JP5002639B2

JP5002639B2 - 電源装置

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Publication number: JP5002639B2
Application number: JP2009241241A
Authority: JP
Inventors: 尚亨三松; 利浩曽根
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2011091884A

Description

この発明は、電源装置に関する。

従来、例えば燃料電池に接続された第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、蓄電装置に接続された第２ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、２つの第１および第２ＤＣ−ＤＣコンバータから車両駆動用電動機などの負荷に電力を供給する電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−３１８９３８号公報

ところで、上記従来技術に係る電源システムにおいては、複数の電源（つまり、燃料電池および蓄電装置）毎にＤＣ−ＤＣコンバータを備えることに起因して、電源システムの構成に要する費用が嵩むとともに、電源システムのサイズが増大してしまうという問題が生じることから、費用の削減およびサイズの小型化が望まれている。
また、複数の電源（つまり、燃料電池および蓄電装置）からなる電源システムの始動時において、特にＤＣ−ＤＣコンバータを始動させたときに、回路系において意図しない過大な電流が流れてしまうことを防止することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化すること、および始動時に過大な電流が流れることを防止することが可能な電源装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１態様に係る電源装置（例えば、実施の形態での電源装置１０）は、電位の異なる第１ライン（例えば、実施の形態での第１ラインＬ１）および第２ライン（例えば、実施の形態での第２ラインＬ２）および第３ライン（例えば、実施の形態での第３ラインＬ３）と、燃料電池スタック（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と蓄電装置（例えば、実施の形態でのバッテリ１２）とが直列に接続されてなる電池回路（例えば、実施の形態での電池回路１８）と、各還流ダイオード（例えば、実施の形態での還流ダイオード３１ａ，３１ｂ）を具備する第１スイッチング素子（例えば、実施の形態での第１スイッチング素子３１）および第２スイッチング素子（例えば、実施の形態での第２スイッチング素子３２）が直列に接続されたスイッチング回路（例えば、実施の形態でのスイッチング回路３３）と、リアクトル（例えば、実施の形態でのリアクトル３４）とからなるＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、実施の形態でのＤＣ−ＤＣコンバータ１３）とを備え、前記電池回路の両端は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、前記電池回路の前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との接続点は前記第２ラインに接続され、前記スイッチング回路の両端は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、前記リアクトルの一端は前記第１および前記第２スイッチング素子の互いの接続点に接続され、他端は前記第２ラインに接続されている電源装置であって、前記電源装置の起動時に、前記第１ラインと前記第３ラインとの電位差が、前記燃料電池スタックの開放電圧と前記蓄電装置の開放電圧との和に等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの初期デューティーを設定し、該初期デューティーにより同期スイッチングを行なう制御手段（例えば、実施の形態でのコンバータＥＣＵ１６）を備える。

さらに、本発明の第２態様に係る電源装置では、前記電池回路は、前記電池回路と前記第１ラインとの接続を断接可能な第１コンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ１２ａ）と、前記燃料電池スタックと前記接続点との接続を断接可能な第２コンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ１１ａ）と、前記蓄電装置と前記接続点との接続を断接可能な第３コンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ１２ｂ）と、前記電池回路と前記第３ラインとの接続を断接可能な第４コンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ１１ｂ）とを備え、前記制御手段は、前記電源装置の始動時に、前記第１〜前記第４コンタクタを接続状態にする前に前記燃料電池スタックの前記開放電圧および前記蓄電装置の前記開放電圧を検出する。

さらに、本発明の第３態様に係る電源装置では、前記制御手段は、前記初期デューティーの設定が完了した後に、前記第１〜前記第４コンタクタを接続状態にする。

本発明の第１態様の電源装置によれば、電源装置の起動時にＤＣ−ＤＣコンバータが作動を開始しても、初期デューティーは燃料電池スタックの開放電圧と蓄電装置の開放電圧とに応じて設定されていることから、燃料電池スタックまたは蓄電装置から過大な電流が流れてしまうことを防止することができる。これにより、過大な電流によって各スイッチング素子などに損傷が生じることを防止することができる。
しかも、燃料電池スタックと蓄電装置とが直列に接続されてなる電池回路に対して単一のＤＣ−ＤＣコンバータを備えるだけで複数の動作モードを切り換えることができ、例えば燃料電池スタックと蓄電装置毎に個別にＤＣ−ＤＣコンバータを備える場合に比べて、構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化することができる。

本発明の第２態様の電源装置によれば、例えば経年変化や反応ガスの供給量の変動などに応じて燃料電池スタックの状態が変化した場合、また、例えば経年変化などに応じて蓄電装置の状態が変化した場合であっても、燃料電池スタックの開放電圧および蓄電装置の開放電圧を検出して得た各検出値によって初期デューティーを適切に設定することができる。

本発明の第３態様の電源装置によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動開始を初期デューティーによって確実に実行することができ、燃料電池スタックまたは蓄電装置から過大な電流が流れてしまうことを確実に防止することができる。

本発明の実施形態に係る電源装置を備える燃料電池車両の電源システムの構成図である。本発明の実施形態に係る燃料電池スタックおよびバッテリの動作点の一例を示す図である。本発明の実施形態に係る駆動モータの駆動時におけるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングデューティーの変化に応じた電源装置の動作モードの変化と燃料電池スタックおよびバッテリの電流および電圧の変化の一例とを示す図である。本発明の実施形態に係るコンバータＥＣＵの動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る統合ＥＣＵおよびコンバータＥＣＵの動作を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る電源装置について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による電源装置１０は、例えば図１に示すように、第１電源をなす燃料電池スタック（ＦＣ）１１と、第２電源をなすバッテリ１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、エアポンプインバータ（ＡＰＩ）１４と、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信ラインからなるパワープラントＣＡＮ１５に接続されるコンバータＥＣＵ（電子制御装置）１６および統合ＥＣＵ（電子制御装置）１７とを備えて構成されている。そして、燃料電池スタック１１とバッテリ１２とが直列に接続されて電池回路１８が構成されている。

この電源装置１０は、例えば燃料電池車両の電源システム２０に具備され、この燃料電池車両の電源システム２０は、例えば、電源装置１０と、ＰＤＵ（パワードライブユニット）２１と、車両駆動用のモータ２２と、エアポンプ（ＡＰ）２３とを備えて構成されている。

燃料電池スタック１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成され、燃料電池セルの積層体は一対のエンドプレートによって積層方向の両側から挟み込まれている。

燃料電池スタック１１のカソードには酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアポンプ２３から供給され、アノードには水素を含む燃料ガス（反応ガス）が、例えば高圧の水素タンク（図示略）から供給されている。
そして、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。このときカソードにおいては、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

なお、エアポンプ２３は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池スタック１１のカソードに供給する。このエアポンプ２３を駆動するポンプ駆動用モータ（図示略）の回転数は、統合ＥＣＵ１７から出力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータなどからなるエアポンプインバータ１４により制御されている。

なお、電源装置１０ではバッテリ１２の代わりに蓄電装置として、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサなどからなるキャパシタを備えてもよい。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータであって各還流ダイオード３１ａ，３１ｂを具備する第１および第２スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistor）３１，３２が直列に接続されてなるスイッチング回路３３と、チョークコイルからなるリアクトル３４と、平滑コンデンサ３５とを備えて構成されている。

そして、このスイッチング回路３３は、統合ＥＣＵ１７から出力されて各スイッチング素子３１，３２のゲートに入力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号（ＰＷＭ信号）によって駆動される。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のハイサイドアームをなす第１スイッチング素子３１がオンかつローサイドアームをなす第２スイッチング素子３２がオフとなる状態と、ハイサイドアームをなす第１スイッチング素子３１がオフかつローサイドアームをなす第２スイッチング素子３２がオンとなる状態とが、交互に切り替えられる。

そして、電位の異なる３つの各ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３（例えば、Ｌ１の電位＞Ｌ２の電位＞Ｌ３の電位）に対して、スイッチング回路３３の両端は第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されている。
また、平滑コンデンサ３５は、第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されている。に接続されている。
また、リアクトル３４の一端は第１および第２スイッチング素子３１，３２の互いの接続点（例えば、コレクタ−エミッタ間）に接続され、他端は第２ラインＬ２に接続されている。

このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えばモータ２２の駆動時などにおける１次側から２次側への昇圧動作時には、先ず、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１がオフかつローサイドアームの第２スイッチング素子３２がオンとされ、１次側から入力される電流によってリアクトル３４が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
そして、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１がオンかつローサイドアームの第２スイッチング素子３２がオフとされ、リアクトル３４に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル３４の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、リアクトル３４に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が１次側の入力電圧に上積みされて１次側の入力電圧よりも高い昇圧電圧が２次側に印加される。この切換動作に伴って発生する電圧変動は平滑コンデンサ３５により平滑化され、昇圧電圧が２次側から出力される。

一方、例えばモータ２２の回生時などにおける２次側から１次側への回生動作時には、先ず、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１がオフかつローサイドアームの第２スイッチング素子３２がオンとされ、２次側から入力される電流によってリアクトル３４が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
そして、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１がオンかつローサイドアームの第２スイッチング素子３２がオフとされ、リアクトル３４に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル３４の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。このリアクトル３４に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１のオン／オフの比率に応じて２次側の入力電圧が降圧された降圧電圧となり、降圧電圧が１次側に印加される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、コンバータＥＣＵ１６から出力されて各スイッチング素子３１，３２のゲートに入力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号（ＰＷＭ信号）によって駆動され、例えばＰＷＭ信号の１周期におけるハイサイドアームの第１スイッチング素子３１のオンの比率として定義されるスイッチングデューティーに応じて、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１とローサイドアームの第２スイッチング素子３２とのオン／オフを切り換える。
なお、ハイサイドアームの第１スイッチング素子３１と、ローサイドアームの第２スイッチング素子３２とは、オン／オフの切り換え時に、同時にオンとなることが禁止され、同時にオフとなる適宜のデッドタイムが設けられている。

燃料電池スタック１１は、正極側および負極側に配置されて統合ＥＣＵ１７により断接（オン／オフ）が切り換えられる各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、コンデンサ１１ｃとを介して、第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続されている。
バッテリ１２は、正極側および負極側に配置されて統合ＥＣＵ１７により断接（オン／オフ）が切り換えられる各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび正極側に配置されて統合ＥＣＵ１７により動作が制御される電流制限回路１２ｃを介して、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続されている。
これにより、第１ラインＬ１と第３ラインＬ３との間で燃料電池スタック１１とバッテリ１２とは接続点１８ａで直列に接続されて電池回路１８が形成されている。
そして、第１ラインＬ１および第３ラインＬ３から負荷であるモータ２２に電力が出力されるようにして第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とはＰＤＵ２１に接続されている。
また、エアポンプ２３の駆動回路であるエアポンプインバータ１４は第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続されている。

３相のモータ２２の駆動回路をなすＰＤＵ２１は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備え、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistor）がブリッジ接続されてなる３相のブリッジ回路を備えて構成されている。
ブリッジ回路は、例えば各相毎に対をなして直列に接続される複数のハイ側およびロー側スイッチング素子がブリッジ接続されて構成されている。

このＰＤＵ２１は、例えばモータＥＣＵ（図示略）から出力されてブリッジ回路の各スイッチング素子のゲートに入力されるパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号（ＰＷＭ信号）によって駆動される。例えばモータ２２の駆動時には、各相毎に対をなす各スイッチング素子のオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替える。これにより、電源装置１０から出力される直流電力を３相交流電力に変換し、モータ２２の３相のステータ巻線（図示略）への通電を順次転流させることで、各相のステータ巻線に交流のＵ相電流ＩｕおよびＶ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを通電する。一方、例えばモータ２２の回生時には、モータ２２から出力される３相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１３に供給し、バッテリ１２の充電およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３に接続された負荷に対する給電などを行なう。

なお、モータＥＣＵには、例えばＰＤＵ２１とモータ２２との間において３相の各相電流を検出する相電流センサ（図示略）と、モータ２２の回転子の回転角（つまり、所定の基準回転位置からの回転子の磁極の回転角度であって、モータ２２の回転軸の回転位置）を検出する角度センサ（図示略）との各センサから出力される検出信号が入力されている。
なお、モータ２２は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、ＰＤＵ２１から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、車両の減速時において駆動輪側からモータ２２側に駆動力が伝達されると、モータ２２は発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。

コンバータＥＣＵ１６は、統合ＥＣＵ１７と協調しつつＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーを制御するデューティー制御を行なう。
なお、統合ＥＣＵ１７には、例えば、燃料電池スタック１１の端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）を検出する第１電圧センサ４１と、バッテリ１２の端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）を検出する第２電圧センサ４２と、燃料電池スタック１１の出力電流Ｉｆｃを検出する出力電流センサ４３との各センサから出力される検出信号が入力されている。

コンバータＥＣＵ１６は、先ず、電源装置１０の起動時に、燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）とバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）とを統合ＥＣＵ１７から取得する。
統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび電流制限回路１２ｃとを接続状態にする前に、第１電圧センサ４１および第２電圧センサ４２から出力される検出信号により、燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）とバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）とを検出する。そして、各開放電圧の検出結果をコンバータＥＣＵ１６に送信する。

そして、コンバータＥＣＵ１６は、第１ラインＬ１と第３ラインＬ３との電位差が、燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）とバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）との和に等しくなるように、例えば下記数式（１）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）を設定する。そして、初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）の設定完了を示す信号を統合ＥＣＵ１７に送信する。
そして、統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂとを接続状態にし、この結果を示す信号をコンバータＥＣＵ１６に送信する。
そして、コンバータＥＣＵ１６は、この初期デューティーによりＤＣ−ＤＣコンバータ１３で同期スイッチングを開始する。

次に、統合ＥＣＵ１７は、電源装置１０の通常時の動作として、電源装置１０から電力が供給される負荷の総消費電力を算出する。そして、例えばモータ２２の駆動時においては、燃料電池スタック１１の状態（例えば、発電指令に応じた燃料電池スタック１１の状態変化の変化率など）と、バッテリ１２の残容量ＳＯＣとなどに基づき、電源装置１０の電池回路１８を形成する燃料電池スタック１１とバッテリ１２との電力配分、つまり負荷での消総消費電力を燃料電池スタック１１から出力される電力とバッテリ１２から出力される電力とを加算して得た値とする際の配分の目標値（目標電力配分）を設定する。

例えばモータ２２の駆動時における電力配分は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（つまり、ＰＷＭ信号の１周期におけるハイサイドアームのスイッチング素子のオンの比率）に応じた値となり、スイッチングデューティー（ＤＵＴＹ）は、例えば下記数式（２）に示すように、燃料電池スタック１１の端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）と、バッテリ１２の端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）とによりに記述される。

これにより、例えば下記数式（３）に示すように、スイッチングデューティー（ＤＵＴＹ）によって燃料電池スタック１１の端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）とバッテリ１２の端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）との比が記述される。

燃料電池スタック１１の端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）とバッテリ１２の端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）とは、例えば図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、それぞれ燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）および電力とバッテリ１２の電流（Ｉｂ）および電力と所定の対応関係を有する。これにより、スイッチングデューティー（ＤＵＴＹ）により、燃料電池スタック１１の動作点（例えば、電圧または電流または電力）とバッテリ１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との比が記述される。

また、統合ＥＣＵ１７は、例えばモータ２２の回生時においては、燃料電池スタック１１の状態（例えば、発電指令に応じた燃料電池スタック１１の状態変化の変化率など）と、バッテリ１２の残容量ＳＯＣと、モータ２２の回生電力となどに基づき、燃料電池スタック１１とＰＤＵ２１との電力供給側の電力配分、および、バッテリ１２と負荷との電力受給側の電力配分を設定する。

そして、統合ＥＣＵ１７は、例えばモータ２２の駆動時においては、スイッチングデューティー（ＤＵＴＹ）により、燃料電池スタック１１の動作点（例えば、電圧または電流または電力）とバッテリ１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との比が記述されることから、燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ＤＵＴＹ）と負荷の総消費電力との対応関係を示す所定マップを参照して、燃料電池スタック１１の出力電流Ｉｆｃに対する目標電流を取得する。
また、統合ＥＣＵ１７は、例えばモータ２２の回生時においては、各電力配分に応じて、燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流として零あるいは正の値を出力する。

そして、統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１とバッテリ１２との実際の電力配分（実電力配分）が目標電力配分に一致するようにして、例えば出力電流センサ４３から出力される燃料電池スタック１１の出力電流Ｉｆｃの検出値が、出力電流Ｉｆｃの目標電流に一致するようにして、例えばＰＩＤ（比例積分微分）動作などを含むフィードバック処理を行なう。そして、このフィードバック処理の演算結果の信号をコンバータＥＣＵ１６に送信する。
コンバータＥＣＵ１６は、統合ＥＣＵ１７から受信した信号に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーを制御するようにして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の各スイッチング素子３１，３２をオン／オフ駆動させるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成する。そして、ゲート信号によってＤＣ−ＤＣコンバータ１３で同期スイッチングを行なう。
これにより、例えば図３に示すように、電源装置１０の動作モードは連続的に制御される。

例えば第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の昇圧比が２〜３程度の値となる状態で、スイッチングデューティーが最大となる電源装置１０の動作モードは、例えば時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間に示すように、バッテリ１２の出力のみがＰＤＵ２１およびエアポンプインバータ（ＡＰＩ）１４に供給されるＥＶモードとなる。
そして、ＥＶモードからスイッチングデューティーが低下傾向に変化することに伴い、電源装置１０の動作モードは、例えば時刻ｔ２〜時刻ｔ５の期間に示すように、順次、第１〜第３の（ＦＣ＋バッテリ）モードに推移する。

第１の（ＦＣ＋バッテリ）モードでは、バッテリ１２の出力がＰＤＵ２１およびＡＰＩ１４に供給されると共に燃料電池スタック１１の出力がＰＤＵ２１に供給されてバッテリ１２の電流（Ｉｂ）が燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）よりも大きくなる。
第２の（ＦＣ＋バッテリ）モードでは、バッテリ１２の出力がＰＤＵ２１およびＡＰＩ１４に供給されると共に燃料電池スタック１１の出力がＰＤＵ２１に供給されてバッテリ１２の電流（Ｉｂ）が燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）とＡＰＩ１４に通電される電流（ＩＡＰ）との和に等しくなる。
第３の（ＦＣ＋バッテリ）モードでは、バッテリ１２および燃料電池スタック１１の出力がＰＤＵ２１およびＡＰＩ１４に供給されてバッテリ１２の電流（Ｉｂ）が燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）よりも小さくなる。

これに伴い、バッテリ１２の電流（Ｉｂ）が減少傾向に変化し、燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）及び目標電流（Ｉｆｃコマンド）は増大傾向に変化する。そして、ＰＤＵ２１の１次側の入力電圧（ＶＰＩＮ）はほぼ一定に維持されつつ、バッテリ１２の電圧（ＶＢ）は増大傾向に変化し、燃料電池スタック１１の電圧（ＶＦＣ）は減少傾向に変化する。

そして、第３の（ＦＣ＋バッテリ）モードからスイッチングデューティーが最小まで低下傾向に変化することに伴い、電源装置１０の動作モードは、例えば時刻ｔ５以降に示すように、順次、第１，第２のＦＣモードに推移する。
第１のＦＣモードでは、燃料電池スタック１１の出力のみがＰＤＵ２１およびＡＰＩ１４に供給される。
第２のＦＣモードでは、燃料電池スタック１１の出力のみがＰＤＵ２１およびＡＰＩ１４およびバッテリ１２に供給されてバッテリ１２が充電される。

これに伴い、バッテリ１２の電流（Ｉｂ）が零から負の値へと減少傾向に変化し、燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）及び目標電流（Ｉｆｃコマンド）は増大傾向に変化する。そして、ＰＤＵ２１の１次側の入力電圧（ＶＰＩＮ）はほぼ一定に維持されつつ、バッテリ１２の電圧（ＶＢ）は増大傾向に変化し、燃料電池スタック１１の電圧（ＶＦＣ）は減少傾向に変化する。

また、統合ＥＣＵ１７は、例えばモータ２２の回生時においては、燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の検出値が目標電流（零あるいは正の値）と一致するようにしてフィードバック制御をおこなうとともに、回生電圧のフィードバック制御をおこなうことによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーを制御する。
例えば燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流が零とされる電源装置１０の動作モードは、ＰＤＵ２１の回生電力によりバッテリ１２が充電される回生モードとなる。
また、例えば燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流が正の値とされる電源装置１０の動作モードは、ＰＤＵ２１の回生電力および燃料電池スタック１１の出力がＡＰＩ１４およびバッテリ１２に供給されてバッテリ１２が充電される（回生＋ＦＣによるバッテリ充電）モードとなる。

なお、統合ＥＣＵ１７は、例えば、燃料電池車両の運転状態や、燃料電池スタック１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池スタック１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池スタック１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子間電圧や、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣや、燃料電池スタック１１の出力電流Ｉｆｃや、燃料電池スタック１１の内部温度などに基づき、燃料電池スタック１１に対する発電指令として、燃料電池スタック１１へ供給される反応ガスの圧力および流量に対する指令値を出力し、燃料電池スタック１１の発電状態を制御する。

また、統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１の発電状態などに応じて各コンタクタ１１ａ，１１ｂのオン／オフを切り換え、燃料電池スタック１１と第２ラインＬ２および第３ラインＬ３との接続を制御する。
また、統合ＥＣＵ１７は、バッテリ１２の残容量ＳＯＣなどに応じて各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび電流制限回路１２ｃのオン／オフを切り換え、バッテリ１２と第１ラインＬ１および第２ラインＬ２との接続を制御する。

本実施の形態による電源装置１０は上記構成を備えており、次に、この電源装置１０の動作、特に、電源装置１０の起動時の動作について説明する。

先ず、以下に、コンバータＥＣＵ１６の動作について説明する。
例えば図４に示すステップＳ０１においては、燃料電池スタック１１の端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）を検出する第１電圧センサ４１と、バッテリ１２の端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）を検出する第２電圧センサ４２との初期化が完了したことを示すセンサ初期化完了フラグのフラグ値に「１」が設定されているか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０２に進む。

次に、ステップＳ０２においては、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび電流制限回路１２ｃとが接続状態になる前に、第１電圧センサ４１により検出された端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）を、第１開放電圧Ｅ１つまり燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）として設定する。
次に、ステップＳ０３においては、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび電流制限回路１２ｃとが接続状態になる前に第２電圧センサ４２により検出された端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）を、第２開放電圧Ｅ２つまりバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）として設定する。

次に、ステップＳ０４においては、上記数式（１）により初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）を算出する。
次に、ステップＳ０５においては、初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）の算出完了を示す初期デューティー算出完了フラグのフラグ値に「１」を設定する。

次に、ステップＳ０６においては、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂとの接続動作が完了するＯＮ完了の状態であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０６の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
次に、ステップＳ０７においては、初期デューティーによりＤＣ−ＤＣコンバータ１３で同期スイッチングを開始し、エンドに進む。

以下に、電源装置１０の起動時にコンバータＥＣＵ１６と統合ＥＣＵ１７とが協調しつつ実行する動作について説明する。

先ず、例えば図５に示すステップＳ１１において、統合ＥＣＵ１７は、プリチャージの動作として、バッテリ１２の電流制限回路１２ｃを接続状態にして平滑コンデンサ３５に通電を行なう。
次に、ステップＳ１２において、統合ＥＣＵ１７は、第１電圧センサ４１と第２電圧センサ４２との初期化を行ない、この初期化が完了したことを示すセンサ初期化完了フラグのフラグ値に「１」を設定する。

次に、ステップＳ１３において、統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂおよび電流制限回路１２ｃとを非接続状態として、第１電圧センサ４１により端子間電圧ＶＦＣ（Ｖ１）を検出し、第２電圧センサ４２により検出された端子間電圧ＶＢ（Ｖ２）を検出する。これにより、第１開放電圧Ｅ１つまり燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）が検出され、第２開放電圧Ｅ２つまりバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）が検出される。
次に、ステップＳ１４において、統合ＥＣＵ１７は、初期化完了フラグのフラグ値と、第１開放電圧Ｅ１と、第２開放電圧Ｅ２とを、コンバータＥＣＵ１６に送信する。

次に、ステップＳ１５において、コンバータＥＣＵ１６は、初期化完了フラグのフラグ値と、第１開放電圧Ｅ１と、第２開放電圧Ｅ２とを受信する。
次に、ステップＳ１６において、コンバータＥＣＵ１６は、上記数式（１）により初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）を算出する。
次に、ステップＳ１７において、コンバータＥＣＵ１６は、初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）の算出完了を示す初期デューティー算出完了フラグのフラグ値に「１」を設定し、この初期デューティー算出完了フラグのフラグ値を統合ＥＣＵ１７に送信する。

次に、ステップＳ１８において、統合ＥＣＵ１７は、初期デューティー算出完了フラグのフラグ値を受信する。
次に、ステップＳ１９において、統合ＥＣＵ１７は、燃料電池スタック１１の各コンタクタ１１ａ，１１ｂと、バッテリ１２の各コンタクタ１２ａ，１２ｂとを接続状態にする。
次に、ステップＳ２０において、統合ＥＣＵ１７は、各コンタクタ１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂの接続動作が完了したことを示すＯＮ完了の信号をコンバータＥＣＵ１６に通知する。

次に、ステップＳ２１において、コンバータＥＣＵ１６は、ＯＮ完了の信号を受信する。
次に、ステップＳ２２において、コンバータＥＣＵ１６は、初期デューティーによりＤＣ−ＤＣコンバータ１３で同期スイッチングを開始する。

上述したように、本発明の実施形態による電源装置１０によれば、起動時にＤＣ−ＤＣコンバータ１３が作動を開始しても、初期デューティーは燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）とバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）とに応じて設定されていることから、燃料電池スタック１１またはバッテリ１２から過大な電流が流れてしまうこと、および過大な電流によって各スイッチング素子３１，３２などに損傷が生じることを防止することができる。
例えば図１に示すようにモータ２２の駆動時での通常時において電源装置１０の各箇所を流れる各電流ＩＬ，Ｉｃ１，Ｉｃ２，Ｉｍｏｔ，Ｉｆｃ，Ｉｂに対して、例えば第２スイッチング素子３２およびリアクトル３４を逆流するような過大な電流によって第１スイッチング素子３１に損傷が生じることを防止することができる。

しかも、例えば経年変化や反応ガスの供給量の変動などに応じて燃料電池スタック１１の状態が変化した場合、また、例えば経年変化などに応じてバッテリ１２の状態が変化した場合であっても、燃料電池スタック１１の開放電圧（Ｖ１＿ｏｃｖ）およびバッテリ１２の開放電圧（Ｖ２＿ｏｃｖ）を検出して得た各検出値によってＤＣ−ＤＣコンバータ１３の初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）を適切に設定することができる。

しかも、初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）の算出完了後に、各コンタクタ１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを接続状態にすることから、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の作動開始を初期デューティー（ＤＵＴＹ＿ｉｎｉ）によって確実に実行することができ、燃料電池スタック１１またはバッテリ１２から過大な電流が流れてしまうことを確実に防止することができる。

しかも、燃料電池スタック１１とバッテリ１２とが直列に接続されてなる電池回路１８に対して単一のＤＣ−ＤＣコンバータ１３を備えるだけで複数の動作モードを切り換えることができ、例えば燃料電池スタック１１とバッテリ１２毎に個別にＤＣ−ＤＣコンバータを備える場合に比べて、構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化することができる。

なお、上述した実施の形態においては、バッテリ１２は第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続され、燃料電池スタック１１は第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続されるとしたが、これに限定されず、燃料電池スタック１１は第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続され、バッテリ１２は第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続されてもよい。

なお、上述した実施の形態においては、制御装置２５は燃料電池スタック１１とバッテリ１２との実電力配分が目標電力配分に一致するようにして、例えば燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の検出値が目標電流に一致するようにしてフィードバック制御をおこなうことによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーを制御するとしたが、これに限定されず、例えば燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の代わりに、バッテリ１２の電流（Ｉｂ）が目標値に一致するようにしてフィードバック制御をおこなってもよい。また、電流の代わりに、燃料電池スタック１１の電圧（ＶＦＣ）またはバッテリ１２の電圧（ＶＢ）の検出値が目標値に一致するようにしてフィードバック制御をおこなってもよいし、燃料電池スタック１１とバッテリ１２との出力比が目標値に一致するようにしてスイッチングデューティーをフィードバック制御してもよい。
また、例えばモータ２２の回生時においては、燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の代わりに、燃料電池スタック１１の出力が目標値に一致するようにしてフィードバック制御をおこなってもよい。

なお、上述した実施の形態においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング回路３３を、直列に接続された第１および第２スイッチング素子３１，３２により構成したが、これに限定されず、３相のブリッジ回路（つまり、各相毎に対をなして直列に接続される複数のハイ側およびロー側スイッチング素子がブリッジ接続された回路）により構成してもよい。この場合には、単一のリアクトル３４に限定されず、例えば３相の各相毎にリアクトルを備えてもよい。

１０電源装置
１１燃料電池スタック
１１ａコンタクタ（第２コンタクタ）
１１ｂコンタクタ（第４コンタクタ）
１２バッテリ（蓄電装置）
１２ａコンタクタ（第１コンタクタ）
１２ｂコンタクタ（第３コンタクタ）
１３ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６コンバータＥＣＵ（制御手段）
１７統合ＥＣＵ
１８電池回路
２１ＰＤＵ
３１第１スイッチング素子
３２第２スイッチング素子
３３スイッチング回路
３４リアクトル

Claims

電位の異なる第１ラインおよび第２ラインおよび第３ラインと、
燃料電池スタックと蓄電装置とが直列に接続されてなる電池回路と、
各還流ダイオードを具備する第１スイッチング素子および第２スイッチング素子が直列に接続されたスイッチング回路と、リアクトルとからなるＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
前記電池回路の両端は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、
前記電池回路の前記燃料電池スタックと前記蓄電装置との接続点は前記第２ラインに接続され、
前記スイッチング回路の両端は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、
前記リアクトルの一端は前記第１および前記第２スイッチング素子の互いの接続点に接続され、他端は前記第２ラインに接続されている電源装置であって、
前記電源装置の起動時に、前記第１ラインと前記第３ラインとの電位差が、前記燃料電池スタックの開放電圧と前記蓄電装置の開放電圧との和に等しくなるように、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの初期デューティーを設定し、該初期デューティーにより同期スイッチングを行なう制御手段を備えることを特徴とする電源装置。
前記電池回路は、前記電池回路と前記第１ラインとの接続を断接可能な第１コンタクタと、前記燃料電池スタックと前記接続点との接続を断接可能な第２コンタクタと、前記蓄電装置と前記接続点との接続を断接可能な第３コンタクタと、前記電池回路と前記第３ラインとの接続を断接可能な第４コンタクタとを備え、
前記制御手段は、前記電源装置の始動時に、前記第１〜前記第４コンタクタを接続状態にする前に前記燃料電池スタックの前記開放電圧および前記蓄電装置の前記開放電圧を検出することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記制御手段は、前記初期デューティーの設定が完了した後に、前記第１〜前記第４コンタクタを接続状態にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。