JP5352186B2 - 電源装置および燃料電池車両の電源システム - Google Patents

Description

この発明は、電源装置および燃料電池車両の電源システムに関する。

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。

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が可能な電源装置および燃料電池車両の電源システム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、発電装置（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１０ａ）と、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、実施の形態での第１ＤＣ−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、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作の１次側の正極および負極端子は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続され、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作の２次側の正極および負極端子は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、前記発電装置は前記第１ラインと前記第２ラインとに接続され、前記蓄電装置は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続され、前記第１ラインおよび前記第３ラインは、負荷の両端に接続され、前記負荷に電力を出力するものであって、動作モードとして、少なくとも第１モードおよび第２モードを有し、前記第１モードは、前記蓄電装置の放電電流が前記発電装置の発電電流よりも大きい状態で前記負荷に電力を供給する動作モードであり、前記第２モードは、前記蓄電装置の放電電流が前記発電装置の発電電流よりも小さい状態で前記負荷に電力を供給する動作モードであり、前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングデューティーを変化させて前記動作モードを変化させる制御装置を備える。

さらに、本発明の第２態様に係る電源装置では、前記発電装置は燃料電池スタックであり、前記燃料電池スタックに反応ガスを供給するポンプ（例えば、実施の形態でのエアポンプ（ＡＰ）２１）および冷媒を供給するポンプのうち少なくとも１つのポンプの駆動回路（例えば、実施の形態でのエアポンプインバータ１４）は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続されている。

また、本発明の第３態様に係る燃料電池車両の電源システム（例えば、実施の形態での燃料電池車両の電源システム２０）は、上記第１態様または第２態様の電源装置（例えば、実施の形態での電源装置１０）と、前記電源装置から電力が供給される車両駆動用電動機（例えば、実施の形態での駆動モータ２２）とを備え、前記発電装置は燃料電池スタックである。

さらに、本発明の第４態様に係る燃料電池車両の電源システムは、車両用補機を備え、前記車両用補機の少なくとも一部は前記第１ラインと前記第２ラインとに接続されている。

さらに、本発明の第５態様に係る燃料電池車両の電源システムは、車両用補機を備え、前記車両用補機の少なくとも一部は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続されている。

さらに、本発明の第６態様に係る燃料電池車両の電源システムは、車両用補機を備え、前記車両用補機の少なくとも一部は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続されている。

さらに、本発明の第７態様に係る燃料電池車両の電源システムでは、前記車両用補機の前記少なくとも一部は第２ＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、実施の形態での第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３）を介して前記電源装置に接続されている。

さらに、本発明の第８態様に係る燃料電池車両の電源システムでは、前記車両用補機の前記少なくとも一部は空調機器（例えば、実施の形態での空調機器２４）を備える。

本発明の電源装置によれば、発電装置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第１ＤＣ−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、例えば発電装置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。

本発明の燃料電池車両の電源システムによれば、単一の第１ＤＣ−ＤＣコンバータのみを備えることで電源装置の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ことに加えて、燃料電池スタックと蓄電装置とが直列に接続されることから、例えば燃料電池スタックと蓄電装置とが並列に接続される場合に比べて、車両駆動用電動機の駆動回路の動作電圧を増大させ、かつ、電流を低下させることができ、車両駆動用電動機および駆動回路のサイズを小型化することができると共に運転効率を向上させることができ、燃料電池車両の電源システムの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。
また、第１ＤＣ−ＤＣコンバータの異常時（例えば、開放故障時など）であっても、電池回路から車両駆動用電動機の駆動回路に電源を供給することができ、燃料電池車両を走行させることができる。

以下、本発明の実施形態に係る電源装置および燃料電池車両の電源システム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、燃料電池スタック（ＦＣ）１１と、バッテリ１２と、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、エアポンプインバータ１４とを備えて構成されている。そして、電源装置１０は、例えば駆動モータインバータ１５に接続されている。

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、例えば図２および図３に示すように、電源装置１０と、エアポンプ（ＡＰ）２１と、駆動モータ２２と、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３と、空調機器２４と、制御装置２５と、地絡センサ２６と、出力電流センサ２７と、相電流センサ２８と、角度センサ２９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２１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２１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２１を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２５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。

第１ＤＣ−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、図３に示すように、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３１と、３相のチョークコイル３２と、平滑コンデンサ３３とを備えて構成されている。
なお、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を簡略化して示す図１および図２においては、３相のうち１相分のみのスイッチング素子とチョークコイル３２のみを図示している。

ブリッジ回路３１は、後述する３相の駆動モータインバータ１５を構成する３相のブリッジ回路５１と同等であって、例えば各相毎に対をなすハイ側およびロー側第１トランジスタＡＨ，ＡＬと、ハイ側およびロー側第２トランジスタＢＨ，ＢＬと、ハイ側およびロー側第３トランジスタＣＨ，ＣＬとがブリッジ接続されている。そして、各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨはコレクタが２次側正極端子Ｐ２に接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬはエミッタが２次側負極端子Ｎ２に接続されてローサイドアームを構成している。そして、各相毎に、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨのエミッタはローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬのコレクタに接続され、各トランジスタＡＨ，ＡＬ，ＢＨ，ＢＬ，ＣＨ，ＣＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、各ダイオードＤＡＨ，ＤＡＬ，ＤＢＨ，ＤＢＬ，ＤＣＨ，ＤＣＬが接続されている。

そして、このブリッジ回路３１は、制御装置２５から出力されて各トランジスタ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、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオンかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオフとなる状態と、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオフかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオンとなる状態とが、交互に切り替えられる。

平滑コンデンサ３３は、２次側正極端子Ｐ２および２次側負極端子Ｎ２に接続されている。
３相のチョークコイル３２は、各チョークコイル３２の一端がブリッジ回路３１の各相毎のコレクタ−エミッタ間、つまり各トランジスタＡＨ，ＡＬのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタＢＨ，ＢＬのコレクタ−エミッタ間および各トランジスタＣＨ，ＣＬのコレクタ−エミッタ間のそれぞれに接続され、各チョークコイル３２の他端は互いに１次側正極端子Ｐ１に接続されている。

３相のチョークコイル３２は、例えば図４に示すように、単一の矩形のコア４１にコモンモード巻きで巻回され、通電時に各チョークコイル３２から発生する磁束の方向が同方向となるように設定されている。
そして、３相のうち何れか１相のチョークコイル３２は、矩形のコア４１をなす２対の対辺のうち一方の１対の対辺４１ａに分散して巻回され、３相のうち他の２相のチョークコイル３２は、矩形のコア４１をなす２対の対辺のうち他方の１対の対辺４１ｂにぞれぞれ集中して巻回されている。
なお、３相の各チョークコイル３２は、例えば図５に示すように、矩形のコア４１をなす４辺のうち何れか３辺にぞれぞれ集中して巻回されてもよいし、他の巻線構造であってもよい。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えば図３に示すように、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、１次側が第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続され、２次側が第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されている。つまり、第１ラインＬ１は２次側正極端子Ｐ２に接続され、第２ラインＬ２は１次側正極端子Ｐ１に接続され、第３ラインＬ３は１次側負極端子Ｎ１および２次側負極端子Ｎ２に接続されている。

この第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えば駆動モータ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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオフかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオンとされ、１次側から入力される電流によってチョークコイル３２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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオンかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオフとされ、チョークコイル３２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３２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、チョークコイル３２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３３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、例えば駆動モータ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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオフかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオンとされ、２次側から入力される電流によってチョークコイル３２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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオンかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオフとされ、チョークコイル３２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３２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３２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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨ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。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、制御装置２５から出力されて各トランジスタ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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨ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各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨとローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬとのオン／オフを切り換える。
なお、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨと、ローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬ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。

そして、燃料電池スタック１１は正極側および負極側に配置されたコンタクタ１１ａとコンデンサ１１ｂとを介して第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続され、バッテリ１２は正極側および負極側に配置されたコンタクタ１２ａおよび正極側に配置された電流制限回路１２ｂ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。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とは直列に接続されて電池回路１０ａを形成している。
そして、第１ラインＬ１および第３ラインＬ３から負荷（例えば、駆動モータ２２など）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とは駆動モータインバータ１５に接続されている。

そして、エアポンプ２１の駆動回路であるエアポンプインバータ１４は第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続されている。

３相の駆動モータ２２の駆動回路をなす駆動モータインバータ１５は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistor）がブリッジ接続されてなる３相のブリッジ回路５１を備えて構成されている。

ブリッジ回路５１は、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を構成する３相のブリッジ回路３１と同等であって、例えば各相毎に対をなすハイ側およびロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、ハイ側およびロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬと、ハイ側およびロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬとがブリッジ接続されている。そして、各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコレクタが第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側正極端子Ｐ２に接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはエミッタが第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側負極端子Ｎ２に接続されてローサイドアームを構成している。そして、各相毎に、ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタはローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタに接続され、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、各ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが接続されている。

この駆動モータインバータ１５は、制御装置２５から出力されてブリッジ回路５１の各トランジスタ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、例えば駆動モータ２２の駆動時には、各相毎に対をなす各トランジスタのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替えることによって、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、３相のステータ巻線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、例えば駆動モータ２２の回生時には、駆動モータ２２から出力される３相交流電力を直流電力に変換して第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に供給し、バッテリ１２の充電および第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３に接続された負荷に対する給電などをおこなう。
なお、駆動モータ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、駆動モータインバータ１５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駆動モータ２２側に駆動力が伝達されると、駆動モータ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。

第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータであって、燃料電池車両に搭載される車両用補機の少なくとも一部（例えば、処理装置と、電磁バルブと、１２Ｖ系負荷となど）が負荷として接続されている。
第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続され、制御装置２５から出力される制御指令に応じたチョッピング動作により、第２ラインＬ２と第３ラインＬ３との間に印加される電圧を降圧して、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続された負荷に供給する。

また、燃料電池車両に搭載される車両用補機の少なくとも一部をなす空調機器２４は、例えば燃料電池車両に搭載されるヒータと、コンプレッサー用のモータおよび駆動回路（例えば、インバータなど）となどを備えて構成されている。
空調機器２４は、第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続され、第２ラインＬ２および第３ラインＬ３から電力が供給される。

制御装置２５は、第１ＤＣ−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おこなうとともに、駆動モータインバータ１５の電力変換動作を制御する。
制御装置２５には、例えば、第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されて地絡の発生を検知する地絡センサ２６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２７と、駆動モータインバータ１５と駆動モータ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２８と、駆動モータ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、駆動モータ２２の回転軸の回転位置）を検出する角度センサ２９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。

制御装置２５は、例えば、消費電力算出部６１と、目標電力配分設定部６２と、目標電流設定部６３と、デューティー制御部６４と、駆動モータ制御部６５とを備えて構成されている。

消費電力算出部６１は、電源装置１０から電力が供給される負荷（例えば、電源装置１０の外部の負荷である駆動モータ２２および空調機器２４および車両用補機など、および、電源装置１０の内部の負荷であるエアポンプインバータ１４など）の総消費電力を算出する。

目標電力配分設定部６２は、例えば駆動モータ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１０ａ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、つまり消費電力算出部６１により算出された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を設定する。
例えば駆動モータ２２の駆動時における電力配分は、第１ＤＣ−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周期におけるローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬ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）は燃料電池スタック１１の電圧（ＶＦＣ）とバッテリ１２の電圧（ＶＢ）とにより以下に示すように記述される。

ｄｕｔｙ＝ＶＢ／（ＶＦＣ＋ＶＢ）

これにより、以下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の電圧（ＶＦＣ）とバッテリ１２の電圧（ＶＢ）との比が記述される。

ＶＢ／ＶＦＣ＝ｄｕｔｙ／（１−ｄｕｔｙ）

燃料電池スタック１１の電圧（ＶＦＣ）とバッテリ１２の電圧（ＶＢ）とは、例えば図６および図７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とから、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、目標電力配分設定部６２は、例えば駆動モータ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、駆動モータ２２の回生電力となどに基づき、燃料電池スタック１１と駆動モータインバータ１５との電力供給側の電力配分、および、バッテリ１２と負荷（例えば、空調機器２４および車両用補機およびエアポンプインバータ１４など）との電力受給側の電力配分を設定する。

目標電流設定部６３は、例えば駆動モータ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の動作点と第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティー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。

この所定マップは、例えば図８に示すように、燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とを直交座標とする２次元座標上において、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーの複数の値毎に対して設定された燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係（Ｄ（１），…，Ｄ（ｋ），…）と、負荷の総消費電力の複数の値毎に対して設定された燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係（Ｐ（１），…，Ｐ（ｋ），…）とを備えている。
そして、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーの複数の値毎に対して設定された対応関係では、スイッチングデューティーに応じた比率で燃料電池スタック１１の動作点の増大に伴いバッテリ１２の動作点が増大傾向に変化するように設定されている。
また、負荷の総消費電力の複数の値毎に対して設定された燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係では、燃料電池スタック１１の動作点に応じた電力とバッテリ１２の動作点に応じた電力との和が負荷の総消費電力と等しくなるような動作点の組み合わせが設定されている。

目標電流設定部６３は、燃料電池スタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とを直交座標とする２次元座標上において、消費電力算出部６１により算出された負荷の総消費電力に応じた対応関係Ｐ（ｋ）と目標電力配分設定部６２により設定された電力配分に応じた第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーに応じた対応関係Ｄ（ｋ）との交点を燃料電池スタック１１およびバッテリ１２の動作点とし、この動作点に応じた燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）を目標電流として出力する。

また、目標電流設定部６３は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、目標電力配分設定部６２により設定された電力配分に応じて、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。

デューティー制御部６４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）が目標電力配分設定部６２により設定された電力配分（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２７から出力される燃料電池スタック１１の出力電流ＩＦＣの検出値が目標電流設定部６３から出力される燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流に一致するようにして、第１ＤＣ−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。
デューティー制御部６４は、例えば、電流偏差算出部７１と、フィードバック処理部７２と、ＰＷＭ信号生成部７３とを備えて構成されている。

電流偏差算出部７１は、出力電流センサ２７から出力される燃料電池スタック１１の出力電流ＩＦＣの検出値と、目標電流設定部６３から出力される燃料電池スタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流との電流偏差を算出して出力する。
フィードバック処理部７２は、例えばＰＩＤ（比例積分微分）動作により、電流偏差算出部７１から出力される電流偏差を制御増幅して電圧指令値を算出する。

ＰＷＭ信号生成部７３は、フィードバック処理部７２から出力される電圧指令値に応じた出力電流Ｉｆｃを燃料電池スタック１１から出力するために、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨおよびローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬをオン／オフ駆動させるゲート信号（つまり、ＰＷＭ信号）を生成して出力する。

駆動モータ制御部６５は、例えば駆動モータ２２の駆動時においては、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）をおこなうものであり、運転者のアクセル操作および駆動モータ２２の回転数などに基づく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に応じて駆動モータインバータ１５のブリッジ回路５１へゲート信号であるＰＷＭ信号を入力すると共に、実際にＦ駆動モータインバータ１５から駆動モータ２２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制御をおこなう。

また、駆動モータ制御部６５は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、角度センサ２９から出力される駆動モータ２２の回転子の回転角θｍの出力波形に基づいて同期がとられたパルスに応じて駆動モータインバータ１５のブリッジ回路５１の各トランジスタをオン／オフ駆動させ、駆動モータ制御部６５から出力される３相交流電力を直流電力に変換する。このとき、駆動モータ制御部６５は、ブリッジ回路５１の各トランジスタをオン／オフ駆動させるゲート信号のデューティーに応じた回生電圧のフィードバック制御をおこない、所定の電圧値を駆動モータインバータ１５の１次側つまり第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側正極端子Ｐ２と２次側負極端子Ｎ２との間に出力する。

つまり、制御装置２５は、例えば駆動モータ２２の駆動時においては、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と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、第１ＤＣ−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ことにより、例えば図９に示すように、電源装置１０の動作モードを連続的に制御する。

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、バッテリ１２の出力のみが駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ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、順次、バッテリ１２の出力が駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ１４に供給されると共に燃料電池スタック１１の出力が駆動モータインバータ１５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１の（ＦＣ＋バッテリ）モードと、バッテリ１２の出力が駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ１４に供給されると共に燃料電池スタック１１の出力が駆動モータインバータ１５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）とエアポンプインバータ１４に通電される電流（ＩＡＰ）との和に等しくなる第２の（ＦＣ＋バッテリ）モードと、バッテリ１２および燃料電池スタック１１の出力が駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ１４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）よりも小さくなる第３の（ＦＣ＋バッテリ）モードとに推移する。
これに伴い、例えば図９に示すように、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、駆動モータインバータ１５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、順次、燃料電池スタック１１の出力のみが駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ１４に供給される第１のＦＣモードと、燃料電池スタック１１の出力のみが駆動モータインバータ１５およびエアポンプインバータ１４およびバッテリ１２に供給されてバッテリ１２が充電される第２のＦＣモードとに推移する。
これに伴い、例えば図９に示すように、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、駆動モータインバータ１５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、制御装置２５は、例えば駆動モータ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、第１ＤＣ−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、駆動モータインバータ１５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、駆動モータインバータ１５の回生電力および燃料電池スタック１１の出力がエアポンプインバータ１４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、制御装置２５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、制御装置２５は、燃料電池スタック１１の発電状態などに応じてコンタクタ１１ａのオン／オフを切り換え、燃料電池スタック１１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。
また、制御装置２５は、バッテリ１２の残容量ＳＯＣなどに応じてコンタクタ１２ａおよび電流制限回路１２ｂのオン／オフを切り換え、バッテリ１２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。

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、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１０ａに対して単一の第１ＤＣ−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。

さらに、本発明の実施形態による燃料電池車両の電源システム２０によれば、単一の第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のみを備えることで電源装置１０の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ことに加えて、燃料電池スタック１１とバッテリ１２とが直列に接続されることから、例えば燃料電池スタック１１とバッテリ１２とが並列に接続される場合に比べて、駆動モータインバータ１５の動作電圧を増大させ、かつ、電流を低下させることができ、駆動モータ２２および駆動モータインバータ１５のサイズを小型化することができると共に運転効率を向上させることができ、燃料電池車両の電源システム２０の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。
また、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の異常時（例えば、開放故障時など）であっても、電池回路１０ａから駆動モータインバータ１５に電源を供給することができ、燃料電池車両を走行させることができる。

なお、上述した実施の形態においては、燃料電池車両に搭載される車両用補機の少なくとも一部（例えば、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３とは独立した空調機器２４など、および、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に接続される負荷（処理装置と、電磁バルブと、１２Ｖ系負荷となど））は、直接あるいは第２ＤＣ−ＤＣコンバータ２３を介して、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、例えば図１０に示すように、第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続されてもよいし、例えば図１１に示すように、第１ラインＬ１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、エアポンプ２１の駆動回路であるエアポンプインバータ１４は第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続されているとしたが、これに限定されず、燃料電池スタック１１に反応ガスを供給するポンプ（例えば、エアポンプ２１など）および冷媒を供給するポンプ（図示略）のうち少なくとも１つのポンプの駆動回路が第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、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオフかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオンの状態と、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオンかつローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオフの状態とを交互に切り換えるとしたが、これに限定されず、例えば駆動モータ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、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨがオフに維持された状態でローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬのオンとオフとを交互に切り換え、例えば駆動モータ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、ローサイドアームの各トランジスタＡＬ，ＢＬ，ＣＬがオフに維持された状態でハイサイドアームの各トランジスタＡＨ，ＢＨ，ＣＨのオンとオフとを交互に切り換えてもよい。

本発明の実施形態に係る電源装置の構成図である。 本発明の実施形態に係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３相のチョークコイルの構成図である。 本発明の実施形態の第１変形例に係る３相のチョークコイルの構成図である。 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燃料電池スタックの動作点とバッテリの動作点と第１ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングデューティーと負荷の総消費電力との対応関係を示す所定マップ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第１ＤＣ−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。 本発明の実施形態の第２変形例に係る燃料電池車両の電源システムの構成図である。 本発明の実施形態の第３変形例に係る燃料電池車両の電源システムの構成図である。

符号の説明

１０ 電源装置
１０ａ 電池回路
１１ 燃料電池スタック
１２ バッテリ（蓄電装置）
１３ 第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４ エアポンプインバータ（駆動回路）
１５ 駆動モータインバータ
２０ 燃料電池車両の電源システム
２１ エアポンプ（ポンプ）
２２ 駆動モータ（車両駆動用電動機）
２３ 第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
２４ 空調機器
２５ 制御装置

Claims (8)

1. 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、
   発電装置と蓄電装置とが直列に接続されてなる電池回路と、
   第１ＤＣ−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、
   前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作の１次側の正極および負極端子は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続され、
   前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作の２次側の正極および負極端子は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続され、
   前記発電装置は前記第１ラインと前記第２ラインとに接続され、
   前記蓄電装置は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続され、
   前記第１ラインおよび前記第３ラインは、負荷の両端に接続され、前記負荷に電力を出力するものであって、
   動作モードとして、少なくとも第１モードおよび第２モードを有し、
   前記第１モードは、前記蓄電装置の放電電流が前記発電装置の発電電流よりも大きい状態で前記負荷に電力を供給する動作モードであり、
   前記第２モードは、前記蓄電装置の放電電流が前記発電装置の発電電流よりも小さい状態で前記負荷に電力を供給する動作モードであり、
   前記第１ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングデューティーを変化させて前記動作モードを変化させる制御装置を備える、
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記発電装置は燃料電池スタックであり、
   前記燃料電池スタックに反応ガスを供給するポンプおよび冷媒を供給するポンプのうち少なくとも１つのポンプの駆動回路は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電源装置と、
   前記電源装置から電力が供給される車両駆動用電動機と
   を備え、前記発電装置は燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池車両の電源システム。
4. 車両用補機を備え、
   前記車両用補機の少なくとも一部は前記第１ラインと前記第２ラインとに接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の電源システム。
5. 車両用補機を備え、
   前記車両用補機の少なくとも一部は前記第２ラインと前記第３ラインとに接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の電源システム。
6. 車両用補機を備え、
   前記車両用補機の少なくとも一部は前記第１ラインと前記第３ラインとに接続されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の電源システム。
7. 前記車両用補機の前記少なくとも一部は第２ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記電源装置に接続されていることを特徴とする請求項４から請求項６の何れか１つに記載の燃料電池車両の電源システム。
8. 前記車両用補機の前記少なくとも一部は空調機器を備えることを特徴とする請求項４から請求項７の何れか１つに記載の燃料電池車両の電源システム。

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