JP5350067B2 - 電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載される電源システムに関する。
従来、車両に搭載される電源システムとしては、バッテリを電源として、該バッテリの電圧を昇圧して電源ラインに供給すると共に、電源ラインに供給された電圧をＤＣ／ＡＣコンバータで商用交流電圧に変換して出力する電源システムが知られている（特許文献１参照）。また、エンジンの動力でモータにより発電させたときの発電電力やバッテリの電力を、ＡＣインバータを介して商用交流電源に変換するものが知られている（特許文献２参照）。
特開２００６−２８８１２９号公報 特開２００６−２０４５５号公報
ここで、電源がバッテリのみにより構成されている電源システムにおいては、該バッテリから昇圧して供給される直流電圧を交流に変換することで、商用交流電源を簡単に取り出すことができるが、バッテリの充電容量を超えた使用はできない。
また、エンジンの動力でモータを回動させたときの発電電力が使用可能な場合であっても、イグニッションがオンされていなければエンジンの動力を取り出すことができず、結果としてバッテリの充電容量を超えた使用をすることはできない。
さらに、バッテリからイグニッションがオン等に必要な電力が供給されるため、バッテリの充電容量のすべてを商用交流電源として取り出すことができるわけでない。特に、低温下では暖気等に電力が消費されるため、バッテリの放電閾値を超えて外部へ電力供給されたり、バッテリの放電閾値により外部への電力供給が急に遮断されたりする虞がある。
そこで、本発明は、低温下においても電力を外部へ安定的に供給することができる電源システムを提供することを目的とする。
第１発明の電源システムは、車両に搭載される電源システムであって、電力供給手段と、一方が前記電力供給手段に接続されると共に、他方が前記車両を駆動するための電動機に接続され、該電力供給手段の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該電動機に供給する第１昇圧手段と、一方が前記第１昇圧手段の他方に前記電動機と並列に接続され、該第１昇圧手段の出力電圧を更に昇圧する第２昇圧手段と、前記第２昇圧手段の他方に接続された蓄電手段と、前記第１昇圧手段の一方に前記電力供給手段と並列に接続され、外部への電力の供給が可能な第１電力供給部と、前記電力供給手段の温度を計測する第１温度センサと、前記第１温度センサの計測温度が前記電力供給手段の加熱を必要とする温度閾値を下回る場合に、該温度閾値以上に加熱するのに必要な電力量を算出し、算出した電力量を前記蓄電手段の放電閾値に加算した第１放電閾値を設定し、該第１放電閾値を上回る範囲で前記電力供給手段と該蓄電手段とから前記第１電力供給部への電力の供給を制御する電力供給制御手段とを備えることを特徴とする。
第１発明の電源システムによれば、第１昇圧手段により電力供給手段から供給された電圧が昇圧されて電動機へ高電圧で電力が供給される系において、電力供給手段に並列に接続された第１電力供給部は、電力供給手段から電力が供給可能に構成されると共に、蓄電手段からも第２昇圧手段を介して電力が供給可能に構成される。
ここで、蓄電手段から電力供給手段の補機等の駆動に必要な電力が供給されるところ、特に、低温下では、電力供給手段の暖機などのために蓄電手段の電力が消費され、蓄電手段の充電容量が低下する。しかしながら、電力供給手段の加熱に必要な電力量を算出し、算出した電力量を蓄電手段の放電閾値に加算した新たな第１放電閾値を設定し、設定した第１放電閾値を上回る範囲で蓄電手段から第１電力供給部への電力の供給を制御することで、蓄電手段の放電閾値を超えて外部へ電力供給されたり、蓄電手段の放電閾値により外部への電力供給が急に遮断されたりすることを回避することができる。このように、本発明の電源システムによれば、低温下においても電力を外部へ安定的に供給することができる。
第２発明の電源システムは、第１発明の電源システムにおいて、前記電力供給手段としての燃料電池と、前記車両内に設けられた循環路を流れ、少なくとも前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を計測する第２温度センサとを備え、前記電力供給制御手段は、前記第２センサの計測温度が前記冷却媒体の加熱を必要とする温度閾値を下回る場合に、該温度閾値以上に冷却媒体を加熱するのに必要な電力量を算出し、算出した電力量を前記第１放電閾値に加算した第２放電閾値を設定し、該第２放電閾値を上回る範囲で前記燃料電池と該蓄電手段とから前記第１電力供給部への電力の供給を制御することを特徴とする。
第２発明の電源システムによれば、低温下では、燃料電池自体の加熱に加えて、燃料電池を冷却する冷却媒体を加熱する必要が生じる。そこで、冷媒媒体の計測温度がこの加熱を必要とする温度閾値を下回る場合に、冷却媒体の加熱に必要な電力量を算出し、算出した電力量を蓄電手段の放電閾値に加算した新たな第２放電閾値を設定し、設定した第２放電閾値を上回る範囲で蓄電手段から第１電力供給部への電力の供給を制御することで、低温下においても電力を外部へ安定的に供給することができる。
第３発明の電源システムは、第１または第２発明の電源システムにおいて、前記電力供給制御手段は、前記第１電力供給部への電力の供給を、前記燃料電池の作動に先立って前記蓄電手段から実行するように制御することを特徴とする。
第３発明の電源システムによれば、蓄電手段の電力を第１電力供給部へ優先的に供給することで、燃料電池の作動が最小となるようにすることができる。そのため、燃料電池の出力を第１電力供給部の消費電力に合わせて変化させる必要がなくなり、第１電力供給部へ電力を安定的に供給することができる。
また、燃料電池が作動を開始してから所定の定格出力が出力可能となるまでには一定の起動時間を要するところ、かかる電源システムによれば、燃料電池の作動に先立って、蓄電手段から第１電力供給部へ電力の供給を行うことで、燃料電池からの出力が出力可能となることを待つことなく、第１電力供給部を使用可能に構成することができる。
第４発明の電源システムは、第３発明の電源システムにおいて、前記第１昇圧手段の一方に燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、前記蓄電手段としての二次電池とを備え、前記電力供給制御手段は、前記第１電力供給部への電力の供給を、第１に前記キャパシタから第２に前記二次電池から第３に前記燃料電池から実行し、前記キャパシタの充電量が放電閾値となった場合に、該キャパシタに替えて前記二次電池から該第１電力供給部への電力の供給を開始させ、前記二次電池の充電量が前記第２放電閾値より大きく設定された所定値となった場合に、前記燃料電池の作動を開始させ、該燃料電池が所定の出力を出力できる状態となったときに、該二次電池に替えて該燃料電池から該第１電力供給部への電力の供給を開始させることを特徴とする。
第４発明の電源システムによれば、キャパシタは充電容量が二次電池に比して小さく充放電率が高い場合が多いため、第１にキャパシタから放電させ、キャパシタの充電量がその放電閾値を下回る前に、二次電池からの放電を開始させることができる。
第２に充電容量が大きい二次電池から放電させることで、放電による充電量の減少割合が小さく、長時間に亘って第１電力供給部に安定した電力を供給することができる。また、二次電池が、加熱消費電力を考慮して設定された新たな第２放電閾値を下回る前に燃料電池から所定の出力が出力可能となるように前記所定値を設定することで、低温下において、燃料電池の起動時間の間も第１電力供給部に安定的に電力を供給することができると共に、二次電池がその新たな放電閾値を下回ることも防止することができる。
そして、第３に燃料電池が所定の出力が出力可能となった燃料電池からの放電を行うことで、燃料電池から第１電力供給部の電力を安定供給できると共に、燃料電池によるキャパシタ及び二次電池の充電が可能となる。
第５発明の電源システムは、第４発明の電源システムにおいて、前記第２昇圧手段と前記二次電池とに並列に接続されて外部への電力の供給が可能な第２電力供給部を備えることを特徴とする。
第５発明の電源システムによれば、第２電力供給部が、第２昇圧手段と二次電池の間で二次電池に接続されおり、該二次電池から前記新たな放電閾値の範囲内で優先的に電力が供給される。これにより、低温下においても、二次電池から比較的小さな電力を長時間に亘って第２電力供給部に安定的に供給することができる。
第６発明の電源システムは、第４または第５発明の電源システムにおいて、前記キャパシタ及び二次電池の充電量から供給可能な電力量を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
第６発明の電源システムによれば、該電源システムのユーザは、キャパシタ及び二次電池の充電量から、第１又は第２電力供給部より安定的に供給可能な電力量を視覚的に認識することができる。特に、第１電力供給部に加えて、第２電力供給部が設けられている場合に、ユーザは、第１及び第２電力供給部のいずれを選択して電力の供給を受けるかを決定することができる。
本実施の形態における電源システムの全体構成図。 図１に示した燃料電池の構成を示す説明図。 図１に示した電源システムによる電力供給の態様を示した説明図。 電力供給の処理を示すフローチャート。 図４の通常給電ルーチンの処理を示すフローチャート。 図５のＦＣ起動ルーチンの処理を示すフローチャート。 図４の氷点下給電ルーチンの処理を示すフローチャート。 図７の氷点下起動ルーチンの処理を示すフローチャート。 温度と加熱に必要な電力量および加算されるＳＯＣとの関係を示す説明図。
図１に示すように、本実施の形態の電源システムは、燃料電池車両（本発明の車両に相当する）に搭載されるものであって、燃料電池１（本発明の電力供給手段に相当する）、燃料電池１と並列に接続された電気二重層キャパシタ２（以下、単にキャパシタ２という）、入力部が燃料電池１及びキャパシタ２に接続されると共に、出力部がＰＤＵ４（Power Drive Unit）を介して電動機５に接続された昇降圧手段３（Voltage Boost Unit、本発明の第１昇圧手段に相当する）、及び入力部が昇降圧手段３に接続されると共に出力部が二次電池６（本実施の形態では、リチウムイオンバッテリを使用）に接続された電圧変換手段７（本発明の第２昇圧手段に相当する）を備えている。
燃料電池１は、例えば燃料電池スタックを２５０個直列に接続して構成され、出力電圧が約２２５Ｖ（出力電流０Ａ）〜１８０Ｖ（出力電流２３０Ａ）の範囲で変動するものである。また、キャパシタ２は電気二重層キャパシタであり、出力電圧が２００Ｖを中心とした範囲（約下限１５０Ｖ〜上限２５０Ｖの範囲）で変動するものである。また、二次電池６の出力電圧は約３００Ｖ〜５００Ｖの範囲で変動する。
昇降圧手段３は、例えば、定格７０ｋｗで昇圧比１．２〜３．０のＤＣ／ＤＣコンバータであって、少なくとも昇圧機能を有し、降圧機能は必要に応じて付加される。また、電圧変換手段７は、例えば、定格３０ｋｗで昇圧比１．２〜３．０のＤＣ／ＤＣコンバータである。また、昇降圧手段３および電圧変換手段７は少なくとも一方が、電流フィードバック制御を行い昇圧後の電流値を設定した電流値以下に制限する。
また、電源システムは、キャパシタ２と昇降圧手段３との間で、燃料電池１とキャパシタ２とに並列に接続された第１電力供給部１０（本実施の形態では、出力コンセント）を備える。第１電力供給部１０は、インバータ回路からなるＤＣ／ＡＣ変換器１１を介して、燃料電池１及びキャパシタ２に直結する第１電力供給ラインＬ１と接続されており、ＤＣ／ＡＣ変換器１１は、第１電力供給ラインＬ１の直流電圧を商用交流電圧に変換して第１電力供給部１０に供給する。
さらに、電源システムは、二次電池６と電圧変換手段７との間に、二次電池６と電圧変換手段７とに並列に接続された補機８ａおよび加熱ヒータ８ｂと第２電力供給部２０（本実施の形態では、出力コンセント）とを備える。
補機８ａは、図２に示すように、車両内に設けられた循環路８０を流れて少なくとも燃料電池１を冷却する冷却媒体（冷却水）を循環させる冷却媒体循環ポンプ８１、燃料電池１に水素ガス等の燃料タンク８２から反応ガスを供給するための水素循環ポンプ８３、外気を吸引して燃料電池１に供給するファン８４である。加熱ヒータ８ｂは、循環路８０に設けられたラジエタ８５に取り付けられて、冷却媒体（冷却水）を加熱する電気加熱式のヒータ８６である。
補機８ａおよび加熱ヒータ８ｂと第２電力供給部２０とは、ＰＤＵ９（Power Drive Unit）を介して、二次電池６及び電圧変換手段７に直結する第２電力供給ラインＬ２に接続されている。ここで、第２電力供給部２０には、ＰＤＵ９で調圧された低電圧（例えば、ＤＣ１２Ｖ）が、二次電池６から優先的に供給され、例えば、車両内に持ち込まれたテレビ、ラジオや照明機器等の接続が可能となっている。
第１電力供給ラインＬ１とＤＣ／ＡＣ変換器１１との間には、第１電力供給部１０への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする第１スイッチＳＷ１が設けられ、第２電力供給部２０とＰＤＵ９との間には、第２電力供給ラインＬ２から第２電力供給部２０への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする第２スイッチＳＷ２が設けられている。また、第１電力供給ラインＬ１を昇降圧手段３により昇圧した第３電力供給ラインＬ３には、電動機５への電力の供給をＯＮ／ＯＦＦする第３スイッチＳＷ３が設けられており、第３スイッチＳＷ３は、ユーザによる第１スイッチＳＷ１及び第２スイッチＳＷ２のＯＮ／ＯＦＦに連動して、後述する電力供給制御手段３０によりＯＮ／ＯＦＦの切り替えが制御される。
また、電源システムは、電力供給制御手段３０を備え、電力供給制御手段３０は、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６の各々に設けられた図示しない電圧センサ及び電流センサの検出信号を取得し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から出力される電圧、電流及び電力を検知する。
電力供給制御手段３０は、キャパシタ２の出力電圧及び出力電流とキャパシタ２の充電量であるＳＯＣ（State of Charge）との関係を規定したテーブル、二次電池６の出力電圧及び出力電流と二次電池６の充電量であるＳＯＣとの関係を規定したテーブルを備え、キャパシタ２及び二次電池６の各出力電圧及び各出力電流から、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣとを推定する。
また、電力供給制御手段３０は、燃料電池１の出力、キャパシタ２及び二次電池６の各ＳＯＣに基づいて、後述するように、燃料電池１の作動制御と、昇降圧手段３、電圧変換手段７及びＤＣ／ＡＣ変換器１１の作動制御とを実行し、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から第１電力供給部１０への電力供給と、燃料電池１からキャパシタ２及び二次電池６の充電とを行う。
電力供給制御手段３０は、電動機５は車両が減速する際には発電機として機能するため、車両の減速時に電動機５で生じる回生電力を回収して、該回生電力によりキャパシタ２及び二次電池６の充電を実行する。尚、このとき、電力供給制御手段３０は、ＰＤＵ４に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）により、電動機５の回生電力を検知して昇降圧手段３または電圧変換手段７の作動制御を実行し、電動機５からキャパシタ２及び二次電池６への充電とを行う。
さらに、電力供給制御手段３０は、図２に示すように、燃料電池１に取り付けられてこの温度を計測するＦＣ温度センサ３１（本発明の第１温度センサに相当する）と、循環路８０のラジエタ８５に設けられて、循環路８０を流れる冷却媒体の温度を計測する冷媒温度センサ３２（本発明の第２温度センサに相当する）と、車両外から吸気される外気の温度を計測する外気温センサ３３と接続されて、これらの温度を取得する。
さらに、電力供給制御手段３０は、例えば、液晶表示手段からなる表示部３４を備え、表示部３４には、燃料電池１の出力、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣから供給可能な電力量、燃料電池１とキャパシタ２と二次電池６のいずれから第１電力供給部１０への電力供給が供給されているか、燃料電池１からキャパシタ２及び二次電池６への充電が行われているか等が表示される。
尚、電力供給制御手段３０は、一定の周期又は所定のタイミングで、これら表示部３４に表示するデータを取得及び算出して表示部３４に表示する。ここで、所定のタイミングとしては、例えば、イグニッションのＯＮ又はＯＦＦのタイミング、第１スイッチ又は第２スイッチのＯＮ又はＯＦＦのタイミング等が該当する。これにより、ユーザは、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣから、第１又は第２電力供給部１０，２０から供給可能な電力量を認識することができ、第１及び第２電力供給部１０，２０のいずれを選択して電力の供給を受けるかを決定することができる。
例えば、ユーザは、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣがいずれも所定レベル（例えば３０％）以上である場合や、二次電池６のＳＯＣが所定レベル以上である場合には、第１電力供給部１０から電力の供給を受けることに適していることを認識することができる。一方、二次電池６のＳＯＣが所定レベル未満である場合には、第１電力供給部１０からの電力供給には適さず、第２電力供給部２０から比較的低電力の供給を受けることに適していることを認識することができる。このように、ユーザに第１及び第２電力供給部１０，２０のいずれを選択して電力の供給を受けるかを決定させる指標を与えることができる。
また、本実施形態の電源システムにおいて、燃料電池１と昇降圧手段３及びキャパシタ２との間には、ダイオードＤが設けられており、ダイオードＤにより燃料電池１への電流の流入が禁止されている。また、ダイオードＤに替えてトランジスタ等の他の整流素子を用いることにより、または、キャパシタ２を降圧手段（ダウンコンバータ）を介して燃料電池１に接続することにより、燃料電池１への電流の流入を禁止してもよい。
以上が、本実施の形態における電源システムの全体構成である。
次に、図３から図９を参照して、本実施形態の電源システムの全体的な作動について説明する。
図３は、燃料電池１、キャパシタ２及び二次電池６から第１電力供給部１０への電力供給の変化を示したものであり、横軸が時間（ｔ）で、縦軸がキャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣ及び燃料電池１の出力（％）に設定されている。
本実施形態では、燃料電池車両のイグニッションがＯＦＦされており、時間ｔ0で燃料電池１の発電が行われていない状態から、第１電力供給部１０を介して外部に電力を供給する場合について説明する。例えば、燃料電池車両が、キャンプ地等に乗り入れられており、イグニッションがＯＦＦされている状態で、第１電力供給部１０に外部機器（例えば、パソコンやホットプレート等）を接続して、これらに電力を供給する場合等が該当する。
まず、時間ｔ1でユーザが、第１スイッチＳＷ１をＯＮして、第１電力供給部１０に前記外部機器を接続すると、電力供給制御手段３０は、図４に示すフローチャートに従って、第１スイッチＳＷ１がＯＮされたことを検出する（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）。一方、第１スイッチＳＷ１がＯＮされない場合には（ＳＴＥＰ１でＮＯ）、リターンして、かかるチェックを繰り返し実行する。
次いで、電力供給制御手段３０は、第１スイッチＳＷ１がＯＮされると（ＳＴＥＰ１でＹＥＳ）、ＦＣ温度センサ３１、冷媒温度センサ３２および外気温センサ３３の計測温度の一部または全部から、氷点下でないかを判定する（ＳＴＥＰ２）。
そして、氷点下でない場合には（ＳＴＥＰ２でＹＥＳ）、後述する通常給電ルーチンによる第１電力供給部１０への電力供給を実行する（ＳＴＥＰ３）。一方、氷点下である場合には（ＳＴＥＰ２でＮＯ）、後述する氷点下給電ルーチンによる第１電力供給部１０への電力供給を実行する（ＳＴＥＰ３）。
尚、電力供給制御手段３０は、第１スイッチＳＷ１がＯＮされると、イグニッションがＯＦＦされていることを条件に第３スイッチＳＷ３をＯＦＦして、ＰＤＵ４への電力の供給を遮断する。これにより、イグニッションがＯＦＦされた状態では、電動機５側へ電力が供給されることがなく、ＰＤＵ４等で不要な電力が消費されることを防止することができる。
次に、図５および図６を参照して、通常給電ルーチンについて説明する。
まず、電力供給制御手段３０は、キャパシタ２のＳＯＣに従って、キャパシタ２のＳＯＣを推定し（ＳＴＥＰ１０）、キャパシタ２のＳＯＣが２５％（本発明の放電閾値に相当する）より大きいか否かを判定する（ＳＴＥＰ２０）。ＳＴＥＰ１０のキャパシタ２のＳＯＣ推定ルーチンでは、キャパシタ２の出力電圧、出力電流から、これらとキャパシタ２のＳＯＣとの関係を規定したテーブルに基づいてＳＯＣを算出する。尚、かかるテーブルによれば、キャパシタ２の出力電流が０の場合にも、出力電圧のみに基づいてキャパシタ２のＳＯＣを算出可能となっている。
そして、キャパシタ２のＳＯＣが２５％より大きい場合には（ＳＴＥＰ２０でＹＥＳ）、キャパシタ２から第１電力供給部１０への電力の供給を開始し（ＳＴＥＰ３０）、ＳＴＥＰ１０にリターンする。
具体的に図３において、キャパシタ２は、時間ｔ1でＳＯＣが約８５％であることから（ＳＴＥＰ２０でＹＥＳ）、電力供給制御手段３０は、昇降圧手段３及び電圧変換手段７の作動を停止させると共に、ＤＣ／ＡＣ変換器１１を作動させて、キャパシタ２に直結する第１電力供給ラインＬ１の直流電圧を商用交流電圧に変換して第１電力供給部１０に供給する（ＳＴＥＰ３０）。そして、キャパシタ２から第１電力供給部１０へ電力が供給されると、キャパシタ２のＳＯＣが時間の経過と共に徐々に低下する（ｔ1＜ｔ＜ｔ2）。
次に、図５において、キャパシタ２のＳＯＣが２５％以下の場合には（ＳＴＥＰ２０でＮＯ）、二次電池６のＳＯＣ推定ルーチンに従って、二次電池６のＳＯＣを推定し（ＳＴＥＰ４０）、二次電池６のＳＯＣが３０％以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ５０）。
ここで、二次電池６のＳＯＣレベルの判定閾値を３０％としているのは、後述する燃料電池１が起動されて所定の定格出力を出力できるまでの時間差を加味して、二次電池６のＳＯＣが２５％（本発明の放電閾値に相当する）に低下する前に燃料電池１からの電力供給を開始可能とするためである。また、ＳＴＥＰ４０の二次電池６のＳＯＣ推定ルーチンでは、二次電池６の出力電圧、出力電流から、これらと二次電池６のＳＯＣとの関係を規定したテーブルに基づいてＳＯＣを算出する。尚、かかるテーブルによれば、二次電池６の出力電流が０の場合にも、出力電圧のみ基づいて二次電池６のＳＯＣを算出可能となっている。
そして、二次電池６のＳＯＣが３０％以上の場合には（ＳＴＥＰ５０でＹＥＳ）、二次電池６から第１電力供給部１０への電力の供給を開始し（ＳＴＥＰ６０）、ＳＴＥＰ１０にリターンする。
具体的に図３において、キャパシタ２のＳＯＣが時間の経過と共に低下して（ｔ1＜ｔ＜ｔ2）、時間ｔ2でＳＯＣが２５％となると（ＳＴＥＰ２０）、二次電池６のＳＯＣを推定する（ＳＴＥＰ４０）。この場合、二次電池６のＳＯＣが時間ｔ2で約５０パーセントにあるため（ＳＴＥＰ５０でＹＥＳ）、電力供給制御手段３０は、昇降圧手段３及び電圧変換手段７を作動させて、二次電池６から第１電力供給部１０に電力を供給する（ＳＴＥＰ６０）。
すなわち、二次電池６に直結する第２電力供給ラインＬ２の直流電圧（約２９０Ｖ〜３５０Ｖ）を電圧変換手段７を介して、第３電力供給ラインＬ３の電圧（３７０Ｖ〜５７０Ｖ）に昇圧した後、昇降圧手段３を電動機５側から降圧手段（ダウンバータ）として用いて、第１電力供給ラインＬ１に二次電池６から電力を供給する。
そして、二次電池６から第１電力供給部１０へ電力が供給されると、二次電池６のＳＯＣが時間の経過と共に徐々に低下していく（ｔ2＜ｔ＜ｔ3）。
次に、図５において、二次電池６のＳＯＣが３０％未満の場合には（ＳＴＥＰ５０でＮＯ）、後述するＦＣ起動ルーチン（図６参照）に従って、燃料電池１の発電を行い、燃料電池１から第１電力供給部１０への電力の供給を行う。
具体的に図３において、二次電池６のＳＯＣが時間の経過と共に低下し（ｔ2＜ｔ＜ｔ3）、時間ｔ3でＳＯＣが３０％未満となると（ＳＴＥＰ５０）、燃料電池１の発電を開始する。そして、時間ｔ4で燃料電池１の出力が所定の定格出力（例えば、最大出力の約８０％）に達すると、電力供給制御手段３０は、燃料電池１から第１電力供給部１０に電力を供給させると共に、昇降圧手段３及び電圧変換手段７を作動させて、キャパシタ２及び二次電池６に電力を供給させてこれらを充電する。
すなわち、時間ｔ4で燃料電池１から第１電力供給ラインＬ１に供給されると、第１電力供給ラインＬ１から第１電力供給部１０に電力が供給されると共に、第１電力供給ラインＬ１からキャパシタ２に電力が供給されてキャパシタ２が充電される。また、第１電力供給ラインＬ１に供給された電力は、昇降圧手段３お及び電圧変換手段７を介して二次電池６に供給されて二次電池６が充電される。
そして、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣが上昇して（ｔ4＜ｔ＜ｔ6）、時間ｔ6でこれらのＳＯＣが所定レベルに達すると、燃料電池１の発電を停止して、再び、キャパシタ２、二次電池６及び燃料電池１の順に第１電力供給部１０に電力を供給する（ＳＴＥＰ１０にリターン）。
次に、図６のフローチャートを参照して、ＳＴＥＰ７０のＦＣ起動ルーチンの詳細について説明する。
まず、電力供給制御手段３０は、燃料電池１の燃料である水素が貯蔵された燃料タンク８２の残量を参照して、水素の残量が所定の規定値以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ７１）。ここで、所定の規定値は、例えば、燃料電池１を一定時間駆動可能な水素量である。
次に、水素の残量が規定値以上の場合には（ＳＴＥＰ７１でＹＥＳ）、補機８にＰＤＵを介して電力を供給して補機の作動を開始させることにより、燃料電池１への反応ガスの供給が開始されて燃料電池１が起動する（ＳＴＥＰ７２）。そして、上述のように、燃料電池１の出力が所定の定格出力に達すると、電力供給制御手段３０は、燃料電池１から第１電力供給ラインＬ１への電力の供給を開始する（ＳＴＥＰ７３）。これにより、第１電力供給部１０へは燃料電池１から電力が供給される。
一方、水素の残量が規定未満の場合には（ＳＴＥＰ７１でＮＯ）、表示部３４に水素残量が不足している旨の警告表示を行い（ＳＴＥＰ７４）、一連の処理を終了する。
次に、燃料電池１から第１電力供給ラインＬ１へ電力が供給されると（ＳＴＥＰ７３）、電力供給制御手段３０は、キャパシタ２及び二次電池６の出力電圧からＳＯＣが上昇しているか否かを判定する（ＳＴＥＰ７５）。
そして、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣがいずれも上昇している場合には（ＳＴＥＰ７５でＹＥＳ）、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣが上限レベルまで達しているか否かを判定する（ＳＴＥＰ７６）。キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣが上限レベルまで達している場合には（ＳＴＥＰ７６でＹＥＳ）、燃料電池１の発電を停止して（ＳＴＥＰ７７）、ＳＴＥＰ７０の燃料電池１の起動ルーチンに関する一連の処理を終了して、ＳＴＥＰ１０（図５参照）にリターンする。
一方、キャパシタ２及び二次電池６のいずれかのＳＯＣが上昇していない場合には（ＳＴＥＰ７５でＮＯ）、燃料電池１からキャパシタ２及び二次電池６への充電が行われずに、キャパシタ２又は二次電池６からも第１電力供給部１０へ電力の供給がなされている可能性がある。そのため、この場合には、燃料電池１の発電量を増加させ（ＳＴＥＰ７８）、燃料電池１の出力電圧を高める。続けて、増加させた燃料電池１の発電量が燃料電池１の出力上限となっているか否かを判定する（ＳＴＥＰ７９）。
そして、未だ、燃料電池１の出力上限に達していない場合には（ＳＴＥＰ７９でＮＯ）、ＳＴＥＰ７５に戻って、キャパシタ２及び二次電池６の出力電圧からＳＯＣが上昇しているか否かを判定する。一方、燃料電池１の出力上限に達している場合には（ＳＴＥＰ７９でＹＥＳ）、この出力上限に保持すると共に（ＳＴＥＰ８０）、表示部３４に燃料電池１の出力が出力上限である旨の表示を行い（ＳＴＥＰ８１）、ＳＴＥＰ７５に戻って、キャパシタ２及び二次電池６の出力電圧からＳＯＣが上昇しているか否かを判定する。
また、ＳＴＥＰ７６で、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣが上限レベルまで達していない場合には（ＳＴＥＰ７６でＮＯ）、ＳＴＥＰ７５に戻って、キャパシタ２及び二次電池６の出力電圧からＳＯＣが引き続き上昇しているか否かを判定する。
以上が、ＳＴＥＰ３の通常給電ルーチンの詳細である。
次に、図７および図８を参照して、氷点下給電ルーチンについて説明する。尚、氷点下給電ルーチンは、通常給電ルーチンの処理と一部が相違するものであるので、通常給電ルーチンと同一の処理については通常給電ルーチンと同一の参照符号（ＳＴＥＰ番号）を用いて説明を省略する。
図７に示すように、氷点下給電ルーチンにおいて、電力供給制御手段３０は、低温下（氷点下）における二次電池６の下限ＳＯＣ（本発明の第１または第２放電閾値）を設定し（ＳＴＥＰ４１〜４３）、二次電池６のＳＯＣが、設定した下限ＳＯＣを上回る所定値以上か否かに基づいて（ＳＴＥＰ５０−２）、二次電池６から第１電力供給部１０への電力供給を行う。
具体的に、電力供給制御手段３０は、ＳＴＥＰ４０で二次電池６のＳＯＣを推定すると、次いで、ＦＣ温度センサ３１および冷媒温度センサ３２の計測温度を取得する（ＳＴＥＰ４１）。
そして、電力供給制御手段３０は、取得したＦＣ温度センサ３１および冷媒温度センサ３２の計測温度から、燃料電池１および冷却媒体を０℃以上に加熱するのに必要な電力量を算出する（ＳＴＥＰ４２）。
具体的に、加熱に必要な電力量の算出は、図９に示すように、計測温度（℃、横軸）に対して、０℃に加熱するのに必要なエネルギー（ｗｈ、左縦軸）を規定したマップやデータテーブル等を参照して算出される。
例えば、図９において、燃料電池１の計測温度が−１０℃である場合には、ラインＡで示す関係により、燃料電池１を０℃に加熱するのに必要なエネルギーは、約８０ｗｈと算出される。同様に、冷却媒体の計測温度が−１０℃である場合には、ラインＢで示す関係により、燃料電池１を０℃に加熱するのに必要なエネルギーは、約６０ｗｈと算出される。そして、電力供給制御手段３０は、これらのエネルギーを加算した値（約１４０ｗｈ）を加熱に必要な電力量として算出する（ＳＴＥＰ４２）。
次に、電力供給制御手段３０は、ＳＴＥＰ４２で算出した電力量から、二次電池６の放電閾値にこの電力量を加算した二次電池６の下限ＳＯＣ（本発明の第２放電閾値に相当する）を設定する（ＳＴＥＰ４３）。
具体的に、二次電池６の下限ＳＯＣの設定は、図９に示すように、ＳＴＥＰ４２で算出した電力量（ｗｈ、左縦軸）を、ＳＯＣ（％、右縦軸）として読み替え、これを二次電池６の放電閾値に加算する。
例えば、燃料電池１および冷却媒体の計測温度が−１０℃である場合には、ラインＣで示す関係により、これらの０℃に加熱するのに必要なエネルギーとして算出された約１４０ｗｈは、二次電池６のＳＯＣの７％に相当するため、かかる７％を二次電池６の放電閾値２５％に加算し、下限ＳＯＣを３２％に設定する（ＳＴＥＰ４３）。
尚、ＳＴＥＰ４３で下限ＳＯＣに加算される値は、ヒータ８６の加熱時間（燃料電池１および冷却媒体を０℃とするのに要する時間）を考慮した値となっている。
次いで、電力供給制御手段３０は、二次電池６のＳＯＣが、ＳＴＥＰ４３で設定された下限ＳＯＣに一定の値（例えば５％）を加算した所定値（例えば３７％）以上であるか否かを判定する（ＳＴＥＰ５０−２）。ここで、二次電池６の下限ＳＯＣに一定の値をするのは、前記通常給電ルーチンのＳＴＥＰ５０と同様であり、燃料電池１が起動されて所定の定格出力を出力できるまでの時間差を加味したものである。
そして、電力供給制御手段３０は、二次電池６のＳＯＣが所定値以上である場合には（ＳＴＥＰ５０−２でＹＥＳ）、二次電池６から第１電力供給部１０への電力の供給を開始し（ＳＴＥＰ６０）、二次電池６のＳＯＣが所定値未満である場合には（ＳＴＥＰ５０−２でＮＯ）、後述する氷点下ＦＣ起動ルーチン（図８参照）に従って、燃料電池１の発電を行い、燃料電池１から第１電力供給部１０への電力の供給を行う。
次に、図８のフローチャートを参照して、ＳＴＥＰ７０−２の氷点下ＦＣ起動ルーチンの詳細について説明する。
電力供給制御手段３０は、燃料タンク８２の水素の残量が規定値以上の場合に（ＳＴＥＰ７１でＹＥＳ）、二次電池６よりヒータ８６への通電を行う（ＳＴＥＰ７１−２）。このとき、電力供給制御手段３０は、冷媒温度センサ３２の測定温度を取得し、この冷媒温度が０℃以上となったタイミングで、冷却媒体循環ポンプ８１を作動させる。
次いで、電力供給制御手段３０は、ＦＣ温度センサ３１の計測温度を取得し、燃料電池１が０℃以上となっているか否かを判定する（ＳＴＥＰ７１−３）。
そして、燃料電池１が０℃以上となっている場合には（ＳＴＥＰ７１−３でＹＥＳ）、燃料電池１を起動する（ＳＴＥＰ７２）。
一方、燃料電池１が０℃以上となっていない場合には（ＳＴＥＰ７１−３でＮＯ）、二次電池６のＳＯＣがＳＴＥＰ４３で設定した下限ＳＯＣ以上であるか否かを判定し（ＳＴＥＰ７１−４）、下限ＳＯＣ以上である場合には（ＳＴＥＰ７１−４でＹＥＳ）、ＳＴＥＰ７１−２にリターンしてヒータ８６への通電を継続する。一方、イレギュラに下限ＳＯＣを下回った場合には（ＳＴＥＰ７１−４でＮＯ）、第１電力供給部１０への電力供給を一時的に停止した上で、ＳＴＥＰ７１−２にリターンしてヒータ８６への通電を継続する。
ここで、二次電池６のＳＯＣがＳＴＥＰ４３で設定した下限ＳＯＣを下回る場合としては、例えば、消費電力の大きなオイルヒータ等を最大消費電力状態で使用する場合など、第１電力供給部１０での消費電力が通常想定される使用に比して極端に大きい場合や、二次電池６のＳＯＣが始めから極端に小さい場合である。
電力供給制御手段３０は、燃料電池１が起動されると（ＳＴＥＰ７２〜）、燃料電池１からキャパシタ２および二次電池６への充電を実行し、これらのＳＯＣが上昇すると（ＳＴＥＰ７５でＹＥＳ）、第１電力供給部１０への電力供給が一時的に停止しているか否かを判定する（ＳＴＥＰ７５−２）。
そして、第１電力供給部１０への電力供給が一時的に停止している場合には（ＳＴＥＰ７５−２でＹＥＳ）、第１電力供給部１０への電力供給を再開し（ＳＴＥＰ７５−３）、ＳＴＥＰ７６以降の処理を実行する。
一方、第１電力供給部１０への電力供給が一時的に停止していない場合には（ＳＴＥＰ７５−２でＮＯ）、そのままＳＴＥＰ７６以降の処理を実行する。
具体的に図３において、燃料電池１および冷却媒体の計測温度が−１０℃である場合の燃料電池１の起動について説明する。
二次電池６のＳＯＣが時間の経過と共に低下し（ｔ2＜ｔ）、時間ｔ3´でＳＯＣが前記所定値である３７％未満となると（ＳＴＥＰ５０−２）、燃料電池１の起動ルーチンへ移行する。
ここで、燃料電池１への起動ルーチンへの移行タイミングは、低温下（氷点下）の場合（ｔ3´）には、ＳＴＥＰ４３で設定された下限ＳＯＣに相当する分だけ、常温の場合（ｔ3）に比してタイミングが早まる。すなわち、下限ＳＯＣに加算した一定の値（５％、ＳＴＥＰ５０−２）は、前記通常給電ルーチンの場合（ＳＴＥＰ５０）にも加算されているため、燃料電池１への起動ルーチンへの移行タイミングの相違は、ＳＴＥＰ４３で、二次電池６の放電閾値に加算された電力量に因るものである。
そのため、燃料電池１および冷却媒体の計測温度が−１０℃より低温の場合には、ＳＴＥＰ４３で放電閾値に加算される値が大きく、ひいては設定される下限ＳＯＣの値がより大きくなるため、図３に示すように、燃料電池１の起動ルーチンへの移行タイミングは、時刻ｔ3´´のようにさらに早まる。
次いで、ｔ3´で、燃料電池１への起動ルーチン（氷点下ＦＣ起動ルーチン）へ移行すると、二次電池６からヒータ８６への通電が開始される（ＳＴＥＰ７１−２）。そして、冷媒温度が０℃以上となったタイミングで冷却媒体循環ポンプ８１を作動させ、燃料電池１が０℃以上となると（ＳＴＥＰ７１−３でＹＥＳ）、燃料電池１への反応ガスを供給して燃料電池１を起動する（ＳＴＥＰ７２）。
ここで、図３において、時間ｔ3´から燃料電池１が起動されてその出力が立ち上がるまでの間は、二次電池６からヒータ８６への通電が行われると共に、二次電池６から第１電力供給部１０への電力供給が継続して行われる。このように、本実施形態の電源システムによれば、低温下（氷点下）においても、ヒータ８６の加熱時間（燃料電池１および冷却媒体を０℃とするのに要する時間）を考慮しつつ燃料電池１の暖機を行うことで、第１電力供給部１０から電力を外部へ安定的に供給することができる。
そして、通常給電ルーチンの場合と同様に、時間ｔ4で燃料電池１の出力が所定の定格出力（例えば、最大出力の約８０％）に達すると、電力供給制御手段３０は、燃料電池１から第１電力供給部１０に電力を供給させると共に、昇降圧手段３及び電圧変換手段７を作動させて、キャパシタ２及び二次電池６に電力を供給させてこれらを充電する。
以上が、ＳＴＥＰ４の氷点下給電ルーチンの詳細である。
前記構成の電源システムによれば、低温下においても、キャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣと、燃料電池１の出力とを加味して第１電力供給部１０に電力を商用交流電圧ＡＣ１００Ｖの形で安定的に供給することができる。
尚、本実施形態の電源システムでは、キャパシタ２を備える構成について説明したが、これに限らず、電源システムとしてキャパシタ２を備えない構成に適用してもよい。
また、本実施形態では、昇降圧手段３及び電圧変換手段７の両方を作動させることにより、二次電池６から第１電力供給手段１０に電力を供給しているが、これに限定されるものではなく、昇降圧手段３及び電圧変換手段７の一方を固定（短絡）させて、他方の作動量のみに基づいて、二次電池６から第１電力供給手段１０への電力供給を制御するようにしてもよい。
さらに、本実施形態では、第１電力供給部１０をキャパシタ２と昇降圧手段３の間に設けているが、昇降圧手段３とＰＤＵ４（ＳＷ３）の間に設けるようにしてもよい。この場合、第３電力供給ラインＬ３の高電圧で第１電力供給部１０に電力を供給することができ、大電力が必要な電気機器（例えば、電子レンジやドライヤー等）の使用や他の電気自動車への充電等においても安定した電力の供給が可能となる。
また、本実施形態では、第２電力供給部２０は、二次電池６から優先的に小電力が供給される構成となっているが、これに限定されるものではなく、燃料電池１及びキャパシタ２からも昇降圧手段３及び電圧変換手段７を介して電力を供給するようにしてもよい。また、第１電力供給部１０を第１電力供給ラインＬ１に設けたのに対して、第２電力供給部２０を第３電力供給ラインＬ３に設けるようにしてもよい。以上のように構成することで、第２電力供給部２０は、第１電力供給部１０と同等又は第１電力供給部以上の高電圧で電力を供給することができる。
さらに、本実施形態では、燃料電池１の発電時にキャパシタ２及び二次電池６のＳＯＣが上昇しない場合（ＳＴＥＰ７５）、燃料電池１の発電量を増大させているが（ＳＴＥＰ７８）、これに限定されるものではなく、二次電池６のＳＯＣが上昇しない場合には、昇降圧手段３及び電圧変換手段７のいずれか一方または両方の作動を制御するようにしてもよい。これにより、燃料電池１の発電量の増大を抑制することができる。
また、本実施形態では、冷却媒体および燃料電池１を０℃以上に加熱するのに必要な電力量を算出したが（ＳＴＥＰ４２）、これに限定されるものではなく、循環路を流れ燃料電池１を冷却する冷却媒体に相当する構成がない場合には、燃料電池１をヒータにより直接加熱するようにしてもよい。この場合には、図９にラインＡで示す関係により算出される電力量を、二次電池６の放電閾値に加算した二次電池６の下限ＳＯＣ（本発明の第１放電閾値に相当する）を設定する（ＳＴＥＰ４３）。
さらに、本実施形態では、冷却媒体および燃料電池１の計測温度からこれらを０℃以上に加熱するのに必要な電力量を算出し、これに基づいて二次電池６の下限ＳＯＣを設定したが（ＳＴＥＰ４３）、これに限定されるものではなく、第１電力供給部１０への放電開始後の二次電池６（場合によっては最初に電力を供給するキャパシタ２）のＳＯＣの下降傾向から、二次電池６の下限ＳＯＣを設定または補正するようにしてもよい。
また、本実施形態では、電力供給手段が燃料電池１の場合について説明したが、電力供給手段は、燃料電池以外の構成でもよい。例えば、燃料電池１に替えて、エンジンと、該エンジンの出力軸に連結されて発電機として機能するモータとしてもよい。この場合、低温下でのエンジンの駆動の際に必要な電力（暖機運転に必要な電力）から二次電池６の下限ＳＯＣを設定するようにすればよい（ＳＴＥＰ４３）。
１…燃料電池、２…キャパシタ、３…昇降圧手段（第１昇圧手段）、４…ＰＤＵ、５…電動機、６…二次電池、７…電圧変換手段（第２昇圧手段）、８…補機、９…ＰＤＵ、１０…第１電力供給部、１１…ＤＣ／ＡＣ変換器、２０…第２電力供給部、３０…電力供給制御手段、３１…ＦＣ温度センサ（第１温度センサ）、３２…冷媒温度センサ（第２温度センサ）、３３…外気温センサ、３４…表示部（表示手段）、Ｄ…ダイオード、Ｌ１…第１電力供給ライン、Ｌ２…第２電力供給ライン、Ｌ３…第３電力供給ライン、ＳＷ１…第１スイッチ、ＳＷ２…第２スイッチ、ＳＷ３…第３スイッチ。

Claims (6)

  1. 車両に搭載される電源システムであって、
    電力供給手段と、
    一方が前記電力供給手段に接続されると共に、他方が前記車両を駆動するための電動機に接続され、該電力供給手段の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該電動機に供給する第１昇圧手段と、
    一方が前記第１昇圧手段の他方に前記電動機と並列に接続され、該第１昇圧手段の出力電圧を更に昇圧する第２昇圧手段と、
    前記第２昇圧手段の他方に接続された蓄電手段と、
    前記第１昇圧手段の一方に前記電力供給手段と並列に接続され、外部への電力の供給が可能な第１電力供給部と、
    前記電力供給手段の温度を計測する第１温度センサと、
    前記第１温度センサの計測温度が前記電力供給手段の加熱を必要とする温度閾値を下回る場合に、該温度閾値以上に加熱するのに必要な電力量を算出し、算出した電力量を前記蓄電手段の放電閾値に加算した第１放電閾値を設定し、該第１放電閾値を上回る範囲で前記電力供給手段と該蓄電手段とから前記第１電力供給部への電力の供給を制御する電力供給制御手段と
    を備えることを特徴とする電源システム。
  2. 請求項１記載の電源システムにおいて、
    前記電力供給手段としての燃料電池と、
    前記車両内に設けられた循環路を流れ、少なくとも前記燃料電池を冷却する冷却媒体の温度を計測する第２温度センサと
    を備え、
    前記電力供給制御手段は、前記第２センサの計測温度が前記冷却媒体の加熱を必要とする温度閾値を下回る場合に、該温度閾値以上に冷却媒体を加熱するのに必要な電力量を算出し、算出した電力量を前記第１放電閾値に加算した第２放電閾値を設定し、該第２放電閾値を上回る範囲で前記燃料電池と該蓄電手段とから前記第１電力供給部への電力の供給を制御することを特徴とする電源システム。
  3. 請求項２記載の電源システムにおいて、
    前記電力供給制御手段は、前記第１電力供給部への電力の供給を、前記燃料電池の作動に先立って前記蓄電手段から実行するように制御することを特徴とする電源システム。
  4. 請求項３記載の電源システムにおいて、
    前記第１昇圧手段の一方に燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、
    前記蓄電手段としての二次電池とを備え、
    前記電力供給制御手段は、前記第１電力供給部への電力の供給を、第１に前記キャパシタから第２に前記二次電池から第３に前記燃料電池から実行し、前記キャパシタの充電量が放電閾値となった場合に、該キャパシタに替えて前記二次電池から該第１電力供給部への電力の供給を開始させ、前記二次電池の充電量が前記第２放電閾値より大きく設定された所定値となった場合に、前記燃料電池の作動を開始させ、該燃料電池が所定の出力を出力できる状態となったときに、該二次電池に替えて該燃料電池から該第１電力供給部への電力の供給を開始させることを特徴とする電源システム。
  5. 請求項４記載の電源システムにおいて、
    前記第２昇圧手段と前記二次電池とに並列に接続されて外部への電力の供給が可能な第２電力供給部を備えることを特徴とする電源システム。
  6. 請求項４または５項記載の電源システムにおいて、
    前記キャパシタ及び二次電池の充電量から供給可能な電力量を表示する表示手段を備えることを特徴とする電源システム。
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