JP3719205B2

JP3719205B2 - 電源装置

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Publication number: JP3719205B2
Application number: JP2001385690A
Authority: JP
Inventors: 浩杉浦; 哲浩石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003187816A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池とキャパシタとを備える電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池を備える電源装置の利用方法としては、例えば、電気自動車の駆動用電源として用いる方法が提案されている。燃料電池が発電する電力を、電気自動車の駆動モータに供給することで、車両の駆動力を得ることができる。特開平９−２９８８０６号公報では、このような電源装置として、燃料電池に加えてキャパシタを備えるものが開示されている。キャパシタは、通常の２次電池に比べてパワー密度の高い蓄電手段であり、充放電効率も高い蓄電手段である。したがって、キャパシタを備える電源装置を用いると、上記電気自動車の制動時にモータを回生させることで得られるエネルギを効率よく回収することによって、システム全体のエネルギ効率を向上させることが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池の出力特性によって、低出力時には燃料電池システム全体のエネルギ効率が大きく低下するという性質を有している。すなわち、燃料電池システムは、燃料電池に対する燃料供給に関わる各種ポンプなどの補機類を備えるが、燃料電池が発電を行なう際には、その発電量が小さいときほど、発電量に対する上記補機類の電力消費量の割合が大きくなる。そのため、低出力時には燃料電池システムのエネルギ効率が低下する。そこで、上記のようにキャパシタを備える電源装置においては、燃料電池システムの効率が低下する低出力時においても、システム全体のエネルギ効率を充分に確保する構成が望まれていたが、そのような動作については、充分な検討がなされていなかった。
【０００４】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池とキャパシタとを備える電源装置において、燃料電池システムのエネルギ効率が低下するのに起因して電源装置全体のエネルギ効率が低下するのを防止する技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的を達成するために、本発明は、所定の負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記負荷に電力を供給する配線に対して並列に接続された燃料電池およびキャパシタと、
前記燃料電池と前記配線との間の接続を入り切りするスイッチと、
前記キャパシタの電圧を検出する電圧計と、
前記電源装置が、負荷要求に応じた電力を前記負荷に対して供給している際において、前記スイッチが開状態のときに、前記キャパシタの電圧が第１の基準電圧よりも小さいときには、前記スイッチを閉状態とする指示を出力し、前記スイッチが閉状態のときに、前記キャパシタの電圧が、前記第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上のときには、前記スイッチを開状態とする指示を出力する制御部と
を備えることを要旨とする。
【０００６】
本発明の電源装置によれば、キャパシタに並列に接続された燃料電池が発電を行なう際には、負荷要求が小さくなるほど、上記キャパシタ電圧が上昇する。キャパシタ電圧が上昇して第２の基準電圧よりも高くなると、所定の負荷に電力を供給する配線と燃料電池との間の接続を入り切りするスイッチが開状態となる。これによって、燃料電池は発電を停止し、キャパシタが負荷に電力を供給するようになる。キャパシタは、放電によって電圧が低下する。キャパシタが負荷に電力供給して、その電圧が、第２の基準電圧よりも低い第１の基準電圧よりも低くなると、上記スイッチが閉状態となる。これによって、燃料電池は再び負荷に対して電力供給を行なうようになる。
【０００７】
燃料電池システムは、負荷要求が小さいときにはそのシステム効率が低下するという性質を有する。そのため、上記基準電圧を、燃料電池システムのシステム効率に応じて設定することによって、効率が低下する状態では燃料電池の発電を停止することができ、装置全体のエネルギ効率を向上させることができる。このような制御をキャパシタ電圧に基づいて行なう際に、上記第２の基準電圧を第１の基準電圧よりも高く設定することで、スイッチの入り切りの動作においてハンチングを防止することができる。
【０００８】
このような本発明の電源装置において、
前記配線に対して、前記燃料電池および前記キャパシタと並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと
前記コンバータを介して前記配線に接続された２次電池と、
をさらに備えることとしても良い。
【０００９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、電源装置の運転方法や、電源装置を備える電気自動車などの形態で実現することが可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．装置の全体構成：
Ｂ．定常運転モードにおける動作：
Ｃ．回生運転モードにおける動作：
Ｄ．間欠運転モードにおける動作：
Ｅ．第２実施例の電気自動車１１０：
Ｆ．変形例：
【００１１】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の第１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。電気自動車１０は、電源装置１５を備えており、電源装置１５から電力を供給される負荷として、高圧補機４０と、駆動インバータ３０を介して電源装置１５に接続される駆動モータ３２とを備えている。これら電源装置１５と負荷との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源装置１５と負荷との間で電力がやり取りされる。
【００１２】
電源装置１５は、燃料電池システム２２と、キャパシタ２４と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２２は、後述するように発電の本体である燃料電池を備えている。この燃料電池システム２２が備える燃料電池とキャパシタ２４とは、上記配線５０に対して並列に接続されている。この配線５０には、燃料電池へ電流が逆流するのを防止するためのダイオード４２がさらに設けられている。さらに、配線５０には、この配線５０に対する燃料電池の接続状態を入り切りするスイッチ２０が設けられている。また、配線５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に接続しており、このＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して、２次電池２６は配線５０に接続している。また、このような電源装置１５における電圧を測定するために、配線５０には、電圧計５２がさらに設けられている。
【００１３】
図２は、燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム２２は、燃料電池６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４とを備えている。本実施例では、燃料電池６０として、固体高分子型燃料電池を用いた。燃料ガス供給部６１は、内部に水素を貯蔵し、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池６０に供給する装置である。燃料ガス供給部６１は、例えば、水素ボンベを備えることとすればよい。あるいは、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとし、上記水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵することとしても良い。このような燃料ガス供給部６１が貯蔵する水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、電気化学反応に供される。電気化学反応で利用されなかった残りの水素ガスは、水素ガス排出路６３に排出される。水素ガス排出路６３は、水素ガス供給路６２に接続しており、残余の水素ガスは再び電気化学反応に供される。また、ブロワ６４が取り込んだ圧縮空気は、酸化ガス供給路６５によって、酸化ガスとして燃料電池６０のカソードに供給される。燃料電池６０から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、燃料電池システム２２において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器を、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５にさらに設けることとしても良い。
【００１４】
２次電池２６としては、鉛蓄電池や、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム２次電池など種々の２次電池を用いることができる。この２次電池２６は、燃料電池システム２２の始動時に、燃料電池システム２２の各部を駆動するための電力を供給したり、燃料電池システム２２の暖機運転が完了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。また、燃料電池６０が定常状態で発電を行なうときにも、負荷が所定の値よりも大きくなる場合には、２次電池２６によって電力を補う。
【００１５】
また、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって２次電池２６の残存容量を検出することができる。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、目標電圧値を設定することによって、燃料電池６０からの出力電圧を調節し、燃料電池６０の発電量を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を切断する。
【００１７】
電源装置１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して配線５０に接続し、電源装置１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記モータの各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００１８】
また、他の負荷である高圧補機４０は、電源装置１５から供給される電力を、３００Ｖ以上の電圧のまま利用する装置である。高圧補機４０としては、例えば、燃料電池６０に空気を供給するためのブロワ６４（図２参照）や、水素ガス排出路６３と水素ガス供給路６２との間で水素ガスを循環させるための水素ポンプ（図示せず）が挙げられる。さらに、燃料電池６０を冷却するために、燃料電池６０内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ（図示せず）も、高圧補機４０に含まれる。これらの装置は、燃料電池システム２２に含まれる装置であるが、図１においては、電源装置１５の外側に、高圧補機４０として示した。さらに、高圧補機４０としては、燃料電池システム２２に含まれるものの他に、例えば電気自動車１０が備える空調装置（エアコン）が含まれる。
【００１９】
また、電気自動車１０は、制御部４８をさらに備えている。制御部４８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４８は、既述した電圧計５２による検出信号や、残存容量モニタ２７が出力する信号、あるいは、車両の運転に関して入力される指示信号を取得する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，スイッチ２０，燃料電池システム２２、駆動インバータ３０、高圧補機４０などに駆動信号を出力する。
【００２０】
Ｂ．定常運転モードにおける動作：
本実施例の電気自動車１０では、車両の駆動に要するエネルギは主として燃料電池システム２２によって供給される。ここでは、燃料電池システム２２の暖機運転が完了した後に、燃料電池６０が、負荷の大きさに応じた電力を発電するような運転状態を、定常運転モードと呼ぶこととする。電気自動車１０の運転時には、制御部４８が、車両における車速やアクセル開度に基づいて、所望の走行状態を実現するために必要な電力を算出する。電気自動車１０が定常運転モードとなっているときには、制御部４８は、上記必要な電力に加えて、高圧補機４０が要求する電力や、２次電池２６の残存容量にさらに基づいて、燃料電池６０が出力すべき電力を算出する。図３に、燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す。図３に示すように、燃料電池６０から出力すべき電力Ｐ_FCが定まれば、そのときの燃料電池６０の出力電流の大きさＩ_FCが定まる。燃料電池６０の出力特性より、出力電流Ｉ_FCが定まれば、そのときの燃料電池６０の出力電圧Ｖ_FCが定まる。制御部４８が、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に対して、このようにして求めた出力電圧Ｖ_FCを目標電圧として指令することによって、燃料電池６０の発電量が所望量となるように制御する。なお、図３に示したような、燃料電池６０の出力電流に対する出力電圧の値、あるいは出力電力の値は、燃料電池６０の内部温度によって変化する。したがって、上記のように燃料電池６０の出力電圧（目標電圧）Ｖ_FCを定めるときには、燃料電池６０の内部温度をさらに考慮することが望ましい。
【００２１】
本実施例の電気自動車１０では、負荷の大きさが所定の値以上であって、２次電池２６の残存容量が充分に大きい場合には、２次電池２６からも負荷に対して電力が供給される。このような場合には、制御部４８は、２次電池２６からも電力が供給されることを考慮して、燃料電池６０が出力すべき電力を決定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧を設定する。図３に示すように、燃料電池６０の出力電圧は、負荷が大きく出力電流が大きいほど低くなる。また、２次電池２６は、残存容量が大きいほど、その出力電圧が高くなるという性質を有している。そのため、このような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８における目標電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも低い値となる。これによって、２次電池２６からも、高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給されるようになる。
【００２２】
これに対して、２次電池２６の残存容量が所定の値以下になると、２次電池２６を充電する必要が生じる。このとき、負荷の大きさがある程度小さく、燃料電池６０の出力に余裕がある場合には、燃料電池６０によって２次電池２６の充電が行なわれる。２次電池２６の充電を行なう場合には、負荷に対して供給すべき電力に加えて、この２次電池２６を充電するための電力が得られるように、燃料電池６０が出力すべき電力が決定される。すなわち、このような場合には、電源装置１５を構成する２次電池２６もまた、負荷として働く。２次電池２６は、残存容量が少ないほど、その出力電圧が低くなるという性質を有している。そのため、このような場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８において設定される目標電圧は、２次電池２６の出力電圧よりも高い値となる。これによって、燃料電池６０は、高圧補機４０あるいは駆動モータ３２に対して電力が供給するほかに、２次電池２６の充電を行なうようになる。
【００２３】
また、本実施例の電気自動車１０では、定常運転モードとなっているときには、キャパシタ２４も充放電を繰り返す。既述したように、キャパシタ２４は、これに残存する電荷量と出力電圧とが１対１に対応しており、残存する電荷量が多いときほど出力電圧が高く、少ないときほど出力電圧が低くなる。このようなキャパシタ２４は、図１に示すように、配線５０に対して燃料電池６０と並列に接続されている。そのため、燃料電池６０の発電時に負荷の大きさが変動して配線５０における電圧が変動すると、キャパシタ電圧は、配線５０の電圧と等しくなろうとして充放電を行なう。すなわち、配線５０の電圧が上昇するときには、キャパシタ２４が燃料電池６０から電力の供給を受けることによって、キャパシタ電圧は配線５０の電圧に等しくなる。また、配線５０の電圧が低下するときには、キャパシタ２４が燃料電池６０と共に負荷に対して電力を供給することによって、キャパシタ電圧は配線５０の電圧に等しくなる。
【００２４】
Ｃ．回生運転モードにおける動作：
電気自動車１０では、制動時（車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３２を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これを回収する。このように、制動時にエネルギを回収する運転状態を、回生運転モードと呼ぶ。本実施例では、このような回生運転モードにおいて電力として回収されるエネルギは、キャパシタ２４によって吸収する。キャパシタ２４は、上記２次電池２６に比べてパワー密度の高い蓄電手段であり、充放電効率も高い蓄電手段である。すなわち、短時間のうちに充放電可能な電力量が多い。したがって、車両の運転者がブレーキを踏み込むような短い制動時間に回生運転モードを実行する際に、キャパシタ２４を用いることで、回生によって生じた電力を効率よく回収することができる。
【００２５】
電気自動車１０において、回生運転モードとなって駆動モータ３２が発電する際には、駆動モータ３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対して電力が供給される。本実施例では、このような回生運転モード時に駆動モータ３２から配線５０に対して電力が供給されるときの電圧は、定常運転モード時に燃料電池６０から電力が供給される際の配線５０の電圧の上限よりも高くなるように設定されている。そのため、回生運転モード時には、駆動モータ３２側から配線５０に電力が供給される際の電圧は、キャパシタ２４の電圧よりも高くなるため、上記電力が供給されることで、キャパシタ２４に電荷が蓄積される。このように電荷が蓄積されることによって、キャパシタ２４の電圧は上昇する。
【００２６】
上記回生運転モードが終了して、電気自動車１０において、加速の指示が入力されると、再び燃料電池６０から駆動モータ３２への電力の供給が開始される。このように回生運転モードが終了したときには、回生時に電荷が蓄積されて定常運転モード時における配線５０の電圧以上に昇圧しているキャパシタ２４から、駆動モータ３２に対して直ちに電力が供給される。パワー密度が高いキャパシタ２４を用いることによって、加速時における要求の負荷の増加率が高いときにも、駆動モータ３２への供給電力量の増加の反応性を充分に高く確保することができる。このように、キャパシタ２４が放電することでその残存電荷量が低下し、キャパシタ２４の電圧が低下して、キャパシタ２４は、次の回生運転モード時には再び電荷を蓄積可能な状態に戻る。
【００２７】
Ｄ．間欠運転モードにおける動作：
本実施例の電気自動車１０では、定常運転モードによる電力供給を行なうと、燃料電池システム２２のエネルギ効率が望ましくない程度に低下してしまう場合には、燃料電池６０による発電を停止する制御を行なう。このような、負荷に電力を供給する際に燃料電池６０の発電を停止する運転状態を、以下、間欠運転モードと呼ぶ。
【００２８】
図４は、燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。図４（Ａ）は、燃料電池６０の効率および燃料電池補機が要する動力と、燃料電池６０の出力との関係を示す。燃料電池補機とは、燃料電池６０による発電を行なうために用いる補機類のことである。例えば、既述したブロワ６４や水素ポンプあるいは冷却水ポンプなどがこれに相当する。図４（Ｂ）は、燃料電池６０の出力と、燃料電池システム２２全体の効率との関係を示す。図４（Ａ）に示すように、燃料電池６０の出力が大きくなるほど、燃料電池６０の効率は次第に低下する。また、燃料電池６０の出力が大きくなるほど、補機動力、すなわち補機を駆動するために消費するエネルギが大きくなる。図４（Ａ）に示した燃料電池６０の効率と補機動力に基づいて、燃料電池システム２２全体の効率を求めると、図４（Ｂ）に示すように、システム効率は、燃料電池６０の出力が所定の値のときに最も高くなる。
【００２９】
燃料電池補機の消費電力の大きさは、駆動モータ３２の消費電力の大きさに比べてはるかに小さい。しかしながら、燃料電池６０の出力が小さいときには、発電によって得られる電力量に比べて、発電のために燃料電池補機が消費する電力量の割合が大きくなる。そのため、図４（Ｂ）に示すように、燃料電池６０の出力が小さいときには、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が低くなる。本実施例の電気自動車１０では、燃料電池システム２２全体の効率が悪くなる低負荷時には燃料電池６０を停止するという間欠運転モードを採用することによって、エネルギ効率が低下するのを防止している。
【００３０】
図５は、電気自動車１０が起動されたときに制御部４８で実行される間欠運転判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンが実行されると、制御部４８は、まず、電気自動車１０の運転モードを判断する（ステップＳ１００）。このステップＳ１１０において定常運転モードと判断すると、次に、電圧計５２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cを読み込む（ステップＳ１１０）。そして、この電圧値Ｖ_Cと、予め定めた所定の基準電圧値Ｖ₂とを比較する（ステップＳ１２０）。なお、基準電圧値Ｖ₂とは、上記間欠運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶したものである。
【００３１】
ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂よりも小さいと判断されるときには、燃料電池システム２２全体のエネルギ効率が許容できる程度であると判断され、ステップＳ１１０に戻る。その後、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以上となるまで、ステップＳ１１０およびステップＳ１２０の動作を繰り返す。このとき、電気自動車１０は、定常運転モードを維持する。
【００３２】
ステップＳ１２０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₂以上であると判断されると、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを開状態とする（ステップＳ１３０）。このようにスイッチ２０を開状態とすると、燃料電池６０の負荷に対する接続が切断されるため、燃料電池６０は、発電を停止する。また、このとき、負荷に対しては、キャパシタ２４から電力が供給されるようになり、間欠運転モードが開始される。キャパシタ２４は、既述したようにパワー密度が高く、充放電効率も高いため、スイッチ２０が切断されたときには、速やかに負荷が要求する電力を出力することができる。
【００３３】
間欠運転モードになると、再び、電圧計５２が検出する配線５０の電圧値Ｖ_Cの読み込みを行なう（ステップＳ１４０）。次に、ステップＳ１４０で読み込んだ電圧値Ｖ_Cと、基準電圧値Ｖ₁とを比較する（ステップＳ１５０）。ここで、基準電圧値Ｖ₁とは、間欠運転モードから通常運転モードに切り替えるか否かの判断を行なうための基準として、予め制御部４８内に記憶したものであり、既述した基準電圧値Ｖ₂よりも低い値として設定されている。ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁よりも大きいときには、ステップＳ１４０に戻る。そして、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下になるまで、ステップＳ１４０およびステップＳ１５０の動作を繰り返す。
【００３４】
ステップＳ１５０において、配線５０の電圧値Ｖ_Cが基準電圧値Ｖ₁以下であると判断されると、制御部４８は、スイッチ２０に駆動信号を出力してこれを閉状態とし（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。このようにスイッチ２０を閉状態とすると、燃料電池６０は負荷に対して再び接続され、燃料電池６０は、発電を再開する。これによって、電気自動車１０は、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わる。なお、このような切り替えが行なわれるときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８において、目標電圧が上記基準電圧値Ｖ₁に設定される。そのため、上記切り替え時には、燃料電池６０の出力電圧値はＶ₁となり、その後、負荷要求に応じた電力を出力するように、通常の電圧制御が行なわれる。
【００３５】
なお、図５の間欠運転判断処理ルーチンでは、定常運転モードと間欠運転モードとの間の切り替え動作について示したが、このような制御を行なっているときに制動要求があると（車両ブレーキが踏まれると）、回生運転モードになる。このように回生運転モードとなるときには、通常は駆動モータの出力要求はないため、負荷要求は極めて小さい状態となっている。したがって、回生運転モードは、通常は間欠運転モード（スイッチ２０が開状態となっているとき）において出現する運転状態である。
【００３６】
図６は、定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。ステップＳ１３０においてスイッチ２０を切断し、定常運転モードから間欠運転モードに切り替わるときを、図６に「ＯＦＦ」と記載して示す。また、ステップＳ１６０においてスイッチ２０を接続し、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わるときを、図６に「ＯＮ」と記載して示した。
【００３７】
燃料電池６０とキャパシタ２４とは、配線５０に対して並列に接続されているため、定常運転モードにおいては、両者の電圧は一致する。したがって、定常運転モードでは、電圧計５２が検出する電圧は、これら燃料電池６０およびキャパシタ２４の出力電圧である。これに対して、燃料電池６０の発電が停止する間欠運転モードにおいては、電圧計５２が検出する電圧は、キャパシタ２４の出力電圧となる。図６に示すように、間欠運転モード時には燃料電池６０の出力電圧は、定常運転モード時に比べて高い一定値となるが、この値は、燃料電池６０の開放電圧である。
【００３８】
定常運転モードでは、燃料電池６０およびキャパシタ２４の出力電圧は、負荷要求に従って変動する。すなわち、負荷要求が大きくなると、燃料電池６０からの出力がより大きくなるため、出力電圧は低下する。また、負荷要求が小さくなると、燃料電池６０からの出力がより小さくなるため、出力電圧は上昇する。負荷要求が小さくなって、出力電圧がＶ₁になると、スイッチ２０が開状態となって、定常運転モードから間欠運転モードに切り替わる。間欠運転モードに切り替わると、上記したように、燃料電池６０とキャパシタ２４とで異なる電圧値を示すようになる。
【００３９】
図６において、定常運転モードから間欠運転モードに切り替わった後に、キャパシタ電圧が上昇している状態は、回生運転モードであることを示す。すなわち、このときには、回生された電力によってキャパシタ２４が充電されている。図６に示すように、回生運転時には、定常運転モードに比べてキャパシタ電圧がより高い値にまで上昇する。
【００４０】
制動要求のない通常の間欠運転モードでは、キャパシタ２４から負荷に対して電力供給が行なわれ、このような放電と共に、キャパシタ電圧は低下する。キャパシタ電圧が低下してキャパシタ電圧がＶ₂になると、スイッチ２０が閉状態となって、間欠運転モードから定常運転モードに切り替わる。定常運転モードに切り替わると、燃料電池６０の出力電圧とキャパシタ２４の電圧とは、再び一致するようになる。そして、負荷要求に応じて、出力電圧は変動する。
【００４１】
なお、間欠運転モード時には、上記のようにキャパシタ２４から負荷に対して電力を供給するだけでなく、さらに２次電池２６からも負荷に対して電力を供給することとしても良い。間欠運転モードとすべき低負荷状態が長く続くときや、２次電池２６の残存容量が充分に多いときには、キャパシタ２４に加えて、さらに２次電池２６を用いることとしてもよい。
【００４２】
以上のように構成された実施例によれば、燃料電池とキャパシタとを配線に対して並列に接続した電源装置１５において、配線５０の電圧（キャパシタ電圧）に基づいてスイッチ２０の入り切りを行なう際に、切断時の基準とする電圧を接続時の基準とする電圧よりも高く設定している。したがって、通常運転モードと間欠運転モードとを切り替えてエネルギ効率を向上させる動作を、効果的に実行することができる。
【００４３】
定常運転モードから間欠運転モードに切り替えたときに、キャパシタ２４が放電を始めると、キャパシタ電圧は放電によって直ちに低下する。そのため、スイッチ２０の切断の基準にする電圧と接続の基準にする電圧とを等しく設定したときには、いわゆるハンチングが起こり、定常運転モードと間欠運転モードとを切り替える動作が不安定となるおそれがある。すなわち、キャパシタ電圧が基準電圧を超えて、定常運転モードから間欠運転モードに切り替えても、その後直ちにキャパシタが放電すると、運転モードの切り替え直後にキャパシタ電圧が基準電圧よりも低下して、再び運転モードの切り替えを行なう必要が生じてしまう。
【００４４】
これに対して、本実施例では、スイッチ２０の切断時の基準とする電圧を、接続時の基準とする電圧よりも高く設定しているため、上記ハンチングが生じるのを防止することができる。図７は、キャパシタ電圧と運転モードとの関係を示す説明図である。このように、スイッチ２０の入り切りの基準においてヒステリシスを設けることで、ハンチングを起こすことなく、運転モードの切り替えの動作を安定して行なうことができる。
【００４５】
なお、基準電圧Ｖ₁およびＶ₂は、間欠運転モードへの切り替えを行ないたいときの燃料電池６０の出力電圧や、間欠運転モードにおいて確保したいキャパシタ２４からの出力などに応じて適宜設定すればよい。以下に一例を示す。
【００４６】
例えば、燃料電池システム２２のエネルギ効率がＥ₀よりも低下するときには間欠運転モードを採用したいとすると、図４（Ｂ）より、このときの燃料電池６０の出力Ｐ₀が求められる。また、図３に基づいて、このときの燃料電池６０の出力電流Ｉ₀および出力電圧Ｖ₀が求められる。（１）式に示すように、この電圧Ｖ₀を、基準電圧Ｖ₁とする。
Ｖ₁＝Ｖ₀ …（１）
【００４７】
キャパシタ電圧がＶ₁であるときに、キャパシタ単独でＰ₀の出力をＴ秒間維持したときのキャパシタ電圧Ｖ_Cは、以下に示す（２）式より求めることができる。
（１／２）ＣＶ₁ ²−（１／２）ＣＶ_C ²＝Ｐ₀×Ｔ …（２）
ただし、Ｃは、キャパシタ容量。
【００４８】
（３）式に示すように、このようなキャパシタ電圧Ｖ_Cを、基準電圧Ｖ₂とする。
Ｖ₂＝Ｖ_C …（３）
【００４９】
これによって、定常運転モードから間欠運転モードに切り替えた後、約Ｔ秒間は、キャパシタ２４によって間欠運転時に要する出力を確保することができる。
【００５０】
Ｅ．第２実施例の電気自動車１１０：
上記第１実施例の電気自動車１０は、２次電池２６を備えることとしたが、燃料電池とキャパシタを備えるが２次電池を備えない電源装置においても、本発明を適用することができる。図８は、第２実施例の電気自動車１１０の構成を表わす説明図である。図８において、図１の電気自動車１０と共通する部分には同じ参照番号を付して説明を省略する。
【００５１】
電気自動車１１０は、電源装置１１５を備えている。電源装置１１５は、燃料電池システム２２と、キャパシタ２４とを備え、２次電池は備えない。また、電気自動車１１０は、電源装置１１５から電力供給を受ける負荷として、駆動モータ３２と、高圧補機４０と、低圧補機４６を備える。低圧補機４６とは、例えば、燃料電池６０に燃料ガスや酸化ガスや冷却水を給排する流路に設けた流量調節バルブ等であって、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を介して、配線５０に接続している。このような低圧補機４６は、駆動モータ３２や高圧補機とは異なり駆動電圧が低いため、電源装置１１５から電力を供給する際には、降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４が、電圧を１２Ｖ程度に下げる。負荷が変動して配線５０の電圧が変動するときには、電圧計５２の検出信号に基づいて制御部４８が降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４を駆動して、低圧補機４６に電力供給する際の電圧は略一定に保たれる。なお、低圧補機４６および降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４は、既述した第１実施例の電気自動車１０では、記載を省略した。
【００５２】
また、電源装置１１５においては、キャパシタ２４と配線５０との間の接続を入り切りするスイッチ２３が設けられている。このスイッチ２３は、電源装置１１５の停止時に切断され、電源装置１１５の起動時に接続される。これによって、電源装置１１５が停止している間は、キャパシタ２４に所定の電荷が蓄積された状態が保たれる。そして、電源装置１１５の起動時には、スイッチ２３が接続され、燃料電池６０から所望量の電力が得られるようになるまで、キャパシタ２４から各負荷に対して電力が供給される。スイッチ２３は、電源装置１１５の稼働中は、通常は閉状態となっている。
【００５３】
このような電気自動車１１０においても、間欠運転モード時に、キャパシタ２４の電圧が第１の基準電圧よりも小さいときには定常運転モードに切り替え、定常運転モード時に、キャパシタ２４の電圧が第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上のときには、間欠運転モードに切り替えることで、同様の効果を得ることができる。
【００５４】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５５】
Ｅ１．変形例１：
第１および第２実施例では、配線５０に対する燃料電池６０の接続を入り切りするスイッチ２０は、燃料電池６０の２つの端子のそれぞれに対して設けたが、どちらか一方だけにスイッチを設けることとしても良い。間欠運転モードにおいて、燃料電池６０からの出力を、停止させることができればよい。
【００５６】
Ｅ２．変形例２：
既述した実施例では、燃料電池システム２２は、燃料ガスとして水素ガスを用いることとした。これに対して、燃料ガスとして、改質ガスを用いる構成も可能である。このような場合には、図２に示した燃料電池システム２２において、燃料ガス供給部６１として、水素を貯蔵する装置に代えて、改質ガスを生成する装置を備えることとすればよい。具体的には、改質反応に供する改質燃料および水を貯蔵するタンクや、改質触媒を備える改質器、さらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減するための反応を促進する触媒を備える反応部などを備えることとすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例である電気自動車１０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池システム２２の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】燃料電池６０における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【図４】燃料電池６０の出力の大きさと、エネルギ効率との関係を表わす説明図である。
【図５】間欠運転判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】定常運転モードと間欠運転モードとが交互に切り替わるときの、燃料電池６０の出力電圧およびキャパシタ２４の電圧を示す説明図である。
【図７】キャパシタ電圧と運転モードとの関係を示す説明図である。
【図８】第２実施例の電気自動車１１０の構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…電気自動車
１５，１１５…電源装置
２０，２３…スイッチ
２２…燃料電池システム
２４…キャパシタ
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…高圧補機
４２…ダイオード
４４…降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６…低圧補機
４８…制御部
５０…配線
５２…電圧計
６０…燃料電池
６１…燃料ガス供給部
６２…水素ガス供給路
６３…水素ガス排出路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路

Claims

所定の負荷に電力を供給する電源装置であって、
前記負荷に電力を供給する配線に対して並列に接続された燃料電池およびキャパシタと、
前記燃料電池と前記配線との間の接続を入り切りするスイッチと、
前記キャパシタの電圧を検出する電圧計と、
前記電源装置が、負荷要求に応じた電力を前記負荷に対して供給している際において、前記スイッチが開状態のときに、前記キャパシタの電圧が第１の基準電圧よりも小さいときには、前記スイッチを閉状態とする指示を出力し、前記スイッチが閉状態のときに、前記キャパシタの電圧が、前記第１の基準電圧よりも高い第２の基準電圧以上のときには、前記スイッチを開状態とする指示を出力する制御部と
を備える電源装置。
請求項１記載の電源装置であって、
前記配線に対して、前記燃料電池および前記キャパシタと並列に接続され、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと
前記コンバータを介して前記配線に接続された２次電池と、
をさらに備える電源装置。
所定の負荷に電力を供給する配線に対して並列に接続された燃料電池およびキャパシタを備える電源装置の運転方法であって、
（ａ）前記キャパシタの電圧を検出する工程と、
（ｂ）前記電源装置が、負荷要求に応じた電力を前記負荷に対して供給している際において、前記負荷に対して前記燃料電池および前記キャパシタが接続されているときに、前記（ａ）工程で検出した電圧値が、第１の基準電圧以上となるときには、前記配線に対する前記燃料電池の接続を切断する工程と、
（ｃ）前記電源装置が、負荷要求に応じた電力を前記負荷に対して供給している際において、前記負荷に対する前記燃料電池の接続が切断されているときに、前記電圧値が、前記第１の基準電圧よりも低い第２の基準電圧以下となるときには、前記配線に対して前記燃料電池を接続する工程と
を備える電源装置の運転方法。