JP7155622B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電力の供給源としてバッテリと燃料電池とを備える電力供給システムに関する。

特許文献１には、電動モータを駆動源とする車両に備わる電力供給システムとして、バッテリおよび燃料電池スタックを備え、電動モータとその主たる電力源である燃料電池スタックとをつなぐ強電ラインと、互いに異なる高さの電圧がかかる２つの弱電ラインと、を有するものが記載されている。この電力供給システムでは、上記２つの弱電ラインのうち一方に対して比較的に低い電圧の第１補助バッテリ（具体的には、１２Ｖバッテリ）がＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、他方の弱電ラインに対して第１補助バッテリよりも高い電圧の第２補助バッテリ（２４Ｖバッテリ）が接続される。そして、第１補助バッテリにより電圧が印加される前者の弱電ライン（具体的には、３５０Ｖ）に対し、燃料電池スタックの始動に関わる補機（スタック始動部品）が接続されるとともに、高圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して強電ラインが接続される。

特開２００８－０９９５３５号公報（段落００４５）

特許文献１に記載の電力供給システムでは、燃料電池スタックの始動時において、補機に対し、第１補助バッテリによりＤＣ／ＤＣコンバータを介して始動用の電力を供給することが可能であり、始動後の通常時には、燃料電池スタック自身の発電電力を高圧コンバータを介して供給することが可能である。しかし、このように、燃料電池スタックの補機に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電力が供給される構成では、補機の低負荷運転時に、ＤＣ／ＤＣコンバータの特性によりその出力制御性が悪化することから、補機の運転が安定しないという問題がある。そして、この問題は、燃料電池スタックの運転に対して低負荷から高負荷に至る広い範囲で運転条件が変化する、ブロアまたはエアコンプレッサ等の酸化剤供給装置を補機とする場合に、より顕著となる。

本発明は、運転条件によらず補機の運転を安定させることができる電力供給システムを提供することを目的とする。

本発明の一形態では、第１バッテリと、第１バッテリと車両の走行モータとをつなぐ強電ラインと、燃料電池と、を備える電力供給システムが提供される。本形態に係る電力供給システムは、強電ラインに接続され、強電ラインの電圧を降圧させて出力可能な第１電圧変換器と、強電ラインに対して第１電圧変換器を介して接続された弱電ラインと、を備え、弱電ラインに対し、燃料電池の補機が接続される。弱電ラインは、第２電圧変換器を介して互いに接続された第１弱電ラインおよび第２弱電ラインを有し、第１弱電ラインには、燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が比較的に小さい、燃料電池の第１補機が接続され、第２弱電ラインには、燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が第１補機よりも大きい、燃料電池の第２補機が接続される。第２弱電ラインに接続された第２バッテリをさらに備え、第１弱電ラインが、第１電圧変換器を介して強電ラインと接続される。

本発明によれば、第２補機の運転条件の変化に対し、第１電圧変換器または第２電圧変換器の出力制御性の悪化を回避し、第２補機の運転を、その運転条件によらず安定させることが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電力供給システムを備える車両駆動系の全体的な構成を示す概略図である。 図２は、同上実施形態に係る電力供給システムの構成を示す概略図である。 図３は、同上実施形態に係る電力供給システムの通常時における動作を示す説明図である。 図４は、同上実施形態に係る電力供給システムのバッテリ遮断時における動作を示す説明図である。 図５は、本発明の第２実施形態に係る電力供給システムの構成を示す概略図である。 図６は、同上実施形態に係る電力供給システムの通常時における動作を示す説明図である。 図７は、同上実施形態に係る電力供給システムのバッテリ遮断時における動作を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力供給システムＰ１を備える電動車両（以下、単に「車両」という）の駆動系（以下「車両駆動系」という）Ｖの全体的な構成を示している。

車両駆動系Ｖは、大別すると、電力供給システムＰ１、パワーコントロールユニット５および走行用の電動モータ（以下「走行モータ」という）６を備え、電力供給システムＰ１の出力により、パワーコントロールユニット５を介して走行モータ６を駆動する。パワーコントロールユニット５は、インバータ（ＩＮＶ）を内蔵し、電力供給システムＰ１から出力される直流電流を三相の交流電流に変換して、走行モータ６に供給する。走行モータ６は、図示しない差動装置を介して車両の駆動輪と接続されており、駆動輪を回転させて、車両を推進する。本実施形態において、走行モータ６は、原動機としても発電機としても動作可能なモータジェネレータであり、車両の駆動力を生じさせる駆動走行時に原動機として動作する一方、車両の制動走行時に発電機として動作し、電力を回生することが可能である。

電力供給システムＰ１は、走行モータ６の電力源として、高圧バッテリ１と、電力分配システム（ＰＤＳ）２に包含される、図示しない燃料電池２１と、を備える。高圧バッテリ１と電力分配システム２とは、強電ラインＬ１に対して互いに並列に接続され、パワーコントロールユニット５に対し、強電ラインＬ１を介して接続されている。これにより、駆動走行時には、高圧バッテリ１および電力分配ユニット２（燃料電池２１）から、強電ラインＬ１を通じてパワーコントロールユニット５および走行モータ６に電力を供給することが可能である。さらに、制動走行時には、モータジェネレータである走行モータ６から、強電ラインＬ１を通じて高圧バッテリ１に電力を供給することが可能である。高圧バッテリ１は、走行モータ６の回生電力により充電することができる。

高圧バッテリ１は、これに限定されるものではないが、例えば、端子電圧が４００Ｖのリチウムイオンバッテリであり、強電ラインＬ１に対し、スイッチ素子ないしリレー１１を介して接続され、強電ラインＬ１に対する接続がスイッチ素子１１により選択的に遮断可能な状態にある。高圧バッテリ１の端子電圧が４００Ｖである場合は、強電ラインＬ１に４００Ｖの電圧がかかる。

本実施形態では、以上に加え、車両補機３１と、低圧バッテリ（後に述べる「第１低圧バッテリ」との区別のため、特に「第２低圧バッテリ」という）３２と、を備え、車両補機３１および第２低圧バッテリ３２は、弱電ライン（後に述べる「第１弱電ライン」および「第２弱電ライン」との区別のため、特に「第３弱電ライン」という）Ｌ２に対して互いに並列に接続されている。第３弱電ラインＬ２は、強電ラインＬ１に対し、一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して接続されている。強電ラインＬ１の電圧（例えば、４００Ｖ）を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を介して降圧させ、第３弱電ラインＬ２に印加することが可能である。車両補機３１は、例えば、オーディオ等の車内電装機器であり、その動作電圧として、１４Ｖを例示することができる。第２低圧バッテリ（例えば、１４Ｖ）３２は、第３弱電ラインＬ２を通じて車両補機３１に電力を供給する一方、強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ３３による降圧後の電力の供給を受け、充電することが可能である。本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３は、絶縁型である。

電力分配システム２およびパワーコントロールユニット５のほか、スイッチ素子１１およびＤＣ／ＤＣコンバータ３３等の動作は、コントローラ１０１により制御される。本実施形態において、コントローラ１０１は、中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ＲＯＭおよびＲＡＭ等の各種記憶ユニット、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる電子制御ユニットとして構成され、電力分配システム２等の制御対象に対し、車両の走行条件および電力供給システムＰ１の状態等に応じた指令信号を出力する。

図２は、本実施形態に係る電力供給システムＰ１の構成を、電力分配システム２を中心に示している。説明の便宜上、第３弱電ラインＬ２および第３弱電ラインＬ２に接続される要素、具体的には、車両補機３１、第２低圧バッテリ３２およびＤＣ／ＤＣコンバータ３３の図示を省略する。

電力分配システム２は、高圧バッテリ１とともに走行モータ６の電力源を構成する燃料電池２１を備え、燃料電池２１の運転に必要な各種補機（車両補機３１との区別のため、単に「補機」といい、以下単に「補機」というときは、特に断りのない限り、燃料電池２１の補機を意味するものとする）２２、２３を備える。

燃料電池２１は、これに限定されるものではないが、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。本実施形態において、燃料電池２１は、複数の燃料電池単位セルを積層して構成され、含酸素燃料（例えば、エタノール）を原燃料として作動する。エタノールの水蒸気改質反応により生じる水素が燃料として燃料電池２１のアノード極に供給される一方、大気中の空気（具体的には、酸素）が酸化剤ガスとしてカソード極に供給される。燃料電池２１が固体酸化物形のものである場合に、アノード極およびカソード極での発電に係る反応は、夫々次式により表すことができる。
アノード極： ２Ｈ₂＋４Ｏ^2- → ２Ｈ₂Ｏ＋４ｅ^- …（１．１）
カソード極： Ｏ₂＋４ｅ^- → ２Ｏ^2- …（１．２）

燃料電池２１は、強電ラインＬ１に対し、一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して接続されている。燃料電池２１の発電電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して昇圧させ、強電ラインＬ１に印加することが可能である。本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、絶縁型である。燃料電池２１の発電電圧として、３５～６０Ｖを例示することができる。

燃料電池２１の補機２２、２３は、例えば、センサ、コントローラ、アクチュエータ、ヒータ、ポンプおよびブロアであり、センサとして、原燃料または酸化剤ガスの流量を検出する流量センサ、燃料電池２１の温度を検出する温度センサ、燃料タンクに残存する原燃料の量を検出する液位センサを例示することができる。ここで、補機２２、２３は、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が相対的に小さいもの（２２）と、相対的に大きいもの（２３）と、に大別することができ、前者の動作負荷の変化が小さい補機２２として、センサ２２ａまたはコントローラ（コントローラ１０１との区別のため、特に「燃料電池コントローラ」という）２２ｂを、後者の動作負荷の変化が大きい補機２３として、ブロアないしエアコンプレッサを例示することができる。補機の動作負荷の変化は、０の場合もあり得る。つまり、動作負荷の変化が小さい補機２２は、動作負荷の変化が０の補機であってよく、その場合に、動作負荷の変化が大きい補機２３は、単に動作負荷の変化が存在する補機であってよい。ブロア２３は、酸化剤ガスの供給通路（カソードガス通路）の開放端近傍に取り付けられ、大気中の空気をカソードガス通路に吸入する。

電力分配システム２は、一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して強電ラインＬ１と接続され、基本的には、強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して電力の供給を受ける。本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、絶縁型であり、強電ラインＬ１の電圧を降圧させて電力分配システム２の電力ラインに出力する。電力分配システム２は、電力ラインとして、互いに異なる高さの電圧がかかる２つの電力ラインＬ３、Ｌ４を有し、電力ラインＬ３、Ｌ４のいずれか（本実施形態では、電力ラインＬ３）がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して強電ラインＬ１と接続され、電力ラインＬ３に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５による降圧後の電圧が印加される。

ここで、電力ラインＬ３、Ｌ４を、強電ラインＬ１との対比から、特に「弱電ライン」と呼ぶ。本実施形態において、弱電ラインＬ３、Ｌ４は、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して互いに接続され、弱電ラインＬ３、Ｌ４のうち、より低圧に設定される一方の弱電ライン（本実施形態では、弱電ラインＬ３であり、以下「第１弱電ライン」という）の電圧を昇圧させて他方の弱電ライン（本実施形態では、弱電ラインＬ４であり、以下「第２弱電ライン」という）Ｌ４に印加するとともに、この反対に、高圧側の第２弱電ラインＬ４の電圧を降圧させて低圧側の弱電ラインＬ３に印加することが可能である。これに限定されるものではないが、第１弱電ラインＬ３にかかる電圧は、例えば、１４Ｖであり、第２弱電ラインＬ４にかかる電圧は、例えば、４８Ｖである。本実施形態において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、非絶縁型である。

そして、第１弱電ラインＬ３には、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が小さいセンサ２２ａおよび燃料電池コントローラ２２ｂが接続され、第２弱電ラインＬ４には、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が大きいブロア２３が接続される。さらに、電力分配システム２は、高圧バッテリ１よりも低い電圧の第１低圧バッテリ２７を備え、第１低圧バッテリ２７は、第２弱電ラインＬ４に接続され、ブロア２３に対し、第２弱電ラインＬ４を通じて電圧を印加することが可能である。

本実施形態では、高圧バッテリ１が「第１バッテリ」に相当し、第１低圧バッテリ２７が「第２バッテリ」に相当し、第２低圧バッテリ３２が「第３バッテリ」に相当する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５が「第１電圧変換器」に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が「第２電圧変換器」に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３が「第３電圧変換器」に、センサ２２ａおよび燃料電池コントローラ２２ｂが「第１補機」に、ブロア２３が「第２補機」に、夫々相当する。

（通常時における動作）
以上のように構成される電力供給システムＰ１の動作について、以下に説明する。

図３は、本実施形態に係る電力供給システムＰ１の通常時における動作を示し、電力の流れを矢印付きの点線で示している。

本実施形態において、通常時とは、スイッチ素子１１が閉成され、強電ラインＬ１に高圧バッテリ１の電圧がかけられている状態にある場合をいう。

通常時において、高圧バッテリ１の充電状態が充分に高い場合は、高圧バッテリ１の電力により走行モータ６を駆動すること、換言すれば、高圧バッテリ１を走行モータ６の電力源として走行することが可能である。高圧バッテリ１の蓄電電力が消耗して、充電状態が低下し、走行モータ６を駆動するうえで必要な充電状態が確保されなくなると、燃料電池２１の発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して強電ラインＬ１に供給し、走行モータ６の駆動に必要な強電ラインＬ１の電圧を確保したり、高圧バッテリ１を充電したりすることが可能である。通常時における電力供給システムＰ１の状態は、「第１システム状態」に相当する。

通常時では、強電ラインＬ１の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して降圧され、第１弱電ラインＬ３に印加されるとともに、第１弱電ラインＬ３の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して昇圧され、第２弱電ラインＬ４に印加される。このように、通常時では、燃料電池２１の補機のうち、センサ２２ａおよび燃料電池コントローラ２２ｂに対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５による降圧後の電圧が印加される一方、ブロア２３に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５による降圧後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６により昇圧された電圧が印加される。

第１低圧バッテリ２７は、ブロア２３に対し、第２弱電ラインＬ４を通じて電力を供給することが可能である。本実施形態では、ブロア２３に供給される電力のうち、ブロア２３の動作負荷の変化によらず定常的ないし連続的に要求される電力を、強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ２５、２６を介して供給し、ブロア２３の動作負荷の変化に対する過渡分ないし変動分の電力を、第１低圧バッテリ２７により供給する。

（バッテリ遮断時における動作）
図４は、本実施形態に係る電力供給システムＰ１のバッテリ遮断時における動作を示し、図３におけると同様に、電力の流れを矢印付きの点線で示している。

本実施形態において、バッテリ遮断時とは、スイッチ素子１１が開成され、高圧バッテリ１からの電力の供給がスイッチ素子１１により遮断された状態にある場合をいう。スイッチ素子１１は、例えば、高圧バッテリ１１の急速充電時または高圧バッテリ１１のフェール発生時に、コントローラ１０１からの信号により開成される。高圧バッテリ１１の急速充電時は、車体の前面または側面等に備わる急速充電用のコネクタに急速充電器のプラグが差し込まれているか否かにより判定することが可能であり、フェール発生時は、高圧バッテリ１１を電力源とする電力の供給に何らかの異常が生じたか否かにより判定することが可能である。バッテリ遮断時における電力供給システムＰ１の状態は、「第２システム状態」に相当する。

バッテリ遮断時では、強電ラインＬ１の電圧は、燃料電池２１により形成することが可能である。強電ラインＬ１の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して降圧され、第１弱電ラインＬ３に印加される。そして、ブロア２３に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６による昇圧後の電圧が印加されるとともに、第１低圧バッテリ２７の電圧が第２弱電ラインＬ４を通じて印加される。ブロア２３に供給される電力のうち、定常分の電力を強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ２５、２６を介して供給し、過渡分の電力を第１低圧バッテリ２７により供給可能であることは、通常時におけると同様である。

さらに、バッテリ遮断時において、停止中の燃料電池２１を起動する場合は、第１低圧バッテリ２７の電圧がブロア２３に印加される一方、第１低圧バッテリ２７により第２弱電ラインＬ４に形成される電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して降圧され、センサ２２ａおよび燃料電池コントローラ２２ｂに印加される。

（作用効果の説明）
本実施形態に係る電力供給システムＰ１は、以上のように構成され、本実施形態により得られる効果について、以下に纏める。

第１に、燃料電池２１の補機のうち、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が相対的に大きい補機（「第２補機」であり、具体的には、ブロア２３）が接続された第２弱電ラインＬ４に第１低圧バッテリ２７を接続し、ブロア２３に対して第１低圧バッテリ２７により電力を供給可能としたことで、ブロア２３の低負荷運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２６の出力制御性の悪化を回避し、ブロア２３の運転を、その運転条件によらず安定させることが可能となる。例えば、ブロア２３に供給される電力のうち、定常分の電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して供給し、過渡分の電力を第１低圧バッテリ２７により供給することで、ブロア２３の運転条件の変化に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の出力制御性を確保し、ブロア２３の運転を安定させることができる。

第２に、燃料電池２１を、強電ラインＬ１に対して高圧バッテリ１とは並列に接続したことで、バッテリ遮断時ないし高圧バッテリ１の出力停止時に、燃料電池２１により強電ラインＬ１の電圧を形成し、燃料電池２１の補機２２ａ、２２ｂ、２３に対して燃料電池２１自身の発電電力を供給して、その運転を継続させるとともに、走行モータ６に電力を供給して、車両の走行を継続させることが可能となる。

第３に、第２弱電ラインＬ４が第１弱電ラインＬ３よりも高圧であることで、ブロア２３等、動作電圧が高い補機に対し、第２弱電ラインＬ４を通じて電力を供給することが可能となる。

第４に、本実施形態では、強電ラインＬ１に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して第１弱電ラインＬ３を接続するとともに、第１弱電ラインＬ３と第２弱電ラインＬ４とを双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して接続した。

ここで、スイッチ素子１１が閉成される通常時において、強電ラインＬ１の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２５、２６を介して第２弱電ラインＬ４に印加する一方、第２弱電ラインＬ４に第１低圧バッテリ２７を接続したことで、ブロア２３の運転に際し、燃料電池２１の負荷変動に対する変化分の電力を、第１低圧バッテリ２７により供給することが可能となる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、この変化分を除く定常分の電力を出力可能であればよいこととなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６として、より小さな電流容量のＤＣ／ＤＣコンバータを選択することが可能となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６のサイズを低減し、その設置に要するコストを削減することができる。

さらに、スイッチ素子１１が開成され、高圧バッテリ１の強電ラインＬ１に対する接続が遮断されるバッテリ遮断時において、高圧バッテリ１１から燃料電池２１の補機２２ａ、２２ｂ、２３への電力の供給が遮断された状態にあっても第１低圧バッテリ２７により電力を供給することが可能となり、燃料電池２１の自律起動を可能とするとともに、その運転継続を可能とし、車両の走行を継続させることができる。

第５に、強電ラインＬ１に対してＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して第３弱電ラインＬ２を接続するとともに、第３弱電ラインＬ２に車両補機３１および第２低圧バッテリ３２を接続したことで、車両補機３１に関わる電気系統とは独立した電力分配システム２を構築し、第２低圧バッテリ３２の状態によらず燃料電池２１の起動性を確保することが可能となる。

第６に、第２弱電ラインＬ４に接続される補機をブロア２３としたことで、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が特に大きい補機を対象として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の出力制御性の悪化による運転の不安定化を回避することができる。

（他の実施形態）
以下、本発明の他の実施形態について説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る電力供給システムＰ２の構成を示し、図６および７は、本実施形態に係る電力供給システムＰ２の動作を示している。図６は、電力供給システムＰ２の通常時における動作を、図７は、電力供給システムＰ２のバッテリ遮断時における動作を、夫々示している。図５～７のそれぞれにおいて、第１実施形態におけると同様の機能を奏する部品または部分は、図２～４におけると同一の符号により示し、その再度の説明を省略する。

本実施形態において、電力供給システムＰ２が備わる車両駆動系Ｖ全体の構成は、第１実施形態におけると同様である。

第１実施形態との相違点を中心に説明すると、第１実施形態では、強電ラインＬ１に対し、「第１電圧変換器」である一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して低圧側の第１弱電ラインＬ３を接続した。これに対し、本実施形態では、「第１電圧変換器」として一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２５を採用することでは第１実施形態におけると一致するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して強電ラインＬ１と接続されるのが、第１弱電ラインＬ３ではなく、高圧側の第２弱電ラインＬ４である点で相違する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、絶縁型であってよい。

さらに、本実施形態では、第１弱電ラインＬ３と第２弱電ラインＬ４との間に介在する、「第２電圧変換器」であるＤＣ／ＤＣコンバータとして、双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータに代えて、一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２６を採用する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、第１弱電ラインＬ３と第２弱電ラインＬ４との間に接続され、第２弱電ラインＬ４の電圧（例えば、４８Ｖ）を降圧させ、降圧後の電圧（例えば、１４Ｖ）を第１弱電ラインＬ３に印加する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、非絶縁型であってよい。

燃料電池２１の補機のうち、燃料電池２１の負荷変動に対する動作負荷の変化が相対的に小さいセンサ２２ａ、コントローラ２２ｂが第１弱電ラインＬ３に、動作負荷の変化が相対的に大きいブロア２３が第２弱電ラインＬ４に、夫々接続され、さらに、第２弱電ラインＬ４に第１低圧バッテリ２７が接続されるのは、第１実施形態におけると同様である。

燃料電池２１は、一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して強電ラインＬ１に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、絶縁型であってよい。

電力供給システムＰ２の動作について説明すると、スイッチ素子１１が閉成される通常時（第１システム状態）では、図６に示すように、高圧バッテリ１の電力により走行モータ６を駆動するとともに、高圧バッテリ１の充電状態に応じて燃料電池２１の発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して強電ラインＬ１に供給し、走行モータ６の駆動に必要な強電ラインＬ１の電圧を確保したり、高圧バッテリ１を充電したりすることが可能である。

さらに、強電ラインＬ１の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して降圧され、第２弱電ラインＬ４に印加されるとともに、第２弱電ラインＬ４の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して降圧され、第１弱電ラインＬ３に印加される。このように、通常時では、燃料電池２１の補機のうち、センサ２２ａおよびコントローラ２２ｂに対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５による降圧後の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６によりさらに降圧されて印加される。これに対し、ブロア２３には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５による降圧後の電圧が印加される。

第１低圧バッテリ２７は、ブロア２３に対し、第２弱電ラインＬ４を通じて電力を供給することが可能である。本実施形態では、ブロア２３に供給される電力のうち、ブロア２３の動作負荷の変化によらず定常的ないし連続的に要求される電力を、強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して供給し、ブロア２３の動作負荷の変化に対する過渡分ないし変動分の電力を、第１低圧バッテリ２７により供給する。

これに対し、スイッチ素子１１が開成されるバッテリ遮断時（第２システム状態）では、図７に示すように、強電ラインＬ１の電圧は、燃料電池２１により形成される。強電ラインＬ１の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して降圧されて第２弱電ラインＬ４に印加され、さらに、第２弱電ラインＬ４の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して降圧されて第１弱電ラインＬ３に印加される。ブロア２３に供給される電力のうち、定常分の電力を強電ラインＬ１からＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して供給し、過渡分の電力を第１低圧バッテリ２７により供給可能であることは、通常時におけると同様である。

さらに、バッテリ遮断時において、停止中の燃料電池２１を起動する場合は、第１低圧バッテリ２７の電圧がブロア２３に印加される一方、第１低圧バッテリ２７により第２弱電ラインＬ４に形成される電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して降圧され、センサ２２ａおよび燃料電池コントローラ２２ｂに印加される。

このように、強電ラインＬ１に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して第２弱電ラインＬ４を接続したことで、ブロア２３の動作電圧の生成に関してＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介在させる必要がなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６として一方向性のＤＣ／ＤＣコンバータを採用可能であるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は、センサ２２ａ等、動作電圧が低い補機の運転に要する電力を出力可能であればよいので、より小さな電流容量のＤＣ／ＤＣコンバータを選択することが可能となる。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２６のサイズを低減し、その設置に要するコストを削減することができる。

さらに、高圧バッテリ１１の強電ラインＬ１に対する接続が遮断され、高圧バッテリ１から燃料電池２１の補機２２ａ、２２ｂ、２３への電力の供給が遮断された状態にあっても第１低圧バッテリ２７により電力を供給することが可能となり、燃料電池２１の自律起動を可能とするとともに、その運転継続を可能とし、車両の走行を継続させることができる。

以上の説明では、電力分配システム２の電力ライン（第１弱電ラインＬ３、第２弱電ラインＬ４）のうち、第１弱電ラインＬ３をより低圧とし、このより低圧の第１弱電ラインＬ３に動作負荷の変化が相対的に小さい第１補機２２（２２ａ、２２ｂ）を、他方のより高圧の第２弱電ラインＬ４に動作負荷の変化が相対的に大きい第２補機２３を、夫々接続した。しかし、第１弱電ラインＬ３と第２弱電ラインＬ４との間での電圧の関係は、これに限定されるものではなく、動作負荷の変化が大きい第２補機２３が接続される第２弱電ラインＬ４を低圧側の弱電ラインとして構成する一方、動作負荷の変化が小さい第１補機２２が接続される第１弱電ラインＬ３を高圧側の弱電ラインとして構成することも可能である。

さらに、以上の説明では、ブロア２３を第２補機としたが、第２補機として適用可能なものは、これに限定されるものではない。ブロアまたはエアコンプレッサ以外に適用可能な補機として、ポンプ等を例示することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

１…高圧バッテリ
２…電力分配システム
２１…燃料電池
２２ａ…センサ
２２ｂ…燃料電池コントローラ
２３…ブロア
２５…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２７…第１低圧バッテリ
３１…車両補機
３２…第２低圧バッテリ
３３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
５…パワーコントロールユニット
６…走行モータ
１０１…コントローラ
Ｌ１…強電ライン
Ｌ３…第１弱電ライン
Ｌ４…第２弱電ライン
Ｖ…車両駆動系
Ｐ１、Ｐ２…電力供給システム

Claims (9)

1. 第１バッテリと、
   前記第１バッテリと車両の走行モータとをつなぐ強電ラインと、
   燃料電池と、
   前記強電ラインに接続され、前記強電ラインの電圧を降圧させて出力可能な第１電圧変換器と、
   前記燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が比較的に小さい、前記燃料電池の第１補機が接続された第１弱電ラインと、
   前記第１弱電ラインに接続された第２電圧変換器と、
   前記第１弱電ラインに対して前記第２電圧変換器を介して接続される第２弱電ラインであって、前記燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が前記第１補機よりも大きい、前記燃料電池の第２補機が接続された第２弱電ラインと、
   前記第２弱電ラインに接続された第２バッテリと、
   を備え、
   前記第１弱電ラインが、前記第１電圧変換器を介して前記強電ラインと接続された、
   電力供給システム。
2. 請求項１に記載の電力供給システムであって、
   前記燃料電池は、前記強電ラインに対し、前記第１バッテリとは並列に接続された、
   電力供給システム。
3. 請求項１または２に記載の電力供給システムであって、
   前記第２弱電ラインの電圧は、前記第１弱電ラインの電圧よりも高い、
   電力供給システム。
4. 請求項３に記載の電力供給システムであって、
   前記強電ラインに対し、前記第１電圧変換器を介して前記第１弱電ラインが接続され、
   前記第２電圧変換器は、前記第１弱電ラインの電圧を昇圧させて前記第２弱電ラインに出力するとともに、前記第２弱電ラインの電圧を降圧させて前記第１弱電ラインに出力することが可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである、
   電力供給システム。
5. 請求項４に記載の電力供給システムであって、
   前記第１バッテリを電力源とする第１システム状態が設定され、
   前記第１システム状態では、前記強電ラインの電圧を、前記第１電圧変換器を介して前記第１弱電ラインに印加するとともに、前記第１弱電ラインの電圧を、前記第２電圧変換器を介して前記第２弱電ラインに印加する、
   電力供給システム。
6. 請求項４または５に記載の電力供給システムであって、
   前記第１バッテリによる電力の供給が停止される第２システム状態が設定され、
   前記第２システム状態では、前記第２バッテリにより前記第２弱電ラインに形成される電圧を、前記第２電圧変換器を介して前記第１弱電ラインに印加する、
   電力供給システム。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の電力供給システムであって、
   前記強電ラインに対し、前記強電ラインの電圧を降圧させて出力可能な第３電圧変換器と、
   前記強電ラインに対して前記第３電圧変換器を介して接続される第３弱電ラインであって、前記車両の車両補機が接続された第３弱電ラインと、
   前記第３弱電ラインに対し、前記車両補機とは並列に接続された第３バッテリと、
   をさらに備える、電力供給システム。
8. 請求項１～７のいずれか一項に記載の電力供給システムであって、
   前記第２補機は、前記燃料電池のカソードに対する酸化剤の供給に関わる酸化剤供給装置である、
   電力供給システム。
9. 強電ラインと、
   前記強電ラインよりも低い電圧の弱電ラインと、
   前記弱電ラインを通じて電力が供給される補機を有する燃料電池と、
   を備える電力供給システムであって、
   前記弱電ラインは、
   前記強電ラインに第１電圧変換器を介して接続された第１弱電ラインと、
   前記第１弱電ラインに対して第２電圧変換器を介して接続された、前記第１弱電ラインとは異なる電圧の第２弱電ラインと、を備え、
   前記第１弱電ラインには、前記補機のうち、前記燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が比較的に小さい第１補機が接続され、
   前記第２弱電ラインには、前記補機のうち、前記燃料電池の負荷変動に対する動作負荷の変化が前記第１補機よりも大きい第２補機が接続され、
   前記第２弱電ラインに接続されたバッテリをさらに備える、
   電力供給システム。

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