JP6228620B2 - 電力供給システム - Google Patents
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Description
本発明は、複数の電源と複数の電圧変換器を有する電力供給システムに関する。
特許文献１では、全体としてのエネルギ効率又は電力効率を向上することが可能な電力システム及び燃料電池車両を提供することを目的としている（［０００８］、要約）。当該目的を達成するため、特許文献１（要約）では、ＦＣ車両１０又は電力システム１２の制御装置３０は、モータ１４の負荷が負荷閾値を下回るとき、ＦＣ５０側のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の昇圧動作を停止させて、ＦＣ５０からモータ１４に電力を供給させる。モータ１４の負荷が負荷閾値を上回るとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４に昇圧動作を実行させ、ＦＣ５０の出力電圧Ｖｆｃに応じて負荷閾値を変化させる。
上記のように、特許文献１（要約）では、負荷に応じて、ＦＣ５０側のＤＣ／ＤＣコンバータ２４の直結動作又は昇圧動作を切り替えることで、全体としてのエネルギ効率又は電力効率を向上させることを図っている。しかしながら、特許文献１の構成又は制御では、全体としてのエネルギ効率又は電力効率に改善の余地がある。
本発明は上記のような課題を考慮してなされたものであり、全体としてのエネルギ効率又は電力効率を改善させることが可能な電力供給システムを提供することを目的とする。
本発明に係る電力供給システムは、
負荷に対して電力を供給可能な第１電源及び第２電源と、
前記第１電源と前記負荷との間に接続されると共に、第１スイッチング素子の動作により前記第１電源の出力電圧を昇圧可能な第１電圧変換器と、
前記第２電源と前記負荷との間に接続されると共に、第２スイッチング素子の動作により前記第２電源の出力電圧を昇圧可能な第２電圧変換器と、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の動作を制御する制御装置と
を備えるものであって、
所定の通過電力範囲ではいずれの通過電力においても、前記第１電圧変換器の変換効率が、前記第２電圧変換器の変換効率に比べて高く、
前記所定の通過電力範囲では、前記第１電源が出力可能な電圧範囲は、前記第２電源が出力可能な電圧範囲に対して低く、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の前記通過電力が前記所定の通過電力範囲内にある状態で前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に昇圧動作を実行させ、昇圧動作を停止して前記第２電源の出力電圧を前記負荷に直接供給させる直結状態を前記第２電圧変換器に取らせる
ことを特徴とする。
負荷に対して電力を供給可能な第１電源及び第２電源と、
前記第１電源と前記負荷との間に接続されると共に、第１スイッチング素子の動作により前記第１電源の出力電圧を昇圧可能な第１電圧変換器と、
前記第２電源と前記負荷との間に接続されると共に、第２スイッチング素子の動作により前記第２電源の出力電圧を昇圧可能な第２電圧変換器と、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の動作を制御する制御装置と
を備えるものであって、
所定の通過電力範囲ではいずれの通過電力においても、前記第１電圧変換器の変換効率が、前記第２電圧変換器の変換効率に比べて高く、
前記所定の通過電力範囲では、前記第１電源が出力可能な電圧範囲は、前記第２電源が出力可能な電圧範囲に対して低く、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の前記通過電力が前記所定の通過電力範囲内にある状態で前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に昇圧動作を実行させ、昇圧動作を停止して前記第２電源の出力電圧を前記負荷に直接供給させる直結状態を前記第２電圧変換器に取らせる
ことを特徴とする。
本発明によれば、所定の通過電力範囲ではいずれの通過電力においても、第１電圧変換器の変換効率が、第２電圧変換器の変換効率に比べて高い。また、前記所定の通過電力範囲ではいずれの通過電力においても、第１電源が出力可能な電圧範囲は、第２電源が出力可能な電圧範囲に対して低い。これらの前提条件を満たした上で、第１電圧変換器及び第２電圧変換器の通過電力が前記所定の通過電力範囲内にある状態で第１電源及び第２電源から負荷へ電力を供給する際、第１電圧変換器に昇圧動作を実行させ、第２電圧変換器に直結状態（直結動作を含み得る。）を取らせる。
このため、変換効率が低い第２電圧変換器による直結状態と変換効率が高い第１電圧変換器による昇圧動作の組合せを積極的に用いることで、第２電圧変換器による電力損失を抑制して、電力供給システム全体の電力効率又はエネルギ効率を向上することが可能となる。
前記第１スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子に比べて、スイッチング損失又は導通損失が小さくてもよい。これにより、主たる電源として第１電源を用いる場合、電力供給システム全体での電力効率又はエネルギ効率を向上させることが可能となる。
前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に前記昇圧動作を行わせると共に、前記負荷の要求出力に応じて前記第２電圧変換器の前記直結状態又は前記昇圧動作を切り替えてもよい。これにより、第２電圧変換器の直結状態を優先的に用いつつ、負荷の要求出力の増加時等には第２電圧変換器の昇圧動作を用いることで、負荷の要求出力の変化に柔軟に対応することが可能となる。
前記負荷は、交流式の回転電機を含んでもよい。また、前記電力供給システムは、前記第１電源及び前記第２電源の少なくとも一方からの直流を交流に変換して前記回転電機に供給するインバータを備えてもよい。さらに、前記回転電機の要求入力電圧又は要求入力電力が特定の値であるときにおける前記回転電機、前記インバータ、前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器それぞれの電力損失の合計値を合計電力損失と定義するとき、前記制御装置は、前記第２電圧変換器に前記昇圧動作をさせたときよりも、前記直結状態にさせたときの方が、前記合計電力損失が小さくなる場合、前記第２電圧変換器に前記直結状態を取らせてもよい。
これにより、合計電力損失を考慮して、第２電圧変換器に昇圧動作又は直結状態のいずれを行わせるかを判定するため、電力供給システム全体としての電力効率又はエネルギ効率の低下を効果的に抑制することができる。
前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ所定期間電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に前記昇圧動作を継続して行わせると共に、前記負荷の要求出力に応じて前記第２電圧変換器の前記直結状態又は前記昇圧動作を切り替えてもよい。
これにより、所定期間において第１電圧変換器が昇圧動作を継続している中で、第２電圧変換器の直結状態を優先的に用いつつ、負荷の要求出力の増加時等には第２電圧変換器の昇圧動作を用いることで、負荷の要求出力の変化に柔軟に対応することが可能となる。
前記第２電源の前記出力電圧の下限値は、前記第１電源の前記出力電圧の上限値を上回ってもよい。これにより、第１電圧変換器及び第２電圧変換器の通過電力が変化しても、第１電圧変換器の変換効率が第２電圧変換器の変換効率を上回り易くなる。このため、第１電圧変換器及び第２電圧変換器の作動中に変換効率の比較をする必要がなくなるため、第１電圧変換器が第２電圧変換器の制御を単純化することが可能となる。
本発明によれば、全体としてのエネルギ効率又は電力効率を改善させることが可能となる。
Ａ．一実施形態
＜Ａ−１．構成＞
［Ａ−１−１．全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電力供給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」又は「システム１２」という。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータ１６とを有する。
＜Ａ−１．構成＞
［Ａ−１−１．全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電力供給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」又は「システム１２」という。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータ１６とを有する。
ＦＣシステム１２（電力供給システム）は、燃料電池ユニット２０（以下「ＦＣユニット２０」という。）と、高電圧バッテリ２２（以下「バッテリ２２」ともいう。）と、ＦＣコンバータ２４と、バッテリコンバータ２６と、電子制御装置２８（以下「ＥＣＵ２８」という。）とを有する。
［Ａ−１−２．駆動系］
本実施形態のモータ１４は、３相交流ブラシレス式である。モータ１４は、ＦＣユニット２０及びバッテリ２２から供給される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３０を通じて車輪３２を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２２等に出力する。
本実施形態のモータ１４は、３相交流ブラシレス式である。モータ１４は、ＦＣユニット２０及びバッテリ２２から供給される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３０を通じて車輪３２を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２２等に出力する。
モータ１４のＵ相−Ｖ相間及びＶ相−Ｗ相間の電圧は、電圧センサ３６ｕｖ、３６ｖｗにより検出される。モータ１４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流は、電流センサ３８ｕ、３８ｖ、３８ｗにより検出される。或いは、３相のうち２相のみ電流を検出し、これらの電流から残りの１相の電流を検出してもよい。
インバータ１６は、３相フルブリッジ型の構成を有し、直流−交流変換を行う。より具体的には、インバータ１６は、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流−直流変換後の直流をバッテリコンバータ２６を通じてバッテリ２２等に供給する。なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷４０という。
［Ａ−１−３．ＦＣユニット２０］
ＦＣユニット２０は、燃料電池スタック５０（以下「ＦＣスタック５０」、「燃料電池５０」又は「ＦＣ５０」という。）と、その周辺部品とを備える。ＦＣスタック５０（第１電源）は、例えば、固体高分子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を積層した構造を有する。前記周辺部品には、ＦＣスタック５０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、ＦＣスタック５０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系とが含まれる。
ＦＣユニット２０は、燃料電池スタック５０（以下「ＦＣスタック５０」、「燃料電池５０」又は「ＦＣ５０」という。）と、その周辺部品とを備える。ＦＣスタック５０（第１電源）は、例えば、固体高分子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を積層した構造を有する。前記周辺部品には、ＦＣスタック５０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、ＦＣスタック５０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系とが含まれる。
ＦＣ５０の出力電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ５２により検出される。ＦＣ５０の出力電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ５４により検出される。
［Ａ−１−４．高電圧バッテリ２２］
バッテリ２２（第２電源）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次電池等を利用することができる。バッテリ２２の代わりに、キャパシタ等の蓄電装置を用いてもよい。
バッテリ２２（第２電源）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次電池等を利用することができる。バッテリ２２の代わりに、キャパシタ等の蓄電装置を用いてもよい。
バッテリ２２の入出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」又は「ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ６０により検出される。バッテリ２２の入出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」又は「ＢＡＴ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ６２により検出される。ＥＣＵ２８は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２２の残容量（ＳＯＣ）［％］を算出する。
［Ａ−１−５．ＦＣコンバータ２４］
ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）は、ＦＣ５０の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を昇圧してインバータ１６に供給する昇圧チョッパ型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。ＦＣコンバータ２４は、ＦＣ５０とインバータ１６との間に配置される。換言すると、ＦＣコンバータ２４は、一方がＦＣ５０のある１次側１Ｓｆに接続され、他方がバッテリ２２と負荷４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。以下では、ＦＣコンバータ２４を、コンバータ２４、昇圧コンバータ２４又はＦＣ−ＶＣＵ２４ともいう。ＦＣ−ＶＣＵ２４は、ＦＣ５０用電圧制御ユニットの意味である。
ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）は、ＦＣ５０の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を昇圧してインバータ１６に供給する昇圧チョッパ型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。ＦＣコンバータ２４は、ＦＣ５０とインバータ１６との間に配置される。換言すると、ＦＣコンバータ２４は、一方がＦＣ５０のある１次側１Ｓｆに接続され、他方がバッテリ２２と負荷４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。以下では、ＦＣコンバータ２４を、コンバータ２４、昇圧コンバータ２４又はＦＣ−ＶＣＵ２４ともいう。ＦＣ−ＶＣＵ２４は、ＦＣ５０用電圧制御ユニットの意味である。
図２は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４の構成例を示す模式的回路図である。ＦＣ−ＶＣＵ２４は、インダクタ７０、スイッチング素子７２、ダイオード７４及び平滑コンデンサ７６を備える。ＦＣ−ＶＣＵ２４は、ＥＣＵ２８を通じてスイッチング素子７２がスイッチング（デューティ制御）されることでＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧する。昇圧された電圧は、インバータ１６の入力端電圧（以下「インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖ」又は「入力端電圧Ｖｉｎｖ」という。）となる。インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖは、電圧センサ７８（図１）により検出される。また、ＦＣ−ＶＣＵ２４の出口端電流（以下「出口端電流Ｉｆｃｖｃｕ」という。）は、電流センサ８０により検出される。
本実施形態のスイッチング素子７２（第１スイッチング素子）は、例えばＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）からなる。スイッチング素子７２を構成するＭＯＳＦＥＴは、例えばＳｉＣ（シリコン・カーバイド）製である。
［Ａ−１−６．バッテリコンバータ２６］
バッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）は、昇圧チョッパ型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。バッテリコンバータ２６は、バッテリ２２の出力電圧（バッテリ電圧Ｖｂａｔ）を昇圧して又は直結状態でインバータ１６に供給する。また、バッテリコンバータ２６は、モータ１４の回生電圧（以下「回生電圧Ｖｒｅｇ」という。）又はＦＣ電圧Ｖｆｃとしてのインバータ入力端電圧Ｖｉｎｖを直結状態でバッテリ２２に供給することが可能である。
バッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）は、昇圧チョッパ型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。バッテリコンバータ２６は、バッテリ２２の出力電圧（バッテリ電圧Ｖｂａｔ）を昇圧して又は直結状態でインバータ１６に供給する。また、バッテリコンバータ２６は、モータ１４の回生電圧（以下「回生電圧Ｖｒｅｇ」という。）又はＦＣ電圧Ｖｆｃとしてのインバータ入力端電圧Ｖｉｎｖを直結状態でバッテリ２２に供給することが可能である。
図１に示すように、バッテリコンバータ２６は、バッテリ２２とインバータ１６との間に配置される。換言すると、バッテリコンバータ２６は、一方がバッテリ２２のある１次側１Ｓｂに接続され、他方がＦＣ５０と負荷４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。以下では、バッテリコンバータ２６を、コンバータ２６、ＢＡＴコンバータ２６、昇圧コンバータ２６又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６ともいう。ＢＡＴ−ＶＣＵ２６は、バッテリ２２用電圧制御ユニットの意味である。
図３は、本実施形態におけるバッテリコンバータ２６の構成例を示す模式的回路図である。ＢＡＴ−ＶＣＵ２６は、インダクタ９０と、スイッチング素子９２、９４と、スイッチング素子９２、９４にそれぞれ並列に接続されるダイオード９６、９８と、平滑コンデンサ１００、１０２とを備える。
本実施形態のスイッチング素子９２、９４（第２スイッチング素子）は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）からなる。スイッチング素子９２、９４を構成するＩＧＢＴは、例えばシリコン製である。
バッテリ２２を用いた力行時における昇圧時には、ＥＣＵ２８により、スイッチング素子９４がオフ状態とされ、スイッチング素子９２がスイッチング（デューティ制御）されることでバッテリ電圧Ｖｂａｔを昇圧する。昇圧された電圧は、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖとなる。
バッテリ２２を用いた力行時における直結時には、ＥＣＵ２８により、スイッチング素子９２がオフ状態とされ、スイッチング素子９４がオン状態とされることでバッテリ電圧Ｖｂａｔをそのままインバータ１６に供給する。換言すると、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖとなる。
回生時には、ＥＣＵ２８により、スイッチング素子９２がオフ状態とされ、スイッチング素子９４がオン状態とされることでインバータ入力端電圧Ｖｉｎｖをそのままバッテリ２２に供給する。換言すると、バッテリ電圧Ｖｂａｔ（バッテリ２２への入力電圧）は、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖとなる。
上記のように、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖは、電圧センサ７８（図１）により検出される。また、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出口端電流（以下「出口端電流Ｉｂａｔｖｃｕ」という。）は、電流センサ１０４により検出される。
本実施形態では、ＥＣＵ２８によりＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６を制御することにより、ＦＣユニット２０から供給される電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）と、バッテリ２２から供給される電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」又は「ＢＡＴ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。
以下では、昇圧なしにＢＡＴ電力Ｐｂａｔ又はＦＣ電力Ｐｆｃ若しくは回生電力Ｐｒｅｇが供給される状態を「直結状態」といい、直結状態を実現するための動作を「直結動作」という。
直結状態では、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６による昇圧が行われないため、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔと等しくなる。より正確には、直結状態では、入力端電圧Ｖｉｎｖは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔからインダクタ９０及びダイオード９８による電圧降下分を引いた値となるが、以下では、入力端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔと実質的に等しいものとして説明をする。
［Ａ−１−７．ＥＣＵ２８］
ＥＣＵ２８は、通信線１０６（図１）を介して、ＦＣシステム１２の各部を制御する。図１に示すように、ＥＣＵ２８は、入出力部１１０と、演算部１１２と、記憶部１１４とをハードウェアとして有する。
ＥＣＵ２８は、通信線１０６（図１）を介して、ＦＣシステム１２の各部を制御する。図１に示すように、ＥＣＵ２８は、入出力部１１０と、演算部１１２と、記憶部１１４とをハードウェアとして有する。
入出力部１１０は、ＥＣＵ２８の入出力を行う。入出力部１１０には、アナログ／デジタル変換器及びデジタル／アナログ変換器を含むことができる。演算部１１２は、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット２０、バッテリ２２及び昇圧コンバータ２４、２６を制御する。当該制御に際しては、演算部１１２は、記憶部１１４に記憶されたプログラムを実行する。また、演算部１１２は、電圧センサ５２、３６ｕｖ、３６ｖｗ、６０、７８、電流センサ３８ｕ、３８ｖ、３８ｗ、５４、６２、８０、１０４等の各種センサの検出値を用いる。
ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ１２０及びモータ回転数センサ１２２（図１）が含まれる。開度センサ１２０は、アクセルペダル１２４の開度θｐ［度］を検出する。モータ回転数センサ１２２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍｏｔ」又は「回転数Ｎｍｏｔ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ２８は、回転数Ｎｍｏｔを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２８には、メインスイッチ１２６（以下「メインＳＷ１２６」という。）が接続される。メインＳＷ１２６は、ＦＣユニット２０及びバッテリ２２からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。
演算部１１２は、中央演算装置（ＣＰＵ）を含む。図１に示すように、演算部１１２は、インバータ１６を制御するインバータ制御部１３０と、コンバータ２４、２６を制御するコンバータ制御部１３２とを有する。
演算部１１２は、ＦＣスタック５０の状態、バッテリ２２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）に基づいて、ＦＣ車両１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷Ｐｓｙｓ（以下「システム負荷Ｐｓｙｓ」という。）を決定する。そして、演算部１１２は、ＦＣスタック５０が負担すべき負荷と、バッテリ２２が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定する。さらに、演算部１１２は、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット２０、バッテリ２２及びコンバータ２４、２６に指令を送出する。ＥＣＵ２８の演算部１１２における基本的な制御は、例えば特許文献１に記載されているものを用いることができる。
なお、ＥＣＵ２８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２０、バッテリ２２及びコンバータ２４、２６毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。
＜Ａ−２．制御＞
次に、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御について説明する。それ以外の各種制御は、例えば特許文献１に記載されているものを用いることができる。
次に、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御について説明する。それ以外の各種制御は、例えば特許文献１に記載されているものを用いることができる。
［Ａ−２−１．基本的考え方］
図４は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の電力効率ηｆｖ、ηｂｖ［％］の例を示す図である。ここにいう電力効率ηｆｖ（以下「ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖ」ともいう。）は、どれだけ電力損失（熱への変換等）を少なくしてＦＣ−ＶＣＵ２４が変圧（昇圧）することができるかを示す指標である。ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖは、ＦＣ−ＶＣＵ２４への入力電力と、ＦＣ−ＶＣＵ２４からの出力電力との比率により算出される。ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖは、ＦＣ−ＶＣＵ２４を通過する通過電力Ｐｆｖ及びＦＣ−ＶＣＵ２４の昇圧率に応じて変化する。
図４は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の電力効率ηｆｖ、ηｂｖ［％］の例を示す図である。ここにいう電力効率ηｆｖ（以下「ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖ」ともいう。）は、どれだけ電力損失（熱への変換等）を少なくしてＦＣ−ＶＣＵ２４が変圧（昇圧）することができるかを示す指標である。ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖは、ＦＣ−ＶＣＵ２４への入力電力と、ＦＣ−ＶＣＵ２４からの出力電力との比率により算出される。ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖは、ＦＣ−ＶＣＵ２４を通過する通過電力Ｐｆｖ及びＦＣ−ＶＣＵ２４の昇圧率に応じて変化する。
例えば、図４では、ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖとして、ηｆｖ１、ηｆｖ２、ηｆｖ３が示されている。ηｆｖ１は、ＦＣ−ＶＣＵ２４の昇圧率が高い場合の電力効率ηｆｖである。ηｆｖ２は、ＦＣ−ＶＣＵ２４の昇圧率が低い場合の電力効率ηｆｖである。ηｆｖ３は、ＦＣ−ＶＣＵ２４が直結状態のときの電力効率ηｆｖである。図４から明らかなように、ηｆｖ１よりもηｆｖ２の方が値が高い（電力損失が少ない）。また、ηｆｖ２よりもηｆｖ３の方が値が高い（電力損失が少ない）。
同様に、電力効率ηｂｖ（以下「ＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖ」ともいう。）は、どれだけ電力損失（熱への変換等）を少なくしてＢＡＴ−ＶＣＵ２６が変圧（昇圧）することができるかを示す指標である。ＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖは、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６への入力電力と、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６からの出力電力との比率により算出される。ＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖは、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６を通過する通過電力Ｐｂｖ及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６の昇圧率に応じて変化する。
図４の電力効率ηｂｖ１、ηｂｖ２、ηｂｖ３は、電力効率ηｆｖ１、ηｆｖ２、ηｆｖ３と同様、昇圧率が高い場合、昇圧率が低い場合及び直結状態の場合に対応する。電力効率ηｆｖ１、ηｂｖ１は入力電力及び昇圧率が同じであり、電力効率ηｆｖ２、ηｂｖ２は入力電力及び昇圧率が同じである。図４に示すように、昇圧率が同じである場合、ＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖよりも、ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖの方が高い（優れている）。そこで、本実施形態では、できるだけバッテリコンバータ２６の直結状態を利用することで、システム１２全体の電力効率ηｔｏｔａｌ（以下「全体効率ηｔｏｔａｌ」ともいう。）の改善を図る。
なお、ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖの方がＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖよりも優れている理由は、例えば、次の理由による。すなわち、ＦＣコンバータ２４のスイッチング素子７２がＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴであるのに対し、ＢＡＴコンバータ２６のスイッチング素子９２、９４がシリコン製のＩＧＢＴであるためである。
［Ａ−２−２．ＦＣ５０及びバッテリ２２の電力−電圧特性］
図５は、本実施形態におけるＦＣ５０及びバッテリ２２の電力−電圧特性を示す図である。図５において、ＦＣ電圧ＶｆｃはＦＣ電力Ｐｆｃと対応し、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔはＢＡＴ電力Ｐｂａｔと対応する。ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔは、ＳＯＣが大、中、小の場合それぞれについて示している。また、Ｖｆｃ＿ａｖｅは、ＦＣ電圧Ｖｆｃの平均値であり、Ｖｂａｔ＿ａｖｅは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの平均値である。
図５は、本実施形態におけるＦＣ５０及びバッテリ２２の電力−電圧特性を示す図である。図５において、ＦＣ電圧ＶｆｃはＦＣ電力Ｐｆｃと対応し、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔはＢＡＴ電力Ｐｂａｔと対応する。ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔは、ＳＯＣが大、中、小の場合それぞれについて示している。また、Ｖｆｃ＿ａｖｅは、ＦＣ電圧Ｖｆｃの平均値であり、Ｖｂａｔ＿ａｖｅは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの平均値である。
図５の特性は、基準状態における特性の例である。ここにいうＦＣ５０の基準状態は、例えば、発電を行うのに十分な反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）がＦＣ５０に供給されていること、ＦＣ５０の温度（ＦＣ温度Ｔｆｃ）が常温（例えば２０℃）であることである。また、バッテリ２２の基準状態は、バッテリ２２の残容量（ＳＯＣ）が所定値（例えば満充電を示す１００％）であること及びバッテリ２２の温度（バッテリ温度Ｔｂａｔ）が常温であることである。
上記のように、本実施形態では、電力効率が低いバッテリコンバータ２６の直結状態をできるだけ利用できるようにする。そのため、本実施形態では、バッテリ電圧Ｖｂａｔを高めに設定する。具体的には、図５に示すように、ＦＣ５０及びバッテリ２２が電力を供給する作動範囲（所定の通過電力範囲）のいずれにおいても、ＦＣ５０（第１電源）が出力可能な電圧範囲は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲に対して低い。換言すると、ＦＣ５０及びバッテリ２２の仕様として図５の特性を満たすようにＦＣ５０及びバッテリ２２を設計している。
また、後述するように、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑの最低値よりも高い値とする（最低値と同じとすることも可能である。）。このため、バッテリ２２を直結状態とする場合でも、要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑを満たすことが可能となる。
［Ａ−２−３．ＥＣＵ２８（コンバータ制御部１３２）によるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御］
（Ａ−２−３−１．概要）
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御（又は動作モード）を説明するための第１図、第２図及び第３図である。表１、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、本実施形態では、主として３つの動作モード１〜３を用いてコンバータ２４、２６を制御する。図６Ａ〜図６Ｃにおける実線の矢印は、ＦＣ５０からの電流を示す。図６Ａ及び図６Ｂにおける破線の矢印は、バッテリ２２からの電流を示す。図６Ｃにおける一点鎖線の矢印は、モータ１４からの回生電流を示す。動作モード１〜３のさらなる詳細については、図７を参照して後述する。
（Ａ−２−３−１．概要）
図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御（又は動作モード）を説明するための第１図、第２図及び第３図である。表１、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示すように、本実施形態では、主として３つの動作モード１〜３を用いてコンバータ２４、２６を制御する。図６Ａ〜図６Ｃにおける実線の矢印は、ＦＣ５０からの電流を示す。図６Ａ及び図６Ｂにおける破線の矢印は、バッテリ２２からの電流を示す。図６Ｃにおける一点鎖線の矢印は、モータ１４からの回生電流を示す。動作モード１〜３のさらなる詳細については、図７を参照して後述する。
（Ａ−２−３−２．具体的な流れ）
図７は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御のフローチャートである。図７の制御は、ＥＣＵ２８のコンバータ制御部１３２が実行する。図７のステップＳ１において、ＥＣＵ２８は、モータ１４が回生中であるか否かを判定する。
図７は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御のフローチャートである。図７の制御は、ＥＣＵ２８のコンバータ制御部１３２が実行する。図７のステップＳ１において、ＥＣＵ２８は、モータ１４が回生中であるか否かを判定する。
回生中である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２において、ＥＣＵ２８は、ＦＣコンバータ２４に昇圧動作をさせると共に、バッテリコンバータ２６を直結状態にさせる動作モード３（図６Ｃ）を選択する。
具体的には、ＥＣＵ２８は、例えば、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとなるようにＦＣ−ＶＣＵ２４のスイッチング素子７２（図２）をスイッチングさせる。ここでの目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒは、例えば、ＦＣ５０の劣化を抑制する値である。或いは、バッテリ２２のＳＯＣに基づく目標ＦＣ電流Ｉｆｃ＿ｔａｒに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒをＦＣ５０の電流−電圧特性に基づいて設定してもよい。
また、ＥＣＵ２８は、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６のスイッチング素子９４（図３）に駆動信号を出力することによりＢＡＴ−ＶＣＵ２６に直結動作を行わせる。
ステップＳ１に戻り、回生中でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ３において、ＥＣＵ２８は、モータ１４が高負荷状態にあるか否か（換言すると、モータ１４の出力が高負荷領域にあるか否か）を判定する。高負荷状態（高負荷領域）については、図８を参照して後述する。
モータ１４が高負荷状態である場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、ステップＳ４において、ＥＣＵ２８は、ＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の両方に昇圧動作を行わせる動作モード１（図６Ａ）を選択する。
例えば、ＥＣＵ２８は、ＦＣ−ＶＣＵ２４の出力電圧Ｖｆｃｖｃｕ及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出力電圧Ｖｂａｔｖｃｕが要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑとなるようにコンバータ２４、２６の昇圧率（駆動デューティ）を設定する。或いは、インバータ１６での電圧降下分を考慮して要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑよりも若干大きな値となるように出力電圧Ｖｆｃｖｃｕ、Ｖｂａｔｖｃｕを制御してもよい。この際、インバータ制御部１３０は、インバータ１６の各スイッチング素子（図示せず）を最大デューティ比で駆動する。これにより、モータ１４には要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑに等しい入力電圧が印加される。要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑについては、図８を参照して後述する。
なお、ＦＣ−ＶＣＵ２４の出力電圧Ｖｆｃｖｃｕは、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖ及び出口端電流Ｉｆｃｖｃｕに基づいて算出することができる。或いは、ＦＣ−ＶＣＵ２４の出口側に別の電圧センサを求めて検出してもよい。同様に、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出力電圧Ｖｂａｔｖｃｕは、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖ及び出口端電流Ｉｂａｔｖｃｕに基づいて算出することができる。或いは、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出口側に別の電圧センサを求めて検出してもよい。
モータ１４が高負荷状態でない場合（Ｓ３：ＮＯ）、ステップＳ５において、ＥＣＵ２８は、ＦＣコンバータ２４に昇圧動作を行わせると共に、バッテリコンバータ２６を直結状態にする動作モード２（図６Ｂ）を選択する。
例えば、ＥＣＵ２８は、ＦＣ−ＶＣＵ２４の出力電圧ＶｆｃｖｃｕがＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出力電圧Ｖｂａｔｖｃｕと等しくなるようにＦＣ−ＶＣＵ２４の昇圧率（駆動デューティ）を設定する。この際、インバータ制御部１３０は、インバータ１６の各スイッチング素子のデューティ比を制御することで、モータ１４への入力電圧（所定期間における平均値）が要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑと等しくなるようにフィードバック制御する。これにより、モータ１４には要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑに等しい入力電圧が印加される。
また、ＥＣＵ２８は、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６のスイッチング素子９４（図３）に駆動信号を出力することによりＢＡＴ−ＶＣＵ２６を直結状態とする。或いは、スイッチング素子９４に駆動信号を出力せず、ダイオード９８を介して電流を供給することにより直結状態を取らせてもよい。
（Ａ−２−３−３．モータ出力の高負荷領域及び低負荷領域並びに要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑ）
図８は、本実施形態におけるモータ出力の高負荷領域及び低負荷領域並びに要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑを説明するための図である。図８において、縦軸はモータトルクＴｍｏｔであり、横軸はモータ回転数Ｎｍｏｔである。図８に示すように、本実施形態では、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔに基づいて高負荷領域及び低負荷領域を区分する。そこで、ＥＣＵ２８は、図８に示す特性を示すマップを記憶部１１４に予め記憶しておき、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔに基づいてモータ１４が高負荷状態であるか否かを判定する。
図８は、本実施形態におけるモータ出力の高負荷領域及び低負荷領域並びに要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑを説明するための図である。図８において、縦軸はモータトルクＴｍｏｔであり、横軸はモータ回転数Ｎｍｏｔである。図８に示すように、本実施形態では、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔに基づいて高負荷領域及び低負荷領域を区分する。そこで、ＥＣＵ２８は、図８に示す特性を示すマップを記憶部１１４に予め記憶しておき、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔに基づいてモータ１４が高負荷状態であるか否かを判定する。
本実施形態において、高負荷領域及び低負荷領域の区分は、ＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の電力効率ηｆｖ、ηｂｖ（図４）に加え、モータ１４の電力損失Ｌｍｏｔ（以下「モータ損失Ｌｍｏｔ」ともいう。）及びインバータ１６の電力損失Ｌｉｎｖ（以下「インバータ損失Ｌｉｎｖ」ともいう。）を考慮する（詳細は、図９を参照して後述する。）。
さらに、図８に示すように、要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑは、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔに基づいて段階的に変化する。図８では、Ｖ１〜Ｖ５の５段階が示されているが、５段階よりも少なくしてもよく、或いは大きくしてもよい。
上記のように、本実施形態では、バッテリコンバータ２６を直結状態とすることで、バッテリ電圧Ｖｂａｔをインバータ１６にそのまま印加する。このため、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、少なくともＶ１（要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑの最低値）以上の値に設定される。このため、所定の基準状態において、バッテリ電圧Ｖｂａｔの平均値Ｖｂａｔ＿ａｖｅ（図５）は、例えばＶ３となるように設定されるが、その他の値（Ｖ１、Ｖ２、Ｖ４、Ｖ５のいずれか）に設定されてもよい。
図９は、本実施形態におけるモータ１４及びインバータ１６の電力損失Ｌｍｏｔ、Ｌｉｎｖの例を示す図である。図９において、横軸はモータ回転数Ｎｍｏｔであり、縦軸はモータ損失Ｌｍｏｔ及びインバータ損失Ｌｉｎｖである。モータ損失Ｌｍｏｔは、モータ１４が回転する際、モータ１４がどれだけ電力損失（熱への変換等）を生じるかを示す指標である。インバータ損失Ｌｉｎｖは、モータ１４が回転する際、インバータ１６がどれだけ電力損失（熱への変換等）を生じるかを示す指標である。モータ損失Ｌｍｏｔ及びインバータ損失Ｌｉｎｖは、モータ回転数Ｎｍｏｔと、モータ１４及びインバータ１６それぞれへの入力電圧とに応じて変化する。
例えば、図９では、モータ損失Ｌｍｏｔとして、Ｌｍｏｔ１、Ｌｍｏｔ２が示されている。Ｌｍｏｔ１は、モータ１４への入力電圧がＸ１１ボルトであるときのモータ損失Ｌｍｏｔである。Ｌｍｏｔ２は、モータ１４への入力電圧がＸ１３ボルト（＞Ｘ１１）であるときのモータ損失Ｌｍｏｔである。Ｘ１１ボルトよりもＸ１３ボルトの方が大きい。
図９において、モータ回転数Ｎｍｏｔが０〜Ｎ１であるときは、モータ電力損失Ｌｍｏｔ１、Ｌｍｏｔ２はほとんど同じである。モータ回転数ＮｍｏｔがＮ１〜Ｎ４であるときは、モータ電力損失Ｌｍｏｔ２の方がモータ電力損失Ｌｍｏｔ１よりも高い（劣っている）。モータ回転数ＮｍｏｔがＮ４以上であるときは、モータ電力損失Ｌｍｏｔ１の方がモータ電力損失Ｌｍｏｔ２よりも高い（劣っている）。
同様に、図９では、インバータ損失Ｌｉｎｖとして、Ｌｉｎｖ１、Ｌｉｎｖ２、Ｌｉｎｖ３が示されている。Ｌｉｎｖ１は、インバータ１６への入力電圧がＸ１１ボルトであるときのインバータ損失Ｌｉｎｖである。Ｌｉｎｖ２は、インバータ１６への入力電圧がＸ１２ボルト（＞Ｘ１１）であるときのインバータ損失Ｌｉｎｖである。Ｌｉｎｖ３は、インバータ１６への入力電圧がＸ１３ボルト（＞Ｘ１２）であるときのインバータ損失Ｌｉｎｖである。Ｘ１１ボルトよりもＸ１２ボルトの方が大きく、Ｘ１２ボルトよりもＸ１３ボルトの方が大きい。
図９において、モータ回転数ＮｍｏｔがＮ１〜Ｎ２であるときは、インバータ電力損失Ｌｉｎｖ１、Ｌｉｎｖ２、Ｌｉｎｖ３はほとんど同じである。モータ回転数ＮｍｏｔがＮ２〜Ｎ３であるときは、インバータ電力損失Ｌｉｎｖ１の方がインバータ電力損失Ｌｉｎｖ２、Ｌｉｎｖ３よりも高い（劣っている）。モータ回転数ＮｍｏｔがＮ３以上であるときは、インバータ電力損失Ｌｉｎｖ２の方がインバータ電力損失Ｌｉｎｖ３よりも高い（劣っている）。
以上を踏まえ、ＥＣＵ２８は、ＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の電力効率ηｆｖ、ηｂｖ（図４）並びにモータ損失Ｌｍｏｔ及びインバータ損失Ｌｉｎｖに基づいて、ＦＣシステム１２全体の電力損失（以下「合計電力損失Ｌｔｏｔａｌ」という。）が小さくなるように、図８の高負荷領域と低負荷領域を区分する。合計電力損失Ｌｔｏｔａｌを算出する際、ＥＣＵ２８は、電力効率ηｆｖ、ηｂｖに対応する電力損失を算出する。
［Ａ−２−４．ＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御の例］
図１０は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御の例を示すタイムチャートである。図１０において、縦軸は車速Ｖ、要求モータ電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑ、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖ、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃであり、横軸は時間である。
図１０は、本実施形態におけるＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の制御の例を示すタイムチャートである。図１０において、縦軸は車速Ｖ、要求モータ電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑ、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖ、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃであり、横軸は時間である。
図１０の時点ｔ１〜ｔ２の間は、動作モード２（図７のＳ５）が選択され、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６が直結状態とされ、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔと入力端電圧Ｖｉｎｖは等しい。また、ＦＣ−ＶＣＵ２４は要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑに応じて昇圧動作をする。
時点ｔ２から要求モータ電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑが急増すると、動作モード１（図７のＳ４）に切り替わる。これに伴い、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６は昇圧を開始するため、入力端電圧ＶｉｎｖはＢＡＴ電圧Ｖｂａｔよりも高くなる。この際もＦＣ−ＶＣＵ２４は昇圧動作を継続している。
時点ｔ３から要求モータ電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑが減少すると、動作モード２（図７のＳ５）に切り替わり、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６は直結状態に戻る。その後動作モード３の回生（Ｓ２）を経た後、動作モード２となる。
＜Ａ−３．本実施形態の効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値であるとき（換言すると、所定の通過電力範囲では）いずれの通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖにおいても、ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）の変換効率ηｆｖが、バッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）の変換効率ηｂｖに比べて高い（図４）。また、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値であるときいずれの通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖにおいても、ＦＣ５０（第１電源）が出力可能な電圧範囲は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲に対して低い（図５）。これらの前提条件を満たした上で、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値である状態でＦＣ５０及びバッテリ２２から負荷４０へ電力を供給する際、ＦＣコンバータ２４に昇圧動作を実行させ、バッテリコンバータ２６に直結状態を取らせる（図６Ｂ、図７のＳ５）。
以上説明したように、本実施形態によれば、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値であるとき（換言すると、所定の通過電力範囲では）いずれの通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖにおいても、ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）の変換効率ηｆｖが、バッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）の変換効率ηｂｖに比べて高い（図４）。また、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値であるときいずれの通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖにおいても、ＦＣ５０（第１電源）が出力可能な電圧範囲は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲に対して低い（図５）。これらの前提条件を満たした上で、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが正の値である状態でＦＣ５０及びバッテリ２２から負荷４０へ電力を供給する際、ＦＣコンバータ２４に昇圧動作を実行させ、バッテリコンバータ２６に直結状態を取らせる（図６Ｂ、図７のＳ５）。
このため、変換効率が低いバッテリコンバータ２６による直結状態と変換効率が高いＦＣコンバータ２４による昇圧動作の組合せを積極的に用いることで、バッテリコンバータ２６による電力損失を抑制して、電力供給システム１２全体の電力効率ηｔｏｔａｌ（又はエネルギ効率）を向上することが可能となる。
本実施形態において、ＦＣコンバータ２４のスイッチング素子７２（第１スイッチング素子）は、バッテリコンバータ２６のスイッチング素子９２、９４（第２スイッチング素子）に比べて、スイッチング損失又は導通損失が小さい（図４）。これにより、主たる電源としてＦＣ５０（第１電源）を用いる場合、電力供給システム１２全体での電力効率ηｔｏｔａｌを向上させることが可能となる。
本実施形態において、ＦＣ５０（第１電源）及びバッテリ２２（第２電源）から負荷４０へ電力を供給する際、ＥＣＵ２８（制御装置）は、ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）に昇圧動作を行わせると共に、システム負荷Ｐｓｙｓ（負荷４０の要求出力）に応じてバッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）の直結状態又は昇圧動作を切り替える（図６Ａ、図６Ｂ、図７のＳ４、Ｓ５）。これにより、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に用いつつ、システム負荷Ｐｓｙｓの増加時等にはバッテリコンバータ２６の昇圧動作を用いることで、システム負荷Ｐｓｙｓの変化に柔軟に対応することが可能となる。
本実施形態において、負荷４０は、交流式のモータ１４（回転電機）を含む（図１）。また、電力供給システム１２は、ＦＣ５０（第１電源）及びバッテリ２２（第２電源）の少なくとも一方からの直流を交流に変換してモータ１４に供給するインバータ１６を備える（図１）。さらに、要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑ（モータ１４の要求入力電圧）が特定の値であるときにおけるモータ１４、インバータ１６、ＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６それぞれの電力損失の合計値を合計電力損失と定義するとき、ＥＣＵ２８（制御装置）は、バッテリコンバータ２６に昇圧動作をさせたときよりも、直結状態にさせたときの方が、合計電力損失が小さくなる場合、バッテリコンバータ２６に直結状態を取らせる（図４、図９）。
これにより、合計電力損失を考慮して、バッテリコンバータ２６に直結状態又は昇圧動作のいずれを取らせるかを判定するため、電力供給システム１２全体としての電力効率の低下を効果的に抑制することができる。
本実施形態において、ＦＣ５０（第１電源）及びバッテリ２２（第２電源）から負荷４０へ所定期間電力を供給する際、ＥＣＵ２８（制御装置）は、ＦＣコンバータ２４（第１電圧変換器）に昇圧動作を継続して行わせると共に、システム負荷Ｐｓｙｓ（負荷４０の要求出力）に応じてバッテリコンバータ２６（第２電圧変換器）の直結状態又は昇圧動作を切り替える（図６Ａ、図６Ｂ、図７のＳ４、Ｓ５、図１０）。これにより、所定期間においてＦＣコンバータ２４が昇圧動作を継続している中で、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に用いつつ、システム負荷Ｐｓｙｓの増加時等にはバッテリコンバータ２６の昇圧動作を用いることで、システム負荷Ｐｓｙｓの変化に柔軟に対応することが可能となる。
本実施形態において、ＦＣ電力Ｐｆｃ及びＢＡＴ電力Ｐｂａｔがいずれの値であっても、ＦＣ電圧ＶｆｃがＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを上回る（図５）。換言すると、ＦＣ電圧Ｖｆｃの下限値がＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの上限値を上回る。これにより、ＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６の通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖが変化しても、ＦＣ−ＶＣＵ効率ηｆｖがＢＡＴ−ＶＣＵ効率ηｂｖを上回り易くなる（図４）。このため、ＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６の作動中に電力効率ηｆｖ、ηｂｖの比較をする必要がなくなるため、ＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６の制御を単純化することが可能となる。
Ｂ．変形例
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本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。例えば、以下の構成を採用することができる。
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本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。例えば、以下の構成を採用することができる。
＜Ｂ−１．搭載対象＞
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載した（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動物体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載した（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動物体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。
＜Ｂ−２．ＦＣシステム１２の構成＞
［Ｂ−２−１．モータ１４］
上記実施形態では、モータ１４を交流式とした（図１）。しかしながら、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、モータ１４は、直流式とすることも可能である。この場合、インバータ１６を省略することが可能である。
［Ｂ−２−１．モータ１４］
上記実施形態では、モータ１４を交流式とした（図１）。しかしながら、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、モータ１４は、直流式とすることも可能である。この場合、インバータ１６を省略することが可能である。
上記実施形態では、モータ１４をＦＣ車両１０の走行用又は駆動用とした（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、モータ１４を車載機器（例えば、電動パワーステアリング、エアコンプレッサ、エアコンディショナ）用に用いてもよい。
［Ｂ−２−２．ＦＣ５０（第１電源）及びバッテリ２２（第２電源）］
上記実施形態では、複数の電源の組み合わせとして、ＦＣ５０とバッテリ２２を用いた（図１）。しかしながら、複数の電源それぞれに対応させて電圧変換器を設ける場合に、電力変換効率の悪い電圧変換器を優先的に直結状態とする観点からすれば、これに限らない。例えば、２つのバッテリの組み合わせ又はバッテリとキャパシタの組み合わせにも本発明を適用可能である。
上記実施形態では、複数の電源の組み合わせとして、ＦＣ５０とバッテリ２２を用いた（図１）。しかしながら、複数の電源それぞれに対応させて電圧変換器を設ける場合に、電力変換効率の悪い電圧変換器を優先的に直結状態とする観点からすれば、これに限らない。例えば、２つのバッテリの組み合わせ又はバッテリとキャパシタの組み合わせにも本発明を適用可能である。
上記実施形態では、ＦＣ５０及びバッテリ２２が電力を供給する作動範囲（所定の通過電力範囲）において、ＦＣ５０（第１電源）が出力可能な電圧範囲の上限値は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲の下限値よりも低かった（図５）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。
図１１は、変形例に係るＦＣ５０及びバッテリ２２の電力−電圧特性を示す図である。図１１において、ＦＣ電圧ＶｆｃはＦＣ電力Ｐｆｃと対応し、ＢＡＴ電圧ＶｂａｔはＢＡＴ電力Ｐｂａｔと対応する。図１１の特性は、図５の特性と同様、基準状態における特性である。また、Ｖｆｃ＿ａｖｅは、ＦＣ電圧Ｖｆｃの平均値であり、Ｖｂａｔ＿ａｖｅは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔの平均値である。
図１１の特性の場合、ＦＣ５０及びバッテリ２２が電力を供給する作動範囲（所定の通過電力範囲）のいずれにおいても、ＦＣ５０（第１電源）が出力可能な電圧範囲は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲に対して低い。換言すると、ＦＣ５０及びバッテリ２２の仕様として図１１の特性を満たすようにＦＣ５０及びバッテリ２２を設計している。
但し、図５の特性と異なり、図１１の特性では、ＦＣ５０及びバッテリ２２が電力を供給する作動範囲（所定の通過電力範囲）において、ＦＣ５０が出力可能な電圧範囲の上限値は、バッテリ２２（第２電源）が出力可能な電圧範囲の下限値よりも高い。ＦＣ５０及びバッテリ２２が図１１のような特性の場合でも、本発明を適用可能である。
［Ｂ−２−３．ＦＣコンバータ２４（第１電力変換器）及びバッテリコンバータ２６（第２電力変換器）］
上記実施形態では、ＦＣ５０の手前に昇圧コンバータ２４を配置した（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、昇圧コンバータ２４の代わりに、ＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧及び降圧可能な昇降圧コンバータ又はＦＣ電圧Ｖｆｃを降圧可能な降圧コンバータを配置することも可能である。
上記実施形態では、ＦＣ５０の手前に昇圧コンバータ２４を配置した（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、昇圧コンバータ２４の代わりに、ＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧及び降圧可能な昇降圧コンバータ又はＦＣ電圧Ｖｆｃを降圧可能な降圧コンバータを配置することも可能である。
上記実施形態では、バッテリ２２の手前に昇圧コンバータ２６を配置した（図１）。しかしながら、例えば、バッテリコンバータ２６の直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。例えば、昇圧コンバータ２６の代わりに、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを昇圧すると共に回生電圧Ｖｒｅｇ又はＦＣ電圧Ｖｆｃを降圧する昇降圧コンバータを用いることもできる。或いは、ＢＡＴ電圧Ｖｂａｔを昇圧すると共に回生電圧Ｖｒｅｇ又はＦＣ電圧Ｖｆｃを昇圧する昇圧コンバータを用いることもできる。
上記実施形態では、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖがいずれの値であっても、ＦＣ−ＶＣＵ２４の電力効率ηｆｖがＢＡＴ−ＶＣＵ２６の電力効率ηｂｖを上回っていた（図４）。しかしながら、例えば、電力変換効率が劣る電圧変換器について直結状態を優先的に利用する観点からすれば、これに限らない。
図１２は、変形例に係るＦＣコンバータ２４及びバッテリコンバータ２６の電力効率ηｆｖ、ηｂｖの例を示す図である。図１２の例では、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖがゼロからｐ１まで及びｐ２以上においては、ＦＣ−ＶＣＵ２４の電力効率ηｆｖが、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の電力効率ηｂｖよりも高い。一方、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖがｐ１からｐ２の間においては、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の電力効率ηｂｖが、ＦＣ−ＶＣＵ２４の電力効率ηｆｖよりも高い。
このため、ＥＣＵ２８は、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖに基づいてより低い電力効率ηｆｖ、ηｂｖを有するＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６について直結状態を優先的に利用するように制御してもよい。
例えば、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖがｐ１からｐ２の間で用いられる場合においては、ＦＣ−ＶＣＵ２４を優先的に直結状態とするようにしてもよい。また、通過電力Ｐｆｖ、Ｐｂｖがゼロからｐ１まで又はｐ２以上で用いられる場合においては、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６を優先的に直結状態としてもよい。
＜Ｂ−３．ＦＣシステム１２の制御＞
上記実施形態では、モータ１４の高負荷状態を判定するためにモータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔを用いた（図８）。しかしながら、例えば、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の直結状態又は昇圧動作の切替え（図７のＳ２〜Ｓ５）を判定する観点からすれば、これに限らない。例えば、精度は低下するものの、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔの一方のみを用いて高負荷状態を判定することも可能である。或いは、モータ１４の消費電力（実測値又は予測値）に基づいて高負荷状態を判定してもよい。
上記実施形態では、モータ１４の高負荷状態を判定するためにモータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔを用いた（図８）。しかしながら、例えば、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の直結状態又は昇圧動作の切替え（図７のＳ２〜Ｓ５）を判定する観点からすれば、これに限らない。例えば、精度は低下するものの、モータ回転数Ｎｍｏｔ及びモータトルクＴｍｏｔの一方のみを用いて高負荷状態を判定することも可能である。或いは、モータ１４の消費電力（実測値又は予測値）に基づいて高負荷状態を判定してもよい。
上記実施形態では、モータ１４が高負荷状態でない場合（図７のＳ３：ＮＯ）、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６を一律に直結状態とした（Ｓ５）。しかしながら、例えば、電力効率の低い電圧変換器に直結状態を優先的に取らせる観点からすれば、これに限らない。例えば、モータ１４が高負荷状態でない場合（図７のＳ３：ＮＯ）、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６を継続的に直結状態にする代わりに、所定期間毎（例えばクルーズ走行時の所定タイミング毎）にＢＡＴ−ＶＣＵ２６を直結状態とさせ、それ以外のタイミングでは昇圧動作を行わせてもよい。
上記実施形態では、モータ１４の制御値として要求モータ電圧Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑを用いた（図８）。しかしながら、例えば、モータ１４の動作を制御する観点からすれば、これに限らない。例えば、モータ１４への要求入力電力を用いてモータ１４を制御することも可能である。
１２…ＦＣシステム（電力供給システム） １４…モータ（回転電機）
１６…インバータ ２２…高電圧バッテリ（第２電源）
２４…ＦＣコンバータ（第１電圧変換器）
２６…バッテリコンバータ（第２電圧変換器）
２８…ＥＣＵ（制御装置） ４０…負荷
５０…燃料電池（第１電源）
７２…スイッチング素子（第１スイッチング素子）
９２、９４…スイッチング素子（第２スイッチング素子）
Ｌｉｎｖ…インバータ損失
Ｌｍｏｔ…モータ損失 Ｌｔｏｔａｌ…合計電力損失
Ｐｂｖ…バッテリコンバータの通過電力
Ｐｆｖ…ＦＣコンバータの通過電力
Ｐｓｙｓ…システム負荷（負荷の要求出力）
Ｖｂａｔ…ＢＡＴ電圧（第２電源の出力電圧）
Ｖｆｃ…ＦＣ電圧（第１電源の出力電圧）
Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑ…要求モータ電圧（要求入力電圧）
ηｂｖ…バッテリコンバータの変換効率 ηｆｖ…ＦＣコンバータの変換効率
１６…インバータ ２２…高電圧バッテリ（第２電源）
２４…ＦＣコンバータ（第１電圧変換器）
２６…バッテリコンバータ（第２電圧変換器）
２８…ＥＣＵ（制御装置） ４０…負荷
５０…燃料電池（第１電源）
７２…スイッチング素子（第１スイッチング素子）
９２、９４…スイッチング素子（第２スイッチング素子）
Ｌｉｎｖ…インバータ損失
Ｌｍｏｔ…モータ損失 Ｌｔｏｔａｌ…合計電力損失
Ｐｂｖ…バッテリコンバータの通過電力
Ｐｆｖ…ＦＣコンバータの通過電力
Ｐｓｙｓ…システム負荷（負荷の要求出力）
Ｖｂａｔ…ＢＡＴ電圧（第２電源の出力電圧）
Ｖｆｃ…ＦＣ電圧（第１電源の出力電圧）
Ｖｍｏｔ＿ｒｅｑ…要求モータ電圧（要求入力電圧）
ηｂｖ…バッテリコンバータの変換効率 ηｆｖ…ＦＣコンバータの変換効率
Claims (6)
- 負荷に対して電力を供給可能な第１電源及び第２電源と、
前記第１電源と前記負荷との間に接続されると共に、第１スイッチング素子の動作により前記第１電源の出力電圧を昇圧可能な第１電圧変換器と、
前記第２電源と前記負荷との間に接続されると共に、第２スイッチング素子の動作により前記第２電源の出力電圧を昇圧可能な第２電圧変換器と、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の動作を制御する制御装置と
を備える電力供給システムであって、
所定の通過電力範囲ではいずれの通過電力においても、前記第１電圧変換器の変換効率が、前記第２電圧変換器の変換効率に比べて高く、
前記所定の通過電力範囲では、前記第１電源が出力可能な電圧範囲は、前記第２電源が出力可能な電圧範囲に対して低く、
前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器の前記通過電力が前記所定の通過電力範囲内にある状態で前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に昇圧動作を実行させ、昇圧動作を停止して前記第２電源の出力電圧を前記負荷に直接供給させる直結状態を前記第２電圧変換器に取らせる
ことを特徴とする電力供給システム。 - 請求項１に記載の電力供給システムにおいて、
前記第１スイッチング素子は、前記第２スイッチング素子に比べて、スイッチング損失又は導通損失が小さい
ことを特徴とする電力供給システム。 - 請求項１又は２に記載の電力供給システムにおいて、
前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に前記昇圧動作を行わせると共に、前記負荷の要求出力に応じて前記第２電圧変換器の前記直結状態又は前記昇圧動作を切り替える
ことを特徴とする電力供給システム。 - 請求項３に記載の電力供給システムにおいて、
前記負荷は、交流式の回転電機を含み、
前記電力供給システムは、前記第１電源及び前記第２電源の少なくとも一方からの直流を交流に変換して前記回転電機に供給するインバータを備え、
前記回転電機の要求入力電圧又は要求入力電力が特定の値であるときにおける前記回転電機、前記インバータ、前記第１電圧変換器及び前記第２電圧変換器それぞれの電力損失の合計値を合計電力損失と定義するとき、前記制御装置は、前記第２電圧変換器に前記昇圧動作をさせたときよりも、前記直結状態にさせたときの方が、前記合計電力損失が小さくなる場合、前記第２電圧変換器に前記直結状態を取らせる
ことを特徴とする電力供給システム。 - 請求項１又は２に記載の電力供給システムにおいて、
前記第１電源及び前記第２電源から前記負荷へ所定期間電力を供給する際、前記制御装置は、前記第１電圧変換器に前記昇圧動作を継続して行わせると共に、前記負荷の要求出力に応じて前記第２電圧変換器の前記直結状態又は前記昇圧動作を切り替える
ことを特徴とする電力供給システム。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力供給システムにおいて、
前記第２電源の前記出力電圧の下限値は、前記第１電源の前記出力電圧の上限値を上回る
ことを特徴とする電力供給システム。
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