２次電池を有する燃料電池システム
本発明は、負荷に電力を供給するための電源システムである。本電源システムは、負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、第１と第２の電源配線の間に燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、２次電源システムとスイッチとを制御するための制御部とを備える。この制御部は、燃料電池を第１の電源配線に接続する際に、２次電源システムを制御して、２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、燃料電池と２次電池とを備える電源システムに関する。
【背景技術】
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。通常は、燃料電池単体では負荷変動に対処するのが困難な場合があるので、燃料電池と２次電池とを組み合わせたハイブリッド電源システムが提案されている。ハイブリッド電源システムでは、燃料電池の不調時や起動時といった特定の状態においては、燃料電池の出力を停止して２次電池からの電力のみで電力を供給することが望まれている。
しかし、ハイブリッド電源システムの内部で燃料電池をシステムから切り離すためには大きな容量のスイッチが必要であった。さらに、燃料電池をシステムに接続する際において、燃料電池から過大な電流が流れる可能性があるという問題も生じていた。
【発明の開示】
本発明は、この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と２次電池とを組み合わせた電源システムにおいて、２次電池のみで電力を供給する作動モードを実現する技術を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、負荷に電力を供給するための電源システムであって、前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、前記２次電源システムと前記スイッチとを制御するための制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする。
本発明の第１の態様の電源システムによれば、燃料電池を電源配線に接続する際に、燃料電池と並列に接続された２次電源システムの両端電圧を上昇させるので、燃料電池を電源システムに接続する際に発生し得る燃料電池から過大な電流を抑制することができる。
上記電源システムにおいて、さらに、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間に接続された逆流防止デバイスを備え、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さの第１の電圧に上昇させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池を電源システムに接続する際に燃料電池から流れる電流をゼロにすることができるので、接続後に２次電源システムの両端電圧を徐々に下げることにより、燃料電池からの出力電流を緩やかに大きくすることができる。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続した後に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い第２の電圧に下降させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が接続された後に、燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成された２次電源システムや燃料電池を効率的に運転することができる。２次電源システムが燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成されているのは、燃料電池が接続されているときには燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で作動することを想定して２次電源システムが設計されているからである。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧に下降させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときには、燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成された２次電源システムを効率的に運転することができる。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始するようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときには、２次電源システムが有するＤＣ−ＤＣコンバータを効率的に運転することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は、出力電圧が燃料電池の開放時の両端電圧よりも入力電圧に近いほうが効率が良いからである。なお、本明細書では、「充電可能な２次電池」は、バッテリだけでなくキャパシタをも含む広い意味を有する。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始するようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときに、２次電源システムが有するＤＣ−ＤＣコンバータを最も効率的に運転することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は、出力電圧が入力電圧に近づくほど効率が良くなるからである。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池が所定の大きさの電力を供給できない状態にあるときに、前記第１の電源配線から前記燃料電池を切り離すように構成しても良い。
本発明の第２の態様は、負荷に電力を供給するための電源システムであって、前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池とを有する燃料電池システムと、前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記２次電源システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして前記燃料電池の出力を停止する特定の制御モードを有することを特徴とする。
本発明の第２の態様の電源システムは、２次電源システムの両端電圧を燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして燃料電池の出力を停止させる特定の制御モードを有するので、スイッチを介することなく燃料電池をハイブリッド電源システムに装備することができる。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方を含む特定の状態に前記燃料電池がある場合に、前記特定の制御モードで制御を行うようにしても良い。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記２次電池は、所定の電力を出力しているときの両端電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されており、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記２次電池と前記燃料電池とを短絡させる作動モードである短絡モードを有し、前記特定の制御モードは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを前記短絡モードとする制御モードであるようにしても良い。
こうすれば、２次電池の出力電圧が燃料電池や負荷に直接印加されるので、燃料電池の出力を停止するとともにスイッチング損失を回避して燃料電池の出力停止時における電源システムの高効率化を図ることができる。短絡モードは、たとえば２次電池と燃料電池や負荷との間に短絡用のスイッチを設けることによって実現することができる。
上記電源システムにおいて、前記２次電池は、第１電源電極と第２電源電極とを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１負荷電極と、第２負荷電極と、第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、を備え、前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、前記前記短絡モードは、前記制御部が、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記接続制御スイッチと前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開く作動モードであるようにしても良い。
こうすれば、短絡用のスイッチを省略して簡易に信頼性の高いシステムを実現することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ハイブリッド電源システムおよびその制御装置や制御方法、それらのシステムを備える移動体（たとえば燃料電池自動車）およびその制御方法、それらのシステムまたは方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、および電力供給方法等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。
図２は、２次電源システム２０とＦＣシステム３０とがモータ駆動回路４０に電力を供給する様子を示すブロック図である。
図３は、２次電源システム２０の出力電圧の制御によって分担比率が変動する様子を示す説明図である。
図４は、本発明の第１実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１と２次電池２３とを有する２次電源システム２０の構成を示す説明図である。
図５は、本発明の第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１における入出力電圧比と変換効率との間の関係を示す説明図である。
図６は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動の様子を示すタイムチャートである。
図７は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの制御内容を示すフローチャートである。
図８は、ステップＳ１２０で行われるＦＣシステム接続制御の内容を示すフローチャートである。
図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧指令のロジックを示すフローチャートである。
図１０は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。
図１１は、本発明の第２実施例の２次電源システム２０ａの構成を示す説明図である。
図１２は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システム１００ａの制御内容を示すフローチャートである。
図１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御指令のロジックを示すフローチャートである。
図１４は、通常制御モードにおいて電力供給時に制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。
図１５は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動状態を示す説明図である。
図１６は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける作動の様子を示す説明図である。
図１７は、短絡モードにおけるハイブリッド電源システム１００ａの作動状態を示す説明図である。
図１８は、駆動回路の要求電力の指令内容を決定するための処理の一例を示すフローチャートである。
図１９は、２次電池２３ａの定電力放電曲線を表すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｂ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ｃ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｄ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ａ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両システム」と呼ぶ）は、ハイブリッド電源システム１００と、車輪を含む負荷２００と、制御部３００と、を備えている。ハイブリッド電源システム１００は、２本の電源配線１２，１４の間に互いに並列に接続された２次電源システム２０と燃料電池システム３０（「ＦＣシステム」とも呼ぶ）とを有している。２次電源システム２０と燃料電池システム３０には、両端電圧を測定するための電圧計２２，３６がそれぞれ設けられている。また、燃料電池システム３０と、第１の電源配線１２との間には、ＦＣスイッチ３２と、逆流防止用ダイオードＤ１とが直列に接続されている。
電源配線１２，１４は、負荷２００のモータ駆動回路４０に接続されている。モータ駆動回路４０は、モータ４２を駆動するための回路であり、例えばトランジスタインバータで構成されている。モータ４２で発生した動力は、ギヤ機構４４を介して車輪駆動軸４６に伝達される。
制御部３００は、ＦＣシステム３０と、ＦＣスイッチ３２と、モータ駆動回路４０とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部３００の各種の制御動作は、制御部３００に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部３００が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
モータ駆動回路４０は、ハイブリッド電源システム１００から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ４２に供給する。供給される三相交流電力の大きさは、図示しないアクセルからの入力に応じて制御部３００が制御するモータ駆動回路４０によって決定される。このように、モータ４２に供給される三相交流電力の大きさがハイブリッド電源システム１００の出力電圧には依存しないように車両システムが構成されている。
図２は、２次電源システム２０とＦＣシステム３０とがモータ駆動回路４０に電力を供給する様子を示すブロック図である。図２（ａ）は、モータ駆動回路４０の要求電力がＦＣシステム３０の出力電力であるＦＣ電力よりも大きい場合を、図２（ｂ）は、モータ駆動回路４０の要求電力がＦＣ電力よりも小さい場合を示している。
モータ駆動回路４０の駆動回路要求電力がＦＣ電力よりも大きい場合には、ＦＣシステム３０とともに２次電源システム２０も同時にモータ駆動回路４０に電力を供給する（図２（ａ））。たとえば図示しないアクセルが踏み込まれて瞬間的に駆動回路要求電力が大きくなったときに、２次電源システム２０とＦＣシステム３０の双方が電力を供給することになる。
モータ駆動回路４０の駆動回路要求電力がＦＣ電力よりも小さい場合には、ＦＣ電力のうちの余剰電力が２次電源システム２０に供給され、後述する２次電池に充電される（図２（ｂ））。たとえばアイドリング中に駆動回路要求電力が小さくなったときには、ＦＣシステム３０は、モータ駆動回路４０と２次電源システム２０の双方に電力を供給することになる。
なお、モータ４２の回生制動によってモータ駆動回路４０から電力が供給されるときには、２次電源システム２０のみにその電力が供給される。ＦＣシステム３０と電源配線１２との間には、ＦＣシステム３０の保護のための逆流防止用のダイオードＤ１が備えられているからである（図１）。
図３は、２次電源システム２０の出力電圧の調整によってＦＣシステム３０の出力が制御される様子を示す説明図である。図３（ａ）は、ＦＣシステム３０の出力電圧であるＦＣ電圧と出力電流であるＦＣ電流との間の関係を示している。図３（ａ）から分かるように、ＦＣ電圧が高くなるとＦＣ電流が小さくなり、ＦＣ電圧が低くなるとＦＣ電流が大きくなる関係にある。
具体的には、ＦＣ電圧がＶ０のときには、ＦＣ電流はＩ０であり、ＦＣ電力はＰ０である。ＦＣ電圧がＶ１に下降すると、ＦＣ電流はＩ１に、ＦＣ電力はＰ１にそれぞれ上昇する。しかし、Ｖ１からさらにＦＣ電圧が下降しても、ＦＣ電流の増加は飽和しつつあり、ＦＣ電流とＦＣ電圧の積であるＦＣ電力は逆に下降し始める。
なお、ハイブリッド電源システム１００は、ＦＣシステム３０を保護するためにＦＣ電圧が運用最小電圧Ｖｍｉｎ未満とならないように構成されている。この結果、ＦＣシステム３０は、開放電圧ＯＣＶと運用最小電圧Ｖｍｉｎの間の出力電圧で運用されることになる。
図３（ｂ）は、２次電源システム２０が並列に接続されたＦＣシステム３０（図１）の電力供給状態を示している。電力Ｐｔは、ある瞬間の駆動回路要求電力（図２）である。ＦＣ電力は、「−」のハッチングが施された領域として示してあり、２次電源電力は、「＋」のハッチングが施された領域として示してある。ＦＣ電力は、図３（ａ）に示されたものと同一である。
たとえば２次電源電圧がＶ０のときには、ＦＣ電力の値は駆動回路要求電力Ｐｔよりも小さいＰ０なので、２次電源システム２０は、駆動回路要求電力ＰｔとＰ０の差分（＝Ｐｔ−Ｐ０）の電力を供給することになる。一方、２次電源電圧がＶ１に下降すると、ＦＣ電力の値は駆動回路要求電力Ｐｔよりも大きいＰ１に上昇するので、ＦＣ電力のうちの余剰電力（＝Ｐ１−Ｐｔ）が２次電源システム２０に供給されることになる（図２（ｂ））。このように、ハイブリッド電源システム１００は、２次電源電圧（２次電源システム２０の出力電圧）を調整することによってＦＣ電力を制御可能であることが分かる。
これにより、たとえば後述する２次電池の充電状態に応じて、ＦＣシステム３０の出力を調整することができる。たとえば２次電池の充電量が少ない場合には、２次電源電圧を小さくすることが好ましい。こうすれば、ＦＣシステム３０の出力を大きくし、２次電池への充電の機会を多くすることができるからである。一方、２次電池の充電量が過大である場合には、２次電源電圧を大きくすることが好ましい。こうすれば、ＦＣシステム３０の出力を小さくし、２次電池の放電の機会を多くすることができるからである。
図４は、本発明の第１実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１と２次電池２３とを有する２次電源システム２０の構成を示す説明図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、２つのスイッチＱ１、Ｑ２と、トランスＴと、ダイオードＤ２と、コンデンサＣとを有している。２次電源システム２０は、２つのターミナルＴ１２、Ｔ１４に所定の範囲で任意の電圧の直流電力を出力することができる。
このＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、図４から分かるようにフライバック方式の双方向コンバータとして構成されている。この双方向コンバータは、２次電池２３から電力を供給することも、ＦＣシステム３０やモータ駆動回路４０からの電力を２次電池２３に充電することもできる。
２次電源システム２０による電力の供給は、制御部３００がスイッチＱ２を「オン」に固定して、スイッチＱ１をオンオフ動作させることによって行われる。スイッチＱ１をオンオフ動作させると、スイッチＱ１が「オン」となった瞬間にトランスＴの１次側巻き線（２次電池２３側）に磁気エネルギが蓄積され、スイッチＱ１が「オフ」となった瞬間に２次側巻き線（出力側）に起電力が発生する。２次電源システム２０の出力電圧は、スイッチＱ１のデューティ（オンオフ比）を変化させることによって制御可能である。一方、２次電池２３の充電は、制御部３００がスイッチＱ１を「ＯＮ」に固定して、スイッチＱ２をオンオフ動作させることによって行われる。
図５は、本発明の第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１における入出力電圧比と変換効率との間の関係を示す説明図である。入出力電圧比は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を入力電圧で除した値である。変換効率は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１出力電力を入力電力で除した値である。図５から分かるように、入出力電圧比が「１」のときに変換効率のピークがあるので、２次電源システム２０の出力電圧と２次電池２３の出力電圧とが等しくなる状態で運用される場合が多くなるようにハイブリッド電源システム１００を構成することが好ましい。
Ｂ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図６は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動の様子を示すタイムチャートである。図６は、一例としてのシーケンス、すなわち、（１）ＦＣシステム３０の起動、（２）ハイブリッド電源システムの通常運転、（３）ＦＣシステム３０の不調、（４）ハイブリッド電源システムの通常運転といったシーケンスにおけるハイブリッド電源システム１００の状態を示している。
ハイブリッド電源システム１００の状態としては、ＦＣスイッチ３２の動作状態、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１指令電圧、およびＦＣ電流がタイムチャートとして示されている。また、本明細書において、ハイブリッド電源システムの通常運転とは、ＦＣシステム３０と２次電池２３の両方から電力が供給可能な並列運転状態を意味している。
ＦＣシステム３０の起動時には、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２をオフにしている（図６（ａ）の時刻ｔ０）。ＦＣシステム３０の起動とは、たとえば水素ガスを発生する図示しない改質器が所定の品質の水素ガスを発生できるようになってＦＣシステム３０が所定の性能を発揮できるようにする処理をいう。ＦＣシステム３０の起動時には、ＦＣスイッチ３２がオフにされているので、所定の性能を発揮できる状態になってからＦＣシステム３０が電力の供給を開始することになる。この結果、ＦＣシステム３０の起動時には、ＦＣ電流が流れないことになる（図６（ｃ））。
ＦＣシステム３０の起動時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧は、電圧ＶＬに設定されている。電圧ＶＬは、２次電池２３が最も効率良く運転できるときの２次電池２３の出力電圧である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を電圧ＶＬに設定するのは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入出力電圧比を「１」として、変換効率を高めるためである。
ただし、ＦＣシステム３０の起動が完了に近づくと、制御部３００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を電圧ＶＨに上昇させる。電圧ＶＨは、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶ（図３）よりも高い電圧である（時刻ｔ１）。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧をＦＣシステム３０の開放電圧よりも高い電圧とするのは、ＦＣスイッチ３２（図１）をオンにしたときに、ＦＣシステム３０から急激に大きな電流が流れないようにするためである。
ＦＣスイッチ３２がオンにされると、ハイブリッド電源システム１００の通常運転が開始される。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧がＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い状態で接続されても、逆流防止用のダイオードＤ１があるので逆流は生じない。
ハイブリッド電源システムの通常運転の開始時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧がＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高いので、ＦＣ電流は流れない（時刻ｔ２）。しかし、その後、２次電源電圧であるＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が下降してＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶより小さくなると、ＦＣ電流が流れ始める（図６（ｃ）、図３（ｂ））。このように、本実施例の構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を徐々に降下させることにより、ＦＣ電流を徐々に大きくすることができる。
ハイブリッド電源システムの通常運転（期間ｔ２〜ｔ３）では、制御部３００は、前述のように２次電池２３の充電状態に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を決定する。指令電圧は、電圧ＶＬ近傍で調整されるようにハイブリッド電源システム１００が構成されていることが好ましい。これにより、ハイブリッド電源システム１００は、システム全体として通常運転で最も効率の良い作動状態となるからである。
通常運転中にＦＣシステム３０の不調が検知されると、制御部３００は、ハイブリッド電源システム１００からＦＣシステム３０を切り離す（時刻ｔ３）。ＦＣシステム３０の不調の検知は、たとえばＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質やＦＣシステム３０の内部抵抗の観測値に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０の切り離しは、ＦＣスイッチ３２をオフにすることにより行われる。
ハイブリッド電源システム１００からのＦＣシステム３０の切り離しが確認されると、制御部３００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧が電圧ＶＬに固定される。これにより、２次電源システム２０を高い変換効率で運転することができる。
ＦＣシステム３０の回復が確認されると、制御部３００は、ハイブリッド電源システム１００にＦＣシステム３０を接続するための処理を行う。ＦＣシステム３０の回復の確認も、たとえばＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質やＦＣシステム３０の内部抵抗の観測値に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０を接続するための処理とは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を電圧ＶＨまで上昇させる操作である（時刻ｔ４）。
ＦＣシステム３０の回復後（時刻ｔ５以降）の接続で行われる処理は、前述のＦＣシステム３０の起動後の接続で行われる処理とほぼ同一である。ただし、ＦＣシステム３０の回復後の接続で行われる処理は、接続後におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧の下降速度がＦＣシステム３０の起動後の接続で行われる処理よりも緩やかに設定されている。このような処理を行うのは、一度不調となったＦＣシステム３０が再度不調となりやすいことを考慮したものである。
図７は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システム１００の制御内容を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、制御部３００は、ＦＣシステム３０の接続の可否を判定する。ＦＣシステム３０の接続の可否は、前述のようにＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０の接続が可能と判定されると、制御部３００は、接続フラグを「ＯＮ」にセットする。ステップＳ１２０では、制御部３００は、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続するためのの制御を行う。
図８は、ステップＳ１２０で行われるＦＣシステム接続制御の内容を示すフローチャートである。ステップＳ１２１では、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるかを判定する。この判定は、たとえばＦＣシステム３０の出力電圧と２次電源システム２０の出力電圧とを比較することにより行うことができる。ＦＣシステム３０の出力電圧と２次電源システム２０の出力電圧は、それぞれ電圧計３６と電圧計２２を用いて計測することができる。
具体的には、両者が常にほぼ同一である場合には、ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」であると判定されて、後述するステップＳ１２５に処理が進む。一方、両者が一致しない場合には、ＦＣスイッチ３２が「ＯＦＦ」であると判定されて、ステップＳ１２２に処理が進む。
ステップＳ１２２では、制御部３００は、セットされた接続フラグが「ＯＮ」であるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち接続不可の場合には、後述するステップＳ１３０（図７）に処理が進む。一方、接続フラグが「ＯＮ」のとき、すなわち接続可の場合には、ステップＳ１２３に処理が進む。
ステップＳ１２３では、制御部３００は、２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いか否かを判定する。２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いと判定されると、ステップＳ１２４に処理が進む。ステップＳ１２４では、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２を「ＯＮ」にしてＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続する。一方、２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いと判定されなかった場合には、後述するステップＳ１３０（図７）に処理が進む。
一方、ステップＳ１２５では、制御部３００は、ステップＳ１２２と同様にセットされた接続フラグが「ＯＮ」であるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合には、直ちにＦＣスイッチ３２を「ＯＦＦ」にしてＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００から切り離して、ステップＳ１３０に処理が進む。一方、接続フラグが「ＯＮ」の場合には、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００から切り離すことなくステップＳ１３０に処理が進む。ステップＳ１３０では、制御部３００が有する電圧司令部３１０（図４）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を決定する。
図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧指令のロジックを示すフローチャートである。ステップＳ１３１では、電圧司令部３１０は、ステップＳ１２１と同様にＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるかを判定する。ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」であると判定されると、ステップＳ１３５に処理が進む。ステップＳ１３５では、前述の通常制御が行われる。一方、ＦＣスイッチ３２が「ＯＦＦ」であると判定されると、ステップＳ１３２に処理が進む。
ステップＳ１３２では、電圧司令部３１０は、セットされた接続フラグが「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち接続不可の場合には、ステップＳ１３３に処理が進む。ステップＳ１３３では、電圧司令部３１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を２次電池２３の出力電圧に一致させるように調整する。ＦＣシステム３０が切り離された状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２１の変換効率を高めて２次電源システム２０を効率的に運転するためである。
一方、接続フラグが「ＯＮ」のとき、すなわち接続可の場合には、ステップＳ１３４に処理が進む。ステップＳ１３４では、電圧司令部３１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧をＦＣシステム開放電圧ＯＣＶより高い電圧に設定する。これにより、ステップＳ１２０においてＦＣシステム３０の接続が可能となる（ステップＳ１２３、Ｓ１２４）。
このように、燃料電池であるＦＣシステム３０を電源配線に接続する際に、ＦＣシステム３０と並列に接続された２次電源システム２０の両端電圧を通常運転において取り得る値よりも上昇させるので、ＦＣシステム３０を電源システムに接続する際に発生し得る燃料電池から過大な電流を抑制することができる。
Ｃ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１０は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。この電気自動車は、２次電源システム２０と制御部３００とが、それぞれ２次電源システム２０ａと制御部３００ａとに置き換えられているとともに、第１実施例において燃料電池システム３０と電源配線１２との間に直列に接続されたＦＣスイッチ３２が削除されている点で第１実施例の車両システム（図１）と異なる。
図１１は、２次電源システム２０ａの構成を示す説明図である。２次電源システム２０ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａと、充電可能な２次電池２３ａとを備えている。２次電池２３ａは、充電率が所定の値以上の場合には、想定される駆動回路要求電力の最大値の電力を供給する場合において、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されている。なお、本実施例では、想定される駆動回路要求電力の最大値は、特許請求の範囲における「所定の電力」に相当する。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、２次電池側直列回路と、負荷側直列回路と、インダクタンスＬと、コンデンサＣと、を備えている。２次電池側直列回路は、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを備えている。負荷側直列回路は、スイッチＱ３とスイッチＱ４とを備えている。なお、本実施例では、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用している。
２次電池側直列回路の２つのスイッチＱ１、Ｑ２は、２次電池２３ａ側に以下のように接続されている。スイッチＱ１の一端とスイッチＱ２の一端は、接続点Ｊ１で接続されている。スイッチＱ１の他端は、２次電池２３ａのカソードに接続されている。スイッチＱ２の他端は、２次電池２３ａのアノードに接続されている。２つのスイッチＱ１、Ｑ２のゲート端子は、制御部３００ａに接続されている。
負荷側直列回路の２つのスイッチＱ３、Ｑ４は、負荷２００側に以下のように接続されている。スイッチＱ３の一端とスイッチＱ４の一端は、接続点Ｊ２で接続されている。スイッチＱ３の他端は、負荷２００のカソードに接続されている。スイッチＱ４の他端は、負荷２００のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ３、Ｑ４のゲート端子は、制御部３００ａに接続されている。
また、インダクタンスＬは、接続点Ｊ１と接続点Ｊ２との間に接続されている。２次電池２３ａのアノードは、負荷２００のアノードに接続されている。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、２次電池側直列回路から負荷側直列回路に電力を供給するモードと、負荷側直列回路から２次電池側直列回路に向かって電力を供給するモードとの２つのモードで双方向に作動することができる。このような動作は、制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の開閉動作を適切に行うことによって実現される。
Ｄ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図１２は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システム１００ａの制御内容を示すフローチャートである。ステップＳ２１０では、制御部３００ａは、ＦＣシステム３０の出力の可否を判定する。この判定は、ＦＣシステム３０に電力を出力させても良いか否かの判定であり、本実施例では、第１実施例における接続の可否の判定と同一の内容の判定である。ＦＣシステム３０の出力が可能と判定されると、制御部３００ａは、出力フラグを「ＯＮ」にセットする。なお、出力フラグの初期状態は「ＯＦＦ」である。
ステップＳ２２０では、制御部３００ａが有する電圧司令部３１０ａ（図１１）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａの制御指令の内容を決定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａは、通常制御モードと短絡モードの２つの作動モードを有する。
通常制御モードは、第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１と同様に所定の範囲で任意の電圧の直流電力を出力する作動モードである。短絡モードは、２次電池２３ａと駆動回路４０を短絡させてＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａにおける熱損失を抑制する作動モードである。なお、短絡モードの詳細については後述する。
図１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御指令のロジックを示すフローチャートである。ステップＳ２２２では、電圧司令部３１０ａは、セットされた出力フラグが「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるか否かを判断する。この結果、出力フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち出力不可の場合には、ステップＳ２２４に処理が進められる。一方、出力フラグが「ＯＮ」の場合、すなわち出力可能の場合には、ステップＳ２２６に処理が進められる。
ステップＳ２６６では、電圧司令部３１０ａは、通常制御を行う。すなわち、電圧司令部３１０ａは、第１実施例と同様に２次電池２３ａの充電状態に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａの指令電圧を調整する。
図１４は、通常制御モードにおいて電力供給時に制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。このような電圧の印可によって、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御（開閉）が行われ、これにより２次電池２３ａからの直流電力が昇圧されて負荷２００に供給される。
図１５は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動状態を示す説明図である。具体的には、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御によって以下の電圧変換動作が行われている。
（１）時刻ｔ１０（図１４）では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる（図１５（ａ））。これにより、インダクタンスＬが２次電源３側に接続される。この時に、インダクタンスＬに磁気エネルギが蓄積される。
（２）時刻ｔ１１では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる（図１５（ｂ））。これにより、インダクタンスＬが負荷２００側に接続される。この時に、インダクタンスＬに蓄積された磁気エネルギが負荷２００側に電力として供給される。
負荷２００側に供給される電力の電圧は、制御部３００ａがデューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）を調整することによって制御することができる。デューティ比を大きくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を高くすることができ、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を低くすることができる。さらに、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側から２次電池２３ａ側に電力を供給して、２次電池２３ａを充電することもできる。
ここで、デューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）における「ＯＮ」と「ＯＦＦ」は、以下のように定義される。「ＯＮ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる状態である（図１５（ａ））。「ＯＦＦ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる状態である（図１５（ｂ））。
このように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、第１実施例の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１と同様に、ＦＣシステム３０と２次電池２３ａとで適切に分担して負荷２００側に電力を供給するために電圧変換動作を行っている。
一方、ステップＳ２２４（図１３）では、制御部３００ａは、作動モードが短絡モードとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａを制御する。
図１６は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける作動の様子を示す説明図である。制御部３００ａは、２つのスイッチＱ１、Ｑ３をオンに固定するとともに、２つのスイッチＱ２、Ｑ４をオフに固定する。このような制御によって、インダクタンスＬを介して負荷２００側と２次電池２３ａ側がスイッチング動作なしで接続されることになる。
図１７は、短絡モードにおけるハイブリッド電源システム１００ａの作動状態を示す説明図である。図１７から分かるように、負荷２００と２次電池２３ａとが電線とインダクタンスＬだけで接続されている。電線もインダクタンスＬも電力損失をほとんど生じさせないので、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａにおけるスイッチング損失その他の電力損失はほとんどゼロとなることが分かる。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａが短絡モードにある場合には、ＦＣシステム３０は電力を出力しないことになる。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける出力電圧は、ＦＣシステム３０の開放端電圧よりも高い２次電池２３ａの出力電圧に等しくなるからである。
ステップＳ２３０（図１２）では、制御部３００ａは、駆動回路の要求電力を指令する。駆動回路の要求電力は、本実施例では、ハイブリッド電源システム１００ａの出力可能な電力を考慮して決定される。
図１８は、駆動回路の要求電力の指令内容を決定するための処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動モードが短絡モードにある場合に、ハイブリッド電源システム１００ａが出力可能な電力、すなわち、２次電池２３ａが出力可能な電力に要求電力を制限する処理である。ハイブリッド電源システム１００ａが出力可能な電力は、短絡モードにおいては２次電池２３ａの出力可能電力に等しいからである。
なお、２次電池２３ａは、前述のように、本実施例では、充電率が所定の値以上の場合には、想定される駆動回路要求電力の最大値の電力を供給する場合において、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されている。
ステップＳ２３１では、制御部３００ａは、第１実施例と同様に図示しないアクセルからの入力に応じて駆動回路の要求電力を推定する。
ステップＳ２３２では、制御部３００ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動モードが通常制御モードか短絡モードのいずれであるかを判断する。この結果、作動モードが通常制御モードである場合には処理がステップＳ２３３に進み、作動モードが短絡モードである場合には処理がステップＳ２３４に進む。
ステップＳ２３３では、制御部３００ａは、ステップＳ２３１で推定された要求電力を調整することなく駆動回路の要求電力として決定する。一方、ステップＳ２３４では、制御部３００ａは、２次電池２３ａの出力可能電力を推定する。２次電池２３ａの出力可能電力は、２次電池２３ａの充電状態に応じて変動するからである。
図１９は、２次電池２３ａの定電力放電曲線を表すグラフである。定電力放電曲線とは、一定の電力を出力させるときの電圧と充電率との関係を表す曲線である。この図からわかるように、２次電池２３ａは、充電率が０％近傍と１００％近傍の２個所で内部抵抗が大きく変動するので、充電率が０％近傍や１００％近傍にある場合には、電圧計２２でこの変動を計測することによって、そのことを推定することができる。
さらに、２次電池２３ａが他の充電率の状態にある場合には、充電率が０％近傍と１００％近傍の２個所のいずれかに到達したときを基準として充放電の電流値を時間積分することによって充電率を推定することができる。
ステップＳ２３５では、制御部３００ａは、駆動回路の要求電力が２次電池２３ａの出力可能電力を上回っていないかどうかを判断する。この判断は、たとえば駆動回路の要求電力で電力を供給した場合に２次電池２３ａの出力電圧が予め定められた所定の時間以内にＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないか否かという基準に基づいて行うことができる。この結果、上回っていない場合には、ステップＳ２３１で推定された要求電力がそのまま駆動回路の要求電力として決定され（Ｓ２３３）、上回っている場合には、ステップＳ２３６に処理が進められる。
ステップＳ２３６では、制御部３００ａは、２次電池２３ａの出力可能電力に応じて要求電力を調整する。この調整は、本実施例では、２次電池２３ａの出力電圧が所定の時間以内でＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないように制限することにより行われる。こうすれば、出力可能状態にないＦＣシステム３０から電力の出力を不意に起こさせないようにすることができるからである。
このように、第２実施例では、２次電池２３ａは充電率が所定の値以上の場合には駆動回路要求電圧に拘わらずＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されているとともに、２次電池２３ａの充電率が低下した場合には出力電圧が所定の時間内にはＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないように駆動回路要求電力を調整するように構成されている。これにより、ＦＣシステム３０からの不測の出力を抑制しつつ、ＦＣシステム３０をスイッチを介することなくハイブリッド電源システムに装備することができる。
さらに、本実施例では、ＦＣシステム３０が電力を出力することができないときには、ハイブリッド電源システム１００ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａにおけるスイッチング損失を回避して高い効率で電力を供給することができるという利点もある。
なお、駆動回路の要求電力が２次電池２３ａの出力可能電力を上回っていないかどうかの判断基準は、上述のものに限られず燃料電池の特性や２次電池の特性といったシステムの特性に応じて決定することができる。さらに、２次電池２３ａの出力電圧を監視するとともに、その低下に応じて直ちに駆動回路の要求電力に制限を加えるように構成しても良い。
また、「２次電池」は、充電可能であれば良く、バッテリだけでなくキャパシタをも含む広い意味を有する。
Ｅ．変型例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｅ−１．第１実施例では、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続する際に、２次電源システム２０の両端電圧をＦＣシステム３０の開放電圧よりも高くしているが、たとえば開放電圧の近傍（開放電圧未満）の電圧まで上昇させるように構成しても良い。ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続しようとする際に、２次電源システム２０の両端電圧が上昇していれば開放電圧に達していなくても、上昇した分だけ燃料電池であるＦＣシステム３０からの過大な電流を抑制することができるからである。
Ｅ−２．第１実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしてフライバック方式あるいはＯＮ−ＯＦＦ方式と呼ばれる方式を採用しているが、たとえばフォーワード方式やプッシュプル方式を採用しても良い。また、上記実施例では、変圧器を用いたＤＣ−ＤＣコンバータ２１が使用されているが、変圧器を用いないＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。
Ｅ−３．第１実施例では、電源配線１２とＦＣシステム３０との間に逆流防止用ダイオードＤ１が接続されているが、たとえばＦＣシステム３０への電流の逆流を防止するようにオンオフ制御されたスイッチであっても良い。この場合には、このスイッチが特許請求の範囲における「逆流防止デバイス」に相当する。
Ｅ−４．第２実施例では、２次電池は、所定の電力（想定される駆動回路要求電力の最大値）を出力しているときの両端電圧が燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されているが、これより低い電圧であるように構成しても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧するよう構成にしても、２次電源システムの両端電圧を燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを実現することができるからである。ただし、前者のように構成すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを短絡モードとしたときにおいて、特定の制御モードを実現することができるという利点がある。
Ｅ−５．第２実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて昇圧や降圧に使用される４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフの組合せによって２次電池と負荷や燃料電池との間が短絡されているが、たとえば２次電池と燃料電池や負荷との間に短絡用のスイッチを設けることによって短絡モード実現するようにしても良い。ただし、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフの組合せによって短絡モードを実現すれば、短絡用のスイッチを省略して簡易に信頼性の高いシステムを実現することができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
この発明は、燃料電池を備える電源システムに適用可能である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【技術分野】
本発明は、燃料電池と２次電池とを備える電源システムに関する。
【背景技術】
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。通常は、燃料電池単体では負荷変動に対処するのが困難な場合があるので、燃料電池と２次電池とを組み合わせたハイブリッド電源システムが提案されている。ハイブリッド電源システムでは、燃料電池の不調時や起動時といった特定の状態においては、燃料電池の出力を停止して２次電池からの電力のみで電力を供給することが望まれている。
しかし、ハイブリッド電源システムの内部で燃料電池をシステムから切り離すためには大きな容量のスイッチが必要であった。さらに、燃料電池をシステムに接続する際において、燃料電池から過大な電流が流れる可能性があるという問題も生じていた。
【発明の開示】
本発明は、この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池と２次電池とを組み合わせた電源システムにおいて、２次電池のみで電力を供給する作動モードを実現する技術を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様は、負荷に電力を供給するための電源システムであって、前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、前記２次電源システムと前記スイッチとを制御するための制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする。
本発明の第１の態様の電源システムによれば、燃料電池を電源配線に接続する際に、燃料電池と並列に接続された２次電源システムの両端電圧を上昇させるので、燃料電池を電源システムに接続する際に発生し得る燃料電池から過大な電流を抑制することができる。
上記電源システムにおいて、さらに、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間に接続された逆流防止デバイスを備え、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さの第１の電圧に上昇させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池を電源システムに接続する際に燃料電池から流れる電流をゼロにすることができるので、接続後に２次電源システムの両端電圧を徐々に下げることにより、燃料電池からの出力電流を緩やかに大きくすることができる。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続した後に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い第２の電圧に下降させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が接続された後に、燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成された２次電源システムや燃料電池を効率的に運転することができる。２次電源システムが燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成されているのは、燃料電池が接続されているときには燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で作動することを想定して２次電源システムが設計されているからである。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧に下降させるようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときには、燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧で最適に作動するように構成された２次電源システムを効率的に運転することができる。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始するようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときには、２次電源システムが有するＤＣ−ＤＣコンバータを効率的に運転することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は、出力電圧が燃料電池の開放時の両端電圧よりも入力電圧に近いほうが効率が良いからである。なお、本明細書では、「充電可能な２次電池」は、バッテリだけでなくキャパシタをも含む広い意味を有する。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始するようにしても良い。
こうすれば、燃料電池が切り離されたときに、２次電源システムが有するＤＣ−ＤＣコンバータを最も効率的に運転することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータの効率は、出力電圧が入力電圧に近づくほど効率が良くなるからである。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池が所定の大きさの電力を供給できない状態にあるときに、前記第１の電源配線から前記燃料電池を切り離すように構成しても良い。
本発明の第２の態様は、負荷に電力を供給するための電源システムであって、前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池とを有する燃料電池システムと、前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記２次電源システムを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして前記燃料電池の出力を停止する特定の制御モードを有することを特徴とする。
本発明の第２の態様の電源システムは、２次電源システムの両端電圧を燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして燃料電池の出力を停止させる特定の制御モードを有するので、スイッチを介することなく燃料電池をハイブリッド電源システムに装備することができる。
上記電源システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方を含む特定の状態に前記燃料電池がある場合に、前記特定の制御モードで制御を行うようにしても良い。
上記電源システムにおいて、前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、前記２次電池は、所定の電力を出力しているときの両端電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されており、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記２次電池と前記燃料電池とを短絡させる作動モードである短絡モードを有し、前記特定の制御モードは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを前記短絡モードとする制御モードであるようにしても良い。
こうすれば、２次電池の出力電圧が燃料電池や負荷に直接印加されるので、燃料電池の出力を停止するとともにスイッチング損失を回避して燃料電池の出力停止時における電源システムの高効率化を図ることができる。短絡モードは、たとえば２次電池と燃料電池や負荷との間に短絡用のスイッチを設けることによって実現することができる。
上記電源システムにおいて、前記２次電池は、第１電源電極と第２電源電極とを有し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１負荷電極と、第２負荷電極と、第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、を備え、前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、前記前記短絡モードは、前記制御部が、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記接続制御スイッチと前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開く作動モードであるようにしても良い。
こうすれば、短絡用のスイッチを省略して簡易に信頼性の高いシステムを実現することができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ハイブリッド電源システムおよびその制御装置や制御方法、それらのシステムを備える移動体（たとえば燃料電池自動車）およびその制御方法、それらのシステムまたは方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、および電力供給方法等の態様で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。
図２は、２次電源システム２０とＦＣシステム３０とがモータ駆動回路４０に電力を供給する様子を示すブロック図である。
図３は、２次電源システム２０の出力電圧の制御によって分担比率が変動する様子を示す説明図である。
図４は、本発明の第１実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１と２次電池２３とを有する２次電源システム２０の構成を示す説明図である。
図５は、本発明の第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１における入出力電圧比と変換効率との間の関係を示す説明図である。
図６は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動の様子を示すタイムチャートである。
図７は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの制御内容を示すフローチャートである。
図８は、ステップＳ１２０で行われるＦＣシステム接続制御の内容を示すフローチャートである。
図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧指令のロジックを示すフローチャートである。
図１０は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。
図１１は、本発明の第２実施例の２次電源システム２０ａの構成を示す説明図である。
図１２は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システム１００ａの制御内容を示すフローチャートである。
図１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御指令のロジックを示すフローチャートである。
図１４は、通常制御モードにおいて電力供給時に制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。
図１５は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動状態を示す説明図である。
図１６は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける作動の様子を示す説明図である。
図１７は、短絡モードにおけるハイブリッド電源システム１００ａの作動状態を示す説明図である。
図１８は、駆動回路の要求電力の指令内容を決定するための処理の一例を示すフローチャートである。
図１９は、２次電池２３ａの定電力放電曲線を表すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｂ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ｃ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
Ｄ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
Ａ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としてのハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両システム」と呼ぶ）は、ハイブリッド電源システム１００と、車輪を含む負荷２００と、制御部３００と、を備えている。ハイブリッド電源システム１００は、２本の電源配線１２，１４の間に互いに並列に接続された２次電源システム２０と燃料電池システム３０（「ＦＣシステム」とも呼ぶ）とを有している。２次電源システム２０と燃料電池システム３０には、両端電圧を測定するための電圧計２２，３６がそれぞれ設けられている。また、燃料電池システム３０と、第１の電源配線１２との間には、ＦＣスイッチ３２と、逆流防止用ダイオードＤ１とが直列に接続されている。
電源配線１２，１４は、負荷２００のモータ駆動回路４０に接続されている。モータ駆動回路４０は、モータ４２を駆動するための回路であり、例えばトランジスタインバータで構成されている。モータ４２で発生した動力は、ギヤ機構４４を介して車輪駆動軸４６に伝達される。
制御部３００は、ＦＣシステム３０と、ＦＣスイッチ３２と、モータ駆動回路４０とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部３００の各種の制御動作は、制御部３００に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部３００が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
モータ駆動回路４０は、ハイブリッド電源システム１００から供給された直流電力を三相交流電力に変換してモータ４２に供給する。供給される三相交流電力の大きさは、図示しないアクセルからの入力に応じて制御部３００が制御するモータ駆動回路４０によって決定される。このように、モータ４２に供給される三相交流電力の大きさがハイブリッド電源システム１００の出力電圧には依存しないように車両システムが構成されている。
図２は、２次電源システム２０とＦＣシステム３０とがモータ駆動回路４０に電力を供給する様子を示すブロック図である。図２（ａ）は、モータ駆動回路４０の要求電力がＦＣシステム３０の出力電力であるＦＣ電力よりも大きい場合を、図２（ｂ）は、モータ駆動回路４０の要求電力がＦＣ電力よりも小さい場合を示している。
モータ駆動回路４０の駆動回路要求電力がＦＣ電力よりも大きい場合には、ＦＣシステム３０とともに２次電源システム２０も同時にモータ駆動回路４０に電力を供給する（図２（ａ））。たとえば図示しないアクセルが踏み込まれて瞬間的に駆動回路要求電力が大きくなったときに、２次電源システム２０とＦＣシステム３０の双方が電力を供給することになる。
モータ駆動回路４０の駆動回路要求電力がＦＣ電力よりも小さい場合には、ＦＣ電力のうちの余剰電力が２次電源システム２０に供給され、後述する２次電池に充電される（図２（ｂ））。たとえばアイドリング中に駆動回路要求電力が小さくなったときには、ＦＣシステム３０は、モータ駆動回路４０と２次電源システム２０の双方に電力を供給することになる。
なお、モータ４２の回生制動によってモータ駆動回路４０から電力が供給されるときには、２次電源システム２０のみにその電力が供給される。ＦＣシステム３０と電源配線１２との間には、ＦＣシステム３０の保護のための逆流防止用のダイオードＤ１が備えられているからである（図１）。
図３は、２次電源システム２０の出力電圧の調整によってＦＣシステム３０の出力が制御される様子を示す説明図である。図３（ａ）は、ＦＣシステム３０の出力電圧であるＦＣ電圧と出力電流であるＦＣ電流との間の関係を示している。図３（ａ）から分かるように、ＦＣ電圧が高くなるとＦＣ電流が小さくなり、ＦＣ電圧が低くなるとＦＣ電流が大きくなる関係にある。
具体的には、ＦＣ電圧がＶ０のときには、ＦＣ電流はＩ０であり、ＦＣ電力はＰ０である。ＦＣ電圧がＶ１に下降すると、ＦＣ電流はＩ１に、ＦＣ電力はＰ１にそれぞれ上昇する。しかし、Ｖ１からさらにＦＣ電圧が下降しても、ＦＣ電流の増加は飽和しつつあり、ＦＣ電流とＦＣ電圧の積であるＦＣ電力は逆に下降し始める。
なお、ハイブリッド電源システム１００は、ＦＣシステム３０を保護するためにＦＣ電圧が運用最小電圧Ｖｍｉｎ未満とならないように構成されている。この結果、ＦＣシステム３０は、開放電圧ＯＣＶと運用最小電圧Ｖｍｉｎの間の出力電圧で運用されることになる。
図３（ｂ）は、２次電源システム２０が並列に接続されたＦＣシステム３０（図１）の電力供給状態を示している。電力Ｐｔは、ある瞬間の駆動回路要求電力（図２）である。ＦＣ電力は、「−」のハッチングが施された領域として示してあり、２次電源電力は、「＋」のハッチングが施された領域として示してある。ＦＣ電力は、図３（ａ）に示されたものと同一である。
たとえば２次電源電圧がＶ０のときには、ＦＣ電力の値は駆動回路要求電力Ｐｔよりも小さいＰ０なので、２次電源システム２０は、駆動回路要求電力ＰｔとＰ０の差分（＝Ｐｔ−Ｐ０）の電力を供給することになる。一方、２次電源電圧がＶ１に下降すると、ＦＣ電力の値は駆動回路要求電力Ｐｔよりも大きいＰ１に上昇するので、ＦＣ電力のうちの余剰電力（＝Ｐ１−Ｐｔ）が２次電源システム２０に供給されることになる（図２（ｂ））。このように、ハイブリッド電源システム１００は、２次電源電圧（２次電源システム２０の出力電圧）を調整することによってＦＣ電力を制御可能であることが分かる。
これにより、たとえば後述する２次電池の充電状態に応じて、ＦＣシステム３０の出力を調整することができる。たとえば２次電池の充電量が少ない場合には、２次電源電圧を小さくすることが好ましい。こうすれば、ＦＣシステム３０の出力を大きくし、２次電池への充電の機会を多くすることができるからである。一方、２次電池の充電量が過大である場合には、２次電源電圧を大きくすることが好ましい。こうすれば、ＦＣシステム３０の出力を小さくし、２次電池の放電の機会を多くすることができるからである。
図４は、本発明の第１実施例におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１と２次電池２３とを有する２次電源システム２０の構成を示す説明図である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、２つのスイッチＱ１、Ｑ２と、トランスＴと、ダイオードＤ２と、コンデンサＣとを有している。２次電源システム２０は、２つのターミナルＴ１２、Ｔ１４に所定の範囲で任意の電圧の直流電力を出力することができる。
このＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、図４から分かるようにフライバック方式の双方向コンバータとして構成されている。この双方向コンバータは、２次電池２３から電力を供給することも、ＦＣシステム３０やモータ駆動回路４０からの電力を２次電池２３に充電することもできる。
２次電源システム２０による電力の供給は、制御部３００がスイッチＱ２を「オン」に固定して、スイッチＱ１をオンオフ動作させることによって行われる。スイッチＱ１をオンオフ動作させると、スイッチＱ１が「オン」となった瞬間にトランスＴの１次側巻き線（２次電池２３側）に磁気エネルギが蓄積され、スイッチＱ１が「オフ」となった瞬間に２次側巻き線（出力側）に起電力が発生する。２次電源システム２０の出力電圧は、スイッチＱ１のデューティ（オンオフ比）を変化させることによって制御可能である。一方、２次電池２３の充電は、制御部３００がスイッチＱ１を「ＯＮ」に固定して、スイッチＱ２をオンオフ動作させることによって行われる。
図５は、本発明の第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１における入出力電圧比と変換効率との間の関係を示す説明図である。入出力電圧比は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を入力電圧で除した値である。変換効率は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１出力電力を入力電力で除した値である。図５から分かるように、入出力電圧比が「１」のときに変換効率のピークがあるので、２次電源システム２０の出力電圧と２次電池２３の出力電圧とが等しくなる状態で運用される場合が多くなるようにハイブリッド電源システム１００を構成することが好ましい。
Ｂ．本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図６は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システムの作動の様子を示すタイムチャートである。図６は、一例としてのシーケンス、すなわち、（１）ＦＣシステム３０の起動、（２）ハイブリッド電源システムの通常運転、（３）ＦＣシステム３０の不調、（４）ハイブリッド電源システムの通常運転といったシーケンスにおけるハイブリッド電源システム１００の状態を示している。
ハイブリッド電源システム１００の状態としては、ＦＣスイッチ３２の動作状態、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１指令電圧、およびＦＣ電流がタイムチャートとして示されている。また、本明細書において、ハイブリッド電源システムの通常運転とは、ＦＣシステム３０と２次電池２３の両方から電力が供給可能な並列運転状態を意味している。
ＦＣシステム３０の起動時には、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２をオフにしている（図６（ａ）の時刻ｔ０）。ＦＣシステム３０の起動とは、たとえば水素ガスを発生する図示しない改質器が所定の品質の水素ガスを発生できるようになってＦＣシステム３０が所定の性能を発揮できるようにする処理をいう。ＦＣシステム３０の起動時には、ＦＣスイッチ３２がオフにされているので、所定の性能を発揮できる状態になってからＦＣシステム３０が電力の供給を開始することになる。この結果、ＦＣシステム３０の起動時には、ＦＣ電流が流れないことになる（図６（ｃ））。
ＦＣシステム３０の起動時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧は、電圧ＶＬに設定されている。電圧ＶＬは、２次電池２３が最も効率良く運転できるときの２次電池２３の出力電圧である。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を電圧ＶＬに設定するのは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の入出力電圧比を「１」として、変換効率を高めるためである。
ただし、ＦＣシステム３０の起動が完了に近づくと、制御部３００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を電圧ＶＨに上昇させる。電圧ＶＨは、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶ（図３）よりも高い電圧である（時刻ｔ１）。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧をＦＣシステム３０の開放電圧よりも高い電圧とするのは、ＦＣスイッチ３２（図１）をオンにしたときに、ＦＣシステム３０から急激に大きな電流が流れないようにするためである。
ＦＣスイッチ３２がオンにされると、ハイブリッド電源システム１００の通常運転が開始される。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧がＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い状態で接続されても、逆流防止用のダイオードＤ１があるので逆流は生じない。
ハイブリッド電源システムの通常運転の開始時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧がＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高いので、ＦＣ電流は流れない（時刻ｔ２）。しかし、その後、２次電源電圧であるＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧が下降してＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶより小さくなると、ＦＣ電流が流れ始める（図６（ｃ）、図３（ｂ））。このように、本実施例の構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を徐々に降下させることにより、ＦＣ電流を徐々に大きくすることができる。
ハイブリッド電源システムの通常運転（期間ｔ２〜ｔ３）では、制御部３００は、前述のように２次電池２３の充電状態に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を決定する。指令電圧は、電圧ＶＬ近傍で調整されるようにハイブリッド電源システム１００が構成されていることが好ましい。これにより、ハイブリッド電源システム１００は、システム全体として通常運転で最も効率の良い作動状態となるからである。
通常運転中にＦＣシステム３０の不調が検知されると、制御部３００は、ハイブリッド電源システム１００からＦＣシステム３０を切り離す（時刻ｔ３）。ＦＣシステム３０の不調の検知は、たとえばＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質やＦＣシステム３０の内部抵抗の観測値に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０の切り離しは、ＦＣスイッチ３２をオフにすることにより行われる。
ハイブリッド電源システム１００からのＦＣシステム３０の切り離しが確認されると、制御部３００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧が電圧ＶＬに固定される。これにより、２次電源システム２０を高い変換効率で運転することができる。
ＦＣシステム３０の回復が確認されると、制御部３００は、ハイブリッド電源システム１００にＦＣシステム３０を接続するための処理を行う。ＦＣシステム３０の回復の確認も、たとえばＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質やＦＣシステム３０の内部抵抗の観測値に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０を接続するための処理とは、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧を電圧ＶＨまで上昇させる操作である（時刻ｔ４）。
ＦＣシステム３０の回復後（時刻ｔ５以降）の接続で行われる処理は、前述のＦＣシステム３０の起動後の接続で行われる処理とほぼ同一である。ただし、ＦＣシステム３０の回復後の接続で行われる処理は、接続後におけるＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電圧の下降速度がＦＣシステム３０の起動後の接続で行われる処理よりも緩やかに設定されている。このような処理を行うのは、一度不調となったＦＣシステム３０が再度不調となりやすいことを考慮したものである。
図７は、本発明の第１実施例におけるハイブリッド電源システム１００の制御内容を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、制御部３００は、ＦＣシステム３０の接続の可否を判定する。ＦＣシステム３０の接続の可否は、前述のようにＦＣシステム３０内部で生成される水素ガスの品質に基づいて行うことができる。ＦＣシステム３０の接続が可能と判定されると、制御部３００は、接続フラグを「ＯＮ」にセットする。ステップＳ１２０では、制御部３００は、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続するためのの制御を行う。
図８は、ステップＳ１２０で行われるＦＣシステム接続制御の内容を示すフローチャートである。ステップＳ１２１では、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるかを判定する。この判定は、たとえばＦＣシステム３０の出力電圧と２次電源システム２０の出力電圧とを比較することにより行うことができる。ＦＣシステム３０の出力電圧と２次電源システム２０の出力電圧は、それぞれ電圧計３６と電圧計２２を用いて計測することができる。
具体的には、両者が常にほぼ同一である場合には、ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」であると判定されて、後述するステップＳ１２５に処理が進む。一方、両者が一致しない場合には、ＦＣスイッチ３２が「ＯＦＦ」であると判定されて、ステップＳ１２２に処理が進む。
ステップＳ１２２では、制御部３００は、セットされた接続フラグが「ＯＮ」であるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち接続不可の場合には、後述するステップＳ１３０（図７）に処理が進む。一方、接続フラグが「ＯＮ」のとき、すなわち接続可の場合には、ステップＳ１２３に処理が進む。
ステップＳ１２３では、制御部３００は、２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いか否かを判定する。２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いと判定されると、ステップＳ１２４に処理が進む。ステップＳ１２４では、制御部３００は、ＦＣスイッチ３２を「ＯＮ」にしてＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続する。一方、２次電源電圧がＦＣ開放電圧ＯＣＶよりも高いと判定されなかった場合には、後述するステップＳ１３０（図７）に処理が進む。
一方、ステップＳ１２５では、制御部３００は、ステップＳ１２２と同様にセットされた接続フラグが「ＯＮ」であるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合には、直ちにＦＣスイッチ３２を「ＯＦＦ」にしてＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００から切り離して、ステップＳ１３０に処理が進む。一方、接続フラグが「ＯＮ」の場合には、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００から切り離すことなくステップＳ１３０に処理が進む。ステップＳ１３０では、制御部３００が有する電圧司令部３１０（図４）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を決定する。
図９は、ＤＣ−ＤＣコンバータ電圧指令のロジックを示すフローチャートである。ステップＳ１３１では、電圧司令部３１０は、ステップＳ１２１と同様にＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるかを判定する。ＦＣスイッチ３２が「ＯＮ」であると判定されると、ステップＳ１３５に処理が進む。ステップＳ１３５では、前述の通常制御が行われる。一方、ＦＣスイッチ３２が「ＯＦＦ」であると判定されると、ステップＳ１３２に処理が進む。
ステップＳ１３２では、電圧司令部３１０は、セットされた接続フラグが「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるか否かを判断する。接続フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち接続不可の場合には、ステップＳ１３３に処理が進む。ステップＳ１３３では、電圧司令部３１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧を２次電池２３の出力電圧に一致させるように調整する。ＦＣシステム３０が切り離された状態でＤＣ−ＤＣコンバータ２１の変換効率を高めて２次電源システム２０を効率的に運転するためである。
一方、接続フラグが「ＯＮ」のとき、すなわち接続可の場合には、ステップＳ１３４に処理が進む。ステップＳ１３４では、電圧司令部３１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の指令電圧をＦＣシステム開放電圧ＯＣＶより高い電圧に設定する。これにより、ステップＳ１２０においてＦＣシステム３０の接続が可能となる（ステップＳ１２３、Ｓ１２４）。
このように、燃料電池であるＦＣシステム３０を電源配線に接続する際に、ＦＣシステム３０と並列に接続された２次電源システム２０の両端電圧を通常運転において取り得る値よりも上昇させるので、ＦＣシステム３０を電源システムに接続する際に発生し得る燃料電池から過大な電流を抑制することができる。
Ｃ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの構成：
図１０は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムを備える電気自動車の概略構成図である。この電気自動車は、２次電源システム２０と制御部３００とが、それぞれ２次電源システム２０ａと制御部３００ａとに置き換えられているとともに、第１実施例において燃料電池システム３０と電源配線１２との間に直列に接続されたＦＣスイッチ３２が削除されている点で第１実施例の車両システム（図１）と異なる。
図１１は、２次電源システム２０ａの構成を示す説明図である。２次電源システム２０ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａと、充電可能な２次電池２３ａとを備えている。２次電池２３ａは、充電率が所定の値以上の場合には、想定される駆動回路要求電力の最大値の電力を供給する場合において、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されている。なお、本実施例では、想定される駆動回路要求電力の最大値は、特許請求の範囲における「所定の電力」に相当する。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、２次電池側直列回路と、負荷側直列回路と、インダクタンスＬと、コンデンサＣと、を備えている。２次電池側直列回路は、スイッチＱ１とスイッチＱ２とを備えている。負荷側直列回路は、スイッチＱ３とスイッチＱ４とを備えている。なお、本実施例では、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４としてＭＯＳ−ＦＥＴを使用している。
２次電池側直列回路の２つのスイッチＱ１、Ｑ２は、２次電池２３ａ側に以下のように接続されている。スイッチＱ１の一端とスイッチＱ２の一端は、接続点Ｊ１で接続されている。スイッチＱ１の他端は、２次電池２３ａのカソードに接続されている。スイッチＱ２の他端は、２次電池２３ａのアノードに接続されている。２つのスイッチＱ１、Ｑ２のゲート端子は、制御部３００ａに接続されている。
負荷側直列回路の２つのスイッチＱ３、Ｑ４は、負荷２００側に以下のように接続されている。スイッチＱ３の一端とスイッチＱ４の一端は、接続点Ｊ２で接続されている。スイッチＱ３の他端は、負荷２００のカソードに接続されている。スイッチＱ４の他端は、負荷２００のアノードに接続されている。２つのスイッチＱ３、Ｑ４のゲート端子は、制御部３００ａに接続されている。
また、インダクタンスＬは、接続点Ｊ１と接続点Ｊ２との間に接続されている。２次電池２３ａのアノードは、負荷２００のアノードに接続されている。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、２次電池側直列回路から負荷側直列回路に電力を供給するモードと、負荷側直列回路から２次電池側直列回路に向かって電力を供給するモードとの２つのモードで双方向に作動することができる。このような動作は、制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の開閉動作を適切に行うことによって実現される。
Ｄ．本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システムの作動：
図１２は、本発明の第２実施例におけるハイブリッド電源システム１００ａの制御内容を示すフローチャートである。ステップＳ２１０では、制御部３００ａは、ＦＣシステム３０の出力の可否を判定する。この判定は、ＦＣシステム３０に電力を出力させても良いか否かの判定であり、本実施例では、第１実施例における接続の可否の判定と同一の内容の判定である。ＦＣシステム３０の出力が可能と判定されると、制御部３００ａは、出力フラグを「ＯＮ」にセットする。なお、出力フラグの初期状態は「ＯＦＦ」である。
ステップＳ２２０では、制御部３００ａが有する電圧司令部３１０ａ（図１１）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａの制御指令の内容を決定する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａは、通常制御モードと短絡モードの２つの作動モードを有する。
通常制御モードは、第１実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ２１と同様に所定の範囲で任意の電圧の直流電力を出力する作動モードである。短絡モードは、２次電池２３ａと駆動回路４０を短絡させてＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａにおける熱損失を抑制する作動モードである。なお、短絡モードの詳細については後述する。
図１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御指令のロジックを示すフローチャートである。ステップＳ２２２では、電圧司令部３１０ａは、セットされた出力フラグが「ＯＮ」と「ＯＦＦ」のいずれであるか否かを判断する。この結果、出力フラグが「ＯＦＦ」の場合、すなわち出力不可の場合には、ステップＳ２２４に処理が進められる。一方、出力フラグが「ＯＮ」の場合、すなわち出力可能の場合には、ステップＳ２２６に処理が進められる。
ステップＳ２６６では、電圧司令部３１０ａは、通常制御を行う。すなわち、電圧司令部３１０ａは、第１実施例と同様に２次電池２３ａの充電状態に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａの指令電圧を調整する。
図１４は、通常制御モードにおいて電力供給時に制御部３００ａが４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の各ゲート端子に印可する電圧を時系列で表すタイムチャートである。このような電圧の印可によって、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御（開閉）が行われ、これにより２次電池２３ａからの直流電力が昇圧されて負荷２００に供給される。
図１５は、負荷２００に電力を供給するときの双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動状態を示す説明図である。具体的には、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフ制御によって以下の電圧変換動作が行われている。
（１）時刻ｔ１０（図１４）では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる（図１５（ａ））。これにより、インダクタンスＬが２次電源３側に接続される。この時に、インダクタンスＬに磁気エネルギが蓄積される。
（２）時刻ｔ１１では、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる（図１５（ｂ））。これにより、インダクタンスＬが負荷２００側に接続される。この時に、インダクタンスＬに蓄積された磁気エネルギが負荷２００側に電力として供給される。
負荷２００側に供給される電力の電圧は、制御部３００ａがデューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）を調整することによって制御することができる。デューティ比を大きくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を高くすることができ、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側に供給される電力の電圧を低くすることができる。さらに、デューティ比を小さくすれば、負荷２００側から２次電池２３ａ側に電力を供給して、２次電池２３ａを充電することもできる。
ここで、デューティ比（ＯＮ−ＯＦＦ比）における「ＯＮ」と「ＯＦＦ」は、以下のように定義される。「ＯＮ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオンにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオフにされる状態である（図１５（ａ））。「ＯＦＦ」は、２つのスイッチＱ１、Ｑ４がオフにされ、２つのスイッチＱ２、Ｑ３がオンにされる状態である（図１５（ｂ））。
このように、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａは、第１実施例の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１と同様に、ＦＣシステム３０と２次電池２３ａとで適切に分担して負荷２００側に電力を供給するために電圧変換動作を行っている。
一方、ステップＳ２２４（図１３）では、制御部３００ａは、作動モードが短絡モードとなるようにＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａを制御する。
図１６は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける作動の様子を示す説明図である。制御部３００ａは、２つのスイッチＱ１、Ｑ３をオンに固定するとともに、２つのスイッチＱ２、Ｑ４をオフに固定する。このような制御によって、インダクタンスＬを介して負荷２００側と２次電池２３ａ側がスイッチング動作なしで接続されることになる。
図１７は、短絡モードにおけるハイブリッド電源システム１００ａの作動状態を示す説明図である。図１７から分かるように、負荷２００と２次電池２３ａとが電線とインダクタンスＬだけで接続されている。電線もインダクタンスＬも電力損失をほとんど生じさせないので、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａにおけるスイッチング損失その他の電力損失はほとんどゼロとなることが分かる。
双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａが短絡モードにある場合には、ＦＣシステム３０は電力を出力しないことになる。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの短絡モードにおける出力電圧は、ＦＣシステム３０の開放端電圧よりも高い２次電池２３ａの出力電圧に等しくなるからである。
ステップＳ２３０（図１２）では、制御部３００ａは、駆動回路の要求電力を指令する。駆動回路の要求電力は、本実施例では、ハイブリッド電源システム１００ａの出力可能な電力を考慮して決定される。
図１８は、駆動回路の要求電力の指令内容を決定するための処理の一例を示すフローチャートである。この処理は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動モードが短絡モードにある場合に、ハイブリッド電源システム１００ａが出力可能な電力、すなわち、２次電池２３ａが出力可能な電力に要求電力を制限する処理である。ハイブリッド電源システム１００ａが出力可能な電力は、短絡モードにおいては２次電池２３ａの出力可能電力に等しいからである。
なお、２次電池２３ａは、前述のように、本実施例では、充電率が所定の値以上の場合には、想定される駆動回路要求電力の最大値の電力を供給する場合において、ＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されている。
ステップＳ２３１では、制御部３００ａは、第１実施例と同様に図示しないアクセルからの入力に応じて駆動回路の要求電力を推定する。
ステップＳ２３２では、制御部３００ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａの作動モードが通常制御モードか短絡モードのいずれであるかを判断する。この結果、作動モードが通常制御モードである場合には処理がステップＳ２３３に進み、作動モードが短絡モードである場合には処理がステップＳ２３４に進む。
ステップＳ２３３では、制御部３００ａは、ステップＳ２３１で推定された要求電力を調整することなく駆動回路の要求電力として決定する。一方、ステップＳ２３４では、制御部３００ａは、２次電池２３ａの出力可能電力を推定する。２次電池２３ａの出力可能電力は、２次電池２３ａの充電状態に応じて変動するからである。
図１９は、２次電池２３ａの定電力放電曲線を表すグラフである。定電力放電曲線とは、一定の電力を出力させるときの電圧と充電率との関係を表す曲線である。この図からわかるように、２次電池２３ａは、充電率が０％近傍と１００％近傍の２個所で内部抵抗が大きく変動するので、充電率が０％近傍や１００％近傍にある場合には、電圧計２２でこの変動を計測することによって、そのことを推定することができる。
さらに、２次電池２３ａが他の充電率の状態にある場合には、充電率が０％近傍と１００％近傍の２個所のいずれかに到達したときを基準として充放電の電流値を時間積分することによって充電率を推定することができる。
ステップＳ２３５では、制御部３００ａは、駆動回路の要求電力が２次電池２３ａの出力可能電力を上回っていないかどうかを判断する。この判断は、たとえば駆動回路の要求電力で電力を供給した場合に２次電池２３ａの出力電圧が予め定められた所定の時間以内にＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないか否かという基準に基づいて行うことができる。この結果、上回っていない場合には、ステップＳ２３１で推定された要求電力がそのまま駆動回路の要求電力として決定され（Ｓ２３３）、上回っている場合には、ステップＳ２３６に処理が進められる。
ステップＳ２３６では、制御部３００ａは、２次電池２３ａの出力可能電力に応じて要求電力を調整する。この調整は、本実施例では、２次電池２３ａの出力電圧が所定の時間以内でＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないように制限することにより行われる。こうすれば、出力可能状態にないＦＣシステム３０から電力の出力を不意に起こさせないようにすることができるからである。
このように、第２実施例では、２次電池２３ａは充電率が所定の値以上の場合には駆動回路要求電圧に拘わらずＦＣシステム３０の開放電圧ＯＣＶよりも高い電圧で電力を供給することができるように構成されているとともに、２次電池２３ａの充電率が低下した場合には出力電圧が所定の時間内にはＦＣシステム３０の開放端電圧以下とならないように駆動回路要求電力を調整するように構成されている。これにより、ＦＣシステム３０からの不測の出力を抑制しつつ、ＦＣシステム３０をスイッチを介することなくハイブリッド電源システムに装備することができる。
さらに、本実施例では、ＦＣシステム３０が電力を出力することができないときには、ハイブリッド電源システム１００ａは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路２１ａにおけるスイッチング損失を回避して高い効率で電力を供給することができるという利点もある。
なお、駆動回路の要求電力が２次電池２３ａの出力可能電力を上回っていないかどうかの判断基準は、上述のものに限られず燃料電池の特性や２次電池の特性といったシステムの特性に応じて決定することができる。さらに、２次電池２３ａの出力電圧を監視するとともに、その低下に応じて直ちに駆動回路の要求電力に制限を加えるように構成しても良い。
また、「２次電池」は、充電可能であれば良く、バッテリだけでなくキャパシタをも含む広い意味を有する。
Ｅ．変型例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
Ｅ−１．第１実施例では、ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続する際に、２次電源システム２０の両端電圧をＦＣシステム３０の開放電圧よりも高くしているが、たとえば開放電圧の近傍（開放電圧未満）の電圧まで上昇させるように構成しても良い。ＦＣシステム３０をハイブリッド電源システム１００に接続しようとする際に、２次電源システム２０の両端電圧が上昇していれば開放電圧に達していなくても、上昇した分だけ燃料電池であるＦＣシステム３０からの過大な電流を抑制することができるからである。
Ｅ−２．第１実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしてフライバック方式あるいはＯＮ−ＯＦＦ方式と呼ばれる方式を採用しているが、たとえばフォーワード方式やプッシュプル方式を採用しても良い。また、上記実施例では、変圧器を用いたＤＣ−ＤＣコンバータ２１が使用されているが、変圧器を用いないＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。
Ｅ−３．第１実施例では、電源配線１２とＦＣシステム３０との間に逆流防止用ダイオードＤ１が接続されているが、たとえばＦＣシステム３０への電流の逆流を防止するようにオンオフ制御されたスイッチであっても良い。この場合には、このスイッチが特許請求の範囲における「逆流防止デバイス」に相当する。
Ｅ−４．第２実施例では、２次電池は、所定の電力（想定される駆動回路要求電力の最大値）を出力しているときの両端電圧が燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されているが、これより低い電圧であるように構成しても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧するよう構成にしても、２次電源システムの両端電圧を燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを実現することができるからである。ただし、前者のように構成すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを短絡モードとしたときにおいて、特定の制御モードを実現することができるという利点がある。
Ｅ−５．第２実施例では、ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて昇圧や降圧に使用される４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフの組合せによって２次電池と負荷や燃料電池との間が短絡されているが、たとえば２次電池と燃料電池や負荷との間に短絡用のスイッチを設けることによって短絡モード実現するようにしても良い。ただし、４つのスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のオンオフの組合せによって短絡モードを実現すれば、短絡用のスイッチを省略して簡易に信頼性の高いシステムを実現することができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
この発明は、燃料電池を備える電源システムに適用可能である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給するための電源システムであって、
前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、
前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、
前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、
前記２次電源システムと前記スイッチとを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１記載の電源システムであって、さらに、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間に接続された逆流防止デバイスを備え、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さの第１の電圧に上昇させる、電源システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続した後に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い第２の電圧に下降させる、電源システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧に下降させる、電源システム。
【請求項５】
請求項４記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始する、電源システム。
【請求項６】
請求項４記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始する、電源システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池が所定の大きさの電力を供給できない状態にあるときに、前記第１の電源配線から前記燃料電池を切り離すように構成されている、電源システム。
【請求項８】
負荷に電力を供給するために電源システムを制御する制御装置であって、
前記電源システムは、
前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、
前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、
前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、
を備え、
前記制御装置は、前記スイッチを制御して前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする、制御装置。
【請求項９】
負荷に電力を供給するための方法であって、
（ａ）前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、を準備する工程と、
（ｂ）前記２次電源システムと前記スイッチとを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記スイッチを制御して前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して前記２次電源システムの両端電圧を上昇させる工程を含むことを特徴とする、電力供給方法。
【請求項１０】
負荷に電力を供給するための電源システムであって、
前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムと、
前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記２次電源システムを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして前記燃料電池の出力を停止させる特定の制御モードを有することを特徴とする、電源システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方を含む特定の状態に前記燃料電池がある場合に、前記特定の制御モードで制御を行う、電源システム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力された直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記２次電池は、所定の電力を出力しているときの両端電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されており、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記２次電池と前記燃料電池とを短絡させる作動モードである短絡モードを有し、
前記特定の制御モードは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを前記短絡モードとする制御モードである、電源システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の電源システムであって、
前記２次電池は、第１電源電極と第２電源電極とを有し、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
第１負荷電極と、
第２負荷電極と、
第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、
第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、
前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、
を備え、
前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、
前記前記短絡モードは、前記制御部が、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記接続制御スイッチと前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開く作動モードである、電源システム。
【請求項１４】
燃料電池を搭載する燃料電池自動車であって、
請求項１０ないし１３に記載の電源システムと、
前記電源システムから供給された電力に応じて車輪を回転駆動する駆動部と、
を備え、
前記制御部は、
前記２次電源システムが供給可能な電力である供給可能電力を推定する２次電源システム監視部と、
前記推定された供給可能電力に応じて、前記駆動部の要求電力を制限する要求電力決定部と、
を備えることを特徴とする、燃料電池自動車。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池自動車であって、
前記２次電源システム監視部は、前記２次電源システムが供給している電力の電圧を計測し、
前記要求電力決定部は、さらに、前記計測された電圧に応じて前記駆動部の要求電力を制限する、燃料電池自動車。
【請求項１６】
負荷に電力を供給するために電源システムを制御する制御装置であって、
前記電源システムは、
前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムと、
前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
を備え、
前記制御装置は、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを有することを特徴とする、制御装置。
【請求項１７】
負荷に電力を供給するための方法であって、
（ａ）前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムを準備する工程と、
（ｂ）前記２次電源システムを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを有することを特徴とする、電力供給方法。
【請求項１】
負荷に電力を供給するための電源システムであって、
前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、
前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、
前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、
前記２次電源システムと前記スイッチとを制御するための制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１記載の電源システムであって、さらに、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間に接続された逆流防止デバイスを備え、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さの第１の電圧に上昇させる、電源システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続した後に、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い第２の電圧に下降させる、電源システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも低い電圧に下降させる、電源システム。
【請求項５】
請求項４記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧よりも前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始する、電源システム。
【請求項６】
請求項４記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力される直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記制御部は、前記第１の電源配線からの前記燃料電池の切り離しに応じて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が前記２次電池の出力電圧に近づくような制御を開始する、電源システム。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池が所定の大きさの電力を供給できない状態にあるときに、前記第１の電源配線から前記燃料電池を切り離すように構成されている、電源システム。
【請求項８】
負荷に電力を供給するために電源システムを制御する制御装置であって、
前記電源システムは、
前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、
前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、
前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、
を備え、
前記制御装置は、前記スイッチを制御して前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して前記２次電源システムの両端電圧を上昇させることを特徴とする、制御装置。
【請求項９】
負荷に電力を供給するための方法であって、
（ａ）前記負荷に接続するための第１と第２の電源配線と、前記第１と第２の電源配線の間に接続された燃料電池を有する燃料電池システムと、前記第１と第２の電源配線の間に前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、前記燃料電池と前記第１の電源配線との間の接続を開閉するためのスイッチと、を準備する工程と、
（ｂ）前記２次電源システムと前記スイッチとを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記スイッチを制御して前記燃料電池を前記第１の電源配線に接続する際に、前記２次電源システムを制御して前記２次電源システムの両端電圧を上昇させる工程を含むことを特徴とする、電力供給方法。
【請求項１０】
負荷に電力を供給するための電源システムであって、
前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムと、
前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
前記２次電源システムを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとして前記燃料電池の出力を停止させる特定の制御モードを有することを特徴とする、電源システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の電源システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の起動と前記燃料電池の異常の少なくとも一方を含む特定の状態に前記燃料電池がある場合に、前記特定の制御モードで制御を行う、電源システム。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の電源システムであって、
前記２次電源システムは、充電可能な２次電池と、前記２次電池から入力された直流の入力電力の電圧を昇降して直流の出力電力を出力可能なＤＣ−ＤＣコンバータとを備えており、
前記２次電池は、所定の電力を出力しているときの両端電圧が前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとなるように構成されており、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記２次電池と前記燃料電池とを短絡させる作動モードである短絡モードを有し、
前記特定の制御モードは、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの作動モードを前記短絡モードとする制御モードである、電源システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の電源システムであって、
前記２次電池は、第１電源電極と第２電源電極とを有し、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、
第１負荷電極と、
第２負荷電極と、
第１スイッチの一端と第２スイッチの一端とが第１接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１電源電極に前記第１スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２電源電極に前記第２スイッチの他端が接続された第２電源側直列回路と、
第３スイッチの一端と第４スイッチの一端とが第２接続点で直列に接続された直列回路であって、前記第１負荷電極に前記第３スイッチの他端が接続されるとともに、前記第２負荷電極に前記第４スイッチの他端が接続された負荷側直列回路と、
前記第１接続点と前記第２接続点との間に接続されたインダクタンスと、
を備え、
前記第２電源電極は、前記第２負荷電極に接続されており、
前記前記短絡モードは、前記制御部が、前記第１スイッチと前記第３スイッチとを閉じるとともに、前記接続制御スイッチと前記第２スイッチと前記第４スイッチとを開く作動モードである、電源システム。
【請求項１４】
燃料電池を搭載する燃料電池自動車であって、
請求項１０ないし１３に記載の電源システムと、
前記電源システムから供給された電力に応じて車輪を回転駆動する駆動部と、
を備え、
前記制御部は、
前記２次電源システムが供給可能な電力である供給可能電力を推定する２次電源システム監視部と、
前記推定された供給可能電力に応じて、前記駆動部の要求電力を制限する要求電力決定部と、
を備えることを特徴とする、燃料電池自動車。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池自動車であって、
前記２次電源システム監視部は、前記２次電源システムが供給している電力の電圧を計測し、
前記要求電力決定部は、さらに、前記計測された電圧に応じて前記駆動部の要求電力を制限する、燃料電池自動車。
【請求項１６】
負荷に電力を供給するために電源システムを制御する制御装置であって、
前記電源システムは、
前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムと、
前記燃料電池と並列に接続された２次電源システムと、
を備え、
前記制御装置は、前記２次電源システムを制御して、前記２次電源システムの両端電圧を前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを有することを特徴とする、制御装置。
【請求項１７】
負荷に電力を供給するための方法であって、
（ａ）前記負荷の一端に対してその一端が接続される逆流防止デバイスと、前記負荷の他端と前記逆流防止デバイスの他端との間に接続された燃料電池と、を有する燃料電池システムを準備する工程と、
（ｂ）前記２次電源システムを制御する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記２次電源システムの両端電圧を、前記燃料電池の開放時の両端電圧以上の高さとする特定の制御モードを有することを特徴とする、電力供給方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０５５９２９
【国際公開日】平成１６年７月１日（２００４．７．１）
【発行日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５６０６０５（Ｐ２００４−５６０６０５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１５４９８
【国際出願日】平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年７月１日（２００４．７．１）
【発行日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００３／０１５４９８
【国際出願日】平成１５年１２月３日（２００３．１２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]