JP6166379B2 - ２電源負荷駆動燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池と蓄電装置とにより負荷が駆動される２電源負荷駆動燃料電池システムに関し、例えば、前記負荷を車両走行用のモータとする燃料電池自動車に適用して好適な２電源負荷駆動燃料電池システムに関する。

従来から、特開２００６−３５１４２１号公報（以下、ＪＰ２００６−３５１４２１Ａという。）の図１に示されるように、燃料電池の出力端、及び蓄電装置の端（入出力端）にそれぞれ昇圧器（チョッパ方式のＤＣ／ＤＣコンバータからなる第１電流・電圧制御器及び第２電流・電圧制御器）を設けた電源回路が知られている。

このような構成の電源回路を用いれば、燃料電池及び蓄電装置から負荷に印加される電圧（印加電圧）を前記昇圧器で自由に調整できるため、燃料電池システムを搭載する、例えば燃料電池自動車のような負荷変動が激しいシステムの前記負荷の要求電力に対して前記燃料電池及び前記蓄電装置の合成出力電力を良好に追従させることができるという利点がある。

上記電源回路によれば、燃料電池の出力端に昇圧器を用いているので、燃料電池のセル数を低減でき、燃料電池設備の小容積化及び低コスト化を実現できる。

しかしながら、上記ＪＰ２００６−３５１４２１Ａに記載された燃料電池システムでは、両電源（燃料電池と蓄電装置）から負荷に供給される電力が必ず昇圧器を通過するため、昇圧器を介在しない場合に比べて昇圧器損失により電力効率が悪化するという課題がある。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の出力端に昇圧器及び蓄電装置の端に昇降圧器を設けた２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、燃料電池の耐久性及びシステムの電力効率を向上することを可能とする２電源負荷駆動燃料電池システムを提供することを目的とする。

この発明に係る２電源負荷駆動燃料電池システムは、燃料電池と蓄電装置とにより、走行モータを含む負荷が駆動される燃料電池自動車に適用される２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力端に設けられた第１電力変換装置と、前記蓄電装置の端に設けられた第２電力変換装置と、を備え、前記第１電力変換装置は、ＳｉＣ−ＦＥＴを含むスイッチング素子により構成され、前記第２電力変換装置は、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子により構成され、前記燃料電池の最大電流値が、前記蓄電装置の最大電流値より高く設定され、さらに、各国で採用されている燃費及び又は排出ガスを測定する走行パターンでの運転モードにおいて、前記燃料電池の電圧値が、前記蓄電装置の電圧値より低く設定されると共に、前記第２電力変換装置の平均通過電力値が、前記第１電力変換装置の平均通過電力値より高く設定されることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の出力端に第１電力変換装置を用いているので、燃料電池のセル数を減少させることができシステムの小容量化及び低コスト化を実現できると共に、ＳｉＣ−ＦＥＴの電圧や電流を緻密に制御でき、且つ、ＳｉＣ−ＦＥＴはＩＧＢＴに比べてスイッチング損失が少ないため効率良く燃料電池の電力を負荷に供給できる。

さらに、蓄電装置の端に設けられた第２電力変換装置にＳiＣ−ＦＥＴに比べて信頼性の高いＩＧＢＴを配しているので燃料電池の出力端に設けられた第１電力変換装置に比べて蓄電装置から前記第２電力変換装置を通じて大きな通過電力を負荷に安定して供給できる。

すなわち、第１電力変換装置のスイッチング素子（ＳｉＣ−ＦＥＴ）及び第２電力変換装置のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）の特性を生かしたシステムを構築することができる。

この場合、前記燃料電池には、下限電力が設定され、前記負荷の要求電力が前記下限電力以下のときには、前記燃料電池は下限電力で発電されると共に、前記負荷の要求電力の変動に応じて前記蓄電装置への充電電力が変化され、一方、前記負荷の要求電力が前記下限電力を上回る場合、前記燃料電池の発電電力が前記負荷の要求電力の変動に連動するように前記第１電力変換装置が制御されるように構成することが好ましい。

このように、前記負荷の要求電力が前記燃料電池の前記下限電力以下のときには、前記燃料電池を定常的に一定負荷に対応する下限電力で発電させつつ前記負荷の高出力時には前記燃料電池からの発電電力を応答性の高い第１電力変換装置で引き出すことができる。したがって、燃料電池の耐久性と負荷の要求電力の変動に対する応答性の高いシステムが構築できる。

前記燃料電池の前記下限電力は、前記第２電力変換装置の平均通過電力値以下の値に設定されることが好ましい。このようにすれば、蓄電装置の過充電により燃料電池の発電が停止してしまうことが抑制されるため、燃料電池の劣化が防止されて耐久性の高い燃料電池システムを構築することができる。

この場合、前記第１電力変換装置は、前記ＳｉＣ−ＦＥＴの他、ＩＧＢＴを含むスイッチング素子により構成され、前記負荷が低負荷のときには、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子のみが動作状態にされ、前記負荷が高負荷のときには、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子及び前記ＩＧＢＴスイッチング素子の両方が動作状態になるように制御することが好ましい。

なお、前記負荷が低負荷のときであっても、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子の温度が閾値温度以上である場合には、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子及び前記ＩＧＢＴスイッチング素子の両方が動作状態になるように制御することで、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。

この発明によれば、燃料電池の出力端に第１電力変換装置を用いているので、燃料電池のセル数を減少させることができシステムの小容量化及び低コスト化を実現できると共に、負荷端電圧の変動（負荷変動）があってもＳｉＣ−ＦＥＴの高速動作性に基づき、電圧や電流を緻密に制御でき、且つ、ＳｉＣ−ＦＥＴはＩＧＢＴに比べてスイッチング損失が少ないため効率良く燃料電池の電力を負荷に供給できる。

また、蓄電装置の端に設けられた第２電力変換装置にＳiＣ−ＦＥＴに比べて信頼性の高いＩＧＢＴを配しているので燃料電池の出力端に設けられた第１電力変換装置に比べて大きな通過電力を負荷に安定して供給できる。

すなわち、燃料電池の出力端に設けられた第１電力変換装置のスイッチング素子（ＳｉＣ−ＦＥＴ）及び蓄電装置の端に設けられた第２電力変換装置のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）の特性を生かしたシステムが構築できるという効果が達成される。

この発明の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概略全体構成図である。 パワーデバイス（ＳｉＣ−ＦＥＴとＩＧＢＴ）の周波数・電力特性図である。 燃料電池と高電圧バッテリの仕様比較表図である。 燃料電池と高電圧バッテリの実使用状態での電流・電圧特性図である。 実施形態の動作説明（使用平均電力の比較）に供されるモード運転時下のタイミングチャートである。 他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムが適用された燃料電池自動車の概略全体構成図である。 他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムの動作説明に供されるタイミングチャート（スイッチング素子の温度上昇時）である。 他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムの動作説明に供されるタイミングチャート（スイッチング素子の温度非上昇時）である。

以下、この発明に係る２電源負荷駆動燃料電池システムについて、この実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムが適用された燃料電池自動車との関係において好適な実施形態を挙げ添付の図面を参照して説明する。

図１は、この発明の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムとしての燃料電池システム１２（以下、「ＦＣシステム１２」という。）が適用された燃料電池自動車１０（以下、「ＦＣ自動車１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。

ＦＣ自動車１０は、ＦＣシステム１２と、車両走行用モータである駆動モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、負荷駆動回路１６（以下、ＩＮＶ１６という。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）と、を有する。

ＦＣシステム１２は、基本的には、一方の１次側１Ｓｆに配置される燃料電池ユニット１８（以下、「ＦＣユニット１８」という。）と、他方の１次側１Ｓｂに配置される高電圧バッテリ２０（以下「ＢＡＴ２０」という。）（蓄電装置）と、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓ側との間に配置される第１電力変換装置としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ（昇圧器）２１（以下、ＦＣＶＣＵ２１という。ＶＣＵ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、１次側１Ｓｂと２次側２Ｓ側との間に配置される第２電力変換装置としてのチョッパ方式の昇降圧コンバータ２２（以下、ＢＡＴＶＣＵ２２という。）と、電子制御装置２４（以下、ＥＣＵ２４という。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、を有する。

モータ１４は、ＦＣユニット１８及びＢＡＴ２０から供給される合成電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。

ＩＮＶ１６は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、ＦＣ４０及び／又はＢＡＴ２０からＦＣＶＣＵ２１及び／又はＢＡＴＶＣＵ２２を介して昇圧された直流電圧である負荷端電圧Ｖｉｎｖ［Ｖ］を３相の交流電圧に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の負荷端電圧Ｖｉｎｖを、ＢＡＴＶＣＵ２２を通じてＢＡＴ２０に供給（充電）する。

ＦＣユニット１８は、ＦＣ４０の他、公知のように、ＦＣ４０のアノード流路（不図示）に対して水素（燃料ガス）を供給する水素タンク（不図示）と、ＦＣ４０のカソード流路（不図示）に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給するエアポンプ（不図示）と、ＦＣ４０の冷却流路に対して冷却媒体（冷媒）を供給するウォータポンプ（不図示）とを備える。

ＦＣ４０は、例えば、電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下、「ＦＣセル」という。）を積層したスタック構造を有し、前記アノード流路を介して前記アノード電極に供給された水素含有ガスが、電極触媒上で水素イオン化され、前記電解質膜を介して前記カソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流電圧Ｖｆｃ（以下、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃという。）を発生する電気エネルギとして利用に供される。カソード電極には、前記カソード流路を介して酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

水が生成されることで、前記電解質膜を湿潤な状態、すなわち膜湿度を高い状態に保持することができ、前記反応を円滑に遂行することができる。

ＦＣ４０からの電力（以下、ＦＣ発電電力Ｐｆｃという。Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ、Ｉｆｃ：ＦＣ発電電流）は、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣＶＣＵ２１を介して昇圧されてＩＮＶ１６を通じてモータ１４に供給される（力行時）と共に、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＦＣ４０からＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２を通じて充電用としてＢＡＴ２０に供給される。

一方、ＢＡＴ２０からの電力（以下、ＢＡＴ電力Ｐｂａｔという。）は、バッテリ電圧ＶｂがＢＡＴＶＣＵ２２を通じて昇圧されＩＮＶ１６を通じてモータ１４に供給される（力行時）。

ＢＡＴ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えば、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。

なお、モータ１４とＩＮＶ１６を併せて負荷３０という。実際上、負荷３０には、モータ１４等の他に、それぞれ図示を省略しているＦＣ４０の駆動用のエアポンプ、ウォータポンプ、及び車内空調用のエアコンディショナ等の補機負荷が含まれる。

ＦＣＶＣＵ２１は、リアクトル３１とスイッチング素子としてのＳｉＣ−ＦＥＴ（炭化ケイ素−電界効果トランジスタ）３２（ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ）とダイオード３３とから構成され、負荷３０の要求電力に基づきＥＣＵ２４を通じてＳｉＣ−ＦＥＴ３２がオン・オフスイッチング制御（デューティ制御）にされることで、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。

ＢＡＴＶＣＵ２２は、Ｈブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータとされ、リアクトル４５と、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）４１〜４４と、これらＩＧＢＴ４１〜４４にそれぞれ逆方向に並列に接続されるダイオード５１〜５４とから構成される。

ＢＡＴＶＣＵ２２は、負荷端電圧Ｖｉｎｖをバッテリ電圧Ｖｂより高い電圧にする昇圧時には、ＥＣＵ２４により、ＩＧＢＴ４１がオン、ＩＧＢＴ４４がオフとされた状態下で、ＩＧＢＴ４２とＩＧＢＴ４３を交互にオン・オフする（オン・オフスイッチング制御）ことで、バッテリ電圧Ｖｂ（蓄電電圧）をバッテリ電圧Ｖｂより高い所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧する。

ＢＡＴＶＣＵ２２は、負荷端電圧Ｖｉｎｖを負荷端電圧Ｖｉｎｖより低い電圧のバッテリ電圧Ｖｂにする降圧時には、ＥＣＵ２４により、ＩＧＢＴ４１、４２、４４がオフとされた状態で、ＩＧＢＴ４３をオン・オフする（オン・オフスイッチング制御）ことで、負荷端電圧ＶｉｎｖをＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂまで降圧する。

なお、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２において、１次側１Ｓｆ間、１次側１Ｓｂ間、及び２次側２Ｓ間に平滑コンデンサ３４〜３７がそれぞれ配置されている。

ＥＣＵ２４は、図示しない通信線を介して、モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２等の各部を制御する。当該制御に際しては、ＥＣＵ２４のメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃ、ＦＣ発電電流Ｉｆｃ、ＦＣ温度Ｔｆｃ（ウォータポンプにより流通される冷媒の温度等）、ＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流（放電電流と充電電流）Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ、ＩＮＶ１６の負荷端電圧Ｖｉｎｖ、２次電流Ｉ２、モータ電流Ｉｍ、モータ温度Ｔｍ、モータ回転数Ｎｍ等の各種センサ（図示しない電圧センサ、電流センサ、温度センサ、及び回転数センサ等）の検出値を用いる。

ここでの各種センサには、上記センサに加え、アクセルペダルの開度センサ及びモータ回転数センサ等、車両１０の走行に関連する入出力センサが含まれる。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、例えば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２毎の複数のＥＣＵ、あるいはこれら複数のＥＣＵを統合して制御する統合ＥＣＵとから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０の状態、ＢＡＴ２０の状態及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ自動車１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷（負荷電力）から、ＦＣ４０が負担すべき負荷（負荷電力）と、ＢＡＴ２０が負担すべき負荷（負荷電力）と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷（負荷電力）の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２に指令を送出する。

この実施形態に係る燃料電池システム１２が適用されたＦＣ自動車１０は、基本的には、以上のように構成される。

次に、ＦＣＶＣＵ２１をスイッチング素子としてＳｉＣ−ＦＥＴ３２を含む構成とし、ＢＡＴＶＣＵ２２をスイッチング素子としてＩＧＢＴ４１〜４４からなる構成とした技術的理由について説明する。

図２は、パワーデバイスであるＳｉＣ−ＦＥＴ３２とＩＧＢＴ４１〜４４の周波数・電力特性を示している。ＳｉＣ−ＦＥＴは、ＩＧＢＴに比較して高い動作周波数ｆ［Ｈｚ］まで使用できるので高速で正確なスイッチング動作が可能であり、スイッチング損失が、ＩＧＢＴに比較して少なく、効率良く昇圧できる点に留意する。一方、ＩＧＢＴは、ＳｉＣ−ＦＥＴに比較して使用できる動作周波数ｆ［Ｈｚ］は低いが、ＳｉＣ−ＦＥＴに比較して耐熱・耐電圧の観点からも大電力［ＶＡ］を安定して通過させることができ、信頼性が高い点に留意する。なお、現在のところ、コストは、ＩＧＢＴに比較してＳｉＣ−ＦＥＴが高コストである。

図３は、ＦＣ４０とＢＡＴ２０の仕様比較表５５を示している。最大電流Ｉｍａｘは、ＦＣ４０がＢＡＴ２０の約２倍程度で数百アンペアの電流を流すことができるように設定（選択）されている。最大電圧Ｖｍａｘは、ＦＣ４０とＢＡＴ２０は、数百ボルトであるが、ＢＡＴ２０がＦＣ４０よりも高い電圧に設定（選択）されている。

最低電圧Ｖｍｉｎは、ＦＣ４０は、１００ボルト以下の電圧であり、ＢＡＴ２０は、その３倍程度の電圧になっている。使用平均電力Ｐａｖｅは、共に数キロワット程度であるがＢＡＴ２０がＦＣ４０よりも大きく設定（選択）されている。なお、ＢＡＴ２０の使用平均電力Ｐａｖｅは、放電、充電の絶対値の平均値である。

図４は、実使用状態でのＦＣ４０及びＢＡＴ２０の電流・電圧特性を示している。太い一点鎖線で示しているＦＣ電流電圧特性ＩＶｆｃにおいて、ＦＣ発電電流ＩｆｃがＩｆｃ＝０［Ａ］、すなわちＦＣ発電電流Ｉｆｃを取り出さないときのＦＣ発電電圧Ｖｆｃは、ＦＣ開放端電圧Ｖｆｃｏになっており（Ｖｆｃ＝Ｖｆｃｏ）、ＦＣ発電電流Ｉｆｃを増加させるにつれＦＣ発電電圧Ｖｆｃが低下する特性になっている。なお、ＦＣ４０は、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを制御（決定）することで、ＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。

一方、太い実線で示しているＢＡＴ電圧電流特性ＩＶｂａｔ（５０）は、ＳＯＣ（充電容量）が５０［％］であるときの特性を示し、ＥＣＵ２４によって、燃料電池自動車１０に搭載されるＢＡＴ２０のＳＯＣが、平均的に、ＳＯＣ＝５０［％］になるように充放電制御のエネルギマネジメントがなされる。ＢＡＴ電圧電流特性ＩＶｂａｔ（８０）、（７０）、（６０）、（４０）、（３０）、（２０）は、それぞれ、ＳＯＣが８０［％］、７０［％］、６０［％］、４０［％］、３０［％］、２０［％］であるときの特性を示している。

なお、この実施形態での所定の運転モードは、ＬＡ−４モードであり、このＬＡ−４モードは、アメリカ、カナダ、オーストラリア及びヨーロッパの一部の国で採用されている排出ガス測定用の走行パターンである。市街地走行の他、一部高速走行も含まれている。所定の運転モードとしては、ＬＡ−４モードに限らず、日本のＪＣ０８モード、１０・１５モードの他、ヨーロッパのＵＤＣ＋ＥＵＤＣモードとしてもよい。

図４において、ＬＡ−４モードでのモード走行平均電流Ｉ２ａｖｅｍの値におけるＦＣ発電電圧Ｖｆｃを、ＦＣ電流電圧特性ＩＶｆｃ上で、Ｖｆｃ＝Ｖｆｃｍといい、モード走行平均電流Ｉ２ａｖｅｍの値におけるＢＡＴ電圧Ｖｂを、ＢＡＴ電圧電流特性ＩＶｂａｔ（５０）上で、Ｖｂ＝Ｖｂｍという。

実際上、ＥＣＵ２４は、ＢＡＴ２０のＳＯＣが、ＳＯＣ＝５０［％］となるようにエネルギマネジメントを行うので、ＢＡＴ２０のバッテリ電流Ｉｂの収支は０［Ａ］（放電電流を＋、充電電流を−とした場合。）となり、モード走行平均電流Ｉ２ａｖｅｍは、実質的には、ＦＣ４０からＦＣＶＣＵ２１を通じて負荷３０に供給される電流になる点に留意する。

図５は、ＬＡ−４モード走行中（ＬＡ−４モード運転中）での時点０［ｓｅｃ］から時点１４００［ｓｅｃ］程度までのＦＣ４０のＦＣ発電電力Ｐｆｃ［ｋＷ］の変化（太い実線）と、ＢＡＴ２０のＢＡＴ電力Ｐｂ［ｋＷ］の変化（細い実線）を示している。なお、ＢＡＴ電力Ｐｂ［ｋＷ］は、充放電があるので、正（放電）、負（充電）（図４参照）の電力の各絶対値の電力を意味している。

ＦＣ４０は、モード運転時において、定常的には、一定値の定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ（Ｐｆｃ＝Ｐｆｃｍ）を下限電力として発電されている。実際には、図４中のＦＣ電圧Ｖｆｃｍが一定とされ、対応するＦＣ発電電流ＩｆｃにＦＣ電圧Ｖｆｃｍ（定常ＦＣ電圧Ｖｆｃｍともいう。）を掛けた電力が、定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ＝Ｉｆｃ×Ｖｆｃｍになる。

例えば、時点２００［ｓｅｃ］の前の時間Ｔａの間では、定常ＦＣ電力ＰｆｃｍとＢＡＴ電力Ｐｂとが等しい値になっているので、ＦＣ発電電力ＰｆｃによりＢＡＴ２０が充電されている期間であることが分かる。また、ＦＣ発電電力Ｐｆｃ［ｋＷ］は、時点２００［ｓｅｃ］後の時点３００［ｓｅｃ］近傍迄の車両１０の加速時等の高負荷時において、大電力（ＦＣ発電電流Ｉｆｃが大電流になり、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃは低くなる。）を発生している。ここで、ＦＣＶＣＵ２１のスイッチング素子としてＳｉＣ−ＦＥＴ３２を使用しているので、高周波のスイッチングが可能であり、精度の高い電流制御を行うことができる。

より詳細に説明すると、モータ１４に供給されるモータ電流Ｉｍが高くされる高負荷時には、負荷端電圧Ｖｉｎｖ（ＦＣＶＣＵ２１の出力電圧）がＢＡＴＶＣＵ２２の昇圧動作下に必要な高電圧にされる一方、ＦＣ４０のＦＣ発電電圧Ｖｆｃを、大電流出力（大電流のＦＣ発電電流Ｉｆｃ）とするために低電圧側に保持する必要があるので（図４のＦＣ電流電圧特性ＩＶｆｃ参照）、ＦＣＶＣＵ２１の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）を急激に大きくする必要があるが、ＳｉＣ−ＦＥＴ３２を使用しているので、高周波のスイッチングが可能であり、供給されるモータ電流Ｉｍに応じた精度の高い電流制御を行うことができる。

さらに、ＦＣ４０が定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍで発電中には、負荷端電圧Ｖｉｎｖが変動したとしても、定常ＦＣ電圧Ｖｆｃｍが維持されるようにＦＣＶＣＵ２１のデューティが高速制御されるが、ＳｉＣ−ＦＥＴ３２を使用しているので、この高速制御に沿って定常ＦＣ電圧Ｖｆｃｍが維持されるようになっている。

図５中、破線で示すモード運転時におけるＦＣ平均電力Ｐｆｃａｖｅ［ｋＷ］は、定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍより大きな電力になる（Ｐｆｃａｖｅ＞Ｐｆｃｍ）。

モード運転時において、ＢＡＴ２０（ＢＡＴＶＣＵ２２）の通過平均電力Ｐｂａｖｅ［ｋＷ］は、ＦＣ平均電力Ｐｆｃａｖｅ［ｋＷ］より大きな電力となっている。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムとしての燃料電池システム１２は、ＦＣ４０とＢＡＴ２０（蓄電装置）とにより負荷３０が駆動されるシステムである。この燃料電池システム１２は、ＦＣ４０の出力端に設けられた第１電力変換装置（昇圧器）としてのＦＣＶＣＵ２１と、ＢＡＴ２０の端に設けられた第２電力変換装置（昇降圧器）としてのＢＡＴＶＣＵ２２と、を備える。

ＦＣＶＣＵ２１は、ＳｉＣ−ＦＥＴ３２を含むスイッチング素子により構成され、ＢＡＴＶＣＵ２２は、ＩＧＢＴ４１〜４４からなるスイッチング素子により構成され、ＦＣ４０の最大電流値（図３のＩｍａｘ［Ａ］）が、ＢＡＴ２０の最大電流値（図３のＩｍａｘ［Ａ］）より高く設定され、さらに、所定の運転モード、この実施形態ではＬＡ−４運転モードにおいて、ＢＡＴＶＣＵ２２（ＩＧＢＴ４１〜４４）の平均通過電力値（図５のＰｂａｖｅ）が、ＦＣＶＣＵ２１の平均通過電力値（図５のＰｆｃａｖｅ）より高く設定される。

このように、ＦＣ４０の出力端にＦＣＶＣＵ２１を用いているので、ＦＣ４０のセル数を減少させることができ、システムの小容量化及び低コスト化を実現できると共に、負荷端電圧Ｖｉｎｖの変動（負荷変動）があってもＳｉＣ−ＦＥＴ３２を含むＦＣＶＣＵ２１（第１電力変換装置）の高速動作によりＦＣ４０の出力端の電圧（ＦＣ発電電圧Ｖｆｃ）の変動を抑制できてＦＣ４０の耐久性を確保でき、且つ通過平均電力Ｐｂａｖｅ（平均通過電力値）の大きいＢＡＴＶＣＵ２２にＩＧＢＴ４１〜４４を配しているので燃料電池システム１２の電力損失が低減でき、ＦＣＶＣＵ２１及びＢＡＴＶＣＵ２２のスイッチング素子（ＳｉＣ−ＦＥＴ又はＩＧＢＴ）の特性を生かしたシステムが構築できる。

この場合、ＦＣ４０には、下限電力としての定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ（図５参照）が設定され、負荷３０の要求電力が下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）以下のときには、ＦＣ４０は下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）で発電されて、その下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）でのＦＣ４０の余剰電力分は、ＢＡＴ２０に充電される（例えば、図５中、時間Ｔａの間）。

一方、負荷３０の要求電力がＦＣ４０の下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）を上回り、ＢＡＴ２０が低ＳＯＣ状態（この実施形態では、ＳＯＣが５０［％］未満）である場合、ＦＣ４０のＦＣ発電電力Ｐｆｃが負荷３０の要求電力の変動（上昇）に連動するようにＦＣＶＣＵ２１が制御される（時点２００［ｓｅｃ］後から時点３００［ｓｅｃ］近傍迄等）。

このように、ＦＣ４０を定常的に一定負荷に対応する下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）で発電させつつ、高出力時にはＦＣ４０からの発電電力を応答性の高いＳｉＣ−ＦＥＴ３２を備えるＦＣＶＣＵ２１で引き出すことができる。したがって、ＦＣ４０の耐久性と負荷の要求電力の変動に対する応答性の高いシステムが構築できる。よって、燃料電池自動車１０に適用して好適である。

ＦＣ４０の下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）は、ＢＡＴ２０の入出力端に設けられたＢＡＴＶＣＵ２２を構成するＩＧＢＴ４１〜４４の通過電力（通過平均電力Ｐｂａｖｅ）値以下の値に設定されることが好ましい。このようにすれば、ＢＡＴ２０の過充電によりＦＣ４０の発電が停止してしまうことが抑制されるため、ＦＣ４０の劣化が防止されて耐久性の高い燃料電池システム１２を構築することができる。

［他の実施形態］
図６は、この発明の他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムとしての燃料電池システム１２Ａ（以下、「ＦＣシステム１２Ａ」という。）が適用された燃料電池自動車１０Ａ（以下、「ＦＣ自動車１０Ａ」又は「車両１０Ａ」という。）の概略全体構成図である。なお、図６に示すＦＣ自動車１０Ａにおいて、図１に示したＦＣ自動車１０の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付けてその説明を省略するが、基本的な構成の違いは、ＦＣＶＣＵ２１がＦＣＶＣＵ２１Ａに変更された点である。

第１電力変換装置としてのチョッパ方式の昇圧コンバータ（昇圧器）であるＦＣＶＣＵ２１Ａは、第１相ＶＣＵ１０１と第２相ＶＣＵ１０２と第３相ＶＣＵ１０３と第４相ＶＣＵ１０４の４並列の構成になっている。

第１相ＶＣＵ１０１は、リアクトル６１とスイッチング素子としてのＳｉＣ−ＦＥＴ７１とダイオード８１とから構成される。

第２相ＶＣＵ１０２は、第１相ＶＣＵ１０１と同一素子・同一回路構成であり、リアクトル６２とスイッチング素子としてのＳｉＣ−ＦＥＴ７２とダイオード８２とから構成される。

第３相ＶＣＵ１０３は、リアクトル６３とスイッチング素子としてのＩＧＢＴ７３とダイオード８３とから構成される。

第４相ＶＣＵ１０４は、第３相ＶＣＵ１０３と同一素子・同一回路構成であり、リアクトル６４とスイッチング素子としてのＩＧＢＴ７４とダイオード８４とから構成される。

負荷３０の要求電力に基づきＥＣＵ２４を通じてＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２及び／又はＩＧＢＴ７３、７４がオン・オフスイッチング制御（デューティ制御）されることで、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧することができる。

他の実施形態に係る燃料電池システム１２Ａでは、ＦＣＶＣＵ２１Ａの通過電流Ｉｆｃ２及びスイッチング素子であるＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２がＥＣＵ２４に対する制御入力となるので、通過電流Ｉｆｃ２が電流センサ８０によって検出されてＥＣＵ２４に供給されると共に、温度Ｔｃ１、Ｔｃ２が温度センサ９１、９２によって検出されてＥＣＵ２４に供給されるように構成されている。

次に、図６に示した他の実施形態に係る燃料電池システム１２ＡのＦＣＶＣＵ２１Ａの動作について、図７のフローチャート及び図８、図９のタイミングチャートを参照して説明する。

ステップＳ１にて、電流センサ８０をＦＣＶＣＵ２１Ａから２次側２Ｓ側に流れる通過電流Ｉｆｃ２が閾値電流Ｉｔｈ以上（Ｉｆｃ２≧Ｉｔｈ）になっているか否か判定する。

なお、閾値電流Ｉｔｈは、例えば、ＦＣ４０から出力させようとする最大ＦＣ発電電流値（定格電流値）の１／２（半分）の電流値に設定する。

ステップＳ１の判定にて、通過電流Ｉｆｃ２が閾値電流Ｉｔｈ未満である（Ｉｆｃ２＜Ｉｔｈ：ステップＳ１：ＮＯ）場合、ステップＳ２にて、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２のうち、少なくとも１つの温度が、閾値温度Ｔｔｈ以上（Ｔｃ１≧Ｔｔｈ又はＴｃ２≧Ｔｔｈ）になっているか否かを判定する。

ステップＳ２の判定にて、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２が、閾値温度Ｔｔｈ未満である（Ｔｃ１＜Ｔｔｈ及びＴｃ２＜Ｔｔｈ）場合、すなわちステップＳ２の判定が否定的（ステップＳ２：ＮＯ）である場合、ステップＳ３にて、第３相ＶＣＵ１０３（ＩＧＢＴ７３）及び第４相ＶＣＵ１０４（ＩＧＢＴ７４）のスイッチング制御を停止し、第１相ＶＣＵ１０１（ＳｉＣ−ＦＥＴ７１）及び第２相ＶＣＵ１０２（ＳｉＣ−ＦＥＴ７２）をスイッチング制御する。

この場合、ステップＳ３の一態様では、図８の時点ｔ２０からｔ２１´までの時間領域の波形に示すように、通過電流Ｉｆｃ２の値が一定値である場合には、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１及びＳｉＣ−ＦＥＴ７２は、一定のデューティでオン・オフ制御される。

また、ステップＳ３の他の態様では、図９の時点ｔ１０からｔ１１までの時間領域の波形に示すように、通過電流Ｉｆｃ２の値が上昇している場合には、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１及びＳｉＣ−ＦＥＴ７２は、デューティ可変でデューティが大きくなるようにオン・オフ制御される。

ステップＳ１の判定にて、通過電流Ｉｆｃ２が閾値電流Ｉｔｈ未満である（Ｉｆｃ２＜Ｉｔｈ：ステップＳ１：ＮＯ）場合であっても、ステップＳ２の判定にて、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２のうち、少なくとも１つの温度が、閾値温度Ｔｔｈ以上（Ｔｃ１≧Ｔｔｈ又はＴｃ２≧Ｔｔｈ）になっていた場合には、すなわち、ステップＳ２の判定が肯定的である（ステップＳ２：ＹＥＳ）場合、ステップＳ４にて、第１及び第２相ＶＣＵ１０１、１０２（ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２）をスイッチング制御すると共に、第３及び第４相ＶＣＵ１０３、１０４（ＩＧＢＴ７３、７４）をスイッチング制御する。具体的には、図８の時点ｔ２１以降の波形に示すように、第１及び第２相ＶＣＵ１０１、１０２をスイッチング制御すると共に、第３及び第４相ＶＣＵ１０３、１０４をスイッチング制御する。

一方、ステップＳ１の判定にて、通過電流Ｉｆｃ２が閾値電流Ｉｔｈ以上になっている（Ｉｆｃ２≧Ｉｔｈ）場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２が閾値温度Ｔｔｈ以上であるか否かに拘わらず、ステップＳ５にて、図９の時点ｔ１１から時点ｔ１２の波形に示すように、第１及び第２相ＶＣＵ１０１、１０２をスイッチング制御すると共に、これとは逆相で第３及び第４相ＶＣＵ１０３、１０４をスイッチング制御する。

［他の実施形態のまとめ］
上述した他の実施形態に係る２電源負荷駆動燃料電池システムとしての燃料電池システム１２Ａは、ＦＣ４０とＢＡＴ２０（蓄電装置）とにより負荷３０が駆動されるシステムである。この燃料電池システム１２Ａは、ＦＣ４０の出力端に設けられた第１電力変換装置としてのＦＣＶＣＵ２１Ａと、ＢＡＴ２０の端に設けられた第２電力変換装置としてのＢＡＴＶＣＵ２２と、を備える。

ここで、ＦＣＶＣＵ２１Ａは、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２及びＩＧＢＴ７３、７４からなるスイッチング素子により構成され、ＢＡＴＶＣＵ２２は、ＩＧＢＴ４１〜４４からなるスイッチング素子により構成されている。ＦＣ４０の最大電流値（図３のＩｍａｘ［Ａ］）が、ＢＡＴ２０の最大電流値（図３のＩｍａｘ［Ａ］）より高く設定され、さらに、所定の運転モード、この実施形態ではＬＡ−４運転モードにおいて、ＢＡＴＶＣＵ２２（ＩＧＢＴ４１〜４４）の平均通過電力値（図５のＰｂａｖｅ）が、ＦＣＶＣＵ２１Ａの平均通過電力値（図５のＰｆｃａｖｅ）より高く設定される。

そして、負荷３０が低負荷のとき（Ｉｆｃ２＜Ｉｔｈ、ステップＳ１：ＮＯ）には、第１相ＶＣＵ１０１及び第２相ＶＣＵ１０２の２相のＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２のみを動作状態にし（ステップＳ３、図９の時点ｔ１０〜時点ｔ１１）、負荷３０が高負荷のとき（Ｉｆｃ２≧Ｉｔｈ、ステップＳ１：ＹＥＳ、ステップＳ５）には、第１相ＶＣＵ１０１〜第４相ＶＣＵ１０４の４相のＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２及びＩＧＢＴ７３、７４の両方が動作状態になるように構成したので、低負荷時には、ＦＣ４０の出力電力（ＦＣ発電電力Ｐｆｃ）を、例えば前記下限電力（定常ＦＣ電力Ｐｆｃｍ）から変動しないようにする一方、高負荷時には、ＩＧＢＴ７３、７４も動作するようにしたので低コストで大きな電力をＦＣ４０から負荷３０へ供給することができる。

また、負荷３０が低負荷であっても（Ｉｆｃ２＜Ｉｔｈ、ステップＳ１：ＮＯ）、ＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２のうち、少なくとも１つの温度が、閾値温度Ｔｔｈ以上（Ｔｃ１≧Ｔｔｈ又はＴｃ２≧Ｔｔｈ、ステップＳ２：ＹＥＳ）になっていた場合には、第１相ＶＣＵ１０１〜第４相ＶＣＵ１０４の４相のＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２及びＩＧＢＴ７３、７４の両方が動作状態になる（時点ｔ２１´〜時点ｔ２２、ステップＳ４）ように構成したので、発熱によるＳｉＣ−ＦＥＴ７１、７２の劣化乃至故障を未然に防止することができる。

なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

Claims (5)

1. 燃料電池（４０）と蓄電装置（２０）とにより、走行モータ（１４）を含む負荷（３０）が駆動される燃料電池自動車（１０）に適用される２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池（４０）の出力端に設けられた第１電力変換装置（２１）と、
   前記蓄電装置（２０）の端に設けられた第２電力変換装置（２２）と、を備え、
   前記第１電力変換装置（２１）は、ＳｉＣ−ＦＥＴを含むスイッチング素子（３２）により構成され、
   前記第２電力変換装置（２２）は、ＩＧＢＴからなるスイッチング素子（４１，４２，４３，４４）により構成され、
   前記燃料電池（４０）の最大電流値（Ｉｍａｘ）が、前記蓄電装置（２０）の最大電流値（Ｉｍａｘ）より高く設定され、
   さらに、
   各国で採用されている燃費及び又は排出ガスを測定する走行パターンでの運転モードにおいて、
   前記燃料電池（４０）の電圧値（Ｖｆｃｍ）が、前記蓄電装置（２０）の電圧値（Ｖｂｍ）より低く設定されると共に、前記第２電力変換装置（２２）の平均通過電力値（Ｐｂａｖｅ）が、前記第１電力変換装置（２１）の平均通過電力値（Ｐｆｃａｖｅ）より高く設定される
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池（４０）には、下限電力（Ｐｆｃｍ）が設定され、
   前記負荷（３０）の要求電力が前記下限電力（Ｐｆｃｍ）以下のときには、前記燃料電池（４０）は前記下限電力（Ｐｆｃｍ）で発電されると共に、前記負荷（３０）の要求電力の変動に応じて前記蓄電装置（２０）への充電電力が変化され、
   一方、前記負荷（３０）の要求電力が前記下限電力（Ｐｆｃｍ）を上回る場合、前記燃料電池（４０）の発電電力が前記負荷（３０）の要求電力の変動に連動するように前記第１電力変換装置（２１）が制御される
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、
   前記下限電力（Ｐｆｃｍ）は、前記第２電力変換装置（２２）の平均通過電力（Ｐｂａｖｅ）値以下の値に設定される
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、
   前記第１電力変換装置（２１）は、前記ＳｉＣ−ＦＥＴの他、ＩＧＢＴを含むスイッチング素子（７１，７２，７３，７４）により構成され、前記負荷（３０）が低負荷のときには、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子（７１，７２）のみが動作状態にされ、前記負荷（３０）が高負荷のときには、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子（７１，７２）及び前記ＩＧＢＴスイッチング素子（７３，７４）の両方が動作状態になるように制御する
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の２電源負荷駆動燃料電池システムにおいて、
   前記負荷（３０）が低負荷のときであっても、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子（７１，７２）の温度（Ｔｃ１，Ｔｃ２）が閾値温度（Ｔｔｈ）以上である場合には、前記ＳｉＣ−ＦＥＴスイッチング素子（７１，７２）及び前記ＩＧＢＴスイッチング素子（７３，７４）の両方が動作状態になるように制御する
   ことを特徴とする２電源負荷駆動燃料電池システム。

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