(57)【要約】【課題】  第１電池と第２電池との出力配分を所定の状態に維持しつつ、負荷に印加される電圧を高電圧化することができる電源回路を提供する。【解決手段】  電源回路は、第１の電池と第２の電池とを直列接続した電源と、電源に接続される負荷装置と、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子の作動により電源の電圧を昇圧するコンバータと、を具備し、電源に対して負荷装置とコンバータとを並列に配置した電源回路Ｉであって、電源は、第１の電池と第２の電池とを接続する接続線に第１接続点を有し、コンバータは、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを接続する接続線に第２接続点を有し、第１接続点と前記第２接続点とをリアクトルＬを介して接続している。【選択図】図１
2014039347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電池と第２の電池とを直列接続した電源と、前記電源に接続される負荷装置と、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子の作動により前記電源の電圧を昇圧するコンバータと、を具備し、前記電源に対して前記負荷装置と前記コンバータとを並列に配置した電源回路であって、
前記電源は、前記第１の電池と前記第２の電池とを接続する接続線に第１接続点を有し、
前記コンバータは、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを接続する接続線に第２接続点を有し、
前記第１接続点と前記第２接続点とをリアクトルを介して接続した
ことを特徴とする電源回路。
【請求項２】
複数の前記コンバータが、前記電源に対して並列に配置され、
前記複数のコンバータの各々の前記第２接続点と前記第１接続点とをリアクトルを介して接続した
ことを特徴とする請求項１に記載の電源回路。
【請求項３】
前記第１の電池は一次電池であり、前記第２の電池は二次電池であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池はその発電効率の高さから車両用の動力源として用いることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、動力源として燃料電池だけでなく二次電池を併用している。これにより、走行パターンに応じた多様な出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４７３１６６４号公報（請求項１、図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料電池と二次電池とを互いに並列となるように回路に設けることで、バッテリ及び燃料電池の出力配分を所定の状態に維持することができるが、モーターの出力密度を向上するためにモーターに印加される電圧を高電圧化したいという要求がある。この場合にモーターに印加される電圧を高電圧化するためには燃料電池のセル数を増やすことが考えられるが、装置の増大や製造コストの増加が考えられるため好ましくない。
【０００５】
なお、このような問題は燃料電池と二次電池との組み合わせに限らず、一次電池と二次電池との組み合わせで生じる問題である。なお、ここで二次電池とは充電可能な電池をいい、一次電池とはそれ以外の電池（燃料電池等）をいう。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、上記従来技術の問題点を解決することにあり、一次電池と二次電池との出力配分を所定の状態に維持しつつ、負荷に印加される電圧を高電圧化することができる電源回路を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電源回路は、第１の電池と第２の電池とを直列接続した電源と、前記電源に接続される負荷装置と、直列に接続された第１及び第２のスイッチング素子の作動により前記電源の電圧を昇圧するコンバータと、を具備し、前記電源に対して前記負荷装置と前記コンバータとを並列に配置した電源回路であって、前記電源は、前記第１の電池と前記第２の電池とを接続する接続線に第１接続点を有し、前記コンバータは、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを接続する接続線に第２接続点を有し、前記第１接続点と前記第２接続点とをリアクトルを介して接続したことを特徴とする。
【０００８】
このように構成されていることで、リアクトルでのエネルギー蓄積・放出を制御して第１電池の出力端電圧を変化させることができるので、第１電池の出力を調整することができる。
【０００９】
回路の高出力化及び安定化のため、複数の前記コンバータが、前記電源に対して並列に配置され、前記複数のコンバータの各々の前記第２接続点と前記第１接続点とをリアクトルを介して接続したことが好ましい。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態としては、前記第１の電池は一次電池であり、前記第２の電池は二次電池であることが挙げられる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の電源回路によれば、燃料電池と二次電池との出力配分を所定の状態に維持しつつ、負荷に印加される電圧を高電圧化することができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態にかかる電源回路の回路構成を示す図である。
【図２】実施形態にかかる電源回路における時間に対する要求電圧と、各出力端電圧の分配状態を示すグラフである。
【図３】実施形態にかかる燃料電池における出力と出力端電圧との関係を示すグラフである。
【図４】実施形態にかかる電源回路における制御部を示すブロック図である。
【図５】実施形態にかかる電源回路における時間に対するインバーターにかかる電圧を示すグラフである。
【図６】別の実施形態にかかる電源回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の電源回路について図１〜図５を用いて説明する。
【００１４】
図１に示す電源回路Ｉは、例えば車両に搭載されるものである。電源回路Ｉは、燃料電池（一次電池、第１電池）１と二次電池（第２電池）２とを備える。これらの燃料電池及び二次電池により電源が構成される。二次電池２は、例えば複数のリチウムイオン電池が直列に接続されてなる電池ユニットである。燃料電池１は、二次電池２に対して直列となるように二次電池２の正極端子に接続されている。燃料電池１としては、リン酸型、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）の燃料電池を用いることができ、本実施形態では固体酸化物型の燃料電池を用いている。
【００１５】
これらの燃料電池１及び二次電池２に対して、並列にインバーター３が設けられている。インバーター３にはモーター４が接続されていて、燃料電池１及び二次電池２から供給された直流電流はインバーター３に入力されて交流電流となり、モーター４に入力される。
【００１６】
また、本実施形態では、電源回路Ｉには、燃料電池１の出力制御を行うためのＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）５がインバーター３に対して並列に設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５はスイッチング素子を有し、各スイッチング素子のオン・オフ期間を制御することにより、燃料電池１の出力制御を行う。
【００１７】
具体的にＤＣ／ＤＣコンバータ５の構成を説明する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、スイッチング素子としての二つのトランジスタ（例えば、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ））、即ち直列に接続された上段トランジスタ（第１トランジスタ）Ｔｒ１と下段トランジスタ（第２トランジスタ）Ｔｒ２とを、インバーター３に対して並列となるように有する。各トランジスタは、後述するゲート駆動ＰＷＭ演算部によりゲート電圧（ＰＷＭ）が印加されてスイッチング素子として駆動される。
【００１８】
上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２には、それぞれ上段ダイオードＤ１及び下段ダイオードＤ２が、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２に対して逆接続で接続されている。即ち、上段ダイオードＤ１及び下段ダイオードＤ２は、それぞれ上段側に向かって順方向となるように設けられている。これらのダイオードは、流入する電流を転流させるために設けられている。
【００１９】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２に対して並列となるように、上段コンデンサＣ１及び下段コンデンサＣ２を電源側に有する。これらのコンデンサは、平滑コンデンサとして機能する。
【００２０】
これらの上段コンデンサＣ１及び下段コンデンサＣ２、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２、上段ダイオードＤ１及び下段ダイオードＤ２のそれぞれの接続点がこの順で接続されている。上段コンデンサＣ１及び下段コンデンサＣ２、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２間には、コイル（リアクトル）Ｌ１が設けられている。ここで、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２間を第２接続点とする。このコイルＬ１は、スイッチ部を介して二次電池２及び燃料電池１間（第１接続点）に接続している。スイッチ部には、スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２が互いに並列になるように接続されている。スイッチＳＷ２は、抵抗Ｒ１がスイッチＳＷ２に対して直列に接続されている。スイッチＳＷ１は、高電圧高電流遮断用のリレーである。また、ＳＷ２は平滑コンデンサへのプレチャージ用リレーである。
【００２１】
また、電源回路Ｉでは、燃料電池１に対してダイオードＤ３、スイッチＳＷ３が設けられていると共に、二次電池２の負極端子には、スイッチＳＷ４が設けられている。これらのスイッチＳＷ３及びＳＷ４は、それぞれ高電圧高電流遮断用のリレーである。ダイオードＤ３は逆流防止用ダイオードである。
【００２２】
かかる電源回路Ｉでは、スイッチＳＷ１、ＳＷ３、ＳＷ４を導通状態とすると共に、上段トランジスタＴｒ１をオフ状態とし、下段トランジスタＴｒ２をオン状態とすると、二次電池２から電流が流れ、コイルＬ１にエネルギーが蓄積される。
【００２３】
そして、下段トランジスタＴｒ２をオフ状態にして上段トランジスタＴｒ１をオン状態とすると、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーが上段ダイオードＤ１を通じて放出されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５における出力端電圧は二次電池２からの出力端電圧にコイルＬ１に蓄積されたエネルギーに対応した電圧分で昇圧されたものとなる。また、下段トランジスタＴｒ２をオフ状態にして上段トランジスタＴｒ１をオン状態とすると、燃料電池１から電流が流れ、この電流によりコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。そして、上段トランジスタＴｒ１をオフ状態とし、下段トランジスタＴｒ２をオン状態とすると、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーが下段ダイオードＤ２を通じて二次電池２へ放出される。これらの動作における電流の流れは、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２のオン状態及びオフ状態による電流の通電時間を調整することにより決定される。
【００２４】
このようにＤＣ／ＤＣコンバータ５における上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２のスイッチ動作（交互に行われるオン・オフ動作）により、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力端電圧は二次電池の出力端電圧に対し昇圧される。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力端電圧が変化すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力端電圧と二次電池２の出力端電圧との差分で燃料電池１の出力端電圧が変化することとなる。即ち、本実施形態における電源回路Ｉでは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５におけるスイッチ動作により燃料電池１からの出力端電圧を調整し、これによって燃料電池１からの出力を調整することができる。従って、本実施形態にかかる電源回路Ｉでは、車両の要求出力に応じて、燃料電池１の出力をＤＣ／ＤＣコンバータ５により変更して、燃料電池１から所望の電力を出力できるように構成している。以下、詳細に説明する。
【００２５】
電源回路Ｉの出力は、二次電池２からの出力Ｐｂａｔと燃料電池１からの出力Ｐｆｃとの和となるように構成されている。従って、運転者が車両に要求する要求電力Ｐｖは、次式（１）に示すようになる。
Ｐｖ＝Ｐｂａｔ＋Ｐｆｃ・・・（１）
【００２６】
このような二次電池と燃料電池との出力特性を示すと図２に示すようになる。図２に示すように、要求電力Ｐｖは時間に対して漸次的に増加する。この要求電力Ｐｖに対し、燃料電池は二次電池と比較して応答性が低いので、応答性の低い部分については二次電池のみから出力し、徐々に二次電池出力Ｐｂａｔを減少させると共に燃料電池出力Ｐｆｃを増やし燃料電池から出力する。
【００２７】
ここで燃料電池１の出力特性について説明する。図３に示すように、燃料電池では出力特性は燃料電池出力端電圧Ｖｆｃに依存する。燃料電池の出力を増加させるためには燃料電池の出力端電圧は低く、燃料電池の出力を低下させるためには燃料電池の出力端電圧を高くすることが必要である。従って、燃料電池の出力特性を制御するためには、燃料電池の出力端電圧を調整する。
【００２８】
そして、本実施形態では、燃料電池１の出力端電圧Ｖｆｃは上述のようにＤＣ／ＤＣコンバータ５の駆動状態により設定される。燃料電池１の出力端電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５により、以下の式（２）に示すように設定される。ただし、Ｖｂａｔは二次電池の出力端電圧である。
Ｖｆｃ＝Ｖｂａｔ×Ｄ／（１−Ｄ）・・・（２）
【００２９】
Ｄはデューティ比を示し、下段側のトランジスタのオン時間ΔＴｏｎと、トランジスタのスイッチ周期Ｔから、
Ｄ＝ΔＴｏｎ／Ｔ・・・（３）
と示される。
【００３０】
この式（２）（３）から、燃料電池の出力端電圧を高くするためには、デューティ比を大きくすればよい。他方で、燃料電池の出力端電圧を低くするためには、デューティ比を小さくすればよい。
【００３１】
従って、燃料電池の出力を減少させるためには、デューティ比を大きく、即ち下段トランジスタのオン時間を長くすればよく、逆に燃料電池の出力を増大させるためにはデューティ比を小さく、即ち下段トランジスタのオン時間を短くすればよい。
【００３２】
かかるデューティ比の調整による燃料電池１の出力制御について、図４を用いて説明する。
【００３３】
制御装置ＩＩは、車両要求電力演算部１１と、燃料電池発電電力演算部１２と、二次電池要求電力演算部１３と、コンバータ電圧制御部１４と、ゲート駆動ＰＷＭ演算部１５と、燃料電池発電制御部１６とを備える。以下、各部の詳細について説明する。
【００３４】
車両要求電力演算部１１は、車速、アクセル量、ブレーキ量、シフトポジションから運転者により車両に要求されるトルクを検出し、これに基づいて運転者により車両に要求される要求電力（Ｐｖ）を演算する。車両要求電力演算部１１は、演算した要求電力を燃料電池発電電力演算部１２に入力する。
【００３５】
また、制御装置ＩＩの二次電池要求電力演算部１３は、二次電池のＳＯＣ状態、二次電池電圧、二次電池電流から、二次電池に要求される電力（Ｐｂａｔ）を演算し、演算された二次電池に要求される電力を燃料電池発電電力演算部１２に入力する。
【００３６】
燃料電池発電電力演算部１２は、車両の要求電力と、二次電池に要求される電力と、燃料電池電流から、燃料電池での出力（Ｐｆｃ）を演算する。即ち、式（１）から、要求電力と二次電池に要求される電力との差を算出して必要な燃料電池の出力とする。燃料電池発電電力演算部１２は、演算された燃料電池での出力（Ｐｆｃ）をコンバータ電圧制御部１４に入力する。
【００３７】
コンバータ電圧制御部１４では、現在の出力電圧、二次電池電圧、二次電池電流に基づいて、燃料電池からの出力が演算された燃料電池からの出力（Ｐｆｃ）となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータへのデューティ比（Ｄ）を設定する。コンバータ電圧制御部１４は、このデューティ比をゲート駆動ＰＷＭ演算部１５へ入力する。
【００３８】
設定されたデューティ比（Ｄ）となるように、ゲート駆動ＰＷＭ演算部１５が各トランジスタのゲートへの駆動電圧を形成し（ＰＷＭ制御）、形成された駆動電圧が上段トランジスタ及び下段トランジスタのゲートに所望のタイミングで入力される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータが作動して、所定の入力電圧が燃料電池に入力されて、所望の出力を得ることができる。
【００３９】
そして、燃料電池発電制御部１６は、このような所望の出力を得た燃料電池における発電を制御する。具体的には、燃料電池発電制御部１６は，燃料電池から出力（Ｐｆｃ）とするために燃料電池に必要な水素および空気の供給を制御する。つまり、燃料電池発電制御部１６は、所望の圧力で水素を供給するために水素圧力調整バルブ等を調整し、所望の空気量と圧力で空気を供給するためにエアコンプレッサの回転数と空気圧力調整バルブ等を調整する。これによりモーターを所望の出力で駆動して運転者の要求する車両の走行となる。
【００４０】
このように、本実施形態にかかる車両では、燃料電池１と二次電池２とを直列で接続することで、燃料電池１に対してセルを増設することなくモーター４を高電圧で駆動することが可能である。
【００４１】
ここで、本実施形態では、二次電池２に対して燃料電池１が直列に設けられていることで、モーター４に印加される電圧は、二次電池２の出力端電圧と、燃料電池１の出力端電圧との和となる。つまり、図５に示すようにインバーター３（モーター４）に入力される電圧Ｖｉｎｖは、燃料電池１の出力端電圧Ｖｆｃと二次電池２の二次電池電圧Ｖｂａｔの和である。このように燃料電池１の出力端電圧Ｖｆｃと二次電池２の二次電池電圧Ｖｂａｔとの和がインバーター３に印加されることで、本実施形態では高電圧をモーター４に印加することができる。
【００４２】
これに対し、燃料電池と二次電池とが互いに並列になるように接続されているとすれば、インバーターに印加されるのは燃料電池又は二次電池のみの出力電圧である。従って、本実施形態のように燃料電池１と二次電池２とが直列に接続されることで、出力端電圧の和がモーター４に印加され、モーター４をより高電圧で作動させることが可能である。なお、図５において二次電池電圧Ｖｂａｔは、内部抵抗により同一値とはなっていない。
【００４３】
このようなＤＣ／ＤＣコンバータは高出力化のため多重化してもよい。即ち、各コンバータの各々の第２接続点と第１接続点とをリアクトルを介して接続してもよい。例えば、図６に示す実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、４つのスイッチング素子と４つのダイオードと二つのコイルを有し、多重（二重）チョッパーとして構成されている。つまり、図６では、上段トランジスタＴｒ１及び下段トランジスタＴｒ２、並びに上段ダイオードＤ１及び下段ダイオードＤ２をそれぞれ二組有し、かつ、それぞれの組に一つずつコイルが設けられて、二つの昇圧ＤＣ／ＤＣコンバータが互いに並列に設けられている。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５の構成は上述した実施形態に限定されない。燃料電池１の出力端電圧を調整することができれば、各コンデンサ等の配置は限定されない。
【００４５】
上述した実施形態では、スイッチング素子として、トランジスタとこれに並列に逆接続されたダイオードとを示したが、スイッチング素子として駆動することができればこれに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の電源回路によれば、燃料電池と二次電池との出力配分を所定の状態に維持しつつ、モーターに印加される電圧を高電圧化することができる。従って、車両に用いることができるので、車両の製造産業分野において利用可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１     燃料電池
２     二次電池
３     インバーター
４     モーター
５     ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１   車両要求電力演算部
１２   燃料電池発電電力演算部
１３   二次電池要求電力演算部
１４   コンバータ電圧制御部
１５   ゲート駆動ＰＷＭ演算部
１６   燃料電池発電制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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