JP4764499B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ及びそのｄｃ／ｄｃコンバータを備えた電力供給システム - Google Patents
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Description
本発明は、２入力１出力のＤＣ／ＤＣコンバータと、そのＤＣ／ＤＣコンバータを備えて２つの直流電源から負荷に電力を供給する電力供給システムとに関し、特に、燃料電池及び２次電池から負荷に並列給電する技術に関する。
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。
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、２つの直流電源から負荷に電力を供給する電力供給システムを安定に運転することができ、かつ、電力供給システムを構築する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ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力ポートである第１電圧側ポート及び第２電圧側ポートと、出力ポートである第３電圧側ポートと、入出力共通の基準電圧端子と、複数のスイッチ素子と、コアと該コアに巻き回しされた１次巻線及び２次巻線を有する変圧器とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、前記第１電圧側ポートにアノードが接統された逆流防止用ダイオードと、前記第２電圧側ポートに一端が接統された電流遮断用スイッチ素子と、前記電流遮断用スイッチ素子の他端に一端が接続された第１のスイッチ素子と、前記逆流防止用ダイオードのカソードに一端が接続された第２のスイッチ素子と、前記第１のスイッチ素子の他端に一端が接続された前記１次巻線と、前記第２のスイッチ素子の他端に一端が接続された前記２次巻線と、前記第１のスイッチ素子の他端にカソードが接続され、アノードが前記基準電圧端子に接続された第１のダイオードと、前記第２のスイッチ素子の他端にカソードが接続され、アノードが前記基準電圧端子に接続された第２のダイオードと、前記１次巻線の他端にアノードが接続され、カソードが前記第３電圧側ポートに接続された第３のダイオードと、前記２次巻線の他端にアノードが接続され、カソードが前記第３電圧側ポートに接続された第４のダイオードと、前記１次巻線の他端に一端が接続され、他端が前記基準電圧端子に接続された第３のスイッチ素子と、前記２次巻線の他端に一端が接続され、他端が前記基準電圧端子に接続された第４のスイッチ素子と、を備えたことを特徴とする。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、変圧器を間に挟んで、入力ポート側に第１のスイッチ素子及び第２のスイッチ素子を第1スイッチング部として備えると共に、出力ポート側に第３のスイッチ素子及び第４のスイッチ素子を第２スイッチング部として備える。したがって、第１及び第２のスイッチ素子のオン・オフ動作と、第３及び第４のスイッチ素子のオン・オフ動作と、を異なるタイミングで実行することで、第２電圧側ポートの電圧を降圧して第３電圧側ポートに出力する動作と、第１電圧側ポートの電圧を昇圧して第３電圧側ポートに出力する動作とを独立に実行することができる。そのため、第１及び第２電圧側ポートにそれぞれ接続された２つの直流電源の一方の電源電圧を昇圧する動作と、他方の電源電圧を降圧する動作とを切り替えて行うことができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオン・オフ制御信号を与え、前記電流遮断用スイッチ素子のオン・オフ動作を制御して、前記第２電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの電流の通電・遮断を切り替えることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電流遮断用スイッチ素子をオンしたときに第２電圧側ポートから第３電圧側ポートヘ電流を流し、電流遮断用スイッチ素子をオフしたときにこの電流を遮断する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、逆流防止用ダイオードを備えているので、電流遮断用スイッチ素子をオンしたときに流れる電流は、第１電圧側ポートへ逆流することを防止できる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオフ制御信号を与え、前記電流遮断用スイッチ素子をオフにした状態で、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンにし、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの昇圧動作を行うことが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第３のスイッチ素子がオン状態、かつ、第４のスイッチ素子がオフ状態であるときに、変圧器の１次巻線に励磁電流が流れることで発生する誘導起電力により第１電圧を昇圧し、第３電圧側ポートヘ出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第３のスイッチ素子がオフ状態、かつ、第４のスイッチ素子がオン状態であるときに、変圧器の２次巻線に励磁電流が流れることで発生する誘導起電力により第１電圧を昇圧し、第３電圧側ポートヘ出力する。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオン制御信号を与え、前記電流遮断用スイッチ素子をオンにした状態で、前記第３のスイッチ素子及び前記第４のスイッチ素子をオフにし、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの降圧動作を行うことが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチ素子がオン状態、かつ、第２のスイッチ素子がオフ状態であるときに、変圧器の１次巻線に励磁電流が流れることで発生する誘導起電力により第２電圧を降圧し、第３電圧側ポートヘ出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１のスイッチ素子がオフ状態、かつ、第２のスイッチ素子がオン状態であるときに、変圧器の２次巻線に励磁電流が流れることで発生する誘導起電力により第２電圧を降圧し、第３電圧側ポートヘ出力する。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記変圧器が磁気相殺型変圧器であって、前記１次巻線と前記２次巻線とが、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、前記コアが、前記１次巻線及び２次巻線が巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、前記磁脚部が、前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、この磁気相殺型変圧器を用いることで、磁気部品を小型・軽量化することができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記変圧器が磁気相殺型変圧器であるものとした構成において、前記第１のスイッチ素子と前記１次巻線との間に設けられた第１のインダクタと、前記第２のスイッチ素子と前記２次巻線との間に設けられた第２のインダクタと、をさらに有することが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１及び第２のインダクタに磁気エネルギを貯めることができるので、スイッチがオフ状態のときにも１次巻線または２次巻線に電流を流すことができ、昇圧率や降圧率を調整することができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記変圧器が磁気相殺型変圧器であって、前記１次巻線と前記２次巻線とが、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、前記コアが、前記１次巻線及び２次巻線が交互に積み重なるよう巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、前記磁脚部が、前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、コアに１次巻線及び２次巻線が交互に積み重なるよう巻き回しされた磁気相殺型変圧器を用いることで、磁気部品を小型・軽量化することができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記変圧器が、インダクタとトランスの複合型の磁気相殺型変圧器であって、前記１次巻線と前記２次巻線とは、トランス用コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、前記トランス用コアが、前記１次巻線及び２次巻線が巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、前記磁脚部が、前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備え、前記１次巻線が前記トランス用コアの外側へ延設され、当該１次巻線の延設部をインダクタ用第１コアに巻回し、前記２次巻線が前記トランス用コアの外側へ延設され、当該２次巻線の延設部をインダクタ用第２コアに巻回することが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、この磁気相殺型変圧器を用いることで、変圧器内の２つのインダクタと１つのトランスとにより、１次巻線及び２次巻線を共用するので、磁気部品を小型・軽量化することができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記電流遮断用スイッチ素子が、フライホイールダイオード付ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電流遮断用スイッチ素子を大電流・高耐圧特性を有するスイッチ素子とすることができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第１〜第４のスイッチ素子が、フライホイールダイオード付ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１〜第４のスイッチ素子を大電流・高耐圧特性を有するスイッチ素子とすることができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記電流遮断用スイッチ素子が、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電流遮断用スイッチ素子を高速・高周波特性を有するスイッチ素子とすることができる。
また、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第１〜第４のスイッチ素子が、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であることが好ましい。
かかる構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１〜第４のスイッチ素子を高速・高周波特性を有するスイッチ素子とすることができる。
また、本発明に係る電力供給システムは、直流電源としての燃料電池から出力する第１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電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して第４電圧の電圧値に変換する第１の電力変換器と、前記したＤＣ／ＤＣコンバータから成る第２の電力変換器と、を備え、前記第２の電力変換器は、前記第１電圧側ポートに前記燃料電池が接続され、前記第２電圧側ポートに前記２次電池が接続され、前記第３電圧側ポートに前記補機系統の第２の給電経路が接続され、前記燃料電池の第１電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して前記第３電圧と同じ電圧値に変換する動作と、前記２次電池の第２電圧の電圧値を１倍以下に降圧して前記第３電圧と同じ電圧値に変換する動作とを異なるタイミングで実行す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２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２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電圧の最大値が、前記２次電池の第２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電圧を、２次電池の第２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電圧の最小値が、前記燃料電池の第１電圧の最大値及び前記補機系統を駆動させる第３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２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電圧の値は、前記燃料電池の第１電圧の最大値以上であり、かつ、前記２次電池の第２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、安定して電力を供給することができるシステム要素を増加させることができる。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、安定して電力を供給することができるシステム要素を増加させることができ、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、前記第２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオンすることによって、前記２次電池の第２電圧を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２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電圧を降圧して前記燃料電池用補機へ供給する前記第２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオフに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２の電力変換器の降圧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２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオンすることによって、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、ＤＣ／ＤＣコンバータは、一方の入力電圧の昇圧と、他方の入力電圧の降圧とを異なるタイミングで実行するので、２つの入力電圧が互いに異なる電圧範囲であっても、昇圧率と降圧率とを調整することで、いずれの入力電圧に対しても一定の電圧値の電圧を安定に出力することができる。したがって、２つの直流電源である燃料電池及び２次電池から負荷に電力を供給する電力供給システムに対してこのＤＣ／ＤＣコンバータを適用することで、この電力供給システムを安定に運転することができる。
また、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、電力供給システムを構築するコストを低減することができる。さらに、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ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びそれを備えた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。
以下では、１．電力供給システムの構成、２．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成、３．ＤＣ／ＤＣコンバータの動作、４．電力供給システムの動作、５．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例、６．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成、７．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例について、順次説明することとする。
以下では、１．電力供給システムの構成、２．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成、３．ＤＣ／ＤＣコンバータの動作、４．電力供給システムの動作、５．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例、６．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成、７．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例について、順次説明することとする。
［１．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。
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。
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。
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。
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、１倍以上に倍率可変できる単方向昇圧器から構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ（第１の電力変換器）１１と、本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２（第２の電力変換器）とを備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、１倍以上に倍率可変できる単方向昇圧動作と、１倍以下に倍率可変できる単方向降圧動作とを異なるタイミングで実行するものである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、１倍以上に倍率可変できる単方向昇圧動作と、１倍以下に倍率可変できる単方向降圧動作とを異なるタイミングで実行するものである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１の低電圧側は、第１のバス１６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２２によりインバータ１３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１７により接続点２０を介して第１の給電経路２２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１６及び第２のバス１７により、第１の給電経路２２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の入力ポートである第１電圧側ポートＩＮ１は、接続点１９を介して第１のバス１６に接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２のもう１つの入力ポートである第２電圧側ポートＩＮ２は、接続点２１を介して第２のバス１７に接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ポートである第３電圧側ポートＯＵＴは、第２の給電経路２３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１６、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び第２の給電経路２３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１７、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び第２の給電経路２３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２３は、第３のバス１８に接続されている。第３のバス１８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。
電力供給システム１のシステム要素は、制御装置２４により制御可能になっている。つまり、この制御装置２４は、例えば、電圧調整器１０の各ＤＣ／ＤＣコンバータ１１，１２への動作制御信号、インバータ１３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。制御装置２４は、例えば、ＥＣＵ（electronic control unit）により構成されている。この制御装置２４については、後記する電力供給システム１の動作と共に説明する。
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、制御装置２４と接続しており、この制御装置２４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、制御装置２４と接続しており、この制御装置２４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、制御装置２４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。
＜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電圧という。２次電池４の出力電圧を第２電圧という。補機系統５の駆動電圧を第３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電圧という。補機系統５の降圧器７が、第３電圧を降圧した低電圧を第５電圧という。
以下では、燃料電池３の出力電圧を第１電圧という。２次電池４の出力電圧を第２電圧という。補機系統５の駆動電圧を第３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電圧という。補機系統５の降圧器７が、第３電圧を降圧した低電圧を第５電圧という。
第１電圧、第２電圧及び第３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の第３電圧の値Ｖ3が、燃料電池３の第１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を駆動する第３電圧の値Ｖ3は、２次電池４の第２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電圧の電圧値を例示する。
燃料電池３の第１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。
燃料電池３の第１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。
［２．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成］
本発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、図２に示すように、第１電圧側ポートＩＮ１、第２電圧側ポートＩＮ２、及び、第３電圧側ポートＯＵＴに加えて、入出力共通の基準電圧端子Ｅ１，Ｅ２を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、これら各ポートや端子間に、複数のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５と、複数のダイオードＤ１〜Ｄ５と、複数の平滑コンデンサＣ０〜Ｃ２と、複数のインダクタＬ１１，Ｌ１２と、変圧器Ｔとを備えている。
本発明の第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、図２に示すように、第１電圧側ポートＩＮ１、第２電圧側ポートＩＮ２、及び、第３電圧側ポートＯＵＴに加えて、入出力共通の基準電圧端子Ｅ１，Ｅ２を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、これら各ポートや端子間に、複数のスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５と、複数のダイオードＤ１〜Ｄ５と、複数の平滑コンデンサＣ０〜Ｃ２と、複数のインダクタＬ１１，Ｌ１２と、変圧器Ｔとを備えている。
変圧器Ｔは、コアと、コアに巻き回しされた１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２を有する磁気相殺型変圧器である。磁気相殺型変圧器は、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２とがコアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続されている。これにより、２つのリアクトル間の磁気相殺を図ることで、各リアクトルの磁気飽和の可能性を低減させ、結果としてコア及びコイル部全体の小型化、軽量化を実現したものである。なお、変圧器Ｔの構造の具体例は後記する。
平滑コンデンサＣ０は、基準電圧端子Ｅ１と第１電圧側ポートＩＮ１との間に接続され、平滑コンデンサＣ２は、基準電圧端子Ｅ２と第３電圧側ポートＯＵＴとの間に接続されている。平滑コンデンサＣ１は、基準電圧端子Ｅ１と電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５の一端との間に接続されている。
電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５は、一端が第２電圧側ポートＩＮ２に接統され、他端が第１のスイッチ素子ＳＷ１の一端に接続されている。第１のスイッチ素子ＳＷ１の他端は、１次巻線Ｌ１の一端に接続されている。なお、本実施形態では、第１のスイッチ素子ＳＷ１の他端は、インダクタＬ１１を介して、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１の一端に接続されている。
逆流防止用ダイオードＤ１は、アノードが第１電圧側ポートＩＮ１に接統され、カソードが第２のスイッチ素子ＳＷ２の一端に接続されている。第２のスイッチ素子ＳＷ２の他端は、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の一端に接続されている。なお、本実施形態では、第２のスイッチ素子ＳＷ２の他端は、インダクタＬ１２を介して、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の一端に接続されている。
第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は、第１スイッチング部２５を形成している。第１のスイッチ素子ＳＷ１の一端は、第２のスイッチ素子ＳＷ２の一端と接続されている。第１のスイッチ素子ＳＷ１の他端は、第１のダイオードＤ２のカソードが接続されている。第１のダイオードＤ２のアノードは、基準電圧端子Ｅ１に接続されている。第２のスイッチ素子ＳＷ２の他端は、第２のダイオードＤ３のカソードが接続されている。第２のダイオードＤ３のアノードは、基準電圧端子Ｅ１に接続されている。
第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は、第２スイッチング部２６を形成している。第３のスイッチ素子ＳＷ３の一端は、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１の他端に接続され、第３のスイッチ素子ＳＷ３の他端は、基準電圧端子Ｅ２に接続されている。
第４のスイッチ素子ＳＷ４の一端は、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の他端に接続され、第４のスイッチ素子ＳＷ４の他端は、基準電圧端子Ｅ２に接続されている。
第３のダイオードＤ４のアノードは、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１の他端に接続され、第３のダイオードＤ４のカソードは、第３電圧側ポートＯＵＴに接続されている。
第４のダイオードＤ５のアノードは、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の他端に接続され、第４のダイオードＤ５のカソードは、第３電圧側ポートＯＵＴに接続されている。
第４のスイッチ素子ＳＷ４の一端は、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の他端に接続され、第４のスイッチ素子ＳＷ４の他端は、基準電圧端子Ｅ２に接続されている。
第３のダイオードＤ４のアノードは、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１の他端に接続され、第３のダイオードＤ４のカソードは、第３電圧側ポートＯＵＴに接続されている。
第４のダイオードＤ５のアノードは、変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２の他端に接続され、第４のダイオードＤ５のカソードは、第３電圧側ポートＯＵＴに接続されている。
スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５のそれぞれには、例えば大電流及び高耐圧が可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５はコレクタ、エミッタ、ベースの端子を有する。また各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５のコレクタ・エミッタ間にはエミッタからコレクタに向かって順方向のダイオードが並列に設けられている。つまり、スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ５は、フライホイールダイオード付ＩＧＢＴである。なお、高速・高周波対応が必要とされる場合等には、必要に応じて、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を使用してもよい。さらに、スイッチ素子として高耐圧・耐環境特性を有するＳｉＣトランジスタやＧａＮトランジスタ等を使用してもよい。
［３．ＤＣ／ＤＣコンバータの動作］
ここでは、第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作を、３−１．入力ポート切替動作、３−２．昇圧時のスイッチング動作、３−３．降圧時のスイッチング動作に分けて、図３〜図７を参照（適宜図１及び図２参照）して説明する。
ここでは、第１の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作を、３−１．入力ポート切替動作、３−２．昇圧時のスイッチング動作、３−３．降圧時のスイッチング動作に分けて、図３〜図７を参照（適宜図１及び図２参照）して説明する。
＜３−１．入力ポート切替動作＞
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、２入力１出力型の電力変換器であり、第１電圧側ポートＩＮ１の電圧を昇圧する動作と、第２電圧側ポートＩＮ２の電圧を降圧する動作とを異なるタイミングで実行する。このために、制御装置２４（図１参照）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５にオン・オフ制御信号を与える。この電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５へのオフ制御信号は、第１電圧側ポートＩＮ１の電圧を昇圧する動作を行うために電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオフ状態に保持し続けておく信号であり、昇圧動作時に用いられる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、２入力１出力型の電力変換器であり、第１電圧側ポートＩＮ１の電圧を昇圧する動作と、第２電圧側ポートＩＮ２の電圧を降圧する動作とを異なるタイミングで実行する。このために、制御装置２４（図１参照）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５にオン・オフ制御信号を与える。この電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５へのオフ制御信号は、第１電圧側ポートＩＮ１の電圧を昇圧する動作を行うために電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオフ状態に保持し続けておく信号であり、昇圧動作時に用いられる。
また、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５へのオン制御信号は、第２電圧側ポートＩＮ２の電圧を降圧する動作を行うために電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオン状態に保持し続けておく信号であり、主として降圧動作時に用いられる。ここで、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオン状態に保持し続けておく信号は、第３電圧側ポートＯＵＴからの電流を第２電圧側ポートＩＮ２に回生する場合（回生時）にも用いられる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、逆流防止用ダイオードＤ１を備えているので、回生電流が第１電圧側ポートＩＮ１へ逆流することを防止できる。
主として入力ポート切替動作を行うため、制御装置２４は、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５のオン・オフ動作を制御して、第２電圧側ポートＩＮ２から第３電圧側ポートＯＵＴヘの電流の通電・遮断を切り替える。具体的には、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオンしたときに第２電圧側ポートＩＮ２から第３電圧側ポートＯＵＴに電流を流す。また、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオフしたときにこの電流を遮断する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、逆流防止用ダイオードＤ１を備えているので、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５をオンしたときに流れる電流は、第１電圧側ポートＩＮ１へ逆流することを防止できる。以下、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５がオフ状態のときのスイッチング動作と、オン状態のときのスイッチング動作について順次説明する。
＜３−２．昇圧時のスイッチング動作＞
ここでは、昇圧時のスイッチング動作に用いるゲート信号のタイミングチャートに合わせて時刻別にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作について詳述する。
≪３−２−１．昇圧時のゲート信号≫
昇圧時には、制御装置２４（図１参照）は、第２スイッチング部２６（図２参照）の第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４にオン・オフ制御信号を与える。この第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４へのオン・オフ制御信号とは、第３のスイッチ素子ＳＷ３をオン状態にさせるときに、反対に第４のスイッチ素子ＳＷ４をオフ状態にさせる制御信号である。また、第４のスイッチ素子ＳＷ４をオン状態にさせるときに、反対に第３のスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態にさせる制御信号である。つまり、第３のスイッチ素子ＳＷ３と第４のスイッチ素子ＳＷ４の動作を反転させる制御信号である。
ここでは、昇圧時のスイッチング動作に用いるゲート信号のタイミングチャートに合わせて時刻別にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作について詳述する。
≪３−２−１．昇圧時のゲート信号≫
昇圧時には、制御装置２４（図１参照）は、第２スイッチング部２６（図２参照）の第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４にオン・オフ制御信号を与える。この第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４へのオン・オフ制御信号とは、第３のスイッチ素子ＳＷ３をオン状態にさせるときに、反対に第４のスイッチ素子ＳＷ４をオフ状態にさせる制御信号である。また、第４のスイッチ素子ＳＷ４をオン状態にさせるときに、反対に第３のスイッチ素子ＳＷ３をオフ状態にさせる制御信号である。つまり、第３のスイッチ素子ＳＷ３と第４のスイッチ素子ＳＷ４の動作を反転させる制御信号である。
本実施形態では、制御装置２４（図１参照）は、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４に対して、一例として、図３（ａ）に示す波形のゲート信号を所定のタイミングで出力することとした。第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４へのゲート信号は同じ周期及び同じデューティのパルス波形の信号であり、かつ、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４が同時にオンにならないように位相はずらして設定されている。例えば、第３のスイッチ素子ＳＷ３の周期は、時刻ｔ1〜ｔ5までの時間であり、第４のスイッチ素子ＳＷ４の周期である時刻ｔ3〜ｔ７までの時間と同じである。また、この例では、ゲート信号がＯＮである期間を示すデューティを、いずれも周期の２５％の時間とした。
これらのゲート信号によって第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は交互にオン・オフ動作を繰り返す。第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４のオン動作時間を決めるデューティは、同時のオン状態を避けるため、５０％以下で任意に変化させることが可能である。これにより、第３電圧側ポートＯＵＴに出力される電圧Ｖ3は、第１電圧側ポートＩＮ１に入力する電圧Ｖ1の１〜２倍の範囲で昇圧される。図３（ａ）に示す波形のゲート信号に対応した全スイッチの動作状態は表１の通りである。表１では、時刻ｔ3〜ｔ4、時刻ｔ4〜ｔ5、時刻ｔ5〜ｔ6、時刻ｔ6〜ｔ7の４つの区間を例示した。
すなわち、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５は常時オフの状態であり、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オンの状態であり、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は、動作を反転させて交互にオン・オフ動作を繰り返す。以下、表１に示した４つの区間に応じた動作を説明する。
≪３−２−２．時刻ｔ3〜ｔ4までの期間の動作≫
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ3〜ｔ4までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３が「オフ」の状態、第４のスイッチ素子ＳＷ４は「オン」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態であることから、図４（ａ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に励磁電流が流れる。このとき変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき１次巻線Ｌ１に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ3〜ｔ4までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３が「オフ」の状態、第４のスイッチ素子ＳＷ４は「オン」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態であることから、図４（ａ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に励磁電流が流れる。このとき変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき１次巻線Ｌ１に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。
また、この励起電流は、図４（ａ）に破線の矢印で示すように、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。この励起電流によって平滑コンデンサＣ２は充電され、その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには励起電流に基づき直流電圧Ｖ3が出力される。また、直流電圧Ｖ3は、インダクタＬ１１に基づく誘導起電力と、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２による誘導起電力との和の分だけ、入力電圧Ｖ1よりも大きくなる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、設定されたデューティにより、入力電圧Ｖ1を１〜２倍の範囲で所望の値に昇圧することができる。
≪３−２−３．時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作≫
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３も第４のスイッチ素子ＳＷ４も共に「オフ」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態である。この場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図４（ｂ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電流が流れ、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。
同様に、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図４（ｂ）に破線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れ、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３も第４のスイッチ素子ＳＷ４も共に「オフ」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態である。この場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図４（ｂ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電流が流れ、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。
同様に、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図４（ｂ）に破線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れ、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
≪３−２−４．時刻ｔ5〜ｔ6までの期間の動作≫
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ5〜ｔ6までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３が「オン」の状態、第４のスイッチ素子ＳＷ４は「オフ」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態であることから、図５（ａ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れる。このとき変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき２次巻線Ｌ２に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。また、この励起電流は、図５（ａ）に破線の矢印で示すように、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ5〜ｔ6までの期間では、第３のスイッチ素子ＳＷ３が「オン」の状態、第４のスイッチ素子ＳＷ４は「オフ」の状態である。そして、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は常時オン状態であることから、図５（ａ）に実線の矢印で示すように、第１電圧側ポートＩＮ１から、逆流防止用ダイオードＤ１及び第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れる。このとき変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき２次巻線Ｌ２に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。また、この励起電流は、図５（ａ）に破線の矢印で示すように、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
≪３−２−５．時刻ｔ6〜ｔ7までの期間の動作≫
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ6〜ｔ7までの期間では、各スイッチの状態は、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間と同じである。したがって、時刻ｔ6〜ｔ7までの期間の動作は、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作と同様なので説明を省略する。なお、図５（ｂ）では、矢印の線種を直前の期間に合わせて表示した。
図３（ａ）及び表１に示すように、時刻ｔ6〜ｔ7までの期間では、各スイッチの状態は、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間と同じである。したがって、時刻ｔ6〜ｔ7までの期間の動作は、図５（ｂ）に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作と同様なので説明を省略する。なお、図５（ｂ）では、矢印の線種を直前の期間に合わせて表示した。
＜３−３．降圧時のスイッチング動作＞
ここでは、降圧時のスイッチング動作に用いるゲート信号のタイミングチャートに合わせて時刻別にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作について詳述する。
≪３−３−１．降圧時のゲート信号≫
降圧時には、制御装置２４（図１参照）は、第１スイッチング部２５（図２参照）の第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２にオン・オフ制御信号を与える。この第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２へのオン・オフ制御信号とは、第１のスイッチ素子ＳＷ１をオン状態にさせるときに第２のスイッチ素子ＳＷ２を反対にオフ状態にさせる制御信号である。また、第２のスイッチ素子ＳＷ２をオン状態にさせるときに第１のスイッチ素子ＳＷ１を反対にオフ状態にさせる制御信号である。つまり、このオン・オフ制御信号は、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２の動作を反転させる制御信号である。
ここでは、降圧時のスイッチング動作に用いるゲート信号のタイミングチャートに合わせて時刻別にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作について詳述する。
≪３−３−１．降圧時のゲート信号≫
降圧時には、制御装置２４（図１参照）は、第１スイッチング部２５（図２参照）の第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２にオン・オフ制御信号を与える。この第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２へのオン・オフ制御信号とは、第１のスイッチ素子ＳＷ１をオン状態にさせるときに第２のスイッチ素子ＳＷ２を反対にオフ状態にさせる制御信号である。また、第２のスイッチ素子ＳＷ２をオン状態にさせるときに第１のスイッチ素子ＳＷ１を反対にオフ状態にさせる制御信号である。つまり、このオン・オフ制御信号は、第１のスイッチ素子ＳＷ１と第２のスイッチ素子ＳＷ２の動作を反転させる制御信号である。
本実施形態では、制御装置２４（図１参照）は、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２に対して、一例として、図３（ｂ）に示す波形のゲート信号を所定のタイミングで出力することとした。第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２へのゲート信号は同じ周期及び同じデューティのパルス波形の信号であり、かつ、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２が同時にオンにならないように位相はずらして設定されている。例えば、第１のスイッチ素子ＳＷ１の周期は、時刻ｔ1〜ｔ5までの時間であり、第２のスイッチ素子ＳＷ２の周期である時刻ｔ3〜ｔ７までの時間と同じである。また、この例では、ゲート信号がＯＮである期間を示すデューティを、いずれも周期の２５％の時間とした。
これらのゲート信号によって第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は交互にオン・オフ動作を繰り返す。第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２のオン動作時間を決めるデューティは、同時のオン状態を避けるため、５０％以下で任意に変化させることが可能である。これにより、第３電圧側ポートＯＵＴに出力される電圧Ｖ3は、第２電圧側ポートＩＮ２に入力する電圧Ｖ1の０．５〜１倍の範囲で降圧される。図３（ｂ）に示す波形のゲート信号に対応した全スイッチの動作状態は表２の通りである。表２では、時刻ｔ1〜ｔ2、時刻ｔ2〜ｔ3、時刻ｔ3〜ｔ4、時刻ｔ4〜ｔ5の４つの区間を例示した。
すなわち、電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５は常時オンの状態であり、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２は、動作を反転させて交互にオン・オフ動作を繰り返し、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフの状態である。
≪３−３−２．時刻ｔ1〜ｔ2までの期間の動作≫
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ1〜ｔ2までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１が「オン」の状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２は「オフ」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態であることから、図６（ａ）に実線の矢印で示すように、第２電圧側ポートＩＮ２から第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に流れる電流（励磁電流）は、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。このとき変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき２次巻線Ｌ２に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ1〜ｔ2までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１が「オン」の状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２は「オフ」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態であることから、図６（ａ）に実線の矢印で示すように、第２電圧側ポートＩＮ２から第１のスイッチ素子ＳＷ１を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に流れる電流（励磁電流）は、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。このとき変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき２次巻線Ｌ２に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。
また、この励起電流は、図６（ａ）に破線の矢印で示すように、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。この励起電流によって平滑コンデンサＣ２は充電され、その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには励起電流に基づき直流電圧Ｖ3が出力される。また、直流電圧Ｖ3は、インダクタＬ１２に基づく誘導起電力と、変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２による誘導起電力との和の分だけ、入力電圧Ｖ2よりも小さくなる。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、設定されたデューティにより、入力電圧Ｖ2を０．５〜１倍の範囲で所望の値に降圧することができる。
≪３−３−３．時刻ｔ2〜ｔ3までの期間の動作≫
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１も第２のスイッチ素子ＳＷ２も共に「オフ」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態である。この場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図６（ｂ）に実線の矢印で示すように、基準電圧端子Ｅ１から第１のダイオードＤ２を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れ、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。同様に、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図６（ｂ）に破線の矢印で示すように、基準電圧端子Ｅ２から第２のダイオードＤ３を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電流が流れ、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１も第２のスイッチ素子ＳＷ２も共に「オフ」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態である。この場合、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図６（ｂ）に実線の矢印で示すように、基準電圧端子Ｅ１から第１のダイオードＤ２を経由して、インダクタＬ１１及び変圧器Ｔの１次巻線Ｌ１に電流が流れ、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。同様に、インダクタＬ１１，Ｌ１２に蓄積された磁気エネルギにより、図６（ｂ）に破線の矢印で示すように、基準電圧端子Ｅ２から第２のダイオードＤ３を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電流が流れ、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
≪３−３−４．時刻ｔ3〜ｔ4までの期間の動作≫
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ3〜ｔ4までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１が「オフ」の状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２は「オン」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態であることから、図７（ａ）に実線の矢印で示すように、第２電圧側ポートＩＮ２から第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に流れる電流（励磁電流）は、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。このとき変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき１次巻線Ｌ１に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。また、この励起電流は、図７（ａ）に破線の矢印で示すように、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ3〜ｔ4までの期間では、第１のスイッチ素子ＳＷ１が「オフ」の状態、第２のスイッチ素子ＳＷ２は「オン」の状態である。そして、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４は常時オフ状態であることから、図７（ａ）に実線の矢印で示すように、第２電圧側ポートＩＮ２から第２のスイッチ素子ＳＷ２を経由して、インダクタＬ１２及び変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に流れる電流（励磁電流）は、第４のダイオードＤ５を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。このとき変圧器Ｔの２次巻線Ｌ２に電圧が発生し、相互誘導作用に基づき１次巻線Ｌ１に励起電流が流れる。このときインダクタＬ１１及びＬ１２には、磁気エネルギが蓄積される。また、この励起電流は、図７（ａ）に破線の矢印で示すように、第３のダイオードＤ４を介して第３電圧側ポートＯＵＴに流れる。その結果、第３電圧側ポートＯＵＴには直流電圧Ｖ3が出力される。
≪３−３−５．時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作≫
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間では、各スイッチの状態は、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間と同じである。したがって、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作は、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間の動作と同様なので説明を省略する。なお、図７（ｂ）では、矢印の線種を直前の期間に合わせて表示した。
図３（ｂ）及び表２に示すように、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間では、各スイッチの状態は、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間と同じである。したがって、時刻ｔ4〜ｔ5までの期間の動作は、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ2〜ｔ3までの期間の動作と同様なので説明を省略する。なお、図７（ｂ）では、矢印の線種を直前の期間に合わせて表示した。
［４．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、４−１．燃料電池の起動時、４−２．燃料電池の起動直後、４−３．燃料電池車両の通常走行時、４−４．燃料電池車両の加速走行時及び最大出力走行時、４−５．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８〜図１２を参照（適宜図１〜図７参照）して説明する。
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、４−１．燃料電池の起動時、４−２．燃料電池の起動直後、４−３．燃料電池車両の通常走行時、４−４．燃料電池車両の加速走行時及び最大出力走行時、４−５．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８〜図１２を参照（適宜図１〜図７参照）して説明する。
以下では、燃料電池３の第１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電圧のことを「負荷給電ＦＣ電圧」、２次電池４の第２電圧のことを「バッテリ電圧」、補機系統５の第３電圧のことを「補機系統電圧」とそれぞれ呼称する。
＜４−１．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８に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２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。
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８に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２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。
そのために、制御装置２４（図１参照）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオンさせ続ける制御信号と、第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２（図２参照）をオン・オフ動作させるためのゲート信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１２に出力する。このとき、制御装置２４からの制御信号に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、降圧動作をする。そして、具体的には、「２次電池４→第２のバス１７→接続点２１→ＤＣ／ＤＣコンバータ１２→第２の給電経路２３→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１１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。
＜４−２．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によって、燃料電池３の出力電圧等を検知し、続いて、制御装置２４（図１参照）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１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオフする制御信号を出力する。なお、このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２（図２参照）をオン・オフ動作させるためのゲート信号も停止する。これにより、２次電池４からエアポンプ６への電力供給が停止する。
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によって、燃料電池３の出力電圧等を検知し、続いて、制御装置２４（図１参照）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１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオフする制御信号を出力する。なお、このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の第１のスイッチ素子ＳＷ１及び第２のスイッチ素子ＳＷ２（図２参照）をオン・オフ動作させるためのゲート信号も停止する。これにより、２次電池４からエアポンプ６への電力供給が停止する。
続いて、図９に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が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。そのために、制御装置２４（図１参照）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオフさせ続ける制御信号と、第３のスイッチ素子ＳＷ３及び第４のスイッチ素子ＳＷ４（図２参照）をオン・オフ動作させるためのゲート信号をＤＣ／ＤＣコンバータ１２に出力する。このとき、制御装置２４からの制御信号に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、昇圧動作をする。そして、具体的には、「燃料電池３→第１のバス１６→接続点１９→ＤＣ／ＤＣコンバータ１２→第２の給電経路２３→補機系統５」の経路で電流が流れる。なお、この図９に示す状態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は停止している。
そして、制御装置２４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、制御装置２４（図１参照）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の起動時（燃料電池３の発電量が不充分であるとき）や燃料電池３の起動後の間もないときに（起動時等に）、走行する必要がある場合には、並行して、２次電池４からモータ２に電力供給する。具体的には、図１１（ａ）に示すように「２次電池４→第２のバス１７→接続点２０→第１の給電経路２２→インバータ１３→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、あるいは、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。ここで、起動時等に走行する必要がある場合とは、起動時等に運転者（利用者）の出力要求がある場合のことである。なお、アクセルが踏まれたときに制御装置２４により運転者の出力要求があると判定される。
＜４−３．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９に示す状態から、図１０に示す状態に移行させる。まず、図９に示す状態において、制御装置２４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１３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１６→ＤＣ／ＤＣコンバータ１１→第１の給電経路２２→インバータ１３→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。
燃料電池３の起動後、通常走行時には、図９に示す状態から、図１０に示す状態に移行させる。まず、図９に示す状態において、制御装置２４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１３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１６→ＤＣ／ＤＣコンバータ１１→第１の給電経路２２→インバータ１３→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、制御装置２４（図１参照）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。
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１０（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１６→ＤＣ／ＤＣコンバータ１１→接続点２０→第２のバス１７→２次電池４」の経路で電流が流れる。
＜４−４．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１０（ａ）に示す状態から、図１１（ｂ）に示す状態に移行させる。まず、図１１（ａ）に示す状態において、制御装置２４（図１参照）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１１（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。
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１０（ａ）に示す状態から、図１１（ｂ）に示す状態に移行させる。まず、図１１（ａ）に示す状態において、制御装置２４（図１参照）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１１（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。
＜４−５．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。そして、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、制御装置２４（図１参照）によって、インバータ１３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１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオンさせる制御信号を出力する。これにより、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１２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。
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。そして、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、制御装置２４（図１参照）によって、インバータ１３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１２の電流遮断用スイッチ素子ＳＷ５（図２参照）をオンさせる制御信号を出力する。これにより、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１２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。
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。
そして、回生時において、制御装置２４（図１参照）の前記した出力信号により、具体的には、図１２に示すように、「モータ２→インバータ１３→第１の給電経路２２→接続点２０→接続点２１→ＤＣ／ＤＣコンバータ１２→第２の給電経路２３→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、制御装置２４によって、エアポンプ６を効率の悪い動作領域で動作させるなど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。
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、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へ回生することもできる。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、制御装置２４によって、インバータ１３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、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１３→第１の給電経路２２→接続点２０→第２のバス１７→２次電池４」の経路で電流が流れる。
［５．第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例］
ここでは、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の変圧器Ｔの構成例を、５−１．変圧器の第１の具体例、５−２．変圧器の第２の具体例に分けて説明する。
ここでは、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の変圧器Ｔの構成例を、５−１．変圧器の第１の具体例、５−２．変圧器の第２の具体例に分けて説明する。
＜５−１．変圧器の第１の具体例＞
次に、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の磁気部品である変圧器Ｔ（図２参照）の第１の具体例（変圧器Ｔ１）について図１３を参照して説明する。
変圧器Ｔ１（Ｔ）は、コア３０に分離巻線３１が巻き回しされて構成される。ここで、分離巻線３１は、図１３（ａ）に示すように、１次巻線Ｌ１となる巻線３１ａを、同じく２次巻線Ｌ２となる巻線３１ｂの上に積層して組み立てられている。なお、巻線３１ａ，３１ｂには端子３２が設けられている。
次に、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の磁気部品である変圧器Ｔ（図２参照）の第１の具体例（変圧器Ｔ１）について図１３を参照して説明する。
変圧器Ｔ１（Ｔ）は、コア３０に分離巻線３１が巻き回しされて構成される。ここで、分離巻線３１は、図１３（ａ）に示すように、１次巻線Ｌ１となる巻線３１ａを、同じく２次巻線Ｌ２となる巻線３１ｂの上に積層して組み立てられている。なお、巻線３１ａ，３１ｂには端子３２が設けられている。
コア３０は、図１３（ｂ）に示すように、分離巻線３１の上下に設けられた基部３３と、２つの基部３３の間に設けられた磁脚部３４とを備えている。図１３（ｂ）は図１３（ａ）示す変圧器Ｔ１（Ｔ）のＡ−Ａ線に沿った縦断面矢視図である。
磁脚部３４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部３３は、磁脚部３４を固定し、この磁脚部３４と共に閉磁路を形成する。磁脚部３４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が巻き回しされた中脚部３５と、中脚部３５と横並びに形成された外脚部３６とを備える。
磁脚部３４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部３３は、磁脚部３４を固定し、この磁脚部３４と共に閉磁路を形成する。磁脚部３４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が巻き回しされた中脚部３５と、中脚部３５と横並びに形成された外脚部３６とを備える。
変圧器Ｔ１は、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２とが個別に整然と積層されているために、発生する磁束が分散することなく実装密度を向上することができる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２において、この変圧器Ｔ１を用いることで、磁気部品を構成する変圧器Ｔを小型・軽量化することができる。
＜５−２．変圧器の第２の具体例＞
次に、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の磁気部品である変圧器Ｔ（図２参照）の第２の具体例（変圧器Ｔ２）について図１４を参照して説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２において変圧器Ｔは、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２の巻線数が同じである。そこで、変圧器Ｔ２（Ｔ）は、コア４０にバイファイラ巻線４１を巻き回しして構成した。ここで、バイファイラ巻線４１は、図１４（ａ）に示すように、１次巻線Ｌ１となる巻線４１ａと、同じく２次巻線Ｌ２となる巻線４１ｂとが交互に積み重なるよう巻き回して組み立てられている。つまり、バイファイラ巻線４１は、１次巻線と２次巻線とを１周ずつ同時に巻き回したような構造となっている。なお、巻線４１ａ，４１ｂには端子４２が設けられている。
次に、第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２の磁気部品である変圧器Ｔ（図２参照）の第２の具体例（変圧器Ｔ２）について図１４を参照して説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２において変圧器Ｔは、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２の巻線数が同じである。そこで、変圧器Ｔ２（Ｔ）は、コア４０にバイファイラ巻線４１を巻き回しして構成した。ここで、バイファイラ巻線４１は、図１４（ａ）に示すように、１次巻線Ｌ１となる巻線４１ａと、同じく２次巻線Ｌ２となる巻線４１ｂとが交互に積み重なるよう巻き回して組み立てられている。つまり、バイファイラ巻線４１は、１次巻線と２次巻線とを１周ずつ同時に巻き回したような構造となっている。なお、巻線４１ａ，４１ｂには端子４２が設けられている。
コア４０は、図１４（ｂ）に示すように、バイファイラ巻線４１の上下に設けられた基部４３と、２つの基部４３の間に設けられた磁脚部４４とを備えている。図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示す変圧器Ｔ２（Ｔ）のＢ−Ｂ線に沿った縦断面矢視図である。
磁脚部４４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部４３は、磁脚部４４を固定し、この磁脚部４４と共に閉磁路を形成する。磁脚部４４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が巻き回しされた中脚部４５と、中脚部４５と横並びに形成された外脚部４６とを備える。
磁脚部４４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部４３は、磁脚部４４を固定し、この磁脚部４４と共に閉磁路を形成する。磁脚部４４は、１次巻線Ｌ１及び２次巻線Ｌ２が巻き回しされた中脚部４５と、中脚部４５と横並びに形成された外脚部４６とを備える。
変圧器Ｔ２は、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２とが交互に積み重なるように整然と積層されているために、より直流残留磁束が低減され、よりコアを小型化して実装密度を向上することができる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２において、この変圧器Ｔ２を用いることで、磁気部品を構成する変圧器Ｔを小型・軽量化することができる。
［６．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成］
本発明の第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂは、図１５に示すように、変圧器Ｔ３がインダクタＬ１１，Ｌ１２の機能を備えている点が、図２に示したＤＣ／ＤＣコンバータ１２と相違している。その他の構成は同様なので説明を省略する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂの等価回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の等価回路とは、同様であるが、変圧器Ｔ３の構造は、変圧器Ｔ（Ｔ１，Ｔ２）の構造とは明確に異なる。以下、変圧器Ｔ３の構造を詳述する。
本発明の第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂは、図１５に示すように、変圧器Ｔ３がインダクタＬ１１，Ｌ１２の機能を備えている点が、図２に示したＤＣ／ＤＣコンバータ１２と相違している。その他の構成は同様なので説明を省略する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂの等価回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の等価回路とは、同様であるが、変圧器Ｔ３の構造は、変圧器Ｔ（Ｔ１，Ｔ２）の構造とは明確に異なる。以下、変圧器Ｔ３の構造を詳述する。
［７．第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器の構成例］
次に、第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂの磁気部品である変圧器Ｔ３の具体例について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６（ａ）は、変圧器Ｔ３の斜視図を示し、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）にて矢印１００で示す方向（正面）から見た変圧器Ｔ３を示している。また、図１７（ａ）は、図１６（ｂ）にて矢印１０５で示す方向（上面）から見た変圧器Ｔ３を示し、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）にて矢印１０６で示す方向（右側面）から見た変圧器Ｔ３を示している。
次に、第２実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂの磁気部品である変圧器Ｔ３の具体例について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６（ａ）は、変圧器Ｔ３の斜視図を示し、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）にて矢印１００で示す方向（正面）から見た変圧器Ｔ３を示している。また、図１７（ａ）は、図１６（ｂ）にて矢印１０５で示す方向（上面）から見た変圧器Ｔ３を示し、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）にて矢印１０６で示す方向（右側面）から見た変圧器Ｔ３を示している。
変圧器Ｔ３は、トランスとしての機能と、インダクタとしての機能とを複合した変圧器である。以下では、７−１．変圧器Ｔ３の構成、７−２．インダクタとしての機能、７−３．トランスとしての機能について順次説明する。
＜７−１．変圧器の構成＞
変圧器Ｔ３は、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、等価的にトランス６０と、インダクタＬ１１，Ｌ１２とで構成されている。このうち、トランス６０は、トランス用コア６１に対して、１次巻線Ｌ１となる巻線６２ａと、２次巻線Ｌ２となる巻線６２ｂとが分離して巻き回しされて構成されている。
変圧器Ｔ３は、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、等価的にトランス６０と、インダクタＬ１１，Ｌ１２とで構成されている。このうち、トランス６０は、トランス用コア６１に対して、１次巻線Ｌ１となる巻線６２ａと、２次巻線Ｌ２となる巻線６２ｂとが分離して巻き回しされて構成されている。
１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２とは、トランス用コア６１を介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続されている。ここでは、巻線６２ａは、図１６（ａ）にて図中下から上に右ねじを進める方向に巻かれ、巻線６２ｂは、図１６（ａ）にて図中上から下に右ねじを進める方向に巻かれているものとして説明する。また、巻線６２ａには、符号１０１で示す矢印の方向に電流が流れ、巻線６２ｂには、符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れるものとする。
インダクタＬ１１は、インダクタ用第１コア７１と、インダクタ用第３コア７３と、これらインダクタ用第１コア７１及びインダクタ用第３コア７３に巻き回しされた巻線６２ａとで構成されている。同様に、インダクタＬ１２は、インダクタ用第２コア７２と、インダクタ用第４コア７４と、これらインダクタ用第２コア７２及びインダクタ用第４コア７４に巻き回しされた巻線６２ｂとで構成されている。
巻線６２ａはトランス用コア６１の外側へ延設され、この巻線６２ａの延設部をインダクタ用第１コア７１及びインダクタ用第２コア７２（以下、インダクタ用コア７１，７２という）に巻回している。同様に、巻線６２ｂはトランス用コア６１の外側へ延設され、この巻線６２ｂの延設部をインダクタ用第３コア７３及びインダクタ用第４コア７４（以下、インダクタ用コア７３，７４という）に巻回している。インダクタ用コア７１，７２は、トランス用コア６１を挟んで、インダクタ用コア７３，７４の反対側に配置されている。なお、インダクタＬ１１をインダクタ用コア７１またはインダクタ用コア７３で構成し、インダクタＬ１２をインダクタ用コア７２またはインダクタ用コア７４で構成することもできる。巻線６２ａ，６２ｂは、図１７（ａ）に示すように、入出力側に端子６３を有する。また、インダクタ用コア７１，７２，７３，７４とトランス用コア６１との間には、隣接する磁束を分離するため隙間Ｇ１が形成されている。また、図１６に示すように、インダクタ用コア７１，７２の間及びインダクタ用コア７３，７４の間には、上下に位置する磁束を分離するため、同様に隙間が形成されている。
トランス用コア６１は、図１７（ｂ）に示すように、巻線６２ａ，６２ｂの上下に設けられた基部６４と、２つの基部６４の間に設けられた磁脚部６５とを備えている。
磁脚部６５は、巻線６２ａ，６２ｂが発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部６４は、磁脚部６５を固定し、この磁脚部６５と共に閉磁路を形成する。磁脚部６５は、巻線６２ａ，６２ｂが巻き回しされた中脚部６６と、中脚部６６と横並びに形成された外脚部６７とを備える。
磁脚部６５は、巻線６２ａ，６２ｂが発生する磁束による閉磁路を形成する部分である。基部６４は、磁脚部６５を固定し、この磁脚部６５と共に閉磁路を形成する。磁脚部６５は、巻線６２ａ，６２ｂが巻き回しされた中脚部６６と、中脚部６６と横並びに形成された外脚部６７とを備える。
このように、変圧器Ｔ３は、トランス用コア６１と巻線６２ａ，６２ｂからなるトランス６０の基本的構造において、巻線６２ａ，６２ｂをトランス用コア６１から外側に延設させ、当該コイル延設部を利用してインダクタ用コア７１，７２，７３，７４を付設し、２つのインダクタＬ１１，Ｌ１２を付加するようにしたものである。
＜７−２．インダクタとしての機能＞
図１６（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第１コア７１には、図１６（ｂ）に符号１０３の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１６（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第２コア７２には、図１６（ｂ）に符号１０４の矢印で示す方向に磁束が発生する。
図１６（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第１コア７１には、図１６（ｂ）に符号１０３の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１６（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、インダクタ用第２コア７２には、図１６（ｂ）に符号１０４の矢印で示す方向に磁束が発生する。
すなわち、インダクタ用コア７１，７３は、巻線６２ａに電流が流れるときに磁気エネルギを生じさせ、巻線６２ａとインダクタ用コア７１，７３とによりインダクタＬ１１として機能する部分が形成される。また、インダクタ用コア７２，７４は、巻線６２ｂに電流が流れるときに磁気エネルギを生じさせ、巻線６２ｂとインダクタ用コア７２，７４とによりインダクタＬ１２として機能する部分が形成される。これら巻線６２ａ，６２ｂにおける図１７（ａ）に示した斜線領域８１は、巻線６２ａ，６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、インダクタ用コア７１，７２での磁束の発生に主として寄与する領域である。同様に、図１７（ａ）に示した斜線領域８３は、巻線６２ａ，６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、インダクタ用コア７３，７４での磁束の発生に主として寄与する領域である。
＜７−３．トランスとしての機能＞
図１６（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１７（ｂ）に符号１０７，１０８の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１６（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１７（ｂ）に符号１０９，１１０の矢印で示す方向に磁束が発生する。
図１６（ａ）に示すように巻線６２ａに符号１０１の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１７（ｂ）に符号１０７，１０８の矢印で示す方向に磁束が発生する。また、別のタイミングにて、図１６（ａ）に示すように巻線６２ｂに符号１０２の矢印で示す方向に電流が流れると、トランス用コア６１には、図１７（ｂ）に符号１０９，１１０の矢印で示す方向に磁束が発生する。
トランス用コア６１に磁束が発生すると、巻線６２ａと巻線６２ｂとの間において磁気的な相互作用が生じ、変圧作用が生ずる。このように２つの巻線６２ａ，６２ｂとトランス用コア６１とによって、トランス６０として機能する部分が形成される。これら巻線６２ａ，６２ｂにおける図１７（ａ）に示した斜線領域８２，８４は、巻線６２ａ，６２ｂの各巻線において電流が流れたとき、トランス用コア６１での磁束の発生に主として寄与する領域である。
このように変圧器Ｔ３は、トランス６０の巻線６２ａ，６２ｂをインダクタＬ１１，Ｌ１２のコイルとして共通化し、トランス６０の巻線６２ａ，６２ｂにインダクタ用コア７１，７２，７３，７４を付設するだけで、トランス６０とインダクタＬ１１，Ｌ１２を一体構造体として実現したものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２Ｂにおいて、この変圧器Ｔ３を用いることで、インダクタＬ１１、インダクタＬ１２としての機能とトランス６０としての機能を含む変圧器Ｔ３を小型・軽量化することができる。
以上説明したように、本発明の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に汎用の電装品を用いることができ、そのため、電力供給システム１のコストを低減することができる。
また、本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、第１電圧側ポートの入力電圧を昇圧する動作と、第２電圧側ポートＩＮ２の入力電圧を降圧する動作とを異なるタイミングで実行するので、２つの入力電圧が互いに異なる電圧範囲であっても、昇圧率と降圧率とを調整することで、いずれの入力電圧に対しても一定の電圧値の電圧を安定に出力することができる。したがって、電力供給システム１にように、２つの直流電源である燃料電池３及び２次電池４からモータ２に電力を供給する電力供給システムに対してこのＤＣ／ＤＣコンバータ１２を適用することで、電力供給システムを安定に運転することができる。
また、本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、電力供給システム１に適用したときに、燃料電池３の起動時には、２次電池４からのバッテリ電圧を降圧するスイッチングを行い、燃料電池３の起動後に充分な発電量を確保したときに降圧動作を停止し、燃料電池３のＦＣ電源電圧を昇圧する。そのため、電力供給システム１において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の接続位置に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の昇高圧動作を代用する降圧専用器及び昇圧専用器の２つのＤＣ／ＤＣコンバータを用いることも可能である。このように２個のＤＣ／ＤＣコンバータを一体化して電力供給システム１に適用した場合には、２個のＤＣ／ＤＣコンバータを一体化しても同時には動作しないので、例えば、平滑コンデンサＣ２（図２参照）や、ヒートシンク、電圧センサ、電流センサ等の付属部品を共用することができる。ただし、インダクタＬ１１，Ｌ１２及び変圧器Ｔ（または変圧器Ｔ３）の磁気部品が、２個のＤＣ／ＤＣコンバータそれぞれに必要となる。これに対して、本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、降圧専用器及び昇圧専用器の２つのＤＣ／ＤＣコンバータと同じように２つの機能を果たすと共に、これと比べて磁気部品の部品点数を低減することができる。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を用いることで、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ＤＣ／ＤＣコンバータ及びそれを用いた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、本実施形態の電力供給システム１では、補機系統５の第３電圧の値Ｖ3が、燃料電池３の第１電圧の最大値Ｖ1（max）以上であり、かつ、２次電池４の第２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電圧、第２電圧及び第３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電圧の最小値Ｖ2（min）は、燃料電池３の第１電圧の最大値Ｖ1（max）及び補機系統５の第３電圧の値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電圧の最大値Ｖ1（max）は、２次電池４の第２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、本実施形態の電力供給システム１は、発電量検知手段１４及び蓄電量検知手段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、本実施形態の電力供給システム１は、負荷であるモータ２に対して、インバータ１３を介して直交変換して電力を給電するものとしたが、電力供給システムにおいて、インバータ１３を介さずに負荷に給電することもできる。また、負荷はモータに限らず、例えば発電機でもよい。
また、本実施形態の電力供給システム１は、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。
また、本実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、異なるタイミングで入力する２つの電圧が互いに異なる電圧範囲であっても、いずれの入力電圧に対しても一定の電圧値の電圧を安定に出力することができるので、２入力１出力の電力変換を行うシステムであれば、燃料電池と２次電池とを直流電源として電力を供給するシステム以外にも勿論適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 インバータ
１４ 発電量検知手段
１５ 蓄電量検知手段
１６ 第１のバス
１７ 第２のバス
１８ 第３のバス
１９，２０，２１ 接続点
２２ 第１の給電経路
２３ 第２の給電経路
２４ 制御装置
２５ 第１のスイッチング部
２６ 第２のスイッチング部
３０，４０ コア
３１ 分離巻線
３１ａ，４１ａ 巻線（１次巻線）
３１ｂ，４１ｂ 巻線（２次巻線）
３２，４２，６３ 端子
３３，４３，６４ 基部
３４，４４，６５ 磁脚部
３５，４５，６６ 中脚部
３６，４６，６７ 外脚部
４１ バイファイラ巻線
６１ トランス用コア
６２ａ 巻線（１次巻線）
６２ｂ 巻線（２次巻線）
７１ インダクタ用第１コア
７２ インダクタ用第２コア
ＩＮ１ 第１電圧側ポート
ＩＮ２ 第２電圧側ポート
ＯＵＴ 第３電圧側ポート
Ｅ１，Ｅ２ 基準電圧端子
ＳＷ１ 第１のスイッチ素子
ＳＷ２ 第２のスイッチ素子
ＳＷ３ 第３のスイッチ素子
ＳＷ４ 第４のスイッチ素子
ＳＷ５ 電流遮断用スイッチ素子
Ｌ１ １次巻線
Ｌ２ ２次巻線
Ｌ１１ 第１インダクタ
Ｌ１２ 第２インダクタ
Ｔ（Ｔ１，Ｔ２） 変圧器
Ｔ３ 変圧器
Ｄ１ 逆流防止用ダイオード
Ｄ２ 第１のダイオード
Ｄ３ 第２のダイオード
Ｄ４ 第３のダイオード
Ｄ５ 第４のダイオード
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ
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 インバータ
１４ 発電量検知手段
１５ 蓄電量検知手段
１６ 第１のバス
１７ 第２のバス
１８ 第３のバス
１９，２０，２１ 接続点
２２ 第１の給電経路
２３ 第２の給電経路
２４ 制御装置
２５ 第１のスイッチング部
２６ 第２のスイッチング部
３０，４０ コア
３１ 分離巻線
３１ａ，４１ａ 巻線（１次巻線）
３１ｂ，４１ｂ 巻線（２次巻線）
３２，４２，６３ 端子
３３，４３，６４ 基部
３４，４４，６５ 磁脚部
３５，４５，６６ 中脚部
３６，４６，６７ 外脚部
４１ バイファイラ巻線
６１ トランス用コア
６２ａ 巻線（１次巻線）
６２ｂ 巻線（２次巻線）
７１ インダクタ用第１コア
７２ インダクタ用第２コア
ＩＮ１ 第１電圧側ポート
ＩＮ２ 第２電圧側ポート
ＯＵＴ 第３電圧側ポート
Ｅ１，Ｅ２ 基準電圧端子
ＳＷ１ 第１のスイッチ素子
ＳＷ２ 第２のスイッチ素子
ＳＷ３ 第３のスイッチ素子
ＳＷ４ 第４のスイッチ素子
ＳＷ５ 電流遮断用スイッチ素子
Ｌ１ １次巻線
Ｌ２ ２次巻線
Ｌ１１ 第１インダクタ
Ｌ１２ 第２インダクタ
Ｔ（Ｔ１，Ｔ２） 変圧器
Ｔ３ 変圧器
Ｄ１ 逆流防止用ダイオード
Ｄ２ 第１のダイオード
Ｄ３ 第２のダイオード
Ｄ４ 第３のダイオード
Ｄ５ 第４のダイオード
Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ
Claims (21)
- 入力ポートである第１電圧側ポート及び第２電圧側ポートと、出力ポートである第３電圧側ポートと、入出力共通の基準電圧端子と、複数のスイッチ素子と、コアと該コアに巻き回しされた１次巻線及び２次巻線を有する変圧器とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記第１電圧側ポートにアノードが接統された逆流防止用ダイオードと、
前記第２電圧側ポートに一端が接統された電流遮断用スイッチ素子と、
前記電流遮断用スイッチ素子の他端に一端が接続された第１のスイッチ素子と、
前記逆流防止用ダイオードのカソードに一端が接続された第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子の他端に一端が接続された前記１次巻線と、
前記第２のスイッチ素子の他端に一端が接続された前記２次巻線と、
前記第１のスイッチ素子の他端にカソードが接続され、アノードが前記基準電圧端子に接続された第１のダイオードと、
前記第２のスイッチ素子の他端にカソードが接続され、アノードが前記基準電圧端子に接続された第２のダイオードと、
前記１次巻線の他端にアノードが接続され、カソードが前記第３電圧側ポートに接続された第３のダイオードと、
前記２次巻線の他端にアノードが接続され、カソードが前記第３電圧側ポートに接続された第４のダイオードと、
前記１次巻線の他端に一端が接続され、他端が前記基準電圧端子に接続された第３のスイッチ素子と、
前記２次巻線の他端に一端が接続され、他端が前記基準電圧端子に接続された第４のスイッチ素子と、
を備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオン・オフ制御信号を与え、
前記電流遮断用スイッチ素子のオン・オフ動作を制御して、前記第２電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの電流の通電・遮断を切り替えることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオフ制御信号を与え、
前記電流遮断用スイッチ素子をオフにした状態で、前記第１のスイッチ素子及び前記第２のスイッチ素子をオンにし、前記第３のスイッチ素子と前記第４のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第１電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの昇圧動作を行うことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 制御装置から前記電流遮断用スイッチ素子にオン制御信号を与え、
前記電流遮断用スイッチ素子をオンにした状態で、前記第３のスイッチ素子及び前記第４のスイッチ素子をオフにし、前記第１のスイッチ素子と前記第２のスイッチ素子のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して前記第２電圧側ポートから前記第３電圧側ポートヘの降圧動作を行うことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記変圧器は磁気相殺型変圧器であって、
前記１次巻線と前記２次巻線とは、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、
前記コアは、
前記１次巻線及び２次巻線が巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、
前記磁脚部は、
前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、
前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記第１のスイッチ素子と前記１次巻線との間に設けられた第１のインダクタと、
前記第２のスイッチ素子と前記２次巻線との間に設けられた第２のインダクタと、をさらに有することを特徴とする請求項５記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記変圧器は磁気相殺型変圧器であって、
前記１次巻線と前記２次巻線とは、コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、
前記コアは、
前記１次巻線及び２次巻線が交互に積み重なるよう巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、
前記磁脚部は、
前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、
前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備えることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記変圧器は、インダクタとトランスの複合型の磁気相殺型変圧器であって、
前記１次巻線と前記２次巻線とは、トランス用コアを介して磁気的に結合し、略同巻数比で逆巻き結線に接続され、
前記トランス用コアは、
前記１次巻線及び２次巻線が巻き回しされ、該巻線が発生する磁束による閉磁路を形成する磁脚部と、
前記磁脚部を固定し該磁脚部とともに閉磁路を形成する基部と、を有し、
前記磁脚部は、
前記１次巻線及び前記２次巻線が巻き回しされた中脚部と、
前記中脚部と横並びに形成された外脚部とを備え、
前記１次巻線は前記トランス用コアの外側へ延設され、当該１次巻線の延設部をインダクタ用第１コアに巻回し、
前記２次巻線は前記トランス用コアの外側へ延設され、当該２次巻線の延設部をインダクタ用第２コアに巻回したことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記電流遮断用スイッチ素子は、フライホイールダイオード付ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 前記第１〜第４のスイッチ素子は、フライホイールダイオード付ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 前記電流遮断用スイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 前記第１〜第４のスイッチ素子は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
- 直流電源としての燃料電池から出力する第１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電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して第４電圧の電圧値に変換する第１の電力変換器と、
請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータから成る第２の電力変換器と、
を備え、
前記第２の電力変換器は、
前記第１電圧側ポートに前記燃料電池が接続され、
前記第２電圧側ポートに前記２次電池が接続され、
前記第３電圧側ポートに前記補機系統の第２の給電経路が接続され、
前記燃料電池の第１電圧の電圧値を１倍以上に昇圧して前記第３電圧と同じ電圧値に変換する動作と、前記２次電池の第２電圧の電圧値を１倍以下に降圧して前記第３電圧と同じ電圧値に変換する動作とを異なるタイミングで実行することを特徴とする電力供給システム。 - 前記燃料電池の第１電圧の最大値は、前記２次電池の第２電圧の最小値よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の電力供給システム。
- 前記２次電池の第２電圧の最小値は、前記燃料電池の第１電圧の最大値及び前記補機系統を駆動させる第３電圧の値よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の電力供給システム。
- 前記補機系統を駆動させる第３電圧の値は、前記燃料電池の第１電圧の最大値以上であり、かつ、前記２次電池の第２電圧の最小値よりも低いことを特徴とする請求項１３に記載の電力供給システム。
- 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１６に記載の電力供給システム。 - 前記補機系統は、さらに、
前記第３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１６に記載の電力供給システム。 - 前記燃料電池の起動時において、
前記第２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオンすることによって、前記２次電池の第２電圧を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１３に記載の電力供給システム。 - 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電圧を降圧して前記燃料電池用補機へ供給する前記第２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオフにすることを特徴とする請求項１３に記載の電力供給システム。 - 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２の電力変換器の前記電流遮断用スイッチ素子をオンすることによって、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１３に記載の電力供給システム。
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