JP5264941B2 - 電動車両用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、電動車両用電源装置に関する。

従来、例えば燃料電池スタックと蓄電装置とを直列に接続して成る電池回路に対して単一のＤＣ−ＤＣコンバータを備え、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングデューティーを変更することで燃料電池スタックと蓄電装置との電力分担割合を調整し、複数の動作モードを切り換え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２０１０−１０４１６５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、例えば電源システムを大型の車両に搭載する場合などにおいて、燃料電池スタックおよび蓄電装置の出力を増大させると、直列電圧が増大することに伴って、車両を駆動するモータのインバータにおいてスイッチング損失が増大してしまい、例えば坂道発進などの高トルクの走行モードにおいてインバータの過熱を抑制するために出力制限が生じてしまう虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、所望の出力を確保しつつ、高電圧系での損失を抑制することが可能な電動車両用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態様に係る電動車両用電源装置は、第１ノード（例えば、実施の形態での第１ノードＡ）と第２ノード（例えば、実施の形態での第２ノードＢ）との間に接続された第１電源（例えば、実施の形態でのバッテリ１１および燃料電池スタック１２の一方）と、前記第２ノードと第３ノード（例えば、実施の形態での第３ノードＣ）との間に接続された第１スイッチ（例えば、実施の形態での第１スイッチ（ＳＷ１）１４）と、前記第３ノードと第４ノード（例えば、実施の形態での第４ノードＤ）との間に接続された第２電源（例えば、実施の形態でのバッテリ１１および燃料電池スタック１２の他方）と、前記第１ノードと前記第３ノードとの間に接続された第２スイッチ（例えば、実施の形態での第２スイッチ（ＳＷ２）１５）と、前記第２ノードに接続された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、前記第１スイッチを開かつ前記第２スイッチを閉として前記第１ノードと前記第３ノードとを接続する第１接続状態と、前記第１スイッチを閉かつ前記第２スイッチを開として前記第２ノードと前記第３ノードとを接続する第２接続状態と、前記第１スイッチを開かつ前記第２スイッチを開として前記第３ノードと前記第１ノード及び前記第２ノードとを切り離すとともに、前記第１電源から電動機（例えば、実施の形態での電動機（Ｍ）２）へ給電可能な第３接続状態とを切り替え可能な切替手段（例えば、実施の形態での接続切替制御部３１）と、を備え、前記切替手段は、前記第３接続状態を経由して前記第１接続状態と前記第２接続状態とを切り替え、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第２接続状態から前記第１接続状態に切り替える場合の前記第３接続状態において、前記第１ノードの電位を前記第３ノードの電位に等しくする状態に向かうようにして、スイッチングデューティーを変化させて前記第２ノードの電位を変更することによって、前記第２ノードから前記第１電源を介した前記第１ノードの電位を調整する、又は、前記第１接続状態から前記第２接続状態に切り替える場合の前記第３接続状態において、前記第２ノードの電位を前記第３ノードの電位に等しくする状態に向かうようにして、スイッチングデューティーを変化させて前記第２ノードの電位を変更しており、前記第１ノードと前記第４ノードとの間から取り出される出力電力は前記電動機に供給され、前記第１電源および前記第２電源のうち、何れか一方が燃料電池スタック（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１２）であり、何れか他方が二次電池（例えば、実施の形態でのバッテリ１１）である。

さらに、本発明の第２態様に係る電動車両用電源装置では、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第２接続状態と前記第３接続状態との接続切替時の時間的前後においてスイッチング動作を継続する。

さらに、本発明の第３態様に係る電動車両用電源装置では、前記第３ノードと前記第４ノードとの間に補機（例えば、実施の形態での補機１６）が接続されている。

さらに、本発明の第４態様に係る電動車両用電源装置では、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側端子（例えば、実施の形態での低電圧側端子１３Ｌ）は前記第２ノードに接続され、高電圧側端子（例えば、実施の形態での高電圧側端子１３Ｈ）は前記第１ノードに接続され、共通端子（例えば、実施の形態での共通端子１３Ｃ）は前記第４ノードに接続されている。

さらに、本発明の第５態様に係る電動車両用電源装置では、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側端子（例えば、実施の形態での低電圧側端子１３Ｌ）は前記第２ノードに接続され、高電圧側端子（例えば、実施の形態での高電圧側端子１３Ｈ）は前記第４ノードに接続され、共通端子（例えば、実施の形態での共通端子１３Ｃ）は前記第１ノードに接続されている。

本発明の第１態様に係る電動車両用電源装置によれば、電動機の負荷が小さく、電動機で必要とされる駆動電圧が小さい場合には、第１スイッチを開かつ第２スイッチを閉として電動機に対して第１電源と第２電源とを並列に接続する。
一方、電動機の負荷が大きく、電動機で必要とされる駆動電圧が大きい場合には、第１スイッチを閉かつ第２スイッチを開として電動機に対して第１電源と第２電源とを直列に接続する。

これらにより、電動機の負荷が大きい場合には、電動機の駆動電圧を増大させて所望の動力性能を確保することができ、電動機の負荷が小さい場合には、電動機の駆動電圧が過大になることを防止して電動機および電動機を駆動制御するインバータの運転効率を増大させることができる。
したがって、例えば坂道発進などの高トルクの走行モードであっても、電動機を駆動制御するインバータにおいてスイッチング損失が増大したり、過熱が生じることを防止し、走行制御に対して出力制限が生じてしまうことを防止することができる。

さらに、電動機に対する第１電源と第２電源との接続を、電動機の負荷の増大に応じて、並列と直列との間で切り替える場合には、第１スイッチおよび第２スイッチを開として第２電源を電動機から切り離し、第３ノードと第１ノード及び第２ノードとを切り離し、第１電源のみによって電動機に電力を供給する第３接続状態を経由する。

これにより、電動機に対する電力供給を維持した状態で電動機の負荷の大きさに応じて、電動機に対する第１電源と第２電源との接続を並列と直列との間で切り替えることができ、例えば内燃機関などの動力を用いずに電源から供給される電力のみで走行を行なうＡＥＲ（All Electric Range）走行時であっても、少なくとも第１電源から供給される電力により走行制御を継続することができる。

本発明の第２態様に係る電動車両用電源装置によれば、電動機に対して第１電源と第２電源とが直列に接続される第２接続状態においてＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作を行なうことにより、第１電源と第２電源との間における出力配分を調整することができる。

本発明の第３態様に係る電動車両用電源装置によれば、補機の消費電力を第２電源から供給することができ、電動機に対する第１電源と第２電源との接続を並列と直列との間で切り替えるときに電動機の消費電力を負担する第１電源からより多くの電力を電動機に供給することができる。

本発明の第４態様に係る電動車両用電源装置によれば、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータのハイサイドアームのスイッチング素子は第１ノードに接続され、ローサイドアームのスイッチング素子は第４ノードに接続され、チョークコイルは第２ノードに接続される。

本発明の第５態様に係る電動車両用電源装置によれば、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータのハイサイドアームのスイッチング素子は第４ノードに接続され、ローサイドアームのスイッチング素子は第１ノードに接続され、チョークコイルは第２ノードに接続される。

本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）とを並列に接続する状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対するバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）との接続状態と、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作とに対応するバッテリ電流および燃料電池電流および電動機駆動電圧の変化の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）との接続を並列から直列に切り替える状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）との接続を並列から直列に切り替える状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る電動車両用電源装置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電動機損失マップの例を示す図である。 図６に示す直列接続から並列接続への切替処理を示すフローチャートである。 図６に示す並列接続から直列接続への切替処理を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の変形例に係る電動車両用電源装置の構成図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）とを並列に接続する状態を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）との接続を並列から直列に切り替える状態を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る電動車両用電源装置において電動機（Ｍ）の駆動用インバータに対してバッテリと燃料電池スタック（ＦＣ）との接続を並列から直列に切り替える状態を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る電動車両用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動車両用電源装置１は、例えば図１に示すように、車両の走行駆動力を発生する電動機（Ｍ）２を駆動制御する駆動用インバータ３に電力を供給する電源を成している。

電動車両用電源装置１は、第１ノードＡおよび第２ノードＢおよび第３ノードＣおよび第４ノードＤと、バッテリ１１と、燃料電池スタック（ＦＣ）１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、第１スイッチ（ＳＷ１）１４および第２スイッチ（ＳＷ２）１５と、補機１６と、制御装置１７とを備えて構成されている。
そして、第１ノードＡおよび第４ノードＤに対して駆動用インバータ３が並列に接続されている。

バッテリ１１は第１ノードＡと第２ノードＢとの間に接続されている。
燃料電池スタック１２は第３ノードＣと第４ノードＤとの間に接続されている。

燃料電池スタック１２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１２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（図示略）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１２のカソードに供給する。
このエアポンプを駆動するポンプ駆動用モータ（図示略）の回転数は、制御装置１７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（図示略）により制御されている。
このエアポンプインバータは、バッテリ１１などから電力が供給される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は第２ノードＢに接続され、より詳細には、低電圧側端子１３Ｌが第２ノードＢに接続され、高電圧側端子１３Ｈが第１ノードＡに接続され、共通端子１３Ｃが第４ノードＤに接続されている。

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、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistor）が接続されてなるスイッチング回路２１と、チョークコイル２２と、第１および第２平滑コンデンサ２３，２４とを備えて構成されている。

スイッチング回路２１は、例えば、対をなすハイ側スイッチング素子２１Ｈおよびロー側スイッチング素子２１Ｌが接続されて構成されている。
そして、ハイ側スイッチング素子２１Ｈのコレクタは高電圧側端子１３Ｈに接続され、ロー側スイッチング素子２１Ｌのエミッタは共通端子１３Ｃに接続され、ハイ側スイッチング素子２１Ｈのエミッタはロー側スイッチング素子２１Ｌのコレクタに接続されている。
そして、各ハイ側およびロー側スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ毎のエミッタ−コレクタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向になるようにしてダイオードが接続されている。

このスイッチング回路２１は、制御装置１７から出力されて各スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ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、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオンかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオフになる状態と、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオフかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオンになる状態とが、交互に切り替えられる。

例えばＰＷＭ信号の１周期におけるハイ側スイッチング素子２１Ｈのオン時間ＴＨｏｎとロー側スイッチング素子２１Ｌのオン時間ＴＬｏｎとなどにより定義されるスイッチングデューティーｄｕｔｙ（＝ＴＨｏｎ／（ＴＨｏｎ＋ＴＬｏｎ）など）に応じて、ハイ側およびロー側スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのオン／オフが切り替えられる。
なお、ハイ側およびロー側スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ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。

そして、本発明においては、後述するように、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを並列に接続する状態および直列に接続する状態および並列と直列との接続切替の状態などにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作が継続される（スイッチングデューティーｄｕｔｙ≠０）ようになっている。

チョークコイル２２は、一端がスイッチング回路２１のハイ側およびロー側スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのエミッタ−コレクタ間に接続され、他端が低電圧側端子１３Ｌに接続されている。
第１平滑コンデンサ２３は低電圧側端子１３Ｌおよび共通端子１３Ｃ間に接続され、第２平滑コンデンサ２４は高電圧側端子１３Ｈおよび共通端子１３Ｃ間に接続されている。

このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、低電圧側から高電圧側への昇圧動作時には、先ず、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオフかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオンとされ、低電圧側端子１３Ｌから入力される電流によってチョークコイル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオンかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオフとされ、チョークコイル２２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チョークコイル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。
これに伴い、チョークコイル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が低電圧側の入力電圧に上積みされて低電圧側の入力電圧よりも高い昇圧電圧が高電圧側に印加される。
この切替動作に伴って発生する電圧変動は第１および第２平滑コンデンサ２３，２４により平滑化され、昇圧電圧が高電圧側端子１３Ｈから出力される。

なお、高電圧側から低電圧側への降圧動作時には、先ず、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオフかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオンとされ、高電圧側から入力される電流によってチョークコイル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、ハイ側スイッチング素子２１Ｈがオンかつロー側スイッチング素子２１Ｌがオフとされ、チョークコイル２２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チョークコイル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。
このチョークコイル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は、スイッチングデューティーｄｕｔｙに応じて高電圧側の入力電圧が降圧された降圧電圧となり、降圧電圧が低電圧側に印加される。

第１スイッチ（ＳＷ１）１４は第２ノードＢと第３ノードＣとの間に接続されている。
第２スイッチ（ＳＷ２）１５は第１ノードＡと第３ノードＣとの間に接続されている。
第１および第２スイッチ１４，１５は、例えばスイッチング素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistorなど）であって、制御装置１７から出力される信号に応じてオン／オフが制御される。

なお、例えばスイッチング素子である第１スイッチ（ＳＷ１）１４は、エミッタが第２ノードＢに接続され、コレクタが第３ノードＣに接続され、エミッタ−コレクタ間にはエミッタからコレクタに向けて順方向になるようにしてダイオードが接続されている。
また、例えばスイッチング素子である第２スイッチ（ＳＷ２）１５は、コレクタが第１ノードＡに接続され、エミッタが第３ノードＣに接続され、エミッタ−コレクタ間にはエミッタからコレクタに向けて順方向になるようにしてダイオードが接続されている。

補機１６は第３ノードＣと第４ノードＤとの間に接続され、燃料電池スタック１２から電力が供給される。

制御装置１７は、例えば、接続切替制御部３１と、可変電圧制御部３２と、電動機制御部３３とを備えて構成されている。

そして、制御装置１７には、例えば、バッテリ１１の電圧（バッテリ電圧）Ｖｂを検出する電圧センサ４１ａおよび電流（バッテリ電流）Ｉｂを検出する電流センサ４２ａから出力される信号と、燃料電池スタック１２の電圧（燃料電池電圧）Ｖｆｃを検出する電圧センサ４１ｂおよび電流（燃料電池電流）Ｉｆｃを検出する電流センサ４２ｂから出力される信号と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の第１平滑コンデンサ２３の電圧つまり低電圧側端子１３Ｌと共通端子１３Ｃとの間の電圧（第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧）Ｖ１を検出する電圧センサ４１ｃおよびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の入力電流（ＤＣ−ＤＣコンバータ入力電流）Ｉｄｃを検出する電流センサ４２ｃから出力される信号と、電動機（Ｍ）２の回転数および発生トルクを検出する各センサ（図示略）から出力される信号とが入力されている。

接続切替制御部３１は、第１スイッチ（ＳＷ１）１４および第２スイッチ（ＳＷ２）１５のオン／オフを制御する。
可変電圧制御部３２は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）された信号（ＰＷＭ信号）のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作、つまり各スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのオン／オフを制御する。
なお、スイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）は、例えばＰＷＭ信号の１周期における各スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのオン期間の比率などである。

そして、可変電圧制御部３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作によって、例えば第１ノードＡを第３ノードＣに接続可能にするようにして第２ノードＢの電位を変更することによって、第２ノードＢからバッテリ１１を介した第１ノードＡの電位を調整する、あるいは、例えば第２ノードＢを第３ノードＣに接続可能にするようにして第２ノードＢの電位を変更する。

電動機制御部３３は、例えば３相のブラシレスＤＣモータなどの電動機（Ｍ）２の駆動時において、回転直交座標をなすｄｑ座標上で電流のフィードバック制御（ベクトル制御）を行ない、バッテリ１１および燃料電池スタック１２から供給される直流電力を交流電力に変換する駆動用インバータ３の電力変換動作を制御する。

例えば、電動機制御部３３は、電動機（Ｍ）２に対するトルク指令に応じた目標ｄ軸電流及び目標ｑ軸電流を演算し、目標ｄ軸電流及び目標ｑ軸電流に基づいて３相の各相出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを算出し、各相出力電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに応じて駆動用インバータ３にゲート信号であるＰＷＭ信号を入力する。
そして、実際に駆動用インバータ３から電動機（Ｍ）２に供給される各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値をｄｑ座標上に変換して得たｄ軸電流及びｑ軸電流と、目標ｄ軸電流及び目標ｑ軸電流との各偏差がゼロとなるようにフィードバック制御を行なう。

本発明の実施形態による電動車両用電源装置１は上記構成を備えており、次に、電動車両用電源装置１の動作について説明する。

制御装置１７は、例えば電動機（Ｍ）２の負荷が小さく、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が小さい場合などには、図２（Ａ）に示すように、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）かつ第２スイッチ（ＳＷ２）１５を閉（オン）として、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを並列に接続する。
この並列接続時において、例えば図３に示す時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間のようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作は継続される。

これに伴い、例えば図２（Ｂ）に示すように、第１ノードＡの電位ＶＡと第３ノードＣの電位ＶＣとは同一かつ第４ノードＤの電位ＶＤよりも第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１およびバッテリ電圧Ｖｂの加算値（＝Ｖ１＋Ｖｂ）だけ高くなる。また、第２ノードＢの電位ＶＢは第４ノードＤの電位ＶＤよりも第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１だけ高くなる。
そして、この並列接続の状態（第１接続状態）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）は、例えば下記数式（１）に示すように記述される。

この並列接続の状態において、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に供給される電動機駆動電圧は、例えば図３に示す時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間のように、燃料電池電圧Ｖｆｃに等しく、いわば燃料電池スタック１２がメイン電源として設定され、バッテリ１１がアシスト電源として設定されている。
そして、燃料電池スタック１２とバッテリ１１との出力配分は、例えば下記数式（２）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）に応じた第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１によって制御される。

そして、この並列接続の状態において、例えば電動機（Ｍ）２の負荷の増大に伴い、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が大きくなった場合などには、制御装置１７は、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを直列に接続するように切り替える。

この接続切替時において、制御装置１７は、先ず、例えば図４（Ａ）に示すように、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）に維持しつつ、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を閉（オン）から開（オフ）へと切り替える。
これにより、第３ノードＣと第１ノードＡ及び第２ノードＢとを切り離す
そして、例えば下記数式（３）に示すように記述されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）を低下傾向に変化させてスイッチング動作を実行させる。

これに伴い、例えば図４（Ｂ）および下記数式（４）に示すように、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１は増大傾向に変化し、第２ノードＢの電位ＶＢは第３ノードＣの電位ＶＣに向かい高くなり、第１ノードＡの電位ＶＡは第３ノードＣの電位ＶＣよりも第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１の増大分だけ高くなる。

そして、この接続切替時の状態（第３接続状態）においては、例えば図３に示す時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間のように、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１の増大に伴い、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に供給される電動機駆動電圧は増大傾向に変化する。
また、バッテリ電流Ｉｂは、所定のハイ側電流値まで増大傾向に変化した後に、このハイ側電流値を維持する。
また、燃料電池電流Ｉｆｃは、所定のロー側電流値まで減少傾向に変化した後に、このロー側電流値を維持する。

次に、制御装置１７は、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１が燃料電池電圧Ｖｆｃに到達した時点、つまり第２ノードＢを第３ノードＣに接続可能になった時点で、例えば図５（Ａ）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を継続しつつ、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）から閉（オン）へと切り替える。これと共に、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を開（オフ）に維持し、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを直列に接続する。

これに伴い、例えば図５（Ｂ）に示すように、第２ノードＢの電位ＶＢと第３ノードＣの電位ＶＣとは同一かつ第４ノードＤの電位ＶＤよりも第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１（つまり燃料電池電圧Ｖｆｃと同一の第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１）だけ高くなり、第１ノードＡの電位ＶＡは第３ノードＣの電位ＶＣよりもバッテリ電圧Ｖｂだけ高くなる。
そして、例えば図３に示す時刻ｔ３以降のように、バッテリ電流Ｉｂは、所定のハイ側電流値から減少傾向に変化し、燃料電池電流Ｉｆｃは、所定のロー側電流値から増大傾向に変化する。

この直列接続の状態（第２接続状態）において、制御装置１７はＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を継続しており、スイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）は、例えば下記数式（５）に示すように記述される。
これにより、例えば下記数式（６）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１２の燃料電池電圧Ｖｆｃとバッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂとの比が記述され、この比は、燃料電池スタック１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）とバッテリ１１の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との比に対応する。

制御装置１７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１２の動作点とバッテリ１１の動作点との比が記述されることを用いて、負荷の総消費電力を燃料電池スタック１２およびバッテリ１１などの電力供給側の出力電力で賄いつつ、燃料電池スタック１２とバッテリ１１との出力配分を制御する。
これにより、電動機（Ｍ）２の駆動時および回生時における各種の運転モードを実行可能とし、各種の運転モード毎に対して燃料電池電流Ｉｆｃに対する目標電流を設定し、燃料電池電流Ｉｆｃ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行なうことによって、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。

なお、電動機（Ｍ）２の駆動時におけるモードは、例えば、バッテリ１１の出力のみが駆動用インバータ３に供給されるＥＶモードと、バッテリ１１および燃料電池スタック１２の出力が駆動用インバータ３に供給される（バッテリ＋ＦＣ）モードと、燃料電池スタック１２の出力のみが駆動用インバータ３に供給される第１のＦＣモードと、燃料電池スタック１２の出力のみが駆動用インバータ３およびバッテリ１１に供給されてバッテリ１１が充電される第２のＦＣモードとなどである。

また、電動機（Ｍ）２の回生時におけるモードは、例えば、駆動用インバータ３の回生電力によりバッテリ１１が充電される回生モードと、駆動用インバータ３の回生電力および燃料電池スタック１２の出力がバッテリ１１に供給されてバッテリ１１が充電される（回生＋ＦＣによるバッテリ充電）モードとなどである。

例えば、制御装置１７は、燃料電池スタック１２の出力のみが駆動用インバータ３に供給される第１のＦＣモードなどにおいて、電動機（Ｍ）２に要求される出力に対して燃料電池スタック１２の出力が不足する場合、あるいは、電動機（Ｍ）２に要求される出力が低いことで燃料電池スタック１２の運転効率が低下してしまう場合、あるいは、燃料電池スタック１２の劣化が促進される運転状態である場合などにおいて、バッテリ１１の出力配分を増大させる。

以下に、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対するバッテリ１１と燃料電池スタック１２との接続を並列または直列に切り替える処理について説明する。
先ず、例えば図６に示すステップＳ０１においては、バッテリ電圧Ｖｂと燃料電池電圧Ｖｆｃとを検出する。

次に、ステップＳ０２においては、直列接続時における直列電圧Ｖｓ（＝Ｖｆｃ＋Ｖｂ）を算出する。

次に、ステップＳ０３においては、並列接続時の並列電圧に相当する燃料電池電圧Ｖｆｃと、電動機（Ｍ）２の回転数および発生トルクと応じて、例えば図７に示すような電動機損失マップを検索して、第１電動機損失値Ｑｍｏｔ１を取得する。
なお、電動機損失マップは、予め実施される試験の試験結果などに応じて作成されており、例えば、電動機（Ｍ）２の回転数または発生トルクの増大に伴い、電動機損失値が増大傾向に変化し、電圧の増大に伴い、電動機損失値が減少傾向に変化するような特性を有している。

次に、ステップＳ０４においては、直列電圧Ｖｓと、電動機（Ｍ）２の回転数および発生トルクと応じて、例えば図７に示すような電動機損失マップを検索して、第２電動機損失値Ｑｍｏｔ２を取得する。

次に、ステップＳ０５においては、第１電動機損失値Ｑｍｏｔ１は第２電動機損失値Ｑｍｏｔ２未満であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ０８に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。

そして、ステップＳ０６においては、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とは直列に接続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、エンドに進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０７に進み、このステップＳ０７においては、後述する直列接続から並列接続への切替処理を実行し、エンドに進む。

また、ステップＳ０８においては、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とは並列に接続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、エンドに進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０９に進み、このステップＳ０９においては、後述する並列接続から直列接続への切替処理を実行し、エンドに進む。

以下に、上述したステップＳ０７での直列接続から並列接続への切替処理について説明する。
先ず、例えば図８に示すステップＳ１１においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ入力電流Ｉｄｃがバッテリ電流Ｉｂと同一になるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を実行する。

次に、ステップＳ１２においては、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を閉（オン）から開（オフ）へと切り替える。
次に、ステップＳ１３においては、第１ノードＡを第３ノードＣに接続可能にするようにして第２ノードＢの電位を変更することによって、第２ノードＢからバッテリ１１を介した第１ノードＡの電位ＶＡを調整して、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１が所定値（第１ノードＡを第３ノードＣに接続可能な所定値）になるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を実行する。
次に、ステップＳ１４においては、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を開（オフ）から閉（オン）へと切り替え、リターンに進む。

以下に、上述したステップＳ０９での並列接続から直列接続への切替処理について説明する。
先ず、例えば図９に示すステップＳ２１においては、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を閉（オン）から開（オフ）へと切り替える。
次に、ステップＳ２２においては、第２ノードＢを第３ノードＣに接続可能にするようにして、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１が燃料電池電圧Ｖｆｃと同一になるようにＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を実行する。

次に、ステップＳ２３においては、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）から閉（オン）へと切り替える。
次に、ステップＳ２４においては、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を継続して、リターンに進む。

上述したように、本発明の実施形態による電動車両用電源装置１によれば、電動機（Ｍ）２の負荷が小さく、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が小さい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを並列に接続する。
一方、電動機の負荷が大きく、電動機で必要とされる駆動電圧が大きい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを直列に接続する。

これらにより、電動機（Ｍ）２の負荷が大きい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動電圧を増大させて所望の動力性能を確保することができ、電動機（Ｍ）２の負荷が小さい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動電圧が過大になることを防止して電動機（Ｍ）２および駆動用インバータ３の運転効率を増大させることができる。
したがって、例えば坂道発進などの高トルクの走行モードであっても、電動機（Ｍ）２を駆動制御する駆動用インバータ３においてスイッチング損失が増大したり、過熱が生じることを防止し、走行制御に対して出力制限が生じてしまうことを防止することができる。

さらに、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対するバッテリ１１と燃料電池スタック１２との接続を、電動機（Ｍ）２の負荷の増大に応じて、並列と直列との間で切り替える場合には、第１スイッチ（ＳＷ１）１４および第２スイッチ（ＳＷ２）１５を開として燃料電池スタック１２を電動機（Ｍ）２から切り離し、第３ノードＣと第１ノードＡ及び第２ノードＢとを切り離し、バッテリ１１のみによって電動機（Ｍ）２に電力を供給する第３接続状態を経由する。

これにより、電動機（Ｍ）２に対する電力供給を維持した状態で電動機（Ｍ）２の負荷の大きさに応じて、電動機（Ｍ）２に対するバッテリ１１と燃料電池スタック１２との接続を並列と直列との間で切り替えることができ、例えば内燃機関などの動力を用いずに電源から供給される電力のみで走行を行なうＡＥＲ（All Electric Range）走行時であっても、少なくともバッテリ１１から供給される電力により走行制御を継続することができる。

さらに、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とが直列に接続される第２接続状態において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を行ない、スイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）を変更することによって、バッテリ１１と燃料電池スタック１２との間における出力配分を容易に調整することができる。

また、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とが並列に接続される第１接続状態において、バッテリ１１の一端（つまり、第１ノードＡ側の端子）と燃料電池スタック１２の一端（つまり、第３ノードＣ側の端子）とのみが同電位で接続された状態で、メイン電源とアシスト電源とを区別しつつ、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ１によってバッテリ１１と燃料電池スタック１２との間における出力配分を容易に調整することができる。

さらに、補機１６の消費電力を燃料電池スタック１２から供給することができ、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対するバッテリ１１と燃料電池スタック１２との接続を並列と直列との間で切り替えるときに、電動機（Ｍ）２の消費電力を負担するバッテリ１１からより多くの電力を電動機（Ｍ）２に供給することができる。

なお、上述した実施の形態においては、例えば図１０に示す変形例のように、電動車両用電源装置１を構成する各要素の極性を反転させてもよい。
この変形例に係る電動車両用電源装置１において、上述した実施の形態に係る電動車両用電源装置１と異なる点は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の高電圧側端子１３Ｈが第４ノードＤに接続され、共通端子１３Ｃが第１ノードＡに接続され、電圧センサ４１ｃの代わりに高電圧側端子１３Ｈと低電圧側端子１３Ｌとの間の電圧（第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧）Ｖ２を検出する電圧センサ４１ｄを備えている点である。

以下に、上述した実施の形態の変形例に係る電動車両用電源装置１の動作について説明する。

制御装置１７は、例えば電動機（Ｍ）２の負荷が小さく、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が小さい場合などには、図１１（Ａ）に示すように、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）かつ第２スイッチ（ＳＷ２）１５を閉（オン）として、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを並列に接続する。
この並列接続時において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作は継続される。

これに伴い、例えば図１１（Ｂ）に示すように、第１ノードＡの電位ＶＡと第３ノードＣの電位ＶＣとは同一、かつ、第２ノードＢの電位ＶＢは第１ノードＡの電位ＶＡおよび第３ノードＣの電位ＶＣよりもバッテリ電圧Ｖｂだけ高く、第４ノードＤの電位ＶＤは第２ノードＢの電位ＶＢよりも第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ２だけ高くなる。
そして、この並列接続の状態（第１接続状態）において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）は、例えば下記数式（７）に示すように記述される。

この並列接続の状態において、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に供給される電動機駆動電圧は、燃料電池電圧Ｖｆｃに等しく、いわば燃料電池スタック１２がメイン電源として設定され、バッテリ１１がアシスト電源として設定されている。
そして、燃料電池スタック１２とバッテリ１１との出力配分は、例えば下記数式（８）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）に応じた第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ２によって制御される。

そして、この並列接続の状態において、例えば電動機（Ｍ）２の負荷の増大に伴い、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が大きくなった場合などには、制御装置１７は、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを直列に接続するように切り替える。

この接続切替時において、制御装置１７は、先ず、例えば図１２（Ａ）に示すように、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）に維持しつつ、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を閉（オン）から開（オフ）へと切り替える。
これにより、第３ノードＣと第１ノードＡ及び第２ノードＢとを切り離す
そして、例えば下記数式（９）に示すように記述されるＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）を低下傾向に変化させてスイッチング動作を実行させる。

これに伴い、例えば図１２（Ｂ）および下記数式（１０）に示すように、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ２は増大傾向に変化し、第３ノードＣの電位ＶＣは第１ノードＡの電位ＶＡよりも第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ２の増大分だけ高くなり、第３ノードＣの電位ＶＣと第２ノードＢの電位ＶＢとの差が小さくなる。

次に、制御装置１７は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧Ｖ２が燃料電池電圧Ｖｆｃに到達した時点、つまり第２ノードＢを第３ノードＣに接続可能になった時点で、例えば図１３（Ａ）に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を継続しつつ、第１スイッチ（ＳＷ１）１４を開（オフ）から閉（オン）へと切り替える。これと共に、第２スイッチ（ＳＷ２）１５を開（オフ）に維持し、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対してバッテリ１１と燃料電池スタック１２とを直列に接続する。
これに伴い、例えば図１３（Ｂ）に示すように、第２ノードＢの電位ＶＢと第３ノードＣの電位ＶＣとは同一かつ第１ノードＡの電位ＶＡよりもバッテリ電圧Ｖｂだけ高くなる。

この直列接続の状態（第２接続状態）において、制御装置１７はＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作を継続しており、スイッチングデューティー（ｄｕｔｙ）は、例えば下記数式（１１）に示すように記述される。
これにより、例えば下記数式（１２）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１２の燃料電池電圧Ｖｆｃとバッテリ１１のバッテリ電圧Ｖｂとの比が記述され、この比は、燃料電池スタック１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）とバッテリ１１の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との比に対応する。

制御装置１７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１２の動作点とバッテリ１１の動作点との比が記述されることを用いて、負荷の総消費電力を燃料電池スタック１２およびバッテリ１１などの電力供給側の出力電力で賄いつつ、燃料電池スタック１２とバッテリ１１との出力配分を制御する。
これにより、電動機（Ｍ）２の駆動時および回生時における各種の運転モードを実行可能とし、各種の運転モード毎に対して燃料電池電流Ｉｆｃに対する目標電流を設定し、燃料電池電流Ｉｆｃ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行なうことによって、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。

なお、上述した実施の形態および変形例においては、バッテリ１１と燃料電池スタック１２とは配置位置が入れ替えられてもよい。

１ 電動車両用電源装置
２ 電動機（Ｍ）
３ 駆動用インバータ
１１ バッテリ（二次電池）
１２ 燃料電池スタック
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３Ｌ 低電圧側端子
１３Ｈ 高電圧側端子
１３Ｃ 共通端子
１４ 第１スイッチ（ＳＷ１）
１５ 第２スイッチ（ＳＷ２）
１６ 補機
１７ 制御装置
３１ 接続切替制御部
３２ 可変電圧制御部
３３ 電動機制御部

Claims (5)

1. 第１ノードと第２ノードとの間に接続された第１電源と、
   前記第２ノードと第３ノードとの間に接続された第１スイッチと、
   前記第３ノードと第４ノードとの間に接続された第２電源と、
   前記第１ノードと前記第３ノードとの間に接続された第２スイッチと、
   前記第２ノードに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第１スイッチを開かつ前記第２スイッチを閉として前記第１ノードと前記第３ノードとを接続する第１接続状態と、
   前記第１スイッチを閉かつ前記第２スイッチを開として前記第２ノードと前記第３ノードとを接続する第２接続状態と、
   前記第１スイッチを開かつ前記第２スイッチを開として前記第３ノードと前記第１ノード及び前記第２ノードとを切り離すとともに、前記第１電源から電動機へ給電可能な第３接続状態とを切り替え可能な切替手段と、
   を備え、
   前記切替手段は、前記第３接続状態を経由して前記第１接続状態と前記第２接続状態とを切り替え、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   前記第２接続状態から前記第１接続状態に切り替える場合の前記第３接続状態において、前記第１ノードの電位を前記第３ノードの電位に等しくする状態に向かうようにして、スイッチングデューティーを変化させて前記第２ノードの電位を変更することによって、前記第２ノードから前記第１電源を介した前記第１ノードの電位を調整する、又は、
   前記第１接続状態から前記第２接続状態に切り替える場合の前記第３接続状態において、前記第２ノードの電位を前記第３ノードの電位に等しくする状態に向かうようにして、スイッチングデューティーを変化させて前記第２ノードの電位を変更しており、
   前記第１ノードと前記第４ノードとの間から取り出される出力電力は前記電動機に供給され、
   前記第１電源および前記第２電源のうち、何れか一方が燃料電池スタックであり、何れか他方が二次電池であることを特徴とする電動車両用電源装置。
2. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第２接続状態と前記第３接続状態との接続切替時の時間的前後においてスイッチング動作を継続することを特徴とする請求項１に記載の電動車両用電源装置。
3. 前記第３ノードと前記第４ノードとの間に補機が接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動車両用電源装置。
4. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側端子は前記第２ノードに接続され、高電圧側端子は前記第１ノードに接続され、共通端子は前記第４ノードに接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の電動車両用電源装置。
5. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側端子は前記第２ノードに接続され、高電圧側端子は前記第４ノードに接続され、共通端子は前記第１ノードに接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の電動車両用電源装置。

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