(57)【要約】【課題】簡単な構成及び制御で、低温時や劣化時の起動を容易且つ確実に行うことを可能にする。【解決手段】電源システム２０では、高電圧蓄電装置３０と低電圧蓄電装置３６との間に、コンタクタ３２及びダウンバータ３４が接続されるとともに、前記低電圧蓄電装置３６と前記コンタクタ３２を駆動するためのソレノイド４０との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８が設けられる。電源システム２０の起動時に、低電圧蓄電装置３６の電圧が設定電圧よりも低い際、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８を昇圧制御することにより、ソレノイド４０に所望の電圧が確実に付与される。【選択図】図１
2006304575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電装置と、
前記発電装置により発電された電力を蓄電する第１蓄電装置と、
前記第１蓄電装置よりも低電圧の電力を蓄電する第２蓄電装置と、
前記第１蓄電装置と前記第２蓄電装置とを電気的に接続遮断可能であるとともに、システム起動時に前記第２蓄電装置からスイッチング駆動部に電力が付与されるスイッチング装置と、
前記第２蓄電装置と前記スイッチング駆動部との間に設けられるコンバータと、
前記システム起動時に前記第２蓄電装置の電圧が設定電圧よりも低い際、前記コンバータを昇圧制御する制御装置と、
を備え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において、前記スイッチング駆動部は、ソレノイドを備え、
前記ソレノイドの駆動電圧は、前記制御装置のリセット電圧よりも高電圧に設定される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記載の電源システムにおいて、前記制御装置は、システム起動信号が入力された際、前記コンバータの昇圧指令を出力することを特徴とする電源システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電源システムにおいて、前記制御装置は、前記スイッチング装置が導通状態であることを検出する際、前記コンバータの昇圧制御を停止することを特徴とする電源システム。
【請求項５】
発電装置により発電された電力を蓄電する第１蓄電装置と、前記第１蓄電装置よりも低電圧の電力を蓄電する第２蓄電装置と、前記第１蓄電装置と前記第２蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング装置と、前記第２蓄電装置と前記スイッチング装置のスイッチング駆動部との間に設けられるコンバータとを備える電源システムの制御方法であって、
システム起動時に前記第２蓄電装置の電圧を検出する工程と、
検出された前記電圧が設定電圧よりも低い際、前記コンバータを昇圧制御する工程と、
を有することを特徴とする電源システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５記載の制御方法において、前記スイッチング駆動部は、ソレノイドを備え、
前記ソレノイドの駆動電圧は、前記制御装置のリセット電圧よりも高電圧に設定されることを特徴とする電源システムの制御方法。
【請求項７】
請求項５又は６記載の制御方法において、前記制御装置は、システム起動信号が入力された際、前記コンバータの昇圧指令を出力することを特徴とする電源システムの制御方法。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の制御方法において、前記制御装置は、前記スイッチング装置が導通状態であることを検出する際、前記コンバータの昇圧制御を停止することを特徴とする電源システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置により発電された電力を蓄電する第１蓄電装置と、前記第１蓄電装置よりも低電圧の電力を蓄電する第２蓄電装置と、前記第１蓄電装置と前記第２蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング装置と、前記第２蓄電装置と前記スイッチング装置のスイッチング駆動部との間に設けられるコンバータとを備える電源システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電装置、例えば、燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池の用途としては、自動車等の車両に搭載した燃料電池車両が注目されている。発電効率が高く、しかも排気がクリーンであるという利点があるからである。
【０００５】
燃料電池車両では、燃料電池の出力応答性等を補うために、バッテリやキャパシタ（電気二重層コンデンサ）等の蓄電装置を併用するハイブリッド電源システムが採用されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、図９に示すように、燃料電池スタック１を備え、この燃料電池スタック１の電力取り出し端子には、強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ２が接続されている。この強電用ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力側には、高電圧（３４０Ｖ）を貯蔵する二次電池３と、高電圧を１２Ｖに電力変換する１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ４と、走行用モータ５に電力を供給するモータインバータ６とが並列に接続されている。
【０００６】
１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力側には、１２Ｖバッテリ７が接続されるとともに、この１２Ｖバッテリ７には、電気ヒータ８に供給される電力を制御する電力制御部９と、１２Ｖ補機１０とが接続されている。
【０００７】
燃料電池システムは、コントローラ１１により制御されるとともに、始動時には、イグニッションスイッチ１２がスタート位置まで回転されることによって、１２Ｖバッテリ７からの電力が前記コントローラ１１に供給されている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１１０１８７号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、燃料電池システムの起動時に、１２Ｖバッテリ７からコントローラ１１及び１２Ｖ用ＤＣ／ＤＣコンバータ４に駆動電圧が付与されるとともに、他の補機類にも電圧が付与されている。しかしながら、１２Ｖバッテリ７では、低温時の内部抵抗の高騰や劣化等によって充電容量が低下した場合に、所望の起動電圧（例えば、９Ｖ以上）を確保することができず、燃料電池システムが良好に起動できないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び制御で、低温時や劣化時に所望の起動電圧を容易且つ確実に得ることができ、システムを良好に起動させることが可能な電源システム及びその制御方法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】
【００１１】
本発明は、発電装置により発電された電力を蓄電する第１蓄電装置と、前記第１蓄電装置よりも低電圧の電力を蓄電する第２蓄電装置と、前記第１蓄電装置と前記第２蓄電装置とを電気的に接続遮断可能なスイッチング装置と、前記第２蓄電装置と前記スイッチング装置のスイッチング駆動部との間に設けられるコンバータとを備える電源システム及びその制御方法である。
【００１２】
先ず、システム起動時に、低電圧側の第２蓄電装置の電圧が検出される。そして、検出された電圧が設定電圧よりも低い際、コンバータが昇圧制御されることにより、スイッチング装置のスイッチング駆動部に付与される起動電圧が高く設定される。
【００１３】
また、スイッチング駆動部は、ソレノイドを備えており、前記ソレノイドの駆動電圧は、制御装置のリセット電圧よりも高電圧に設定されることが好ましい。さらに、制御装置は、システム起動信号が入力された際、コンバータの昇圧指令を出力することが好ましい。
【００１４】
さらにまた、制御装置は、スイッチング装置が導通状態であることを検出する際、コンバータの昇圧制御を停止させることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、システム起動時に第２蓄電装置の電圧が検出されるとともに、検出された前記電圧が設定電圧よりも低い際、コンバータが昇圧制御される。このため、低温時や第２蓄電装置の劣化等によって前記第２蓄電装置の電圧が低下しても、スイッチング装置のスイッチング駆動部に付与される起動電圧を高く維持することができる。これにより、スイッチング不良が惹起することがなく、簡単な構成及び制御で、電源システムの起動が確実且つ容易に遂行される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための電源システム２０の概略構成説明図である。
【００１７】
電源システム２０は、燃料電池車両（図示せず）に搭載されており、燃料電池２２を備える。この燃料電池２２は、図示していないが、例えば、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体を一対のセパレータで挟持する発電セルを積層したスタックとして構成されている。
【００１８】
燃料電池２２は、インバータ２４に接続されるとともに、前記インバータ２４は、前記燃料電池２２及び後述する高電圧蓄電装置（第１蓄電装置）３０から出力される直流電力（例えば、３００Ｖ）を、三相交流電力に変換してモータ２６に供給する。モータ２６は、両車輪２８に駆動力を伝達することにより、燃料電池車両を走行可能にする。
【００１９】
燃料電池２２は、高電圧蓄電装置３０と、スイッチング機構、例えば、コンタクタ３２とに接続されるとともに、前記コンタクタ３２は、ダウンバータ（Ｄ／Ｖ）３４に接続される。ダウンバータ３４には、例えば、１２Ｖバッテリである低電圧蓄電装置（第２蓄電装置）３６が接続される。
【００２０】
低電圧蓄電装置３６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８及び他の補機に接続される。このＤＣ−ＤＣコンバータ３８は、コンタクタ３２を駆動させるためのスイッチング駆動部、例えば、ソレノイド４０を介して制御装置４２に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータ３８とソレノイド４０との間には、低電圧蓄電装置３６の電圧（ＶBATT）を検出するための電圧計４４が設けられる。
【００２１】
制御装置４２は、電源システム２０全体の制御を行うとともに、システム起動時に低電圧蓄電装置３６の電圧が設定電圧よりも低い際、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８を昇圧制御する機能を有する。この制御装置４２には、イグニッションスイッチ４６からの起動信号が入力される。
【００２２】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３８は、図２に示すように、ブースト回路を構成しており、低電圧蓄電装置３６の電圧が入力されるライン４８には、コイル５０が配設される。コイル５０の出力側は、ダイオード５２及びゲート５４に接続されるとともに、このゲート５４は、コントロール回路５６により開閉操作される。ダイオード５２の出力側には、ライン５８が接続されるとともに、このライン５８の途上にコンデンサ５９が接続される。
【００２３】
コントロール回路５６は、ライン５８の出力端の出力電圧（ＶBATT）を監視し、出力電圧が基準電圧より低い場合に、前記出力電圧をフィードバック制御する。
【００２４】
このように構成される電源システム２０の動作について、本実施形態に係る制御方法との関連で、図３に示すタイミングチャート並びに図４及び図５に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、図３に示すように、ソレノイド４０の駆動下限電圧は、例えば、９Ｖであり、制御装置４２のリセット電圧は、例えば、６Ｖである。リセット電圧とは、制御装置４２の駆動が停止される閾値電圧をいう。
【００２５】
ここで、低電圧蓄電装置３６（以下、単にバッテリともいう）のエネルギ特性及び電流／電圧特性は、図６に示すように、正常なバッテリと、低温又は劣化した異常なバッテリとで変動している。このため、バッテリ電流とソレノイド駆動電流との交点Ｐ１及びＰ２、すなわち、ソレノイド４０の動作点の電圧は、異常なバッテリでは、９Ｖ以下（交点Ｐ１）となってしまい、前記ソレノイド４０を駆動することができない。
【００２６】
さらに、制御装置４２のリセット電圧は、ソレノイド駆動下限電圧（９Ｖ）よりも低い電圧（６Ｖ）に設定されている。従って、図７に示すように、制御装置４２のリセット電圧以上の電圧を保持するものの、低温や劣化等によってバッテリ残容量が少ない斜線に示す領域６０では、ソレノイド４０を駆動することができず、極めて不経済である。
【００２７】
そこで、本実施形態では、先ず、イグニッションスイッチ４６がオンされると（図４中、ステップＳ１）、低電圧蓄電装置３６から制御装置４２に電圧が付与される。このため、制御装置４２がオンされるとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８の制御が行われる（ステップＳ２及び図３参照）。
【００２８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ３８では、図２に示すように、コントロール回路５６を介してゲート５４が開閉される。従って、ゲート５４が導通中には、コイル５０にエネルギが貯えられる一方、前記ゲート５４が開放されると、前記コイル５０を流れる電流が中断され、入力電圧（１２Ｖ）よりも高い電圧が生成される。
【００２９】
コイル５０の出力は、コンデンサ５９に貯えられるとともに、ゲート５４が開閉操作されることによって、前記コンデンサ５９の両端の電圧が増加し、この昇圧された電圧（例えば、１４Ｖ）がソレノイド４０に付与される。
【００３０】
その際、コントロール回路５６は、出力電圧を監視し、この出力電圧が設定電圧（例えば、１３Ｖ）よりも大きいか否かを判断する（図５中、ステップＳ１１）。そして、出力電圧が設定電圧以上であると判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進んで、ＰＷＭ（パルス幅変調）のデューティ比が小さく設定される。一方、出力電圧が設定電圧以下であると判断されると、すなわち、ソレノイド４０による電力消費があると判断されると、ステップＳ１３に進んで、ＰＷＭのデューティ比が大きく設定される。
【００３１】
上記のように、コンバータ制御が行われると、図４中、ステップＳ３に進んで、制御装置４２のイニシャライズが行われ、さらに、コンタクタ３２のオン指令が出力される（ステップＳ４）。このため、コンタクタ３２はソレノイド４０を介してオン（閉動）され、高電圧蓄電装置３０からダウンバータ３４に高電圧が供給され、このダウンバータ３４により降圧されて低電圧蓄電装置３６に充電が行われる。その際、ダウンバータ３４から動作信号が出力されて、前記ダウンバータ３４の動作が確認される（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。
【００３２】
制御装置４２は、ダウンバータ３４の動作信号によりコンタクタ３２が導通状態であることを検出すると、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８の昇圧制御を停止する。
【００３３】
この場合、本実施形態では、電源システム２０の起動時に、低電圧蓄電装置３６の電圧が検出されるとともに、検出された前記電圧が設定電圧よりも低い際、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８が昇圧制御されている。
【００３４】
従って、低温起動時や低電圧蓄電装置３６の劣化等によって前記低電圧蓄電装置３６の電圧が低下しても、ソレノイド４０を駆動するために該ソレノイド４０に付与される起動電圧（出力電圧）を高く設定することができる。これにより、コンタクタ３２の接続不良を確実に阻止し、簡単な構成及び制御で、電源システム２０の起動が確実且つ容易に遂行されるという効果が得られる。しかも、図７中、領域６０であっても、コンタクタ３２を駆動することができ、経済的であるという利点がある。
【００３５】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８を用いずにシステム起動を行う従来の制御方法（比較例）のタイミングチャートが図８に示されている。なお、基本的な動作は、図３に示す実施形態の制御方法のタイミングチャートと同様である。
【００３６】
出力電圧（ＶBATT）は、コンタクタ３２のオン信号により電力が消費されて降圧するが、正常なバッテリでは、ソレノイド駆動下限電圧よりも高い電圧を維持した状態で、前記コンタクタ３２がオンされる（図８中、二点鎖線参照）。このため、高電圧蓄電装置３０からダウンバータ３４を介して低電圧蓄電装置３６に充電が行われ、前記低電圧蓄電装置３６が昇圧される。
【００３７】
ところが、低温又は劣化した異常なバッテリでは、残容量が少なく、ソレノイド駆動下限電圧を下回ってしまい、コンタクタ３２をオンすることができない（図８中、一点鎖線参照）。従って、異常なバッテリでは、出力電圧が徐々に低下してしまい、制御装置４２のリセット電圧以下に降圧して前記制御装置４２が停止され、システム起動ができない。
【００３８】
これに対して、本実施形態では、上記のように低温又は劣化等による異常なバッテリであっても、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８により出力電圧を確実に昇圧させることができる。これにより、コンタクタ３２の動作不良を確実に阻止して、良好且つ経済的なシステム起動が遂行されるという効果が得られる。
【００３９】
なお、ソレノイド４０の駆動下限電圧を低下させることも考えられるが、コイル定数の変更やコイル線径の変更等が必要であり、前記ソレノイド４０が相当に大型化して実用に適さないといいう問題がある。
【００４０】
また、本実施形態では、スイッチング機構としてコンタクタ３２を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやＩＧＢＴ等を使用することもできる。
【００４１】
さらに、本実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３８が制御装置４２により制御されているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ３８の昇圧制御を前記ＤＣ−ＤＣコンバータ３８が自立的に行うように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための電源システムの概略構成説明図である。
【図２】前記電源システムを構成するＤＣ−ＤＣコンバータの説明図である。
【図３】前記制御方法のタイミングチャートである。
【図４】前記制御方法を説明するフローチャートである。
【図５】図４のフローチャート中、コンバータ制御を説明するフローチャートである。
【図６】正常なバッテリと異常なバッテリのエネルギ及び電流／電圧特性図である。
【図７】バッテリのエネルギ特性説明図である。
【図８】比較例の制御方法を説明するタイミングチャートである。
【図９】特許文献１の燃料電池システムの構成説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
２０…電源システム              ２２…燃料電池
２４…インバータ                ２６…モータ
３０…高電圧蓄電装置            ３２…コンタクタ
３４…ダウンバータ              ３６…低電圧蓄電装置
３８…ＤＣ−ＤＣコンバータ      ４０…ソレノイド
４２…制御装置                  ４４…電圧計
５０…コイル                    ５６…コントロール回路
５９…コンデンサ
【図１】
2006304575.tif 000003
【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】
2006304575.tif 000008
【図７】
2006304575.tif 000009
【図８】
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【図９】
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