燃料電池電源装置
【課題】高出力を維持して小型化を図ることができる燃料電池電源装置を提供する。
【解決手段】並列に接続された燃料電池１及びキャパシタ２と、入力部が燃料電池１及びキャパシタ２と並列に接続されると共に出力部が電動機１のＰＤＵ４に接続され、燃料電池１及びキャパシタ２の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力をＰＤＵ４に供給する昇圧手段３と、昇圧手段３の出力部と電圧変換手段２０を介して接続された二次電池２１と、電圧変換手段２０の作動を制御して、電圧変換手段２０を介した二次電池２１からＰＤＵ４への電力供給と、電圧変換手段２０を介した昇圧手段３から二次電池２１への電力供給による二次電池２１の充電を制御する電力供給制御手段３０とを備える。
【解決手段】並列に接続された燃料電池１及びキャパシタ２と、入力部が燃料電池１及びキャパシタ２と並列に接続されると共に出力部が電動機１のＰＤＵ４に接続され、燃料電池１及びキャパシタ２の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力をＰＤＵ４に供給する昇圧手段３と、昇圧手段３の出力部と電圧変換手段２０を介して接続された二次電池２１と、電圧変換手段２０の作動を制御して、電圧変換手段２０を介した二次電池２１からＰＤＵ４への電力供給と、電圧変換手段２０を介した昇圧手段３から二次電池２１への電力供給による二次電池２１の充電を制御する電力供給制御手段３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びキャパシタの並列回路から負荷に電力を供給する燃料電池電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば燃料電池車両の動力源として、燃料電池と蓄電手段（キャパシタ、二次電池等）を走行用モータと並列に接続して、燃料電池及び蓄電手段から走行用モータに電力を供給するようにした燃料電池電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる従来の燃料電池電源装置においては、燃料電池及び蓄電手段の出力部が走行用モータに直接接続されている。そして、燃料電池の１セルあたりの出力電圧は低いため、走行用モータの駆動に必要な高電圧を得るためには、多数のセルを多層化した燃料電池スタックを構成する必要があり、燃料電池の体積が大きくなる。
【０００４】
また、高出力の走行用モータへの駆動用電力を確保するために、燃料電池の出力電力をアシストする蓄電手段の容量を大きくする必要があり、蓄電手段の体積も大きくなる。そして、このように、燃料電池及び蓄電手段の体積が共に大きくなるため、燃料電池電源装置を小型化することが難しかった。
【特許文献１】特開２００６−５９６８５号公報 （第４−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、高出力を維持して小型化を図ることができる燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、入力部が前記燃料電池と並列に接続されると共に出力部が第１の負荷に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該第１の負荷に供給する昇圧手段と、前記昇圧手段の入力部又は出力部と並列に接続された蓄電手段と、前記昇圧手段の出力部と電圧変換手段を介して接続された二次電池と、前記電圧変換手段の作動を制御して、前記電圧変換手段を介した前記二次電池から前記第１の負荷への電力供給と、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給による前記二次電池の充電とを実行する電力供給制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段により前記燃料電池の出力電圧が昇圧され、該昇圧された電圧による電力が前記第１の負荷に供給される。そのため、前記燃料電池の出力電圧を低くすることができる。そして、これにより、前記燃料電池において多層化されるセルの個数を減少させて、前記燃料電池の体積を減少させることができる。
【０００８】
また、前記蓄電手段から前記第１の負荷に電力を供給することができると共に、前記電力供給制御手段により、前記電圧変換手段を介して前記二次電池から前記第１の負荷に電力を供給する。そして、これにより、前記蓄電手段及び前記二次電池の出力電力によって、前記燃料電池から前記第１の負荷への電力供給をアシストすることができため、前記燃料電池の体積を減少させることができる。さらに、前記電力供給制御手段は、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給により前記二次電池を充電する。これにより、前記二次電池の充電量の確保を図ることができる。
【０００９】
また、前記蓄電手段が、前記昇圧手段の入力部に並列に接続されていることを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段により、前記燃料電池の出力電圧及び前記蓄電手段の出力電圧が昇圧され、該昇圧された電圧による電力が前記第１の負荷に供給される。そのため、前記蓄電手段の出力電圧を低くして、前記蓄電手段の体積を減少させることができる。
【００１１】
また、前記燃料電池から前記蓄電手段への通電を可能とすると共に、前記蓄電手段から前記燃料電池への通電を不能とする一方向通電手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明によれば、前記一方向通電手段により前記蓄電手段から前記燃焼電池への通電を不能とすることにより、前記燃料電池の端子間電圧よりも前記蓄電手段の端子間電圧を高く維持することが可能となる。そして、これにより、前記燃料電池の作動状態に拘らずに前記蓄電手段の充電量が多い状態を維持することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記第１の電力が所定電力以上であるときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される前記第１の電力が、前記所定電力以上となり、前記燃料電池及び前記蓄電手段からの電力供給だけでは、前記第１の負荷への電力供給が不足するおそれがあるときに、前記電圧変換手段を作動させて前記二次電池から前記第１の負荷に前記第２の電力を供給する。これにより、前記第１の負荷への電力供給が不足することを抑制することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記第１の電力の増加率が所定レベル以上となったときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される前記第１の電力の増加率が前記所定レベル以上となり、前記第１の電力の増加に対する前記燃料電池の応答遅れにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段からの電力供給だけでは、前記第１の負荷への電力供給が不足するおそれがあるときに、前記電圧変換手段を作動させて前記二次電池から前記第１の負荷に前記第２の電力を供給する。これにより、前記第１の負荷への電力供給が不足することを抑制することができる。なお、前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定レベル以下になったときにも、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給するようにしてもよい。
【００１７】
また、前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であるときに、前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電することを特徴とする。
【００１８】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であって、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記第１の負荷への電力供給が少ないときに、前記電圧変換手段を作動させて前記燃料電池から前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電する。これにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段の電力供給の負担が軽い状況にあるときに、前記二次電池を充電して、その後の前記第１の負荷への電力供給の増加に備えることができる。
【００１９】
また、前記二次電池が、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記二次電池から該第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする。
【００２０】
かかる本発明において、前記蓄電手段として、例えばキャパシタを用いた場合、充電量の増減による前記二次電池の出力電圧の変動幅は、前記蓄電手段よりも小さくなる。そのため、前記燃料電池の補機を少なくとも含む前記第２の負荷に、前記蓄電手段ではなく前記二次電池から電力供給することで、前記第２の負荷の入力電圧変動幅の仕様を狭くすることができる。そして、これにより、前記第２の負荷の小型化とコストダウンを図ることができる。
【００２１】
また、車両に搭載され、前記第１の負荷は該車両の動力源である電動機であることを特徴とする。
【００２２】
かかる本発明によれば、前記二次電池による前記電動機への電力供給のアシストを行うことにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段の体積を減少させることができるため、前記車両の電源スペースを小さくすることができる。
【００２３】
また、車両に搭載され、前記第１の負荷は、前記車両の車軸と連結された電動機であって、前記車両の動力源であると共に前記車両の減速時に発電機として作動して回生電力を出力し、前記昇圧手段は、前記電動機から前記蓄電手段に通電する機能を有して、前記電力供給制御手段は、前記昇圧手段を介して前記回生電力を前記蓄電手段に供給する第１の充電と、前記電圧変換手段を介して前記回生電力を前記二次電池に供給する第２の充電とを実行することを特徴とする。
【００２４】
かかる本発明によれば、前記電動機の回生電力により前記蓄電手段と前記二次電池を充電することによって、前記蓄電手段と前記二次電池の充電量を効率良く確保することができる。
【００２５】
また、前記回生電力を検知する回生電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、該回生電力検知手段により検知される前記回生電力のレベルに応じて、前記第１の充電により前記蓄電手段に供給する回生電力と、前記第２の充電により前記二次電池に供給する回生電力の分配割合を決定することを特徴とする。
【００２６】
かかる本発明によれば、前記電動機の回生電力のレベルに応じて、例えば、前記回生電力のレベルが小さいときは、前記第１の充電のみを実行して前記蓄電手段のみを充電し、前記回生電力のレベルが大きいときには、前記第１の充電と前記第２の充電とを、回生電力を所定の分配割合としてを実行する等の充電態様が可能となる。この際、前記第１の充電と前記第２の充電のために、それぞれの最適な回生出力電圧値に調整される。
【００２７】
また、前記蓄電手段がキャパシタであることを特徴とする。
【００２８】
かかる本発明によれば、出力電圧範囲が広いキャパシタを前記燃焼電池と並列に直結することにより、前記燃料電池を広い出力電圧範囲で使用することができる。また、キャパシタの内部抵抗は、二次電池等の他の種類の蓄電手段よりも低いため、キャパシタの充放電を速やかに行って、前記燃焼電池の出力を効率良くアシストすることができる。
【００２９】
また、前記昇圧手段の出力部と並列に接続されると共に、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記蓄電手段から前記第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする。
【００３０】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段による出力電圧を制御することによって、前記蓄電手段の電力出力と充電を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００３２】
［第１の実施形態］図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態における燃料電池電源装置の全体構成図、図２は図１に示した燃料電池電源装置による電力供給の態様を示した説明図、図３〜図４は燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図、図５は燃料電池自動車の走行状態に応じた回生電力の回収態様の説明図である。
【００３３】
図１を参照して、第１の実施の形態の燃料電池電源装置Ａ１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る。そして、燃料電池電源装置Ａ１は、燃料電池１、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（本発明の蓄電手段に相当する。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ＰＤＵ（Power Drive Unit）４を介して電動機５（本発明の第１の負荷に相当する）に接続された昇圧手段３（Voltage Boost Unit）、及び入力部が昇圧手段３に接続されると共に出力部が二次電池２１（本第１の実施形態では、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２０を備えている。
【００３４】
また、燃料電池電源装置Ａ１は、燃料電池１の作動を制御する燃料電池制御手段１０と、昇圧手段３及び電圧変換手段２０の作動を制御して、燃料電池１とキャパシタ２と二次電池２１から電動機５への電力供給と、キャパシタ２及び二次電池２１の充電とを行う電力供給制御手段３０とを備えている。
【００３５】
なお、燃料電池制御手段１０と電力供給制御手段３０は、マイクロコンピュータ（図示しない）に燃料電池電源装置の制御プログラムを実行させることにより構成される。また、燃料電池制御手段１０は、燃料電池１に備えられた各種センサ、及びキャパシタ２に備えられた各種センサと接続され、これらのセンサから出力される検出信号を入力して、燃料電池１及びキャパシタ２の作動状態を検知する。
【００３６】
燃料電池制御手段１０に備えられた電力検知手段１１は、燃料電池１に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）の検出信号と、キャパシタ２に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）の検出信号とにより、燃料電池１から出力される電力とキャパシタ２から出力される電力を検知する。また、電圧検知手段１２は、燃料電池１に備えられた電圧センサの検出信号により、燃料電池１の出力電圧を検知する。
【００３７】
また、二次電池２１には、燃料電池１に反応ガスである空気を供給するためのポンプ等の補機２２（本発明の第２の負荷に相当する）が接続されている。さらに、燃料電池１と昇圧手段３及びキャパシタ２との間には、燃料電池１への電流の流入を禁止するためのダイオード６（本発明の一方向通電手段に相当する）が接続されている。なお、ダイオードではなく、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。
【００３８】
次に、図２（ａ）を参照して、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２１０Ａ）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１５４Ｖ〜上限２４３Ｖの範囲）で変動するものである。また、二次電池２１の出力電圧は約２９０Ｖ〜３５０Ｖの範囲で変動する。
【００３９】
昇圧手段３は、定格１００kwで昇圧比１．５〜２．４のＤＣ／ＤＣコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータは、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２０は、定格１０kwで昇圧比１．３６〜１．７０の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。そして、電力供給制御手段３０（図１参照）は、燃料電池１及びキャパシタ２からの出力電力を昇圧手段３で昇圧した電力Ｐ1のみでは、電動機５に対する電力供給が不足するときに、二次電池２１からの出力電力を電圧変換手段２０で昇圧した電力Ｐ2を供給して、電動機５への電力供給をアシストする。
【００４０】
図２（ｂ）は、燃料電池１が停止した状態から車両が走行を開始するときの、電動機５への総供給電力（図中ａ）、二次電池２１の出力電力（図中ｂ）、燃料電池１の出力電力（図中ｃ）、キャパシタ２の出力電力（図中ｄ）の変化を示したものであり、縦軸が電力（Ｐw）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。
【００４１】
図中ｔ0で車両が走行を開始するときは、先ず、キャパシタ２の出力電力ｄと二次電池２１の出力電力ｂにより電動機５が駆動される。また、二次電池２１の出力電力により補機２２（図１参照）が作動して燃料電池１が起動すると、燃料電池１の出力電力ｃが次第に上昇する。一方、キャパシタ２の出力電力は次第に減少し、ｔ1でほぼゼロとなる。また、二次電池２１の出力電力も次第に減少し、ｔ2でほぼゼロとなる。そして、以後は、主として燃料電池１の出力電力により電動機５が駆動される。
【００４２】
次に、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）を参照して、車両の状態に応じた燃料電池１、キャパシタ２、及び二次電池２１の電力出力の制御の態様について説明する。
【００４３】
図３（ａ）は燃料電池１の起動時における電力出力の態様を示している。燃料電池１の起動時、電力供給制御手段３０は、昇圧手段３を介してキャパシタ２からＰＤＵ４に電力Ｐ３を供給すると共に、電圧変換手段２０を介して二次電池２１からＰＤＵ４に電力Ｐ４を供給する。
【００４４】
この場合、キャパシタ２からの供給電力Ｐ３と二次電池２１からの供給電力Ｐ４とにより、電動機５が駆動される。そのため、二次電池２１によりアシストされる電力Ｐ４に相当する容量分について、キャパシタ２の容量を減少させて、キャパシタ２の体積を減少させることができる。
【００４５】
また、二次電池２１から補機２２（図１参照）に電力が供給されて補機２２が作動を開始し、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。
【００４６】
次に、図３（ｂ）は車両が平坦路を走行している場合のように、低負荷の状態で電動機５が作動しているときの電力出力の態様を示している。低負荷の状態では、燃料電池１から供給される電力Ｐ５のみによって、電動機５の要求電力を満たすことができる。そのため、電力供給制御手段３０は、電圧変換手段２０の作動を停止し、昇圧手段３を負荷の大きさに応じて作動又は停止させる。このように、燃料電池１からの供給電力Ｐ３のみによって電動機５を作動させることにより、高燃費を維持して車両を走行させることができる。
【００４７】
次に、図４（ａ）は車両が登坂路を走行している場合のように、高負荷の状態で電動機５が作動しているときの電力出力の態様を示している。高負荷の状態では、燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６のみによっては電動機５の要求電力を満たすことができなくなる。
【００４８】
そこで、電力供給制御手段３０は、電力検知手段１１により検知される燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６（本発明の第１の電力に相当する）が、予め設定された所定電力以上となったときに、電圧変換手段２０を作動させる。そして、二次電池２１からの出力電力を電圧変換手段２０で昇圧した電力Ｐ７（本発明の第２の電力に相当する）を供給して、電動機５への電力供給をアシストする。
【００４９】
これにより、ＰＤＵ４から電動機５に供給される電力が増加して、電動機５に供給される電力の不足が生じることを防止することができる。そして、この場合、二次電池２１によりアシストされる電力Ｐ７に相当する容量分について、燃料電池１及びキャパシタ２の容量を減少させて、燃料電池１及びキャパシタの体積を減少させることができる。
【００５０】
なお、電力検知手段１１により検知される燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６の増加率が所定レベル以上となったときに、電圧変換手段２０を作動させるようにしてもよい。これにより、電力Ｐ６の急増に対して燃料電池１の出力電力の増加が遅れるときに、二次電池２１の出力電力Ｐ７によりアシストして、電動機５に対する電力供給が不足することを防止することができる。
【００５１】
次に、図４（ｂ）は走行していた車両が停止したときの電力出力の態様を示している。車両が停止しているときは、電動機１が停止して燃料電池１の出力電力が減少し、これに応じて燃料電池１の出力電圧が上昇する。
【００５２】
そこで、電力供給制御手段３０は、電圧検知手段１２により検知される燃料電池１の出力電圧が予め設定された所定電圧以上となり、燃料電池１の出力に余裕がある状態となっているときに、電圧変換回路２０を作動させ、昇圧手段３及び電圧変換手段２０を介して、二次電池２１を充電する。
【００５３】
これにより、二次電池２１の残容量を十分のものとして、その後の車両の走行に備えることができる。
【００５４】
また、電動機５は、車両が減速する際には発電機として機能し、電力供給制御手段３０は、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を充電する第１の充電及び二次電池２を充電する第２の充電を実行する。なお、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の回生電力を検知する。このように、電動機５の回生電力を検知する構成が、本発明の回生電力検知手段に相当する。
【００５５】
図５（ａ）は、車両が緩やかに減速しているときのように、電動機５の回生電力が小さいときの該回生電力による充電態様を示している。回生電力が小さいときは、電力供給制御手段３０は、電圧変換手段２０を介した二次電池２１への電力供給を停止し、昇圧手段３を直結（スルー）の状態とする。これにより、電動機５の回生電力Ｇ１を、入力インピーダンスが低いキャパシタ２に効率良く充電することができる。
【００５６】
次に、図５（ｂ）は車両が高速走行状態から減速した場合のように、電動機５の回生電力が大きいときの該回生電力による充電状態を示している。この場合、電力供給制御手段３０は、電動機５の回生電力をＧ２とＧ３に分配する。そして、電力供給制御手段３０は、回生電力Ｇ２を昇圧手段３を介してキャパシタ２に供給してキャパシタ２を充電し、回生電力Ｇ３を電圧変換手段２０を介して二次電池２１に供給して二次電池２１を充電する。
【００５７】
電力供給制御手段３０は、回生電力Ｇ２とＧ３の分配割合を、二次電池２１の残充電容量、キャパシタ２の残充電容量、電動機５の回生電力の大きさ等に基づいて決定する。そして、電圧変換手段２０により二次電池２１に供給する電力を制限することにより、回生電力Ｇ２とＧ３の分配割合を制御する。
【００５８】
なお、第１の実施の形態では、本発明のキャパシタとして電気二重層キャパシタを示したが、本発明キャパシタの仕様はこれらに限定されず、他の仕様のキャパシタを用いてもよい。
【００５９】
［第２の実施形態］次に、図６（ａ）を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２は、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１のキャパシタ２を、二次電池５０（本発明の蓄電手段に相当する。本第２の実施形態では、リチイムイオンバッテリを使用している。）に置き換えたものである。なお、第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２においても、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の作用効果を得ることができる。二次電池５０は、例えば、燃料電池１の動作電圧範囲が約１８０Ｖ〜２２５Ｖであるときには、６５セルのリチウムイオンバッテリを直列に接続して構成される。ここで、二次電池５０においては、下限電圧を下回る放電を行なうと、活物質や集電箔の劣化が生じるおそれがある。
【００６１】
そのため、二次電池５０の出力電圧の監視を行ない、燃料電池１と接続された昇圧手段３により、燃料電池１及び二次電池５０の電流出力を制限する制御を行って、二次電池５０の出力電圧が下限電圧よりも低くなることを防止することが望ましい。
【００６２】
さらに、第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２によれば、高圧補機（高電圧の供給により動作する補機であり、燃料電池１の補機を含む。本発明の第２の負荷に相当する）５１を二次電池５０と並列に接続することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介することなく、二次電池５０から高圧補機５１に電力を供給することができる。そのため、効率良く高圧補機５１を動作させることができ、燃費向上を図ることができる。
【００６３】
［第３の実施形態］次に、図６（ｂ）を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３は、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１におけるキャパシタ５０に変えて、二次電池６０（本発明の蓄電手段に相当する。本第３の実施形態では、リチイムイオンバッテリを使用している）を昇圧手段３の出力部に並列に接続したものである。なお、第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
また、昇圧手段３及びＰＤＵ４と二次電池６０との間にコンタクタ６１が設けられ、二次電池６０には高圧補機６２（高電圧の供給により動作する補機であり、燃料電池１の補機を含む。本発明の第２の負荷に相当する）が接続されている。ここで、二次電池２１と二次電池６０とは動作電圧範囲の設定が相違し、二次電池６０の動作電圧範囲が、二次電池２１の動作電圧範囲よりも高くなっている。
【００６５】
例えば、燃料電池１の動作電圧範囲が約１８０Ｖ〜２２５Ｖのときには、二次電池２１は７２セルのリチイムイオンバッテリを直列に接続して構成され、二次電池６０は１１６セルのリチウムイオンバッテリを直列に接続して構成される。
【００６６】
第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３によれば、燃料電池１の出力電力のアシストを二次電池２１のみで行なうときは、昇圧手段３からＰＤＵ４への出力電圧を４００Ｖ以上に制御すると共に、電圧変換手段２０からＰＤＵ４への出力電圧も４００Ｖ以上に制御すればよい。
【００６７】
また、二次電池２１と二次電池６０の双方により、燃料電池１の出力電力のアシストを行なうときには、昇圧手段３からＰＤＵ４への出力電圧を４００Ｖ未満に制御すると共に、電圧変換手段２０からＰＤＵ４への出力電圧も４００Ｖ未満に制御することで、二次電池６０の出力電力を任意に制御することができる。
【００６８】
一方、電動機５の回生電力により、二次電池２１のみを充電するときは、コンタクタ６１を開状態（ＰＤＵ４と二次電池６０間が遮断された状態）とし、ＰＤＵ４を介して電動機５から二次電池２１に電力供給すればよい。
【００６９】
また、電動機５の回生電力により、二次電池２１と二次電池６０の双方を充電するときには、コンタクタ６１を閉状態（ＰＤＵ４と二次電池６０間が導通した状態）とし、ＰＤＵ４から二次電池６０への出力電圧を４００Ｖ以上にすればよい。
【００７０】
第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介することなく、二次電池６０からＰＤＵ４に効率良く電力を供給することができる。そのため、燃料電池１の発電を停止して車両を走行させる時に、燃費の向上を図ることができる。
【００７１】
また、高圧補機６２が、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介さずに二次電池６０に接続されているため、二次電池６０から出力される電力により高圧補機６２を効率良く動作させることができる。
【００７２】
なお、上述した第１〜第３の実施形態では、本発明の燃料電池電源装置を車両の駆動源として備えた例を示したが、電気負荷に対して燃料電池の出力電力を供給する構成の燃料電池電源装置であれば、本発明の適用が可能である。
【００７３】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、本発明の第１の負荷として電動機５を示し、本発明の第２の負荷として燃料電池１の補機２２を示したが、本発明の第１の負荷及び第２の負荷は、車両に備えられた空調機器やオーディオ等の電装品や、バッテリ等であってもよい。また、燃料電池１の補機としては、燃料電池１に反応ガスである空気を供給するポンプや、燃料電池１の電解質膜を保湿するための加湿器、燃料電池１のラジエータの水冷循環ポンプ等が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態における燃料電池電源装置の構成図。
【図２】図１に示した燃料電池電源装置による電力供給の態様を示した説明図。
【図３】燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図。
【図４】燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図。
【図５】燃料電池自動車の走行状態に応じた回生電力の回収態様の説明図。
【図６】本発明の第２の実施形態及び第３の実施形態における燃料電池電源装置の構成図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池、２…キャパシタ（蓄電手段）、３…昇圧手段、４…ＰＤＵ、５…電動機（第１の負荷）、１０…燃料電池制御手段、１１…電力検知手段、１２…電圧検知手段、２０…電圧変換手段、２１…二次電池、２２…補機（第２の負荷）、３０…電力供給制御手段、５０…二次電池（蓄電手段）、５１…高圧補機（第２の負荷）、６０…二次電池（蓄電手段）、６１…コンタクタ、６２…高圧補機（第２の負荷）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及びキャパシタの並列回路から負荷に電力を供給する燃料電池電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば燃料電池車両の動力源として、燃料電池と蓄電手段（キャパシタ、二次電池等）を走行用モータと並列に接続して、燃料電池及び蓄電手段から走行用モータに電力を供給するようにした燃料電池電源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる従来の燃料電池電源装置においては、燃料電池及び蓄電手段の出力部が走行用モータに直接接続されている。そして、燃料電池の１セルあたりの出力電圧は低いため、走行用モータの駆動に必要な高電圧を得るためには、多数のセルを多層化した燃料電池スタックを構成する必要があり、燃料電池の体積が大きくなる。
【０００４】
また、高出力の走行用モータへの駆動用電力を確保するために、燃料電池の出力電力をアシストする蓄電手段の容量を大きくする必要があり、蓄電手段の体積も大きくなる。そして、このように、燃料電池及び蓄電手段の体積が共に大きくなるため、燃料電池電源装置を小型化することが難しかった。
【特許文献１】特開２００６−５９６８５号公報 （第４−５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、高出力を維持して小型化を図ることができる燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、入力部が前記燃料電池と並列に接続されると共に出力部が第１の負荷に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該第１の負荷に供給する昇圧手段と、前記昇圧手段の入力部又は出力部と並列に接続された蓄電手段と、前記昇圧手段の出力部と電圧変換手段を介して接続された二次電池と、前記電圧変換手段の作動を制御して、前記電圧変換手段を介した前記二次電池から前記第１の負荷への電力供給と、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給による前記二次電池の充電とを実行する電力供給制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段により前記燃料電池の出力電圧が昇圧され、該昇圧された電圧による電力が前記第１の負荷に供給される。そのため、前記燃料電池の出力電圧を低くすることができる。そして、これにより、前記燃料電池において多層化されるセルの個数を減少させて、前記燃料電池の体積を減少させることができる。
【０００８】
また、前記蓄電手段から前記第１の負荷に電力を供給することができると共に、前記電力供給制御手段により、前記電圧変換手段を介して前記二次電池から前記第１の負荷に電力を供給する。そして、これにより、前記蓄電手段及び前記二次電池の出力電力によって、前記燃料電池から前記第１の負荷への電力供給をアシストすることができため、前記燃料電池の体積を減少させることができる。さらに、前記電力供給制御手段は、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給により前記二次電池を充電する。これにより、前記二次電池の充電量の確保を図ることができる。
【０００９】
また、前記蓄電手段が、前記昇圧手段の入力部に並列に接続されていることを特徴とする。
【００１０】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段により、前記燃料電池の出力電圧及び前記蓄電手段の出力電圧が昇圧され、該昇圧された電圧による電力が前記第１の負荷に供給される。そのため、前記蓄電手段の出力電圧を低くして、前記蓄電手段の体積を減少させることができる。
【００１１】
また、前記燃料電池から前記蓄電手段への通電を可能とすると共に、前記蓄電手段から前記燃料電池への通電を不能とする一方向通電手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明によれば、前記一方向通電手段により前記蓄電手段から前記燃焼電池への通電を不能とすることにより、前記燃料電池の端子間電圧よりも前記蓄電手段の端子間電圧を高く維持することが可能となる。そして、これにより、前記燃料電池の作動状態に拘らずに前記蓄電手段の充電量が多い状態を維持することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記第１の電力が所定電力以上であるときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする。
【００１４】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される前記第１の電力が、前記所定電力以上となり、前記燃料電池及び前記蓄電手段からの電力供給だけでは、前記第１の負荷への電力供給が不足するおそれがあるときに、前記電圧変換手段を作動させて前記二次電池から前記第１の負荷に前記第２の電力を供給する。これにより、前記第１の負荷への電力供給が不足することを抑制することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記第１の電力の増加率が所定レベル以上となったときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする。
【００１６】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される前記第１の電力の増加率が前記所定レベル以上となり、前記第１の電力の増加に対する前記燃料電池の応答遅れにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段からの電力供給だけでは、前記第１の負荷への電力供給が不足するおそれがあるときに、前記電圧変換手段を作動させて前記二次電池から前記第１の負荷に前記第２の電力を供給する。これにより、前記第１の負荷への電力供給が不足することを抑制することができる。なお、前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定レベル以下になったときにも、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給するようにしてもよい。
【００１７】
また、前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であるときに、前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電することを特徴とする。
【００１８】
かかる本発明によれば、前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であって、前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記第１の負荷への電力供給が少ないときに、前記電圧変換手段を作動させて前記燃料電池から前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電する。これにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段の電力供給の負担が軽い状況にあるときに、前記二次電池を充電して、その後の前記第１の負荷への電力供給の増加に備えることができる。
【００１９】
また、前記二次電池が、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記二次電池から該第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする。
【００２０】
かかる本発明において、前記蓄電手段として、例えばキャパシタを用いた場合、充電量の増減による前記二次電池の出力電圧の変動幅は、前記蓄電手段よりも小さくなる。そのため、前記燃料電池の補機を少なくとも含む前記第２の負荷に、前記蓄電手段ではなく前記二次電池から電力供給することで、前記第２の負荷の入力電圧変動幅の仕様を狭くすることができる。そして、これにより、前記第２の負荷の小型化とコストダウンを図ることができる。
【００２１】
また、車両に搭載され、前記第１の負荷は該車両の動力源である電動機であることを特徴とする。
【００２２】
かかる本発明によれば、前記二次電池による前記電動機への電力供給のアシストを行うことにより、前記燃料電池及び前記蓄電手段の体積を減少させることができるため、前記車両の電源スペースを小さくすることができる。
【００２３】
また、車両に搭載され、前記第１の負荷は、前記車両の車軸と連結された電動機であって、前記車両の動力源であると共に前記車両の減速時に発電機として作動して回生電力を出力し、前記昇圧手段は、前記電動機から前記蓄電手段に通電する機能を有して、前記電力供給制御手段は、前記昇圧手段を介して前記回生電力を前記蓄電手段に供給する第１の充電と、前記電圧変換手段を介して前記回生電力を前記二次電池に供給する第２の充電とを実行することを特徴とする。
【００２４】
かかる本発明によれば、前記電動機の回生電力により前記蓄電手段と前記二次電池を充電することによって、前記蓄電手段と前記二次電池の充電量を効率良く確保することができる。
【００２５】
また、前記回生電力を検知する回生電力検知手段を備え、前記電力供給制御手段は、該回生電力検知手段により検知される前記回生電力のレベルに応じて、前記第１の充電により前記蓄電手段に供給する回生電力と、前記第２の充電により前記二次電池に供給する回生電力の分配割合を決定することを特徴とする。
【００２６】
かかる本発明によれば、前記電動機の回生電力のレベルに応じて、例えば、前記回生電力のレベルが小さいときは、前記第１の充電のみを実行して前記蓄電手段のみを充電し、前記回生電力のレベルが大きいときには、前記第１の充電と前記第２の充電とを、回生電力を所定の分配割合としてを実行する等の充電態様が可能となる。この際、前記第１の充電と前記第２の充電のために、それぞれの最適な回生出力電圧値に調整される。
【００２７】
また、前記蓄電手段がキャパシタであることを特徴とする。
【００２８】
かかる本発明によれば、出力電圧範囲が広いキャパシタを前記燃焼電池と並列に直結することにより、前記燃料電池を広い出力電圧範囲で使用することができる。また、キャパシタの内部抵抗は、二次電池等の他の種類の蓄電手段よりも低いため、キャパシタの充放電を速やかに行って、前記燃焼電池の出力を効率良くアシストすることができる。
【００２９】
また、前記昇圧手段の出力部と並列に接続されると共に、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記蓄電手段から前記第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする。
【００３０】
かかる本発明によれば、前記昇圧手段による出力電圧を制御することによって、前記蓄電手段の電力出力と充電を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。
【００３２】
［第１の実施形態］図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態における燃料電池電源装置の全体構成図、図２は図１に示した燃料電池電源装置による電力供給の態様を示した説明図、図３〜図４は燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図、図５は燃料電池自動車の走行状態に応じた回生電力の回収態様の説明図である。
【００３３】
図１を参照して、第１の実施の形態の燃料電池電源装置Ａ１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る。そして、燃料電池電源装置Ａ１は、燃料電池１、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（本発明の蓄電手段に相当する。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ＰＤＵ（Power Drive Unit）４を介して電動機５（本発明の第１の負荷に相当する）に接続された昇圧手段３（Voltage Boost Unit）、及び入力部が昇圧手段３に接続されると共に出力部が二次電池２１（本第１の実施形態では、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２０を備えている。
【００３４】
また、燃料電池電源装置Ａ１は、燃料電池１の作動を制御する燃料電池制御手段１０と、昇圧手段３及び電圧変換手段２０の作動を制御して、燃料電池１とキャパシタ２と二次電池２１から電動機５への電力供給と、キャパシタ２及び二次電池２１の充電とを行う電力供給制御手段３０とを備えている。
【００３５】
なお、燃料電池制御手段１０と電力供給制御手段３０は、マイクロコンピュータ（図示しない）に燃料電池電源装置の制御プログラムを実行させることにより構成される。また、燃料電池制御手段１０は、燃料電池１に備えられた各種センサ、及びキャパシタ２に備えられた各種センサと接続され、これらのセンサから出力される検出信号を入力して、燃料電池１及びキャパシタ２の作動状態を検知する。
【００３６】
燃料電池制御手段１０に備えられた電力検知手段１１は、燃料電池１に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）の検出信号と、キャパシタ２に備えられた電圧センサ及び電流センサ（図示しない）の検出信号とにより、燃料電池１から出力される電力とキャパシタ２から出力される電力を検知する。また、電圧検知手段１２は、燃料電池１に備えられた電圧センサの検出信号により、燃料電池１の出力電圧を検知する。
【００３７】
また、二次電池２１には、燃料電池１に反応ガスである空気を供給するためのポンプ等の補機２２（本発明の第２の負荷に相当する）が接続されている。さらに、燃料電池１と昇圧手段３及びキャパシタ２との間には、燃料電池１への電流の流入を禁止するためのダイオード６（本発明の一方向通電手段に相当する）が接続されている。なお、ダイオードではなく、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。
【００３８】
次に、図２（ａ）を参照して、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２１０Ａ）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１５４Ｖ〜上限２４３Ｖの範囲）で変動するものである。また、二次電池２１の出力電圧は約２９０Ｖ〜３５０Ｖの範囲で変動する。
【００３９】
昇圧手段３は、定格１００kwで昇圧比１．５〜２．４のＤＣ／ＤＣコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータは、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２０は、定格１０kwで昇圧比１．３６〜１．７０の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。そして、電力供給制御手段３０（図１参照）は、燃料電池１及びキャパシタ２からの出力電力を昇圧手段３で昇圧した電力Ｐ1のみでは、電動機５に対する電力供給が不足するときに、二次電池２１からの出力電力を電圧変換手段２０で昇圧した電力Ｐ2を供給して、電動機５への電力供給をアシストする。
【００４０】
図２（ｂ）は、燃料電池１が停止した状態から車両が走行を開始するときの、電動機５への総供給電力（図中ａ）、二次電池２１の出力電力（図中ｂ）、燃料電池１の出力電力（図中ｃ）、キャパシタ２の出力電力（図中ｄ）の変化を示したものであり、縦軸が電力（Ｐw）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。
【００４１】
図中ｔ0で車両が走行を開始するときは、先ず、キャパシタ２の出力電力ｄと二次電池２１の出力電力ｂにより電動機５が駆動される。また、二次電池２１の出力電力により補機２２（図１参照）が作動して燃料電池１が起動すると、燃料電池１の出力電力ｃが次第に上昇する。一方、キャパシタ２の出力電力は次第に減少し、ｔ1でほぼゼロとなる。また、二次電池２１の出力電力も次第に減少し、ｔ2でほぼゼロとなる。そして、以後は、主として燃料電池１の出力電力により電動機５が駆動される。
【００４２】
次に、図３（ａ）、図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）を参照して、車両の状態に応じた燃料電池１、キャパシタ２、及び二次電池２１の電力出力の制御の態様について説明する。
【００４３】
図３（ａ）は燃料電池１の起動時における電力出力の態様を示している。燃料電池１の起動時、電力供給制御手段３０は、昇圧手段３を介してキャパシタ２からＰＤＵ４に電力Ｐ３を供給すると共に、電圧変換手段２０を介して二次電池２１からＰＤＵ４に電力Ｐ４を供給する。
【００４４】
この場合、キャパシタ２からの供給電力Ｐ３と二次電池２１からの供給電力Ｐ４とにより、電動機５が駆動される。そのため、二次電池２１によりアシストされる電力Ｐ４に相当する容量分について、キャパシタ２の容量を減少させて、キャパシタ２の体積を減少させることができる。
【００４５】
また、二次電池２１から補機２２（図１参照）に電力が供給されて補機２２が作動を開始し、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。
【００４６】
次に、図３（ｂ）は車両が平坦路を走行している場合のように、低負荷の状態で電動機５が作動しているときの電力出力の態様を示している。低負荷の状態では、燃料電池１から供給される電力Ｐ５のみによって、電動機５の要求電力を満たすことができる。そのため、電力供給制御手段３０は、電圧変換手段２０の作動を停止し、昇圧手段３を負荷の大きさに応じて作動又は停止させる。このように、燃料電池１からの供給電力Ｐ３のみによって電動機５を作動させることにより、高燃費を維持して車両を走行させることができる。
【００４７】
次に、図４（ａ）は車両が登坂路を走行している場合のように、高負荷の状態で電動機５が作動しているときの電力出力の態様を示している。高負荷の状態では、燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６のみによっては電動機５の要求電力を満たすことができなくなる。
【００４８】
そこで、電力供給制御手段３０は、電力検知手段１１により検知される燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６（本発明の第１の電力に相当する）が、予め設定された所定電力以上となったときに、電圧変換手段２０を作動させる。そして、二次電池２１からの出力電力を電圧変換手段２０で昇圧した電力Ｐ７（本発明の第２の電力に相当する）を供給して、電動機５への電力供給をアシストする。
【００４９】
これにより、ＰＤＵ４から電動機５に供給される電力が増加して、電動機５に供給される電力の不足が生じることを防止することができる。そして、この場合、二次電池２１によりアシストされる電力Ｐ７に相当する容量分について、燃料電池１及びキャパシタ２の容量を減少させて、燃料電池１及びキャパシタの体積を減少させることができる。
【００５０】
なお、電力検知手段１１により検知される燃料電池１及びキャパシタ２から供給される電力Ｐ６の増加率が所定レベル以上となったときに、電圧変換手段２０を作動させるようにしてもよい。これにより、電力Ｐ６の急増に対して燃料電池１の出力電力の増加が遅れるときに、二次電池２１の出力電力Ｐ７によりアシストして、電動機５に対する電力供給が不足することを防止することができる。
【００５１】
次に、図４（ｂ）は走行していた車両が停止したときの電力出力の態様を示している。車両が停止しているときは、電動機１が停止して燃料電池１の出力電力が減少し、これに応じて燃料電池１の出力電圧が上昇する。
【００５２】
そこで、電力供給制御手段３０は、電圧検知手段１２により検知される燃料電池１の出力電圧が予め設定された所定電圧以上となり、燃料電池１の出力に余裕がある状態となっているときに、電圧変換回路２０を作動させ、昇圧手段３及び電圧変換手段２０を介して、二次電池２１を充電する。
【００５３】
これにより、二次電池２１の残容量を十分のものとして、その後の車両の走行に備えることができる。
【００５４】
また、電動機５は、車両が減速する際には発電機として機能し、電力供給制御手段３０は、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を充電する第１の充電及び二次電池２を充電する第２の充電を実行する。なお、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の回生電力を検知する。このように、電動機５の回生電力を検知する構成が、本発明の回生電力検知手段に相当する。
【００５５】
図５（ａ）は、車両が緩やかに減速しているときのように、電動機５の回生電力が小さいときの該回生電力による充電態様を示している。回生電力が小さいときは、電力供給制御手段３０は、電圧変換手段２０を介した二次電池２１への電力供給を停止し、昇圧手段３を直結（スルー）の状態とする。これにより、電動機５の回生電力Ｇ１を、入力インピーダンスが低いキャパシタ２に効率良く充電することができる。
【００５６】
次に、図５（ｂ）は車両が高速走行状態から減速した場合のように、電動機５の回生電力が大きいときの該回生電力による充電状態を示している。この場合、電力供給制御手段３０は、電動機５の回生電力をＧ２とＧ３に分配する。そして、電力供給制御手段３０は、回生電力Ｇ２を昇圧手段３を介してキャパシタ２に供給してキャパシタ２を充電し、回生電力Ｇ３を電圧変換手段２０を介して二次電池２１に供給して二次電池２１を充電する。
【００５７】
電力供給制御手段３０は、回生電力Ｇ２とＧ３の分配割合を、二次電池２１の残充電容量、キャパシタ２の残充電容量、電動機５の回生電力の大きさ等に基づいて決定する。そして、電圧変換手段２０により二次電池２１に供給する電力を制限することにより、回生電力Ｇ２とＧ３の分配割合を制御する。
【００５８】
なお、第１の実施の形態では、本発明のキャパシタとして電気二重層キャパシタを示したが、本発明キャパシタの仕様はこれらに限定されず、他の仕様のキャパシタを用いてもよい。
【００５９】
［第２の実施形態］次に、図６（ａ）を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２は、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１のキャパシタ２を、二次電池５０（本発明の蓄電手段に相当する。本第２の実施形態では、リチイムイオンバッテリを使用している。）に置き換えたものである。なお、第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６０】
第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２においても、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の作用効果を得ることができる。二次電池５０は、例えば、燃料電池１の動作電圧範囲が約１８０Ｖ〜２２５Ｖであるときには、６５セルのリチウムイオンバッテリを直列に接続して構成される。ここで、二次電池５０においては、下限電圧を下回る放電を行なうと、活物質や集電箔の劣化が生じるおそれがある。
【００６１】
そのため、二次電池５０の出力電圧の監視を行ない、燃料電池１と接続された昇圧手段３により、燃料電池１及び二次電池５０の電流出力を制限する制御を行って、二次電池５０の出力電圧が下限電圧よりも低くなることを防止することが望ましい。
【００６２】
さらに、第２の実施形態の燃料電池電源装置Ａ２によれば、高圧補機（高電圧の供給により動作する補機であり、燃料電池１の補機を含む。本発明の第２の負荷に相当する）５１を二次電池５０と並列に接続することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介することなく、二次電池５０から高圧補機５１に電力を供給することができる。そのため、効率良く高圧補機５１を動作させることができ、燃費向上を図ることができる。
【００６３】
［第３の実施形態］次に、図６（ｂ）を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３は、上述した第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１におけるキャパシタ５０に変えて、二次電池６０（本発明の蓄電手段に相当する。本第３の実施形態では、リチイムイオンバッテリを使用している）を昇圧手段３の出力部に並列に接続したものである。なお、第１の実施形態の燃料電池電源装置Ａ１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００６４】
また、昇圧手段３及びＰＤＵ４と二次電池６０との間にコンタクタ６１が設けられ、二次電池６０には高圧補機６２（高電圧の供給により動作する補機であり、燃料電池１の補機を含む。本発明の第２の負荷に相当する）が接続されている。ここで、二次電池２１と二次電池６０とは動作電圧範囲の設定が相違し、二次電池６０の動作電圧範囲が、二次電池２１の動作電圧範囲よりも高くなっている。
【００６５】
例えば、燃料電池１の動作電圧範囲が約１８０Ｖ〜２２５Ｖのときには、二次電池２１は７２セルのリチイムイオンバッテリを直列に接続して構成され、二次電池６０は１１６セルのリチウムイオンバッテリを直列に接続して構成される。
【００６６】
第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３によれば、燃料電池１の出力電力のアシストを二次電池２１のみで行なうときは、昇圧手段３からＰＤＵ４への出力電圧を４００Ｖ以上に制御すると共に、電圧変換手段２０からＰＤＵ４への出力電圧も４００Ｖ以上に制御すればよい。
【００６７】
また、二次電池２１と二次電池６０の双方により、燃料電池１の出力電力のアシストを行なうときには、昇圧手段３からＰＤＵ４への出力電圧を４００Ｖ未満に制御すると共に、電圧変換手段２０からＰＤＵ４への出力電圧も４００Ｖ未満に制御することで、二次電池６０の出力電力を任意に制御することができる。
【００６８】
一方、電動機５の回生電力により、二次電池２１のみを充電するときは、コンタクタ６１を開状態（ＰＤＵ４と二次電池６０間が遮断された状態）とし、ＰＤＵ４を介して電動機５から二次電池２１に電力供給すればよい。
【００６９】
また、電動機５の回生電力により、二次電池２１と二次電池６０の双方を充電するときには、コンタクタ６１を閉状態（ＰＤＵ４と二次電池６０間が導通した状態）とし、ＰＤＵ４から二次電池６０への出力電圧を４００Ｖ以上にすればよい。
【００７０】
第３の実施形態の燃料電池電源装置Ａ３によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介することなく、二次電池６０からＰＤＵ４に効率良く電力を供給することができる。そのため、燃料電池１の発電を停止して車両を走行させる時に、燃費の向上を図ることができる。
【００７１】
また、高圧補機６２が、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換回路を介さずに二次電池６０に接続されているため、二次電池６０から出力される電力により高圧補機６２を効率良く動作させることができる。
【００７２】
なお、上述した第１〜第３の実施形態では、本発明の燃料電池電源装置を車両の駆動源として備えた例を示したが、電気負荷に対して燃料電池の出力電力を供給する構成の燃料電池電源装置であれば、本発明の適用が可能である。
【００７３】
また、上述した第１〜第３の実施形態では、本発明の第１の負荷として電動機５を示し、本発明の第２の負荷として燃料電池１の補機２２を示したが、本発明の第１の負荷及び第２の負荷は、車両に備えられた空調機器やオーディオ等の電装品や、バッテリ等であってもよい。また、燃料電池１の補機としては、燃料電池１に反応ガスである空気を供給するポンプや、燃料電池１の電解質膜を保湿するための加湿器、燃料電池１のラジエータの水冷循環ポンプ等が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１の実施形態における燃料電池電源装置の構成図。
【図２】図１に示した燃料電池電源装置による電力供給の態様を示した説明図。
【図３】燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図。
【図４】燃料電池自動車の走行状態に応じた電力供給の態様の説明図。
【図５】燃料電池自動車の走行状態に応じた回生電力の回収態様の説明図。
【図６】本発明の第２の実施形態及び第３の実施形態における燃料電池電源装置の構成図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池、２…キャパシタ（蓄電手段）、３…昇圧手段、４…ＰＤＵ、５…電動機（第１の負荷）、１０…燃料電池制御手段、１１…電力検知手段、１２…電圧検知手段、２０…電圧変換手段、２１…二次電池、２２…補機（第２の負荷）、３０…電力供給制御手段、５０…二次電池（蓄電手段）、５１…高圧補機（第２の負荷）、６０…二次電池（蓄電手段）、６１…コンタクタ、６２…高圧補機（第２の負荷）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
入力部が前記燃料電池と並列に接続されると共に出力部が第１の負荷に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該第１の負荷に供給する昇圧手段と、
前記昇圧手段の入力部又は出力部と並列に接続された蓄電手段と、
前記昇圧手段の出力部と電圧変換手段を介して接続された二次電池と、
前記電圧変換手段の作動を制御して、前記電圧変換手段を介した前記二次電池から前記第１の負荷への電力供給と、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給による前記二次電池の充電とを実行する電力供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
【請求項２】
前記蓄電手段が、前記昇圧手段の入力部に並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置
【請求項３】
前記燃料電池から前記蓄電手段への通電を可能とすると共に、前記蓄電手段から前記燃料電池への通電を不能とする一方向通電手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電源装置。
【請求項４】
前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記第１の電力が所定電力以上であるときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池電源装置。
【請求項５】
前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記第１の電力の増加率が所定レベル以上となったときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池電源装置。
【請求項６】
前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であるときに、前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項７】
前記二次電池が、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記二次電池から該第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項８】
車両に搭載され、前記第１の負荷は該車両の動力源である電動機であることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項９】
車両に搭載され、
前記第１の負荷は、前記車両の車軸と連結された電動機であって、前記車両の動力源であると共に前記車両の減速時に発電機として作動して回生電力を出力し、
前記昇圧手段は、前記電動機から前記蓄電手段に通電する機能を有して、
前記電力供給制御手段は、前記昇圧手段を介して前記回生電力を前記蓄電手段に供給する第１の充電と、前記電圧変換手段を介して前記回生電力を前記二次電池に供給する第２の充電とを実行することを特徴とする請求項２から請求項７のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項１０】
前記回生電力を検知する回生電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、該回生電力検知手段により検知される前記回生電力のレベルに応じて、前記第１の充電により前記蓄電手段に供給する回生電力と、前記第２の充電により前記二次電池に供給する回生電力の分配割合を決定することを特徴とする請求項９記載の燃料電池電源装置。
【請求項１１】
前記蓄電手段がキャパシタであることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項１２】
前記蓄電手段が、前記昇圧手段の出力部と並列に接続されると共に、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記蓄電手段から前記第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
【請求項１】
燃料電池と、
入力部が前記燃料電池と並列に接続されると共に出力部が第１の負荷に接続され、前記燃料電池の出力電圧を昇圧して、該昇圧した電圧による電力を該第１の負荷に供給する昇圧手段と、
前記昇圧手段の入力部又は出力部と並列に接続された蓄電手段と、
前記昇圧手段の出力部と電圧変換手段を介して接続された二次電池と、
前記電圧変換手段の作動を制御して、前記電圧変換手段を介した前記二次電池から前記第１の負荷への電力供給と、前記電圧変換手段を介した前記昇圧手段から前記二次電池への電力供給による前記二次電池の充電とを実行する電力供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
【請求項２】
前記蓄電手段が、前記昇圧手段の入力部に並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置
【請求項３】
前記燃料電池から前記蓄電手段への通電を可能とすると共に、前記蓄電手段から前記燃料電池への通電を不能とする一方向通電手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池電源装置。
【請求項４】
前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記第１の電力が所定電力以上であるときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池電源装置。
【請求項５】
前記燃料電池及び前記蓄電手段から、前記昇圧手段を介して前記第１の負荷に供給される第１の電力を検知する電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記第１の電力の増加率が所定レベル以上となったときに、前記二次電池から前記電圧変換手段を介して前記第１の負荷に第２の電力を供給することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池電源装置。
【請求項６】
前記燃料電池の出力電圧を検知する電圧検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、前記燃料電池の出力電圧が所定電圧以上であるときに、前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記二次電池に電力を供給することにより、前記二次電池を充電することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項７】
前記二次電池が、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記二次電池から該第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項８】
車両に搭載され、前記第１の負荷は該車両の動力源である電動機であることを特徴とする請求項１から請求項７のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項９】
車両に搭載され、
前記第１の負荷は、前記車両の車軸と連結された電動機であって、前記車両の動力源であると共に前記車両の減速時に発電機として作動して回生電力を出力し、
前記昇圧手段は、前記電動機から前記蓄電手段に通電する機能を有して、
前記電力供給制御手段は、前記昇圧手段を介して前記回生電力を前記蓄電手段に供給する第１の充電と、前記電圧変換手段を介して前記回生電力を前記二次電池に供給する第２の充電とを実行することを特徴とする請求項２から請求項７のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項１０】
前記回生電力を検知する回生電力検知手段を備え、
前記電力供給制御手段は、該回生電力検知手段により検知される前記回生電力のレベルに応じて、前記第１の充電により前記蓄電手段に供給する回生電力と、前記第２の充電により前記二次電池に供給する回生電力の分配割合を決定することを特徴とする請求項９記載の燃料電池電源装置。
【請求項１１】
前記蓄電手段がキャパシタであることを特徴とする請求項１から請求項１０のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装置。
【請求項１２】
前記蓄電手段が、前記昇圧手段の出力部と並列に接続されると共に、前記燃料電池を作動させるための補機を少なくとも含む第２の負荷に接続されて、前記蓄電手段から前記第２の負荷に電力が供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２７１７７５（Ｐ２００８−２７１７７５Ａ）
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６２９７２（Ｐ２００８−６２９７２）
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月６日（２００８．１１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１２日（２００８．３．１２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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