電動車両の電源システム
【課題】電動車両での要求出力に対する発電装置の出力と蓄電装置の出力との配分を適正に制御することが可能な蓄電装置の動作電圧範囲を拡大し、燃料電池の出力変動を抑制する制御の実行を可能とし、燃料電池の運転効率を向上させる。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧と蓄電装置１２の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、電流の変化に応じた総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、燃料電池スタック１１の電流電圧特性と蓄電装置１２の電流電圧特性とは交差するように設定されている。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧と蓄電装置１２の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、電流の変化に応じた総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、燃料電池スタック１１の電流電圧特性と蓄電装置１２の電流電圧特性とは交差するように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動車両の電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの２次側に燃料電池および走行用モータが接続され、かつ１次側に燃料電池の出力電圧よりも低電圧で動作する蓄電装置が接続され、このＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作によって蓄電装置から走行用モータへと電力供給を行ない、またＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作によって燃料電池および走行用モータから蓄電装置へと電力供給を行なう燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８６３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池車両においては、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作および降圧動作は、燃料電池の出力電圧が蓄電装置の動作電圧よりも高い状態を前提として実行される。このため、例えば燃料電池の出力電流の増大に伴う出力電圧の低下によって燃料電池の出力電圧が蓄電装置の動作電圧と等しくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作および降圧動作に係るスイッチング動作は停止され、ＤＣ−ＤＣコンバータは常時導通の状態となる。この場合、燃料電池と蓄電装置とは、いわば短絡状態となり、燃料電池車両での要求出力に対する燃料電池の出力と蓄電装置の出力との配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作によって、適正に制御することができないという問題が生じる。しかも、燃料電池の出力変動を抑制することが困難となり、燃料電池の運転効率を向上させることができないという問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動車両での要求出力に対する発電装置の出力と蓄電装置の出力との配分を適正に制御することが可能な蓄電装置の動作電圧範囲を拡大し、燃料電池の出力変動を抑制する制御の実行を可能とし、燃料電池の運転効率を向上させることが可能な電動車両の電源システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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態様に係る電動車両の電源システムは、モータ駆動装置（実施の形態でのＰＤＵ１６）と、燃料電池（実施の形態での燃料電池スタック１１）と、蓄電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、前記モータ駆動装置および前記燃料電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側入出力部に接続され、前記蓄電装置は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの１次側入出力部あるいは前記ＤＣ−ＤＣコンバータの内部に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の総電圧と前記蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、前記蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、電流の変化に応じた前記総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、前記燃料電池の前記電流電圧特性と前記蓄電装置の前記電流電圧特性とは交差するように設定されている。
【０００７】
さらに、本発明の第２態様に係る電動車両の電源システムでは、総要求電力に対する前記燃料電池の出力電力と前記蓄電装置の出力電力との間の配分に対し、前記総要求電力が連続的に大きいときは前記総要求電力が連続的に小さいときに比べて、前記燃料電池の前記出力電力の前記配分は大きくされ、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作は、前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小に応じて制御される。
【０００８】
さらに、本発明の第３態様に係る電動車両の電源システムでは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子はスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、
前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小による２つの前記電圧状態において、前記スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされる前記スイッチング素子が異なる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１態様に係る電動車両の電源システムによれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の総電圧と蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能となる。
これにより、電動車両での要求出力に対する燃料電池の出力と蓄電装置の出力との配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作によって、適正に制御することができる制御範囲（例えば、燃料電池および蓄電装置の制御電圧範囲、蓄電装置の制御残容量範囲など）を拡大することができる。そして、この制御範囲の拡大に伴い、燃料電池の運転効率を向上させることができる。
さらに、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも大きい場合および小さい場合の両方の電圧状態において、蓄電装置の放電および充電を行なうことができ、蓄電装置の制御電圧範囲を拡大することができることに伴い、蓄電装置の制御残容量範囲を拡大することができる。そして、この制御残容量範囲の拡大に伴い、燃料電池の出力変動を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１０】
本発明の第２態様に係る電動車両の電源システムによれば、電動車両での総要求電力の増大に伴い、燃料電池の出力電力を増大させることで、燃料電池の出力電流が増大し、燃料電池の出力電圧が低下する場合であっても、蓄電装置の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００１１】
本発明の第３態様に係る電動車両の電源システムによれば、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも大きいときと、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも小さいときとにおいて、異なるスイッチング素子がスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされることにより、蓄電装置の放電および充電を適正に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電動車両の電源システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの総電圧ＶＦＣおよび蓄電装置の総電圧ＶＢの変化と電流の変化との対応の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子の状態と電圧および電流との対応の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子の状態と電圧および電流との対応の例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作と燃料電池スタックおよび蓄電装置の総電圧および出力との対応の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの総電圧ＶＦＣおよび蓄電装置の総電圧ＶＢの変化の例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電動車両の電源システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る電動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動車両の電源システム１０（以下、単に、電源システム１０と呼ぶ）は、例えば燃料電池車両に搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、バッテリなどからなる蓄電装置１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、平滑コンデンサ１４と、制御装置１５を備えて構成されている。そして、電源システム１０は、車両の走行駆動用のモータＭを駆動制御するパワードライブユニット（ＰＤＵ）１６に接続されている。
【００１４】
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。
【００１５】
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（図示略）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。
【００１６】
蓄電装置１２は、例えば、複数のバッテリセルからなるバッテリである。
なお、蓄電装置１２はバッテリに限定されず、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であってもよい。
【００１７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えば、ブリッジ接続された第１および第２ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃと第１および第２ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄと、リアクトル２２を備えて構成されている。
各アーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、例えばスイッチング素子としてＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar mode Transistor）を備え、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のコレクタ−エミッタ間に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接続された各ダイオードＤ２，Ｄ１，Ｄ４，Ｄ３とを備えている。
【００１８】
各ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃは各トランジスタＳ１，Ｓ３のコレクタが第１電力ラインＬ１に接続され、各ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄは各トランジスタＳ２，Ｓ４のエミッタが第２電力ラインＬ２に接続されている。
そして、各ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃの各トランジスタＳ１，Ｓ３のエミッタは各ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄの各トランジスタＳ２，Ｓ４のコレクタに接続されている。つまり、直列に接続された第１ハイサイドアーム２１ａおよび第１ローサイドアーム２１ｂと、直列に接続された第２ハイサイドアーム２１ｃおよび第２ローサイドアーム２１ｄとは、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に並列に接続されている。
そして、直列に接続された第１ハイサイドアーム２１ａおよび第１ローサイドアーム２１ｂの接続点Ｐ１２と直列に接続された第２ハイサイドアーム２１ｃおよび第２ローサイドアーム２１ｄの接続点Ｐ３４との間には、直列に接続されたリアクトル２２および蓄電装置１２が接続されている。
さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側において、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間には、平滑コンデンサ１４と、第２電力ラインＬ２から第１電力ラインＬ１に向けて順方向となるようにして直列に接続されたダイオードＤＦＣおよび燃料電池スタック１１と、ＰＤＵ１６とが、並列に接続されている。
つまり、ＰＤＵ１６および燃料電池スタック１１はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側入出力部に接続され、蓄電装置１２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の内部に接続されている。
【００１９】
このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、制御装置１５から出力されて各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４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）によって駆動される。
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣ（つまり、各燃料電池セルの出力電圧の総和）と蓄電装置１２の総電圧ＶＢ（つまり、各バッテリセルの出力電圧の総和）との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態（動作モード）で動作可能とされている。
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢとが等しくなる状態では、スイッチング動作を停止し、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との間を導通状態とすることも可能である。
【００２０】
例えば図２に示すように、燃料電池スタック１１では、出力される電流ＩＦＣの増大に伴い総電圧ＶＦＣが低下傾向に変化する。これに対して、蓄電装置１２では、放電および充電で流れる電流ＩＢの変化に対して総電圧ＶＢの変動は僅かである。このため、電流の変化に応じて、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態と、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態との、２つの電圧状態が生じ、これらの２つの電圧状態毎に対して、蓄電装置１２の放電と充電との２つの電流状態が生じる。
【００２１】
例えば図３（Ａ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において燃料電池スタック１１から充電を行なう蓄電装置１２への降圧動作では、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ１のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ１，Ｓ２が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２２】
この場合には、例えば図４（Ａ）に示すように、先ず、トランジスタＳ１がオンとされることで燃料電池スタック１１からトランジスタＳ１に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ１がオフとされ、リアクトル２２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リアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが第１ローサイドアーム２１ｂのダイオードＤ１から蓄電装置１２へと流れて蓄電装置１２が充電される。
【００２３】
また、例えば図３（Ｂ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において放電を行なう蓄電装置１２から燃料電池スタック１１への昇圧動作では、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ２のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ１，Ｓ２が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２４】
この場合には、例えば図４（Ｂ）に示すように、先ず、トランジスタＳ２がオンとされることで蓄電装置１２から放電されて、順次、トランジスタＳ２、トランジスタＳ４に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ２がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが第１ハイサイドアーム２１ａのダイオードＤ２を流れて放電される。
【００２５】
また、例えば図５（Ａ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において放電を行なう蓄電装置１２から燃料電池スタック１１への降圧動作では、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ３のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ３，Ｓ４が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２６】
この場合には、例えば図６（Ａ）に示すように、先ず、トランジスタＳ３がオンとされることで蓄電装置１２から放電されて、順次、第１ハイサイドアーム２１ａのダイオードＤ２、トランジスタＳ３に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ３がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが、第２ローサイドアーム２１ｄのダイオードＤ３を流れるようにして、放電される。
【００２７】
また、例えば図５（Ｂ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において燃料電池スタック１１から充電を行なう蓄電装置１２への昇圧動作では、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ４のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ３，Ｓ４が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２８】
この場合には、例えば図６（Ｂ）に示すように、先ず、トランジスタＳ４がオンとされることで、順次、リアクトル２２、蓄電装置１２、トランジスタＳ４に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ４がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが、第２ハイサイドアーム２１ｃのダイオードＤ４を流れるようにして、蓄電装置１２が充電される。
【００２９】
ＰＤＵ１６は、例えば３相のモータＭの駆動回路としてパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータなどを備え、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号に応じて、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の直流電力を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３相電流を通電する。一方、例えばモータＭの回生時には、モータＭから出力される３相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１３に供給し、蓄電装置１２の充電およびＤＣ−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、モータＭ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、ＰＤＵ１６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モータＭに駆動力が伝達されると、モータＭ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。
【００３０】
制御装置１５は、ＤＣ−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、ＰＤＵ１６の電力変換動作を制御する。
そして、制御装置１５には、例えば、燃料電池スタック１１から出力される電流ＩＦＣを検出する出力電流センサ３１と、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣを検出する電圧センサ３２と、蓄電装置１２の放電および充電で流れる電流ＩＢを検出する電流センサ３３と、蓄電装置１２の総電圧ＶＢを検出する電圧センサ３４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。
【００３１】
制御装置１５は、例えば図１に示すように、駆動モータ制御部４１と、消費電力算出部４２と、目標電力配分設定部４３と、目標電圧設定部４４と、デューティー制御部４５とを備えて構成されている。
【００３２】
駆動モータ制御部４１は、例えばモータＭ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モータＭ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相の各相出力電圧を算出し、各相出力電圧に応じてＰＤＵ１６へＰＷＭ信号を入力すると共に、実際にＰＤＵ１６からモータＭに供給される各相電流の検出値を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。
【００３３】
また、駆動モータ制御部４１は、例えばモータＭの回生時においては、モータＭ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（ゲート信号）に応じてＰＤＵ１６のＰＷＭインバータを駆動し、モータＭ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４１は、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ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に出力する。
【００３４】
消費電力算出部４２は、電源システム１０から電力が供給される負荷（例えば、モータＭ、空調機器、車両用補機、エアポンプインバータなど）において要求される総消費電力を算出する。
【００３５】
目標電力配分設定部４３は、例えばモータＭ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、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣとなどに基づき、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分、つまり消費電力算出部４２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蓄電装置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。
【００３６】
なお、例えばモータＭの駆動時における電力配分は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーに応じた値となり、さらに、スイッチングデューティーは燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢに応じた値となる。
さらに、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢとは、それぞれ燃料電池スタック１１の電流ＩＦＣおよび電力と蓄電装置１２の電流ＩＢおよび電力と所定の対応関係を有する。
これらにより、スイッチングデューティーに応じた電力配分によって、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）と蓄電装置１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との対応関係が記述される。
【００３７】
目標電圧設定部４４は、例えば、燃料電池スタック１１の動作点と、蓄電装置１２の動作点と、目標電力配分設定部４３により設定された電力配分と、消費電力算出部４２により算出された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の総電圧ＶＦＣに対する目標電圧を取得する。
つまり、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）と蓄電装置１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との所定の対応関係は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーに応じた電力配分によって記述される。このため、電力配分および総消費電力に対応する燃料電池スタック１１の動作点から総電圧ＶＦＣに対する目標電圧を取得することによって、これらの電力配分および総消費電力に蓄電装置１２の動作点を対応させることができる。
【００３８】
デューティー制御部４５は、燃料電池スタック１１と蓄電装置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４３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、例えば電圧センサ３２から出力される燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣの検出値が目標電圧設定部４４から出力される目標電圧に一致するようにして、ＤＣ−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４５は、例えば、電圧偏差算出部５１と、フィードバック処理部５２と、ＰＷＭ信号生成部５３とを備えて構成されている。
【００３９】
電圧偏差算出部５１は、電圧センサ３２から出力される燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣの検出値と、目標電圧設定部４４から出力される目標電圧との電圧偏差を算出して出力する。
フィードバック処理部５２は、例えばＰＩＤ（比例積分微分）動作により、電圧偏差算出部５１から出力される電圧偏差に応じて電圧指令値を算出する。
【００４０】
ＰＷＭ信号生成部５３は、フィードバック処理部５２から出力される電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を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。
【００４１】
例えば図７に示すように、目標電力配分設定部４３は、燃料電池スタック１１の出力をほぼ一定に維持しつつ、車両の加速および減速に伴う総消費電力の急激な増減には、蓄電装置１２の充電および放電による出力の変化で対応するようにして、燃料電池スタック１１と蓄電装置との電力配分を設定する。
このため、デューティー制御部４５は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態と総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態との２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態でＤＣ−ＤＣコンバータ１３を動作させるようにして、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４をオン／オフ駆動させるＰＷＭ信号を出力する。
これにより、例えば図２に示すように、電流の変化に応じた各総電圧ＶＦＣ（燃料電池），ＶＢ（蓄電装置）の変化を示す電流電圧特性に対し、燃料電池スタック１１の電流電圧特性と蓄電装置１２の電流電圧特性とは交差するように設定される。そして、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）となる領域Ａと、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）となる領域Ｂとの、両方においてＤＣ−ＤＣコンバータ１３による電圧変換が行なわれる。
なお、目標電力配分設定部４３は、負荷の総消費電力が連続的に大きいときは総消費電力が連続的に小さいときに比べて、燃料電池スタック１１の電力配分を大きくする。
【００４２】
例えば図７に示す時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間での総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において、蓄電装置１２の充電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ１のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。また、蓄電装置１２の放電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ２のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。
また、例えば図７に示す時刻ｔ２以降の期間での総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において、蓄電装置１２の放電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ３のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。また、蓄電装置１２の充電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ４のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。
【００４３】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の４つの各動作モードにおいて、２つの対をなすトランジスタＳ１，Ｓ２およびトランジスタＳ３，Ｓ４の同期スイッチングが行なわれる場合には、対をなすトランジスタ間でのオン／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ＴＤが設けられている。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のうち、少なくとも１つのトランジスタはスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との間の相対的な大小による２つの電圧状態において、スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされるトランジスタが異なる。
例えば総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態においては、トランジスタＳ４が、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされる。一方、例えば総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態においては、トランジスタＳ２が、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされる。
【００４４】
また、目標電圧設定部４４は、例えば図７に示す時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間のように、２つの電圧状態間の遷移時に総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）とが等しくなることを禁止する。
例えば図８（Ａ）に示すように、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき所定マップから取得した目標電圧が、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ大きい閾値ＶＨよりも小さくなるときに、目標電圧を総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも小さい電圧値（例えば、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ小さい閾値ＶＬなど）とする。このとき、目標電圧を低下させたことに起因する燃料電池スタック１１の出力電力の増大分は、蓄電装置１２に充電されることになる。
なお、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、所定マップから取得した目標電圧が閾値ＶＨよりも小さくなるときに、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の上限値ＵＴＨよりも大きい場合には、蓄電装置１２の充電を防止するために目標電圧を閾値ＶＨとする。
【００４５】
また、例えば図８（Ｂ）に示すように、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき所定マップから取得した目標電圧が、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ小さい閾値ＶＬよりも大きくなるときに、目標電圧を総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも大きい電圧値（例えば、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ大きい閾値ＶＨなど）とする。このとき、目標電圧を増大させたことに起因する燃料電池スタック１１の出力電力の低下分は、蓄電装置１２から放電されることになる。
なお、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、所定マップから取得した目標電圧が閾値ＶＬよりも大きくなるときに、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の下限値ＬＴＨよりも小さい場合には、蓄電装置１２の放電を防止するために目標電圧を閾値ＶＬとする。
【００４６】
なお、制御装置１５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の総電圧ＶＦＣや、燃料電池スタック１１から出力される電流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。
【００４７】
本実施の形態による電源システム１０は上記構成を備えており、次に、この電源システム１０の動作について説明する。
【００４８】
先ず、例えば図９に示すステップＳ０１においては、電源システム１０から電力が供給される負荷において要求される総消費電力を取得する。
次に、ステップＳ０２においては、例えば図２に示す燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の電流電圧特性での各領域Ａ，Ｂにおける電源システム１０の運転可否を判定する。
次に、ステップＳ０３においては、各領域Ａ，Ｂにおける電源システム１０の運転可否の判定結果を参照しつつ、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分を設定する。
次に、ステップＳ０４においては、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき、所定マップに対するマップ検索により目標電圧を設定する。
【００４９】
そして、ステップＳ０５においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１９に進む。
そして、ステップＳ０６においては、目標電圧が閾値ＶＨよりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ１１に進む。
【００５０】
そして、ステップＳ０７においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ０８においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５１】
そして、ステップＳ０９においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ１０においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５２】
また、ステップＳ１１においては、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の上限値ＵＴＨよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１２に進み、このステップＳ１２においては、目標電圧として閾値ＶＨを設定して、ステップＳ１１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
そして、ステップＳ１３においては、この時点で実行されているトランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを停止する。
そして、ステップＳ１４においては、目標電圧として閾値ＶＬを設定する。
【００５３】
そして、ステップＳ１５においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ１６においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５４】
そして、ステップＳ１７においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ１８においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５５】
また、ステップＳ１９においては、目標電圧が閾値ＶＬよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２０に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ２４に進む。
【００５６】
そして、ステップＳ２０においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ２１においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５７】
そして、ステップＳ２２においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ２３においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５８】
また、ステップＳ２４においては、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の下限値ＬＴＨよりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２５に進み、このステップＳ２５においては、目標電圧として閾値ＶＬを設定して、ステップＳ２４の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２６に進む。
そして、ステップＳ２６においては、この時点で実行されているトランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを停止する。
そして、ステップＳ２７においては、目標電圧として閾値ＶＨを設定する。
【００５９】
そして、ステップＳ２８においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ２９においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００６０】
そして、ステップＳ３０においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ３１においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００６１】
上述したように、本発明の実施形態による電源システム１０によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能とする。
これにより、電動車両での負荷において要求される総消費電力に対する燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作によって、適正に制御することができる制御範囲（例えば、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との制御電圧範囲、蓄電装置１２の制御残容量範囲など）を拡大することができる。そして、この制御範囲の拡大に伴い、燃料電池スタック１１の運転効率を向上させることができる。
【００６２】
さらに、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）が総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも大きい場合および小さい場合の両方の電圧状態において、蓄電装置１２の放電および充電を行なうことができ、蓄電装置１２の制御電圧範囲を拡大することができることに伴い、蓄電装置１２の制御残容量範囲を拡大することができる。そして、この制御残容量範囲の拡大に伴い、燃料電池スタック１１の出力変動を抑制し、燃料電池スタック１１の劣化を抑制することができる。
【００６３】
さらに、電動車両での負荷において要求される総消費電力の増大に伴い、燃料電池スタック１１の出力電力を増大させることで、燃料電池スタック１１から出力される電流ＩＦＣが増大し、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣ（燃料電池）が低下する場合であっても、蓄電装置１２の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００６４】
さらに、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）と、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）とにおいて、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされるトランジスタが異なることにより、蓄電装置１２の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００６５】
なお、上述した実施の形態において、蓄電装置１２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の内部に接続されるとしたが、これに限定されず、例えば蓄電装置１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の１次側において、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に並列に接続されてもよい。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、単に、総電圧ＶＦＣと総電圧ＶＢとの間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態（動作モード）で動作可能であればよく、例えば上述した実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１３においてトランジスタＳ１とトランジスタＳ３との接続は省略されてもよい。
【００６６】
なお、上述した実施の形態においては、燃料電池スタック１１の代わりに他の発電装置を備えてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 電動車両の電源システム
１１ 燃料電池スタック
１２ 蓄電装置
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ 制御装置
２２ リアクトル
４１ 駆動モータ制御部
４２ 消費電力算出部
４３ 目標電力配分設定部
４４ 目標電圧設定部
４５ デューティー制御部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動車両の電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばＤＣ−ＤＣコンバータの２次側に燃料電池および走行用モータが接続され、かつ１次側に燃料電池の出力電圧よりも低電圧で動作する蓄電装置が接続され、このＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作によって蓄電装置から走行用モータへと電力供給を行ない、またＤＣ−ＤＣコンバータの降圧動作によって燃料電池および走行用モータから蓄電装置へと電力供給を行なう燃料電池車両が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８６３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池車両においては、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作および降圧動作は、燃料電池の出力電圧が蓄電装置の動作電圧よりも高い状態を前提として実行される。このため、例えば燃料電池の出力電流の増大に伴う出力電圧の低下によって燃料電池の出力電圧が蓄電装置の動作電圧と等しくなると、ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧動作および降圧動作に係るスイッチング動作は停止され、ＤＣ−ＤＣコンバータは常時導通の状態となる。この場合、燃料電池と蓄電装置とは、いわば短絡状態となり、燃料電池車両での要求出力に対する燃料電池の出力と蓄電装置の出力との配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作によって、適正に制御することができないという問題が生じる。しかも、燃料電池の出力変動を抑制することが困難となり、燃料電池の運転効率を向上させることができないという問題が生じる。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電動車両での要求出力に対する発電装置の出力と蓄電装置の出力との配分を適正に制御することが可能な蓄電装置の動作電圧範囲を拡大し、燃料電池の出力変動を抑制する制御の実行を可能とし、燃料電池の運転効率を向上させることが可能な電動車両の電源システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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態様に係る電動車両の電源システムは、モータ駆動装置（実施の形態でのＰＤＵ１６）と、燃料電池（実施の形態での燃料電池スタック１１）と、蓄電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、前記モータ駆動装置および前記燃料電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側入出力部に接続され、前記蓄電装置は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの１次側入出力部あるいは前記ＤＣ−ＤＣコンバータの内部に接続され、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の総電圧と前記蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、前記蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、電流の変化に応じた前記総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、前記燃料電池の前記電流電圧特性と前記蓄電装置の前記電流電圧特性とは交差するように設定されている。
【０００７】
さらに、本発明の第２態様に係る電動車両の電源システムでは、総要求電力に対する前記燃料電池の出力電力と前記蓄電装置の出力電力との間の配分に対し、前記総要求電力が連続的に大きいときは前記総要求電力が連続的に小さいときに比べて、前記燃料電池の前記出力電力の前記配分は大きくされ、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作は、前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小に応じて制御される。
【０００８】
さらに、本発明の第３態様に係る電動車両の電源システムでは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子はスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、
前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小による２つの前記電圧状態において、前記スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされる前記スイッチング素子が異なる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１態様に係る電動車両の電源システムによれば、ＤＣ−ＤＣコンバータは、燃料電池の総電圧と蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能となる。
これにより、電動車両での要求出力に対する燃料電池の出力と蓄電装置の出力との配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作によって、適正に制御することができる制御範囲（例えば、燃料電池および蓄電装置の制御電圧範囲、蓄電装置の制御残容量範囲など）を拡大することができる。そして、この制御範囲の拡大に伴い、燃料電池の運転効率を向上させることができる。
さらに、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも大きい場合および小さい場合の両方の電圧状態において、蓄電装置の放電および充電を行なうことができ、蓄電装置の制御電圧範囲を拡大することができることに伴い、蓄電装置の制御残容量範囲を拡大することができる。そして、この制御残容量範囲の拡大に伴い、燃料電池の出力変動を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１０】
本発明の第２態様に係る電動車両の電源システムによれば、電動車両での総要求電力の増大に伴い、燃料電池の出力電力を増大させることで、燃料電池の出力電流が増大し、燃料電池の出力電圧が低下する場合であっても、蓄電装置の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００１１】
本発明の第３態様に係る電動車両の電源システムによれば、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも大きいときと、燃料電池の総電圧が蓄電装置の総電圧よりも小さいときとにおいて、異なるスイッチング素子がスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされることにより、蓄電装置の放電および充電を適正に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電動車両の電源システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの総電圧ＶＦＣおよび蓄電装置の総電圧ＶＢの変化と電流の変化との対応の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子の状態と電圧および電流との対応の例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子の状態と電圧および電流との対応の例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作と燃料電池スタックおよび蓄電装置の総電圧および出力との対応の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの総電圧ＶＦＣおよび蓄電装置の総電圧ＶＢの変化の例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る電動車両の電源システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る電動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動車両の電源システム１０（以下、単に、電源システム１０と呼ぶ）は、例えば燃料電池車両に搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、バッテリなどからなる蓄電装置１２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、平滑コンデンサ１４と、制御装置１５を備えて構成されている。そして、電源システム１０は、車両の走行駆動用のモータＭを駆動制御するパワードライブユニット（ＰＤＵ）１６に接続されている。
【００１４】
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。
【００１５】
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（図示略）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。
【００１６】
蓄電装置１２は、例えば、複数のバッテリセルからなるバッテリである。
なお、蓄電装置１２はバッテリに限定されず、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であってもよい。
【００１７】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、例えば、ブリッジ接続された第１および第２ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃと第１および第２ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄと、リアクトル２２を備えて構成されている。
各アーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、例えばスイッチング素子としてＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar mode Transistor）を備え、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４と、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のコレクタ−エミッタ間に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接続された各ダイオードＤ２，Ｄ１，Ｄ４，Ｄ３とを備えている。
【００１８】
各ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃは各トランジスタＳ１，Ｓ３のコレクタが第１電力ラインＬ１に接続され、各ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄは各トランジスタＳ２，Ｓ４のエミッタが第２電力ラインＬ２に接続されている。
そして、各ハイサイドアーム２１ａ，２１ｃの各トランジスタＳ１，Ｓ３のエミッタは各ローサイドアーム２１ｂ，２１ｄの各トランジスタＳ２，Ｓ４のコレクタに接続されている。つまり、直列に接続された第１ハイサイドアーム２１ａおよび第１ローサイドアーム２１ｂと、直列に接続された第２ハイサイドアーム２１ｃおよび第２ローサイドアーム２１ｄとは、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に並列に接続されている。
そして、直列に接続された第１ハイサイドアーム２１ａおよび第１ローサイドアーム２１ｂの接続点Ｐ１２と直列に接続された第２ハイサイドアーム２１ｃおよび第２ローサイドアーム２１ｄの接続点Ｐ３４との間には、直列に接続されたリアクトル２２および蓄電装置１２が接続されている。
さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側において、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間には、平滑コンデンサ１４と、第２電力ラインＬ２から第１電力ラインＬ１に向けて順方向となるようにして直列に接続されたダイオードＤＦＣおよび燃料電池スタック１１と、ＰＤＵ１６とが、並列に接続されている。
つまり、ＰＤＵ１６および燃料電池スタック１１はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の２次側入出力部に接続され、蓄電装置１２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の内部に接続されている。
【００１９】
このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、制御装置１５から出力されて各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４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）によって駆動される。
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣ（つまり、各燃料電池セルの出力電圧の総和）と蓄電装置１２の総電圧ＶＢ（つまり、各バッテリセルの出力電圧の総和）との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態（動作モード）で動作可能とされている。
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢとが等しくなる状態では、スイッチング動作を停止し、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との間を導通状態とすることも可能である。
【００２０】
例えば図２に示すように、燃料電池スタック１１では、出力される電流ＩＦＣの増大に伴い総電圧ＶＦＣが低下傾向に変化する。これに対して、蓄電装置１２では、放電および充電で流れる電流ＩＢの変化に対して総電圧ＶＢの変動は僅かである。このため、電流の変化に応じて、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態と、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態との、２つの電圧状態が生じ、これらの２つの電圧状態毎に対して、蓄電装置１２の放電と充電との２つの電流状態が生じる。
【００２１】
例えば図３（Ａ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において燃料電池スタック１１から充電を行なう蓄電装置１２への降圧動作では、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ１のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ１，Ｓ２が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２２】
この場合には、例えば図４（Ａ）に示すように、先ず、トランジスタＳ１がオンとされることで燃料電池スタック１１からトランジスタＳ１に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ１がオフとされ、リアクトル２２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リアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが第１ローサイドアーム２１ｂのダイオードＤ１から蓄電装置１２へと流れて蓄電装置１２が充電される。
【００２３】
また、例えば図３（Ｂ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において放電を行なう蓄電装置１２から燃料電池スタック１１への昇圧動作では、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ２のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ１，Ｓ２が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２４】
この場合には、例えば図４（Ｂ）に示すように、先ず、トランジスタＳ２がオンとされることで蓄電装置１２から放電されて、順次、トランジスタＳ２、トランジスタＳ４に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ２がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが第１ハイサイドアーム２１ａのダイオードＤ２を流れて放電される。
【００２５】
また、例えば図５（Ａ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において放電を行なう蓄電装置１２から燃料電池スタック１１への降圧動作では、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ３のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ３，Ｓ４が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２６】
この場合には、例えば図６（Ａ）に示すように、先ず、トランジスタＳ３がオンとされることで蓄電装置１２から放電されて、順次、第１ハイサイドアーム２１ａのダイオードＤ２、トランジスタＳ３に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ３がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが、第２ローサイドアーム２１ｄのダイオードＤ３を流れるようにして、放電される。
【００２７】
また、例えば図５（Ｂ）に示すように、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において燃料電池スタック１１から充電を行なう蓄電装置１２への昇圧動作では、第１ハイサイドアーム２１ａのトランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、第１ローサイドアーム２１ｂのトランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とされる。
そして、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４は、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号のスイッチングデューティー（例えば、ＰＷＭ信号の１周期におけるトランジスタＳ４のオン期間ＴＯＮの比率）に応じてオン／オフが切り換えられる。
なお、第２ハイサイドアーム２１ｃのトランジスタＳ３は、常時ＯＦＦ（開放状態）、または、第２ローサイドアーム２１ｄのトランジスタＳ４との同期スイッチング（つまり、トランジスタＳ３，Ｓ４が交互にオンとされる状態）とされる。
【００２８】
この場合には、例えば図６（Ｂ）に示すように、先ず、トランジスタＳ４がオンとされることで、順次、リアクトル２２、蓄電装置１２、トランジスタＳ４に流れる電流Ｉｒによってリアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
次に、トランジスタＳ４がオフとされると、リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる電流Ｉｄが、第２ハイサイドアーム２１ｃのダイオードＤ４を流れるようにして、蓄電装置１２が充電される。
【００２９】
ＰＤＵ１６は、例えば３相のモータＭの駆動回路としてパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータなどを備え、制御装置１５から出力されるＰＷＭ信号に応じて、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の直流電力を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３相電流を通電する。一方、例えばモータＭの回生時には、モータＭから出力される３相交流電力を直流電力に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ１３に供給し、蓄電装置１２の充電およびＤＣ−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、モータＭ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、ＰＤＵ１６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モータＭに駆動力が伝達されると、モータＭ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。
【００３０】
制御装置１５は、ＤＣ−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、ＰＤＵ１６の電力変換動作を制御する。
そして、制御装置１５には、例えば、燃料電池スタック１１から出力される電流ＩＦＣを検出する出力電流センサ３１と、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣを検出する電圧センサ３２と、蓄電装置１２の放電および充電で流れる電流ＩＢを検出する電流センサ３３と、蓄電装置１２の総電圧ＶＢを検出する電圧センサ３４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。
【００３１】
制御装置１５は、例えば図１に示すように、駆動モータ制御部４１と、消費電力算出部４２と、目標電力配分設定部４３と、目標電圧設定部４４と、デューティー制御部４５とを備えて構成されている。
【００３２】
駆動モータ制御部４１は、例えばモータＭ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モータＭ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相の各相出力電圧を算出し、各相出力電圧に応じてＰＤＵ１６へＰＷＭ信号を入力すると共に、実際にＰＤＵ１６からモータＭに供給される各相電流の検出値を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。
【００３３】
また、駆動モータ制御部４１は、例えばモータＭの回生時においては、モータＭ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（ゲート信号）に応じてＰＤＵ１６のＰＷＭインバータを駆動し、モータＭ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４１は、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ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に出力する。
【００３４】
消費電力算出部４２は、電源システム１０から電力が供給される負荷（例えば、モータＭ、空調機器、車両用補機、エアポンプインバータなど）において要求される総消費電力を算出する。
【００３５】
目標電力配分設定部４３は、例えばモータＭ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、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣとなどに基づき、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分、つまり消費電力算出部４２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蓄電装置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。
【００３６】
なお、例えばモータＭの駆動時における電力配分は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーに応じた値となり、さらに、スイッチングデューティーは燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢに応じた値となる。
さらに、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣと蓄電装置１２の総電圧ＶＢとは、それぞれ燃料電池スタック１１の電流ＩＦＣおよび電力と蓄電装置１２の電流ＩＢおよび電力と所定の対応関係を有する。
これらにより、スイッチングデューティーに応じた電力配分によって、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）と蓄電装置１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との対応関係が記述される。
【００３７】
目標電圧設定部４４は、例えば、燃料電池スタック１１の動作点と、蓄電装置１２の動作点と、目標電力配分設定部４３により設定された電力配分と、消費電力算出部４２により算出された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の総電圧ＶＦＣに対する目標電圧を取得する。
つまり、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）と蓄電装置１２の動作点（例えば、電圧または電流または電力）との所定の対応関係は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティーに応じた電力配分によって記述される。このため、電力配分および総消費電力に対応する燃料電池スタック１１の動作点から総電圧ＶＦＣに対する目標電圧を取得することによって、これらの電力配分および総消費電力に蓄電装置１２の動作点を対応させることができる。
【００３８】
デューティー制御部４５は、燃料電池スタック１１と蓄電装置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４３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、例えば電圧センサ３２から出力される燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣの検出値が目標電圧設定部４４から出力される目標電圧に一致するようにして、ＤＣ−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４５は、例えば、電圧偏差算出部５１と、フィードバック処理部５２と、ＰＷＭ信号生成部５３とを備えて構成されている。
【００３９】
電圧偏差算出部５１は、電圧センサ３２から出力される燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣの検出値と、目標電圧設定部４４から出力される目標電圧との電圧偏差を算出して出力する。
フィードバック処理部５２は、例えばＰＩＤ（比例積分微分）動作により、電圧偏差算出部５１から出力される電圧偏差に応じて電圧指令値を算出する。
【００４０】
ＰＷＭ信号生成部５３は、フィードバック処理部５２から出力される電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を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。
【００４１】
例えば図７に示すように、目標電力配分設定部４３は、燃料電池スタック１１の出力をほぼ一定に維持しつつ、車両の加速および減速に伴う総消費電力の急激な増減には、蓄電装置１２の充電および放電による出力の変化で対応するようにして、燃料電池スタック１１と蓄電装置との電力配分を設定する。
このため、デューティー制御部４５は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態と総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態との２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態でＤＣ−ＤＣコンバータ１３を動作させるようにして、各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４をオン／オフ駆動させるＰＷＭ信号を出力する。
これにより、例えば図２に示すように、電流の変化に応じた各総電圧ＶＦＣ（燃料電池），ＶＢ（蓄電装置）の変化を示す電流電圧特性に対し、燃料電池スタック１１の電流電圧特性と蓄電装置１２の電流電圧特性とは交差するように設定される。そして、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）となる領域Ａと、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）となる領域Ｂとの、両方においてＤＣ−ＤＣコンバータ１３による電圧変換が行なわれる。
なお、目標電力配分設定部４３は、負荷の総消費電力が連続的に大きいときは総消費電力が連続的に小さいときに比べて、燃料電池スタック１１の電力配分を大きくする。
【００４２】
例えば図７に示す時刻ｔ０から時刻ｔ２の期間での総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において、蓄電装置１２の充電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ１のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。また、蓄電装置１２の放電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ２のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。
また、例えば図７に示す時刻ｔ２以降の期間での総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態において、蓄電装置１２の放電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ３のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。また、蓄電装置１２の充電時にはオン／オフ駆動されるトランジスタＳ４のオン期間ＴＯＮがスイッチングデューティーにより制御されることで、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との電圧差に応じた電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１３から出力される。
【００４３】
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の４つの各動作モードにおいて、２つの対をなすトランジスタＳ１，Ｓ２およびトランジスタＳ３，Ｓ４の同期スイッチングが行なわれる場合には、対をなすトランジスタ間でのオン／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ＴＤが設けられている。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の各トランジスタＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のうち、少なくとも１つのトランジスタはスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との間の相対的な大小による２つの電圧状態において、スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされるトランジスタが異なる。
例えば総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態においては、トランジスタＳ４が、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされる。一方、例えば総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の電圧状態においては、トランジスタＳ２が、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされる。
【００４４】
また、目標電圧設定部４４は、例えば図７に示す時刻ｔ１から時刻ｔ３の期間のように、２つの電圧状態間の遷移時に総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）とが等しくなることを禁止する。
例えば図８（Ａ）に示すように、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき所定マップから取得した目標電圧が、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ大きい閾値ＶＨよりも小さくなるときに、目標電圧を総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも小さい電圧値（例えば、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ小さい閾値ＶＬなど）とする。このとき、目標電圧を低下させたことに起因する燃料電池スタック１１の出力電力の増大分は、蓄電装置１２に充電されることになる。
なお、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、所定マップから取得した目標電圧が閾値ＶＨよりも小さくなるときに、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の上限値ＵＴＨよりも大きい場合には、蓄電装置１２の充電を防止するために目標電圧を閾値ＶＨとする。
【００４５】
また、例えば図８（Ｂ）に示すように、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき所定マップから取得した目標電圧が、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ小さい閾値ＶＬよりも大きくなるときに、目標電圧を総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも大きい電圧値（例えば、総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも所定値（例えば、５Ｖなど）だけ大きい閾値ＶＨなど）とする。このとき、目標電圧を増大させたことに起因する燃料電池スタック１１の出力電力の低下分は、蓄電装置１２から放電されることになる。
なお、目標電圧設定部４４は、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）の状態で、所定マップから取得した目標電圧が閾値ＶＬよりも大きくなるときに、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の下限値ＬＴＨよりも小さい場合には、蓄電装置１２の放電を防止するために目標電圧を閾値ＶＬとする。
【００４６】
なお、制御装置１５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の総電圧ＶＦＣや、燃料電池スタック１１から出力される電流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。
【００４７】
本実施の形態による電源システム１０は上記構成を備えており、次に、この電源システム１０の動作について説明する。
【００４８】
先ず、例えば図９に示すステップＳ０１においては、電源システム１０から電力が供給される負荷において要求される総消費電力を取得する。
次に、ステップＳ０２においては、例えば図２に示す燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の電流電圧特性での各領域Ａ，Ｂにおける電源システム１０の運転可否を判定する。
次に、ステップＳ０３においては、各領域Ａ，Ｂにおける電源システム１０の運転可否の判定結果を参照しつつ、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分を設定する。
次に、ステップＳ０４においては、燃料電池スタック１１および蓄電装置１２の各動作点と電力配分と負荷の総消費電力とに基づき、所定マップに対するマップ検索により目標電圧を設定する。
【００４９】
そして、ステップＳ０５においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０６に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１９に進む。
そして、ステップＳ０６においては、目標電圧が閾値ＶＨよりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０７に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ１１に進む。
【００５０】
そして、ステップＳ０７においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ０８においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５１】
そして、ステップＳ０９においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ１０においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５２】
また、ステップＳ１１においては、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の上限値ＵＴＨよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１２に進み、このステップＳ１２においては、目標電圧として閾値ＶＨを設定して、ステップＳ１１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
そして、ステップＳ１３においては、この時点で実行されているトランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを停止する。
そして、ステップＳ１４においては、目標電圧として閾値ＶＬを設定する。
【００５３】
そして、ステップＳ１５においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ１６においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５４】
そして、ステップＳ１７においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ１８においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５５】
また、ステップＳ１９においては、目標電圧が閾値ＶＬよりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２０に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、後述するステップＳ２４に進む。
【００５６】
そして、ステップＳ２０においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ２１においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００５７】
そして、ステップＳ２２においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ１は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ２は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ２３においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００５８】
また、ステップＳ２４においては、蓄電装置１２の残容量ＳＯＣが所定の下限値ＬＴＨよりも小さいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２５に進み、このステップＳ２５においては、目標電圧として閾値ＶＬを設定して、ステップＳ２４の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２６に進む。
そして、ステップＳ２６においては、この時点で実行されているトランジスタＳ３とトランジスタＳ４との同期スイッチングを停止する。
そして、ステップＳ２７においては、目標電圧として閾値ＶＨを設定する。
【００５９】
そして、ステップＳ２８においては、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）の検出値と目標電圧との電圧偏差に応じたフィードバック演算により電圧指令値を算出する。
そして、ステップＳ２９においては、電圧指令値に応じた総電圧ＶＦＣを燃料電池スタック１１から出力するためにＤＣ−ＤＣコンバータ１３を駆動させるゲート信号（ＰＷＭ信号）を生成する。
【００６０】
そして、ステップＳ３０においては、ＰＷＭ信号に応じて、トランジスタＳ３は常時ＯＦＦ（開放状態）、かつ、トランジスタＳ４は常時ＯＮ（導通状態）とする。
そして、ステップＳ３１においては、ＰＷＭ信号のスイッチングデューティーに応じて、トランジスタＳ１とトランジスタＳ２との同期スイッチングを開始し、リターンに進む。
【００６１】
上述したように、本発明の実施形態による電源システム１０によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）と総電圧ＶＢ（蓄電装置）との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能とする。
これにより、電動車両での負荷において要求される総消費電力に対する燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との電力配分を、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング動作によって、適正に制御することができる制御範囲（例えば、燃料電池スタック１１と蓄電装置１２との制御電圧範囲、蓄電装置１２の制御残容量範囲など）を拡大することができる。そして、この制御範囲の拡大に伴い、燃料電池スタック１１の運転効率を向上させることができる。
【００６２】
さらに、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）が総電圧ＶＢ（蓄電装置）よりも大きい場合および小さい場合の両方の電圧状態において、蓄電装置１２の放電および充電を行なうことができ、蓄電装置１２の制御電圧範囲を拡大することができることに伴い、蓄電装置１２の制御残容量範囲を拡大することができる。そして、この制御残容量範囲の拡大に伴い、燃料電池スタック１１の出力変動を抑制し、燃料電池スタック１１の劣化を抑制することができる。
【００６３】
さらに、電動車両での負荷において要求される総消費電力の増大に伴い、燃料電池スタック１１の出力電力を増大させることで、燃料電池スタック１１から出力される電流ＩＦＣが増大し、燃料電池スタック１１の総電圧ＶＦＣ（燃料電池）が低下する場合であっても、蓄電装置１２の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００６４】
さらに、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＞総電圧ＶＢ（蓄電装置）と、総電圧ＶＦＣ（燃料電池）＜総電圧ＶＢ（蓄電装置）とにおいて、蓄電装置１２の充電時のスイッチング周期と放電時のスイッチング周期とを跨いで連続的にオンとされるトランジスタが異なることにより、蓄電装置１２の放電および充電を適正に行なうことができる。
【００６５】
なお、上述した実施の形態において、蓄電装置１２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３の内部に接続されるとしたが、これに限定されず、例えば蓄電装置１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の１次側において、第１電力ラインＬ１と第２電力ラインＬ２との間に並列に接続されてもよい。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、単に、総電圧ＶＦＣと総電圧ＶＢとの間の相対的な大小による２つの電圧状態と、蓄電装置１２の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態（動作モード）で動作可能であればよく、例えば上述した実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１３においてトランジスタＳ１とトランジスタＳ３との接続は省略されてもよい。
【００６６】
なお、上述した実施の形態においては、燃料電池スタック１１の代わりに他の発電装置を備えてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１０ 電動車両の電源システム
１１ 燃料電池スタック
１２ 蓄電装置
１３ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１５ 制御装置
２２ リアクトル
４１ 駆動モータ制御部
４２ 消費電力算出部
４３ 目標電力配分設定部
４４ 目標電圧設定部
４５ デューティー制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動装置と、燃料電池と、蓄電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
前記モータ駆動装置および前記燃料電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側入出力部に接続され、
前記蓄電装置は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの１次側入出力部あるいは前記ＤＣ−ＤＣコンバータの内部に接続され、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の総電圧と前記蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、前記蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、
電流の変化に応じた前記総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、前記燃料電池の前記電流電圧特性と前記蓄電装置の前記電流電圧特性とは交差するように設定されていることを特徴とする電動車両の電源システム。
【請求項２】
総要求電力に対する前記燃料電池の出力電力と前記蓄電装置の出力電力との間の配分に対し、前記総要求電力が連続的に大きいときは前記総要求電力が連続的に小さいときに比べて、前記燃料電池の前記出力電力の前記配分は大きくされ、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作は、前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小に応じて制御されることを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電源システム。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子はスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、
前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小による２つの前記電圧状態において、前記スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされる前記スイッチング素子が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動車両の電源システム。
【請求項１】
モータ駆動装置と、燃料電池と、蓄電装置と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
前記モータ駆動装置および前記燃料電池は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側入出力部に接続され、
前記蓄電装置は前記ＤＣ−ＤＣコンバータの１次側入出力部あるいは前記ＤＣ−ＤＣコンバータの内部に接続され、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記燃料電池の総電圧と前記蓄電装置の総電圧との間の相対的な大小による２つの電圧状態と、前記蓄電装置の放電および充電の２つの電流状態との組み合わせによる４つの状態で動作可能であって、
電流の変化に応じた前記総電圧の変化を示す電流電圧特性に対し、前記燃料電池の前記電流電圧特性と前記蓄電装置の前記電流電圧特性とは交差するように設定されていることを特徴とする電動車両の電源システム。
【請求項２】
総要求電力に対する前記燃料電池の出力電力と前記蓄電装置の出力電力との間の配分に対し、前記総要求電力が連続的に大きいときは前記総要求電力が連続的に小さいときに比べて、前記燃料電池の前記出力電力の前記配分は大きくされ、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング動作は、前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小に応じて制御されることを特徴とする請求項１に記載の電動車両の電源システム。
【請求項３】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のうち、少なくとも１つのスイッチング素子はスイッチング周期を跨いで連続的にオンとされ、
前記燃料電池の前記総電圧と前記蓄電装置の前記総電圧との間の相対的な大小による２つの前記電圧状態において、前記スイッチング周期を跨いで連続的にオンとされる前記スイッチング素子が異なることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動車両の電源システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−１８７４４９（Ｐ２０１０−１８７４４９Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９０９７（Ｐ２００９−２９０９７）
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【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２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１０日（２００９．２．１０）
【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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