(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と、
前記発電装置の正極側に、負極側が接続される蓄電装置と、
下アームスイッチング素子を含み、負極側が前記発電装置の負極側に接続されるローサイドアームと、上アームスイッチング素子を含み、前記ローサイドアームの正極側に、負極側が接続され、正極側が前記蓄電装置の正極側に接続されるハイサイドアームと、前記ローサイドアームの正極側と前記ハイサイドアームの負極側の接続点と、前記発電装置の正極側と前記蓄電装置の負極側の接続点と、の間に接続されたリアクトルと、からなるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記発電装置の負極側と前記蓄電装置の正極側との間に接続される１つ又は複数の負荷と、
を有する電源システムにおいて、
前記発電装置の電流電圧特性と、前記蓄電装置の電流電圧特性とを、同一の電流軸及び同一の電圧軸を有する座標上に重ねたときに、両電流電圧特性が交差するように前記発電装置の電流電圧特性と前記蓄電装置の電流電圧特性とが設定され、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態及び非動作状態に制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記発電装置及び前記蓄電装置の少なくとも一方の電源装置から１つ又は複数の前記負荷に電力を供給する制御を行う
ことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電源システムにおいて、
前記制御手段は、
前記蓄電装置のＳＯＣ値が所定の目標ＳＯＣ値範囲内で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記発電装置と前記蓄電装置との直列電源から前記負荷に電力を供給する制御を行う
ことを特徴とする電源システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の前記電源システムの１つ又は複数の前記負荷のうちの１つが駆動モータである燃料電池車両であって、
前記制御手段は、
前記駆動モータから回生電力の発生が予測される場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを前記非動作状態から前記動作状態に遷移させる
ことを特徴とする燃料電池車両。
【請求項４】
請求項１記載の電源システムにおいて、
１つ又は複数の前記負荷が複数の前記負荷であり、
前記制御手段は、
所定条件下に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記発電装置と前記蓄電装置との直列電源から複数の前記負荷のうち、少なくとも１つの負荷に電力を供給する制御を行う
ことを特徴とする電源システム。
【請求項５】
請求項４記載の電源システムにおいて、
前記制御手段は、
前記所定条件が非成立となり、前記蓄電装置のＳＯＣ値が下限閾値を下回る値となった場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に制御し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率と前記蓄電装置の効率の合成効率がピークとなる充電電流が前記発電装置から前記蓄電装置に流れるように制御して前記蓄電装置を充電する
ことを特徴とする電源システム。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の前記電源システムの１つ又は複数の前記負荷のうちの１つが駆動モータである燃料電池車両。
【請求項７】
請求項１記載の電源システムにおいて、
さらに、前記発電装置又は前記蓄電装置の一方に並列に接続される補機負荷を備え、
前記制御手段は、
所定条件下で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記補機負荷の電力を前記補機負荷に並列に接続されている前記発電装置又は前記蓄電装置の一方で賄う
ことを特徴とする電源システム。
【請求項８】
請求項７記載の電源システムにおいて、
前記所定条件は、当該電源システムに対する要求電力が所定値を下回る場合であり、前記所定条件が非成立となり、当該電源システムに対する前記要求電力が前記所定値を上回る場合には、前記制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に遷移させ、前記補機負荷に並列に接続されていない前記発電装置又は前記蓄電装置からも電力の供給を行う
ことを特徴とする電源システム。
【請求項９】
請求項７記載の電源システムにおいて、
前記所定条件は、前記蓄電装置のＳＯＣ値が所定ＳＯＣ値を上回る値となった場合であり、
前記制御手段は、
前記蓄電装置のＳＯＣ値が所定ＳＯＣ値を下回る値となった場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に遷移させ、前記補機負荷の電力を前記補機負荷に並列に接続されている前記発電装置又は前記蓄電装置の電力で賄うとともに、前記発電装置から前記蓄電装置に対して充電電流が流れるように制御して前記蓄電装置を充電する
ことを特徴とする電源システム。
【請求項１０】
請求項９記載の電源システムにおいて、
前記発電装置が燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックから前記蓄電装置に対して前記充電電流を流す際、前記燃料電池スタックのネット効率がピークとなる前記燃料電池スタックの発電出力により充電する
ことを特徴とする電源システム。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、
前記補機負荷には、付属品負荷及び空調機負荷が含まれる
ことを特徴とする電源システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の電源システムにおいて、
前記補機負荷として、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するエアポンプを含み、前記エアポンプは、前記燃料電池スタックに並列に接続されている
ことを特徴とする電源システム。
【請求項１３】
請求項１０記載の電源システムにおいて、
前記補機負荷として、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するエアポンプを含み、前記エアポンプは、前記蓄電装置に並列に接続されている
ことを特徴とする電源システム。
【請求項１４】
第１電源装置と、
前記第１電源装置の正極側に、負極側が接続される第２電源装置と、
下アームスイッチング素子を含み、負極側が前記第１電源装置の負極側に接続されるローサイドアームと、上アームスイッチング素子を含み、前記ローサイドアームの正極側に、負極側が接続され、正極側が前記第２電源装置の正極側に接続されるハイサイドアームと、前記ローサイドアームの正極側と前記ハイサイドアームの負極側の接続点と、前記第１電源装置の正極側と前記第２電源装置の負極側の接続点と、の間に接続されたリアクトルと、からなるＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記第１電源装置の負極側と前記第２電源装置の正極側との間に接続される１つ又は複数の負荷と、
前記第１電源装置又は前記第２電源装置の一方に並列に接続される補機負荷と、
を有する電源システムにおいて、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態及び非動作状態に制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、
当該電源システムに対する要求電力が所定値を下回る場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記第１電源装置及び前記第２電源装置の少なくとも一方の電源装置から１つ又は複数の前記負荷に電力を供給する制御を行うと共に、前記補機負荷に並列に接続されている前記第１電源装置又は前記第２電源装置の一方で前記補機負荷に電力を供給し、
当該電源システムに対する前記要求電力が前記所定値を上回る場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に遷移させ、前記補機負荷に並列に接続されていない前記第１電源装置又は前記第２電源装置からも電力の供給を行う
ことを特徴とする電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、第１電源装置と第２電源装置とが直列に接続された直列電源に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータと負荷とが接続された電源システム及び燃料電池車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池に接続された第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電装置に接続された第２ＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて車両駆動用電動機（駆動モータという。）等の負荷に電力を供給する電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記従来技術に係る電源システムにおいては、複数の電源を構成する各電源、つまり、燃料電池及び蓄電装置毎にＤＣ／ＤＣコンバータを備えることを原因として、電源システムの構成に要する費用が嵩むとともに、電源システムのサイズが大型化するという課題があり、費用の削減及びサイズの小型化が望まれていた。この課題を解決する技術が特許文献２、３に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３１８９３８号公報（図１）
【特許文献２】特開２０１０−１０４１６５号公報（図１、図３）
【特許文献３】特開２０１０−１０２９９１号公報（図１、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２、３には、燃料電池スタックと、この燃料電池スタックの正側に直列に接続された蓄電装置と、からなる直列電源に対して単一のＤＣ／ＤＣコンバータのみが並列に接続された低コストでサイズの小型化が可能な電源システムが開示されている。
【０００６】
特許文献２の図１、図３には、直列電源中、蓄電装置の正負端子間にエアポンプインバータを通じてエアポンプが接続される構成が開示され、特許文献３の図１、図３には、直列電源の正負端子間、換言すれば、バッテリの正側端子と燃料電池スタックの負側端子間にエアポンプインバータを通じてエアポンプが接続されている。
【０００７】
この発明は、このような技術を考慮してなされたものであり、特許文献１の課題に係る構成に要する費用を削減すると共にサイズを小形化し、同時に、特許文献２、３に開示された電源システムの電力効率のさらなる向上を図ることを可能とする電源システム及び燃料電池車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る電源システムは、第１電源装置と、前記第１電源装置の正極側に、負極側が接続される第２電源装置と、下アームスイッチング素子を含み、負極側が前記第１電源装置の負極側に接続されるローサイドアームと、上アームスイッチング素子を含み、前記ローサイドアームの正極側に、負極側が接続され、正極側が前記第２電源装置の正極側に接続されるハイサイドアームと、前記ローサイドアームの正極側と前記ハイサイドアームの負極側の接続点と、前記第１電源装置の正極側と前記第２電源装置の負極側の接続点と、の間に接続されたリアクトルと、からなるＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１電源装置の負極側と前記第２電源装置の正極側との間に接続される１つ又は複数の負荷と、を有する電源システムにおいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態及び非動作状態に制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記第１電源装置及び前記第２電源装置の少なくとも一方の電源装置から１つ又は複数の前記負荷に電力を供給する制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態にして、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータがスイッチングしていない状態にして、直列電源から負荷に電力を供給することができる。すなわち、直列電源のスイッチング損失をゼロに維持しつつ負荷に電力を供給することができるシステム電力効率の高い電源システムを構築することができる。
【００１０】
前記第１電源装置を発電装置、前記第２電源装置を蓄電装置に設定することができる。
【００１１】
ここで、前記発電装置の電流電圧特性と、前記蓄電装置の電流電圧特性とを、同一の電流軸及び同一の電圧軸を有する座標上に重ねたときに、両電流電圧特性が交差するように前記発電装置の電流電圧特性と前記蓄電装置の電流電圧特性とを設定することで、車両効率を向上させることができる。
【００１２】
発電装置の電圧と蓄電装置の電圧が同一となるときに、システム電力効率が最大になる。
【００１３】
この場合、前記制御手段は、前記第２電源装置のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）値が所定の目標ＳＯＣ値範囲内で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記第１電源装置と前記第２電源装置との直列電源から前記負荷に電力を供給する制御を行うようにすることで、第２電源装置のＳＯＣ値を目標ＳＯＣ値範囲に維持しつつシステム電力効率の高い電源システムを構築することができる。
【００１４】
なお、前記電源システムの１つ又は複数の前記負荷のうちの１つが駆動モータである燃料電池車両であって、前記制御手段は、前記駆動モータから回生電力の発生が予測される場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを前記非動作状態から前記動作状態に切り換えることで、動作状態となった前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記回生電力を有効に利用できる。前記第２電源装置が前記蓄電装置である場合、該蓄電装置に回生電力を効率よく充電することができ、電力効率を向上させることができる。
【００１５】
また、１つ又は複数の前記負荷が複数の前記負荷であり、前記制御手段は、所定条件下に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記直列電源から複数の前記負荷のうち、少なくとも１つの負荷に電力を供給する制御を行うことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、前記第１電源装置と前記第２電源装置の直列電源に対して並列にＤＣ／ＤＣコンバータと１又は複数の負荷とが接続される電源システムにおいて、所定条件下に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記直列電源から１又は複数の前記負荷のうち、少なくとも１つの負荷に電力を供給する制御を行うようにしたので、前記所定条件下では、スイッチング損失をゼロとして負荷に電力を供給できるので、システム電力効率を向上させることができる。
【００１７】
この場合、前記第１電源装置が発電装置、前記第２電源装置が蓄電装置であり、前記制御手段は、前記所定条件が、前記蓄電装置のＳＯＣ値が下限閾値を下回る値となった場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に制御し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの効率と前記蓄電装置の効率の合成効率がピークとなる充電電流が前記発電装置から前記蓄電装置に流れるように制御して前記蓄電装置を充電することで、蓄電装置のＳＯＣ値を目標範囲内に維持しつつ、システム電力効率を向上させることができるので、例えば燃料電池スタックが発電不能状態となっても蓄電装置により一定の範囲で負荷に電力を供給することが可能となり、電源システムの信頼性を向上させることができる。
【００１８】
なお、この発明は、１つ又は複数の前記負荷のうちの１つが駆動モータである燃料電池車両を含む。
【００１９】
さらに、前記第１電源装置又は前記第２電源装置の一方に並列に接続される補機負荷を備え、前記制御手段は、所定条件下で、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態に制御するとともに、前記補機負荷の電力を前記補機負荷に並列に接続されている前記第１電源装置又は前記第２電源装置の一方で賄うことを特徴とする。この発明によれば、所定条件下では、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング損失がゼロとなる分、システム電力効率を向上させることができる。
【００２０】
この場合、前記所定条件は、当該電源システムに対する要求電力が所定値を下回る場合であり、当該電源システムに対する前記要求電力が前記所定値を上回る場合には、前記制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に遷移させ、前記補機負荷に並列に接続されていない前記第１電源装置又は前記第２電源装置からも電力の供給を行うように制御することで、補機負荷に接続されている第１電源装置又は第２電源装置の負担を軽減することができる。
【００２１】
なお、前記第１電源装置が発電装置、前記第２電源装置が蓄電装置であり、前記制御手段は、前記蓄電装置のＳＯＣ値が所定ＳＯＣ値を下回る値となった場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作状態に遷移させ、前記補機負荷の電力を前記補機負荷に並列に接続されている前記発電装置又は前記蓄電装置の電力で賄うとともに、前記発電装置から前記蓄電装置に対して充電電流が流れるように制御して前記蓄電装置を充電するようにすることで、発電装置の電力の補助電力源としての蓄電装置の電力（補助電力）の欠乏を防止することができる。
【００２２】
また、前記発電装置が燃料電池スタックであって、該燃料電池スタックから前記蓄電装置に対して前記充電電流を流す際、前記燃料電池スタックのネット効率がピークとなる前記燃料電池スタックの発電出力により充電することが好ましい。
【００２３】
なお、前記補機負荷には、付属品負荷及び空調機負荷が含まれるようにすると、システム電力効率の高い状態で前記付属品負荷及び前記空調機負荷を動作させることができる。
【００２４】
ここで、前記第１電源装置が燃料電池スタック、前記第２電源装置が蓄電装置であり、前記補機負荷として、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するエアポンプを含み、前記エアポンプを、前記燃料電池スタックに並列に接続することで、ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態から動作状態に遷移させるときにエアポンプを動作させておくことができ、燃料電池スタックを良好に発電状態に遷移させることができる。このように、蓄電装置の放電電力をエアポンプに供給することなく、燃料電池スタックを発電させることができるため、システム電力効率が向上し、燃料電池スタックが開回路となることがないので、燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
【００２５】
また、前記第１電源装置が燃料電池スタック、前記第２電源装置が蓄電装置であり、前記補機負荷として、前記燃料電池スタックに圧縮空気を供給するエアポンプを含み、前記エアポンプは、前記蓄電装置に並列に接続することで、ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態から動作状態に遷移させるときにエアポンプを動作させておくことができ、燃料電池スタックを良好に発電状態に遷移させることができる。また、燃料電池スタックの発電を停止した状態であってＤＣ／ＤＣコンバータの非動作状態に、蓄電装置によりエアポンプを動作させることができるので、劣化制御や水滴除去のために行う反応ガスの供給を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを非動作状態にして、燃料電池スタックと蓄電装置の直列電源から負荷に電力を供給することができるように制御しているので、従来技術に比較して、電力効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施形態に係る燃料電池車両として機能する電源システムの構成図である。
【図２】図１例の電源システムの詳細構成図である。
【図３】図３Ａは、ＥＶモード走行時におけるリアクトルへのエネルギ蓄積状態の説明図、図３Ｂは、ＥＶモード走行時におけるリアクトルからのエネルギ放出状態の説明図である。
【図４】図４Ａは、ＦＣモード走行時におけるリアクトルへのエネルギ蓄積状態の説明図、図４Ｂは、ＦＣモード走行時におけるリアクトルからのエネルギ放出状態の説明図である。
【図５】図５Ａは、ＦＣスタック非発電状態における回生モード走行時のリアクトルへのエネルギ蓄積状態の説明図、図５Ｂは、ＦＣスタック非発電状態における回生モード走行時におけるリアクトルからのエネルギ放出状態の説明図である。
【図６】図６Ａは、ＦＣスタック発電状態における回生モード走行時のリアクトルへのエネルギ蓄積状態の説明図、図６Ｂは、ＦＣスタック発電状態における回生モード走行時におけるリアクトルからのエネルギ放出状態の説明図である。
【図７】ＯＦＦモード走行時の力行状態の説明図である。
【図８】ＦＣスタックとバッテリのＩＶ特性を重ねて示す説明図である。
【図９】ＦＣスタックとバッテリの電圧比バランスに対する損失と効率の説明図である。
【図１０】ＦＣスタックの動作点とバッテリの動作点とＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングデューティと負荷の総消費電力との対応関係を示す特性図である。
【図１１】第１実施例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図１２】ＳＯＣ値範囲と状態遷移の対応説明図である。
【図１３】ＳＯＣ値とコンバータ電流値との対応説明図である。
【図１４】ＳＯＣ値が多めの場合のコンバータ制御の説明図である。
【図１５】ＳＯＣ値が多めの場合の回生期待値と補正係数との関係説明図である。
【図１６】ＳＯＣ値が少なめの場合のコンバータ制御の説明図である。
【図１７】ＳＯＣ値が少なめの場合の回生期待値と補正係数との関係説明図である。
【図１８】コンバータ電流値とコンバータ損失との関係説明図である。
【図１９】図１９Ａは、第１実施例に係る電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータのＯＦＦモードでの動作説明図、図１９Ｂは、第１実施例の変形例に係る電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータのＯＦＦモードでの動作説明図である。
【図２０】図２０Ａは、バッテリ出力に対するバッテリ損失の説明図、図２０Ｂは、ＦＣ出力に対するＦＣ損失の説明図、図２０Ｃは、電力の割合が異なるＦＣスタックとバッテリの合計出力に対する損失の関係説明図である。
【図２１】第１実施例の動作イメージの説明に供されるタイムチャートである。
【図２２】第２実施例の電源システムの基本構成図である。
【図２３】第２実施例の第２負荷の具体例１の説明図である。
【図２４】第２実施例の第２負荷の具体例２の説明図である。
【図２５】第２実施例の第２負荷の具体例３の説明図である。
【図２６】第２実施例の第２負荷の具体例４の説明図である。
【図２７】第２実施例の第２負荷の具体例５の説明図である。
【図２８】第２実施例の第２負荷の具体例６の説明図である。
【図２９】第２実施例の第２負荷の具体例７の説明図である。
【図３０】第２実施例の第２負荷の具体例８の説明図である。
【図３１】第２実施例の第２負荷の具体例９の説明図である。
【図３２】第２実施例に係る電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータのＯＦＦモードでの動作説明図である。
【図３３】図３３Ａ、図３３Ｂは、第２実施例に係る電源システムの充電モードでの動作説明図である。
【図３４】図３４Ａは、コンバータ電流に対するコンバータ効率を示す特性図、図３４Ｂは、充電電流に対する充電効率を示す特性図、図３４Ｃは、充電電流に対する総合効率を示す特性図である。
【図３５】第２実施例に係る電源システムの動作説明に供されるフローチャートである。
【図３６】第２実施例に係る電源システムの動作説明に供される燃料電池の発電電流・発電電圧特性図である。
【図３７】第２実施例に係る電源システムの動作説明に供されるタイムチャートである。
【図３８】第３実施例の電源システムの基本構成図である。
【図３９】第３実施例の第２負荷の具体例１の説明図である。
【図４０】第３実施例の第２負荷の具体例２の説明図である。
【図４１】第３実施例の第２負荷の具体例３の説明図である。
【図４２】第３実施例の第２負荷の具体例４の説明図である。
【図４３】第３実施例の第２負荷の具体例５の説明図である。
【図４４】第３実施例の第２負荷の具体例６の説明図である。
【図４５】第３実施例の第２負荷の具体例７の説明図である。
【図４６】第３実施例の第２負荷の具体例８の説明図である。
【図４７】第３実施例の第２負荷の具体例９の説明図である。
【図４８】第３実施例に係る電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータのＯＦＦモードでの動作説明図である。
【図４９】図４９Ａ、図４９Ｂは、第３実施例に係る電源システムの放電モードでの動作説明図である。
【図５０】図５０Ａ、図５０Ｂは、第３実施例に係る電源システムの充電モードでの動作説明図である。
【図５１】第３実施例に係る電源システムの動作説明に供されるフローチャートである。
【図５２】第３実施例に係る電源システムの動作説明に供されるＳＯＣ値に対する補正係数の説明図である。
【図５３】第３実施例に係る電源システムの動作説明に供されるタイムチャートである。
【図５４】第３実施例の変形例の電源システムの基本構成図である。
【図５５】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例１の説明図である。
【図５６】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例２の説明図である。
【図５７】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例３の説明図である。
【図５８】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例４の説明図である。
【図５９】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例５の説明図である。
【図６０】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例６の説明図である。
【図６１】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例７の説明図である。
【図６２】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例８の説明図である。
【図６３】第３実施例の変形例の第２負荷の具体例９の説明図である。
【図６４】第３実施例の変形例に係る電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータのＯＦＦモードでの動作説明図である。
【図６５】図６５Ａ、図６５Ｂは、第３実施例の変形例に係る電源システムの放電モードでの動作説明図である。
【図６６】図６６Ａ、図６６Ｂは、第３実施例の変形例に係る電源システムの充電モードでの動作説明図である。
【図６７】第３実施例の変形例に係る電源システムの動作説明に供されるフローチャートである。
【図６８】第３実施例の変形例に係る電源システムの動作説明に供される発電電流に対するネット効率の説明図である。
【図６９】第３実施例の変形例に係る電源システムの動作説明に供されるタイムチャートである。
【図７０】バッテリ電圧とＦＣ電圧を等価にする際のセル数選択の説明図である。
【図７１】ＦＣスタックとバッテリとがそれぞれ２並列の場合の電源システムの構成図である。
【図７２】図７１例の電源システムでのセル数選択の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、この発明の実施形態に係る電源システム及び燃料電池車両について添付図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１に示すように、この実施形態に係る電源システム１０は、逆流防止用のダイオード１１１が接続された第１電源装置としての燃料電池スタック（ＦＣスタック、ＦＣ、又は燃料電池ともいう。）１１（発電装置）と、第２電源装置としてのバッテリ１２（蓄電装置）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、を含む電源装置１００と、負荷１０３とを備えて構成されている。負荷１０３は、モータ負荷１０１とエアポンプ負荷１０２とを備えて構成される。モータ負荷１０１は、駆動モータインバータ１５と駆動モータ２２とを備えて構成され、エアポンプ負荷１０２は、エアポンプインバータ１４とエアポンプ２１とを備えて構成されている。
【００３０】
この実施形態に係る電源システム１０は、負荷１０３に車両駆動用の駆動モータ２２を含むように構成しているので、燃料電池車両として機能する。
【００３１】
電源装置１００は、燃料電池車両としての電源システム１０に具備され、この燃料電池車両としての電源システム１０は、より詳細には、図２に示すように、さらに、制御装置２５と、発電電流Ｉｆｃを検出する出力電流センサ２７と、駆動モータ２２のＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、及びＷ相電流Ｉｗを検出する相電流センサ２８と、駆動モータ２２の角度センサ２９と、バッテリ１２のＳＯＣ値を検出して出力するＳＯＣセンサ１０６と、バッテリ電流Ｉｂとバッテリ電圧Ｖｂを出力する電流・電圧センサ１０８と、ＦＣスタック１１を構成するセルの各セル電圧Ｖｃｅｌｌと、合成電圧である燃料電池電圧Ｖｆｃを出力する電圧センサ１１０（セル電圧センサ及び合成電圧センサ）とを備えて構成されている。
【００３２】
ＦＣ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、アノード触媒及びガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒及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。
【００３３】
ＦＣ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）である圧縮空気がエアポンプ２１（反応ガス供給手段）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：反応ガス供給手段）から供給されている。
【００３４】
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アノードから外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。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。
【００３５】
エアポンプ２１は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとしてＦＣスタック１１のカソードに供給する。このエアポンプ２１を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２５から出力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータ等からなるエアポンプインバータ１４により制御されている。
【００３６】
電源システム１０では、リチウムイオン電池等のバッテリ１２に代わる蓄電装置として、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなるキャパシタを備えてもよい。
【００３７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、例えばチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、図２に示すように、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  ｍｏｄｅ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がブリッジ接続されてなる３相のブリッジ回路３１と、３相のリアクトル３２と、平滑コンデンサ３３とを備えて構成されている。
【００３８】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を簡略化して示す図１においては、３相のうち１相分のみのスイッチング素子とリアクトル３２のみを図示している。
【００３９】
ブリッジ回路３１は、３相の駆動モータインバータ１５を構成する３相のブリッジ回路５１と構成が同様であって、例えば各相毎に対となっているハイ側（ハイサイド）及びロー側（ローサイド）トランジスタＡＨ、ＡＬと、ハイ側及びロー側トランジスタＢＨ、ＢＬと、ハイ側及びロー側トランジスタＣＨ、ＣＬとがブリッジ接続されている。そして、各トランジスタＡＨ、ＢＨ、ＣＨ（上アームスイッチング素子）はコレクタが２次側正極端子Ｐ２に接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＡＬ、ＢＬ、ＣＬ（下アームスイッチング素子）はエミッタが２次側負極端子Ｎ２に接続されてローサイドアームを構成している。そして、各相毎に、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ、ＢＨ、ＣＨのエミッタはローサイドアームの各トランジスタＡＬ、ＢＬ、ＣＬのコレクタに接続され、各トランジスタＡＨ、ＡＬ、ＢＨ、ＢＬ、ＣＨ、ＣＬのコレクタ−エミッタ間には、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、各ダイオードＤＡＨ、ＤＡＬ、ＤＢＨ、ＤＢＬ、ＤＣＨ、ＤＣＬが接続されている。
【００４０】
このブリッジ回路３１は、制御装置２５から出力されて各トランジスタ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、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ、ＢＨ、ＣＨがオン且つローサイドアームの各トランジスタＡＬ、ＢＬ、ＣＬがオフとなる状態と、ハイサイドアームの各トランジスタＡＨ、ＢＨ、ＣＨがオフ且つローサイドアームの各トランジスタＡＬ、ＢＬ、ＣＬがオンとなる状態とが、交互に切り替えられる。
【００４１】
平滑コンデンサ３３は、２次側正極端子Ｐ２及び２次側負極端子Ｎ２間に接続されている。
【００４２】
３相のリアクトル３２は、各リアクトル３２の一端がブリッジ回路３１の各相毎のコレクタ−エミッタ間、つまり各トランジスタＡＨ、ＡＬのコレクタ−エミッタ間及び各トランジスタＢＨ、ＢＬのコレクタ−エミッタ間及び各トランジスタＣＨ、ＣＬのコレクタ−エミッタ間のそれぞれに接続され、各リアクトル３２の他端は互いに１次側正極端子Ｐ１に接続されている。
【００４３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、図２に示すように、電位の異なる３つの各ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３（例えば、Ｌ１の電位＞Ｌ２の電位＞Ｌ３の電位）に対して、１次側が第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続され、２次側が第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されている。つまり、第１ラインＬ１は２次側正極端子Ｐ２に接続され、第２ラインＬ２は１次側正極端子Ｐ１に接続され、第３ラインＬ３は１次側負極端子Ｎ１及び２次側負極端子Ｎ２に接続されている。
【００４４】
この発明は、１相のみのスイッチング素子と１個のリアクトルからなる１相のＤＣ／ＤＣコンバータにより実施することもできる。そこで、以下の説明では、理解の便宜のために、基本的には、図１に示す１相のＤＣ／ＤＣコンバータ１３であるものとして説明する。
【００４５】
すなわち、図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、トランジスタＬＴとダイオードＬＤを含むローサイドアームＬＡと、このローサイドアームＬＡに直列に接続され、トランジスタＨＴとダイオードＨＤを含むハイサイドアームＨＡと、ローサイドアームＬＡとハイサイドアームＨＡとの直列接続点とＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列接続点との間に接続されたリアクトル３２とを備えて構成されるものとする。
【００４６】
このＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、昇圧モードによる負荷１０３の駆動モードとして、（１）バッテリ１２のみによる駆動モード｛ＥＶ（電動車両）モードともいう。｝、（２）ＦＣスタック１１のみによる駆動モード｛便宜的にＦＣモード又はＦＣ駆動モードという。｝、及び（３）バッテリ１２及びＦＣスタック１１による駆動モード｛便宜的にＨＶ（Ｈｙｂｒｉｄ）モード又はＨＶ駆動モードという。｝の各駆動モードに制御装置２５により切り換えられる。
【００４７】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、（４）制御装置２５によりオフ状態に切り換えられ（便宜的にＯＦＦモード、又はＯＦＦ駆動モードという。）、このとき、負荷１０３は、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２（電圧は、Ｖｆｃ＋Ｖｂ）により駆動される。
【００４８】
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、（５）負荷１０３を構成する駆動モータ２２（エアポンプ２１が電動機式である場合にはその回生電力も含む）の回生電力をバッテリ１２に充電させる降圧モードで制御装置２５により動作される（回生モードという。）。
【００４９】
ＥＶモード（昇圧モード）では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の１次側電圧はバッテリ１２の出力電圧（バッテリ電圧）Ｖｂとされ、昇圧された２次側電圧Ｖ２（Ｖ２＝Ｖｍ）が、駆動モータインバータ１５の入力側に印加される。
【００５０】
ＦＣモード（昇圧モード）では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の１次側電圧は、ＦＣスタック１１の出力電圧Ｖｆｃとされ、昇圧された２次側電圧Ｖ２が、駆動モータインバータ１５の入力側に印加される。
【００５１】
ＨＶモード（昇圧モード）では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の１次側電圧は、バッテリ１２の出力電圧Ｖｂ又はＦＣスタック１１の出力電圧Ｖｆｃが適宜切り換えられ、昇圧された２次側電圧Ｖ２が駆動モータインバータ１５の入力側に印加される。
【００５２】
ＯＦＦモード（直列電源モード）では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、スイッチングしないオフ状態とされ、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２の直列電圧（Ｖｆｃ＋Ｖｂａｔ）が駆動モータインバータ１５の入力側に２次電圧Ｖ２（Ｖ２＝Ｖｆｃ＋Ｖｂ、正確には、ダイオード１１１の順方向電圧をＶｄとすると、Ｖ２＝Ｖｆｃ＋Ｖｂ＋Ｖｄ）として印加される。
【００５３】
回生モード（降圧モード）では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、駆動モータ２２で発生した回生電圧が駆動モータインバータ１５により直流の回生電圧とされ、この直流の回生電圧をバッテリ電圧Ｖｂまで降圧してバッテリ１２に印加する。
【００５４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の動作（昇圧動作、降圧動作、ＯＦＦ動作）について詳しく説明する。
【００５５】
ＥＶモード時には、ＦＣスタック１１が非発電状態（停止状態）において、図３Ａに示すように、制御装置２５により、まず、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオン（ＯＮ）且つローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオフ（ＯＦＦ）とされ、バッテリ１２から入力される電流によってリアクトル３２が直流励磁されて磁気エネルギが蓄積される一方、平滑コンデンサ３３に蓄積されているエネルギ（電力）が負荷１０３に供給される。
【００５６】
次に、図３Ｂに示すように、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフ（ＯＦＦ）とされ、リアクトル３２に流れる電流が遮断されることを原因とする磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル３２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、リアクトル３２に蓄積された磁気エネルギによる誘導電圧がバッテリ１２の出力電圧Ｖｂに上積みされて１次側の入力電圧、すなわちバッテリ電圧Ｖｂよりも高い昇圧電圧が２次側である負荷１０３及び平滑コンデンサ３３に印加される。この切換動作に伴って発生する電圧変動は平滑コンデンサ３３により平滑化され、平滑後の昇圧電圧が２次側から出力され、負荷１０３に印加され電力として供給される。
【００５７】
ＦＣモード時には、バッテリ１２から負荷１０３に対して電力が供給されることなく、図４Ａに示すように、制御装置２５により、まず、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフ且つローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオンとされ、ＦＣスタック１１から入力される電流によってリアクトル３２が直流励磁されて磁気エネルギが蓄積される一方、平滑コンデンサ３３に蓄積されているエネルギ（電力）が負荷１０３に供給される。
【００５８】
次に、図４Ｂに示すように、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフとされ、リアクトル３２に流れる電流が遮断されることを原因とする磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル３２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生し、リアクトル３２に蓄積された磁気エネルギによる誘導電圧がＦＣスタック１１の電圧Ｖｆｃに上積みされて１次側の入力電圧、すなわちＦＣ電圧Ｖｆｃよりも高い昇圧電圧が２次側である負荷１０３及び平滑コンデンサ３３に印加される。この切換動作に伴って発生する電圧変動は平滑コンデンサ３３により平滑化され、平滑後の昇圧電圧が２次側から出力され、負荷１０３に印加され電力として供給される。
【００５９】
ＨＶモード時には、制御装置２５により、図３Ａ、図３ＢのＥＶモードと図４Ａ、図４ＢのＦＣモードが適宜切り換えられて負荷１０３に電力が供給される。
【００６０】
ＥＶモード時の回生モード時には、例えば駆動モータ２２の回生時等における２次側から１次側への回生動作時には、図５Ａに示すように、制御装置２５により、まず、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフ且つローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオンとされ、２次側から入力される電流によってリアクトル３２が直流励磁されて磁気エネルギが蓄積されるとともに、バッテリ１２が充電される。
【００６１】
次に、図５Ｂに示すように、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオン且つローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオフとされ、リアクトル３２に流れる電流が遮断されることを原因とする磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル３２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。このリアクトル３２に蓄積された磁気エネルギによる誘導電圧は、ハイサイドアームＨＡのダイオードＨＤを通じて、バッテリ１２に充電される。なお、降圧電圧は、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴのデューティ比Ｄ｛オン期間／（オン期間＋オフ期間）｝によって決定される（Ｖｂ＝Ｄ×Ｖｍ、Ｖｍは、モータ電圧であり、２次側電圧Ｖ２に等しい。）。ここでのＰＷＭ制御では、周波数（周期）が一定ｆｐｗｍ（１／ｆｐｗｍ＝２π）としている。よって、例えば、バッテリ電圧Ｖｂが一定と考えれば、２次側電圧Ｖ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のデューティ比Ｄにより決定することができる。
【００６２】
ＦＣモード（ＨＶモード）時の回生モード時において、ＦＣスタック１１の発電が継続されている場合には、図６Ａ、図６Ｂに示すように、駆動モータ２２に係る負荷１０３からの回生電力とともにＦＣスタック１１の余剰電力が平滑コンデンサ３３の充放電を介してバッテリ１２に充電されるように制御される。
【００６３】
ＯＦＦモードは、図７に示すように、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフとされるので、リアクトル３２に電流が流れない。負荷１０３には、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２（直列電池回路）から負荷電流ＩＬ（ＩＬ＝Ｉｆｃ＝Ｉｂ）として電力が供給される。
【００６４】
上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、制御装置２５から出力されて各トランジスタ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、例えばＰＷＭ信号の１周期２πにおけるハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴのオンの比率として定義されるスイッチングデューティに応じて、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴとローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴとのオン／オフを切り換える。
【００６５】
なお、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴと、ローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴとは、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が設けられている。
【００６６】
ＦＣスタック１１は、正極側及び負極側に配置されたコンタクタ５６とコンデンサ１１ｂとを介して第２ラインＬ２と第３ラインＬ３とに接続され、バッテリ１２は正極側及び負極側に配置されたコンタクタ５４を介して第１ラインＬ１と第２ラインＬ２とに接続されている。これにより、第１ラインＬ１と第３ラインＬ３との間でＦＣスタック１１とバッテリ１２とは直列に接続されて直列電源５２（直列接続直流電源、高電圧直流電源、直列電池回路）を形成している。
【００６７】
第１ラインＬ１及び第３ラインＬ３から負荷（例えば、駆動モータ２２等）に電力が出力されるようにして第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とは駆動モータインバータ１５に接続されている。
【００６８】
図１及び図２に示すように、エアポンプ２１の駆動回路であるエアポンプインバータ１４は第１ラインＬ１と第３ラインＬ３とに接続されている。
【００６９】
３相の駆動モータ２２の駆動回路としての駆動モータインバータ１５は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  ｍｏｄｅ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がブリッジ接続されてなる３相のブリッジ回路５１を備えて構成されている。
【００７０】
ブリッジ回路５１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を構成する３相のブリッジ回路３１と同様に結線され、各相毎に対をなすハイ側及びロー側Ｕ相トランジスタＵＨ、ＵＬと、ハイ側及びロー側Ｖ相トランジスタＶＨ、ＶＬと、ハイ側及びロー側Ｗ相トランジスタＷＨ、ＷＬとがブリッジ接続されている。そして、各トランジスタＵＨ、ＶＨ、ＷＨはコレクタがＤＣ／ＤＣコンバータ１３の２次側正極端子Ｐ２に接続されてハイサイドアームＨＡを構成し、各トランジスタＵＬ、ＶＬ、ＷＬはエミッタがＤＣ／ＤＣコンバータ１３の２次側負極端子Ｎ２に接続されてローサイドアームＬＡを構成している。そして、各相毎に、ハイサイドアームＨＡの各トランジスタＵＨ、ＶＨ、ＷＨのエミッタはローサイドアームＬＡの各トランジスタＵＬ、ＶＬ、ＷＬのコレクタに接続され、各トランジスタＵＨ、ＵＬ、ＶＨ、ＶＬ、ＷＨ、ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、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、各ダイオードＤＵＨ、ＤＵＬ、ＤＶＨ、ＤＶＬ、ＤＷＨ、ＤＷＬが接続されている。
【００７１】
この駆動モータインバータ１５は、制御装置２５から出力されてブリッジ回路５１の各トランジスタ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、例えば駆動モータ２２の駆動時には、各相毎に対をなす各トランジスタのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り替えることによって、電源システム１０から出力される直流電力を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Ｕ相電流Ｉｕ及びＶ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗを通電する。一方、例えば駆動モータ２２の回生時には、駆動モータ２２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、バッテリ１２の充電及びＤＣ／ＤＣコンバータ１３に接続された負荷１０２に対する給電等を行う。
【００７２】
なお、駆動モータ２２は、ブラシレス永久磁石式同期モータとされており、駆動モータインバータ１５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駆動モータ２２側に駆動力が伝達されると、駆動モータ２２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を電気エネルギとして回収する。
【００７３】
制御装置２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティを制御するデューティ制御をおこなうとともに、駆動モータインバータ１５の電力変換動作を制御する。
【００７４】
制御装置２５には、ＦＣスタック１１の出力電流Ｉｆｃを検出する出力電流センサ２７と、駆動モータインバータ１５と駆動モータ２２との間において３相の各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する相電流センサ２８と、駆動モータ２２の回転子の回転角（つまり、所定の基準回転位置からの回転子の磁極の回転角度であって、駆動モータ２２の回転軸の回転位置）を検出する角度センサ２９との各センサから出力される検出信号等が入力されている。
【００７５】
制御装置２５は、消費電力算出部６１と、目標電力配分設定部６２と、目標電流設定部６３と、デューティ制御部６４と、駆動モータ制御部６５とを備えて構成されている。
【００７６】
消費電力算出部６１は、電源システム１０から電力が供給される負荷１０３（例えば、電源システム１０の外部の負荷である駆動モータ２２及び車両用補機等、及び電源システム１０の内部の負荷であるエアポンプインバータ１４等）の総消費電力（要求電力）を算出する。
【００７７】
目標電力配分設定部６２は、例えば駆動モータ２２の駆動時においては、ＦＣスタック１１の状態（例えば、発電指令に応じたＦＣスタック１１の状態変化の変化率等）と、バッテリ１２の残容量ＳＯＣ値と等に基づき、電源システム１０の直流電源５２を形成するＦＣスタック１１とバッテリ１２との電力配分、つまり消費電力算出部６１により算出された総消費電力をＦＣスタック１１から出力される電力とバッテリ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。
【００７８】
例えば駆動モータ２２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（つまり、ＰＷＭ信号の１周期２πにおけるハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴのオンの比率）に応じた値となり、スイッチングデューティＤはＦＣスタック１１の電圧（Ｖｆｃ）とバッテリ１２の電圧（Ｖｂ）とにより以下に示すように記述される。
Ｄ＝Ｖｆｃ／（Ｖｆｃ＋Ｖｂ）
【００７９】
これにより、以下に示すようにスイッチングデューティＤによってＦＣスタック１１の電圧（Ｖｆｃ）とバッテリ１２の電圧（Ｖｂ）との比が記述される。
Ｖｂ／Ｖｆｃ＝（１−Ｄ）／Ｄ
【００８０】
ＦＣスタック１１の電圧（Ｖｆｃ）とバッテリ１２の電圧（Ｖｂ）とは、例えば図８に示すように、それぞれＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）及び電力とバッテリ１２の電流（Ｉｂ）及び電力と所定の対応関係（それぞれ、ＩＶ特性１２０、ＩＶ特性１２２という。）を有することから、スイッチングデューティＤにより、ＦＣスタック１１の動作点（例えば、電圧又は電流又は電力）とバッテリ１２の動作点（例えば、電圧又は電流又は電力）との比が記述される。
【００８１】
この場合、ＦＣスタック１１のＩＶ（電流電圧）特性１２０と、バッテリ１２のＩＶ（電流電圧）特性１２２とを、図８に示すように、同一の電流軸及び同一の電圧軸を有する座標上に重ねたときに、両電流電圧特性１２０、１２２が交差するようにＦＣスタック１１のＩＶ特性１２０とバッテリ１２のＩＶ特性１２２とを設定する。
【００８２】
そうすると、後に、図２０Ａ〜図２０Ｃを参照して詳しく説明するが、図９に示すように、電圧比がＦＣスタック１１のＦＣ電圧Ｖｆｃとバッテリ１２のバッテリ電圧Ｖｂとの比が５：５近傍で最もバッテリ１２とＦＣスタック１１との合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓ［ｋＷ］が少なくなり、システム電力効率Ｐｓｕｍη［％］が高くなる。なお、図９において、横軸は、バッテリ電圧ＶｂとＦＣ電圧Ｖｆｃとの直列電圧を、仮に１０［Ｖ］と分かり易く設定したときのバッテリ電圧Ｖｂａｔを示している。ＦＣ電圧Ｖｆｃとバッテリ１２のバッテリ電圧Ｖｂとの電圧配分（電圧比）が５：５から、４：６あるいは６：４と離れていくに従い合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓが増加し、合計効率Ｐｓｕｍηが低下する点に留意する必要がある。
【００８３】
また、目標電力配分設定部６２は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、ＦＣスタック１１の状態（例えば、発電指令に応じたＦＣスタック１１の状態変化の変化率等）と、バッテリ１２のＳＯＣ値（残容量）と、駆動モータ２２の回生電力と等に基づき、ＦＣスタック１１と駆動モータインバータ１５との電力供給側の電力配分、及び、バッテリ１２と負荷（例えば、車両用補機及びエアポンプインバータ１４等）との電力受給側の電力配分を設定する。
【００８４】
目標電流設定部６３は、駆動モータ２２の駆動時においては、スイッチングデューティＤにより、ＦＣスタック１１の動作点（例えば、電圧又は電流又は電力）とバッテリ１２の動作点（例えば、電圧又は電流又は電力）との比が記述されることから、ＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤと負荷１０３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、ＦＣスタック１１の出力電流Ｉｆｃに対する目標電流を取得する。
【００８５】
この所定マップは、例えば図１０に示すように、ＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とを直交座標とする２次元座標上において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤの複数の値毎に対して設定されたＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係（Ｄ（１）、…、Ｄ（ｋ）、…）と、負荷１０３の総消費電力の複数の値毎に対して設定されたＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係（Ｐ（１）、…、Ｐ（ｋ）、…）とを備えている。
【００８６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤの複数の値毎に対して設定された対応関係では、スイッチングデューティＤに応じた比率でＦＣスタック１１の動作点の増大に伴いバッテリ１２の動作点が増大傾向に変化するように設定されている。
【００８７】
また、負荷１０３の総消費電力の複数の値毎に対して設定されたＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点との対応関係では、ＦＣスタック１１の動作点に応じた電力とバッテリ１２の動作点に応じた電力との和が負荷１０３の総消費電力と等しくなるような動作点の組み合わせが設定されている。
【００８８】
目標電流設定部６３は、ＦＣスタック１１の動作点とバッテリ１２の動作点とを直交座標とする２次元座標上において、消費電力算出部６１により算出された負荷の総消費電力に応じた対応関係Ｐ（ｋ）と目標電力配分設定部６２により設定された電力配分に応じたＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤに応じた対応関係Ｄ（ｋ）との交点をＦＣスタック１１及びバッテリ１２の動作点とし、この動作点に応じたＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）を目標電流として出力する。
【００８９】
また、目標電流設定部６３は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、目標電力配分設定部６２により設定された電力配分に応じて、ＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流として零あるいは正の値を出力する。
【００９０】
デューティ制御部６４は、ＦＣスタック１１とバッテリ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６２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、例えば出力電流センサ２７から出力されるＦＣスタック１１の出力電流Ｉｆｃの検出値が目標電流設定部６３から出力されるＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流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Ｄを制御する。
【００９１】
デューティ制御部６４は、例えば、電流偏差算出部７１と、フィードバック処理部７２と、ＰＷＭ信号生成部７３とを備えて構成されている。
【００９２】
電流偏差算出部７１は、出力電流センサ２７から出力されるＦＣスタック１１の出力電流Ｉｆｃの検出値と、目標電流設定部６３から出力されるＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流との電流偏差を算出して出力する。
【００９３】
フィードバック処理部７２は、例えばＰＩＤ（比例積分微分）動作により、電流偏差算出部７１から出力される電流偏差を制御増幅して電圧指令値を算出する。
【００９４】
ＰＷＭ信号生成部７３は、フィードバック処理部７２から出力される電圧指令値に応じた出力電流ＩｆｃをＦＣスタック１１から出力するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴをオン／オフ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。
【００９５】
駆動モータ制御部６５は、例えば駆動モータ２２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）を行うものであり、運転者のアクセル操作及び駆動モータ２２の回転数等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Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出し、各相出力電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに応じて駆動モータインバータ１５のブリッジ回路５１へゲート信号であるＰＷＭ信号を入力すると共に、実際に駆動モータインバータ１５から駆動モータ２２に供給される各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ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。
【００９６】
また、駆動モータ制御部６５は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、角度センサ２９から出力される駆動モータ２２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に応じて駆動モータインバータ１５のブリッジ回路５１の各トランジスタをオン／オフ駆動させ、駆動モータ制御部６５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６５は、ブリッジ回路５１の各トランジスタをオン／オフ駆動させるゲート信号のデューティに応じた回生電圧のフィードバック制御をおこない、所定の電圧値を駆動モータインバータ１５の１次側つまりＤＣ／ＤＣコンバータ１３の２次側正極端子Ｐ２と２次側負極端子Ｎ２との間に出力する。
【００９７】
つまり、制御装置２５は、例えば駆動モータ２２の駆動時（力行時）においては、ＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の検出値が目標電流と一致するようにしてフィードバック制御をおこなうことによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤを制御することにより電源システム１０の動作モードを、ＥＶモード、ＦＣモード、ＨＶモード、又はＯＦＦモードのうちの１つの選択しながら連続的に制御する。
【００９８】
例えばＤＣ／ＤＣコンバータ１３の昇圧比が２〜３程度の値となる状態で、スイッチングデューティＤが最大となる電源システム１０の動作モードは、バッテリ１２の出力のみが駆動モータインバータ１５及びエアポンプインバータ１４に供給されるＥＶモードとされる。
【００９９】
そして、ＥＶモードからスイッチングデューティＤが低下傾向に変化することに伴い、電源システム１０の動作モードは、ＨＶモードに推移する。
【０１００】
さらに、スイッチングデューティＤが最小まで低下傾向に変化することに伴い、電源システム１０の動作モードは、ＦＣモードに推移する。
【０１０１】
また、制御装置２５は、例えば駆動モータ２２の回生時においては、ＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の検出値が目標電流（零あるいは正の値）と一致するようにしてフィードバック制御をおこなうとともに、回生電圧のフィードバック制御をおこなうことによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチングデューティＤを制御する。例えばＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流が零とされる電源システム１０の動作モードは、駆動モータインバータ１５の回生電力によりバッテリ１２が充電される回生モード（図５Ａ、図５Ｂ）となる。
【０１０２】
また、例えばＦＣスタック１１の電流（出力電流Ｉｆｃ）の目標電流が正の値とされる電源システム１０の動作モードは、駆動モータインバータ１５の回生電力及びＦＣスタック１１の出力がエアポンプインバータ１４及びバッテリ１２に供給されてバッテリ１２が充電される回生モード（図６Ａ、図６Ｂ）となる。
【０１０３】
なお、制御装置２５は、例えば、燃料電池車両の運転状態や、ＦＣ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（水素ストイキ比）や、ＦＣ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、ＦＣスタック１１のカソードに供給される反応ガスに含まれる酸素の濃度（酸素ストイキ比）や、ＦＣスタック１１のカソードから排出される排出ガスに含まれる酸素の濃度や、ＦＣ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、ＦＣスタック１１の電圧Ｖｆｃや、ＦＣスタック１１の出力電流Ｉｆｃや、ＦＣスタック１１の内部温度等に基づき、ＦＣスタック１１へ供給される反応ガスの圧力及び流量に対する指令値を出力し、ＦＣスタック１１の発電状態を制御する。
【０１０４】
また、制御装置２５は、ＦＣスタック１１の発電状態等に応じてコンタクタ５６のオン／オフを切り換え、ＦＣスタック１１と第２ラインＬ２及び第３ラインＬ３との接続を制御する。
【０１０５】
さらに、制御装置２５は、バッテリ１２のＳＯＣ値等に応じてコンタクタ５４のオン／オフを切り換え、バッテリ１２と第１ラインＬ１及び第２ラインＬ２との接続を制御する。
【０１０６】
上述したように、この発明の実施形態による電源システム１０によれば、ＦＣスタック１１とバッテリ１２とが直列に接続されてなる直列電源５２に対して単一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３を備えるだけで複数の動作モードを切り換えることができ、例えばＦＣスタック１１とバッテリ１２毎に個別にＤＣ／ＤＣコンバータを備える場合に比べて、構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化することができる。
【０１０７】
さらに、この発明の実施形態による燃料電池車両の電源システム１０によれば、単一のＤＣ／ＤＣコンバータ１３のみを備えることで電源システム１０の構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化することができることに加えて、ＦＣスタック１１とバッテリ１２とが直列に接続されることから、例えばＦＣスタック１１とバッテリ１２とが並列に接続される場合に比べて、駆動モータインバータ１５の動作電圧を増大させ、且つ、電流を低下させることができ、駆動モータ２２及び駆動モータインバータ１５のサイズを小型化することができると共に運転効率を向上させることができ、燃料電池車両の電源システム１０の構成に要する費用を削減すると共にサイズを小型化することができる。
【０１０８】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の異常時（例えば、開放故障時等）であっても、直列電源５２から駆動モータインバータ１５に電源を供給することができ、燃料電池車両を走行させることができる。
【０１０９】
［第１実施例］
次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のＯＦＦモードを有効に利用する第１実施例の動作について、制御装置２５により実行される図１１のフローチャートを参照しながら説明する。
【０１１０】
ステップＳ１１において、燃料電池車両として機能している電源システム１０がアイドル停止中では無いか否かが判定される。燃料電池車両として機能している電源システム１０がアイドル停止中では無いか否かの判定は、基本的には、要求負荷が所定値以上（駆動モータ２２の消費電力が、所定電力消費量以上）であって、且つ車速が所定値以上である場合には、アイドル停止中では無いと判定される（ステップＳ１１：ＹＥＳ）。
【０１１１】
次に、ステップＳ１２において、燃料電池車両として機能している電源システム１０が回生中では無いか否かが判定される。回生中で無いか否かの判定は、例えば、各相電流センサ２８に流れる各相電流の向きと大きさによって各相電流の向きが力行中の向き（ハイサイドトランジスタから駆動モータ２２を通じてローサイドトランジスタに流れる向き）か否か（回生中の向き、すなわちローサイドダイオードから駆動モータ２２を通じてハイサイドダイオードに流れる向き）により判定することができる。
【０１１２】
回生中では無いと判定した場合には（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、ステップＳ１３において、ＦＣスタック１１が発電可能状態にあるか否かを判定する。ＦＣスタック１１が発電可能状態にあるか否かは、例えば、ＥＶモードによる走行中であってＦＣスタック１１での発電停止中である場合には発電可能状態ではないと判定される（ステップＳ１３：ＮＯ）。ＦＣスタック１１の起動時であって暖機が十分ではない場合にも発電可能状態ではないと判定される（ステップＳ１３：ＮＯ）。すなわち、発電継続中（燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、ＦＣスタック１１から出力電流（発電電流）Ｉｆｃが引かれている状態）である場合に発電可能状態にあると判定する（ステップＳ１３：ＹＥＳ）。
【０１１３】
発電可能状態にある場合には、ステップＳ１４、Ｓ１５、Ｓ１６において、バッテリ１２のＳＯＣ値が判定される。
【０１１４】
バッテリ１２の充電状態は、図１２に示すように、予め決定されている。例えば、ＳＯＣ値（充電状態、残容量）が５０［％］の中央値（目標ＳＯＣ値）にあることが蓄電量の最適値とされ、中央値を挟むＳＯＣ１（所定値１）〜ＳＯＣ２（所定値２）の間が蓄電量の適正範囲（中央適正範囲、最適範囲）とされ、中央適正範囲より大きいＳＯＣ２（所定値２）〜ＳＯＣ４（所定値４）の間が蓄電量は若干多いが上側適正範囲とされ、中央適正範囲より小さいＳＯＣ３（所定値３）〜ＳＯＣ１（所定値１）の間が蓄電量は若干少ないが下側適正範囲とされる。
【０１１５】
そこで、ステップＳ１４において、バッテリ１２のＳＯＣ値が、中央適正範囲（最適範囲）にあるか否かが判定される（ＳＯＣ１≦ＳＯＣ≦ＳＯＣ２）。
【０１１６】
中央適正範囲（最適範囲）にはないと判定されたとき（ステップＳ１４：ＮＯ）、ステップＳ１５において、上側適正範囲にあるか否かが判定される（ＳＯＣ２＜ＳＯＣ≦ＳＯＣ４）。
【０１１７】
上側適正範囲にはないと判定されたとき（ステップＳ１５：ＮＯ）、ステップＳ１６において、下側適正範囲にあるか否かが判定される（ＳＯＣ３≦ＳＯＣ≦ＳＯＣ１）。
【０１１８】
下側適正範囲にもないと判定されたとき（ステップＳ１６：ＮＯ）、ステップＳ２３にて、ＯＦＦモード制御ではない通常制御（昇降圧制御モード）に戻る。
【０１１９】
一方、ステップＳ１５の判定において、ＳＯＣ値が上側適正範囲内にあると判定されたとき（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１７において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流すべき電流値Ｉｃｏｎｖを算出する。
【０１２０】
図１３は、ＳＯＣ値［％］とＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流すべき電流値であるコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖとの対応関係を示す特性１２４（マップ）を示している。ＳＯＣ値が５０［％］より多い場合には、リアクトル３２から流れ出るコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖの値をＳＯＣ値の増加に応じて増加させる。
【０１２１】
すなわち、ステップＳ１７においては、図１４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴのオンオフを繰り返すことで、バッテリ電流ＩｂをＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃより大きくし、バッテリ１２による放電電流をＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃよりも大きくすることで、負荷電流ＩＬにおけるバッテリ電流Ｉｂの割合を大きくし放電優先としてバッテリ１２のＳＯＣ値を低減する方向に制御するようにコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを算出する（Ｉｃｏｎｖ＝Ｉｂ−Ｉｆｃ）。
【０１２２】
さらに、ステップＳ１８において、図１５に示す回生期待値Ｒｅｘを参照して、補正係数α１を算出し、ステップＳ１７で算出したコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを補正する。
【０１２３】
回生期待値Ｒｅｘは、現在より所定時間前までの間での回生の頻度が多且つた場合には大きくなり、また、現在から所定時間後までの予想回生頻度がナビ情報等により下り区間が多いと判定された場合には、大きくなる。
【０１２４】
補正係数α１は、特性１２６に示すように、回生期待値Ｒｅｘが大きくなるほど、バッテリ１２への充電量が多くなることが期待されるので、その分、余分に、バッテリ１２の放電量が大きくなるように、すなわち図１４に示すコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖが大きくなるように補正する値となる。回生期待値Ｒｅｘが０値近傍では補正係数α１は、１．０値、回生期待値Ｒｅｘが０から大きくなるにつれて補正係数α１は、１より徐々に大きな値となるように設定されている。
【０１２５】
ステップＳ１９において、制御装置２５は、補正後のコンバータ電流値ＩｃｏｎｖをＩｃｏｎｖ＝α１×Ｉｃｏｎｖとして、ＦＣ電流Ｉｆｃをフィードバック制御（デューティ制御）する（Ｉｆｃ＝Ｉｂ−α１×Ｉｃｏｎｖ）。
【０１２６】
次に、上述したステップＳ１６の判定において、ＳＯＣ値が下側適正範囲内にあると判定されたとき（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、ステップＳ２０において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流すべきコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを算出する。
【０１２７】
図１３は、ＳＯＣ値［％］とＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流すべき電流値であるコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖとの対応関係を示す特性１２４（マップ）を示している。ＳＯＣ値が５０［％］より少ない場合には、リアクトル３２に流し込むコンバータ電流Ｉｃｏｎｖ値をＳＯＣ値の低下に応じて低減させる。
【０１２８】
すなわち、ステップＳ２０においては、図１６に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴのオンオフを繰り返すことで、バッテリ電流ＩｂをＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃより小さくし、バッテリ１２による放電電流をＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃよりも小さくすることで、負荷電流ＩＬにおけるバッテリ電流Ｉｂの割合を小さくして放電を抑制し、バッテリ１２のＳＯＣ値の低減率が小さくなる方向に制御するようにコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを算出する（Ｉｃｏｎｖ＝Ｉｆｃ−Ｉｂ）。
【０１２９】
さらに、ステップＳ２１において、図１７に示す回生期待値Ｒｅｘを参照して、補正係数α２を算出し、ステップＳ２０で算出したコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを補正する。
【０１３０】
回生期待値Ｒｅｘは、現在から所定時間前までの回生の頻度が多かった場合には、大きくなり、また、現在から所定時間後までの予想回生頻度がナビ情報等により下り区間が多いと判定された場合には、大きくなる。
【０１３１】
補正係数α２は、特性１２８に示すように、回生期待値Ｒｅｘが大きくなるほど、バッテリ１２への充電量が多くなることが期待されるので、回生電力がより多くバッテリ１２に充電されるようにコンバータ電流値Ｉｃｏｎｖが小さくなるように補正する値となる。回生期待値Ｒｅｘが０値近傍では補正係数α２は、１．０値、回生期待値Ｒｅｘが０から大きくなるにつれて補正係数α１は、１．０より徐々に小さな値となるように設定されている。
【０１３２】
ステップＳ２１において、制御装置２５は、補正後のコンバータ電流値ＩｃｏｎｖをＩｃｏｎｖ＝α２×Ｉｃｏｎｖとし、ステップＳ２２において、ＦＣ電流Ｉｆｃをフィードバック制御（デューティ制御）する（Ｉｆｃ＝Ｉｂ＋α２×Ｉｃｏｎｖ）。
【０１３３】
このように、バッテリ１２のＳＯＣ値が目標ＳＯＣ値（図１３例では、５０［％］）より小さいときに、充電をすることが好ましいが、充電する際に、回生が期待される場合には、コンバータ電流値Ｉｃｏｎｖを小さな値とすることができるので、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓを小さくすることができる。
【０１３４】
なお、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓ（熱損失）は、図１８の特性１３０に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３に流れる電流（コンバータ電流値Ｉｃｏｎｖ）が大きい程、大きくなる。
【０１３５】
一方、ステップＳ１４の判定において、バッテリ１２のＳＯＣ値が適正範囲内にある場合には（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ２４において、制御装置２５は、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓをゼロ値とすべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３をオフ状態（非動作状態であるＯＦＦモード）に制御する。
【０１３６】
この場合、図１９Ａに示すように、直列電源５２として動作するＦＣスタック１１とバッテリ１２には同一値の電流が流れ、負荷電流ＩＬ（ＩＬ＝Ｉｆｃ＝Ｉｂ）が負荷１０３に供給される。
【０１３７】
この場合、図２０Ａ、図２０Ｂの特性１３２、１３４に示すように、バッテリ１２のバッテリ損失Ｐｂｌｏｓｓ［ｋＷ］及びＦＣスタック１１のＦＣ損失Ｐｆｃｌｏｓｓ［ｋＷ］は、バッテリ電力Ｐｂａｔ及びＦＣ電力Ｐｆｃに対してそれぞれ２次関数的に増加するので、同一値の電力Ｐｅとすることにより総合損失を小さくでき、電源装置１００を最小化することができる。なお、通常、バッテリ１２のバッテリ電圧ＶｂとＦＣスタック１１の発電電圧Ｖｆｃが異なるが、同一であるものとすると、図２０Ａ、図２０Ｂに示すように同一の電力Ｐｅ［ｋＷ］となり、バッテリ損失ＰｂｌｏｓｓとＦＣ損失Ｐｆｃｌｏｓｓとの和を略最小にすることができる。
【０１３８】
より具体的に説明すると、理解の便宜のためにＦＣスタック１１とバッテリ１２で合計出力を１００［Ｗ］と考える。そして、例えば、図２０Ｃに示すように、バッテリ電力ＰｂａｔとＦＣ電力Ｐｆｃとが、それぞれ、［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［９９Ｗ，１Ｗ］（第１ケース）、［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［４０Ｗ，６０Ｗ］（第２ケース）、［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［５０Ｗ，５０Ｗ］（第３ケース）の出力割合であるときのバッテリ損失ＰｂｌｏｓｓとＦＣ損失Ｐｆｃｌｏｓｓの合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓ［ｋＷ］について説明する。
【０１３９】
ここで、バッテリ１２の内部抵抗をＲｂａｔ、ＦＣスタック１１の内部抵抗をＲｆｃと置き、仮に、バッテリ電圧ＶｂとＦＣ電圧（ＦＣスタック電圧）ＶｆｃとをＶ［Ｖ］と置けば、上記第１〜第３ケースの合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓは、以下のように表される。
第１ケース：（９９／Ｖ）２×Ｒｂａｔ＋（１／Ｖ）２×Ｒｆｃ
第２ケース：（４０／Ｖ）２×Ｒｂａｔ＋（６０／Ｖ）２×Ｒｆｃ
第３ケース：（５０／Ｖ）２×Ｒｂａｔ＋（５０／Ｖ）２×Ｒｆｃ
【０１４０】
さらに、バッテリ１２の内部抵抗ＲｂａｔとＦＣスタック１１の内部抵抗Ｒｆｃがほぼ等しく、抵抗Ｒｃであるとすると、Ｒｂａｔ＝Ｒｆｃ＝Ｒｃと置ける。この場合、上記第１〜第３ケースの合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓは、以下のように表される。
第１ケース：（９９／Ｖ）２×Ｒｃ＋（１／Ｖ）２×Ｒｃ
＝（９８０２）／（Ｖ２）×Ｒｃ
第２ケース：（４０／Ｖ）２×Ｒｂａｔ＋（６０／Ｖ）２×Ｒｆｃ
＝（５２００）／（Ｖ２）×Ｒｃ
第３ケース：（５０／Ｖ）２×Ｒｂａｔ＋（５０／Ｖ）２×Ｒｆｃ
＝（５０００）／（Ｖ２）×Ｒｃ
【０１４１】
従って、図２０Ｃに示すように、［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［９９Ｗ，１Ｗ］（第１ケース）や［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［４０Ｗ，６０Ｗ］（第２ケース）の出力割合であるときに比較して、［Ｐｂａｔ，Ｐｆｃ］＝［５０Ｗ，５０Ｗ］（第３ケース）の出力割合であるときのバッテリ損失ＰｂｌｏｓｓとＦＣ損失Ｐｆｃｌｏｓｓの合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓ［ｋＷ］が最も低くなり、逆に効率は最も高くなることが分かる。
【０１４２】
なお、図１９Ｂに示すように、エアポンプ負荷１０２（図１参照）等の補機負荷を、バッテリ１２に並列に接続した電源システム１０Ａ（燃料電池車両）においても、所定の力行時（ステップＳ１１〜Ｓ１４まで全てＹＥＳ）において、エアポンプ負荷１０２の大きさは、駆動モータ２２を含む負荷１０１の数分の１以下となるので（Ｉｆｃ≒Ｉｂ）、一定以上の電力節減効果が得られることから、図１９Ｂに示す構成におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１３のＯＦＦ駆動モードもこの発明に含まれる。
【０１４３】
図２１は、上述した第１実施例の動作イメージを示すタイムチャートである。
【０１４４】
時点ｔ１〜ｔ２の間では、ＳＯＣ値が低め（５０[％]以下）であるので、ＦＣ電流Ｉｆｃがバッテリ電流Ｉｂ（放電電流）より大きくされる（図１６参照）。時点ｔ２〜ｔ３の間では、回生中であり、バッテリ電流Ｉｂは、充電電流となっている（図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ）。時点ｔ３〜ｔ４の間では、ＳＯＣ値が適正範囲（ＳＯＣ１≦ＳＯＣ≦ＳＯＣ２）であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を完全にＯＦＦモード（非動作状態）に制御することで、ＦＣ電流Ｉｆｃとバッテリ電流Ｉｂが、要求負荷Ｐｓｙｓに対応した同一値（同一の過度特性）になっている（図７）。時点ｔ６以降では、ＳＯＣ値が多めであるので、バッテリ電流Ｉｂの値がＦＣ電流Ｉｆｃの値より大きくなっていることが分かる（図１４）。
【０１４５】
［第１実施例のまとめ］
以上説明したように、上述した第１実施例の電源システム１０は、ＦＣスタック１１と、ＦＣスタック１１の正側に、直列に、負側が接続されるバッテリ１２と、下アームスイッチング素子としてのトランジスタＬＴを含むローサイドアームＬＡと、このローサイドアームＬＡに直列に接続され、上アームスイッチング素子としてのトランジスタＨＴを含むハイサイドアームＨＡと、前記ローサイドアームＬＡと前記ハイサイドアームＨＡとの直列接続点とＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列接続点との間に接続されたリアクトル３２と、からなるＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＦＣスタック１１の負側とバッテリ１２の正側との間に接続される負荷１０３と、を有する。
【０１４６】
制御装置２５（制御手段）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を、スイッチング動作を行わない非動作状態（ＯＦＦモード）に制御するとともに、ＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列電源５２から負荷１０３に電力を供給する制御を行うようにしたので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態にして、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３がスイッチングしていない状態にして、直列電源５２から負荷１０３に電力を供給できるので、スイッチング損失をゼロに維持しつつ負荷１０３に電力を供給することができるシステム電力効率の高い電源システム１０、１０Ａ（燃料電池車両）を構築することができる。
【０１４７】
図７例の電源システム１０の負荷１０３の接続（図１参照）形態では、負荷電流ＩＬと同一のバッテリ電流Ｉｂ及び発電電流Ｉｆｃが流れる（ＩＬ＝Ｉｂ＝Ｉｆｃ）。図１９Ｂ例の電源システム１０Ａの負荷１０１、１０２の接続形態では、バッテリ電流Ｉｂが負荷電流ＩＬと負荷電流ＩＬ１の合成電流（Ｉｂ＝ＩＬ１＋ＩＬ）となり、発電電流Ｉｆｃは、負荷電流ＩＬと同一の電流（ＩＬ＝Ｉｆｃ）となる。よって、Ｉｂ＝ＩＬ１＋Ｉｆｃとなるが、ＯＦＦモードにおいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のスイッチング損失をゼロ値にできる。図７例及ぶ図１９Ｂ例のいずれの電源システム１０、１０Ａの場合にも、負荷１０３（１０１、１０２）の変化に対してバッテリ１２及びＦＣスタック１１を追従させることができる。
【０１４８】
この場合、制御装置２５は、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定の目標ＳＯＣ値範囲内（上述した適正範囲ＳＯＣ１〜ＳＯＣ２）で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態（ＯＦＦモード）に制御するとともに、ＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列電源５２から負荷１０３に電力を供給する制御を行うようにすることで、バッテリ１２のＳＯＣ値を目標ＳＯＣ値範囲（状態１）に維持しつつシステム電力効率の高い電源システム１０、１０Ａを構築することができる。
【０１４９】
なお、電源システム１０の負荷１０３が、上例のように駆動モータ２２を含む燃料電池車両である場合、制御装置２５は、駆動モータ２２から回生電力の発生が予測される場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を前記非動作状態から前記動作状態に切り換えることで、動作状態となったＤＣ／ＤＣコンバータ１３により前記回生電力をバッテリ１２に効率よく充電することができ、電力効率を向上させることができる。回生電力の取りこぼしを防止することができ、システム効率のよい燃料電池車両とすることができる。
【０１５０】
［第２実施例］
この第２実施例では、図２２に示すように、電源システム１０Ｂは、基本的には、ＦＣスタック１１とバッテリ１２を直列に接続した直列電源５２とこの直列電源５２に並列に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１３とからなる電源装置１００と、この電源装置１００に対して並列に接続される駆動モータインバータ１５と駆動モータ２２とからなる負荷１０１｛第１負荷、主負荷又はモータ負荷（Ｍ負荷という。）ともいう。図１参照｝と、第２負荷（補機負荷ともいう。）２０２とから構成される。電源システム１０Ｂは、駆動モータ２２を有する負荷１０１を含むので、燃料電池車両として機能する。モータ負荷１０１と第２負荷２０２とは、電源装置１００に対して並列に接続されている。
【０１５１】
ここで、第２負荷２０２の具体例を示す電源システム１０Ｂの各種適用例について説明する。
【０１５２】
図２３に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプインバータ１４とエアポンプ２１とからなるエアポンプ負荷（ＡＰ負荷ともいう。）１０２とされる。この電源システム１０Ｂは、図１に示した電源システム１０と等価である。
【０１５３】
図２４に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、２次電圧Ｖ２を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）２０４と、降圧電圧により駆動されるエアポンプ負荷１０２とされる。エアポンプ負荷１０２もエアポンプインバータ１４とエアポンプ２１とから構成される。
【０１５４】
なお、図２４に示すエアポンプ負荷１０２と図２３に示すエアポンプ負荷１０２とは、入力電圧が異なるものであるが動作は同一であるので、理解の便宜のために、同一の符号をつけている。以下、空調用機器２０６等でも同様である。
【０１５５】
図２５に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と空調用機器２０６とされる。空調用機器２０６は、インバータ式の空調装置とされることが好ましい。
【０１５６】
図２６に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２及び空調用機器２０６とされる。
【０１５７】
図２７に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動される空調用機器２０６ａとされる。
【０１５８】
図２８に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０８を通じて駆動される空調用機器２０６ｂとされる。
【０１５９】
図２９に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２ａと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８ａを通じて駆動される空調用機器２０６ｂａされる。
【０１６０】
図３０に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と、空調用機器２０６と、ダウンバータ２１０を通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。低圧バッテリ２１２には、図示しない付属品（アクセサリ）として、ナビゲーション装置、音楽プレーヤ、テレビジョン、ラジオ、及びリアカメラ等の付属品負荷が接続される。
【０１６１】
図３１に示す電源システム１０Ｂにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２ａ及び空調用機器２０６ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びダウンバータ２１０ａを通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。
【０１６２】
次に、この第２実施例に適用される２つの動作モードについて説明する。
【０１６３】
図３２は、第２実施例の第１動作モード（ＯＦＦモード）の説明図である。モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態（燃料電池車両が停止中の状態）において、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフとされ、リアクトル３２に電流が流されない。第２負荷２０２には、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２から負荷電流ＩＬ（ＩＬ＝Ｉｆｃ＝Ｉｂ）として電力が供給される。この第１モード（ＯＦＦモード）では、図１８を参照して説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のコンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓは、ゼロ値とされることに留意する（Ｖ２＝Ｖｆｃ＋Ｖｂ、ＩＬ＝Ｉｂ＝Ｉｆｃ）。
【０１６４】
図３３Ａ、図３３Ｂは、第２実施例の第２動作モード（充電モード）の説明図である。第２動作モード（充電モード）では、モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態において、１周期２πの間に、制御装置２５により図３３Ａの状態と図３３Ｂの状態が切り換えられ、この切り換え動作が継続される。
【０１６５】
図３３Ａの状態では、制御装置２５によりローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオンとされ、ＦＣスタック１１からリアクトル３２にエネルギが蓄積される一方、平滑コンデンサ３３によりバッテリ１２が充電されるとともに、第２負荷２０２に電力が供給される。
【０１６６】
図３３Ｂの状態では、制御装置２５によりローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオフとされる。これにより、ＦＣスタック１１からリアクトル３２を通じダイオードＨＤを通じてバッテリ１２に充電電流が供給されるとともに、平滑コンデンサ３３に電流が供給され、さらに第２負荷２０２に電力が供給される。
【０１６７】
図３３Ａ、図３３Ｂに示す充電モードでは、ＦＣスタック１１の発電電圧ＶｆｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１３により昇圧された２次電圧Ｖ２とされている。
【０１６８】
図３２に示した第１動作モード（ＯＦＦモード）、及び図３３Ａ、図３３Ｂに示した第２動作モード（充電モード）のいずれのモードにおいても、ＦＣスタック１１が発電状態とされ、このＦＣスタック１１から第２負荷２０２に電力が供給される。
【０１６９】
この場合において、第２モード（充電モード）における充電電流Ｉｃｈｇは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の効率であるコンバータ効率Ｃη[％]と、バッテリ１２の効率である充電効率Ｂη［％］とを考慮した最大効率Ｔηｍａｘ[％]となる充電電流Ｉｃｈｇに設定される。
【０１７０】
図３４Ａに示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のコンバータ効率Ｃηは、０［Ａ］から所定コンバータ電流値Ｉｃｏｎｖｐ[Ａ]までコンバータ効率Ｃη［％］は、鉄損と銅損の影響によりゼロ値から急激に上昇し、所定電流値Ｉｃｏｎｖｐ以上では、銅損のみとなるのでコンバータ効率Ｃηは僅かに上昇する特性２１６になっている。
【０１７１】
一方、図３４Ｂに示すように、バッテリ１２の充電効率Ｂη［％］は、充電電流Ｉｃｈｇの増加に応じて内部抵抗の影響による減少が大きくなる特性２１８になっている。
【０１７２】
よって、充電電流Ｉｃｈｇに対するコンバータ効率Ｃηと充電効率Ｂηを考慮した総合効率Ｔη［％］は、概ねこれらの乗算結果に等しく、図３４Ｃの特性２２０に示すように、ほぼ所定コンバータ電流値Ｉｃｏｎｖｐ［Ａ］に対応する所定充電電流値Ｉｃｈｇｐ［Ａ］（Ｉｃｏｎｖｐ＝Ｉｃｈｇｐ）において、最大効率Ｔηｍａｘ［％］になる。
【０１７３】
よって、図３３Ａ、図３３Ｂを参照して説明した、モータ負荷１０１が殆どゼロ状態で第２負荷２０２のみが存在する充電モード（昇圧時充電モード）では、バッテリ１２の充電電流Ｉｃｈｇが、所定充電電流値Ｉｃｈｇｐとなる発電電流ＩｆｃとなるようにＦＣスタック１１の端子間電圧である発電電圧Ｖｆｃ（図８参照）を制御装置２５によりフィードバック制御することが好ましい。
【０１７４】
上述した第２実施例の動作例について、制御装置２５により実行される図３５のフローチャートを参照して説明する。
【０１７５】
ステップＳ３１において、制御装置２５によりモータ負荷１０１と第２負荷２０２の合計負荷（総合負荷）である要求負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが、所定値（所定電力）Ｐｔｈ１以下であるか否かが判定される。
【０１７６】
ここでの所定値は、駆動モータ２２の電力消費量がゼロ値あるいはゼロ値に近い所定電力消費量以下であって、第２負荷２０２が所定補機負荷以上であり、燃料電池車両として機能している電源システム１０Ｂの負荷としては比較的に小さな負荷に対応する。
【０１７７】
要求負荷Ｐｓｙｓが所定値Ｐｔｈ１以下である場合（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ３２において、車速Ｖｓがゼロ値を含む所定値（所定車速）Ｖｔｈ１以下（Ｖｓ≦Ｖｔｈ１）であるか否かが判定される。車速Ｖｓが所定値Ｖｔｈ１以下である場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、次に、ステップＳ３３において、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定値（所定ＳＯＣ値、所定残容量値）ＳＯＣｔｈ１以上（ＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ１）、例えば５０[％]（ＳＯＣｔｈ１＝５０［％］）以上であるか否かが判定される。
【０１７８】
ＳＯＣ値が所定値ＳＯＣｔｈ１以上である場合（ステップＳ３３：ＹＥＳ）、ステップＳ３４において、ＯＦＦモードでの直列電源５２の出力電力｛（Ｖｆｃ＋Ｖｂ）×Ｉｂ＝（Ｖｆｃ＋Ｖｂ）×Ｉｆｃ｝が要求負荷Ｐｓｙｓ、この場合、理解の便宜のためにモータ負荷１０１をゼロ値とし、第２負荷２０２の要求負荷Ｐｓｙｓに対応するバッテリ電流Ｉｂ（放電電流）となるように、ＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃ（Ｉｆｃ＝Ｉｂ＝ＩＬ）を決定する。
【０１７９】
ＦＣスタック１１において、一般的には、発電電流Ｉｆｃは、図３６に実線で示すＩＶ特性１２０（図８のＩＶ特性１２０を再掲）から発電電圧Ｖｆｃを設定することで決定される。例えば、発電電圧Ｖｆｃを、Ｖｆｃ０、Ｖｆｃ１、Ｖｆｃ２、Ｖｆｃ３と設定することで、発電電流Ｉｆｃを、Ｉｆｃ０、Ｉｆｃ１、Ｉｆｃ２、Ｉｆｃ３と決定することができる。なお、ＦＣスタック１１の発電電圧Ｖｆｃの設定は、周知のように、例えば、図示しない直流基準電源にチョッピング型のＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）の入力側を接続し、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力側をＦＣスタック１１に接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングデューティを前記直流基準電源の電圧に応じて設定するようにすればよい。
【０１８０】
その状態において、ステップＳ３５において、ステップＳ２４と同様に、制御装置２５は、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓをゼロ値とすべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３をオフ状態（非動作状態であるＯＦＦモード）に制御する。
【０１８１】
この場合、図３２のＯＦＦモードの動作状態に示すように、直列電源５２として動作するＦＣスタック１１とバッテリ１２には同一値の電流が流れ、負荷電流ＩＬ（ＩＬ＝Ｉｆｃ＝Ｉｂ）が負荷１０３に供給される。
【０１８２】
図２０Ａ、図２０Ｂの特性１３２、１３４及び図２０Ｃの第３ケースとして示したように、バッテリ１２のバッテリ損失Ｐｂｌｏｓｓ［ｋＷ］及びＦＣスタック１１のＦＣ損失Ｐｆｃｌｏｓｓ［ｋＷ］は、それぞれ消費電力であるバッテリ電力Ｐｂａｔ及びＦＣ電力Ｐｆｃに対して２次関数的に増加するので、同一値の電力とすることにより、合計損失Ｐｓｕｍｌｏｓｓ（Ｐｓｕｍｌｏｓｓ＝Ｐｂａｔｌｏｓｓ＋Ｐｆｃｌｏｓｓ）及び電源装置１００を最小化することができる。
【０１８３】
その一方、上述したステップＳ３３の判定において、ＳＯＣ値が所定値未満である場合（ステップＳ３３：ＮＯ）、ステップＳ３６において、図３４Ｃに示した充電効率Ｔηが最大充電効率Ｔηｍａｘとなる充電電流値Ｉｃｈｇｐを流せる充電モードとなるような発電電流ＩｆｃでＤＣ／ＤＣコンバータ１３及びＦＣスタック１１を作動させる。すなわち、充電電流Ｉｃｈｇが充電電流値ＩｃｈｇｐとなるようにＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃ（Ｉｆｃ＝ＩＬ＋Ｉｃｈｇｐ）を決定する。
【０１８４】
図３７は、上述した第２実施例の動作イメージを示すタイムチャートである。
【０１８５】
時点ｔ１１〜ｔ１４の間で、アイドル停止が成立し、要求負荷Ｐｓｙｓが比較的に小さく、且つＳＯＣ値が所定値（ここでは、５０［％］）以上であるので電源システム１０Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が非動作状態となるＯＦＦモードで制御される。時点ｔ１４においてＳＯＣ値が所定値未満になろうとすると、ヒステリシスを持たせ、より高い所定値となるまで、充電電流値Ｉｃｈｇｐとなるように、発電電流Ｉｆｃを制御する。
【０１８６】
［第２実施例のまとめ］
以上説明したように、上述した第２実施例に係る電源システム１０Ｂは、例えば、図２２に示すように、ＦＣスタック（発電装置）１１と、ＦＣスタック１１の正側に、直列に、負側が接続されるバッテリ（蓄電装置）１２と、下アームスイッチング素子としてのトランジスタＬＴを含むローサイドアームＬＡと、このローサイドアームＬＡに直列に接続され、上アームスイッチング素子としてのトランジスタＨＴを含むハイサイドアームＨＡと、ローサイドアームＬＡとハイサイドアームＨＡとの直列接続点とＦＣスタック１１とバッテリ１２との直接接続点との間に接続されたリアクトル３２と、からなるＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列電源５２に接続される複数の負荷（主負荷１０１、補機負荷２０２）と、を有する。
【０１８７】
制御装置２５（制御手段）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を、動作状態（昇降圧させるスイッチング状態）又は非動作状態（スイッチング動作を行わないＯＦＦモード）に制御する。
【０１８８】
制御装置２５は、所定条件（例えば、主負荷１０１がゼロ又はゼロに近く、第２負荷２０２は、通常負荷になっている状態。）下に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態であるＯＦＦモードに制御するとともに、直列電源５２から主負荷１０１（モータ負荷）及び第２負荷２０２（補機負荷）のうち、少なくとも１つの負荷、この第２実施例では補機負荷である第２負荷２０２に電力を供給する制御を行う。
【０１８９】
このように制御すれば、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２に対して並列にＤＣ／ＤＣコンバータ１３と複数の負荷１０１、２０２とが接続される電源システム１０Ｂにおいて、所定条件（図３５のフローチャートでは、Ｐｓｙｓ≦Ｐｔｈ１、Ｖｓ≦Ｖｔｈ１、及びＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ１）下に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態に制御するとともに、直列電源５２から複数の負荷１０１、２０２のうち、少なくとも１つの負荷である第２負荷２０２に電力を供給する制御を行うようにしたので、前記所定条件下では、スイッチング損失をゼロとして第２負荷２０２に電力を供給できるので、システム電力効率を向上させることができる。
【０１９０】
この場合、前記所定条件は、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定ＳＯＣ値範囲内、あるいは所定値ＳＯＣｔｈ１以上であることが好ましい。このように設定すれば、バッテリ１２のＳＯＣ値を目標範囲内に維持しつつ、システム電力効率を向上させることができるので、例えばＦＣスタック１１が発電不能状態となってもバッテリ１２により一定の範囲で第２負荷２０２に電力を供給することが可能となり、電源システム１０Ｂの信頼性を向上させることができる。
【０１９１】
なお、制御装置２５は、要求負荷Ｐｓｙｓが所定負荷Ｐｔｈ１以下である場合に、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定ＳＯＣ範囲の下限値（上例では、ＳＯＣｔｈ１）を下回る値となった場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態に制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３の効率Ｃηとバッテリ１２の充電効率Ｂηの合成効率Ｔηがピークとなる充電電流ＩｃｈｇｐがＦＣスタック１１からバッテリ１２に流れるように制御してバッテリ１２を充電するようにすることで、高効率下にバッテリ１２のＳＯＣ値を所定ＳＯＣ範囲内まで大きくすることができる。
【０１９２】
この発明は、電源装置１００の複数の負荷１０１、１０２に駆動モータ２２に係るモータ負荷１０１が含まれ燃料電池車両を含む。
【０１９３】
なお、前記所定条件が、アイドル停止条件であるとすると、アイドル停止時に、ＦＣスタック１１の発電電力を絞ることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態にしても、直列電源５２から第２負荷（比較的に小さい負荷）２０２に電力を供給できるので、スイッチング損失がゼロとなり、アイドル停止条件下でシステム電力効率の高い電源システム１０Ｂ、燃料電池車両を構築することができる。
【０１９４】
なお、この第２実施例でのアイドル停止条件の判定は、（１）車速Ｖｓ所定車速Ｖｔｈ１以下であって、（２）駆動モータ２２の電力消費量が所定電力消費量以下、さらに（３）バッテリ１２の充電状態ＳＯＣ値が所定ＳＯＣ値（ＳＯＣｔｈ１）以上であって、且つ（４）補機（計器等）負荷が所定補機負荷以上である場合の、上記の（１）〜（４）の４つの条件中、少なくとも（１）、（２）及び（４）の３の条件が満たされている場合に、車両が停止状態（アイドル停止状態）であると判定している。
【０１９５】
［第３実施例］
この第３実施例では、図３８に示すように、電源システム１０Ｃは、基本的には、ＦＣスタック１１とバッテリ１２を直列に接続した直列電源５２とこの直列電源５２に並列に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１３とからなる電源装置１００と、この電源装置１００に接続される駆動モータインバータ１５と駆動モータ２２とからなる負荷１０１（第１負荷、主負荷又はモータ負荷ともいう。図１参照）と、ＦＣスタック１１に接続される第２負荷（補機負荷ともいう。）２０２とから構成される。電源システム１０Ｃは、モータ負荷１０１を含むので、燃料電池車両として機能する。
【０１９６】
この第３実施例では、制御装置２５は、後述するように、アイドル停止条件等の低負荷条件が成立した場合には、バッテリ１２の放電電流であるバッテリＩｂをゼロ値（Ｉｂ＝０）とし、第２負荷２０２の負荷電流ＩＬ２を賄う発電電流Ｉｆｃのみを発電することでＤＣ／ＤＣコンバータ１３をＯＦＦモードで動作させる。
【０１９７】
ここで、第２負荷２０２の具体例を示す電源システム１０Ｃの各種適用例について説明する。
【０１９８】
図３９に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプインバータ１４とエアポンプ２１とからなるエアポンプ負荷１０２とされる。
【０１９９】
図４０に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、ＦＣスタック１１の発電電圧Ｖｆｃを降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）２０４と、降圧電圧により駆動されるエアポンプ負荷１０２とされる。
【０２００】
図４１に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と空調用機器２０６とされる。空調用機器２０６は、インバータ式の空調装置とされることが好ましい。
【０２０１】
図４２に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２及び空調用機器２０６とされる。
【０２０２】
図４３に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動される空調用機器２０６とされる。
【０２０３】
図４４に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０８を通じて駆動される空調用機器２０６とされる。
【０２０４】
図４５に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８を通じて駆動される空調用機器２０６ｂとされる。
【０２０５】
図４６に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と、空調用機器２０６と、ダウンバータ２１０を通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。
【０２０６】
図４７に示す電源システム１０Ｃにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２及び空調用機器２０６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びダウンバータ２１０を通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。
【０２０７】
次に、この第３実施例に適用される３つの動作モードについて説明する。
【０２０８】
図４８は、第３実施例の第１動作モード（ＯＦＦモード）の説明図である。モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態において、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフとされ、リアクトル３２に電流が流されない。第２負荷２０２には、ＦＣスタック１１のみから負荷電流ＩＬ２（ＩＬ２＝Ｉｆｃ）として電力が供給される。この第１モード（ＯＦＦモード）では、図１８を参照して説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のコンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓは、ゼロ値とされることに留意する。
【０２０９】
図４９Ａ、図４９Ｂは、第３実施例の第２動作モード（放電モード、昇圧時モード）の説明図である。第２動作モード（放電モード）では、モータ負荷１０１にも電力が供給される状態において、１周期２πの間に、制御装置２５により図４９Ａの状態と図４９Ｂの状態が切り換えられ、この切り換え動作が継続され、モータ負荷１０１に供給される２次電圧Ｖ２は、バッテリ電圧ＶｂがＤＣ／ＤＣコンバータ１３により昇圧された電圧とされる。したがって、この第２動作モードでは、燃料電池車両としての電源システム１０Ｃは、いわゆるＥＶモードでの走行が可能である。
【０２１０】
図４９Ａの状態では、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオンとされ、バッテリ１２からリアクトル３２にエネルギが蓄積される一方、モータ負荷１０１には、平滑コンデンサ３３から電力が供給される。また、ＦＣスタック１１から第２負荷２０２に電力が供給される。
【０２１１】
図４９Ｂの状態では、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフとされる。これにより、ローサイドアームＬＡのダイオードＬＤ及びリアクトル３２及びバッテリ１２を通じてモータ負荷１０１に電力が供給されるとともに平滑コンデンサ３３が充電される。ＦＣスタック１１から第２負荷に電力が供給される。
【０２１２】
図５０Ａ、図５０Ｂは、第３実施例の第３動作モード（充電モード、昇圧時モード）の説明図である。第３動作モード（充電モード）では、モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態において、制御装置２５により１周期２πの間に、図５０Ａの状態と図５０Ｂの状態が切り換えられ、この切り換え動作が継続され、バッテリ１２を充電する平滑コンデンサ３３間に生成される２次電圧Ｖ２は、発電電圧ＶｆｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１３により昇圧された電圧とされる。
【０２１３】
図５０Ａの状態では、制御装置２５によりローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオンとされ、平滑コンデンサ３３から流れ出るバッテリ１２の充電電流Ｉｂ（Ｉｂ＝Ｉｃ）とＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃの一部の発電電流Ｉｆｃ３の合成電流によりリアクトル３２にエネルギが蓄積される一方、ＦＣスタック１１から第２負荷２０２に発電電流Ｉｆｃの残りの一部の発電電流Ｉｆｃ２による電力が供給される。モータ負荷１０１は、負荷無しの状態とされる。
【０２１４】
図５０Ｂの状態では、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフとされる。これにより、リアクトル３２からバッテリ１２に充電電流Ｉｂが供給されるとともに、ＦＣスタック１１からリアクトル３２を通じて平滑コンデンサ３３が２次電圧Ｖ２で充電される一方、ＦＣスタック１１から第２負荷２０２に電力が供給される。モータ負荷１０１は、負荷無しの状態とされる。
【０２１５】
図４８に示した第１動作モード（ＯＦＦモード）、図４９Ａ、図４９Ｂに示した第２動作モード（放電モード）、及び図５０Ａ、図５０Ｂに示した第３動作モード（充電モード）いずれのモードにおいても、ＦＣスタック１１が発電状態とされ、このＦＣスタック１１から第２負荷２０２に電力が供給される。
【０２１６】
上述した第３実施例の動作例について、制御装置２５により実行される図５１のフローチャートを参照して説明する。
【０２１７】
ステップＳ４１において、制御装置２５によりモータ負荷１０１と第２負荷２０２の合計負荷（総合負荷）である要求負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが、所定値（所定電力）Ｐｔｈ２以下であるか否かが判定される。
【０２１８】
ここでの所定値Ｐｔｈ２は、駆動モータ２２の電力消費量がゼロ値、あるいはゼロ値に近いがＥＶ走行可能な所定電力消費量以下であって、第２負荷２０２が所定補機負荷以上であり、燃料電池車両として機能している電源システム１０Ｃの負荷としては比較的に小さな負荷に対応する。なお、所定値（所定電力）Ｐｔｈ１は、駆動モータ２２の電力消費量がゼロ値で、第２負荷２０２が所定補機負荷以上の電力に対応する（Ｐｔｈ１＜Ｐｔｈ２）。
【０２１９】
要求負荷Ｐｓｙｓが所定値Ｐｔｈ２以下である場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、ステップＳ４２において、車速Ｖｓがゼロ値を含む所定値（所定車速）Ｖｔｈ１以下（Ｖｓ≦Ｖｔｈ１）であるか否かが判定される。車速Ｖｓが所定値Ｖｔｈ１以下である場合（ステップＳ４２：ＹＥＳ）、次に、ステップＳ４３において、システム負荷Ｐｓｙｓが所定負荷Ｐｔｈ１以下であるか否かが判定される。
【０２２０】
システム負荷Ｐｓｙｓが所定負荷Ｐｔｈ１以下である場合には（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、次に、ステップＳ４４において、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定値（所定ＳＯＣ値、所定残容量値）ＳＯＣｔｈ１以上（ＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ１）、例えば５０[％]（ＳＯＣｔｈ１＝５０［％］）以上であるか否かが判定される。
【０２２１】
ＳＯＣ値が所定値ＳＯＣｔｈ１以上である場合（ステップＳ４４：ＹＥＳ）、ステップＳ４５において、理解の便宜のためにモータ負荷１０１がゼロ値であるものとして、第２負荷２０２の要求負荷Ｐｓｙｓに対応するようにＦＣスタック１１の発電電力Ｐｆｃ（Ｉｆｃ＝ＩＬ２、負荷電流ＩＬ２は、第２負荷２０２に流すべき電流である。）、すなわち、図８に示すＩＶ特性１２０からＦＣスタック１１の動作点（図８参照）を決定して、ＦＣスタック１１を発電させる。
【０２２２】
次いで、ステップＳ４６において、ステップＳ２４、ステップＳ３５と同様に、制御装置２５は、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓをゼロ値とすべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３をオフ状態（非動作状態であるＯＦＦモード）に制御する。
【０２２３】
この場合、図４８のＯＦＦモードの動作状態に示すように、バッテリ１２の電力は消費されず、ＦＣスタック１１からのみ第２負荷２０２に負荷電流ＩＬ２（ＩＬ２＝Ｉｆｃ）が供給される。
【０２２４】
一方、ステップＳ４３において、要求負荷Ｐｓｙｓがモータ負荷１０１を含む所定負荷Ｐｔｈ２以下である場合には、ステップＳ４７において、制御装置２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作させてバッテリ１２の放電を許可し、図４９Ａ、図４９Ｂに示した第２モード（放電モード）で電源システム１０Ｃを動作させる。この場合、モータ負荷１０１は、バッテリ１２のＤＣ／ＤＣコンバータ１３による昇圧電圧である２次電圧Ｖ２により駆動される。
【０２２５】
その一方、上述したステップＳ４４の判定において、ＳＯＣ値が所定値ＳＯＣｔｈ１未満である場合（ステップＳ４４：ＮＯ）、ステップＳ４８において、補正係数α３を算出する。補正係数α３は、ＳＯＣ値が所定値ＳＯＣｔｈ１より小さくなるに従い値１より比例的に大きくされる。
【０２２６】
次いで、ステップＳ４９において、第２負荷電流である発電電流Ｉｆｃ２に補正係数α３（α３＞１）が乗算された発電電流Ｉｆ（Ｉｆ＝Ｉｆｃ２×α３＝Ｉｆｃ２＋Ｉｆｃ３）となるようにＦＣスタック１１のＦＣ電圧Ｖｆｃが設定される。
【０２２７】
図５３は、上述した第２実施例の動作イメージを示すタイムチャートである。
【０２２８】
ＳＯＣ値より下の特性において、太い実線は第２実施例によるものを示し、太い破線は比較例によるものを示している。
【０２２９】
時点ｔ２１〜ｔ２３の間では要求負荷Ｐｓｙｓが閾値負荷Ｐｔｈ１以下であるので、電源システム１０Ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が非動作状態となるＯＦＦモード（図４８）で制御する。時点ｔ２３以降において、要求負荷Ｐｓｙｓが閾値負荷Ｐｔｈ１を上回る値となったので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態とし電源システム１０Ｃを放電モード（図４９Ａ、図４９Ｂ）で動作させる。
【０２３０】
［第３実施例のまとめ］
以上説明したように、上述した第３実施例に係る電源システム１０Ｃは、例えば、図３８に示すように、ＦＣスタック（発電装置）１１と、ＦＣスタック１１の正側に、直列に、負側が接続されるバッテリ（蓄電装置）１２と、下アームスイッチング素子としてのトランジスタＬＴを含むローサイドアームＬＡと、このローサイドアームＬＡに直列に接続され、上アームスイッチング素子としてのトランジスタＨＴを含むハイサイドアームＨＡと、ローサイドアームＬＡとハイサイドアームＨＡとの直列接続点とＦＣスタック１１とバッテリ１２との直接接続点との間に接続されたリアクトル３２と、からなるＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列電源５２に並列に接続される主負荷としてのモータ負荷１０１と、ＦＣスタック１１に並列に接続される補機負荷としての第２負荷２０２と、を有する。
【０２３１】
制御装置２５（制御手段）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態又は非動作（ＯＦＦモード）状態に制御するなか、所定条件下で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態に制御するとともに、第２負荷２０２の電力をＦＣスタック１１で賄うように制御する。
【０２３２】
この電源システム１０Ｃでは、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２に対して並列にＤＣ／ＤＣコンバータ１３とモータ負荷１０１が接続され、ＦＣスタック１１に第２負荷２０２が接続される。
【０２３３】
制御装置２５は、所定条件下（例えば、モータ負荷１０１がゼロ又はゼロに近く、第２負荷２０２は、通常負荷になっている状態）で、電源システム１０ＣをＤＣ／ＤＣコンバータ１３が非動作状態の図４８に示すＯＦＦモード状態に制御するとともに、第２負荷２０２の電力をこの第２負荷２０２に並列に接続されているＦＣスタック１１で賄うようにしたので、上記の所定条件下では、スイッチング損失がゼロとなる分、システム電力効率を向上させることができる。
【０２３４】
より詳しく説明すると、上記所定条件は、電源装置１００に対する要求負荷Ｐｓｙｓ（要求電力）が所定値Ｐｔｈ１を下回る場合であり、電源装置１００に対する要求負荷Ｐｓｙｓが所定値Ｐｔｈ１を上回る場合には、負荷が大きくなった主負荷１０１への電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態に遷移させ補機負荷２０２が接続されていないバッテリ１２の電力で賄う（アシストする）ようにすることで、ＦＣスタック１１の負担を軽減することができる。
【０２３５】
なお、制御装置２５は、バッテリ１２のＳＯＣ値が前記所定ＳＯＣ値ＳＯＣＴｈ１を下回る値となった場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態に遷移させ（図５０Ａ、図５０Ｂの充電モード）、第２負荷２０２の電力をＦＣスタック１１の電力で賄うとともに、ＦＣスタック１１によりバッテリ１２を充電することで、ＦＣスタック１１の電力の補助電力源としてのバッテリ１２の電力（補助電力）の欠乏を防止することができる。
【０２３６】
なお、補機負荷としての第２負荷２０２に、ナビゲーション装置等の付属品負荷及び空調用機器（空調機負荷）２６０が含まれるようにすると、システム電力効率の高い状態で前記付属品負荷及び前記空調機負荷を動作させることができる。
【０２３７】
さらに、前記補機負荷としての第２負荷２０２として、ＦＣスタック１１に圧縮空気を供給するエアポンプ２１を含み、エアポンプ２１をＦＣスタック１１に並列に接続されているようにしたので、バッテリ１２の放電電力をエアポンプ２１に供給する必要がなく、ＦＣスタック１１を発電させることができるため、システム電力効率が向上し、ＦＣスタック１１が開回路となることがないので、ＦＣスタック１１の劣化を防止することができる。
【０２３８】
電源装置１００が搭載され、主負荷が駆動モータ２２である燃料電池車両は、電力効率を向上させることができる。
【０２３９】
［第３実施例の変形例］
この第３実施例の変形例では、図５４に示すように、電源システム１０Ｄは、基本的には、ＦＣスタック１１とバッテリ１２を直列に接続した直列電源５２とこの直列電源５２に並列に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１３とからなる電源装置１００と、この電源装置１００に対して並列に接続される駆動モータインバータ１５と駆動モータ２２とからなる負荷１０１（第１負荷、主負荷又はモータ負荷ともいう。図１参照）と、バッテリ１２に並列に接続される第２負荷（補機負荷ともいう。）２０２とから構成される。電源システム１０Ｄは、モータ負荷１０１を含むので、燃料電池車両として機能する。
【０２４０】
この第３実施例の変形例では、制御装置２５は、後述するようにアイドル停止等の低負荷条件が成立した場合には、ＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃをゼロ値（Ｉｆｃ＝０）とし、第２負荷２０２の負荷電流ＩＬ２は、バッテリ１２からのバッテリ電流Ｉｂのみで賄う（ＩＬ２＝Ｉｂ）ように制御することでＤＣ／ＤＣコンバータ１３をＯＦＦモードで動作させることができる。
【０２４１】
ここで、第２負荷２０２の具体例を示す電源システム１０Ｄの各種適用例について説明する。
【０２４２】
図５５に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプインバータ１４とエアポンプ２１とからなるエアポンプ負荷１０２とされる。
【０２４３】
図５６に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、バッテリ電圧Ｖｂを降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ（第２ＤＣ／ＤＣコンバータ）２０４と、降圧電圧により駆動されるエアポンプ負荷１０２とされる。
【０２４４】
図５７に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と空調用機器２０６とされる。空調用機器２０６は、インバータ式の空調装置とされることが好ましい。
【０２４５】
図５８に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２及び空調用機器２０６とされる。
【０２４６】
図５９に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２とＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動される空調用機器２０６とされる。
【０２４７】
図６０に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０８を通じて駆動される空調用機器２０６とされる。
【０２４８】
図６１に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０８を通じて駆動される空調用機器２０６ｂとされる。
【０２４９】
図６２に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、エアポンプ負荷１０２と、空調用機器２０６と、ダウンバータ２１０を通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。低圧バッテリ２１２には、図示しない付属品（アクセサリ）として、ナビゲーション装置、音楽プレーヤ、テレビジョン、ラジオ、及びリアカメラ等の付属品負荷が接続される。
【０２５０】
図６３に示す電源システム１０Ｄにおいて、第２負荷２０２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４を通じて駆動されるエアポンプ負荷１０２及び空調用機器２０６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０４及びダウンバータ２１０を通じて充電される低圧バッテリ２１２とされる。
【０２５１】
次に、この第３実施例の変形例に適用される４つの動作モードについて説明する。
【０２５２】
図６４は、第１動作モード（ＯＦＦモード）の説明図である。モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態において、制御装置２５により、ハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴ及びローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがともにオフとされ、リアクトル３２に電流が流れない。第２負荷２０２には、バッテリ１２のみから負荷電流ＩＬ２（ＩＬ２＝Ｉｂ）として電力が供給される。この第１モード（ＯＦＦモード）では、図１８を参照して説明したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３のコンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓは、ゼロ値とされる。
【０２５３】
図６５Ａ、図６５Ｂは、第２動作モード｛放電モード（ＥＶモード）、昇圧モード｝の説明図である。第２動作モード（放電モード）では、モータ負荷１０１が駆動され、１周期２πの間に、制御装置２５により図６５Ａの状態と図６５Ｂの状態が切り換えられ、この切り換え動作が継続される。
【０２５４】
図６５Ａの状態では、制御装置２５によりハイサイドＬＡのトランジスタＨＴがオンとされ、第２負荷２０２に電力を供給しているバッテリ１２からリアクトル３２にエネルギが蓄積されるとともに、平滑コンデンサ３３からモータ負荷１０１に電力が供給される。
【０２５５】
図６５Ｂの状態では、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフとされる。これにより、リアクトル３２とバッテリ１２による昇圧された２次電圧Ｖ２がモータ負荷１０１に印加されるとともに平滑コンデンサ３３が充電される。バッテリ１２から第２負荷２０２には電流が供給され続けている。
【０２５６】
すなわち、図６５Ａ、図６５Ｂに示す放電モードでは、バッテリ１２のみにより第２負荷２０２及びモータ負荷１０１を駆動する。電源システム１０Ｄは、いわゆるＥＶ走行を行うことができる。
【０２５７】
図６６Ａ、図６６Ｂは、第３動作モード（充電モード、昇圧モード）の説明図である。この第３動作モード（充電モード）では、モータ負荷１０１が駆動されていない状態、いわゆる負荷無しの状態において、制御装置２５により１周期２πの間に、図６６Ａの状態と図６６Ｂの状態が切り換えられ、この切り換え動作が継続され、バッテリ１２を充電する平滑コンデンサ３３間に生成される２次電圧Ｖ２は、発電電圧ＶｆｃがＤＣ／ＤＣコンバータ１３により昇圧された電圧とされる。
【０２５８】
図６６Ａの状態では、制御装置２５によりローサイドアームＬＡのトランジスタＬＴがオンとされ、２次電圧Ｖ２とされている平滑コンデンサ３３から流れ出るバッテリ１２の充電電流ＩｂとＦＣスタック１１の発電電流Ｉｆｃの合成電流によりリアクトル３２にエネルギが蓄積される一方、バッテリ１２から第２負荷２０２に電力が供給される。モータ負荷１０１は、負荷無し（負荷ゼロ）の状態とされる。
【０２５９】
図６６Ｂの状態では、制御装置２５によりハイサイドアームＨＡのトランジスタＨＴがオフとされる。これにより、ＦＣスタック１１及びリアクトル３２からバッテリ１２に充電電流Ｉｂが供給されるとともに、ＦＣスタック１１からリアクトル３２を通じて平滑コンデンサ３３が２次電圧Ｖ２で充電される一方、バッテリ１２から第２負荷２０２に電力が供給される。モータ負荷１０１は、負荷無し（負荷ゼロ）の状態とされる。
【０２６０】
第４動作モードは、図示は省略するが、図３Ａ、図３ＢのＥＶモード及び図４Ａ、図４ＢのＦＣモードを切り換えるＨＶモードとされる。この場合、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、及び図４Ｂにおいて、負荷１０３は、モータ負荷１０１のみとされ、バッテリ１２に第２負荷２０２が接続される。この第４動作モードでは、バッテリ１２及びＦＣスタック１１がＤＣ／ＤＣコンバータ１３により昇圧モードで動作し、昇圧された２次電圧Ｖ２によりモータ負荷１０１を駆動するとともに、第２負荷２０２は、バッテリ１２により駆動される状態となる。
【０２６１】
図６４に示した第１動作モード（ＯＦＦモード）、図６５Ａ、図６５Ｂに示す第２動作モード（放電モード）、及び図６６Ａ、図６６Ｂに示した第３モード（充電モード）、及び図示しない第４モード（ＨＶモード）のいずれのモードにおいても、バッテリ１２から第２負荷２０２に電力が供給される。
【０２６２】
次に、上述した第３実施例の変形例の動作について、制御装置２５により実行される図６７のフローチャートを参照して説明する。
【０２６３】
ステップＳ５１において、制御装置２５によりモータ負荷１０１と第２負荷２０２の合計負荷（総合負荷）である要求負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが、所定値（所定電力）Ｐｔｈ１以下であるか否かが判定される。
【０２６４】
ここでの所定値Ｐｔｈ１は、駆動モータ２２の電力消費量がゼロ値あるいはゼロ値に近い所定電力消費量以下であって、第２負荷２０２が所定補機負荷以上であり、燃料電池車両としても機能する電源システム１０Ｄの負荷としては比較的に小さな負荷に対応する。
【０２６５】
要求負荷Ｐｓｙｓが所定値Ｐｔｈ１以下である場合（ステップＳ５１：ＹＥＳ）、ステップＳ５２において、車速Ｖｓがゼロ値を含む所定値（所定車速）Ｖｔｈ１以下（Ｖｓ≦Ｖｔｈ１）であるか否かが判定される。車速Ｖｓが所定値Ｖｔｈ１以下である場合（ステップＳ５２：ＹＥＳ）、次に、ステップＳ５３において、バッテリ１２のＳＯＣ値が所定値（所定ＳＯＣ値、所定残容量値）ＳＯＣｔｈ１以上（ＳＯＣ≧ＳＯＣｔｈ１）、例えば５０[％]（ＳＯＣｔｈ１＝５０［％］）以上であるか否かが判定される。
【０２６６】
ＳＯＣ値が所定値ＳＯＣｔｈ１以上である場合（ステップＳ５３：ＹＥＳ）、ステップＳ５４において、ＯＦＦモードでの直列電源５２の出力電力｛（Ｖｆｃ＋Ｖｂ）×Ｉｂ＝（Ｖｆｃ＋Ｖｂ）×Ｉｆｃ｝が要求負荷Ｐｓｙｓ、この場合、理解の便宜のためにモータ負荷１０１をゼロ値とし、第２負荷２０２の要求負荷Ｐｓｙｓに対応する負荷電流ＩＬ２にバッテリ電流Ｉｂ（放電電流）を決定する。
【０２６７】
次いで、ステップＳ５５において、ステップＳ２４と同様に、制御装置２５は、コンバータ損失Ｐｃｏｎｖｌｏｓｓをゼロ値とすべく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３をオフ状態（非動作状態であるＯＦＦモード）に制御する。
【０２６８】
この場合、図６４のＯＦＦモードの動作状態に示すように、バッテリ１２のみから第２負荷２０２に電力が供給される。ＦＣスタック１１は、非発電状態とされる。
【０２６９】
次いで、ステップＳ５６では、運転者のアクセル操作に基づくアクセルペダル開度θａｐが閾値開度（所定値、所定開度）θｔｈ１以上（θａｐ≧θｔｈ１）になっているか否かが判定される。
【０２７０】
そうでない場合には（ステップＳ５６：ＮＯ）、ステップＳ５１にもどる。
【０２７１】
アクセルペダル開度θａｐが閾値開度θｔｈ１以上になっている場合には（ステップＳ５６：ＹＥＳ）、ステップＳ５７において、制御装置２５は、電源システム１０Ｄを図６５Ａ、図６５Ｂを参照して説明したＥＶモード（放電モード）で動作させる。アクセルペダル開度θａｐがさらに大きく通常走行状態（モータ負荷１０３の通常負荷状態）になった場合には、図３Ａ、図３ＢのＥＶモードと図４Ａ、図４ＢのＦＣモードとを切り換えるＨＶモードでモータ負荷１０１及び第２負荷２０２を駆動する。
【０２７２】
上述したステップＳ５３の判定において、ＳＯＣ値が所定値未満である場合（ステップＳ５３：ＮＯ）、ステップＳ５８において、ネット効率Ｎη［％］がピークとなるＦＣスタック１１の発電出力Ｐｆｃｐにより図６６Ａ、図６６Ｂ示した充電モードでバッテリ１２を充電する。バッテリ１２は、第２負荷２０２に電力を供給する。
【０２７３】
ここで、ネット効率Ｎη［％］がピークとなるＦＣスタック１１の発電出力Ｐｆｃｐとは、図６８に示す特性２２４、２２６、２２８上のピーク点に対応する発電出力（発電電力）Ｐｆｃである。
【０２７４】
ネット効率Ｎη［％］は、ＦＣスタック１１の使用電力［ｋＷ］を単位水素量［ｍｏｌ］で割った値で定義される。すなわち単位水素量当たりの使用電力として定義される。
【０２７５】
特性２２４は、（Ｉｆｃ×Ｖｆｃ−補機負荷）／（反応水素量＋パージ水素量）として算出される。
【０２７６】
特性２２６は、（Ｉｆｃ×Ｖｆｃ−補機負荷−ＤＣ／ＤＣコンバータ損失）／（反応水素量＋パージ水素量）として算出される。
【０２７７】
特性２２８は、（Ｉｆｃ×Ｖｆｃ−補機負荷−ＤＣ／ＤＣコンバータ損失−バッテリ充電損失）／（反応水素量＋パージ水素量）として算出される。
【０２７８】
よって、ステップＳ５８では、ネット効率Ｎηの特性２２８のピーク値に対応する発電電力ＰｆｃｐでＦＣスタック１１が発電される。
【０２７９】
［第３実施例の変形例のまとめ］
以上説明したように、上述した第３実施例の変形例に係る電源システム１０Ｄは、例えば、図５４に示すように、ＦＣスタック（発電装置）１１と、ＦＣスタック１１の正側に、直列に、負側が接続されるバッテリ（蓄電装置）１２と、下アームスイッチング素子としてのトランジスタＬＴを含むローサイドアームＬＡと、このローサイドアームＬＡに直列に接続され、上アームスイッチング素子としてのトランジスタＨＴを含むハイサイドアームＨＡと、ローサイドアームＬＡとハイサイドアームＨＡとの直列接続点とＦＣスタック１１とバッテリ１２との直接接続点との間に接続されたリアクトル３２と、からなるＤＣ／ＤＣコンバータ１３と、ＦＣスタック１１とバッテリ１２との直列電源５２に並列に接続される主負荷としてのモータ負荷１０１と、バッテリ１２に並列に接続される補機負荷としての第２負荷２０２と、を有する。
【０２８０】
制御装置２５（制御手段）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態又は非動作（ＯＦＦモード）状態に制御するなか、所定条件下で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態に制御するとともに、第２負荷２０２の電力をバッテリ１２で賄うように制御する。
【０２８１】
この電源システム１０Ｄでは、ＦＣスタック１１とバッテリ１２の直列電源５２に対して並列にＤＣ／ＤＣコンバータ１３とモータ負荷１０１が接続され、バッテリ１２に第２負荷２０２が接続される。
【０２８２】
制御装置２５は、所定条件下（例えば、モータ負荷１０１がゼロ又はゼロに近く、第２負荷２０２は、通常負荷になっている状態、Ｐｓｙｓ≦Ｐｔｈ１及びＶｓ≦Ｖｔｈ１）で、電源システム１０ＤをＤＣ／ＤＣコンバータ１３が非動作状態の図６４に示すＯＦＦモード状態に制御するとともに、第２負荷２０２の電力をこの第２負荷２０２に並列に接続されているバッテリ１２で賄うようにしたので、上記の所定条件下では、スイッチング損失がゼロとなる分、システム電力効率を向上させることができる。
【０２８３】
なお、制御装置２５は、バッテリ１２のＳＯＣ値が前記所定値ＳＯＣｔｈ１を下回る値となった場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を動作状態に遷移させ（図６６Ａ、図６６Ｂの充電モード）、第２負荷２０２の電力をバッテリ１２の電力で賄うとともに、ＦＣスタック１１の発電電力によりバッテリ１２を充電することで、ＦＣスタック１１の電力の補助電力源としてのバッテリ１２の電力（補助電力）の欠乏を防止することができる。
【０２８４】
この場合、ＦＣスタック１１のネット効率Ｎη［％］がピークとなるＦＣスタック１１の発電出力Ｐｆｃｐとすることで、システム電力効率を一層向上させることができる。
【０２８５】
なお、補機負荷としての第２負荷２０２に、ナビゲーション装置等の付属品負荷及び空調用機器（空調機負荷）２６０が含まれるようにすると、システム電力効率の高い状態で前記付属品負荷及び前記空調機負荷を動作させることができる。
【０２８６】
さらに、前記補機負荷である第２負荷２０２として、ＦＣスタック１１に圧縮空気を供給するエアポンプ２１を含み、エアポンプ２１をバッテリ１２に並列に接続されているようにしたので、ＦＣスタック１１の電力効率が向上する。
【０２８７】
電源装置１００が搭載され、主負荷が駆動モータ２２である燃料電池車両は、電力効率を向上させることができる。
【０２８８】
バッテリ１２に並列に接続される第２負荷２０２として、図５５等に示すように、ＦＣスタック１１に圧縮空気を供給するエアポンプ負荷１０２を含むことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を非動作状態から動作状態に遷移させるときにエアポンプ２１を動作させておくことができ、ＦＣスタック１１を良好に発電状態に遷移させることができる。また、ＦＣスタック１１の発電を停止した状態であってＤＣ／ＤＣコンバータ１３の非動作状態に、エアポンプ２１を動作させることができるので、劣化制御や水滴除去のために行う反応ガスの供給を行うことができる。
【０２８９】
図６９は、上述した第３実施例の変形例の動作イメージを示すタイムチャートである。
【０２９０】
ＳＯＣ値より下の特性において、太い実線は第３実施例の変形例によるものを示し、太い破線は比較例によるものを示している。
【０２９１】
時点ｔ３１〜ｔ３２及び時点ｔ３３〜ｔ３４の間では要求負荷Ｐｓｙｓが閾値負荷Ｐｔｈ１以下であるので、電源システム１０Ｄは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３が非動作状態となるＯＦＦモード（図６４）で制御する。時点ｔ３２〜ｔ３３の間では、時点ｔ３２でＳＯＣ値が閾値ＳＯＣｔｈ１を下回る値となったので、ネット効率Ｎηのピークの発電電力ＰｆｃｐでＦＣスタック１１を発電させ、バッテリ１２を充電モード（図６６Ａ、図６６Ｂ）充電することで効率を向上させている。
【０２９２】
ここで、図８を参照して説明したようなバッテリ電圧ＶｂのＩＶ特性１２２とＦＣ電圧ＶｆｃのＩＶ特性１２０とが交差するような組み合わせを考える場合には、例えば図７０に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、バッテリセルの個数（セル数）により一義的に決定され、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、燃料電池セルの個数（セル数）により一義的に決定されることを考慮すれば、Ｖｆｃ＝Ｖｂａｔとなるセル数を有する燃料電池スタック１１及びバッテリ１２を選択するようにすればよい。
【０２９３】
また、電流出力を２倍にする場合には、図７１及び図７２に示すように、バッテリ１２のバッテリ電圧Ｖｂａｔ及びＦＣスタック１１のＦＣ電圧Ｖｆｃをそれぞれ１／２に低下させた２並列の電源システム１０Ｅとして構成することができる。その場合、バッテリ１２及びＦＣスタック１１のセル数は、それぞれ、図７２に並列Ｖｂａｔ及び並列Ｖｆｃの特性として示すように、１／２になる。３並列化等、ｎ並列化を図ることもできる。ただし、並列化した場合には、電圧は低くなるが電流が増加するので、コンバータ損失の増加に繋がる点に留意する。なお、並列化する際には、同じ特性のバッテリ１２、及び同じ特性のＦＣスタック１１を用いることが好ましい。
【０２９４】
なお、この発明は上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、以下に説明する種々の構成等を採り得ることはもちろんである。
【０２９５】
第１に、第１〜第３実施例の電源システム１０（図１）、１０Ｂ（図２２）、１０Ｃ（図３８）等において、バッテリ１２と、ダイオード１１１及びＦＣスタック１１と、を入れ替えた直列電源の電源システムとする。
【０２９６】
第２に、第１〜第３実施例の電源システム１０（図１）、１０Ｂ（図２２）、１０Ｃ（図３８）等において、ダイオード１１１及びＦＣスタック１１を、エンジンにより駆動される発電機（第１電源装置としての発電装置）に代替した直列電源の電源システムを備えた、いわゆるレンジエクステンダーＥＶや、ハイブリッドＥＶに適用する。
【０２９７】
第３に、第１〜第３実施例の電源システム１０（図１）、１０Ｂ（図２２）、１０Ｃ（図３８）等において、ダイオード１１１及びＦＣスタック１１を、車両外部の交流電源から充電器を通じて充電されるバッテリに代替した直列電源の電源システムを備えた、いわゆるプラグインＥＶに適用する。
【符号の説明】
【０２９８】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ…電源システム
１１…ＦＣスタック（燃料電池スタック）
１２…バッテリ（蓄電装置）
１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５…制御装置
５２…直列電源
１００…電源装置
１０１…主負荷（モータ負荷）
２０２…第２負荷
【図１】
0005887077.tif 000002
【図２】
0005887077.tif 000003
【図３】
0005887077.tif 000004
【図４】
0005887077.tif 000005
【図５】
0005887077.tif 000006
【図６】
0005887077.tif 000007
【図７】
0005887077.tif 000008
【図８】
0005887077.tif 000009
【図９】
0005887077.tif 000010
【図１０】
0005887077.tif 000011
【図１１】
0005887077.tif 000012
【図１２】
0005887077.tif 000013
【図１３】
0005887077.tif 000014
【図１４】
0005887077.tif 000015
【図１５】
0005887077.tif 000016
【図１６】
0005887077.tif 000017
【図１７】
0005887077.tif 000018
【図１８】
0005887077.tif 000019
【図１９】
0005887077.tif 000020
【図２０】
0005887077.tif 000021
【図２１】
0005887077.tif 000022
【図２２】
0005887077.tif 000023
【図２３】
0005887077.tif 000024
【図２４】
0005887077.tif 000025
【図２５】
0005887077.tif 000026
【図２６】
0005887077.tif 000027
【図２７】
0005887077.tif 000028
【図２８】
0005887077.tif 000029
【図２９】
0005887077.tif 000030
【図３０】
0005887077.tif 000031
【図３１】
0005887077.tif 000032
【図３２】
0005887077.tif 000033
【図３３】
0005887077.tif 000034
【図３４】
0005887077.tif 000035
【図３５】
0005887077.tif 000036
【図３６】
0005887077.tif 000037
【図３７】
0005887077.tif 000038
【図３８】
0005887077.tif 000039
【図３９】
0005887077.tif 000040
【図４０】
0005887077.tif 000041
【図４１】
0005887077.tif 000042
【図４２】
0005887077.tif 000043
【図４３】
0005887077.tif 000044
【図４４】
0005887077.tif 000045
【図４５】
0005887077.tif 000046
【図４６】
0005887077.tif 000047
【図４７】
0005887077.tif 000048
【図４８】
0005887077.tif 000049
【図４９】
0005887077.tif 000050
【図５０】
0005887077.tif 000051
【図５１】
0005887077.tif 000052
【図５２】
0005887077.tif 000053
【図５３】
0005887077.tif 000054
【図５４】
0005887077.tif 000055
【図５５】
0005887077.tif 000056
【図５６】
0005887077.tif 000057
【図５７】
0005887077.tif 000058
【図５８】
0005887077.tif 000059
【図５９】
0005887077.tif 000060
【図６０】
0005887077.tif 000061
【図６１】
0005887077.tif 000062
【図６２】
0005887077.tif 000063
【図６３】
0005887077.tif 000064
【図６４】
0005887077.tif 000065
【図６５】
0005887077.tif 000066
【図６６】
0005887077.tif 000067
【図６７】
0005887077.tif 000068
【図６８】
0005887077.tif 000069
【図６９】
0005887077.tif 000070
【図７０】
0005887077.tif 000071
【図７１】
0005887077.tif 000072
【図７２】
0005887077.tif 000073