(57)【要約】【課題】バッテリ及び燃料電池を備える電源システムにおける装置の利用効率を向上させる。【解決手段】バッテリ及び燃料電池を備える電源システムにおいて、燃料電池コンバータは、燃料電池の正極側に一端が接続されるリアクトル、リアクトルの他端と負荷の正極側との間に接続される上ダイオード、リアクトルの他端と燃料電池の負極側との間に接続される下ダイオード、下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路を備え、一対のチョッパ回路における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点よりリアクトル側には燃料電池コンバータと燃料電池の正極側とを断接する切替部が設けられ、切替部は燃料電池コンバータが燃料電池の正極側に接続された状態と、燃料電池コンバータが外部交流電源からの供給電力を非接触で受電可能な受電部に接続された状態とを切り替え可能である。【選択図】図１
2019110654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を変換可能なバッテリコンバータを介して負荷に接続され、前記負荷へ供給される電力を蓄電するバッテリと、
電圧を変換可能な燃料電池コンバータを介して前記バッテリ及び前記バッテリコンバータと並列に前記負荷に接続される燃料電池と、
外部交流電源からの供給電力を非接触で受電可能な受電部と、
を備える電源システムにおいて、
前記燃料電池コンバータは、前記燃料電池の正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と前記負荷の正極側との間に接続される上ダイオード、当該リアクトルの他端と前記燃料電池の負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路を備え、
前記燃料電池コンバータの一対のチョッパ回路における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点より当該リアクトル側には、前記燃料電池コンバータと前記燃料電池の正極側とを断接する切替部が設けられ、
前記燃料電池コンバータの切替部は、前記燃料電池コンバータが前記燃料電池の正極側に接続された状態と、前記燃料電池コンバータが前記受電部に接続された状態とを切り替え可能であり、
前記燃料電池コンバータの動作及び前記バッテリコンバータの動作を制御する制御装置を備える、
電源システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記受電部が前記外部交流電源からの供給電力を受電可能な状態である場合に、前記燃料電池コンバータを前記受電部と接続させダイオードブリッジとして動作させ、前記バッテリコンバータを降圧動作させることによって、前記外部交流電源から前記受電部を介して受電される電力を用いて前記バッテリを充電させる、
請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記燃料電池コンバータを昇圧動作させる際に、前記燃料電池コンバータの一対のチョッパ回路の下スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させる、
請求項１又は２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記バッテリコンバータは、前記バッテリの正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と前記負荷の正極側との間に接続される上ダイオード、当該上ダイオードに並列に接続される上スイッチング素子、当該リアクトルの他端と前記バッテリの負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路を備える、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記バッテリコンバータを昇圧動作させる際に、前記バッテリコンバータの一対のチョッパ回路の下スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させる、
請求項４に記載の電源システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記バッテリコンバータを降圧動作させる際に、前記バッテリコンバータの一対のチョッパ回路の上スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させる、
請求項４又は５に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、負荷へ供給される電力を蓄電する二次電池であるバッテリと、バッテリと並列に負荷に接続される燃料電池とを備える電源システムが種々の装置に利用されている。例えば、特許文献１に記載されているように、バッテリに蓄電される電力を主として用いて駆動される駆動用モータの出力により走行する電動車両において、燃料電池により発電される電力を用いてバッテリを充電することによって、バッテリの残存容量（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）が低下し電力が枯渇することを抑制しつつ走行の継続を可能にする電動車両がある。このような電動車両は、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両とも言われる。燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両では、例えば、外部電源によりバッテリが充電され、電動車両の走行中にバッテリの残存容量の低下に応じて燃料電池が起動される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１４３８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、バッテリ及び燃料電池を備える電源システムにおいて、電源システムにおける装置の利用効率を向上させることが望ましいと考えられる。具体的には、上記の電源システムには、電力源の電圧に応じて当該電力源から出力される電力を昇圧するための昇圧機能を有するコンバータが設けられる場合がある。例えば、そのようなコンバータとして、バッテリに蓄電される電力を昇圧するためのバッテリコンバータ又は燃料電池により発電される電力を昇圧するための燃料電池コンバータが設けられ得る。ここで、電源システムにおいて、電力源から負荷への電力の供給が行われていない場合等に、上記のコンバータが利用されていない状況が生じ得る。このような状況は、電源システムにおける装置の利用効率の低下の要因となる。電源システムにおける装置の利用効率の低下は、電源システムにおける部品点数の増大を誘発し、ひいては電源システムが大型化する要因となり得る。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、バッテリ及び燃料電池を備える電源システムにおける装置の利用効率を向上させることが可能な、新規かつ改良された電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電圧を変換可能なバッテリコンバータを介して負荷に接続され、前記負荷へ供給される電力を蓄電するバッテリと、電圧を変換可能な燃料電池コンバータを介して前記バッテリ及び前記バッテリコンバータと並列に前記負荷に接続される燃料電池と、外部交流電源からの供給電力を非接触で受電可能な受電部と、を備える電源システムにおいて、前記燃料電池コンバータは、前記燃料電池の正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と前記負荷の正極側との間に接続される上ダイオード、当該リアクトルの他端と前記燃料電池の負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路を備え、前記燃料電池コンバータの一対のチョッパ回路における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点より当該リアクトル側には、前記燃料電池コンバータと前記燃料電池の正極側とを断接する切替部が設けられ、前記燃料電池コンバータの切替部は、前記燃料電池コンバータが前記燃料電池の正極側に接続された状態と、前記燃料電池コンバータが前記受電部に接続された状態とを切り替え可能であり、前記燃料電池コンバータの動作及び前記バッテリコンバータの動作を制御する制御装置を備える、電源システムが提供される。
【０００７】
前記制御装置は、前記受電部が前記外部交流電源からの供給電力を受電可能な状態である場合に、前記燃料電池コンバータを前記受電部と接続させダイオードブリッジとして動作させ、前記バッテリコンバータを降圧動作させることによって、前記外部交流電源から前記受電部を介して受電される電力を用いて前記バッテリを充電させてもよい。
【０００８】
前記制御装置は、前記燃料電池コンバータを昇圧動作させる際に、前記燃料電池コンバータの一対のチョッパ回路の下スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。
【０００９】
前記バッテリコンバータは、前記バッテリの正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と前記負荷の正極側との間に接続される上ダイオード、当該上ダイオードに並列に接続される上スイッチング素子、当該リアクトルの他端と前記バッテリの負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路を備えてもよい。
【００１０】
前記制御装置は、前記バッテリコンバータを昇圧動作させる際に、前記バッテリコンバータの一対のチョッパ回路の下スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。
【００１１】
前記制御装置は、前記バッテリコンバータを降圧動作させる際に、前記バッテリコンバータの一対のチョッパ回路の上スイッチング素子を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように本発明によれば、バッテリ及び燃料電池を備える電源システムにおける装置の利用効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る電源システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】電動車両の走行時の同実施形態に係る電源システムにおける電力の流れを示す模式図である。
【図３】電動車両の走行時における燃料電池コンバータの動作について説明するための図である。
【図４】バッテリの外部充電時の同実施形態に係る電源システムにおける電力の流れを示す模式図である。
【図５】応用例に係る電源システムの概略構成を示す模式図である。
【図６】電動車両の走行時の応用例に係る電源システムにおける電力の流れを示す模式図である。
【図７】バッテリの外部充電時の応用例に係る電源システムにおける電力の流れを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１５】
＜１．電源システムの構成＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係る電源システム１の構成について説明する。
【００１６】
電源システム１は、例えば、電動車両に搭載され、当該電動車両の駆動源としてのバッテリ１０及び燃料電池２０と駆動用モータ３２との間での送電を実現するためのシステムである。
【００１７】
なお、以下では、このような電源システム１を一実施形態として説明するが、本発明に係る電源システムはこのような例に限定されない。例えば、本発明に係る電源システムは、バッテリ及び燃料電池を搭載した鉄道又はその他の輸送機械等の電動車両以外の装置に搭載されてもよい。また、電源システム１における負荷３０は、後述するように、インバータ３１及び駆動用モータ３２を含むものであるが、本発明に係る負荷は、供給される電力を消費可能であればよく、電源システムが搭載される装置に応じて適宜異なり得る。
【００１８】
図１は、本実施形態に係る電源システム１の概略構成を示す模式図である。
【００１９】
電源システム１は、図１に示すように、バッテリ１０と、燃料電池２０と、インバータ３１及び駆動用モータ３２を含む負荷３０と、バッテリコンバータ８０と、燃料電池コンバータ５０と、受電部６０と、制御装置１００とを備える。
【００２０】
電源システム１を搭載する電動車両は、バッテリ１０に蓄電される電力（蓄電電力とも呼ぶ。）を用いて駆動される駆動用モータ３２を駆動源として走行可能である。また、当該電動車両は、燃料電池２０により発電される電力（発電電力とも呼ぶ。）を用いてバッテリ１０を充電することによって、バッテリ１０の残存容量ＳＯＣが低下し電力が枯渇することを抑制しつつ走行を継続可能である。
【００２１】
電源システム１は、例えば、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両に搭載される。燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両に搭載される電源システム１では、具体的には、バッテリ１０の蓄電電力が主として駆動用モータ３２の駆動に用いられ、燃料電池２０の発電電力が主としてバッテリ１０の充電に用いられる。なお、燃料電池２０の発電電力が駆動用モータ３２の駆動に用いられてもよい。例えば、燃料電池２０の発電電力が、バッテリ１０の蓄電電力に加えて駆動用モータ３２の駆動に用いられてもよい。バッテリ１０の蓄電電力と燃料電池２０の発電電力との間での駆動用モータ３２の駆動に用いられる頻度の割合は、特に限定されない。また、燃料電池レンジエクステンダー式の電動車両に搭載される電源システム１では、具体的には、バッテリ１０は、電動車両の外部の電源から供給される電力を用いて充電され得る。
【００２２】
バッテリ１０は、電力を充放電可能な電池であり、駆動用モータ３２へ供給される電力を蓄電する。バッテリ１０としては、例えば、リチウムイオン電池、リチウムイオンポリマー電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池又は鉛蓄電池等の二次電池が用いられるが、これら以外の電池が用いられてもよい。
【００２３】
図１に示すように、バッテリ１０は、電圧を変換可能なバッテリコンバータ８０を介してインバータ３１に接続される。ゆえに、バッテリ１０の蓄電電力をインバータ３１にバッテリコンバータ８０を介して供給することができる。なお、バッテリ１０の蓄電電力は、電動車両に設けられる各種補機へ供給されてもよい。また、負荷３０側から供給される電力をバッテリ１０にバッテリコンバータ８０を介して供給することができる。
【００２４】
また、バッテリ１０は、当該バッテリ１０へ供給される電力を用いて充電される。具体的には、バッテリ１０は、燃料電池２０の発電電力を用いて充電され得る。また、バッテリ１０は、駆動用モータ３２により回生発電される電力（回生電力）を用いて充電され得る。また、バッテリ１０は、後述するように、外部交流電源から受電部６０を介して受電される電力を用いて充電され得る。
【００２５】
バッテリ１０には、バッテリ管理装置（ＢＭＳ：Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ）１１が設けられている。バッテリ管理装置１１は、例えば、バッテリ１０の電圧及び残存容量ＳＯＣ等の情報を算出し、制御装置１００に出力する。
【００２６】
燃料電池２０は、水素ガスと酸素ガスとを反応させることにより発電可能な電池である。例えば、燃料電池２０は、バッテリ１０の起電力と比較して低電圧の電力を発電する。燃料電池２０は、図示しない水素タンクと接続されており、水素タンクには、例えば、燃料電池２０に供給される高圧水素が充填されている。図示しないモータポンプ等により水素タンクから燃料電池２０へ水素ガスが供給される。また、燃料電池２０には、図示しないコンプレッサ等により酸素ガスとしての空気が供給される。燃料電池２０への水素ガス及び酸素ガスの供給量が制御されることによって、燃料電池２０の出力が制御される。
【００２７】
図１に示すように、燃料電池２０は、電圧を変換可能な燃料電池コンバータ５０を介してバッテリ１０及びバッテリコンバータ８０と並列にインバータ３１に接続される。ゆえに、燃料電池２０の発電電力をバッテリ１０へ燃料電池コンバータ５０を介して供給することができる。また、燃料電池２０の発電電力をインバータ３１へ燃料電池コンバータ５０を介して供給することができる。
【００２８】
なお、燃料電池２０の正極側と燃料電池コンバータ５０との間（具体的には、後述する燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１、チョッパ回路５２及び燃料電池２０の正極側の接続点Ｐ５９より燃料電池２０側）には、燃料電池２０への電流の逆流を防止する観点から、燃料電池２０の正極側から燃料電池コンバータ５０へ向かう一方向に電流の向きを規制するダイオード９２が設けられ得る。
【００２９】
負荷３０は、バッテリ１０から供給される電力を消費する。図１に示すように、負荷３０は、インバータ３１及び駆動用モータ３２を含む。
【００３０】
インバータ３１は、直流電力と交流電力との間で電力を変換可能な電力変換装置であり、駆動用モータ３２とバッテリ１０等の電力源側との間で双方向の電力変換を行う機能を有する。
【００３１】
インバータ３１は、例えば、三相ブリッジ回路を含んで構成される。インバータ３１にはスイッチング素子が設けられ、スイッチング素子の動作が制御されることにより、インバータ３１による電力の変換が制御される。
【００３２】
図１に示すように、インバータ３１は、駆動用モータ３２と接続される。ゆえに、駆動用モータ３２とバッテリ１０等の電力源側との間で、インバータ３１を介した双方向の電力変換を行うことができる。例えば、インバータ３１は、供給される直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ３２へ供給可能である。また、インバータ３１は、駆動用モータ３２により回生発電される交流電力を直流電力に変換してバッテリ１０へ供給可能である。なお、電源システム１内を流れる直流電流を平滑化する観点から、平滑コンデンサ９１がインバータ３１に並列に接続され得る。
【００３３】
駆動用モータ３２は、供給される電力を用いて駆動（力行駆動）されることにより動力を出力可能である。駆動用モータ３２として、例えば、三相交流式のモータが用いられる。駆動用モータ３２から出力された動力は、例えば、図示しないディファレンシャル装置に伝達され、ディファレンシャル装置によって左右一対の駆動輪へ分配して伝達される。また、駆動用モータ３２は、電動車両の減速時に回生駆動されて車輪の回転エネルギを用いて発電する発電機としての機能（回生機能）を有してもよい。
【００３４】
バッテリコンバータ８０は、電圧を変換可能な電力変換装置であり、バッテリ１０の蓄電電力を昇圧して負荷３０側へ供給する機能を有する。さらに、バッテリコンバータ８０は、負荷３０側から供給される電力を降圧してバッテリ１０に供給する機能を有する。バッテリコンバータ８０には、スイッチング素子が設けられ、スイッチング素子の動作が制御されることにより、バッテリコンバータ８０による電力の変換が制御される。
【００３５】
図１に示すように、バッテリコンバータ８０は、上スイッチング素子８９１、下スイッチング素子８９２、上ダイオード８９３、下ダイオード８９４、及びリアクトル８９５を含むチョッパ回路である。バッテリ１０の正極側にリアクトル８９５の一端が接続される。上ダイオード８９３は、リアクトル８９５の他端とインバータ３１の正極側との間に接続されるダイオードである。上ダイオード８９３は、具体的には、リアクトル８９５の他端からインバータ３１の正極側へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下ダイオード８９４は、リアクトル８９５の他端とバッテリ１０の負極側との間に接続されるダイオードである。下ダイオード８９４は、具体的には、バッテリ１０の負極側からリアクトル８９５の他端へ向かう一方向に電流の向きを規制する。上スイッチング素子８９１は、上ダイオード８９３に並列に接続されるスイッチング素子である。下スイッチング素子８９２は、下ダイオード８９４に並列に接続されるスイッチング素子である。
【００３６】
バッテリコンバータ８０の各スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。
【００３７】
バッテリコンバータ８０において、上スイッチング素子８９１がＯＦＦに維持された状態で、下スイッチング素子８９２がスイッチング動作（換言すると、ＯＮとＯＦＦを繰り返す動作）を行うことによって、バッテリ１０の蓄電電力が昇圧されて負荷３０側へ供給される。この際、バッテリコンバータ８０では、下スイッチング素子８９２がＯＮであるときにリアクトル８９５へ磁気エネルギが蓄積され、下スイッチング素子８９２がＯＦＦであるときにリアクトル８９５から磁気エネルギが放出される。
【００３８】
また、バッテリコンバータ８０において、下スイッチング素子８９２がＯＦＦに維持された状態で、上スイッチング素子８９１がスイッチング動作を行うことによって、負荷３０側から供給される電力が降圧されてバッテリ１０に供給される。この際、バッテリコンバータ８０では、上スイッチング素子８９１がＯＮであるときにリアクトル８９５へ磁気エネルギが蓄積され、上スイッチング素子８９１がＯＦＦであるときにリアクトル８９５から磁気エネルギが放出される。
【００３９】
燃料電池コンバータ５０は、電圧を変換可能な電力変換装置であり、燃料電池２０の発電電力を昇圧して負荷３０側へ供給する機能を有する。燃料電池コンバータ５０には、スイッチング素子が設けられ、スイッチング素子の動作が制御されることにより、燃料電池コンバータ５０による電力の変換が制御される。
【００４０】
図１に示すように、燃料電池コンバータ５０は、互いに並列に設けられる一対のチョッパ回路５１，５２を備える。
【００４１】
チョッパ回路５１は、下スイッチング素子５１２、上ダイオード５１３、下ダイオード５１４、及びリアクトル５１５を含む。燃料電池２０の正極側にリアクトル５１５の一端が接続される。上ダイオード５１３は、リアクトル５１５の他端とインバータ３１の正極側との間に接続されるダイオードである。上ダイオード５１３は、具体的には、リアクトル５１５の他端からインバータ３１の正極側へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下ダイオード５１４は、リアクトル５１５の他端と燃料電池２０の負極側との間に接続されるダイオードである。下ダイオード５１４は、具体的には、燃料電池２０の負極側からリアクトル５１５の他端へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下スイッチング素子５１２は、下ダイオード５１４に並列に接続されるスイッチング素子である。
【００４２】
チョッパ回路５２は、下スイッチング素子５２２、上ダイオード５２３、下ダイオード５２４、及びリアクトル５２５を含む。燃料電池２０の正極側にリアクトル５２５の一端が接続される。上ダイオード５２３は、リアクトル５２５の他端とインバータ３１の正極側との間に接続されるダイオードである。上ダイオード５２３は、具体的には、リアクトル５２５の他端からインバータ３１の正極側へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下ダイオード５２４は、リアクトル５２５の他端と燃料電池２０の負極側との間に接続されるダイオードである。下ダイオード５２４は、具体的には、燃料電池２０の負極側からリアクトル５２５の他端へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下スイッチング素子５２２は、下ダイオード５２４に並列に接続されるスイッチング素子である。
【００４３】
チョッパ回路５１，５２の各スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。
【００４４】
燃料電池コンバータ５０の各チョッパ回路において、下スイッチング素子５１２（５２２）がスイッチング動作を行うことによって、燃料電池２０の発電電力が昇圧されて負荷３０側へ供給される。この際、燃料電池コンバータ５０の各チョッパ回路では、下スイッチング素子５１２（５２２）がＯＮであるときにリアクトル５１５（５２５）へ磁気エネルギが蓄積され、下スイッチング素子５１２（５２２）がＯＦＦであるときにリアクトル５１５（５２５）から磁気エネルギが放出される。
【００４５】
ここで、燃料電池コンバータ５０の一対のチョッパ回路５１，５２における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点Ｐ５１，Ｐ５２より当該リアクトル側には、燃料電池コンバータ５０と燃料電池２０の正極側とを断接する切替部５９が設けられる。切替部５９は、燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態とを切り替え可能である。
【００４６】
図１に示すように、切替部５９は、スイッチ５９１及びスイッチ５９２を含む。
【００４７】
スイッチ５９１は、チョッパ回路５１における上ダイオード５１３、下ダイオード５１４及びリアクトル５１５の接続点Ｐ５１よりリアクトル５１５側に設けられ、設置位置においてチョッパ回路５１と燃料電池２０の正極側とを断接する。例えば、スイッチ５９１は、上ダイオード５１３、下ダイオード５１４及びリアクトル５１５の接続点Ｐ５１とリアクトル５１５との間に設けられる。また、スイッチ５９１は、設置位置においてチョッパ回路５１と受電部６０の一方の極側とを接続可能であり、チョッパ回路５１が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、チョッパ回路５１が受電部６０の一方の極側に接続された状態とを切り替え可能である。
【００４８】
スイッチ５９２は、チョッパ回路５２における上ダイオード５２３、下ダイオード５２４及びリアクトル５２５の接続点Ｐ５２よりリアクトル５２５側に設けられ、設置位置においてチョッパ回路５２と燃料電池２０の正極側とを断接する。例えば、スイッチ５９２は、上ダイオード５２３、下ダイオード５２４及びリアクトル５２５の接続点Ｐ５２とリアクトル５２５との間に設けられる。また、スイッチ５９２は、設置位置においてチョッパ回路５２と受電部６０の他方の極側とを接続可能であり、チョッパ回路５２が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、チョッパ回路５２が受電部６０の他方の極側に接続された状態とを切り替え可能である。
【００４９】
スイッチ５９１によりチョッパ回路５１が燃料電池２０の正極側と接続され、かつ、スイッチ５９２によりチョッパ回路５２が燃料電池２０の正極側と接続された状態が、燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側に接続された状態に相当する。一方、スイッチ５９１によりチョッパ回路５１が受電部６０の一方の極側と接続され、かつ、スイッチ５９２によりチョッパ回路５２が受電部６０の他方の極側と接続された状態が、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態に相当する。
【００５０】
燃料電池コンバータ５０は、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態において、受電部６０と負荷３０側との間での電力変換を実行可能である。例えば、燃料電池コンバータ５０は、受電部６０から供給される交流電流を直流電力に変換して負荷３０側へ供給可能である。なお、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態における燃料電池コンバータ５０による電力変換については、後述にて詳細に説明する。
【００５１】
受電部６０は、電源システム１が搭載される装置（本実施形態では、電動車両）の外部の交流電源である外部交流電源から供給される電力（供給電力とも呼ぶ。）を非接触で受電可能である。なお、このように非接触で受給される交流電流は、比較的高い周波数（例えば、１００ｋＨｚ程度）を有する。
【００５２】
図１に示すように、受電部６０は、例えば、一側に受電コイル６１を有し、他側に一対の開放端を有する。受電部６０は、開放端側において、燃料電池コンバータ５０と接続可能となっている。受電コイル６１は、電動車両の外部から送電される電力を受電可能である。例えば、受電コイル６１は、電動車両の下部に設けられる。また、外部交流電源と接続される送電コイルが道路上又は道路の内部に設けられる。送電コイルには、外部交流電源から電力が供給される。受電コイル６１は、送電コイルと対向する位置において、送電コイルから送電される電力を非接触で受電可能である。送電コイルから受電コイル６１への送電の方式として、例えば、磁気共鳴方式又は電磁誘導方式が用いられる。
【００５３】
例えば、受電部６０が外部交流電源からの供給電力を受電する際、燃料電池コンバータ５０が受電部６０と接続されている場合、受電部６０から燃料電池コンバータ５０へ電力が供給され得る。
【００５４】
制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等で構成される。
【００５５】
また、制御装置１００は、電源システム１に設けられる各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。例えば、制御装置１００は、燃料電池２０、インバータ３１、バッテリコンバータ８０、燃料電池コンバータ５０及びバッテリ管理装置１１と通信を行う。本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により分割されてもよく、その場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。
【００５６】
例えば、制御装置１００は、燃料電池２０への水素ガス及び酸素ガスの供給量を制御することによって、燃料電池２０の出力を制御する。また、例えば、制御装置１００は、インバータ３１のスイッチング素子の動作を制御することによって、インバータ３１による電力の変換を制御する。それにより、駆動用モータ３２による動力の生成及び回生発電が制御される。また、例えば、制御装置１００は、バッテリコンバータ８０のスイッチング素子の動作を制御することによって、バッテリコンバータ８０による電力の変換を制御する。また、例えば、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０の一対のチョッパ回路５１，５２のスイッチング素子の動作を制御することによって、チョッパ回路５１，５２による電力の変換を制御する。また、例えば、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０の切替部５９の動作を制御することによって、燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態との切り替えを制御する。このように、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０の動作及びバッテリコンバータ８０の動作を制御する。
【００５７】
＜２．電源システムの動作＞
続いて、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る電源システム１の動作について説明する。
【００５８】
電源システム１の各装置の動作は、電動車両の運転状態に応じて制御装置１００によって制御される。以下では、このような電源システム１の各動作について説明する。
【００５９】
（走行時）
まず、図２及び図３を参照して、電動車両の走行時の電源システム１の動作について説明する。図２は、電動車両の走行時の電源システム１における電力の流れを示す模式図である。図３は、電動車両の走行時における燃料電池コンバータ５０の動作について説明するための図である。なお、本明細書で参照する図２等の電源システムにおける電力の流れを示す図面では、電力の流れが太線矢印によって示されている。
【００６０】
電動車両の走行時において、制御装置１００は、バッテリ１０の蓄電電力を主として用いて駆動用モータ３２が駆動され、燃料電池２０の発電電力を用いてバッテリ１０の充電等が行われるように、電源システム１を制御する。
【００６１】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、切替部５９の動作を制御することによって、燃料電池コンバータ５０を燃料電池２０の正極側と接続させる。それにより、具体的には、図２に示すように、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２が、スイッチ５９１，５９２により燃料電池２０の正極側と接続される。
【００６２】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、例えば、駆動用モータ３２の出力が要求値と一致するように、加減速指令量及び車速等のパラメータに基づいて、駆動用モータ３２の出力を制御する。ここで、制御装置１００は、図２に示すように、バッテリ１０の蓄電電力を負荷３０側へバッテリコンバータ８０を介して供給させることができる。この際、制御装置１００は、バッテリ１０の蓄電電力をバッテリコンバータ８０によって昇圧させて負荷３０側へ供給させる。また、制御装置１００は、電動車両の走行時に、図２において二点鎖線の矢印によって示すように、負荷３０側から供給される電力をバッテリ１０にバッテリコンバータ８０を介して供給させることができる。この際、制御装置１００は、負荷３０側から供給される電力をバッテリコンバータ８０によって降圧させて負荷３０側へ供給させる。
【００６３】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、切替部５９により燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側と接続されることによって、図２に示すように、燃料電池２０の発電電力を負荷３０側へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させることができる。それにより、燃料電池２０の発電電力を用いたバッテリ１０の充電及び駆動用モータ３２への燃料電池２０の発電電力の給電が実現される。
【００６４】
例えば、制御装置１００は、バッテリ１０の残存容量ＳＯＣが閾値以下である場合に、バッテリ１０を充電するために、燃料電池２０の発電電力をバッテリ１０へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させる。閾値は、例えば、バッテリ１０の残存容量ＳＯＣが低下し電力が枯渇することなく電動車両の走行を継続できるか否かを適切に判定し得る値に設定される。また、例えば、制御装置１００は、電動車両の走行時において、バッテリ１０の出力が要求値に対して不足する場合、駆動用モータ３２へ給電するために、燃料電池２０の発電電力をインバータ３１へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させる。
【００６５】
上記のように、燃料電池２０の発電電力を負荷３０側へ供給させる際において、制御装置１００は、燃料電池２０の発電電力を燃料電池コンバータ５０によって昇圧させて負荷３０側へ供給させる。具体的には、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２の下スイッチング素子５１２，５２２をスイッチング動作させることによって、燃料電池２０の発電電力を昇圧させる。このような燃料電池コンバータ５０の動作を昇圧動作とも呼ぶ。
【００６６】
例えば、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０を昇圧動作させる際に、三角波状のキャリア波を生成し、当該キャリア波と電圧指令値とを比較することによって、下スイッチング素子５１２，５２２の開閉タイミングを示すパルス波状の指令信号を生成する。そして、制御装置１００は、指令信号を燃料電池コンバータ５０に出力することにより、当該指令信号に応じたスイッチング動作を下スイッチング素子５１２，５２２に行わせる。
【００６７】
このように、キャリア波との比較対象となる電圧指令値の設定値に応じて下スイッチング素子５１２，５２２の指令信号が決定されるので、制御装置１００は、電圧指令値を適宜設定することによって、下スイッチング素子５１２，５２２のスイッチング動作のデューティー比を制御することができる。ここで、昇圧前の電圧（燃料電池２０の発電電力の電圧）をＶ＿ｉｎとし、昇圧後の電圧（燃料電池コンバータ５０より負荷３０側の電圧）をＶ＿ｏｕｔとした場合、デューティー比γは以下の式（１）によって表される。
【００６８】
【数１】
2019110654.tif 000003
【００６９】
例えば、制御装置１００は、まず、所望の昇圧比が得られるように、デューティー比γを式（１）に基づいて決定する。そして、制御装置１００は、デューティー比γがそのように決定された値になるように、電圧指令値を設定する。それにより、燃料電池コンバータ５０の昇圧動作における昇圧比が適切に制御される。
【００７０】
制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０を昇圧動作させる際に、下スイッチング素子５１２，５２２を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。
【００７１】
この場合、例えば、制御装置１００は、図３に示すように、下スイッチング素子５１２，５２２のキャリア波を、互いに１８０°の位相差が生じるように生成する。そして、制御装置１００は、下スイッチング素子５１２，５２２の各々について、キャリア波が電圧指令値以上となる区間でＯＮとなるように指令信号を生成する。それにより、下スイッチング素子５１２，５２２の指令信号を互いに１８０°の位相差が生じるように生成することができるので、下スイッチング素子５１２，５２２を互いに１８０°の位相差が生じるようにスイッチング動作させることができる。ゆえに、リアクトル５１５を流れる電流ｉｕとリアクトル５２５を流れる電流ｉｖとの間で、１８０°の位相差が生じる。よって、燃料電池２０に流れる電流ｉ（換言すると、電流ｉｕと電流ｉｖとを合成した電流）の周期が、下スイッチング素子５１２，５２２のスイッチング動作が同位相である場合と比較して、半減される。ゆえに、下スイッチング素子５１２，５２２のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルに相当する電流ｉの振幅を低減することができる。
【００７２】
なお、制御装置１００により生成される下スイッチング素子５１２，５２２のキャリア波の間での位相差は、１８０°以外であってもよい。その場合においても、下スイッチング素子５１２，５２２の指令信号を、互いに位相差が生じるように生成することができる。ゆえに、電流ｉｕと電流ｉｖとの間で位相差を生じさせることができる。よって、燃料電池２０に流れる電流ｉにおける低周波成分を弱めることができるので、下スイッチング素子５１２，５２２のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルに相当する電流ｉの振幅を低減することができる。
【００７３】
（外部充電時）
次に、図４を参照して、バッテリ１０の外部充電時の電源システム１の動作について説明する。バッテリ１０の外部充電は、外部交流電源２０１から受電される電力を用いたバッテリ１０の充電に相当する。図４は、バッテリ１０の外部充電時の電源システム１における電力の流れを示す模式図である。
【００７４】
例えば、電源システム１が搭載される電動車両が外部交流電源２０１を備える外部電源装置２００の近傍に停車している場合等に、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態になり得る。図４に示すように、外部電源装置２００は、例えば、外部交流電源２０１と、送電コイル２０２とを備える。送電コイル２０２は、外部交流電源２０１と接続されており、外部交流電源２０１からの供給電源を送電可能である。受電部６０は、具体的には、受電コイル６１が送電コイル２０２と対向して近接する場合に、外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態になり得る。
【００７５】
受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合において、制御装置１００は、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いてバッテリ１０が充電されるように、電源システム１を制御する。
【００７６】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、切替部５９の動作を制御することによって、燃料電池コンバータ５０を受電部６０と接続させる。それにより、具体的には、図４に示すように、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２が、スイッチ５９１，５９２により受電部６０と接続される。
【００７７】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、切替部５９により燃料電池コンバータ５０が受電部６０と接続されることによって、図４に示すように、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を負荷３０側へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させることができる。
【００７８】
上記のように、外部交流電源２０１から受電される電力を負荷３０側へ供給させる際において、制御装置１００は、外部交流電源２０１から受電される電力を燃料電池コンバータ５０によって整流させて負荷３０側へ供給させる。具体的には、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２の各スイッチング素子の動作を制御することによって、外部交流電源２０１から受電される電力を整流させる。このような燃料電池コンバータ５０の動作を整流動作とも呼ぶ。
【００７９】
制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０を整流動作させる際に、燃料電池コンバータ５０をダイオードブリッジとして動作させる。具体的には、制御装置１００は、下スイッチング素子５１２，５２２をＯＦＦに維持する。それにより、燃料電池コンバータ５０をダイオードブリッジとして機能させ、外部交流電源２０１から受電される交流電力を全波整流して負荷３０側へ供給することができる。
【００８０】
なお、受電部６０により非接触で受電される外部交流電源２０１からの供給電力は比較的高い周波数を有する交流電力であるので、外部交流電源２０１から受電される交流電力を例えばＰＷＭ整流器によって整流することは困難である。ゆえに、上記のように、燃料電池コンバータ５０をダイオードブリッジとして動作させることによって、外部交流電源２０１から受電される交流電力を効果的に整流することができる。
【００８１】
ここで、外部交流電源２０１から受電される電力を用いてバッテリ１０を充電させる場合、バッテリ１０に供給される電力の電圧をバッテリ１０により充電可能な電圧である充電電圧に調整する必要がある。
【００８２】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、負荷３０側から供給される電力をバッテリコンバータ８０によって降圧させてバッテリ１０に供給させる。具体的には、制御装置１００は、バッテリコンバータ８０の上スイッチング素子８９１をスイッチング動作させることによって、負荷３０側から供給される電力を降圧させる。このようなバッテリコンバータ８０の動作を降圧動作とも呼ぶ。制御装置１００は、バッテリコンバータ８０の降圧動作を制御することによって、バッテリ１０に供給される電力の電圧を充電電圧に調整する。それにより、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いたバッテリ１０の充電が実現される。
【００８３】
上記のように、制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、燃料電池コンバータ５０を受電部６０と接続させダイオードブリッジとして動作させ、バッテリコンバータ８０を降圧動作させることによって、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いてバッテリ１０を充電させ得る。
【００８４】
なお、上記では、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力をバッテリ１０の充電に用いる例を説明したが、外部交流電源２０１から受電される電力は駆動用モータ３２へ供給されてもよい。例えば、制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、駆動用モータ３２の駆動要求があった際等に、図４において二点鎖線の矢印によって示すように、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を駆動用モータ３２へインバータ３１を介して供給させてもよい。
【００８５】
＜３．電源システムの効果＞
続いて、本実施形態に係る電源システム１の効果について説明する。
【００８６】
本実施形態に係る電源システム１では、燃料電池コンバータ５０は、燃料電池２０の正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と負荷３０の正極側との間に接続される上ダイオード、当該リアクトルの他端と燃料電池２０の負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路５１，５２を備える。また、燃料電池コンバータ５０の一対のチョッパ回路５１，５２における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点Ｐ５１，Ｐ５２より当該リアクトル側には、燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態とを切り替え可能な切替部５９が設けられる。
【００８７】
それにより、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、燃料電池コンバータ５０を受電部６０と接続させ整流動作させることによって、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いてバッテリ１０を充電させることができる。ゆえに、駆動用モータ３２の駆動が停止している電動車両の停車時等に、燃料電池コンバータ５０をバッテリ１０の外部充電における電力の変換のために利用することができる。よって、電動車両の停車時等に、燃料電池コンバータ５０が利用されていない状況が生じることを抑制することができる。したがって、バッテリ１０及び燃料電池２０を備える電源システム１における装置の利用効率を向上させることができる。
【００８８】
さらに、本実施形態によれば、電源システム１における装置の利用効率が向上されることによって、電源システム１における部品点数の増大を抑制することができる。例えば、バッテリ１０の外部充電における電力の変換（具体的には、外部交流電源２０１から受電される直流電力の整流）を行うための装置を電源システム１に追加的に設けることを抑制することができる。ゆえに、電源システム１が大型化することを抑制することができる。
【００８９】
また、本実施形態に係る電源システム１では、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、燃料電池コンバータ５０を受電部６０と接続させダイオードブリッジとして動作させ、バッテリコンバータ８０を降圧動作させることによって、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いてバッテリ１０を充電させ得る。それにより、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される比較的高い周波数を有する交流電力を効果的に整流することができる。
【００９０】
また、本実施形態に係る電源システム１では、制御装置１００は、燃料電池コンバータ５０を昇圧動作させる際に、燃料電池コンバータ５０の一対のチョッパ回路５１，５２の下スイッチング素子５１２，５２２を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させ得る。それにより、リアクトル５１５を流れる電流とリアクトル５２５を流れる電流との間で位相差を生じさせることができるので、下スイッチング素子５１２，５２２のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルを低減することができる。
【００９１】
＜４．応用例＞
続いて、図５〜図７を参照して、応用例に係る電源システム２について説明する。
【００９２】
［構成］
まず、図５を参照して、応用例に係る電源システム２の構成について説明する。図５は、応用例に係る電源システム２の概略構成を示す模式図である。
【００９３】
図５に示すように、応用例に係る電源システム２は、上述した電源システム１と比較して、バッテリコンバータの構成について異なる。
【００９４】
応用例では、図５に示すように、バッテリ１０は、電圧を変換可能なバッテリコンバータ４０を介して燃料電池２０及び燃料電池コンバータ５０と並列にインバータ３１に接続される。ゆえに、バッテリ１０の蓄電電力をインバータ３１にバッテリコンバータ４０を介して供給することができる。なお、バッテリ１０の蓄電電力は、電動車両に設けられる各種補機へ供給されてもよい。また、負荷３０側から供給される電力をバッテリ１０にバッテリコンバータ４０を介して供給することができる。
【００９５】
バッテリコンバータ４０は、電圧を変換可能な電力変換装置であり、バッテリ１０の蓄電電力を昇圧して負荷３０側へ供給する機能を有する。さらに、バッテリコンバータ４０は、負荷３０側から供給される電力を降圧してバッテリ１０に供給する機能を有する。バッテリコンバータ４０には、スイッチング素子が設けられ、スイッチング素子の動作が制御されることにより、バッテリコンバータ４０による電力の変換が制御される。
【００９６】
図５に示すように、バッテリコンバータ４０は、互いに並列に設けられる一対のチョッパ回路４１，４２を備える。
【００９７】
チョッパ回路４１は、上スイッチング素子４１１、下スイッチング素子４１２、上ダイオード４１３、下ダイオード４１４、及びリアクトル４１５を含む。バッテリ１０の正極側にリアクトル４１５の一端が接続される。上ダイオード４１３は、リアクトル４１５の他端とインバータ３１の正極側との間に接続されるダイオードである。上ダイオード４１３は、具体的には、リアクトル４１５の他端からインバータ３１の正極側へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下ダイオード４１４は、リアクトル４１５の他端とバッテリ１０の負極側との間に接続されるダイオードである。下ダイオード４１４は、具体的には、バッテリ１０の負極側からリアクトル４１５の他端へ向かう一方向に電流の向きを規制する。上スイッチング素子４１１は、上ダイオード４１３に並列に接続されるスイッチング素子である。下スイッチング素子４１２は、下ダイオード４１４に並列に接続されるスイッチング素子である。
【００９８】
チョッパ回路４２は、上スイッチング素子４２１、下スイッチング素子４２２、上ダイオード４２３、下ダイオード４２４、及びリアクトル４２５を含む。バッテリ１０の正極側にリアクトル４２５の一端が接続される。上ダイオード４２３は、リアクトル４２５の他端とインバータ３１の正極側との間に接続されるダイオードである。上ダイオード４２３は、具体的には、リアクトル４２５の他端からインバータ３１の正極側へ向かう一方向に電流の向きを規制する。下ダイオード４２４は、リアクトル４２５の他端とバッテリ１０の負極側との間に接続されるダイオードである。下ダイオード４２４は、具体的には、バッテリ１０の負極側からリアクトル４２５の他端へ向かう一方向に電流の向きを規制する。上スイッチング素子４２１は、上ダイオード４２３に並列に接続されるスイッチング素子である。下スイッチング素子４２２は、下ダイオード４２４に並列に接続されるスイッチング素子である。
【００９９】
チョッパ回路４１，４２の各スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。
【０１００】
バッテリコンバータ４０の各チョッパ回路において、上スイッチング素子４１１（４２１）がＯＦＦに維持された状態で、下スイッチング素子４１２（４２２）がスイッチング動作を行うことによって、バッテリ１０の蓄電電力が昇圧されて負荷３０側へ供給される。この際、バッテリコンバータ４０の各チョッパ回路では、下スイッチング素子４１２（４２２）がＯＮであるときにリアクトル４１５（４２５）へ磁気エネルギが蓄積され、下スイッチング素子４１２（４２２）がＯＦＦであるときにリアクトル４１５（４２５）から磁気エネルギが放出される。
【０１０１】
また、バッテリコンバータ４０の各チョッパ回路において、下スイッチング素子４１２（４２２）がＯＦＦに維持された状態で、上スイッチング素子４１１（４２１）がスイッチング動作を行うことによって、負荷３０側から供給される電力が降圧されてバッテリ１０に供給される。この際、バッテリコンバータ４０の各チョッパ回路では、上スイッチング素子４１１（４２１）がＯＮであるときにリアクトル４１５（４２５）へ磁気エネルギが蓄積され、上スイッチング素子４１１（４２１）がＯＦＦであるときにリアクトル４１５（４２５）から磁気エネルギが放出される。
【０１０２】
応用例では、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０の一対のチョッパ回路４１，４２のスイッチング素子の動作を制御することによって、チョッパ回路４１，４２による電力の変換を制御する。
【０１０３】
［動作］
続いて、図６及び図７を参照して、応用例に係る電源システム２の動作について説明する。
【０１０４】
（走行時）
まず、図６を参照して、電動車両の走行時の電源システム２の動作について説明する。図６は、電動車両の走行時の電源システム２における電力の流れを示す模式図である。
【０１０５】
電動車両の走行時において、制御装置１００は、バッテリ１０の蓄電電力を主として用いて駆動用モータ３２が駆動され、燃料電池２０の発電電力を用いてバッテリ１０の充電等が行われるように、電源システム２を制御する。
【０１０６】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、切替部５９の動作を制御することによって、燃料電池コンバータ５０を燃料電池２０の正極側と接続させる。それにより、具体的には、図６に示すように、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２が、スイッチ５９１，５９２により燃料電池２０の正極側と接続される。
【０１０７】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、切替部５９により燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側と接続されることによって、図６に示すように、燃料電池２０の発電電力を負荷３０側へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させることができる。この際、制御装置１００は、燃料電池２０の発電電力を燃料電池コンバータ５０によって昇圧させて負荷３０側へ供給させる。このような燃料電池コンバータ５０による昇圧動作については、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１０８】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、例えば、駆動用モータ３２の出力が要求値と一致するように、加減速指令量及び車速等のパラメータに基づいて、駆動用モータ３２の出力を制御する。ここで、制御装置１００は、図６に示すように、バッテリ１０の蓄電電力を負荷３０側へバッテリコンバータ４０を介して供給させることができる。
【０１０９】
上記のように、バッテリ１０の蓄電電力を負荷３０側へ供給させる際において、制御装置１００は、バッテリ１０の蓄電電力をバッテリコンバータ４０によって昇圧させて負荷３０側へ供給させる。具体的には、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０のチョッパ回路４１，４２の下スイッチング素子４１２，４２２をスイッチング動作させることによって、バッテリ１０の蓄電電力を昇圧させる。このようなバッテリコンバータ４０の動作を昇圧動作とも呼ぶ。
【０１１０】
例えば、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０を昇圧動作させる際に、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様に、三角波状のキャリア波と電圧指令値とを比較することによって、下スイッチング素子４１２，４２２の開閉タイミングを示すパルス波状の指令信号を生成する。そして、制御装置１００は、指令信号をバッテリコンバータ４０に出力することにより、当該指令信号に応じたスイッチング動作を下スイッチング素子４１２，４２２に行わせる。
【０１１１】
また、制御装置１００は、例えば、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様に、所望の昇圧比が得られるように、下スイッチング素子４１２，４２２のデューティー比を決定する。そして、制御装置１００は、デューティー比がそのように決定された値になるように、電圧指令値を設定する。それにより、バッテリコンバータ４０の昇圧動作における昇圧比が適切に制御される。
【０１１２】
また、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０を昇圧動作させる際に、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様に、下スイッチング素子４１２，４２２を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。例えば、制御装置１００は、下スイッチング素子４１２，４２２のキャリア波を互いに１８０°の位相差が生じるように生成することによって、下スイッチング素子４１２，４２２を互いに１８０°の位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。なお、制御装置１００により生成される下スイッチング素子４１２，４２２のキャリア波の間での位相差は、１８０°以外であってもよい。
【０１１３】
制御装置１００は、電動車両の走行時に、図６において二点鎖線の矢印によって示すように、負荷３０側から供給される電力をバッテリ１０にバッテリコンバータ４０を介して供給させることができる。それにより、燃料電池２０の発電電力を用いたバッテリ１０の充電及び駆動用モータ３２の回生電力を用いたバッテリ１０の充電が実現される。
【０１１４】
上記のように、負荷３０側から供給される電力をバッテリ１０に供給させる際において、制御装置１００は、負荷３０側から供給される電力をバッテリコンバータ４０によって降圧させてバッテリ１０に供給させる。具体的には、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０のチョッパ回路４１，４２の上スイッチング素子４１１，４２１をスイッチング動作させることによって、駆動用モータ３２の回生電力を降圧させる。このようなバッテリコンバータ４０の動作を降圧動作とも呼ぶ。
【０１１５】
例えば、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０を降圧動作させる際に、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様に、三角波状のキャリア波と電圧指令値とを比較することによって、上スイッチング素子４１１，４２１の開閉タイミングを示すパルス波状の指令信号を生成する。そして、制御装置１００は、指令信号をバッテリコンバータ４０に出力することにより、当該指令信号に応じたスイッチング動作を上スイッチング素子４１１，４２１に行わせる。
【０１１６】
このように、キャリア波との比較対象となる電圧指令値の設定値に応じて上スイッチング素子４１１，４２１の指令信号が決定されるので、制御装置１００は、電圧指令値を適宜設定することによって、上スイッチング素子４１１，４２１のスイッチング動作のデューティー比を制御することができる。ここで、降圧前の電圧（バッテリコンバータ４０より負荷３０側の電圧）をＶ＿ｉｎとし、降圧後の電圧（バッテリコンバータ４０よりバッテリ１０側の電圧）をＶ＿ｏｕｔとした場合、デューティー比γは以下の式（２）によって表される。
【０１１７】
【数２】
2019110654.tif 000004
【０１１８】
例えば、制御装置１００は、まず、所望の降圧比が得られるように、デューティー比γを式（２）に基づいて決定する。そして、制御装置１００は、デューティー比γがそのように決定された値になるように、電圧指令値を設定する。それにより、バッテリコンバータ４０の降圧動作における降圧比が適切に制御される。
【０１１９】
また、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０を降圧動作させる際に、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による昇圧動作と同様に、上スイッチング素子４１１，４２１を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。例えば、制御装置１００は、上スイッチング素子４１１，４２１のキャリア波を互いに１８０°の位相差が生じるように生成することによって、上スイッチング素子４１１，４２１を互いに１８０°の位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。なお、制御装置１００により生成される上スイッチング素子４１１，４２１のキャリア波の間での位相差は、１８０°以外であってもよい。
【０１２０】
（外部充電時）
次に、図７を参照して、バッテリ１０の外部充電時の電源システム２の動作について説明する。図７は、バッテリ１０の外部充電時の電源システム２における電力の流れを示す模式図である。
【０１２１】
例えば、電源システム２が搭載される電動車両が外部交流電源２０１を備える外部電源装置２００の近傍に停車している場合（具体的には、受電部６０の受電コイル６１が外部電源装置２００の送電コイル２０２と対向して近接する場合）等に、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態になり得る。受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合において、制御装置１００は、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いてバッテリ１０が充電されるように、電源システム２を制御する。
【０１２２】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、切替部５９の動作を制御することによって、燃料電池コンバータ５０を受電部６０と接続させる。それにより、具体的には、図７に示すように、燃料電池コンバータ５０のチョッパ回路５１，５２が、スイッチ５９１，５９２により受電部６０と接続される。
【０１２３】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、切替部５９により燃料電池コンバータ５０が受電部６０と接続されることによって、図７に示すように、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を負荷３０側へ燃料電池コンバータ５０を介して供給させることができる。この際、制御装置１００は、外部交流電源２０１から受電される電力を燃料電池コンバータ５０によって整流させて負荷３０側へ供給させる。このような燃料電池コンバータ５０による整流動作については、上述した電源システム１における燃料電池コンバータ５０による整流動作と同様であるので、説明を省略する。
【０１２４】
ここで、外部交流電源２０１から受電される電力を用いてバッテリ１０を充電させる場合、バッテリ１０に供給される電力の電圧をバッテリ１０により充電可能な電圧である充電電圧に調整する必要がある。
【０１２５】
制御装置１００は、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、負荷３０側から供給される電力をバッテリコンバータ４０によって降圧させてバッテリ１０に供給させる。具体的には、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０のチョッパ回路４１，４２の上スイッチング素子４１１，４２１をスイッチング動作させることによって、駆動用モータ３２の回生電力を降圧させる。それにより、バッテリ１０に供給される電力の電圧を充電電圧に調整することができるので、外部交流電源２０１から受電部６０を介して受電される電力を用いたバッテリ１０の充電が実現される。
【０１２６】
上記のように、バッテリコンバータ４０を降圧動作させる際に、制御装置１００は、例えば、上述した走行時におけるバッテリコンバータ４０による降圧動作と同様に、三角波状のキャリア波と電圧指令値とを比較することによって、上スイッチング素子４１１，４２１の開閉タイミングを示すパルス波状の指令信号を生成する。そして、制御装置１００は、指令信号をバッテリコンバータ４０に出力することにより、当該指令信号に応じたスイッチング動作を上スイッチング素子４１１，４２１に行わせる。
【０１２７】
また、制御装置１００は、例えば、上述した走行時におけるバッテリコンバータ４０による降圧動作と同様に、所望の降圧比が得られるように、上スイッチング素子４１１，４２１のデューティー比を決定する。そして、制御装置１００は、デューティー比がそのように決定された値になるように、電圧指令値を設定する。それにより、バッテリコンバータ４０の降圧動作における降圧比が適切に制御される。
【０１２８】
また、制御装置１００は、バッテリコンバータ４０を降圧動作させる際に、上述した走行時におけるバッテリコンバータ４０による降圧動作と同様に、上スイッチング素子４１１，４２１を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。例えば、制御装置１００は、上スイッチング素子４１１，４２１のキャリア波を互いに１８０°の位相差が生じるように生成することによって、上スイッチング素子４１１，４２１を互いに１８０°の位相差が生じるようにスイッチング動作させてもよい。なお、制御装置１００により生成される上スイッチング素子４１１，４２１のキャリア波の間での位相差は、１８０°以外であってもよい。
【０１２９】
なお、受電部６０が外部交流電源２０１からの供給電力を受電可能な状態である場合に、上述した電源システム１と同様に、図７において二点鎖線の矢印によって示すように、外部交流電源２０１から受電される電力がインバータ３１及び駆動用モータ３２へ供給されてもよい。
【０１３０】
［効果］
続いて、応用例に係る電源システム２の効果について説明する。
【０１３１】
応用例に係る電源システム２では、バッテリコンバータ４０は、バッテリ１０の正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と負荷３０の正極側との間に接続される上ダイオード、当該上ダイオードに並列に接続される上スイッチング素子、当該リアクトルの他端とバッテリ１０の負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路４１，４２を備える。それにより、バッテリコンバータ４０に電圧の変換を行わせる際に、一対のチョッパ回路４１，４２の間でスイッチング動作のタイミングを異ならせることができる。ゆえに、リアクトル４１５を流れる電流とリアクトル４２５を流れる電流との間で位相差を生じさせることができるので、バッテリコンバータ４０のスイッチング素子のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルを低減することができる。
【０１３２】
また、応用例に係る電源システム２では、バッテリコンバータ４０を昇圧動作させる際に、バッテリコンバータ４０の一対のチョッパ回路４１，４２の下スイッチング素子４１２，４２２を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させ得る。それにより、リアクトル４１５を流れる電流とリアクトル４２５を流れる電流との間で位相差を生じさせることができるので、下スイッチング素子４１２，４２２のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルを低減することができる。
【０１３３】
また、応用例に係る電源システム２では、バッテリコンバータ４０を降圧動作させる際に、バッテリコンバータ４０の一対のチョッパ回路４１，４２の上スイッチング素子４１１，４２１を、互いに位相差が生じるようにスイッチング動作させ得る。それにより、リアクトル４１５を流れる電流とリアクトル４２５を流れる電流との間で位相差を生じさせることができるので、上スイッチング素子４１１，４２１のスイッチング動作に起因して脈動する電流リップルを低減することができる。
【０１３４】
＜５．むすび＞
以上説明したように、本実施形態に係る電源システム１では、燃料電池コンバータ５０は、燃料電池２０の正極側に一端が接続されるリアクトル、当該リアクトルの他端と負荷３０の正極側との間に接続される上ダイオード、当該リアクトルの他端と燃料電池２０の負極側との間に接続される下ダイオード及び当該下ダイオードに並列に接続される下スイッチング素子を含む一対の互いに並列に設けられるチョッパ回路５１，５２を備える。また、燃料電池コンバータ５０の一対のチョッパ回路５１，５２における上ダイオード、下ダイオード及びリアクトルの接続点Ｐ５１，Ｐ５２より当該リアクトル側には、燃料電池コンバータ５０が燃料電池２０の正極側に接続された状態と、燃料電池コンバータ５０が受電部６０に接続された状態とを切り替え可能な切替部５９が設けられる。
【０１３５】
それにより、電動車両の停車時等に、燃料電池コンバータ５０をバッテリ１０の外部充電における電力の変換のために利用することができるので、燃料電池コンバータ５０が利用されていない状況が生じることを抑制することができる。よって、バッテリ１０及び燃料電池２０を備える電源システム１における装置の利用効率を向上させることができる。さらに、本実施形態によれば、電源システム１における装置の利用効率が向上されることによって、電源システム１における部品点数の増大を抑制することができるので、電源システム１が大型化することを抑制することができる。
【０１３６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１３７】
１，２  電源システム
１０  バッテリ
１１  バッテリ管理装置
２０  燃料電池
３０  負荷
３１  インバータ
３２  駆動用モータ
４０，８０  バッテリコンバータ
４１，４２  チョッパ回路
５０  燃料電池コンバータ
５１，５２  チョッパ回路
５９  切替部
６０  受電部
６１  受電コイル
１００  制御装置
２００  外部電源装置
２０１  外部交流電源
２０２  送電コイル
【図１】
2019110654.tif 000005
【図２】
2019110654.tif 000006
【図３】
2019110654.tif 000007
【図４】
2019110654.tif 000008
【図５】
2019110654.tif 000009
【図６】
2019110654.tif 000010
【図７】
2019110654.tif 000011