されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の低電圧側は、第１のバス３１により燃料電池３に接続されており、高電圧側は、第１の給電経路５１によりインバータ２０を介してモータ２に接続されている。また、２次電池４は、第２のバス３２により接続点４２を介して第１の給電経路５１に接続されている。つまり、燃料電池３及び２次電池４は、それぞれ第１のバス３１及び第２のバス３２により、第１の給電経路５１を介してモータ２に給電可能に接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の低電圧側は、接続点４１を介して第１のバス３１に接続されており、高電圧側は、第２の給電経路５２により補機系統５に接続されている。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の高電圧側は、接続点４３を介して第２のバス３２に接続されており、低電圧側は、接続点４４を介して第２の給電経路５２に接続されている。言い換えると、燃料電池３は、第１のバス３１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び第２の給電経路５２により補機系統５に給電可能に接続されており、また、２次電池４は、第２のバス３２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３及び第２の給電経路５２により補機系統５に給電可能に接続されている。
また、補機系統５への第２の給電経路５２は、第３のバス３３に接続されている。第３のバス３３は、エアポンプ６、降圧器７及びエアコンディショナ８と接続されている。
本実施形態では、燃料電池３は、図１に示すように、発電量検知手段１４を備えることとした。発電量検知手段１４は、燃料電池３の発電量を検知するために、例えば燃料電池３の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流計や電圧計などで構成され、燃料電池３の出力端子に接続している。また、発電量検知手段１４は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ：electronic control unit）と接続しており、この制御装置は、燃料電池３の発電量（出力電流、出力電圧）を監視可能となっている。
また、本実施形態では、２次電池４は、図１に示すように、蓄電量検知手段１５を備えることとした。蓄電量検知手段１５は、２次電池４の蓄電量を検知するために、２次電池４の出力電流を検出する機器であり、電流計などで構成され、２次電池４の出力端子に接続している。また、蓄電量検知手段１５は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ）と接続しており、この制御装置は、２次電池４から放出される電流または充電される電流（以下、単にバッテリ電流という）の値（バッテリ電流値）を積算し、積算したバッテリ電流値を、２次電池４のバッテリ容量で除算することによって蓄電量を算出する。これにより、２次電池４の蓄電量を監視可能となっている。なお、蓄電量検知手段１５を電圧計などで構成した場合には、図示しない制御装置において、予め求めた電圧−蓄電量特性と検出電圧とを用いることで蓄電量を求めることも可能である。
なお、電力供給システム１のシステム要素は、図示しない制御装置（例えば、ＥＣＵ）により制御可能になっている。つまり、この制御装置は、例えば、電圧調整器１０の各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２，１３への動作制御信号、インバータ２０への動作制御信号、補機系統５への動作制御信号を出力することができる。
［電力供給システムのシステム要素の電圧の関係］
以下では、燃料電池３の出力電圧を第１の電圧という。２次電池４の出力電圧を第２の電圧という。補機系統５の駆動電圧を第３の電圧という。ＤＣ／ＤＣコンバータ１１によって昇圧した結果の電圧を第４の電圧という。補機系統５の降圧器７が、第３の電圧を降圧した低電圧を第５の電圧という。
第１、第２及び第３の電圧間の電圧値Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3の大小関係においては、補機系統５を駆動させる第３の電圧の値Ｖ3が、燃料電池３の第１の電圧の最大値Ｖ1（max）以上であることが好ましい。また、補機系統５の第３の電圧の値Ｖ3は、２次電池４の第２の電圧の最小値Ｖ2（min）よりも低いことが好ましい。
この好適な条件において、第１ないし第５の電圧の電圧値を例示する。
燃料電池３の第１の電圧の電圧値Ｖ1は、例えば１５０〜３００［Ｖ］である。
２次電池４の第２の電圧の電圧値Ｖ2は、例えば４００〜６００［Ｖ］である。
補機系統５の第３の電圧の電圧値Ｖ3は、例えば３００［Ｖ］の一定値である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力する第４の電圧の電圧値Ｖ4は、例えば３００〜７００［Ｖ］である。降圧器７の出力する第５の電圧の電圧値Ｖ5は、例えば１２［Ｖ］である。この場合、車両補機９は、１２［Ｖ］の電圧で駆動する１２Ｖ機器である。
［電力供給システムの動作］
ここでは、電力供給システム１の搭載された燃料電池車両の動作状態を、１．燃料電池の起動時、２．燃料電池の起動直後、３．燃料電池車両の通常走行時、４．燃料電池車両の加速走行時及び最大出力走行時、５．回生電力発生時に分けて、燃料電池車両の動作状態と給電との関係について図２〜図６を参照（適宜図１参照）して説明する。
以下では、燃料電池３の第１の電圧のことを「ＦＣ電源電圧」、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の出力する第４の電圧のことを「負荷給電ＦＣ電圧」、２次電池４の第２の電圧のことを「バッテリ電圧」、補機系統５の第３の電圧のことを「補機系統電圧」とそれぞれ呼称する。
≪１．燃料電池の起動時≫
燃料電池３の起動時には、燃料電池３はまだ発電していないので、まず２次電池４からの電力で燃料電池用補機を動かす必要がある。そこで、図２（ａ）に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３によりバッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）を補機系統電圧（例えば３００［Ｖ］）まで降圧させる。具体的には、「２次電池４→第２のバス３２→接続点４３→ＤＣ／ＤＣコンバータ１３→接続点４４→第２の給電経路５２→補機系統５」の経路で電流が流れる。
これにより、補機系統５において、２次電池４から給電されたエアポンプ（エアコンプレッサ）６（図１参照）は、エア（圧縮した空気）を燃料電池３へ圧送して燃料電池３を起動する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は動作させないので、この電流が燃料電池３に逆流することもない。
また、燃料電池３の起動時（燃料電池３の発電量が不充分であるとき）に走行する必要がある場合には、図２（ｂ）に示すように、補機系統５に電力供給している２次電池４から、並行してモータ２に電力供給する。具体的には、「２次電池４→第２のバス３２→接続点４２→第１の給電経路５１→インバータ２０→モータ２」の経路で電流が流れる。これにより、燃料電池３の起動時であっても、燃料電池車両は走行可能となる。なお、起動時に走行する必要がある場合とは、起動時に燃料電池車両の運転者（当該システムの利用者）の出力要求がある場合のことである。アクセルが踏まれたときに図示しない制御装置により運転者の出力要求があると判定される。
≪２．燃料電池の起動直後≫
燃料電池３の起動後の間もないときにおいて、燃料電池３が充分に発電するようになったら、燃料電池３からの電力でエアポンプ６（図１参照）等の燃料電池用補機を動かす段階に移行する。この場合、燃料電池３が発電を開始してから、発電量検知手段１４（図１参照）によって、燃料電池３の出力電圧等を検知し、続いて、図示しない制御装置によって、燃料電池３からの電圧を出力可能であると判定すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を停止させる制御信号を出力する。これにより、図２（ａ）に示す状態から、図３（ａ）に示す状態に移行する。つまり、２次電池４からエアポンプ６への電力供給が停止する。この図３（ａ）に示す状態では、各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２，１３は停止している。なお、２次電池４からエアポンプ６への電力供給の停止直前から、燃料電池３によるエアポンプ６への電力供給を行うようにしてもよい。
続いて、図３（ｂ）に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を動作させ、ＦＣ電源電圧（１５０〜３００［Ｖ］）を、補機系統電圧（３００［Ｖ］）まで昇圧して補機系統５に供給する。具体的には、「燃料電池３→第１のバス３１→接続点４１→ＤＣ／ＤＣコンバータ１２→第２の給電経路５２→補機系統５」の経路で電流が流れる。
そして、図示しない制御装置は、燃料電池３からモータ２を駆動して走行できるだけの出力が取れており、かつ、発電が安定していると判定したら、補機系統５の図示しない低電圧バッテリの電力消費を抑えるため、燃料電池３の電力でエアポンプ６等の燃料電池用補機を駆動する。これにより、燃料電池３から給電されたエアポンプ６（図１参照）は、エア（圧縮した空気）を燃料電池３へ圧送する。なお、図示しない制御装置による判定前には、補機系統５において図示しない低電圧バッテリ及びＤＣ／ＤＣコンバータからの給電によりエアポンプ６等を駆動している。
また、燃料電池３の起動後の間もないときに、走行する必要がある場合には、図３（ｃ）に示すように、２次電池４から、並行してモータ２に電力供給する。これにより、燃料電池３の起動後の間もないときであっても、燃料電池車両は走行可能となる。
≪３．燃料電池車両の通常走行時≫
燃料電池３の起動後、通常走行時には、図３（ｂ）に示す状態から、図４（ａ）に示す状態に移行させる。まず、図３（ｂ）に示す状態において、図示しない制御装置によって、走行に必要な電力を燃料電池３が発電可能な状態であると判定すると、燃料電池３からＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介してインバータ２０に電力供給し、モータ２を駆動する。
具体的には、「燃料電池３→第１のバス３１→ＤＣ／ＤＣコンバータ１１→第１の給電経路５１→インバータ２０→モータ２」の経路で電流が流れる。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１によりＦＣ電源電圧を昇圧し、負荷給電ＦＣ電圧がバッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）よりも少し高くなるように設定すると、燃料電池３からモータ２へ流れる電流が大きくなり、燃料電池３による電力がメインの給電モード（ＦＣ給電モード）となる。
このとき、例えば、蓄電量検知手段１５により２次電池４の蓄電量が第１の所定値よりも低いことを検知した場合に、図示しない制御装置によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の昇圧率を増加させ、負荷給電ＦＣ電圧を、バッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）よりもさらに高くなるように設定する。ここで、第１の所定値は、例えば、燃料電池３の再起動時に必要な電力に相当する蓄電量の値である。なお、第１の所定値を、例えば、モータ２等の負荷に高い要求出力が求められる場合（加速時など）に２次電池４から負荷へアシストする分の電力を常に確保できるよう設定することも可能である。
このように負荷給電ＦＣ電圧をバッテリ電圧よりもさらに高くなるように設定すると、モータ２の駆動中（走行中）であっても、図４（ｂ）に示すように、燃料電池３による電力により２次電池４を充電することができる。具体的には、「燃料電池３→第１のバス３１→ＤＣ／ＤＣコンバータ１１→接続点４２→第２のバス３２→２次電池４」の経路で電流が流れる。
≪４．燃料電池車両の加速走行時及び最大出力走行時≫
燃料電池３の起動後、加速する必要がある場合として、最大出力走行時には、図５（ａ）に示す状態から、図５（ｂ）に示す状態に移行させる。まず、図５（ａ）に示す状態において、図示しない制御装置によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の昇圧率を増加させ、負荷給電ＦＣ電圧を、バッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）と同じになるように設定する。この場合、２次電池４からモータ２へ流れる電流と、燃料電池３からモータ２へ流れる電流とが拮抗するので、図５（ｂ）に示すように、燃料電池３と２次電池４の両方から同様にモータ２へ電流が流れる。これにより、急な加速要求で燃料電池３による発電の増加が間に合わずに足りない電力を２次電池４から供給できる。また、燃料電池３の最大発電量以上の最大出力走行時には、燃料電池３と２次電池４の両方の電力を加えた最大の電力を出力できる。
≪５．回生電力発生時≫
燃料電池３の起動後、回生時には、負荷であるモータ２の回転数を減速制御（回生ブレーキ動作）し、負荷側の電圧が上昇した場合に、負荷側の電圧を降圧して、入力側にエネルギを還す。回生電力が比較的少ない場合や２次電池４が満充電ではない場合、モータ２からの電力を２次電池４へ回生する。ここで、例えば、蓄電量検知手段１５により２次電池４の蓄電量が第２の所定値よりも高いことを検知した場合に、２次電池４が満充電であると判定することができる。この第２の所定値は、例えば、回生時電力を受け入れる程度のマージンがない場合の蓄電量の値である。
このようにモータ２からの電力を２次電池４へ回生する際には、図示しない制御装置によって、インバータ２０を制御し、回生電圧を、バッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）よりも高くすることで、図６（ａ）に示すように、２次電池４への充電を行う。具体的には、「モータ２→インバータ２０→第１の給電経路５１→接続点４２→第２のバス３２→２次電池４」の経路で電流が流れる。
なお、回生時には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は動作を停止しており、このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１が逆流防止機能を果たすので、回生電力が燃料電池３へ逆流することはない。また、ブレーキ信号を用いることで回生電力が発生したか否かを容易に判定できる。例えば、ブレーキを踏んでいるときやアクセルを離したときに回生モードであると判定できる。
また、燃料電池３の起動後、回生時に、回生電力が比較的多い場合や２次電池４が満充電である場合には、図示しない制御装置によって、インバータ２０を制御し、回生電圧をバッテリ電圧（例えば４００〜６００［Ｖ］）と同じ電圧にすると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作させる制御信号を出力する。このとき、回生電圧がバッテリ電圧と同じ電圧になるので、２次電池４が充放電を停止する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が降圧動作をするので、回生電力が補機系統５に供給される。
具体的には、「モータ２→インバータ２０→第１の給電経路５１→接続点４２→接続点４３→ＤＣ／ＤＣコンバータ１３→接続点４４→第２の給電経路５２→補機系統５」の経路で電流が流れる。そのため、補機系統５において、例えば、エアポンプ６（図１参照）等が回生電力を消費する。なお、回生時に補機系統５に供給される電力が必要以上に多い場合には、例えば、図示しない制御装置によって、エアポンプ６又はエアコンディショナ８などの電装品において電力消費を促進するために敢えて非効率な運転を行うことで対処できる。
本実施形態に係る電力供給システム１によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２，１３によって、燃料電池３及び２次電池４からモータ２（負荷）へ給電するメイン系統と、補機系統５へ給電するサブ系統とを接続しているので、補機系統５のエアポンプ６やエアコンディショナ８として、燃料電池３や２次電池４の電圧に合わせた仕様電圧の装置を用いる必要がない。つまり、補機系統５の装置に対して、燃料電池車両専用品を新たに開発する必要がない。したがって、現存のＨＥＶ（ハイブリッド車）の電装品を流用することができる。つまり、電力供給システム１のコストを低減することができる。
仮に、電圧調整器１０の３つのＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２，１３のうち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３がなければ、起動時に２次電池４から補機系統５へ給電するためにＤＣ／ＤＣコンバータ１１を双方向の昇降圧器にする必要が生じてしまう。この場合、双方向の昇降圧器は大型かつ高価なものとなる。さらに、起動時に２次電池４から補機系統５へ給電する際に、この双方向の昇降圧器と燃料電池３との間に、大電流を食い止めるために逆流防止用の大型のダイオードも必要になる。しかしながら、本実施形態に係る電力供給システム１は、電圧調整器１０が３つのＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２，１３を備えるので、このような問題を未然に防止し、電源の電圧変動がある場合であってもシステムの安定運転を可能とし、かつ、システムのコストを低減することができる。
以上、本発明の電力供給システムの好ましい実施形態について説明したが、本発明は、前記した実施形態に限定されるものではない。例えば、本実施形態では、補機系統５を駆動させる第３の電圧の電圧値Ｖ3が、燃料電池３の第１の電圧の最大値Ｖ1（max）以上であり、かつ、２次電池４の第２の電圧の最小値Ｖ2（min）よりも低いものとして説明したが、第１、第２及び第３の電圧間の電圧値Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3の大小関係は、これに限定されるものではない。例えば、２次電池４の第２の電圧の最小値Ｖ2（min）は、燃料電池３の第１の電圧の最大値Ｖ1（max）、及び、補機系統５を駆動させる第３の電圧の電圧値Ｖ3よりも大きいという条件だけでもよい。また、燃料電池３の第１の電圧の最大値Ｖ1（max）は、２次電池４の第２の電圧の最小値Ｖ2（min）よりも小さいという条件だけでも構わない。
また、本実施形態では、電力供給システム１が発電量検知手段１４および蓄電量検知手段１５を備えるベストモードで説明したが、発電量検知手段１４のみを備える構成としてもよいし、いずれも備えていない構成とすることも可能である。
また、図１に示す例では、負荷であるモータ２に対して、インバータ２０を介して直交変換して電力を給電するものとしたが、電力供給システム１において、インバータ２０を介さずに負荷に給電することもできる。
また、本実施形態では、電力供給システム１が燃料電池車両に搭載されるものとしたが、本発明の電力供給システムが搭載される移動体は、陸上の移動体に限らず、例えば、水上や水中の移動体であってもよい。さらに、本発明の電力供給システムは、移動体に搭載することが必須ではなく、例えば、固定配置された家庭用燃料電池システム等の燃料電池を用いた種々の給電システムにも利用することができる。
１ 電力供給システム
２ モータ（負荷）
３ 燃料電池
４ ２次電池
５ 補機系統
６ エアポンプ（燃料電池用補機）
７ 降圧器
８ エアコンディショナ（車室内用空調機）
９ 車両補機
１０ 電圧調整器
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換器）
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２の電力変換器）
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ（第３の電力変換器）
１４ 発電量検知手段
１５ 蓄電量検知手段
２０ インバータ
３１ 第１のバス
３２ 第２のバス
３３ 第３のバス
４１〜４４ 接続点
５１ 第１の給電経路
５２ 第２の給電経路

Claims (13)

  1. 直流電源としての燃料電池から出力する第１の電圧を昇圧した後に第１の給電経路から負荷に給電すると共に、別の直流電源としての２次電池から出力する第２の電圧を前記第１の給電経路から前記負荷に並列に給電可能な電力供給システムであって、
    前記燃料電池及び前記２次電池から並列給電可能な第２の給電経路に接続され第３の電圧で駆動する燃料電池用補機を少なくとも含む補機系統と、
    前記燃料電池と前記負荷への第１の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第１の電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して第４の電圧の電圧値に変換する第１の電力変換器と、
    前記燃料電池と前記補機系統への第２の給電経路との間に接続され前記燃料電池の第１の電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して前記第３の電圧と同じ電圧値に変換する第２の電力変換器と、
    前記２次電池と前記補機系統への第２の給電経路との間に接続され前記２次電池の第２の電圧の電圧値を１倍以下に降圧して前記第３の電圧と同じ電圧値に変換する第３の電力変換器と、
    を備えることを特徴とする電力供給システム。
  2. 前記燃料電池の第１の電圧の最大値は、前記２次電池の第２の電圧の最小値よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  3. 前記２次電池の第２の電圧の最小値は、前記燃料電池の第１の電圧の最大値及び前記補機系統を駆動させる第３の電圧の値よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  4. 前記補機系統を駆動させる第３の電圧の値は、前記燃料電池の第１の電圧の最大値以上であり、かつ、前記２次電池の第２の電圧の最小値よりも低いことを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  5. 前記補機系統は、さらに、
    少なくとも車両の灯火類を含む車両補機と、
    前記補機系統への第２の給電経路と前記車両補機との間に接続され前記第３の電圧の電圧値を降圧して前記車両補機の最大電圧である第５の電圧の電圧値に変換する降圧器と、
    を備えることを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
  6. 前記補機系統は、さらに、
    前記第３の電圧で駆動する車室内用空調機を含むことを特徴とする請求項４に記載の電力供給システム。
  7. 前記燃料電池の起動時において、
    前記２次電池の第２の電圧を前記第３の電力変換器により降圧して前記燃料電池用補機へ電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  8. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、
    前記燃料電池が発電を開始し、前記燃料電池用補機を駆動可能な程度の電力を発電していることを検知した場合に、前記２次電池の第２の電圧を降圧して前記燃料電池用補機へ供給する第３の電力変換器を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  9. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段をさらに有し、
    前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があった場合に、前記燃料電池の第１の電圧を昇圧した第４の電圧を前記負荷へ供給する第１の電力変換器を動作させることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  10. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
    前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
    前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも低いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値より大きくなるように前記第１の電圧を昇圧することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  11. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
    前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
    前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、当該システムを利用する利用者の出力要求があり、さらに、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知した場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値より小さくなるように前記第１の電圧を昇圧することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  12. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
    前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
    前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、当該システムを利用する利用者の要求出力が燃料電池出力のみでは満たされない場合に、前記第１の電力変換器によって前記第４の電圧の電圧値が前記第２の電圧の電圧値と同等になるように前記第１の電圧を昇圧することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
  13. 前記燃料電池の発電量を検知する発電量検知手段と、
    前記２次電池の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、をさらに有し、
    前記燃料電池が前記負荷を駆動可能な程度の電力を発電していることを前記発電量検知手段により検知し、かつ、前記２次電池の蓄電量が所定値よりも高いことを前記蓄電量検知手段により検知し、さらに、前記負荷からの電力回生が生じた場合に、前記第３の電力変換器によって当該回生電力の電圧を、前記補機系統を駆動させる第３の電圧まで降圧し、降圧した回生電力を前記第２の給電経路を介して前記補機系統へ給電することを特徴とする請求項１に記載の電力供給システム。
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